Modelamiento del proceso de cepillado utilizando el método de elementos finitos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

"MODELAMIENTO DEL PROCESO DE CEPILLADO UTILIZANDO

EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS"

TESIS

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE

INGENIERO MECANICO

AUTOR: Br. Gerson Rodulfo Carranza Coronado

ASESOR: Ing. Juan Acosta Horna

TRUJILLO – PERU

PRESENTACIÓN

SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA.

SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:

De conformidad con lo estipulado por el Reglamento de Grados y Títulos de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo, presento a su consideración la presente tesis: "MODELAMIENTO DEL PROCESO DE CEPILLADO UTILIZANDO EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS"

El presente estudio tuvo como finalidad elaborar una metodología para estimar la fuerza de corte cuando se mecaniza un acero estructural utilizando galgas extensométricas.

El presente estudio corresponde a la línea de investigación en Procesos de Manufactura.

En la ejecución del presente informe se tomó en cuenta los conocimientos básicos de Metodología de la Investigación Científica y Procesos de Manufactura.

DEDICATORIA

ÍNDICE ANALÍTICO

PRESENTACIÓN

... i

DEDICATORIA

... ii

INDICE ANALÍTICO

... iii

LISTA DE FIGURAS

... vi

LISTA DE TABLAS

... viii

RESUMEN

... ix

CAPITULO I.- INTRODUCCIÓN

1.1 Realidad problemática ... 1

1.2 Enunciado del problema ... 1

1.3 Hipótesis ... 1

1.4 Justificación ... 2

1.4.1 Justificación técnica ... 2

1.4.2 Justificación económica ... 2

1.5 Objetivo ... 2

1.5.1 Objetivo general ... 2

1.5.2 Objetivos específicos ... 2

CAPITULO II.-FUNDAMENTOS TEORICOS

2.1 Antecedentes ... 3

2.2 Corte de materiales ... 6

2.3 El Cepillo ... 18

2.3.1 Proceso de trabajo en la cepilladora ... 19

2.3.2 Partes importantes de una cepilladora ... 20

2.3.3 Accionamiento de las cepilladoras ... 22

2.3.4 Tipos de cepillos ... 25

2.4 Fundamentos de cepillado ... 47

2.4.1 Longitud de la carrera ... 47

2.4.2 Velocidad de corte en el cepillado ... 48

2.4.3 Influencia de la longitud de carrera sobre la velocidades de corte ... 49

2.4.4 Calculo de tiempo principal en cepillado ... 51

CAPITULO III.- MATERIALES Y METODOS

3.1 Material de estudio ... 66

3.2 Método de los elementos Finitos aplicados al maquinado ... 69

CAPÍTULO IV.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 Resultados ... 84

4.2 Discusión de Resultados ... 91

CAPÍTULO V. - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones y recomendaciones ... 93

CAPITULO VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.2.1 Formación de la viruta ... 6

Figura 2.2.2. Herramienta de corte provocando separación de capa del

material... 7

Figura 2.2.3 Shear front lamella ... 7

Figura 2.2.4. Corte ortogonal de material mediante la herramienta ... 8

Figura 2.2.5. Corte ortogonal en tubo de pared delgada ... 8

Figura 2.2.6. Zona de corte primario y secundario ... 8

Figura 2.2.7. Dirección de Fuerza de corte (Fc) ... 10

Figura 2.2.8. Tipos de virutas: discontinua, continua y de filo recrecido ... 11

Figura 2.2.9. Corte ortogonal ... 12

Figura 2.2.10. Se muestra el ángulo de cizalladura ... 12

Figura 2.2.11. Componentes de la Fuerza de Corte ... 13

Figura 2.2.12. Descomposición de la Resultante ... 13

Figura 2.2.13. Curva Esfuerzo – Deformación ... 16

Figura 2.2.14. Campo de Slip Lines para el Corte Ortogonal ... 17

Figura 2.2.15. Distribución Tensional en la cara de ataque... 18

Figura 2.3.1. Tipos de piezas cepilladas ... 19

Figura 2.3.2. Mecanismo de Engrane-Cremallera ... 22

Figura 2.3.3. Mecanismo de retorno rápido ... 24

Figura 2.3.4. Mecanismo de Brazo Oscilante ... 25

Figura 2.3.5. Cepillo de Codo horizontal ... 28

Figura 2.3.6. Cepillo de Codo vertical ... 30

Figura 2.3.7. Cepillo de mesa de doble bastidor ... 33

Figura 2.3.8. Cepillo de mesa abierto lateralmente ... 34

Figura 2.3.10. Cepillo de mesa ... 36

Figura 2.3.11. Cepillo de Codo ... 36

Figura 2.3.12. Ángulos de la herramienta... 37

Figura 2.3.13. Características geométricas de una herramienta de cepillar ... 38

Figura 2.3.14. Sentido de avance ... 39

Figura 2.3.15. Útiles de desbastar ... 40

Figura 2.3.16. Cepillo de Codo vertical... 40

Figura 2.3.17. Herramienta para cepillar a la americana ... 41

Figura 2.3.18. Formas diversas de los útiles de cepillar ... 41

Figura 2.3.19. Herramientas especiales para ranuras ... 42

Figura 2.3.20. Sujeción de Útiles ... 42

Figura 2.3.21. . Ajuste de la Herramienta en el Cepillado Vertical y Oblicuo.... 43

Figura 2.3.22. Sujeción de Piezas Pequeñas ... 44

Figura 2.3.23. Sujeción en la mesa de cepillar ... 44

Figura 2.3.24. Sujeción de Piezas Delgadas ... 45

Figura 2.3.25. Ajuste de la Longitud de la Carrera ... 46

Figura 2.3.26. Sección de viruta ... 47

Figura 2.4.1. Longitud de la Carrera ... 48

Figura 2.4.2. Velocidad de Corte en el Cepillado ... 49

Figura 2.4.3. Anchura de Cepillado ... 52

Figura 2.5.1. Modelos de materiales aplicados en la teoría de elasticidad ... 54

Figura 2.5.2. Modelado de un proceso de formación de viruta... 60

Figura 2.5.3. Simulaciones realizadas usando AdvantEdge... 62

Figura 2.5.4. a) Descripción Euleriana b) Descripción (ALE) ... 63

Figura 2.5.5. Resultados de una simulación de un corte ortogonal ... 64

Figura 3.2. Aquí se muestra como se escoge el material SAE 1020 ... 68

Figura 3.3. Aquí se muestra como se escoge los ángulos ... 69

Figura 3.4. Malla de elementos finitos ... 72

Figura 3.5. Comparación entre una solución de una lagrangiana y una ALE ... 76

Figura 3.6. Discretizacion de la pieza de trabajo y herramienta ... 81

Figura 3.7. Mallado adaptativo en el modelado de grandes gradientes ... 82

Figura 4.1. Se observa los ángulos de ataque 14°, el Angulo de incidencia 8°.84

Figura 4.2. Se observa la Distribución Tensional 1mm ... 85

Figura 4.3 Se observa la Distribución de las Temperaturas 1mm ... 85

Figura 4.4. Se observa la Distribución Tensional por Cortante 1mm ... 86

Figura 4.5. Se observa el cálculo de la fuerza de Corte y de la fuerza 1mm.... 86

Figura 4.6 Se observa la Distribución Tensional 2mm ... 87

Figura 4.7. Se observa la Distribución de Temperaturas 2 mm ... 87

Figura 4.8. Se observa la Distribución Tensional por Cortante 2mm ... 88

Figura 4.9. Se observa la Fuerza de Corte y avance 2mm ... 88

Figura 4.10. Se observa la Distribución Tensional 3mm ... 89

Figura 4.11. Se observa la Distribución de Temperaturas 3mm ... 89

Figura 4.12 Se observa la Distribución Tensional por Cortante 3mm... 90

Figura 4.13. Se observa la Fuerza de Corte y avance 3mm ... 90

LISTA DE TABLAS

Tabla 2.1. Herramienta de acero rápido ... 37

Tabla 2.2. Herramienta con plaquita de aleación dura ... 37

Tabla 2.3. Valores prácticos para la velocidad de corte ... 45

Tabla 2.4. Elección del número de dobles carrera ... 46

RESUMEN

La presente tesis tuvo como finalidad la elaboración de un método sencillo para la estimación de la fuerza de corte cuando se realiza el mecanizado en el proceso de cepillado. Este método se llevó a cabo mediante una simulación en computadora por un modelado en elementos finitos; método Euleriano-lagrangiano arbitrario (ALE), seleccionando un elemento triangular. Se utilizó un material de prueba SAE 1020, para este proceso de cepillado con una corte ortogonal. Se utilizó una herramienta de carburo con avance 0.15 mm/rev, los ángulos de ataque 14° e incidencia 8° para todas las pruebas profundidad (1mm, 2mm, 3mm); los mismos datos tomados en el trabajo de investigación de Estuardo de León Lemus. Obteniéndose, datos como distribución tensional (Von Misses), distribución de temperaturas, distribución tensional por cortantes, cálculo de fuerza de corte (X) y fuerza de penetración (Y). Cuales contrastados y validados con los datos del trabajo de investigación de Estuardo de León Lemus; obtuvimos un porcentaje de desviación de nuestra fuerza de corte (promedio de valores registrado) para las 3 simulaciones, oscilando entre 2.17% a 0.76%. Observándose que

las desviaciones son mínimas, verificando que nuestra simulación se acerca a valores reales. Además, pudimos verificar que la fuerza de avance es mucho menor que la de

corte, por lo que se infirió que el consumo de potencia es mínimo lo cual también se señala en la biografía. Finalmente se recomienda seguir estudiando los procesos de simulación para diferentes materiales, condiciones de corte y otros procesos de mecanizados.

ABSTRACT

CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN.

1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA.

El maquinado es un proceso de manufactura que ha impulsado el desarrollo industrial desde el siglo pasado, hasta llevarlo a un nivel que parece no tener límites, este proceso que abarca toda una serie de procesos y está directamente o indirectamente relacionado con cualquier producto manufacturado. La investigación en el mecanizado generalmente se centra en tratar de predecir las fuerzas que actúan en el corte, así como los mecanismos que dentro de ella ocurren.

El cepillado es un proceso de manufactura muy utilizado en nuestro medio, básicamente para obtener la información requerida para poder realizar el Cepillado del Metal nosotros hacemos cálculos empíricos y muchas veces aproximamos, no existiendo tablas propiamente dichas que garanticen un cepillado correcto, eficiente y económico.

En nuestra Universidad Nacional estamos iniciando una serie de estudios para adentrarnos en el mundo de la simulación; este trabajo de investigación se centra en conocer los valores de los parámetros que tenemos al realizar un cepillado. En ese sentido las simulaciones son unas buenas alternativas a larguísimas horas de ensayos de prueba y error. Lamentablemente es muy difícil tratar de modelar los procesos mecanizados por que tienen muchas variables e interactúan entre ellos, de tal manera que aun falta muchos por investigar y probar nuevos modelos todo ello gracias a la potencia del computador que se ha elevado muchísimo.

1.2. ENUNCIADO DEL PROBLEMA

"COMO MODELAR EL PROCESO DE CEPILLADO UTILIZANDO EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS"

1.3. HIPÓTESIS.

1.4 JUSTIFICACIÓN.

1.4.1 Justificación Técnica.

 El modelamiento del proceso de cepillado será muy importante ya

que nos puede mostrar cuales son los valores aproximados de las

principales magnitudes que están involucradas en el proceso.

1.4.2 Justificación Económica.

 El desgaste de las herramientas y la mejor forma de cortar y como

queda la superficie mecanizada son datos muy importantes en la

economía del proceso. 1.5 OBJETIVOS

1.5.1 Objetivo General

 Obtener una metodología y una secuencia sencilla que nos lleve a

una formulación rápida y consistente de tal manera que se pueda llevar a cabo una simulación en computadora.

1.5.2 Objetivos Específicos

 Elegir el tipo más apropiado de elemento a utilizar en nuestra

simulación.

 Escoger la ecuación que describa el comportamiento del material

durante el proceso de deformación plástica a una velocidad de corte elevada.

 Obtener una distribución tensional a lo largo de la herramienta, así

como la pieza.

 Obtener una distribución de las deformaciones ya sea normales o

CAPÍTULO II.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

2.1. ANTECEDENTES

En la actualidad existe muchísima investigación sobre la aplicación de los métodos numéricos a procesos de mecanizado, desde la década de los años 70 donde se abandonaron los modelos analíticos hasta la fecha se han desarrollado muchísimas formulaciones a continuación vamos a nombrar algunas que nos han conducido a la realización de este trabajo.

A. Gok , K. Gok, and M. B. Bilgin "Three-dimensional finite element model of the drilling process", en este estudio se analiza el proceso de taladrado de un hueso tanto numericamente asi como experimentalmente, para el análisis numérico se utiliza el método de los elementos finitos software comercial DEFORM - 3D, algunas condiciones tales como fricción, el modelo de material, la carga y las condiciones de contorno deben ser identificadas. Así podemos calcular la fuerza de corte, la fuerza de avance, y la distribución de temperaturas.

Ozden Isbilir Elaheh Ghassemieh en su paper titulado “Finite Element Analysis of Drilling of Titanium Alloy” describe como el taladrado es un proceso altamente demandado y su extrema complejidad de la herramienta y la progresiva falla del material de la pieza de trabajo. En su estudio se utiliza un software comercial ABAQUS/Explicit en 3D. Mediante su modelo propuesto donde él toma en cuenta el daño inicial y la evolución del material de la pieza de trabajo un modelo de contacto inicial entre la broca y la pieza de trabajo es necesario. Con sus resultados el logra describir los principales parámetros de este proceso en estudio y confirma que la capacidad y ventaja de la Simulación por Elemento Finito es muy pertinente para los procesos de mecanizado.

economía sino también para la ecología del mecanizado la ausencia del fluido de corte reduce ambos. Sin embargo, la ausencia de fluido de corte incrementa la temperatura de la herramienta y la pieza de trabajo y como consecuencia existe expansión térmica. Como resultado existirá una desviación geométrica en las

medidas planteadas. Por lo tanto, es muy importante calcular estas expansiones y sobre todo ser calculadas a priori para evitar ensayos tediosos de ensayo y error. Así el modelado por elementos finitos no solo nos muestra una distribución tensionar entre la herramienta y la pieza de trabajo, sino que además nos muestra como es la variación de temperaturas con estos datos podemos calcular lo anteriormente señalado con mucha facilidad.

M. R. Stalin John en su trabajo titulado "Finite Element Method-Based Machining Simulation for Analyzing Surface Roughness During Turning Operation with HSS and Carbide Insert Tool " se estudia al SAE 1020 considerando cual es el efecto de la velocidad de corte la profundidad de corte y el avance sobre la rugosidad de la superficie. En este trabajo se emplea dos tipos de herramientas una cuchilla de HSS y un inserto. El software de simulación escogido es el DEFORM 2D sus resultados simulados fueron comprados con los experimentales mostrando una desviación máxima de 23% y una mínima de 1.15% respectivamente.

K. Weinert M. Schneider en su trabajo "Simulation of Tool-Grinding with Finite Element Method" hay un especial interés en el esfuerzo térmico que es uno de los principales problemas de las herramientas de rectificar. Si las temperaturas son muy altas la herramienta puede sufrir daño. El esfuerzo Térmico y el Esfuerzo

Termo-mecánico sobre las herramientas son dos puntos de enorme relevancia cuando describes la influencia sobre las superficies de la zona de contacto. La simulación por elemento finito nos muestra claramente la relación existente entre el esfuerzo termo mecánico y el desgaste. Además, el mapeo de la distribución de las temperaturas permite tener una visión clara de cómo se está desarrollando el proceso.

A.P. Markopoulos (Laboratory of Manufacturing Technology, National Technical University of Athens, Greece) en su trabajo "Simulation of Grinding by Means of the Finite Element Method and Artificial Neural Networks", aquí el autor señala que la simulación del rectificado es un tópico de gran interés debido a su extensa aplicación en la industria moderna. Además nos dice que en su trabajo debido a la precisión y la complejidad del fenómeno el escoge aplicar el FEM y el ANN (Artificial Neural Networks).

Fco. Eugenio López Guerrero, Lionel S. Méndez P, Francisco Ramírez en su trabajo de investigación "Simulación por FEM de la distribución de la temperatura en la herramienta durante el proceso de fresado" expresa que una de las condiciones en el proceso de maquinado es la energía térmica generada durante el proceso. Esta energía puede medirse en términos de incrementos de temperatura y depende de la profundidad de corte, la velocidad de avance, de giro de la herramienta. Así en su trabajo presenta una simulación basada en experimentos de los efectos de la velocidad de avance sobre el comportamiento de la temperatura durante el proceso de fresado.

proceso de arranque de viruta en un torno" el autor logra describir el diseño, construcción, calibración y pruebas (diferente tipo de buril y profundidad de corte); de un dinamómetro para la medición de la fuerza de penetración durante el proceso de corte en el torneado.

2.2 EL CORTE DE METALES

Cuando se explica la historia del corte de los metales es una serie de marchas y contramarchas, y un listado de diferentes teorías, que llenan libros de libros. Se tiene mucha información sobre el corte metálico y muchísima investigación lamentablemente el fenómeno es muy complejo debido principalmente a su naturaleza (flujo de material, espacio reducido, generación de calor, esfuerzos elevados, velocidades de deformación extremas, etc.)

Según el ASM Handbook N0_{16 el corte de los metales está relacionado con la} extracción de una cantidad de material muy pequeña y altamente deformado que en principio toma el nombre de viruta.

Figura 2.2.1. Formación de la viruta

Figura 2.2.2. Herramienta de corte provocando separación de capa del material

Por su parte el material base conforme se acerca a la herramienta se empieza a deformar elásticamente y después plásticamente de tal manera que la deformación plástica por cortante se vuelve intensa y cizalla al material produciendo la viruta (un material altamente deformado) a esta estructura producida se conoce como shear front lamella que es una serie no homogénea de planos

Figura 2.2.3 Shear front lamella, serie de planos no homogéneos creados por la deformación del material

Figura 2.2.4. Corte ortogonal de material mediante la herramienta

En el corte Ortogonal la dirección de avance de la herramienta debe formar un ángulo de 90o _{con el filo de la herramienta. Esto se puede obtener si se tornea un} disco o un tubo de pared delgada.

Figura 2.2.5. Corte ortogonal en tubo de pared delgada

El filo en forma de cuña abre el material. El material separado se recalca (aumenta su grueso) por efecto de la fuerza aplicada con la cara anterior de la herramienta. · La partícula de metal se curva y se desvía de la superficie de trabajo.

· Cada partícula siguiente hace el mismo proceso, para continuar unida a la

anterior, formando una viruta más o menos continua, o separarse y dar origen a una viruta fragmentada.

Dependiendo de la naturaleza del material y de la forma de la herramienta, la viruta será diferente; es decir, una misma herramienta produce virutas diferentes en distintos materiales.

Los materiales plásticos, como el cobre, el plomo, los aceros suaves, dan unas virutas largas más o menos rizadas; por el contrario, la fundición, el bronce, el latón con mucho cinc y, en general, los materiales quebradizos, originan virutas cortas. Básicamente, la viruta se forma en un proceso de cizalladura localizado que se desarrolla en zonas muy estrechas. Se trata de una deformación plástica, bajo condiciones de gran tensión y alta velocidad de deformación, que se genera a partir de una región de compresión radial que se propaga por delante de la herramienta cuando ésta se desplaza por encima de la pieza.

Esta región de compresión radial posee, al igual que toda deformación plástica, una zona de compresión elástica que pasa a serlo de compresión plástica al otro lado de la frontera entre ambas.

En los metales recocidos, la compresión plástica engendra densas marañas y redes de dislocaciones, y cuando este endurecimiento por deformación plástica llega a la saturación (acritud total), al material no le queda otro remedio que cizallarse.

Otro de los aspectos interesantes del corte de metales es que la formación de la viruta se produce en una región muy pequeña denominada zona primaria, debido a esta razón los investigadores la reemplazan por un plano llamado plano de

donde se ha aplicado otro principio el de la Mínima Energía, un principio físico muy utilizado en diversas ramas de la ciencia.

El Ingeniero Eugene Merchant fue uno de los primeros en sistematizar todo esto e intentar dar una respuesta más estructurada a todo esto y se puede ver en su

famoso paper donde presenta la Teoría de Merchant

La determinación de la fuerza de corte en el mecanizado permite conocer, no sólo las solicitaciones dinámicas a las que se ve sometidas la herramienta y la pieza, sino también el valor de la potencia requerida para poder efectuar el proceso. La mayor parte de dicha potencia se consume en la eliminación del material de la pieza; de ahí que la componente de la fuerza que reviste una mayor importancia desde este punto de vista es aquella que tiene la misma dirección que la velocidad de corte.

A esta componente se la denomina Fuerza de Corte (Fc).

Figura 2.2.7. Dirección de Fuerza de corte (Fc) en el mecanizado con el corte ortogonal

Figura 2.2.8. Tipos de virutas: discontinua, continua y de filo recrecido

Fuerzas de corte

Es importante conocer las fuerzas y la potencia en las operaciones de corte, por las siguientes razones:

Se deben conocer los requerimientos de potencia, para seleccionar una máquina herramienta adecuada.

Se requieren datos sobre fuerzas de corte para diseñar en forma correcta las máquinas herramientas y evitar deformaciones excesivas de sus elementos, manteniendo las tolerancias dimensionales necesarias en la pieza terminada, las herramientas y sus sujetadores, así como los soportes y para determinar antes de la producción real si la pieza es capaz de resistir las fuerzas de corte sin deformarse demasiado.

Las fuerzas que actúan sobre la herramienta en el corte ortogonal han sido estudiadas desde muchos planteamientos como Merchant. Lee Schaffer, Oxley etc. Su cálculo analítico a veces resulta tan engorroso a pesar de que se debe hacer una infinidad de supuestos que nos alejan cada vez más de la realidad.

Antes de continuar nuestro análisis de las fuerzas según métodos tradicionales debemos partir del supuesto de un análisis de un proceso de corte ortogonal y

Figura 2.2.9. Corte ortogonal donde el filo de la herramienta y la dirección de avance forman 90 °

El plano de corte o plano de cizalladadura: El material es deformado plásticamente delante del filo de la herramienta. La viruta se desliza encima de esta y se va formando la viruta. La región entre el inicio de formación de la viruta y la pieza no deformada es llamada zona de deformación plástica. El tamaño de la zona de deformación plástica depende de los parámetros de corte. El tamaño de esta zona decrese con el incremento de la velocidad de corte. En el análisis de esta delgada zona se asume que el material de trabajo se cizalla a través de un plano y forma la viruta.

El ángulo del plano de cizalladura: El ángulo entre el vector velocidad de corte y el

plano de corte es llamado ángulo de cizalladadura . La viruta está formada por deformación plástica de la pieza de trabajo y el material que está fluyendo continuamente

En el corte Ortogonal la Fuerza Resultante aplicada por la herramienta hacia la

viruta descansa en un plano normal al filo de la herramienta de corte, esta puede ser medida experimentalmente midiendo sus componentes ortogonales en la

dirección de corte y su respectiva normal esta dirección con ayuda de un dinamómetro, así la magnitud de la fuerza resultante puede ser encontrada como sigue

Figura 2.2.11. Componentes de la Fuerza de Corte

Si ahora descomponemos la Resultante en una componente paralela al plano de cizalladura con su respectiva normal y otra sobre la cara de ataque de la herramienta y su respectiva norma tenemos el círculo de fuerzas que se muestra en la figura.

Combinando adecuadamente las ecuaciones podemos llegar a lo siguiente

Teoría de Ernst y Merchant. Se basa fundamentalmente en que el plano de cizalladura minimizara el trabajo realizado por el corte del metal. Para esto asume ciertos supuestos:

La herramienta es perfectamente aguda.

La deformación ocurre en dos dimensiones.

El esfuerzo normal y el Esfuerzo cortante se mantienen uniformes y constantes el plano de cizalladura.

El material es rígido y perfectamente plástico

El método de Merchant realmente no era algo nuevo él se basa en el Principio de la Mínima Energía, principio físico muy utilizado.

Así de la figura anterior podemos deducir lo siguiente

Suponiendo que el Esfuerzo de fluencia del material en Corte =

Así la energía consumida por durante el mecanizado seria

De donde la solución es

Otra de las conocidas teorías es la de Lee Schaffer está basada sobre la teoría del Campo de las Slip Lines y aplica un análisis simplificado de plasticidad al problema del corte ortogonal además parte de supuestos acerca del comportamiento del material de trabajo bajo esfuerzo:

El material es rígido plástico.

El comportamiento del material es independiente de la velocidad de deformación. El incremento de la temperatura durante la deformación es despreciable.

Los efectos inerciales de la aceleración del material durante la deformación son despreciables.

Figura 2.2.14. Campo de Slip Lines para el Corte Ortogonal

El triángulo ABC contiene la zona de deformación. El plano CB es el esfuerzo libre y

las slip lines se reúnen con CB a 45°. AC es el plano de cizalladura y hay una velocidad discontinua a lo largo de AC. Un conjunto de Slip Lines son paralelos a

AC y otro conjunto perpendicular a AC y inclinado a un cierto ángulo ( )

con la cara de ataque de la herramienta.

Figura 2.2.15. Distribución Tensional en la cara de ataque de la herramienta según Zorev

2.3 EL CEPILLO

El cepillado es una operación mecánica con desprendimiento de viruta en la cual se

utiliza una máquina llamada cepillo y el movimiento es proporcionado en forma

alternativa, y se usa una herramienta llamada buril.

El cepillo es una máquina que también sirve para dar acabado a piezas ya

empezadas en el torno. Existen unas piezas llamadas piezas caprichosas que son

las piezas que sólo se pueden hacer en máquinas como la fresadora o el cepillo de

codo.

Las máquinas para cepillado (en general llamadas cepillos) se utilizan

principalmente para producir superficies planas horizontales, verticales o inclinadas.

Algunas veces también se producen superficies irregulares o curvas. Para cepillar

se le imprime movimiento alternativo a una herramienta (buril) con la ayuda de un

mecanismo provisto en las maquinas que cambian el movimiento circular a

movimiento alternativo. Las virutas se arrancan de la pieza en forma de cintas por virtud del movimiento principal rectilíneo.

Figura 2.3.1. Tipos de piezas cepilladas. a) “Y” b) Listones de guía; c) guía en forma de cola de milano; d) punzón en forma de I

2.3.1 PROCESO DE TRABAJO EN LA CEPILLADORA

La condición para el arranque de viruta con herramientas de corte son los movimientos respectivos de la pieza y de la herramienta entre sí. Cada viruta producida tiene tres dimensiones: longitud, anchura y espesor. Cada dimensión exige un movimiento de trabajo, de tal forma que las máquinas herramienta, en este caso la cepilladora, desarrolla siempre tres movimientos de trabajo. Estos tres movimientos de trabajo son:

El movimiento principal o movimiento de corte: es realizado por el útil de cepillar. Se distingue entre carrera de trabajo y carrera en vacío. La viruta es

arrancada durante la carrera de trabajo. Por medio de la carrera en vacío (retroceso) el útil vuelve hacia atrás sin arranque de viruta. Ambas carreras juntas constituyen la doble carrera.

El movimiento de avance: es el que da lugar al espesor de viruta. Para cepillar en dirección horizontal, la pieza, ya sujeta, que se va a trabajar, es movida contra el útil. En el cepillado vertical, es el útil el que se mueve contra la pieza.

2.3.2 PARTES IMPORTANTES DE UNA CEPILLADORA

En la mayoría de éstas, la acción es en cierto modo opuesta a la del limado, pues

aquí la pieza se mueve en contacto con una, o varias, herramientas de corte único inmóviles. En estas máquinas el conjunto de pieza y mesa forman una masa pesada que debe recibir un movimiento alternativo a velocidades relativamente bajas; por ello, se emplean varios cabezales, a menudo con herramientas múltiples cada uno, Además, muchas acepilladoras están dotadas de unos cabezales dispuestos de modo que puedan cortar en las dos direcciones de movimiento de la mesa. Pese a ello, como las herramientas son exclusivamente de corte único y las velocidades de corte son muy bajas, la productividad de las acepilladoras es reducida en comparación con las de otras máquinas herramienta.

 Bancada: Es una gran pieza fundida en forma de caja que constituye la parte más

robusta de la máquina, la cual soporta todo el conjunto y debe absorber las vibraciones que se producen en los cambios de sentido de movimiento de la mesa, que se desliza sobre guías. La calidad de ejecución de estas guías es de lo que depende en gran parte la precisión de la máquina.

 Mesa: Es una pieza fundida de grandes dimensiones y forma rectangular que va

montada encima de la bancada, sobre guías en V, sirviendo para fijar la pieza. Su superficie superior va provista de agujeros o ranuras para enganchar los accesorios de fijación de las piezas que han de ir firmemente sujetas a la mesa.

También deben ser robustas para resistir el peso de las piezas y los esfuerzos desiguales que producen los medios de fijación de las piezas.

 Montantes ó Columnas: Los montantes o columnas, juntos con el travesaño

 Guía Transversal: La guía transversal, o puente, es un elemento que va montado

en posición horizontal sobre guías verticales de los montantes. Su objeto es sostener los cabezales de herramienta verticales, los cuales, por medio de tornillos de avance (uno para cada cabezal) pueden moverse de izquierda a

derecha. El puente se mueve hacia arriba y hacia abajo por medio de husillos de elevación situados dentro de las guías de las columnas.

 Carro: el carro es un elemento ajustado a las guías del puente. En su superficie

frontal tiene guías a las que se ajusta el cabezal de herramienta, junto con un tornillo de avance vertical que sirve para dar movimiento vertical a dicho cabezal. Hay dos carros, uno para el cabezal izquierdo y otro para el cabezal derecho, pudiéndose maniobrar cada uno independientemente del otro.

 Cabezal: El cabezal de herramienta es un elemento que va unido al carro y que

contiene el portaherramientas, el cual, a su vez, sujeta a las herramientas de corte. El portaherramientas va articulado mediante charnela al cabezal de forma que, en la carrera de retroceso de la mesa, se levanta la cuchilla a fin de que deslice sobre la parte superior de la pieza. Esto evita que el filo de la herramienta se deteriore y permite que el avance automático transversal se efectúe sin interferencia. Hay tres cabezales de herramienta, dos en posición vertical en el puente y el otro en posición horizontal sobre el montaje debajo del puente.

 La corredera cruzada o cruceta: Es un vaciado en forma de riel que se encuentra

al frente de la columna. Su función es la de permitir movimientos vertical y horizontal de la mesa.

 El Portaherramientas: El grupo portaherramientas, que va fijado al carro, además

de soportar y sujetar la herramienta, posee los órganos de regulación en altura de la herramienta y puede girar alrededor de su eje horizontal. En el grupo parcialmente seccionado de la figura se han representado, esquemáticamente, los

2.3.3 Accionamiento de las Cepilladoras

Son diferentes los métodos por los cuales las acepilladoras son accionadas; entre

estos tenemos:

Mecanismo de Engranaje Cremallera

Utilizado en cepillos de mesa, el mecanismo consiste de una cremallera montada en la parte inferior de la mesa, la cual es accionada por un engrane que proporciona el movimiento a la mesa, el movimiento al engrane es proporcionado por un motor a través de una caja de velocidades. La inversión de la marcha es realizada por medio de un sistema de embrague (clutch). La velocidad en la carrera tiende a ser constante, a excepción de los extremos en donde existe desaceleración, llega a cero y luego aceleración.

Figura 2.3.2 Mecanismo de Engrane-Cremallera

Mecanismo Tornillo sin fin

Mecanismo hidráulico

Es un sistema muy ventajoso por la suavidad de su marcha, su velocidad es

uniforme y sobre todo que los impactos en el cambio de sentido del carro o la mesa son totalmente amortiguados, se adapta a los cepillos de codo y de mesa. Este sistema es accionado por medio de un motor de velocidad constante e irreversible que acciona a una bomba hidráulica. El aceite empleado en esta unidad de fuerza es continuamente filtrado a medida que pasa por los tubos hasta el depósito hidráulico; el sistema es completamente estancado para evitar la entrada de suciedad, y solo se usan tubos y accesorios de unión para presión hidráulica elevada, a fin de evitar las fugas de aceite. Su principal desventaja y por lo cual no es de uso común es su alto costo de mantenimiento.

Mecanismo de Brazo Oscilante

Para realizar el trabajo estas máquinas deben transformar el movimiento giratorio del motor eléctrico en movimiento rectilíneo del carro. La transformación se obtiene mediante un sistema de biela oscilante. A través de un cambio de velocidades el movimiento giratorio del motor se transmite a un volante (a) que comanda a una biela oscilante (b), la cual oscila en el perno (d). Este último viene arrastrado por el movimiento de un botón de la manivela (c) arrojado en una acanaladura del volante (a).

El botón de la manivela recorre una trayectoria circular (i) con movimiento uniforme, y deslizándose en una platina que está en el interior de la acanaladura de la biela (b), esta transmite a la biela (f) el movimiento alterno del carro portaherramientas (e).

La variación de la amplitud de la carrera de trabajo se obtiene desviando el botón de la manivela (c) radialmente sobre el volante (a) y transmitiendo el mando por

desliza con un movimiento circular uniforme, recorre la circunferencia (i) y arrastra la leva de la biela con movimiento alterno pendular hacia adelante y hacia atrás. La carrera de la extremidad oscilante de la biela va de derecha a izquierda en el tiempo que necesita el botón de la manivela para recorrer el arco LMN. La carrera

de izquierda a derecha de la extremidad de la biela se efectúa en el tiempo que necesita el botón de la manivela para recorrer el arco NOL. Es claro que el tiempo empleado por la extremidad de la biela para efectuar una carrera de derecha a izquierda es mayor que el tiempo empleado para efectuar una carrera de izquierda a derecha. Se comprende porque la primera es la que corresponde al trabajo y la segunda a la carrera en vacío.

La desventaja de este sistema es que su velocidad no es constante a lo largo de la carrera, llega a un máximo y retorna a cero con un movimiento de desaceleración, lo mismo sucede para el retroceso pero el movimiento lo hace más rápido.

.

Figura 2.3.4. Mecanismo de Brazo Oscilante

2.3.4 Tipos de Cepillos

La mayor parte de los cepillos se han diseñado con una columna vertical que se usa para soportar la corredera, mesa y los mecanismos de impulso y alimentación. En algún momento de su desarrollo se llamaron de columna o pilar. Sin embargo, puesto que el diseño de tipo de columna se ha generalizado tanto en la construcción de cepillos, los fabricantes consideran que este hecho ya se ha convertido en conocimientos generales de la industria de máquinas. Por tanto se han empleado ya términos más significativos y específicos para clasificar estas máquinas y que indican o señalan algunas características específicas en el diseño de su producto. Algunos tipos de cepillos comúnmente usados se han diseñados para desarrollar trabajos de alguna clase definida, con la mayor efectividad posible. Entre los diseños menos comunes se encuentran el cepillo de cabeza móvil y el cepillo de corte de jalón.

trabajo (pieza bruta), se mueven cuando se conecta la alimentación automática. Con la limadora de tracción el material se corta en la carrera de regreso en lugar de la de avance. En otro grupo de clasificación se ha basado sobre el tipo de mecanismos de impulso que se utiliza en su fabricación. Por ejemplo, los cepillos

en que el movimiento recíprocamente de la corredera se produce por medio de manivela y perno, principalmente en el engrane, en el movimiento de la máquina, reciben el nombre de cepillos de manivela. Similarmente los cepillos de engrane reciben este nombre debido a una serie de engranes y cremallera que se encuentra en la parte inferior de la corredera y que mueven a la herramienta de corte sobre el trabajo o pieza bruta. En el cepillo vertical se tiene aún otra característica de construcción de diseño, responsable del nombre. La herramienta de corte se mueve en dirección vertical, en contraste con el movimiento horizontal habitual de la corredera.

De acuerdo a su diseño y funcionalidad, se clasifican en Cepillo de Codo y de Mesa.

Cepillo de Codo

Es una máquina con una herramienta de corte alternativa, del mismo tipo que la del torno, la cual efectúa un corte rectilíneo. Moviendo la pieza a través de la trayectoria de esta herramienta, se genera una superficie plana independientemente de la forma de la herramienta. Por medio de herramientas especiales, accesorios y dispositivos para sujetar la pieza, un cepillo de codo puede cortar también cuñeros externos e internos, gargantas espirales, cremalleras, colas de milano, ranuras en T y otras formas.

como limadora, es el cepillo más utilizado por ser el más pequeño ya que la máxima carrera de este tipo es de 1.5m aproximadamente.

Clasificación de los Cepillos de Codo.

A. Horizontal - Corte en el avance 1. Simple (trabajo de producción) 2. Universal (trabajo de herramientas) B. Horizontal – Corte en el retroceso

C. Vertical

1. Ranuradora 2. Mortajadora

D. De uso especial como para el corte de engranajes

Se puede aplicar potencia a la máquina por medio de un motor individual, por medio de engranajes o bandas, o empleando un sistema hidráulico. El mecanismo alternativo de la herramienta se puede disponer de diferentes maneras. Algunos de los cepillos de avance, pero en la actualidad la mayoría de cepillos de codo se impulsan por un brazo oscilante y un mecanismo de manivela.

Cepillo de codo horizontal

superior para permitir que la herramienta se levante en la carrera de retroceso, y evitar que se incruste en la pieza.

Figura 2.3.5 Cepillo de Codo horizontal

La mesa de trabajo está soportada sobre dos guías en cruz al frente del cepillo. Un tornillo de avance, en conexión con las guías, permite que la pieza se mueva transversal o verticalmente, manual o con transmisión de potencia. Un cepillo de codo universal que tiene estas mismas características, está provisto de adaptación de giro e inclinación para posibilitar un maquinado preciso a cualquier ángulo. El ajuste giratorio se efectúa alrededor de un eje paralelo al movimiento del ariete. El referente a la inclinación está sobre la mesa, el cual provee de los medios para colocar está a un ángulo con respecto al eje giratorio. En el cepillo de codo, la pieza se sujeta atornillándola a la mesa de trabajo o fijándola ya sea por medio de un tornillo de mesa o algún dispositivo especial.

Cepillo de codo hidráulico

se muestra por lo general en un indicador y no requiere cálculo. Tanto la longitud de la carrera como la posición relativa a la pieza, se pueden cambiar con rapidez sin parar la máquina, moviendo dos pequeñas manijas al lado del ariete. Otra característica es la de que el movimiento del ariete se puede invertir

instantáneamente en cualquier parte y en ambas direcciones del recorrido. El avance hidráulico se produce mientras la herramienta deja de tocar a la pieza y la operación completa de la máquina está inactiva. La relación máxima de velocidad de corte es de aproximadamente 2:1.

Cepillo de codo con corte en el retroceso

Este cepillo de codo se llama así porque la herramienta es jalada por el ariete a través de la pieza, en lugar de ser empujada. Se recomiendan los cepillos horizontales con corte en el retroceso para los cortes fuertes. Se usan con frecuencia para el corte de grandes placas de matrices y para el maquinado de piezas grandes en los talleres ferroviarios. Durante el corte, la pieza se jala contra el apoyo posterior ajustable o la cara ajustable o la cara de la columna, reduciendo de este modo los esfuerzos en las guías en cruz y en los apoyos del carro. Hay muy poca vibración, ya que durante el corte se ejerce un esfuerzo de tensión en el ariete.

Cepillo de codo vertical

circular, permite el maquinado de superficies curvas, proceso que es particularmente deseable para muchas piezas irregulares que no se pueden tornear. Las superficies planas se cortan usando cualquiera de los avances transversales de mesa. Un tipo especial de cepillo de codo vertical, conocido como

Mortajadora, está diseñado para cortar cuñeros en engranajes, poleas, levas y piezas similares. A continuación observaremos una ilustración del Cepillo Vertical.

Figura 2.3.6 Cepillo de Codo vertical

Cepillo de Mesa

En forma histórica, el cepillo de mesa precede al cepillo de codo. Originalmente la bancada plana y las guías del primer cepillo de mesa se hicieron a mano utilizando cincel y lima.

línea sobre una placa. Los cepillos de mesa ya no son importantes para el trabajo de producción, pues la mayor parte de las superficies planas se maquinan por fresado, escariado o maquinado abrasivo.

Ahora, una acepilladora se le llama universal cuando sus herramientas pueden cortar material en las dos carreras, avance y retroceso, mediante un mecanismo de doble herramienta por cada portaherramientas, o bien que la herramienta gire 180º cada vez que se cambia el sentido del movimiento, este tipo de herramientas lo tienen todos los cepillos de fosa y los cepillos grandes del tipo de mesa. Este tipo de portaherramientas se adapta a maquinas grandes debido a que el tiempo en cada carrera es muy grande y de esta manera el tiempo de fabricación se reduce casi hasta la mitad.

Tamaño del Cepillo de Mesa y Cepillo de Codo

El método usual para designar el tamaño de los cepillos de mesa y los de codo es como se sigue:

Cepillo de codo. Longitud máxima de la pieza que se puede maquinar en milímetros.

Cepillo de codo vertical o ranurador. Longitud máxima de la carrera en milímetros X diámetro de la mesa de trabajo en milímetros.

Cepillo de mesa. Ancho de la mesa en milímetros X distancia desde la mesa al riel en milímetros X longitud de la mesa en metros que fluctúa entre 1 y 30,5 m aproximadamente.

Clasificación de los cepillos de mesa

Los cepillos de mesa se pueden clasificar en varias formas, pero de acuerdo a la construcción general hay cuatro tipos:

B. Lateralmente abierto C. Tipo fosa

D. Canteador

Transmisión de un Cepillo de Mesa

Cada tipo varía de acuerdo al método de transmisión; transmisión por engranajes (ambos, engranes rectos y en espiral), hidráulica, por tornillo, por banda, por variador de velocidad y transmisión por cigüeñal. La transmisión por tornillo se usa en primer lugar en los cepillos de cantear, mientras que la transmisión por cigüeñal, se encuentra solo en algunos cepillos de mesa pequeños. En algunos cepillos de mesa se usan motores de velocidad variable con inversión, controlados con topes en cada extremo de la carrera.

Cepillo de mesa de doble bastidor

Este cepillo de mesa consta de una base pesada y larga en la que la mesa o

plancha se mueve alternativamente. El bastidor vertical en el centro, a los lados de la base, soporta al travesaño en el que las herramientas avanzan de la pieza. La figura siguiente ilustra la forma en que las herramientas están sujetas, tanto por arriba como por los lado, y el modo en que se pueden ajustar para cortes angulares, se avanzan de una manera manual o por potencia, tanto en dirección vertical como transversal.

Figura 2.3.7 Cepillo de mesa de doble bastidor

Cepillo de mesa abierto lateralmente

Figura 2.3.8. Cepillo de mesa abierto lateralmente

Cepillo de mesa tipo fosa

Un cepillo de mesa tipo fosa es de construcción voluminosa, y difiere de uno ordinario en que la bancada es estacionaria y la herramienta se mueve sobre la pieza. La figura muestra tal cepillo de mesa diseñados para piezas de más de 4m de ancho y 11m de longitud. Dos cabezales de tipo pistón hidráulico están montados en el travesaño y cada uno está provisto de un doble portaherramientas basculante para el cepillado de guías dobles. Los dos bastidores reversibles que soportan al travesaño, se deslizan sobre guías y tienen transmisión por tornillo

desde un sinfín encerrado en un extremo de la bancada. Todos los avances son automáticos y reversibles, y están diseñados para operar, ya sea a ambos extremos

de la carrera de cepillado o en uno solo de ellos.

Cepillo de mesa de cantear o de placas

Este tipo de cepillo de mesa se proyectó para el maquinado de los cantos de placas

pesadas de acero para recipientes a presión y placas de blindaje. La placa se sujeta a una bancada, y el carro que sostiene a la herramienta cortante se mueve hacia atrás y adelante a lo largo del canto. Se usa un gran tornillo de transmisión para mover el carro. La mayoría de cepillos de cantear usan fresas en lugar de las herramientas convencionales del cepillo de mesa, para una mayor velocidad y precisión.

Diferencias entre Cepillo de Mesa y Cepillo de Codo

Aunque el cepillo de mesa y el de codo se adaptan al maquinado de superficies planas, no hay mucha superposición en sus campos de aplicación; difieren ampliamente en construcción y método de operación. Cuando las dos máquinas se comparan en construcción, operación y uso, se pueden observar las siguientes diferencias:

A. El cepillo de mesa se adapta especialmente para piezas grandes, el cepillo de codo sólo puede hacer piezas pequeñas.

B. En el cepillo de mesa, la pieza se mueve contra la herramienta estacionaria; en el cepillo de codo, la herramienta se mueve a través de la pieza que es estacionaria.

C. En el cepillo de mesa la herramienta avanza sobre la pieza; en el de codo, la pieza avanza usualmente, a través de la herramienta.

D. El mecanismo de accionamiento en el cepillo de mesa es, por engranajes o por medios hidráulicos. El ariete del cepillo de codo se puede accionar también de esta manera, pero muchas veces se usa en mecanismo de retorno rápido. E. La mayoría de los cepillos de mesa defieren de los de codo en que aquellos

Figura 2.3.10. Cepillo de mesa

Figura 2.3.11. Cepillo de codo

Útiles para Cepillar

Amplitud de los tres ángulos principales

Los tres ángulos fundamentales que caracterizan la herramienta son: el ángulo de filo β, el ángulo de incidencia α y el ángulo de desprendimiento . Como puede

verse en la figura, los ángulos α, β y  se miden en un plano perpendicular al filo.

Figura 2.3.12. Ángulos de la herramienta.

Los ángulos α, β y  varían según el tipo de herramienta y el material que se

mecaniza.

Tabla 2.1. Herramienta de acero rápido

Material que se mecaniza  β 

Fundición y bronce

Acero Aleaciones ligeras 10° 10° 10° 75° 70° 65° 5° 10° 15°

Tabla 2.2. Herramienta con plaquita de aleación dura

Material que se mecaniza  β 

Fundición y bronce

Las características geométricas de una herramienta usual, de un solo filo son, Fig. 19:

Figura 2.3.13. Características geométricas de una herramienta de cepillar

a. Superficie de desprendimiento, sobre la cual se forma y resbala la viruta. b. Flanco del filo principal, vuelto hacia la pieza en la dirección del avance.

c. Filo principal, dispuesto en la arista formada por las caras a y b. β: ángulo del filo

γ: ángulo de desprendimiento α: ángulo de incidencia

d. flanco del filo secundario

e. Filo secundario, dispuesto en la arista formada por las caras a y d δ: ángulo de la punta, comprendido ente los filos c y d.

κ: ángulo de regulación del filo principal, formado en el plano de referencia por

las proyecciones del filo principal y de la superficie mecanizada.

SENTIDO DE AVANCE

La pieza puede cepillarse tanto en avance a la derecha como a la izquierda. En el

primer caso, la herramienta presenta el filo a la derecha y se llama precisamente, herramienta a la derecha.

En el segundo caso, mirada desde la cabeza y con los filos arriba, presenta el filo principal a la izquierda y en consecuencia se llama herramienta a la izquierda. Algunas herramientas tienen los filos simétricos y, por consiguiente tanto pueden cepillar avance a la izquierda como a la derecha.

Figura 2.3.14. Sentido de avance.

TIPOS Y FORMAS DE LOS ÚTILES

La forma del filo de los útiles se elige de acuerdo con el trabajo de cepillado que se trate de realizar. Los útiles de cepillar se diferencian de los de tornear solamente en casos excepcionales.

Las herramientas para cepillar se diferencian por la posición de su cabeza con respecto al mango.

Los útiles de debastar

Figura 2.3.15. Útiles de desbastar. a) Útil de desbastar a la izquierda, recto; b) Útil de desbastar a la derecha, recto; c) Útil de desbastar a la izquierda, curvado; b) Útil de desbastar a la derecha, curvado

Útiles de afinar

Han de dar a la superficie trabajada un aspecto limpio y por esta razón los filos son redondeados o planos. Un útil curvado hacia atrás se flexa separándose de la pieza al encontrar en esta un punto duro, no deteriorándose la superficie trabajada como ocurriría al clavarse en ella si el útil no tuviera esa curvatura hacia atrás.

Figura 2.3.16. Útiles de afinar. A) Útil de afinar en punta; B) útil de afinar, ancho; C) útil recto; D) útil curvado

Dentro de los útiles de afinar encontramos la herramienta para acabar a la americana destinada al acabado de grandes superficies empleando un fuerte avance.

Los surcos producidos de esta manera por la herramienta quedan muy visibles, sin embargo, la superficie que se obtiene es muy regular y constituye un buen plano de apoyo. Este tipo de cepillado suele conocerse con el nombre de “cepillado a la americana”, este resulta muy adecuado para las superficies sobre las que se

disponen fijaciones por brida y para las superficies vistas, ya sea por razones de estética, para garantizar la buena conservación del plano en caso de golpes, rayas, etc.

Figura 2.3.17. Herramienta para cepillar a la americana.

Útiles de formas especiales

Para el mecanizado de formas variadas se necesitan otras formas especiales de útiles, tales como: a) útil de tronzar; b) útil de corte lateral; c) útil en forma de gancho; d) útil para ejecutar redondeamientos.

Figura 2.3.18. Formas diversas de los útiles de cepillar.

Figura 2.3.19. Herramientas especiales para ranuras.

SUJECIÓN DE ÚTILES

Con objeto de que el útil no flexe hay que sujetarlo tan corto como sea posible

Figura 2.3.20. Sujeción de Útiles

.

Figura 2.3.21. Ajuste de la Herramienta en el Cepillado Vertical y Oblicuo.

SUJECIÓN DE LAS PIEZAS

Mediante la sujeción que se origina entre la pieza y los apoyos o calces un fuerte rozamiento que impide el deslizamiento de la misma al obrar sobre ella el esfuerzo de corte. La magnitud del rozamiento crece con la aspereza o rugosidad de las superficies de sujeción y con la presión ejercida por las mordazas. Esta última, no puede, sin embargo, ser extraordinariamente grande, pues podría darse el caso de que se deformaran las piezas cuando son delgadas. La superficie de sujeción tiene que ser suficientemente grande, pues si es demasiado pequeña la presión por unidad podría resultar excesiva y quedar, como consecuencia de ello, señaladas en la pieza las marcas de los sitios oprimidos. Las virutas y demás cuerpos extraños interpuestos hacen que la sujeción no sea buena y por esta razón deben limpiarse las superficies correspondientes antes de proceder a la sujeción.

 Las piezas pequeñas se sujetan en el tornillo de sujeción o mordazas de la

Figura 2.3.22. Sujeción de Piezas Pequeñas

 Las piezas grandes se sujetan sobre la mesa de cepillar (Fig. 25). Como medios

de sujeción se emplean tornillos y hierros o garras de sujeción. Las cabezas de sujeción han de ajustar bien en las ranuras en T de la mesa. El hierro o garra de sujeción transmite a la pieza la presión de sujeción. Tiene que estar dispuesto paralelamente a la superficie de sujeción con objeto de que el área de apoyo resulte suficientemente grande. Los tornillos de sujeción deben quedar cerca de la pieza para que, aprovechándose la acción de palanca, se produzca una fuerte presión sobre la pieza. Si esta no puede sujetarse por arriba se recurre a sujetarla a la mesa mediante piezas laterales (Fig. 26).

Figura 2.3.24. Sujeción de Piezas Delgadas

AJUSTES

AJUSTE DEL NÚMERO DE CARRERAS

El número de dobles carreras a establecer por minuto se rige por la velocidad de corte admisible y por la longitud de la carrera. La velocidad de corte se saca de la Tabla 2.3

El número de dobles carreras por minuto puede leerse en la tabla correspondiente de la máquina (Tabla 2.4.), teniendo en cuenta la velocidad de corte adoptada, pero puede obtenerse también por cálculo. Según sea el tipo de la máquina pueden establecerse diversas dobles carreras por minuto.

Tabla 2.3. Valores prácticos para la velocidad de corte

Dobles carreras por minuto

Longitud de carrera en minuto

100 200 300 400

Vm en m / min

28 5.3 10.2 14.2 18.2

52 9.8 19 26.2 33.6

Tabla 2.4. Elección del número de dobles carrera Dobles carreras

por minuto

Longitud de carrera en minuto

100 200 300 400

Vm en m / min

28 5.3 10.2 14.2 18.2

52 9.8 19 26.2 33.6

80 15.2 29 41 52

CÁLCULO DE LAS DOBLES CARRERAS/MINUTO

AJUSTE DE LA LONGITUD DE LA CARRERA

La longitud de la carrera se compone de la longitud de la pieza l, del recorrido anterior la y el recorrido ulterior lu. Con objeto de evitar tiempos inútiles de marcha en vacio, la y lu deben ser escogidos no demasiado grandes. Por lo general, se toma la = 20mm y lu = 10mm. (Fig. 27)

AJUSTE DEL AVANCE Y DE LA PROFUNDIDAD DE CORTE

La magnitud del avance se rige por el tipo de mecanizado que haya de realizarse. (Fig. 28)

Figura 2.3.26. Sección de viruta = Profundidad de Corte*Avance; F=a*s

La sección de viruta debe ser proporcionada a la potencia de la máquina.

Al desbastar debe ser la profundidad de corte de 3 a 5 veces mayor que el avance.

Al afinar hay que mantener tanto la profundidad de corte como el avance con un valor pequeño.

2.4. FUNDAMENTOS DE CEPILLADO

2.4.1 LONGITUD DE LA CARRERA

La longitud de la carrera de trabajo debe ser ligeramente mayor que la longitud de la pieza a cepillar. Ésta se ajusta mediante el desplazamiento de la espiga de la manivela. El retroceso del carro se realiza en un tiempo más corto que el movimiento hacia delante.

Para una carrera larga, la espiga de la manivela tiene que estar muy alejada del centro del disco-manivela. La espiga recorre entonces durante la carrera de trabajo el trayecto de A a B (ángulo α) y en el retroceso de B a A (ángulo β). Como el

Para una carrera pequeña se fija la espiga cerca del centro del disco-manivela. Existe una tabla que muestra la relación entre la longitud de la carrera y la pieza donde el espacio libre a la salida debe ser aproximadamente igual a la mitad del espacio libre antes de entrar a la pieza, esto es con el fin de no obligar a cortar la

herramienta cuando su velocidad sea casi, o igual a cero.

Tabla 2.5 Relación entre la longitud de la carrera y los espacios anterior y ulterior de la misma

Longitud de la carrera en mm Espacio libre antes de iniciar el corte

0-50 0-25

50-150 25-50

150-400 50-75

400-750 75-100

Figura 2.4.1. Longitud de la Carrera 2.4.2 VELOCIDAD DE CORTE EN EL CEPILLADO

En la práctica se cuenta, por lo general, con una velocidad de corte media, resultante de y .

En el trabajo de cepillado con una máquina de accionamiento por biela oscilante de corredera, la velocidad de corte no es uniforme. (Fig. 38)

Al principio de la carrera, la velocidad de corte es nula. Crece después hasta un valor máximo a la mitad de la carrera y disminuye nuevamente hasta el valor de cero final de la misma. Lo mismo ocurre para la velocidad de retroceso, teniendo en cuenta que esta es mayor que la de corte, dado que se tiene un mecanismo de retorno rápido.

Figura 2.4.2. Velocidad de Corte en el Cepillado

2.4.3 INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE CARRERA SOBRE LA VELOCIDAD DE CORTE

Para un número igual de revoluciones del disco-manivela, permanece también igual

el número de carreras ( ). Si se varía la longitud de la

carrera, variará también la velocidad, ya que el útil de cepillar hará en el mismo tiempo un recorrido de longitud distinta.

FUERZA Y POTENCIA DE CORTE

Dónde:

K: Fuerza específica de corte; puede considerarse que cuadruplica la resistencia de tracción del material que se desea mecanizar.

S: Sección de la viruta en mm.

p: Profundidad de pasada.

a: Avance

La potencia necesaria para el corte, es decir para que este se desarrolle a una velocidad determinada v, se hallará multiplicando la fuerza por la velocidad.

Esta fórmula se transforma en:

Dónde:

K: Fuerza específica de corte en Kg/mm

p: Profundidad de pasada en mm

a: Avance en mm

v: Velocidad en m/min

€: Rendimiento de la máquina

Pero a esta potencia necesaria para el corte hay que sumarle la potencia que consume el rozamiento del carro sobre las guías de la máquina. Esta potencia resultará igual a la fuerza de rozamiento por la velocidad, es decir:

Siendo:

Q: El peso del carro y la pieza

F: El coeficiente de rozamiento

v: La velocidad

Poniendo v en m/min, se obtendrá la potencia en CV por la fórmula:

2.4.4 CÁLCULO DEL TIEMPO PRINCIPAL EN EL CEPILLADO

Longitud de la carrera; longitud anterior longitud ulterior

velocidad de retroceso en m/min

velocidad de corte en m/min

avance por cada doble carrera en mm

La ecuación fundamental para el cálculo del tiempo principal es:

El camino es la longitud de la carrera. Con las velocidades y pueden calcularse los tiempos para las carreras de trabajo y de retroceso.

Tiempo para la carrera de trabajo

Tiempo para la carrera en vacio

Tiempo empleado en la doble carrera

de cepillado se deduce de la pieza más los recorridos laterales anterior y ulterior, que son de 5 mm cada uno. (Fig. 31)

Figura 2.4.3. Anchura de Cepillado Anchura de cepillado

anchura de la pieza + recorridos laterales anterior y ulterior

Si se divide la anchura de cepillado por el avance se obtiene el número necesario de dobles carreras

El tiempo principal se calcula multiplicando el número de dobles carreras por el tiempo de cada doble carrera.

Tiempo principal

Ventajas y Desventajas de un Cepillo

de un trabajo a otro. El tiempo de habilitación para muchos trabajos es menor en un cepillo que en otras máquinas.

Prácticamente todo el trabajo puede hacerse con herramientas simples de poco costo. Esto se ejemplifica con una superficie curvada que requeriría una herramienta de forma especial si se maquinara por otro método como fresado, pero pueden conformarse por una herramienta de un solo filo. Aún si se utiliza una herramienta de forma en un cepillo puede hacerse y afilarse con más facilidad que un cortador de fresa con dientes múltiples o una brocha.

Un cepillo es muy conveniente para cortar superficies inclinadas. En otras máquinas, como la fresadora, con frecuencia se necesitan dispositivos especiales de fijación y aditamentos para maquinar superficies inclinadas. Las piezas de trabajo frágiles algunas veces pueden conformarse con habilitados ordinarios por que las fuerzas de corte no son grandes, en tanto que sería necesario soportes adicionales en otras máquinas de herramientas.

2.5 CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA FORMULACIÓN POR ELEMENTO FINITO

Para poder modelar el comportamiento del metal durante el cepillado primero debemos definir el comportamiento del material atreves de su ecuación constitutiva

Figura 2.5.1 Modelos de materiales aplicados en la teoría de elasticidad de medios continuos; a) Modelo exponencial, b) Modelo rígido plástico con endurecimiento por deformación exponencial, c) Modelo rígido plástico con endurecimiento por deformación lineal, d) Modelo perfectamente elasto-plástico, e) Modelo perfectamente rígido elasto-plástico, f) Modelo elasto-plástico con endurecimiento por deformación lineal. (Özel & Davim, 2009).

Si la Figura esta graficada en coordenadas log-log, se obtiene una línea recta con

pendiente

𝑛

de cedencia.

𝜎

=

𝜎

𝜖

En donde

𝜎

𝜖

𝑛

de endurecimiento. La Ecuación es ampliamente usada en estudios analíticos relacionados con flujo plástico en trabajo en frio. (Özel & Davim, 2009).

Además también tenemos otros modelos como los siguientes

Modelo de Zirelli Armstrong

Para metales con estructura cúbica centrada en cuerpo:

Para metales con estructura cúbica centrada en caras:

El Modelo de Oxley