Brochado (metalurgia)

Brochado es un proceso de mecanizado que utiliza una herramienta dentada, llamada brocha, para eliminar material. Hay dos tipos principales de brochado: lineal y rotativo. En el brochado lineal, que es el proceso más común, la brocha se pasa linealmente contra una superficie de la pieza de trabajo para producir el corte. Las brochas lineales se utilizan en una máquina brochadora, que a veces también se abrevia como brocha. En el brochado rotatorio, la brocha se gira y se presiona contra la pieza de trabajo para cortar una forma axisimétrica. Una brocha rotativa se utiliza en un torno o máquina de tornillo. En ambos procesos el corte se realiza en una sola pasada de la raspa, lo que la hace muy eficiente.

El brochado se utiliza cuando se requiere un mecanizado de precisión, especialmente para formas extrañas. Las superficies comúnmente mecanizadas incluyen orificios circulares y no circulares, ranuras, chaveteros y superficies planas. Las piezas de trabajo típicas incluyen piezas de fundición, forjados, piezas de máquinas de tornillo y estampados de tamaño pequeño a mediano. Aunque las brochas pueden ser costosas, generalmente se prefiere el brochado a otros procesos cuando se utiliza para tiradas de producción de grandes cantidades.

Las brochas tienen una forma similar a la de una sierra, excepto que la altura de los dientes aumenta a lo largo de la longitud de la herramienta. Además, la brocha contiene tres secciones diferenciadas: una para desbaste, otra para semiacabado y la última para acabado. El brochado es un proceso de mecanizado inusual porque tiene el avance integrado en la herramienta. El perfil de la superficie mecanizada es siempre el inverso del perfil de la brocha. El aumento por diente (RPT), también conocido como paso o avance por diente, determina la cantidad de material eliminado y el tamaño de la viruta. La brocha se puede mover con respecto a la pieza de trabajo o viceversa. Debido a que todas las funciones están integradas en la brocha, no se requieren movimientos complejos ni mano de obra calificada para usarla. Una brocha es efectivamente una colección de herramientas de corte de un solo punto dispuestas en secuencia, cortando una tras otra; su corte es análogo a múltiples pasadas de un moldeador.

Historia

El concepto de brochado se remonta a principios de la década de 1850, cuando las primeras aplicaciones se utilizaron para cortar chaveteros en poleas y engranajes. Después de la Primera Guerra Mundial, el brochado se utilizó para los cañones de las armas de fuego. En las décadas de 1920 y 1930, las tolerancias se ajustaron y los costos se redujeron gracias a los avances en las máquinas rectificadoras y brochadoras.

Proceso

El proceso depende del tipo de brochado que se realice. El brochado de superficies es muy simple ya que la pieza de trabajo se mueve contra una brocha de superficie estacionaria o la pieza de trabajo se mantiene estacionaria mientras la brocha se mueve contra ella.

El brochado interno es más complicado. El proceso comienza sujetando la pieza de trabajo en un dispositivo de sujeción especial, llamado portapiezas, que se monta en la máquina brochadora. El elevador de la brocha, que es la parte de la máquina que mueve la brocha por encima del portapiezas, luego baja la brocha a través de la pieza de trabajo. Una vez pasado, el tirador de la máquina brochadora, esencialmente un gancho, agarra el piloto de la brocha. Luego, el elevador libera la parte superior del seguidor y el extractor tira la brocha a través de la pieza de trabajo por completo. Luego se retira la pieza de trabajo de la máquina y la brocha se levanta nuevamente para volver a acoplarse con el elevador. Por lo general, la brocha solo se mueve linealmente, pero a veces también se gira para crear una ranura en espiral o un estrías en el cañón de una pistola.

Los fluidos de corte se utilizan por tres motivos:

1. para enfriar la pieza de trabajo y el broche
2. para lubricar superficies de corte
3. para limpiar los chips de los dientes.

Los fluidos de corte fortificados con petróleo son los más comunes. Sin embargo, se están utilizando fluidos de corte solubles en agua de alta resistencia debido a su enfriamiento superior, limpieza y no inflamabilidad.

Uso

El brochado se desarrolló originalmente para mecanizar chaveteros internos. Sin embargo, pronto se descubrió que el brochado es muy útil para mecanizar otras superficies y formas para piezas de trabajo de gran volumen. Debido a que cada brocha está especializada para cortar una sola forma, la brocha debe diseñarse especialmente para la geometría de la pieza de trabajo o la pieza de trabajo debe diseñarse alrededor de una geometría de brocha estándar. Una brocha personalizada generalmente solo es viable con piezas de trabajo de gran volumen, porque su producción puede costar entre 15.000 y 30.000 dólares.

Las velocidades de brochado varían de 20 a 120 pies superficiales por minuto (SFPM). Esto da como resultado un tiempo de ciclo completo de 5 a 30 segundos. La mayor parte del tiempo se consume en la carrera de retorno, el manejo de la brocha y la carga y descarga de piezas de trabajo.

Las únicas limitaciones del brochado son que no haya obstrucciones a lo largo de la superficie a mecanizar, que la geometría a cortar no tenga curvas en múltiples planos y que la pieza de trabajo sea lo suficientemente fuerte como para soportar las fuerzas involucradas. Específicamente para el brochado interno, primero debe existir un orificio en la pieza de trabajo para que pueda entrar la brocha. Además, existen límites en el tamaño de los cortes internos. Los orificios internos comunes pueden variar entre 0,125 y 6 pulgadas (3,2 a 152,4 mm) de diámetro, pero es posible lograr un rango de 0,05 a 13 pulgadas (1,3 a 330,2 mm). Brochas de superficie' El rango suele ser de 0,075 a 10 pulgadas (1,9 a 254,0 mm), aunque el rango factible es de 0,02 a 20 pulgadas (0,51 a 508,00 mm).

Las tolerancias son generalmente ±0,002 en (±0.05 mm), pero en aplicaciones precisas se puede mantener una tolerancia de ±0.0005 en (±0.01 mm). Los acabados superficiales son generalmente entre 16 y 63 microinches (μin), pero pueden variar de 8 a 125 μin. Puede haber pequeñas hamburguesas en el lado de salida del corte.

El brochado funciona mejor en materiales más blandos, como latón, bronce, aleaciones de cobre, aluminio, grafito, cauchos duros, madera, compuestos y plástico. Sin embargo, todavía tiene una buena clasificación de maquinabilidad en aceros dulces y aceros de mecanizado libre. Al brochar, el índice de maquinabilidad está estrechamente relacionado con la dureza del material. Para los aceros el rango de dureza ideal está entre 16 y 24 Rockwell C (HRC); una dureza superior a HRC 35 desgastará la brocha rápidamente. El brochado es más difícil en materiales más duros, acero inoxidable y titanio, pero aún es posible.

Tipos

Las brochas se pueden clasificar de muchas formas:

• Uso: interior, o superficie
• Propósito: único, o combinación
• Moción: empuje, tire o estacionario
• Construcción: sólido, edificado, hueco o cáscara
• Función: agitación, tamaño o quemadura

Si el broche es lo suficientemente grande los costos se pueden reducir utilizando un edificación o modulares construcción. Esto implica producir el broche en piezas y montarlo. Si alguna porción se agota sólo esa sección tiene que ser reemplazada, en lugar de todo el broche.

La mayoría de las brochas están hechas de acero de alta velocidad (HSS) o de una aleación de acero; Los recubrimientos de nitruro de titanio (TiN) son comunes en HSS para prolongar su vida útil. Excepto al brochar hierro fundido, el carburo de tungsteno rara vez se utiliza como material dental porque el filo se agrieta en la primera pasada.

Brochados superficiales

La brocha para losa es la brocha para superficies más sencilla. Es una herramienta de uso general para cortar superficies planas.

brocas para ranuras (G y H) sirven para cortar ranuras de varias dimensiones a altas tasas de producción. El brochado de ranuras es mucho más rápido que el fresado cuando es necesario mecanizar más de una ranura, porque se pueden ejecutar varias brochas a través de la pieza al mismo tiempo en la misma máquina brochadora.

Las brochas de contorno están diseñadas para cortar superficies cóncavas, convexas, levas, contorneadas y de forma irregular.

brochas de vaso se cortan al revés de una brocha interna; cortan el diámetro exterior de una pieza de trabajo cilíndrica. Llevan el nombre del accesorio con apariencia de maceta en el que se montan las brochas; el juego a menudo se denomina "bote". El recipiente está diseñado para contener múltiples herramientas de brochado de forma concéntrica en toda su longitud. La brocha se mantiene fija mientras la pieza de trabajo se empuja o se tira a través de ella. Esto ha reemplazado el tallado con fresado para algunos engranajes de involuta y el corte de ranuras y ranuras externas.

Brochas a caballo utilizan dos brochas para losa para cortar superficies paralelas en lados opuestos de una pieza de trabajo en una sola pasada. Este tipo de brochado tiene tolerancias más estrechas que si los dos cortes se hicieran de forma independiente. Debe su nombre al hecho de que las brochas "se montan a horcajadas" la pieza de trabajo en varios lados.

Brochas interiores

Sólido Los broches son el tipo más común; están hechos de una pieza sólida de material. Para los broches que se agotan rápidamente shell Se utilizan broches; estos broches son similares a un broche sólido, excepto que hay un agujero a través del centro donde se monta en un arbor. Los broches de Shell cuestan más inicialmente, pero ahorran el coste general si el broche debe ser reemplazado a menudo porque los pilotos están en el mandril y no tienen que ser reproducidos con cada reemplazo.

modulares se utilizan comúnmente para aplicaciones de brochado interno de gran tamaño. Son similares a las brochas de concha en que son una construcción de varias piezas. Este diseño se utiliza porque es más barato de construir y reafilar y es más flexible que un diseño sólido.

Un tipo común de brocha interna es la brocha cuñero (C y D). Utiliza un dispositivo especial llamado cuerno para sostener la brocha y ubicar adecuadamente la pieza en relación con la brocha.

Una brocha de concentricidad es un tipo especial de brocha de corte estriado que corta tanto el diámetro menor como la forma estriada para garantizar una concentricidad precisa.

La brocha de corte y recorte se utiliza para cortar piezas de trabajo de paredes delgadas. Las piezas de trabajo de paredes delgadas tienden a expandirse durante el corte y luego a encogerse. Esta brocha soluciona ese problema brochando primero con los dientes de desbaste estándar, seguido de una brocha de "respiración" sección, que sirve como piloto a medida que la pieza de trabajo se contrae. Los dientes después de la "respiración" Luego, la sección incluye dientes de desbaste, semiacabado y acabado.

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  Un broche interno para cortar líneas
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  Los dientes finales
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  Los dientes semiacabados
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  Los dientes duros
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  El piloto delantero
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  La ranura en la punta del broche donde la máquina de broche se coloca en el broche para tirar a través de la pieza de trabajo

Diseño

A continuación se muestra un tipo interno para definir la geometría de una brocha. Tenga en cuenta que las geometrías de otras brochas son similares.

donde:

La característica más importante de una brocha es el aumento por diente (RPT), que es la cantidad de material que elimina cada diente. El RPT varía para cada sección de la brocha, que son la sección de desbaste (t_r), sección de semiacabado (t _s), y sección de acabado (t_f). Los dientes de desbaste eliminan la mayor parte del material, por lo que la cantidad de dientes de desbaste necesarios dicta la longitud de la brocha. Los dientes de semiacabado proporcionan el acabado superficial y los dientes de acabado proporcionan el acabado final. El RPT (t_f) de la sección de acabado suele ser cero, de modo que a medida que los primeros dientes de acabado se desgastan, los posteriores continúan con la función de dimensionamiento. Para aceros de mecanizado libre, el RPT oscila entre 0,006 y 0,001 pulgadas (0,152 a 0,025 mm). Para el brochado de superficies, el RPT suele estar entre 0,003 y 0,006 pulgadas (0,076 a 0,152 mm) y para el brochado de diámetro suele estar entre 0,0012 y 0,0025 pulgadas (0,030 a 0,064 mm). El valor exacto depende de muchos factores. Si el corte es demasiado grande, ejercerá demasiada tensión sobre los dientes y la pieza de trabajo; si el corte es demasiado pequeño los dientes se frotan en lugar de cortar. Una forma de aumentar el RPT manteniendo bajas las tensiones es con rompevirutas. Son muescas en los dientes diseñadas para romper la viruta y disminuir la cantidad total de material que elimina un diente determinado (consulte el dibujo de arriba). Para que el brochado sea eficaz, la pieza de trabajo debe tener entre 0,020 y 0,025 pulgadas (0,51 a 0,64 mm) más material que la dimensión final del corte.

El ángulo del gancho (α) es un parámetro del material que se está cortando. Para el acero está entre 15 y 20° y para el hierro fundido está entre 6 y 8°. El retroceso (γ) proporciona espacio para los dientes para que no rocen la pieza de trabajo; suele estar entre 1 y 3°.

Al brochar radialmente piezas de trabajo que requieren un corte profundo por diente, como piezas forjadas o fundidas, se puede utilizar un diseño de corte de rotor o corte de salto; Estas brochas también se conocen como brochas de salida libre o de mordisqueo. En este diseño, el RPT está designado para dos o tres filas de dientes. Para que la brocha funcione, el primer diente de ese grupo tiene una muesca ancha o socavada, y luego el siguiente diente tiene una muesca más pequeña (en un diseño de tres dientes) y el último diente no tiene muesca. Esto permite realizar un corte profundo manteniendo bajas las tensiones, las fuerzas y los requisitos de potencia.

Hay dos opciones diferentes para lograr el mismo objetivo al brochar una superficie plana. El primero es similar al diseño de corte de rotor, que se conoce como diseño de corte doble. Aquí cuatro dientes seguidos tienen el mismo RPT, pero cada diente progresivo toma solo una porción del corte debido a las muescas en los dientes (vea la galería de imágenes a continuación). La otra opción se conoce como brocha progresiva, que mecaniza completamente el centro de la pieza de trabajo y luego el resto de las brochas hacia afuera desde allí. Todos estos diseños requieren una brocha más larga que si se utilizara un diseño estándar.

Para algunas brochas circulares, se proporcionan dientes de bruñido en lugar de dientes de acabado. En realidad, no son dientes, ya que son simplemente discos redondeados que tienen un tamaño de 0,001 a 0,003 pulgadas (0,025 a 0,076 mm) sobredimensionados. Esto da como resultado pulir el agujero al tamaño adecuado. Se utiliza principalmente en piezas de trabajo de hierro fundido y no ferrosos.

El paso define la construcción del diente, la resistencia y el número de dientes en contacto con la pieza de trabajo. El paso normalmente se calcula a partir de la longitud de la pieza de trabajo, de modo que se puede diseñar la brocha para que tenga al menos dos dientes en contacto con la pieza de trabajo en cualquier momento; el paso permanece constante para todos los dientes de la brocha. Una forma de calcular el tono es:

${displaystyle Pcong 0.35{sqrt {}}$

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  Ejemplo de un broche de superficie de doble corte
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  Vista superior de un broche de superficie doble
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  Vista lateral de un broche de superficie doble

Brochadoras

Las máquinas brochadoras son relativamente simples ya que solo tienen que mover la brocha en un movimiento lineal a una velocidad predeterminada y proporcionan un medio para manipular la brocha automáticamente. La mayoría de las máquinas son hidráulicas, pero algunas máquinas especiales son accionadas mecánicamente. Las máquinas se distinguen por si su movimiento es horizontal o vertical. La elección de la máquina depende principalmente de la carrera requerida. Las brochadoras verticales rara vez tienen una carrera superior a 1,5 m (60 pulgadas).

Las brochadoras verticales pueden diseñarse para brochado por empuje, brochado por extracción, brochado por extracción o brochado de superficie. Las brochadoras de empuje son similares a una prensa de eje con un ariete guiado; Las capacidades típicas son de 5 a 50 toneladas. La máquina desplegable de dos arietes es el tipo más común de brochadora. Este estilo de máquina tiene los arietes debajo de la mesa. Las máquinas de dominadas tienen el ariete encima de la mesa; suelen tener más de un carnero. La mayor parte del brochado de superficies se realiza en una máquina vertical.

Las máquinas de brocado horizontal están diseñadas para el brocheado de tirantes, el broche de superficie, el broche continuo y el broche giratorio. Las máquinas de estilo Pull son básicamente máquinas verticales colocadas en el lado con un trazo más largo. Las máquinas de estilo superficial sostienen el caldo estacionario mientras que las piezas de trabajo se sujetan en accesorios que se montan en un sistema transportador. Las máquinas de estilo continuo son similares a las máquinas de estilo superficial, excepto adaptadas para el broche interno.

Las máquinas horizontales solían ser mucho más comunes que las verticales; sin embargo, hoy en día representan sólo el 10% de todas las brochadoras compradas. Las máquinas verticales son más populares porque ocupan menos espacio.

El desenvolvimiento es a menudo imposible sin las máquinas de encaje o llavero específicas a menos que tenga un sistema que se pueda utilizar en conjunción con un moderno centro de mecanizado o torno de herramientas impulsado; estos pedazos adicionales de equipo abren la posibilidad de producir claves, espinillas y Torx a través del mecanizado de un solo golpe.

Broches rotatorios

Un diseño algo diferente de herramienta de corte que puede lograr el orificio irregular o el perfil exterior de una brocha se llama brocha rotativa o brocha oscilante. Una de las mayores ventajas de este tipo de brochado es que no requiere brochadora, sino que se utiliza en tornos, fresadoras, atornilladoras o tornos suizos.

El brochado rotativo requiere dos componentes de herramientas: un portaherramientas y una brocha. El borde delantero (cortante) de la brocha tiene un contorno que coincide con la forma final deseada. La brocha está montada en un portaherramientas especial que le permite girar libremente. El portaherramientas es especial porque sujeta la herramienta de manera que su eje de rotación quede ligeramente inclinado con respecto al eje de rotación de la pieza. Un valor típico para esta desalineación es 1°. Este ángulo es lo que produce un borde giratorio para que la brocha corte la pieza de trabajo. Se gira la pieza de trabajo o el portaherramientas. Si se gira el portaherramientas, la desalineación hace que la brocha parezca "bambolearse", lo cual es el origen del término brocha oscilante.

Para el brochado interno, los lados de la brocha se curvan hacia adentro para que se vuelva más delgada; para el brochado externo, los lados se curvan hacia afuera para agrandar el bolsillo. Este borrador evita que la brocha se atasque; el calado debe ser mayor que el ángulo de desalineación. Si la pieza de trabajo gira, la brocha se presiona contra ella, es impulsada por ella y gira sincrónicamente con ella. Si el portaherramientas gira, la brocha se presiona contra la pieza de trabajo, pero es impulsada por el portaherramientas.

Lo ideal es que la herramienta avance al mismo ritmo que corta. La tasa de corte ideal se define como:

Tasa de corte [inches por rotación (IPR)] = (diametro de la herramienta [inches]) × pecado(Angle of misalignment [degrees])

Si avanza mucho más rápido, la herramienta se ahoga; por el contrario, si avanza mucho más lento, entonces se produce un corte interrumpido o zig-zag. En la práctica, la tasa de corte es ligeramente inferior a la tasa ideal para que la carga sea liberada en el borde no cortado de la herramienta.

Hay algo de espiral en la herramienta a medida que corta, por lo que la forma en la parte inferior de la pieza de trabajo puede rotarse con respecto a la forma en la parte superior del orificio o perfil. El uso de espirales puede ser indeseable porque atasca el cuerpo de la herramienta y evita que corte con fuerza. Una solución a esto es invertir la rotación en la mitad del corte, lo que hace que la herramienta gire en espiral en la dirección opuesta. Si no es práctico invertir la máquina, entonces interrumpir el corte es otra posible solución.

En general, una brocha rotativa no cortará con tanta precisión como una brocha de empujar o tirar. Sin embargo, la posibilidad de utilizar este tipo de herramienta de corte en máquinas herramienta comunes es muy ventajosa. Además, las brochas de empuje o de tracción no se pueden utilizar en un agujero ciego, mientras que una brocha rotativa sí, siempre que haya suficiente espacio para las virutas en el fondo del agujero.