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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 , una fresadora y una transmisión , un mandril sujeta la herramienta giratoria ; en un torno , sujeta la pieza de trabajo giratoria. [1]
Los mandriles suelen utilizar mordazas para sujetar la herramienta o la pieza de trabajo. Las mordazas (a veces llamadas mordazas ) suelen estar dispuestas en un patrón radialmente simétrico como las puntas de una estrella . Los mandriles con mordazas pueden requerir un dispositivo similar a una llave llamado llave de mandril para apretarse o aflojarse, pero otros mandriles con mordazas pueden apretarse o aflojarse solo con la fuerza de la mano, lo que ofrece comodidad a expensas de la fuerza de agarre. Los mandriles de algunos tornos tienen mordazas que se mueven de forma independiente, lo que les permite sujetar objetos de forma irregular. Los diseños más complejos pueden incluir mordazas de forma especial, mayor número de mordazas o mecanismos de liberación rápida.
En lugar de mordazas, un mandril puede utilizar magnetismo , vacío o pinzas , que son collares o mangas flexibles que se ajustan estrechamente alrededor de la herramienta o pieza de trabajo y la agarran cuando se aprietan.
Un mandril autocentrante , también conocido comoEl mandril de espiral ,[2]utilizadientes(generalmente llamadosmordazas), interconectados a través de unengranaje de espiral(placa de espiral), para sujetar una herramienta o pieza de trabajo. Debido a que la mayoría de las veces tienen tres mordazas, los maquinistas entienden que el términomandril de tres mordazassin otra calificación significa 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 cuando se desea un centrado muy rápido y razonablemente preciso (±0,005 pulgadas [0,125 mm]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 materiales cuadrados u octogonales, 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.
Existen mandriles híbridos autocentrantes que tienen tornillos de ajuste que se pueden utilizar para mejorar aún más la concentricidad después de que la pieza de trabajo haya sido sujetada por las mordazas de espiral. Esta característica tiene como objetivo combinar la velocidad y la facilidad del autocentrado de la placa de espiral con la capacidad de control que elimina el descentramiento de un mandril de mordazas independientes. El nombre más comúnmente utilizado para este tipo es una marca comercial, Set-Tru. Para evitar la genéricaización indebida de esa marca, se han sugerido nombres genéricos como "ajuste exacto". [ cita requerida ]
Los mandriles de tres mordazas se utilizan a menudo en tornos y cabezales indexadores .
Un portabrocas es un portabrocas autocentrante especializado de tres mordazas, 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 portabrocas 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 bolas de empuje para reducir la fricción en el mecanismo de cierre y maximizar el par de perforación. Una marca comercial para este tipo de mandril, que a menudo se usa de forma genérica en el lenguaje coloquial aunque no en los catálogos, es Super Chuck .
Un portabrocas de pasador es un portabrocas especializado diseñado para sujetar brocas pequeñas (de menos de 1 mm (0,039 pulgadas) de diámetro) que no se podrían sujetar de forma segura en un portabrocas normal. La broca se inserta en el portabrocas de pasador y se aprieta; el portabrocas de pasador tiene un eje que luego se inserta en el portabrocas más grande para sujetar la broca de forma segura. Los portabrocas de pasador también se utilizan con herramientas rotativas de alta velocidad que no sean taladros, como amoladoras de matrices y amoladoras de plantilla .
En unplato de mordazas independientes , cada mordaza se puede mover de forma independiente. Debido a que la mayoría de las veces tienen cuatro mordazas, el términoplato de cuatro mordazassin otra calificación es entendido por los maquinistas como un plato con cuatro mordazas independientes. La independencia de las mordazas hace que estos platos sean ideales para (a) sujetar secciones transversales no circulares y (b) sujetar secciones transversales circulares con extrema precisión (cuando las últimas centésimas de milímetro [o milésimas de pulgada] de descentramiento deben eliminarse 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 platos de cuatro mordazas casi nunca se utilizan para sujetar herramientas. Los platos de cuatro mordazas se pueden encontrar en tornos y cabezales indexadores.
También se pueden conseguir mandriles autocentrantes con cuatro mordazas. Aunque a menudo se dice que estos tienen dos desventajas: la incapacidad de sujetar material hexagonal y un agarre deficiente en material ovalado, solo esto último es cierto. Incluso con mandriles autocentrantes de tres mordazas, no se debe sujetar la pieza que no tenga una sección uniforme a lo largo de la pieza (y que no esté libre de espirales o "viento"), ya que las mordazas pueden tensarse y la precisión puede verse afectada de forma permanente.
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 mandril de mordazas independientes. Generalmente consiste en un anillo de metal con roscas de tornillo roscadas radialmente en él, en el que los tornillos (de cabeza hexagonal, de cabeza hueca hexagonal o tornillos de fijación) sirven como mordazas independientes. Las arañas pueden cumplir varios propósitos:
Para fines especiales, existen mandriles con seis u ocho mordazas. Estos suelen ser de diseño autocentrante y pueden construirse con estándares de precisión muy altos. Sin embargo, es un error pensar que estos mandriles necesariamente ofrecen más precisión al sujetar piezas sólidas que los mandriles autocentrantes convencionales de tres mordazas. De hecho, las piezas de trabajo laminadas en caliente u otras piezas de trabajo imperfectamente redondas pueden "balancearse" de manera insegura entre las mordazas opuestas de mandriles de espiral que tienen un número par de mordazas, de la misma manera que un taburete de cuatro patas se tambalea sobre un piso áspero mientras que un taburete de tres patas nunca lo hace. El propósito 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.
Existen mandriles de dos mordazas que se pueden utilizar con mordazas blandas (normalmente de aleación de aluminio) que se pueden mecanizar para adaptarse a una pieza de trabajo en particular. El paso conceptual entre estos y las placas frontales que sujetan accesorios personalizados es muy breve, en las que la pieza se coloca contra topes fijos y se sujeta allí con abrazaderas de palanca o de pie.
Muchos mandriles tienen mordazas extraíbles (a menudo la parte superior es extraíble, dejando la base o "mordaza maestra" ensamblada con el eje), lo que permite al usuario reemplazarlas con mordazas nuevas, mordazas especializadas o mordazas blandas. Las mordazas blandas están hechas de materiales blandos, como metal blando (sin endurecer), plástico o madera. Se pueden mecanizar según sea necesario para configuraciones particulares. La interfaz típica entre la mordaza maestra y la mordaza extraíble es un par coincidente de superficies dentadas, que, una vez sujetas por los tornillos de montaje, no pueden permitir un deslizamiento relativo entre las dos partes.
Un portabrocas, un tipo de mandril, es un manguito con una superficie interior (normalmente) cilíndrica y una superficie exterior cónica . El portabrocas se puede apretar contra un cono correspondiente de modo que su superficie interior se contraiga hasta un diámetro ligeramente menor, apretando la herramienta o pieza de trabajo cuya sujeción segura se desea. La mayoría de las veces, esto se logra con un portabrocas de resorte, hecho de acero para resortes , con uno o más cortes de ranura a lo largo de su longitud para permitir que se expanda y contraiga. Un diseño de portabrocas alternativo es uno que tiene varios bloques de acero cónicos (esencialmente bloques calibradores cónicos ) mantenidos en posición circular (como las puntas de una estrella, o de hecho las mordazas de un mandril de mordazas) mediante un medio de unión flexible (normalmente 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 de pinza.
Independientemente del diseño de la pinza, el principio de funcionamiento es el mismo: apretar la pinza radialmente contra la herramienta o pieza de trabajo que se va a sujetar, lo que da como resultado una alta fricción estática . En condiciones correctas, se sujeta con bastante seguridad. Casi todos los mandriles de pinza logran el movimiento de compresión radial al mover uno o más pares macho-hembra de superficies cónicas (cónicas) axialmente, lo que produce la compresión radial de una manera altamente concéntrica. Dependiendo del diseño de la pinza, se puede tirar (a través de una sección roscada en la parte trasera de la pinza) o empujar (a través de una tapa roscada con un segundo cono) en un zócalo cónico correspondiente para lograr la acción de sujeción. A medida que la pinza se fuerza dentro del zócalo cónico, la pinza se contraerá, agarrando el contenido del cilindro interior. (Sin embargo, el movimiento axial de los conos no es obligatorio; un buje dividido apretado radialmente con una fuerza lineal (por ejemplo, un tornillo de fijación, un solenoide, una abrazadera de resorte, un cilindro neumático o hidráulico) logra el mismo principio sin los conos; pero la concentricidad solo se puede lograr en la medida en que los diámetros del buje sean perfectos para el objeto particular que se sostiene. Por lo tanto, esto solo es común en contextos de salas de herramientas, como la creación y configuración de herramientas de máquinas herramienta).
Uno de los corolarios de la acción cónica es que las pinzas pueden arrastrar la pieza axialmente una pequeña cantidad al cerrarse. Los sistemas de mandriles de pinza que no tienen ninguna disposición para evitar este arrastre se denominan a menudo mandriles de pinza de arrastre, en contraste con los sistemas que evitan este movimiento, generalmente empujando el anillo de cierre cónico hacia la pinza en lugar de tirar de la pinza hacia el anillo. Estos tipos sin arrastre se denominan a menudo mandriles de pinza de "longitud muerta" o "sin arrastre". El arrastre no siempre es un problema, pero evitarlo puede ser útil en algunos trabajos en los que no tenerlo en cuenta puede dar como resultado imprecisiones en la longitud total de la pieza, las longitudes de los hombros, etc.
Las pinzas se encuentran con mayor frecuencia en fresadoras , tornos , fresadoras de madera , rectificadoras de precisión y ciertas herramientas eléctricas portátiles, como rectificadoras de matrices y herramientas rotativas . Existen muchos sistemas diferentes, siendo los ejemplos más comunes los sistemas ER , 5C y R8 . También se pueden obtener pinzas para adaptarse a los casquillos cónicos Morse o Brown and Sharpe .
Por lo general, las pinzas ofrecen niveles más altos de precisión y exactitud que los mandriles autocentrantes y tienen un tiempo de configuración más corto que los mandriles de mordazas independientes. La desventaja es que la mayoría de las pinzas solo pueden adaptarse a un único tamaño 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 diseñadas para sujetar piezas cilíndricas, pero también se encuentran disponibles para sujetar piezas cuadradas, hexagonales u octogonales. Si bien la mayoría de las pinzas están endurecidas, existen pinzas de "emergencia" que el usuario puede mecanizar en tamaños o formas especiales. Estas pinzas se pueden obtener en acero, latón o nailon. Existen pinzas escalonadas que se pueden mecanizar para permitir la sujeción de piezas 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 hendiduras para ser sujetado por el portabrocas. [3] Se inserta una herramienta en el portabrocas y se bloquea en su lugar hasta que se libera el bloqueo. La fuerza rotatoria se transmite a través de cuñas que encajan en dos o tres ranuras abiertas. La broca puede moverse libremente una corta distancia y la acción del martillo mueve la broca hacia arriba y hacia abajo dentro del portabrocas. 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:
Muchos taladros SDS tienen una función de "rotación desactivada", que permite utilizar el taladro para cincelar. El nombre SDS proviene del alemán Steck-Dreh-Sitz ( accesorio para insertar brocas ). En los países de habla alemana también se utilizaba el acrónimo Spannen durch System (Sistema de sujeción), aunque Bosch ahora utiliza el Special Direct System a nivel internacional. [7]
El mecanizado de producción comercial ahora hace uso de mandriles cada vez más avanzados que no solo tienen posicionamiento indexable sino también sujeción indexable. [8] Ambas funciones suelen estar controladas 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 lleva la alta precisión y repetibilidad de tales prensas a una aplicación de sujeción. Estos mandriles ofrecen la precisión de centrado de los mandriles tradicionales de mordazas independientes con la velocidad de sujeción y la facilidad de los mandriles de desplazamiento autocentrantes tradicionales de tres mordazas. Tienen un costo inicial caro (en comparación con los mandriles tradicionales), pero dicho costo inicial se amortiza y luego reduce los costos marginales continuos en entornos de producción comercial.
Actualmente, también es posible construir mandriles CNC en los que la posición y la presión de sujeción de cada mordaza se pueden controlar con precisión mediante CNC, a través de un sistema de posicionamiento de bucle cerrado y un control de carga. En esencia, cada mordaza es un eje CNC independiente, un carro de la máquina con un husillo de avance , y los cuatro o seis pueden actuar en conjunto. Aunque esta idea es conceptualmente interesante, los sistemas de sujeción más simples mencionados en el párrafo anterior probablemente sean un ganador en el mercado frente a esta alternativa para la mayoría de las aplicaciones, porque proporcionan las mismas capacidades a través de una solución más simple y menos costosa.
Un plato magnético , que se utiliza para sujetar piezas de trabajo ferromagnéticas , 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 alineadas con la superficie de la carcasa. La pieza (pieza de trabajo) que se va a sujetar forma el cierre del bucle o camino magnético sobre esas placas fijas, lo que proporciona un anclaje seguro para la pieza de trabajo.
Un mandril electrostático , que se utiliza habitualmente para sujetar obleas de silicio durante los procesos de litografía, consta de 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, y así una fuerza electrostática sujeta la oblea a ella. Los mandriles electrostáticos pueden tener pasadores, o mesas, cuya altura se incluye en el espesor dieléctrico informado; un diseño del Laboratorio Nacional Sandia utiliza un dieléctrico de dióxido de silicio estampado para formar los pasadores. [9]
Un mandril de vacío se utiliza principalmente en materiales no ferrosos, como cobre, bronce, aluminio, titanio, plásticos 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 sujeción de 14,7 psi (101 kPa) a nivel del mar, que disminuye a mayores elevaciones donde la presión atmosférica es menor. La disminución de la presión de sujeción es de aproximadamente 0,5 psi por cada 1000 pies sobre el nivel del mar. [ cita requerida ]
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 tornos eran sujeciones entre centros y sujeciones ad hoc al husillo del cabezal. [ aclaración necesaria ] Los centros de estilo de punta que todavía se utilizan en tornos de madera representan un método antiguo. Los métodos de sujeción ad hoc en siglos pasados incluían cualquier cosa, desde sujetar con pasadores apretando o acuñando; clavar; atar con cuerdas de cuero o fibra; sujetar con tenazas (también implicando sujetar con pasadores/acuñando/apretando); u otros tipos. Las placas frontales probablemente han existido al menos desde la era de los relojeros medievales.
Parece probable que las 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 mordazas para la placa frontal que pudieran abrirse y cerrarse de maneras más convenientes que el desmontaje y montaje total repetidos. Una cuña originalmente era solo un trozo de madera. Sin embargo, en 1703 podía ser "... cuñas, pertenecientes al mandril de tornillo". [10] En 1807, la palabra había cambiado al más familiar ' mandril ' : "En el extremo del husillo ... se atornilla ... 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 al mandril de un torno, y tiene tres pernos que sobresalen de su superficie plana, formando un triángulo equilátero, y son capaces de moverse de manera uniforme hacia o desde su centro.
No está claro cómo se movían "de manera uniforme", si mediante un torno o algún otro medio. [13] Más tarde, en 1819, el mismo organismo otorgó otra medalla de plata al Sr. T. Hack por un mandril de cuatro mordazas. [14] En los Estados Unidos, Simon Fairman (1792-1857) desarrolló un mandril de cuatro mordazas moderno reconocible como el que se usa en los tornos. [15] La patente se refiere a los tecnicismos del ensamblaje, no reivindica la invención del torno ("ranuras convolutas"). [16] Su yerno Austin F. Cushman (1830-1914) desarrolló las ideas y vendió mandriles a través de su negocio, Cushman Industries. [17]
A principios del siglo XX, Arthur Irving Jacobs desarrolló el portabrocas moderno. Después de lastimarse los nudillos con uno de los antiguos portabrocas que se ajustaban con una llave inglesa, desarrolló un portabrocas en el que las mordazas 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 desplazó hace mucho tiempo a los tipos anteriores que carecían del movimiento de mordaza en ángulo y del manguito exterior que ahora encontramos en todos los portabrocas comunes.
Se utilizan normas nacionales e internacionales para estandarizar las definiciones, requisitos y métodos de prueba utilizados para la evaluación del rendimiento de los mandriles. La selección de la norma que se utilizará 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 Mandriles de sujeción: Mandriles tipo mordaza, que establece requisitos y métodos para especificar y probar el rendimiento de los mandriles de sujeción utilizados principalmente en operaciones de torneado. [19]
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