1 INGENIERÍA CIVIL EN MECÁNICA PLAN 2012 GUÍA DE LABORATORIO ASIGNATURA TEORÍA DEL MECANIZADO CÓDIGO 15147 NIVEL 05 EXPERIENCIA C474 MEDICIÓN DE DESGASTE DE HERRAMIENTAS
2 1. OBJETIVO GENERAL Analizar los mecanismos de desgaste de las herramientas de corte en los procesos de mecanizado, y su dependencia de las condiciones de proceso; en particular se pone énfasis en el proceso de abrasión y la forma en que determina la duración (vida útil) de las herramientas de corte. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.1 Verificar experimentalmente la medición y desarrollo del proceso de abrasión de las herramientas de corte como mecanismo de desgaste y su dependencia con las condiciones en que se realice el proceso de mecanizado. 2.2 Verificar los efectos de los mecanismos de desgaste en herramientas de corte de acero rápido y de carburos metálicos, a diferentes velocidades de corte. 2.3 Describir la relación entre el desarrollo del mecanismo de abrasión, en función con las condiciones de mecanizado, con la definición, según normas, de la duración o vida útil de la herramienta. 2.3 Desarrollar los conocimientos básicos para determinar experimentalmente el valor de las constantes de Taylor para la vida útil de la herramienta de corte. 3. INTRODUCCIÓN TEÓRICA La duración de una herramienta de corte es uno de los aspectos económicos más importantes en los procesos de mecanizado y se ha realizado un gran esfuerzo en investigar los factores que determinan la duración o vida útil de una herramienta de corte. La vida útil de una herramienta se puede determinar en varias formas y estas pueden separarse en dos grupos principales: Por el deterioro gradual o progresivo de ciertas zonas de la herramienta de corte. Por una falla o fractura repentina que produzca la terminación prematura de la vida de la herramienta. Dado que la falla o fractura de la herramienta se produce, por lo general, por condiciones inapropiadas para el desarrollo del proceso, a continuación sólo se referirá al proceso de deterior gradual de la herramienta.
3 3.1 Huellas de desgaste de la herramienta de corte. Los signos de desgaste de una herramienta de corte y que pueden determinar su duración y que generan los distintos mecanismos, aparecen en tres superficies de la herramienta de corte (Figura 3.1): En la superficie de incidencia principal se genera una banda de desgaste, originada por el mecanismo de abrasión de la herramienta con la superficie naciente de la pieza que se está mecanizando. En la superficie de desprendimiento se forma un cráter, que es generado principalmente por el mecanismo de desgaste de abrasión entre dicha superficie y la salida de la viruta. El mecanismo de desgaste de difusión solo está presente en dicha zona a altas temperaturas (velocidades de corte) En la superficie de incidencia secundaria y canto cortante secundario se genera un desmoronamiento que son provocados por el mecanismo de oxidación. Para determinación de la duración de las herramientas se emplea fundamentalmente las huellas que genera el mecanismo de abrasión; es decir, la banda de desgaste y el cráter. Para definir geométricamente y poder cuantificar un nivel de desgaste, se utilizan los siguientes elementos: VB = ancho de banda de desgaste KT = profundidad del cráter KB = ancho del cráter K = KT/KM = relación de craterización.
4 Figura 3.1. Huellas de desgaste en una herramienta. 3.2 Duración de herramientas de corte. Criterios de duración. Los efectos de desgaste que afectan a las herramientas de corte condicionan sus funciones en los procesos de fabricación con desprendimiento de viruta. El avance de las huellas de desgaste antes mencionadas hará llegar el momento en que la herramienta no pueda seguir cumpliendo su rol. Ese momento en que la herramienta no puede seguir generando viruta juega un papel importante respecto de los tiempos y costos de fabricación, asimismo que en la calidad obtenida en la pieza de fabricación. Por ello, es importante la definición de un criterio cuantitativo para la determinación de ese momento de cambio de la herramienta de corte. Se define duración de un filo de una herramienta de corte, como el tiempo de corte necesario para que éste alcance un determinado nivel de desgaste. Los criterios de duración definidos por la Norma ISO 3685-1993, se basan en la medición de las marcas de desgaste sobre la herramienta de corte. La geometría de estas marcas y su nomenclatura se han mostrado en la Figura 3.1.
5 En la Figura 3.2 se detallan los elementos de la cuantificación del desgaste de la herramienta. El criterio normalmente usado se refiere a la superficie de incidencia principal; es decir, la banda de desgaste que se genera en esa zona. Este criterio es el que normalmente se emplea como criterio de duración. Figura 3. 2. Identificación del desgaste de la herramienta de corte. Los criterios de duración según la Norma ISO 3685-1993 para herramientas de acero rápido o cerámicas: Falla catastrófica, o VBB = 0,3 mm, si el flanco está desgastado regularmente en la zona B, o VBB máx. = 0,6 mm, si el flanco está desgastado irregularmente, rayado, astillado o demasiado ranurado en la zona B. Los criterios de duración según Norma ISO 3685-1993, para herramientas de carburos metálicos: VBB = 0,3 mm, si el flanco esta desgastado regularmente en la zona B, o VBB máx. = 0,6 mm., si el flanco está desgastado irregularmente, o KT = 0,06 + 0,3 f, donde f es el avance.
6 3.3 Modelo de Taylor de duración de herramientas. La necesidad de expresar la duración de las herramientas de corte mediante un modelo matemático ha conducido a variadas posibilidades. Estas expresiones matemáticas son básicas para la optimización de condiciones de mecanizado. El modelo más usado, por su simplicidad y por su costo, es el Modelo de Taylor, ya que el costo de la determinación empírica de las constantes es menor. En la Figura 3.3 se muestra el procedimiento experimental que se utiliza para la determinación de las constantes necesarias de este modelo. Figura 3.3 Modelo de Taylor de duración de herramientas. El método experimental usado consiste en realizar operaciones de mecanizado, normalmente torneado en cilindrado de piezas para un tipo de material con un tipo de herramienta, a distintas velocidades de corte vc e ir verificando la variación del ancho de la banda de desgaste VBB en función del tiempo de mecanizado. De esta forma se obtiene, para distintas velocidades de corte, las curvas mostradas en la parte superior de la Figura 3.3.
7 En estas curvas se documenta los resultados experimentales de la variación del ancho de la banda de desgaste en función del tiempo de mecanizado, para diferentes velocidades de corte empleadas. Las escalas usadas para estos gráficos son lineales. Luego, de acuerdo con el tipo de herramienta que se ha utilizado, se determina los valores de tiempos de mecanizado, para las diferentes velocidades de corte, en los cuales se ha obtenido un ancho de la banda de desgaste VBB de 0,3 [mm]. Con los pares de datos v1-t1, v2-t2, v3-t3 y v4-t4 se construye la curva mostrada en la parte inferior de la Figura 3.3. En la mejor recta que resulta de esos antecedentes usados en ese gráfico con escalas logarítmicas, se puede obtener las constantes K y Cv. K es la pendiente de la curva y Cv es el valor de la velocidad de corte vc para una duración T de 1,0 [min]. La curva de duración así obtenida permite determinar la duración que tendrá la herramienta para la velocidad de corte que se emplee. Estos antecedentes osn básicos para la optimización de las condiciones corte. Por lo tanto, la evolución de la banda de desgaste en el tiempo, para una determinada velocidad de corte, representa en elemento fundamental para la determinación de la duración de un tipo de herramienta de corte, en el mecanizado de un determinado material. Por ello, en este laboratorio se verá la evolución de la banda de desgaste, al mecanizar en torneado una pieza de acero SAE 1020, para diferentes tipos de herramientas. 4. MÉTODO A SEGUIR La metodología a seguir en este laboratorio es la siguiente: - Disponer de un torno convencional y dos herramientas de corte: una de acero rápido (HSS) y otra de carburos metálicos con recubrimientos. - Disponer de un trozo de acero dulce (SAE 1020), para realizar operaciones de cilindrado en torneado. - Iniciar actividades en el torno identificado, indicando las medidas de seguridad a tomar en consideración, asimismo que explicar la forma de operación de esta máquina. - Montar la herramienta de acero rápido y realizar una operación de cilindrado, con una duración de 1 [min], con avance medio (en el orden de 0,2
8 [mm/rev]), profundidad de corte de 2 [mm] y una velocidad de corte del orden de 35 [m/min]. Sacar la herramienta para luego medir la banda de desgaste en el microscopio. Repetir la operación de cilindrado del material, cambiando la herramienta de carburos metálicos con recubrimiento y usando una velocidad de corte de 150 [m/min] y cilindrar por espacio de 30 [s]. El resto de las condiciones se mantiene. Luego de esta operación, se debe sacar el inserto o plaquita de carburos metálicos para su medición en el microscopio. - Finalizar las acciones con el torno mencionado. - Montar las herramientas, para ser analizadas en el microscopio usando la mesa de coordenadas. - Medir la banda de desgaste de ambas herramientas y relacionar los resultados con la duración de ambos tipos de herramientas. - Entregar indicaciones respecto de los objetivos a obtener con el informe. 5.- VARIABLES A CONSIDERAR Las variables más importantes a considerar en el ensayo son los siguientes: ap = profundidad de corte [mm] f = avance [mm] vc = velocidad de corte [m/min] v π n d 1000 n = velocidad de giro de la pieza [rpm] d = diámetro de la pieza [mm] t l f n tp = tiempo principal ( de mecanizado) [min] l = largo de la pieza [mm] Las condiciones de corte (profundidad de corte, avance, velocidad de corte) fueron definidas para los ensayos a realizar.
9 6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN Los temas más importantes de interrogación son los siguientes: El mecanismo de desgaste que genera la formación de la banda de desgaste y el cráter en las herramientas de corte en su uso en procesos de mecanizado. La huellas de desgaste, de acuerdo con el tipo de herramienta que se use: acero rápido y carburos metálicos con recubrimiento. Relación de la evolución de la banda de desgaste de las herramientas con su duración. La obtención de las constantes para el Modelo de Taylor cuando se mecaniza un material con un tipo de herramienta. Diferencias de los desgastes de las herramientas de acero rápido y carburos metálicos con recubrimientos. 7.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR Los instrumentos a usar en esta experiencia son los siguientes: Microscopio para ampliar desgaste de las herramientas de corte. Mesa de coordenadas para medir el ancho de la banda de desgaste de las herramientas usadas Pié de metro para medir le diámetro de la pieza y determinar la velocidad de corte que se empleará en el proceso. 8.- LO QUE SE PIDE EN EL INFORME Informe con los resultados obtenidos en el laboratorio para la presencia de los mecanismos de desgaste de las herramientas de corte de acero rápido y carburos metálicos. Diferencias de la presencia de esos mecanismos en las herramientas, de acuerdo con las velocidades de corte empleadas. Conclusiones sobre los desgastes obtenidos en las diferentes herramientas obtenidos en el mecanizado de un acero dulce (SAE 1020). Contrastación de los aspectos teóricos de los mecanismos de desgaste, de acuerdo con las velocidades de corte empleadas con los resultados obtenidos en laboratorio. 9.- BIBLIOGRAFÍA Sepúlveda, E. Unidad Temática 3, Teoría del Mecanizado USACH, 2015.