Tipos Esenciales de Procesos de Mecanizado: Cilindrado, Torneado, Taladrado y Fresado

Introducción a los Procesos de Mecanizado

Este artículo examina los principales tipos de procesos de mecanizado: 1. Cilindrado y planeado, 2. Torneado y mandrinado, 3. Taladrado, y 4. Fresado. Es necesario tener cierta familiaridad con las operaciones reales y sus análisis. No entraremos en detalles tecnológicos extremos ni en todos los tipos posibles de operaciones, sino que nos centraremos en las operaciones básicas y más comunes.

1. Cilindrado y Planeado

La naturaleza fundamental del proceso de remoción de material es la misma en ambos casos. La diferencia principal radica en que, en el cilindrado, el movimiento primario (de corte) se proporciona a la herramienta y el avance se da a la pieza, mientras que en el planeado ocurre lo contrario.

La operación de corte es intermitente y tiene lugar durante la carrera de avance. Durante el retorno de la herramienta (o de la pieza), se proporciona el movimiento de avance sin acción de corte. La figura 4.34 muestra detalles de la zona de corte.

Parámetros Principales

En una operación real de corte, los parámetros principales son: carreras por unidad de tiempo (N), longitud de carrera (S), relación de retorno rápido (R) (desplazamiento/carrera), profundidad de corte (d) y ángulos de la herramienta. Para convertir estos parámetros en los parámetros básicos de mecanizado, basta examinar la figura 4.34 que muestra una vista seccional.

Debe recordarse que, en general, no se cumple la condición de mecanizado ortogonal, pero trataremos el proceso asumiendo que la mecánica del mecanizado ortogonal es aplicable. En cuanto al consumo de potencia, los resultados no son muy inexactos. El espesor sin cortar y el ancho de corte vienen dados por las relaciones:

t = f sen Ψ     w = d / cos Ψ

Donde Ψ es el ángulo principal del filo de corte. El ángulo de ataque es α (también llamado ataque normal) desde la vista seccional (Fig. 4.34). La figura 4.35 muestra las componentes de corte y empuje de la fuerza.

La componente de corte F_C actúa contra v y F_T actúa perpendicular a la superficie transitoria. F_T puede resolverse en dos componentes: F_f (componente de avance) y F_n (componente normal a la superficie mecanizada).

La tasa de remoción de metal viene dada por L·d·f·N, donde L es la longitud de la pieza y N el número de carreras de corte por unidad de tiempo. El tiempo de corte también puede determinarse si se conocen la anchura (B) de la pieza, la profundidad total a rebajar (H), la profundidad de corte (d), el avance (f) y las carreras de corte por unidad de tiempo (N).

2. Torneado y Mandrinado

El torneado es una de las operaciones más comunes. Las superficies de revolución se producen generalmente mediante esta operación, aunque las superficies planas se obtienen por torneado frontal. Todas las operaciones de torneado se realizan en tornos. Los principales tipos son: (i) torneado de superficies cilíndricas y escalonadas, (ii) torneado de superficies cónicas y curvas de revolución, (iii) torneado de roscas, y (iv) torneado frontal y tronzado. Cuando se mecaniza una superficie interior, la operación se conoce como mandrinado.

La figura 4.37a muestra una operación simple de torneado. La herramienta usada se denomina herramienta de punta única. La geometría detallada se ilustra en la Fig. 4.37b. La figura 4.38 muestra las diferentes vistas y ángulos de una herramienta de torneado de punta única. Los parámetros en la operación básica correspondiente pueden determinarse como:

t = f sen Ψ     w = d / cos Ψ

Donde Ψ es el ángulo del filo lateral de corte. El ángulo de ataque normal α puede determinarse cuando se especifican los ángulos de la herramienta. En general, no se cumple la condición de ortogonalidad, pero para mantener el debate dentro del alcance de este texto, asumiremos mecanizado ortogonal. La velocidad de corte viene dada por:

V = πDN

Donde N es el número de revoluciones de la pieza por unidad de tiempo y D el diámetro de la pieza. Dado que la profundidad de corte d es muy pequeña comparada con D, la velocidad de corte puede asumirse constante a lo largo del ancho de corte e igual al valor dado por la ecuación anterior. Para cumplir la condición de mecanizado ortogonal, el filo de corte debe ser perpendicular al vector de velocidad, y puede demostrarse que la condición a satisfacer por los ángulos de la herramienta es:

λ = 90° - Ψ

3. Taladrado

La operación más común para hacer agujeros es el taladrado, realizada generalmente con una broca helicoidal. A diferencia del cilindrado y el torneado, esto implica dos filos de corte principales. La figura 4.41 muestra una operación de taladrado.

Si el avance total de la broca por revolución (avance por revolución) es f, la participación de cada filo es f/2, ya que cada labio recibe la capa sin cortar cuya superficie superior ha sido acabada por el otro labio 180° antes (durante 180° de rotación, el desplazamiento vertical de la broca es f/2). El espesor sin cortar t₁ y el ancho de corte w son:

t₁ = (f/2) sen(β + Ψ)     w = r / cos β

Donde r es el radio del punto en el filo donde se evalúa el ataque normal, D el diámetro nominal de la broca, β el semiángulo de punta (Fig. 4.41b) y Ψ el ángulo de hélice (Fig. 4.42).

La tabla 4.12 da valores típicos de ángulos y parámetros de la broca. Debe notarse que en el taladrado las variaciones de velocidad de corte y otros parámetros a lo largo del filo son apreciables y el fenómeno es muy complejo. Sin embargo, todos los cálculos se basan en el punto medio de cada filo. El efecto de todas las fuerzas que actúan sobre la broca (Fig. 4.43) puede representarse por un par resistente M y una fuerza de empuje F. La acción en el filo de la escarpa no es verdaderamente una acción de corte; es más bien una penetración en el material como una cuña. Pero el efecto del filo de la escarpa sobre el par es despreciable al estar en el eje de rotación.

La contribución del filo de la escarpa al desarrollo de la fuerza de empuje es considerable. La fuerza de empuje total F puede expresarse como:

F = F_corte + F_escarpa

4. Fresado

El fresado es quizás la operación de mecanizado más versátil y la mayoría de las formas pueden generarse mediante esta operación. Es especialmente indispensable para mecanizar piezas sin simetría rotacional. A diferencia de las herramientas de torneado, cilindrado y taladrado, la herramienta de fresado posee un gran número de filos de corte. El eje sobre el que se monta el fresador se conoce comúnmente como arbor.

Clasificación del Fresado

Las operaciones de fresado pueden clasificarse en dos grupos principales: (i) fresado horizontal, y (ii) fresado vertical. En el fresado horizontal, el eje del fresador es horizontal. La figura 4.44 muestra algunas operaciones comunes de fresado horizontal. Este puede dividirse en dos grupos según las direcciones relativas del corte y el avance. Cuando la disposición es como la de la Fig. 4.45a, la operación se llama fresado en contra (up milling).

Cuando el corte y el avance están en la misma dirección (Fig. 4.45b), la operación se llama fresado en concordancia (down milling). Como en el fresado en concordancia hay tendencia a que la pieza sea arrastrada hacia el fresador, el fresado en contra es más seguro y se realiza comúnmente. Sin embargo, el fresado en concordancia resulta en mejor acabado superficial y mayor vida de la herramienta. Cuando los filos son helicoidales, la operación es más suave y se obtiene mejor acabado debido al enganche gradual del filo.

En el fresado vertical, el eje del fresador es vertical y perpendicular (generalmente) a la superficie de la pieza. El esquema de formación de viruta durante el fresado plano con un fresador de filos rectos se explica en la Fig. 4.47a. El fresador tiene diámetro D y la profundidad de corte es d. Cuando se fresa con un fresador de filos rectos, la operación es ortogonal y la cinemática de formación de viruta es como se muestra en la Fig. 4.47b.

Dado que todos los filos participan en el mecanizado, el estudio del proceso se facilita considerando la acción de un solo diente. Si f es la velocidad de avance de la mesa en mm/min, el avance efectivo por diente en mm será f/(N·Z), donde N son las rpm del fresador y Z el número de dientes.

La tasa de remoción de material por unidad de anchura de la pieza viene dada por f·d. De la Fig. 4.47b se ve claramente que el espesor del material sin cortar delante del filo aumenta gradualmente, alcanzando un máximo cerca de la superficie, y luego cae rápidamente a cero. Si la velocidad de avance es pequeña comparada con la velocidad circunferencial del fresador, entonces:

t_max ≈ f / (N·Z) × √(D/d)

Así, las componentes de fuerza de corte F_C y F_T (mostradas en Fig. 4.48) no solo cambian de dirección sino también de magnitud a medida que el filo avanza sobre la superficie cortada.

Es obvio que al cortar con un fresador de filos rectos, no hay componente de la fuerza de corte a lo largo del eje del fresador. El espesor medio sin cortar puede tomarse como la mitad del valor máximo. Así:

t_med = t_max / 2

Los valores medios de F_C y F_T pueden determinarse aproximadamente usando este valor de espesor sin cortar. Como F_T actúa en dirección radial, no produce par y el par del arbor se debe solo a la componente F_C. Así, el par M debido a un diente de corte es F_C(d/2) y varía aproximadamente como F_C. La figura 4.49 muestra la variación del par del arbor (M) con la rotación del arbor para la acción de un solo diente.

Para obtener el par global (M̅), los momentos debidos a todos los dientes deben superponerse adecuadamente. Esto conduce a tres posibilidades: (i) β < 2π/Z, (ii) β = 2π/Z, y (iii) β > 2π/Z. La figura 4.50a muestra las tres posibilidades; el par del arbor correspondiente a cada una se muestra en la Fig. 4.50b. Es aparente que con un fresador de filos rectos, la fuerza y el par del arbor tienen variaciones bruscas que pueden causar problemas de vibración.

Cuando se usa un fresador helicoidal, el contacto entre el filo y la pieza comienza y termina gradualmente. Aquí, el par del arbor debido a un solo diente y el par global son del tipo mostrado en las Figs. 4.51a y 4.51b, respectivamente. La potencia de mecanizado puede calcularse tomando el producto de la velocidad del arbor y el par global medio. La fuerza de empuje media puede considerarse actuando a lo largo de la línea radial media del arco de contacto pieza-fresador.