CARACTERIZACIÓN DEL DESGASTE DE HERRAMIENTA EN EL MECANIZADO CNC DEL ACERO P20 CON HERRAMIENTAS DE CARBURO DE TUNGSTENO. RESUMEN L.F. Vargas (1), Y.A. Bojacá (2), R.A. Díaz (3) (1) Docente, Departamento Ingeniería Mecánica, Universidad Libre, COLOMBIA (2) Estudiante, Departamento Ingeniería Mecánica, Universidad Libre, COLOMBIA (3) Estudiante, Departamento Ingeniería Mecánica, Universidad Libre, COLOMBIA E-mail: imec.bk@live.com En los procesos de manufactura modernos se implementan diariamente nuevas tecnologías en maquinaria, en materias primas y en herramientas; simultáneamente a la posibilidad de utilización de estos recursos nuevos, se demanda más conocimiento sobre la correcta utilización de dichos elementos, en el mecanizado se ha avanzado enormemente con la entrada de maquinas herramientas controladas por computador y de herramientas modernas de gran desempeño, sin embargo en algunos casos no se conocen aún las variables de proceso adecuadas para lograr un rendimiento rentable y a la vez que garantice calidad de ejecución de la tarea de mecanizado. En la práctica se encuentra que las industrias manufactureras dedicadas a la fabricación de moldes, tienen como fuente de referencia para la escogencia de las variables de corte a los colegas, a los distribuidores de dichas herramientas y generalmente a lo que la experiencia les ha enseñado, sin embargo dicho conocimiento no ha sido en muchos casos analizado bajo patrones científicos y por ende no se tiene seguridad sobre su aplicación y resultados esperados. Tópico 2: Materiales Metálicos. Palabras clave: Mecanizado, CNC, P20, Rugosidad. 1. INTRODUCCIÓN El proyecto apunta a la caracterización de comportamientos de las variables tecnológicas que son producto de múltiples factores, pero que responden en gran medida al desgaste de la herramienta de corte utilizada. Las razones que se argumentan para la realización de este estudio, parten de la inexistencia de parámetros que representen este desgaste frente a la necesidad de mantener acabados superficiales, precisiones dimensionales y geométricas dentro de los límites permitidos por el diseñador del molde, esto redundará en ahorros considerables para la empresa, que se pueden evidenciar en disminución del consumo energético, ausencia de reproceso por deficientes acabados o correcciones dimensionales, todo esto relacionado con los parámetros de vida útil de la herramienta. 2. OBJETIVOS 2.1 GENERAL Caracterizar y cuantificar en función al desempeño, el desgaste de herramienta que se presenta en el mecanizado en fresadora vertical CNC para la manufactura de moldes en acero P20 para inyección de plástico.
2.2 ESPECÍFICOS Recolectar y clasificar los valores tecnológicos de corte para diferentes fabricantes de moldes que usen el acero P20, a partir de diferentes fuentes industriales, académicas y comerciales. Caracterizar y preparar las probetas necesarias para la realización de mecanizados en el acero P20, mediante pruebas metalográficas y de dureza. Identificar criterios y parámetros de desgaste de herramienta, así como los medios técnicos para su cuantificación. Determinar las relaciones mediante graficas de comportamiento de rugosidad, potencia y desgaste contra tiempo de mecanizado. 3. CIUDAD DE ESTUDIO La investigación se llevará a cabo en la ciudad de Bogotá contando única y exclusivamente con los recursos físicos e institucionales de la Universidad Libre. 4. MATERIAL DE ESTUDIO El proyecto se lleva a cabo con el Acero AISI-P20 + Ni, debido a que este material es utilizado por la industria para la fabricación de moldes en el proceso de inyección de plásticos. Actualmente la demanda de los polímeros hace que existan más empresas dedicadas a su manufactura, lo cual conlleva a la búsqueda procesos controlados y eficientes para la fabricación de Moldes, haciéndose indispensable la caracterización de de los desgastes de la herramienta y su consecuencia en al acabado del producto mecanizado. Propiedades Fundamentales del Acero AISI-P20 + Ni Tabla 1. Propiedades del acero AISI-P20. Propiedad Valor Unidad Densidad 7800 Kg/m³ Dureza 32,86 HRC Coeficiente de dilatación térmica 1,11E-05 Cˉ¹ Conductividad térmica Modulo de elasticidad 29 W/m C 205 Gpa Calor específico 460 J/Kg C Resistencia a la tracción 1080 MPa Límite elástico 990 Mpa
Análisis típico en % Tabla 2. Composición química del acero AISI-P20. COMPOSICIÓN QUÍMICA C Mn S Cr Mo Ni Ca 0,4 1,5 <= 0,005 1,9 0,2 1 + Herramienta para el Corte: Fresa de ¾ in de dos Insertos Material de la herramienta de corte: Insertos de Carburo de Tungsteno APXT-1035 5. PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO Figura 1. Propiedades de los Insertos APXT 1035 Figura 2. Diseño Metodológico para el desarrollo de la investigación 5.1 CALCULO DE VARIABLES TECNOLÓGICAS DE CORTE: VELOCIDAD DEL HUSILLO: DONDE: V: Velocidad de corte D: Diámetro de la herramienta usada para el corte N: Velocidad de usillo (rpm)
VELOCIDAD DE AVANCE n= Numero de Filos Tabla 3. Variables Tecnológicas de Corte VARIABLES TECNOLÓGICAS DE CORTE Vc (fpm) f (mm/rev) N (rpm) Vf (mm/min) 350 0,2 1782,53119 713,0124 Para las pruebas preliminares que se presentan en el presente informe, se tomaron los valores de avance y velocidad de corte recomendadas por la Compañía General de Aceros S.A. 5.2 DISEÑO EXPERIMENTAL: Para llevar a cabo las pruebas de mecanizado, se tomaran pruebas sobre placas de Acero AISI-P20 + Ni, en forma de prisma, a la cual se le realiza un planeado a una profundidad de 0.5 mm, por el toda el área de una de sus bases en recorridos longitudinales y con una espesor de corte del 50% del diámetro de la Herramienta. Figura 3. Esquema de la Trayectoria de Corte Las probetas utilizadas en las prácticas realizadas, son de diferentes dimensiones con el fin de permitirnos realizar mediciones de rugosidad en diferentes puntos de la trayectoria de corte de la Herramienta. Tabla 4. Dimensiones de las probetas Utilizadas PROBETA X (mm) Y (mm) Z (mm) 1 205 48 19 2 185 60 18
6. RESULTADOS 6.1 MEDICIÓN DE LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL Las probetas mecanizadas son sometidas a pruebas de acabado superficial, y rugosidad (R), con un Rugosímetro Mitutoyo SJ-201, las medidas de rugosidad se realizan en diferentes puntos de la probeta con el fin de encontrar variaciones en la rugosidad superficial en función del desgaste de la Herramienta y/o de la longitud mecanizada por la misma. El patrón de medición de rugosidad es de 2.5 x 3, lo cual nos indica medidas de rugosidad a 2.5 mm y en tres mediciones por recorrido del Rugosímetro. Notas: - Las coordenadas X e Y de la Tabla 5 se miden Origen del Mecanizado hasta la el final del Mecanizado. - La cantidad de mediciones de rugosidad de las probetas varía en función de las dimensiones de la misma. - Las probetas se numeran en función de cómo se mecanizan para un par de inserto, siendo 1 primer trabajo realizado con un par de insertos y creciente en la medida y cantidad de probetas que se mecanizan con las mismas. Tabla 5. Rugosidad en las Probetas Mecanizadas PROBETA UBICACIÓN X (mm) Y (mm) RUGOSIDAD (µm) 15 9 0.22 101 9 0.49 190 9 0.47 15 17 0.17 101 17 0.20 1 190 17 0.28 15 27 0.27 101 27 0.40 190 27 0.35 15 36 0.36 101 36 0.38 190 36 0.26 15 11 0.4 95 11 0.46 170 11 0.58 170 23 0.95 95 23 0.57 15 23 0.62 15 35 1.03 2 95 35 1.54 170 35 1.31 170 47 1.09 95 47 1.09 15 47 4.56 15 54 1.12 95 54 1.17 170 54 1.56
6.2 GRAFICAS DE RUGOSIDAD: Grafica 1. Rugosidad en la Probeta 1 Grafica 1. Rugosidad en la Probeta 2 Las Variables que se representan gráficamente corresponden a la cantidad de veces (n), que se realizo la medida en un punto ordenado, de acuerdo a las forma como se desarrollaron las pasadas de la herramienta, y el valor de rugosidad para cada uno de esos puntos ordenado (R). 6.2 DESGASTE DE LA HERRAMIENTA: Las imágenes de la tabla 6. Corresponden a las fotos de los Insertos APTX -1035, en su estado inicial antes de ser usados y como quedaron luego de hacer las pasadas de desbaste en las pruebas preliminares de las probetas 1 y 2, en la misma tabla se muestran las imágenes del filo de la Herramientas en los Estados de uso mencionado anteriormente, Imágenes Tomadas en un Microscopio a 100X de zoom.
Tabla 6. Fotos de las Herramientas H. NUEVA H. USADA FOTO DE HERRAMIENTA COMPLETA FOTO 100X DEL FILO 7. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES: - Las graficas 1 y 2, que se presentan no nos permiten concluir patrones de Rugosidad en función del desgaste de la Herramienta, dado que estás corresponden a pruebas preliminares donde se efectuaban cambios de las variables tecnológicas de corte durante el proceso, adicionalmente no existe un control del desgaste de la herramienta en el proceso de mecanizado, pero de igual forma estas graficas si definen completamente el protocolo de actividades a seguir para determinar la influencia del desgaste de la herramienta en el acabado superficial de la pieza. - Las curvas en las graficas 1 y 2 nos permiten definir algunos patrones en el comportamiento de la Herramienta y su influencia con la rugosidad, por el ejemplo, al mecanizar las dos probetas con el mismo juego de Insertos, se hace evidente que los el efecto de tiempo de mecanizado influye sustancialmente en la rugosidad de las probetas por tanto la probeta 2, tiene rugosidades muy elevados con respecto a la probeta 1. De igual forma en la probeta 2 el incremento de la rugosidad se puede tomar parcialmente como un crecimiento constante, lo cual permitiría interpretar tentativamente que después de un tiempo de trabajo de la herramienta, el desgaste se hace altamente creciente en cortos tiempos de mecanizado. - El incremento en las rugosidades en puntos específicos, se podría explicar como un fallo o fractura prominente en la herramienta, pero que dadas las condiciones iníciales de la investigación descrita no es posible asegurarlo con certeza; la forma de comprobarlos es haciendo observación en la estructura física de la Herramientas en intervalos de tiempo o espacio a lo largo de un mecanizado. - Un aspecto que forma parte de del planteamiento de la investigación, es la medición del consumo de potencia en el centro de mecanizado, pero que dadas las condiciones y los recursos con los que se cuenta actualmente no es posible mostrar estos resultados de una forma adecuada en informe de este tipo, dado que los valores de Potencia generados por el CNC, tan solo son observables en la pantalla en el preciso momento del mecanizado, por tanto buscamos soluciones a este problema.
- El desgaste de la Herramientas en los procedimientos que se han desarrollado hasta el momento se observo que es fractura de la Herramienta, antes que una pérdida progresiva del material. - Cabe anotar que el desarrollo de esta investigación se encuentra en curso deseando obtener los mejores resultados teniendo en cuenta las variables necesarias para ello. REFERENCIAS: 1. E. Oberg F. D. Jones, Velocidades de Corte ; Manual Universal de la Técnica Mecánica, Labor 1989, Barcelona. 2. Catálogos de Fabricante de Aceros: - Compañía General de Aceros S.A. - Bohler - Uddelhom 3. Catálogos de Fabricante de Herramientas - TMX. Tooling Technologies. - SANDVIK