Las sierras de carburo son máquinas herramienta para cortar . Los dientes de la sierra están hechos de carburo cementado , de modo que se pueden cortar materiales duros.
En 1926, Krupp , una empresa alemana, desarrolló el carburo, una mezcla muy dura de carburos sinterizados de varios metales pesados, especialmente carburo de tungsteno , que se utiliza para cortar bordes y matrices. Este nuevo material revolucionó la eliminación de metal o "corte de viruta" en la fabricación. En la década de 1950, el carburo se utilizó en todos los procesos de mecanizado, excepto en el aserrado. En 1942, los científicos alemanes desarrollaron aún más el carburo hasta convertirlo en cermet . Después de la Segunda Guerra Mundial, las universidades estadounidenses desarrollaron aún más este material y comenzaron a comercializarlo como material de corte para máquinas herramienta bajo la marca Cermet. El aserrado de materiales no ferrosos, como aluminio, latón, plástico y madera, con hojas de sierra circulares con punta de carburo comenzó en la década de 1930. Sin embargo, los intentos de cortar material ferroso con puntas de carburo fracasaron porque las sierras existentes carecían de la velocidad, la rigidez y la innovación necesarias para transferir alta fuerza con baja vibración. Todos estos atributos son necesarios para el aserrado con carburo. Además, la geometría de los dientes existente con ángulos de corte positivos provocó el agrietamiento de las puntas de carburo, que eran más duras y, en consecuencia, más frágiles que las hojas circulares de acero de alta velocidad (HSS).
El nombre de sierra de carburo proviene de la herramienta, una hoja de sierra circular, con puntas de carburo soldadas con plata. Compitió con las hojas de acero de alta velocidad (HSS) sólidas o segmentadas y casi las reemplazó, porque el carburo es mucho más duro que el HSS. Antes de que se desarrollaran las sierras HSS, se utilizaban sierras abrasivas, de fricción o calientes y todavía se fabrican para ciertas aplicaciones. Estos procesos crean calor y, por lo tanto, se denominan sierras calientes. Sin embargo, las hojas HSS utilizan refrigerante y las superficies de corte no se calientan, por lo que se denominan sierras frías . Con la geometría única de los dientes de las sierras circulares de carburo, el calor, desarrollado por el proceso de corte, se transfiere a las virutas y se lleva con ellas. Las superficies de corte se mantienen frías. Por lo tanto, las sierras de carburo también se denominan sierras frías. Otros nombres incluyen sierras de corte en frío, sierras circulares frías, sierras de corte en frío o sierras circulares frías.
En 1963, la empresa estadounidense Ingersoll Milling Machine Co. de Rockford (Illinois ) desarrolló la primera sierra para placas de carburo que se utilizó para cortar placas de acero con hojas de sierra circulares con punta de carburo. El ángulo de corte positivo de los dientes minimizó la vida útil de la herramienta. Entre 1963 y 1969, el profesor Pahlitzsch y los ingenieros Arno Willemeit y Horst Doepcke de la Universidad de Braunschweig desarrollaron una nueva geometría de punta de carburo con un ángulo de corte negativo y un par de dientes que dividían la viruta en tres partes. Con este desarrollo en la geometría de la punta, se volvió económico serrar palanquillas de acero aleado. En 1969, Advanced Machine & Engineering Co. (AME) de Rockford (Illinois) desarrolló la primera sierra para palanquillas que utilizaba hojas de sierra con punta de carburo que incorporaban la "geometría de Braunschweig". AME [1] comenzó a construir estas máquinas para la empresa Metalcut Inc., otra empresa con sede en Rockford. La máquina se vendió en el mercado mundial bajo el nombre de Metalcut 12 y se exhibió en ferias comerciales en Milán, Italia y Chicago. Su eficiencia de corte era ocho veces más rápida que las sierras de cinta y cuatro veces más rápida que las sierras circulares de corte en frío HSS y revolucionó el mercado del aserrado de producción.
En 1970, el Departamento de Defensa del gobierno de los EE. UU. se enteró del desarrollo del nuevo concepto de sierra. Chamberlain Manufacturing Corporation, contratada por Frankford Arsenal ( [2] ), realizó una evaluación de la sierra de carburo de Goellner. Chamberlain emitió un informe técnico completo el 29 de mayo de 1970. El informe concluyó que el nuevo concepto de corte era superior al corte de cinta convencional, el corte en frío y otros métodos de corte de palanquilla en numerosos objetivos. Las ventajas proclamadas incluían velocidades de corte más rápidas, una vida útil prolongada de la hoja y una calidad mejorada de las interfaces de corte.
De 1972 a 1976, para su tesis doctoral, Horst Doepcke, asistente científico del Instituto de Máquinas Herramientas e Ingeniería de Fabricación de la Universidad de Braunschweig, desarrolló una geometría de corte de carburo específica para tubos en la que cada diente dividía cada viruta en dos. En 1984, Speedcut Inc. de Rockford, Illinois, desarrolló otro tipo de geometría de dientes de carburo con el nombre de "Notch Grind". Este se utilizaba para palanquillas de acero y dividía la viruta con una ranura escalonada por diente. Con la incorporación de esta tecnología de "Notch Grind", las sierras se volvieron significativamente más rápidas que con la geometría de Braunschweig. [3] Durante varios años después, varias empresas han estado desarrollando hojas de sierra de carburo con puntas de carburo intercambiables. Hasta ahora, estas hojas de sierra no han demostrado ser económicas para cortar acero.
Las sierras de deslizamiento horizontal son probablemente el tipo de sierra de carburo más utilizado. Con este diseño, la hoja de sierra se monta en el husillo de la caja de engranajes, donde se desliza por guías horizontales y entra horizontalmente en la pieza.
En 1969, AME desarrolló la primera sierra horizontal para corte de carburo y la construyó para Metalcut Inc. Por primera vez, se utilizaron cubiertas de guías telescópicas de acero y delantales de acero Hennig para proteger los componentes vitales de la sierra de las virutas que salen despedidas a alta velocidad y que son difíciles de controlar. [4]
La hoja de sierra de este tipo penetra verticalmente en el material. Estas sierras se utilizan a menudo como sierras de capas, con las que se pueden cortar simultáneamente y en horizontal una gran cantidad de tubos, perfiles o barras.
En 1974, Arno Willemeit, coinventor de la geometría de dientes de Braunschweig, desarrolló la primera sierra de carburo con corredera vertical. [5] Fue producida por la empresa Ohler en Remscheid, Alemania. Posteriormente, Framag, una empresa austriaca, se hizo cargo de la producción de este tipo de máquina y la construyó también como sierra de capas. Ohler había construido anteriormente sierras HSS verticales con guías dobles y las había convertido más tarde en sierras de carburo.
Son más caras que las sierras de vaivén horizontales convencionales. Se utilizan con mayor eficacia para cortar raíles de ferrocarril, ya que la hoja de sierra se introduce de forma óptima en el perfil del raíl.
Las sierras pivotantes se utilizaban originalmente como sierras HSS para cortar perfiles y tubos pequeños. A finales de los años 70, estas sierras comenzaron a utilizarse para perfiles de acero más grandes en proyectos de construcción (Kaltenbach).
En 1973, Metalcut desarrolló la primera sierra pivotante de carburo de alta eficiencia para barras de 75 mm (3 pulgadas), donde el centro de rotación de la caja de engranajes estaba montado en la placa del piso. Esta sierra corta en ambos lados del eje pivotante, una barra cada uno, y como resultado, era más productiva.
En 1976, la empresa Carbide Cutoff Inc. (CCI) de Rockford (Illinois) desarrolló una sierra de carburo de mayor producción de este tipo para poder competir con la sierra deslizante horizontal de Metalcut Inc. Esta máquina cortaba con éxito tochos de hasta 200 mm (8 pulgadas) de diámetro.
Esta sierra de tipo pivotante también fue utilizada por Metalcut Inc. como sierra de capas o sierra de tochos, que cortaba tochos de hasta 600 mm (24 pulgadas) de diámetro. El pivote está ubicado sobre la bancada de la máquina y la hoja de sierra penetra verticalmente en el material en forma de arco, pero no tiene un circuito de fuerza cerrado.
En 1994, AME desarrolló una sierra pivotante económica con la marca AMSAW 200 para el mercado estadounidense. En 2011, AME de Rockford, Illinois, desarrolló una sierra de carburo de alta eficiencia en la que el eje pivotante de la caja de engranajes está fijado en el extremo inferior de la bancada de la máquina, para cortar tochos de 350 mm (14 pulgadas). La fuerza está contenida en un circuito cerrado y la máquina es extremadamente rígida. En esta máquina, el flujo de virutas también se mejora, ya que las virutas se lanzan directamente al transportador de virutas.
En 1963, Ingersoll Milling Machine Co., de Rockford (Illinois), desarrolló una sierra que cortaba placas de acero al carbono de alta resistencia utilizando hojas de sierra de carburo. Las guías horizontales se montaban sobre una viga por encima de la placa.
Más tarde, la empresa Oliver Machinery Co. de Detroit, Michigan, desarrolló una sierra de placas en la que la caja de engranajes se deslizaba debajo de la placa en una bancada de la máquina y cortaba la placa desde abajo.
En 1973, Metalcut desarrolló la primera sierra para raíles de carburo, que más tarde fue fabricada por otras empresas, incluida Wagner. En 1997, AME desarrolló una sierra para raíles económica bajo la marca AMSAW 300-R, que todavía se utiliza ampliamente en los EE. UU. En 1999, AME construyó un modelo especial de sierra de carburo para cortar ingletes en raíles de ferrocarril para cruces y agujas. En 2011, AME desarrolló un modelo especial que se integra como sierra doble en un vagón de ferrocarril y se utiliza para trabajos de reparación de vías de ferrocarril en los EE. UU. Sustituyó a las sierras abrasivas que se habían utilizado anteriormente. Estas sierras abrasivas eran culpables de provocar incendios forestales debido a las virutas calientes y las chispas. En consecuencia, estas peligrosas máquinas fueron reemplazadas por sierras en frío AMSAW.
En 1974, Metalcut desarrolló dos sierras de capas que cortaban los extremos de hasta seis perfiles en "C". Los perfiles se acercaban a las sierras en forma horizontal, en capas. La primera sierra cortaba los extremos delanteros, la segunda los traseros, siendo esta última desplazable sobre rieles y, por lo tanto, cortando longitudes diferentes. Estas máquinas estaban construidas como sierras pivotantes y cortaban los perfiles de abajo hacia arriba.
En 1976, esta sierra pivotante también se utilizó para cortar tubos en capas.
Más tarde, Wagner y Framag construyen sierras similares con un diseño vertical.
En 2008, AME desarrolló una sierra caliente de carburo que corta los extremos de los ejes forjados en caliente para la industria ferroviaria.
Los anillos de paredes gruesas se laminan en caliente y, a menudo, deben cortarse en rodajas. MFL Liezen, de Austria, desarrolló una sierra de este tipo que corta estos anillos desde el diámetro interior. AME Rockford, IL también ofrece una sierra de este tipo; sin embargo, corta los anillos desde el exterior.
Las sierras de carburo con guías (horizontales, verticales o inclinadas) constan de una base soldada de placas de acero macizo, con nervaduras suficientes y, a menudo, rellenas de material amortiguador de vibraciones. Esta base absorbe las fuerzas que se producen y amortigua las vibraciones. Sobre la base se atornillan guías cementadas por donde se desliza la caja de cambios.
La guía se realiza mediante guías cónicas con un juego mínimo o mediante guías accionadas hidráulicamente que pueden precargarse para eliminar el juego y obtener la rigidez necesaria. Recientemente, también se han utilizado guías lineales precargadas. Los expertos aún debaten si las guías lineales precargadas con revestimiento de plástico de baja fricción amortiguan mejor las vibraciones que las guías lineales precargadas y endurecidas con bolas o rodillos endurecidos.
El sistema de alimentación consta de un cilindro hidráulico o un tornillo de bolas y un reductor de engranajes, que es accionado por un servomotor.
En la mayoría de los casos, se utilizan engranajes cementados de bajo juego montados en cojinetes de bolas o de rodillos cónicos. Según el tamaño de las hojas de sierra, se pueden utilizar un máximo de cinco juegos de engranajes con una reducción de engranaje de hasta 40:1. Los motores de velocidad variable de hasta 150 KW accionan la caja de cambios directamente o mediante correas de distribución o "V". Muchas sierras tienen la brida de montaje de la hoja integrada en el husillo. Esto es más económico, pero requiere un mantenimiento costoso cuando las superficies de montaje de la hoja se desgastan. Sin embargo, algunas sierras más innovadoras tienen bujes de transmisión extraíbles que están montados de forma rígida y se pueden reemplazar fácilmente. Algunas sierras también utilizan volantes de inercia en el eje de entrada de la caja de cambios para suavizar el par fluctuante.
Generalmente consta de dos cilindros de sujeción hidráulicos que sujetan el material a ambos lados de la hoja de sierra de forma horizontal, vertical o angular. Para mejorar la vida útil de la hoja de sierra, el material se separa de la hoja en ambos lados antes de que la hoja de sierra se retraiga del corte.
La hoja de sierra debe estar firmemente montada en el eje de transmisión para poder transmitir la enorme cantidad de par sin vibraciones. Una brida de hoja más grande generalmente reduce la vibración de la hoja, pero requiere un diámetro de hoja mayor. Para reducir los costos de la hoja, varios fabricantes utilizan bridas más pequeñas en combinación con estabilizadores de hoja y, de ese modo, pueden reducir los costos de la herramienta.
Las hojas de sierra de carburo son circulares, por lo que son radialmente los elementos más rígidos del tren de potencia en la dirección de avance, pero muy inestables en dirección perpendicular a la dirección de avance. Debido al delgado cuerpo de la hoja, las hojas deben estabilizarse para minimizar las amplitudes de vibración laterales. Cuando se realizaron los primeros experimentos con sierras de carburo, un ingeniero de desarrollo de Advanced Machine & Engineering en Rockford estabilizó la hoja utilizando un palo de escoba que empujó contra la hoja vibrante, minimizando las vibraciones. A partir de esta experiencia, se desarrolló un estabilizador de hoja utilizando dos cojinetes de bolas recubiertos de plástico montados en ejes excéntricos y soportados por un soporte soldado a la caja de cambios. Horst Doepcke, que vio este método durante los experimentos realizados por Metalcut, también los describe en su tesis "Sägen von Rohren mit hartmetallbestückten Kreissägeblättern". [6] Otros desarrollos de Amsaw condujeron a estabilizadores de segmentos, mediante los cuales, en ambos lados de la hoja, placas ajustables recubiertas de plástico minimizaban las vibraciones de la hoja (AME). Más tarde, otros fabricantes utilizaron elementos deslizantes similares como "amortiguadores de vibraciones". Sin embargo, estos amortiguadores de vibraciones etiquetados erróneamente no amortiguaban las oscilaciones, sino que simplemente minimizaban las amplitudes. El Sr. Doepke describe esta función en detalle en su disertación. Recientemente, la Advanced Machine & Engineering Company ha desarrollado un par de estabilizadores frontales para sus máquinas AMSAW dispuestos cerca del punto en el que la hoja entra en el material. Estos estabilizadores se extienden hidráulicamente, cuando los dientes de carburo han pasado las puntas del estabilizador antes de cortar y estabilizan la hoja, lo que también ayuda a guiar la hoja en el corte para mejorar la precisión. Otras formas de estabilizadores se enumeran en alemán en la editorial VDI Nr. 1999 del Dipl.-Ing. Rainer Liebrecht. Este informe aborda especialmente el efecto de la vibración en las hojas de sierra. [7]
En general, existen dos tipos diferentes de sistemas de medición:
1. Medición con pinzas de agarre: La pieza de trabajo se sujeta con pinzas de agarre que se deslizan sobre guías y son operadas por una combinación de servomotor y husillo de bolas.
2. Medición con topes de medición: Las piezas se desplazan mediante un transportador de rodillos hacia un tope ajustable. Este tope se puede posicionar con precisión mediante un mecanismo servo con husillo de bolas y normalmente incorpora un amortiguador para amortiguar el impacto. Este método se utiliza para piezas más largas.
Las sierras de producción automáticas en su mayoría funcionan mediante PLC.
Una hoja de sierra de diámetro pequeño es menos costosa y requiere menos torque para accionarla. Una hoja de sierra más delgada desperdicia menos material y necesita menos energía para girar. Por lo tanto, se desea utilizar cubos de accionamiento de diámetro más pequeño para el montaje de la hoja y hojas más delgadas para poder cortar material de mayor diámetro con hojas de sierra de diámetro más pequeño. Sin embargo, estos criterios debilitan la rigidez lateral de la hoja y la hoja puede vibrar más debido a la gran relación diámetro/grosor de la hoja.
El juego de los engranajes, especialmente el del husillo, también es crítico. La relación entre una hoja de 1800 mm (70”) de diámetro y el diámetro de paso aproximado de 250 mm (10”) del engranaje del husillo es de aproximadamente 7/1. Por lo tanto, un juego de dientes de 0,025 mm (0,001”) da como resultado una pérdida de movimiento de 0,18 mm (0,007”) en el diente de la hoja.
Esta gran cantidad de movimiento perdido sumado al enrollamiento torsional del tren de engranajes, cuando un diente entra en el corte y se relaja al salir, induce vibración torsional y debe reducirse al mínimo mediante el uso de mecanismos anti-juego o rectificando los juegos de engranajes hasta obtener un juego mínimo absoluto.
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Cuando una hoja de sierra circular con punta de carburo entra o sale del material, solo un diente corta. La fluctuación de la carga, cuando el diente entra y sale del corte, induce vibraciones y requiere una caja de engranajes y una máquina muy rígidas.
Una sierra pivotante tiene el mayor grado de rigidez, porque las fuerzas están dispuestas en un bucle cerrado (fig. 1). Si asumimos que la base de una sierra de este tipo es muy rígida, la fuerza fluirá desde el pivote de la caja de cambios hasta el sistema de alimentación por husillo de bolas en un bucle cerrado, por lo que la fuerza de corte se activa en el medio, aproximadamente, entre el punto de rotación y el husillo de bolas. Esta disposición reduce sustancialmente el movimiento perdido y la flexibilidad en el sistema de alimentación. Además, el accionamiento por husillo de bolas que fuerza la hoja en el corte está atornillado al marco de fijación que a su vez está sujeto al tocho y le da a esta disposición una rigidez adicional.
Las sierras con correderas horizontales o inclinadas tienen un flujo de fuerza de bucle abierto (fig. 2) y mantienen cualquier movimiento perdido y el cumplimiento del sistema de alimentación. [8]
Las sierras de corredera vertical de circuito cerrado son las máquinas más rígidas, pero también las más caras. Requieren menos espacio que las sierras de corredera horizontal o angular, pero también es más difícil controlar el flujo de virutas horizontal. También son difíciles de mantener.
Las sierras de deslizamiento horizontales y angulares deben ser más pesadas para mantener la misma rigidez que las sierras verticales o pivotantes. El flujo de virutas es descendente y, por lo tanto, es más fácil de controlar que en las sierras verticales.
Las sierras pivotantes de corte horizontal son las máquinas más rentables. Requieren menos piezas y espacio en el suelo y tienen un control favorable de la viruta hacia abajo. El sistema de circuito cerrado reduce la flexibilidad y, por lo tanto, se pueden construir más livianas, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de rigidez.
