En el ámbito del mecanizado de precisión, lograr un control a nivel de micras sobre los diámetros de los agujeros presenta un desafío significativo. Las herramientas de mandrinado, como instrumentos de corte especializados para el mecanizado de agujeros, han surgido como la solución a este exigente requisito. Estas herramientas sirven no solo como componentes cruciales para mejorar la precisión de las piezas, sino también como medios efectivos para mecanizar geometrías internas complejas de agujeros.

Una herramienta de mandrinado es un instrumento de corte diseñado para el mecanizado de agujeros, con funciones principales que incluyen:

• Mecanizado de agujeros internos: Ampliación de agujeros existentes para mejorar la precisión dimensional y la calidad de la superficie.
• Expansión del diámetro del agujero: Aumento del diámetro del agujero a las especificaciones requeridas.
• Perfilado interno de contornos: Mecanizado de geometrías internas complejas, como agujeros cónicos y agujeros escalonados.

En comparación con otros métodos de mecanizado de agujeros como el taladrado, el escariado y el brochado, el mandrinado destaca por sus excepcionales capacidades de flexibilidad y control de precisión. A través del corte de un solo filo o de doble filo, las herramientas de mandrinado pueden lograr una precisión de mecanizado a nivel de micras, cumpliendo con los estrictos requisitos de tolerancia de agujeros hasta los estándares H7 o incluso H6. Estas herramientas encuentran una amplia aplicación en varias máquinas herramienta, incluidas las mandrinadoras, los tornos y las fresadoras.

Las herramientas de mandrinado se clasifican según la cantidad de filos de corte y las características estructurales, siendo las herramientas de mandrinado de un solo filo y de doble filo las variantes más comunes.

Las herramientas de mandrinado de un solo filo se asemejan a las herramientas de torneado en estructura, con un solo filo de corte. Para el mecanizado de agujeros de alta precisión, se suelen emplear herramientas de mandrinado de ajuste fino. Estas herramientas incorporan mecanismos de ajuste de precisión que permiten un control exacto del diámetro de corte directamente en la máquina herramienta.

El principio de funcionamiento implica un sistema de indicador de cuadrante de precisión combinado con un mecanismo de tornillo fino entre el portaherramientas y el cabezal de mandrinado. Al girar el cuadrante, el cabezal de la herramienta se mueve linealmente a lo largo de las guías, lo que permite ajustes de diámetro a nivel de micras con una precisión que alcanza los 0,001 mm.

Las herramientas de mandrinado de doble filo presentan dos filos de corte posicionados simétricamente con respecto a la línea central, lo que permite operaciones de corte simultáneas. Esta configuración equilibra las fuerzas radiales durante el mecanizado, mejorando así la eficiencia del corte. Según la estructura del portaherramientas, las herramientas de mandrinado de doble filo se clasifican además en tipos flotantes y fijos.

• Herramientas de mandrinado flotantes: Utilizadas principalmente para el mecanizado de acabado, estas herramientas se asemejan a los escariadores en estructura y pueden producir agujeros con alta precisión dimensional y acabado superficial.
• Herramientas de mandrinado fijas: Presentan portaherramientas rígidos y son adecuadas para operaciones de mandrinado generales.

Las herramientas de mandrinado suelen constar de dos componentes principales: el cuerpo de la herramienta y el cabezal de corte. El cuerpo de la herramienta sirve como la estructura principal que se conecta al husillo de la máquina o al portaherramientas, mientras que el cabezal de corte, hecho de materiales duros como el carburo, realiza el mecanizado real en función de los requisitos de procesamiento específicos.

La selección de materiales para los cuerpos de las herramientas considera la rigidez, la resistencia y las propiedades de amortiguación de vibraciones. Los materiales comunes incluyen:

• Acero aleado: Ofrece buena resistencia y tenacidad para aplicaciones de mandrinado generales.
• Acero al tungsteno: Proporciona una rigidez y amortiguación de vibraciones superiores para operaciones exigentes de alta precisión.
• Compuestos de fibra de carbono: Combinan propiedades ligeras con alta rigidez, ideales para la construcción de herramientas de mandrinado grandes.

Los materiales del cabezal de corte influyen directamente en el rendimiento y la vida útil de la herramienta. Las opciones comunes incluyen:

• Acero rápido (HSS): Presenta buena tenacidad y resistencia al desgaste para el corte a baja velocidad.
• Carburo: Ofrece alta dureza, resistencia al desgaste y resistencia al calor para operaciones a alta velocidad.
• Cerámica: Proporciona extrema dureza y resistencia al desgaste para aplicaciones a alta temperatura y alta velocidad.
• Nitruro de boro cúbico (CBN): Ofrece una dureza ultra alta para el mecanizado de aceros endurecidos y aleaciones resistentes al calor.
• Diamante: Posee la mayor dureza y resistencia al desgaste para materiales no ferrosos y no metálicos.

Las herramientas de mandrinado encuentran una amplia aplicación en prácticamente todos los campos del mecanizado mecánico, incluyendo:

• Mecanizado de cilindros de motor: El mandrinado de alta precisión de los orificios de los cilindros del motor garantiza el correcto funcionamiento del pistón.
• Mecanizado de cilindros hidráulicos: El mandrinado de precisión de los interiores de los cilindros hidráulicos mantiene el rendimiento de sellado del sistema.
• Mecanizado de agujeros de rodamientos de precisión: El mandrinado preciso de los agujeros de los rodamientos garantiza la precisión rotacional.
• Mecanizado de moldes: El mandrinado de alta precisión de las cavidades de los moldes garantiza la precisión dimensional y la calidad de la superficie del producto.

La calidad del mandrinado depende de múltiples factores, incluyendo la rigidez del sistema de herramientas, el equilibrio dinámico, la estabilidad de la pieza de trabajo, la geometría de la herramienta, los parámetros de corte, los sistemas de husillo de la máquina y los métodos de sujeción.

La rigidez del sistema de herramientas influye críticamente en la calidad del mandrinado, particularmente para el mecanizado de agujeros de pequeño diámetro, agujeros profundos y materiales duros, especialmente en operaciones en voladizo. La rigidez insuficiente causa vibraciones durante el corte, comprometiendo la precisión y el acabado superficial.

El equilibrio dinámico se refiere a la distribución uniforme de la masa durante la rotación. El desequilibrio genera fuerzas centrífugas que causan vibraciones, particularmente problemáticas en operaciones a alta velocidad. La corrección del equilibrio dinámico mejora la calidad del mecanizado.

La rigidez de la pieza de trabajo determina la resistencia a la deformación. Los componentes pequeños, de paredes delgadas o las piezas de trabajo con restricciones geométricas pueden deformarse bajo las fuerzas de corte sin la sujeción adecuada. Mejorar la rigidez de la pieza de trabajo a través de dispositivos de fijación apropiados o puntos de soporte adicionales mejora la precisión del mecanizado.

La geometría de la herramienta, incluyendo el ángulo de incidencia, el radio de la punta y la configuración del rompevirutas, afecta a las fuerzas de corte. Diferentes geometrías producen diferentes niveles de resistencia; por ejemplo, los ángulos de incidencia más grandes reducen las fuerzas de corte pero disminuyen la resistencia de la herramienta. La selección adecuada de la geometría coincide con los requisitos de mecanizado específicos.

Los parámetros de corte (velocidad, velocidad de avance y profundidad de corte) influyen significativamente en los resultados. La velocidad excesiva acelera el desgaste de la herramienta, mientras que la velocidad insuficiente reduce la eficiencia. Las velocidades de avance incorrectas causan sobrecarga de la herramienta o un mal acabado superficial, mientras que la profundidad de corte incorrecta induce vibraciones o prolonga el tiempo de mecanizado. La optimización de los parámetros garantiza resultados de calidad.

Las características del sistema de husillo, incluyendo la rigidez, el rendimiento de los rodamientos/engranajes y la calidad de la conexión del portaherramientas, afectan a los resultados del mandrinado. La rigidez inadecuada del husillo causa vibraciones, mientras que el mal rendimiento de los rodamientos/engranajes reduce la precisión rotacional. Las conexiones sueltas conducen a la inestabilidad de la herramienta. Los sistemas de husillo rígidos y de alta precisión son esenciales.

Los métodos de sujeción de la herramienta impactan significativamente en la calidad del mandrinado. La altura del centro de la herramienta representa un factor crítico: la altura incorrecta altera los ángulos de incidencia y de desprendimiento efectivos, causando interferencia entre la herramienta y la pieza de trabajo. A medida que la herramienta gira, se desarrolla fricción, lo que potencialmente impulsa la herramienta más profundamente en la pieza de trabajo.

Aumentar el ángulo de incidencia reduce las fuerzas de corte y la generación de calor, pero disminuye la resistencia del filo de corte. Cuando los ángulos de desprendimiento disminuyen, los ángulos de incidencia efectivos aumentan, causando raspado de la herramienta, particularmente problemático en el mandrinado de agujeros pequeños. El posicionamiento óptimo de la herramienta ligeramente por encima de la altura del centro (mientras se permanece lo más cerca posible) mejora los ángulos de desprendimiento y las condiciones de corte.

Durante la vibración, la punta de la herramienta se desvía hacia abajo hacia la altura del centro, acercándose al posicionamiento ideal. La ligera retracción de la herramienta minimiza el riesgo de daños en la pieza de trabajo. Los ángulos de incidencia más pequeños estabilizan la presión de corte, aunque los ángulos excesivamente pequeños (que se acercan a 0°) pueden causar fallos en la herramienta; generalmente se prefieren las herramientas de mandrinado con ángulo de incidencia positivo.

En las operaciones de mandrinado, la posición interna de la herramienta limita el acceso del fluido de corte al filo de corte, lo que complica la eliminación de virutas y reduce la vida útil de la herramienta. Las soluciones incluyen herramientas refrigeradas internamente y sistemas de fluido de corte a alta presión.

La selección de la herramienta de mandrinado depende en gran medida del diámetro y la longitud (profundidad y voladizo) del agujero. Las directrices generales recomiendan un voladizo mínimo y el tamaño de herramienta práctico máximo. La selección, aplicación y sujeción segura adecuadas de la herramienta minimizan la deflexión y la vibración.

Durante el corte, tanto las fuerzas tangenciales como las radiales intentan desviar la herramienta de la pieza de trabajo. La deflexión radial reduce la profundidad de corte y el espesor de la viruta, lo que potencialmente causa vibraciones. La deflexión radial afecta al diámetro del agujero, mientras que la deflexión tangencial mueve el filo de corte hacia abajo desde la línea central. Las consideraciones clave del mandrinado incluyen la geometría de la plaquita, la evacuación de virutas y los requisitos de la herramienta.

El ángulo de ataque de la herramienta influye en la dirección/magnitud de la fuerza axial y radial. El radio y el ángulo de la punta afectan críticamente a la reducción de la fuerza; una regla general sugiere un radio de la punta ligeramente más pequeño que la profundidad de corte. Para el torneado interno, las geometrías de ángulo de incidencia positivo generan fuerzas de corte más bajas que las alternativas de ángulo de incidencia negativo. Los materiales de baja fricción como las plaquitas de cerámica, las plaquitas con recubrimiento fino o las plaquitas sin recubrimiento suelen producir fuerzas de corte reducidas y son preferibles.

La evacuación de virutas resulta fundamental para el rendimiento y la seguridad en el mecanizado interno. Las virutas cortas aumentan el consumo de energía, la vibración y el desgaste por cráter, mientras que las virutas largas causan problemas de evacuación. Las virutas ideales son cortas y en forma de espiral, lo que facilita la eliminación con una presión mínima en el filo de corte.

La fuerza centrífuga impulsa las virutas hacia afuera, aunque a menudo permanecen en el agujero, lo que puede dañar tanto la pieza de trabajo como la herramienta cuando se comprimen contra las superficies mecanizadas. Mejorar la evacuación de virutas implica la aplicación interna de fluido de corte o aire comprimido a través de los canales del husillo. El mandrinado trasero ayuda a dirigir las virutas lejos del filo de corte. Las velocidades de corte reducidas y los cabezales de corte más pequeños maximizan el espacio libre para las virutas.

La selección de herramientas de mecanizado interno sigue estos principios:

• Seleccione el diámetro de barra de mandrinado más grande posible manteniendo una holgura adecuada para las virutas.
• Asegúrese de la compatibilidad con los parámetros de corte y la formación de virutas para una evacuación suave.
• Minimice la longitud del voladizo; la longitud de sujeción debe exceder tres veces el diámetro de la barra.
• Elija ángulos de ataque que superen los 75°, preferiblemente que se acerquen a los 90°, para dirigir las fuerzas a lo largo del eje de la barra.
• Seleccione geometrías de ángulo de incidencia positivo para minimizar la deflexión.
• Utilice radios de punta más pequeños que la profundidad de corte.
• Evite la vibración por un acoplamiento insuficiente (dominado por la fricción) o un acoplamiento excesivo (gran profundidad/avance).
• Prefiera plaquitas de cerámica o con recubrimiento fino/sin recubrimiento para reducir las fuerzas de corte, especialmente con altas relaciones longitud-diámetro.
• Las geometrías de rompevirutas abiertas generalmente benefician a las operaciones de mandrinado.
• Las plaquitas de mayor resistencia pueden ser necesarias para problemas de empaquetamiento de virutas o vibraciones; las trayectorias de herramientas modificadas pueden mejorar la formación de virutas.