Laboratorio N°2: “
Determinación Experimental de las fuerzas de corte en un proceso de torneado ”
Procesos de Manufactura II
Integrantes: Paula Contreras
Lorena Núñez Juan Quintanilla Francisca Vallana Profesor: Rafael Rafael Mena Yanssen Fecha Entrega: 01 de Junio de 2012
Introducción
El elemento principal en la formación de viruta en un proceso de torneado es la fuerza que ejerce la herramienta respecto de la pieza. La magnitud de esta fuerza es función principalmente, del material a mecanizar, de condiciones de corte y de la geometría de la herramienta. Esta fuerza consta de 3 componentes, y estas son; la fuerza de corte (la cual es la que determina la potencia de corte y por lo general es la de mayor valor), la fuerza de avance y la fuerza de rechazo. Para la determinación de la fuerza de corte utilizaremos el modelo de kienzle, el cual depende del ángulo de ataque (decrece la fuerza de corte y de rechazo cuando el ángulo crece pero la fuerza de avance aumenta), del avance (relación lineal creciente con las componentes de la fuerza de mecanizado pero de menor valor que la profundidad de corte), de la profundidad de corte (tiene una relación lineal creciente con todas las componentes de la fuerza ya nombrada), de la fuerza específica de corte y de la exponente de fuerza de corte. Las dos últimas son constantes del material que se está mecanizando. El modelo de kienzle no considera la velocidad de corte, pero es un parámetro que influye en las fuerzas ya que al superar una cierta velocidad disminuyen asintomáticamente en relación a un valor. Esta influye en la potencia de corte. Para obtener los valores experimentales de las fuerzas de corte, de rechazo y de avance, tenemos el siguiente arreglo de medición; primero un dinamómetro piezómetro, luego un amplificador, después una tarjeta adquisidor y por último una computadora PXI. La determinación de las fuerzas de mecanizado son importantes en el diseño de máquinas y herramientas para mecanizar distintos materiales. En la planificación de procesos de mecanizado, ya que se debe saber la potencia que se va a utilizar para poder elegir la máquina adecuada para ese mecanizado. Y también son influyentes en los costos, tiempos de fabricación y en la calidad obtenida.
Resumen
En esta experiencia mediremos experimentalmente la variación de la fuerza de mecanizado que ejerce la herramienta sobre la pieza en un proceso de torneado, esta fuerza consta de 3 componentes; fuerza de corte, fuerza de avance y fuerza de rechazo. Éstas irán cambiando conforme variemos el avance, profundidad de corte, ángulo de ataque y otros parámetros. Para lograr nuestro cometido utilizaremos el modelo de Kienzle a través de un Dinamómetro Piezoeléctrico conectado a un amplificador, una tarjeta y una computadora PXI. A partir de estos datos generamos una tabla de valores y gráficos experimentales que nos entregarán resultados, los cuales compararemos con la base teórica entregada en cátedra y en la charla previa a la experiencia. Finalmente nos daremos cuenta que la experiencia podría ser mejorada con una muestra más amplia y mayor tiempo para realizarla, ya que si bien, algunos resultados concuerdan con la base teórica, otros escapan a ella.
Objetivos
En el desarrollo de este informe veremos las relaciones que tienen las fuerzas con la profundidad de corte (a p), avance (f), ángulo de ataque (K r), velocidad de corte (Vc), entre otras. También definiremos los elementos utilizados en la experiencia para la obtención de las fuerzas y de las constantes del material. Dentro de las variables mencionadas a desarrollar, debemos ver lo siguiente:
Determinar experimentalmente las fuerzas de mecanizado que se producen en el proceso de mecanizado, utilizando el modelo de Kienzle. Analizar los parámetros influyentes en las fuerzas de mecanizado. Determinar constantes del material SAE1020 a mecanizar (K s11 y Z) Conocer los elementos del arreglo de medición para la determinación de los valores de las fuerzas de mecanizado.
Esquema de Instalación
Computador PXI
Dinamómetro piezoeléctrico Kistler 9257A
Tarjeta Adquisidora
Amplificador
Descripción del proceso utilizado para la obtención de los dato s
Instalación de equipos y verificación de estos (antes de la experiencia por el encargado del laboratorio). Instalación de la pieza a mecanizar SAE 1020. D0 =50.7 [mm] utilizado en tabla de valores medidos variando a p. Instalación de herramientas para mecanizar, estas fueron: 95°| CNMG 120408 PM 4025 / CNMG 432 PM4025. 90°| TNMG 160408 PM 4025 / TNMG 332 PM4025. 45°| SNMG 120408 PM 4025 / SNMG 432 PM4025. Medición de las fuerzas de corte (F c), Fuerzas de avance (F a) y fuerza de rechazo (Fr) mediante el dinamómetro piezoeléctrico kistler 9257 A. Para registrar estas mediciones se fueron variando parámetros, según lo pedido en las tablas de mediciones. Adquisición de datos mediante programa creado en Lab VIEW. Velocidad de corte (V c).
Fuerzas de corte (F c), Fuerzas de avance (F a) y fuerza de rechazo (Fr). Gráfico de distribución de los puntos obtenidos Regresión lineal de los puntos obtenidos Obtención de Z y Ks 1.1 sólo si la regresión es lineal, en el caso que no lo fuese debemos realizar más mediciones para obtener más puntos con el objetivo de conseguir una regresión lineal.
Tablas de Valores Medidos para cada Variable Tablas de valores medidos variando ap
Medición
RPM
Re [mm]
ap [mm]
f [mm/rev]
Vc [m/min]
k r [º]
dmedio [mm]
Fc [N]
Fa [N]
Fr [N]
1
560
0,8
2
0,119
78,29
95
44,5
824
591
323
2
560
0,8
1,5
0,119
81,1
95
46,1
537
417
281
3
560
0,8
1
0,119
87,08
95
49,5
400
315
268
Tabla de valores medidos variando Kr
Medición
RPM
Re [mm]
ap [mm]
f [mm/rev]
Vc [m/min]
k r [º]
dmedio [mm]
Fc [N]
Fa [N]
Fr [N]
1
560
0,8
1,5
0,119
87,08
95
49,5
537
417
381
2
560
0,8
1,5
0,119
86,59
90
49,5
550
417
290
3
560
0,8
1,5
0,119
87,09
45
49,5
411
420
524
Valores entregados por programa:
2
Z= 0,837 [-]
Ks1.1= 18314,6 [N/mm ]
Tabla de valores medidos variando f
Medición
RPM
Re [mm]
ap [mm]
f [mm/rev]
Vc [m/min]
k r [º]
dmedio [mm]
Fc [N]
Fa [N]
Fr [N]
1
560
0,8
1,5
0,119
87,08
95
49,2
553
422
288
2
560
0,8
1,5
0,155
87,08
95
49,2
744
548
387
3
560
0,8
1,5
0,223
87,08
95
49,2
875
657
463
Valores entregados por programa:
Z= 0,2869 [-]
2
Ks1.1= 1748,85 [N/mm ]
Tabla de valores medidos variando las RPM
Medición
RPM
Re [mm]
ap [mm]
f [mm/rev] Vc [m/min]
k r [º]
dmedio [mm]
Fc [N]
Fa [N]
Fr [N]
1
335
0,8
1,5
0,119
51,78
95
49,2
734
531
368
2
560
0,8
1,5
0,119
87,08
95
49,2
559
425
286
3
1180
0,8
1,5
0,119
182,39
95
49,2
486
359
227
Tabla de valores medidos variando Re
Medición
RPM
Re [mm]
ap [mm]
f [mm/rev]
Vc [m/min]
k r [º]
dmedio [mm]
Fc [N]
Fa [N]
Fr [N]
1
560
0,4
1,5
0,119
86,56
95
49,2
594
414
210
2
560
0,8
1,5
0,119
86,56
90
49,2
563
427
284
3
560
1,2
1,5
0,119
86,56
45
49,2
540
423
370
Gráficos Obtenidos y Análisis
Gráfico de Fuerzas vs Ap
] N [ a z r e u F
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Fuerza de Corte Fuerza de Rechazo Fuerza de Avance
2
1.5 Ap [mm]
1
Para el caso de la variación del diámetro de la pieza, verificamos que la fuerza es directamente proporcional a la variación de la profundidad de corte, es decir, a mayor profundidad de corte mayor será el valor de las componentes de la fuerza de mecanizado.
Gráfico de Fuerzas vs Kr 600 500 ] N [ a z r e u F
400
Fuerza de Corte
300
Fuerza de Rechazo
200
Fuerza de Avance
100 0 95
90
Kr[°]
45
Para el caso de la variación del ángulo de ataque, nos encontramos con que para el caso de la fuerza de corte, esta disminuye al disminuir el ángulo de ataque. En la fuerza de rechazo, vemos que esta aumenta al disminuir el ángulo de ataque. En el caso de la fuerza de avance, se nos presenta que esta aumenta inadvertidamente a medida que disminuye el ángulo de ataque. De manera arbitraria, se nos presenta que para este gráfico, no coincide con el teórico el cual nos dice, que para la fuerza de avance, esta disminuye al disminuir el ángulo; para la fuerza de rechazo, esta aumenta al disminuir el ángulo.
Gráfico de Fuerzas vs f
1000 900 800 700 ] N 600 [ 500 a z 400 r e u 300 F 200 100 0
Fuerza de Corte Fuerza de Rechazo Fuerza de Avance
0.119
0.155 f[mm/rev]
0.223
Para la variación creciente de la frecuencia, notamos que las fuerzas involucradas aumentan.
] N [ a z r e u F
Gráfico de Fuerzas vs RPM
800 700 600 500 400 300 200 100 0
Fuerza de Corte Fuerza de Rechazo Fuerza de Avance
335
560 RPM
1180
Para la variación de las RPM, vemos que a mayor RPM las fuerzas involucradas disminuyen, demostrando que a una RPM mayor, obtenemos un mejor trabajo de mecanizado, debido a que si se trabaja con una RPM menor, se pueden producir los filos postizos y estos dañan la pieza dejándola irregular, por lo tanto, con un acabado superficial de menor calidad.
Gráfico de Fuerzas vs Re
700 600 ] N [ a z r e u F
500
Fuerza de Corte
400
Fuerza de Rechazo
300
Fuerza de Avance
200 100 0 0.4
0.8 Re [mm]
1.2
Para el radio de punta, observamos que para la fuerza de corte y de avance disminuye al aumentar el radio de punta; en caso contrario de la fuerza de rechazo, notamos que esta aumenta al aumentar el radio de punta.
Análisis de Gráficos con Regresión Lineal
Gráfico de Variación de Kr:
Variando Kr
2.75 ) b / c F ( g o L
2.7 2.65 Variando Kr Linear (Variando Kr)
2.6 2.55 2.5
y = -0.1057x + 2.8248
2.45 2.4 -1.089865952
-0.973117141 Log (h)
-0.994572716
Para la variación del ángulo de corte, notamos que los valores obtenidos de K s1.1 y de Z nos resulta lo siguiente: Log (Ks1.1) = 2,8248;
(1-Z)= -0,1057
Para estos valores, verificamos que no son iguales a los obtenidos en la experiencia, calculados por el equipo.
Gráfico de Variación de f:
Variación de f
) b / c F ( g o L
3 2.95 2.9 2.85 2.8 2.75 2.7 2.65 2.6
Variación de f
y = 0.0996x + 2.6421 -1.089865952
-0.975081215 Log (h)
-0.81710805
Para la variación de la frecuencia, notamos que los valores obtenidos para Ks1.1 y Z son los siguientes: Log (Ks1.1) = 2,6421;
(1-Z)= 0,0996
Al igual que el gráfico para la variación de Kr, vemos que los valores de las variables no son los mismos que los entregados por el equipo.
Los gráficos sin regresión lineal, se deben a que esta regresión era vertical en el gráfico, y nos muestran que los valores eran de poca variación como para generar una regresión (faltan datos para obtener alguna regresión).
Definiciones
Dinamómetro piezómetro: Es aquel que entre sus caras opuestas aparece una diferencia de potencial cuando se le somete a una acción mecánica de presión o tracción. El fenómeno es reversible y la aplicación de una diferencia de potencial alterna hace que el cristal oscile. Como la tensión o diferencia de potencial es proporcional a la fuerza aplicada, también pueden servir como transductores de fuerza a señal eléctrica.
Ecuación de kienzle: Con esta ecuación se pueden obtener las constantes del material Ks11 y Z. A continuación se muestra dicha ecuación: Ecuación de Kienzle
Fc = Ks11 b h (1-z)
Donde: h= espesor de la viruta [mm]. b= ancho de viruta [mm]. Para poder determinar las constantes se debe aplicar el logaritmo a la ecuación nombrada anteriormente, quedando de la siguiente manera:
() Con esto se puede observar que la pendiente es (1-z) y el intercepto es Log Ks11, por lo tanto, al aplicar un inv. logarítmico se pueden obtener los valores de las constantes del material a mecanizar.
Con este modelo, se puede obtener la potencia de corte en un proceso de mecanizado. La expresión es:
Donde:
Pc: Potencia de Corte requerida por el proceso [kW] Fc: Fuerza de corte del proceso [N] vc: Velocidad de corte usada en el proceso [m/min]
Conclusión
En esta experiencia observamos como en un proceso de torneado varían las fuerzas de mecanizado (Fuerza de corte, fuerza de avance y fuerza de rechazo), al cambiar ciertos parámetros como lo son la profundidad de corte, el ángulo de ataque, la frecuencia, las RPM y el radio de punta de la herramienta. Ayudados por los equipos del laboratorio y basándonos en el modelo de Kienzle corroboramos en parte la teoría expuesta en cátedra y podemos hacer algunas aseveraciones:
La fuerza de mecanizado (sus tres componentes), es mayor a medida que aumenta la profundidad de corte. La fuerza de corte disminuye al aumentar el ángulo de ataque, a su vez, la fuerza de rechazo debería hacer lo mismo, y la de avance debería aumentar con el ángulo; estas dos últimas no concuerdan con la teoría, probablemente por algún error de medición, o porque los datos son insuficientes para determinar una tendencia clara. Las tres componentes de la fuerza de mecanizado aumentan con la frecuencia. Al aumentar las RPM, las componentes de la fuerza de mecanizado disminuyen, de esta forma podemos obtener un mejor acabado superficial. A mayor radio de punta de la herramienta, mayor es la fuerza de rechazo, y menor lo son las fuerzas de corte y avance.
Las regresiones lineales solo se lograron para los casos de variación del ángulo de ataque y la frecuencia, sin embargo nuestros valores de las constantes “ks11” y “z” no son iguales a los entregados por el equipo. El equipo no logró la regresión para los otros casos, ya que los valores mostraban poca variación. Todos estos errores podrían atribuirse a que la experiencia se realizó en un periodo corto de tiempo para lo que se quería lograr, lo cual puede inducir errores de medición, y la muestra para cada caso era pequeña como para describir una tendencia clara. Al obtener la fuerza de corte, podemos obtener la potencia requerida de la máquina para dicho mecanizado. Para el caso de nuestra experiencia, encontramos que no fue necesario realizar el cálculo debido a que la maquinaria realizó dicho mecanizado sin ningún problema, debido a que no trabajamos con exigencias ni límites de la máquina. Finalmente, todas estas variables en la operación de mecanizado, influirán en los costos, en la calidad final de la pieza, en el diseño de las máquinas a trabajar.
Bibliografía
Unidades temáticas del profesor Edmundo Sepúlveda. Presentación introductoria al taller.