Fuerza de Corte y Potencia en Fresadoras CNC: Factores y Análisis

Al cortar metal con fresadora CNC, la herramienta penetra en la pieza y deforma el material en virutas, lo que se denomina fuerza de corte. La fuerza de corte es base importante para calcular la potencia de corte, diseñar herramientas, máquinas y fijaciones, y formular parámetros de corte. En producción automática, el proceso de corte y el estado de trabajo de las herramientas también pueden monitorizarse mediante la fuerza de corte.

Fuerza de Corte y Potencia de Corte de Fresadora CNC

1. Origen de la Fuerza de Corte de la Fresadora CNC

Por un lado, el origen de la fuerza de corte es la resistencia causada por la deformación elástica y plástica durante la formación de virutas. Por otro lado, es la resistencia por fricción entre la viruta y la cara anterior de la herramienta y entre la pieza y la cara de flanco de la herramienta.

2. Fuerza de Corte y Descomposición

La fuerza de corte total F durante el corte es una fuerza espacial. Para facilitar la medición y cálculo, y satisfacer necesidades de diseño de máquina, fijación, herramienta y análisis de proceso, F se descompone a menudo en tres componentes mutuamente perpendiculares: FC, FP y FF.

(1) La fuerza de corte principal FC es la proyección de la fuerza total F en la dirección del movimiento principal, perpendicular al plano base. FC es base importante para potencia de máquina, resistencia de herramienta, diseño de fijación y selección de parámetros de corte. FC puede calcularse por fórmula empírica o fuerza de corte unitaria KC (unidad: N/mm): FC = kc·ad = kc·hd·bd = kc·ap·f.

(2) La fuerza radial FP es el componente de la fuerza total F perpendicular a la dirección de avance. Es el factor principal que afecta la deformación de la pieza y causa vibración del sistema.

(3) La fuerza de avance FF es el componente de corte de la fuerza total F en la dirección de avance. Es la base principal para diseñar y verificar el mecanismo de avance de la máquina y la potencia de avance.

La fuerza de corte total F se descompone en FC y FD, y FD se descompone en FP y FF, con la relación: FF = fd·sin(kr), FP = fd·cos(kr).

3. Potencia de Corte de la Fresadora CNC

La potencia de corte se refiere a la potencia consumida por la fuerza de corte en el proceso, expresada en PM y en kW. Al tornear exterior, es la suma de la potencia consumida por la fuerza principal FC y la fuerza de avance FF. Dado que la fuerza de avance FF consume una pequeña proporción (solo 1–5%), generalmente puede ignorarse la potencia consumida por FF, y FP no realiza trabajo, por lo que PM = FC × υc, donde FC es la fuerza principal (N), υc es la velocidad de corte (m/s).

Considerando la eficiencia de transmisión de la máquina, la potencia del motor PE puede calcularse a partir de la potencia de corte PM: PE ≥ PM / η, donde η es la eficiencia de transmisión, generalmente 0,75–0,85.

Principales Factores que Afectan la Fuerza de Corte de la Fresadora CNC

1. Influencia del Material de la Pieza

Cuanto mayor sea la resistencia y dureza del material, aunque la deformación de corte disminuya ligeramente, la fuerza total de corte aumenta. Para materiales con resistencia y dureza similares, si la plasticidad es grande, el coeficiente de fricción con la herramienta también es grande, aumentando la fuerza de corte; al mecanizar materiales frágiles, la fuerza es menor por la pequeña deformación plástica y fricción entre viruta y cara anterior.

2. Influencia de los Parámetros de Corte

(1) Profundidad de corte ap y avance f.

Al aumentar f y ap, el área de corte aumenta y la fuerza principal también, pero su grado de influencia difiere. En torneado, al duplicar ap, la fuerza principal se duplica; al duplicar f, la fuerza principal aumenta solo 68–86%. Por tanto, considerando fuerza principal y potencia, aumentar el avance es mejor que aumentar la profundidad.

• Velocidad de corte υc.

Curva de influencia de la velocidad de corte en la fuerza al mecanizar acero 45 (ap=4 mm, f=0,3 mm/r) con herramienta de metal duro YT15. Al cortar metal plástico, en la zona de acumulación de viruta, el crecimiento de la acumulación aumenta el ángulo de ataque real, reduce la deformación y la fuerza; por el contrario, la reducción de acumulación aumenta la fuerza. Sin acumulación, al aumentar υc, la temperatura sube, la fricción en cara anterior disminuye, la deformación y la fuerza disminuyen. Por ello, el corte a alta velocidad se usa a menudo para mejorar productividad. Al cortar metales frágiles, υc aumenta y la fuerza disminuye ligeramente.

3. Influencia de los Parámetros Geométricos de la Herramienta

(1) Ángulo de ataque. Tiene la mayor influencia en la fuerza. Al cortar metal plástico, al aumentar el ángulo de ataque, se reduce la deformación por extrusión y fricción del material, se suaviza la evacuación de virutas y se reduce la fuerza total; al cortar metales frágiles, el efecto no es evidente.

(2) Biselado negativo. Rectificar bisel negativo en el filo agudo mejora la resistencia del filo y la vida de la herramienta, pero aumenta la deformación del metal y la fuerza de corte.

(3) Ángulo principal de desviación. Su influencia en la fuerza es principalmente mediante el cambio de espesor de corte y longitud de curva de arco de punta, afectando la deformación y la fuerza. Tiene poco efecto en FC, pero efecto obvio en la proporción de FP y FF. F'd es el empuje inverso de la pieza a la herramienta. Dado que f'p = f'd·cos(kr), f'f = f'd·sin(kr), aumentar el ángulo principal kr aumenta la fuerza de avance f'f y disminuye la fuerza radial f'p. Al tornear pieza esbelta, puede seleccionarse mayor ángulo principal para reducir o prevenir flexión.

4. Otros Factores: Fricción entre Herramienta y Material

Bajo mismas condiciones, la fuerza de corte de herramienta de acero rápido es la mayor, seguida de metal duro y cerámica. Usar fluido de corte reduce la fuerza, y mayor lubricación del fluido, mayor reducción. Cuanto mayor la fricción, más grave el desgaste de la herramienta.