El 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 hace pasar linealmente contra una superficie de la pieza de trabajo para producir el corte. Las brochas lineales se utilizan en una brochadora , que a veces también se abrevia como brocha . En el brochado rotativo, 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 una máquina de tornillo . En ambos procesos, el corte se realiza en una pasada de la brocha, lo que lo hace muy eficiente.
El brochado se utiliza cuando se requiere un mecanizado de precisión, especialmente para formas irregulares. Las superficies mecanizadas comúnmente incluyen agujeros circulares y no circulares, estrías , chaveteros y superficies planas. Las piezas de trabajo típicas incluyen fundiciones de tamaño pequeño a mediano , piezas forjadas , piezas de máquinas de tornillos y estampados . Aunque las brochas pueden ser caras, el brochado suele preferirse a otros procesos cuando se utiliza para tiradas de producción de gran cantidad. [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 distintas: 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. La elevación por diente (RPT), también conocida como paso o avance por diente, determina la cantidad de material eliminado y el tamaño de la viruta. La brocha se puede mover en relación con la pieza de trabajo o viceversa. Debido a que todas las características están integradas en la brocha, no se requiere ningún movimiento complejo ni mano de obra especializada para usarla. [2] Una brocha es efectivamente una colección de herramientas de corte de una sola punta dispuestas en secuencia, cortando una tras otra; su corte es análogo a múltiples pasadas de una moldeadora .
El concepto de brochado se remonta a principios de la década de 1850, cuando las primeras aplicaciones se utilizaban para cortar chaveteros en poleas y engranajes . Después de la Primera Guerra Mundial , el brochado se utilizó para estriar los cañones de las armas. En las décadas de 1920 y 1930, las tolerancias se ajustaron y el coste se redujo gracias a los avances en las máquinas de brochado y rectificado de formas. [3]
El proceso depende del tipo de brochado que se esté realizando. El brochado de superficie es muy sencillo, ya que la pieza de trabajo se mueve contra una brocha de superficie fija o la pieza de trabajo se mantiene fija mientras la brocha se mueve contra ella.
El brochado interno es más complejo. El proceso comienza sujetando la pieza de trabajo en un dispositivo de sujeción especial , llamado portapiezas , que se monta en la brochadora. El elevador de la 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 que ha pasado, el extractor de la brochadora , esencialmente un gancho, agarra el piloto de la brocha. Luego, el elevador libera la parte superior del seguidor y el extractor tira de la brocha a través de la pieza de trabajo por completo. Luego, la pieza de trabajo se retira de la máquina y la brocha se vuelve a elevar 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 estrías de cañón de pistola . [5]
Los fluidos de corte se utilizan por tres razones:
Los fluidos de corte a base de petróleo fortificado son los más comunes. Sin embargo, se están utilizando fluidos de corte solubles en agua para trabajos pesados debido a su mayor capacidad de enfriamiento, 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 estar especialmente diseñada para la geometría de la pieza de trabajo o la pieza de trabajo debe diseñarse en torno a una geometría de brocha estándar. Una brocha personalizada generalmente solo es viable con piezas de trabajo de gran volumen, porque la producción de la brocha puede costar entre 15 000 y 30 000 dólares estadounidenses. [7]
Las velocidades de brochado varían de 20 a 120 pies de superficie 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, la manipulación de la brocha y la carga y descarga de la pieza de trabajo. [8]
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 varios 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 la brocha pueda entrar. [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 superficiales suelen estar entre 16 y 63 micropulgadas (μin), pero pueden variar de 8 a 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 , materiales compuestos y plástico . Sin embargo, todavía tiene una buena calificación de maquinabilidad en aceros dulces y aceros de fácil mecanizado . Al brochar, la calificación de maquinabilidad está estrechamente relacionada con la dureza del material. Para los aceros, el rango de dureza ideal está entre 16 y 24 Rockwell C (HRC); una dureza mayor que HRC 35 desafilará 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 maneras: [5]
Si la brocha es lo suficientemente grande, los costos se pueden reducir utilizando una construcción modular o combinada . Esto implica producir la brocha en piezas y ensamblarlas. 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 de aleación ; los recubrimientos de nitruro de titanio (TiN) son comunes en el HSS para prolongar la vida útil. Excepto cuando se brocha hierro fundido , rara vez se utiliza carburo de tungsteno como material para los dientes porque el filo se agrieta en la primera pasada. [14]
La brocha para losas es la brocha de superficie más sencilla. Es una herramienta de uso general para cortar superficies planas. [9]
Las brochas para ranuras (G y H) se utilizan para cortar ranuras de varias dimensiones a altas velocidades de producción. El brochado de ranuras es mucho más rápido que el fresado cuando es necesario mecanizar más de una ranura, porque se pueden utilizar varias brochas a la vez en la misma máquina brochadora. [9]
Las brocas de contorno están diseñadas para cortar superficies cóncavas, convexas, con forma de leva, contorneadas e irregulares. [9]
Las brochas de pote se cortan de forma inversa a una brocha interna; cortan el diámetro exterior de una pieza de trabajo cilíndrica. Su nombre se debe al dispositivo de fijación con forma de pote en el que se montan las brochas; el dispositivo de fijación se suele denominar "pote". El pote está diseñado para sostener múltiples herramientas de brochado de forma concéntrica en toda su longitud. La brocha se mantiene estacionaria mientras se empuja o tira de la pieza de trabajo a través de ella. [15] Esto ha reemplazado el tallado con fresa madre para algunos engranajes evolventes y el corte de estrías y ranuras externas. [9]
Las brochas de horquilla utilizan dos brochas de placa para cortar superficies paralelas en lados opuestos de una pieza de trabajo en una sola pasada. Este tipo de brochado tiene tolerancias más estrictas que si los dos cortes se hicieran de forma independiente. [9] Su nombre se debe al hecho de que las brochas "se extienden" sobre la pieza de trabajo en varios lados. [15]
Las brochas sólidas son el tipo más común; están hechas de una sola pieza sólida de material. Para las brochas que se desgastan rápidamente se utilizan brochas de casquillo ; estas brochas son similares a una brocha sólida, excepto que hay un orificio en el centro donde se monta sobre un eje . Las brochas de casquillo cuestan más inicialmente, pero ahorran el costo total si la brocha debe reemplazarse con frecuencia porque los pilotos están en el mandril y no tienen que reproducirse con cada reemplazo. [14]
Las brochas modulares se utilizan habitualmente para aplicaciones de brochado interno de gran tamaño. Son similares a las brochas de carcasa en el sentido de que son una construcción de varias piezas. Este diseño se utiliza porque es más económico de construir y reafilar y es más flexible que un diseño sólido. [14]
Un tipo común de brocha interna es la brocha de chavetero (C y D). Utiliza un dispositivo especial llamado cuerno para sostener la brocha y ubicar correctamente la pieza en relación con la brocha. [9]
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. [9]
La brocha de corte y rectificado se utiliza para cortar piezas de trabajo de paredes delgadas. Las piezas de trabajo de paredes delgadas tienen una tendencia a expandirse durante el corte y luego a encogerse después. Esta brocha supera ese problema brochando primero con los dientes de desbaste estándar, seguidos de una sección de "respiración", que sirve como guía mientras la pieza de trabajo se encoge. Los dientes después de la sección de "respiración" incluyen dientes de desbaste, semiacabado y acabado. [16]
Para definir la geometría de una brocha se muestra a continuación 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 se elimina por 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 determina 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 de la sección de acabado (t f ) suele ser cero, de modo que a medida que los primeros dientes de acabado se desgastan, los posteriores continúan 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 y 0,152 mm) y para el brochado de diámetro suele estar entre 0,0012 y 0,0025 pulgadas (0,030 y 0,064 mm). El valor exacto depende de muchos factores. Si el corte es demasiado grande, impartirá demasiada tensión a los dientes y a la pieza de trabajo; si el corte es demasiado pequeño, los dientes rozarán en lugar de cortar. Una forma de aumentar el RPT manteniendo las tensiones bajas es con rompevirutas . Son muescas en los dientes diseñadas para romper la viruta y disminuir la cantidad total de material que se elimina por un diente determinado (consulte el dibujo anterior). [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 de material que la dimensión final del corte. [8]
El ángulo de gancho ( α ) es un parámetro del material que se está cortando. En el caso del acero, oscila entre 15 y 20° y en el caso del hierro fundido, entre 6 y 8°. El ángulo de retroceso ( γ ) proporciona espacio libre para los dientes para que no rocen la pieza de trabajo; suele oscilar 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 de corte por salto ; estas brochas también se conocen como brochas de salida libre o de mordisqueo . [9] En este diseño, el RPT se designa a dos o tres filas de dientes. Para que la brocha funcione, el primer diente de ese grupo tiene una muesca ancha, o socavado, y luego el siguiente diente tiene una muesca más pequeña (en un diseño de tres dientes) y el diente final no tiene muesca. Esto permite un corte profundo mientras se mantienen bajos los requisitos de tensiones, fuerzas y potencia. [5]
Existen dos opciones diferentes para lograr el mismo objetivo al brochar una superficie plana. La primera es similar al diseño de corte por rotor, que se conoce como diseño de corte doble . Aquí, cuatro dientes en fila tienen el mismo RPT, pero cada diente progresivo solo realiza una parte del corte debido a las muescas en los dientes (consulte 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 la brocha mecaniza hacia afuera desde allí. Todos estos diseños requieren una brocha que sea más larga que si se utilizara un diseño estándar. [5]
En 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 de un tamaño de entre 0,001 y 0,003 pulgadas (0,025 y 0,076 mm) mayor. Esto da como resultado el bruñido del orificio al tamaño adecuado. Esto se utiliza principalmente en piezas de trabajo de hierro fundido y no ferrosas. [8]
El paso define la construcción de los dientes, la resistencia y la cantidad de dientes en contacto con la pieza de trabajo. El paso se calcula generalmente a partir de la longitud de la pieza de trabajo, de modo que la brocha pueda diseñarse 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 paso es: [17]
Las brochadoras son relativamente sencillas, 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 está dictada principalmente por la carrera requerida. Las brochadoras verticales rara vez tienen una carrera más larga que 60 pulgadas (1,5 m). [18]
Las brochadoras verticales pueden diseñarse para brochado por empuje, brochado por tracción hacia abajo, brochado por tracción hacia arriba o brochado de superficie. Las brochadoras por empuje son similares a una prensa de husillo con un ariete guiado; las capacidades típicas son de 5 a 50 toneladas. La máquina de tracción hacia abajo con dos arietes es el tipo más común de brochadora. Este estilo de máquina tiene los arietes debajo de la mesa. Las máquinas de tracción hacia arriba tienen el ariete sobre la mesa; por lo general, tienen más de un ariete. [19] La mayor parte del brochado de superficie 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 un recorrido más largo. Las máquinas de superficie mantienen la brocha estacionaria mientras las piezas de trabajo se sujetan en accesorios montados en un sistema transportador. Las máquinas de estilo continuo son similares a las máquinas de estilo de superficie, excepto que están adaptadas para brochado interno. [19]
Las máquinas horizontales solían ser mucho más comunes que las verticales; sin embargo, hoy en día representan solo el 10% de todas las brochadoras adquiridas. Las máquinas verticales son más populares porque ocupan menos espacio. [9]
El brochado es a menudo imposible sin las brochadoras o chaveteras específicas, a menos que se cuente con un sistema que pueda utilizarse junto con un centro de mecanizado moderno o un torno con herramientas accionadas; 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 rotatoria o brocha oscilante . Una de las mayores ventajas de este tipo de brochado es que no requiere una brochadora, sino que se utiliza en tornos, fresadoras, [21] máquinas de tornillos o tornos suizos . [22]
El brochado rotatorio requiere dos componentes de herramientas: un portaherramientas y una brocha. El borde delantero (de corte) de la brocha tiene un contorno que coincide con la forma final deseada. La brocha se monta en un portaherramientas especial que le permite girar libremente. El portaherramientas es especial porque sujeta la herramienta de forma que su eje de rotación esté ligeramente inclinado respecto del eje de rotación de la pieza de trabajo. 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 "tambalearse", lo que da origen al término brocha tambaleante . [22]
Para el brochado interno, los lados de la brocha se inclinan hacia adentro para que se vuelva más delgada; para el brochado externo, los lados se inclinan hacia afuera, para hacer que la cavidad sea más grande. Este ángulo evita que la brocha se atasque; el ángulo 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 a la misma velocidad que corta. La velocidad ideal de corte se define como: [23]
Si avanza mucho más rápido, la herramienta se atasca; por el contrario, si avanza mucho más lento, se produce un corte interrumpido o en zigzag. En la práctica, la velocidad de corte es ligeramente inferior a la ideal, de modo que la carga se libera en el borde no cortante de la herramienta.
La herramienta produce cierta espiral 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 orificio o perfil. La espiral puede ser indeseable porque bloquea el cuerpo de la herramienta y evita que corte con precisión. Una solución para esto es invertir la rotación a mitad del corte, lo que hace que la herramienta se mueva en espiral en la dirección opuesta. Si no es posible invertir la máquina, entonces interrumpir el corte es otra posible solución.
En general, una brocha rotativa no corta con tanta precisión como una brocha de empuje o tracción. 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 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.
