Calculadora y Fórmulas de Potencia de Mecanizado

Machining Power

Calcular la potencia necesaria (en kW o HP) de una máquina CNC para realizar una determinada operación de fresado, torneado o taladrado es esencial para validar que nuestro equipo puede ejecutar la operación de mecanizado sin acercarse demasiado a su límite de potencia. Utilice nuestra Calculadora en línea o aprenda a calcularlo (con fórmulas detalladas).

Calculadora de potencia de mecanizado

¿Qué es la potencia de mecanizado?

En física, la potencia se define como la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo. En el caso del mecanizado CNC, la red eléctrica transmite energía al motor eléctrico del husillo, que a su vez la transmite a la herramienta de corte. La herramienta de corte utiliza esta energía para extraer material de una pieza. Suponiendo que el rendimiento sea del 100%, la potencia necesaria para retirar el material es la misma que la utilizada por el motor de la máquina. Cada máquina tiene un límite máximo de potencia que puede soportar. Por lo tanto, es útil calcular la potencia necesaria para realizar una operación de mecanizado, como el fresado o el torneado, y compararla con la capacidad de nuestra máquina. Por ejemplo:

  • La máquina: Fresadora de 3 ejes con una potencia máxima de 30 CV (22 kW)
  • La operación: Fresado de superficies de acero inoxidable con una fresa de 4″, a una profundidad de corte de 0,5″, avance por diente de 0,005″ y velocidad de corte de 300 SFM. (100 mm, 12,7 mm, 0,13 mm/diente, 100 m/min).
  • La potencia necesaria en este caso es de unos 28 HP (21 KW).
  • A partir del cálculo, podemos ver que podemos hacer el trabajo, pero requeriría que la máquina funcionara casi a plena potencia, y sería mejor seleccionar una máquina con una mayor capacidad de potencia.

¿Cómo se calcula la potencia de mecanizado?

En mecánica, la potencia de un motor es el producto del par y la velocidad angular del eje. En el mecanizado, esto se traduce en el Par que actúa sobre el husillo multiplicado por la velocidad del husillo:

Fuerza de la Fresa
  • En aplicaciones rotativas (fresado y taladrado), es la fuerza que actúa sobre el filo de corte multiplicada por el radio de la fresa multiplicada por la velocidad de rotación de la herramienta (la velocidad del husillo).
  • En aplicaciones no rotativas (torneado y ranurado), es la fuerza que actúa sobre la pieza multiplicada por el radio de la pieza multiplicada por la velocidad de rotación de la pieza (la velocidad del husillo).

El problema es que calcular la fuerza de corte es un cálculo bastante complejo que no puede resumirse en fórmulas sencillas. Por suerte, existe una solución sencilla de aplicar y que arroja resultados relativamente precisos (alrededor de +/- 15%).

El método consiste en multiplicar la Tasa de Remoción de Metales (MRR) por la Fuerza de Corte Específica (KC)

  • Velocidad de arranque de metal (Q): volumen de material (en Cm3 o Pulgadas3) que la operación de mecanizado elimina en un minuto. Más información
  • Fuerza de corte específica (KC): Propiedad del material que indica la fuerza necesaria para extraer una viruta de la pieza. Las tablas de materiales de la web (o de los catálogos) indican el valor KC por materia prima o grupo de materiales. (Más información sobre laFuerza de Corte Específica )
\(
\begin{matrix}
&\text{Q}& & \text {KC} & & \text {To get KW or HP}\\
\large POWER = &\overbrace{\text{Metal Removal Rate}} &\times&\overbrace{\text{Specific Cutting Force}} &\times&\overbrace{\text {Unit Constant}}
\end{matrix}
\)
\( \begin{matrix}
\text{POWER = }\\
\text{Metal Removal Rate (Q)}\,\,\times\\
\text{Specific Cutting Force (KC)}\,\,\times\\
\text{Unit Constant (To get KW or HP)}
\end{matrix} \)

Fórmulas de potencia de corte

El cálculo de la potencia de corte requiere 4 pasos:

Paso 1 – Cálculo de la tasa de remoción de metal (MRR)

La tasa de eliminación de material (MRR) es el volumen de material eliminado por unidad de tiempo durante operaciones de mecanizado como fresado, torneado, taladrado y ranurado. Se designa con la letra Q y se mide en pulgadas cúbicas por minuto o centímetros cúbicos por minuto.

( Para obtener explicaciones detalladas, consulte nuestro artículo de MRR )

Application Metric [Cm3] Inch [Inch3]
Milling
MMR
\(\LARGE \frac {A_p \times\, A_e \times\, V_f }{1,000}\)
\( \large A_p \times A_e \times V_f  \)
Turning
Turning SKtech MMR
\( \large A_p \times F_n \times V_c \ \)
\( \large A_p \times F_n \times V_c\ \times 12 \)
Drilling
Drill Sktech MMR
\(\LARGE \frac {D \times\, F_n \times\, V_c }{4}\)
\( \large D \times F_n \times V_c\ \times 3 \)
Grooving
Grooving SKtech MMR
\( \large W \times F_n \times V_c \ \)
\( \large W \times F_n \times V_c\ \times 12 \)

Unidades utilizadas en la tabla anterior:

  • Ap, Ae, D, W – mm o pulgadas
  • Vf – m/min o pulgadas/min
  • Vc – m/min o pies/min (SFM)
  • Fn – mm/rev o Pulgada/rev
  • MRR – Tasa de Remoción de Metales CM3/min o Pulgadas3/min

Paso 2 – Obtención de la fuerza de corte específica de los materiales (KC1.1)

Cada material tiene un coeficiente de Fuerza Específica de Corte que expresa la fuerza en la dirección de corte, necesaria para cortar un área de viruta de un milímetro cuadrado que tiene un espesor de 1 milímetro con un ángulo de desprendimiento superior de 0°, de ahí el nombre KC1.1. Además del KC1., cada material tiene una constante MC que indica cómo varía el KC a medida que se aleja de su punto normalizado. Los valores KC1.1 y MC figuran en tablas como la del final de esta página o en guías técnicas de herramientas de corte. (Más información sobre la fuerza de corte específica )

Paso 3 – Cálculo de la real Fuerza de Corte Específica (KC)

Dado que KC1.1 está normalizado a 1 mm a 0° de inclinación, necesitamos calcular la fuerza de corte específica real KC adecuada para nuestras condiciones. Es la parte más complicada del proceso, y difiere según la aplicación. Para realizar los cálculos, necesitaremos obtener 4 parámetros.

\( \large \bf KC = KC1.1\,\times\,HM^{-MC}\,\times\,\left (1\,- \,0.01\,\times\, GAMF\right ) \)
\( \large KC = KC1.1\,\times\,HM^{-MC}\,\times \)
\( \large \left (1 – 0.01\,\times\, GAMF\right ) \)
  1. KC1.1 – Fuerza de corte específica normalizada [KPSI] o [KW] – Obtenida de la siguiente tabla
  2. MC – Pendiente de la curva del gráfico KC. – Obtenido del siguiente cuadro
  3. GAMF – Ángulo de inclinación superior. – Se obtiene del catálogo de herramientas/insertos o del plano.
  4. HM – Espesor de la viruta [Inch] o [mm] – Debe calcularse según la aplicación.

a & b) Ya tenemos KC1.1 y MC del paso 2 anterior.

c) Ángulo de inclinación superior (radial) -GAMF

Ángulo de inclinación radial (superior) - GAMF (Zoom)

Cada herramienta de corte tiene un ángulo de desprendimiento radial. El ángulo se mide entre el filo de corte y la pieza. Por lo tanto, cuando se monta una plaquita indexable en un portaherramientas, se debe utilizar el ángulo combinado (el ángulo de inclinación superior con respecto al plano de sujeción de la herramienta cuando la plaquita está montada en el alojamiento). Un proveedor de herramientas reputado proporcionará este ángulo en sus catálogos. Si tiene problemas para obtenerlo, utilice +7° como valor por defecto, ya que la mayoría de las herramientas de corte tienen un ligero ángulo de desprendimiento positivo.

d) Espesor de la viruta (HM) Se calcula de forma diferente según la aplicación:

  • Taladrado – El espesor de viruta es simplemente el avance por diente (o flauta). HM=FN/2 (Para el 90% de las brocas, será FN/2).
  • Despiece/ranurado – El espesor de viruta es simplemente el avance por revolución. HM=FN
  • Torneado – El espesor de la viruta depende del ángulo de aproximación (KAPR).
Ángulo de aproximación de Torneado
  • Cuando el ángulo de aproximación es de 90° (o más), utilice el avance por revolución como espesor de viruta HM=FZ
  • A medida que el ángulo de aproximación disminuye, el espesor de la viruta se reduce según la fórmula HM = FZ X SIN(KAPR)
  • Fresado – El grosor de la viruta depende de dos factores:
Esbozo de fresa de chaflán

Ángulo de aproximación (KAPR):

  • Cuando el ángulo de aproximación es de 90° (fresas rectas estándar), utilice el avance por revolución como espesor de viruta HM=FZ
  • A medida que el ángulo de aproximación disminuye, el espesor de la viruta se reduce según la fórmula HM = FZ X SIN(KAPR)
  • Para las formas redondas, la fórmula es más complicada y no se trata aquí.
Radial Chip Thinning Sketch

Profundidad de corte radial (AE):

  • Cuando AE>=D/2, utilizar el avance por diente como espesor de viruta HM=FZ
  • Cuando AE< D/2, el espesor de la viruta se reduce según el Factor de Adelgazamiento Radial de la Viruta (RCTF). HM=FZ/RCTF
  • Las detalladas fórmulas para el adelgazamiento radial de virutas (RCTF) se explican en profundidad aquí

Paso 4 – Conversión del resultado en kW o HP

  • Asumiendo que los valores de entrada están en Pulgadas y el KC está en KPSI el resultado debe ser dividido por 400 para obtener la potencia en unidades HP.
  • Suponiendo que los valores de entrada están en milímetros y el KC está en Mpa (N/mm2), el resultado debe dividirse por 60.000 para obtener la potencia en kW.
  • Por lo tanto, las fórmulas finales son:
\(
\large P[HP] = \LARGE \frac{Q\,\times\,KC}{400}
\)

\(
\large P[kW] = \LARGE \frac{Q\,\times\,KC}{60,000}
\)

Factores que afectan a la potencia de corte

Al comprender el efecto de cada parámetro en el consumo de potencia de mecanizado, podemos decidir qué cambiar cuando queremos optimizar una aplicación para que consuma menos energía.

Factores que afectan directamente a las fórmulas de potencia de mecanizado

Acero de baja aleación

Materia prima:

El tipo de material de la pieza escon diferencia, el factor más importante. La fuerza de corte específica (KC) oscila entre 700 MPa para el aluminio y 3.500 MPa para las aleaciones a base de níquel. El mecanizado de un material de Inconel consumirá un 400% más de potencia que el aluminio (en las mismas condiciones de corte).

Ángulo de inclinación radial (superior) - GAMF (Zoom)

Ángulo de inclinación:

Cada grado de ángulo de inclinación aumenta o disminuye el consumo de energía en un 1% aproximadamente. Los ángulos de desprendimiento radial (GAMF) van desde +20° en plaquitas de alto positivo hasta -20° en plaquitas con una K-land. Por lo tanto, el máximo potencial de influencia del ángulo de inclinación es del 40%.

Esbozo de fresa de chaflán

Ángulo de aproximación:

El ángulo de aproximación (KAPR) en la mayoría de las herramientas de corte es de 90°. Sin embargo, hay muchas herramientas con 45° y fresas de alto avance con ángulos de aproximación tan bajos como 12°. A medida que disminuye el ángulo, el espesor de viruta se reduce en SIN(KAPR). Dado que el espesor de la viruta es uno de los componentes de la fórmula de la fuerza de corte específica (véase más arriba), también influye indirectamente en la potencia de mecanizado necesaria. A medida que disminuye el ángulo de aproximación, aumenta la potencia de mecanizado. El máximo potencial de influencia del ángulo de aproximación es del 30%.

Otros factores a tener en cuenta

Hay factores adicionales que no se incluyen en las fórmulas pero que tienen un efecto significativo en las necesidades reales de potencia de mecanizado.

Plaquita de metal duro (carburo) de alto desgaste

Desgaste de vanguardia

Las fórmulas de potencia de corte se basan en una plaquita nueva sin desgaste. A medida que el filo cortante/vanguardia se desgasta gradualmente, aumentan las fuerzas de corte y aumenta la potencia. La diferencia entre el consumo de energía de una plaquita nueva y una desgastada puede ser de hasta el 50%.

Eficacia de las máquinas CNC

Eficacia de la máquina

Hasta ahora, hemos aprendido a estimar la potencia de mecanizado teórica. Es la potencia mecánica necesaria para extraer las virutas de la pieza. El valor que nos interesa es la potencia que necesita el motor de la máquina CNC. El factor entre estas dos cifras es la eficiencia de la máquina y se denota con μ. En él influyen la tecnología del motor y de la transmisión de potencia, así como la antigüedad y el estado mecánico de la máquina. En la tabla siguiente encontrará los valores típicos de eficiencia:

Tecnología de accionamientoValores típicos de eficiencia
Transmisión directa por correa90%
Transmisión por engranajes70-80%
Hidráulico60-90%

Tabla de fuerzas de corte específicas

Los valores típicos de KC1 y MC se muestran en la siguiente tabla. La diferencia entre materiales específicos dentro de los grupos de materiales no es significativa y la precisión es suficientemente buena en la mayoría de los casos. Encontrará gráficos más detallados aquí


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