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Información tecnológica

versão On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. vol.23 no.4 La Serena  2012

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642012000400011 

Información Tecnológica Vol. 23(4), 89-96 (2012)

MECÁNICA Y METALURGIA

 

Evaluación Experimental del Desempeño del Proceso de Fresado Frontal del Acero ABNT 1045 para Herramientas con Diferentes Números de Aristas

Experimental Evaluation of Face Milling Process of ABNT 1045 Steel for Tools with Different Number of Teeth

 

Durval U. Braga, Frederico O. Neves, Alex S. C. Silva y Luis G. S. Parreiras

Universidade Federal de São João del Rei - UFSJ, Praça Frei Orlando 170 Centro, CEP 36.307-352, São João del Rei, MG-Brasil (e-mail: durval@ufsj.edu.br; fred@ufsj.edu.br; achaves@ufsj.edu.br; luisguiparreiras@gmail.com)


Resumen

Se ha usado el diseño experimental factorial, con tres réplicas y 95% de confianza, para evaluar el fresado frontal asimétrico de acero ABNT 1045. Se usaron dos niveles de velocidad de corte, dos valores de ángulo de posición y tres cantidades de aristas en el corte. La velocidad de avance y la profundidad de corte fueron mantenidas constantes, para que un mismo volumen de material fuese retirado por ensayo. Los resultados muestran un aumento de la potencia consumida por la disminución del ángulo de posición como consecuencia del aumento de la resistencia específica de corte con la fuerza de cizallamiento distribuida sobre una sesión transversal de la herramienta. Se concluye que las variables estudiadas influyen y existe interacción entre ellas en el proceso de fresado frontal asimétrico.

Palabras clave: fresado frontal, proceso de fabricación, mecanizado, acero ABNT 1045, aristas de corte


Abstract

Experimental factorial design, with three replica and 95% of confidence, has been used for evaluating the asymmetrical face milling of ABNT 1045 steel. Two levels of cutting speed, two levels of position angle and three levels of cutting edges were employed. Feed rate and cutting depth were maintained at a constant value so the same volume of material in each test is removed. The results showed that the power consumed increased as the position angle was reduced, due to the increase of the specific cutting resistance by distributed shear force over the transversal section of the cutting tool. It is concluded that the variables studied have influence on the results and that they are interrelated in the process of asymmetrical frontal milling.

Keywords: face milling, machining, manufacturing process, ABNT 1045 steel, cutting edges


 

INTRODUCCIÓN

Durán et al. (2008), comentan La Planificación de Procesos de Fabricación es una actividad que está dedicada a la definición de todas las instrucciones y parámetros necesarios para fabricar un determinado producto o componente. Según Sarache (2007) En la actualidad, ya que la mayoría de los centros de mecanizados utilizan un proceso de planeado con una fresa frontal, esta operación como básica para cualquier proceso, de allí la importancia de determinar y controlar algunas variables que siendo significativas, permitan un uso racional de consumo de energía.

Según Benardos y Vosniakos (2002), el fresado posee papel fundamental en los procesos de fabricación de los más variados ramos de la industria mecánica, siendo, después del torneado los más importantes por su productividad, flexibilidad y, especialmente, por su acabado superficial. De acuerdo con Melo et al. (2003), la investigación científica de los fenómenos ligados a los diversos procesos de mecanizado es de extrema importancia para el avance tecnológico de esta área de la fabricación mecánica. Los autores realizaron sus estudios manteniendo un volumen de astilla removida constante, variando la velocidad de corte y el ángulo de posición de la arista principal de corte. Sus resultados muestran que hay una mayor influencia del número de aristas simultáneas en el corte que el aumento de la velocidad de corte sobre la potencia consumida en el proceso de fresado frontal del Acero ABNT 1045. También mostraron que los esfuerzos de mecanizado no presentan crecimientos proporcionales al número de aristas simultáneas en el corte y que todas las variables analizadas interfieren en los esfuerzos de mecanizado y las mismas interactúan entre sí. Da Silva y otros (2011) han investigado la influencia de la lubricación en fresado frontal de aceros ABNT 1047, principalmente en relación a el desgaste de las aristas de corte con conclusiones similares.

El fresado frontal es aquel en que la superficie mecanizada resulta de la acción combinada de los filos localizados en la periferia y en la faz frontal de la fresa, esta generalmente en ángulo recto al eje de la herramienta (Weingaertner, 2006). El fresado frontal es uno de los métodos más eficaces para la fabricación de productos de alta precisión además de ser de relativamente bajo costo y alta productividad (Fang, 2001). Costa et al. (2003), comentan que el fresado puede ser divido en simétrico y asimétrico donde el segundo permite mejores condiciones de trabajo, reduciendo entre otros, las vibraciones, los esfuerzos por diente y el impacto en la entrada de la arista en la pieza. Diniz et al. (2005), recomiendan utilizar un valor de j, Fig. 1, pequeño, ya que la espesura mayor que cero se refiere a la reducción de la presión específica de corte y, consecuentemente, de los esfuerzos de corte.

Fig.1: Posición de la herramienta en la pieza para un fresado frontal asimétrico

Algunos elementos sobre la posición relativa herramienta-pieza, tales como entrada de la arista de corte, salida de la arista de corte, largura de corte, cantidad de aristas simultáneamente en el corte y esfuerzos de corte, tienen gran influencia en el resultado de la mecanizado (Caldeirani, 2002). Estos aspectos son discutidos en la sección siguiente.

La correcta determinación del número de aristas a ser utilizadas tiene influencia directa sobre el acabo de la superficie generada, la fuerza y la potencia de corte, la vida de la herramienta y el tiempo de corte, y, también, la potencia consumida en el proceso. Para condiciones de corte constantes, un aumento en el número de aristas de la herramienta resulta en mayor energía específica de remoción de material (Santos 2001). Esto se encontró en la pesquisa de Anderson y otros (2011), en la cual también se mostró que las posiciones radiales y axiales influencian la potencia de corte. Las configuraciones angulares entre la herramienta y el material de trabajo definen la geometría de la cuña de corte de la herramienta y están directamente relacionadas a la eficiencia del corte, pues influye de manera decisiva el mecanismo de formación de la astilla, la vida de la herramienta, los esfuerzos de corte y, hasta determinan las condiciones de mecanizado para un determinado proceso. En relación a la vida de la herramienta, puede se afirma que la reducción del número de aristas de corte aumenta la vida de la herramienta si los parámetros de corte ha sido mantenidos constantes (Richetti y otros, 2004). La operación de fresado frontal los ángulos de posición normalmente utilizados en herramientas son 45°, 60° y 75°. A medida que %r disminuye, la anchura de corte (b) aumenta ye la espesura de corte (h) disminuye. De esta forma, la fuerza de corte necesaria para el cizallamiento del material es distribuida sobre una sesión transversal de astilla más fina, implicando en una mayor presión específica de corte. Por este motivo una mayor potencia de corte es requerida para mecanizado con ángulos de posición menores.

Las herramientas de paso fino son más ventajosas para el mecanizado de materiales frágiles. Las herramientas de paso ancho, resultan en un acabo superficial más grotesco y en un mayor esfuerzo por arista de corte. Esa condición de mecanizado es favorable en operaciones donde un número excesivo de dientes, cortando simultáneamente, pueda causar vibraciones o en casos donde la baja potencia de la máquina es un factor limitador de las tasas de remoción de la astilla. Weingaertner (2006) sostiene que durante el fresado cada diente de la herramienta está sujeto a una carga de impacto cuando entra en la región de corte. La magnitud de esta carga depende del material de la pieza, de la posición de la herramienta, de los parámetros de mecanizado y de la geometría de la herramienta. Las fuerzas en el fresado son cíclicas y fuertemente proporcionales a la espesura de corte en cada posición.

De acuerdo con Sekulic et al. (2010) en el fresado frontal, las fuerzas de corte ejercida por los dientes frente a la fresa en la pieza de trabajo son cambiantes en el tiempo y el espacio de la corte. De estas fuerzas, solamente la fuerza activa consume potencia, por estar en el plano de trabajo y ser formada por la suma vectorial de las fuerzas de corte y de avance, sin embargo otras acciones no relacionadas a esas fuerzas como el flameado en el cuadro de herramientas depende directamente de la fuerza pasiva, ejerciendo influencia en el desgaste y en la fuerza efectiva de corte. Según Gomes (2004) et al. La ecuación de la fuerza de corte (Fc) para la fresa frontal es obtenida por intermedio de la ecuación modificada de Kinzle (1).

Fc = Ks x ap x fz (1)

Según Saranche (2007) en el fresado, el movimiento principal de corte está a cargo de la herramienta, de modo que, el desplazamiento de alimentación es dado por la mesa de fresar a la pieza, donde cada uno de los dientes de la herramienta corta una viruta en forma de cuña, entonces, el espesor de la viruta pasa de un valor mínimo a un valor máximo en el proceso y que dependerá: del movimiento de alimentación, del diámetro de la fresa utilizada y de la profundidad de corte. Esta característica del trabajo basado en los dientes o sus ángulos de filo, sometidos a esfuerzos variables producto del cambio de un mínimo a um máximo de las fuerzas actuantes, ha cobrado mucho interés por estar asociadas a la generación de superficies de ultra o nano precisión, donde la evaluación de la potencia consumida no puede tratarse de manera aislada, sino asociada a la combinación de factores que inciden en los gastos energéticos. Considerando las variaciones de la fuerza de corte, de la espesura de la astilla (h) y del número de aristas en contacto con la pieza (z), se tiene potencia consumida durante la operación de fresado también variable. Por esta razón, se utiliza un valor medio de Ks (Ksm) para una espesura media de corte (hm). La potencia media de corte es dada por la ecuación 2.

Pc = Ksm x hm x Vc (2)

MATERIALES Y MÉTODOS

Los experimentos fueron programados y distribuidos utilizando un Diseño Experimental Factorial lo cual asegura una confiabilidad del 95% en el análisis, y de forma aleatoria por niveles indicados por los índices i, j y k respectivamente, mostrados en la tabla 1. El nivel (i) es el número de dientes de la herramienta Z1 = 2, Z2 = 4 y Z3 = 8 aristas, el nivel (j) corresponde a las dos velocidades de corte Vc1 = 360 m/min y Vc2 = 440 m/min y, finalmente, el nivel (k) para las condiciones de ángulo de posición de la herramienta χΜ = 45° y %r2 = 65°.

Tabla 1: Distribución de los ensayos según un planeamiento experimental

Para la realización de los ensayos se utilizó una fresadora Romi modelo Interact IV, con rotación máxima de 4000 rpm y la potencia eléctrica de 16,4 kW (22 CV). El cuerpo de prueba fue montado sobre una plataforma dinamométrica Kistler 9265B, para monitoreo de las componentes de la fuerza de mecanizado, como mostrado en la Fig. 2.

Fig. 2: Montaje y preparación del experimento.

La adquisición de la potencia se hizo a través del monitoreo de la corriente eléctrica del motor, utilizándose de un sensor de corriente por efecto Hall, modelo NW-SCD-50-R, cuya franja de amperaje es de 0 (A) a 50 (A), la tensión de alimentación del sistema es de ±9 (VDC) y la señal de salida en la franja de 0 (VDC) a 5 (VDC). Las señales, tanto de fuerza como de potencia, son convertidos de analógico para digital (A/D) y captados por el sistema PowerDAQ modelo PD2-MFS-8-500/14. Para análisis de estas señales fueron utilizados un microcomputador y el software Labview 8.1 de la National Instruments.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para cada ensayo realizado fueron monitoreadas doce señales de fuerza y potencia y consideramos su media de acuerdo con la tabla 2. Para analizar los datos de la tabla 2 arriba se hicieron gráficos como en las Fig. 3 y Fig. 4, respectivamente.

Tabla 2: Resultados medios para los esfuerzos y potencia consumida.

Fig. 3: Potencia de corte versus velocidad de corte, aristas y ángulo de posición.

Fig. 4: Esfuerzos de corte versus velocidad de corte (m/min), aristas y ángulo de posición.

CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados y la discusión presentada, se ,puede concluir las siguientes conclusiones principales:

i) Se puede decir con confianza 95% que todas las variables analizadas interfieren en el proceso, así como las mismas interfieren entre sí;

ii) Para la condición de contraste de las variables se debe optar por mecanizado con velocidades de corte 360 m/min, pasos medios (4 dentes) independientes del ángulo de posición χπ debiéndose evitar valores bajos de ángulo de posición xr y velocidad de corte;

iii) La potencia consumida aumentó con la disminución del ángulo de posición (xr), como era de esperarse, pues la fuerza de cizallamiento fue distribuida sobre una sesión transversal de herramienta generando mayor presión específica de corte;

iv) Para un mismo paso, el aumento de la velocidad de corte minimiza los esfuerzos en el fresado;

v) El aumento del número de dientes de la herramienta aumentó las fuerzas de mecanizado independiente del aumento de la velocidad de corte; y

vi) Existe una tendencia de esfuerzo (Fx, Fy e Fz) mínimo para las condiciones medias de Zi.

AGRADECIMIENTOS

Los responsables por la investigación agradecen a la Universidad Federal de Uberlândia, en especial a los investigadores del LEPU, por el cambio de experiencia y ayuda en la realización de los testes y al Programa PIBIC/FAPEMIG por haber proporcionado los recursos para la realización de la investigación.

REFERENCIA

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Recibido Sep. 30, 2011; Aceptado Nov. 25, 2011; Versión final recibida Ene. 09, 2012