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Un mandril es un tipo especializado de abrazadera que se utiliza para sujetar un objeto con simetría radial , especialmente un cilindro . En un taladro , un molino y una transmisión , un mandril sostiene la herramienta giratoria ; en un torno , sostiene la pieza de trabajo en rotación. [1]
Los mandriles suelen utilizar mandíbulas para sujetar la herramienta o pieza de trabajo. Las mandíbulas (a veces llamadas perros ) suelen estar dispuestas en un patrón radialmente simétrico como las puntas de una estrella . Los mandriles de mordaza pueden requerir un dispositivo similar a una llave llamado llave de mandril para apretarlos o aflojarlos, pero otros mandriles de mordaza pueden apretarse o aflojarse solo con fuerza manual, lo que ofrece conveniencia a expensas de la fuerza de agarre. Los mandriles de algunos tornos tienen mandíbulas que se mueven de forma independiente, lo que les permite sostener objetos de formas irregulares. Los diseños más complejos pueden incluir mandíbulas con formas especiales, un mayor número de mandíbulas o mecanismos de liberación rápida.
En lugar de mordazas, un mandril puede usar magnetismo , vacío o pinzas , que son collares o mangas flexibles que se ajustan estrechamente alrededor de la herramienta o pieza de trabajo y la sujetan cuando se aprieta.
Un mandril autocentrante , también conocido comomandril de desplazamiento ,[2]utilizaperros(generalmente llamadosmandíbulas), interconectados a través de unengranaje de desplazamiento(placa de desplazamiento), para sujetar una herramienta o pieza de trabajo. Debido a que la mayoría de las veces tienen tres mordazas, los maquinistas entienden el términomandril de tres mordazassin otra calificación como un mandril de tres mordazas autocentrante. El términomandril universaltambién se refiere a este tipo. Estos mandriles son los más adecuados para sujetar secciones transversales circulares o hexagonales cuandose desea un centrado TIR
A veces este tipo de mandril tiene cuatro o seis mordazas en lugar de tres. Los mandriles de cuatro mordazas son útiles principalmente para sujetar material cuadrado u octágono, mientras que los mandriles de seis mordazas sujetan tubos de paredes delgadas y materiales plásticos con una distorsión mínima.
También existen mandriles de mordazas independientes (no autocentrantes) con tres mordazas, pero ofrecen pocas ventajas y son muy raros.
Hay mandriles autocentrantes híbridos que tienen tornillos de ajuste que se pueden usar para mejorar aún más la concentricidad después de que las mordazas espirales hayan sujetado la pieza de trabajo. Esta característica está destinada a combinar la velocidad y la facilidad del autocentrado de la placa de desplazamiento con la capacidad de control que elimina el descentramiento de un mandril de mandíbula independiente. El nombre más utilizado para este tipo es una marca, Set-Tru. Para evitar una generalización indebida de esa marca, las sugerencias para un nombre genérico han incluido "ajuste exacto". [ cita necesaria ]
Los mandriles de tres mordazas se utilizan a menudo en tornos y cabezales indexadores .
Un portabrocas es un portabrocas especializado de tres mordazas, autocentrante, generalmente con una capacidad de 0,5 pulgadas (13 mm) o menos, y rara vez mayor de 1 pulgada (25 mm), que se utiliza para sujetar brocas u otras herramientas rotativas. Este tipo de mandril se utiliza en herramientas que van desde equipos profesionales hasta taladros manuales y eléctricos económicos para uso doméstico.
Algunos mandriles de alta precisión utilizan cojinetes de empuje de bolas para reducir la fricción en el mecanismo de cierre y maximizar el par de perforación. Una marca para este tipo de mandril, que a menudo se generaliza en el uso coloquial aunque no en los catálogos, es Super Chuck .
Un portabrocas de pasador es un portabrocas especializado diseñado para sujetar taladros pequeños (de menos de 1 mm (0,039 pulgadas) de diámetro) que no se pueden sujetar de forma segura con un portabrocas normal. El taladro se inserta en el portabrocas y se aprieta; El portabrocas tiene un eje que luego se inserta en el portabrocas más grande para sujetar el taladro de forma segura. Los mandriles de pasador también se utilizan con herramientas rotativas de alta velocidad distintas de los taladros, como amoladoras de matriz y amoladoras de plantilla .
En unaPortabrocas de mandíbula independiente , cada mandíbula se puede mover de forma independiente. Debido a que la mayoría de las veces tienen cuatro mordazas,los maquinistas entiendenmandril de cuatro mordazasLa independencia de las mordazas hace que estos mandriles sean ideales para (a) agarrar secciones transversales no circulares y (b) agarrar secciones transversales circulares con extrema precisión (cuando las últimas centésimas de milímetro [o milésimas de pulgada] de descentramiento deben ser eliminado manualmente). La acción no autocentrante de las mordazas independientes hace que el centrado sea altamente controlable (para un usuario experimentado), pero a expensas de la velocidad y la facilidad. Los mandriles de cuatro mordazas casi nunca se utilizan para sujetar herramientas. Los mandriles de cuatro mordazas se pueden encontrar en tornos y cabezales indexadores.
También se pueden obtener mandriles autocentrantes de cuatro mordazas. Aunque a menudo se dice que estos tienen dos desventajas: la incapacidad de sostener una culata hexagonal y un mal agarre en una culata ovalada, sólo esto último es cierto. Incluso con mandriles autocentrantes de tres mordazas, no se debe agarrar el trabajo que no tenga una sección uniforme a lo largo del trabajo (y que no esté libre de espirales o "viento"), ya que las mordazas pueden tensarse y la precisión se verá afectada permanentemente.
Los mandriles de cuatro mordazas pueden sujetar fácilmente una pieza de trabajo de forma excéntrica si es necesario mecanizar características excéntricas.
Una araña es una versión simple, relativamente económica y de capacidad limitada de un portabrocas de mandíbula independiente. Por lo general, consta de un anillo de metal con roscas roscadas radialmente, en el que los tornillos (tapa hexagonal, tapa hexagonal o tornillos de fijación) sirven como mandíbulas independientes. Las arañas pueden tener varios propósitos:
Para usos especiales, hay disponibles mandriles con seis u ocho mordazas. Suelen ser de diseño autocentrante y pueden construirse con estándares de precisión muy altos. Sin embargo, es un error pensar que tales mandriles ofrecen necesariamente más precisión al sujetar piezas sólidas que los mandriles autocentrantes convencionales de tres garras. De hecho, las piezas de trabajo laminadas en caliente u otras piezas imperfectamente redondas pueden "oscilar" de manera insegura entre las mordazas opuestas de los mandriles de espiral que tienen un número par de mordazas, de la misma manera que un taburete de cuatro patas se tambalea sobre un suelo rugoso, mientras que un taburete de tres patas nunca lo hace. . El objetivo principal de los mandriles de seis y ocho mordazas es sujetar tubos de paredes delgadas con una deformación mínima. Al tener el doble de puntos de sujeción, un mandril de seis mordazas induce menos de la mitad de distorsión de sujeción en una pieza de trabajo de paredes delgadas, en comparación con un mandril de tres mordazas.
Hay disponibles mandriles de dos mordazas que se pueden usar con mordazas blandas (generalmente una aleación de aluminio) que se pueden mecanizar para adaptarse a una pieza de trabajo en particular. Hay un breve salto conceptual de estas a las placas frontales que sostienen accesorios personalizados, en las que la pieza se ubica contra topes fijos y se sujeta allí con abrazaderas de palanca o abrazaderas de pie.
Muchos mandriles tienen mordazas removibles (a menudo la parte superior es removible dejando la base o 'mordaza maestra' ensamblada con la voluta), lo que permite al usuario reemplazarlas con mordazas nuevas, mordazas especializadas o mordazas blandas. Las mandíbulas blandas están hechas de materiales blandos como metal, plástico o madera blandos (no endurecidos). Se pueden mecanizar según sea necesario para configuraciones particulares. La interfaz típica entre la mandíbula maestra y la mandíbula extraíble es un par de superficies dentadas coincidentes que, una vez sujetas por los tornillos de montaje, no pueden permitir un deslizamiento relativo entre las dos partes.
Una pinza, un tipo de mandril, es un manguito con una superficie interior (normalmente) cilíndrica y una superficie exterior cónica . El collar se puede apretar contra un cono correspondiente de modo que su superficie interior se contraiga hasta alcanzar un diámetro ligeramente menor, apretando la herramienta o pieza de trabajo cuya sujeción segura se desea. En la mayoría de los casos, esto se logra con un collar de resorte, hecho de acero para resortes , con uno o más cortes a lo largo de su longitud para permitir que se expanda y contraiga. Un diseño de collar alternativo es aquel que tiene varios bloques de acero ahusados (esencialmente bloques patrón ahusados ) sostenidos en posición circular (como las puntas de una estrella, o incluso las mordazas de un mandril de mordazas) mediante un medio aglutinante flexible (generalmente caucho sintético o natural ). ). La marca Jacobs Rubber-Flex es un nombre que la mayoría de los maquinistas reconocerían para este tipo de sistema de portabrocas.
Independientemente del diseño del portaherramientas, el principio de funcionamiento es el mismo: apretar el portaherramientas radialmente contra la herramienta o pieza de trabajo que se va a sujetar, lo que genera una alta fricción estática . En condiciones correctas, se sujeta con bastante seguridad. Casi todos los portapinzas logran el movimiento de compresión radial moviendo axialmente uno o más pares macho-hembra de superficies cónicas (cónicas), lo que produce la compresión radial de una manera altamente concéntrica. Dependiendo del diseño del collar, se puede tirar (a través de una sección roscada en la parte posterior del collar) o empujar (a través de una tapa roscada con un segundo cono) dentro de un casquillo cónico correspondiente para lograr la acción de sujeción. A medida que se fuerza el collar dentro del casquillo cónico, el collar se contraerá, agarrando el contenido del cilindro interior. (Sin embargo, el movimiento axial de los conos no es obligatorio; un casquillo dividido comprimido radialmente con una fuerza lineal (por ejemplo, tornillo de fijación, solenoide, abrazadera de resorte, cilindro neumático o hidráulico) logra el mismo principio sin los conos; pero la concentricidad sólo puede ser tenido en la medida en que los diámetros del casquillo sean perfectos para el objeto particular que se sostiene, por lo tanto, esto solo es común en contextos de sala de herramientas, como la creación y configuración de máquinas herramienta).
Uno de los corolarios de la acción cónica es que las pinzas pueden arrastrar ligeramente la pieza axialmente a medida que se cierran. Los sistemas de portabrocas que no prevén ninguna medida para impedir esta extracción se denominan a menudo portabrocas de extracción, en contraste con los sistemas que evitan este movimiento, normalmente empujando el anillo de cierre cónico hacia la pinza en lugar de tirar de la pinza hacia el interior del anillo. Estos tipos sin tracción a menudo se denominan portabrocas de "longitud muerta" o "sin tracción". El estiramiento no siempre es un problema, pero evitarlo puede ser útil en algunos trabajos donde no tenerlo en cuenta podría resultar en inexactitud en la longitud total de la pieza, la longitud de los hombros, etc.
Las pinzas se encuentran más comúnmente en fresadoras , tornos , fresadoras de madera , amoladoras de precisión y ciertas herramientas eléctricas portátiles como amoladoras troqueladoras y herramientas rotativas . Hay muchos sistemas diferentes, siendo ejemplos comunes los sistemas ER , 5C y R8 . También se pueden obtener pinzas para adaptarse a casquillos cónicos Morse o Brown y Sharpe .
Normalmente, las pinzas ofrecen niveles más altos de precisión y exactitud que los mandriles autocentrantes y tienen un tiempo de preparación más corto que los mandriles de mandíbula independiente. La desventaja es que la mayoría de las pinzas solo pueden acomodar un tamaño único de pieza de trabajo. Una excepción es la pinza ER que normalmente tiene un rango de trabajo de 1 mm (aproximadamente 0,04 pulgadas).
Las pinzas generalmente están hechas para sujetar piezas cilíndricas, pero están disponibles para sujetar piezas de trabajo cuadradas, hexagonales u octogonales. Si bien la mayoría de las pinzas están endurecidas, hay disponibles pinzas de "emergencia" que el usuario puede mecanizar en tamaños o formas especiales. Estas pinzas se pueden obtener en acero, latón o nailon. Hay disponibles pinzas escalonadas que se pueden mecanizar para permitir la sujeción de piezas de trabajo cortas que son más grandes que la capacidad de las pinzas normales.
Desarrollado por Bosch en 1975 para taladros percutores , el sistema SDS utiliza un vástago SDS , que es un vástago cilíndrico con muescas que se sujetan con el portabrocas. [3] Se inserta una herramienta en el portabrocas y se bloquea en su lugar hasta que se libera el bloqueo. La fuerza giratoria se transmite a través de cuñas que encajan en dos o tres ranuras abiertas. La broca puede moverse libremente una distancia corta y la acción del martillo la mueve hacia arriba y hacia abajo dentro del mandril. Dos bolas con resorte encajan en ranuras cerradas, lo que permite el movimiento mientras retiene la broca. Hay cuatro tamaños estándar con diferentes diámetros de vástago:
Muchas brocas SDS tienen una configuración de "rotación desactivada", que permite utilizar la broca para cincelar. El nombre SDS proviene del alemán Steck-Dreh-Sitz ( inserto-taladro-accesorio ). En los países de habla alemana también se utilizaba el acrónimo Spannen durch System (Sistema de sujeción), aunque ahora Bosch utiliza a nivel internacional el Special Direct System . [7]
El mecanizado de producción comercial ahora utiliza mandriles cada vez más avanzados que no sólo tienen posicionamiento indexable sino también sujeción indexable. [8] Ambas funciones suelen controlarse hidráulicamente . La sujeción a menudo se realiza con cada par de mordazas que consta de una mordaza fija y una mordaza móvil (accionada hidráulicamente), temáticamente similar a las prensas de fresado avanzadas . Este método de sujeción aporta la alta precisión y repetibilidad de tales prensas a una aplicación de mandril. Estos mandriles ofrecen la precisión de centrado de los mandriles de mordazas independientes tradicionales con la velocidad de sujeción y la facilidad de los mandriles de espiral autocentrantes tradicionales de tres mordazas. Tienen un costo inicial elevado (en comparación con los mandriles tradicionales), pero ese costo inicial se amortiza por sí solo y luego reduce los costos marginales continuos en entornos de producción comercial.
Hoy en día también es posible construir mandriles CNC en los que la posición y la presión de sujeción de cada mordaza se puedan controlar con precisión mediante CNC, mediante posicionamiento de circuito cerrado y monitoreo de carga. En esencia, cada mandíbula es un eje CNC independiente, una corredera de máquina con un tornillo de avance , y los cuatro o seis pueden actuar en conjunto entre sí. Aunque esta idea es conceptualmente interesante, los sistemas de sujeción más simples mencionados en el párrafo anterior probablemente sean un ganador en el mercado sobre esta alternativa para la mayoría de las aplicaciones, porque ofrecen las mismas capacidades a través de una solución más simple y menos costosa.
Utilizado para sujetar piezas de trabajo ferromagnéticas , un mandril magnético consta de una cara de imán permanente centrada con precisión . Los electroimanes o imanes permanentes se ponen en contacto con placas ferrosas fijas, o piezas polares , contenidas dentro de una carcasa. Estas piezas polares suelen estar a ras de la superficie de la carcasa. La pieza (pieza de trabajo) a sujetar forma el cierre del circuito o trayectoria magnética sobre esas placas fijas, proporcionando un anclaje seguro para la pieza de trabajo.
Comúnmente utilizado para sujetar obleas de silicio durante procesos de litografía, un mandril electrostático comprende una placa base de metal y una fina capa dieléctrica; la placa base de metal se mantiene a un alto voltaje en relación con la oblea, por lo que una fuerza electrostática sujeta la oblea a ella. Los mandriles electrostáticos pueden tener pasadores o mesas, cuya altura está incluida en el espesor dieléctrico informado; un diseño del Laboratorio Nacional Sandia utiliza un dieléctrico de dióxido de silicio estampado para formar los pines. [9]
Un mandril de vacío se utiliza principalmente en materiales no ferrosos, como cobre, bronce, aluminio, titanio, plástico y piedra. En un mandril de vacío, se bombea aire desde una cavidad detrás de la pieza de trabajo y la presión atmosférica proporciona la fuerza de sujeción. El vacío produce una presión de retención de 14,7 psi (101 kPa) al nivel del mar, que disminuye en elevaciones más altas donde la presión atmosférica es más baja. La disminución en la presión de mantenimiento es de aproximadamente 0,5 psi por 1000 pies sobre el nivel del mar. [ cita necesaria ]
La conexión de mandriles a los husillos o mesas de máquinas herramienta o herramientas eléctricas se ha logrado de muchas maneras a lo largo de los años.
Las formas originales de sujeción de piezas en los tornos eran la sujeción entre centros y las fijaciones ad hoc al husillo del cabezal. [ se necesita aclaración ] Los centros en forma de púas que todavía se utilizan en los tornos para madera representan un método antiguo. Los métodos de sujeción ad hoc en siglos pasados incluían desde sujetar con alfileres, apretar o acuñar; magnífico; amarrar con cuerdas de cuero o fibra; presionar hacia abajo (nuevamente implicando inmovilizar/acuñar/apretar); u otros tipos. Las placas frontales probablemente han existido al menos desde la época de los relojeros medievales.
Es probable que herramientas similares a los mandriles actuales hayan evolucionado a partir del trabajo con placas frontales, ya que los trabajadores que usaban placas frontales para trabajos repetitivos comenzaron a imaginar tipos de abrazaderas o perros para la placa frontal que pudieran abrirse y cerrarse de maneras más convenientes que el desmontaje y montaje totales repetidos. Un calzo era originalmente sólo un trozo de madera. Sin embargo, hacia 1703 podría tratarse de "... Calzos, pertenecientes al Tornillo-Mandril". [10] En 1807 la palabra había cambiado a la más familiar ' mandril ': "En el extremo del husillo... está atornillado... un mandril universal para sujetar cualquier tipo de trabajo". [11]
A finales de 1818 o principios de 1819, la Sociedad para el Fomento de las Artes, las Manufacturas y el Comercio otorgó su medalla de plata y 10 guineas (£ 10,50, equivalente a £ 1006 en 2023 [12] ) al Sr. Alexander Bell por un mandril de torno de tres mordazas:
El instrumento se puede atornillar en... el mandril de un torno, y tiene tres pernos que sobresalen de su superficie plana, formando un triángulo equilátero, y pueden moverse de manera uniforme hacia o desde su centro.
No está claro cómo fueron movidos "igualmente", ya sea mediante un pergamino o algún otro medio. [13] Más tarde, en 1819, el mismo organismo otorgó otra medalla de plata al Sr. T. Hack por un plato de cuatro mordazas. [14] En los Estados Unidos, Simon Fairman (1792–1857) desarrolló un mandril de desplazamiento moderno reconocible como el que se utiliza en los tornos. [15] La patente se refiere a los aspectos técnicos del ensamblaje, no reivindica la invención de la voluta ("ranuras convolutas"). [16] Su yerno Austin F. Cushman (1830-1914) desarrolló las ideas y vendió mandriles a través de su empresa, Cushman Industries. [17]
A principios del siglo XX, Arthur Irving Jacobs desarrolló el moderno portabrocas. Después de lastimarse los nudillos con uno de los antiguos portabrocas ajustados con llave, desarrolló un portabrocas en el que las mandíbulas se movían axialmente en ranuras inclinadas. Su patente de 1902 detalla el mecanismo. [18] El término portabrocas claramente no se originó con él, pero su nuevo tipo de portabrocas hace mucho tiempo desplazó a cualquier tipo anterior que carecía del movimiento de mandíbula en ángulo y la funda exterior que ahora se encuentran en todos los portabrocas comunes.
Se utilizan estándares nacionales e internacionales para estandarizar las definiciones, requisitos y métodos de prueba utilizados para la evaluación del desempeño de los mandriles. La selección del estándar a utilizar es un acuerdo entre el proveedor y el usuario y tiene cierta importancia en el diseño del mandril. En los Estados Unidos, ASME ha desarrollado la norma B5.60 titulada Portabrocas: Portabrocas tipo mandíbula, que establece requisitos y métodos para especificar y probar el rendimiento de los portabrocas utilizados principalmente en operaciones de torneado. [19]
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