Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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 Material 2

Acero al carbono Acero inoxidable

Barras Ø = 30 mm Barras Ø = 45 mm

%C=0,11 %P=0,014 %C=0,017 %P=0,028

%Mn=0,84 %Cr=0,16 %Mn=1,44 %Cr=17,51

%Si=0,29 %Ni=0,079 %Si=0,38 %Ni=8,06

%S=0,016 %Mo=0,021 %S=0,031 %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

Antonio Guarnido Barrera

Capítulo 5 - 1

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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 Modelo Nº Serie Características: Precisión:

PINACHO Potencia nominal L-1/165 Distancia máxima entre sujeciones 21604 Variador continuo de velocidad Torno paralelo de manipulación manual Longitudinal: 0,02 mm Transversal:0,02 mm

Gama de revoluciones nominales (rpm) 60 220 92 360 140 530 Gama de avances proporcionados para cilindrado (mm/rev) 0,047 0,06 0,07 0,105 0,12 0,14 0,21 0,24 0,28 0,43 0,48 0,56

Capítulo 5 - 2

3 CV 700 mm NO

860 1400 2000 0,082 0,165 0,33 0,66

0,095 0,19 0,38 0,86

Antonio Guarnido Barrera

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

Figura 5.2. Torno PINACHO L-1/165 Tabla 5.3. Características técnicas del torno PINACHO T-3 Fabricante PINACHO Potencia nominal Modelo T-3 Distancia máxima entre sujeciones Nº Serie V95 Variador continuo de velocidad 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

1,5 CV 600 mm NO

Figura 5.3. Torno PINACHO T-3 Antonio Guarnido Barrera

Capítulo 5 - 3

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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

Software

KAPPA Imagebase

Aumentos

x10 / x20 / x30 / x40 / x50 / x6,3

Capítulo 5 - 4

Modelo

SMZ 800

Antonio Guarnido Barrera

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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

Precisión

12 nm

Modelo

M1

Nº Serie

Velocidad del palpador

Parámetros que mide

Ra, Rz ,Rmax, RPc

Longitudes de medida

Auto / 1,75 / 5,6 /17,5mm

7287 0,5mm/s

Figura 5.7. Rugosímetro MARH M1 Antonio Guarnido Barrera

Capítulo 5 - 5

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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.

Capítulo 5 - 6

Antonio Guarnido Barrera

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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 7

8

0,202

Nº Herramienta 4 6 Ra [µm] 0,205 0,171 0,166

0,118

0,182

0,211

0,235

0,151

0,167

0,113

0,092

0,161

0,172

0,154

0,208

0,274

0,173

0,155

0,067

1

2

Desprendimiento

0,212

Incidencia principal Incidencia secundaria

Superficie medida

3

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

Antonio Guarnido Barrera

Capítulo 5 - 7

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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 de incidencia 90°

Ángulo entre aristas de corte 160,43°

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 α

Inclinación principal λs

Posición Kr

De la punta 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.

Capítulo 5 - 8

Antonio Guarnido Barrera

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

Tabla 5.9. Rugosidad superficial Ra en las superficies de las herramientas de metal duro Herramientas Superficies medidas

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

Antonio Guarnido Barrera

Capítulo 5 - 9

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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 = πDN

(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.

Capítulo 5 - 10

Antonio Guarnido Barrera

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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 Nominal 360 530 860 1400 2000

Lámpara estroboscópica 386 556 887 1451 2062

PINACHO T-3 Tacómetro

Nominal

383 557 886 1445 N/D

775

Lámpara estroboscópica 717,2

Tacómetro 716

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 Antonio Guarnido Barrera

Capítulo 5 - 11

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte

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.

Capítulo 5 - 12

Antonio Guarnido Barrera