Introducción 13

La geometría de una broca viene determinada principalmente por su punta. En la Figura 1 se representan esquemáticamente tres vistas de la punta de una broca de uso general. En la Figura 1(a) se ha indicado el diámetro D de la broca, la posición de los filos principales y del filo transversal, así como la anchura del filo transversal 2W y su ángulo de posición ψ. En la vista correspondiente a la Figura 1(b) se muestra el ángulo de punta de la broca 2kt y la superficie comúnmente denominada flanco de la broca. Finalmente, en la Figura 1(c), que corresponde a una vista lateral de la broca, se indican tanto el ángulo de incidencia

Figura 1. Elementos principales de una broca.

En comparación con otras operaciones de mecanizado como el torneado, la geometría de la broca en el caso de taladrado es más complicada debido a que dicha geometría varía a lo largo del filo de corte [35]. Además, son muchos los tipos de punta disponibles en el mercado, lo cual dificulta aún más la tarea de desarrollar un modelo de geometría válido para todos los casos. A continuación, se presenta un resumen de los principales modelos de geometría de broca que se encuentran en la bibliografía y empleados en la modelización del proceso de taladrado. En general, la geometría de una broca está definida por su diámetro D, la anchura del filo transversal 2W, el ángulo de punta kt y el ángulo de posición del filo transversal ψ. El valor de estos parámetros geométricos depende a su vez de: 1) el tipo de rectificado llevado a cabo para la generación de la punta de la broca y el afilado de los filos y 2) de los valores de los parámetros empleados en dicha operación de rectificado, como son, el ángulo del cono de rectificado, la inclinación del cono de rectificado con respecto al eje de la broca, etc.

En [36] Fujii, De Vries y Wu estudian la geometría de una broca de filos rectos analizando, en primer lugar, la forma de los filos de corte y el flanco de la broca con respecto a un plano perpendicular al eje de la herramienta, denominado

plano de corte ortogonal (Figura 2 (a)). Posteriormente, para analizar también la

geometría de la cara de desprendimiento y los ángulos de incidencia, estudian la geometría de la herramienta según planos de corte oblicuos con respecto al eje de la misma (Figura 2 (b)). Los autores desarrollan expresiones que relacionan la forma de la superficie de flanco de la broca con los parámetros de la operación de rectificado empleados para fabricarla, como el semi-ángulo del cono de rectificado y la posición relativa entre el cono de rectificado y la broca. Además, obtienen expresiones para el cálculo de los ángulos de desprendimiento y de

δ

Cl

Figura 2. Planos de corte (a) ortogonal y (b) oblicuo [36].

En 1973, Armarego y Rotenberg [37] resaltan la importancia de la operación de rectificado de la punta de la broca. Como bien indican estos autores en su trabajo, es la operación del rectificado de punta la que define la geometría final de la punta de las brocas. Su trabajo se centra en el análisis de la geometría generada como resultado de un rectificado cónico de la punta de la broca. En la Figura 3 extraída del trabajo de Armarego y Rotenberg [37] se muestra un esquema de una operación de rectificado de una broca en el que se representa la disposición de la muela de rectificado (grinding wheel), del cono de rectificado (grinding cone) y de la broca (drill). En [37] se proponen una serie de ecuaciones para la definición de la forma de la punta de la broca en función de diferentes parámetros del cono de rectificado. En base a dichas relaciones, los autores calculan los valores que deben tomar los parámetros del cono de rectificado y las condiciones que debe cumplir esa operación para obtener una determinada geometría de broca.

En 1980, Armarego et al. [38] analizan la aplicabilidad de tres métodos de rectificado de broca: método de rectificado plano, cilíndrico y cónico para la obtención de parámetros geométricos de brocas enterizas helicoidales de uso común. En la Figura 4, que pertenece al trabajo presentado en [38], se representan esquemáticamente los proceso de rectificado plano (Figura 4 (a)) y cónico (Figura 4 (b)).

Plano de corte

ortogonal Plano de corte oblicuo

Figura 3. Ilustración del rectificado de una broca [37].

En el estudio de aplicabilidad que se realiza en [38], se proponen unos criterios de fabricación que dichos métodos deberán cumplir:

- La región de rectificado de la punta de la broca deberá ser simétrica con respecto al eje de la misma.

- La superficie de flanco limitada por el filo principal, el filo transversal, el talón de la punta y la zona del filo debe ser una superficie continua. - Cada filo debe formar una línea recta entre el extremo del filo

transversal y el extremo exterior.

- Los extremos del filo transversal deben unir los filos principales. - La inclinación de todos los puntos de la región anular limitada por R

(radio de la broca) y rc (radio del extremo del filo transversal) debe ser suficiente para prevenir la interferencia con la superficie transitoria durante el taladrado.

- La magnitud de los parámetros geométricos a obtener deberá estar entre los siguientes rangos de valores:

o ángulo de punta 2·kt =118º

o ángulo de posición del filo transversal ψ=120º-135º

o ángulo de incidencia en el extremo exterior del filo principal

Cl0=8º-16º Muela de rectificado Cono de rectificado Vista M

o ángulo de hélice en el extremo exterior del filo principal

δ0=20º-32º

- El método de rectificado debe permitir la variación del ángulo de punta 2·kt, del ángulo del filo transversal ψ y del ángulo de incidencia en el extremo exterior del filo principal Cl0 de forma independiente para un determinado valor de anchura del filo transversal 2·W, diámetro de herramienta D y ángulo de hélice en el extremo δ0.

Mediante el análisis de los valores de parámetros geométricos que se obtienen con cada uno de los tres métodos de rectificado considerados, los autores concluyen que el método de rectificado cónico es el único que cumple con los criterios de aplicabilidad impuestos.

Figura 4. Geometría relevante en el método de rectificado (a) plano y (b) cónico [38].

En su trabajo [18], Fujii et al. analizan la influencia del filo transversal en la aparición y propagación de las vibraciones de whirling. Para ello, analizan los desplazamientos de la broca durante el taladrado para diferentes geometrías de punta de la herramienta. Concretamente analizan los casos de tres brocas de filos rectos con diferentes anchuras de filo transversal: W1=1 mm, W2=1.45 mm y

W3=2 mm. Los autores concluyen que el filo transversal actúa como un

amortiguador del proceso. En la segunda parte del trabajo [19], los autores mencionados anteriormente analizan también la aparición del whirling en taladrado, pero en este caso estudian la influencia de diferentes parámetros geométricos (ángulo de punta, ángulo de incidencia y ángulo de hélice) además de la anchura del filo transversal. En este segundo trabajo se emplean brocas con ángulos de punta entre 110º y 140º, ángulos de incidencia entre 7º y 17º y brocas con ángulos de hélice que van desde los 20º hasta los 40º. Los autores concluyen que parte de la superficie de flanco de la herramienta colisiona con la herramienta, lo cual provoca un amortiguamiento de la vibración. Además, señalan que esta tendencia puede expresarse mediante un índice de colisión que representa la geometría del flanco. Finalmente, los autores indican que la aparición de las vibraciones de whirling se puede predecir en base a la longitud del filo transversal y el mencionado índice de colisión del flanco.

Watson, en [39], tiene en cuenta la variación de la geometría de la herramienta a lo largo del filo principal. Para ello, presentan una discretización del filo de corte de la broca, que se divide en elementos del mismo tamaño. Para cada elemento se calculan los ángulos de corte y las condiciones de corte correspondientes al punto medio del elemento. Los autores predicen las fuerzas generadas en base a un modelo de corte oblicuo y comparan las predicciones con los valores reales de fuerza medidos durante ensayos experimentales. Además, se analiza la influencia del avance, de la velocidad de giro, del radio del agujero previo, del ángulo de la punta y del ángulo de incidencia en los valores de fuerza y par de taladrado.

En relación con el cálculo de los ángulos de corte, en [40] y [41], Tsai y Wu desarrollan un modelo matemático para obtener las expresiones del ángulo de incidencia de la broca en función del método de rectificado empleado para generar la superficie de incidencia de la herramienta. En [40] se analiza la evolución del ángulo de incidencia a lo largo del filo principal. En [41] se consideran tres tipos de geometrías de punta de broca en función del método de rectificado: cónico, hiperboloide o elipsoide. Para el caso de método de rectificado cónico, en dicho trabajo, los autores analizan la influencia de parámetros del proceso de rectificado (ángulo del cono de rectificado, la inclinación de dicho cono con respecto al eje de la broca, etc.) en la geometría final de la punta de la broca.

A continuación, en los Apartados 3.2 y 3.3 se presentan los desarrollos correspondientes a la geometría de broca y los ángulos de corte considerados en esta tesis.