Agujeros Cuadrados Brocheados: ¿Por qué se atascan los ejes cuadrados?

Un agujero cuadrado brocheado parece la característica más sencilla en un cubo de transmisión, hasta el momento en que el eje no entra. El trabajo 260616007 llegó en noviembre de 2023 de un fabricante de componentes de transmisión de válvulas, cuyo proveedor anterior había enviado cubos anodizados en negro que se ensamblaban a mano con un mazo en un turno y se dejaban caer por gravedad en el siguiente: el cuadrado medía correctamente en la boca del agujero y mal en el extremo lejano, y en una parte de las piezas las caras planas habían salido rotadas, por lo que un eje cuadrado que encajaba perfectamente se alineaba mal contra el patrón de orificios de la brida y el ensamblaje se posicionaba en la posición incorrecta.

Los cubos en las fotografías son las piezas de producción del pedido que siguió: un cubo de doble brida AL6061-T6, torneado y acabado en una sola configuración de torno-fresado, con un agujero cuadrado brocheado a través del cuerpo, seis orificios en cada brida, una ranura de retención en el extremo lejano, un orificio transversal radial, un acabado anodizado en negro y una marca láser en el cuerpo entre las bridas. Un agujero cuadrado brocheado es la característica que decide si la pieza funciona, y es la única característica que no se puede corregir después de cortarla.

¿Qué tiene que hacer este cubo?

Cuatro trabajos, y el agujero cuadrado es el que transmite la potencia.

El agujero cuadrado recibe el eje y transmite el par. Un agujero redondo con chaveta haría la misma función, pero un cuadrado permite que el eje se indexe al cubo en cuatro posiciones y no necesita chaveta, ni ranura de chaveta ni característica de bloqueo separada.

Las dos bridas localizan el ensamblaje. Ambos patrones de brida están indexados a espaciado igual, y los seis orificios de cada brida deben alinearse con el patrón de pernos de acoplamiento, lo que significa que los dos patrones deben perforarse desde un solo datum en lugar de dos configuraciones separadas.

La ranura de retención y el orificio transversal radial sujetan el ensamblaje. La ranura recibe el anillo de retención que evita que el cubo se deslice a lo largo del eje, y el orificio transversal recibe el pasador que bloquea el eje axialmente.

La película anodizada y la marca láser son el acabado y la identidad de la pieza. Ambas se aplican al final, lo que significa que ambas deben funcionar en torno a las tolerancias que ya establecieron las operaciones anteriores.

¿Por qué un agujero cuadrado es más difícil que un agujero redondo?

Un agujero redondo se juzga en un lugar, un agujero cuadrado debe juzgarse a lo largo de su profundidad.

Un agujero redondo se mide con un calibre de pasador o un calibre de agujero a una profundidad, y si está en tamaño allí, casi siempre está en tamaño a través del resto del agujero, porque una escariadora o una barra de mandrinar cortan un cilindro consistente.

Un agujero cuadrado se corta con un broche: una barra larga de dientes de corte escalonados que se empuja o se tira una vez a través de un orificio piloto, cada diente dando un pequeño paso más profundo que el anterior. Por lo tanto, el ancho entre caras planas se decide progresivamente, diente a diente, a lo largo de toda la profundidad del agujero. Si la carga de corte cambia a lo largo de la carrera, o si la herramienta se desgasta durante la ejecución, el agujero termina ligeramente diferente en la cara de entrada que en la cara de salida. La pieza pasa una verificación en la boca y falla en el extremo lejano, que es exactamente el síntoma que hizo que este trabajo fuera difícil de presupuestar.

Es por eso que la inspección en este pedido mide el ancho entre caras planas a tres profundidades en el agujero en lugar de solo en la cara. Un cuadrado que es uniforme en la cara y 0.02 mm diferente en la salida aún pasará una verificación de cara, y aún atascará un eje.

El broche también decide el posicionamiento, y el posicionamiento no se puede arreglar después.

La posición angular de las caras planas en relación con el patrón de orificios de la brida la establece el broche. Cualquier posicionamiento que introduzca el broche es lo que tiene la pieza terminada, porque ninguna operación posterior puede rotar un agujero cuadrado dentro de la pieza.

En un cubo como este, la consecuencia es específica: un eje cuadrado puede encajar perfectamente en el agujero y aún así presentar sus propias caras planas en el ángulo incorrecto en relación con el patrón de la brida, por lo que el ensamblaje se atornilla pero se asienta en la posición rotacional incorrecta. Si el dibujo no especifica la tolerancia de posicionamiento, el taller tiene que adivinar si el broche se guía desde un orificio de brida o desde una cara mecanizada, y la suposición es lo que produce un lote que es dimensionalmente perfecto y funcionalmente incorrecto.

La solución es procesal en lugar de costosa. Se perfora el orificio piloto y se introduce el broche desde el mismo datum desde el que se perforaron los patrones de brida, con un casquillo guía que evita que el broche gire al comenzar. Luego, el posicionamiento se verifica contra un orificio de brida en un calibre, no se estima a ojo.

Un cuadrado brocheado siempre tiene un radio de esquina.

Ningún broche puede cortar una esquina interna matemáticamente afilada, porque los dientes de corte tienen un radio de esquina finito. Por lo tanto, las esquinas de un cuadrado brocheado llevan un radio, y el eje cuadrado de acoplamiento debe aliviarse para que coincida. Cuando no es así, el eje contacta en las caras planas y se apoya en los radios de las esquinas en lugar de asentarse, lo que se siente como interferencia a pesar de que el ancho entre caras planas es correcto.

El dibujo debe indicar qué radio de esquina se permite en el agujero y qué alivio se proporciona en el eje. Dejar ambos a la suposición es cómo una pieza que mide dentro de la tolerancia es rechazada en el ensamblaje.

¿Cómo se hizo el cubo, paso a paso?

Paso 1 - Tornea el perfil, los escalones y la ranura de retención en una configuración.

El perfil exterior, ambas caras de la brida, el eje escalonado y la ranura de retención se tornean en una configuración con la pieza sujeta en el eje principal. Una configuración mantiene las dos bridas concéntricas entre sí y con el eje del agujero, que es lo que depende la llamada de concentricidad de brida de 0.02 mm en este dibujo.

Paso 2 - Fresar los patrones de orificios de la brida en la misma sujeción.

Los seis orificios en cada brida se fresan en la misma sujeción que el torneado, indexados desde un datum, por lo que ambos patrones comparten un eje y una referencia angular. Perforar las dos bridas en configuraciones separadas es lo que produce un cubo cuyos orificios se alinean con el dibujo y no entre sí.

Paso 3 - Perforar el orificio piloto al tamaño que espera el broche.

El orificio piloto se perfora al diámetro para el que está diseñado el broche. Cortarlo sobredimensionado hace que cada diente tome un corte más ligero de lo previsto, lo que permite que el broche se desplace en lugar de cortar, y el agujero resultante es más ancho en la salida que en la entrada. Cortarlo subdimensionado sobrecarga los dientes y promueve una rebaba pesada en la cara de salida.

Paso 4 - Brochar el cuadrado, guiado desde el datum de la brida.

El broche se introduce a través de una guía que mantiene su posición angular, con la pieza orientada de modo que las caras planas se posicionen según el patrón de la brida como se dibuja. Este es el paso que fija el posicionamiento de la pieza de forma permanente, por lo que es el paso donde el operador verifica la configuración en lugar de la pieza terminada.

Paso 5 - Desbarbar el borde de salida y mantener el radio de esquina.

El broche empuja una rebaba delante del último diente, y la rebaba se acumula en la cara de salida. El borde de salida se desbarba sin romper el chaflán que llama el dibujo, y los radios de las esquinas en el agujero se verifican contra el radio para el que se alivia el eje de acoplamiento.

Paso 6 - Anodizar en negro a una película uniforme.

El cubo se anodiza en negro. La película crece tanto hacia afuera de la superficie del aluminio como hacia adentro, por lo que el agujero y los orificios de la brida se aprietan ligeramente, y la línea de anodizado indica qué dimensiones son importantes para el ajuste y cuáles están protegidas. Una pieza que encaja antes de anodizar y no encaja después generalmente ha salido mal aquí en lugar de en la máquina.

Paso 7 - Marcar con láser desde el mismo datum.

La marca de identificación se aplica en el cuerpo entre las bridas, referenciada al mismo datum que estableció el cuadrado y los patrones de brida, por lo que la marca cae en el mismo lugar en relación con las caras planas en cada pieza. En una superficie anodizada en negro, el contraste de la marca es lo que la hace legible, por lo que la marca se verifica en la pieza terminada en lugar de en una muestra antes de anodizar.

Paso 8 - Inspeccionar el cuadrado a lo largo de su profundidad, y el posicionamiento contra un orificio de brida.

La inspección final cubre el ancho entre caras planas a tres profundidades, el posicionamiento de las caras planas con respecto al patrón de orificios de la brida, la concentricidad de la brida, la posición de la ranura, la película y la marca. Verificar el cuadrado solo en la cara es el único hábito de inspección que permite que un lote defectuoso salga del taller.

¿Qué midió la tirada de 1.600 piezas?

Dieciséis cientos de cubos enviados en 22 días, y el cliente informó que no hubo ajustes manuales en el ensamblaje ni errores de posicionamiento en la línea.

La falla que encontramos en nuestra propia tirada de prueba.

La tirada de prueba de cincuenta piezas pasó en el banco de inspección y falló en el calibre, y la causa fue nuestro orificio piloto.

Cada pieza de prueba midió dentro de la banda de ancho entre caras planas en la cara de entrada. Cuando medimos las mismas piezas en la cara de salida, el ancho era 0.02 mm más ancho, con una rebaba pesada en el borde de salida. Habíamos perforado el orificio piloto 0.04 mm por encima del tamaño que el broche estaba diseñado para seguir, con el razonamiento de que un orificio piloto ligeramente más grande aliviaría la carga de corte y extendería la vida útil del broche. Sucedió lo contrario: con menos material para eliminar, los dientes cortaron ligero, el broche estaba libre para desplazarse en el agujero en lugar de ser guiado por el corte, y los últimos dientes abrieron el agujero en el extremo de salida.

Tres cambios entraron en producción. El diámetro del orificio piloto se fijó al requisito del broche y se verificó en la primera pieza de cada lote. Se agregó un casquillo guía para que el broche comience en una posición angular fija. Y el ancho entre caras planas se midió a tres profundidades cada 100 piezas, que es la verificación que habría detectado la deriva en las piezas de prueba en una sola medición.

Entre la prueba y la tirada de producción, la conicidad a través del agujero desapareció y la rebaba de salida dejó de ser un problema de desbarbado.

Tres formas de cortar un cuadrado interno, comparadas.

La regla práctica: el brochado gana en costo unitario una vez que la forma se repite, el fresado gana cuando la geometría aún está cambiando, y la EDM gana cuando el radio de esquina o el material dictan los otros dos. En esta pieza, el cuadrado se repite en cada pieza, por lo que el broche se amortizó dentro del primer pedido.

Preguntas Frecuentes

¿Por qué un agujero cuadrado brocheado está apretado en un extremo y suelto en el otro?

Porque un broche corta progresivamente, diente a diente, a lo largo de la profundidad del agujero. Si la carga de corte varía a lo largo de la carrera, o si la herramienta se desgasta durante la ejecución, o si el orificio piloto no tiene el tamaño para el que está diseñado el broche, las caras planas terminan siendo unas centésimas de milímetro diferentes entre la cara de entrada y la cara de salida. Una verificación en la boca del agujero no lo mostrará, por lo que el ancho entre caras planas debe medirse a varias profundidades.

¿Se puede fresar un agujero cuadrado en lugar de brocharlo?

Sí, y para prototipos generalmente se hace. Una fresa pequeña forma las esquinas y una más grande limpia las caras planas. Funciona bien cuando el cuadrado es grande, la cantidad es baja o la geometría aún está cambiando, pero el radio de esquina está limitado por la fresa más pequeña que se puede usar, y el costo unitario sigue siendo alto porque cada pieza sigue toda la trayectoria de la herramienta.

¿Cuánto radio de esquina tiene un cuadrado brocheado?

Está determinado por el radio de esquina de los dientes del broche y no puede ser cero, porque un filo de corte con una esquina interna afilada fallaría inmediatamente. El dibujo debe indicar el radio que puede tener el agujero, y el eje cuadrado de acoplamiento debe aliviarse para que coincida. Cuando el eje se deja afilado, contacta en los radios de las esquinas en lugar de las caras planas y se siente como un ajuste de interferencia incluso cuando el ancho entre caras planas es correcto.

¿Cómo se verifica el posicionamiento de un agujero cuadrado con respecto a los orificios de la brida?

Con un calibre que se referencia a un orificio de brida y lee la posición angular de las caras planas, en lugar de a ojo o ajustando un eje. Debe hacerse en cada pieza, porque el posicionamiento lo fija la entrada del broche y ninguna operación posterior puede rotar el agujero. En este pedido, la verificación se realiza en el 100 por ciento de las piezas, junto con el índice de brida y la concentricidad de brida.

¿Qué poner en su dibujo?

Seis líneas resuelven casi todas las discusiones sobre un agujero cuadrado brocheado:

1. Indique el ancho entre caras planas con una tolerancia, y diga que se aplica a lo largo de toda la profundidad del agujero en lugar de en la cara de entrada.
2. Indique el posicionamiento de las caras planas con respecto a un orificio de brida nombrado, con una tolerancia, y nombre el datum desde el que se mide.
3. Indique el radio de esquina que puede tener el agujero, y indique el alivio en el eje de acoplamiento.
4. Indique la relación del agujero con el eje de la brida como una llamada de concentricidad o de descentramiento.
5. Indique qué superficies se protegen durante el anodizado, y qué puede hacer la película en el agujero y los orificios de la brida.
6. Indique dónde va la marca láser en relación con las caras planas, para que la marca y el cuadrado se establezcan desde el mismo datum.

Un cubo es una pila de características que hacen referencia a un eje y una posición angular, y el agujero cuadrado es la característica que fija la posición angular en su lugar. Especifique el cuadrado correctamente y el resto de la pieza es trabajo ordinario de torneado y fresado: bridas concéntricas, orificios que se alinean y una marca que cae en el mismo lugar en cada pieza.

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