En el mecanizado , una broca es una herramienta de corte no rotatoria que se utiliza en tornos , perfiladoras y cepilladoras de metal . A estas herramientas de corte también se las suele denominar con el nombre de frase fija de herramienta de corte de punta única , a diferencia de otras herramientas de corte, como una sierra o una cortadora por chorro de agua . El borde de corte se rectifica para adaptarse a una operación de mecanizado particular y se puede reafilar o remodelar según sea necesario. La broca rectificada se sujeta rígidamente mediante un portaherramientas mientras corta.
La inclinación hacia atrás ayuda a controlar la dirección de la viruta, que naturalmente se curva hacia la pieza de trabajo debido a la diferencia de longitud entre las partes interna y externa del corte. También ayuda a contrarrestar la presión que ejerce la pieza de trabajo sobre la herramienta, tirando de ella hacia la pieza de trabajo.
La inclinación lateral junto con la inclinación posterior controlan el flujo de viruta y contrarrestan parcialmente la resistencia de la pieza de trabajo al movimiento de la fresa, y se pueden optimizar para adaptarse al material particular que se esté cortando. El latón, por ejemplo, requiere una inclinación posterior y lateral de 0 grados, mientras que el aluminio utiliza una inclinación posterior 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, ya que una punta afilada es bastante frágil. El radio de la punta varía según las operaciones de mecanizado, como desbaste, semiacabado o acabado, y también según el material del componente que se esté cortando: acero, fundición, aluminio y otros.
Todos los demás ángulos sirven para dejar espacio libre a fin de que ninguna parte de la herramienta, además del filo de corte, pueda tocar la pieza de trabajo. El ángulo de espacio libre frontal suele ser de 8 grados, mientras que el ángulo de espacio libre lateral es de 10 a 15 grados y depende en parte de la velocidad de avance prevista.
Se recomiendan ángulos mínimos que cumplan con el trabajo requerido porque la herramienta se debilita a medida que el borde se vuelve más afilado debido al menor soporte detrás del borde y la menor capacidad para absorber el calor generado por el corte.
Los ángulos de inclinación en la parte superior de la herramienta no necesitan ser precisos para cortar, pero para cortar de manera eficiente habrá un ángulo óptimo para la inclinación posterior y lateral.
Originalmente, todas las brocas para herramientas se fabricaban con aceros para herramientas con alto contenido de carbono y el temple y revenido adecuados . Desde la introducción del acero de alta velocidad (HSS) (principios del siglo XX), el carburo sinterizado (década de 1930), las fresas de cerámica y de 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 acero de alta velocidad, permiten una eliminación de material más rápida que el acero de alta velocidad en la mayoría de los casos. Debido a que estos materiales son más caros y frágiles que el acero, normalmente el cuerpo de la herramienta de corte está hecho de acero y se le coloca un pequeño filo de corte hecho del material más duro. El filo de corte suele estar atornillado o sujeto con abrazaderas (en este caso se denomina inserto) o soldado con soldadura fuerte a un vástago de acero (esto normalmente solo se hace con el carburo).
Casi todas las herramientas de corte de alto rendimiento utilizan insertos indexables . Existen varias razones para esto. En primer lugar, a las velocidades de corte y avances muy altos que admiten estos materiales, la punta de corte puede alcanzar temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el material de soldadura fuerte que la sujeta al vástago. La economía también es importante; los insertos se fabrican simétricamente para que cuando el primer filo de corte esté desafilado, se puedan girar, presentando un filo de corte nuevo. Algunos insertos incluso se fabrican de modo que se puedan voltear, lo que da hasta 16 filos de corte por inserto. Hay muchos tipos de insertos: algunos para desbaste, otros para acabado. Otros están hechos para trabajos especializados como cortar roscas o ranuras. La industria emplea una nomenclatura estandarizada para describir los insertos por forma, material, material de recubrimiento y tamaño.
Una herramienta de conformado se rectifica con precisión hasta obtener un patrón que se asemeja a la pieza que se va a conformar. La herramienta de conformado se puede utilizar como una sola operación y, por lo tanto, elimina muchas otras operaciones de las correderas (delanteras, traseras y/o verticales) y la torreta, como las herramientas de caja. Una herramienta de conformado tornea uno o más diámetros mientras se introduce en la pieza. Antes del uso de las herramientas de conformado, los diámetros se torneaban mediante múltiples operaciones de corredera y torreta, y, por lo tanto, se necesitaba más trabajo para fabricar la pieza. Por ejemplo, una herramienta de conformado puede tornear muchos diámetros y, además, también puede cortar la pieza en una sola operación y eliminar la necesidad de indexar la torreta. En el caso de 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 conformado.
Existen distintos tipos de herramientas de conformado. Las herramientas de conformado de inserción son las más comunes para trabajos de corto a mediano plazo (50 a 20 000 piezas). Las herramientas de conformado circular suelen ser para trabajos más largos, ya que el desgaste de la herramienta se puede eliminar de la punta de la herramienta muchas veces a medida que la herramienta gira en su soporte. También existe una herramienta de biselado que se puede utilizar para cortes de acabado ligeros. Las herramientas de conformado pueden estar hechas de acero al cobalto, carburo o acero de alta velocidad. El carburo requiere un cuidado adicional porque es muy frágil y se astillará si se produce vibración.
Una desventaja de utilizar herramientas de conformado es que el avance en la pieza suele ser lento, de 0,0005" a 0,0012" por revolución, dependiendo del ancho de la herramienta. Las herramientas de conformado anchas generan más calor y suelen ser problemáticas por vibraciones. El calor y las vibraciones reducen la vida útil de la herramienta. Además, las herramientas de conformado más anchas que 2,5 veces el diámetro más pequeño 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 utilizar 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 las vibraciones. A pesar de los inconvenientes, la eliminación de operaciones adicionales a menudo hace que el uso de herramientas de conformado 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 de un acero más resistente, que además de ser más barato también suele ser más adecuado para la tarea, ya que es menos frágil que los materiales de vanguardia.
Los portaherramientas también pueden diseñarse para introducir propiedades adicionales a la acción de corte, tales como:
Tenga en cuenta que, dado que la rigidez (en lugar de la resistencia) suele ser el factor determinante del diseño de un portaherramientas, el acero utilizado no necesita ser particularmente duro o fuerte, ya que hay relativamente poca diferencia entre las rigideces de la mayoría de las aleaciones de acero.
El portaherramientas es la parte de un torno para trabajar metales que sostiene la broca directamente o un portaherramientas que contiene la broca. Existe una gran variedad de diseños de portaherramientas (incluidos los portaherramientas básicos, los portaherramientas basculantes, los portaherramientas de cambio rápido y las torretas de portaherramientas) y portaherramientas (con distintas geometrías y características).
Una herramienta de caja se monta en la torreta de un torno de torreta o una máquina de tornillos . Es esencialmente un poste de herramientas que lleva su apoyo seguidor junto con él. Una broca de herramienta (o varias brocas de herramienta) y un apoyo seguidor compacto (generalmente 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" alrededor de ella). A medida que la broca de herramienta pone una fuerza de desviación lateral en la pieza de trabajo, el apoyo seguidor se opone a ella, proporcionando rigidez. Un tipo diferente y popular de herramienta de caja utiliza dos rodillos en lugar de un apoyo seguidor. Un rodillo se llama "rodillo de dimensionamiento" y el otro rodillo se llama "rodillo de bruñido". Los rodillos giran con el material para reducir las cicatrices en el torno terminado. Se pueden utilizar brocas de herramienta opuestas (en lugar de un apoyo) para cancelar las fuerzas de desviación de cada una (lo que se denomina "herramienta de torneado equilibrada"), en cuyo caso la herramienta de caja comienza a superponerse en forma, función e identidad con una fresa hueca .
Las fresadoras , ranuradoras y cepilladoras suelen emplear un tipo de portaherramientas llamado caja de chapaleta que oscila libremente en el recorrido de retorno del ariete o bancada. En el siguiente recorrido de corte, "vuelve a la posición de corte". Su movimiento es análogo al de una válvula de retención tipo mariposa .
Las fresas de corte son un tipo de fresa en la que se montan una o dos brocas. Las brocas giran con la rotación del husillo y realizan cortes frontales. Las fresas de corte son una aplicación de las brocas en la que estas forman parte de una unidad rotatoria (mientras que la mayoría de las demás brocas se utilizan de forma lineal).
Las brocas para herramientas se han utilizado durante siglos, pero su desarrollo tecnológico continúa incluso hoy en día. Antes de 1900, casi todas las brocas para herramientas eran fabricadas por sus usuarios, y muchos talleres de máquinas 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 con lo que la mayoría de los trabajadores metalúrgicos expertos estaban cómodamente familiarizados. Las brocas para herramientas estaban hechas de aceros para herramientas de carbono , que tienen un contenido de carbono lo suficientemente alto como para resistir bien el endurecimiento. Cada broca se forjaba con un martillo, se templaba y luego se rectificaba con una muela . Los detalles exactos del tratamiento térmico y la geometría de la punta eran una cuestión de experiencia y preferencia individual.
Un avance tecnológico sustancial ocurrió en el período 1890-1910, cuando Frederick Winslow Taylor aplicó métodos científicos al estudio de las brocas de herramientas y su rendimiento de corte (incluyendo su geometría, metalurgia y tratamiento térmico, y las velocidades y avances resultantes , profundidades de corte, tasas de remoción de metal y vida útil de la herramienta). Junto con Maunsel White y varios asistentes, desarrolló aceros de alta velocidad (cuyas propiedades provienen tanto de sus mezclas de elementos de aleación como de sus métodos de tratamiento térmico). Sus experimentos de corte devoraron toneladas de material de la pieza de trabajo, consumieron miles de brocas de herramientas y generaron montañas de virutas. Fueron patrocinados en gran parte por William Sellers (un director de Midvale Steel y el astillero de Cramp) y más tarde por Bethlehem Steel . [3] Taylor no solo desarrolló nuevos materiales para fabricar cortadores de una sola punta, sino que también determinó la geometría óptima (ángulos de ataque, ángulos de holgura, radios de punta, etc.). Desarrolló la ecuación de Taylor para la expectativa de vida de la herramienta . Después de Taylor, ya no se daba por sentado que el arte negro de los artesanos individuales representaba el nivel más alto de la tecnología metalúrgica. Esto formaba parte de una tendencia más amplia durante los siglos XIX y XX por la que la ciencia se mezclaba con el arte en la cultura material de la vida cotidiana ( ciencia aplicada ).
La estelita pronto se unió a los aceros de alta velocidad como material para las fresas de una sola punta. Aunque el torneado con diamante ya existía desde hacía mucho tiempo, no fue hasta que aparecieron estos nuevos y costosos metales que la idea de los insertos de corte se aplicó de forma generalizada en el mecanizado. Antes de esto, la mayoría de las fresas de una sola punta se forjaban completamente de acero para herramientas (luego se rectificaba la punta). Ahora se hizo más común unir una punta separada (de un material) a un soporte (de otro). Con el desarrollo del carburo cementado disponible comercialmente (en la década de 1920) y los insertos cerámicos (después de la Segunda Guerra Mundial), esta tendencia se aceleró, porque el carburo y la cerámica son aún más caros y aún menos adecuados para servir como vástago. Sin embargo, el desarrollo tecnológico no desplazó de inmediato las formas antiguas. Entre 1900 y 1950, todavía no era raro que un maquinista forjara una herramienta a partir de acero al carbono para herramientas.
En la actualidad, entre las herramientas de corte de una sola punta que se utilizan en la producción en masa (como las de piezas de automóviles), las herramientas de inserción que utilizan carburo y cerámica superan con creces a las herramientas de acero rápido o de cobalto. En otros contextos de mecanizado (por ejemplo, talleres, salas de herramientas y prácticas de aficionados), estas últimas todavía están bien representadas. Se ha desarrollado un sistema completo de notación estándar de la industria para nombrar cada tipo de geometría de inserto. El número de formulaciones de carburo y cerámica continúa expandiéndose, 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 mediante líquido, aire o aerosoles ) y los tiempos de ciclo continúan reduciéndose. La competencia entre los fabricantes de productos para reducir los costos unitarios de producción impulsa continuamente el desarrollo tecnológico por parte de los fabricantes de herramientas, siempre que los costos de I+D y la amortización de la compra de herramientas sean menores que la cantidad de dinero ahorrado por los aumentos de productividad (por ejemplo, la reducción de los gastos salariales).