brochado

Tecnología Mecánica - Brochado

Brochado

El brochado es un procedimiento de corte mediante el cual el arranque de viruta se efectúa con traslación rectilínea (a veces acompañado simultáneamente por una rotación, caso de elaboración de estrías helicoidales internas) y la elaboración completa se efectúa en una sola pasada, salvo aquellos casos de fuerte profundidad de corte en donde se hace necesario realizar varias pasadas. Para ello se divide, la «brocha» en longitudes adecuadas, dependiendo de la máquina disponible (su recorrido y fuerza de tracción) y también de la posibilidad de construcción (mecanización y tratamiento térmico).

La herramienta, llamada brocha, posee toda la «información» necesaria y requerida para la conformación de la pieza, la que acabará con la precisión y tolerancia establecida en ella en tiempos muy breves, siendo este el motivo de una siempre mayor utilización en la industria seriada (principalmente la industria del automóvil y de herramientas de mano).

Una serie de dientes debidamente escalonados y calculados (ver la siguiente figura) se encargan del arranque de viruta.

PROCEDIMIENTO DE BROCHADO

Las formas a obtener son muy variadas y sin límites, tanto para interiores, figura A, como exteriores figura B.

EJEMPLOS DE TRABAJO REALIZABLES MEDIANTE EL BROCHADO INTERIOR (A) Y EXTERIOR (B). NÓTESE LA GRAN VARIEDAD DE

FORMAS OBTENIBLES.

Además de operaciones de brochado recto longitudinal, también pueden realizarse brochados helicoidales, con gran ventaja sobre otros

1 UNLZ – Facultad de Ingeniería


procedimientos de elaboración, normalmente por tallado en máquinas tipo Fellows, cuyo costo operativo es varias veces superior.

Generalmente las brochas trabajan a tracción y muy raramente a

compresión, debido a su reducida dimensión diametral respecto al largo, sin embargo también existen brochas de compresión utilizables en prensas para el acabado exterior.

Las brochadoras de interiores, (figura siguiente) son generalmente horizontales a mando por cilindro hidráulico, mientras los exteriores son verticales (ver figura de Brochadora vertical) a mando hidráulico o mecánico por doble tornillo. Sin embargo tiende a generalizarse el uso de las verticales (hidráulica).



BROCHADORA HORIZONTAL HIDRÁULICA PARA INTERIORES, CON SOPORTE GUÍA DEL EXTREMO LIBRE DE LA BROCHA.

BROCHADORA VERTICAL PARA BROCHADOS EXTERIORES E INTERIORES, A- BASE; B - MONTANTE ; C- BROCHA PARA

EXTERIOR.

La brocha viene tomada con guía de horquilla por la parte de ataque y

traccionada (ver figura siguiente) mientras la pieza es apoyada sobre el bastidor de la máquina que la sostiene y centra.



DISPOSICIÓN DE LA PIEZA Y BROCHA AL INICIARSE LA OPERACIÓN DE BROCHADO INTERIOR

Muy importante es el diseño de una brocha para su operación precisa y económica, para ello los elementos fundamentales sobre los que se basa el cálculo son los siguientes:

A- Perfil a obtener

B- Longitud a brochar;

C- Material a trabajar (carga de rotura);

D- Características de la máquina brochadora (potencia y carrera máxima)

Conociendo estos datos debe procederse en forma sucesiva al cálculo de:

→ cantidad n de dientes en trabajo

→ incremento radial Δ en mm entre dos dientes sucesivos,

→ determinación del paso p en mm

→ cálculo de la profundidad de garganta h en mm

→ determinación de los ángulos de incidencia α y de ataque γ en grados y diseño de los dientes.

→ cálculo de la cantidad de dientes activos ntd

→ determinar los largos L1, L2, L3 y L4

→ cálculo de fuerza de corte Fc en kg

→ verificación de la brocha

→ cálculo de la potencia de corte N en CV.

Dada la complejidad de las relaciones entre estos diversos factores, no es posible desarrollar un método rigurosamente analítico para el cálculo de las brochas, se presenta un método teórico -práctico que ha dado excelentes resultados en la construcción de brochas. Procederemos analizando cada uno de los puntos anteriores.

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1- Cantidad de dientes en contacto n El número de dientes en contacto (n) se toma en un primer momento

de acuerdo a la siguiente tabla en función del largo a brochar:

Tabla de Cantidad de Dientes (n) en contacto para el brochado Largo a

Brochar L min 0 9 18 32 50 75 105 145 190mm max 9 18 32 50 75 105 145 190 250

1 1/2 2 1/2 3 1/2 4 1/2 5 1/2 6 1/2 7 1/2 8 1/2 9 1/2n = I/p

Una vez determinada la profundidad de la garganta (h) o altura del

diente, y controlada la resistencia del núcleo se podrá variar n (siempre eligiendo entre los valores tabulados) procediendo por pruebas con el objeto de satisfacer las opuestas exigencias de la capacidad de la garganta y de la resistencia del núcleo.

Siempre debe tenerse especial cuidado que la cantidad de dientes sea fraccionaria en medio diente para evitar las vibraciones que provocarían la entrada y salida de contacto de los dientes simultáneamente.

2- Incrementos radiales entre dos dientes Δ en mm. El incremento Δ es el factor más importante que debe tenerse en

cuanta en la construcción de una brocha, pues de él depende el costo de la misma y también su resistencia. Un incremento muy pequeño da como consecuencia pequeñas fuerzas de corte, mayor vida de la herramienta mayor tiempo entre reafiladas y pequeñas tensiones en el núcleo, pero como contrapartida aumenta el costo de la brocha debido a la mayor longitud que toma la misma o a la necesidad de construir dos o más herramientas y requerir dos o más pasadas sucesivas para mecanizar una pieza.

Los factores que influyen en la elección de tal valor son muchos. Se ha establecido que el incremento es directamente proporcional a la sección resistente del núcleo de la brocha y de la potencia de la máquina brochadora, mientras que es inversamente proporcional al desarrollo del filo cortante a la longitud a brochar y a la dureza del material a trabajar.

La tabla siguiente nos ofrece los valores de los incrementos radiales máximos (Δ) según el tipo de material a elaborar y el tipo de brocha.



Tabla de Incrementos radiales máximos (Δ) para el brochado, en mm.

Redonda Estriada Acanalada

Plan para chaveta

Acero con σ R = 110 kg/mm2 0.032 0.040 0.050Acero con σ R = 80 kg/mm2 0.040 0.050 0.063Acero con σ R = 55 kg/mm2 0.050 0.063 0.080Acero extra dulceFundición duraFundicion dulceBronce duroBronce blandoLatónAluminio y sus aleaciones 0.125 0.160 0.200

Tipo de brochaMaterial a trabajar

0.100

0.100 0.125

0.125 0.160

0.063

0.080

0.100

0.080

El nomograma de la figura siguiente tiene idéntico propósito que la

anterior tabla, para brochas cilíndricas o estriadas, en donde el incremento diametral (2Δ) es función de la resistencia a la rotura del material a brochar y del diámetro de la brocha, y al mismo tiempo queda verificada la resistencia de la misma.

Nomograma para el cálculo del incremento diametral máximo en función del diámetro de la brocha y de la resistencia a la rotura del material

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

0,025

0,030

0,035

0,040

0,045

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

0,120

0,140

0,150

0,180

0,20020

40

60

80

110

Diám. de la brocha(mm)

Valor del incremento diám.(mm)

Carga de rotura mater.(kg/mm )2



3- Determinación del paso, p en mm Otro factor importante es el paso (p) entre dientes sucesivos que podría

deducirse de la tabla de la página 5 o calcularlo con las fórmulas:

( )135,1chavetas de Brochado

75,1 ranurado ocilíndricoBrochado⎪⎭

⎪⎬⎫

=

=

Lp

Lp

Este valor se redondea luego para que no sea un submúltiplo exacto del

largo a brochar L, para evitar vibraciones a la entrada y salida, como así también imperfecciones superficiales.

4- Determinación de la profundidad de garganta h en mm La profundidad de la garganta debe ser tal que contenga totalmente y

con holgura la viruta cortada en su recorrido y está íntimamente relacionada con el paso, largo a brochar e incremento radial (Δ). Rossi recomienda:

Para acero duro h= 0,36 · p

Para acero Dulce y fundición dura h = 0,40 · p

Para fundición blanda, bronce y latón h = 0,45 · p

Para aluminio y sus aleaciones h = 0,50 · p

El Bianco recomienda utilizar la siguiente fórmula:

( )3LKh h Δ= En la que en el coeficiente de forma (Kh) viene dado por la tabla

siguiente:

Tabla de Valores del coeficiente de forma Kh para emplear en la fórmula (3)

Redonda Estriada Acanalada

Plan para chaveta

Acero, bronce, aluminio 6.0 4.5 3.5

Fundicion y otros materialesagrios

Tipo de brochaMaterial a elaborar

4.5 3.5 2.8

5- Ángulos característicos y diseño de los dientes Para completar la geometría del diente, (ver la siguiente figura)

debemos establecer los ángulos de ataque (γ) y de incidencia (α) o destalonado, los cuales vienen dados por la tabla que sigue. Es siempre conveniente dejar una pequeña primera parte cilíndrica de 0,3 a 0,5 mm la que soportará las sucesivas reafiladas sin que la brocha pierda la forma.



Tabla de Valores de los ángulos de ataque (γ) y de incidencia (α) para diferentes materiales

Bronce o fundición 3º a 6º 1º a 2º

Acero duro 8º a 10º 2º a 3º

Acero blando 10º a 15º 3º a 4º

Aluminio y aleaciones livianas 15º a 20º 3º a 6º

Material a elaborarAngulo de ataque α (grados)

Angulo de incidencia o destalonado

α (grados)

CORTE LONGITUDINAL DE UNA BROCHA CON LOS DISTINTOS ELEMENTOS

6- Determinación de los largos L1, L2, L3, L4 y Ltot en mm

Para determinar el largo útil de la brocha (L3) (ver la figura siguiente) es necesario conocer el incremento total de diámetro Δφ es decir:

didf −=φΔ Luego el número total de dientes es:

( )422 Δ−

=ΔφΔ

=didfntd

con ello el largo útil será:

L3 = p · ntd (5)

L =4 a 5p4 L = L2

GuíaL1

Ataque

L tot

di

L

Δp

df

L3

Parte Activa

VISTA ESQUEMÁTICA DEL CONJUNTO BROCHA PIEZA




El largo total (Ltot) será la suma de:

L1 - ataque que depende de la máquina brochadora, en mm

L2 = L - Largo de la guía que se toma igual al largo de la pieza a brochar, en mm

L3- largo útil con dientes uniformemente incrementados, en mm.

L4 - (4 a 5) · p - largo de la parte final cilíndrica con dientes calibradores, en mm.

L - longitud de la pieza en elaboración, en mm.

p - paso de la brocha, en mm

Δ - incremento radial (2Δ = incremento diametral) para un diente de la brocha, equivale al espesor de la viruta, en mm

di - diámetro inicial de la brocha o de la pieza a elaborar en mm df - diámetro final de la brocha o del agujero elaborado en mm

Δφ - incremento de diámetro o sobremetal a quitar en la pieza en mm. Para el caso de chaveteros este valor se transforma en la profundidad (a) a quitar, en mm

ntd - número total de dientes en la parte útil de la brocha, parte cónica (L3)

7- Cálculo de la fuerza de corte Fc en kg

La sección unitaria de viruta, (es decir para un solo diente) depende de la geometría a obtener y se calcula considerando la figura siguiente con las fórmulas:

Su = π · d · Δ agujero circular

Su = Z · b · Δ agujero estriado

Para otras formas se procede en forma análoga.

Su - sección unitaria de viruta, es decir para un diente en mm2.

Z- cantidad de acanaladuras o ranuras.

b- ancho en mm de las acanaladuras.


DISTINTA FORMA DE VIRUTA. ELEMENTOS PARA EL CÁLCULO DE LA SECCIÓN UNITARIA

Con estos valores la fuerza de tracción (Fc) para el corte será (en kg):

Fc = n · Su · ΚΖ (7)

n - cantidad de dientes en contacto o corte.

ΚΖ - resistencia específica al corte en brochado. En este valor se tiene en cuenta también los rozamientos entre herramienta y pieza en elaboración, la forma de la viruta, etc. Los valores de ΚΖ vienen dados por la siguiente tabla:

Tabla de valores de la resistencia específica al corte de los diferentes materiales

(kg/mm2 )Material a Brochar Κ Z

Acero, con resistencia de 90 a 115 kg/mm2 500.0

Acero, con resistencia de 70 a 90 kg/mm2 400

Acero, con resistencia de 50 a 70 kg/mm2 315

Acero, con resistencia hasta 50 kg/mm2 250

Acero extra dulce 200

Fundición dura 160

Fundición semi-dura, bronce duro125

Fundición blanda, bronce blando 100

Latón 80

Aluminio duro 63

8- Verificación de la brocha a rotura La resistencia a la rotura de la brocha la determinaremos siguiendo el

método de Elli-Zerboni, dado por el Bianco.

La sección total de corte como ya se ha visto es:

S = n · Su

La sección del núcleo de la brocha será:

4

2n

ndS π

= en brochas

circulares 10



Sn = b · c en brochas planas o rectangulares

debe cumplirse que: ( )7n

n KSS

≥

La relación de las secciones de corte (S) y del núcleo de la brocha (Sn) debe ser tal que evite la rotura de la misma. Para material de la brocha en acero rápido estos valores están tabulados en la siguiente tabla:

Tabla de Valores de la relación Sn/S para la verificación a la rotura de la brocha

MATERIAL EN ELABORACION Relación Kn

Acero con relación a la rotura τR = 110 kg/mm2 31.50Acero con resistencia a la rotura τR = 90 kg/mm2 25.00Acero con resistencia a la rotura τR = 70 kg/mm2 20.00Acero con resistencia a la rotura τR = 50 kg/mm2 16.00Acero extra dulce 12.50Fundición dura 10.00Fundición semi dura y bronce duro 8.00Fundición blanda y bronce blando 6.30Bronce 5.00Aluminio 4.00

Tabla 2-XII- Valores de la relación Sn/S para la verificación a la rotura de la

9- Cálculo de la potencia de corte N en CV Por último nos quedaría determinar la potencia de corte que se hace en

forma similar a las anteriores operaciones de mecanizado:

( )8500.4 η

=VcFcNCV

Vc - velocidad de arrastre en m/min, generalmente entre

Vc = 8 a 12 m/min, brochado exterior

Vc = 2 a 8 m/min, brochado interior

η - rendimiento mecánico o hidráulico de la máquina

η = 0,65 a 0,8

Demás está decir que la potencia absorbida por la máquina (NCV) y sobre todo la fuerza de corte (Fc) deben ser bastante inferiores a lo recomendado por los fabricantes de las máquinas brochadoras en sus catálogos o manuales de instrucciones.

Determinación del tiempo de Brochado

El tiempo de brochado tb, depende principalmente de la suma de longitudes l3 (zona de la brocha que produce el desbaste) y l4 (zona de la brocha que calibra el perfil resultante), y de la velocidad de corte Vc. Es decir:

Vclltb 43 +

=

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