En el mecanizado , el mandrinado es el proceso de agrandar un agujero que ya ha sido perforado (o moldeado ) por medio de una herramienta de corte de un solo punto (o de un cabezal de mandrinado que contiene varias de esas herramientas), como al perforar el cañón de una pistola o un cilindro del motor . La perforación se utiliza para lograr una mayor precisión del diámetro de un orificio y se puede utilizar para cortar un orificio cónico. El mandrinado puede verse como la contraparte del torneado en diámetro interno , que corta diámetros externos.
Hay varios tipos de aburrido. La barra perforadora puede estar apoyada en ambos extremos (lo que solo funciona si el orificio existente es un orificio pasante), o puede estar apoyada en un extremo (lo que funciona tanto para orificios pasantes como para orificios ciegos ). Lineboring (mandrinado en línea, mandrinado en línea) implica lo primero. El back taladrado (back taladrado, back taladrado) es el proceso de pasar a través de un orificio 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 principalmente a la herramienta, el mandrinado es inherentemente algo más desafiante que el torneado, en términos de menor rigidez de sujeción de la herramienta, mayores requisitos de ángulo libre (lo que limita la cantidad de soporte que se puede dar a la herramienta). el filo), y dificultad de inspección de la superficie resultante (tamaño, forma, rugosidad de la superficie ). Estas son las razones por las que el mandrinado se considera un área de la práctica del mecanizado por derecho propio, separada del torneado, con sus propios consejos, trucos, desafíos y experiencia, a pesar de que en algunos aspectos son idénticos.
La primera máquina herramienta perforadora fue inventada por John Wilkinson en 1775. [1]
El mandrinado y el torneado tienen contrapartes abrasivas en el rectificado cilíndrico interno y externo . Cada proceso se elige en función de los requisitos y valores de los parámetros de una aplicación particular.
El proceso de mandrinado 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 mandrinado como una función principal, como las perforadoras de plantilla y las máquinas perforadoras o fresadoras , que incluyen fresadoras verticales (la pieza de trabajo gira alrededor de un eje vertical mientras que la barra/cabezal de perforación se mueve linealmente; esencialmente un torno vertical) y fresadoras horizontales (la pieza de trabajo se asienta sobre una mesa mientras que la barra perforadora gira alrededor de un eje horizontal (esencialmente una fresadora horizontal especializada).
Las dimensiones entre la pieza y la broca se pueden cambiar alrededor de dos ejes para cortar tanto vertical como horizontalmente en la superficie interna. La herramienta de corte suele ser de punta única, fabricada en acero rápido M2 y M3 o carburo P10 y P01 . Se puede hacer un agujero cónico alimentando simultáneamente el filo en dirección radial y axial.
Las mandrinadoras vienen en una gran variedad de tamaños y estilos. Las operaciones de mandrinado de piezas pequeñas se pueden realizar en un torno, mientras que las piezas más grandes se mecanizan en mandrinadoras. Las piezas de trabajo suelen tener de 1 a 4 metros (3 pies 3 pulgadas a 13 pies 1 pulgada) de diámetro, pero pueden alcanzar hasta 20 m (66 pies). Los requisitos de energía pueden llegar a 200 caballos de fuerza (150 kW). El enfriamiento de los orificios se realiza a través de un pasaje hueco a través de la barra perforadora donde el refrigerante puede fluir libremente. Los discos de aleación de tungsteno están sellados en la barra para contrarrestar la vibración y el chirrido durante la perforación. Los sistemas de control pueden estar basados en computadora, lo que permite la automatización y una mayor coherencia.
Debido a que el objetivo de la perforación es disminuir las tolerancias del producto en orificios preexistentes, se aplican varias consideraciones de diseño. En primer lugar, no se prefieren diámetros grandes entre longitud y orificio 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). Es preferible evitar las superficies de trabajo internas interrumpidas, donde la herramienta de corte y la superficie tienen contacto discontinuo. La barra de mandrinar 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 la perforación de pozos 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 se trata de múltiples puntos de corte, diametralmente opuestos, cuyas fuerzas de desviación se anulan entre sí. También suelen implicar el suministro de fluido de corte bombeado bajo presión a través de la herramienta hasta orificios cerca de los bordes cortantes. La perforación con armas y la perforación con cañones son ejemplos clásicos. Desarrolladas por primera vez para fabricar cañones de armas de fuego y artillería, estas técnicas de mecanizado encuentran un amplio uso hoy en día para la fabricación en muchas industrias.
Varios ciclos fijos para mandrinado están disponibles en los controles CNC . Se trata de subrutinas preprogramadas que mueven la herramienta a través de sucesivas pasadas de corte, retraer, avanzar, volver a cortar, volver a retraer, volver a la posición inicial, etc. Estos se denominan mediante códigos G como G76, G85, G86, G87, G88, G89; y también por otros códigos menos comunes y específicos de determinados fabricantes de controles o de máquinas herramienta.
El mandrinado con torno [3] es una operación de corte que utiliza una herramienta de corte de un solo punto o un cabezal de mandrinado para producir superficies cónicas o cilíndricas ampliando una abertura existente en una pieza de trabajo. Para agujeros no cónicos, la herramienta de corte se mueve paralela al eje de rotación. Para agujeros cónicos, la herramienta de corte se mueve en 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 mandrinado. El mandrinado es una de las operaciones de torno más básicas junto con el torneado y el taladrado.
El mandrinado con 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 perforadora con un inserto unido a la punta de la barra se introduce en un orificio existente. Cuando la herramienta de corte ataca la pieza de trabajo, se forma una viruta. Dependiendo del tipo de herramienta utilizada, el material y la velocidad de avance, la viruta puede ser continua o segmentada. La superficie producida se llama perforación.
La geometría producida por el torno suele ser de dos tipos: agujeros rectos y agujeros cónicos. También se pueden agregar varios diámetros a cada orificio de forma si es necesario. Para producir un cono, la herramienta se puede alimentar en ángulo con respecto al eje de rotación o ambos movimientos, el de avance y el axial, pueden ser simultáneos. Los agujeros rectos y avellanados se producen moviendo la herramienta paralela 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 el trabajo se centra automáticamente. En estos mandriles, el descentramiento enfrenta limitaciones; en los últimos modelos de CNC, 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 un mandril autocentrante con un bajo descentramiento, pero implican costes más elevados.
Para la mayoría de las aplicaciones de taladrado en torno, se mantienen fácilmente tolerancias superiores a ±0,010 pulg. (±0,25 mm). Las tolerancias desde allí hasta ±0,005 pulgadas (±0,13 mm) generalmente se mantienen sin dificultad ni gasto especial, incluso en agujeros profundos. Las tolerancias entre ±0,004 pulgadas (±0,10 mm) y ±0,001 pulgadas (±0,025 mm) son donde el desafío comienza a aumentar. En agujeros profundos con tolerancias tan estrechas, el factor limitante suele ser tanto 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 agujero. profundidad (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) sólo para agujeros poco profundos. En algunos casos, se pueden mantener tolerancias tan estrictas como ±0,0001 pulgadas (±0,0038 mm) en orificios poco profundos, pero es costoso, ya que la inspección del 100% y la pérdida de piezas no conformes aumentan el costo. El rectificado, bruñido y lapeado son los recursos cuando se han alcanzado los límites de repetibilidad y precisión del mandrinado.
El acabado superficial ( rugosidad ) en la perforación puede oscilar entre 8 y 250 micropulgadas, con un rango típico entre 32 y 125 micropulgadas.
A veces, una pieza puede requerir una mayor precisión de forma y tamaño que la que se puede obtener mediante mandrinado. Por ejemplo, incluso en la perforación optimizada, la cantidad en que varía el diámetro en diferentes partes del orificio rara vez es inferior a 3 micrómetros (0,0001 pulgadas, "un décimo"), y puede ser fácilmente de 5 a 20 micrómetros (0,0002- .0008 pulgadas, "2 a 8 décimas"). El error de conicidad, redondez y cilindricidad de dicho agujero, aunque se considerarían insignificantes en la mayoría de las otras partes, pueden ser inaceptables para algunas aplicaciones. Para tales piezas, el rectificado cilíndrico interno es una operación de seguimiento típica. A menudo, una pieza se desbasta y se semiacaba en la operación de mecanizado, luego se trata térmicamente y, finalmente, se termina mediante rectificado cilíndrico interno.
Las limitaciones del mandrinado en términos de precisión geométrica (forma, posición) y 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 son trabajables. Sin embargo, trabajar con tolerancias de sólo unos pocos micrómetros (unas pocas 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 (por pequeño que sea) o se produce un cambio de temperatura de unos pocos cientos de grados (por temporal que 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 a modo de palanca para crear un error de posición de varios micrómetros para una característica de la pieza de trabajo que se encuentra a varios decímetros de distancia. Son factores como estos los que a veces impiden el acabado mediante taladrado y torneado en lugar del rectificado cilíndrico interno y externo. En casos extremos, ninguna perfección del mecanizado o rectificado puede ser suficiente cuando, a pesar de que la pieza estaba dentro de la tolerancia en el momento de su fabricación, se deforma fuera de tolerancia en los días o meses siguientes. Cuando los ingenieros se enfrentan a un caso así, se impulsa la búsqueda de otros materiales para las piezas de trabajo o diseños alternativos que eviten depender tanto de la inmovilidad de las características de las piezas en las escalas micro o nano.