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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LEÓN
Ingeniería Electromecánica.
TÍTULO DEL TRABAJO
RECONVERSIÓN DE UN MINITORNO CONVENCIONAL CON
TECNOLOGÍA DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO.
QUE PRESENTA:
Brenda Angélica López Cervera.
Arturo Díaz Pérez.
ASESORA:
Dr. Rogelio Navarro Rizo.
M.C. Bulmaro Aranda Cervantes.
León, Guanajuato 12 de abril del 2016
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
Instituto Tecnológico de León
Resumen
Actualmente la industria demanda que la producción sea cada vez más económica,
más productiva y sobre todo de buena calidad. El control numérico por computadora
(CNC) es una buena alternativa para cubrir los requerimientos que la industria
necesita. Por lo que en esta tesis se propone la automatización de los tornos
convencionales en lugar del remplazo de estos para así lograr que las empresas en
lugar de hacer una inversión bastante grande hagan una más pequeña y además no
pierdan sus bienes mobiliarios, obteniendo las herramientas que ellos necesitan para
competir en el mercado.
En el presente documento se detalla y describe el desarrollo de un proyecto de
investigación que tiene como objetivo modernizar un mini-torno convencional
EMCO UNIMAT 4. Para ello, primeramente se reportan análisis tanto teóricos y
experimentales de la fuerza y potencia de corte obtenidos en un torno FANAMHER
TB-180 de 2HP los cuales servirán para aplicarlos en la modernización del mini
torno. Para la determinación experimental se usó un dinamómetro Kistler Quartz 3-
Component 9257B auxiliándonos del programa Labview para la visualización,
además de un analizador de redes FLUKE 43-B.
Los resultados de tales análisis fueron utilizados para el diseño electromecánico de
los sistemas de transmisión que posicionarían la herramienta durante el corte en el
mini-torno. Se seleccionaron los husillos de bolas, los rodamientos, los motores a
pasos, las poleas y bandas para los sistemas de trasmisión tanto para el eje
longitudinal asi como para el transversal.
Para el sistema de control se implemento el software Mach 3 para establecer
comunicación entre el computador y los motores a pasos mediante la tarjeta de
control de tres ejes Toshiba TB65603V2.
También se describe el proceso de implementación de los componentes para la
atomatización así como los costos de cada componente y el costo total de la
automatización.
Contenido
RESUMEN .............................................................................................................................................................. 2
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES AL PROYECTO. ........................................................................................ 1
1.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................... 1 1.2 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................................ 3 1.3 OBJETIVO DE PROYECTO. ................................................................................................................................ 4 1.4 OBJETIVOS PARTICULARES .............................................................................................................................. 4 1.5 PROBLEMAS A RESOLVER. ............................................................................................................................... 4 1.6 HIPÓTESIS. ...................................................................................................................................................... 7
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA PARA LA MODERNIZACIÓN DE UN MINI-TORNO
CONVENCIONAL. ................................................................................................................................................ 8
CAPÍTULO 3 RECONVERSIÓN DE TORNOS CONVENCIONALES A C.N.C. ...................................... 20
3.1 CONCEPTO DE RECONVERSIÓN, VENTAJAS Y DESVENTAJAS. ......................................................................... 20 3.2 INVESTIGACIÓN SOBRE EL ESTADO DE LA TÉCNICA EN CUANTO A RECONVERSIÓN DE MÁQUINA-
HERRAMIENTA. ................................................................................................................................................... 21 3.2.1 Reconversión de máquinas- herramientas CNU. .................................................................................. 21 3.2.2 Automatización de torno manual marca Monarch Machine Tool 10EF. (Ramírez Cadena, 2007) .... 24 3.2.3 Restauración de torno EMCO Compact 5 PC. (Chaides Oscar, 2011). ................................................ 25 3.2.4 Automatización de Máquina Multipurpose Machine 14109.(Ramirez Miguel, 2009). ........................ 28
3.3 DESCRIPCIÓN DEL MINI TORNO A RECONVERTIR. .......................................................................................... 30 3.4 TABLA DE REQUERIMIENTOS. ........................................................................................................................ 31 3.5 DISEÑO PRELIMINAR. .................................................................................................................................... 33
3.5.1 Sistema desplazamiento en el eje z (Transversal). ................................................................................ 34 3.5.2 Sistema desplazamiento en el eje x (Longitudinal). .............................................................................. 35
3.6 DETERMINACIÓN TEÓRICA DE FUERZA Y POTENCIA DE CORTE. ..................................................................... 36 3.6.1 EL CORTE ORTOGONAL Y OBLICUO. .......................................................................................... 38 3.6.2 Cálculo de fuerzas y potencia de corte.................................................................................................. 45 3.6.3 Selección de las condiciones de corte. .................................................................................................. 47 3.6.4 Cálculos de fuerza y potencia de corte con Pollack: ............................................................................. 51 3.6.4 Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Shey (2002): .................................................................... 53 3.6.5. Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Heinz. ............................................................................. 57 3.6.6. Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Kalpakjian. ..................................................................... 60 3.6.7 Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Edmund Isakov. ............................................................... 63 3.6.9 Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Astudillo Jimenez Fidel. .................................................. 64 3.6.9 Resumen de resultados obtenidos con los 5 autores. ............................................................................ 66 3.6.10 Diseño de Hoja de cálculo en Excel.................................................................................................... 67 3.6.12 Resultados de los cálculos. ................................................................................................................. 70 3.6.12.1 Fuerzas y potencias de corte para Aluminio 6061. ......................................................................... 71 3.6.12.2 Fuerzas y potencias de corte para Nylamid Tipo M........................................................................ 72 3.6.12.3 Fuerzas y Potencias de corte para Acero 1018 ................................................................................ 73 3.6.13 Conclusiones de los cálculos. ............................................................................................................. 75
CAPÍTULO 4 DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE FUERZA Y POTENCIA DE CORTE ........... 77
4.1JUSTIFICACIÓN TÉCNICA DE LA DETERMINACIÓN DE LA FUERZA DE CORTE.................................................... 77 4.2DETERMINACIÓN DE POTENCIA ÚTIL PARA EL MINI TORNO UNIMAT 4. ........................................................ 79 4.3 DISEÑO DE INTERFAZ GRÁFICA EN LABVIEW PARA LA OBTENCIÓN DE DATOS DE FUERZA CON DINAMÓMETRO.
........................................................................................................................................................................... 84 4.4CALIBRACIÓN DE LOS EJES DEL DINAMÓMETRO. ............................................................................................ 91
4.5ARREGLO EXPERIMENTAL PARA DETERMINACIÓN DE FUERZAS Y POTENCIA DE CORTE. ................................ 94 4.6RESULTADOS DE DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE FUERZAS TANGENCIALES DE CORTE. .......................... 96
4.6.1 Aluminio 6061 ...................................................................................................................................... 96 4.6.2 Nylamid tipo M..................................................................................................................................... 97
4.7 CONCLUSIONES DE DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE FUERZAS TANGENCIALES DE CORTE. ................... 101
CAPÍTULO 5 DISEÑO DE SISTEMAS DE TRASMISIÓN. ........... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.1 METODOLOGÍA PARA LA DETERMINACIÓN DEL DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE TRASMISIÓN. ................. ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED. 5.2 DISEÑO MECÁNICO DE EJES. ................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.2.1 Diseño Mecánico de eje Longitudinal. .................................................. Error! Bookmark not defined. 5.2.1.1 Selección de husillo de bolas: ............................................................. Error! Bookmark not defined. 1.2.1.2 Selección de rodamientos: .................................................................. Error! Bookmark not defined. 5.2.2 Diseño mecánico de eje transversal. ..................................................... Error! Bookmark not defined. 5.2.2.1 Selección del husillo de bolas. ............................................................ Error! Bookmark not defined. 5.2.2.2 Selección de rodamientos: .................................................................. Error! Bookmark not defined.
5.3 DISEÑO DE ELEMENTOS DE TRACCIÓN. .................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.3.1 Diseño de elementos de tracción eje longitudinal. ................................. Error! Bookmark not defined. 5.3.1.1 Selección del motor a pasos. ............................................................... Error! Bookmark not defined. 5.3.1.2 Selección de poleas y banda. .............................................................. Error! Bookmark not defined. 5.3.2 Diseño de elementos de tracción eje transversal. ................................... Error! Bookmark not defined. 5.3.2.1 Selección del motor a pasos, polea y banda dentada........................... Error! Bookmark not defined.
5.4 DISEÑO DE SOPORTES PARA MOTORES A PASOS. ...................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.4.1 Diseño de soporte para eje transversal. .................................................. Error! Bookmark not defined. 5.4.2 Diseño de soporte para eje Longitudinal. ............................................... Error! Bookmark not defined.
CAPÍTULO 6 DISEÑO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN ........................................................................................... 173
CAPÍTULO 7 ADQUISICIÓN, IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS EN EL MINI TORNO ............................................... 173
7.1 DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES DEL MINI-TORNO A AUTOMATIZAR. ...... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 7.2 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS Y EQUIPO ADQUIRIDO. ....................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
7.2.1 Equipo de cómputo y software. ............................................................. Error! Bookmark not defined. 7.2.2 Sistema de transmisión y accesorios. ..................................................... Error! Bookmark not defined.
7.3 PROCESO DE FABRICACIÓN DE SOPORTES PARA MOTORES A PASOS. ........ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 7.4 PROCESO DE FABRICACIÓN DE ACOPLAMIENTOS PARA EJES X Y Z. ......... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 7.5 PERFORADO DE LAS POLEAS. ................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 7.6 IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS EN EL TORNO EMCO UNIMAT 4............ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
CAPÍTULO 8 RESULTADOS ............................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
CONCLUSIONES...………….……………………………………………………………………………………………….……………………..ERR
OR! BOOKMARK NOT DEFINED.
APENDICE A. TABLAS Y GRAFICAS
.......…………………..……………………………………………….……………………..ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.200
APENDICE B PASOS PARA PRUEBAS CON DINAMOMETRO KISTLER .....………….……………………..211
APENDICE C ANÁLISIS TEÓRICO Y EXPERIMENTAL PARA LA AUTOMATIZACIÓN DE UN
MINI TORNO CONVENCIONAL (PUBLICACIÓN) ......……………………………………………….……………………..228
FUENTES
CONSULTADAS…..……………………………………………………………………………………….……………………..ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED.5
INDICE DE FIGURAS
FIGURA 2. 1 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA METODOLOGÍA PARA LA MODERNIZACIÓN DEL MINI TORNO .......... ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 2. 2 DIAGRAMA DE FLUJO QUE MUESTRA LOS PASOS A SEGUIR PARA LA OBTENCIÓN DE FUERZAS Y
POTENCIA DE CORTE TEÓRICAS. ................................................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 2. 3 DIAGRAMA DE FLUJO QUE MUESTRA LOS PASOS A SEGUIR PARA LA OBTENCIÓN DE FUERZAS Y
POTENCIA DE CORTE EXPERIMENTALES. ................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 2. 4 DIAGRAMA DE FLUJO QUE MUESTRA LOS PASOS A SEGUIR PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE
TRASMISIÓN. ............................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 1 RECONVERSIÓN DE UN TORNO CONVENCIONAL. (DESIGN METHODOLOGY FOR CNC APPLICATIONS,
2003). ....................................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 2 TORNO MANUAL MARCA MONARCH MACHINE TOOL 10EF UTILIZADO EN LA
AUTOMATIZACIÓN.(RAMÍREZ CADENA,2007). ......................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 3 REPRESENTACIÓN DEL DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL TORNO (RAMÍREZ
CADENA 2007). ........................................................................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 4 CONFIGURACIÓN DE LOS EJES MÓVILES DEL TORNO. (OPERATING INSTRUCTION EMCO COMPACT,
1990). ....................................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 5 RESTAURACIÓN DE TORNO EMCO COMPACT PC (CHAIDES, 2011). ............. ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 3. 6 MÁQUINA MULTIPURPOSE 14109.(RAMÍREZ, 2009). ..................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 7 RECONVERSIÓN DE TORNO MULTIPURPORSE 14109(RAMÍREZ, 2009). .......... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 3. 8 REPRESENTACIÓN DE LA CAJA DE CONEXIONES (RAMÍREZ, 2009). ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 9 MINITORNO EMCO UNIMAT 4(EMCO LATHES, 2000). .............. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 10 ACCESORIOS DEL MINITORNO UNIMAT4(EMCO LATHES, 2000.ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 11 PROPUESTA PRELIMINAR DE AUTOMATIZACIÓN DEL MINI-TORNO UNIMAT 4. .. ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 3. 12 REPRESENTACIÓN DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN EN EL EJE Z A MODIFICAR. ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 3. 13 REPRESENTACIÓN DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN EN EL EJE X A MODIFICAR....... ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 3. 14 REPRESENTACIÓN DE LAS FUERZAS EN EL TORNEADO (MANUFACTURA, INGENIERIA Y TECNOLOGÍA,
2002). ....................................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 15 CORTE ORTOGONAL Y CORTE OBLICUO. ..................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 16 ÁNGULO DE PLANO DE CORTE O ÁNGULO DE CIZALLAMIENTO..... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 17 COMPONENTES DE LA FUERZA CORTANTE EN EL CORTE ORTOGONAL. ......... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 3. 18 FACTORES DE CORTE EN EL CORTE OBLICUO. .............................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 19 COMPONENTES DE FUERZA DE CORTE EN UN PROCESO TRIDIMENSIONAL. ... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 3. 20 VALORES DE LA CONSTANTE DEL MATERIAL “K” DE ACUERDO A POLLACK(1982). K=8. ......... ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 21 REPRESENTACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS APROXIMADOS PARA LA ENERGÍA ESPECIFICA DE CORTE.
................................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 3. 22 HOJA DE CÁLCULO EN EXCEL PARA EL CÁLCULO DE FUERZA Y POTENCIA DE CORTE. .............. ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED.
FIGURA 3. 23 POTENCIA VS AVANCE VS PROFUNDIDAD PARA EL ALUMINIO 60614 ........... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 3. 24 POTENCIA VS AVANCE VS PROFUNDIDAD PARA EL NYLAMID TIPO M. ......... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 3. 25 POTENCIA VS AVANCE VS PROFUNDIDAD PARA EL ACERO 1018. . ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 4. 1 TORNO CONVENCIONAL EMCO UNIMAT 4 Y SU SISTEMA DE TRANSMISIÓN PRINCIPAL. ................... 78 FIGURA 4. 2 COMPONENTES DE LA FUERZA DE CORTE F; F_T FUERZA TANGENCIAL, F_R FUERZA .RADIAL Y F_F
FUERZA DE AVANCE. ....................................................................................................................................... 78 FIGURA 4. 3 PREPARACIÓN DE PIEZA-HERRAMIENTA PARA PRUEBAS EN MINI-TORNO. PIEZA DE ALUMINIO 6061
ALINEADA CON EL INSERTO. ........................................................................................................................... 81 FIGURA 4. 4 INSERTO ALINEADO MARCANDO LA PIEZA PARA PREPARACIÓN DE PRUEBAS ....................................... 82 FIGURA 4. 5 ARREGLO EXPERIMENTAL PARA DETERMINAR LA POTENCIA MÁXIMA DE MINI TORNO EMCO
UNIMAT 4. ................................................................................................................................................... 83 FIGURA 4. 6 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS PARA DETERMINAR LA POTENCIA ÚTIL (WATTS) EN EL MINITORNO
EMCO UNIMAT 4 ........................................................................................................................................ 83 FIGURA 4. 7 INTERFAZ GRÁFICA EN LABVIEW PARA LA VISUALIZACIÓN EN TIEMPO REAL DE LA FUERZA DE CORTE.
....................................................................................................................................................................... 86 FIGURA 4. 8 SÍMBOLO DEL ASISTENTE DE TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEXAS INSTRUMENTES EN
LABVIEW. ...................................................................................................................................................... 87 FIGURA 4. 9 SÍMBOLO DEL FILTRO PASA BAJAS EN LABVIEW. ............................................................................... 88 FIGURA 4. 10 SÍMBOLO DEL FILTRO PASA BAJAS EN LABVIEW ............................................................................... 88 FIGURA 4. 11 DIAGRAMA DE FLUJO QUE MUESTRA LA METODOLOGÍA PARA DISEÑAR LA HOJA DE CÁLCULO. ......... 90 FIGURA 4. 12 CALIBRACIÓN DE EJE Z. ..................................................................................................................... 91 FIGURA 4. 13 DIAGRAMA DE FLUJO PARA CALIBRAR DINAMÓMETRO KISTLER. ...................................................... 92 FIGURA 4. 14 CALIBRACIÓN DE EJE X Y Y. .............................................................................................................. 93 FIGURA 4. 15 NIVELACIÓN DE DINAMÓMETRO. ....................................................................................................... 93 FIGURA 4. 16 ARREGLO EXPERIMENTAL PARA LA MEDICIÓN DE FUERZA Y POTENCIA DE CORTE. ............................ 95 FIGURA 4. 17 GRÁFICA DE AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL, PROFUNDIDAD DE 0.01. ........................................... 98 FIGURA 4. 18 GRÁFICA DE AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL, PROFUNDIDAD DE 0.015. ........................................ 98 FIGURA 4. 19 GRÁFICA DE AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL, PROFUNDIDAD DE 0.02. ........................................... 99 FIGURA 4. 20 GRÁFICA DE AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL, PROFUNDIDAD DE 0.025. ......................................... 99 FIGURA 4. 21 GRÁFICA DE AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL, PROFUNDIDAD DE 0.03. ........................................... 99 FIGURA 4. 22 GRÁFICA DEL COMPORTAMIENTO DE FUERZA TANGENCIAL CONFORME AL AVANCE EN NYLAMID .. 100 FIGURA 4. 23 GRÁFICA DEL COMPORTAMIENTO DE LA FUERZA TANGENCIAL Y RADIAL DE CORTE CONTRA EL RITMO
DE AVANCE. (TIMMINGS) .............................................................................................................................. 100 FIGURA 5. 1 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE PARTES QUE INTEGRAN AL MINI TORNO UNIMAT 4 AL AUTOMATIZAR.
................................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 2 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN EJE TRANSVERSAL. .... ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 5. 3 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL INTERCAMBIADOR DE HERRAMIENTAS. ....... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 4 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL SISTEMA DE TRASMISIÓN DE EJE LONGITUDINAL. ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 5. 5 DIAGRAMA METODOLÓGICO PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE TRANSMISIÓN. ...... ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 5. 6 DIAGRAMA METODOLÓGICO PARA LA SELECCIÓN DE UN HUSILLO DE BOLAS. ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 7 COMPONENTES DE FUERZA DE CORTE EN EL TORNEADO. ............... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 8 REPRESENTACIÓN DE FUERZAS EN SISTEMA DE TRASMISIÓN LONGITUDINAL. ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 9 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN EN LA TUERCA DEL HUSILLO (VER FIGURA
9). ............................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
FIGURA 5. 10 DIAGRAMA DE VELOCIDAD (THK, 2015)..................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 11 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE EJE LONGITUDINAL. .................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 12 DIAGRAMA ESTÁTICO DE FUERZAS EN TUERCA DE HUSILLO DE BOLAS Y REACCIONES EN COJINETES
DE SOPORTE PARA EL HUSILLO DE BOLAS EN LA BANCADA. (CARRO POSICIONADO EN CENTRO) ........... ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 13 DIAGRAMA ESTÁTICO DE FUERZAS EN TUERCA DE HUSILLO DE BOLAS Y REACCIONES EN COJINETES
DE SOPORTE PARA EL HUSILLO DE BOLAS EN LA BANCADA. (CARRO POSICIONADO EN EXTREMO IZQUIERDO)
................................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 14 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE FUERZAS QUE ACTÚAN EN LOS COJINETES. .. ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 15 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN EN LA TUERCA DEL HUSILLO. ..... ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 16 DIMENSIONES DEL MOTOR A PASOS NEMA 23. ............................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 17 POLEA DENTADA 5 MM DIÁMETRO INTERIOR. .............................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 18 CARACTERÍSTICAS DE POLEA DENTADA. DONDE: ........................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 19 DIBUJO DE SOPORTE PARA MOTOR A PASOS DEL EJE TRANSVERSAL. ............ ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 20 DIBUJO DE SOPORTE PARA MOTOR A PASOS DEL EJE TRANSVERSAL ADAPTADO EN EL MINI TORNO
................................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 21 DIGITALIZACIÓN DE SOPORTE, ANÁLISIS POR ELEMENTO FINITO. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 22 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO TENSIONES-TENSIONES. .... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 23 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO DESPLAZAMIENTOS-DESPLAZAMIENTOS. ....... ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 24 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO DEFORMACIONES UNITARIAS. .... ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 5. 25 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO DESPLAZAMIENTOS. FORMA DEFORMADA DEL
SOPORTE. .................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 26 DIBUJO DE SOPORTE PARA MOTOR A PASOS DEL EJE TRANSVERSAL. ............ ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 27 DIBUJO DE SOPORTE PARA MOTOR A PASOS DEL EJE TRANSVERSAL ADAPTADO EN EL MINI TORNO.
................................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 28 DIGITALIZACIÓN DE SOPORTE, ANÁLISIS POR ELEMENTO FINITO. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 29 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO TENSIONES-TENSIONES ..... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 5. 30 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO DESPLAZAMIENTOS-DESPLAZAMIENTOS ........ ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 5. 31 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO DEFORMACIONES UNITARIAS ..... ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 5. 32 SOPORTE MOTOR A PASOS. ANÁLISIS ESTÁTICO DESPLAZAMIENTOS. FORMA DEFORMADA DEL
SOPORTE. .................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
FIGURA 6. 1 DIAGRAMA DE CONTROL PARA MINI TORNO UNIMAT 4. .............. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. FIGURA 6. 2 IMPRESIÓN DE PANTALLA DE INTERFAZ GRÁFICA DEL SOFTWARE MACH3. ... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. FIGURA 6. 3 TARJETA TOSHIBA TB6560AHQ Y SUS ACCESORIOS A DONDE SE CONECTAN. ...... ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED. FIGURA 6. 4 LIMITS SWITCH SELECCIONADO. .................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
No table of figures entries found. INDICE DE TABLAS.
TABLA 3. 1 REQUERIMIENTOS NECESARIOS A CONSIDERAR EN LA RECONVERSIÓN DEL MINI-TORNO. ............................................ 32
TABLA 3. 2 SISTEMA A MODERNIZAR Y PROPUESTAS. .......................................................................................................... 33 TABLA 3. 3 VELOCIDADES DE CORTE PARA CADA MATERIAL .................................................................................................. 49 TABLA 3. 4 SIMBOLOGÍA Y NOMENCLATURA UTILIZADA ....................................................................................................... 50 TABLA 3. 5 FUERZAS ESPECÍFICAS DE CORTE, LOCALIZACIÓN DE LOS FACTORES Z Y K_(C1,1) ...................................................... 59 TABLA 3. 6 RESUMEN DE PRUEBAS CON ACERO 1018 MÚLTIPLES AUTORES. ........................................................................... 67 TABLA 3. 7 RESULTADOS CON KALPAKJIAN ....................................................................................................................... 67 TABLA 3. 8 FUERZA Y POTENCIA DE CORTE DEL ALUMINIO VARIADO SU PROFUNDIDAD Y AVANCE DE CORTE. .................................. 71 TABLA 3. 9 FUERZA Y POTENCIA DE CORTE DEL NYLAMID VARIADO SU PROFUNDIDAD Y AVANCE DE CORTE. ................................... 72 TABLA 3. 10 FUERZA Y POTENCIA DE CORTE DEL ACERO 1018 VARIADO SU PROFUNDIDAD Y AVANCE DE CORTE. ........................... 73
TABLA 4. 1 PROFUNDIDAD DE CORTE (MM) CON LA CORRESPONDIENTE POTENCIA CONSUMIDA (WATTS) ..................................... 83 TABLA 4. 2 VALORES DE FUERZA TANGENCIAL DE CORTE, VARIANDO PROFUNDIDAD Y AVANCE(ALUMINIO). .................................. 96 TABLA 4. 3 VALORES DE FUERZA TANGENCIAL DE CORTE, VARIANDO PROFUNDIDAD Y AVANCE NYLAMID). .................................... 97
NO TABLE OF FIGURES ENTRIES FOUND.TABLA 7. 1 CARACTERÍSTICAS DEL MINI-TORNO A AUTOMATIZAR........ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED. TABLA 7. 2 RESUMEN DE COSTOS DE LOS COMPONENTES NECESARIOS PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL MINI-TORNO EMCO
UNIMAT4. .......................................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TABLA 7. 2 RESUMEN DE COSTOS DE LOS COMPONENTES NECESARIOS PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL MINI-TORNO EMCO
UNIMAT4. (CONTINUACIÓN). ................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1
Capítulo 1
Antecedentes al proyecto.
1.1 Introducción
La automatización es una de las tendencias más relevantes del futuro ya que permite
soluciones eficientes con alta ventaja económica, una combinación óptima de los
componentes, menor complejidad y reducción de los tiempos, así como un alto grado
de seguridad en la inversión.
De la Crúz Ibarra (2009) argumenta que con la automatización se puede optimizar la
entrega de productos sin afectar la mano de obra ni la sincronización de las diferentes
áreas. Facilitando el proceso, lo cual resulta un mejor servicio y ahorros
considerables para las empresas Mexicanas.
La mayor calidad en los productos se logra mediante exactitud de las máquinas
automatizadas y por la eliminación de los errores propios del ser humano; lo que a
su vez repercute grandes ahorros de tiempo y materia al eliminarse la producción de
piezas defectuosas.
César Barrón Romero (2012) asegura que la importancia de las máquinas-
herramienta ha cobrado gran interés durante las últimas dos o tres décadas, ya que la
incorporación de la electrónica y la informática, han permitido automatizar diversas
operaciones que en gran medida se enfocan en los procesos de maquinado y
manufactura de componentes electrónicos como por ejemplo: centros de torneado,
centros de fresado, máquinas de electroerosión, centros de fabricación y ensamble
de componentes electrónicos, etc. Este interés ha llegado hasta el punto de que hoy
día en gran medida se diseñan y construyen unidades de control electrónico muy
complejas para la industria, capaces de controlar la operación de una sola máquina,
2
de un grupo de máquinas o incluso de toda una planta de manufactura, y solo en
algunos casos se opta por la reconversión o modificación de las máquinas-
herramienta tanto en Software como Hardware por la misma industria
manufacturera.
En México se han llevado a cabo proyectos de reconversión de máquinas-
herramienta en Universidades tanto públicas como privadas en estados como de
Querétaro (Barrón Romero, 2012), en Nuevo León (Ramírez, C. Miguel 1998). En
el Instituto Politécnico Nacional también se han desarrollado proyectos en la
automatización y mejora del diseño de máquinas-herramienta con Control Numérico
(Ricardo Espinoza Busto, 2008), incluso existía, hasta hace unos años el Centro de
Investigación de Máquinas-Herramienta que además de los proyectos académicos en
los que participaba también se vinculaba con el sector productivo,
desafortunadamente fue primeramente reducido en espacio y personal para después
cerrarlo (Navarro Rizo, 2015).
Por lo anterior, se pretenden alcanzar el objetivo automatizar una mini-máquina con
tecnología de CNC (Prototipo), aprovechando las competencias profesionales de un
grupo de profesores con años de experiencia en el área de manufactura y diseño de
maquinaria, para posteriormente aplicar tal tecnología en la automatización de
máquinas-herramienta convencionales de tipo industrial.
Para de esta manera iniciar el proceso de formación de alumnos especialistas tanto
en la automatización de maquinaria con equipo CNC como en el mantenimiento de
las mismas, ya que existe una alta demanda de recursos humanos especializados en
ésta área, como lo ha podido constatar uno de los profesores que propone este
proyecto quien funge como secretario del comité para certificación y acreditación de
competencias en la operación y programación de máquinas CNC del estado de
Guanajuato.
3
1.2 Justificación
Actualmente la industria demanda que la producción sea cada vez más económica,
más productiva y sobre todo de buena calidad, para lograr esto con un torno
convencional es necesario contratar personal que este suficientemente calificado
para desarrollar maquinados de calidad, precisos y en poco tiempo, todo esto estando
todavía sujeto al error humano.
“De acuerdo con Francisco Sevilla, director general de Capacitación e Innovación
Tecnológica de la Secretaría de Economía, en México un gran porcentaje de las
empresas del segmento de las pymes trabaja con maquinaria de los años cuarenta.”
(Fuente: Metalmecánica 2009). Entre esta maquinaria se encuentran los tornos
convencionales lo que significa que gran cantidad de las empresas mexicanas, debido
a los requerimientos actuales de la industria, necesitan mejorar sus procesos de
producción.
La automatización de un proceso brinda bastantes ventajas a nivel económico, social
y tecnológico, automatizar es ahora algo muy importante para poder ser competitivo
en cualquier industria. Las empresas deben buscar poner en marcha soluciones
tecnológicas que les permita mejorar su productividad, incrementar su capacidad de
ventas, agilizar procesos e incluso minimizar costos al incorporar nuevas tecnologías
e implementarlas en sus actividades diarias.
El control numérico por computadora (CNC) es una buena alternativa para cubrir los
requerimientos que la industria necesita ya que con la implementación del CNC se
tiene la posibilidad de fabricación de piezas muy difíciles y casi imposibles de
desarrollar en un torno convencional, permite una reducción en los tiempos de ciclos
operacionales así como reducción de porcentaje de piezas defectuosas.
4
Como se acaba de mencionar, muchas de las empresas mexicanas trabajan con
máquinas que comienzan a ser obsoletas debido a la competencia que actualmente
se encuentra en la industria, lo que provoca que los empresarios comiencen a buscar
otras alternativas como remplazar su torno convencional por una maquinaria CNC
importada, pero esto significa para ellos una inversión grande (debido a los precios
de estas) además de la pérdida de un bien mobiliario (Torno convencional que
posee).
Por lo que se propone la automatización de los tornos convencionales en lugar del
remplazo de estos para así lograr que las empresas en lugar de hacer una inversión
bastante grande hagan una más pequeña y además no pierdan sus bienes mobiliarios,
obteniendo las herramientas que ellos necesitan para competir en el mercado.
1.3 Objetivo de proyecto.
Automatizar un torno manual utilizando un sistema de Control Numérico
Computarizado (CNC).
1.4 Objetivos particulares
1. Determinar las limitaciones técnicas del torno a modernizar.
2. Proponer e implementar una metodología para determinar parámetros críticos para
el diseño.
3. Comparar resultados con los que han obtenido otros investigadores.
4. Proponer el diseño del sistema completo para modernizar el torno.
1.5 Problemas a resolver.
Es sabido que México es un país en vías de desarrollo y que depende
tecnológicamente de los países llamados del “primer mundo”. Particularmente, la
5
industria de la transformación nacional requiere de máquinas-herramienta modernas
para lograr alcanzar los requerimientos de calidad exigidos actualmente, tanto a nivel
nacional como internacional. La llegada de nuevas plantas de alta complejidad ha
hecho que la industria adopte procesos de automatización y actualice su parque de
máquinas por equipos CNC.
Según el director general del Centro de Investigación y Asistencia Técnica (Ciateq),
Francisco Antón Gabelich (Metalmecánica, Febrero de 2014), históricamente la
industria en México importa sus procesos de manufactura porque hay una deficiencia
de empresas proveedoras de procesos de manufactura, maquinaria, herramentales y
troqueles; “Actualmente la importación se hace de países como Corea y China, y en
cierta medida de Europa y Estados Unidos”. Argumenta también que en México no
se han formado o incubado empresas que fabriquen los procesos de producción: “En
el país están los mejores ingenieros de mantenimiento del mundo, pero falta
promover la ingeniería de diseño y de procesos de manufacturas” argumenta.
Al respecto, Juan Manuel Chaparro (Metalmecánica, Febrero de 2014), presidente
de Fomento Industrial de CANACINTRA, indicó que existe un problema con el
acceso al financiamiento para la micro y la pequeña empresa de la industria, y
tampoco hay esquemas que les faciliten modernizar sus equipos. Además, menciona
que “Podemos decir que más de la mitad de la maquinaria que se utiliza en la
industria es importada; pero, además de eso, también tenemos que decir que es
necesario renovar y modernizar la planta productiva nacional”. Por ello, la cámara
ha buscado impulsar al sector metalmecánico mediante certificaciones, mayor
vinculación con centros de investigación o instituciones académicas, con el objetivo
de avanzar en la producción de manufacturas de alta tecnología, como equipo o
moldes.
6
La Secretaría de Economía (Metalmecánica, Febrero de 2014) ha señalado que no
existe una producción nacional de máquinas y herramientas suficiente para satisfacer
la demanda, por lo que la mayor parte se importa de países como Japón, Estados
Unidos y Alemania (las importaciones desde China, Corea del Sur y Taiwán han
crecido en los últimos años).
De acuerdo a un artículo del periódico “El financiero” (Isabel Becerril, 2014), en
México el sector de bienes de capital, dentro del que se ubica la industria de las
máquinas-herramienta, va hacia la desaparición y para muestra, menciona que hace
12 años existían unas 2,600 empresas del giro y hoy sólo sobreviven 400 y conforme
transcurre el tiempo, la economía mexicana depende más de la importación de
maquinaria y equipo proveniente del exterior.
Por lo anterior, en este proyecto se pretenden alcanzar tres objetivos, el primero sería
automatizar una mini-máquina con tecnología de CNC (Prototipo), aprovechando las
competencias profesionales de un grupo de profesores con años de experiencia en el
área de manufactura y diseño de maquinaria, para posteriormente aplicar tal
tecnología en la automatización de máquinas-herramienta convencionales de tipo
industrial.
El segundo objetivo sería el iniciar un esquema de auto-equipamiento del
Laboratorio de Manufactura Avanzada del ITL en el que se requiere más equipo para
mejorar las competencias de nuestros alumnos en tecnologías de CNC; las cuales,
son requeridas en las carreras de Ingeniería Industrial, Ingeniería Electromecánica e
Ingeniería Mecatrónica.
El tercer y último objetivo pero no menos importante que se pretende alcanzar es,
iniciar el proceso de formación de alumnos especialistas tanto en la automatización
de maquinaria con equipo CNC como en el mantenimiento de las mismas, ya que
7
existe una alta demanda de recursos humanos especializados en ésta área, como lo
ha podido constatar uno de los profesores que propone este proyecto quien funge
como secretario del comité para certificación y acreditación de competencias en la
operación y programación de máquinas CNC del estado de Guanajuato.
1.6 Hipótesis.
Es posible modernizar el mini-torno UNIMAT 4, en sus ejes principales X y Z tomando en
cuenta la determinación experimental de fuerzas de corte de acuerdo a la capacidad del mini-
torno.
8
Capítulo 2
Metodología para la modernización de un Mini-torno convencional.
En la figura 2.1 se observa el diagrama de flujo que se siguió para la modernización
de un Mini-torno convencional, en éste capítulo se describirá de manera general cada
uno de estos pasos.
En el punto 7 del diagrama de la figura 2.1 (Determinación teórica de fuerzas y
potencia de corte) se tienen los siguientes subtemas:
Investigación documental de fuerzas y potencia de corte en tornos.
Cálculo de fuerza y potencia con base en las fórmulas de varios autores
seleccionados.
Comparación de resultados obtenidos.
Seleccionar uno de los autores para tomar los parámetros como referencia.
Diseño de la hoja de cálculo en Excel para obtener fuerza y potencia de corte.
Cálculo y revisión de parámetros obtenidos.
Y en el punto 8 (Determinación experimental de fuerza y potencia de corte), se tienen
los siguientes subtemas:
Elección de método de medición de la fuerza de corte (Dinamómetro).
Capacitación sobre el uso del sistema de medición del dinamómetro Kistler.
Diseño de interfaz gráfica en LabView para la obtención de datos de fuerza con
dinamómetro.
Calibración de los ejes del dinamómetro con un peso para comprobar que la
interfaz gráfica se muestran los valores correctos.
Instalación de sistemas de medición de fuerzas en el torno.
9
Aplicación de avance de corte y profundidad en diferentes materiales para
observar el comportamiento de fuerzas en LabView.
Obtención de datos experimentales de fuerza y potencia de corte.
A continuación se dará una breve explicación de cada etapa.
Metodología para la modernización de un Mini-torno convencional.
Presenta de manera esquemática los pasos que se siguen para la modernización de
un Mini-torno convencional.
1. Investigación sobre automatización de tornos convencionales.
Se realizó una búsqueda de información acerca de trabajos similares que se habían
hecho anteriormente para conocer experiencias que enriquecerían nuestro proyecto
así como posibles limitaciones.
2. Selección y adquisición del Mini-torno manual a automatizar.
Esta etapa consistió en seleccionar el mini torno manual en base a las características
que se necesitan para que sea factible de automatizar. Estas características se
identificaron en la investigación previa sobre automatización de tornos
convencionales y una vez seleccionado el mini torno se adquirió tomando en cuenta
las limitaciones económicas que se tenían.
3. Diseño preliminar.
Una vez que se conocieron las características físicas del mini torno a automatizar e
información de trabajos previos similares, se realizó un diseño preliminar para la
automatización del mini torno.
10
Figura 2. 1 Diagrama de flujo de la metodología para la modernización del Mini torno
11
Figura 2.1 Diagrama de flujo de la metodología para la modernización del mini torno (Continuación).
5. Cálculo de parámetros a utilizar en las pruebas de corte en torneado.
Una vez que se tuvo una recomendación de los parámetros dependiendo del material
a trabajar y el acabado de la pieza que se deseaba, se calcularon los parámetros que
el mini torno soportaría tomando en cuenta dichas recomendaciones.
6. Medición de condiciones reales de torno y materiales a trabajar.
12
Fue necesaria la determinación de potencia útil del mini torno, ya que en el proceso
de reconversión se mantuvo el motor principal y las condiciones de trabajo se vieron
limitadas por las características físicas de éste.
Una vez determinada la potencia útil fue necesario hacer una comparación entre los
parámetros calculados anteriormente en base a recomendaciones de libros y
manuales y las características reales que se tenían.
7 Determinación teórica de fuerzas y potencia de corte.
Si los valores de parámetro coinciden entre los recomendados y los que se deben de
tener por las condiciones reales, se prosigue al punto 7. Para lograr la determinación
teórica de fuerzas y potencia de corte se siguieron los siguientes pasos que se
describen de manera general y se muestran en el diagrama de flujo de la figura 2.2.
7.1 Investigación documental de fuerzas y potencia de corte en tornos.
Se realizó una búsqueda de información del comportamiento y análisis de las fuerzas
de corte en el torno así como de la potencia que consume el torno al realizar
desbastes.
7.2 Cálculo de fuerza y potencia con base en las fórmulas de varios autores seleccionados.
Se utilizó un problema base (material, profundidad y avance de corte) que se resolvió
mediante el método de varios autores diferentes para obtener la fuerza y potencia de
corte en el torneado.
7.3 Comparación de resultados obtenidos.
Una vez calculada la fuerza y potencia de corte se compararon los resultados de cada
autor entre los otros autores, para ver similitudes o diferencias en los resultados.
7.4 Seleccionar unos de los autores para tomar los parámetros como referencia.
13
En base a la comparación de los resultados se eligió un autor base para la realización
de todos los cálculos necesarios en las pruebas de determinación teórica de fuerza y
potencia de corte.
7.5 Diseño de la hoja de cálculo en Excel para obtener fuerza y potencia de corte.
Se realizó una hoja de cálculo en Excel para facilitar el cálculo de fuerza y potencia
de corte con las formulas del autor elegido, ya que para las pruebas se realizaron
varias veces los mismos cálculos solo que variando los datos de entrada.
7.6 Cálculo y revisión de parámetros obtenidos
Se realizaron cálculos de fuerza y potencia de corte apoyados por la hoja de cálculo,
para 3 materiales diferentes, 5 profundidades diferentes y 5 avances diferentes.
8 Determinación experimental de fuerza y potencia de corte.
Para la determinación experimental de fuerzas y potencia de corte en el torneado se
siguieron los pasos mostrados en el diagrama de flujo de la figura 2.3, estos se
describen a continuación de manera general.
8.1 Elección del método de medición de la fuerza de corte (Dinamómetro).
Se eligió la manera de medir la fuerza de corte, realizando una investigación de los
transductores de fuerza que existen en el tecnológico de León así como de sus
características para discernir si ayudarían al proyecto, y en caso de no encontrar lo
que se necesita en el tecnológico recurrir a la búsqueda en el mercado.
8.2 Capacitación sobre el uso del sistema de medición del dinamómetro Kistler.
14
Se leyeron los manuales de operación del dinamómetro para el uso correcto de éste
(montaje y calibración).
Figura 2. 2 Diagrama de flujo que muestra los pasos a seguir para la obtención de fuerzas y potencia de corte teóricas.
15
8.3 Diseño de la interfaz gráfica en LabView para la obtención de datos de fuerza con
dinamómetro.
Se realizó una interfaz gráfica en LabView con el fin de lograr varios objetivos como
lo son: La conversión de señal de voltaje a Newton a través de una ecuación obtenida
durante la calibración del dinamómetro, la visualización del comportamiento de las
fuerzas de corte en el tiempo, la exportación de los valores obtenidos a hojas de
cálculo para su posterior análisis.
8.4 Calibración de los ejes del dinamómetro.
Se realizó la calibración de cada eje del dinamómetro basándose en el manual de
operación para lograr el correcto funcionamiento de éste.
8.5 Instalación de sistema de medición de fuerzas en torno.
Se acondicionó un torno convencional para realizar las pruebas experimentales de
obtención de fuerza y potencia de corte.
8.6 Aplicación de avance de corte y profundidad en diferentes materiales para observar
el comportamiento de fuerzas en LabView.
Se realizaron cortes para materiales, avances y profundidades distintas; Obteniendo
los resultados en la interfaz gráfica en LabView.
8.7 Obtención de datos experimentales de fuerza y potencia de corte.
Se realizaron cortes para materiales, avances y profundidades distintas; Obteniendo
los resultados en la interfaz gráfica en LabView y posteriormente guardándolos en
hojas de cálculo.
16
Figura 2. 3 Diagrama de flujo que muestra los pasos a seguir para la obtención de fuerzas y potencia de corte
experimentales.
17
9.1 Diseño mecánico de ejes.
Se diseñaron los elementos mecánicos para el eje transversal así como para el
longitudinal. , que fue la selección del husillo de bolas y selección de rodamientos
en base a las cargas producidas por las fuerzas involucradas durante el corte en el
torno.
9.2 Diseño de elementos de tracción.
Se seleccionaron los elementos de tracción (Motor a pasos, banda y polea) para el
eje transversal así como para el longitudinal. En base al par torsional necesario para
mover cada eje así como su precisión de posicionamiento.
9.3 Diseño de soportes para ejes mecánicos.
Una vez seleccionados los motores a pasos se diseñaron los soportes para estos, en
base a las características físicas del mini torno así como de los motores a pasos.
10 Diseño del sistema de control.
Fue necesaria la selección del software para el control de los motores a pasos
seleccionados, así como la interfaz de potencia y sensores para la retroalimentación
de los límites mecánicos en el mini torno.
11 Fabricación de elementos mecánicos del sistema de trasmisión.
Una vez diseñados los soportes para los motores a pasos, se fabricaron en la fresadora
CNC del CIM del Instituto Tecnológico de León.
12 Compra de los componentes de automatización.
Ya que fueron seleccionados los elementos necesarios para la automatización del
mini torno, como lo son los motores a pasos, bandas, poleas, Software Mach3,
Tarjeta de potencia, etc. Se realizaron cotizaciones y posteriormente se adquirieron
satisfactoriamente los elementos.
18
13 Acondicionamiento mecánico de la máquina herramienta.
Una vez que se adquirieron todos los elementos necesarios para la automatización se
acondiciono mecánicamente el mini torno UNIMAT 4 para lograr de esta manera la
reconversión del mini torno convencional a CNC.
14 Desarrollo y pruebas de conexión eléctrica y electrónica.
Una vez que se acondiciono el mini torno mecánicamente de tal manera que se
pudiera mover todo mediante los motores a pasos se prosiguió a hacer las
correspondientes conexiones eléctricas y se desarrollaron pruebas para ver que
funcionará correctamente sin problemas por la carga mecánica o por el acoplamiento
mediante poleas de motor-mini torno.
15 Implementación del control numérico por computadora.
Se realizó la conexión entre el software Match 3 y la tarjeta de potencia Toshiba
TB65603V2, para que así mediante la introducción de un código G al software se
tuviera el movimiento deseado en el mini torno.
16 Configurar y probar el control numérico del mini torno.
Dependiendo de los motores a pasos y la tarjeta de potencia, el match 3 se configuro
para que funcione correctamente con esas características, una vez configurado el
match 3 se prosiguió a realizar pruebas para comprobar el correcto funcionamiento
del mini torno UNIMAT 4 automatizado.
19
Figura 2. 4 Diagrama de flujo que muestra los pasos a seguir para el diseño de sistemas de trasmisión.
20
Capítulo 3
Reconversión de tornos convencionales a C.N.C.
3.1 Concepto de Reconversión, ventajas y desventajas.
El retrofit, retrofitting o reconversión es una técnica de renovación de equipos,
maquinaria e incluso vehículos, basada principalmente en la actualización de los
componentes o accesorios más modernos o eficaces que los disponibles.
Se utiliza especialmente en algunos sectores de la industria donde la renovación
completa de maquinaria, sistemas y equipos varios tienen un coste muy elevado.
De esta forma la reconversión o retrofit, se efectúa modernizando los equipos, las
instalaciones eléctricas, motores, sistemas de transmisión dotándolas de mejores
prestaciones, seguridad, versatilidad, etc.
Es muy habitual el retrofit en máquinas-herramientas convencionales a CNC, un
ejemplo es dotar de una máquina-herramienta CNC, las últimas versiones de control,
portaherramientas o accesorios etc.
Dado que la vida media de las maquinas-herramientas es alta, por su alto precio en
el mercado y las necesidades de la industria, este tipo de técnicas se utilizan en
centros de mecanizado, tornos, fresadoras, rectificadoras, prensas, y en general toda
maquinaria susceptible de ser mejoradas con componentes y accesorios que en el
momento de ser fabricadas, no existían o tenían su capacidad limitada.
Ventajas del control numérico.
Mecanizado de piezas muy lentas de fabricar en un Torno convencional, debido a su
número de procesos.
21
Fabricación de piezas con gran precisión respecto a un torno convencional ya que los
tornos CNC, ofrecen más repetitividad
Menor tiempo de cambio de pieza.
Aumento de la productividad, por el menor tiempo total de mecanización.
Desventajas del control numérico.
Una elevada inversión inicial, máquina-herramienta.
Necesidad de personal altamente capacitado (Mayor costo de la mano de obra).
La reparación de las averías tienen un alto costo, más precisamente el sistema eléctrico-
electrónico.
3.2 Investigación sobre el estado de la técnica en cuanto a reconversión de máquina-
herramienta.
3.2.1 Reconversión de máquinas- herramientas CNU.
La Cátedra de Investigación en Mecatrónica del ITESM Campus Monterrey, realiza
un proyecto denominado Control Numérico Universal (CNU), que se aplicará en la
automatización de máquinas-herramienta. El proyecto se basa en el desarrollo
europeo OSACA y tiene como objetivo crear tecnología Mexicana de bajo costo que
siga las tendencias mundiales de vanguardia en el campo de tecnologías de
automatización. El CNU es un control numérico flexible y económico que colocará
la tecnología de CNC al alcance de la micro, pequeña y mediana industria (PyME´s)
del sector metalmecánico.
El impacto social de un desarrollo como el CNU, se reflejará en un mejor
aprovechamiento de los recursos humanos, obteniendo el personal capacitación y
experiencia en tecnologías de vanguardia, generando incrementos cuantitativos y
cualitativos reales en la productividad, lo que lleva a un mayor bienestar de la
población.
22
Arquitectura de referencia de máquinas-herramientas.
Una de las principales áreas de aplicación del CNU es la reconversión automática de
MH´s manuales, se plantea que uno de los puntos relevantes de la funcionalidad de
la arquitectura del CNU debe ser su capacidad para lograr una adaptación flexible y
rápida del controlador a las características mecánicas de una MH y a la integración
de capacidades que se requieran del controlador (CNU). Para lograrlo, la arquitectura
debe ser modular y configurable tanto en el hardware como en el software.
La arquitectura de referencia que se propuso es una plataforma la cual debe de
soportar una “caja negra” que estará formada internamente por unidades de software
cuya combinación define la funcionalidad del sistema a implementar en la
arquitectura. Esta conceptualización permitirá el desarrollo de controles numéricos
con la funcionalidad adecuada para cada MH que se requiera automatizar de acuerdo
con el ambiente en que funcionará el sistema. El CNU tiene una arquitectura
modularizada que consta de unidades funcionales (UF´s), las cuales son módulos de
programas de aplicación que realizan tareas específicas requeridas por el usuario ó
el proceso.
La arquitectura del CNU cumple con los requerimientos de los sistemas abiertos,
para lo cual consta de cuatro capas principales: capa de hardware, capa del sistema
operativo, capa de comunicaciones internas y la capa de interfase de programación
de aplicaciones (API). Estas capas ofrecen servicios a las unidades funcionales (UF),
las cuales son módulos de programas de aplicación que realizan tareas específicas
requeridas por el usuario. Con la introducción del concepto de unidades funcionales
(UF) manejadas a través de la interfase del programa de aplicación se cumplen con
los requerimientos de portabilidad, modularidad y escalabilidad; la interoperatividad
se logra a través de la interfase de comunicaciones.
23
Las UF´s de aplicación para la arquitectura del prototipo del CNU son: El control de
movimiento (CM), el control de ejes (CE), el control de actuadores y sensores (CAS),
el control de procesos auxiliares (CPA), las comunicaciones externas (CEX). A parte
de las UF´s mencionadas anteriormente, se encuentra la UF del sistema, que son la
UF de base de datos, la UF sistema de configuración y la UF de la interface hombre-
máquina.
El flujo de información para un programa de CNC comienza cuando el usuario
introduce un programa de CNC en la interface H-M. El código de CNC es manejado
entonces por el CM hasta obtener la tabla de UBM´s. El CE maneja la tabla resultante
y obtiene como resultado una tabla de señales eléctricas para los ejes. La CPA maneja
la información del código correspondiente a los códigos M que mandan llamar a
sistemas auxiliares. Con esta información proveniente de la CE y CPA, la UF CAS
la convierte en señales de control para los actuadores, también recibe la información
de retroalimentación de los sensores de la MHCNC y como en ella está el punto de
suma, entonces puede generar una nueva señal para completar la orden original.
Finalmente, la UF CAS es la encargada de manejar la tarjeta de adquisición de datos
para generar la señal física que va directo a los actuadores de la máquina herramienta.
Acondicionamiento Mecánico
La filosofía del CNU propone que es posible la automatización de una máquina-
herramienta convencional mediante la adición de componentes como: sistemas
actuadores, sistemas sensores, dispositivos mecánicos y una computadora personal
con el software de control del CNU integrado y la inserción de tarjetas de adquisición
de datos y de red.
En la figura 3.1 se muestra el concepto de implementación manejado para el CNU,
lo que se plantea es que dependiendo de las necesidades y el capital económico
destinado para la inversión por parte del usuario, este pueda configurar su kit de
24
automatización con los actuadores, sensores, mecanismos, tarjetas electrónicas, etc.
Que estén al alcance de su presupuesto y satisfacción de sus necesidades.
Figura 3. 1 Reconversión de un torno convencional. (Design Methodology for CNC Applications, 2003).
A continuación se muestran proyectos realizados anteriormente de reconversión de
tornos convencionales a CNC. Los cuales son:
Torno Manual marca Monarch Machine Tool 10EF.
Torno EMCO Compact 5 PC.
Máquina Multipurpose Machine 14109.
3.2.2 Automatización de torno manual marca Monarch Machine Tool 10EF. (Ramírez
Cadena, 2007)
Este torno fue fabricado en el año 1941, tiene una distancia entre centros de 20” y de
volteo de 12.5” se observa en la figura 3.2, donde se visualizan montados algunos
sensores y actuadores igualmente es mostrado un esquema general del proceso que
se siguió para la automatización.
25
Como el diagrama de la figura 3.3 lo muestra primeramente se desactivaron los
elementos de movimiento manual de la máquina-herramienta convencional, como
palancas, poleas, etc. Posteriormente, se realizó el acondicionamiento mecánico de
los tornillos de bolas y cremalleras además realizar el montaje de motores y sensores.
Figura 3. 2 Torno manual marca Monarch Machine Tool 10EF utilizado en la automatización.(Ramírez Cadena,2007).
La segunda parte es la conexión eléctrica y electrónica de componentes así como la
puesta de la alimentación eléctrica. Esta parte abarca la conexión entre la tarjeta de
adquisición de datos y todos los dispositivos electrónicos como los manejadores de
motores, el inversor y el circuito de punto cero entre otros.
3.2.3 Restauración de torno EMCO Compact 5 PC. (Chaides Oscar, 2011).
La figura 3.4 presenta la configuración espacial de los ejes del torno a restaurar en el
manual del fabricante.
A continuación se enlistan y explican las etapas del torno a restaurar.
Pc: Computadora personal Linux ejecutando el EMC, Señales de control en forma de
pulsos que son generadas en la Pc y trasmitidos utilizando el puerto paralelo.
26
Tarjeta de aislamiento: L a finalidad de la tarjeta de aislamiento es proteger de posibles
cortocircuitos a la PC, la tarjeta separa la fuente de voltaje de la etapa de control de la
potencia que opera los motores.
Figura 3. 3 Representación del diagrama de flujo para la automatización del torno (Ramírez Cadena 2007).
Etapa de potencia del husillo: Etapa conformada por un controlador de potencia de ancho
de pulso PWM utilizando un MOSFER de canal N para controlar la velocidad de giro.
27
Figura 3. 4 Configuración de los ejes móviles del torno. (Operating Instruction EMCO Compact, 1990).
Etapa de potencia a motores de paso: Etapa constituida por controladores comerciales
para motores bipolares de pasos. Se seleccionaron controladores de la marca Geckodrive
modelo 203.
Motores a pasos: se utilizaron los motores originales de la maquina los cuales
proporcionan 100 pasos por revolución dando un control de 3.6° por paso, los motores
están acoplados por bandas dentadas y poleas a tornillos de bolas.
El torno con las modificaciones dadas se muestra en la figura 3.5.
Figura 3. 5 Restauración de Torno EMCO Compact PC (Chaides, 2011).
28
3.2.4 Automatización de Máquina Multipurpose Machine 14109.(Ramirez Miguel, 2009).
Los autores mencionan que primeramente se realizó un estudio preliminar de las
características técnicas a automatizar de la maquina manual de torneado, en la figura
10 se muestra la máquina-herramienta a automatizar
Figura 3. 6 Máquina Multipurpose 14109.(Ramírez, 2009).
Basados en las características de la maquina a automatizar se determinó la siguiente
lista de componentes:
-Tornillo de bola del eje X modelo TS1404-400L marca THK.
-Tuerca para tornillo del eje X modelo BTK 1404-3.6ZZ marca THK.
-Tornillo de bola del eje Z modelo TS20052-500L marca THK.
-2 Soportes modelo BF15 marca THK.
-2 Soportes modelo BF12 marca THK.
-2 Motores a pasos modelo KL34H295-43-8B marca KELING.
-2 Drivers para motores con microstepping modelo G2002 marca GECKO.
- Tarjeta de adquisición de datos modelo 626 marca SENSORAY.
29
- Torreta para intercambio automático de herramientas con 3 posiciones modelo
compact5 marca EMCO.
-Circuiteria digital, relevadores analógicos y digitales, cables, regletas, clemas,
tablillas para soldar etc.
En la figura 3.7 Se muestra el torno reconvertido y se pueden visualizar los diferentes
equipamientos que se le han integrado. En estas condiciones este torno recibe el
nombre de CNC Ready, es decir, que está listo para que se le integre un controlador
CNC y su accionamiento sea automático.
Figura 3. 7 Reconversión de torno Multipurporse 14109(Ramírez, 2009).
Por ultimo en la figura 3.8 Se muestra la caja de conexiones terminadas con todos
los montajes eléctricos y electrónicos descritos anteriormente. Incluyendo regletas
para el montaje de dispositivos y tarjetas, tanto como el direccionamiento de los
cables
30
Figura 3. 8 Representación de la caja de conexiones (Ramírez, 2009).
3.3 Descripción del mini torno a Reconvertir.
El mini torno a reconvertir es un UNIMAT 4 de la marca EMCO, el cual fue
proporcionado por el departamento de metal-mecánica (ver figura 3.9), este mini
torno en particular presenta una amplia gama de accesorios como se observa en la
figura 3.10, los cuales pueden ser adquiridos mediante un distribuidor.
Figura 3. 9 Minitorno EMCO UNIMAT 4(EMCO lathes, 2000).
31
Las características técnicas del minitorno UNIMAT 4 son las siguientes:
o Año de fabricación1996.
o Nacionalidad United Kingdom.
o Rango de velocidad 130-4000rpm.
o Motor 220V CA, 95W.
o Altura del centro 1.81" (46 mm).
o Volteo sobre bancada 3.62" (92 mm).
o La distancia entre los centros de 7.9" (200 mm).
o Ancho de barra de 9/32”(10mm).
o Varillas roscadas del carro y bancada en M8-1.0 y M5-0.8 para las manivelas.
o El carro portaherramientas tiene una ranura en T a 12 mm horizontalmente.
Figura 3. 10 Accesorios del minitorno UNIMAT4(EMCO lathes, 2000.
3.4 Tabla de requerimientos.
El presente proyecto que pretende reconvertir un Mini-torno convencional con
tecnología de control numérico, las adaptaciones deben ser diseñadas de tal forma
que, sea seguro, económico y sobre todo funcional. Para ello, se debe seguir ciertas
especificaciones para su buen desarrollo y construcción, las cuales se enlistan de
forma gráfica en una tabla de requerimientos. (Véase tabla 3.1).
32
Tabla 3. 1 Requerimientos necesarios a considerar en la reconversión del Mini-torno.
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
LEÓN
RECONVERSIÓN DE UN
MINITORNO CONVENCIONAL
CON TECNOLOGÍA DE
CONTROL NUMÉRICO
COMPUTARIZADO
CRITERIOS A
CONSIDERAR
Obligatorias (O)
Deseables (D)
No Considerado
(NC)
REQUERIMIENTOS
OBSERVACIONES Y
MODIFICACIONES
Dimensiones
O
Se tiene un minitorno
con dimensiones
aproximadas de
470mm de largo,
220mm de ancho y
130mm de alto.
Se tienen pocas tolerancias
en la fabricación de los
soportes debido al tamaño
del minitorno.
Control
O
Manual y automático
Esto se puede realizar
vinculando motores a pasos
con un software del
mercado, la operación
manual se realizará
mediante el uso de
manivelas.
Material
D
Se elegirá un material
ligero y resistente
El material ideal es el
aluminio, es resistente para
este propósito y más ligero
que el acero.
Seguridad
O
Protección de límites
de carrera y paro.
La protección de límites de
carrera se hará para evitar
que los componentes del
minitorno no se salga de sus
limites o choquen contra el
chuck.
Ensamble
D
Facilidad de
ensamblaje para
posteriores
reparaciones y
limpieza.
Será por medio de
tornillería.
33
3.5 Diseño Preliminar.
La propuesta preliminar para la reconversión del Mini-torno EMCO UNIMAT 4
consiste en que conservar la estructura general, el motor principal y la mayor parte
de las piezas mecánicas posibles, la propuesta general se muestra en la tabla 3.2:
Tabla 3. 2 Sistema a modernizar y propuestas.
SISTEMA ACTUAL PROPUESTA
MOTOR PRINCIPAL 95W 220V CA 60 HZ Conservar el motor principal
DESPLAZAMIENTO Varilla roscada M8-1.0 con terminación a M6-0.8 Construcción de soportes para motor a pasos
EN EL CARRO para el acoplamiento de manivelas, sin balero, NEMA 23 y Construcción de acoplamientos
Con una longitud total de 105mm. a motor a pasos y a manivela.
DESPLAZAMIENTO Varilla roscada M8-1.0 con terminación a M6-0.8 Construcción de soportes para motor a pasos
SOBRE LA
BANCADA para el acoplamiento de manivelas, sin balero NEMA 23 y Construcción de acoplamientos
con una longitud total de 347mm a motor a pasos y a manivela.
CONTRAPUNTO Broquero de 1/4" con una altura de 46mm Eliminación por falta de espacio en la bancada
Apartir de tener la propuesta y saber las modificaciones pertinentes para modernizar
los sistemas, se elaboró una digitalización del monitorno, asi mismo se diseñaron
soportes y sistemas para poder operar dicho minitorno de forma manual como se
observa en la figura 3.11.
A continuación se describirá la propuesta de sistema de desplazamiento para el eje z
y x. (El intercambiador de herramientas será diseñado por otra compañera que
colaborará en el proyecto por lo que no se incluirá en este reporte).
34
Figura 3. 11 Propuesta preliminar de automatización del Mini-torno UNIMAT 4.
3.5.1 Sistema desplazamiento en el eje z (Transversal).
Este sistema de transmisión se muestra en la figura 16 y consiste en:
1. Un soporte para el motor NEMA 23.
2. Dos poleas dentadas de 20mm de diámetro.
3. Una manivela.
4. Un tornillo sin fin.
Figura 3. 12 Representación de sistema de transmisión en el eje z a modificar.
35
La parte mecánica a modificar será el tornillo sin fin de 8mm, la opción más viable
seria el adquirir husillos de bolas de 8 mm, o sustituir los tornillos sin fin por unos
de mayor longitud, posteriormente maquinar y roscar el extremo de la manivela.
En este caso, se realizarán acoplamientos para extender la longitud de los tornillos
sin fin, con el fin de poder acoplar las poleas, las cuales so de un mayor grosor que
la manivela.
Del mismo modo se fabricará un acoplamiento del eje del motor a pasos a una rosca
M5-0.80 con el fin de acoplar la manivela ya incluida en el mini-torno.
3.5.2 Sistema desplazamiento en el eje x (Longitudinal).
Este sistema de transmisión corresponde al de la figura 3.13, el cual consiste en:
1. Un soporte para el motor NEMA 23.
2. Dos poleas dentadas de 20mm de diámetro.
3. Una manivela.
En este sistema, se pretende acoplar un soporte para el motor sobre el carro del Mini-
torno, para ello se debe considerar las dimensiones del intercambiador de
herramientas para no interferir en el movimiento del mismo.
El tornillo sinfín tiene la longitud necesaria para poder colocar una polea, de igual
forma la manivela se conservará pero se deberá fabricar un acoplamiento similar al
del motor a pasos del eje Z.
36
Figura 3. 13 Representación del sistema de transmisión en el eje x a modificar.
3.6 Determinación teórica de fuerza y potencia de corte.
Aunque el coste de la potencia consumida en una operación de mecanizado no es un
factor económico importante habitualmente, es necesario su conocimiento para ser
capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para realizar la operación debido
a las limitaciones impuestas por la máquina disponible.
Importancia de determinar las fuerzas y potencia de corte desde el aspecto de la
fabricación de elementos es la siguiente:
La capacidad de estimar la potencia de una operación es importante sobre todo en
las operaciones de desbaste ya que lo que interesa es realizar la operación en el menor
tiempo y en el menor número de pasadas posible.
37
Por otra parte, las fuerzas de corte también intervienen en fenómenos como el
calentamiento de la pieza y la herramienta, el desgaste de la herramienta, la calidad
superficial y dimensional de la pieza, el diseño del amarre y utillajes necesarios, etc.
La importancia de determinar las fuerzas y potencia de corte en el aspecto de diseño
de maquinaria serían:
1. Estimación del tamaño del motor que deberá utilizar las máquinas-herramienta nuevas.
2. Determinación de los límites de la cantidad de material removido por unidad de tiempo
en las máquinas-herramienta usadas en producción.
3. Obtención de información requerida para el diseño de herramentales, dispositivos de
sujeción de piezas y elementos de las máquinas-herramienta.
Fuerza de corte.
La interacción entre la herramienta, la viruta y la pieza, se traduce en una serie de
presiones sobre la superficie de la herramienta. Este sistema de fuerzas y presiones
se puede reducir a una fuerza resultante F.
El momento resultante se puede despreciar ya que el área sobre el que se aplica la
fuerza es muy pequeña. Una primera descomposición de esta fuerza es en dos
direcciones ortogonales, una en la dirección de la velocidad de corte que será la
fuerza de corte Fc, y la otra en la dirección perpendicular a la velocidad de corte que
será la fuerza de empuje Ft. De las dos fuerzas, la única que consume potencia es Fc,
siendo la función de Ft la de mantener la posición del filo de la herramienta en el
plano el filo Ps. (Ver figura 3.14).
38
Figura 3. 14 Representación de las fuerzas en el torneado (Manufactura, Ingenieria y Tecnología, 2002).
Potencia de corte.
La potencia de corte se resume como el producto de la fuerza de corte por la
velocidad de corte. Esta potencia se disipa principalmente en la zona de cizallamiento
(por la energía necesaria para cortar el material) y en la cara de ataque de la
herramienta (por la friccione entre la interface herramienta-viruta).
3.6.1 EL CORTE ORTOGONAL Y OBLICUO.
Como base de la relación angular entre el vector de velocidad de corte y el filo
cortante de la herramienta, los diferentes procesos de corte pueden ser clasificados
en dos categorías: el corte ortogonal y el corte oblicuo. En el corte ortogonal el filo
cortante de la herramienta es perpendicular a la dirección de velocidad cortante. En
el corte oblicuo, el ángulo entre el filo cortante y el vector de velocidad cortante es
diferente de 90º. Estos dos casos son ilustrados en la figura 3.15, de hecho el corte
ortogonal es un caso particular del corte oblicuo.
39
Figura 3. 15 Corte Ortogonal y Corte Oblicuo.
Corte Ortogonal
A continuación se dará una explicación del corte ortogonal y posteriormente del
corte oblicuo. Durante el proceso de corte, el material de trabajo, delante de la punta
de la herramienta, sufre deformación plástica y después de resbalar en la cara de
ataque de la herramienta forma la viruta. La zona de deformación plástica está entre
la viruta y el material no deformado, el tamaño de esta zona varía de acuerdo a las
condiciones de corte. A velocidades de corte, relativamente bajas, la zona es larga,
mientras que a altas velocidades su tamaño se reduce y se aproxima al plano cortante.
Hoy en día no hay ningún análisis específico que pueda tomar en cuenta todas estas
variaciones, sin embargo existen soluciones que toman la zona de deformación tan
larga o pequeña como un plano cortante delgado.
En esta zona, los modelos, asumen que el material de trabajo se corta a través de un
plano y forma la viruta, a este plano se le llama plano de corte y el ángulo que hace
con el vector de la velocidad de corte es llamado ángulo del plano de corte.
Determinación Del Ángulo Del Plano De Corte O Ángulo De Cizallamiento En
Corte Octogonal.
40
El ángulo del plano cortante es el ángulo entre el vector de la velocidad de corte y el
plano en el cual el material de trabajo sufre una deformación cortante y forma la
viruta. En la figura 3.16 este ángulo se representa como φ. Puesto que el flujo del
material es continuo, la viruta del material viene de la pieza de trabajo. También en
la deformación plástica existe un cambio insignificante en el volumen del material
de trabajo y de aquí se puede escribir en base a un factor conocido como factor de
recalcado (ζ) o razón del espesor de la viruta y se denota:
ζ =Lv
Lm (3.1)
En donde:
Lv: Es la longitud de la viruta formada.
Lm: Es la longitud del material sobrante
Y con esta relación se puede obtener la magnitud del ángulo de corte de la siguiente
manera:
𝑡𝑔∅ = ζ∗cos γ
1−ζ∗sin γ (3.2)
En donde:
γ es el ángulo de ataque determinado por la herramienta.
41
Si aumenta la tenacidad de el material de trabajo la relación de espesor de viruta
aumentará, mientras que si la calidad de la herramienta aumenta esta relación
decrecerá y por último si ζ disminuye las velocidad de salida de la viruta aumentará.
Figura 3. 16 Ángulo de plano de corte o ángulo de cizallamiento.
Componentes De La Fuerza Cortante En El Corte Ortogonal
Los diferentes componentes de la resultante de la fuerza de corte R son mostradas en
la figura 3.17. Esta muestra que R puede ser resuelta en dos componentes
ortogonales. De acuerdo a las direcciones escogidas estas componentes pueden ser:
1) Fh= la fuerza de componentes paralela al vector de velocidad de corte.
Fv= La fuerza de la componente normal a Fh.
2) Fs= La fuerza de la componente paralela al plano de corte.
Fp= La fuerza de la componente normal a Fs.
3) Ft= La fuerza de la componente paralela a la cara de ataque de la herramienta.
42
Fs= La fuerza de la componente normal a Ft.
Figura 3. 17 Componentes de la fuerza cortante en el corte ortogonal.
Es posible conocer R se sabe al menos uno de estos pares de componentes o alguna
componente y su relación angular con R.
Corte Oblicuo.
Muchos de los procesos de cortes son un ejemplo de corte oblicuo. El análisis del
corte oblicuo es mucho más complicado que el del corte ortogonal.
En el corte ortogonal la viruta fluye en el sentido de la normal del filo de corte, sin
embargo en el corte oblicuo la viruta fluye entre la normal del filo de corte y el vector
de velocidad de la viruta. Esto es un punto importante en el corte oblicuo y de aquí
su determinación. Muchos métodos han sido utilizados para determinar el ángulo de
flujo de la viruta en el corte oblicuo y a continuación se describen brevemente:
o A través de observar la dirección del rayado producido en la herramienta en la
cara de ataque antes de cortar.
43
o A través de tomar fotografías del proceso de corte y después analizar las fotos.
o A través de analizar la deformación de la viruta, este método es simple y
exacto.
o A través de analizar las fuerzas de corte. Este método está basado en el hecho
que una componente cortante en la cara de ataque debe estar en dirección a la
del flujo de la viruta.
El corte oblicuo depende de:
o El ángulo de ataque en la cara de la herramienta.
o El ángulo de oblicuidad.
Un cambio en cualquiera de estos ángulos cambia las condiciones del proceso,
incluyendo las fuerzas de corte.
En el corte oblicuo, el filo de la viruta sobre la cara de ataque de la herramienta no
es normal al filo de corte pero si es un poco inclinado a el. La inclinación es hacia
ese lado de la normal en la cual la viruta sufre una resistencia menor y un ángulo de
ataque mayor. De cualquier manera, en el corte oblicuo el ángulo de ataque puede
ser medido en más de un plano de aquí que existen más ángulo de ataque: ángulo de
ataque normal, ángulo de ataque de velocidad, y ángulo de ataque efectivo.
• Ángulo de ataque normal, conocido también como el ángulo de ataque primario,
es el ángulo entre la cara de ataque y la línea perpendicular al vector de velocidad
de corte en un plano normal al filo de la herramienta de corte.
• Ángulo de ataque de velocidad (αv); este es el ángulo que está entre la cara
de ataque y la línea perpendicular al vector de velocidad en el plano paralelo a
la velocidad do corte y normal a la superficie maquinada.
• Ángulo de ataque efectivo (αe): este es el ángulo entre la cara de ataque y una
línea normal a la velocidad de corte medida en un plano conteniendo el vector de
velocidad de corte y el vector del flujo de la velocidad de la viruta.
44
Los factores de corte en el corte oblicuo son diferentes a las del corte ortogonal
porque en este caso nosotros no podemos tomar que el espesor de la viruta de
corte es igual al espesor de la viruta que no esta cortada, tal y como se muestra en
la figura 3.18.
El ángulo de corte en el corte oblicuo es formado por dos líneas (el vector de la
velocidad de la fuerza cortante y el filo cortante). Como es el caso del ángulo de
ataque, el ángulo del plano de corte puede ser medido en muchos diferentes planos
Figura 3. 18 Factores de corte en el corte oblicuo.
. Del diagrama de velocidad nosotros podemos obtener que el ángulo cortante de la
siguiente manera:
45
𝑡𝑎𝑛 𝜑 = 𝑉𝑐
𝑣𝑐𝑜𝑠 𝛼𝑒
1−𝑉𝑐
𝑣𝑠𝑖𝑛 𝛼𝑒
(3.3)
Por su parte el ángulo de corte normal también puede ser medido en un plano normal
al filo de corte. La expresión que se obtiene es similar a la del corte ortogonal:
𝑡𝑎𝑛 𝜑 = 𝑡
𝑡𝑐𝑐𝑜𝑠 𝛼𝑛
1−𝑡
𝑡𝑐𝑠𝑖𝑛 𝛼𝑛
(3.4)
3.6.2 Cálculo de fuerzas y potencia de corte.
Para el mini-torno adquirido, fue necesario calcular las fuerzas y potencia de corte,
como ya se había descrito en la sección anterior, la fuerza de corte corresponde a la
fuerza tangencial debido a que la fuerza radial y resultante son de magnitudes muy
pequeñas, en nuestro caso pueden ser despreciables, se calculará esto con el fin de
conocer nuestras limitaciones, se eligieron tres materiales de uso común, los cuales
son el acero(1018), aluminio(6061) y un plástico de ingeniería(Nylamid M).Estos
materiales fueron elegidos de acuerdo a sus características y diferencias entre las
propiedades de cada uno.
El sistema de fuerzas que intervienen en un proceso tridimensional de corte en el
torneado consta de tres componentes como se puede observar en la figura 3.
1.- Fc, fuerza de corte primaria, actuante en la dirección del vector velocidad de
corte. Esta fuerza es la mayor y responde al 99 % de la potencia requerida en el
proceso.
2.- Ff , o Ft , Fuerza de avance, actuante en dirección del avance de la herramienta.
Esta acostumbra a ser el 50% de Fc, pero responde sólo a un pequeño porcentaje de
46
la potencia necesaria ya que las velocidades de avance suelen ser pequeñas a
comparación de las de corte.
3.- Fr , fuerza radial, perpendicular a la superficie mecanizada. Es del 50% de Ff y
contribuye muy poco a las necesidades de potencia.
Figura 3. 19 Componentes de fuerza de corte en un proceso tridimensional.
Para determinar las fuerzas y potencia de corte, fue necesario una investigación
previa para ampliar el panorama de este tema, habiendo muchas fuentes de
información, los cálculos se centraron en cinco autores reconocidos, realizando
pruebas para cada material, mismo avance, misma velocidad y misma profundidad
de corte con cada uno de los autores.
47
Esto con el fin de saber las similitudes entre cada autor, saber que los cálculos fueron
hechos correctamente, saber que de diferentes maneras se puede tener el mismo
resultado o similar.
Los autores citados son: Herman Pollack, John A. Shey, Tschatsch Heinz, Serope
Kalpakjian, Isakov, Astudillo Jimenez Fidel, las fórmulas y cálculos se presentarán
en el siguiente apartado dividido por autor.
Primeramente hay que seleccionar las condiciones de corte para determinar los
valores de fuerza y potencia de corte.
3.6.3 Selección de las condiciones de corte.
Para el establecimiento de las condiciones de corte, es elegir la profundidad de corte.
La profundidad de corte estará limitada por la cantidad de metal a remover de la
pieza de trabajo, por la potencia disponible en la máquina herramienta, por la rigidez
de la pieza de trabajo y la herramienta de corte, y por la rigidez del montaje. La
profundidad de corte es la que tiene menor efecto en la vida de la herramienta, por
lo que se deberá emplear la mayor profundidad de corte posible.
Posteriormente se selecciona el avance (avance/rev para torneado). La potencia
disponible debe ser suficiente para hacer la profundidad de corte requerida al avance
seleccionado. Se debe elegir el máximo avance posible que produzca un acabado
superficial aceptable.
Por último se selecciona la velocidad de corte. Aunque las tablas adjuntas
proporcionan las velocidades de corte y el avance recomendados para muchos
materiales, la experiencia n el maquinado de un cierto material puede ser la mejor
base para ajustar las velocidades de corte dadas a un trabajo particular. Sin embargo,
48
por lo general, se debe seleccionar primero la profundidad de corte, seguida del
avance y finalmente la velocidad de corte.
Avance de corte:
En base al consejo de un tornero con 10 años de experiencia, se consideró un avance
de corte de 0.020 in/rev para los tres materiales con que se realizaran las pruebas,
los cuales son:
o Acero 1018.
o Aluminio.
o Nylamid tipo M.
Velocidad de corte
A continuación se presentan las velocidades de corte para cada material así como las
fuentes de donde fueron consultados sus valores.
1) Acero 1018 (Acero medio bajo carbono).
De tabla 2. Página 363. Versión abreviada del Machinery´s Handbook.
El fabricante proporciona la dureza del material (Dureza 126 HB (71 HRb)), la cual
se considera para la selección de la velocidad de corte en la Tabla 2.
Considerando lo anterior la velocidad de corte seleccionada para tornear Acero 1018
es:
Vc = 120 ft/min
2) Aluminio
De la Tabla 6. Página 368. Versión abreviada del Machinery´s Handbook. De la
sección de “Todas las aleaciones de aluminio forjadas”
Vc = 600 ft/min
49
NOTA: Debido a que se desconoce con certeza el tipo de aluminio que adquiere el
Instituto Tecnológico de León no fue posible determinar si es una aleación forjada o
fundida a presión, pero se seleccionó la velocidad de aleación forjada pues es la que
es más parecida a la que se propone el Pollack de 700ft/min)
3) Nylamid tipo M.
Debido a que la velocidad de corte para Nylon tipo M, no aparece en las tablas de la
Versión abreviada del Machinery´s Handbook, se consultó éste dato en la página de
internet del proveedor (La Paloma), el cual proporciona parámetros de corte
aplicables para todos los tipos de Nylomaq que comercializa. Así pues la velocidad
de corte recomendada es;
Vc = 328 – 590 ft/min Vc promedio = 459 ft/min.
En resumen, las velocidades de corte a considerar para cada materia se muestran en
la tabla 3.4.
Tabla 3. 3 Velocidades de corte para cada material
Material Velocidad de corte (ft/s) Velocidad de corte (m/s)
Acero 1018 120 36.57
Aluminio 6160 600 182
Nylamid tipo M 459 139.9
En la tabla 3.5 se observa la simbología y nomenclatura utilizada para calcular la fuerza y
potencia de corte por los siguientes autores:
Herman Pollack.
50
John A. Shey.
Tschatsch Heinz.
Serope Kalpakjian.
Edmund Isakov.
Astudillo Jimenez Fidel.
Tabla 3. 4 Simbología y nomenclatura utilizada
Variable Descripción Unidades
N Velocidad de giro rev/min, rpm o min-1
Cs Velocidad de corte pie/min, m/min, m/s
mm/s
D Diámetro de la pieza sin maquinar Pulgadas
A, S Área de viruta Pulgadas cuadradas,
mm2
H Profundidad de corte Pulgadas
F avance de corte Pulgadas/rev, mm/rev
Fc Fuerza de corte N
K Constante para el material en el torneado
E Energía de corte especifica ajustada 𝑊. 𝑠
𝑚𝑚3
E1 Energía de corte especifica 𝑊.𝑠
𝑚𝑚3 ℎ𝑝∗𝑚𝑖𝑛
𝑖𝑛3
A constante
Vt Taza de remoción de material mm3/s
Ia Ancho de Viruta mm
H Espesor de corte Mm, Pul
Κ
Ángulo entre plano de trabajo y plano de filo de corte (Ángulo de
ataque)
Grados
A Área transversal de viruta 𝑚𝑚2
Ap Profundidad de corte mm
Kγ Coeficiente de corrección
Kv Coeficiente de diámetro
Kst Coeficiente de cilindrado
Kver Coeficiente de desgaste de herramienta
𝑲𝒄𝟏,𝟏 Fuerza especifica de corte 𝑁
𝑚𝑚2
Kc Constante de Fuerza de corte 𝑁
𝑚𝑚2
Ks Constante de Fuerza específica de corte Kg/mm2
Kp Constante de potencia ajustada 𝑘𝑊. 𝑚𝑖𝑛
𝑐𝑚3
Kp´ Constante de potencia 𝑘𝑊. 𝑚𝑖𝑛
𝑐𝑚3
Z Constante
51
D Diámetro de la pieza sin corte mm
MRR Índice de remoción de material 𝑝𝑢𝑙3
𝑚𝑖𝑛
Davg Diametro promedio Pul
F Avance de corte Pul/rev, mm/rev
Ft Fuerza Tangencial Newtons
Do Diametro inicial Pul
Df Diametro final pul
Pteórica Potencia teórica de corte HP
P Potencia de corte HP, W, kW
P total Potencia total de corte HP, W, kW
Pteórica Potencia teórica de corte HP, W, Kw.
Η Eficiencia
3.6.4 Cálculos de fuerza y potencia de corte con Pollack:
De acuerdo a Herman Pollack en su libro “Maquinas, herramientas y manejo de
materiales”, se puede calcular la fuerza y potencia de corte mediante las siguientes
fórmulas, posteriormente se muestra el ejemplo propuesto. La simbología de dichas
formulas se muestran en la tabla 3.5.
N= 12 𝐶𝑠
𝜋 𝐷 (3.5)
A= d.f (3.6)
Fc=k.A (3.7)
Potencia Teórica.
P=k.d.f.Cs (3.8)
P=F.Cs (3.9)
Ptotal=𝑃𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (310)
Condiciones de corte del problema propuesto:
Acero 1018
Vc = 31.92 m/min = 0.532 m/s = 104.72 ft/min
52
N = 200rpm
f = 0.012 in/rev = 0.3mm/rev
Do = 2in = 50.8mm
η = 70%
d = 0.006 in
Pc = ?
Fc = ?
Para calcular la Potencia se sustituyen los valores en la ecuación 3.10.
Ptotal = (𝟖)(𝟎.𝟎𝟎𝟔 𝐢𝐧)(𝟎.𝟎𝟏𝟐 𝐢𝐧/𝐫𝐞𝐯)(𝟏𝟎𝟒.𝟕𝟐 𝐟𝐭/𝐦𝐢𝐧 )
(𝟎.𝟕)
P total = 0.086 Hp
P total = 64.28 watts
Despejando para fuerza de corte y sustituyendo los valores:
Pc = 𝑭𝒄∗𝑪𝒔
𝜼 ; Fc =
𝑷𝒄∗ 𝜼
𝑪𝒔
Fc = (64.28 𝑊𝑎𝑡𝑡)(0.7)
(0.532 𝑚/𝑠)
Fc = 84.57 N
Fc = 8.6 Kgf
53
Figura 3. 20 Valores de la constante del material “k” de acuerdo a Pollack(1982). K=8.
3.6.4 Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Shey (2002):
De acuerdo a John A. Shey (2002) en su libro “Procesos de manufactura”, se puede
calcular la fuerza y potencia de corte mediante las siguientes fórmulas,
posteriormente se muestra el ejemplo propuesto, en la tabla 3.5 se observa la
simbología y unidades utilizadas.
E = E1 (h
href)
−a (3.11)
Vt = (h*Ia). Cs (3.12)
Vt = A* Cs (3.13)
P = E Vt
η (3.14)
54
Fc = Pη
V (3.15)
Condiciones de corte del problema propuesto:
Acero 1018
Vc = 31.92 m/min = 0.532 m/s
N = 200rpm
f = 0.012 in/rev = 0.3mm/rev
Do = 2in = 50.8mm
η = 70%
d = 0.006 in = 0.151mm
Pc = ?
Fc = ?
Considerando un ángulo de ataque de 90°, el avance es igual al grosor de viruta, así
como el ancho de viruta es igual a la profundidad de corte.
De esta manera;
h = f = 0.3 mm/ rev
Ia = d = 0.151 mm
Considerando una dureza HB 126 de acuerdo a la figura 3.21 y sustituyendo en
fórmula 3.11.
E1 = 2.1 𝑊∗𝑠
𝑚𝑚3
55
Calculando la energía específica ajustada
E = E1 (𝒉
𝒉𝒓𝒆𝒇)
−𝒂
E = (2.1𝑊∗𝑠
𝑚𝑚3) (𝟎.𝟑𝒎𝒎
𝟏𝒎𝒎)
−𝟎.𝟑
Figura 3. 21 Representación de los requerimientos aproximados para la energía especifica de corte.
56
E = 3.01 𝑊∗𝑠
𝑚𝑚3
Para calcular la taza de remoción de material
Vt = A* Cs
Vt = (h*Ia). Cs
Vt = (0.3mm*0.151mm)(532 mm/s)
Vt = 24 𝒎𝒎𝟑
𝒔
Sustituyendo los valores propuestos para la potencia de corte:
P = 𝑬 𝑽𝒕
𝜼
P = (𝟑.𝟎𝟏)(𝟐𝟒)
𝟎.𝟕
P = 103.4 Watts
P = 0.138 Hp
Sustituyendo los valores propuestos para la fuerza de corte:
Fc = 𝑷𝜼
𝑽
Fc = (103.2 𝑊)(0.7)
0.532 𝑚/𝑠
Fc = 135.7 N
Fc = 13.84 Kgf
NOTA: La potencia calculada se ve afectada puesto que en la tabla generaliza una
energía específica de corte general para todos los aceros, por lo que posiblemente
exagera el valor para que sea suficiente para cortar cualquier tupo de acero.
57
3.6.5. Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Heinz.
De acuerdo a Tschatsch Heinz(2008) en su libro “Applied machining Technology”, se puede
calcular la fuerza y potencia de corte mediante las siguientes fórmulas, posteriormente se
muestra el ejemplo propuesto, la tabla de simbología y unidades utilizadas se muestran en la
tabla 3.5
h = f* Sen ϰ (3.16)
A = ap * f (3.17)
Kγ = 1 - 𝛾𝑡𝑎𝑡− 𝛾𝑜
100 (3.18)
Kv = 1.15 Para Vc = 30 – 50 m/min
Kst = 1.0 Para torneado externo.
Kver = 1.3 Factor de desgaste de herramienta.
Fuerza específica de corte:
Kc = (1𝑚𝑚)𝑧
ℎ𝑧 ∗ 𝐾𝑐1,1 ∗ 𝐾𝛾 ∗ 𝐾𝑣 ∗ 𝐾𝑠𝑡 ∗ 𝐾𝑣𝑒𝑟 (3.19)
Fc = A* Kc (3.20)
P = 𝐹𝑐∗ 𝑉𝑐
(60𝑠
𝑚𝑖𝑛)(
1000𝑊
1𝑘𝑊)𝜂
(3.21)
Condiciones de corte del problema propuesto:
Acero 1018
Vc = 31.92 m/min = 0.532 m/s
N = 200rpm
Angulo de ataque ϰ = 90°
Agulo γ = 10°
Ángulo α = 6°
h = f = 0.012 in/rev = 0.3mm/rev
58
Do = 2in = 50.8mm
η = 70%
ap = d = 0.006 in = 0.151mm
Pc = ?
Fc = ?
Área d la viruta
A = ap * f
A = (0.151mm)(0.3mm) = 0.0453 𝒎𝒎𝟐
Calculando coeficientes de corrección:
Kγ = 1 - 𝜸𝒕𝒂𝒕− 𝜸𝒐
𝟏𝟎𝟎
Kγ = 1 - 10− 6
100 = 0.96
Kv = 1.15 Para Vc = 30 – 50 m/min
Kst = 1.0 Para torneado externo.
Kver = 1.3 Factor de desgaste de herramienta
Fuerza específica de corte.
Kc = (𝟏𝒎𝒎)𝒛
𝒉𝒛 ∗ 𝑲𝒄𝟏,𝟏 ∗ 𝑲𝜸 ∗ 𝑲𝒗 ∗ 𝑲𝒔𝒕 ∗ 𝑲𝒗𝒆𝒓
Z y 𝐾𝑐1,1 se obtienen de laTabla 3.5.
Debido a que el acero 1018 no aparece en dicha tabla, se utilizaron los valores
correspondientes a un acero de características mecánicas similares, según la tabla A-
1 de equivalencia internacional entre Normas de aceros del Apéndice A.
El material equivalente al 1018 de la norma AISI corresponde al acero S275 de la
norma EN 10025:2004 y en la norma ASTM al acero A36.
59
Tabla 3. 5 Fuerzas específicas de corte, localización de los factores Z y K_(c1,1)
S275JR
El S275JR se emplea para piezas de resistencia media, buena tenacidad y un fácil
conformado (curvado, plegado, etc). Es soldable y se utiliza básicamente para
elementos de máquinas que exijan poca responsabilidad.
ACERO AISI-SAE 1018 (UNS G10180)
Este acero de bajo - medio carbono tiene buena soldabilidad y ligeramente mejor
maquinabilidad que los aceros con grados menores de carbono. Se presenta en
condición de calibrado (acabado en frío). Debido a su alta tenacidad y baja
resistencia mecánica es adecuado para componentes de maquinaria
60
Así pues, se toman de la tabla los siguientes valores.
Kc1,1 = 1780 N/𝒎𝒎𝟐
Z = 0.17
Sustituyendo valores
Kc = (𝟏𝒎𝒎)𝒛
𝒉𝒛∗ 𝑲𝒄𝟏,𝟏 ∗ 𝑲𝜸 ∗ 𝑲𝒗 ∗ 𝑲𝒔𝒕 ∗ 𝑲𝒗𝒆𝒓
Kc = (𝟏𝒎𝒎)𝟎.𝟏𝟕
(𝟎.𝟑)𝟎.𝟏𝟕∗ (𝟏𝟕𝟎 𝐍/𝒎𝒎𝟐)(𝟎. 𝟗𝟔)(𝟏. 𝟏𝟓)(𝟏)(𝟏. 𝟑)
Kc =3,134.89 𝐍/𝒎𝒎𝟐
Fc = A* Kc
Fc = (0.0453 𝑚𝑚2)(3,134.89 N/𝑚𝑚2)
Fc = 142 N
Fc = 14.47 Kgf
Sustituyendo los valores propuestos para la potencia de corte:
P = 𝑭𝒄∗ 𝑽𝒄
(𝟔𝟎𝒔
𝒎𝒊𝒏)(
𝟏𝟎𝟎𝟎𝑾
𝟏𝒌𝑾)𝜼
P = (𝟏𝟒𝟐 𝑵)(𝟑𝟏.𝟗𝟐 𝒎/𝒎𝒊𝒏)
(𝟔𝟎𝒔
𝒎𝒊𝒏)(
𝟏𝟎𝟎𝟎𝑾
𝟏𝒌𝑾)𝟎.𝟕
P = 0.075 kW
P = 75Watts
P = 0.101 Hp
3.6.6. Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Kalpakjian.
De acuerdo a Serope Kalpakjian(2002) en su libro “Manufactura, ingeniería y
tecnología” se puede calcular la fuerza y potencia de corte mediante las siguientes
61
fórmulas, posteriormente se muestra el ejemplo propuesto, en la tabla 3.2 se muestra
la simbología y unidades utilizadas para dicho cálculo.
MRR = π Davg d f N (3.22)
Davg = 𝑫𝒐+ 𝑫𝒇
𝟐 (3.23)
Pc = 𝑴𝑹𝑹∗𝑬
𝜼 (3.24)
Fc = 𝑷𝒄∗ 𝜼
𝑽𝒄 (3.25)
Condiciones de corte para el problema propuesto.
Acero 1018
Vc = 31.92 m/min = 0.532 m/s
N = 200rpm
f = 0.012 in/rev = 0.3mm/rev
Do = 2in = 50.8mm
η = 70%
d = 0.006 in
Pc = ?
Fc = ?
Calculando el índice de remoción de material.
MRR = π Davg d f N
Diametro pomedio
Davg = 𝑫𝒐+ 𝑫𝒇
𝟐
Df = Do – 2d
62
Df = 2in - 2(0.006in) = 1.988 in
Tenemos que;
MRR = π (𝑫𝒐+ 𝑫𝒇
𝟐) d f N
Así pués;
MRR = π (2𝑖𝑛+ 1.988𝑖𝑛
2) (0.006in)(0.012in/rev)(200 rev/min)
MRR = 0.0902 𝒊𝒏𝟑
𝒎𝒊𝒏
Para calcular la potencia de corte tenemos que;
Pc = 𝑴𝑹𝑹∗𝑬
𝜼
De la tabla 21.2. Página 622.
Energía específica para Aceros. = 2 – 9 𝑊.𝑠
𝑚𝑚3
Seleccionamos E = 2 𝑊.𝑠
𝑚𝑚3
Dividiendo ente constante para cambiar de unidades.
2/2.73 = 0.7326 𝐻𝑝.𝑚𝑖𝑛
𝑖𝑛3 = E
Sustituyendo valores propuestos para la potencia de corte.
Pc = 𝑴𝑹𝑹∗𝑬
𝜼
Pc = (0.0902
𝑖𝑛3
𝑚𝑖𝑛)∗(0.7326
𝐻𝑝.𝑚𝑖𝑛
𝑖𝑛3 )
0.7
Pc =0.094 Hp
Pc = 70.4 Watts
63
Sustituyendo los valores propuestos para la fuerza de corte.
Pc = 𝑭𝒄∗𝑽𝒄
𝜼 ; Fc =
𝑷𝒄∗ 𝜼
𝑽𝒄
Fc = (70.4𝑊𝑎𝑡𝑡)(0.7)
(0.532 𝑚/𝑠)
Fc = 92.63N
Fc = 9.44 Kgf
3.6.7 Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Edmund Isakov.
De acuerdo a Edmund Isakov(1998) en su libro “Manufacturing” se puede calcular
la fuerza y potencia de corte mediante las siguientes fórmulas, posteriormente se
muestra el ejemplo propuesto, en la tabla 3.5 se muestra la simbología y unidades
utilizadas para dicho cálculo.
Ft = 60,000 * d*f*Kp (3.26)
Kp = C Kp´ (3.27)
Pc = 𝐹𝑡 𝑉𝑐
60,000 𝜂 (3.28)
Condiciones de corte
Acero 1018
Vc = 31.92 m/min = 0.532 m/s
N = 200rpm
f = 0.012 in/rev = 0.3mm/rev
Do = 2in = 50.8mm
η = 70%
d = 0.006 in
Pc = ?
Fc = ?
64
Solución;
Para calcular la fuerza tangencial de corte tenemos que;
Ft = 60,000 * d*f*Kp
Kp se consulta en tabla 3.3 y se calcula así;
Kp = C Kp´
Kp´= 0.0314 𝒌𝑾∗𝒎𝒊𝒏
𝒄𝒎𝟑
Sustituyendo valores
Ft = 60,000 (0.151mm)(0.3mm/rev)(0.0314 𝒌𝑾∗𝒎𝒊𝒏
𝒄𝒎𝟑 )
Ft = 85.34 N
Ft = 8.69 Kgf
Pc = 𝑭𝒕 𝑽𝒄
𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎 𝜼
Pc = (𝟖𝟓.𝟑𝟒 𝑵)(𝟑𝟏.𝟗𝟐 𝒎/𝒎𝒊𝒏)
𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎 (𝟎.𝟕)
Pc = 0.06485 kW
Pc = 64.85 Watts
Pc = 0.086 Hp
3.6.9 Fórmulas de fuerza y potencia de corte con Astudillo Jimenez Fidel.
De acuerdo a Astudillo Jimenez Fidel(1991) en su libro “Maquinas herramientas:
organización y sistemas” se puede calcular la fuerza y potencia de corte mediante
las siguientes fórmulas, posteriormente se muestra el ejemplo propuesto, en la tabla
3.2 se muestra la simbología y unidades utilizadas para dicho cálculo.
65
S= f *d (3.29)
Pc = 𝑲𝒔∗𝑺∗𝑽𝒄
𝟔𝟎∗𝟕𝟓∗𝟏.𝟑𝟔∗𝜼 (3.30)
Fc = 𝑷 𝜼
𝑽𝒄 (3.31)
Condiciones de corte
Acero 1018
Vc = 31.92 m/min = 0.532 m/s
N = 200rpm
f = 0.012 in/rev = 0.3mm/rev
Do = 2in = 50.8mm
η = 70%
d = 0.006 in
Pc = ?
Fc = ?
S= f *d
S= (0.3mm)(0.151mm)
S= 0.0453 𝑚𝑚2
Sustituyendo los valores propuestos para la potencia de corte:
Pc = 𝑲𝒔∗𝑺∗𝑽𝒄
𝟔𝟎∗𝟕𝟓∗𝟏.𝟑𝟔∗𝜼
Para el caso del acero 1018 corresponde que;
Ks = 210 Kg / 𝒎𝒎𝟐
66
Pc = (𝟐𝟏𝟎 𝐊𝐠 / 𝒎𝒎𝟐)(𝟎.𝟎𝟒𝟓𝟑 𝒎𝒎𝟐)(𝟑𝟏.𝟗𝟐 𝒎/𝒎𝒊𝒏)
𝟔𝟎∗𝟕𝟓∗𝟏.𝟑𝟔∗𝟎.𝟕
Pc = 0.070 kW
Pc = 70 Watts
Pc = 0.095 Hp
Sustituyendo valores propuestos para la fuerza de corte:
Pc = 𝑭𝒄∗𝑽𝒄
𝜼 ; Fc =
𝑷𝒄∗ 𝜼
𝑽𝒄
Fc = (70 𝑊𝑎𝑡𝑡)(0.7)
(0.532 𝑚/𝑠)
Fc = 92.1 N
Fc = 9.38 Kgf
3.6.9 Resumen de resultados obtenidos con los 5 autores.
Los resultados que arrojaron la aplicación de las ecuaciones de los 5 autores
considerando los parámetros de corte recomendados para el acero 1018 se muestran
en la tabla 3.6.
Al analizar esta tabla se pudieron observar similitudes en los valores obtenidos entre
cuatro autores y considerando que los resultados del Kalpakjian son representativos
y promedio aproximado de los otros autores, se decidió utilizar las ecuaciones de
ese autor para determinar la potencia y fuerza de corte teóricas, como referencia para
proceder a la determinación experimental de las fuerzas y potencia de corte para
tornear los materiales que usaríamos en este proyecto (Nylamid M, Aluminio 6061
y Acero 1018).
67
En esta etapa se consideró a Kalpakjian, los valores de avance y profundidad de corte
se tomaron en base al torno en el que se realizarán las pruebas. El tabla 3.13 se
muestra el avance máximo de corte y profundidad máxima de corte sin variar la
velocidad la cual es 886 rpm, tomando en cuenta que el minitorno UNIMAT 4 puede
entregar máximo 95W.
Tabla 3. 6 Resumen de pruebas con acero 1018 múltiples autores.
Autor Potencia de corte
(Watts)
Fuerza de Corte
(Newtons)
Fuerza de Corte
(kgf)
1 Pollack (1982) 64.28 84.57 8.6
2 Schey (2002) 103.4 135.7 13.84
3 Heinz (2009) 75 142 14.47
4 Kalpakjian (2008) 70.4 92.63 9.44
5 Isakov (2004) 64.85 85.34 8.69
6 Astudillo J. (1983) 70 92.1 9.38
Tabla 3. 7 Resultados con Kalpakjian
Material Profundidad
Maxima de
Corte (in)
Avance
Máximo de
corte(in/min)
Potencia de
corte
(Watts)
Fuerza de
corte (N)
Fuerza de
corte (Kgf)
Acero 1018 0.01 0.003104 93.8437 39.8206 4.0591
Aluminio
6061
0.025 0.006204 93.1364 39.5205 4.0285
Nylamid 0.025 0.0097 109.285 46.3728 4.7270
3.6.10 Diseño de Hoja de cálculo en Excel.
El siguiente paso fue diseñar una hoja de cálculo en Excel basada en las fórmulas de
Kalpakjian para facilitar el cálculo de los rangos de condiciones de corte que
podríamos ajustar en la máquina, limitándose por la potencia útil del Minitorno la
cual se observa en la figura 3.22.
68
A continuación se explica brevemente el funcionamiento de la hoja de cálculo de
Fuerza y Potencia de corte.
1. Datos de entrada.
En esta sección se introduce el diámetro inicial, profundidad de corte, avance,
velocidad, energía específica y la eficiencia de la máquina.
2. Resultados intermedios
En esta sección, no es necesario ingresar los datos, solo es de carácter informativo,
la hoja de cálculo arroja los valores de Diámetro final, Índice de remoción de
material, Energía especifica nueva y la velocidad de corte.
3. Potencia y fuerza de corte.
Esta sección arroja los cálculos realizados en la hoja de Excel de acuerdo a los
valores ingresados en la sección amarilla, se puede observar la Potencia de corte y la
Fuerza de corte.
4. Energía específica.
En esta sección se observa una extracción de datos de las tablas de energía especifica
de corte para cada material del libro” Manufactura, ingeniería y tecnología” en este
caso los valores expresados son los del Acero 1018, Aluminio 6061 y Nylamid tipo
M.
Las fórmulas se sustituyeron en las secciones Rosa y Rojo de la hoja de datos de
Excel, las formulas sustituidas se observan en la sección 3.4.7 Fórmulas de fuerza y
potencia de corte con Kalpakjian, también se puede observar el problema de ejemplo de la
misma sección el cual ayudará a que se comprenda el funcionamiento de la hoja de cálculo.
69
Esta hoja de cálculo en Excel de la fuerza y potencia de corte fue revisada con
problemas resueltos en el libro para confirmar que todas las formulas fueron
ingresadas correctamente.
Figura 3. 22 Hoja de cálculo en Excel para el cálculo de fuerza y potencia de corte.
El uso de esta hoja de cálculo fue de gran ayuda para reducir tiempos de cálculo,
además que a partir de tener los datos en digital, fue más sencillo exportarlos a tablas
para posteriormente analizar su comportamiento, el cual se desarrollará en el capítulo
4 (Determnación experimental de fuerza y potencia de corte).
70
3.6.12 Resultados de los cálculos.
La primera etapa del proyecto consiste en el cálculo de fuerza y potencia de corte
teórica, obtenida mediante la hoja de cálculo mencionada anteriormente. A
continuación se presentarán los resultados obtenidos de los distintos cálculos que se
realizaron.
Se presenta una tabla de Potencia y fuerza de corte para cada uno de los tres
materiales seleccionados (Aluminio 6061, Acero 1018 y Nylamid tipo M) en función
del avance y profundidad de corte, considerando las rpm constantes, tales valores se
calcularon en base al método presentado en el libro de Kalpakjian obteniendo las
tablas 15, 16, 17,18,19 y 20.
En las tablas se encuentran en tres colores rojo, amarillo y verde. Los cuales indican
lo siguiente:
Rojo; pruebas que no se pueden llevar a cabo en el minitorno UNIMAT4.
Amarillo: pruebas que se pueden realizar en el minitorno UNIMAT 4, tiempos
cortos.
Verde: pruebas que se pueden realizar sin ningún problema.
Estos colores fueron establecidos mediante nuestros limites de potencia de nuestro
mini torno. Por esto bajo estos colores se selecciono el rango de avance y
profundidad en los que se podrían realizar las pruebas experimentalmente sin dañar
el mini torno.
71
3.6.12.1 Fuerzas y potencias de corte para Aluminio 6061.
Tabla 3. 8 Fuerza y Potencia de corte del aluminio variado su profundidad y avance de corte.
Potencia de corte del aluminio variado su profundidad y avance de corte. (W)
PUL/REV PULGADAS 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01
DIAMETROS 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98
AVANCE/PROF. 50 25 RECOMENDADO -25 -50
0.01975 50 355.1201 296.6845 237.9485 178.912 119.5751
0.01637 25 294.3451 245.9102 197.2262 148.2931 99.1111
0.01242 RECOMENDADO 223.3211 186.5732 149.6365 112.5107 75.1961
0.0097 -25 174.4134 145.7134 116.8685 87.8707 58.728
0.00635 -50 114.1738 95.3897 76.5049 57.5236 38.4456
0.006204 111.48 93.1364 74.6977 56.1648 37.5375
0.004937 88.8249 74.2087 59.5172 44.7506 29.9089
0.004091 73.5413 61.4399 49.2764 37.0506 24.7626
0.003104 55.7403 46.5682 37.3488 28.0824 18.7687
Fuerza de corte del aluminio variado su profundidad y avance de corte. (N)
PUL/REV PULGADAS 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01
DIAMETROS 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98
AVANCE/PROF. 50 25 RECOMENDADO -25 -50
0.01975 50 150.68 125.8979 100.9685 75.9176 50.7392
0.01637 25 124.8992 104.3468 83.6888 62.9251 42.0557
0.01242 RECOMENDADO 94.7616 79.1684 63.4951 47.7416 31.9079
0.0097 -25 74.0087 61.8304 49.5896 37.2861 24.92
0.00635 -50 48.449 40.4766 32.4632 24.4089 16.3136
0.006204 47.3 39.5205 31.6964 23.8323 15.9282
0.004937 37.69104 31.4889 25.2549 18.989 12.6912
0.004091 31.2057 26.0707 20.9094 15.7216 10.5075
0.003104 23.65 19.7602 15.8482 11.9161 7.9641
.
72
3.6.12.2 Fuerzas y potencias de corte para Nylamid Tipo M.
Tabla 3. 9 Fuerza y Potencia de corte del Nylamid variado su profundidad y avance de corte.
Potencia de corte del Nylamid variado su profundidad y avance de corte. (W)
PUL/REV PULGADAS 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01
DIAMETROS 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98
AVANCE/PROF. 50 25 RECOMENDADO -25 -50
0.01975 50 266.3401 222.5134 178.4614 134.184 89.6813
0.01637 25 220.7588 184.43266 147.9196 111.2198 74.3333
0.01242 RECOMENDADO 167.4908 139.9299 112.2273 84.383 56.397
0.0097 -25 130.81 109.285 87.6494 65.903 44.046
0.00635 -50 85.6334 71.5422 57.3787 43.1427 28.8342
0.006204 83.6105 69.8523 56.0233 42.1236 28.1531
0.004937 66.6187 55.6565 44.6379 33.5629 22.4316
0.004091 55.156 46.0799 36.9573 27.7879 18.5798
0.003104 41.8052 34.9261 28.0116 21.0618 14.0765
Fuerza de corte del Nylamid variado su profundidad y avance de corte. (N)
AVANCE/PROF. 50 25 RECOMENDADO -25 -50
0.01975 50 113.0159 94.4189 75.7263 56.9382 38.0544
0.01637 25 93.6744 78.2601 62.7666 47.1938 31.5418
0.01242 RECOMENDADO 71.0712 59.3763 47.6213 35.8062 23.9306
0.0097 -25 55.5065 46.3728 37.1922 27.9645 18.69
0.00635 -50 36.3367 30.3574 24.3474 18.3067 12.2352
0.006204 35.4784 29.6403 23.7723 17.8742 11.9461
0.004937 28.2682 23.6166 18.9411 14.2417 9.5184
0.004091 23.4043 19.553 15.682 11.7912 7.8806
0.003104 17.7392 14.8201 11.8861 8.9371 5.973
73
3.6.12.3 Fuerzas y Potencias de corte para Acero 1018
Tabla 3. 10 Fuerza y Potencia de corte del Acero 1018 variado su profundidad y avance de corte.
Potencia de corte del Acero 1018 variado su profundidad y avance de corte. (W)
PUL/REV PULG. 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0.003 0.002
DIAM. 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 1.994 1.996
AVAN/
PROF. 50 25 RECOM. -25 -50
0.01975 50 1775.60 1483.42 1189.7427 894.56 597.87 299.68 179.99 120.05
0.01637 25 1471.72 1229.5 986.131 741.46 495.55 248.40 149.18 99.50
0.01242
RECO
M 1116.6 932.86 748.1825 562.55 375.98 188.46 113.19 75.49
0.0097 -25 872.06 728.56 584.3293 439.35 293.64 147.1 88.40 58.96
0.006204 557.40 465.68 373.4888 280.824 187.68 94.07 56.50 37.68
0.004937 440.52 371.04 297.5862 223.7533 149.54 74.960 45.02 30.02
0.004091 156.02 307.19 246.3821 185.2532 123.8 62.062 37.27 24.86
0.003104 278.70 232.84 186.7444 140.412 93.84 47.039 28.25 18.84
Fuerza de corte del Acero 1018 variado su profundidad y avance de corte. (N)
PUL/RE
V PULGADAS 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0.003 0.002
DIAMETROS 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 1.994 1.996
AVANCE/PROF
. 50 25
RECOM
. -25 -50
0.01975 50 753.43
629.4
5 504.84 379.58 253.69 127.16 76.37 50.94
0.01637 25 624.49
521.7
3 418.44 314.62 210.27 105.40 63.30 42.222
0.01242 RECOM. 473.80
395.8
4 317.47 238.70 159.53 79.97 48.03 32.03
0.0097 -25 370.04
309.1
5 247.94 186.43 124.60 62.45 37.51 25.02
0.006204 236.52
197.6
0 158.48 119.16 79.64 39.92 23.97 15.99
0.004937 186.92
157.4
4 126.27 94.94 63.41 31.807 19.10 12.74
0.004091 367.70
130.3
5 104.54 78.60
52.537
5 26.33 15.81
10.549
7
0.003104
118.261
3
98.80
1 79.2411
59.580
9
39.820
6
19.960
3
11.988
2 7.9961
74
5.1.4 Gráficos 3D de comparación.
Posteriormente de realizar las tablas de cálculo, se procedió a realizar gráficas 3D
mediante el uso de Excel para observar el comportamiento de la profundidad de
corte, avance de corte y potencia de corte como se observa en las figuras 3.23,3.24 y
3.25.
Figura 3. 23 Potencia vs avance vs profundidad para el Aluminio 60614
Figura 3. 24 Potencia vs avance vs profundidad para el Nylamid tipo M.
75
Figura 3. 25 Potencia vs avance vs profundidad para el Acero 1018.
3.6.13 Conclusiones de los cálculos.
En este capítulo primeramente se realizaron calculos en base a 6 autores diferentes
de la fuerza y potencia de corte que debería de obtenerse si experimentalmente se
realizaran cortes en acero 1018 con las siguientes características:
Velocidad de corte = 0.532 m/s
Revoluciones por minuto del shuck = 200.
Avance = 0.3 mm/rev
Diametro inicial del rodillo de acero 1018 = 50.8 mm.
Profundidad de corte = 0.151 mm.
Obteniendo por resultado la tabla 3.6, donde se puede observar que los resultados de
fuerza y potencia de corte calculados en base a los autores Pollack (1982), Schey
(2002), Heinz (2009), Kalpakjian (2008), Isakov (2004) y Astudillo J. (1983)
concuerdan.
76
Se elegio a Kalpakjian para que en base a sus formulas se realizará una hoja de
cálculo en excel, que nos ayudo a optimizar tiempos para la determinación teórica
de fuerzas y potencia de corte.
Se realizaron calculos de fuerza y potencia de corte para los materiales de acero
1018, Nylamid y Aluminio, variando la profundidad y el avance de corte. Los
resultados de estos calculos se registraron en las tablas 3.8, 3.9 y 3.10. En base a
dichas tablas se eligio un rango de valores de profundidad y avance que no arrebasara
la potencia de 90 W (Limite del motor principal del mini torno que se conservó)
obteniendo como resultado la elección de los siguientes valores: Profundidad de
corte: 0.03,0.025, 0.02, 0.015, 0.01 pulgadas y de avance de corte de: 0.01975,
0.01637, 0.01242,0.097 y 0.00635 pulgada/revolucion.
Dichos valores serán las características a las que se someterán las probetas
experimentalmente y se compararán los resultados teóricos (Calculados en este
capitulo) con los experimentales medidos con un dinamómetro en el siguiente
capítulo (Determinación experimental de fuerza y potencia de corte).
En base a las tablas 3.8, 3.9 y 3.10 se observa que se debe de tener cuidado
principalmente con el acero 1018 en las combinaciones de los 5 valores de
profundidad con los de 0.015 y 0.01 pulgada/revolucion de avance pues se encuentra
en las limitaciones de potencia.
77
Capítulo 4
Determinación experimental de fuerza y potencia de corte
4.1 Justificación técnica de la determinación de la fuerza de corte
Partiendo del análisis de la estructura principal de una máquina-herramienta (MH)
convencional se inicia el primer paso para la reconversión de la misma. Si la rigidez
y resistencia mecánica son aceptables para los esfuerzos y deformaciones a los que
estarán sometidos los elementos mecánicos del torno, entonces se considera la
posibilidad de la automatización de la MH convencional mediante la adición de
componentes como: sistemas actuadores, sistemas sensores, dispositivos mecánicos
y una computadora personal con el software de control numérico integrado. Por lo
anterior resulta indispensable determinar las fuerzas de corte, las cuales actuarán
sobre los elementos mecánicos de la máquina-herramienta.
Existen varias razones prácticas que justifican la determinación confiable de la
magnitud de las fuerzas necesarias para el corte de materiales. De acuerdo a Ludema,
Cadell y Atkins (1987), algunas de las más importantes son:
1. Estimación del tamaño del motor que deberá utilizar las máquinas-herramienta
nuevas.
2. Determinación de los límites de la cantidad de material removido por unidad de
tiempo (Metal Removal Rate (MRR), en inglés) en las máquinas-herramienta usadas
en producción.
3. Obtención de información requerida para el diseño de herramentales, dispositivos
de sujeción de piezas y elementos de las máquinas-herramienta.
Adicionalmente, las variaciones de las fuerzas de corte pueden ser utilizadas para
determinar la eficiencia de los fluidos de corte, en la evaluación de la maquinabilidad
78
de diferentes materiales y como una de las fuentes de sensado en el área de control
adaptivo de máquinas-herramienta.
Figura 4. 1 Torno convencional EMCO UNIMAT 4 y su sistema de transmisión principal.
Figura 4. 2 Componentes de la fuerza de corte F; F_t fuerza tangencial, F_r fuerza .radial y F_f fuerza de avance.
.
79
Algunos autores (vr.gr. Basu y Pal (2008), Ludema et al (1987), Acherkan (1973))
aseguran que no existe un método para predecir en forma precisa la magnitud de las
componentes de la fuerza de corte (ver figura 2), sin recurrir a la experimentación.
A decir por estos autores, la causa de esa dificultad radica en las múltiples variables
que afectan a la fuerza de corte, variables que a continuación se listan:
1. Velocidad de avance o espesor de la viruta.
2. Profundidad o ancho de corte.
3. Velocidad de corte.
4. Combinación de ángulos de corte de la herramienta.
5. Condiciones de lubricación durante el corte.
6. Material de la pieza de trabajo y/o microestructura.
7. Afilado de la herramienta.
8. Condiciones de la máquina-herramienta.
Una práctica común entre investigadores y diseñadores de máquinas-herramienta
(Ludema et al (1987)), es el emplear un dinamómetro diseñado para medir las tres
componentes de la fuerza de corte simultáneamente para una combinación particular
de condiciones de corte. Una vez conocida la fuerza de corte, se estará en
posibilidades de diseñar los elementos mecánicos del torno e incluso se podrá
determinar la potencia del motor que deberá utilizar la máquina-herramienta.
4.2 Determinación de potencia útil para el mini torno UNIMAT 4.
Debido al hecho de que en este proyecto se pretende reconvertir una máquina-
herramienta convencional a una con CNC, se conservará el motor del mini torno y
el sistema de transmisión hasta el mandril por lo que, se requerirá determinar la
capacidad de corte de la máquina-herramienta tomando en cuenta la potencia
transmitida hasta el husillo y el mandril se coloca la pieza de trabajo, desde el motor
y pasando por el sistema de transmisión actual.
80
Aun cuando el fabricante suele proporcionar la potencia nominal del motor de la
máquina-herramienta (para este mini torno 95/65 Watts), este acciona otros
mecanismos hasta llegar al husillo y el mandril. Adicionalmente, la eficiencia o
rendimiento mecánico de los mecanismos de transmisión es muy variable debido a
la calidad de la fabricación y estado de conservación de la máquina. Por ello, Forn
Valls (1967) recomienda determinar directamente, mediante ensayos prácticos, la
potencia disponible para el husillo que mueve a la pieza o a la herramienta. De
acuerdo a Forn Valls la base del procedimiento para determinar la potencia útil es:
efectuar cortes crecientes a la pieza maquinada por el torno con el fin de determinar
el límite de potencia útil de la misma y, el rendimiento una vez estabilizadas todas
las variables restantes.
Para efectuar las pruebas se tomaron en cuenta las siguientes condiciones:
a) Material a cortar.
Redondo de Diámetro de 50.8 mm (2pul) de 40 mm de longitud de Aluminio 6061.
El material fue fijado únicamente en el mandril (ver figura 4.3).
b) Herramienta.
Se utilizó un porta inserto cuadrado recto de 1/4 insertos de Carburo grado C 2,
marca Central Machinery (USA), ver figura 4.4
c) Parámetros de corte a utilizar.
Siguiendo las recomendaciones de Forn Valls (1965) se inició con profundidades de
corte pequeñas (0, 0.04 mm, para este mini torno), incrementando los cortes poco a
poco (incrementos de 0.2 mm hasta alcanzar la potencia máxima del motor), con un
avance constante (debido a que el torno actualmente no tiene avances automáticos,
81
se aplicó un avance manual lo más constante posible). La velocidad de rotación
también se mantuvo constante (856 rpm).
d) Límites del ensayo.
El límite de la utilización de la máquina se fijó, siguiendo recomendaciones de Forn
Valls (1965), considerando:
i) Potencia nominal del motor de la máquina determinada por un watímetro (En este caso
se usó un analizador de redes marca FLUKE 43B, ver figura 4.5).
ii) Por resbalamiento de la banda de transmisión.
Figura 4. 3 Preparación de pieza-herramienta para pruebas en Mini-torno. Pieza de aluminio 6061 alineada con el
inserto.
Una vez que se sobrepasó la potencia, con una profundidad de corte de 1.2 mm
(0.047¨), el motor del mini torno presentaba calentamiento y al alcanzar una potencia
de 99 watts (1.4 mm (0.055¨)) la banda del mismo se salió de las poleas. Habiendo
identificado el límite útil de la potencia del mini torno (93 Watts) con 1.2 mm
82
(0.047¨), se estableció a la profundidad de 0.8 mm (0.03¨) como punto central para
efectuar pruebas de corte hacia arriba y hacia debajo de este valor, evitando así, llegar
a la potencia crítica para el mini torno (99 watts). Los resultados de estas pruebas se
tabularon (Tabla 4.1) y graficaron (Figura 4.6).
Habiendo determinado la potencia útil para el mini torno UNIMAT 4 (93 Watts), se
procedió a la determinación teórica de la fuerza de corte, partiendo de la potencia
disponible y la profundidad de corte respectiva, para posteriormente determinar
experimentalmente esas fuerzas de corte y asi estar en posibilidades de diseñar los
sistemas de transmisión de los ejes X y Z que moverán a la herramienta y así tener
una máquina con CNC.
Figura 4. 4 Inserto alineado marcando la pieza para preparación de pruebas
83
Figura 4. 5 Arreglo experimental para determinar la potencia máxima de Mini torno EMCO UNIMAT 4.
.
Tabla 4. 1 Profundidad de corte (mm)
con la correspondiente potencia
consumida (Watts)
Figura 4. 6 Resultados de las pruebas para determinar la potencia útil
(Watts) en el Minitorno EMCO UNIMAT 4
84
4.3 Diseño de interfaz gráfica en LabView para la obtención de datos de fuerza
con dinamómetro.
En este proyecto se utilizó un dinamómetro marca Kistler para medir
experimentalmente las fuerzas de corte durante el torneado. El dinamómetro nos
arrojaba como resultado valores de voltaje por cada carga que recibia, pero era
necesario realizar la conversión de estos voltajes al valor de la fuerza en Newtons
además de guardar los valores de las mediciones para posteriormente analizar y
comparar.
Por lo que se diseño una interfaz gráfica en labview donde los valores de voltaje
proporcionados por el dinamómetro, mediante una ecuacion, se convirtieron a
Newtons. Haber trabajado con labview nos permitio poder exportar todos los valores
de las mediciones a excel así como la visualización en tiempo real del
comportamiento de las fuerzas.
Primero se describirá de manera general los elementos que componen la interfaz
gráfica y en seguida se explicará el proceso que fue necesario llevar a cabo para su
elaboración.
La interfaz gráfica que se diseñó en LabView para la visualización del
comportamiento de la fuerza de corte en tiempo real (Véase figura 4.7) consiste en:
1. Botón de ¨Iniciar gráfico¨
2. Botón de ¨Calibrar¨
3. Gráfica en tiempo real de ¨Señal inicial¨
4. Gráfica en tiempo real de ¨Valores sin calibrar¨
5. Gráfica en tiempo real de ¨Valores Calibrados¨
6. Gráficas en tiempo real de Ejes X, Y, Z.
7. Cuadros numéricos con la magnitud de fuerza expresada en Newtons.
85
1 Boton de Inciar Gráfico
Al presionar este boton se inicia la adquisición de datos atraves de la tarjeta de
National Instruments y se comienza a visualizar en las gráficas de tiempo real el
comportamiento de las componenetes del dinamómetro Kistler (x, y, z).
2 Botón de Calibrar
Este botón esta configurado para que al momento de presionarlo LabView tome el
valor de la señal inicial de cada componenete (x,y,z) y la reste a la misma señal, así
logrando calibrar las señales de entrada, esto quiere decir lograr tener un cero inicial
en cada componenete y de allí iniciar a graficar el comportamiento de las fuerzas.
3 Gráfica en tiempo real de ¨Señal inicial¨
En esta gráfica se muestra las 3 señales de las componentes, obtenidas directamente
atravez de la DAQ del dinamómetro Kistler. Como se puede observar en la figura 24
estas señales iniciales tiene mucho ruido que no nos permitia la obtención de fuerzas
de corte.
4 Gráfica en tiempo real de ¨Valores sin calibrar¨
Debido al ruido que se obtenía en la señal inicial, se inserto un filtro pasabajas en el
programa para eliminar el ruido indeseado. Con esto ya se observaban solamente las
3 componentes de fuerza.
5 Gráfica en tiempo real de ¨Valores Calibrados¨
Una vez que la señal ya pasó por el filtro pasabajas y se tienen las 3 componentes sin
ruido, se necesitaba que estas componentes iniciaran en cero para de allí tomar los
valores de las fuerzas, por lo que se diseño un arreglo para que al momento que se
presionará un botón (Boton de calibrar) el programa tomara los valores inicales de
cada componente y a cada componente le restara ese valor para lograr el cero.
86
Figura 4. 7 Interfaz gráfica en LabView para la visualización en tiempo real de la fuerza de corte.
87
6 Gráficas en tiempo real de Ejes X, Y, Z
En la gráfica de valores calibrados se tienen las 3 componentes sin ruido e
inicializadas en cero, por lo que en esta etapa lo que se hizo fue separar estas 3 señales
que estaban en una sola gráfica a una gráfica por componente.
7 Cuadros numéricos con la magnitud de fuerza expresada en Newtons.
Estos cuadros tienen como objetivo mostrar de manera numérica el valor de la fuerza
en Newtons,
Desarrollo de la interfaz gráfica:
Para el desarrollo de la interfaz gráfica fue necesario seguir la metodología que se
muestra en el diagrama de flujo de la figura 4.8. A continuación se describirá cada
uno de los pasos que se realizaron para elaborar la interfaz gráfica.
1) Acondicionar el asistente para la DAQ:
El primer paso fue insertar un DAQ
Assistant (Figura 4.8), para que el
programa de LabView reconociera la
tarjeta de adquisición de datos y
recibiera los datos que esta enviara.
Fue necesario acondicionar el asistente con las características de la tarjeta National
Instruments NI USB-6008 (Era con la que nosotros contabamos), a 3 entradas de
fuerza a una velocidad de 10 K.
Figura 4. 8 Símbolo del asistente de tarjetas de adquisición
de datos de Texas instrumentes en LabView.
88
2) Filtrar el ruido de la señal.
La señal que se recibía del dinamómetro a traves de la tarjeta
de adquisición de datos, era una señal combinada por los 3
voltajes de cada eje (X, Y y Z) y ademas se tenía ruido por
el torno. Por lo que no se podía identificar la magnitud de
los voltajes de las fuerzas. Así que se implemento un filtro
pasa bajas el cual nos permitio visualizar solo los tres
voltajes que nos interesaban.
3) Mostrar los valores de X,Y y Z sin ruido en una gráfica.
Para mostrar los voltajes en una gráfica de tiempo real
en la interfaz se utilizó el símbolo de Waveform Graph
que se muestra en la figura 4.10.
4) Inicializar X, Y y Z en cero.
Una vez que se tuvo filtrada la señal, los voltajes que se observaban cuando no se
sometía el dinamómetro a ninguna fuerza eran diferentes a cero. Debido a este
problema se insertó una estructura de casos. En el cual al momento de presionar un
boton llamado ̈ Calibrar¨, guardaba los valores de la señal que se tenia en el momento
que se presiono y esos valores era la referencia con los que se comparaba la señal
que se tenía todo el tiempo ya fuera el dinamometro midiendo fuerzas o sin medir
fuerzas.
Figura 4. 9 Símbolo del Filtro
pasa bajas en LabView.
Figura 4. 10 Símbolo del Filtro pasa
bajas en LabView
89
Si al momento de comparar la referencia con el valor que se tenia en el dinamometro
era cero o en nuestra logica de programación ¨True¨ entonces el valor pasaba igual
hacia la siguiente gráfica, pero si era diferente de cero o false entonces el valor que
se tenia se le restaba el valor de referencia y de esa manera se tenia calibrados los
valores que se mostraban en tiempo real en la gráfica.
5) Mostrar los valores de X, Y y Z en cero en una gráfica.
Al igual que en el punto 3 se utilizó Waveform Graph pero ahora conectando despues
de haber realizado la inicalizacion en cero (Punto 4).
6) Poner la ecuación para transformar el voltaje recibido a Newtons.
Primero
La ecuación para relacionar el voltaje con Newtons se obtuvo poniendo pesos
conocidos en el dinamometro y hacer la medicion del voltaje que nos arrojaba. Este
proceso se describe mas detalladamente en el siguiente subtema (Calibración de los
ejes del dinamómetro). Asi se tenía una relacion peso-voltaje y se determino la
formula siendo:
𝐹(𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑠) = (22 ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒) − 15
Asi a cada eje se multiplico y sumo por las constantes obteniendo valores en Newtons
en vez de voltajes.
7) Graficar X, Y, Z en graficas separadas en Newtons
Se utilizo un nodo separador de señales para de tener una señal con los tres voltajes
pasaramos de tener tres señales independientes.
8) Mostrar valor medio en cuadro de texto del valor de la fuerza en Newtons X, Y,
Z.
Finalmente se inserto un indicador para mostrar el valor en Newtons de la fuerza que
se tenía en el dinamómetro en el momento que se observaba el indicador.
90
Figura 4. 11 Diagrama de flujo que muestra la metodología para diseñar la hoja de cálculo.
1 Acondicionar el asistente para DAQ
2 Filtrar el ruido de la señal.
3 Mostrar los valores X, Y, Z sin ruido en una gráfica.
4 Inicializar X, Y, Z en cero.
5 Mostrar los valores de X, Y, Z en cero en una gráfica.
6 Poner la ecuación para transformar el voltaje recibido a Newtons.
7 Graficar X, Y, Z en graficas separadas en Newtons.
8 Mostrar valor medio en cuadro de texto del valor de la fuerza en Newtons X, Y, Z.
91
4.4 Calibración de los ejes del dinamómetro.
El dinamómetro fue calibrado con el fin de encontrar la curva que relaciona la carga
aplicada y el voltaje emitido por el dinamómetro. Para esto se realizó la metodología
mostrada en la figura 4.13.
Como se describe en el diagrama de flujo lo primero es tener la interfaz gráfica para
que mediante una tarjeta de adquisición de datos se puedan observar el valor de las
señales arrojadas por el dinamómetro Kistler (Voltajes).
Una vez que se tiene el dinamómetro comunicado a la computadora es necesario
comenzar a poner pesos conocidos en cada eje del dinamómetro, para el caso de z de
manera directa (Figura 4.12 ) y en el caso de X y Y mediante una polea para asegurar
que el peso solo se estaba aplicando en ese eje (Figura 26).
Por cada peso que se colocó en el dinamómetro, en la interfaz gráfica se obtenía un
valor de voltaje, se obtuvieron los valores de voltaje para los 5 pesos que se tenían y
con esos datos se encontró la ecuación que relaciona el voltaje con los Newtons.
Figura 4. 12 Calibración de eje z.
92
Figura 4. 13 Diagrama de flujo para calibrar dinamómetro Kistler.
93
Figura 4. 14 Calibración de eje X y Y.
Figura 4. 15 Nivelación de dinamómetro.
94
4.5 Arreglo experimental para determinación de fuerzas y potencia de corte.
Para medir la fuerza principal de corte (Fc), se utilizó el arreglo experimental
mostrado en la figura 4.16, el cual está compuesto por un dinamómetro Kistler
9257B, un porta inserto de ¼ con inserto triangular de Carburo grado C2 (El porta
inserto se acopló al dinamómetro mediante un portaherramientas), un amplificador
Kistler 5010B, un sistema de adquisición de datos (NI USB-6008), computadora de
escritorio con software de visualización y monitoreo de datos adquiridos en tiempo
real (LabView 2014) lo cual permitió registrar variaciones de la fuerza de corte.
Los ensayos de mecanizado consistieron en cilindrar las probetas de 2 pulgadas de
diámetro de Aluminio 6061, Nylamid M y acero 1018. Estas pruebas se realizaron
dejando constante primero un avance y velocidad de corte, variando las 5
profundidades de corte, después se variaron los avances. El mecanizado se realizó
en seco, sin el uso de refrigerante de corte. (Se repitió cada prueba 2 veces).
Como el inserto estaba montado en el dinamómetro Kistler, cada vez que se realizaba
un corte, el dinamometro ejecutaba la medición de las componentes de la fuerza de
corte que actuaba en el momento. El valor de esta medición el dinamómetro la
proporcionaba en valores de voltajes muy pequeños por lo que fue necesario
amplificar estos voltajes, lo cual se realizo con el amplificador Kistler. Una vez que
se tenían amplificados los valores se comunicaron al computador mediante la tarjeta
de adquisición de datos, Y mediante la interfaz gráfica diseñada en labview, se
visualizaron los valores de voltaje en tiempo real, se realizó la conversión de voltaje
a Newtons y se exportarón los resultados de las mediciones de las fuerzas durante el
corte en Newtons a Excel para posteriormente comparar con los resultados teóricos.
Si se desea ver mas detalladamente el proceso que se llevo a cabo para realizar la
determinación experimental de fuerza y potencia de corte consulte el Apendice B
Pasos para pruebas de fuerza con dinamómetro Kistler.
95
Figura 4. 16 Arreglo experimental para la medición de fuerza y potencia de corte.
96
4.6 Resultados de determinación experimental de fuerzas tangenciales de corte.
Los resultados de fuerza y potencia teórica fueron utilizados para complementar los
resultados de determinación experimental de fuerzas tangenciales de corte, ya que
estos resultados consisten en la comparación de los valores de fuerzas tangenciales
obtenidos tanto teóricamente como experimentalmente (2 pruebas).
4.6.1 Aluminio 6061
En la tabla 4.2 se muestra un resumen de las fuerzas tangenciales de corte obtenidas
tanto teórica y experimentalmente en las dos pruebas realizadas.
Tabla 4. 2 Valores de fuerza tangencial de corte, variando profundidad y avance(Aluminio).
PRUEBA 1
PROF/ AVANCE 0.003104 0.004091 0.004937 0.006204 0.0097
0.01 28.2599401 44.272028 31.3237762 50.4360639 49.52997
0.015 42.1025974 57.5874126 40.3563437 71.1914086 83.8100899
0.02 55.8859141 76.5286713 65.9847 96.7577423 120.586613
0.025 71.0534466 94.6888112 87.8802198 122.0002 151.519281
0.03 85.7068931 112.573626 106.338661 146.971329 182.209291
PRUEBA 2
PROF/ AVANCE 0.003104 0.004091 0.004937 0.006204 0.0097
0.01 30.8618382 41.8276723 51.4786214 69.267033 105.835465
0.015 43.338961 57.3755245 73.0974026 93.8170829 142.739061
0.02 62.9061938 77.0127872 93.3716284 124.192008 176.508192
0.025 77.5081918 95.672028 148.680519 153.36024 222.778122
0.03 88.1466533 113.402697 135.163037 173.148052 252.288112
TEORICO
PROF/ AVANCE 0.003104 0.004091 0.004937 0.006204 0.0097
0.01 19.936 26.2752 31.7088 39.8463 62.3
0.015 29.8288 39.6492 47.5632 59.6193 93.2153
0.02 39.6716 52.2212 63.0989 79.8649 123.974
0.025 49.4643 65.1929 78.5744 98.865 154.5761
0.03 59.3572 78.2314 94.4093 118.638 185.4914
97
4.6.2 Nylamid tipo M
En la tabla 4.3 se muestra a manera de resumen las fuerzas tangenciales (Newtons)
obtenidas por cada avance y profundidad que se seleccionaron. Para prueba 1,
prueba2 y valores teóricos.
Tabla 4. 3 Valores de fuerza tangencial de corte, variando profundidad y avance Nylamid).
PRUEBA 1 PROF/
AVANCE 0.003104 0.004091 0.004937 0.006204 0.00635
0.01 6.864135864 7.662537463 9.701598402 11.66893107 21.84095904
0.015 10.47112887 11.26003996 13.08321678 16.58461538 28.24005994
0.02 13.21998002 14.01088911 16.21428571 21.71298701 28.24005994
0.025 15.45104895 16.09130869 20.12027972 24.92307692 32.10739261
0.03 18.46693307 20.1956044 23.41108891 27.53966034 40.18631369
PRUEBA 2 PROF/
AVANCE 0.003104 0.004091 0.004937 0.006204 0.00635
0.01 9.822577423 10.91688312 11.95384615 13.38431568 22.96783217
0.015 11.97052947 12.61588412 15.37512488 16.68581419 22.96783217
0.02 14.57732268 16.71898102 17.57142857 22.08061938 28.75884116
0.025 17.15154845 20.14805195 22.89380619 25.6979021 34.27202797
0.03 20.37582418 21.20789211 25.06893107 28.88711289 40.86523477
TEORICO PROF/
AVANCE 0.003104 0.004091 0.004937 0.006204 0.00635
0.01 5.973 7.8806 9.5184 11.9461 12.2352
0.015 8.9371 11.7912 14.2417 17.8742 18.3067
0.02 11.8861 15.682 18.9411 23.7723 24.3474
0.025 14.8201 19.553 23.6166 29.6403 29.6403
0.03 17.7392 23.4043 28.2682 35.4784 36.3367
98
El comportamiento de las fuerzas tangenciales en el Nylamid se observa en las
gráficas mostradas en las figuras de la 4.17 a la 4.21.
Figura 4. 17 Gráfica de avance vs fuerza tangencial, Profundidad de 0.01.
Figura 4. 18 Gráfica de Avance vs fuerza tangencial, Profundidad de 0.015.
0
5
10
15
20
25
9.822577423 10.91688312 11.95384615 13.38431568 22.96783217
AV
AN
CE
(IN
/REV
)
FUERZA TANGENCIAL (N)
AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL PROFUNDIDAD 0.01"
PRUEBA 1 PRUEBA 2 TEORICO
0
5
10
15
20
25
30
11.97052947 12.61588412 15.37512488 16.68581419 22.96783217
AV
AN
CE
(IN
/REV
)
FUERZA TANGENCIAL (N)
AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL PROFUNDIDAD 0.015"
PRUEBA 1 PRUEBA 2 TEORICO
99
Figura 4. 19 Gráfica de avance vs fuerza tangencial, Profundidad de 0.02.
Figura 4. 20 Gráfica de avance vs fuerza tangencial, Profundidad de 0.025.
Figura 4. 21 Gráfica de avance vs fuerza tangencial, Profundidad de 0.03.
0
10
20
30
40
14.57732268 16.71898102 17.57142857 22.08061938 28.75884116AV
AN
CE
(IN
/REV
)
FUERZA TANGENCIAL (N)
AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL PROFUNDIDAD 0.020"
PRUEBA 1 PRUEBA 2 TEORICO
0
20
40
17.15154845 20.14805195 22.89380619 25.6979021 34.27202797
AV
AN
CE
(IN
/REV
)
FUERZA TANGENCIAL (N)
AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL PROFUNDIDAD 0.025"
PRUEBA 1 PRUEBA 2 TEORICO
0
20
40
60
20.37582418 21.20789211 25.06893107 28.88711289 40.86523477
AV
AN
CE
(IN
/REV
)
FUERZA TANGENCIAL (N)
AVANCE VS FUERZA TANGENCIAL PROFUNDIDAD 0.030"
PRUEBA 1 PRUEBA 2 TEORICO
100
En la gráfica de la figura 4.22 se muestran las 5 fuerzas tangenciales obtenidas
variando el avance pero dejando constante la profundidad. Esto con el fin de
posteriormente poder comparar los resultados que nosotros hemos obtenido con el
trabajo de otros investigadores, como el caso del investigador Timmings cuyos
resultados se muestran en la figura 4.23.
Figura 4. 22 Gráfica del comportamiento de fuerza tangencial conforme al avance en Nylamid
Figura 4. 23 Gráfica del comportamiento de la fuerza tangencial y radial de corte contra el ritmo de avance.
(Timmings)
0
20
40
60
0.0031 0.00409 0.00494 0.0062 0.0097
Fue
rza(
N)
Avance (mm)
Comportamiento de fuerza tangencial conforme a avance.
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
101
4.7 Conclusiones de determinación experimental de fuerzas tangenciales de
corte.
Como se puede observar en las figuras 4.19 – 4.21 el comportamiento entre los
valores teóricos y los valores de la prueba 1 y 2, tanto para el aluminio y el Nylamid,
tienen la misma tendencia entre ellos, con una variación de 10% para el aluminio y
20% para Nylamid, por lo cual se puede concluir que el comportamiento de la fuerza
tangencial de corte con esas características en específico es el mostrado en cada
gráfica.
Además de haber comparado los resultados obtenidos experimentalmente con los
teóricos, se hizo una comparación entre los resultados experimentales obtenidos por
nosotros con resultados de otros investigadores que han realizado investigaciones
similares a la nuestra. Como se puede observar en la figura 4.22 se muestran los
resultados de comportamiento de fuerza tangencial vs avance obtenidos
experimentalmente por nosotros y en la figura 4.23 se muestra una gráfica de
Timmings donde de igual manera esta graficado fuerza tangencial vs avance y se
logra observar que la tendencia de ambos resultados son similares.
Hasta esta etapa del proyecto se han determinado las limitaciones técnicas del mini-
torno (Potencia útil, velocidad de corte). Estos datos se utilizarán en el siguiente
capítulo: Capitulo 5 Diseño de sistemas de trasmisión.
