En el mecanizado , el mandrilado es el proceso de agrandar un orificio que ya ha sido perforado (o fundido ) por medio de una herramienta de corte de una sola punta (o de un cabezal de mandrilado que contiene varias herramientas de este tipo), como en el mandrilado de un cañón de pistola o de un cilindro de motor . El mandrilado se utiliza para lograr una mayor precisión del diámetro de un orificio y se puede utilizar para cortar un orificio cónico. El mandrilado se puede considerar como la contraparte del torneado en cuanto a diámetro interno , que corta diámetros externos.
Existen varios tipos de mandrilado. La barra de mandrilado puede estar apoyada en ambos extremos (lo que solo funciona si el agujero existente es un agujero pasante) o puede estar apoyada en un extremo (lo que funciona tanto para agujeros pasantes como para agujeros ciegos ). El mandrilado lineal (mandrilado lineal, mandrilado lineal) implica el primero. El mandrilado posterior (mandrilado posterior, mandrilado posterior) es el proceso de llegar a través de un agujero existente y luego taladrar en el lado "posterior" de la pieza de trabajo (en relación con el cabezal de la máquina).
Debido a las limitaciones en el diseño de herramientas impuestas por el hecho de que la pieza de trabajo rodea en su mayor parte a la herramienta, el mandrilado es inherentemente algo más desafiante que el torneado, en términos de menor rigidez de la herramienta, mayores requisitos de ángulo de holgura (lo que limita la cantidad de soporte que se puede dar al filo de corte) y dificultad de inspección de la superficie resultante (tamaño, forma, rugosidad de la superficie ). Estas son las razones por las que el mandrilado se considera un área de práctica de mecanizado por derecho propio, separada del torneado, con sus propios consejos, trucos, desafíos y cuerpo de experiencia, a pesar del hecho de que en algunos aspectos son idénticos.
La primera máquina perforadora fue inventada por John Wilkinson en 1775. [1]
El mandrilado y el torneado tienen contrapartes abrasivas en el rectificado cilíndrico interno y externo . Cada proceso se elige en función de los requisitos y los valores de los parámetros de una aplicación particular.
El proceso de mandrilado se puede ejecutar en varias máquinas herramienta , incluidas (1) máquinas de uso general o universales, como tornos (/centros de torneado) o fresadoras (/centros de mecanizado), y (2) máquinas diseñadas para especializarse en el mandrilado como función principal, como mandriladoras y mandrinadoras o fresadoras , que incluyen fresadoras verticales (la pieza de trabajo gira alrededor de un eje vertical mientras la barra/cabezal de mandrilado se mueve linealmente; esencialmente un torno vertical) y fresadoras horizontales (la pieza de trabajo se asienta sobre una mesa mientras la barra de mandrilado gira alrededor de un eje horizontal; esencialmente una fresadora horizontal especializada).
Las dimensiones entre la pieza y la broca se pueden modificar en dos ejes para cortar tanto vertical como horizontalmente en la superficie interna. La herramienta de corte suele ser de una sola punta, fabricada en acero de alta velocidad M2 y M3 o carburo P10 y P01 . Se puede realizar un orificio cónico alimentando simultáneamente el filo de corte en dirección radial y axial.
Las máquinas de mandrilar vienen en una gran variedad de tamaños y estilos. Las operaciones de mandrilado en piezas de trabajo pequeñas se pueden realizar en un torno, mientras que las piezas de trabajo más grandes se mecanizan en fresadoras de mandrilar. Las piezas de trabajo tienen comúnmente de 1 a 4 metros (3 pies 3 pulgadas a 13 pies 1 pulgada) de diámetro, pero pueden ser tan grandes como 20 m (66 pies). Los requisitos de potencia pueden ser de hasta 200 caballos de fuerza (150 kW). El enfriamiento de los orificios se realiza a través de un pasaje hueco a través de la barra de mandrilar donde el refrigerante puede fluir libremente. Los discos de aleación de tungsteno están sellados en la barra para contrarrestar la vibración y el traqueteo durante el mandrilado. Los sistemas de control pueden estar basados en computadora, lo que permite la automatización y una mayor consistencia.
Dado que el mandrilado tiene como objetivo reducir las tolerancias del producto en agujeros preexistentes, se aplican varias consideraciones de diseño. En primer lugar, no se prefieren los diámetros de agujero con una relación longitud-anillo grande debido a la deflexión de la herramienta de corte. A continuación, se prefieren los agujeros pasantes a los agujeros ciegos (agujeros que no atraviesan el espesor de la pieza de trabajo). Se evitan preferiblemente las superficies de trabajo internas interrumpidas, donde la herramienta de corte y la superficie tienen un contacto discontinuo. La barra de mandrilado es el brazo saliente de la máquina que sostiene la(s) herramienta(s) de corte y debe ser muy rígida. [2]
Debido a los factores que acabamos de mencionar, la perforación y el mandrilado de agujeros profundos son áreas de práctica inherentemente desafiantes que exigen herramientas y técnicas especiales. Sin embargo, se han desarrollado tecnologías que producen agujeros profundos con una precisión impresionante. En la mayoría de los casos, implican múltiples puntos de corte, diametralmente opuestos, cuyas fuerzas de deflexión se anulan entre sí. También suelen implicar el suministro de fluido de corte bombeado bajo presión a través de la herramienta a orificios cerca de los bordes de corte. La perforación de cañones y el mandrilado de cañones son ejemplos clásicos. Desarrolladas inicialmente para fabricar los cañones de armas de fuego y artillería, estas técnicas de mecanizado se utilizan ampliamente en la actualidad para la fabricación en muchas industrias.
En los controles CNC se encuentran disponibles varios ciclos fijos para el mandrilado . Se trata de subrutinas preprogramadas que mueven la herramienta a través de pasadas sucesivas de corte, retracción, avance, corte de nuevo, retracción de nuevo, retorno a la posición inicial, etc. Se denominan mediante códigos G como G76, G85, G86, G87, G88, G89; y también mediante otros códigos menos comunes específicos de fabricantes de controles o de máquinas herramienta particulares.
El mandrilado en torno [3] es una operación de corte que utiliza una herramienta de corte de una sola punta o un cabezal de mandrilado para producir superficies cónicas o cilíndricas mediante la ampliación de una abertura existente en una pieza de trabajo. Para agujeros no cónicos, la herramienta de corte se mueve en paralelo al eje de rotación. Para agujeros cónicos, la herramienta de corte se mueve en un ángulo con respecto al eje de rotación. Se pueden producir geometrías que van desde simples hasta extremadamente complejas en una variedad de diámetros utilizando aplicaciones de mandrilado. El mandrilado es una de las operaciones de torno más básicas junto con el torneado y el taladrado.
El mandrilado en torno generalmente requiere que la pieza de trabajo se sujete en el mandril y se gire. A medida que se gira la pieza de trabajo, una barra de mandrilado con un inserto unido a la punta de la barra se introduce en un orificio existente. Cuando la herramienta de corte entra en contacto con la pieza de trabajo, se forma una viruta. Según el tipo de herramienta utilizada, el material y la velocidad de avance, la viruta puede ser continua o segmentada. La superficie producida se denomina mandrilado.
La geometría producida por el mandrilado en torno suele ser de dos tipos: agujeros rectos y agujeros cónicos. También se pueden añadir varios diámetros a cada agujero de forma si es necesario. Para producir un cono, la herramienta puede avanzar en un ángulo respecto del eje de rotación o pueden realizarse movimientos de avance y axiales simultáneos. Los agujeros rectos y los avellanados se producen moviendo la herramienta en paralelo al eje de rotación de la pieza de trabajo.
Los cuatro dispositivos de sujeción más utilizados son el mandril de tres mordazas, el mandril de cuatro mordazas, la pinza y la placa frontal . El mandril de tres mordazas se utiliza para sujetar piezas de trabajo redondas o hexagonales porque la pieza se centra automáticamente. En estos mandriles, el descentramiento se enfrenta a limitaciones; en los CNC de modelo reciente, puede ser bastante bajo si todas las condiciones son excelentes, pero tradicionalmente suele ser de al menos 0,001-0,003 pulgadas (0,025-0,075 mm). El mandril de cuatro mordazas se utiliza para sujetar formas irregulares o para sujetar piezas redondas o hexagonales con un descentramiento extremadamente bajo (con tiempo dedicado a indicar y sujetar cada pieza), en ambos casos debido a su acción independiente en cada mordaza. La placa frontal también se utiliza para formas irregulares. Las pinzas combinan el sujeción con centrado automático con un descentramiento bajo, pero implican mayores costos.
En la mayoría de las aplicaciones de mandrilado de tornos, las tolerancias superiores a ±0,010 in (±0,25 mm) se mantienen fácilmente. Las tolerancias de hasta ±0,005 in (±0,13 mm) se mantienen normalmente sin especial dificultad o gasto, incluso en agujeros profundos. Las tolerancias entre ±0,004 in (±0,10 mm) y ±0,001 in (±0,025 mm) son donde el desafío empieza a aumentar. En agujeros profundos con tolerancias tan ajustadas, el factor limitante es tan a menudo la restricción geométrica como la restricción de tamaño. En otras palabras, puede ser fácil mantener el diámetro dentro de 0,002" en cualquier punto de medición diametral, pero difícil mantener la cilindricidad del agujero dentro de una zona delimitada por la restricción de 0,002", a lo largo de más de 5 diámetros de profundidad de agujero (profundidad medida en términos de relación de aspecto diámetro:profundidad ). Para aplicaciones de máxima precisión, las tolerancias generalmente se pueden mantener dentro de ±0,0005 pulgadas (±0,013 mm) solo para agujeros poco profundos. En algunos casos, se pueden mantener tolerancias tan ajustadas como ±0,0001 pulgadas (±0,0038 mm) en agujeros poco profundos, pero es costoso, ya que la inspección al 100 % y la pérdida de piezas no conformes aumentan el costo. El rectificado, el bruñido y el lapeado son los recursos a los que se recurre cuando se alcanzan los límites de repetibilidad y precisión del mandrilado.
El acabado superficial ( rugosidad ) en el mandrilado puede variar de 8 a 250 micropulgadas, con un rango típico entre 32 y 125 micropulgadas.
En ocasiones, una pieza puede requerir una mayor precisión de forma y tamaño que la que se puede proporcionar mediante el mandrilado. Por ejemplo, incluso en el mandrilado optimizado, la cantidad en que varía el diámetro en diferentes partes del orificio rara vez es inferior a 3 micrómetros (0,0001 pulgadas, "una décima"), y puede ser fácilmente de 5 a 20 micrómetros (0,0002-0,0008 pulgadas, "2 a 8 décimas"). El error de conicidad, redondez y cilindricidad de un orificio de este tipo, aunque se considerarían insignificantes en la mayoría de las demás piezas, pueden ser inaceptables para algunas aplicaciones. Para dichas piezas, el rectificado cilíndrico interno es una operación de seguimiento típica. A menudo, una pieza se desbastará y se semiacabará en la operación de mecanizado, luego se tratará térmicamente y, finalmente, se terminará mediante rectificado cilíndrico interno.
Las limitaciones del mandrilado en cuanto a su precisión geométrica (forma, posición) y la dureza de la pieza de trabajo se han ido reduciendo en las últimas décadas a medida que la tecnología de mecanizado continúa avanzando. Por ejemplo, los nuevos grados de insertos de corte de carburo y cerámica han aumentado la precisión y la calidad de la superficie que se puede lograr sin rectificar, y han aumentado el rango de valores de dureza de la pieza de trabajo que se pueden trabajar. Sin embargo, trabajar con tolerancias de solo unos pocos micrómetros (unas décimas) obliga al proceso de fabricación a afrontar y compensar racionalmente el hecho de que ninguna pieza de trabajo real es idealmente rígida e inmóvil. Cada vez que se realiza un corte (no importa cuán pequeño sea) o se produce un cambio de temperatura de unos pocos cientos de grados (no importa cuán temporal sea), es probable que la pieza de trabajo, o una parte de ella, adopte una nueva forma, incluso si el movimiento es extremadamente pequeño. En algunos casos, un movimiento de una fracción de micrómetro en un área se amplifica en forma de palanca para crear un error de posición de varios micrómetros para una característica de la pieza de trabajo a varios decímetros de distancia. Son factores como estos los que a veces impiden el acabado mediante mandrilado y torneado en lugar del rectificado cilíndrico interno y externo. En casos extremos, puede que no sea suficiente la perfección del mecanizado o rectificado cuando, a pesar de que la pieza estaba dentro de la tolerancia cuando se fabrica, se deforma fuera de la tolerancia en los días o meses siguientes. Cuando los ingenieros se enfrentan a un caso así, se ven obligados a buscar otros materiales para las piezas de trabajo o diseños alternativos que eviten depender tanto de la inmovilidad de las características de la pieza en las escalas micro o nano.