Cómo Seleccionar la Geometría de Corte Correcta

PROBLEMAS DE DESEMPEÑO Y CARACTERISTICAS DE LA HERRAMIENTA

-Geometría del filo y problemas de desempeño

La geometría del filo afecta el desempeño de la herramienta.
Para poder elegir la herramienta de con el mejor desempeño posible es imperativo entender las características de la geometría del filo así como también las características de los grados.
La regla básica para los problemas de desempeño es elegir un grado y una geometría del filo que sea ideal para la operación a realizar.

-Nuevo diseño de herramientas de corte

Los siguientes son nuevos diseños de herramientas para el siglo 21:

(1) EMPLEO DE UN ANGULO DE MAYOR INCLINACION:

(a)Perfeccionamiento de la exactitud - Disminución de la resistencia al corte
Produce poca resistencia al corte, temperatura de corte y tiene una excelente exactitud, por ello obtienen una gran durabilidad y un filo para materiales de difícil corte y materiales generales. Se realiza un mecanizado fluído aún cuando la máquina posee bajo poder y poco rigidez o cuando la pieza de trabajo tiene poca rigidez.
(b)Perfeccionamiento de la exactitud de corte
Los ángulos de mayor inclinación previenen astillamiento, doblando la herramienta y la pieza de trabajo, y se producen problemas relacionados con escasa exactitud causada por altas temperaturas que producen expansión térmica en la pieza de trabajo, facilitando el mecanizado de gran exactitud.
(c)Fácil mantenimiento de la máquina
La disminución de la resistencia de corte resulta en un reducción de la carga ubicada sobre la máquina, lo que previene problemas que causa la máquina al desarrollar escasa rigidez y frena el envejecimiento de la máquina.

(2) FORMA DEL FILO

(a)Reducción de la resistencia al corte
El principio básico del corte es que el filo toma contacto con la pieza de trabajo y remueve un pedazo del material en forma de viruta. Si el filo no es afilado, la exactitud disminuye. Si el filo tiene baja exactitud, la resistencia al corte se incrementa y hace imposible obtener las condiciones ideales para el mecanizado.
(b)Perfeccionamiento de la exactitud de corte
El incremento de la misma maximiza la exactitud de corte.

(3) PERFECCIONAMIENTO DE LA RESISTENCIA

(a)Declinación del desgaste y daño térmico
Desgaste mínimo normal y daño térmico causado por choques térmicos y mecánicos en corte con interrupciones tales como fresado.
(b)Filo confiable
Previene la deformación plástica causada por la temperatura de corte y la resistencia al corte, así como también daños anormales como astillamiento y fracturas.
Además, ofrece un durabilidad estable y más tiempo de corte.

Características del filo y problemas de desempeño
Los insertos con la geometría ideal para un excelente desempeño, tienen un área de aplicación limitada. Los insertos con buen desempeño en el corte requieren una aplicaición correcta, tanto es exactitud, eficiencia y costo.
La geometría del inserto está clasificada por muchos factores, a continuación veremos la relación entre el desempeño en el corte y las características del filo. Por ejemplo, ángulo de inclinación, ángulo lateral, ángulo principal, radio de punta y otra geometrías del filo como el bisel. También incluye los datos de valores de corte y la información técnica para problemas de desempeño y la selección de las formas más apropiadas del inserto.

COMO SELECCIONAR UN ANGULO DE INCLINACION

-Características de una herramienta con ángulo de gran inclinación
La fig. 1 muestra los ángulos con inclinación positiva y negativa. Los siguientes son los efectos de un ángulo con inclinación positiva.

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Fig. 1 - Angulo positivo y negativo de inclinación.

(1)Facilita la eficiencia de corte elevada debido a la reducción de la resistencia de corte y las fuerzas que la máquina absorbe. Las fig. 2 y fig. 3 muestran los datos de corte para el ángulo con inclinación, resistencia de corte y fuerzas absorbidas por la máquina.

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Fig. 2 - Resistencia al corte por el filo en fresado frontal

Fresado frontal

SE445 DS745
Angulo de esquina
Angulo de inclinación axial
Angulo de inclinación radial
Angulo de inclinación real
Angulo de inclinación del filo
+ 45°
+ 19°
- 2°
+ 13°
+ 15°
+ 45°
+ 9°
- 17°
- 7°
+ 13°

Material: Waspaloy (375HB)
Herramienta: Ø125mm, un inserto
Condiciones de corte: Vc=26 m/min, n=66rpm, ap=3mm, ae=123mm, fz=0.15mm/diente, en seco

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Fig. 3 - Filo y consumo de energía
Material: 42CrMo4 (281HB)
Herramienta: Ø125mm, 6 insertos
Condiciones de corte: Vc=125 m/min, ae=110mm, corte central, en seco
 
(2)Reduce la temperatura de corte y la vibración, e incrementa la exactitud del corte.
(3)Previene el desgaste y prolonga la durabilidad. La fig. 4 muestra los datos de corte.

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Fig. 4 - Diagramas lineales Vc-T y ángulo de inclinación para torneado
Material: Acero de herramienta, TC90 (220HB) Grado: STi10T (carburo P10)
Geometría de la herramienta: 0, a (Var), 5, 5, 20, 20, 0.5 mmR
Condiciones de corte: ap=1.0mm, f=0.32mm/rev, en seco

(4)Previene el desgaste de la herramienta y daños anormales en el filo por materiales de difícil corte, también incrementa la confiabilidad del filo.
(5)Simplificación del mantenimiento para mayor exactitud en el mecanizado. La fig. 5 muestra la relación entre el ángulo de inclinación y el desempeño durante el corte. Sin embargo, esto no significa que un ángulo superior no tiene puntos débiles.

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Fig. 5 - Angulo de inclinación y tendencias de corte

(6)El incremento del ángulo de inclinación disminuirá el ángulo de cuña, reduciendo de esta forma la fuerza del filo. Por ello, se produce desgaste anormal durante el mecanizado de materiales de difícil corte.
(7)Cuando un grado tiene baja dureza, como las cerámicas, no se obtiene un filo con la confiabildiad necesaria.

La fig. 6 muestra la selección estándar del ángulo de inclinación. Explica cuando aplicar un ángulo de inclinación positivo o negativo, de acuerdo a la relación de las características de la pieza de trabajo, grados, rigidez de la pieza de trabajo, características de la máquina y exactitud requerida en el mecanizado.

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Fig. 6 - Elección estándar de filos para fresado

-Elección del ángulo de inclinación basado en el material de la pieza de trabajo
La fig. 1 muestra los ángulos con inclinación positiva y negativa. Los siguientes son los efectos de un ángulo con inclinación positiva.

La estructura de la viruta, el ángulo de corte, la forma de la viruta, la longitud de contacto de la viruta, la temperatura de corte, el filo, la durabilidad y la exactitud en el corte; varían de acuerdo a las características del material de la pieza de trabajo, aunque es esencial elegir el ángulo de inclinación más apropiado.

(1)Para las piezas de trabajo que poseen dureza a alta temperatura, elevada afinidad o poca conductividad térmica es mejor utilizar un ángulo positivo grande. Los ejemplos de este tipo de piezas de trabajo son la aleación resistente a altas temperaturas (con base Fe, base Ni, base Co), acero inoxidable, acero resistente al calor, acero de alto manganeso, acero de matríz (HRC<35), acero de alta velocidad (HRC<35) y aleación de titanio. El aplicar un inserto con un ángulo de inclinación negativo a estos materiales causan daños en la herramienta, poca durabilidad, astillamiento y fracturas en el filo.

(2)Las piezas de trabajo con gran ductibilidad y maleabilidad, como la aleación de aluminio, hierro puro, cobre puro, plomo, zinc, níquel puro y estaño producen los mejores resultados con un ángulo de inclinación positivo mayor. El aplicar un inserto con un ángulo de inclinación negativo a estos materiales dará como resultados soldaduras severas, deformación del filo y poca exactitud durante el corte.

(3)A diferencia de los dos puntos anteriores, para el acero de alta dureza, fundición de alta dureza y cerámicas, los insertos con ángulo de inclinacion negativa son ideales. Para evitar problemas, las cerámicas y el CBN sinterizado son muy recomendados a pesar de ser inferiores a comparación con los carburos en resistencia ante fracturas. En el mecanizado de materiales de alta dureza, la fuerza posterior es mayor que la fuerza principal, su valor es de 3-4 veces aproximadamente la fuerza principal. Por ello, el uso de un ángulo positivo produce una fuerza enorme sobre la cara lateral y descascaramiento sobre su superficie inclinada.

(4)El mecanizado de materiales que están compuestos de partículas duras y abrasivas tales como FRP y MMC son básicamente la misma situación que en el punto (2).

Los materiales con partículas duras y abrasivas tienen una estructura consistente de fibras de diferente longitud tales como Al2O3, SiC y C. La matríz de estas partículas es usualmente de un material ferroso suave como la aleación de aluminio o plástico. Por ello, la elección de un ángulo de inclinación es igual al punto (2).
La excepción de esto son los materiales duron que poseen más del 70-80% del compuesto mencionado anteriormente. En esta situación la elección de la geometría de inserto es la misma del punto (3).

Elección del grado y el ángulo de inclinación
Los grados de la herramienta pueden ser clasificados como grados apropiados e inapropiados para los insertos positivos. Los grados apropiados son el carburo cementado de micro-grano y el diamante sinterizado. Los grados inapropiados son las cerámicas y el CBN sinterizado, que tiende a ser utilizado para el corte de materiales de alta durezam por ello, adoptan un ángulo de inclinación negativa. El carburo cementado, cermet y carburo recubierto se encuentran entro los dos de arriba y son ideales para insertos positivos y negativos. El diamante sinterizado emplea insertos positivos para materiales ferrosos suaves tales como aleación de aluminio. Sin embargo, se emplea para mecanizar materiales de alta dureza de insertos negativos de carburo cementado y cerámicas.

Características de la máquina y elección del ángulo de inclinación
Los ángulos de inclinación positiva son aplicables sin importar el poder de la máquina y la rigidez. Los insertos de inclinación positiva son aplicables sólo con máquinas de alto poder y rigidez, si las propiedades de estas máquinas son poca resistencia al corte, se producirá astillamiento. Para las máquinas con poco poder, son recomendados los insertos de ángulo de inclinación positiva.

Rigidez de la pieza de trabajo y elección del ángulo de inclinación
Relación entre la rigidez de la pieza de trabajo y la geometría del inserto puede ser considerada igual que la rigidez de la máquina y la herramienta de corte. La escasa rigidez de una pieza de trabajo se refiere a una forma delgada y baja rigidez de instalación. Los insertos de inclinación negativa producen una gran resistencia al corte que da como resultado vibraciones y astillamiento, en esta situación deben aplicarse insertos con ángulo de inclinación positvia con poca resistencia al corte.

Exactitud requerida durante el corte y elección del ángulo de inclinación
Como regla básica, cuando se requiere un gran exactitud en el corte, deben utilizarse insertos positivos con ángulos de inclinación grandes. Un incremento en el ángulo de inclinación crea un decrecimiento en la resistencia al corte, previniendo de esta manera, problemas tales como astillamiento. Además, también contiene la generación de altas temperaturas, por lo que las deformaciones por expansión térmicas son insignificantes. Los insertos con ángulo negativo incrementan la resistencia al corte, vibración y temperatura de corte, por lo que el tamaño y la aspereza superficial puede deteriorarse.

COMO SELECCIONAR UN ANGULO LATERAL

La fig. 7 muestra la relación entre el ángulo lateral y el desempeño durante el corte.
Un incremento del ángulo lateral tiene aspectos tanto positivos como negativos.

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Fig. 7 - Angulo lateral y características de corte

(1) ASPECTOS POSITIVOS

(a)Previene el desgaste lateral
La selección de insertos con un gran ángulo lateral evita el desgaste lateral, por ello, mientras que el lateral no se desgaste rápidamente, la durabilidad será prolongada. Tal como se muestra en la fig. 8, aún si el filo retrocede, el ángulo lateral sufrirá desgaste, un ángulo con gran inclinación sufrirá un desgaste mínimo a comparación con un ángulo de poca inclinación.
La fig. 9 muestra la relación entre el tamaño del ángulo lateral y el desgaste. La fig. 10 muestra la relación entre la velocidad de corte y la durabilidad con ángulos laterales de 3, 6, 8, 10 y 12 grados y un desgaste lateral límite de 0.3mm.
Es muy claramente expuesto en esta pruebas que el incremento del ángulo lateral resulta en un decrecimiento del desgaste lateral y la durabilidad de la herramienta se incrementa cuando el criterio a tomar es el ancho del desgaste lateral.

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Fig. 8 - Cara con inclinación y ancho de desgaste del mismo

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Fig. 9 - Varios ángulos de inclinación y desgaste de herramienta
Material: Acero al carbono, C45 (177HB) Grado: P10
Condiciones de corte: Vc=105m/min, ap=1.5mm, f=0.14mm/rev, t=5min, en seco

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Fig. 10 - Diagrama Vc-T para varios ángulos de inclinación
Material: 41CrNiMo2 (210HB) Grado: STi20T (P20)
Condiciones de corte: Vc=50, 70, 100, 140m/min, ap=1.0mm, f=032mm/rev, en seco
 
(b)Soldadura mínima sobre la superficie lateral
Como regla, las herramientas de corte general emplean un ángulo lateral de 5-6º. El utilizar estas herramientas generales para el corte de materiales maleables y dúctiles como aleación de aluminio y hierro puro produce soldaduras. La soldadura incrementa el área de contacto entre la pieza de trabajo y la superficie lateral generando una gran resistencia al cortey reduciendo la exactitud durante el corte. Para prevenri este fenómeno en el mecanizado de aleación de aluminio, hierro puro y otros similares, se deben emplear herramientas de corte con mucho despeje y con ángulos laterales mayores.

(c)Fácil mantenimiento de la máquina
La disminución de la resistencia de corte resulta en un reducción de la carga ubicada sobre la máquina, lo que previene problemas que causa la máquina al desarrollar escasa rigidez y frena el envejecimiento de la máquina.

(2) ASPECTOS NEGATIVOS

(a)Desarrollo del desgaste lateral a causa del ángulo lateral superior
Durante el corte de materiales generales a alta velocidad o materiales con baja conductividad térmica como el acero inoxidable y la aleación de titanio, se producen cráteres sobre la superficie lateral. Cuando progresa el desgaste lateral sobre un inserto con un ángulo lateral grande, el filo sufre fácilmente de rupturas tal como se puede observar en la fig. 11. Por ello, en estas situaciones no debería aplicarse ángulos laterales grandes.
La fig. 12 muestra la relación entre la variación del ángulo lateral (3º-20º) y durabilidad por un tiempo de corte de 20 minutos. El carburo cementado P20 fue el grado utilizado. Con velocidades de 100 m/min y 200 m/min, que fácilmente producen desgaste lateral, herramientas con mucho despeje y ángulos laterales mayores a 16º, que resultan en la ruptura del filo antes de alcanzar los 20 minutos de tiempo de corte.

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Fig. 11 - Ruptura causada por desgaste y gran ángulo de inclinación lateral.

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Fig. 12 - Desgaste de la herramienta a diferentes velocidades de corte para varios ángulos.
Material: 41CrNiMo2 (200HB) Grado: carburo cementado P20
Geometría de la herramienta: 0, 6, 6, a, a, 20, 20, 0.5 mmR
Condiciones de corte: ap=1.0mm, f=0.32mm/rev, t=20 min, en seco
 
(b)Incremento en el retroceso del filo
El volumen del inserto que se pierde por el desgaste es el mismo sin importar el tamaño del ángulo lateral. Los insertos con un gran ángulo lateral tienen poco desgaste pero su filo sufre mucho retroceso. Por ello, la profundidad de corte disminuye proporcionalmente con el retroceso del filo y problemas tales como poca exactitud pueden ocurrir. Esto significa que es necesario realizar ajustes frecuentes para poder obtener la exactitud requerida.

(c)Materiales de alta dureza que producen desgaste normal
Si el ángulo lateral es demasiado grande durante el corte de materiales de alta dureza, la confiabilidad del filo y el astillamiento y fractura del filo se eventualizarán. Esto se debe a la fuerza comprensiva sobre la superficie lateral que es causada por la resistencia al corte o más específicamente la fuerza principal.

Como regla, un ángulo lateral grande no es apropiado para el mecanizado de materiales de gran dureza.

Fuente: www.mitsubishicarbide.com