En el mecanizado , una broca es una herramienta de corte no giratoria que se utiliza en tornos , perfiladores y cepilladoras de metal . A estos cortadores también se les suele denominar con la frase establecida herramienta de corte de un solo punto , a diferencia de otras herramientas de corte como una sierra o un cortador por chorro de agua . El filo se rectifica para adaptarse a una operación de mecanizado particular y se puede reafilar o remodelar según sea necesario. La broca de la herramienta rectificada se sujeta rígidamente mediante un portaherramientas mientras corta.
El rastrillo trasero sirve para ayudar a controlar la dirección de la viruta, que naturalmente se curva en el trabajo debido a la diferencia de longitud entre las partes exterior e interior del corte. También ayuda a contrarrestar la presión del trabajo contra la herramienta al tirar de la herramienta hacia el trabajo.
El rastrillo lateral junto con el rastrillo trasero controla el flujo de viruta y contrarresta en parte la resistencia del trabajo al movimiento de la cortadora y se puede optimizar para adaptarse al material particular que se está cortando. El latón, por ejemplo, requiere una inclinación trasera y lateral de 0 grados, mientras que el aluminio utiliza una inclinación trasera de 35 grados y una inclinación lateral de 15 grados.
El radio de la punta hace que el acabado del corte sea más suave, ya que puede superponerse al corte anterior y eliminar los picos y valles que produce una herramienta puntiaguda. Tener un radio también fortalece la punta, siendo una punta afilada bastante frágil. El radio de la punta varía dependiendo de las operaciones de mecanizado como desbaste, semiacabado o acabado y también del material del componente que se corta: acero, hierro fundido, aluminio y otros.
Todos los demás ángulos son para espacio libre para que ninguna parte de la herramienta, además del filo real, pueda tocar el trabajo. El ángulo libre frontal suele ser de 8 grados, mientras que el ángulo libre lateral es de 10 a 15 grados y depende en parte de la velocidad de avance esperada.
Se recomiendan ángulos mínimos que hagan el trabajo requerido porque la herramienta se debilita a medida que el filo se vuelve más afilado debido a la disminución del soporte detrás del filo y la capacidad reducida de absorber el calor generado por el corte.
No es necesario que los ángulos de inclinación en la parte superior de la herramienta sean precisos para poder cortar, pero para cortar de manera eficiente habrá un ángulo óptimo para la inclinación trasera y lateral.
Originalmente, todas las brocas para herramientas estaban hechas de aceros para herramientas con alto contenido de carbono con el endurecimiento y revenido adecuados . Desde la introducción del acero de alta velocidad (HSS) (principios del siglo XX), el carburo sinterizado (década de 1930), los cortadores de cerámica y diamante , esos materiales han reemplazado gradualmente a los tipos anteriores de acero para herramientas en casi todas las aplicaciones de corte. La mayoría de las brocas para herramientas actuales están hechas de HSS, acero al cobalto o carburo.
El carburo , la cerámica (como el nitruro de boro cúbico ) y el diamante, que tienen una dureza mayor que el HSS, permiten una eliminación de material más rápida que el HSS en la mayoría de los casos. Debido a que estos materiales son más caros y más quebradizos que el acero, normalmente el cuerpo de la herramienta de corte está hecho de acero y se adjunta un pequeño filo hecho del material más duro. El filo suele atornillarse o sujetarse (en este caso se llama inserto) o soldarse a un vástago de acero (esto normalmente sólo se hace para el carburo).
Casi todas las herramientas de corte de alto rendimiento utilizan plaquitas indexables . Hay varias razones para esto. En primer lugar, a las muy altas velocidades de corte y avances que soportan estos materiales, la punta de corte puede alcanzar temperaturas lo suficientemente altas como para derretir el material de soldadura que lo sujeta al vástago. La economía también es importante; Los insertos se fabrican simétricamente para que cuando el primer filo esté desafilado se puedan girar, presentando un filo nuevo. Algunas plaquitas incluso están hechas para que se puedan voltear, lo que proporciona hasta 16 filos de corte por plaquita. Hay muchos tipos de plaquitas: algunas para desbaste y otras para acabado. Otros están hechos para trabajos especializados como cortar hilos o ranuras. La industria emplea una nomenclatura estandarizada para describir los insertos por forma, material, material de recubrimiento y tamaño.
Una herramienta de forma se rectifica con precisión hasta obtener un patrón que se asemeja a la pieza que se va a formar. La herramienta de forma se puede utilizar como una sola operación y por lo tanto eliminar muchas otras operaciones de los carros (delantero, trasero y/o vertical) y la torreta, como las herramientas de caja. Una herramienta de forma gira uno o más diámetros mientras introduce el trabajo. Antes del uso de herramientas de forma, los diámetros se giraban mediante múltiples operaciones de corredera y torreta, por lo que requería más trabajo para fabricar la pieza. Por ejemplo, una herramienta de forma puede girar muchos diámetros y además también puede cortar la pieza en una sola operación y eliminar la necesidad de indexar la torreta. Para las máquinas de un solo husillo, evitar la necesidad de indexar la torreta puede aumentar drásticamente las tasas de producción de piezas por hora.
En trabajos de larga duración, es común utilizar una herramienta de desbaste en una estación de torreta o corredera diferente para eliminar la mayor parte del material y reducir el desgaste de la herramienta de forma.
Existen diferentes tipos de herramientas de formulario. Las herramientas de inserción de formularios son las más comunes para trabajos de corto a mediano alcance (de 50 a 20 000 piezas). Las herramientas de forma circular suelen ser para trabajos más largos, ya que el desgaste de la herramienta puede desprenderse de la punta de la herramienta muchas veces a medida que la herramienta gira en su soporte. También hay una herramienta de corte que se puede utilizar para cortes de acabado ligeros. Las herramientas de forma pueden estar hechas de acero al cobalto, carburo o acero de alta velocidad. El carburo requiere cuidados adicionales porque es muy frágil y se astillará si se produce vibración.
Un inconveniente al utilizar herramientas de forma es que el avance en el trabajo suele ser lento, de 0,0005" a 0,0012" por revolución, dependiendo del ancho de la herramienta. Las herramientas de forma ancha generan más calor y suelen ser problemáticas para la charla. El calor y la vibración reducen la vida útil de la herramienta. Además, las herramientas de conformado con un ancho superior a 2,5 veces el diámetro menor de la pieza que se está torneando tienen un mayor riesgo de que la pieza se rompa. [1] Al tornear longitudes más largas, se puede usar un soporte de la torreta para aumentar la longitud de torneado de 2,5 veces a 5 veces el diámetro más pequeño de la pieza que se está torneando, y esto también puede ayudar a reducir la vibración. A pesar de los inconvenientes, la eliminación de operaciones adicionales a menudo hace que el uso de herramientas de formulario sea la opción más eficiente.
Al limitar la costosa punta de corte dura a la pieza que realiza el corte real, se reduce el costo de las herramientas. El portaherramientas de soporte puede fabricarse entonces con un acero más resistente, que además de ser más económico también suele ser más adecuado para la tarea, siendo menos frágil que los materiales más modernos.
Los portaherramientas también pueden diseñarse para introducir propiedades adicionales a la acción de corte, tales como:
Tenga en cuenta que, dado que la rigidez (más que la resistencia) suele ser el factor determinante del diseño de un portaherramientas, no es necesario que el acero utilizado sea particularmente duro o resistente, ya que hay relativamente poca diferencia entre las rigideces de la mayoría de las aleaciones de acero.
El poste de herramientas es la parte de un torno para trabajar metales que sostiene la broca de la herramienta directamente o sostiene un portaherramientas que contiene la broca de la herramienta. Existe una gran variedad de diseños para postes de herramientas (incluidos postes de herramientas básicos, postes de herramientas basculantes, postes de herramientas de cambio rápido y torretas de postes de herramientas) y portaherramientas (con diferentes geometrías y características).
Una caja de herramientas está montada en la torreta de un torno de torreta o una máquina atornilladora . Es esencialmente una herramienta que trae consigo el descanso de sus seguidores. Una broca de herramienta (o varias brocas de herramienta) y un soporte seguidor compacto (normalmente en forma de V o con dos rodillos [2] ) se montan uno frente al otro en un cuerpo que rodea la pieza de trabajo (forma una "caja" a su alrededor). A medida que la broca ejerce una fuerza de desviación lateral sobre la pieza de trabajo, el apoyo del seguidor se opone a ella, proporcionando rigidez. Un tipo diferente y popular de herramienta de caja utiliza dos rodillos en lugar de un soporte seguidor. Un rodillo se llama "rodillo de dimensionamiento" y el otro rodillo se llama "rodillo de bruñido". Los rodillos giran con la culata para reducir las cicatrices en el giro final. Se pueden usar brocas de herramienta opuestas (en lugar de un descanso) para cancelar las fuerzas de desviación de cada una (llamada "herramienta de giro equilibrada"), en cuyo caso la herramienta de caja comienza a superponerse en forma, función e identidad con un molino hueco .
Las perfiladoras , ranuradoras y cepilladoras a menudo emplean una especie de portaherramientas llamado caja de clapeta que oscila libremente en la carrera de retorno del ariete o bancada. En el siguiente golpe de corte, "golpea" nuevamente a la posición de corte. Su movimiento es análogo al de una válvula de retención estilo mariposa .
Las fresas de mosca son un tipo de fresa en la que se montan una o dos brocas. Las brocas giran con la rotación del husillo, realizando cortes enfrentados. Los cortadores de moscas son una aplicación de brocas para herramientas en la que las brocas forman parte de una unidad giratoria (mientras que la mayoría de las demás brocas para herramientas son lineales).
Las brocas para herramientas se utilizan desde hace siglos, pero su desarrollo tecnológico continúa incluso hoy. Antes de 1900, aproximadamente, casi todas las brocas para herramientas eran fabricadas por sus usuarios y muchos talleres mecánicos tenían forjas . De hecho, se esperaba que los buenos maquinistas tuvieran conocimientos de herrería , y aunque la química y la física del tratamiento térmico del acero no se entendían bien (en comparación con las ciencias actuales), el arte práctico del tratamiento térmico era bastante avanzado y algo que la mayoría los metalúrgicos expertos conocían cómodamente. Las brocas para herramientas estaban hechas de aceros al carbono para herramientas , que tienen un contenido de carbono lo suficientemente alto como para endurecerse bien. Cada pieza fue forjada con un martillo, apagada y luego molida con una piedra de amolar . Los detalles exactos del tratamiento térmico y la geometría de la punta eran una cuestión de experiencia y preferencia individual.
Se produjo un avance tecnológico sustancial en el período 1890-1910, cuando Frederick Winslow Taylor aplicó métodos científicos al estudio de las brocas de herramientas y su rendimiento de corte (incluida su geometría, metalurgia y tratamiento térmico, y las velocidades, avances y profundidades de corte resultantes). , tasas de eliminación de metal y vida útil de la herramienta). Junto con Maunsel White y varios asistentes, desarrolló aceros rápidos (cuyas propiedades provienen tanto de sus mezclas de elementos de aleación como de sus métodos de tratamiento térmico). Sus experimentos de corte masticaron toneladas de material de pieza de trabajo, consumieron miles de brocas y generaron montañas de astillas. Fueron patrocinados en gran parte por William Sellers (director del astillero Midvale Steel y Cramp) y más tarde por Bethlehem Steel . [3] Taylor no solo desarrolló nuevos materiales para fabricar cortadores de punta única, sino que también determinó la geometría óptima (ángulos de ataque, ángulos libres, radios de punta, etc.). Desarrolló la ecuación de Taylor para la esperanza de vida de la herramienta . Después de Taylor, ya no se daba por sentado que el arte negro de los artesanos individuales representara el más alto nivel de la tecnología metalúrgica. Esto fue parte de una tendencia más amplia durante los siglos XIX y XX por la cual la ciencia se mezcló con el arte en la cultura material de la vida cotidiana ( ciencia aplicada ).
La estelita pronto se unió a los aceros rápidos como material para cortadores de punta única. Aunque el torneado con diamante existe desde hace mucho tiempo, no fue hasta que aparecieron estos nuevos y costosos metales que la idea de cortar insertos se volvió comúnmente aplicada en el mecanizado. Antes de esto, la mayoría de los cortadores de punta única se forjaban completamente con acero para herramientas (luego se rectificaban en la punta). Ahora se volvió más común colocar una punta separada (de un material) en un soporte (de otro). Con el desarrollo de insertos de carburo cementado (década de 1920) y cerámicos (después de la Segunda Guerra Mundial) disponibles comercialmente, esta tendencia se aceleró, porque el carburo y la cerámica son aún más caros y menos adecuados para servir como mango. El desarrollo tecnológico, sin embargo, no desplazó inmediatamente a las antiguas costumbres. Entre 1900 y 1950, todavía no era raro que un maquinista forjara una herramienta con acero al carbono para herramientas.
Hoy en día, entre las cortadoras de punta única utilizadas en la producción en masa (como de piezas de automóviles), las herramientas de inserción que utilizan carburo y cerámica superan con creces a las herramientas de acero HSS o cobalto. En otros contextos de mecanizado (por ejemplo, talleres, salas de herramientas y prácticas de aficionados), estos últimos todavía están bien representados. Se ha desarrollado un sistema completo de notación estándar de la industria para nombrar cada tipo de geometría de plaquita. El número de formulaciones de carburo y cerámica continúa aumentando y el diamante se utiliza más que nunca. Las velocidades, los avances, las profundidades de corte y las temperaturas en la interfaz de corte continúan aumentando (esto último contrarrestado por un enfriamiento abundante a través de líquido, aire o aerosoles ) y los tiempos de los ciclos continúan reduciéndose. La competencia entre los fabricantes de productos para reducir los costos unitarios de producción impulsa continuamente el desarrollo tecnológico de los fabricantes de herramientas, siempre y cuando los costos de I+D y la amortización de la compra de herramientas sean menores que la cantidad de dinero ahorrada por los aumentos de productividad (por ejemplo, la reducción de los gastos salariales).