Modelos de desgaste

En general, en la literatura de mecanizado los modelos de desgaste de herramientas se basan en dos criterios: Vida útil de herramienta y Velocidad de desgaste de herramienta. La vida útil de herramienta se expresa en función de los parámetros de corte como entrada, que incluyen la velocidad de corte, avance y profundidad. Expresiones clásicas que se basan en el cálculo de la vida de herramienta son las ecuaciones de Taylor, básica y extendida.

Por otro lado, los modelos de desgaste correspondientes al cálculo de la velocidad a la que se desgasta la herramienta (o perdida de volumen por unidad de área de contacto por unidad de tiempo) (Taylor, 1962), se encuentran en función de variables de salida como la temperatura en la herramienta, velocidad de deslizamiento, tensiones normales, tensiones cortantes, etc. y se basan en los mecanismos que intervienen en dicho desgaste.

El desgaste de flanco y/o cráter se puede representar en función del tiempo, la longitud de corte, el volumen del material eliminado y las fuerzas. En operaciones de desbaste, el desgaste se relaciona comúnmente con el volumen de material eliminado, que es el principal objetivo a maximizar en esta operación. En el acabado, el desgaste se presenta

en función de la longitud de pieza mecanizada, que indica cuánto ha friccionado el filo con la pieza (Taylor, 1962) (López de Lacalle et al, 2004).

Al igual que los modelos de vida de herramienta (Taylor), el modelo de desgaste de herramienta se encuentra en función de constantes que dependen del material, de la pieza y de la herramienta, expresado a través de coeficientes que se determinan por medio de datos experimentales (Yen et al, 2004(a)). Entre los modelos que forman parte de este grupo pueden citarse los de Takeyama y Murata y el modelo de Usui.

El modelo de Takeyama y Murata considera los mecanismos abrasivos y de difusión en función de los parámetros de velocidad de corte, avance, energía de activación, la constante universal de los gases y la temperatura de corte (Norma ISO 3685:1993).

Por otro lado, Usui et al, 1984 propone una ecuación derivada del mecanismo de desgaste adhesivo para la predicción analítica de la evolución del desgaste de cráter y de flanco, en función de las tensiones normales, velocidad de deslizamiento y temperaturas en la superficie de la herramienta.

A su vez, Usui desarrolla un modelo para la predicción de la formación de viruta y fuerzas de corte con datos obtenidos de ensayos de torneado en corte ortogonal.

En el modelo de Usui, la zona de baja temperatura en la curva de desgaste corresponde al desgaste de flanco. A una temperatura crítica de 877ºC (1150K) las líneas cambian de la zona de desgaste de flanco a la de cráter (ver figura 1.22(a)). Este cambio se atribuye a la formación de carburos frágiles y la desaparición de los granos de WC (capa que se difunde) de la herramienta a altas temperaturas (Mathew, 1989).

La velocidad de desgaste es constante con respecto al tiempo y proporcional a la carga aplicada, siempre y cuando las condiciones químicas y metalúrgicas de la superficie no sean afectadas (Taylor, 1962).

(a) (b)

Figura 1.22 (a) Curva de Desgaste –Temperatura (Usui et al, 1984) (b) Curva de Desgaste de flanco en función del tiempo.

Este modelo describe el desgaste de flanco en una etapa avanzada del mecanizado (Taylor, 1962) (Schmidt y Yen, 2003)(Ber y Kaldor, 1973), por lo que el estudio de la relación fuerzas-desgaste representa una opción para la comprensión del desgaste en las etapas que no han sido consideradas por este modelo.

En las curvas de desgaste normalmente se distinguen tres regiones: inicio de desgaste rápido, estado estable y fractura. La mayoría de las investigaciones se centran en modelos de desgastes de la segunda etapa, pues el comportamiento lineal de la curva en esta zona permite predecir la vida de la herramienta (Taylor, 1962)(Ber y Kaldor, 1973). Sin embargo, en el trabajo de Ber y Kaldor, 1973 se realizó un estudio de los primeros 30 segundos del mecanizado (primera zona), obteniéndose como resultado un desgaste inicial en forma de astillamiento del filo de la herramienta.

Por otra parte, concretamente para el caso de desgaste de flanco, la mayoría de los modelos teóricos y empíricos propuestos en la literatura describen el desgaste de flanco en una etapa avanzada del mecanizado (Taylor, 1962)(Schmidt y Yen, 2003)(Ber y Kaldor, 1973). Generalmente, en los primeros instantes del mecanizado la herramienta se desgasta súbitamente en la zona de incidencia produciéndose un pequeño desgaste de

flanco inicial (Remadna y Rigal, 2006). A pesar de que el desgaste de la región inicial es

rápido, su influencia en el nivel de desgaste es permanente (Ravindra et al, 1993). A este

efecto se le denominará, de aquí en adelante, flanco de acomodación de filo. Este fenómeno se ha observado en los ensayos realizados como parte de este trabajo, así como en estudios realizados por otros autores.

Filice et al, 2007, aplicando el modelo de Takeyama y Murata para la determinación del desgaste de flanco indican que el desgaste inicial de flanco presenta un valor promedio de unos 0,05 mm. Esta observación coincide con las realizadas en los ensayos presentados en esta Tesis. En este trabajo se propone incluir el flanco de acomodación de filo en la geometría inicial de la herramienta (sin desgaste), para que de esta forma se puedan comparar, en igualdad de condiciones, los datos de las componentes de fuerza medidos y calculados numéricamente.

La acomodación de filo descrita, correspondiente a un flanco de 0,05 mm, supone un incremento de la fuerza de avance obtenida por el modelo superior al 25%. También se produce un incremento de la fuerza de corte, pero de magnitud muy inferior. Sin embargo, la aparición de este desgaste inicial, no suele considerarse en los modelos numéricos de mecanizado que emplean geometrías de herramienta sin desgaste. Este efecto es una de las razones que explica las diferencias que usualmente se presentan entre valores medidos y los obtenidos de forma numérica.

1.8.2 Antecedentes en el estudio experimental de la relación desgaste-fuerza