PROCESOS METALURGICOS

 

Asignatura: Procesos Metalúrgicos

Curso: 5° Mecánica

Profesor: Ariel Lauritto

 email: rariel_lauritto@yahoo.com.ar 

Tratamientos térmicos y Termoquímicos

Los materiales metalúrgicos frecuentemente son sometidos a ciertos procesos o ciclos de calentamiento y enfriamiento a velocidades determinadas mediante los cuales se consiguen propiedades más convenientes para su utilización industrial.   Estos procesos se denominan TRATAMIENTOS TÉRMICOS y según la temperatura que se alcanza en el calentamiento, y la velocidad del enfriamiento posterior, se clasifican en: ·        recocido  ·        normalizado ·        temple ·        revenido Los aceros son los materiales más ampliamente usados en los cuales siempre se hace algún tratamiento térmico antes de su utilización y a ellos nos referiremos en particular. Estos presentan ciertas temperaturas en las cuales se producen modificaciones en su estructura íntima; tales temperaturas se llaman puntos críticos y es necesario llegar a ellos en el calentamiento, y aún pasar un poco más, para lograr la transformación deseada. El gráfico nos muestra cómo se produce el calentamiento de un acero hasta 30-50ºC por encima de la temperatura crítica superior, manteniendo un cierto tiempo esta temperatura, dependiendo del espesor de la pieza; luego, según la velocidad con que enfriemos, tenemos los tres procesos. Recocido o     Se hace con enfriamiento lento, generalmente dentro del mismo horno de calentamiento. o    Mediante este proceso se consigue: §   ablandar el acero para facilitar su trabajo. §  A temperatura algo superior se consigue homogeneizar la composición. §  También puede hacerse un recorrido sin llegar a la temperatura crítica (subcrítico) con el propósito de eliminar las tensiones internas, que son tensiones elásticas remanentes del colado, trabajado en caliente, etcétera, y que si no se eliminan pueden provocar la ruptura de piezas aparentemente sanas. o    Tenemos distintos tipos: §  Recocido de regeneración. Tiene por objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados. §  Recocido globular. Se realiza para lograr una más fácil deformación en frío. §  Recocido contra la acritud. Recuperamos las propiedades perdidas en la deformación en frío (acritud). §  Recocido de ablandamiento. Ablandamos piezas templadas con anterioridad para su mecanización. §  Recocido de estabilización. Elimina las tensiones de las piezas trabajadas en frío. §  Recocido isotérmico. Mejoramos la maquinabilidad de las piezas estampadas en caliente. §  Doble recocido. Para lograr una estructura mecanizable en aceros de alta aleación  Normalizado o    Se enfría con una velocidad intermedia, el enfriamiento para normalizar se hace sacando la pieza del horno en que se ha calentado por encima de la temperatura crítica superior, y dejándola enfriar al aire (calmo o en movimiento), en montón o individualmente, según la velocidad deseada. o     Con el normalizado se consigue: §   una mayor resistencia con poca disminución de la ductilidad, sin llegar al endurecimiento por temple. Para comprenderlo es necesario conocer previamente que los metales se encuentran formados por cristales o granos metálicos, los que se agrandan cuando se someten a temperaturas elevadas durante prolongado tiempo, y que ese tamaño se mantiene si se enfría lentamente, en cambio se reduce o afina cuanto mayor es la velocidad de enfriamiento. Ocurre que cuando se forja un acero, por ejemplo, hay partes que se calientan más que otras y asimismo algunas enfrían más rápidamente que otras y en consecuencia la pieza presenta distintas zonas con granos de tamaño diferentes. Como este tamaño de grano tiene una gran influencia sobre las propiedades mecánicas (grano fino, mayor resistencia), es necesario normalizar el tamaño de grano, o sea llevar la pieza a una condición normal o uniforme. Regulando la velocidad de enfriamiento puede lograrse a voluntad el tamaño de grano más conveniente.  Temple Teniendo el acero caliente en un horno a temperatura por encima de la crítica superior, procedemos a enfriar bruscamente con aceite. En esta forma conseguimos una gran dureza en los aceros con contenidos de carbono superiores a 0,35%. Cada acero, según su composición química, debe ser enfriado a una velocidad mínima necesaria para que en su estructura íntima se produzcan las transformaciones que  originan la aparición de microconstituyentes duros, y a esta velocidad de enfriamiento se denomina velocidad crítica. Luego del temple aumenta la dureza, resistencia, límite elástico y disminuye el alargamiento. La severidad del temple puede ser graduada eligiendo un medio de enfriamiento conveniente, pudiendo usarse agua con aproximadamente 10% de sal, agua pura o aceite entre otros, y así mismo dependerá de la temperatura de dicho medio. Revenido Se procede a un calentamiento por debajo de la temperatura crítica; esta temperatura depende del tipo de acero y de la dureza final deseada, pues los productos duros de temple se modifican en este calentamiento. Este proceso permite eliminar las tensiones como consecuencia de los cambios bruscos de temperaturas y de contracciones y dilataciones desiguales producidas por el temple. Importante: - No sólo para cada acero, sino también para cada tipo de pieza, por su forma constructiva, su tamaño, su masa, su uso, es necesario estudiar en cada caso el tratamiento térmico adecuado, las temperaturas máximas y mínimas a aplicar, etcétera. - Los aceros rápidos para herramientas necesitan temperaturas más elevadas de calentamiento, ya que en los elementos aleantes agregados y el carbono, se han formado compuestos llamados carburos, de difícil disolución. Otra característica de estos aceros es que necesitan un doble revenido para lograr sus mejores condiciones de dureza.  Tratamientos Isotérmicos Los tratamientos que se han señalado anteriormente son los clásicos empleados, pero cabe señalar también que se presentan algunos inconvenientes, y para superarlos existen otros métodos que se han agrupado bajo la denominación de isotérmicos porque las transformaciones deseadas en las estructuras de los aceros se realizan en baños a temperatura constante y no con enfriamiento continuo como en los casos anteriores. Estos tratamientos se realizan mediante baños de sales o de plomo calentados a temperaturas adecuadas en los cuales se sumergen las piezas, previamente calentadas en horno por encima de la temperatura crítica superior, manteniéndolas allí un tiempo determinado, procediéndose luego a enfriar al aire.  La temperatura elegida para estos baños es clave para determinar si se logrará un recocido o un temple: ·         a temperatura alta (650-800ºC) tenemos un recocido; ·         a temperatura baja (200-300ºC) tenemos un temple. Ventajas: El recocido isotérmico tiene la ventaja sobre el clásico de que permite ganar mucho tiempo, ya que el enfriamiento lento se suspende mucho antes. El temple evita las grietas que se producen en el temple clásico por el enfriamiento brusco. La aplicación más común es en la fabricación de alambres y se realiza con un baño de plomo a 600ºC. Tratamientos Térmicos Superficiales Hay algunos casos de piezas que deben poder soportar un gran desgaste superficial, además de absorber otros esfuerzos de flexión. Torsión, etcétera, como en el caso de ejes largos y cigüeñales. Si fueran totalmente endurecidos aguantarían el desgaste pero no soportarían la flexión o la torsión y se romperían; en estos casos se hace un endurecimiento superficial manteniendo el núcleo blando, y para ello hay varios procedimientos: §    tratamiento superficial con calentamiento inductivo por corriente eléctrica de alta frecuencia. Al circular una corriente de alta frecuencia por la bobina (refrigerada interiormente con agua), que rodea a la pieza, se induce en la superficie de la misma una corriente que produce un intenso calentamiento por efecto Joule, llegándose a temperaturas por encima de la crítica necesaria; luego se enfría bruscamente y sólo se templa la parte calentada, o sea la superficie. En caso de ejes muy largos se aplica el procedimiento de temple progresivo; la pieza se desplaza pasando dentro de la bobina y enfriándose inmediatamente con un chorro de agua.  Tratamientos Termoquímicos Se efectúa en aceros de bajo porcentaje de carbono (menos del 0,30 % C). En el caso de los tratamientos termoquímicos, no solo se producen cambios en la estructura del acero, sino también en su composición química, añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los componentes dejando el núcleo más blando y flexible. Requieren el uso de calentamiento y enfriamiento en atmósferas especiales Cementación: Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: cajas para carburación, baño líquido y gas. La cementación se aplica a piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes. Dureza superficial y resistencia. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple o    Características de la cementación §  Endurece la superficieNo afecta al corazón de la pieza §  Aumenta el carbono de la superficie §  Se coloca la superficie en contacto con polvos de cementar ( Productos cementantes) §  El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior §  Ej: Los engranajes suelen ser piezas que se cementan Nitruración: igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 – 525º C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. Si en un recinto, un horno de tratamiento térmico, se somete al amoníaco (NH3) a temperaturas de 500° C, se descompone en nitrógeno e hidrógeno. El hidrógeno, más ligero, se separa del nitrógeno por diferencia de densidad. El nitrógeno liberado por la descomposición del amoníaco forma la atmósfera en el interior del horno que, en contacto con la superficie de hierro y a esa temperatura, forma nitruro de hierro, un compuesto de gran dureza pero frágil. Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior. · La nitruración se da a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento y de carga como, por ejemplo, pistas de rodamientos, camisas de cilindros o piezas similares, que necesitan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza contra desgaste y deformaciones. Características generales de la nitruración o    Endurece la superficie de la pieza o    Aumenta el volumen de la pieza o    Se emplean vapores de amoniaco o    Es un tratamiento muy lento o    Las piezas no requieren ningún otro tratamiento Aceros de nitruración No todos los aceros son aptos para nitrurar. Resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio 1%. También es aplicable a los aceros inoxidables, aceros al cromo níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo. No es aconsejable en aceros al carbono no aleados, el nitrógeno penetra rápidamente en la superficie de la pieza y la capa nitrurada puede desprenderse. Cianuración: endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 º C. Consiste en endurecer la superficie exterior de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno. Posteriormente hay que templar las piezas. Se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas, (cianuro, HCN), de modo que el carbono difunde desde el baño hacia el interior del metal. Produce una capa más profunda, más rica en C y menos N. Sus principales ventajas son: eliminación de oxidación, profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes y gran rapidez de penetración; si bien posee ciertas desventajas como son: lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre (Óxido de hierro, en especial en la superficie de objetos de hierro en contacto con la humedad), revisión de la composición del baño en forma periódica y alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que éstas son venenosas. MAS INFORMACIÓN Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales u otros sólidos con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. Vídeo de YouTube Tratamientos térmicos de los metales Se trata de variar la temperatura del material pero sin variar la composición química. OBJETIVO: Mejorar las propiedades de los metales y aleaciones, por lo general, de tipo mecánico. En ocasiones se utiliza este tipo de tratamientos para, posteriormente, conformar el material. Vídeo de YouTube A. Temple El temple se utiliza para obtener un tipo de aceros de alta dureza llamado martensita. Se trata de elevar la temperatura del acero hasta una temperatura cercana a 1000 ºC y posteriormente someterlo a enfriamientos rápidos o bruscos y continuos en agua, aceite o aire. La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el temple depende de la composición química del acero y se denomina templabilidad. Al obtener aceros martensíticos, en realidad, se pretende aumentar la dureza. El problema es que el acero resultante será muy frágil y poco dúctil, porque existen altas tensiones internas. Ensayo de templabilidad o ensayo de Jominy  El ensayo de Jominy consiste en templar una muestra estándar de acero llamada probeta con un chorro de agua de caudal y temperatura constante. La temperatura de la probeta se eleva y se proyecta el chorro de agua por uno de los extremos de la probeta. Ese extremo de la probeta se enfriará rápidamente, sufriendo el temple y será más duro que el otro extremo. Luego se mide la dureza de la probeta cada 1,5 mm a lo largo y se traza la curva de templabilidad. La curva de templabilidad asegura que si la dureza disminuye rápidamente conforme nos alejamos del extremo templado, el acero tendrá una templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi horizontales serán de alta templabilidad, es decir, susceptibles de endurecerse rápido cuando sufren temple.  Fíjate en el siguiente diagrama  Corresponde a dos ensayos de Jominy con dos materiales diferentes. En vertical se presenta la dureza y en horizontal se presenta la distancia desde el extremo templado. Se observa que, a medida que nos alejamos del extremo templado, la dureza (HRC) disminuye. Se puede observar que el descenso de la dureza en la curva inferior es más rápido, con lo cual podemos afirmar que en ese caso, la probeta tendrá baja templabilidad, es decir, que ese acero tiene menos capacidad para transformarse en un acero de alta dureza (martensita) cuando se enfría rápidamente con un líquido (normalmente agua). Vídeo de YouTube B, Revenido El revenido es el tratamiento térmico que sigue al temple. Recuerda que un acero templado es aquel que tiene una dureza muy alta (llamado martensita), pero tiene el inconveniente de ser frágil y poco manejable porque tiene tensiones internas.  El revenido consiste en calentar la pieza templada hasta cierta temperatura, para reducir las tensiones internas que tiene el acero martensítico (de alta dureza). De esto modo, evitamos que el acero sea frágil, sacrificando un poco la dureza. La velocidad de enfriamiento es, por lo general, rápida. C. Recocido El recocido consiste en calentar un material hasta una temperatura dada y, posteriormente, enfriarlo lentamente. Se utiliza, al igual que el caso anterior, para suprimir los defectos del temple. Se persigue: – Eliminar tensiones del temple. – Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad del acero. ¿Cómo se practica el recocido? – Se calienta el acero hasta una temperatura dada – Se mantiene la temperatura durante un tiempo – Se enfría lentamente hasta temperatura ambiente, controlando la velocidad de enfriamiento. Si la variación de temperatura es muy alta, pueden aparecer tensiones internas que inducen grietas o deformaciones. El grado de plasticidad de que se quiere dotar al metal depende de la velocidad de enfriamiento y la temperatura a la que se elevó inicialmente. D. Normalizado Este tratamiento se emplea para eliminar tensiones internas sufridas por el material tras una conformación mecánica, tales como una forja o laminación para conferir al acero unas propiedades que se consideran normales de su composición. El normalizado se practica calentando rápidamente el material hasta una temperatura crítica y se mantiene en ella durante un tiempo. A partir de ese momento, su estructura interna se vuelve más uniforme y aumenta la tenacidad del acero. 7. Tratamientos termoquímicos de los metales Mediante este tipo de tratamientos, el metal sufre procesos de calentamiento y enfriamiento y se varía la composición química superficial de los aceros, adicionando otros elementos para mejorar las propiedades en la superficie, principalmente la dureza o resistencia a la corrosión, sin modificar otras propiedades esenciales tales como ductilidad. a) Cementación: Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa exterior de los aceros. Se mejora la dureza superficial y la resiliencia. Se aplica a piezas que deben ser resistentes a golpes y a la vez al desgaste. Se aplica a los aceros. Consultar o Ampliar - CEMENTACIÓN b) Nitruración: Consiste en endurecer la superficie de los aceros y fundiciones. Las durezas son elevadas y tienen alta resistencia a la corrosión. El componente químico añadido es nitrógeno, que se obtiene del amoniaco. c) Cianuración o carbonitruración: Se trata de endurecer la superficie del material introduciendo carbono y nitrógeno. Es una mezcla de cementación y nitruración. La temperatura es intermedia entre la utilizada para la cementación y la nitruración, que es mucho menor que aquella. Se aplica a los aceros. d) Sulfinación: Se trata de introducir en la superficie del metal azufre, nitrógeno y carbono en aleaciones férricas y de cobre. Se aumenta la resistencia al desgaste, favorece la lubricación y disminuye el coeficiente de rozamiento. Cortes donde se observan algunos de los tratamientos descriptos:

Asignatura: Diseño y Procesamiento mecánico

Curso: 4° Mecánica

Profesor: Ariel Lauritto

email: rariel_lauritto@yahoo.com.ar

El proceso de corte ortogonal

Actividades:

1) Definición y parámetros del corte octogonal.

2)  ¿Qué velocidades intervienen en el corte octogonal?

3) ¿Qué fuerzas intervienen?

4) ¿Qué es la viruta? Tipos: describir

 Definición y parámetros característicos del corte ortogonal

Como ya se ha comentado en apartados anteriores, los procesos de mecanizado son complejos de analizar debido a la multitud de factores que entran en juego (geometría y tipo de material de la pieza a mecanizar, geometría y tipo de material de la herramienta de corte, profundidad y velocidad de corte, temperatura, etc.).

Sin embargo, para simplificar el análisis de los procesos de mecanizado, es muy común en los modelos de estudios emplear el llamado Modelo de Corte Ortogonal, con objeto de poder interpretar y estudiar de una manera más simple, aunque no por ello menos precisa, aquellos factores y parámetros que intervienen en cualquier proceso de mecanizado.

El corte ortogonal, o corte recto, es un modelo simplificado de analizar el proceso de mecanizado por arranque de viruta que permite calcular los parámetros característicos del corte sin alejarse mucho de la realidad.

En el corte ortogonal, el filo de la herramienta de corte es perpendicular a la dirección de desplazamiento entre herramienta y pieza durante el proceso de corte, mientras que en el corte oblicuo existe un cierto ángulo (i) de inclinación.

Por tanto, en el caso del corte ortogonal las fuerzas actuantes durante el corte se pueden descomponer según dos componentes, en lugar de tres como ocurre con el modelo de corte oblicuo. Esto va a suponer que el uso del modelo de corte ortogonal simplifique mucho el estudio de los procesos de mecanizado.

Pero para comprender mejor los parámetros geométricos que definen a un corte ortogonal, es preciso conocer previamente los elementos característicos de una herramienta de corte, como son:

• El filo o arista cortante, que como su nombre indica es la arista o filo de la herramienta que corta el material.

• La superficie de desprendimiento, que es la cara de la herramienta sobre la que desliza el material desprendido.

• La superficie de incidencia, que es la cara de la herramienta que queda frente a la superficie ya mecanizada de la pieza.

En la figura adjunta que se incluye, se representan dichos parámetros geométricos para tener así una mejor comprensión de los mismos.

A continuación, y una vez vistos los parámetros geométricos de la herramienta de corte ya, se pueden definir los ángulos y demás parámetros geométricos que caracterizan al modelo de corte ortogonal:

• Ángulo de desprendimiento (γ):

Es el ángulo formado por la superficie de desprendimiento de la herramienta y la dirección perpendicular a la superficie mecanizada de la pieza.

Este ángulo puede tener un sentido positivo (en sentido horario), o bien sentido negativo, si es en el sentido contrario (sentido antihorario). Así, en función del valor del ángulo de desprendimiento, si éste es mayor que cero las herramientas de corte se clasifican con geometría positiva, y si es menor que cero, las herramientas se clasifican en herramientas con geometría negativa.

Si en un proceso de corte el ángulo de desprendimiento es grande, entonces significaría que la herramienta de corte penetra y corta bien a la pieza, dando lugar a un mejor acabado superficial, pero a costa de ir debilitando mucho el filo de corte.

Por el contrario, si durante el corte el ángulo de desprendimiento es pequeño, entonces se favorecería la resistencia de la herramienta, pero la energía consumida y el calentamiento de la propia herramienta aumentarán.

Para obtener el ángulo de desprendimiento correcto habrá que tener en cuenta la resistencia del material de la herramienta, el tipo de material a mecanizar y el avance. En cualquier caso, el ángulo de desprendimiento adecuado será el mayor que pueda soportar la herramienta sin romperse.

• Ángulo de incidencia (α):

Es el ángulo formado por la superficie de incidencia de la herramienta de corte y la superficie de la pieza ya mecanizada, como se muestra en la figura adjunta.

Si el valor del ángulo de incidencia es muy pequeño, aumentará el contacto entre la herramienta y la pieza, produciéndose un roce excesivo y como consecuencia, un aumento de la temperatura que producirá un desgaste más rápido de la herramienta, y por tanto, disminuirá su vida útil.

Por el contrario, si el valor del ángulo de incidencia es demasiado grande, se debilitaría el filo de la herramienta que afectaría negativamente a su durabilidad. Para conseguir un ángulo de incidencia correcto, habrá que tener en cuenta el material de la pieza y la herramienta.

• Ángulo de filo o ángulo de herramienta (β):

Es el ángulo formado por las superficies de incidencia y desprendimiento de la herramienta de corte.

• Ángulo de deslizamiento o cizalladura (φ):

Es el ángulo formado por la superficie de la pieza y el plano de deslizamiento, que es un plano teórico en el que se produce la deformación del material de la pieza. El ángulo de cizalladura es el ángulo según el cual se corta el material para formar la viruta.

Este ángulo determina la posición del plano de cizallado con respecto el plano que contiene al filo y a la velocidad de corte. Su importancia radica en que por debajo de este plano la pieza de trabajo permanece sin deformaciones, y por encima de él la viruta sale recién formada fluyendo sobre la superficie de desprendimiento.

• Espesor de viruta no deformada (a_c):

Es el espesor del material que va a ser eliminado de la pieza antes de sufrir deformación alguna. O dicho de otra manera, este parámetro también representa a la profundidad de corte.

• Espesor de viruta deformada (a_d):

Es el espesor del material eliminado después de haber sufrido la deformación.

• Factor de recalcado (z):

Es el cociente entre los espesores de viruta deformada y sin deformar. Es siempre mayor o igual que la unidad.

z = a_d / a_c ≥ 1

Definido este factor, el ángulo de cizalladura (φ) también se puede expresar en función del factor de recalcado (z) y del ángulo de desprendimiento (γ), mediante la siguiente expresión:

	cos γ
tan φ =
	z - sen γ

 

 Velocidades que intervienen en el corte ortogonal

En el corte ortogonal intervienen tres velocidades características del proceso de mecanizado: la velocidad de corte (V_c), la velocidad de deformación o velocidad de cizallamiento (V_s) y la velocidad de salida de la viruta (V_v)

•  Velocidad de corte (V_c) : Ya vista en apartados anteriores, es la velocidad lineal relativa de la herramienta respecto de la pieza en la dirección y sentido del movimiento de corte. En los procesos de torneado o fresado esta velocidad se define como:

	π · d · n
Vc =
	1000

donde,

V_c    es la velocidad de corte, expresada en metros por minuto (m/min)

d    es el diámetro de la pieza, en torneado, o el diámetro de la herramienta, si se trata de fresado, expresado en mm.

n    es la velocidad de giro de la pieza, en torneado, o de la herramienta, en fresado, en revoluciones por minuto (r.p.m.)

•  Velocidad de deformación o cizallamiento (V_s) : Es la velocidad de rotura de la viruta, y también se puede definir como la velocidad de deslizamiento de la viruta respecto a la pieza. Esta velocidad se define a partir del valor de la velocidad de corte, mediante la siguiente fórmula:

	sen (π/2 - γ)
Vs = Vc ·
	sen (γ + π/2 + φ)

donde,

V_s    es la velocidad de deformación, expresada en metros por minuto (m/min)

V_c    es la velocidad de corte, expresada en metros por minuto (m/min)

γ    es al ángulo de desprendimiento

φ    es al ángulo de deslizamiento o cizalladura

•  Velocidad de salida de la viruta (V_v) : Es la velocidad de salida de la viruta respecto a la herramienta. Esta velocidad también se calcula a partir del valor de la velocidad de corte, mediante la siguiente fórmula:

	sen (φ)
Vv = Vc ·
	sen (γ + π/2 + φ)

donde,

V_v    es la velocidad de salida de la viruta, expresada en metros por minuto (m/min)

V_c    es la velocidad de corte, expresada en metros por minuto (m/min)

γ    es al ángulo de desprendimiento

φ    es al ángulo de deslizamiento o cizalladura

Estas tres velocidades, velocidad de corte (V_c), velocidad de deformación (V_s) y velocidad de salida de la viruta (V_v), se pueden relacionar mediante la siguiente ecuación:

Vs	=	Vv	=	Vc
cos γ		sen φ		cos (φ - γ)

Si en un proceso de mecanizado se tiene una velocidad de corte demasiado baja, la productividad en el corte será muy pequeña y por el contrario, si es demasiado alta, la herramienta se desgastará rápidamente.

La elección de una velocidad de corte adecuada a cada proceso de mecanizado deberá realizarse teniendo en cuenta varios factores entre los que se destacan, el tipo de material de la pieza, el material de la herramienta, la sección de viruta, el refrigerante empleado, etc.

Normalmente en los catálogos de los fabricantes de cada máquina herramienta se indican valores orientativos de las velocidades de corte que se deberán emplear en función del tipo de material a mecanizar.

 

Fuerzas que actúan en el corte ortogonal

Conocer las distintas fuerzas de corten que actúan en un proceso de mecanizado sirve para evaluar las distintas solicitaciones a las que están sometidas tanto la herramienta de corte como la propia pieza, así como para poder determinar el valor de la potencia que es necesaria para realizar el proceso de corte.

La mayor parte de esta potencia se emplea en el proceso de la eliminación del material de la pieza (deformación), de manera que de todas las fuerzas actuantes, la que más interesa conocer es aquella que tiene la misma dirección que la velocidad de corte. A esta componente es a la que habitualmente se denomina como Fuerza de corte (F_c).

Además de la fuerza de corte (F_c) existe otra componente perpendicular a ella denominada fuerza tangencial o normal (N_c), la cual coincidirá con la Fuerza de avance (F_a = N_c).

Estas dos componentes de fuerza (F_c y N_c) dan lugar a una resultante final de fuerzas (F), la cual no actúa exactamente en el filo de la herramienta, sino que su zona de aplicación dependerá del valor del ángulo de desprendimiento (γ). Así, se tiene que cuanto más pequeño sea éste, más alejada estará la resultante de fuerzas (F) del filo de corte de la herramienta.

El ángulo (ρ) con el que actúa la fuerza resultante (F) es a priori desconocido. No obstante, esta resultante (F) se puede proyectar según tres sistemas de fuerzas, referidas en diferentes direcciones. De esta manera se tienen:

- La Fuerza de corte, F_c

- La Fuerza de deslizamiento, F_d

- La Fuerza de rozamiento entre la viruta y la herramienta, F_r

Siendo las direcciones de actuación de estas fuerzas las siguientes:

- Dirección del movimiento principal de corte y su normal: F_c  y  N_c = F_a

- Dirección del plano de cizalladura y su normal: F_d  y  N_d

- Dirección de la superficie de desprendimiento de la herramienta y su normal: F_r  y  N_r

La suma vectorial de las distintas componentes de fuerza sería la siguiente:

F→  =  F_c→ + N_c→  =  F_r→ + N_r→  =  F_d→ + N_d→

siendo:

F = Fuerza resultante final del proceso de corte

F_c = Fuerza de corte, que permitirá conocer la potencia necesaria para llevar a cabo el corte de la pieza

F_d = Fuerza de deslizamiento, relacionada con las tensiones cortantes en el plano donde se produce la viruta

F_r = Fuerza de rozamiento entre la viruta y la herramienta

ρ = Angulo de rozamiento

Haciendo uso de las relaciones trigonométricas que se deducen de la anterior figura, se pueden deducir las siguientes expresiones que permiten calcular las distintas fuerzas que intervienen en el corte:

F_c = F · cos (ρ - γ)

N_c = F_a = F · sen (ρ - γ)

F_d = F · cos (φ + ρ - γ)

N_d = F · sen (φ + ρ - γ)

F_r = F · sen ρ

N_r = F · cos ρ

De las dos últimas ecuaciones se puede calcular el coeficiente de fricción (µ_roz) que se produce entre la viruta y la superficie de desprendimiento de la herramienta. Este coeficiente suele ser constante en toda la longitud de contacto.

En un proceso de mecanizado convencional de metales usuales, los coeficientes de fricción medidos suelen tener valores elevados (0.5 < µ_roz < 2) en comparación con los valores medidos en un contacto convencional del mismo material.

A continuación, se muestra la expresión que permite calcular el coeficiente de rozamiento (µ_roz) entre la viruta y la herramienta:

	Fr
µroz  =  tan ρ  =
	Nr

 

Estudio de la viruta generada en el corte

Como se sabe, la viruta es todo aquel fragmento de material residual, que típicamente suele adoptar una forma de lámina curvada o espiral, y que se desprende del material de la pieza durante el proceso de mecanizado.

Cabe decir que toda viruta generada se separa del material base de la pieza por la combinación de tres procesos sucesivos:

1) Cortadura o recalcado: el material es desplazado por el filo de la herramienta de corte, que va penetrando en él.

2) Corte: una parte de la viruta se corta debido a que el esfuerzo cortante es mayor que la resistencia al corte del material que forma la viruta.

3) Fluencia o salida de viruta: dependiendo de cómo sea el material y de otros factores que se verán más adelante, se produce el desprendimiento de la viruta que puede ser en forma segmentada, discontinua, o bien formando una viruta toda continua.

Entre los parámetros de corte que definen los procesos de mecanizado, ya vistos en apartados anteriores, también habrá que incluir otro más: la sección de la viruta. La sección de viruta (S) se calcula como el producto del avance (a) por la profundidad en el corte (p):

S = a · p

donde,

S    es la sección de viruta, expresado en milímetros cuadrados (mm²)

a    es el avance, expresado en milímetros (mm.)

p    es la profundidad de corte, expresado en milímetros (mm.)

En general, la sección de la viruta generada dependerá de la potencia de la máquina de corte, la rigidez de la máquina y la fijación de la herramienta.

Multiplicando la sección de viruta por la velocidad de corte se obtiene el arranque de material (Q). Este dato sirve para calcular el volumen de viruta arrancada por unidad de tiempo, dato muy útil en las operaciones de desbaste de piezas.

Q = V_c · S · 1000

donde,

Q    es el volumen de arranque de material, expresado en (mm³/min)

S    es la sección de viruta, expresado en milímetros cuadrados (mm²)

V_c    es la velocidad de corte, expresada en metros por minuto (m/min)

La viruta, como parte de material que se arranca de la pieza, tiene dos superficies: la que ha estado en contacto con la cara de ataque de la herramienta y que posee una apariencia brillante y pulida, debido al continuo rozamiento al desplazarse sobre la superficie de la herramienta; y la otra cara de la viruta que proviene de la superficie de la pieza, siendo su apariencia rugosa y mellada debida al propio proceso de corte.

La forma geométrica que adopte la viruta generada durante el corte depende de la forma de la herramienta y de las condiciones de corte, y es una característica muy relevante que permite deducir si las operaciones de mecanizado se están llevando de una manera óptima.

Una rotura corta de la viruta, con discontinuidad o segmentación de la misma es una solución óptima en el proceso de corte, ya que no afectará a la superficie mecanizada ni a los elementos que la rodean.

A continuación, se incluyen los principales tipos de viruta que pueden darse en las operaciones de mecanizado:

•  Viruta continua: las virutas continuas se forman cuando se mecanizan materiales dúctiles, con pequeños avances y a altas velocidades de corte, o bien, cuando se disponen de ángulos de desprendimiento elevados. Una viruta continua que no se rompa es molesta y se suele evitar.

Con una velocidad de corte convencional, la temperatura de la viruta sin deformar es menor y la que se genera lo hace por cizalladura en la zona primaria de corte. Esta zona de la viruta está muy deformada, y se produce un endurecimiento del material por deformación que dificulta su rotura, lo que dará lugar a una viruta continua.

Aunque por lo general producen un buen acabado superficial en la pieza, las virutas continuas no son siempre deseables, ya que tienden a atorarse alrededor de los portaherramientas, los soportes y la pieza de trabajo, lo que obliga a veces a tener que detener la operación de mecanizado para limpiar los residuos que se generan.

No obstante, este inconveniente se puede solventar empleando un rompevirutas, artilugio que suele venir incorporado a la geometría de filo de la herramienta y cuya función es obligar a la viruta a salir con un radio más pequeño provocando su ruptura por tensión.

•  Viruta segmentada: las virutas segmentadas se presentan semicontinuas, con grandes zonas de baja deformación cortante y pequeñas zonas de alta deformación cortante. Este comportamiento se muestra en el mecanizado de materiales tenaces, en metales con baja conductividad térmica y resistencia, que disminuyen en forma abrupta con la temperatura, más notablemente en el titanio, y utilizando bajas velocidades de corte.

•  Viruta discontinua: son virutas que se presentan discretizadas en segmentos que pueden estar firmemente sujetos unos a otros, o muy sueltos. Se suelen presentar durante el mecanizado de materiales frágiles, duros y quebradizos ya que no tienen la capacidad de soportar la deformación cortante. También se generan cuando se usan velocidades de corte muy bajas. En este caso, la evacuación de este tipo de viruta se realiza fácilmente, dado que se desprende conforme se va produciendo.

La formación de este tipo de viruta ocasiona que la fuerza de corte varíe constantemente durante el corte. Por tanto, si el portaherramientas, los dispositivos de sujeción de la pieza y la máquina herramienta no son suficientemente rígidos pueden producirse vibraciones y traqueteos, lo que puede causar un desgaste prematuro de la herramienta de corte.

Por último merece la pena reseñar un fenómeno relacionado con los procesos de formación de viruta, que es el filo recrecido.

En los procesos de corte por mecanizado, el material de la pieza está sometido a una gran presión y altas temperaturas. En estas condiciones se crea una zona de acumulación de material a continuación del filo de la herramienta de corte. Entonces ocurre que el material deformado se va uniendo al filo de la herramienta cubriendo parte de éste.

Dependiendo de las condiciones en que se produzca el corte, se puede dar el caso de que la generación de estas capas sea sucesiva a lo largo de todo el proceso y se vayan uniendo y soldando unas sobre otras, dando lugar al llamado filo recrecido.

Este fenómeno aparece normalmente cuando se trabaja con materiales dúctiles y a bajas velocidades, que produce la soldadura o fusión de partículas de viruta con la cuchilla de corte.

En general, este fenómeno hay que evitarlo, ya que provoca un acabado de mala calidad y vibraciones debido a que se generan altas presiones en la zona de contacto viruta-herramienta.

Aumentar la velocidad de corte, lubricar, utilizar materiales de herramienta adecuados, como metales duros o cerámicas, o aumentar el ángulo de desprendimiento son algunas de las soluciones más comunes y efectivas que se pueden tomar para acabar con el fenómeno del filo recrecido.

          Modelos de análisis de los procesos de mecanizado

En los procesos de fabricación mecánica resulta muy importante poder conocer con la mayor exactitud posible el comportamiento de un material al que se está sometiendo a un proceso cualquiera de mecanizado. Por otro lado, en los procesos de mecanizado, el material se encuentra sometido a una serie de cargas dinámicas, y su estudio, que generalmente resultará complejo, puede llevarse a cabo por distintos métodos empíricos, analíticos o numéricos.

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Los métodos empíricos se basan en la realización de pruebas experimentales reales, de las cuales se pueden extraer cierta información del proceso que se está llevando a cabo, siendo por lo general este tipo de método muy costoso, tanto en tiempo como en dinero. Por su parte, los métodos analíticos utilizan expresiones y fórmulas simplificadas de las diversas fuerzas que actúan sobre el material durante el proceso de mecanizado, y a partir de los criterios de resistencia y rotura simples de los materiales poder deducir otras expresiones sencillas que puedan definir el comportamiento del material durante el proceso de mecanizado.

Sin embargo, son los métodos numéricos los que actualmente están siendo más ampliamente utilizados, y se fundamentan en el uso de programas informáticos de simulación basados en el Método de los Elementos Finitos (MEF).

La idea básica del MEF consiste en obtener un modelo discreto del conjunto de la pieza que se pretende mecanizar. De esta manera, a partir de la pieza que estará sometida a un sistema de cargas y coaccionada por unas ligaduras que mantendrán la pieza fija a la máquina, se dividirá ésta en pequeñas partes (proceso de discretización), denominadas comúnmente elementos, que estarán interconectados entre sí a través de unos puntos, denominados nodos. Las ecuaciones que rigen el comportamiento del material de la pieza también regirán el comportamiento del elemento. De esta manera se pasa de tener un sólido continuo con infinitos grados de libertad, a un sólido discretizado con un número determinado de grados de libertad.

Por tanto, empleando el MEF se ha procedido a discretizar el problema inicial tanto en el espacio como en el tiempo, para posteriormente simular el proceso de mecanizado utilizando potentes ordenadores. La capacidad de tener un resultado fiable con este método numérico depende en gran medida de disponer de modelos fiables que definan el comportamiento de los materiales involucrados. Un modelo completo requiere determinar la ecuación constitutiva que relaciona las tensiones y deformaciones en función de la velocidad de deformación, de la temperatura y finalmente el criterio de rotura del material.

Existen en el mercado distintos software que emplean el método numérico de los Elementos Finitos como el denominado ABAQUS. Este software, como se ha dicho antes, modela el sólido inicial que se pretende mecanizar, dividiendo su forma continua original en un número finito de partes o elementos. A su vez, estos elementos poseen en su contorno los denominados nodos que unen cada elemento con sus adyacentes. Este proceso es lo que se conoce como el mallado de la pieza, y con ello, se consigue reducir el problema inicial a un numero finito de grados de libertad.

Una vez generado el mallado inicial de la pieza, sobre ésta se imponen las diferentes condiciones de contorno derivados de las condiciones de sujeción de la pieza a la máquina de mecanizado y se le asignan las propiedades mecánicas del material. Este programa permite incluso poder redefinir el mallado inicial a una malla más fina en aquellas zonas localizadas de interés, como puedan ser zonas cercanas a agujeros, esquinas entrantes, etc., con el fin de obtener resultados mucho más precisos en dichas zonas.

Mientras dura el proceso de cálculo de simulación, el Método de los Elementos Finitos va obteniendo los valores de los desplazamientos que sufre cada nodo bajo la aplicación de determinas fuerzas. Con los valores de estos desplazamientos y resolviendo las ecuaciones de rigidez que relacionan fuerzas y desplazamientos se consiguen conocer las deformaciones de cada uno de los elementos, y con éstas y aplicando la ecuación constitutiva propia del material, se podrán obtener como solución las tensiones a las que se ve sometido el material del sólido que se está mecanizando.

En definitiva, mediante la aplicación de los métodos numéricos, se pueden obtener una gran cantidad de información de todo proceso de mecanizado (históricos de tensiones, deformaciones, temperaturas, mapas de velocidades) y son métodos mucho menos costosos que realizar estudios empíricos con piezas reales. Por todo ello, y teniendo en cuenta el continuo avance en la capacidad y rapidez de cálculo de los ordenadores, los métodos de simulación numérica se están convirtiendo en una herramienta casi imprescindible en cualquier estudio que se desee realizar del comportamiento de cualquier elemento estructural sometido a un estado de cargas.