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Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Antonio Guarnido Barrera Capítulo 5 - 1
5. Procedimiento experimental
La realización de este estudio se ha adaptado en la medida de lo posible a las indicaciones
de la norma UNE 16148:1985 [16] a la hora de fijar los parámetros de mecanizado para
obtener unos resultados experimentales comparables y que permitan generar una
correlación entre ellos de forma que las conclusiones tengan la suficiente rigurosidad. A
continuación se procede a detallar cada uno de los aspectos relativos a los parámetros de
la operación de mecanizado.
5.1. Pieza a mecanizar
Para el ensayo se han seleccionado dos materiales disponibles en el almacén del taller de
mecanizados de la ETSI, ver tabla 5.1.
Tabla 5.1. Materiales empleados en los ensayos.
Material 1 Acero al carbono
Barras Ø = 30 mm
%C=0,11 %Mn=0,84 %Si=0,29 %S=0,016
%P=0,014 %Cr=0,16 %Ni=0,079 %Mo=0,021
Material 2 Acero
inoxidable Barras
Ø = 45 mm %C=0,017 %Mn=1,44 %Si=0,38 %S=0,031
%P=0,028 %Cr=17,51 %Ni=8,06 %Mo=0,24
Las condiciones de recepción de la pieza son barras de 6 metros de longitud las cuales se
cortan a 450 mm de longitud mediante una sierra de cinta, de manera que no se
produzcan vibraciones durante el mecanizado que puedan falsear el experimento y por
tanto los resultados. Se mecanizará en una longitud de 400 mm y restan 50 mm sobre los
que se elaborará un escalón para que apoye sobre las garras del plato del torno
impidiendo posibles desplazamientos relativos entre el torno y la pieza.
Además, las secciones de corte del eje longitudinal de la barra se han refrentado para
evitar desequilibrios debidos a que el centro de gravedad de la barra estuviera fuera del
eje longitudinal. Finalmente, para permitir que la barra esté fija en el extremo contrario al
plato se hace un agujero de centrado mediante una broca de punto con un achaflanado
en el centro de la sección para sujetar la barra para que no esté en voladizo y de esta
forma se reduce la posibilidad de vibraciones debidas a la flexión que produce la
herramienta de corte sobre la barra durante el mecanizado. El montaje descrito se puede
apreciar en la figura 5.1.
Se planteó el uso de una luneta intermedia para torno que permitiera el mecanizado a lo
largo de una mayor longitud de la barra de forma que se realizaran menos cambios de
piezas y las preparaciones previas necesarias de cada una de ellas, pero las limitaciones
técnicas y económicas del taller imposibilitaron esta opción. Para garantizar la buena
posición de la herramienta en la máquina, la punta de ésta debe estar a la altura del eje
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Capítulo 5 - 2 Antonio Guarnido Barrera
central de la pieza y con su eje perpendicular al eje de rotación de la pieza. Con el
objetivo de evitar vibraciones debidas a la flexión, la punta de la herramienta debe
sobresalir del portaherramientas una distancia menor de 25 mm.
Figura 5.1 Montaje de las piezas en el torno durante los ensayos
5.2 Equipos
Este proyecto se ejecutó en el taller de mecanizado del departamento de Ingeniería
Mecánica y Fabricación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. Las tareas
de mecanizado se realizaron en tornos paralelos cuyas características se detallan en las
tablas 5.2 y 5.3. En el torno PINACHO L-1/165 (figura 5.2) fue donde se hicieron todos los
ensayos mientras que el torno PINACHO T-3 (figura 5.3) se empleó en ensayos específicos
relacionados con otros avances por revolución.
Tabla 5.2. Características técnicas del torno PINACHO L-1/165
Fabricante PINACHO Potencia nominal 3 CV
Modelo L-1/165 Distancia máxima entre sujeciones 700 mm
Nº Serie 21604 Variador continuo de velocidad NO
Características: Torno paralelo de manipulación manual
Precisión: Longitudinal: 0,02 mm Transversal:0,02 mm
Gama de revoluciones nominales (rpm)
60 220 860
92 360 1400
140 530 2000
Gama de avances proporcionados para cilindrado (mm/rev)
0,047 0,06 0,07 0,082 0,095
0,105 0,12 0,14 0,165 0,19
0,21 0,24 0,28 0,33 0,38
0,43 0,48 0,56 0,66 0,86
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Antonio Guarnido Barrera Capítulo 5 - 3
Figura 5.2. Torno PINACHO L-1/165
Tabla 5.3. Características técnicas del torno PINACHO T-3
Fabricante PINACHO Potencia nominal 1,5 CV
Modelo T-3 Distancia máxima entre sujeciones 600 mm
Nº Serie V95 Variador continuo de velocidad NO
Características: Torno paralelo de manipulación manual
Precisión: Longitudinal: 0,02mm Transversal:0,02mm
Gama de revoluciones nominales (rpm)
60 220 860
92 360 1400
140 530 2000
Gama de avances proporcionados para cilindrado (mm/rev)
0,082 0,172 0,338
Figura 5.3. Torno PINACHO T-3
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Capítulo 5 - 4 Antonio Guarnido Barrera
Para conseguir la geometría especificada por la norma para las herramientas de acero
rápido, se realizó el afilado de las barras de material herramental en una afiladora
universal (figuras 5.4 y 5.5). Las características técnicas de la misma se especifican en la
tabla 5.4.
Tabla 5.4. Características técnicas de la afiladora
Fabricante ELITE Potencia nominal 0,75CV
Modelo A.R.5-E Diámetro de la muela 140mm
Nº Serie 3068 Velocidad de giro de la muela 2800rpm
Características Afiladora universal de manipulación manual
Rotación vertical del cabezal -90° a +90° Precisión 1°
Rotación horizontal cabezal -45° a +45° Precisión 1°
Carrera longitudinal 180mm Precisión 0,02mm
Figura 5.4. Afiladora ELITE A.R.5-E
Figura 5.5. Instalación de la barra en la afiladora para su afilado
Las medidas tanto de la geometría de las herramientas como del desgaste de las mismas
se realizaron con la ayuda de un microscopio óptico cuyas características se relacionan en
la tabla 5.5 y se muestra en la figura 5.6.
Tabla 5.5. Características técnicas del microscopio óptico
Fabricante NIKON Modelo SMZ 800
Software KAPPA Imagebase
Aumentos x10 / x20 / x30 / x40 / x50 / x6,3
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Antonio Guarnido Barrera Capítulo 5 - 5
Figura 5.6. Microscopio óptico
Para las medidas de rugosidad se empleó un rugosímetro que se aprecia en la figura 5.7 y
sus características aparecen en la tabla 5.6.
Tabla 5.6. Características técnicas del microscopio óptico
Fabricante MAHR Modelo M1 Nº Serie 7287
Precisión 12 nm Velocidad del palpador 0,5mm/s
Parámetros que mide Ra, Rz ,Rmax, RPc
Longitudes de medida Auto / 1,75 / 5,6 /17,5mm
Figura 5.7. Rugosímetro MARH M1
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Capítulo 5 - 6 Antonio Guarnido Barrera
5.3. Herramientas
Siguiendo las recomendaciones de la norma UNE 16148:1985 [16] para los ensayos hemos
considerado únicamente dos tipos de herramientas: una de acero rápido y otra de metal
duro.
5.3.1. Herramienta de acero rápido
Se parte de una barra de acero rápido de la marca Coventry con dimensiones nominales
de 12x12x140 mm tal como la mostrada en la figura 5.8, la cual tiene una dureza de 66
HRC obtenida experimentalmente.
Figura 5.8. Barra de acero rápido.
La geometría de la herramienta viene definida por la norma para todos los casos en los
que ésta no sea la variable de estudio. Los ángulos se indicaron con anterioridad en la
tabla 4.4. y se representan en la figura 5.9. La norma permite una tolerancia de ±0,5° y no
se requiere de rompevirutas para este estudio. Para corroborar el cumplimiento de la
geometría real con la propuesta, ver anexo I.
Para obtener una geometría de la herramienta hemos partido de la herramienta original y
mediante una afiladora universal (figura 5.4) se han generado cada uno de los planos bien
posicionados de manera que definen la geometría requerida. Se posicionó la barra de
acero rápido en el cabezal de la afiladora de forma que los planos de la herramienta
coincidan con los dispuestos en la afiladora para tal fin (figura 5.5). Una vez quedan
definidos mediante los nonios de la afiladora los dos ángulos que definen los planos
paralelos a la superficie de la herramienta, se está en disposición de poner en
funcionamiento la muela.
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Antonio Guarnido Barrera Capítulo 5 - 7
Figura5.9.Ángulos de las herramientas. [16]
El método de trabajo de una operación de afilado consiste en hacer oscilar la herramienta
en el plano de la muela mediante un movimiento manual alternativo, a la vez que se
aproxima de manera muy progresiva la herramienta en la dirección perpendicular al
plano de la muela. Este laborioso proceso se repite para cada una de las caras activas que
definen la geometría de la herramienta.
La norma UNE 82301:1986 [20] establece que el acabado superficial de la herramienta sea
adecuado, requiriendo un valor de rugosidad superficial (Ra) máximo de 0,25 μm. Para
ello se ha medido la rugosidad superficial en cada cara de la herramienta,
perpendicularmente a la dirección de desbaste de la muela. Dichos valores se muestran
en la tabla 5.7. Los perfiles de rugosidad obtenidos en las caras de incidencia y
desprendimiento de la herramienta se muestran en el anexo II.
Tabla 5.7. Rugosidad superficial Ra en las superficies de las herramientas de acero rápido
Superficie medida
Nº Herramienta
1 2 3 4 6 7 8
Ra [µm]
Desprendimiento 0,212 0,202 0,205 0,171 0,166 0,118 0,182
Incidencia principal 0,211 0,235 0,151 0,167 0,113 0,092 0,161
Incidencia secundaria 0,172 0,154 0,208 0,274 0,173 0,155 0,067
5.3.2. Herramienta de metal duro
Como herramienta de metal duro se han seleccionado una herramienta de carburo de
tungsteno de la marca ZCCCT para mecanizado general, con un recubrimiento YBC251
procesado por deposición química. Posee un grado ISO entre P10 y P30. Su nomenclatura
es WNMG080404-DM, donde los cuatro primeros dígitos hacen referencia a la forma
geométrica, los dos siguientes a la longitud de la arista de corte y los siguientes pares a la
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Capítulo 5 - 8 Antonio Guarnido Barrera
anchura y al radio de punta respectivamente. DM identifica al método de inserción. Su
geometría se puede observar en la figura 5.10.
Ángulo de la punta 80,48° Ángulo entre aristas de corte 160,43°
Ángulo de incidencia 90° Espesor de la plaquita 4,71 mm Diámetro de punta 0,979 mm
Figura 5.10. Geometría medida en las herramientas de metal duro
La plaquita se adapta al mango mediante fijación mecánica. El montaje de la herramienta
en el torno garantiza que el mango de la herramienta esté en posición horizontal y
perpendicular al eje de la pieza a mecanizar como se observa en la figura 5.11. En esa
posición del portaherramienta los ángulos de mecanizado obtenidos se muestran en la
tabla 5.8.
Tabla 5.8. Ángulos medidos en las herramientas de metal duro
Ángulos medidos [° ]
Incidencia Inclinación principal Posición De la punta α λs Kr Єr 8 8 94 80
Se midió la rugosidad superficial en las caras de incidencia y desprendimiento de las
plaquitas. Los resultados para cada plaquita, MD1 y MD2, se muestran en la tabla 5.9. Y
los perfiles de rugosidad obtenidos se pueden ver en el anexo II.
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Antonio Guarnido Barrera Capítulo 5 - 9
Tabla 5.9. Rugosidad superficial Ra en las superficies de las herramientas de metal duro
Superficies medidas
Herramientas
MD 1 MD 2
Ra [µm]
Desprendimiento 0,460 0,376
Incidencia 0,441 0,367
Figura 5.11. Herramienta de metal duro posicionada para el mecanizado
Se observa que los valores resultantes para este tipo de herramientas superan el valor de
Ra = 0,25 μm, que es el requisito de rugosidad superficial que recomienda la norma UNE
82301:1986 [20]. Ante este hecho no se ha podido tomar otra alternativa debido a que la
herramienta se adquiere con una geometría y acabados determinados lista para usarse. El
material y la geometría de este tipo de herramientas no permiten un reafilado de las
superficies que conforman su geometría, por lo que finalmente se opta por el empleo de
esta herramienta pese a esta diferencia.
5.4. Condiciones de corte
En la ejecución del estudio se ha seleccionado una de las condiciones de corte de
referencia propuestas por la norma cuyos valores son:
� Avance f = 0,1 mm/rev
� Profundidad del corte p = 1,0 mm
� Radio de punta r�= 0,4 mm
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Capítulo 5 - 10 Antonio Guarnido Barrera
5.4.1. Avance
Los avances permitidos por el torno PINACHO L-1/165 empleado en los ensayos se
muestran en la tabla 5.2. Estos valores están dentro del rango de avances que da la
norma. Para los experimentos se ha elegido el avance de 0,095 mm/rev por ser uno de los
dos más próximos al de referencia de la norma y en particular, por ser un valor más
conservador en cuanto a la cantidad de material a mecanizar.
Para comparar el comportamiento de las herramientas de acero rápido ante distintos
avances se ha llevado a cabo un único experimento en el torno PINACHO T-3 en el cual se
ha trabajado con un único avance de 0,082 mm/rev. En el capítulo 6 se procederá a
definir las condiciones concretas de cada ensayo.
5.4.2. Profundidad de corte
Los ensayos se han realizado con una profundidad de 1 mm, teniendo en cuenta que la
tolerancia de las máquinas herramientas empleadas es de ±0,02 mm en el eje del carro
portaherramientas que aporta la profundidad en una operación de cilindrado.
5.4.3. Radio de punta
La condición de referencia escogida propone un radio de punta de 0,4 mm. Para el acero
rápido se ha optado por no generar un radio de punta en la arista de corte. Esto es debido
la dificultad para generar un radio de punta tan pequeño y preciso con los medios
disponibles. En el caso del metal duro se han empleado unas plaquitas en cuyas
especificaciones técnicas se especificaba esa característica. Para asegurar ese parámetro
se empleó el microscopio óptico de que dispone el departamento, el cual se describió en
el epígrafe 5.2.
5.4.4. Velocidades de corte
La velocidad de corte es un parámetro que viene definido por la expresión:
v� = π D N (5.1)
Donde el parámetro D es el diámetro original de la pieza en metros y N la velocidad de
giro del cabezal del torno en revoluciones por minuto. En el capítulo 6 se especificarán las
velocidades de corte para cada experimento.
La norma UNE 16148:1985 [16] recomienda que la velocidad de giro de la pieza se mida
mientras la herramienta está efectuando la eliminación de material de la pieza para tener
en consideración el decremento de velocidad producido por el mecanizado. Sin embargo
en la ejecución de los experimentos se ha optado por medir la velocidad de giro sin la
aplicación de la herramienta sobre la pieza en aras de proteger la seguridad de los
operarios.
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Antonio Guarnido Barrera Capítulo 5 - 11
Todas las medidas se han hecho en las mismas condiciones empleando una lámpara
estroboscópica y un tacómetro. Los valores resultantes se observan en la tabla 5.10
Tabla 5.10. Velocidades de giro nominales y medidas en los tornos
Velocidad de giro N [rpm]
PINACHO L-1/165 PINACHO T-3
Nominal Lámpara
estroboscópica Tacómetro Nominal
Lámpara estroboscópica
Tacómetro
360 386 383 775 717,2 716
530 556 557
860 887 886
1400 1451 1445
2000 2062 N/D
5.5. Fluidos de corte
Para los ensayos con acero rápido se ha optado por no utilizar fluido de corte aunque la
norma lo recomienda en los casos en que la medida de desgaste sea la dimensión de la
banda de desgaste en la cara de incidencia principal. Con el metal duro en cambio, se ha
trabajado en seco, como se recomienda en la norma. Esto se ha considerado de esta
manera para que la comparativa entre acero rápido y metal duro tengan en común el
mayor número posible de parámetros.
Tanto si se trabaja en seco con ambas herramientas como si se emplea fluido de corte, se
incumple alguna recomendación de la norma. No obstante, se ha optado por hacerlo de
esta forma porque las condiciones de trabajo de los ensayos no son críticas y la aplicación
de la refrigeración aumenta la vida útil de la herramienta, lo cual no es de interés para
este estudio debido a que una mayor vida útil implica la necesidad de más materiales y se
ha de tener en cuenta la limitación de material existente en el taller.
5.6. Criterios de desgaste
En el transcurso del estudio se han empleado dos tipos de herramientas que se
diferencian, en el material y en su geometría. Sin embargo para ambos casos se ha
optado por elegir como medida del desgaste la anchura media del desgaste en la cara de
incidencia principal de la herramienta. Esta decisión está basada en varios factores, en
primer lugar, que esta medida del desgaste es la que genera menor dispersión en los
resultados debido a que su interpretación es más clara. En segundo lugar, que para las
herramientas de acero rápido no es usual la medida de la profundidad del cráter, KT,
como una medida del desgaste.
La medida de desgaste empleada es la anchura media de la banda de desgaste de la cara
de incidencia principal en la zona B de la arista de corte (ver figura 4.2). El criterio de
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Capítulo 5 - 12 Antonio Guarnido Barrera
desgaste será VBB = 0,3 mm, en el caso de que el desgaste sea homogéneo a lo largo de
toda la zona B. Si por el contrario el desgaste no es homogéneo en la banda de desgaste,
es decir que aparecen entallas, el criterio será VBBmáx = 0,6 mm. Este criterio será el
mismo para los dos tipos de herramientas empleados.
Así mismo, se ha realizado un estudio paralelo que analiza la relación entre el desgaste de
la cara de incidencia principal de la herramienta y el acabado superficial que deja sobre la
pieza.