INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Equipo 3: Fresadoras.
Procesos de Manufactura
Integrantes:
Morado Rueda Christian de Jesús
Montaño Valdez Humberto
Ortiz Jarillo Johnny
Grupo 5AM2
2014Ing. Ricardo Agustín Hernández Estrada
Fresado y Fresadoras.El fresado incluye diversas operaciones de maquinado muy versátiles, usando una fresa, una herramienta multifilo que produce numerosas virutas en una sola revolución, en si consiste en corte de material, usando la fresa, que esta es una herramienta de varios filos, que ejecuta movimientos de avance programados o mediante forma manual por una serie de nonios y manivelas por parte del operador.
Tipos de Fresado
a) Fresado Periféricob) Fresado de careado c) Fresado frontal
Fresado Periférico.
En este proceso también conocido como fresado simple, el eje de rotación del cortador es paralelo a la superficie de trabajo; El cuerpo del cortador, que por lo general se fabrica con acero de alta velocidad, tiene varios dientes a lo largo de su circunferencia, cada diente actúa como una
1
herramienta de corte de una sola punta. Cuando el cortador es más largo que la anchura del corte, el proceso se conoce como fresado plano.
Los cortadores para fresado periférico comúnmente tienen dientes rectos u helicoidales, que producen una acción ortogonal u oblicua, respectivamente; Son preferiblemente los dientes helicoidales a los rectos por que el diente ataca en forma parcial la pieza de trabajo conforme va girando, en consecuencia, la fuerza de corte y el torque en el cortador son inferiores, lo que ocasiona una operación más suave y reduce el traqueteo.
Fresado Convencional y Fresado Concurrente.
El cortador puede rotar en el sentido de las manecillas del reloj o en sentido opuesto; esto es significativo en la operación. En el fresado convencional conocido también como fresado hacia arriba, el máximo espesor de las virutas se da a final del corte, esto cuando el diente abandona la superficie de trabajo.
Las ventajas del fresado convencional:
a) El ataque del diente no es una función de las características de la superficie de la pieza de trabajo.
b) La contaminación o cascarilla (capa de óxido) en la superficie no afecta de manera adversa la vida de la herramienta.
Este es el método más común del fresado, el proceso de corte es fino, siempre que los dientes del cortador estén bien afilados. De lo contrario, el diente roza contra la superficie antes de empezar a cortar, puede haberla tendencia a que vibre la herramienta y la pieza de trabajo, que se jale hacia arriba (debido a la dirección de la rotación del cortador), por lo que es necesaria una sujeción apropiada.
En el fresado concurrente conocido como fresado hacia abajo, el corte empieza en la superficie de la pieza de trabajo donde la viruta es más gruesa. La ventaja es que la componente hacia debajo de la fuerza de corte mantiene la pieza en su lugar, en particular en las partes más delgadas. Sin embargo, dadas las fuerzas de impacto que se producen cuando los dientes atacan la pieza, la operación debe mantener rígida la sujeción del trabajo y eliminar el retroceso del engrane en el mecanismo de avance de la mesa, este tipo de fresado no es apropiado para maquinado de piezas de trabajo que tienen cascarilla en la superficie, como metales trabajados en caliente, los forjados y las fundiciones. La cascarilla es dura y abrasiva y produce desgaste excesivo, así como daños en los dientes del cortador, lo que acorta la vida de la herramienta.
2
Parámetros del Fresado.
La velocidad de corte V en el fresado periférico es la velocidad superficial del cortador:
V=πDN
Donde D es el diámetro del cortador y N velocidad rotacional del mismo.
El espesor de la viruta es el fresado plano varia a lo largo de su longitud debido al movimiento longitudinal relativo entre el cortador y la pieza de trabajo, Para un cortador de dientes rectos, el espesor no deformado de la viruta (profundidad de corte de la viruta) aproximado tc se puede calcular a partir de la ecuación.
tc=2 f √ dD
Donde f es el avance por diente del cortador, es decir, la distancia que avanza la pieza de trabajo por diente del cortador, mm/diente o pulgadas/diente, d es la profundidad de corte y D diámetro del cortador.
-El avance por diente se determina con la ecuación:
f= vNn
-El tiempo de corte (t) se obtiene mediante la expresión:
t=l+lcV
3
Donde l es la longitud de la pieza de trabajo y lc la extensión horizontal del primer contacto del cortador con la pieza de trabajo. Con base en la suposición de que lc es menor que l, la velocidad de remoción de material (MRR) es:
MRR=lwdt
=wdv
En la que w es la anchura de corte que (en el fresado plano) es la misma que la anchura de la pieza de trabajo, la distancia que el cortador avanza en el ciclo sin corte de la operación de fresado es una consideración económica importante y debe minimizarse, por medios tales como un avance más rápido de los componentes de la máquina herramienta.
Fresado de Careado o Refrentado.
El cortador se monta en un husillo que tiene un eje de rotación perpendicular a la superficie de la pieza de trabajo, remueve material. El cortador gira a una velocidad rotacional N y la pieza se mueve a lo largo de una trayectoria recta a una velocidad lineal v. Dado el movimiento relativo entre los dientes del cortador y la pieza de trabajo, el fresado de careado deja marcas de avance en la superficie maquinada similares a las operaciones de torneado. La rugosidad de la superficie de la pieza depende de la geometría de la esquina del inserto y del avance por diente. El ángulo de avance también influye en las fuerzas de fresado, se presenta un componente de fuerza vertical cada vez más pequeña. Los principales ángulos para la mayoría de cortadores de fresado de careado van de 0° a 45°. Existe una amplia variedad de cortadores para fresado. El diámetro del cortador debe elegirse de manera que no interfiera en los aditamentos y otros componentes en el arreglo. En una operación común de fresado de careado, la relación de diámetro del cortador (D) a la anchura del corte (w) no debe ser menor 3:2.
4
La relación del diámetro del cortador respecto de los ángulos del inserto y su posición relativa respecto de la superficie a fresar es importante porque determina el angulo al cual un inserto entra y sale de la pieza de trabajo.
El mismo inserto puede atacar la pieza a diferentes ángulos, dependiendo, de las posiciones relativas del cortador y la anchura de la pieza de trabajo, la punta del inserto hace el primer contacto de manera que existe la posibilidad de que se astille el filo de corte, los primeros contactos (en la entrada, reentrada y las dos de salidas) se encuentran en ángulo y lejos de la punta de inserto falle, ya que las fuerzas en el inserto varían con más lentitud.
5
En la siguiente figura se muestran los ángulos de salida de varias posiciones del cortador.
Fresado Frontal.
El fresado frontal es una operación de maquinado importante y común debido a su versatilidad y capacidad para producir diversos perfiles y superficies curvadas. El cortador, conocido como fresa frontal tiene un zanco recto (fig. 24.2C) para dimensiones pequeñas o un zanco cónico para dimensiones más grandes y se monta en el husillo de la fresadora, las fresas se pueden fabricar de aceros de alta velocidad o con insertos de carburo, similares a los del fresado de careado; El cortador gira en un eje perpendicular a la de la superficie de la pieza de trabajo y también se puede inclinar para maquinar superficies cónicas y curvadas.
El fresado frontal puede producir varias superficies a cualquier profundidad, como las de tipo curvado, escalonadas, y de cavidades.
Las máquinas de husillo vertical y de husillo horizontal, así como los centros de maquinado, pueden emplearse para piezas de trabajo de fresado frontal de diversas formas y tamaños. Las maquinas pueden programarse de manera que el cortador siga una serie compleja de trayectorias que optimicen toda la operación de maquinado, a fin de mejorar la productividad y obtener un costo mínimo.
Fresado Frontal de Alta Velocidad.
Este proceso se ha convertido en un proceso importante con diversas aplicaciones, como el fresado de componentes grandes de aluminio para aeronaves y estructuras de panal con velocidades de husillo de 20,000 RPM y 60,000 RPM, estas máquinas deben tener alta rigidez y precisión, requiriendo por lo general rodamientos hidrostáticos y dispositivos de sujeción de trabajo; Los husillos poseen una precisión de 10 µm, por lo que la superficie de trabajo de la pieza debe también ser muy precisa.
6
La producción de cavidades de matrices para conformado de metales (estampado de matrices), como en el forjado o el formado de láminas metálicas, también se efectúa mediante fresado frontal de alta velocidad, donde comúnmente esta maquinas tienen movimientos de cuatro a cinco ejes.
Unas de las ventajas del tipo de máquinas con movimientos de cuatro a cinco ejes:
a) Tienen la capacidad de maquinar formas muy complejas en un solo arreglo.
b) Pueden utilizar herramientas de corte más cortas (tendiendo así eliminar la vibración)
c) Permiten taladrar orificios a varios ángulos compuestos.
Fresas frontales de punta esférica, para contornos más elaborados.
Capacidades del Proceso de Fresado.
Los parámetros de los diferentes procesos de fresado descritas hasta ahora, sus capacidades incluyen parámetros como acabado superficial, tolerancias dimensionales, capacidad de producción y consideraciones de costos.
Operaciones de Fresado y Cortadores de Fresado.
Se utilizan muchas operaciones y cortadores de fresado para maquinar piezas de trabajo. En el fresado combinado de fresas paralelas, se montan dos o más cortadores en un eje para maquinar dos superficies paralelas en la pieza. El fresado de forma produce perfiles curvados empleando cortadores que tienen dientes muy afilados. Dichos cortadores también sirven para cortar dientes de engranes. Ciertas operaciones muy comunes como la de acanalado y cortado se realizan usando cortadoras circulares, los dientes se pueden alternar en forma ligera, como los de una hoja sierra, para proveer espacio al cortador cuando produce ranuras profundas.
Las fresas huecas, estas son huecas y se montan en un eje; esto permite utilizar el mismo eje para cortadores de diferentes tamaños. El uso de las fresas huecas es similar al de las fresas frontales.
7
Fresadoras.
Dado tienen la capacidad de realizar operaciones de corte, las fresadoras se encuentran entre maquinas herramienta más versátiles y útiles. La primera fue construida en 1820 por Eli Whitney.
En la actualidad existe una gran selección de fresadoras con diversos usos, muchas de estas máquinas y operaciones están siendo reemplazadas con controles por computadora y centros de maquinado.
Maquinas Tipo Columna y Codo.
Utilizadas para operaciones de fresado de propósito genera, las maquinas tipo columna y codo son las fresadoras más comunes. El husillo en el que se monta el cortador de frasado puede ser horizontal, para fresado periférico o vertical para operaciones de fresado de careado y frontal.
-Mesa de trabajo: en la que se sujeta la pieza de trabajo utilizando ranuras T. La mesa se mueve longitudinalmente en relación con las fresas paralelas.
-Carro: soporta la mesa y puede moverse en dirección transversal.
-Codo: soporta el carro y da movimiento vertical a la mesa, de manera que la profundidad de corte puede ajustarse y es posible acomodar piezas de trabajo con diversas alturas.
-Brazo superior: se utiliza en máquinas horizontales; es ajustable para acomodar diferentes longitudes de eje.
-Cabezal: contiene el husillo y el sujetador del cortador. En máquinas verticales, la cabeza puede fijarse o ajustarse verticalmente y girarse en un plano vertical sobre la columna para cortar superficies cónicas.
Las fresadoras simples tienen ejes de movimiento, que por lo general se mueven manual o mecánicamente, en las fresadoras tipo columna y codo universales, la mesa puede girar en el plano horizontal. De esta manera se pueden maquinar formas complejas (como canales helicoidales a diversos ángulos) para producir engranes, brocas, machuelos y cortadores.
8
Fresadora Tipo Bancada.
En estas máquinas, la mesa de trabajo se monta directamente en la bancada, que reemplaza al codo y puede moverse solo en forma longitudinal. Estas máquinas no son tan versátiles como otros tipos, pero tienen alta rigidez y por lo general se utilizan para trabajo de alta producción. Los husillos pueden ser horizontales o verticales y tipo dúplex o triples (con dos o tres husillos), para maquinado simultaneo de dos o tres superficies de una pieza.
9
24.16.b) Fresadora CNC de bancada.
Otros Tipos de Fresadoras.
La fresadoras tipo cepilladora, que son similares a las maquinas tipo bancada, están equipadas con diversas cabezas y cortadoras para fresar diferentes superficies, se utilizan en piezas de trabajo pesadas y son más eficaces que la cepilladoras cuando se usan para propósitos similares.
Las máquinas de mesa giratoria son similares a las fresadoras verticales y están equipadas con una o más cabezas para operaciones de fresado de careado.
También existen fresadoras de perfiles, que cuentan con cinco ejes de movimiento, obsérvese los tres movimientos lineales y los dos movimientos angulares de los componentes de las máquinas.
10
Las máquinas de fresado están siendo reemplazadas con rapidez por máquinas de control numérico por computadora (CNC), que son versátiles y tienen la capacidad de fresar, taladrar, mandrinar con precisión repetitiva.
Dispositivos y Accesorios de Sujeción del Trabajo.
La pieza de trabajo a fresar debe sujetarse con seguridad a la mesa de trabajo para resistir las fuerzas de corte y evitar su deslizamiento durante el fresado. Con este propósito se utilizan diversos montajes y tornillos de banco. Se montan u sujetan a la mesa mediante las ranuras T mostradas. Los tornillos de banco se emplean para trabajo de pequeña producción en partes pequeñas. Los montajes se usan para trabajo de mayor producción y se pueden automatizar por medios mecánicos e hidráulicos.
Los accesorios para fresadoras incluyen diversos soportes y accesorios para el cabezal de la maquina (así como para la mesa de trabajo) diseñados con el propósito de adaptarlos a diferentes operaciones de fresado.
11
Cortadores o Fresas.
El cortador de la máquina fresadora (llamado fresa) tiene una serie de aristas cortantes sobre la circunferencia y cada una de ellas actúa como un cortador individual durante un ciclo de rotación. La pieza se monta sobre una mesa que controla el avance contra el cortador. En la mayoría de las máquinas la mesa tiene tres posibles movimientos, longitudinales, transversales y verticales, pero en algunas, la mesa puede tener un movimiento de giro o de rotación.
La fresadora es versátil por la gran variedad de cortadores que existen; estos cortadores se clasifican de acuerdo a su forma, aunque en algunos casos su clasificación depende de la forma como son montados, del material usado en los dientes, o del método empleado para afilar éstos.
Existen tres diseños generales de fresas:
1. Fresas para árbol. Estas fresas tienen un agujero en el centro para montarse en un árbol.
2. Fresas con zanco. Estas fresas tienen un zanco recto o cónico integrado al cuerpo del cortador. Cuando se usan estos cortadores van montados en la nariz del árbol o en un adaptador para el mismo.
3. Fresas para refrentar. Estas fresas son atornilladas o montadas en el extremo de árboles pequeños y son generalmente usadas para el fresado de superficies planas.
La clasificación de acuerdo a los materiales, siguen los mismos lineamientos que para otros tipos de herramientas cortantes. Las fresas son hechas de aceros al alto carbón, de aceros de alta velocidad, con insertos de carburo o de ciertas aleaciones fundidas no ferrosas. Las fresas de acero
12
al alto carbón tienen un uso limitado dado que se desafilan rápidamente, si se emplean altas velocidades de corte y avance. La mayoría de las fresas de uso general son hechas de acero de alta velocidad que mantiene una arista de corte afilada a temperaturas alrededor de 500 a 600 °C. En consecuencia, pueden usarse a velocidades de corte de 2 a 2 ½ veces las recomendadas para fresas de acero al carbón. Para los metales y aleaciones fundidas no ferrosas como la Stelita, Cobalto o Rexalloy y fresas con insertos de carburo, tienen gran resistencia al calor y se adaptan especialmente para cortes profundos y altas velocidades de corte.
Estos materiales se usan como insertos, en el cuerpo del cortador o van soldados directamente en la punta del diente. Las velocidades de corte para herramienta de carburo y aleaciones fundidas no ferrosas varían de dos a cinco veces las recomendadas para las de acero de alta velocidad.
Los dientes en las fresas están hechos en dos estilos generales de acuerdo al método empleado en su afilado. Los cortadores de perfiles se afilan esmerilando una pequeña área a través del filo cortante del diente, esto suministra también el desahogo necesario en la parte posterior del filo del diente. Los cortadores formados son hechos con el desahogo (parte posterior del filo) y con el mismo contorno del filo. Para afilar estos cortadores la cara del diente se esmerila de manera de no destruir el contorno del diente.
Los cortadores más generalmente usados se muestran en la siguiente figura:
13
A. Cortador cilíndrico frontal helicoidal.
B. Fresa para ranuras en T.
C. Fresa ordinaria con dientes helicoidales.
D. Fresa angular.
E. Fresa para cuña Woodruff.
F. Fresa para planear.
G. Fresa con dientes postizos.
H. Fresa de corte lateral.
I. Fresa para ranurar.
J. Fresa para tallar dientes de engranes.
K. Fresa cilíndrica frontal doble con ranuras helicoidales.
L. Fresa cilíndrica frontal extralarga con ranuras helicoidales.
Se clasifican en primer lugar de acuerdo a su forma general o al tipo de trabajo que van a efectuar:
1. Fresa ordinaria.
Una fresa ordinaria es un cortador en forma de disco que tiene dientes solamente en la circunferencia; los dientes pueden ser rectos o helicoidales, éstos si el ancho excede de 15 mm. Los cortadores anchos helicoidales usados para trabajo pesado pueden tener hendiduras en los dientes para romper la viruta y facilitar su remoción.
2. Fresa de corte lateral.
Este cortador es similar a la fresa para planear excepto que tiene dientes en un costado. Cuando dos cortadores operan juntos, cada cortador es plano en un lado y tienen dientes en el otro. Los cortadores laterales pueden tener dientes rectos, helicoidales o alternados.
3. Fresa para ranurar.
Este cortador tiene un parecido a la fresa para planear o al cortador lateral, solamente que se hace en espesores muy pequeños, usualmente 5 mm o menos; las fresas de este tipo se rebajan de los lados para darles incidencia.
4. Fresa angular.
Cualquier fresa formada en ángulo cae dentro de esta clasificación. Se les clasifica con un solo ángulo o con ángulo doble. Cuando la fresa es de un solo ángulo, tiene una superficie cónica mientras que cuando es doble ángulo tiene dientes en dos superficies cónicas. Los cortadores angulares se usan para cortar ruedas de trinquete, colas de milano, ranuras en cortadores y rimas.
14
5. Fresas de forma.
Los dientes de estos cortadores son de una forma especial, incluyendo cortadores cóncavos y convexos, cortadores para engranes, cortadores para ranuras, cortadores para redondear esquinas y muchos otros.
6. Fresa cilíndrica frontal.
Estos cortadores tienen una flecha integral para su movimiento y tienen dientes en la periferia y en el extremo; las ranuras pueden ser rectas o helicoidales. Los cortadores grandes llamados fresas frontales sin vástago tienen la parte cortante separada y se montan en un árbol corto, como se muestra en la figura:
Debido al alto costo del acero de alta velocidad, esta construcción resulta con un considerable ahorro en el costo del material. Los cortadores frontales se usan para refrentado, es cuadrar extremos, cortar ranuras y ejecutar trabajos en rincones así como en maquinado de matrices.
7. Fresas para ranuras en T.
Los cortadores de este tipo tienen semejanza con las fresas para planear o con las de corte lateral pequeñas. Estos cortadores tienen un vástago cilindro o cónico para su accionamiento, son usados para el fresado de ranuras en T. Una de las formas especiales es la fresa para cortar cuñeros Woodruff, que es hecha en medidas normalizadas para el corte de asientos redondos para las cuñas Woodruff.
8. Cortador con dientes postizos.
Conforme aumenta la medida del cortador, es económico insertar los dientes hechos de material caro en el cuerpo que es manufacturado de un acero barato. Los dientes de los cortadores se reemplazan cuando se desgastan o se rompen.
Dientes de las Fresas.
Un cortador típico para fresadora con la nomenclatura de los diferentes ángulos y del cortador, se muestra en la figura:
15
Para la mayoría de los cortadores de alta velocidad se usan ángulos radiales de ataque y tienen un valor entre 10 ° y 15° . Estos valores son satisfactorios para la mayoría de los materiales y representan una solución intermedia entre un corte óptimo y la resistencia de herramienta. Las fresas hechas para materiales blandos como el aluminio, pueden tener ángulos de ataque mayores con mejores características de corte.
Usualmente solo la fresa de tipo sierra y angosta para planear, tienen dientes con ángulo radial nulo. Conforme aumenta el ancho del cortador se usa un ángulo axial de ataque positivo para incrementar la acción cortante.
Para fresado de alta velocidad empleando cortadores con insertos de carburo, por lo general, tienen ángulos negativos de ataque (tanto radiales como axiales) teniendo como resultado mayor vida de la herramienta al aumentar el ángulo del labio, también el diente resiste mejor las cargas producidas por el choque. Las fresas para planear con dientes en la periferia usualmente tienen ángulos de ataque negativos, entre 5 y 10° cuando cortan a cero. Los aceros de medio carbón y aleación requieren un mayor ángulo negativo de corte que los aceros blandos. Las excepciones del uso del ángulo negativo de corte para cortadores de carburo se encuentran en las fresas para el mecanizado de aleaciones no ferrosas.
El ángulo de incidencia es el ángulo formado por el borde cortante y la tangente al cortador desde la punta del diente. Esto siempre es positivo y será tan pequeña como para debilitar el filo cortante del diente. Para la mayoría de los cortadores comerciales con un diámetro mayor de 75 mm el ángulo de incidencia tiene un valor entre 4 y 5°. Para los cortadores de diámetro pequeño se aumenta este ángulo para eliminar la tendencia del diente a rosar con la pieza de trabajo. Los valores del ángulo de incidencia también dependen del tipo de materiales que se trabaja; el hierro colado requiere valores entre 4 y 7°, mientras los materiales sean más suaves, como el magnesio, aluminio y latón, se cortan eficientemente con ángulo de incidencia entre 10 y 12°. El ancho del borde cortante debe mantenerse pequeño, generalmente entre 0.8 y 1.6 mm. Para mantener el
16
del borde cortante dentro de los límites apropiados se esmerila un ángulo de incidencia secundario partiendo del filo.
La investigación efectuada sobre la forma y el tamaño del diente ha probado que los dientes bastos son más eficientes que los finos para remover metal; un cortador con dientes bastos corta viruta más gruesa y tiene una acción de corte más libre y mayor espacio para las virutas. Como consecuencia, estos cortadores aumentan la producción y disminuyen el consumo de potencia para una cantidad dada de metal desprendido, por otra parte los cortadores con dientes finos tienen mayor tendencia a vibrar que los cortadores con dientes bastos, sin embargo, se recomienda para cortadores sierra usados en el fresado de materiales delgados.
Bibliografía.
-Manufactura, ingeniería y tecnología; S Kalpajian.
-Procesos de Manufactura, Versión SI. B.H. Amstead, Ph. F. Ostwald, Cecsa, México 2003.
17
