Optimización del Proceso de Mecanizado: Velocidad de Corte, Fuerza y Potencia

Velocidad de Corte

La velocidad de corte es la velocidad con que la herramienta corta la viruta, se mide en m/min. Se calcula con las siguientes fórmulas:

• Para tornos: V = (π·D·n) / 1000
• Para limadoras: V = (2·L·n) / 1000

Donde:

• V: Velocidad de corte (m/min)
• D: Diámetro de la pieza (mm)
• L: Longitud de la carrera (mm)
• n: Revoluciones por minuto (rpm)

Estudios de Taylor sobre la Velocidad de Corte

Taylor determinó las velocidades de corte óptimas para que la duración del filo de las cuchillas fuese de 20 minutos. Concluyó que:

• Un aumento de la profundidad de pasada debe ir acompañado de una reducción de la velocidad para mantener constante la duración del afilado.
• Esta reducción no es proporcional: un aumento del 50% en la profundidad se compensa con una reducción del 10% en la velocidad.
• Un aumento del avance también requiere una reducción de la velocidad de corte. Un aumento del 50% en el avance solo requiere una reducción del 18% en la velocidad.
• Aunque se reduzca la velocidad, al aumentar la profundidad de pasada o el avance se logra un aumento en la producción de viruta.
• Existe una relación entre la velocidad de corte (V_o) y la duración del filo (T_o) si se mantienen constantes el avance y la profundidad: V_o·T_oⁿ = K. El valor de n oscila entre 1/7 y 1/10.
• La fórmula de Denis para calcular la producción de viruta (Q) es: Q = A·P·V·t, donde A es el avance, P la profundidad de pasada, V la velocidad de corte y t el tiempo.

Estudios de Denis sobre la Producción de Viruta

Denis estudió la máxima producción de material cortado en función de la velocidad de corte, manteniendo constantes el avance, la profundidad de pasada y el material mecanizado. Sus conclusiones fueron:

• Partiendo de valores bajos, al aumentar la velocidad, aumenta la duración de la cuchilla debido al alejamiento de la zona de incidencia de la viruta con la superficie de desprendimiento respecto del filo.
• Al rebasar la velocidad crítica, la duración del afilado disminuye rápidamente al elevarse la temperatura hasta reblandecer el filo.
• La velocidad de máxima producción de viruta coincide con la mayor duración del filo de la herramienta y con la velocidad crítica.
• La velocidad crítica y la producción máxima de viruta crecen a medida que aumenta la resistencia del material, hasta un límite. Las relaciones entre la velocidad económica (V_e), la velocidad límite (V_L) y la velocidad de máxima producción (V_m) son:
  • Aceros rápidos: V_e = 4/3·V_m y V_L = 5/3·V_m
  • Aceros extrarrápidos: V_e = 3/2·V_m y V_L = 2·V_m
• La máxima producción de viruta puede obtenerse con distintos valores de velocidad de corte, siempre que se modifiquen la profundidad de pasada y el avance.
• La ecuación que relaciona la velocidad de corte con la profundidad y el avance es: p₀·a₀²·V₀³ = p₁·a₁²·V₁³
• Para todas las curvas semejantes, la velocidad límite que origina la destrucción de la cuchilla en un tiempo muy pequeño es:
  • Curvas de un solo máximo: V_L = V_m + 2/3·V_m
  • Curvas de dos máximos: V_L = 2·V_m
• Las velocidades económicas de corte no son las de máxima producción de viruta entre dos afilados, sino algo mayores, porque la disminución de la producción de virutas queda compensada con una menor duración del trabajo. Las velocidades económicas son:
  • Curvas de un máximo: V = V_m + 1/3·V_m
  • Curvas de dos máximos: V = V_m + 1/2·V_m

Fuerza de Corte

La fuerza de corte es la fuerza que se debe aplicar a la herramienta para arrancar el material. La fuerza total es ligeramente mayor y de sentido contrario a la reacción del material sobre la cuchilla. Se descompone en tres fuerzas:

• Tangencial (T): Resistencia del material al desplazamiento de la herramienta. Es la que consume más potencia.
• Axial (A): Reacción del material al avance de la herramienta. Consume poca potencia.
• Radial (R): Oposición a la penetración de la herramienta. Es una fuerza estática y no interviene en el cálculo de la potencia.

La fuerza total se calcula como: F = K·p·a, donde K es el coeficiente de fuerza específica o resistencia específica de corte, p es la profundidad de pasada y a es el avance. K se calcula como: K = F_t / (A_v·P_r) (Kg/mm²). Los valores de K dependen del material cortado, la sección de la viruta, los ángulos de corte y, en menor medida, la velocidad.

Potencia Necesaria en el Mecanizado

La potencia total necesaria en el mecanizado es la suma de la potencia tangencial (P_t) y la potencia de avance (P_a): P = P_t + P_a. La potencia se puede expresar como: P = Trabajo / Tiempo = (Fuerza · Espacio) / Tiempo.

Para calcular la potencia en caballos de vapor (CV), se utiliza la siguiente fórmula:

P = (K_t·p·a·V_t) / (4500·ρ)

Donde:

• K_t: Coeficiente de fuerza específica tangencial
• p: Profundidad de pasada
• a: Avance
• V_t: Velocidad tangencial
• ρ: Rendimiento de la máquina

La potencia de corte se calcula como: P_corte = (T·V_t) / (60·75), donde T = A_v·P_r y 60 es el factor para convertir minutos a segundos.

Para calcular las revoluciones por minuto (rpm) se utiliza la fórmula: n = (1000·V) / (π·D)

Recomendaciones de la Teoría de Denis para Diferentes Operaciones

Torno

• Refrentar y perfilar: 3/4·V_o
• Ranurar y tronzar: 1/2·V_o
• Roscado: 1/3·V_o
• Cilindrado: V_o

Fresadora

• Fresado tangencial: V_o
• Fresado de ranuras: 1/2·V_o
• Fresado frontal: 4/3·V_o
• Fresado de formas: 3/3·V_o