PROCESOS DE MECANIZADO
FRESADO FRESADO Introducción La máquina de fresar o fresadora es una máquina herramienta de movimiento continuo destinada al mecanizado de materiales por medio de una herramienta de corte llamada FRESA. • Proceso de maquinado en el que se remueve material de manera intermitente. • Pieza y herramienta pueden asumir diferentes movimientos. • Producción de gran variedad de formas. • Buena calidad de acabados superficiales. • Altas tasas de remoción de viruta. Esta máquina permite realizar operaciones de fresado de superficies de las más variadas formas: • Planas • Cóncavas • Convexas • Combinadas • Ranuradas • Engranajes • Hélices
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FRESADO Clasificación de las fresas por sus dientes Según este criterio las fresas se clasifican en dos grupos: - Fresas con dientes fresados. - Fresas de dientes postizos.
Fresas de dientes fresados Se llaman así porque la forma fundamental de los dientes se obtiene por fresado. Cada uno de ellos está definido por varios planos, cuyas intersecciones constituyen las aristas de corte o las secundarias. Cada diente se comporta igual que una herramienta simple de uno o más filos. La cara frontal (fig. 2.4A y B) determina el ángulo de desprendimiento, de importancia decisiva en el corte de la viruta y en la facilidad de evacuación de la misma. La superficie de incidencia determina con la anterior el ángulo de la cuña cortante. También existe, casi siempre, una superficie de incidencia secundaria para que el diente no talone. El dorso del diente debe tener, a su vez, la inclinación adecuada para que el espacio entre dientes contiguos permita el almacenamiento de viruta sin merma, por supuesto, de la robustez que el trabajo de fresado exige a la herramienta.
Fresas cilíndricas Pueden ser de dientes rectos (fig. 2.5A) o de dientes helicoidales (fig. 2.5B).
Fresas cilíndricas de dientes rectos. Los dientes rectos tienen el inconveniente de entrar y salir con brusquedad del contacto con la pieza, lo que da lugar a sacudidas y vibraciones y, en consecuencia, engendran superficies fresadas onduladas e irregulares (fig. 2.5C). Fresas cilíndricas de dientes helicoidales. Los dientes helicoidales eliminan estos inconvenientes porque trabajan de manera progresiva (fig. 2.5D) aunque, por otro lado, producen esfuerzos axiales que pueden llegar a ser considerables. Por esta razón el ángulo de la hélice debe ser lo más pequeño posible. El sentido de la hélice y el sentido de giro deben ser tales que el empuje axial se produzca en el sentido más favorable. Al montar la fresa, se procura que ésta se halle lo más cerca posible del soporte hacia el cual se dirija el empuje (fig. 2.7A) y, si esto no es viable, se colocan soportes intermedios auxiliares (fig. 2.7B)
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Fresas helicoidales . Son fresas helicoidales de hélice contraria, acopladas dos a dos, para que la inclinación opuesta de los dientes de cada una contrarreste el empuje en sentido contrario que la otra ocasiona.
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FRESADO Fresas cilíndricas de corte tangencial y frontal. Pueden ser de varias formas constructivas: - Agujero. Para diámetro desde 30 a 150 mm. (fig. 2.11).
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Mango cilíndrico. Para diámetros de 2 a 20 mm. (fig. 2.12).
-
Mango cónico. Para diámetros de 6 a 40 mm. (fig 2.13)
Fresas de disco Se denominan así las fresas cilíndricas cuya longitud es relativamente pequeña comparada con su diámetro
Dentro de las fresas de disco, se pueden catalogar las de mango para ranuras en T (fig. 2.22), que en último término son fresas de tres cortes con arrastre por mango. Similares a éstas, pero en general de un solo corte, son las fresas de mango para ranuras circulares para chavetas (fig. 2.23). Pueden ser de mango cónico o cilíndrico.
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FRESADO Fresas angulares Pueden dividirse en estos grupos principales: - Fresa angular isósceles (fig. 2.24A). - Fresa angular bicónica (fig. 2.2413). - Fresa cónica de mango (fig. 2.24D).
Fresas de dientes postizos Para fresas de grandes dimensiones, resulta antieconómico construirlas totalmente de material de la misma calidad. En estos casos se emplean fresas con el cuerpo de acero de construcción tenaz, y sólo los dientes se hacen de acero de herramientas o de metal duro. Se emplean dos tipos de diente postizo: diente postizo permanente o soldado y diente recambiable o de fijación mecánica. Cuando la fresa de dientes postizos es de eje vertical, o mejor dicho, preparada para el fresado plano frontal, recibe el nombre de plato de cuchillas. En este tipo de fresas es muy importante la colocación de los elementos postizos de corte, que deben ser perfectamente concéntricos para que el fresado tenga la calidad y el rendimiento requeridos
Disposición de los dientes en el fresado frontal Hay dos formas de disponer las cuchillas en los platos de fresado frontal: de forma equidistante y de forma escalonada. En la primera forma todas las cuchillas son exactamente iguales, con el mismo saliente y a igual distancia del eje. En la forma escalonada cada cuchilla está un poco más cerca del centro que la anterior, formando una especie de espiral (fig. 2.39A); al mismo tiempo, cada cuchilla sobresale un poco por encima de la anterior, de modo que la que está más cerca del centro es al mismo tiempo la más saliente. Cuando las cuchillas son equidistantes (fig. 2.39B), cada una de ellas da la profundidad de corte total con que se mecaniza la pieza, pero en cambio sólo coge el material correspondiente al avance por diente, o sea, el avance por revolución dividido entre el número de dientes (fig. 2.40). Por el contrario, en los platos escalonados, cada cuchilla toma una profundidad de corte igual a la profundidad de corte total dividida entre el número de dientes y, en cambio, el avance correspondiente a cada cuchilla es igual al avance por revolución de la fresa (fig. 2.41). Por ello, estas últimas fresas se emplean con preferencia para grandes desbastes con mucha profundidad de pasada, mientras que las fresas con dientes equidistantes son más convenientes para trabajos con poca profundidad y en donde se necesite un buen pulido. Al calcular los avances y profundidades de corte se ha de tener en cuenta la manera de trabajar de cada uno de los tipos de platos
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FRESADO Factores de corte y tiempo de mecanizado Velocidad de corte Se define como la velocidad de los puntos periféricos P de los dientes de la fresa en contacto con la pieza a mecanizar. Si la fresa tiene un diámetro D, en mm, y gira a n vueltas por minuto, la velocidad de corte vale en m/min:
Dadas las condiciones adversas en que trabajan las fresas, debido a que la acción cortante de los dientes es intermitente en lugar de ser continua, como en el torneado, hace que, en igualdad de condiciones respecto al material de la pieza y calidad de la herramienta, la velocidad de corte para el fresado sea inferior a la de torneado, por ejemplo. También resulta más laborioso cambiar una fresa que una simple herramienta de torno y, en último término, aquélla es mucho más cara. Por estas razones se comprende que la velocidad de corte debe elegirse con mucho cuidado para que la fresa trabaje en buenas condiciones, de modo que el volumen de viruta arrancado sea óptimo y compatible al mismo tiempo con la calidad de acabado exigida y con la duración económica de las aristas de corte. No se olvide que las fresas que se reafilan periódicamente (que son la mayoría) pierden, de alguna forma, sus condiciones iniciales y su reafilado es una operación costosa que conviene espaciar al máximo. La velocidad de corte que debe emplearse en cada caso no depende exclusivamente de las variables de la fórmula. Hay otros factores de difícil cuantificación, como la forma de la fresa, la naturaleza de la operación (ranurado, planeado, etc.), la lubricación existente, etc., que hacen que su determinación sea una tarea muy compleja, hasta el punto de que la totalidad de autores recomienda efectuar tanteos, a partir de unos valores aproximados, que, dicho sea de paso, presentan notables diferencias entre sí, según sea la obra consultada. En la tabla siguiente se dan una serie de valores orientativos de la velocidad de corte y en este sentido deben ser utilizados.
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Para facilitar los cálculos muchos prontuarios, e incluso algunas máquinas, llevan un gráfico como el de la figura 3.3. Su empleo es como sigue: Se selecciona en el eje de abscisas el valor del diámetro de la fresa y se sigue la ordenada del punto hasta alcanzar una de las rectas inclinadas, que sea la correspondiente a la velocidad de corte elegida. Seguidamente, se traza una horizontal hasta el eje de ordenadas, en cuya escala se puede leer el número de revoluciones por minuto. Es preferible empezar por valores de v, algo bajos e ir aumentándolos paulatinamente, si se comprueba en la práctica que ello es posible. No obstante, tampoco hay que partir de velocidades de corte exclusivamente bajas, ya que ello repercutiría en el tiempo de mecanizado y, por tanto, en el costo de la operación.
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Avance En el fresado se denomina avance al desplazamiento rectilíneo relativo entre fresa y pieza. Se distinguen tres tipos de avance: 1. Avance por vuelta (an). Es el desplazamiento de la fresa en una vuelta completa; se mide en milímetros por revolución (mm/r) y se representa por an.
2.Avance por diente (az). Es el desplazamiento que en una vuelta completa corresponde a cada diente de fresa. Esto supone que la fresa gira perfectamente centrada para que a cada diente le corresponda el mismo avance. Se mide en milímetros y se representa por az. Según lo dicho se tendrá para un avance por vuelta az dientes de la fresa:
Este valor es muy importante ya que determina el material que puede cortar un diente, que depende de la robustez del propio diente y de la resistencia del material que se trabaja. La robustez del diente para un mismo material de la fresa depende de su forma. 3.Avance por minuto (amin). Es el desplazamiento rectilíneo de la fresa en un minuto; se representa por amin y se expresa en milímetros por minuto.
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De las definiciones anteriores se tiene:
Formación de la viruta Para formar la viruta, cada una de las aristas o filos de la fresa recorre una curva cicloidal (fig.3.5); en esta figura se ha destacado el recorrido del punto A. El espacio rayado entre dos curvas consecutivas es el material arrancado por cada uno de los dientes; se advierte la forma de coma que tiene la viruta. La distancia entre dos curvas consecutivas en dirección del avance es constante y corresponde al avance por diente.
Relación entre los movimientos de corte y de avance Volviendo a la figura 3.5, y teniendo en cuenta el movimiento de corte mc de la fresa y el de avance ma de la pieza, se observa lo siguiente: En la porción comprendida desde D hasta E, los dos movimientos ma y mc tienen sentidos distintos, y se dice que el fresado se hace en oposición. En el tramo que va desde E a F los dos movimientos ma y mc, tienen el mismo sentido y se dice que el fresado se hace en concordancia. En ocasiones, se presenta solamente uno de estos tipos; en otros casos, los dos. Véanse los más frecuentes: - Primer caso: fresado periférico en todo el ancho de la fresa (ranurado). Como se aprecia en la figura 3.6A la fresa trabaja en parte por oposición (superficie de la pieza que se encuentra por debajo de XX') y, parte, por concordancia (superficie de la pieza que se halla por encima de XX'). - Segundo caso: fresado periférico o parcial (fresado de planos) (fig. 3.6B). La fresa trabaja sólo en una parte de la periferia y todo el fresado se hace en oposición. - Tercer caso: fresado frontal. Es semejante al primer caso, pero aquí ya no se trabaja en todo el diámetro de la fresa. Se procura que la parte que trabaja en oposición sea mayor que la que trabaja en concordancia (fig. 3.6C). - Cuarto caso: fresado periférico parcial (fresado de planos) (fig. 3.6D). La fresa, al igual que en el segundo caso, trabaja sólo en una parte de la periferia pero en concordancia. A este fresado se le llama también fresado por trepado. A pesar de tener este sistema una serie de ventajas respecto al realizado en oposición (caso segundo), no debe emplearse más que en máquinas preparadas para ello.
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FRESADO Fresado en oposición y fresado en concordancia Desde el punto de vista del acabado parece ser que es mejor el fresado en oposición; sin embargo, no conviene dejar de lado otras consideraciones, ya que se presentan fenómenos que no hacen tan simple la cuestión.
Fresado en oposición En el caso de fresado en oposición, el filo de la fresa hace contacto en A (fig. 3.13A), pero debido a que la sección de la viruta en ese punto es mínima y que la fuerza específica de corte es máxima, el material ofrece mayor resistencia a ser cortado, circunstancia que hace que sobre la fresa se ejerza una fuerza en sentido radial que tiende a separar la fresa de la pieza. Esta separación es real y tanto mayor cuanto menos resistente sea el eje portafresas, o más facilidades dé el juego de los apoyos. Esta deformación ejerce una reacción, de tal manera que obliga a rozar a la fresa sin cortar; es más, produce una serie de vibraciones que hace sobre la pieza un efecto de martilleo. Las vibraciones perjudican el funcionamiento general de la máquina y el acabado de la pieza, y el martilleo deforma la estructura de la pieza, aunque sólo sea superficialmente. El rozamiento que ejerce el filo bruñe la pieza y embota los dientes, empeorando el corte, a la vez que endurece superficialmente la pieza y hace más difícil el corte de los filos o dientes que vienen detrás. Cuando las fuerzas de reacción del eje son mayores que la que opone el material a ser cortado, por ejemplo, en el punto B, entonces empieza propiamente el tallado del material. La única manera práctica de evitar, en parte, este problema es emplear ejes robustos y hacer que los bujes de los ejes portafresas ajusten con el menor juego posible en sus cojinetes; también se mejora empleando mayores avances. Otro efecto pernicioso de este sistema de trabajo es quela resultante de las fuerzas de corte siempre es tal que tiende a arrancar la pieza de su apoyo (fig. 3.13B). Para evitarlo habrá que disponer de medios de sujeción apropiados y, si la pieza es débil (larga y delgada), habrá que prever varios puntos de apoyo y contraapoyos (bridas).
Fresado en concordancia La mayoría de estos problemas quedan solucionados con el fresado en concordancia. La fresa alcanza a la pieza con una gran viruta (lo que significa pequeña fuerza específica de corte), evitándose los efectos señalados para el fresado en oposición; también se evita el martilleo y resbalamiento de la fresa y el efecto de mínima viruta.
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Fuerza de corte y fuerza específica de corte Fuerza de corte es la fuerza que se necesita para cortar el material en forma de viruta, y fuerza específica de corte es la resistencia por unidad de superficie que ofrece un metal al ser cortado. Dependen fundamentalmente de la naturaleza del material, de la sección de viruta cortada y de la geometría del filo. Influencia del material Cada material tiene una resistencia particular al corte; aun el mismo material tiene resistencia distinta, según su estado estructural y de dureza. Se ha comprobado experimentalmente que la fuerza específica varía para el mismo material, según las condiciones de corte. En la tabla 3.19 se dan los valores de las fuerzas específicas de corte para varios materiales trabajando con espesores de viruta de 0,2 mm y ángulos de desprendimiento de -7°. Para otras condiciones habrá que aceptar esos valores con unos coeficientes correctores. En el diagrama de la figura 3.20 se presentan otros valores de fc,
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Sección de la viruta Por sección de la viruta se entiende el producto del espesor de la viruta por la profundidad de pasada
La profundidad de pasada suele ser constante, pero no el espesor de la viruta, sobre todo en el fresado periférico (fig. 3.21). Por esta razón hay que tomar un valor medio para este espesor.
Fuerza de corte Es la fuerza necesaria para cortar una sección de viruta instantánea A de un determinado material, cuya fuerza específica de corte es fc,
Teniendo en cuenta los valores de A, se puede escribir que, para el fresado tangencial y el fresado frontal, se tiene, respectivamente :
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FRESADO La fuerza resultante Fc puede a su vez, descomponerse en componentes perpendiculares, una horizontal Fh y otra vertical Fv, (fig. 3.30A y B). La fuerza Fc, es la que tiene influencia para el cálculo de la potencia de corte. Según esta fuerza se dimensionan y calculan los elementos que componen la cadena cinemática del movimiento principal. La fuerza Fh se opone al movimiento de avance y de acuerdo con ello se calcularán y dimensionarán los elementos de la cadena cinemática del mecanismo de avance. También influye en los elementos de sujeción. La fuerza Fv tiende a levantar la pieza de su soporte o a la mesa de sus guías y con ella se determinan los elementos de sujeción de la pieza. En el fresado en concordancia la fuerza de corte se descompone según puede verse en la figura 3.3B. En ella la componente horizontal tiende a arrastrar la pieza y la mesa, mientras que la vertical empuja a la pieza contra la mesa, y a ésta contra sus guías. En el fresado frontal las fuerzas que se desarrollan pueden verse en la figura 3.30C. Al fresar con fresas helicoidales la fuerza de corte Fc se descompone además en una fuerza axial Fa y una fuerza perpendicular al eje. Potencia de fresado La potencia de fresado viene dada en función de la fuerza de corte y la velocidad de trabajo:
Si se hace az .z . n = amin,
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