Domine el arte del cálculo de cortes: su guía para la precisión en el mecanizado CNC

Como sucede con cualquier cosa mecánica, la precisión es la base fundamental de una máquina CNC moderna, y este aspecto específico solo se puede lograr si se cuenta con un conocimiento profundo de los cálculos de corte. Este artículo destacará los pasos y métodos relevantes que constituyen el proceso de determinación precisa de los parámetros de corte. Desde los conceptos básicos de velocidad de corte, profundidad de corte y velocidad de avance hasta su impacto en el rendimiento de la máquina y la calidad de la pieza resultante, intentaremos cubrir la mayor cantidad posible de información práctica. Y para aquellos que buscan maximizar la productividad o el nivel de detalle de las piezas producidas, esta guía los ayudará a dominar el mecanizado CNC.

¿Qué es la velocidad de corte y cómo se calcula?

La velocidad de corte se refiere a la velocidad de movimiento lineal del filo de corte y la superficie de la pieza de trabajo. A menudo, se calcula en pies por minuto (SFM) o superficies (m/min) o incluso en metros por minuto (m/min). Para obtener la velocidad de corte, se utiliza la siguiente fórmula:

Velocidad de corte (V) = (π x D x N)/12 (en unidades imperiales)

V = velocidad espacial métrica en SFM

D = dimensiones de la pieza de trabajo o herramienta (en pulgadas)

N = velocidad del husillo (RPM)

En caso de utilizar unidades métricas, entonces en lugar de 12 ponga 1000 y haga el cálculo así:

Velocidad de corte (V) = π x D x N/1000

Comprender la velocidad de corte en el mecanizado CNC

Existen múltiples particularidades que afectan la velocidad de corte de una máquina CNC, entre ellas el material de la pieza de trabajo y el tipo de herramienta de corte utilizada, así como la operación que se realiza. Los materiales que componen la pieza de trabajo, como el aluminio, el acero y el titanio, tienen diferentes niveles de dureza y propiedades térmicas que requieren diferentes velocidades de corte. De la misma manera, los materiales de las herramientas de corte, como el acero de alta velocidad (HSS) o las herramientas de carburo, así como la cerámica, influyen en la temperatura a la que puede llegar la herramienta de mecanizado antes de perder su filo.

La velocidad de corte óptima también cambia con las diferentes operaciones de mecanizado, que incluyen torneado, fresado y taladrado. Por ejemplo, el fresado también tiene su propio conjunto de velocidades en función del número de ranuras de la herramienta, así como de la velocidad de avance. La implementación de rangos de velocidad de corte recomendados permite un corte preciso y las pautas de consulta garantizan la eficiencia en todas las operaciones.

Los cambios de velocidad se pueden calcular utilizando las siguientes fórmulas

La velocidad de corte (Vc) es uno de los parámetros importantes que se deben calcular en varios procesos de mecanizado. Se define mediante la fórmula:

Vc = (π × D × N) / 1000

Vc = Velocidad de corte (metros por minuto, m/min)

D = Diámetro de la pieza o herramienta (milímetros, mm)

N = Velocidad del husillo (revoluciones por minuto, RPM)

La alineación de las velocidades y los diámetros del husillo con las velocidades de corte deseadas garantiza un rendimiento preciso y eficiente de la herramienta. Es posible que se requieran algunos ajustes que utilicen las propiedades de los materiales, los parámetros de la herramienta de corte y las condiciones de mecanizado. Las referencias sobre las recomendaciones y los estándares de los fabricantes de herramientas específicos son de gran ayuda para lograr resultados óptimos.

Factores que afectan la velocidad de corte

Los distintos materiales poseen diferentes durezas y propiedades térmicas que afectan las velocidades de corte óptimas. Por ejemplo, los metales más blandos, como el aluminio, permiten velocidades de corte mucho mayores en comparación con los metales más duros, como el acero inoxidable.

Cada herramienta hecha de acero de alta velocidad (HSS) o carburo o incluso cerámica tiene capacidades de rendimiento variables, pero en general se puede observar que las herramientas de carburo tienden a soportar velocidades más altas debido a su mayor durabilidad al soportar el calor.

Como la eficiencia se maximiza aumentando la forma y el filo de la herramienta de corte, se deben garantizar cortes suaves y seguros mediante una geometría de herramienta óptima a velocidades más altas.

¿Cómo se determina la profundidad de corte en un proceso de mecanizado?

Establecer la profundidad de corte y su importancia

En relación con una operación de mecanizado, la profundidad de corte es la distancia que recorre una herramienta de corte en la pieza de trabajo durante el proceso. Se define por la distancia entre la superficie sin cortar y la superficie mecanizada. Este ajuste suele basarse en el tipo de material de la pieza de trabajo, la capacidad de la herramienta de corte y la resistencia de la máquina en cuestión.

Para encontrar la profundidad de corte óptima:

Propiedades del material: generalmente, hay una mayor profundidad de corte en los materiales más blandos que en los más duros, que requieren cortes más superficiales para proteger la herramienta contra daños y sobrecalentamiento.

Resistencia de la herramienta: hace referencia a la resistencia y el filo de la herramienta de corte en particular. Las herramientas más resistentes pueden tolerar cortes más profundos.

Condiciones de mecanizado: aspectos como la potencia de la máquina, su estabilidad y el control de las vibraciones son fundamentales. Cuanto más profundos sean los cortes, más rígida será la máquina, lo que permite realizar cortes más profundos.

La elección de la profundidad de corte adecuada garantiza siempre una mayor eficiencia en el mecanizado, una mayor vida útil de la herramienta y minimiza las posibilidades de cometer errores durante el mecanizado. Cumpla siempre con las directrices proporcionadas por los fabricantes en relación con los materiales y herramientas particulares.

Aplicación de una calculadora para velocidades de alimentación precisas

Para obtener cálculos de avance precisos, una calculadora necesitará que el usuario introduzca los datos de avance por diente (Fz), la velocidad del husillo (N) y la cantidad de ranuras (z). Con estos parámetros, puede calcular fácilmente la velocidad de avance (Vf) para su proceso de mecanizado mediante la fórmula Vf = Fz × N × z. Esto ayuda a lograr la eficiencia deseada sin comprometer la calidad y aumentar la vida útil de la herramienta. Preste mucha atención a los valores y unidades de entrada porque se producen errores que pueden afectar negativamente a los cálculos.

Errores comunes al determinar el avance por diente

Al igual que con otros cálculos, también existe el error más común de interpretación de las unidades de medida. En este caso, el avance por diente (Fz) se expresa en milímetros (mm) o pulgadas, y el cambio de unidades para las conversiones se realiza de forma incorrecta. Otro error de este tipo es no considerar el valor correcto para las estrías (z), especialmente cuando el calibre es de dos estrías. Calcular la velocidad con un valor supuesto de 4 estrías aumenta las posibilidades de sobrecargar los filos de corte, lo que acabará desgastando la herramienta o rompiéndola.

Para que puedas entender mejor los datos, te mostramos dos casos de muestra:

Avance por diente (Fz): 0.1 mm/diente

Velocidad del husillo (N): 12,000 RPM

Número de flautas (z): 4

Fz × N × z = 0.1 × 12000 × 4 = 4800 mm/min

Después de los cálculos, el valor correcto de la velocidad de alimentación (Vf) es 4800 mm/min.

Avance por diente (Fz asumido): 0.2 mm/diente (cambiado incorrectamente del valor real 0.1 mm/diente)

Velocidad del husillo (N): 12,000 RPM

Número de flautas (z): 4

Vf = Fz × N × z = 0.2 × 12,000 4 × 9,600 = XNUMX mm/min

Esta suposición incorrecta da como resultado una velocidad de alimentación de 9600 mm/min, que es el doble de la velocidad requerida y probablemente provocará una vibración excesiva de la máquina, lo que reducirá el acabado superficial de la pieza y dañará la herramienta.

¿Cuál es el papel de la máquina herramienta en la medición de la fuerza de corte?

Investigación de funcionalidades de máquinas herramientas

La medición de las fuerzas de corte está estrechamente relacionada con la eficiencia de las máquinas herramienta, ya que éstas proporcionan la superficie desde la que se miden y registran las fuerzas durante el proceso de mecanizado. En el mecanizado, las fuerzas de corte son uno de los parámetros más importantes que afectan al proceso, a la vida de la herramienta y a la calidad de la pieza. Para la medición de estas fuerzas se instalan en las máquinas herramienta los dispositivos de medición de fuerza integrados o externos necesarios, como dinamómetros y células de carga. Estos sistemas ofrecen la medición de fuerzas en tiempo real en los ejes X, Y y Z, lo que permite un análisis detallado.

La medición de la fuerza de corte se mejora constantemente con nuevos tipos de sensores y sistemas de adquisición de datos con el objetivo de facilitar la medición y reducir al mínimo las interrupciones en el proceso de mecanizado. Los dinamómetros multicomponentes también son un buen ejemplo. Pueden medir fuerzas de corte que son sensibles y, por lo tanto, se utilizan con máquinas CNC para un mejor control. Además, la precisión con la que se miden las fuerzas se ve afectada por la rigidez y la estabilidad de la máquina herramienta, lo que requiere que las condiciones de corte se adapten a la capacidad de la máquina. Por lo tanto, la integración de estos sistemas de medición con las máquinas herramienta tiene como objetivo optimizar los parámetros de corte, mantener la estabilidad del proceso y reducir la posibilidad de desgaste de la herramienta o deformación de la pieza de trabajo.

Uso de máquinas herramienta para medir la fuerza de corte

La medición de la fuerza de corte tiene varias dependencias que deben tenerse en cuenta. A continuación se presenta un resumen de las más importantes junto con información nueva de investigaciones recientes:

Las fuerzas de corte se ven muy afectadas por la velocidad de corte y la velocidad de avance. Un buen ejemplo es la reducción de la fuerza de corte con el aumento de la velocidad de corte de 50 m/min a 200 m/min durante las operaciones de torneado debido al ablandamiento térmico, como se demostró en un estudio realizado en aleaciones de acero. Por otro lado, aumentar las velocidades de avance de 0.1 mm/revolución a 0.3 mm/revolución aumenta las fuerzas de corte aproximadamente en un 60% debido a la mayor sección transversal de la viruta.

El ángulo de ataque de la herramienta de corte y su composición de material también son muy importantes para las fuerzas de corte. Por ejemplo, las herramientas con ángulos de ataque positivos, como un ángulo de ataque de +10°, producen niveles de fuerza más bajos en comparación con las herramientas con ángulos de ataque neutros y negativos. Los materiales más duros, como el carburo cementado o el diamante policristalino (PCD), tienen una mayor resistencia al corte y, por lo tanto, cuanto más difíciles sean de cortar esos materiales, más mecanizado activo se puede realizar sin un desgaste significativo de la herramienta.

Del mismo modo que la pieza a mecanizar es dura y su microestructura refinada, también lo es el grado en que se mecaniza el material. Por ejemplo, el mecanizado de aleaciones de aluminio suele dar como resultado una reducción de las fuerzas de corte de entre el 40% y el 50% en comparación con los aceros al carbono en las mismas condiciones de corte. Los datos experimentales sugieren que los materiales más duros, como un acero cuya dureza supera los 50 HRC, emplean mayores fuerzas debido a la resistencia a la eliminación del material.

Los fluidos de corte se pueden utilizar para reducir notablemente las fuerzas de corte al reducir la fricción en los límites herramienta-viruta y herramienta-pieza. Las pruebas han indicado reducciones en las fuerzas de corte de entre el 20% y el 30% cuando se utilizan fluidos de corte de alto rendimiento o sistemas MQL, en comparación con los procesos de mecanizado en seco.

El comportamiento vibracional y la rigidez estática de las máquinas herramienta también afectarán a la medición. Máquinas con un mayor grado de rigidez dinámica minimizan los errores en la medición de fuerzas debido a deformaciones o temblores del sistema, proporcionando así una mejor información.

Armados con evidencia empírica que cuantifica estos factores y sus efectos, los fabricantes pueden saber de antemano cómo ajustar las condiciones de mecanizado y optimizar el rendimiento. Desde el punto de vista de la ingeniería de precisión, la combinación de dinamómetros avanzados y modelos analíticos permite una predicción precisa de la fuerza, lo que aumenta la productividad y la calidad del producto.

Métodos eficientes para optimizar la fuerza de corte

Cada vez se hace más hincapié en la telemetría en tiempo real y el aprendizaje automático para optimizar la fuerza de corte. Los sensores integrados en los dinamómetros pueden registrar datos de fuerza con mayor precisión incluso en situaciones de mecanizado difíciles. Los algoritmos avanzados utilizan esta información para predecir la vida útil de la herramienta, diagnosticar fallas y sugerir avances, velocidades de corte y profundidad de corte.

El uso de nuevos materiales para herramientas de corte, en particular el diamante policristalino (PCD) y los compuestos cerámicos, ha mejorado enormemente la dinámica de mecanizado debido a que se requieren menos fuerzas de corte y una excelente calidad de acabado superficial. Cuando estos materiales se utilizan junto con el mecanizado criogénico o los sistemas avanzados de refrigeración MQL, se mejora la vida útil y la productividad de las herramientas. En resumen, el empleo de estas técnicas permite a los fabricantes obtener un mejor rendimiento y una mejor relación calidad-precio en industrias económicamente agresivas.

¿Cómo se calcula el tiempo de mecanizado en el fresado CNC?

Los componentes del tiempo relativos a las operaciones de mecanizado

El tiempo de mecanizado en el fresado CNC tiene varios componentes fundamentales, como la longitud de corte, la velocidad de avance y la velocidad de la herramienta. Para un mecanizado eficiente, la precisión depende de estos diversos factores y su correlación. El tiempo de mecanizado básico (T) se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

T = L / (F * N)

T = Tiempo de mecanizado en minutos

L = Longitud total de corte en mm

F = Velocidad de avance en mm/revolución o mm/minuto

N = Velocidad del husillo RPM

Datos de ejemplo:

Material: Aleación de aluminio

Longitud de corte (L): 150 mm

Velocidad de avance (F): 0.25 mm/rev

Velocidad del husillo (N): 1200 RPM

Aplicando la fórmula:

T = 150 / (0.25 * 1200)

T = 150/300 = 5 minutos o 30 segundos.

Consideraciones de precisión:

Adapte la velocidad del husillo y la velocidad de avance para adaptarse al material que se está mecanizando y a las herramientas utilizadas.

En la planificación detallada, incluya los tiempos de preparación, los tiempos de cambio de herramientas y cualquier otro tiempo de espera operativo para aplicaciones industriales.

Para la simulación, el software CAD/CAM puede dividir los tiempos de mecanizado en segmentos más pequeños, aumentando así la precisión y disminuyendo la posibilidad de error, garantizando la optimización del ciclo.

Pasos para calcular el tiempo de mecanizado con la máxima precisión

A continuación se presenta un esquema detallado de los principales parámetros y datos relevantes relacionados con el cálculo del tiempo de mecanizado.

Tipo de material: aleación de aluminio

Nivel de dureza (si corresponde): moderado

Conductividad térmica y características de desgaste (para tener en cuenta en la selección de herramientas)

Longitud de corte (L): 150 mm

Velocidad de avance (F): 0.25 mm/rev

Velocidad del husillo (N): 1200 rpm

Tipo de herramienta: Fresa de inserción de carburo

Diámetro de la herramienta (si corresponde): personalizado según el tipo de corte

Tipo de máquina: Torno CNC (y modo de funcionamiento)

Velocidad de superficie: se calcula y se deriva en función de la velocidad del husillo si no se hizo anteriormente.

Carga de viruta por diente: depende de la herramienta de corte y de las varillas utilizadas.

Refrigerante (si se utiliza): debe aplicarse para lograr efectos de enfriamiento eficientes.

Retrasos operativos/ajustes (ajuste de cambio de herramienta, alineación externa de herramientas y piezas)

Tiempo de mecanizado (T): 30 segundos o 0.5 minutos

Ajustes adicionales (ajuste de permanencia, ajuste de retracción) – según corresponda a los valores finales.

Técnicas para mejorar la productividad mediante la reducción del tiempo de mecanizado

Existen varios métodos que se pueden aplicar para mejorar la productividad y reducir el tiempo en los procesos de mecanizado:

• Ajustar las condiciones de las herramientas: cambiar la velocidad de alimentación, la velocidad del husillo y la profundidad de corte del material mecanizado puede generar mayores tasas de eliminación de material sin reducir la calidad de la superficie ni la vida útil de la herramienta.
• Seleccione herramientas superiores: el uso de herramientas de corte de alto rendimiento, como insertos de carburo recubiertos, proporciona una mejor resistencia al desgaste, estabilidad térmica y Eficiencia durante el mecanizado de alta velocidad operaciones.
• Adopte el mecanizado de alta velocidad (HSM): HSM mejora el rendimiento de materiales más blandos y durante las etapas de acabado al reducir en gran medida los tiempos de ciclo.
• Aplicar tecnología CNC más nueva: las máquinas CNC modernas con aceleración y desaceleración mejoradas, así como cambios rápidos de herramientas, reducen el tiempo de inactividad y ayudan a mejorar la velocidad a la que se realiza el mecanizado.
• Reducir el tiempo sin valor agregado: una mejor planificación y automatización de la configuración de la herramienta, la retracción y el tiempo de permanencia ahorran un tiempo considerable durante procesos repetitivos o por lotes.
• Aplicar refrigerantes: Los sistemas de refrigerante de alta presión o dirigidos aplicados correctamente pueden reducir el desgaste de la herramienta debido al sobrecalentamiento y permitir cortes más rápidos manteniendo cortes de excelente calidad.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Por qué es fundamental el cálculo de corte en el mecanizado CNC?

R: En lo que respecta al cálculo de corte, este aspecto es importante en el mecanizado CNC ya que ayuda a definir los parámetros óptimos de mecanizado en cuanto a eficiencia y precisión. Esto significa que la cuchilla puede funcionar a una velocidad y velocidad de avance ideales, al tiempo que minimiza el desgaste y la oxidación. Esta acción prolongará la vida útil del equipo y mejorará la calidad de las piezas torneadas.

P: ¿Cómo calcularías la velocidad de corte en el torneado CNC?

R: La velocidad de corte en el torneado CNC se puede calcular mediante la fórmula: Vc = (π × D × N) / 12. En este caso, el operador debe recordar que Vc es la velocidad de corte en pulgadas por minuto, D es el diámetro de la pieza de trabajo y N es la velocidad de rotación expresada en revoluciones por minuto. Esta fórmula de mecanizado ayuda a los operadores a determinar qué velocidad producirá los resultados deseados.

P: ¿Cuáles son los elementos básicos que afectan el cálculo del espesor del chip?

R: El cálculo del espesor de la viruta se ve influenciado por la velocidad de avance por revolución, la geometría de la cuchilla, la velocidad de mecanizado y las propiedades del material de la pieza de trabajo. Conocer estos factores ayuda a garantizar que se utilicen los procesos de mecanizado más óptimos para producir cortes precisos.

P: ¿Cómo se evalúa el acabado superficial teórico en el mecanizado CNC?

A: El acabado superficial teórico se evalúa en función del avance por unidad de distancia, el radio de la punta de la herramienta y la amplitud de rotación. Esta teoría predice la rugosidad de la superficie y ayuda al operador a determinar la calidad de superficie requerida para modificar los parámetros de mecanizado en consecuencia.

P: ¿Cuál es el papel de la maquinabilidad en el cálculo del corte?

R: Como una de las definiciones de maquinabilidad, también se refiere a la facilidad de corte del material y esto tiene un efecto en el cálculo del corte. A medida que mejora la maquinabilidad, también mejoran los requisitos de potencia para las operaciones de corte y el deterioro de la superficie. El conocimiento de la maquinabilidad ayuda a definir con más precisión los parámetros de corte, como la velocidad del husillo y la velocidad de avance, para obtener resultados óptimos.

P: ¿Qué pasos sigue para encontrar la mejor velocidad de rotación para el torneado CNC?

R: Analizando el diámetro de la pieza, la velocidad de corte preferida y las características del material, se puede determinar la velocidad de rotación óptima. En este caso, los operadores aplican la fórmula N = (12 × Vc) / (π × D) para calcular las RPM (revoluciones por minuto) requeridas de manera que se garantice tanto la precisión como la eficiencia del proceso de mecanizado.

P: ¿Por qué es necesario cumplir con la tolerancia de velocidad de avance en el mecanizado CNC?

R: La velocidad de avance correcta facilita un desgaste mínimo de la herramienta, un buen acabado de la superficie y dimensiones precisas. La velocidad de avance, que normalmente se mide en pulgadas por minuto (IPM), define el volumen promedio de material eliminado por rotación, lo que afecta la eficacia y la precisión del mecanizado.

P: ¿Qué se hace para mejorar el rendimiento de corte en las operaciones CNC?

A: Se utilizan materiales de herramientas avanzados, cambiadores automáticos de herramientas, optimización de parámetros de mecanizado y sistemas de refrigeración para reducir la temperatura y la oxidación, mejorando así el rendimiento de corte y actuando como una solución para las máquinas CNC. Estas prácticas son de gran beneficio cuando se busca una mayor productividad, precisión o una vida útil más prolongada de las operaciones CNC.

P: ¿Cuál es el método para calcular el radio de curvatura de la pieza torneada?

R: En el caso de una pieza torneada, el radio de curvatura se determina en función del radio de la punta de la herramienta y de la velocidad de avance. Este es un aspecto crucial, ya que estos valores ayudan a calcular el contorno final de la pieza de trabajo. El contorno también debe satisfacer los requisitos de diseño. La medición del radio es esencial durante el torneado CNC.

Fuentes de referencia

1. “Cálculo directo de los parámetros constitutivos del material Johnson-Cook para operaciones de corte oblicuo”(Nguyen y Hosseini, 2023)

• Publicado en 2023
• Autores: Nam Nguyen, A. Hosseini
• Resultados clave: Los autores desarrollaron un método de cálculo directo para determinar los parámetros constitutivos del material Johnson-Cook para operaciones de corte oblicuo, que puede predecir con precisión las fuerzas y temperaturas de corte.
• Metodología: Los autores utilizaron un modelo analítico combinado con validación experimental para calcular directamente los parámetros del material Johnson-Cook sin la necesidad de optimización iterativa.

2. “Cálculo y análisis de la fuerza de corte cuasidinámica y de la energía de corte específica en el microfresado de Ti6Al4V” (Zhang et al., 2022, págs. 6067–6078)

• Publicado en 2022
• Autores: Yabo Zhang, Q. Bai, Fengrui Zhang, Peng Wang
• Resultados clave: Los autores propusieron un modelo de cálculo para predecir la fuerza de corte cuasidinámica y la energía de corte específica en el microfresado de la aleación Ti6Al4V, que mostró una buena concordancia con los resultados experimentales.
• Metodología: Los autores desarrollaron un modelo analítico basado en el espesor de la viruta no deformada y la geometría del filo para calcular la fuerza de corte y la energía de corte específica, y validaron el modelo mediante experimentos.

3. “Cálculo óptimo y estudio experimental de la fuerza de corte de un engranaje hipoide procesado por el método de generación”(Jiang et al., 2021, págs. 1615–1635)

• Publicado en 2021
• Autores: Chuang Jiang, Jing Deng, Xiaozhong Deng
• Resultados clave: Los autores propusieron un método de cálculo óptimo para la fuerza de corte de engranajes hipoides procesados ​​por el método de generación y validaron el modelo a través de estudios experimentales.
• Metodología: Los autores desarrollaron un modelo analítico para calcular la fuerza de corte basándose en la geometría del engranaje y los parámetros de corte, y realizaron experimentos para verificar la precisión del modelo.

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