Profundidad de corte en el mecanizado: ¿cómo calcular el DOC?

Si decide que la operación de mecanizado CNC es el método que necesita para terminar su pieza, entonces debe saber que la profundidad de corte (DOC) es uno de los 3 parámetros más importantes que afectan a la calidad del producto mecanizado.

Este artículo le ayudará a comprender qué significa la profundidad de corte en el mecanizado, por qué necesita controlarla, cuál es la diferencia entre el espesor de la viruta y la profundidad de corte, y cómo calcularla.

¿Qué es la profundidad de corte en el mecanizado?

En el proceso de mecanizado, la profundidad de corte es simplemente cuánto penetra la herramienta de corte en una pieza y la corta para crear una viruta. En un proceso de corte ideal, cuando la herramienta de corte CNC se mueve hacia la izquierda con una cierta profundidad dentro de la superficie de la pieza, crea una viruta. Esta profundidad se denomina profundidad de corte o DOC. Si necesita una aplicación similar y sencilla, puede ver cómo se cortan los rizos o virutas de chocolate.

Los valores de profundidad de corte se miden en pulgadas o milímetros y suelen variar entre 0,1 y 1 mm.

¿Por qué es necesario controlar la profundidad de corte en el mecanizado?

La profundidad de corte tiene un efecto directo en el proceso de mecanizado, como:

• El aumento del calor en la punta de la herramienta;
• La tasa de desgaste de la herramienta;
• La resistencia del producto procesado;
• La calidad de la superficie mecanizada.

Por ejemplo, existe una tendencia a la formación del filo de aportación (BUE) con metales recocidos en mayor medida que con los trabajados en frío durante el proceso de corte. El tipo de viruta BUE consiste en capas de virutas que se acumulan en la punta de la herramienta. Por lo tanto, si la profundidad de corte es demasiado profunda, un BUE no controlado también afecta negativamente al acabado superficial.

¿Cómo interactúa la profundidad de corte con otros factores de mecanizado?

La profundidad de corte es uno de los factores independientes que afectan al proceso de mecanizado, lo que significa que está controlada por el operario. Sin embargo, la profundidad de corte interactúa con otros factores y afecta a la superficie resultante de la pieza y a sus propiedades.

Profundidad de corte y fluido de refrigeración

Al disminuir la profundidad de corte, la curvatura de la viruta disminuye y la viruta se vuelve rizada. En este caso, y cuando el calor aumenta en la punta de la herramienta, podría pensar que añadir fluido de refrigeración enfriará el proceso.

Sin embargo, añadir fluido refrigerante CNC hace que la viruta se rice aún más, disminuye el contacto entre la herramienta y la viruta y concentra el calor en la herramienta, lo que aumenta significativamente el desgaste de la herramienta. En este caso, un rompevirutas puede resultar útil.

Profundidad de corte, ángulo de desprendimiento y velocidad de corte

Otro ejemplo se puede encontrar en el mecanizado de termoplásticos. Los termoplásticos generalmente tienen baja conductividad térmica y bajo módulo elástico. Esto significa que se ven muy afectados por las fluctuaciones de calor en la punta de la herramienta durante el mecanizado. La profundidad de corte, el ángulo de desprendimiento y la velocidad de corte deben ajustarse unos respecto a otros para evitar el aumento de temperatura y la formación de virutas gomosas y pegajosas en la punta de la herramienta.

También vale la pena saber que la profundidad de corte es uno de los tres principales parámetros que afectan a la vida útil de la herramienta, junto con la velocidad de corte y el avance.

¿Cómo calcular la profundidad de corte?

La importancia de tener relaciones cuantitativas entre las diferentes variables es evidente cuando se necesita el cálculo de la profundidad de corte: ¿por qué la temperatura de la herramienta aumenta? ¿por qué el acabado superficial es deficiente? ¿por qué la herramienta de corte se desgasta rápidamente? Y muchas más.

Para calcular la profundidad de corte, necesita especificar los siguientes parámetros:

• Cuál es el proceso de mecanizado (fresado, torneado, etc.)
• Material de la pieza
• Propiedades de la punta de la herramienta
• Capacidades de la máquina
• Acabado superficial y tolerancia requeridos

Profundidad de corte en el proceso de torneado

En el torneado CNC, la pieza gira mientras la herramienta retira una capa de material a medida que se desplaza a lo largo de la pieza. La profundidad de corte puede ser igual al avance, que es simplemente la distancia que recorre la herramienta a lo largo de la pieza en cada revolución a lo largo del tiempo, y tiene la unidad de mm/min.

Por lo tanto, la profundidad de corte se puede definir simplemente por el espesor del material retirado y se puede calcular a partir de:

Profundidad de corte en el proceso de fresado

En el proceso de fresado CNC, la herramienta gira mientras la pieza permanece fija. La profundidad de corte es simplemente cuánto corta la herramienta en la pieza en una vuelta. Comúnmente, la profundidad de corte es 4 veces el diámetro de la herramienta de corte para diámetros grandes superiores a 20 mm y 10 veces el tamaño del diámetro para diámetros de herramienta más pequeños.

Comparar el valor del espesor de la viruta frente al valor de la profundidad de corte

Es importante diferenciar entre el espesor de la viruta y la profundidad de corte porque NO son lo mismo y NO tienen el mismo valor.

Para explicarlo, necesitamos observar más de cerca la Figura 1 del proceso de corte ideal. El valor de la profundidad de corte (denotémoslo con to) es diferente del espesor de la viruta (tc).

Figura 1: proceso de corte ideal

El proceso de eliminación de la viruta se realiza mediante cizallamiento en un plano de cizallamiento bien definido y con un ángulo de cizallamiento definido ϕ, como se ilustra en la siguiente Figura 2. Esto hace que el valor del espesor de la viruta sea siempre mayor que el valor de la profundidad de corte.

Figura 2: mecanismo básico de la formación de la viruta

Relación de corte frente a relación de compresión de la viruta

La relación entre la profundidad de corte y el espesor de la viruta to/tc se denomina relación de corte o relación de espesor de la viruta y se denota con (r), y se puede calcular de la siguiente manera:

También se puede calcular a partir del ángulo de cizallamiento ϕ y el ángulo de desprendimiento α, como se muestra en la Figura 1, de la siguiente manera:

Donde:

ϕ: ángulo de cizallamiento
α: ángulo de desprendimiento

El recíproco de este valor se denomina relación de compresión de la viruta o factor de compresión de la viruta, que indica cuánto es el espesor de la viruta en comparación con la profundidad de corte.

Extra: profundidad de corte frente a fuerzas de corte y potencia

Conocer la fuerza de corte y la potencia es crucial para calcular el DOC. Pueden proporcionar parámetros importantes como:

• Herramientas con las resistencias requeridas para evitar el desgaste rápido y proporcionar la mejor eficiencia y acabado superficial.
• Portapiezas y utillajes que puedan soportar estas fuerzas con una distorsión mínima.

La potencia requerida es simplemente el producto de la fuerza de corte multiplicada por la velocidad y se puede calcular de la siguiente manera:

Donde Fc es la "fuerza de corte" y se define como la fuerza ejercida por la herramienta para cortar la pieza, y actúa en la misma dirección que la velocidad de la herramienta V.

La energía específica total es la energía total requerida para realizar la fuerza de cizallamiento necesaria para cortar la superficie (us), además de la energía específica de fricción, que es la energía requerida para superar la fricción entre la herramienta y la superficie (uf).

La energía específica de cizallamiento y la energía específica de fricción están relacionadas con la profundidad de corte y se pueden calcular de la siguiente manera:

La velocidad de la viruta está relacionada con la velocidad de corte de la siguiente manera:

Por lo tanto, vale la pena mencionar que estas fórmulas se pueden usar a la inversa para calcular la profundidad de corte en caso de que tenga parámetros específicos de la máquina.

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Conclusión

La profundidad de corte es un parámetro muy importante que debe considerarse antes de iniciar el proceso de mecanizado. Como se explicó anteriormente, el valor de la profundidad de corte afecta directamente a los parámetros de mecanizado dependientes, como las fuerzas de mecanizado y las energías específicas. Calcular estos valores no solo afecta a la resistencia y al acabado superficial de la pieza, sino también al material de la herramienta, al tipo de fijaciones y a la posibilidad de usar un agente refrigerante.