El brochado es un proceso de mecanizado que utiliza una herramienta dentada, llamada brocha , para eliminar material. Existen 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 acorta para brochar . 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 fundidas , forjadas , piezas de máquinas de tornillo y estampados de tamaño pequeño a mediano . Aunque el brochado puede ser costoso, generalmente se prefiere el brochado a otros procesos cuando se utiliza para tiradas de producción de grandes cantidades. [1]
Las brochas tienen una forma similar a la de una sierra, excepto que la altura de los dientes aumenta a lo largo 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. [2] 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 .
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. [3]
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 máquina brochadora , 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. [4] La brocha generalmente 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 . [5]
Los fluidos de corte se utilizan por tres motivos:
Los fluidos de corte con petróleo fortificados 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. [6]
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 solo una 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. [7]
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. [8]
Las únicas limitaciones al 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 [9] 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. [10] Además, existen límites en el tamaño de los cortes internos. Los orificios internos comunes pueden variar de 0,125 a 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). El rango de las brochas de superficie 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). [11]
Las tolerancias suelen ser de ±0,002 pulgadas (±0,05 mm), pero en aplicaciones precisas se puede mantener una tolerancia de ±0,0005 pulgadas (±0,01 mm). Los acabados de las superficies suelen estar entre 16 y 63 micropulgadas (μin), pero pueden oscilar entre 8 y 125 μin. [11] Puede haber pequeñas rebabas en el lado de salida del corte. [8]
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 , [12] pero aún es posible. [9] [13]
Las brochas se pueden clasificar de muchas formas: [5]
Si la brocha es lo suficientemente grande, los costos se pueden reducir utilizando una construcción modular o compuesta . Se trata de fabricar la brocha por piezas y montarla. Si alguna parte se desgasta, solo se debe reemplazar esa sección, en lugar de toda la brocha. [14]
La mayoría de las brochas están hechas de acero de alta velocidad (HSS) o de un acero aleado ; 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 agrietará en la primera pasada. [14]
La brocha para losa es la brocha para superficies más sencilla. Es una herramienta de uso general para cortar superficies planas. [9]
Las brochas 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. [9]
Las brochas de contorno están diseñadas para cortar superficies cóncavas, convexas, de leva, contorneadas y de formas irregulares. [9]
Las brochas para ollas 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 dispositivo a menudo se denomina "olla". 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. [15] Esto ha reemplazado el tallado con fresado para algunos engranajes involutivos y el corte de ranuras y ranuras externas. [9]
Las brochas a caballo utilizan dos brochas para losas 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. [9] Debe su nombre al hecho de que las brochas "se montan a horcajadas" sobre la pieza de trabajo en varios lados. [15]
Las brochas sólidas son el tipo más común; están hechos de una sola pieza de material sólido. Para brochas que se desgastan rápidamente se utilizan brochas de concha ; Estas brochas son similares a una brocha sólida, excepto que hay un orificio en el centro donde se monta en un eje . Las brochas de concha cuestan más inicialmente, pero ahorran el costo general si la brocha debe reemplazarse con frecuencia porque las guías están en el mandril y no es necesario reproducirlas con cada reemplazo. [14]
Las brochas 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. [14]
Un tipo común de brocha interna es la brocha con chavetero (C y D). Utiliza un dispositivo especial llamado cuerno para sostener la brocha y ubicar adecuadamente la pieza en relación con la brocha. [9]
Una brocha 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. [9]
La brocha de corte y recorte se utiliza para cortar piezas de paredes delgadas. Las piezas de trabajo de paredes delgadas tienden a expandirse durante el corte y luego a encogerse. Esta brocha supera ese problema brochando primero con los dientes de desbaste estándar, seguido de una sección de "respiración", que sirve como piloto a medida que la pieza de trabajo se contrae. Los dientes después de la sección de "respiración" incluyen dientes de desbaste, semiacabado y acabado. [16]
Para definir la geometría de una brocha, a continuación se muestra un tipo interno. Tenga en cuenta que las geometrías de otras brochas son similares.
dónde:
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 ), la sección de semiacabado ( t s ) y la 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. [17] 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 varía de 0,006 a 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). [5] Para que el brochado sea eficaz, la pieza de trabajo debe tener entre 0,020 y 0,025 pulgadas (0,51 y 0,64 mm) más material que la dimensión final del corte. [8]
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°. [5]
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 por rotor o corte por salto ; Estas brochas también se conocen como brochas de salida libre o de mordisqueo . [9] 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 un corte profundo manteniendo bajas las tensiones, las fuerzas y los requisitos de potencia. [5]
Existen 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 doble corte . 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. [5]
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. [8]
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: [17]
Las brochadoras son relativamente sencillas ya que sólo tienen que mover la brocha con 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). [18]
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. [19] La mayor parte del brochado de superficies se realiza en una máquina vertical. [9]
Las brochadoras horizontales están diseñadas para brochado por tracción, brochado de superficie, brochado continuo y brochado rotativo. Las máquinas de tracción son básicamente máquinas verticales colocadas de lado con una carrera más larga. Las máquinas de superficie mantienen la brocha estacionaria mientras las piezas de trabajo se sujetan a accesorios que están montados en un sistema transportador. Las máquinas de estilo continuo son similares a las máquinas de estilo de superficie, excepto que están adaptadas para el brochado interno. [19]
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. [9]
El brochado a menudo es imposible sin las máquinas brochadoras o chaveteras específicas, a menos que tenga un sistema que pueda usarse junto con un centro de mecanizado moderno o un torno de herramientas accionado; Estos equipos adicionales abren la posibilidad de producir chaveteros, estrías y Torx mediante mecanizado de un solo golpe. [20]
Un diseño algo diferente de herramienta de corte que puede lograr el orificio irregular o el perfil exterior de una brocha se llama brocha giratoria 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, [21] tornilleras o tornos suizos . [22]
El brochado rotatorio 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", que es el origen del término brocha oscilante . [22]
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. [22]
Lo ideal es que la herramienta avance al mismo ritmo que corta. La tasa de corte ideal se define como: [23]
Si avanza mucho más rápido, la herramienta se atasca; por el contrario, si avanza mucho más lento, entonces se produce un corte interrumpido o en zigzag. En la práctica, la velocidad de corte es ligeramente menor que la velocidad ideal para que la carga se libere en el filo no cortante de la herramienta.
Hay cierta espiral de la herramienta a medida que corta, por lo que la forma en la parte inferior de la pieza de trabajo puede girar con respecto a la forma en la parte superior del agujero 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 resulta práctico invertir la máquina, entonces interrumpir el corte es otra posible solución.
En general, una brocha giratoria 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 giratoria sí, siempre que haya suficiente espacio para las virutas en el fondo del agujero.
