broca

En el mecanizado , una broca es una herramienta de corte no rotativa que se utiliza en tornos , cepilladoras y regruesadoras . Estas brocas también se conocen comúnmente como herramientas de corte de un solo filo , a diferencia de otras herramientas como sierras o cortadoras de chorro de agua . El filo se afila para adaptarlo a una operación de mecanizado específica y puede reafilarse o remodelarse según sea necesario. La broca afilada se sujeta firmemente mediante un portaherramientas durante el proceso de corte.

El ángulo de ataque posterior ayuda a controlar la dirección de la viruta, que se curva naturalmente hacia la pieza de trabajo debido a la diferencia de longitud entre las partes exterior e interior del corte. También ayuda a contrarrestar la presión que ejerce la pieza de trabajo sobre la herramienta, tirando de ella hacia el interior de la misma.

El ángulo de ataque lateral, junto con el ángulo de ataque posterior, controla el flujo de virutas y contrarresta parcialmente la resistencia de la pieza al movimiento de la fresa. Este ángulo puede optimizarse para adaptarse al material específico que se está cortando. Por ejemplo, el latón requiere un ángulo de ataque posterior y lateral de 0 grados, mientras que el aluminio utiliza un ángulo de ataque posterior de 35 grados y un ángulo de ataque lateral de 15 grados.

El radio de la punta suaviza el acabado del corte, ya que puede superponerse al corte anterior y eliminar las irregularidades que produce una herramienta puntiaguda. Además, el radio refuerza la punta, que es bastante frágil. El radio de la punta varía según las operaciones de mecanizado, como el desbaste, el semiacabado o el acabado, y también según el material del componente que se esté cortando: acero, hierro fundido, aluminio, entre otros.

Los demás ángulos son para garantizar que ninguna parte de la herramienta, aparte del filo de corte, toque la pieza de trabajo. El ángulo de desprendimiento frontal suele ser de 8 grados, mientras que el lateral oscila entre 10 y 15 grados, dependiendo en parte de la velocidad de avance prevista.

Se recomienda utilizar ángulos mínimos que cumplan con el trabajo requerido, ya que la herramienta se debilita a medida que el filo se afila más debido a la disminución del soporte detrás del filo y a la menor capacidad para absorber el calor generado durante el corte.

Los ángulos de ataque en la parte superior de la herramienta no necesitan ser precisos para cortar, pero para cortar de manera eficiente, habrá un ángulo óptimo para el ataque posterior y lateral.

Casi todas las herramientas de corte de alto rendimiento utilizan plaquitas indexables . Esto se debe a varias razones. En primer lugar, a las altas velocidades de corte y avances que permiten estos materiales, la punta de corte puede alcanzar temperaturas lo suficientemente elevadas como para fundir el material de soldadura que la une al vástago. La economía también es importante; las plaquitas se fabrican simétricamente para que, cuando el primer filo de corte se desafila, se puedan girar, presentando un filo nuevo. Algunas plaquitas incluso se pueden voltear, lo que proporciona hasta 16 filos de corte por plaquita. Existen muchos tipos de plaquitas: algunas para desbaste, otras para acabado. Otras están diseñadas para trabajos especializados, como el roscado de roscas o ranuras. La industria emplea una nomenclatura estandarizada para describir las plaquitas según su forma, material, recubrimiento y tamaño.

Una herramienta de conformado se rectifica con precisión para crear un patrón que se asemeja a la pieza a conformar. Esta herramienta se puede usar en una sola operación, eliminando así muchas otras operaciones en los carros (delantero, trasero y/o vertical) y la torreta, como las herramientas de caja . La herramienta de conformado mecaniza uno o más diámetros mientras avanza sobre la pieza. Antes del uso de herramientas de conformado, los diámetros se mecanizaban mediante múltiples operaciones en los carros y la torreta, lo que requería más trabajo para fabricar la pieza. Por ejemplo, una herramienta de conformado puede mecanizar varios diámetros y, además, cortar la pieza en una sola operación, eliminando la necesidad de indexar la torreta. En máquinas de un solo husillo, evitar la necesidad de indexar la torreta puede aumentar drásticamente la tasa de producción de piezas por hora.

En trabajos de larga duración, es habitual utilizar una herramienta de desbaste en una estación de carro o torreta diferente para eliminar la mayor parte del material y reducir el desgaste de la herramienta de conformado.

Existen diferentes tipos de herramientas de conformado. Las herramientas de conformado de inserción son las más comunes para trabajos de corto a mediano alcance (de 50 a 20 000 piezas). Las herramientas de conformado circulares se utilizan generalmente para trabajos más largos, ya que el desgaste de la punta se puede eliminar mediante el rectificado repetido de la herramienta al girarla en su portaherramientas. También existe una herramienta de desbaste 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 especial cuidado, ya que es muy frágil y se astilla si se produce vibración.

Una desventaja al usar herramientas de conformado es que el avance hacia 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 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 menor de la pieza que se está torneando, y esto también puede ayudar a reducir las vibraciones. A pesar de las desventajas, 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 a la pieza que realiza el corte, se reduce el costo de las herramientas. El portaherramientas puede fabricarse con un acero más resistente, que además de ser más económico, suele ser más adecuado para la tarea, ya que es menos quebradizo que los materiales de corte.

Los portaherramientas también pueden diseñarse para introducir propiedades adicionales en la acción de corte, tales como:

• Enfoque angular: dirección del desplazamiento de la herramienta
• Carga por resorte: desviación de la broca de la herramienta alejándose del material cuando se aplica una carga excesiva.
• Voladizo variable: la broca se puede extender o retraer según lo requiera el trabajo.
• rigidez: el portaherramientas se puede dimensionar según el trabajo que se vaya a realizar.
• Dirigir el fluido de corte o refrigerante al área de trabajo.

Cabe señalar que, dado que la rigidez (en lugar de la resistencia) suele ser el factor determinante en el diseño de un portaherramientas, el acero utilizado no necesita ser particularmente duro o resistente, ya que existe relativamente poca diferencia entre las rigideces de la mayoría de las aleaciones de acero.

Soportes utilizados en tornos

Portabrocas y portaherramientas

El portaherramientas es la parte del torno para trabajar metales que sujeta la herramienta directamente o un soporte que la contiene. Existe una gran variedad de diseños de portaherramientas (incluidos los básicos, los basculantes, los de cambio rápido y las torretas portaherramientas) y de soportes (con geometrías y características diversas).

Herramienta de caja

Una herramienta de caja se monta en la torreta de un torno revólver o máquina de tornillos . Es esencialmente un portaherramientas que arrastra consigo su soporte seguidor. Una herramienta (o varias herramientas) y un soporte 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 (formando una "caja" a su alrededor). A medida que la herramienta ejerce una fuerza de deflexión lateral sobre la pieza de trabajo, el soporte seguidor la contrarresta, proporcionando rigidez. Otro tipo 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 de bruñido". Los rodillos giran con el material para reducir las marcas en el torneado final. Se pueden usar herramientas opuestas (en lugar de un soporte) para anular las fuerzas de deflexión entre sí (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 brocas para herramientas se han utilizado durante siglos, y su desarrollo tecnológico continúa incluso hoy en día. Antes de 1900, casi todas las brocas eran fabricadas por sus propios usuarios, y muchos talleres mecánicos contaban con 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 comprendían del todo (en comparación con las ciencias actuales), el arte práctico del tratamiento térmico estaba bastante avanzado y la mayoría de los metalúrgicos cualificados lo dominaban. Las brocas se fabricaban con aceros para herramientas al carbono , que tienen un contenido de carbono suficientemente alto como para soportar bien el endurecimiento. Cada broca se forjaba con un martillo, se templaba y luego se afilaba con una piedra de afilar . Los detalles exactos del tratamiento térmico y la geometría de la punta dependían de la experiencia y las preferencias individuales.

Un avance tecnológico sustancial ocurrió en el período 1890-1910, cuando Frederick Winslow Taylor aplicó métodos científicos al estudio de las brocas 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 trituraron toneladas de material de la pieza de trabajo, consumieron miles de brocas y generaron montañas de virutas. Fueron patrocinados en gran parte por William Sellers (un director de Midvale Steel y el astillero Cramp's) y más tarde por Bethlehem Steel . ^{[ 3 ]} Taylor no solo desarrolló nuevos materiales para fabricar cortadores de un solo punto, sino que también determinó la geometría óptima (ángulos de ataque, ángulos de desprendimiento, radios de punta, etc.). Desarrolló la ecuación de Taylor para la expectativa de vida útil de la herramienta . Tras Taylor, dejó de darse por sentado que el arte de la metalurgia artesanal representaba el máximo nivel de esta disciplina. Esto formaba parte de una tendencia más amplia de los siglos XIX y XX, en la que la ciencia se fusionaba con el arte en la cultura material de la vida cotidiana ( ciencia aplicada ).

El estelita pronto se unió a los aceros de alta velocidad como material para fresas de un solo filo. Si bien el torneado con diamante existía desde hacía mucho tiempo, no fue hasta la aparición de estos nuevos y costosos metales que la idea de utilizar plaquitas de corte se generalizó en el mecanizado. Antes de esto, la mayoría de las fresas de un solo filo se forjaban completamente de acero para herramientas (y luego se rectificaba la punta). Ahora se hizo más común fijar una punta separada (de un material) a un soporte (de otro). Con el desarrollo de las plaquitas de carburo cementado disponibles comercialmente (década de 1920) y cerámica (después de la Segunda Guerra Mundial), esta tendencia se aceleró, ya que el carburo y la cerámica son aún más caros y menos adecuados para servir como vástago. Sin embargo, el desarrollo tecnológico no desplazó de inmediato los métodos antiguos. Entre 1900 y 1950, todavía era común que un maquinista forjara una herramienta de acero al carbono para herramientas.

Hoy en día, entre las fresas de un solo filo utilizadas en la producción en masa (como las de piezas de automóviles), las herramientas con plaquitas de carburo y cerámica superan con creces a las de acero rápido o cobalto. En otros contextos de mecanizado (por ejemplo, talleres, salas de herramientas y aficionados), estas últimas siguen estando bien representadas. 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 sigue 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 siguen aumentando (esto último compensado por una refrigeración abundante mediante líquido, aire o aerosoles ), y los tiempos de ciclo siguen reduciéndose. La competencia entre los fabricantes de productos para reducir los costes unitarios de producción impulsa continuamente el desarrollo tecnológico de los fabricantes de herramientas, siempre que los costes de I+D y la amortización de la compra de herramientas sean inferiores al ahorro derivado del aumento de la productividad (por ejemplo, la reducción de los gastos salariales).

• Desgaste de herramientas
• Herramientas de diamante
• Máquina equilibradora
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