La frase velocidades y avances o avances y velocidades se refiere a dos parámetros separados en la práctica de las máquinas herramienta , la velocidad de corte y la velocidad de avance . A menudo se los considera como un par debido a su efecto combinado en el proceso de corte. Sin embargo, cada uno también puede considerarse y analizarse por sí mismo.
La velocidad de corte (también llamada velocidad de superficie o simplemente velocidad ) es la diferencia de velocidad ( velocidad relativa ) entre la herramienta de corte y la superficie de la pieza de trabajo sobre la que está operando. Se expresa en unidades de distancia a través de la superficie de la pieza de trabajo por unidad de tiempo, típicamente pies superficiales por minuto (sfm) o metros por minuto (m/min). [1] La velocidad de avance (también a menudo denominada como compuesto sólido , velocidad de avance o simplemente avance ) es la velocidad relativa a la que avanza la herramienta a lo largo de la pieza de trabajo; su vector es perpendicular al vector de velocidad de corte. Las unidades de velocidad de avance dependen del movimiento de la herramienta y la pieza de trabajo; cuando la pieza de trabajo gira ( por ejemplo , en torneado y mandrilado ), las unidades son casi siempre distancia por revolución del husillo (pulgadas por revolución [in/rev o ipr] o milímetros por revolución [mm/rev]). [2] Cuando la pieza de trabajo no gira ( por ejemplo , en el fresado ), las unidades suelen ser distancia por tiempo (pulgadas por minuto [in/min o ipm] o milímetros por minuto [mm/min]), aunque a veces también se utilizan distancia por revolución o por diente de corte. [2]
Si variables como la geometría de la cuchilla y la rigidez de la máquina herramienta y su configuración de herramientas pudieran maximizarse idealmente (y reducirse a constantes despreciables), entonces solo la falta de potencia (es decir, kilovatios o caballos de fuerza) disponible para el husillo impediría el uso de las velocidades y avances máximos posibles para cualquier material de pieza de trabajo y material de cuchilla dados. Por supuesto, en la realidad esas otras variables son dinámicas y no despreciables, pero aún existe una correlación entre la potencia disponible y los avances y velocidades empleados. En la práctica, la falta de rigidez suele ser la restricción limitante.
Fuera del contexto de las máquinas herramienta, "velocidades y avances" se pueden utilizar coloquialmente para referirse a los detalles técnicos de un producto o proceso. [3]
La velocidad de corte puede definirse como la velocidad en la superficie de la pieza de trabajo, independientemente de la operación de mecanizado utilizada. Una velocidad de corte para acero dulce de 100 pies/min es la misma tanto si se trata de la velocidad de la fresa que pasa sobre la pieza de trabajo, como en una operación de torneado, como de la velocidad de la fresa que se mueve más allá de una pieza de trabajo, como en una operación de fresado. Las condiciones de corte afectarán el valor de esta velocidad superficial para acero dulce.
Esquemáticamente, la velocidad en la superficie de la pieza de trabajo puede considerarse como la velocidad tangencial en la interfaz herramienta-cortador, es decir, qué tan rápido se mueve el material más allá del borde de corte de la herramienta, aunque "en qué superficie enfocarse" es un tema con varias respuestas válidas. En taladrado y fresado, el diámetro exterior de la herramienta es la superficie ampliamente aceptada. En torneado y mandrilado, la superficie se puede definir en cualquier lado de la profundidad de corte, es decir, la superficie inicial o la superficie final, sin que ninguna definición sea "incorrecta" siempre que las personas involucradas comprendan la diferencia. Un maquinista experimentado resumió esto sucintamente como "el diámetro desde el que estoy torneando" versus "el diámetro al que estoy torneando". [4] Utiliza el "desde", no el "hasta", y explica por qué, aunque reconoce que algunos otros no lo hacen. La lógica de centrarse en el diámetro más grande involucrado (OD de la broca o fresa, diámetro inicial de la pieza de trabajo torneada) es que aquí es donde está la velocidad tangencial más alta, con la mayor generación de calor, que es el principal impulsor del desgaste de la herramienta . [4]
Para cada material y conjunto de condiciones de mecanizado habrá una velocidad de corte óptima, y a partir de esta velocidad se puede calcular la velocidad del husillo ( RPM ). Los factores que afectan al cálculo de la velocidad de corte son:
Las velocidades de corte se calculan suponiendo que existen condiciones de corte óptimas. Estas incluyen:
La velocidad de corte se proporciona como un conjunto de constantes que están disponibles a través del fabricante o proveedor del material. Los materiales más comunes están disponibles en libros de referencia o gráficos, pero siempre estarán sujetos a ajustes según las condiciones de corte. La siguiente tabla proporciona las velocidades de corte para una selección de materiales comunes bajo un conjunto de condiciones. Las condiciones son una vida útil de la herramienta de 1 hora, corte en seco (sin refrigerante) y a avances medios, por lo que pueden parecer incorrectas según las circunstancias. Estas velocidades de corte pueden cambiar si, por ejemplo, se dispone de refrigerante adecuado o se utiliza un grado mejorado de acero de alta velocidad (como uno que incluya [cobalto]).
La calificación de maquinabilidad de un material intenta cuantificar la maquinabilidad de varios materiales. Se expresa como un porcentaje o un valor normalizado . El Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) determinó las calificaciones de maquinabilidad para una amplia variedad de materiales ejecutando pruebas de torneado a 180 pies de superficie por minuto (sfpm). Luego asignó arbitrariamente al acero Brinell B1112 de 160 una calificación de maquinabilidad del 100%. La calificación de maquinabilidad se determina midiendo los promedios ponderados de la velocidad de corte normal, el acabado de la superficie y la vida útil de la herramienta para cada material. Tenga en cuenta que un material con una calificación de maquinabilidad inferior al 100% sería más difícil de mecanizar que el B1112 y un material con un valor superior al 100% sería más fácil.
Las clasificaciones de maquinabilidad se pueden utilizar junto con la ecuación de vida útil de la herramienta de Taylor , VT n = C para determinar las velocidades de corte o la vida útil de la herramienta. Se sabe que B1112 tiene una vida útil de la herramienta de 60 minutos a una velocidad de corte de 100 pies por minuto. Si un material tiene una clasificación de maquinabilidad del 70%, se puede determinar, con los datos conocidos anteriormente, que para mantener la misma vida útil de la herramienta (60 minutos), la velocidad de corte debe ser de 70 pies por minuto (suponiendo que se utilice la misma herramienta).
Al calcular las aleaciones de cobre, la clasificación de la máquina se obtiene asumiendo la clasificación 100 de 600 SFM. Por ejemplo, el bronce fosforoso (grados A–D) tiene una clasificación de maquinabilidad de 20. Esto significa que el bronce fosforoso funciona al 20 % de la velocidad de 600 SFM o 120 SFM. Sin embargo, 165 SFM se acepta generalmente como la clasificación básica del 100 % para "clasificar aceros". [12] Fórmula Velocidad de corte (V) = [πDN]/1000 m/min Donde D = Diámetro de la pieza de trabajo en metros o milímetros N = Velocidad del husillo en rpm
La velocidad del husillo es la frecuencia de rotación del husillo de la máquina, medida en revoluciones por minuto (RPM). La velocidad preferida se determina trabajando en sentido inverso a partir de la velocidad superficial deseada (sfm o m/min) e incorporando el diámetro (de la pieza de trabajo o de la fresa).
El husillo puede contener:
Una velocidad excesiva del husillo provocará un desgaste prematuro de la herramienta, roturas y vibraciones, todo lo cual puede generar condiciones potencialmente peligrosas. El uso de la velocidad de husillo correcta para el material y las herramientas mejorará en gran medida la vida útil de la herramienta y la calidad del acabado de la superficie.
Para una operación de mecanizado dada, la velocidad de corte permanecerá constante para la mayoría de las situaciones; por lo tanto, la velocidad del husillo también permanecerá constante. Sin embargo, las operaciones de refrentado, conformado, tronzado y rebaje en un torno o una máquina de tornillos implican el mecanizado de un diámetro que cambia constantemente. Idealmente, esto significa cambiar la velocidad del husillo a medida que el corte avanza a través de la cara de la pieza de trabajo, produciendo una velocidad de superficie constante (CSS). Los arreglos mecánicos para lograr CSS han existido durante siglos, pero nunca se aplicaron comúnmente al control de máquinas herramienta. En la era anterior al CNC , el ideal de CSS se ignoraba para la mayoría de los trabajos. Para el trabajo inusual que lo exigía, se hacían esfuerzos especiales para lograrlo. La introducción de tornos controlados por CNC ha proporcionado una solución práctica y cotidiana a través del monitoreo y control automatizado del proceso de mecanizado CSS. Por medio del software de la máquina y los motores eléctricos de velocidad variable , el torno puede aumentar las RPM del husillo a medida que la fresa se acerca al centro de la pieza.
Las muelas abrasivas están diseñadas para funcionar a una velocidad máxima segura; la velocidad del husillo de la rectificadora puede variar, pero esto solo debe cambiarse teniendo en cuenta la velocidad de trabajo segura de la muela. A medida que una muela se desgasta, su diámetro disminuye y su velocidad de corte efectiva se reduce. Algunas rectificadoras tienen la posibilidad de aumentar la velocidad del husillo, lo que corrige esta pérdida de capacidad de corte; sin embargo, aumentar la velocidad por encima de la velocidad nominal de la muela destruirá la muela y creará un grave peligro para la vida y la integridad física.
En términos generales, las velocidades del husillo y las velocidades de avance son menos críticas en la carpintería que en la metalistería. La mayoría de las máquinas para trabajar la madera, incluidas las sierras eléctricas , como las sierras circulares y las sierras de cinta , las ensambladoras y las cepilladoras de espesor , giran a una velocidad de revoluciones fija. En esas máquinas, la velocidad de corte se regula a través de la velocidad de avance. La velocidad de avance requerida puede ser extremadamente variable según la potencia del motor, la dureza de la madera u otro material que se esté mecanizando y el filo de la herramienta de corte.
En carpintería, la velocidad de avance ideal es aquella que es lo suficientemente lenta como para no atascar el motor, pero lo suficientemente rápida como para evitar quemar el material. Algunas maderas, como el cerezo negro y el arce, son más propensas a quemarse que otras. La velocidad de avance correcta se obtiene generalmente por "sensación" si el material se alimenta a mano, o por ensayo y error si se utiliza un alimentador eléctrico. En las cepilladoras , la madera se alimenta generalmente de forma automática a través de rodillos de goma o de acero corrugado. Algunas de estas máquinas permiten variar la velocidad de avance, generalmente cambiando poleas . Una velocidad de avance más lenta generalmente da como resultado una superficie más fina ya que se realizan más cortes para cualquier longitud de madera.
La velocidad del husillo cobra importancia en el funcionamiento de las fresadoras, las fresadoras de husillo o las perfiladoras y los taladros. Las fresadoras más antiguas y más pequeñas suelen girar a una velocidad de husillo fija, normalmente entre 20.000 y 25.000 rpm. Aunque estas velocidades están bien para las brocas de fresadora pequeñas, el uso de brocas más grandes, por ejemplo, de más de 1 pulgada (25 mm) o 25 milímetros de diámetro, puede ser peligroso y provocar vibraciones. Las fresadoras más grandes ahora tienen velocidades variables y las brocas más grandes requieren una velocidad menor. Para taladrar madera se utilizan generalmente velocidades de husillo más altas que para taladrar metal, y la velocidad no es tan crítica. Sin embargo, las brocas de mayor diámetro requieren velocidades más lentas para evitar que se quemen.
Los avances y velocidades de corte, y las velocidades del husillo que se derivan de ellos, son las condiciones de corte ideales para una herramienta. Si las condiciones no son las ideales, se realizan ajustes en la velocidad del husillo; este ajuste suele ser una reducción de las RPM a la velocidad más cercana disponible o a la que se considere (a través del conocimiento y la experiencia) correcta.
Algunos materiales, como la cera mecanizable, se pueden cortar a una amplia variedad de velocidades de husillo, mientras que otros, como el acero inoxidable, requieren un control mucho más cuidadoso, ya que la velocidad de corte es fundamental para evitar el sobrecalentamiento tanto de la herramienta como de la pieza de trabajo. El acero inoxidable es un material que se endurece muy fácilmente durante el trabajo en frío , por lo tanto, una velocidad de avance insuficiente o una velocidad de husillo incorrecta pueden generar condiciones de corte menos que ideales, ya que la pieza de trabajo se endurecerá rápidamente y resistirá la acción de corte de la herramienta. La aplicación abundante de fluido de corte puede mejorar estas condiciones de corte; sin embargo, la selección correcta de velocidades es el factor crítico.
La mayoría de los libros sobre metalistería tienen nomogramas o tablas de velocidades de husillo y velocidades de avance para diferentes cortadores y materiales de piezas de trabajo; es probable que también haya tablas similares disponibles del fabricante del cortador utilizado.
Las velocidades del husillo se pueden calcular para todas las operaciones de mecanizado una vez que se conoce el SFM o el MPM. En la mayoría de los casos, se trata de un objeto cilíndrico, como una fresa o una pieza de trabajo que gira en un torno, por lo que debemos determinar la velocidad en la periferia de este objeto redondo. Esta velocidad en la periferia (de un punto de la circunferencia, que se mueve más allá de un punto estacionario) dependerá de la velocidad de rotación (RPM) y del diámetro del objeto.
Una analogía sería la de un ciclista y un patinador que viajan juntos por la carretera. Para una velocidad de superficie dada (la velocidad de este par a lo largo de la carretera), la velocidad de rotación (RPM) de sus ruedas (grandes para el patinador y pequeñas para el ciclista) será diferente. Esta velocidad de rotación (RPM) es lo que estamos calculando, dada una velocidad de superficie fija (velocidad a lo largo de la carretera) y valores conocidos para los tamaños de sus ruedas (cortadora o pieza de trabajo).
Las siguientes fórmulas [13] se pueden utilizar para estimar este valor.
No siempre se necesitan las RPM exactas, bastará con una aproximación. Por ejemplo, un maquinista puede querer tomar el valor de como 3 si realiza los cálculos a mano.
p. ej., para una velocidad de corte de 100 pies/min (una fresa de acero HSS simple sobre acero dulce) y un diámetro de 10 pulgadas (la fresa o la pieza de trabajo)
y, para un ejemplo utilizando valores métricos, donde la velocidad de corte es de 30 m/min y un diámetro de 10 mm (0,01 m),
Sin embargo, para cálculos más precisos, y a costa de la simplicidad, se puede utilizar esta fórmula:
y usando el mismo ejemplo
y usando el mismo ejemplo que el anterior
dónde:
La velocidad de avance es la velocidad a la que se alimenta la fresa, es decir, se avanza contra la pieza de trabajo. Se expresa en unidades de distancia por revolución para torneado y mandrilado (normalmente pulgadas por revolución [ ipr ] o milímetros por revolución ). También se puede expresar así para fresado, pero a menudo se expresa en unidades de distancia por tiempo para fresado (normalmente pulgadas por minuto [ ipm ] o milímetros por minuto ), teniendo en cuenta la cantidad de dientes (o estrías) que tiene la fresa, para luego determinar qué significa eso para cada diente.
La velocidad de alimentación depende de:
A la hora de decidir qué velocidad de avance utilizar para una determinada operación de corte, el cálculo es bastante sencillo para las herramientas de corte de una sola punta, porque todo el trabajo de corte se realiza en un punto (realizado por "un diente", por así decirlo). En el caso de una fresadora o una ensambladora, donde se utilizan herramientas de corte de múltiples puntas/estrías, la velocidad de avance deseada depende del número de dientes de la fresa, así como de la cantidad deseada de material por diente a cortar (expresada como carga de viruta). Cuanto mayor sea el número de filos de corte, mayor será la velocidad de avance admisible: para que un filo de corte funcione de manera eficiente, debe eliminar suficiente material para cortar en lugar de frotar; también debe realizar su parte justa de trabajo.
La relación entre la velocidad del husillo y la velocidad de avance controla qué tan agresivo es el corte y la naturaleza de la viruta formada.
Esta fórmula [14] se puede utilizar para calcular la velocidad de avance que recorre la fresa dentro o alrededor de la pieza de trabajo. Esto se aplica a las fresas de una fresadora, un taladro de columna y otras máquinas herramienta. No se debe utilizar en el torno para operaciones de torneado, ya que la velocidad de avance en un torno se expresa como avance por revolución.
Dónde:
La velocidad de corte y la velocidad de avance se unen con la profundidad de corte para determinar la tasa de eliminación de material , que es el volumen de material de la pieza de trabajo (metal, madera, plástico, etc.) que se puede eliminar por unidad de tiempo.
La selección de velocidad y avance es análoga a otros ejemplos de ciencia aplicada, como la meteorología o la farmacología , en que el modelado teórico es necesario y útil pero nunca puede predecir por completo la realidad de casos específicos debido al entorno enormemente multivariable. Así como las previsiones meteorológicas o las dosis de medicamentos se pueden modelar con bastante precisión, pero nunca con total certeza, los maquinistas pueden predecir con gráficos y fórmulas los valores aproximados de velocidad y avance que funcionarán mejor en un trabajo en particular, pero no pueden saber los valores óptimos exactos hasta que se ejecuta el trabajo. En el mecanizado CNC, normalmente el programador programa velocidades y velocidades de avance que están tan ajustadas al máximo como lo pueden proporcionar los cálculos y las directrices generales. Luego, el operador ajusta los valores mientras hace funcionar la máquina, basándose en las imágenes, los sonidos, los olores, las temperaturas, la tolerancia y la vida útil de la punta de la herramienta. Con una gestión adecuada, los valores revisados se capturan para su uso futuro, de modo que cuando se vuelva a ejecutar un programa más tarde, no sea necesario duplicar este trabajo.
Sin embargo, al igual que ocurre con la meteorología y la farmacología, la interrelación entre la teoría y la práctica se ha ido desarrollando a lo largo de décadas a medida que la parte teórica de la balanza se vuelve más avanzada gracias a la tecnología de la información. Por ejemplo, un proyecto llamado Machine Tool Genome Project está trabajando para proporcionar el modelado informático (simulación) necesario para predecir las combinaciones óptimas de velocidad y avance para configuraciones particulares en cualquier taller conectado a Internet con menos experimentación y pruebas locales. [15] En lugar de que la única opción sea la medición y prueba del comportamiento de su propio equipo, se beneficiará de la experiencia y la simulación de otros; en cierto sentido, en lugar de "reinventar la rueda", podrá "hacer un mejor uso de las ruedas existentes ya desarrolladas por otros en lugares remotos".
Las velocidades y los avances se han estudiado científicamente al menos desde la década de 1890. El trabajo se realiza normalmente en laboratorios de ingeniería, y la financiación proviene de tres fuentes básicas: corporaciones , gobiernos (incluidos sus ejércitos ) y universidades . Los tres tipos de instituciones han invertido grandes cantidades de dinero en la causa, a menudo en asociaciones de colaboración . A continuación se destacan ejemplos de dicho trabajo.
Entre 1890 y 1910, Frederick Winslow Taylor realizó experimentos de torneado [16] que se hicieron famosos (y trascendentales). Desarrolló la ecuación de Taylor para la expectativa de vida de las herramientas .
El estudio científico de Holz y De Leeuw de la Cincinnati Milling Machine Company [17] hizo por las fresas lo que FW Taylor había hecho por las fresas de una sola punta .
"Después de la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron muchas aleaciones nuevas. Se necesitaban nuevos estándares para aumentar la productividad estadounidense. Metcut Research Associates, con el apoyo técnico del Laboratorio de Materiales de la Fuerza Aérea y el Laboratorio de Ciencia y Tecnología del Ejército, publicó el primer Manual de Datos de Maquinado en 1966. Las velocidades y avances recomendados que se proporcionan en este libro fueron el resultado de pruebas exhaustivas para determinar la vida útil óptima de la herramienta en condiciones controladas para cada material del día, operación y dureza". [4]
Un estudio sobre el efecto de la variación de los parámetros de corte en la integridad superficial en el torneado de un acero inoxidable AISI 304 reveló que la velocidad de avance tiene el mayor efecto perjudicial sobre la calidad de la superficie, y que además del logro del perfil de rugosidad deseado, es necesario analizar el efecto de la velocidad y el avance en la creación de micropicaduras y microdefectos en la superficie mecanizada. [18] Además, encontraron que la relación empírica convencional que relaciona la velocidad de avance con el valor de rugosidad no se ajusta adecuadamente para velocidades de corte bajas.
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