Información Tecnológica-Vol. 15 N°4-2004, págs.: 31-38

MATERIALES

Análisis de la Utilización de Fresas de Punta Esférica de Filos Helicoidales y Rectos para el Afinado de Superficies Complejas en Acero H13 (48 HRC)

Analysis of Helicoidal Ball Nose end Mills for the Finishing of Free Form Surfaces on SAE H13 (48 HRC) Steel

J.O. Gomes¹ y R.V. Vallejos²

(1) Inst. Tecnológico de Aeronáutica, Div. de Ingeniería Mecánica-Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes N°50, Vila das Acácias, 12228-900 Sao José dos Campos, SP-Brasil (e-mail: gomes@ita.br)

(2) Univ. de Caxias do Sul, Ciudad Universitaria, R. Francisco Getúlio Vargas N°1130, 95070-560 Caxias do Sul, RS-Brasil (e-mail: rvvallej@ucs.br)

Resumen

Este trabajo analiza las características de contacto herramienta/pieza del proceso de fresado y las influencias de los parámetros de corte, en 3 ejes, para la operación de afinado del acero SAE H13 (48 HRC). Los criterios de comparación fueron el acabado de la superficie maquinada y el desvío de forma de la pieza. Para evaluar el desvío de forma de la pieza fueron utilizados cuerpos de prueba compuestos por una parte metálica y otra de resina (Cibatool), fijados en diferentes inclinaciones. Cuando la herramienta sale de la resina y entra en el metal se observan dos niveles diferentes en la superficie. Se concluye que el uso de herramientas helicoidales es más ventajoso para operaciones con superficies inclinadas, típicamente encontradas en cavidades de moldes de inyección de plástico. Para superficies horizontales se sugiere la utilización de herramientas de filos y canales rectos, que son más fáciles de fabricar y afilar.

Abstract

This work analyzes the tool/work-piece contact characteristics in the machining process, and the influence of cutting parameters on three axes for the fine finishing of SAE H13 (48 HRC) steel. The comparative criteria included the finish of the machined surface and the deviation in form of the piece. Evaluation of deviation in the form of the piece was made using test forms composed of one metallic part and one resin part (Cibatool), set at different inclinations. When the tool comes off the resin and enters the metal, two different levels in the surface are observed. It is concluded that the use of helicoidal-fluted tools is most useful for operations with inclined surfaces as typically encountered in cavities of plastic injection molds. For horizontal, flat surfaces, the choice of tools with straight flutes is a good alternative as they are more easily manufactured and sharpened.

Keywords: steel machining, helicoidal tool, tool/work-piece contact, free form surfaces, finishing

INTRODUCCIÓN

Cuando se utiliza una geometría de corte helicoidal, cada filo penetra paso a paso en la pieza, alcanzando un valor máximo de la fuerza de mecanizado, que si se compara con un filo único (Gomes et al., 2003). Sin embargo, el inconveniente de la utilización de esas herramientas es la necesidad de reafilarlas en máquinas CNC. Las herramientas con canales rectos son mas fáciles de fabricar.

Considerando que operaciones de afinado se caracterizan por presentar pequeñas secciones de viruta, donde el ángulo de sobreposición de los filos es pequeño, este trabajo tiene por objetivo analizar la necesidad o no del uso de herramientas helicoidales en el proceso de afinado del acero H13 (48 HRC), comparando el uso de herramientas con filos rectos, típicamente afiladas en el piso-de-fábrica de las empresas fabricantes de moldes y matrices.

Condiciones de contacto pieza-herramienta de la Fresa helicoidal de punta recta

La sobreposición de varios filos muestra la ventaja de la geometría helicoidal para el control de la potencia de mecanizado (P). En este caso, la fuerza de mecanizado nunca llega a cero y la herramienta esta siempre con sobrecarga. Esto produce estabilidad para el proceo de fresado, reduciendo la vibración y requiriendo potencias de corte constantes durante todo el proceso (Boogert et al., 1996, Gomes, 2003).

En el fresado frontal con fresas helicoidales, la magnitud de acción del filo depende del ángulo de hélice (l). La magnitud del filo que está en acción durante el proceso determinará, de una forma significativa, tanto a la fuerza como a la potencia de mecanizado.

La ecuación de la fuerza de corte (F_c) para la fresa frontal es obtenida por intermedio de la ecuación modificada de Kinzle. En este caso, se debe conocer los valores empíricos: la fuerza específica de corte (k_c1.1) y el coeficiente de Kienzle (1-mc). Esa ecuación está fundamentada en el conocimiento de la tensión de deformación y mecanizado de los materiales, en la sección transversal de corte y en el número de dientes actuantes (Kölling, 1986, Altintas y Engin, 2003).

Donde:

a_p [mm]: profundidad de corte axial
z_ie : número de filos actuantes en el corte
h_m [mm]: espesura media de mecanizado

En la ecuación (1), (a_p . z_ie) se considera to-dos los filos que están actuando simultánea-mente en el corte. Para un ángulo de ataque (k) igual a 90°, que es la característica de una fresa frontal de filos rectos, se puede calcular el espesor medio de corte (h_m) por la siguien-te aproximación:

Donde:

f_z [mm/rot]: avance por diente
j_c[°]: ángulo de penetración en el corte
a_e [mm]: profundidad de corte radial

El ángulo de penetración en el corte (j_c) es función de la relación de sobreposición de la profundidad de corte radial con el diámetro de la herramienta de corte (a_e/D) (Figura 1). Este ángulo es determinado por (Isakov, 1996):

El perímetro de corte circular (l_cp) corresponde a la proyección de los filos actuantes sobre el área de la herramienta, o sea, la dis-tancia que cada punto del filo realiza en una rotación de la herramienta. Ese perímetro es determinado por la siguiente ecuación (Kölling, 1986; Gomes, 2003):

Puede calcularse la dimensión del filo actuante (l_sp) para fresas de punta recta por la siguiente ecuación:

Fig. 1: Determinación del ángulo de penetración de corte (jc).

Con la ayuda de las ecuaciones 1 a la 6, puede calcularse la potencia de corte (P_c) para fresas con filos rectos. Sin embargo, para fresas con filos helicoidales (l> 0°) son necesarias otras relaciones geométricas. Las variaciones del grado de sobreposición de los filos (Figura 2) son dependientes de la profundidad de corte axial (a_p), de la división periférica del filo (U_t) y del ángulo de hélice (l).

Fig. 2: Variaciones del grado de sobreposición del filo (Kölling, 1986).

El grado de sobreposición de los filos ocurre cuando el perímetro del filo proyectado sobre la punta de la fresa (l_sp) es mayor que la división periférica (U_t). En caso negativo, la recíproca también es verdadera. El fresado uniforme es una excepción, en la cual el perímetro del filo (l_sp), proyectado sobre la punta de la fresa, es igual a la división periférica (U_t) (Kölling, 1986). Se estima que para cada grado de aumento del ángulo de hélice (l ), la fuerza de corte (F_c) y la fuerza de avance (F_f) aumente cerca de 1,5% y la fuerza pasiva (F_p) aumente cerca de 10%. Lo opuesto también es válido para este caso. Cuando son utilizadas herramientas con diámetro y número de filos diferentes, los valores de l_sp son alterados y, consecuentemente, la fuerza de mecanizado (F) también es alterada (Isakov, 1996).

Condiciones de contacto pieza-herramienta da Fresa de punta esférica

El mecanizado de una cavidad con una herramienta de punta recta presenta el inconveniente de una sobremedida en forma de escalera, debe ser retirada en la operación posterior de pre-afinado. Esta transición topográfica puede provocar oscilaciones de la fuer-za de corte y deflexiones en la herramienta para la operación posterior de pré-afinado o afinado, que, invariablemente, influenciarán en la precisión geométrica de la pieza. Con la utilización de herramientas de punta esférica o toroidales, la transición entre los pases es menos pronunciada y el volumen de sobre-medida es menor.

Para fresas de punta esférica, las condiciones de contacto del filo se modifican continuamente, variando de un valor de velocidad nula en la punta de la herramienta hasta el máximo nominal en la región efectiva de corte. Independiente de la profundidad de corte radial (a_e), en el fresado en 2 ½ ejes, la punta de la herramienta se mantiene en contacto en el corte.

El espesor (h) y el ancho (b) de la viruta au-mentan progresivamente, reduciendo las ten-siones en el filo de la herramienta, permitiendo, de este modo, el empleo de mayores velocidades de avance (Schulz, 1997; Altan et al., 2001).

Para el establecimiento de la potencia de corte (P_c) consumida por la máquina-herra-mienta en el fresado en 2 ½ ejes, las condiciones de contacto de la fresa de punta esférica con el material de la pieza son mostradas en la figura 3:

Fig. 3: Condiciones de contacto para una fresa de punta esférica (Bieker, 1992)

El ángulo de penetración en el corte (j_c) en la entrada y salida de la herramienta con corte concordante (j_e) y (j_a), puede determinarse por (Bieker, 1992):

j_e = 0°
para a_e >(D/2) . senk

j_a = 180°
para cualquier ángulo de ataque (k)

El ángulo de penetración en el corte (j_c) es determinado por:

Para fresas de punta esférica, el perímetro de corte circular (l_cp) corresponde a:
 
 

En este caso, el espesor medio de corte (h_m) es determinado por la siguiente aproximación:

La sección transversal de corte (A_sp), en el contacto con fresas de punta esférica, es de-pendiente del ángulo de penetración en el corte (j_c):

El ángulo de ataque máximo (k_max) es calcu-lado por:

k_max = arcsen[(2 . a_e/D) . (1/(1 + cosj)]
para j < j_.e

La velocidad de corte (v_c) es una función del ángulo de ataque (k), puesto que varia al largo del filo (Bieker, 1992). La velocidad de corte efectiva (v_cef) es calculada por:

v_c= p . n . D/1000
(a_p = D/2 y n[rpm]= rotación de la herramienta de corte)

Análisis de la influencia de la geometría de la herramienta sobre la calidad superficial

Con el aumento de la profundidad de corte radial (a_e) y el ángulo de inclinación entre la herramienta y la normal de la superficie (b), las fresas de punta toroidal y recta presentan un comportamiento semejante en relación al aumento de la rugosidad teórica (R_th). El mismo resultado no ocurre para una fresa de punta esférica (Gomes, 2003).

Debido a la característica geométrica de la punta esférica de la fresa, el ángulo de inclinación entre el cuerpo de la herramienta y la normal de la superficie (b) no influencia en la rugosidad teórica (R_th). Además, la influencia de la profundidad de corte radial (a_e) es mucho mayor, comparado con las fresas de punta recta y toroidal.

Las geometrías circulares de los filos de las fresas de punta esférica y toroidal provocan un perfil en forma de ondas. Este perfil no sufre influencia del ángulo de inclinación entre la herramienta y la normal de la superficie (b).

Para todos los tipos de puntas de herramientas, en la dirección longitudinal al avance, la rugosidad teórica (R_th) aumenta proporcionalmente al avance (f_z). Mientras tanto, para herramientas de punta esférica y toroidal, la influencia del avance (f_z) es menos sensible, debido al valor elevado del radio de la punta (r_e).

Para fresas de punta recta, con el ángulo de inclinación entre la herramienta y la normal de la superficie (b), se produce un perfil en forma de diente de sierra. El valor máximo de rugosidad teórica (R_th) es obtenido para b= 45°. Con la variación del avance (f_z), se establece una relación lineal con la rugosidad teórica (R_th).

De este modo, debido a la independencia del ángulo de inclinación entre la herramienta y la normal de la superficie (b) y de la pequeña relación con el avance por corte (f_z), las herramientas de punta esférica son mas adecuadas para el afinado en 3 ejes de superficies complejas.

La profundidad de corte radial (a_e) ejerce una influencia significante en la formación de la altura de los picos. Por otro lado, en operaciones con altas velocidades de corte (HSC) es posible el empleo de pequeñas profundidades de corte radiales (a_e), con altas velocidades de avance, sin perjudicar el tiempo de fabricación.

Geometría de contacto con fresa de punta esférica

En el fresado en 3 ejes, para la descripción de las características de contacto herramienta/pieza en un determinado punto (P), es necesario conocer las siguientes informaciones (Schulz, 1996): el valor de la sobremedi-da de corte, como función del diámetro de la herramienta de corte (D) y de la profundidad de corte en la dirección normal a la superficie (a_n); la forma de las líneas de fresado, como función de la profundidad de corte radial en la dirección tangencial a la superficie (a_et), el ángulo de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina en posición horizontal (a) y la dirección del movimiento de corte, en relación a la superficie (corte concordante/ discordante); las características particulares del punto de contacto (P), como función del radio de curva de la superficie en la dirección longitudinal al avance (r_v), el in-cremento lateral (r_s) y el ángulo de rampa de la superficie (q).

Realizando una análisis de las características geométricas citadas anteriormente, se verifica la dependencia de esos factores con el ángulo de penetración de corte (j_c), con el área de superficie mecanizada por la punta de la herramienta, con la sección de la viruta, espesor (h) y ancho (b). Dependiendo de la inclinación de la superficie, durante el proceso de fresado en 3 ejes con herramientas cilíndricas de punta esférica, varias partes del filo están en contacto con la pieza; y como los ángulos de contacto en el corte, en la entrada y salida (j_e y j_a), son funciones del ángulo de ataque (k), todos los puntos del filo estarán sobre diferentes situaciones de cargas en una determinada línea de contacto (Altan et al., 2001).

El ángulo de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal (a) determina la calidad del corte con herra-mientas de punta esférica. Cuando el centro de la herramienta está en contacto en el corte, las cargas sobre el filo y la vibración son máximas, debido a la fuerza pasiva elevada (F_p) y el área de salida pequeña de la viruta en la punta de la herramienta.

A continuación, se muestran los estudios al respecto de la influencia de la geometría del canal de una fresa de punta esférica, utilizada para operaciones de afinado de cavidades de moldes de inyección en acero SAE H13 (48 HRC). Las análisis tienen como base los resultados de acabamiento superficial y de error de forma.

MATERIALES Y MÉTODOS

El acero H13 presentó las medias de dureza de 48 HRC y composición química de acuerdo con la tabla 1.

Los ensayos fueron realizados en un centro de mecanizado FAMUP, 3 ejes, con curso máximo de desplazamiento en X de 1200 mm, Y de 1000 mm y Z de 600 mm, rotación máxima del eje árbol de 10000 rpm, con potencia máxima de 15 kW y comando FANUC.

Para la evaluación del desvío de la herramienta y de la forma de la pieza, se colocó un pedazo de resina (Cibatool) al lado del material a ser ensayado, de tal forma que la herra-mienta pase por la resina y la pieza como si fuesen un mismo cuerpo de ensayo (Fig. 4).

Fig. 4: Esquema de montajes para la evaluación del desvío de forma de la pieza.

Cuando la herramienta sale de la resina y entra en la pieza, se percibe dos superficies en niveles diferentes. Considerando que la resina no es suficientemente resistente para provocar una deflexión en la herramienta, se admite que la diferencia de altura entre las superficies mecanizadas, resina y pieza, era provocada solamente por la reacción a la fuerza de corte (F_c) de aquel material.

La diferencia de altura entre estas dos superficies fue medida con un rugosímetro. Fueron ensayadas cuatro diferentes inclinaciones del cuerpo de prueba: 0°, 15°, 45°, 75° e 90°. Las flechas indican el sentido recorrido por la herramienta de corte durante el mecanizado.

Los ensayos fueron realizados con herramientas de diámetros 6 y 8 mm, con un tamaño de 156 mm, en relación a la base del portaherramienta. Cada condición fue repetida una vez y en caso de discordancia de resultados, se realizó, una repetición a mas. Para cada ensayo, se utilizó una herramienta.

Para la medición de la rugosidad de los cuerpos de prueba ensayados, se utilizó un rugosímetro Taylor Hobson (Talysurf series 2), con Cut-off de 0,8 mm, radio del apalpador de 10 m m y tamaño total de medición de 5,6 mm, con tres mediciones por muestra.

Por la experiencia de ensayos anteriores (Gomes, 2001), se definió el uso de metal-duro (clase K03) para la fabricación de las herra-mientas enterizas y la geometría de la herramienta con filos helicoidales. La herramienta con filos rectos presentó las mismas caracte-rísticas geométricas, solamente con el ángulo de hélice (l) nulo (tabla 2).

Fueron escogidas geometrías de contacto con profundidades de corte normales y tangenciales a la superficie (a_n y a_et) con valores típicamente menores que 0,5 mm (a_n y a_et = 0,3 mm) y parámetros de corte moderados, con avance (f_z) variando de 0,05 mm a 0,2 mm, según Gomes (2001). La velocidad de corte nominal (v_cnom) escogida fue de 150 m/min.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El error dimensional producido en la superficie de la pieza ocurrió, fundamentalmente, por el desplazamiento de la herramienta. En el caso del corte concordante, en el momento de la entrada del filo en la pieza, el mayor espesor de viruta (h) provoca una retracción de la herramienta de corte, originando el error dimensional de la pieza.

El error dimensional aumenta proporcionalmente con el ángulo de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal (a). En ensayos realizados en el acero H13, se constató que el error dimensional fue mas crítico para ángulos (a) mayores que 75°, debido a que el tiempo de contacto del filo en el corte es mínimo (Figura 5).

Fig 5: Influencia del ángulo de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal (a), sobre el error dimensional, para dos diámetros distintos (6 e 8 mm).

De igual forma, para esta situación, se verificó una rugosidad media (R_z) desfavorable. Con la disminución de este ángulo el grado de sobre posición del filo aumenta y el proceso de corte pasa a ser mas estable.

Con el aumento del avance (f_z), el espesor de viruta máxima (h_max) aumenta y la reacción del impacto del filo de la herramienta con la pieza es mas pronunciada (Figura 6). Para pequeñas inclinaciones de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal (a) la variación del avance no fue sensible, debido a la mayor estabilidad de la punta de la herramienta de corte.

Fig. 6: Influencia del avance por filo (fz) sobre el error dimensional, con el aumento del ángulo de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal (a).

Otra característica fundamental para el análisis de desviación de la herramienta es la influencia del ángulo de hélice. Se verificó que en condiciones de afinado, o sea, pequeñas secciones de viruta, la ventaja del uso de herramientas helicoidales solamente fue significativa para ángulos de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal (a) mayores que 75° (Figura 7).

Fig 7. Influencia de la utilización de filos helicoidales sobre el error dimensional, con el aumento del ángulo de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal.

Con el uso de herramientas de punta esférica, independientemente de la rotación aplicada, la velocidad de corte efectiva (v_cef) en la región central del filo tiende a cero. Por lo tanto, la variación del error dimensional de la su-perficie con el aumento de la velocidad de corte (v_c) no es significativa.

CONCLUSIONES

En la operación de afinado, se establecieron las relaciones de las características de contacto herramienta/pieza para el proceso de fresado frontal, en 3 ejes. Posteriormente se analizaron las influencias de los parámetros de corte y de la geometría del canal de la fresa sobre el error dimensional.

Se verificó que el uso de herramientas helicoidales es mas ventajoso para operaciones que requieren ángulos mayores de inclinación de la superficie de la pieza con la mesa de la máquina horizontal (a), o sea en situaciones encontradas para la fabricación de cavidades profundas. En caso contrario, se puede optar por la utilización de herramientas de filos rectos, que son mas fáciles de fabricar y afilar.

REFERENCIAS

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