Comprendere i diversi tipi di processi di allevamento nel settore manifatturiero

La brasatura è un processo di lavorazione di precisione che rimuove il materiale utilizzando uno strumento multi-tooth chiamato broach. Ogni dente è progressivamente superiore a quello precedente, in modo che la brocca si muove lineare o rotativamente rispetto al pezzo, richiede una serie di tagli poco profondi. Il risultato è una superficie finita in un unico passaggio, con precisione eccezionale e ripetibilità.

Comprendere i diversi processi di broaching, le loro capacità e limitazioni è essenziale per selezionare il metodo giusto per una determinata parte. Questo articolo esplora i tipi primari di broaching, considerazioni di tooling, configurazioni di macchine, applicazioni e best practice.

Che cosa è Broaching?

La broccatura è un processo di produzione subtraente che può produrre sia caratteristiche interne (per esempio, fori, tastiere, borre di spline) che caratteristiche esterne (per esempio, forme di esagonali, appartamenti, scanalature). Lo strumento di brocca è progettato con una serie di denti di taglio, ciascuno leggermente più grande rispetto a quello precedente.

Il processo è classificato dalla direzione del movimento degli utensili rispetto al pezzo (lineare vs. rotativo) e dalla posizione del taglio (internal vs. esterno).

Broaching lineare

La broccatura lineare, spesso chiamata “convenzionale” o “straight-line”, comporta lo spostamento dello strumento di brocca in una linea retta lungo il suo asse. Il pezzo rimane fermo mentre la brocca viene spinta o trascinata attraverso (o dall’altra parte) esso. La lineare broaching è il tipo più comune ed è utilizzata per una vasta gamma di profili interni ed esterni.

Broaching lineare interno

Nel broccare lineare interno, la brocca viene passata attraverso un foro pre-drilled o pre-cast. Poiché lo strumento viaggia attraverso il pezzo, i denti ingrandiscono il foro e creano il profilo desiderato.

  • Keyways[] – slot per le chiavi che collegano alberi a mozzi.
  • Splines[] – denti a ingranaggi interni per la trasmissione della coppia.
  • Picchetti di esago o di squamo[] – tipicamente per la presa degli utensili o per i dispositivi di fissaggio.
  • Serrazioni[] – modelli di denti fini per il bloccaggio o l'allineamento.

Lo strumento di brocca per il lavoro interno è lungo e snello, con denti che gradualmente aumentano di larghezza e altezza. La brocca è guidata dal pezzo stesso, quindi il foro iniziale deve essere posizionato con precisione. La broccatura interna può raggiungere tolleranze di ± 0,01 mm (0.0004 pollici) e la superficie Ra termina a 0,4 μm.

Broaching lineare esterno

Il broaching esterno lineare modella la superficie esterna di un pezzo. Lo strumento di broach è tipicamente una barra piana o sagomata che si muove attraverso la parte, rimuovendo il materiale dall'esterno. Esempi includono il taglio di appartamenti su alberi, la creazione di fessure di coda di rondine, o formando profili complessi sulla periferia di una parte.

Poiché il pezzo deve essere tenuto saldamente, le macchine di broaching esterne spesso incorporano i dispositivi di bloccaggio che indicizzano la parte nel percorso degli strumenti. Il processo può essere applicato sia a parti piccole che grandi, anche se i costi di utensili sono generalmente più alti per forme esterne complesse.

Spingere Broaching vs. Tirare Broaching

La formazione lineare può essere ulteriormente suddivisa per la direzione dell'applicazione della forza:

  • Pull Broaching[[] – La brocca viene tirata attraverso il pezzo. La brocca è sotto tensione, che aiuta a mantenere la rettilineità e riduce la cottatura.
  • Push Broaching[[] – La brocca viene spinta attraverso il pezzo. Questo metodo è limitato dalla forza della colonna e viene utilizzato in genere per strumenti più brevi e sezioni incrociate più piccole.

In pratica, la maggior parte dei broaching di produzione è tirare broaching, in quanto consente una maggiore durata degli utensili e una migliore evacuazione del chip.

Rotturazione

La broccatura rotativa, talvolta chiamata “spin broaching” o “nibbling”, crea forme esterne o interne su un pezzo rotante. Lo strumento di broach ruota in modo lieve (tipicamente 1°-3) rispetto all’asse del pezzo, causando ogni dente a progressivamente aggrovigliarsi.

Rottura esterna del Rotary

La broccatura rotativa esterna viene utilizzata per produrre forme poligonali sulle estremità delle parti cilindriche, come esagoni, quadrati e altre geometrie definite dall'utente. Il pezzo viene tenuto in un mandrino o in un colletto, e lo strumento rotante di brocca viene alimentato alla fine della parte. Poiché lo strumento è leggermente inclinato, solo un dente contatta il pezzo alla volta, riducendo le forze di taglio e permettendo la seconda forma.

Applicazioni tipiche:

  • Teste esagonali su bulloni, viti e borchie
  • Fini quadrati su alberi per chiavi o prese
  • Forma di trasmissione proprietaria Torx o altro
  • Sbuglie interne all'interno di un foro (cottura rotativa interna)

Rotativo interno

La broccatura interna rotativa crea profili o fessure poligonali interni precisi. Lo strumento è posto in un foro pre-drilled, e come ruota e avanza, i denti tagliano la forma desiderata. Questo metodo è particolarmente efficace per la produzione di esagonali interni, quadrati o spline in borre piccole-medi.

Vantaggi del Rotary Broaching

  • Tempi di ciclo molto veloci (spesso meno di 5 secondi per parte)
  • Non è richiesta alcuna macchina per la cottura – utilizza torni standard o mulini
  • Costo di utensili basso rispetto alla broccatura lineare per la produzione di piccole dimensioni
  • Produce superfici senza burr quando correttamente configurato

Progettazione e materiali degli utensili di Broach

Ogni geometria del dente, incluso l'angolo rake, l'angolo di sdoganamento, la larghezza del terreno e il campo dei denti, è progettata per gestire la formazione del chip, la dissipazione del calore e l'usura degli utensili. Le spille sono tipicamente realizzate in acciaio ad alta velocità (HSS), carburo, o leghe cobalte, con rivestimenti come TiN, TiCN o AlTiN per una lunga durata degli utensili.

I parametri chiave di progettazione includono:

  • Rise per dente[[] – la quantità di materiale rimosso da ogni dente. Tipico aumenta spazia da 0,02 mm a 0,12 mm per l'acciaio, a seconda dei requisiti di materiale e finitura.
  • La tooth pitch[ – la spaziatura tra i denti. Un'altezza irregolare aiuta a prevenire vibrazioni armoniche e chiacchiere.
  • Galletta del chip[[] – lo spazio tra i denti per tenere chip.
  • Le sezioni guida e pilota[[] – assicurano che il broach entri dritto nel pezzo e mantieni l'allineamento.

Il design moderno della brocca usa spesso il design computer-aided (CAD) e la simulazione per ottimizzare la geometria dei denti, prevedere le forze e ridurre il processo-e-error.

Macchine per la pesca

Le macchine di allevamento sono classificate con il loro orientamento (orizzontale vs verticale) e il metodo di azionamento degli utensili (idraulico, meccanico o elettromeccanico).

Macchine per la movimentazione orizzontale

Le macchine orizzontali sono comunemente utilizzate per i pezzi lunghi o quando la lunghezza della brocca supera 1 metro. Il pezzo è fisso e la brocca viene tirata orizzontalmente attraverso di essa. Le macchine orizzontali possono gestire grandi parti e sono spesso utilizzate per le chiavi interne e le spline in alberi lunghi.

Macchine per la movimentazione verticale

Le macchine verticali occupano meno spazio di lavoro e sono più facili da caricare e scaricare. Possono essere configurazioni pull-up o pull-down. Le macchine verticali pull-down sono popolari per fori interni di medie dimensioni, mentre le macchine pull-up verticali sono utilizzate per grandi pezzi. Le macchine verticali per la pavimentazione (ad esempio, presse per la spillatura) sono comuni anche per profili esterni.

Macchine specializzate

Per la produzione di alta gamma, le macchine per la cottura a trasbordo e le macchine per la cottura a catena continua spostano i pezzi attraverso più stazioni di avvitamento, che possono elaborare centinaia di parti all'ora e sono comuni nell'industria automobilistica per i componenti del motore.

Vantaggi e limitazioni di Broaching

Vantaggi

  • Alta precisione e ripetibilità:[] La Broaching contiene costantemente tolleranze di ±0,01 mm.
  • Ottimo finitura superficiale: I valori ra di 0,4–1.6 μm sono standard.
  • Alta produttività:[] Un passaggio per parte; i tempi di ciclo sono misurati in secondi.
  • Forme complesse in un'unica operazione:[] Elimina molteplici fasi di fresatura o di modellazione.
  • Applicabile sia a caratteristiche interne che esterne[[] su una vasta gamma di materiali (acciaio, ghisa, alluminio, ottone, plastica).
  • Lunga durata degli utensili[[] quando correttamente mantenuto e lubrificata.

Limitazioni

  • L'alto costo di utensili iniziale:[ Gli strumenti di Broach sono costosi da produrre e possono costare migliaia di dollari ciascuno.
  • Tempo di configurazione lungo strumento:[] Modificare uno strumento di broach può richiedere 30 minuti o più.
  • Non economico per bassi volumi:[ Il costo per parte è alto per piccoli lotti a meno che la forma non sia semplice.
  • Lunghezza di taglio:[ La lunghezza della corda è limitata per ictus della macchina e la rigidità degli utensili.
  • Difficoltà di taglio fori ciechi o caratteristiche interne passo-passo]
  • L'evacuazione del chip può essere problematica[[] se il design del gullet non è ottimizzato.

Applicazioni in settori diversi

Automobilismo

La brasatura è fortemente utilizzata nella produzione automobilistica per i blocchi motore, le barre di collegamento, i componenti di trasmissione e i componenti di sterzo. Le chiavi per ingranaggi, le linee interne per gli alberi di azionamento e le forme di esagonali esterne su chiusure sono tutte prodotte tramite broaching. Ad esempio, le linee interne su un albero di trasmissione automatica sono tipicamente broccate in un unico passaggio.

Aerospaziale

In aerospaziale, la broccatura produce slot a disco a turbina (profili a coda di abete o colomba) che si accoppiano con pale a turbina. Le tolleranze strette e i requisiti di finitura superficiale rendono la spillatura del metodo preferito.

Olio e gas

La broccatura del rotante è comune per la produzione di azionamenti interni di esagonali in valvole, connettori e utensili per il downhole. La necessità di materiali resistenti alla corrosione come acciaio inossidabile o Inconel richiede un'attenta selezione di rivestimenti degli utensili e configurazioni rigide della macchina.

Dispositivi medici

Gli impianti, gli strumenti chirurgici e gli strumenti dentali richiedono spesso prese precise di esago o quadrate.

Energia e generazione di energia

Generatori, turbine eoliche e alberi di grande diametro utilizzano la broccatura per la produzione di chiavi e spline. Le grandi macchine di spillatura verticali possono gestire parti di peso di diverse tonnellate.

Confronto con processi di lavorazione alternativi

Mentre il broaching è efficiente per la produzione ad alto volume, altri processi possono essere più adatti per determinati scenari:

  • Bruaching vs. Shaping/Planning:[ La modellazione è più lenta e richiede più passaggi; il broaching completa la forma in un unico passaggio.
  • Broaching vs. Wire EDM:[[] Wire EDM può tagliare materiali temprati e profili interni complessi ma è molto più lento e più costoso per parte.
  • Broaching vs. Milling:[[] La fresatura è flessibile per le parti a volume ridotto ma non può raggiungere la stessa finitura superficiale o consistenza dimensionale per le caratteristiche interne lunghe.
  • Broaching vs. Broaching (rotary vs. lineare):[] Il broaching del Rotary è il migliore per piccole forme esterne e brevi run; la brocciatura lineare è migliore per lunghi profili interni e per la produzione ad alto volume.

Considerazioni di qualità e risoluzione dei problemi

Finiture di superficie

La scarsa finitura superficiale può derivare da denti spenti, angoli rastrellati errati, o lubrificazione insufficiente.

Rottura degli utensili

La rottura degli utensili è più spesso causata da sovraccarico (aumento eccessivo per dente), imballaggio del chip o disallineamento.

Accuratezza dimensionale

La deriva dimensionale su parti successive può essere causata da espansione termica dell'utensile o del pezzo, o da usura dei denti di finitura.

Evacuazione del chip

La brocciatura interna dipende dall'efficace rimozione del chip attraverso le gullets. Se i chip clog, possono causare il punteggio o la rottura degli strumenti.

Tendenze moderne nel Broaching

L'industria 4.0 sta influenzando il covaggio attraverso il monitoraggio della macchina, il controllo adattativo e la manutenzione predittiva. Le unità servoelettriche stanno sostituendo sistemi idraulici per una migliore efficienza energetica e precisione posizionale. I rivestimenti come il carbonio di diamante (DLC) stanno allungando la vita degli utensili per i materiali abrasivi. Inoltre, la produzione additiva è in fase di elaborazione di strumenti di brocca con complessi canali di raffreddamento interni, riducendo i danni termici.

Conclusioni

La lavorazione rimane un processo di lavorazione indispensabile per la produzione di forme interne ed esterne ad alta precisione, ad alto volume. Comprendendo le differenze tra la broccatura lineare e quella rotativa, oltre ai compromessi tra metodi di spinta e di estrazione, consente ai produttori di selezionare il processo più efficiente per le loro parti. Con continui progressi nei materiali degli utensili, nei rivestimenti e nell'automazione delle macchine, la broccatura rimarrà una pietra angolare della moderna produzione.

Per ulteriori informazioni, consultare l'articolo Wikipedia sulla broaching, la ]SME guida alla tecnologia di broaching[[, e il Modern Machine Shop base di broaching].