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Las operaciones de mecanizado o arranque de viruta conllevan eliminar material para formar la pieza deseada. Por ejemplo, al aserrar madera: siempre se desprende una cantidad de material en forma de serrín.
Estas operaciones, por tanto, se realizan cortando material por desplazamiento de la herramienta, de la pieza o de ambas. En estos procesos debemos distinguir: el movimiento de corte, que es el que produce directamente el arranque, y el movimiento de avance, que hace progresar el corte. Siguiendo con el ejemplo de la sierra, el movimiento de corte es el vaivén y el avance es la profundización del corte.
Los cálculos de velocidad de corte y de avance son básicos, pues no sólo están limitados por la potencia de la máquina, sino que una sección de corte excesiva puede producir el desgarro del material o la rotura de la herramienta de corte.
A continuación veremos los métodos más corrientes.
TORNEADO
Se hace girar la pieza y con una herramienta afilada se le da forma. Evidentemente estas formas son siempre figuras de rotación.
Los tornos son máquinas muy robustas provistas de un motor eléctrico que hace girar un cabezal al que se fija la pieza por un extremo. Para evitar que la pieza flexione al trabajar, se sujeta su extremo libre mediante otro cabezal provisto de una pieza en punta. Este apoyo recibe el nombre de contrapunto.
En el torneado el movimiento de corte es el giro de la pieza y el movimiento de avance es el desplazamiento de la cuchilla. Las formas de atacar al material reciben nombres específicos:
Cilindrado
Refrentado
Tronzado
Cajeado
Torneado cónico
Roscado
Para realizar cálculos de velocidad de corte y de avance hay que tener muy claro cómo es el arranque de material:
En el cilindrado, la velocidad de corte, que se expresa en metros por minuto, viene dada por el diámetro y la velocidad de giro de la pieza, según la expresión:
1 rev - π D mm
n rev - v C
Movimientos de corte y de avance
siendo D el diámetro de la pieza y n la velocidad de giro de la misma en r.p.m.
Por otro lado, la velocidad de avance, que se expresa en milímetros por minuto, es el producto de la distancia que se mueve la cuchilla en cada vuelta (avance a) multiplicado por las vueltas que da la pieza en un minuto (velocidad de giro n):
vA (mm/min) = a (mm) * n (rev/min)
Para calcular la potencia necesaria para realizar el torneado hay que multiplicar la fuerza que se ejerce por la velocidad de corte. La fuerza de corte viene dada por la resistencia del material y la sección de corte:
FC = K * a * p
siendo:
K (kp/mm²) fuerza específica de corte, relacionada con la resistencia del material,
a (mm) el avance, la distancia que se desplaza la cuchilla en cada vuelta,
p (mm) la profundidad de pasada, lo que se clava la cuchilla.
Así, la potencia de corte será:
PC = FC * vC
y, al corregir las unidades, nos queda:
PC (W) = K (kp/mm²) * a (mm) * p (mm) * vC (m/min) * (9,81 N / 1 kp) * (1 min / 60 s)
FRESADO
Una fresa es una herramienta cilíndrica con filos en su periferia, que elimina material mientras gira. En las fresadoras tradicionales la pieza está sujeta a una mesa que se desplaza contra la herramienta, tallándose la forma que tenga la fresa. Por tanto, el movimiento de corte es el giro de la fresa y el de avance el desplazamiento de la pieza.
En las modernas fresadoras controladas por ordenador la herramienta puede hacer todo tipo de libertad de movimiento: desplazamiento, inclinación, giro, ...
Con esta operación se suelen redondear bordes, alisar superficies o tallar engranajes.
Las formas básicas de atacar a la pieza son las siguientes:
Claves:
1.- Fresado frontal (planeado)
2.- Fresado en escuadra
3.- Fresado tangencial en oposición o fresado normal.
4.- Fresado tangencial en concordancia o fresado en equicorriente.
Movimiento de corte.
Movimiento de avance.
Movimiento de profundización.
Una de las principales aplicaciones del fresado es la fabricación de engranajes. Para ello se utiliza una fresa módulo, que arranca material de un cilindro de metal, formando así los dientes de las ruedas dentadas:
En todos los casos es importante el cálculo tanto de la velocidad de corte como de la potencia de corte necesaria para realizar el trabajo. De froma similar al torneado, tenemos:
1 rev - π D F mm
n rev - v C
siendo DF el diámetro de la fresa y n la velocidad de giro de la misma en r.p.m.
La velocidad de avance es el producto de la distancia que se mueve la fresa en cada vuelta (avance a) multiplicado por las vueltas que da la misma en un minuto (velocidad de giro n):
vA (mm/min) = a (mm) * n (rev/min)
La fuerza necesaria para el corte viene dada por el producto de la fuerza específica de corte multiplicada por la sección de corte. Como la fresa no tiene una sección de corte constante, se analiza el valor en que esta fuerza es máxima, que coincide con el momento en que la sección también lo es:
La sección de corte es máxima cuando el grosor de la viruta es máximo. Es una buena aproximación suponer que este grosor máximo es igual a la distancia que avanza un diente (aunque no es exactamente así, especialmente cuando la profundidad es pequeña). La fuerza de corte será entonces:
FC = K * b * aD
siendo:
aD (mm) el avance, distancia que avanza un diente,
b (mm) el ancho de la fresa.
Pero el valor con que se trabaja no es el avance por diente, sino el de avance de la fresa en una vuelta completa, que se relaciona con el anterior mediante el número de dientes que tenga:
a = aD * Z
Con lo que queda la fuerza de corte como:
FC = K * b * a/Z
y la potencia de corte será el producto de la fuerza por la velocidad, como siempre:
PC = FC * vC
que, al corregir las unidades, nos queda:
PC (W) = K (kp/mm²) * b (mm) * a/Z (mm) * vC (m/min) * (9,81 N / 1 kp) * (1 min / 60 s)
RECTIFICADO
Cuando se sustituye la fresa por una piedra natural o artificial, se está realizando un rectificado o esmerilado. Estas piedras, que se llaman muelas están formadas por granos muy pequeños y duros embebidos en una matriz blanda.
Con esta operación se elimina muy poco material, pero la dureza de las muelas permite trabajar materiales muy duros, y así se pueden afilar herramientas, alisar superficies metálicas, etc.
En este caso también se trabaja con velocidad y potencia de corte, con cálculos muy similares a los del torneado y el fresado.
TALADRADO
De esta operación cabe destacar que el movimiento de corte es el giro de la broca y el de avance su desplazamiento vertical. La velocidad de giro debe ser tanto más lenta cuanto más duro es el material.
La taladradora de sobremesa está presente en multitud de talleres, pero industrialmente se utilizan máquinas mucho mayores e incluso con varios cabezales portabrocas.
La velocidad de corte viene determinada por la velocidad de rotación de la broca, con lo que aparece una fórmula ya conocida:
siendo DB el diámetro de la broca y n la velocidad de giro.
Al igual que en los casos anteriores, la velocidad de avance es el producto de la distancia que se mueve la broca en cada vuelta (avance a) multiplicado por las vueltas que da la misma en un minuto (velocidad de giro n):
vA (mm/min) = a (mm) * n (rev/min)
La fuerza de corte sigue siendo igual al producto de la fuerza específica por la sección de corte, de valor:
SC = (R/sen φ) * aF
Teniendo en cuenta que el valor que se usa es el diámetro y no el radio de la broca, y que en una vuelta completa de la broca cada filo ha cortado la mitad de lo que haya avanzado la broca (aF = a/2), tendremos que la sección de corte de cada filo es:
SC = (D/2 sen φ) * a/2
y la fuerza de corte para cada filo, por tanto:
FCF = K * (D/ 2 sen φ) * a/2
Como hay dos filos, hay que multiplicar la expresión anterior por 2, con lo que finalmente queda:
FC = K * a * D/2 sen φ
siendo:
K (kp/mm²) fuerza específica de corte,
a (mm) el avance, la distancia que profundiza la broca en cada vuelta,
D (mm) el diámetro de la broca,
φ = 59º, pues el ángulo del pico de la broca se afila a 118º.
Nuevamente, la potencia de corte será el producto de la fuerza por la velocidad:
PC = FC * vC
que, al corregir las unidades, nos queda:
PC (W) = K (kp/mm²) * a (mm) * D/2 sen φ (mm) * vC (m/min) * (9,81 N / 1 kp) * (1 min / 60 s)
LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN
Con objeto de disminuir al mínimo los rozamientos que puedan existir entre la herramienta, la pieza mecanizada y las virutas que están siendo eliminadas, y a la vez enfriar tanto la zona de corte como la herramienta, se usan unos productos denominados genéricamente taladrina.
La taladrina básicamente prolonga la vida de las herramientas, pero también evacua virutas y tiene otros efectos secundarios como evitar óxidos o eliminar gérmenes.
Lubricación con taladrina
MECANIZADOS ESPECIALES
Las vistas hasta ahora son algunas de las operaciones tradicionales de mecanizado, que con la introducción del control de desplazamientos y velocidades por ordenador han dado lugar a los sistemas automatizados de fabricación, conocidos comúnmente como Control Numérico por Ordenador o por sus siglas CNC (se puede ver una demostración en la wiki).
Pero existen otras formas de arrancar material para crear una pieza, como son:
Corte por chorro de agua
Se consigue cortar cualquier material, haciendo impactar sobre éste un chorro de agua a gran velocidad que produce el acabado deseado. El agua está a una presión de hasta 4000 atm y arrastra una arena muy fina que es la que produce realmente el corte.
Es un sistema muy preciso, tanto por la estrechez del chorro como por realizarse el proceso a baja temperatura, evitando dilataciones y contracciones. A cambio, resulta caro y el grosor de los materiales es limitado (unos 400 mm para el acero).
Mecanizado por láser
En lugar de un chorro de agua se utiliza un rayo láser de muy alta potencia que eleva la temperatura del material a cortar hasta conseguir su sublimación (paso de sólido a gas sin fundirse), pero afectando únicamente a la zona cortada, y apenas al resto de la pieza.
Corte por plasma
Se trata de unmétodo similar al anterior, utilizando plasma, que es un gas sobrecalentado por encima de 30.000º C. Con ésto, el gas pierde sus electrones y adquiere propiedades de un cuarto estado de agregación de la materia (sólido, líguido, gas y plasma), como la conductividad eléctrica. Al lanzar el chorro de plasma se consigue concentrar el calor en una zona muy pequeña, establecer un arco eléctrico y presionar sobre el material vaporizado para expulsarlo.
Fresado químico
En este caso se somete la superficie a trabajar a la acción de un ácido que va a eliminar material. Cuando sólo se desea atacar algunas zonas, se protege el resto con una máscara inmune al ácido, que será eliminada más tarde. Mediante este método se consiguen las placas de circuito impreso o los antiguos moldes de litograbado.
Elaboración de circuitos impresos eliminando el cobre sobante
MECANIZADO DE LA MADERA
Las operaciones de arranque de viruta en madera son, de hecho, el origen del mecanizado. Las operaciones reciben nombres similares, cuando no idénticos, pero las máquinas tienen diferencias significativas. Se puede hacer un repaso pulsando aquí.
Para saber más:
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