ES2340391T3 - Broca helicoidal. - Google Patents
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Abstract
Una broca helicoidal, que comprende: una punta de corte (12) que incluye una cara de flanco frontal (14), un cuerpo de herramienta (16) sustancialmente cilíndrico que se extiende hacia a atrás desde la punta de corte (12), y un vástago (18); teniendo el cuerpo (16) de la herramienta un eje geométrico de rotación (28) a su través e incluyendo al menos un surco (20) formado en una superficie periférica exterior del mismo y que se extiende hasta la cara (14) del flanco frontal; en la que dicho al menos un surco (20) incluye una primera parte helicoidal (24) que se abre a la cara (14) del flanco frontal, y una segunda parte helicoidal (26) que se extiende desde el extremo trasero de la primera parte helicoidal (24) hacia la parte trasera del cuerpo (16) de la herramienta, en la que la segunda parte helicoidal (26) se retuerce en sentido contrario al de la primera parte helicoidal (24), caracterizada porque la broca helicoidal comprende, además, una tercera parte helicoidal (32) que se extiende desde la trasera de la segunda parte helicoidal (26), en la que la tercera parte helicoidal (32) se retuerce en sentido contrario al de la segunda parte helicoidal (26).
Description
Broca helicoidal.
Este invento se refiere a una broca helicoidal.
Más particularmente, este invento se refiere a una broca helicoidal
que tiene un cuerpo de herramienta que incluye surcos helicoidales
en la superficie periférica exterior del cuerpo de la herramienta
para descargar suavemente las virutas de corte y proporcionar una
rigidez mejorada frente la resistencia al corte.
Una broca helicoidal usual comprende un cuerpo
de herramienta cilíndrico provisto de, al menos, un surco y una
meseta helicoidales, cuyo surco y cuya meseta siguen un ángulo
helicoidal hacia un punto de corte delantero. El extremo trasero del
cuerpo de la herramienta de la broca helicoidal puede asegurarse en
un mandril; por ejemplo, de un útil manual o de una máquina
taladradora. La punta de corte de la broca tiene, en general, forma
cónica, con un filo desde el cual parten un par de filos
diametralmente opuestos definidos por las caras delanteras de las
mesetas ranuradas y los flancos de la punta de la broca que forman
las caras extremas de las mesetas ranuradas. La periferia exterior
de cada meseta ranurada tiene en su borde delantero un saliente
radial que, de manera variable, se denomina meseta, meseta
cilíndrica y margen de soporte. Estos dos márgenes de soporte se
extienden a lo largo de las mesetas ranuradas.
El documento JP 2000-198010
muestra una broca con todas las características del preámbulo de la
reivindicación 1 en combinación, teniendo la broca una punta de
corte y hojas que se extienden separándose desde la punta de corte.
Una hoja de perforación formada como una hoja de mano derecha, se
extiende desde la punta de corte, y una segunda hoja de acabado
formada como una hoja de mano izquierda, se extiende hacia arriba
desde la hoja de perforación.
El diseño del surco de la broca helicoidal es
extremadamente crítico para su comportamiento. El diseño del surco
determina la capacidad de la broca helicoidal para formar, acomodar
y evacuar las virutas producidas durante la operación de corte,
disipando así el calor.
En pocas palabras, de acuerdo con este invento,
se proporciona una broca helicoidal con las características de la
reivindicación 1. La broca helicoidal incluye una punta de corte que
tiene una cara de flanco frontal, un cuerpo de herramienta
sustancialmente cilíndrico que se extiende hacia atrás desde la
punta de corte, y un vástago. El cuerpo de la herramienta incluye un
eje de rotación que pasa por él y, al menos, un surco formado en una
superficie periférica exterior del mismo y que se extiende hasta la
cara de flanco frontal. Dicho al menos un surco incluye una primera
parte helicoidal que desemboca en la cara del flanco frontal y una
segunda parte helicoidal que se extiende desde el extremo trasero de
la primera parte helicoidal hacia la parte trasera del cuerpo de la
herramienta. La segunda parte helicoidal se retuerce en sentido
contrario a la primera parte helicoidal. La broca helicoidal
comprende, además, una tercera parte helicoidal. La tercera parte
helicoidal se retuerce en sentido contrario a la segunda parte
helicoidal.
Otras características del presente invento, así
como las ventajas de ellas derivadas, resultarán evidentes a partir
de la siguiente descripción detallada dada con referencia a los
dibujos, en los que:
la fig. 1 es una vista en perspectiva de una
broca de acuerdo con el presente invento;
la fig. 2 es una vista lateral de la broca de la
fig. 1; y
la fig. 3 es una vista de extremo de la broca de
la fig. 1.
Haciendo referencia a los dibujos, en los que
caracteres de referencia similares representan elementos similares,
en ellos se muestra una broca helicoidal 10 de acuerdo con el
presente invento. La broca helicoidal incluye tres secciones
principales. La primera sección de la broca helicoidal es el punto o
punta de corte 12 que incluye una cara 14 de flanco frontal. La
punta de corte 12 corta una pieza de trabajo para formar un agujero.
Junto a la primera sección de la broca helicoidal 10 está la segunda
sección que comprende el cuerpo 16 de la herramienta. El cuerpo 16
de la herramienta se extiende hacia atrás desde la punta de corte
12. La tercera sección de la broca helicoidal 10 es el vástago 18 o
parte maciza de la broca helicoidal que carece de surcos.
\newpage
Se apreciará que el punto o punta de corte 12 de
la broca helicoidal 10 puede adoptar casi cualquier forma adecuada.
Por ejemplo, aunque el presente invento se muestra en forma de broca
helicoidal 10 con una geometría de la punta de corte formada por una
punta de corte inserta retirable, la broca helicoidal puede estar
formada, también, como una broca helicoidal maciza formada de metal
o carburo cementado y similares, como es bien conocido en la
técnica. En consecuencia, la ilustración del diseño de surco en una
broca helicoidal 10 que tiene una punta de corte retirable no ha de
considerarse como una limitación del invento excepto por lo
revindicado de otro modo.
Con fines ilustrativos del presente invento, la
punta de corte 12 se muestra como una punta de corte intercambiable.
Para una descripción más detallada de una punta de corte
intercambiable se hace referencia a la solicitud de patente núm.
PCT/EP03/01526, titulada "Herramienta de corte giratoria que
comprende una inserción de corte intercambiable" incorporada en
su totalidad a este documento como referencia. Se apreciará que
pueden diseñarse y seleccionarse varias configuraciones de punta de
corte para conseguir velocidades de corte aceptables, dependiendo
del material de la pieza de trabajo y de las condiciones de
perforación, como es bien conocido en la técnica. Por ejemplo, otras
configuraciones de la punta de corte 12 que también pueden
utilizarse en realizaciones ilustrativas del invento, incluyen una
punta dividida, una punta con muescas laminada, una punta de ángulo
único, una punta de doble ángulo, una punta con despeje reducido,
una punta helicoidal, una punta multifacetada, una punta de borde
redondeado y similares. En una realización preferida, la
configuración de la punta de corte 12 es un filo de cincel en forma
de S.
El punto o punta de corte 12 de la broca
helicoidal 10 está unida operativamente al cuerpo 16 de la
herramienta. El cuerpo 16 de la herramienta puede fabricarse de
acero; por ejemplo, acero de alta velocidad o carburo cementado,
como se ha descrito previamente. El cuerpo 16 de la herramienta
incluye al menos, un surco helicoidal 20 y una meseta 22. En una
realización preferida, un par de surcos helicoidales 20 están
formados en la superficie exterior periférica del cuerpo 16 de la
herramienta.
Se apreciará que el diseño del surco 20 de la
broca helicoidal 10 es extremadamente crítico para su
comportamiento. El diseño del surco 20 determina la capacidad de la
broca helicoidal 10 para formar, acomodar y evacuar las virutas
producidas durante la operación de corte, disipando así el
calor.
De acuerdo con el presente invento, el surco 20
de la broca helicoidal 10 comprende una primera parte helicoidal 24
y una segunda parte helicoidal 26. La primera parte helicoidal 24 se
abre a la cara 14 del flanco frontal de la punta de corte 12 y se
retuerce en un ángulo de hélice hacia la segunda parte helicoidal
26. El ángulo de hélice \theta_{A} de la primera parte
helicoidal 24 puede ser hecho variar o puede ser sustancialmente
constante a todo lo largo de la punta de corte 12 hasta el cuerpo 16
de la herramienta y en parte de los surcos del cuerpo de la
herramienta en la sección A.
En el caso de que la broca helicoidal 10 incluya
uno o más agujeros 11 para refrigerante, se apreciará que la
posición rotacional de la punta de corte y la longitud de la primera
parte helicoidal 24 puede ajustarse basándose en la posición de la
salida del agujero para refrigerante que, de preferencia, está
alineado con los filos con el fin de garantizar una entrega óptima
de refrigerante y de lubricante durante la operación de corte.
En una realización preferida, con el fin de
asegurar la fácil formación de virutas y el fácil transporte de
ellas desde la zona de corte, la primera parte helicoidal 24 está
posicionada con un ángulo de hélice \theta_{A} positivo (es
decir, ángulo de despeje) con respecto al eje geométrico central 28
del cuerpo de la herramienta. El ángulo \theta_{A} de la hélice
de la primera parte helicoidal 24 es, aproximadamente, de desde 0
grados a 40 grados y, preferiblemente, es de unos 30 grados. Se
apreciará que la primera parte helicoidal 24 puede estar
posicionada, también, con un ángulo de hélice negativo. Tal como se
utilizan en este documento, las expresiones "ángulo de hélice
positivo" y "ángulo de hélice negativo" se refieren al
sentido de rotación de la hélice con respecto al eje geométrico
central 28 del cuerpo de la herramienta. Un ángulo de hélice
positivo reduce el ángulo de la cuña de corte, mientras que un
ángulo de hélice negativo
lo aumenta.
lo aumenta.
La segunda parte helicoidal 26 se retuerce en
sentido contrario al de la primera parte helicoidal 24. La segunda
parte helicoidal 26 se extiende desde la trasera de la primera parte
helicoidal 24, como se indica mediante el símbolo "B", hacia el
punto indicado con el símbolo "C" en la fig. 2.
El ángulo \theta_{B} de la hélice de la
segunda parte helicoidal se retuerce en sentido contrario respecto
al de la primera parte helicoidal, \theta_{A} con el fin de
orientar el área de sección transversal más rígida de la broca
helicoidal 10 en un ángulo en el que el filo de cincel 30 de la
punta de corte ofrezca las propiedades de
auto-centrado más débiles. Este ángulo se parece al
ángulo 30 del filo de cincel de la punta de corte. El ángulo del
filo de cincel de la punta de corte se selecciona para optimizar las
condiciones de corte de la punta de corte. Desafortunadamente,
también es sabido que el ángulo del filo de cincel de la punta de
corte es la dirección más débil, porque el filo de cincel de la
punta de corte actúa como una hoja sobre la cual la punta puede
"deslizar" y causar la desviación del cuerpo de la herramienta
de broca helicoidal durante el corte, cuando se produce el contacto
inicial de la broca helicoidal con la pieza de trabajo. En la
realización preferida, el ángulo con el que el filo de cincel 30 de
la punta de corte en forma de S ofrece las propiedades de
auto-centrado más débiles, es paralelo a la longitud
del filo de cincel.
Se cree que la segunda parte helicoidal 26 que
se retuerce en sentido contrario, aumenta la rigidez del cuerpo 16
de la herramienta de la broca helicoidal a lo largo del filo de
cincel 30, reduciendo por tanto la desviación de la broca y
permitiendo la formación de agujeros más rectos y más precisos.
El ángulo \theta_{B} de hélice de la segunda
parte helicoidal 26 puede hacerse variar o puede mantenerse
sustancialmente constante en toda la distancia desde el punto B
hasta el punto C. La longitud máxima de la segunda parte helicoidal
se fija en el intervalo de hasta aproximadamente 7D (siendo D el
diámetro de corte de la punta). El ángulo \theta_{B} de hélice
de la segunda parte helicoidal 26 puede ir de desde,
aproximadamente, 1 grado hasta, aproximadamente, 30 grados,
preferiblemente de unos 3 grados desde el punto B al punto C. En una
realización preferida, la segunda parte helicoidal 26 se posiciona
con un ángulo de hélice negativo.
La broca helicoidal 10 puede incluir una tercera
parte helicoidal 32. La tercera parte helicoidal 32 se retuerce en
sentido contrario a la segunda parte helicoidal 26. En una
realización preferida, la tercera parte helicoidal 32 está
posicionada en un ángulo de hélice positivo.
La tercera parte helicoidal 32 se extiende desde
la trasera de la segunda parte helicoidal 26 como se indica mediante
el símbolo "C" hasta el vástago 18 de la broca helicoidal 10
indicado mediante el símbolo "D" en la fig. 2. El ángulo
\theta_{C} de hélice de la tercera parte helicoidal 32 puede
hacerse variar o mantenerse sustancialmente constante en toda la
distancia desde el punto C hasta el punto D.
Se ha encontrado que la tercera parte helicoidal
32 requiere menos par, menos empuje y menos potencia que la
requerida por una broca helicoidal que no incorpore la tercera parte
helicoidal. Se cree que la tercera parte helicoidal 32 ofrece una
ventaja en el proceso de evacuación de virutas. Sin limitarse por
teoría alguna, se cree que la tercera parte helicoidal 32 funciona
de manera similar a un tornillo de extrusión y tira de las virutas
para sacarlas del agujero que se está perforando. Se cree, además,
que los efectos de la tercera parte helicoidal 32 serían
particularmente beneficiosos en condiciones de perforación de
agujeros profundos.
El ángulo \theta_{C} de hélice de la tercera
parte helicoidal 32 puede estar comprendido entre 0 y unos 40
grados, aproximadamente, de preferencia puede ser de unos 5 grados,
desde el punto C al punto D a todo lo largo de la misma.
El grosor del alma 34 de la broca helicoidal 10
puede ser el de la mayoría de los diseños adecuados. Por ejemplo, el
grosor del alma 34 puede ser sustancialmente constante a lo largo de
la broca helicoidal 10, estrecharse a lo largo de la broca
helicoidal o puede consistir en una combinación de ambos. En una
realización preferida, la profundidad del surco 20 hacia el extremo
trasero del cuerpo 16 de la herramienta es mayor que la profundidad
del surco hacia el extremo delantero del cuerpo de la herramienta,
de tal modo que puede evitarse de manera efectiva el contacto entre
las virutas o fragmentos y la pared interna del orificio mecanizado
por la broca helicoidal y el surco y se pueda garantizar la descarga
suave de las virutas. En la realización más preferida, el grosor del
alma en la cabeza de corte a lo largo de la primera parte helicoidal
24 es mayor que el grosor del alma a lo largo de la segunda parte
helicoidal 26 y es mayor que el grosor del alma a lo largo de la
tercera parte helicoidal 32.
Se apreciará que aunque la broca helicoidal 10
descrita comprende una primera parte helicoidal 24, una segunda
parte helicoidal 26 y, alternativamente, una tercera parte
helicoidal 32, que también pueden sumarse, a la broca helicoidal,
partes helicoidales adicionales además de las descritas en este
documento. Por ejemplo, a la broca helicoidal se le puede añadir una
cuarta parte helicoidal.
El invento se aclarará adicionalmente merced a
una consideración de los siguientes ejemplos, que están destinados a
ser puramente ilustrativos del invento.
\vskip1.000000\baselineskip
Se probó una broca helicoidal que incluía una
primera parte de hélice de +30 grados, una segunda parte de hélice
inversa de -3 grados y una tercera parte de hélice de +5 grados
(Muestra 1) comparándola con una broca helicoidal que incluía una
primera parte de hélice de +30 grados y una segunda parte de hélice
inversa de -3 grados (Muestra 2).
El diámetro de cada broca era de 16 mm y el
material de la punta de corte era carburo cementado de calidad
KC7315, comercialmente disponible de Kennametal Inc. La
configuración del extremo de corte de cada broca era una punta de
perforación idéntica en forma de S.
Condiciones experimentales:
Número de agujeros taladrados: 6
Velocidad de corte = 80 m/min,
Velocidad de avance = 0,45 mm/rev,
Profundidad del agujero = 80 mm
Material a cortar: acero 4140 (dureza Brinnel
200) utilizando refrigerante interno @ 14,06 kg/cm^{2} (200
psi).
\vskip1.000000\baselineskip
Se empleó un dinamómetro de mecanización Kistler
9272 para medir el par de torsión y las fuerzas de empuje. El
dinamómetro determina las fuerzas cerca del proceso de corte y hace
posible medir el par de torsión en el eje y las fuerzas de empuje
durante la perforación. Los resultados de la prueba se muestran en
la Tabla 1 siguiente.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Como se muestra en la Tabla 1, con las brocas
helicoidales sin la tercera parte helicoidal se observaron lecturas
de mayor par de torsión, mayor empuje y mayor potencia. La tercera
parte helicoidal proporcionó una mejora de, aproximadamente, un 4,5
por ciento en cuanto al par reducido, una mejora de, aproximadamente
un 3,5 por ciento en cuanto al empuje reducido y una mejora de,
aproximadamente, un 2,2 por ciento en cuanto a la potencia media
reducida, en comparación con la broca helicoidal que no incluía la
tercera parte helicoidal, en condiciones de perforación
sustancialmente idénticas.
\vskip1.000000\baselineskip
Se sometieron tres brocas helicoidales al
análisis de elementos finitos (FEA). El diámetro de las brocas
helicoidales era de 8 mm y la longitud del cuerpo de la herramienta
era de 40 mm. La configuración del extremo de corte de cada broca
helicoidal era una punta de perforación en forma de S.
La broca helicoidal de la Muestra 1 incluía una
primera parte de hélice de +30 grados y una segunda parte de hélice
de 0 grados, la broca helicoidal de la Muestra 2 incluía una primera
parte de hélice de +30 grados y una segunda parte de hélice inversa
de -3 grados y una tercera parte de hélice de 0 grados, y la broca
helicoidal de la Muestra 3 incluía una primera parte de hélice de
+30 grados, una segunda parte de hélice inversa de -3 grados y una
tercera parte de hélice de +5 grados.
Se aplicó una fuerza de 50 Newtons en una
dirección alineada con la dimensión longitudinal del filo de cincel.
Se determinó entonces el desplazamiento resultante de la punta de
corte de la broca helicoidal mediante un análisis FEA.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Como se muestra en la Tabla 2, la segunda parte
helicoidal de la broca helicoidal de la Muestra 2 incrementa la
rigidez del cuerpo de la herramienta de la broca helicoidal a lo
largo del filo de cincel en forma de S en, aproximadamente, un 9,2
por ciento en comparación con una broca helicoidal que no incluía
una segunda parte de hélice inversa (Muestra 1). Además, una broca
helicoidal que incluía una segunda parte helicoidal inversa y una
tercera parte (Muestra 3) tenía una rigidez incrementada en,
aproximadamente, un 5,7 por ciento en comparación con una broca
helicoidal no que incluía una segunda o una tercera parte de hélice
inversa (Muestra 1).
Claims (20)
1. Una broca helicoidal, que comprende:
una punta de corte (12) que incluye una cara de
flanco frontal (14), un cuerpo de herramienta (16) sustancialmente
cilíndrico que se extiende hacia a atrás desde la punta de corte
(12), y un vástago (18);
teniendo el cuerpo (16) de la herramienta un eje
geométrico de rotación (28) a su través e incluyendo al menos un
surco (20) formado en una superficie periférica exterior del mismo y
que se extiende hasta la cara (14) del flanco frontal;
en la que dicho al menos un surco (20) incluye
una primera parte helicoidal (24) que se abre a la cara (14) del
flanco frontal, y
una segunda parte helicoidal (26) que se
extiende desde el extremo trasero de la primera parte helicoidal
(24) hacia la parte trasera del cuerpo (16) de la herramienta,
en la que la segunda parte helicoidal (26) se
retuerce en sentido contrario al de la primera parte helicoidal
(24),
caracterizada porque la broca helicoidal
comprende, además,
una tercera parte helicoidal (32) que se
extiende desde la trasera de la segunda parte helicoidal (26), en la
que la tercera parte helicoidal (32) se retuerce en sentido
contrario al de la segunda parte helicoidal (26).
\vskip1.000000\baselineskip
2. La broca helicoidal de la reivindicación 1,
en la que la primera parte helicoidal (24) está posicionada en una
hélice positiva.
3. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que la punta de corte (12) es
una punta de corte intercambiable.
4. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que la punta de corte (12)
incluye un filo de cincel (30) en forma de S.
5. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el cuerpo (16) de la
herramienta está hecho de acero.
6. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en la que el cuerpo (16) de la herramienta
está hecho de carburo cementado.
7. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el cuerpo (16) de la
herramienta incluye un par de surcos helicoidales (20) formados en
una superficie exterior periférica del cuerpo (16) de la
herramienta.
8. La broca helicoidal de la reivindicación 7,
en la que el ángulo de la hélice de la primera parte helicoidal (24)
se mantiene constante desde la punta de corte (12) hasta el cuerpo
(16) de la herramienta y en parte de los surcos (20) del cuerpo (16)
de la herramienta.
9. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, cuya broca helicoidal (10) incluye, al
menos, un orificio para refrigerante.
10. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el ángulo de la hélice de la
primera parte helicoidal (24) es de entre 0 grados y 40 grados,
aproximadamente.
11. La broca helicoidal de la reivindicación 10,
en la que el ángulo de la hélice de la primera parte helicoidal (24)
es de unos 30 grados.
12. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el ángulo de la hélice de la
segunda parte helicoidal (26) es de entre 1 grado y 30 grados,
aproximadamente.
13. La broca helicoidal de la reivindicación 12,
en la que el ángulo de la hélice de la segunda parte helicoidal (26)
es de unos 3 grados.
14. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que la tercera parte helicoidal
(32) se extiende desde la trasera de la segunda parte helicoidal
(26) hasta el vástago (18) de la broca.
\newpage
15. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el ángulo de la hélice de la
tercera parte helicoidal (32) es constante.
16. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el ángulo de la hélice de la
tercera parte helicoidal (32) es de entre 0 grados y 40 grados,
aproximadamente.
17. La broca helicoidal de la reivindicación 16,
en la que el ángulo de la hélice de la tercera parte helicoidal (32)
es de unos 5 grados.
18. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, cuya broca helicoidal (10) tiene un
grosor de alma constante a todo lo largo de la broca helicoidal
(10).
19. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17, cuya broca helicoidal (10) tiene un grosor
de alma que se estrecha a lo largo de la longitud de la broca
helicoidal (10).
20. La broca helicoidal de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17, cuya broca helicoidal (10) tiene un grosor
de alma que varía a lo largo de la dimensión longitudinal de la
broca helicoidal (10).
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