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Tema 55 – Herramientas de corte. Portaherramientas. Condiciones del material. Geometría de corte. Elementos que la componen. Esfuerzos a que están sometidas durante el corte.

Índice

  1. Introducción
  2. Herramientas de corte

2.1 Condiciones del material

2.2 Elementos que la componen

  1. Portaherramientas
  2. Geometría de corte
  3. Esfuerzos en el corte

1. INTRODUCCIÓN

En este tema trataremos las herramientas de corte. Se hará también una descripción de los portaherramientas y su funcionalidad. Expondremos los diferentes tipos de herramientas en relación al material en que son fabricadas. A continuación seguiremos con los elementos que componen la herramienta. Para terminar se desarrollará la geometría de corte y los esfuerzos a que está sometida la herramienta durante el corte.

Para la elaboración del tema se han utilizado principalmente las aportaciones realizadas por José Mª Lasheras.

2. HERRAMIENTAS DE CORTE

La primera cuchilla utilizada para el arranque de material fue el buril, formado por una barra rectangular de acero, cuyo extremo útil está afilado en forma de diedro. Al ser golpeado el buril por un martillo, penetra su corte en forma de cuña en el material, arrancando viruta continua si el material es muy dúctil y fragmentada si es frágil.

En el trabajo del buril se encuentran los elementos básicos del trabajo de las cuchillas de todas las máquinas-herramientas.

2.1 Condiciones del material

Las herramientas empleadas en las máquinas modernas deben cumplir principalmente los siguientes objetivos:

· Maximizar la productividad. Es decir, arrancar la mayor cantidad de material en el menor tiempo posible.

· Dejar las superficies acabadas con la menor rugosidad posible y con la mayor precisión de medidas.

· Extender al máximo la vida útil de la herramienta con el menor número de afilados posibles.

El material de la herramienta de corte ideal debería tener las siguientes características:

· Ser más duro que el material que esta cortando.

· Estabilidad a alta temperatura.

· Resistencia al desgaste y a los choques térmicos.

· Resistencia a los impactos.

· Químicamente neutro con el material que esta cortando y con el líquido de corte empleado.

Ningún material utilizado en las herramientas de corte cumple con todas las características anteriores. En vez de esto, lo que ocurre es una compensación de características. Por ejemplo, las cerámicas tienen alta resistencia a la temperatura pero poca a los impactos debido a su fragilidad.

Los nuevos materiales tienden a superar las prestaciones de los anteriores. Normalmente, estos nuevos materiales sustituyen en parte a los existentes sin llegar a eliminarlos.

Los materiales empleados actualmente para la construcción de herramientas de corte son:

· Aceros rápidos.

· Carburos metálicos.

· Cerámicas.

· Cermet.

· Materiales superduros CBN / PCD.

Aceros rápidos

Desarrollados hacia el año 1900, reemplazaron al acero al carbono y a los aceros aleados ya que su capacidad de corte es cuatro veces superior. Existen unos 30 tipos de aceros rápidos obtenidos por la combinación de tres tipos básicos y los recubrimientos superficiales que admiten. Los tres tipos básicos son:

1. Wolframio (Tungsteno).

2. Molibdeno.

3. Molibdeno – cobalto.

En cuanto a los materiales de recubrimiento, se emplean desde 1960 y el material más utilizado es el Nitruro de Titanio. Este recubrimiento consigue mayor dureza superficial, mejor resistencia a la corrosión y una menor fricción.

Carburos metálicos

Los carburos metálicos sinterizados fueron descubiertos, en 1927, por el doctor Fry de la empresa Krupp.

Actualmente, las herramientas de carburo metálico han reemplazado a los aceros rápidos en la mayoría de las aplicaciones. Estas herramientas de carburo cortan de 3 a 5 veces más rápido que las de acero rápido. El metal duro o carburo cementado esta compuesto por carburo y un material aglomerante, generalmente el Cobalto. La herramienta de corte puede fabricarse de carburo y también recubrirse de otro carburo para mejorar sus propiedades superficiales.

Los carburos más utilizados son los de Wolframio (Tungsteno), Titanio, Tantalo, Molibdeno y Vanadio.

A continuación se indican las calidades ISO básicas para este tipo de herramientas de corte que como se puede ver están caracterizadas por tres letras P, K y M y tres colores asociados a estas letras, azul, amarillo y rojo.

La codificación se completa con dos dígitos, del 10 al 50, que hace referencia a la resistencia al desgaste (Wear Resistance) y a la tenacidad del material. Los fabricantes emplean su propia codificación que hacen corresponder con las calidades ISO. En general, recomiendan una utilización para cada grupo de materiales.

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Cerámicas

Las herramientas de corte cerámicas son más duras y resistentes a la temperatura que las de carburos metálicos pero son más frágiles. Los dos tipos básicos son:

  • Óxido de aluminio (alumina).
  • Nitruro de silicio.

Cermet

Se obtienen por combinación de materiales cerámicos y de carburos metálicos. Se busca sumar las ventajas de los dos tipos de materiales.

Materiales superduros

Se distinguen dos tipos de materiales superduros: el CBN (nitruro de boro cúbico) y el PCD (Diamante policristalino). Su coste es más de 30 veces el de los carburos metálicos por lo que su utilización es limitada a casos muy específicos.

La elección del material más adecuado para una aplicación determinada no es fácil. En la práctica es habitual apoyarse en los conocimientos de fabricantes de herramientas de primer nivel.

En el cuadro siguiente, comparamos las características de los materiales anteriormente explicados.

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2.2 Elementos que componen la herramienta de corte

La variedad de formas y tamaños  de las herramientas de corte es casi tan amplia como operaciones pueden realizar. Sin embargo, en cuanto a los elementos que las componen son muy similares, encontrando:

Herramientas enterizas. Muchas herramientas de corte están compuestas por un solo cuerpo o bloque, suelen ser aquellas que presentan filos múltiples. Es el caso por ejemplo de las brocas, los escariadores, machos de roscar…etc. También existen gran cantidad de  fresas de un solo cuerpo donde los dientes han sido retorneados o fresados. Son fabricadas de acero rápido y en menor medida de metal duro.

Herramientas con plaquitas.  La irrupción de los metales duros y oxi-cerámicos conllevó la utilización de estos materiales  en forma de  plaquitas sinterizadas postizas. Estas plaquitas de varios filos, reversibles o no, se sujetan a los portaherramientas y mangos de forma permanente, es decir soldadas  (en desuso) o de forma desmontable mediante tornillos, bridas o palancas. Una vez inutilizado un filo la plaquita se cambia de posición para proseguir el proceso con un nuevo filo o bien son reafiladas o sustituidas.

3. PORTAHERRAMIENTAS

En muchas ocasiones el tamaño o geometría del útil de corte hace necesario de elementos para acoplarlos a la máquina. La misión del portaherramientas será sujetar firmemente el útil de corte y comunicarle los movimientos pertinentes para realizar el mecanizado. La geometría del portaherramientas irá en relación  con el útil, la máquina y la operación a realizar, debiendo existir relación entre ellas lógicamente. Por ejemplo el portabrocas de una taladradora diferirá completamente del portaherramientas para un cilindrado o el de una barra de mandrinar.

Independientemente de su forma, el portaherramientas ha de reunir las siguientes cualidades:

Ser suficientemente robusto para soportar las fuerzas de corte sin sufrir vibraciones durante el mecanizado.

Tener buena capacidad para evacuar la viruta.

Tener buena accesibilidad, versatilidad operativa y mantenimiento sencillo.

Los tipos de portaherramientas dependerán como decimos del tipo de máquina y operación, así por ejemplo para las fresadoras el portaherramientas más común es el de plaquitas de metal duro las fresas de planear. El acoplamiento de las fresas con mango al árbol principal también puede ser considerado un tipo de portaherramientas  así tenemos los conos ISO, MORSE, ejes y mangos portafresas, pinzas y portapinzas…etc.

Para el caso del torno las barras portaherramientas podrán ser rectas, acodadas, de sección cuadrada, redonda…etc.

4. GEOMETRÍA DE CORTE

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5. ESFUERZOS EN EL CORTE

Para el análisis de las fuerzas y tensiones en el corte, consideraremos el problema bidimensional concreto de un  cepillado. Los conceptos que aparecen son aplicables al caso general con debidas modificaciones.

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La figura de arriba, representa un corte transversal. Durante el arranque de viruta aparece en la región de contacto viruta-herramienta la fuerza R ejercida por la herramienta sobre la pieza, a la que corresponde R’ de igual valor y sentido opuesto a R Esta fuerza R’ será  la reacción por parte de la pieza sobre la viruta.

En la intercara viruta-herramienta, aparece N,  normal al plano de la intercara. El deslizamiento de la viruta hará aparecer un rozamiento μN para vencer el cual se aplicará otra componente F. En un desprendimiento de la viruta uniforme se tendrá F= μN.

El efecto de la reacción R’ se manifiesta en la zona AB de cizallamiento. Considerando el plano de deslizamiento pase por AB, podemos considerar R’ descompuesta en dos: una normal N’, a ese plano y otra T, situada en él. N’ originará tensiones normales clip_image026 y T, tangenciales clip_image028, siendo S la superficie de cizallamiento, calculada por clip_image030 siendo b la anchura de la viruta. Es evidente, que el deslizamiento se producirá cuando el valor de τ supere al de  cizallamiento crítico clip_image032siendo σe el límite elástico del material base.

El valor de la fuerza necesaria para el corte no es de sencilla obtención y dependerá lógicamente de la cantidad de material arrancado. La fuerza específica de corte Ks, realiza una aproximación de la misma. Se define como la fuerza de corte referida a la unidad de sección de viruta (en mm2). Se suele obtener en tablas en base a la experiencia. Toma el valor:

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La fuerza específica  para producir el cizallamiento aumenta de forma casi proporcional conforme lo hace la resistencia del material. En los aceros la relación clip_image036. Además la clip_image038 será dependiente de los ángulos de corte y posición, así como de la sección de viruta y del avance, disminuyendo sensiblemente con el aumento de estos últimos. La velocidad de corte, sobre todo cuando tiene valores, altos apenas influye.

BIBLIOGRAFÍA

José Mª Lasheras

www.widia.com