Procesos de maquinado para formas redondas Andrés Bachfischer Materiales II – Instituto Balseiro

Muchas veces el modo de unir diferentes partes en un producto o la forma en si del mismo puede realizarse gracias a métodos de maquinado rotatorios.

Procesos Torneado (a-d) Emparejado (e) Corte con herramientas de forma (g) Perforación (interna, h) Taladrado (i) Corte final (j) Roscado (k) Moleteado (l)

El torno Utiliza el movimiento giratorio de la pieza a trabajar para maquinarlo a través de diferentes geometrías de herramientas de corte y de esta manera llegar a obtener una pieza final. Las partes consisten en la cama, el carro, el cabezal, el cabezal móvil y los ejes de deslizamiento. Se los especifica según el máximo diámetro posible de torneado, la distancia máxima entre cabezales y el largo de la cama.

Tipos de Torno Tornos de banco: dispuestos en forma de mesa, tienen poca potencia, controlado manualmente y para realizar pequeñas piezas. Tornos de usos especiales: de mayor potencia (450kW) y para piezas de mayor tamaño (1,7mx8m). Tornos de trazado: duplican un contorno molde sobre el material de trabajo. Están siendo reemplazadas por las de control numérico. Tornos automáticos: existen los manuales con ciertas operaciones automáticas o que ya han sido totalmente automatizados para producciones de mediano a alto volumen. Maquinas automáticas de barras o tornillos: diseñadas para una alta producción de tornillos o roscas, en las que se utiliza una torreta con diferentes herramientas anexadas. Tornos de torreta: son capases de hacer muchos procesos (torneado, perforación interna, taladrado, roscado y terminado) utilizando una torreta hexagonal con las diferentes herramientas de corte. Las versiones verticales son mas utilizadas para piezas cortas y pesadas menores al metro. Torno controlado por computadora: CNC, equipadas con varias torretas y herramientas que operan rápidamente intercambiando las mismas y tienen una alta potencia de maquinado. Tienen un nivel de producción entre mediano y bajo.

La herramienta de corte Angulo de ataque: controla la dirección de la remoción de virutas y la resistencia de la herramienta. Si es positivo reduce las fuerzas y la temperatura, pero lleva a la rotura del mismo prematuramente. Angulo de inclinación lateral: controla la dirección del flujo de viruta (rango entre -5º a 5º). Angulo de la punta: afecta a la formación de la viruta, la resistencia de la herramienta y las fuerzas de corte (15º). Angulo de incidencia: controla la interferencia y la fricción entre la herramienta y la pieza (5º). Radio de la punta: afecta el acabado superficial y la resistencia de la punta. Cuanto menor es el radio, mas rugosa es la superficie final de la pieza.

La tasa del material removido (MMR) es el volumen de material que se quita por unidad de tiempo. 𝐷 𝑚𝑒𝑑 = 𝐷 0 − 𝐷 𝑓 2 𝑀𝑅𝑅=𝜋 𝐷 𝑚𝑒𝑑 𝑑 𝑓 𝑁=𝑑 𝑓 𝑉 El tiempo de (solo) corte de un largo l es: 𝑡= 𝑙 𝑓𝑁 La herramienta de corte debe soportar fuerzas grandes sin presentar deflexión, vibraciones o rotura significativa. Estas fuerzas interactuantes en el torneado son: La fuerza de corte 𝐹 𝑐 que suministra la energía necesaria para la operación de corte. La fuerza de empuje 𝐹 𝑡 causada por el avance del feed (que trata de apartar la herramienta de corte de la pieza). La fuerza radial 𝐹 𝑟 que actúa en forma radial y trata de separar la herramienta. 𝜏= 𝐹 𝑐 𝐷 𝑚𝑒𝑑 2 𝑃𝑜𝑡=2𝜋𝑁𝜏

Acabado y rugosidad superficial Para mejorarlos, es conveniente realizar varias pasadas de la herramienta de corte sobre el material, en las cuales las primeras consisten en aplicar una velocidad de feed mas alta y remover mas material introduciendo mas la herramienta, mientras que las ultimas se lo realiza a menor velocidad y con poca profundidad. Los parámetros de torneado difieren para cada material debido a las propiedades que estos tienen. De lo contrario, podría dejar irregularidades en la pieza o romper las herramientas de corte. El uso de fluidos de corte al realizar el torneado en general mejora la disipación de calor al momento de cortar (reduciendo la temperatura de trabajo) y reduce la fricción entre la herramienta y la superficie disminuyendo la probabilidad de vibración.

El acabado superficial y la precisión dimensional depende de la herramienta, rigidez, vibraciones, geometría, el uso de fluidos, los materiales usados y la habilidad. La capacidad de producción depende principalmente de las características del proceso y de las herramientas, de los tiempos de configuración previa, de la geometría y materiales de la pieza.

Recolección de virutas Para disminuir el problema de que la viruta pueda causar desperfectos entre la herramienta y la pieza, se utilizan métodos para la remoción según el proceso. En taladrado alrededor de 15𝑐 𝑚 3 son removidos ocupando hasta 12000𝑐 𝑚 3 en virutas. En fresado esto ocupa hasta 750𝑐 𝑚 3 . Se utiliza un chipbraker para hacer mas manejable la recolección. Los métodos que se utilizan son: Por gravedad en un recipiente Arrastrándolos a un tanque de sedimentación Sinfines Transportadores magnéticos Medios de vacío o aspiración Al utilizar fluidos en la maquinaria, es luego necesario separar las virutas del mismo antes de que sea reutilizado nuevamente (puede ser por centrifuga). Luego si la cantidad de viruta es significativa puede ser reutilizada para reducir los costos de fabricación.

Roscado Es la cresta de sección transversal uniforme que sigue una trayectoria helicoidal o espiralada en el exterior o interior de una superficie cilíndrica o cónica. Los tornillos, tuercas y pernos son cilíndricos mientras que los caños de agua y gas son cónicos. Las roscas internas se producen con una herramienta llamada tap y las externas con fresado o molde. Por lo general el resultado final presenta un acabado superficial malo, por lo que se realizan varias pasadas sobre la rosca para mejorarlo. Se los realiza en laminado de roscas, en maquina automática de tornillos y con tornos CNC.

Se utiliza los die-head chasers para aumentar la producción al tener múltiples cortadores y a los solid-threading dies para el fin de cañerías.

Perforación (Boring…) Consiste en aumentar el diámetro de un agujero o para producir perfiles dentro del material. La columna estructural de la maquina (que sostiene la herramienta de corte) debe ser lo suficientemente rígida para minimizar la deflexión y mejorar la precisión (carburo de tungsteno). Puede generar otros procesos. Soporta piezas de hasta 2.5𝑚 Tiene velocidades de corte similares a las del torno. Potencia cercana a los 150kW

Taladrado Consiste en la producción de agujeros con un cociente de longitud a diámetro altos. Capaces de producir agujeros profundos (siendo importante la deflexión de la mecha). Las virutas son expulsadas en dirección contraria al del movimiento de la mecha. Produce agujeros con marcas circunferenciales (malo acabado). El agujero final tiene un diámetro ligeramente mayor al de la mecha

Mechas Helicoidal: la mas convencional (doble), su velocidad de corte varia con la distancia desde el centro de la mecha, el ángulo de punta esta entre 118º y 135º, lip relief entre 7º a 15º, chisel-edge entre 125º a 135º y el ángulo de hélice entre 15º y 30º, los valles de la mecha conducen las virutas y permite la conducción de fluido. De paso: produce agujeros de 2 o mas diámetros. De núcleo: agranda un agujero previamente hecho. Counterboring: genera depresiones en la pieza. Puntual: genera un pequeño agujero para que luego se pueda realizar otro proceso.

Mechas Central: realiza un agujero pequeño que va a actuar de centro de rotación de la pieza. De pala: produce agujeros de diámetro grande y profundos. De carburos: para taladrar materiales duros, de altas temperaturas, abrasivos o de materiales compuestos. De pistola: usada para agujeros muy profundos (𝐿/𝐷>300), a alta velocidad de corte pero baja de feed. Se le inyecta fluido a alta presión por un pasaje a lo largo de la mecha para lubricar y enfriar. De trepanado: se forma un agujero en forma de disco sobre una placa (con poca remoción de material salvo el disco). Se lo usa para grandes diámetros.

Tipos de Perforadoras De prensa: las mas comunes con mesa ajustable y las mechas se colocan en el cabezal graduable. Es bajada manualmente o con una velocidad peseteada. Radial: para mayores tamaños y de fácil recambio de mechas para aumentar la productividad. Con múltiples cabezales: permiten realizar muchas operaciones simultaneas elevando la tasa de producción. Pueden hacer hasta 50 agujeros de diferentes formas. De control numérico: se programan por computado y trabajan en el material de forma automática intercambiando la mecha cuando lo necesite.

En este caso, la tasa de remoción de material para una mecha de tamaño 𝐷 girando a una velocidad angular 𝑁 es 𝑀𝑅𝑅=𝐴 𝑓 𝑁= 𝜋𝐷 2 4 𝑓 𝑁 La fuerza de empuje 𝐹 𝑡 que actúa perpendicularmente al eje del agujero y en caso de ser muy grande puede romper o doblar la mecha. Esta fuerza depende de la dureza del material a perforar, de la velocidad de avance, la velocidad angular, el tamaño y geometría de la mecha y si se utilizan fluidos al perforar. El torque aplicado en la maquina puede llegar a ser de 4000𝑁𝑚

Características generales Las mechas están hechas usualmente de aceros de alta velocidad y carburos solidos. Las mechas helicoidales (las mas usadas) tienen varias denominaciones. Estas son diferenciarlas por números enteros, letras, fracciones incrementales y milimétricas. Hay que variar la velocidad tanto de perforado como la angular para cada material que se desee trabajar (disminuyendo las posibilidades de rotura prematura o mal acabado) Para limpiar de virutas la zona de perforado, es conveniente retraer la herramienta de corte frecuentemente. De lo contrario puede generarse un torque excesivo o una malformación en el agujero. La vida útil de la mecha se define por el numero de agujeros taladrados que se hicieron hasta que el torque para la misma situación comienza a crecer.

Afeitadora Operación que mejora la precisión dimensional y acabado superficial de un agujero. Es utilizado luego de haber realizado procesos de perforado, fresado o torneado en el caso que los requerimientos de la pieza lo soliciten. Puede realizarse además un bruñido o pulido para mejorar la superficie. La herramienta tiene varios bordes de corte rectos o helicoidales que remueven poco material al pasar. Remueven entre 0,13 a 0,2𝑚𝑚 Se puede combinar una afeitadora con una mecha para lograr ambos procesos al mismo tiempo (dreamer).

Tapping (roscado) Produce roscas internas. La herramienta de corte tiene roscas con múltiples dientes. Los tamaños máximos llegan a los 10cm. Pueden optimizarse para reducir el torque o para agujeros de gran diámetro (colapsables). Debido al poco lugar de paso, las virutas pueden quedar atrapadas generando torque. Combinando el taladrado con el roscado se tiene el drapping en un mismo proceso. Puede hacerse a mano (en perforadoras y tornos) o automatizarse con CNC (operando a alta velocidad). Utilizando lubricación, la vida de la herramienta puede llegar a 10000 agujeros.