Brochado (metalurgia)

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 desplaza linealmente contra la superficie de la pieza para producir el corte. Las brochas lineales se utilizan en una máquina de brochado , que a veces también se abrevia como brocha . En el brochado rotativo, la brocha gira y se presiona contra la pieza para cortar una forma axisimétrica. Una brocha rotativa se utiliza en un torno o una máquina de tornillos . En ambos procesos, el corte se realiza en una sola pasada de la brocha, lo que lo hace muy eficiente.

El brochado se utiliza cuando se requiere mecanizado de precisión, especialmente para formas irregulares. Las superficies que se mecanizan habitualmente incluyen agujeros circulares y no circulares, estrías , chaveteros y superficies planas. Las piezas típicas incluyen piezas fundidas , forjadas , piezas mecanizadas y estampadas de tamaño pequeño a mediano . Aunque las brochas pueden ser costosas, el brochado suele preferirse a otros procesos cuando se utiliza para series de producción de gran volumen. ^{[ 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 incorporado 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 removido 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 características están incorporadas en la brocha, no se requiere ningún movimiento complejo ni mano de obra especializada para usarla. ^{[ 2 ]} Una brocha es, en efecto, un conjunto de herramientas de corte de un solo punto dispuestas en secuencia, cortando una tras otra; su corte es análogo a múltiples pasadas de una conformadora .

El concepto de brochado se remonta a principios de la década de 1850, con las primeras aplicaciones para cortar chaveteros en poleas y engranajes . Después de la Primera Guerra Mundial , el brochado se utilizó para estriar cañones de armas. En las décadas de 1920 y 1930, las tolerancias se ajustaron y el costo se redujo gracias a los avances en las máquinas de rectificado y brochado. ^{[ 3 ]}

El proceso depende del tipo de brochado que se realice. El brochado superficial es muy sencillo, ya que la pieza se mueve contra una brocha de superficie fija o bien la pieza 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 portaherramientas , 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 portaherramientas, la baja a través de la pieza. Una vez que ha atravesado la pieza, el extractor de la máquina brochadora , esencialmente un gancho, sujeta el piloto de la brocha. El elevador libera la parte superior del seguidor y el extractor tira de la brocha a través de la pieza por completo. A continuación, se retira la pieza de trabajo de la máquina y se vuelve a elevar la brocha para que se acople de nuevo al elevador. ^{[ 4 ]} La brocha normalmente solo se mueve linealmente, pero a veces también se rota para crear una estría espiral o un estriado de cañón . ^{[ 5 ]}

Los fluidos de corte se utilizan por tres razones:

1. para enfriar la pieza de trabajo y brochar
2. para lubricar superficies de corte
3. para eliminar las astillas de los dientes.

Los fluidos de corte fortificados con petróleo son los más comunes. Sin embargo, se están utilizando fluidos de corte hidrosolubles de alta resistencia debido a su excelente capacidad de enfriamiento, limpieza y no inflamabilidad. ^{[ 6 ]}

El brochado se desarrolló originalmente para el mecanizado de chaveteros internos. Sin embargo, pronto se descubrió que también resulta muy útil para el mecanizado de otras superficies y formas en piezas de gran volumen. Dado que cada brocha está especializada para cortar una sola forma, es necesario diseñar la brocha específicamente para la geometría de la pieza o bien diseñar la pieza en función de una geometría de brocha estándar. Una brocha personalizada suele ser viable únicamente en piezas de gran volumen, ya que su producción puede costar entre 15 000 y 30 000 dólares estadounidenses. ^{[ 7 ]}

Las velocidades de brochado varían de 20 a 120 pies superficiales por minuto (SFPM). Esto resulta en 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 múltiples planos ^{[ 9 ]} y que la pieza de trabajo sea lo suficientemente resistente 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  pulg. (±0,05  mm), pero en aplicaciones de precisión se puede alcanzar una tolerancia de ±0,0005 pulg.  (±0,01 mm). Los acabados superficiales suelen estar entre 16 y 63 micropulgadas (μin), pero pueden variar 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 , materiales compuestos y plástico . Sin embargo, también presenta una buena maquinabilidad en aceros dulces y aceros de fácil mecanizado . Al brochar, la maquinabilidad está estrechamente relacionada con la dureza del material. Para los aceros, el rango de dureza ideal se encuentra entre 16 y 24 Rockwell C (HRC); una dureza superior a HRC 35 desafilará rápidamente la brocha. El brochado es más difícil en materiales más duros, como el acero inoxidable y el titanio , ^{[ 12 ]} pero aún es posible. ^{[ 9 ] [ 13 ]}

Las brochas se pueden clasificar de muchas maneras: ^{[ 5 ]}

• Uso: ^{[ 9 ]} interno o de superficie
• Propósito: único o combinado
• Movimiento: empujar, tirar o estar estacionario
• Construcción: maciza, compuesta, hueca o de cáscara
• Función: desbaste, dimensionamiento o bruñido

Si la brocha es lo suficientemente grande, los costos pueden reducirse mediante una construcción modular o por capas . Esto implica producir la brocha en piezas y ensamblarlas. Si alguna parte se desgasta, solo es necesario reemplazar esa sección, en lugar de toda la brocha. ^{[ 14 ]}

La mayoría de las brochas están hechas de acero rápido (HSS) o de una aleación de acero ; los recubrimientos de nitruro de titanio (TiN) son comunes en el HSS para prolongar su vida útil. Excepto al brochar hierro fundido , el carburo de tungsteno rara vez se usa como material de los dientes porque el filo de corte se agrieta en la primera pasada. ^{[ 14 ]}

Brochas internas

Las brochas macizas son el tipo más común; están hechas de una sola pieza de material. Para brochas que se desgastan rápidamente, se utilizan brochas de concha ; estas brochas son similares a las macizas, excepto que tienen un orificio en el centro donde se montan en un mandril . Las brochas de concha tienen un costo inicial mayor, pero resultan más económicas a largo plazo si la brocha debe reemplazarse con frecuencia, ya que 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 carcasa, ya que tienen una construcción de varias piezas. Este diseño se utiliza porque es más económico de fabricar y reafilar, y es más flexible que un diseño sólido. ^{[ 14 ]}

Un tipo común de brocha interna es la brocha para chavetero (C y D). Utiliza un dispositivo especial llamado cuerno para sujetar la brocha y posicionar correctamente la pieza con respecto a la brocha. ^{[ 9 ]}

Una brocha de concentricidad es un tipo especial de brocha de corte de estrías que corta tanto el diámetro menor como la forma de la estría para asegurar una concentricidad precisa. ^{[ 9 ]}

La brocha de corte y re-corte se utiliza para cortar piezas de paredes delgadas. Estas piezas tienden a expandirse durante el corte y luego contraerse. Esta brocha soluciona este problema mediante un proceso de brochado inicial con dientes de desbaste estándar, seguido de una sección de "respiración" que actúa como guía a medida que la pieza se contrae. Los dientes posteriores a la sección de "respiración" incluyen dientes de desbaste, semiacabado y acabado. ^{[ 16 ]}

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  Una brocha interna para cortar estrías
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  Los dientes de acabado
• 
  Los dientes de semiacabado
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  Los dientes ásperos
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  El piloto delantero
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  La ranura en la punta de la brocha donde la máquina de brochado se engancha a la brocha para tirar de ella a través de la pieza de trabajo.

Diseño

Para definir la geometría de una brocha, se muestra a continuación un tipo interno. Cabe destacar que las geometrías de otras brochas son similares.

dónde:

• P = tono
• RPT = aumento por diente
• n _r = número de dientes de desbaste
• n _s = número de dientes de semiacabado
• n _f = número de dientes de acabado
• t _r = RPT para los dientes de desbaste
• t _s = RPT para los dientes de semiacabado
• t _f = RPT para los dientes de acabado
• L _s = Longitud del vástago
• L _RP = Longitud del piloto trasero
• D ₁ = Diámetro de la punta del diente
• D2 = Diámetro de la raíz del _diente
• D = Profundidad de un diente (0,4P)
• L = Terreno (detrás del filo de corte) (0,25P)
• R = Radio del esófago (0,25P)
• α = Ángulo de gancho o ángulo de inclinación
• γ = Ángulo de retroceso o ángulo de holgura
• L _w = Longitud de la pieza (no se muestra)

La característica más importante de una brocha es el avance por diente (RPT), que indica la cantidad de material que elimina cada diente. El RPT varía para cada sección de la brocha: 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 el número 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 se desgastan los primeros dientes de acabado, los posteriores continúan la función de dimensionamiento. Para aceros de fácil mecanizado, el RPT oscila entre 0,006 y 0,001 pulgadas (0,152 y 0,025 mm) . Para el brochado de superficie, la RPT suele estar entre 0,003 y 0,006 pulgadas (0,076 y 0,152 mm) , y para el brochado de diámetro, 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, generará demasiada tensión en los dientes y en la pieza de trabajo; si el corte es demasiado pequeño, los dientes rozarán en lugar de cortar. Una forma de aumentar la RPT manteniendo bajas las tensiones es mediante rompevirutas . Son muescas en los dientes diseñadas para romper la viruta y disminuir la cantidad total de material que se elimina por cada diente (véase el dibujo anterior). ^{[ 5 ]} Para que el brochado sea efectivo, 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 de ataque ( α ) es un parámetro del material que se está cortando. Para el acero, oscila entre 15 y 20°, y para el hierro fundido, entre 6 y 8°. El ángulo de retroceso ( γ ) proporciona espacio libre para que los dientes no rocen con la pieza de trabajo; suele estar entre 1 y 3°. ^{[ 5 ]}

Cuando se mecanizan radialmente piezas que requieren un corte profundo por diente, como forjas o fundiciones , se puede utilizar un diseño de corte rotatorio o de corte discontinuo ; estas brochas también se conocen como brochas de salida libre o de punzonado . ^{[ 9 ]} En este diseño, el RPT se asigna a dos o tres filas de dientes. Para que la brocha funcione, el primer diente de ese grupo tiene una muesca ancha o socavado, 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. La primera es similar al diseño de corte rotatorio, conocido como diseño de doble corte . En este caso, cuatro dientes consecutivos tienen el mismo RPT, pero cada diente progresivo realiza solo una parte del corte debido a las muescas en los dientes (véase la galería de imágenes a continuación). La otra opción se conoce como brocha progresiva , que mecaniza completamente el centro de la pieza y luego el resto de la brocha mecaniza hacia afuera desde allí. Todos estos diseños requieren una brocha 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, sino discos redondeados con un sobremedida de 0,001 a 0,003 pulgadas (0,025 a 0,076 mm) . Esto permite bruñir el orificio hasta alcanzar el tamaño adecuado. Este método se utiliza principalmente en piezas de trabajo de metales no ferrosos y hierro fundido. ^{[ 8 ]}  

El paso define la construcción del diente, la resistencia y el número de dientes en contacto con la pieza de trabajo. El paso se suele calcular a partir de la longitud de la pieza de trabajo, de modo que la brocha se pueda diseñar para que al menos dos dientes estén en contacto con la pieza de trabajo en todo momento; el paso permanece constante para todos los dientes de la brocha. Una forma de calcular el paso es: ^{[ 17 ]}

${\displaystyle P\cong 0.35{\sqrt {L_{\mathrm {w} }}}}$

• 
  Ejemplo de una brocha de superficie de doble corte
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  Vista superior de una brocha de superficie de doble corte.
• 
  Vista lateral de una brocha de superficie de doble corte.

Las máquinas de brochado son relativamente sencillas, ya que solo necesitan mover la brocha en línea recta a una velocidad predeterminada y proporcionar un sistema para manipularla automáticamente. La mayoría de las máquinas son hidráulicas , pero algunas máquinas especializadas son de accionamiento mecánico. Se distinguen por si su movimiento es horizontal o vertical. La elección de la máquina viene determinada principalmente por la carrera requerida. Las máquinas de brochado vertical rara vez tienen una carrera superior a 1,5 m (60 pulgadas) . ^{[ 18 ]}  

Las máquinas de brochado vertical pueden diseñarse para brochado por empuje, brochado por tracción hacia abajo, brochado por tracción hacia arriba o brochado de superficie. Las máquinas de brochado por empuje son similares a una prensa de husillo con un pistón guiado; las capacidades típicas son de 5 a 50 toneladas. La máquina de tracción hacia abajo de dos pistones es el tipo más común de máquina de brochado. Este tipo de máquina tiene los pistones debajo de la mesa. Las máquinas de tracción hacia arriba tienen el pistón encima de la mesa; generalmente tienen más de un pistón. ^{[ 19 ]} La mayor parte del brochado de superficie se realiza en una máquina vertical. ^{[ 9 ]}

Las máquinas de brochado horizontales están diseñadas para brochado por tracción, brochado superficial, brochado continuo y brochado rotativo. Las máquinas de tracción son básicamente máquinas verticales colocadas de lado con una carrera más larga. Las máquinas de brochado superficial mantienen la brocha fija mientras las piezas de trabajo se sujetan en dispositivos de fijación montados en un sistema de transporte. Las máquinas de brochado continuo son similares a las de brochado superficial, pero adaptadas para el brochado interno. ^{[ 19 ]}

Las máquinas horizontales solían ser mucho más comunes que las verticales; sin embargo, hoy representan solo el 10 % de todas las máquinas de brochado adquiridas. Las máquinas verticales son más populares porque ocupan menos espacio. ^{[ 9 ]}

El brochado suele ser imposible sin las máquinas específicas para brochado o ranurado de chaveteros, a menos que se disponga de un sistema que pueda utilizarse junto con un centro de mecanizado moderno o un torno de herramientas motorizado; estos equipos adicionales abren la posibilidad de producir ranuras para chaveteros, estrías y Torx mediante mecanizado en una sola pasada. ^{[ 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 rotativa o brocha oscilante . Una de las mayores ventajas de este tipo de brochado es que no requiere una máquina de brochado, sino que se utiliza en tornos, fresadoras, ^{[ 21 ]} máquinas de tornillos o tornos suizos . ^{[ 22 ]}

El brochado rotatorio requiere dos componentes de herramienta: un portaherramientas y una brocha. El filo 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. Este portaherramientas es especial porque sujeta la herramienta de manera que su eje de rotación esté ligeramente inclinado con respecto al eje de rotación de la pieza de trabajo. Un valor típico para esta desalineación es de 1°. Este ángulo es el que produce un filo giratorio para que la brocha corte la pieza. Se puede girar tanto la pieza de trabajo como el portaherramientas. Si se gira el portaherramientas, la desalineación hace que la brocha parezca "oscilar", de ahí el término " brocha oscilante " . ^{[ 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 agrandar la cavidad. Esta inclinación evita que la brocha se atasque; 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 ]}

Idealmente, la herramienta avanza a la misma velocidad a la que corta. La velocidad de corte ideal se define como: ^{[ 23 ]}

Velocidad de corte [pulgadas por rotación (IPR)] = (diámetro de la herramienta [pulgadas]) × sen(ángulo de desalineación [grados])

Si avanza mucho más rápido, la herramienta se atasca; por el contrario, si avanza mucho más lento, se produce un corte discontinuo o en zigzag. En la práctica, la velocidad de corte es ligeramente inferior a la ideal para que la carga se libere en el filo no cortante de la herramienta.

Durante el corte, la herramienta describe una trayectoria en espiral, por lo que la forma en la parte inferior de la pieza puede girar con respecto a la forma en la parte superior del orificio o perfil. Esta trayectoria en espiral puede ser indeseable, ya que atasca el cuerpo de la herramienta e impide un corte preciso. Una solución consiste en invertir la rotación a mitad del corte, lo que provoca que la herramienta describa la trayectoria en espiral en sentido contrario. Si invertir la rotación de la máquina no es práctico, interrumpir el corte es otra posible solución.

En general, una brocha rotativa no corta con la misma precisión que una brocha de empuje o tracción. Sin embargo, la posibilidad de usar este tipo de herramienta de corte en máquinas herramienta comunes resulta muy ventajosa. Además, las brochas de empuje o tracción no se pueden usar en agujeros ciegos, mientras que una brocha rotativa sí, siempre que haya suficiente espacio para las virutas en el fondo del agujero.

• Escariador

• Vídeo sobre cómo usar una brocha rotativa
• Demostración con prensa manual
• Cómo funcionan las máquinas de brochado