Carrera: Ingeniería Electromecánica Tecnología Mecánica

Carrera: Ingeniería ElectromecánicaCátedra: Tecnología Mecánica

Unidad temática N° 12: CONCEPTOS GENERALES DEL MECANIZADO SIN ARRANQUE DEVIRUTAS

Procedimientos de mecanizado sin arranque de virutas: el mecanizado sin arranque de virutaspresenta como característica principal que se realiza a volumen constante del material de baseo materia prima. Es decir la cantidad de material que entra al proceso es igual a la que salecomo pieza terminada. En general una pieza o elemento parte de un conjunto mecánico puedeser obtenido en estas condiciones, de las siguientes maneras:

Por corte sin desprendimiento de virutas y unión de las partes por soldadura de puntos. Por procedimientos en los cuales la pieza o producto final se obtiene utilizando una

estampa o matriz, que en esencia es un molde o cavidad cuya sección plana es la de lapieza que se desea obtener. En este aspecto debemos aclarar que en la mayoría de labibliografía existente sobre el tema, se considera a dichos procedimientos bajo elnombre genérico de “estampado”. Ahora como existe un procedimiento de conformaciónmecánica que tiene esta denominación, y que reúne características propias, utilizaremosel término “conformación mecánica”, en lugar de “estampado” para designar a losmismos.

Por molde a presión o inyección de materiales metálicos o plásticas (resinas sintéticas)al estado pulverulento.

Por fundición e inyección de materiales metálicos al estado líquido.

Específicamente en esta asignatura de tecnología mecánica, estudiaremos los procedimientosde:

a. Conformación mecánica de materiales metálicos : que lo definiremos como el conjuntode operaciones por las cuales un material metálico de denominación comercial estrasformado, por aplicación de esfuerzos dinámicos o estáticos, sin desprendimiento devirutas en una pieza de determinada forma y dimensiones. Dichos procedimientos sonlos siguientes: PUNZONADO – DOBLADO – EMBUTIDO – FORJADO – TRAFILADO –EXTRUCCION

b. Fundición : que es el conjunto de operaciones por el cual el metal al estado líquido estransformado en una pieza de forma y dimensiones determinadas, vertiéndolo en unmolde, que representa la configuración del producto que se desea obtener.

c. Inyección : de materiales metálicos y plásticos a presión. d. Laminado : que es el conjunto de operaciones por el cual el lingote obtenido por un

procedimiento metalúrgico o siderúrgico, es transformado en un producto o sub-productode denominación comercial. La designación de producto o sub-producto depende deldestino del material laminado. Si por el contrario de lo utilizara para un proceso posteriorde conformación mecánica, será un sub-producto. De todas maneras no existe una reglafija al respecto.

Materiales a trabajar y de la herramienta a utilizar en los procedimientos de conformaciónmecánica:

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1. Materiales a Trabajar : su tipo, características y modo de presentación depende del tipo yforma de la pieza a obtener. Normalmente es un sub-producto de denominacióncomercial (chapa, redondos, cuadrados, etc.). Los más utilizados son los de origenferroso: los aceros comunes y aleados, siguiéndole en importancia el aluminio y susaleaciones; el cobre y aleaciones y el magnesio y aleaciones.Los materiales pueden ser suministrados por el fabricante en distintos estados físicos yfísicos-químicos, y en distintas formas y dimensiones. Se debe por lo tanto adquirir elmás conveniente al producto a fabricar para evitar desperdicios de material, quesignifican costos de fabricación.Si bien se considera que los fabricantes suministran los materiales de acuerdo a lasnormas de calidad establecidas, siempre es conveniente realizar lo que comúnmente sedenominan “Ensayos de Recepción”, cuyo número y forma de ejecutarlo dependerá deltamaño de la industria que va a utilizarlos.Lo mínimo que debe realizarse al adquirir un determinado material es una “inspecciónvisual”, a fin de determinar sino presenta ondulaciones, grietas, picaduras, reparaciones(relleno por soladura) que trate de ocultar un defecto, sopladuras, dimensiones, espesor,etc. En las industrias de cierta magnitud, generalmente existe una dependencia (oficina,laboratorio, etc.) donde se realizan los “Ensayos de recepción” de acuerdo a normas.Los más comunes son: ensayos geométricos para determinar dimensiones y espesor,físicos y/o químicos para establecer composición estructural y/o propiedades, etc.

2. Material de las herramientas de conformación mecánica a utilizar : para adoptar elmaterial a utilizar en la construcción de la herramienta con la cual se efectuara laconformación mecánica, se deben analizar los siguientes factores:

a) Características físico-mecánicas del material a mecanizar: en efecto no es lomismo mecanizar acero que aluminio, ya que en el segundo caso será menor elesfuerzo a aplicar.

b) Número de piezas a obtener: el material de la herramienta debe como mínimoconservar sus características hasta construir la última pieza (mayor vida útilposible), para que el costo de amortización no sea elevado. Es decir no es lomismo construir 100 piezas que 1000. En otras palabras la calidad del materialde la herramienta debe ser la necesaria para que dure hasta construir el númerode piezas programado.

c) Dimensiones, forma y espesor de la herramienta a utilizar: la herramienta debeconservar sus características mecánicas hasta el fin de su vida útil. Por lo tantosus dimensiones, forma y espesor indicara que tratamiento térmico deberealizarse y de qué modo.

d) Temperatura de Trabajo: tiene relación con la resistencia que debe ofrecer elmaterial a dicho parámetro para que no se afecten sus características físico-mecánicas.

e) Tipo de trabajo a realizar: a fin de determinar los esfuerzos a que estarásometida la herramienta de deformación mecánica.

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Ciclos de fabricación por conformación mecánica: Se denomina de esta manera a la sucesiónordenada de operaciones que se deben realizar para obtener una determinada conformaciónmecánica (pieza). El número de las mismas depende de: forma de la pieza a obtener,dimensiones de la misma, características del material a mecanizar.

1. Forma de la pieza a obtener: como regla general, cuanto mayor es la complejidad de lapieza a obtener, mayor es el número de operaciones o etapas a realizar. Por ejemplo sideseamos construir una pieza hueca de poca profundidad y espesor, serán suficientedos operaciones, una de preparación del material a utilizar (disco metálico) y otra elproceso de conformación mecánica en sí.

2. Dimensiones de la pieza a obtener: también en el número de etapas a efectuar. Porejemplo si la pieza hueca es muy profunda con respecto a su diámetro y el espesor de lachapa a utilizar de cierta magnitud, será necesario más de una etapa para evitar elagrietamiento del material.

3. Características del material a mecanizar: es también factor determinante del número deetapas. Así por ejemplo un material de gran maleabilidad y ductilidad (material decaracterísticas plásticas), permite realizar un proceso de embutido profundo. Lo contrarioocurrirá si el material no es plástico en cuyo caso para realizar el mismo se necesitaramayor número de etapas.

A efectos de establecer el ciclo de fabricación más conveniente, todos los factores debenser analizados en forma exhaustiva.

Máquinas herramientas utilizadas en los procedimientos de conformación mecánica:

Sin que ello sea excluyente y limitativo se las agrupa en: máquinas herramientas demovimiento rectilíneo alternativo y en máquinas herramientas de movimiento giratorio.

Dentro de las primeras tenemos:

De excentrica

Mecánicas

De fricción

Prensas Hidráulicas

Neumáticas

En las segundas se tienen las laminadoras, aplanadoras, cizallas de disco, dobladoras,curvadoras, bordonadoras, perfiladoras y engrapadoras.

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Las características de cada una de ellas dependen del fabricante, y por lo general puedenrealizar más de una operación. Por ejemplo una dobladora puede estar construida parafabricar piezas cilíndricas y cónicas. Por tal motivo su elección deberá realizar consultandolos respectivos catálogos, a fin de adoptar la más conveniente para el trabajo a realizar.

Prensas: Como mencionamos anteriormente pueden ser mecánicas, hidráulicas oneumáticas. En las primeras el esfuerzo aplicado es dinámico y el las otras es estático.

Prensas Mecánicas: pueden ser de excéntrica, también llamada de balancín, y de fricción.Las más utilizadas actualmente son las primeras, lo que no excluye que todavía en algunostalleres mecánicos existen las segundas.

Prensa de Excéntrica: en términos generales, está constituida por un eje motriz, en uno decuyos extremos lleva un volante, que actúa como acumulador de energía. Según el tipo demáquina este mismo volante puede recibir la potencia del motor de accionamiento (a travésde una correa plana, trapezoidal, engranajes, etc.). En la parte media o en el otro extremodel eje motriz está dispuesto una excéntrica, que actúa como una manivela, y acoplada a lamisma una biela de poca longitud y robusta, articulada a una coliza o porta herramienta quese desplaza entre guías. El movimiento de rotación del volante es libre (loco) y se trasmite alárbol motriz por acción de un pedal de acople. Al girar el eje, acciona el sistema biela-manivela, provocando un desplazamiento rectilíneo alternativo vertical del portaherramienta. Al ponerse en contacto la herramienta con el material se produce un golpeseco de cierta intensidad, transformándose la energía cinética en potencial, que provoca ladeformación que se quiere conseguir. El volante experimenta un frenado, y al soltar elpedal, vuelve a adquirir velocidad y así sucesivamente. La excéntrica al girar alrededor deleje motriz describe un círculo, cuyo radio es la excentricidad, que puede regularse avoluntad según la carrera que se desea obtener de acuerdo al trabajo a realizar. Es decirello permite obtener una carrera mínima y una máxima de la coliza o corredera, como asítambién una altura mínima y una máxima desde la parte inferior de la corredera hasta lamesa porta pieza. Normalmente la fuerza indicada por los constructores de las prensas es lamáxima que se puede obtener al final de la carrera de la corredera. Por tal motivo laelección de una prensa debe realizarse en base al esfuerzo necesario para la deformacióndel material de acuerdo al trabajo a realizar.

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e

L

C

B

X

Volante

Biela

GuiaA

C

B

A

X

D

En el esquema el punto “C” indica el eje del volante, el “B” de la excéntrica. La distancia CB la

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excentricidad “e”, y la BA la longitud de la biela. El eje “B” gira alrededor del “C” describiendo uncirculo, tomando por lo tanto infinitas posiciones en su trayectoria. El radio BC (excentricidad),describe un ángulo variable que a partir del punto muerto superior varia positivamente entre180° y 0° (descenso de la coliza) y negativamente entre 0° y 180° (ascenso de la coliza). Comoconsecuencia de ello, para cada valor angular de la posición del eje de la excéntrica, conrespecto a la que pasa por el eje motriz, corresponderá una determinada distancia vertical “X”entre el eje “C” del volante y el pie “A” de la biela y consecuentemente una determinada altura(luz) disponible entre el plano de la mesa porta pieza de la prensa y el plano inferior de lacorredera o coliza. Esta distancia “X” se calcula en función del ángulo α en el momentoconsiderado, de la excéntrica de la manivela y de la longitud de la biela. Haciendo referencia aesquema tendremos:

X=AD+DC y AD=√AB2−BD2

AB=L ;BD=e×sin α ;DC=e ×cosα

Luego X=√L2−e2×sin 2α+e× cosα

Fuerza a desarrollar por la prensa excéntrica: la fuerza a desarrollar por una prensa deexcéntrica, debe ser la necesaria para vencer la resistencia que ofrece el material en trabajo, yque se manifiesta al final de la carrera de la herramienta de deformación. La misma se calcula:en base al valor del ángulo que indica la posición de la biela en el momento de contactoherramienta – material y la fuerza de deformación que se requiere de acuerdo al tipo de procesode conformación mecánica, y que se determina en base a la formula correspondiente, cada

caso. El volante (eje motriz) al girar origina una fuerza tangencial F t, que la podemos

descomponer en una componente “Q” a lo largo de la biela (de compresión) y una “S” radial queparte del centro “C” (de tracción). La fuerza “Q” a su vez en una componente vertical “F” (queserá la útil para la deformación), y una horizontal (transversal al carro) y cuyo valor no interesapara el cálculo. Haciendo referencia al esquema tendremos:

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C

B

A

D

Q

F

G

S

Ft

En el triángulo ABD tendremos que: cos β=ADAB; AD=F ;AB=Q;resultaQ=

Fcos β

El ángulo que se adopta es el α, por lo tanto debemos expresar al cos β en función del mismo.Para ello recurriremos a las siguientes relaciones:

sin2 β+cos2 β=1⇒ cos β=√1−sin2β

Por propiedad de los triángulos oblicuángulo es: sin βsin α

=eL=i⇒ sin β=i×sin α

Luego, cos β=√1−i2×sin2α con lo cual Q=F

√1−i2× sin2α

Es además en el triángulo EBG: sin γ=FtQ⇒Ft=Q×sin γ

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Reemplazando el valor de Q se tiene que: Ft=F

√1−i2×sin2α×sin γ

Pero resulta que:

sin γ=sin (α+β )=sin α×cos β+cos α×sin β=sin α×√1−i2× sin2α+cos α×i×sinα

Para obtener finalmente:

Ft=F

√1−i2×sin2α× (sin α×√1−i2× sin2α+cos α×i×sinα )

La fuerza a desarrollar por la prensa, por razones de seguridad se toma:

Fp=Ft ×FfFi

Los valores de Fi y Ff se obtiene del gráfico que indica el valor de la fuerza vertical F, generadaen función del valor del ángulo α, correspondiendo a Fi, cuando la herramienta entra encontacto con el material y Ff , cuando deja de hacerlo. Aplicando el razonamiento anterior acualquier punto sobre el circulo de radio BC, obtendremos la misma formula final.

La marcha de cálculo para determinar el valor de Fp que permitirá elegir la prensa, es lasiguiente:

1. Se determina la fuerza “F” necesaria para la deformación de acuerdo a la fórmulaestablecida para el proceso a realizar.

2. Se establece la carrera total de la herramienta de deformación, también de acuerdo altrabajo a realizar (S).

3. Se calcula la excentricidad, para lo cual normalmente se toma e = S/24. Se establece el valor de “i”5. Se calcula “Ft” aplicando la formula deducida anteriormente.6. Se determina los valores de Fi y Ff en función del ángulo.7. Se calcula Fp

Para el trazado del diagrama de la fuerza en función del ángulo α, se mantiene constante elvalor de “i” y considerando una fuerza tangencial Ft = 1 se sustituyen los valores de α, uno auno en la formula correspondiente, decrecientes de 180° a 0° y después los crecientes de 0° a180°. Al ser el retorno de la corredera se originan fuerzas negativas. Por lo tanto la curva que seobtiene para valores de 0° a 180° será simétrica a la obtenida para 180° a 0°.

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Prensas Hidráulicas: su funcionamiento se realiza a través de un circuito hidráulico (yaestudiado). Tienen la ventaja que transmiten vibraciones al aplicar el esfuerzo de deformación yque el mismo puede mantenerse al tiempo necesario. Se utilizan cuando el esfuerzo a aplicares de cierta magnitud.

Prensas Neumáticas: el accionamiento se realiza con aire comprimido. Como consecuencia deello al esfuerzo que se logra no es de magnitud, ya que al ser el aire un gas tiene cierto gradode compresibilidad.

Prensa de Fricción: se denominan de esta manera porque el desplazamiento de laherramienta se produce normalmente por acción de un tornillo, que lógicamente tiene un

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rozamiento, de allí su nombre. El accionamiento del tornillo puede realizarse mecánicamentepor un sistema de disco de fricción, o en forma manual actuando sobre dos contrapesos.

Preparación del material para el proceso de conformación mecánica: desde el punto de vista delcosto de fabricación, es necesario que en el proceso de conformación mecánica, el desperdiciode material de base (materia prima), sea el mínimo posible. Para ello se calcula la cantidad dematerial realmente a utilizar para el trabajo a realizar, y luego cortarlo del subproducto comercial(chapa, redondo, etc.). Como el producto comercial que constituye la materia prima tienedeterminada dimensiones establecidas por las normas, la forma de efectuar el corte debe serobjeto de un estudio previo de tal manera que el sobrante de material sea el mínimo. Laoperación de corte se denomina CIZALLADO, y la máquina herramienta utilizada CIZALLA oTIJERA.

Se considera como CIZALLADO a la operación de cortar el material, generalmente chapa, sindesperdicio de viruta por un plano normal a su superficie externa sin que se produzca rebabas.

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A tal efecto se utilizan dos cuchillas que presentan filos cortantes en sus bordes, que sedesplazan en un plano vertical, por la acción dedos fuerzas iguales y de distinto sentido. En losfilos cortantes se considera un ángulo α, que varía entre 2° y 4° y un ángulo de filo β que varíaentre 70° y 80°. Normalmente la cuchilla inferior es fija y la superior móvil. Esta es realidad laque produce el corte. Al principio de la deformación se origina una deformación del material,seguido de uno de compresión, y luego recién el corte propiamente dicho. El de deformación ycompresión debe ser el menor posible, para obtener un corte limpio, lo cual exige que lascuchillas estén bien afiladas. La cuchilla superior se dispone de tal manera que forme un ánguloentre 8° y 9° con respecto a la inferior. De esta manera el corte se realiza en forma gradual.Teóricamente se considera que el proceso de corte es el siguiente: las cuchillas aprietan elmaterial a cortar en un cierto ancho “d”, produciendo un efecto de deformación en los puntos “e”y “f”, indicados en la figura siguiente, y uno de compresión en “g” y “h”. Las fuerzas actuantesdan una resultante “Fg”, tanto en la cuchilla superior, como en la inferior, que originan un “par”de brazo “L”. Además de la fuerza resultante vertical, se produce otra horizontal “Fh” queempujan el material hacia uno y otro lado del plano de corte, que originan primero unagrietamiento del material y luego el corte. De allí la necesidad de cuchillas perfectamenteafiladas.

Para el cálculo de la fuerza teórica a utilizar se considera que la misma es proporcional al áreatriangula del material en corte y a su resistencia específica a la carga de rotura. Es decir:

F=L×e2× K c

Dónde: F: fuerza necesaria para el corte (Kg); L: longitud de corte (mm); e: espesor del material(mm); Kc: resistencia especifica del material al cizallamiento (Kg/mm2).

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El grafico anterior es: L=etan γ

reemplazando en la ecuación anterior, resulta:

F (Kg )=e

2× tan γ×e× K c=

e2

2× tan γ×K c

A su vez la potencia de corte se obtiene por:

N (CV )=F ×V75

Según su forma de accionamiento las cizallas (manuales o mecánicas) pueden ser a palanca ytipo guillotina.

a. A palanca: la cuchilla es fija y la superficie pivotea en un extremo, accionada por unapalanca (de allí su denominación). El accionamiento puede efectuarse a través de unsistema de ruedas dentadas para lograr una multiplicación del esfuerzo aplicado, que deesta manara resulta menor, sobre todo si es manual.

b. Cizalla tipo guillotina: en este caso la cuchilla superior se desplaza entre guíasverticales. En las máquinas de gran potencia la cuchilla superior tiene un movimiento devaivén o de balanceo para facilitar la acción de corte.

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Una variante a los tipos anteriores, lo constituye las “CORTADORAS DE DISCOS”. En lasmismas las cuchillas de corte han sido sustituidas por discos cortantes de bordes perfiladospara formar el filo. Los discos giran en distinto sentidos y pueden ser de ejes paralelos oconvergentes.

Ejes paralelos Ejes convergentes

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ε=10 – 15°

β=35 – 40°

α=20 – 25°

ε=15 – 20°

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