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Procesos y equipo para remoción de
materiales
Alumnos: Benito Pantoja Luis Moisés Maya Guerrero Gerardo Ruiz Alcántara Roberto Vázquez Nicolás Jesús Manuel Zerón Hernández Alejandro Raúl
¿Qué es el maquinado?
Proceso de manufactura
Hace referencia a los procesos de remoción de materiales de una pieza
Usa una herramienta de corte para remover el exceso de material de una pieza de trabajo.
Objetivo del maquinado
Generar la forma de la pieza de trabajo partiendo de un cuerpo sólido, o bien, de aquellas piezas previamente formadas, retirando el material excedente (viruta).
Mejorar forma, tolerancias, acabados y modificar dimensiones según sean requeridas.
Clasificación
Ventajas Aplicable a una amplia variedad de materiales de trabajo.
Permite obtener ciertos detalles geométricos internos o externos que requieran ciertas piezas .
Da a las piezas un acabado superficial.
Produce dimensiones con tolerancias muy estrechas de menos de 0.0001 pulgadas (0.025mm).
Permite obtener piezas con características superficiales especiales que no se pueden obtener con otros métodos.
Puede ser más económico maquinar la pieza por estos procesos, en especial, si la cantidad de piezas necesarias es relativamente pequeña.
Desventajas Desperdician material.
Requieren mayor capital y mano de obra que otras operaciones de manufactura (formado y moldeado, por ejemplo)
Pueden tener efectos adversos sobre su calidad superficial y las propiedades del producto en caso de realizarse incorrectamente.
Necesita más tiempo para eliminar un volumen de material de una pieza que para formarlo por otros procesos.
Máquina herramienta
Máquinas accionadas por fuerza motriz en que se efectúan operaciones de remoción de material.
La construcción y características de ellasinfluyen mucho sobre el maquinado y también sobre la calidad del producto, acabado superficial y precisión dimensional.
Nuevas tendencias
Los avances tecnológicos en la manufactura buscan reducir o eliminar el maquinado, especialmente en la producción en masa.
Ha sido sustituido por la aplicación del control numérico por computadora.
Proceso de corte de metal
Las tres operaciones comunes de corte o maquinado de metales sólidos son:
Torneado Taladrado. Fresado.
Maquinas herramientas para corte
Las máquinas herramientas convencionales usadas para las tres operaciones comunes de corte o maquinado de metales solidos.
Torno Prensa Taladradora Máquina Fresadora
Formación de viruta
La formación de la viruta depende de:
La deformación al corte que ocurre en la zona de corte.
La fricción entre la herramienta y la viruta.
El tipo de material que se maquina y las condiciones de corte durante la operación.
Tipos de viruta
Discontinua
Continua
Continua con acumulación en el borde
Factores a considerar en el corte de metales
Temperaturas de corte
Una temperatura excesiva afecta negativamente la resistencia, dureza y desgaste de la herramienta de corte.
Al aumentar el calor se provocan cambios dimensionales en la parte que se maquina, y se dificulta controlar la exactitud dimensional.
El calor puede inducir daños térmicos en la superficie maquinada, que afectan negativamente sus propiedades.
La misma máquina herramienta se puede exponer a temperaturas elevadas y variables, causando su distorsión y, en consecuencia, mal control dimensional de la pieza.
Factores a considerar en el corte de metales
Uso de fluidos de corte (refrigerantes)
Funciones principales: Lubricación. Enfriamiento. Remoción de la viruta.
Clasificación Aceites empleados en el corte, que consisten en aceites
minerales con aditivos apropiados. Fluidos con base de agua (acuosos), como emulsiones,
fluidos semi-sintéticos o sintéticos.
Factores a considerar en el corte de metales
Desgaste de la herramienta
Velocidad, avance y profundidad
Tipo de material a trabajar y material de la herramienta de corte
Definición de maquinabilidad
Acabado e integridad superficial de la parte maquinada.
Duración de la herramienta.
Requerimientos de fuerza y potencia
Control de viruta.
Un material con buena maquinabilidad
Baja ductilidad deseable, de manera que la separación de la viruta ocurra después de corte mínimo y se rompa fácilmente.
Baja resistencia de corte y baja dureza del material para minimizar la energía de corte.
Evitar compuestos de la herramienta duros para no acelerar el desgaste de la herramienta.
Alta conductividad térmica
Bajo punto de fusión del material de la pieza de trabajo significa que las temperaturas de corte también permanecerán bajas.
TECNOLOGIA DE HERRAMIENTA
DE CORTE
Falla por fractura. Ocurre cuando la fuerza de corte
se hace excesiva en la punta de la herramienta.
Falla por temperatura. Ocurre cuando la temperatura de corte es demasiado alta para el material de la herramienta.
Desgaste gradual. Desgaste gradual del borde cortante ocasiona perdida de la forma de la herramienta, reducción en la eficiencia del corte, desgaste acelerado y falla final de la herramienta.
Vida de las herramientas
Desgaste de la herramienta
Abrasión. Acción de desgaste mecánico debido a que las partículas
duras en el material de trabajo rayan y remueven pequeñas porciones de la herramienta.
Adhesión. Cuando dos metales entran en contacto a alta presión y temperatura, ocurre la adhesión o soldado entre ellos.
Difusión. Es un intercambio de átomos a través de un límite de contacto entre dos materiales.
Deformación plástica. Las fuerzas de corte que actúan en el borde de corte a altas temperaturas hacen que éste se deforme plásticamente, haciéndolo mas vulnerable a la abrasión de la superficie de la herramienta
Mecanismo específico para el desgaste
Vida de la herramienta
v= velocidad de corte [m/min]
T= vida de la herramienta
n= material de la herramienta
C= material de trabajo
Ecuación de Taylor para la vida de las herramientas
Aceros al carbono y de baja aleación.
Aceros de alta velocidad.
Fundición de aleación de cobalto.
Carburos cementados, cermets y carburos recubiertos.
Cerámicos.
Diamantes sintéticos y nitruro de boro cúbico.
Materiales para herramienta
Geometría de la herramienta
Es un liquido o gas que se aplica directamente a la operación de maquinado para mejorar el desempeño del corte. Los tipos más comunes son:
Refrigerantes. Son fluidos para corte diseñados para reducir los efectos del calor en las operaciones de maquinado.
Lubricantes. Son fluidos basados generalmente en aceite, formulados para reducir la fricción en las interfaces herramienta-viruta y herramienta-trabajo.
Fluidos para corte
OPERACIONES DE MAQUINADO Y
MAQUINAS HERRAMIENTA
Es un proceso de maquinado en ele cual una herramienta de punta sencilla remueve material de la superficie de una pieza de trabajo cilíndrica en rotación.
Torneado
Velocidad de rotación
Velocidad de avance
Tiempo de maquinado real
Velocidad de remoción de material
Condiciones de torneado
Operaciones relacionadas con el torneado
Métodos de sujeción del trabajo al torno
MAQUINADO DE PUNTOS MÚLTIPLES
TALADRADO.
Como ya hemos visto, los agujeros son maquinados que encontramos continuamente, de los cuales una gran parte están hechos con
una herramienta de doble filo, la broca helicoidal, la cual tiene influencia en el costo
total.
Las ventajas de dicha broca son: 2 filos de
corte son más eficientes; fuerzas de corte equilibradas, ayudan mejor a desechar la viruta. Algunos problemas de las brocas
helicoidales son:
los filos no deben unirse en punta ya que por la masa pequeña de la herramienta, esta se
calentaría muy rápido y perdería su resistencia;
Cuando se inicia el agujero, el filo de cincel
tiende a moverse erráticamente; el ángulo de la hélice determina el ángulo de ataque que decrece a lo largo del filo hacia el centro; enfriamiento y remoción de viruta; el acabado del agujero no es tan bueno como el de uno perforado y la broca comienza a derivar a profundidades mayores.
Se puede elevar la vida de la broca con brocas
HSS revestidas y la resistencia al desgaste y la vida de la herramienta se eleva con insertos de carburo y con brocas sólidas carburo. Las brocas de pala son adecuadas para taladrar agujeros de todos diámetros y con las que están hechas de carburo también se pueden trabajar materiales duros.
El taladro de columna más sencillo tiene un
husillo giratorio individual que avanza axialmente o bajo una fuerza de constante. Un taladro de brazo radial tiene un brazo oscilante que da mayor libertad. Para taladrar varios agujeros en una gran cantidad de piezas se usa el taladrado simultáneo con un cabezal de taladrado de husillos múltiples, el cual es mucho más preciso.
FRESADO.
Es uno de los procesos más versátiles de maquinado. Las fresadoras se clasifican de
acuerdo a la orientación de la herramienta en
Fresadora horizontal: tienen el eje de la fresa
paralelo a la superficie de la pieza de trabajo. El fresado puede ser ascendente o descendente. Cuando una pieza cilíndrica es más angosta que la pieza de trabajo, los bordes de corte deben ir en las caras extremas del cilindro, a estas fresas se les llama ranuradoras o cortadores.
Fresadoras verticales: tiene el eje de la fresa
perpendicular a la superficie de trabajo. En las máquinas CNC regularmente el eje de la fresadora es vertical, aunque también pueden tener un husillo horizontal, lo que se conoce como centro de maquinado horizontal. Cuando los dientes se encuentran en la cara de fresa que es perpendicular al eje hablamos de fresado frontal.
En cambio, cuando los bordes de corte se
encuentras sobre la superficie cilíndrica de la cortadora se tiene un fresado terminal. Las Máquinas fresadoras también se dividen en: fresadoras de copiado; máquinas de fresado CNC; centros de maquinado. Unas de las tareas más desafiantes en el fresado es la manufactura de matrices y moldes para el trabajo de metal y procesamiento de plásticos.
ASERRADO Y LIMADO.
Una cortadora de sierra muy angosta se conoce como sierra fría. La acción de de corte de las sierras circulares esta aún bastante ligada al fresado. Si los dientes se encuentran en línea
recta tendremos una segueta o si es flexible la hoja y en una banda infinita tenemos una sierra
de cinta. Una fresadora de placa de paso fino configurada en forma de plana se conoce como
lima.
ESCARIADO Y CORTE DE ROSCAS.
En estos procesos el único movimiento es el primario de la herramienta.
El escariado procede con un movimiento lineal de la herramienta. La pieza de trabajo se sujeta
firmemente y el escariador se guía firmemente. La rigidez de la herramienta es muy importante cuando
se realiza el escariad con un escariador plano. Un escariador interno se jala a través de las piezas
huecas y puede hacer agujeros con esquinas agudas.
El escariador externo trabaja en el exterior de
la pieza que se jala o empuja. El corte de roscas en un agujero es un proceso
interno que requiere de un machuelo, el cual debe usarse invirtiendo el giro del husillo, a
menos que se use un cabezal roscador autorreversible. El roscado de ejes es una
operación externa que usa una tarraja para corte de roscas.
Maquinado abrasivo
EL maquinado abrasivo implica la eliminación
de material por acción de partículas abrasivas duras que están por lo general pegadas a una rueda.
El esmerilado es el proceso abrasivo mas importante y común de todas las operaciones de trabajo de los metales. El rectificado, pulimentado, superacabado, pulido y abrillantado son otros procesos abrasivos.
Los procesos de maquinado abrasivo se utilizan principalmente como operaciones de acabado, aunque algunos de ellos son capaces de altas velocidades de remoción de material que rivalizan con las operaciones de maquinado convencional.
El uso de abrasivos para dar forma a las partes de trabajo es
probablemente el proceso más antiguo de remoción de material. Las razones son las siguientes:
Se pueden usar en todos los tipos de materiales, desde metales suaves hasta aceros endurecidos, y en materiales no metálicos como cerámicos y silicio.
Algunos de estos procesos se pueden usar para producir acabados superficiales extremadamente finos de hasta 0.025 µm.
Para ciertos procesos abrasivos, las dimensiones pueden mantener tolerancias extremadamente cerradas.
Algunos otros procesos de remoción de
materiales se clasifican también dentro del maquinado abrasivo, debido a que se realizan el corte por medios abrasivos como el corte con chorro de agua abrasiva y el maquinado ultrasónico, estos procesos se conocen como procesos no tradicionales de remoción de material.
Esmerilado
El esmerilado es un proceso de remoción de material en el cual las partículas abrasivas están contenidas en una rueda de esmeril aglutinado que opera a velocidades superficiales muy altas.
Es similar al fresado, en ambas técnicas el corte ocurre en la periferia o en el frente de la rueda del esmeril, como ocurre en el fresado periférico y en el fresado de frente.
A pesar de las similitudes, hay una diferencia significativa entre el esmerilado y el fresado:
Los granos abrasivos en la rueda son mucho más pequeños y numerosos que los dientes de una fresa.
Las velocidades de corte en el esmerilado son mucho más que en el fresado.
Los granos abrasivos en una rueda de esmeril están orientados aleatoriamente y tienen un ángulo de inclinación promedio muy alto.
Una rueda de esmeril es auto-afilante.
La rueda del esmeril
Una rueda de esmeril consiste en partículas abrasivas y material aglutinante, los cuales mantienen a las partículas en su lugar y establecen la forma y estructura de la rueda.
Estos dos componentes y la forma en que se fabrican determinan los parámetros de la rueda del esmeril, que son los siguientes:
Material abrasivo: Los diferentes materiales abrasivos se adecuan para esmerilar diferentes materiales de trabajo, las propiedades generales de un material abrasivo para las ruedas de esmeril incluyen alta dureza, resistencia al desgaste, tenacidad y fragilidad.
Tamaño del grano: El tamaño de los granos de las
partículas abrasivas es un para metro importante en la determinación del acabado superficial y de la velocidad de remoción del material, debido a que el tamaño de grano pequeño produce mejores acabados mientras que los mayores tamaños de grano permiten velocidades de remoción mas grandes.
Los materiales de trabajo más duros requieren tamaño de grano más pequeño para un corte efectivo, mientras que los materiales más suaves requieren tamaños de granos más grandes.
Material aglutinante: Debe de ser capaz de
soportar las fuerzas centrifugas y las altas temperaturas experimentadas por la rueda de esmeril, resistir sin quebrarse ante los impactos de la rueda.
También deben sostener los granos abrasivos rígidamente en su lugar para alcanzar la acción de corte y permitir el desalojo de los granos gastados, de manera que se expongan nuevos granos.
Grado de la rueda: Indica la resistencia del
aglutinante de la rueda de esmeril para retener los granos abrasivos durante el corte.
El grado se mide en una escala que va de suave a duro, las ruedas suaves pierden los granos fácilmente mientras que las ruedas duras retienen los granos abrasivos
Estructura de la rueda: Se refiere al espacio
relativo de los granos abrasivos en la rueda, además de los granos abrasivos y el material aglutinante, las ruedas contienen huecos de aire o poros.
La estructura de la rueda se mide en una escala que va de abierta a densa, una rueda de estructura abierta contiene muchos poros y pocos granos por unidad de volumen, caso contrario de una rueda de estructura densa,
Procesos abrasivos relacionados
Otros procesos abrasivos incluyen el rectificado, el bruñido, el superacabado, el pulido y el abrillantado. Éstos se usan exclusivamente como operaciones de acabado.
La forma inicial de la pieza se crea mediante algún otro proceso y se termina por medio de alguna de estas operaciones para obtener un acabado superficial superior.
Rectificado
El rectificado es un proceso abrasivo ejecutado por un conjunto de barras abrasivas pegadas. Una aplicación común es el acabado de las perforaciones en los motores de combustión interna. Otras aplicaciones incluyen cojinetes, cilindros hidráulicos y cañones de pistolas.
El rectificado produce una superficie cruzada transversal característica, que tiende a retener la lubricación durante al operación del componente, contribuyendo a su funcionamiento y vida de servicio.
En el rectificado, el tamaño de los granos fluctúa entre 30 y 600. Tanto en el rectificado como en el esmerilado existe la misma relación entre mejor acabado y velocidades de remoción de material más altas.
La cantidad de material removido de la superficie de trabajo durante una operación de rectificado puede ser de hasta 0.5mm, pero generalmente es mucho menor que esto.
En el rectificado es necesario utilizar un fluido de corte con el fin de enfriar y lubricar la herramienta y para ayudar a remover las virutas.
Pulido o lapeado
El pulido o lapeado es un proceso abrasivo que se usa para producir acabados superficiales de extrema precisión y tersura. Se usa en la producción de lentes ópticos, superficies metálicas para cojinetes, calibradores y otras piezas que requieren acabados muy buenos.
Con frecuencia, se lapean las piezas metálicas que están sujetas a cargas y fatiga o superficies que se usan para formar un sello con una pieza complementaria.
En lugar de una herramienta abrasiva, en el lapeado se usa una suspensión de partículas abrasivas muy pequeñas mezcladas en un fluido entre la pieza de trabajo y la herramienta de bruñir. Al fluido con abrasivos se le llama compuesto para pulido.
Los fluidos que se usan para hacer el compuesto son aceites y queroseno. Los abrasivos comunes son óxido de aluminio y carburo de silicio con tamaños de grano típicos entre 300 y 600.
La herramienta para pulir se llama contra forma y tiene exactamente la contra forma de la forma deseada en la pieza de trabajo.
El lapeado se hace algunas veces a mano, pero las máquinas bruñidoras realizan el proceso con mayor consistencia y eficiencia.
Los materiales que se usan para la contra forma van desde acero hasta fundición de hierro hasta cobre o plomo. Se han hecho ruedas contra forma de madera. Se cree que existen dos mecanismos alternativos del corte en el pulido.
En el primer mecanismo, las partículas abrasivas ruedan
y se deslizan entre la rueda de pulido y el trabajo, y ocurre muy poca acción de corte en ambas superficies.
En el segundo mecanismo, los abrasivos quedan incorporados en la superficie de la contra forma y la acción de corte es muy similar al esmerilado.
Lo más probables es que el pulido sea una combinación de estos dos mecanismos, dependiendo de la dureza relativa del trabajo y de la contra forma. Para contra formas de materiales suaves, el mecanismo de incorporación de granos es el dominante y para contra formas duras, domina el rodado y el deslizado.
Superacabado
El superacabado es un proceso abrasivo similar al lapeado. Ambos procesos usan una barra con abrasivo pegado, la cual se mueve mediante una acción oscilante y de compresión contra la superficie que se trabaja.
El superacabado difiere del bruñido en los siguientes aspectos:
Los recorridos son más cortos.
Se usan frecuencias más altas.
Se aplican presiones más bajas entre la herramienta y la superficie.
Las velocidades de la pieza de trabajo son más bajas.
Los tamaños de grano son generalmente menores. El movimiento relativo entre la barra abrasiva y la superficie de trabajo es variado, de manera que los granos individuales no recorren la misma trayectoria. Se usa un fluido de corte para enfriar la superficie de trabajo y eliminar las virutas.
Además, el fluido tiende a separar la barra abrasiva de la superficie de trabajo después de que se alcanza un cierto nivel de tersura en las superficies; de esta forma se previene una acción posterior de corte. El superacabado puede usarse para superficies planas y cilíndricas externas.
Pulido y abrillantado
El pulido se usa para remover arañazos o rebabas y para alisar las superficies gruesas por medio de granos abrasivos pegados a una rueda de pulimentado que gira a altas velocidades.
Las ruedas se hacen de lona, cuero, fieltro e incluso papel; así, estas ruedas son un tanto flexibles. Los granos abrasivos se pegan en la periferia de la rueda.
Cuando se gastan los abrasivos, se le vuelven a pegar a la rueda nuevos granos. El tamaño de los granos es de 20 a 80 para pulimentado basto y 90 y 120 para pulimentado fino, y arriba de 120 para acabados más finos.
El abrillantado es similar en apariencia al
pulido pero su función es diferente, se usa para producir superficies atractivas de alto lustre. Las ruedas de abrillantado se hacen de materiales similares a las ruedas de pulido, pero por lo general las ruedas de abrillantado son mas suaves.
El abrillantado se ejecuta a velocidades entre 8000 y 17000 pies/min, se hace por lo general manualmente como el pulido, aunque se han diseñado maquinas para realizar el proceso automáticamente.
Procesos Especiales de
Maquinado
Introducción
Los procesos de maquinado convencionales remueven material con una herramienta de corte para formar una viruta.
Sin embargo, hay casos en los que estos procesos no son satisfactorios, económicos, o siquiera posibles.
Procesos de energia mecánica
Maquinado Ultrasónico
En este tipo de maquinado no convencional se dirigen a alta velocidad abrasivos contenidos en una pasta fluida, mediante una herramienta vibratoria en amplitud baja (aprox. 0.003 plg), y a una frecuencia de alrededor de 20,000 Hz.
Esta vibración, a su vez , imparte una gran velocidad a los granos abrasivos entre la herramienta y la pieza.
Los esfuerzos producidos son altos debido por que el tiempo de contacto es bajo y el área de contacto es pequeña.
Este tipo de maquinado se adapta mejor para materiales frágiles y duros, como los cerámicos, carburos, piedras preciosas y aceros endurecidos.
Maquinado con chorro de agua
Cuando se coloca la mano en un chorro de agua se siente una fuerza concentrada y ese es el principio de funcionamiento de este proceso.
El chorro de agua funciona como una sierra y corta una ranura angosta de una material
Para lograr una operación eficiente se suele utilizarse una presión de aproximadamente 400MPa.
Las ventajas de este proceso son:
1.- Puede iniciar los cortes en cualquier lugar sin necesidad de orificios o taladros.2.- No se produce calor3.- No se producen flexiones en el resto de la pieza.4.- Las rebabas producidas son mínimas.
Procesos electroquímicos
Maquinado electroquímico
Este tipo de maquinado retira material de una pieza de trabajo conductora de electricidad por medio de disolución anódica, en la cual se obtiene la forma de la pieza de trabajo a través de una herramienta formada por electrodos, muy próxima al trabajo pero a la vez separada pero al mismo tiempo separada de el por un electrolito que fluye con rapidez.
Es importante notar que la cavidad producida es la imagen hembra de la herramienta. Se utilizan modificaciones de este procedimiento para torneado, careado, ranurado y perfilado donde el electrodo se transforma en la herramienta de corte.
El electrolito utilizado es una solución de sal inorgánica muy conductora, como el cloruro de sodio o el nitrato de sodio en agua y se bombea a grandes flujos a través de la herramienta.
Procesos de energía térmica
Proceso de descarga eléctrica.El principio de este proceso se basa en la erosión de los metales mediante chispas de descarga eléctrica.
Se sabe que cuando se dejan que se toquen entre si 2 conductores se produce un arco eléctrico lo que produce una pequeña erosión en el punto de contacto del arco.
Maquinado con haz de electrones y corte con arco de plasma.
En el maquinado por haz de electrones la fuente de energía que se utiliza esta formada por electrones de alta energía que chocan con la superficie a maquinar y generan calor.
Esta maquinas utilizan tensiones del orden de 50 a 200 kV para acelerar los electrones a velocidades del 50 al 80% de la velocidad de la luz.
Este tipo de maquinado se utiliza principalmente para cortes muy exactos en gran cantidad de metales.
Este procedimiento genera rayos X, por lo cual debe ser realizado por personal calificado.
En el corte por arco de plasma se usan chorros de plasma (gas ionizado) para cortar con rapidez laminas y placas de metales ferrosos y no ferrosos.
Las temperaturas generadas son muy altas del orden de 9400 a 1700º F.
Maquinado por Rayo Laser.
Como su nombre lo indica este procedimiento es realizado mediante laser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación)
La energía que esta muy concentrada y es de densidad muy alta funde y evapora partes de la pieza de manera controlada.
