¿Alguna vez se ha preguntado cómo se hacen agujeros diminutos en piezas metálicas con tanta precisión? Este artículo explora el fascinante mundo del mecanizado de agujeros, abarcando las técnicas de taladrado, escariado, avellanado y mandrinado. Aprenda cómo funciona cada técnica, sus ventajas únicas y cuándo utilizarlas. Prepárese para descubrir los secretos de la creación de orificios perfectos en materiales sólidos.
El mecanizado de agujeros es un proceso conocido, pero ¿cuáles son las diferencias entre taladrado, escariado, avellanado y mandrinado? Permítame que se lo explique hoy.
El taladrado es el proceso inicial de creación de orificios en materiales sólidos, normalmente con diámetros inferiores a 80 mm. Existen dos métodos de perforaciónEl primero consiste en hacer girar la broca, mientras que el segundo hace girar la pieza. Los errores producidos por estos dos métodos difieren.
En el método de rotación de la broca, debido a los bordes de corte asimétricos y a la rigidez insuficiente de la broca, ésta puede desviarse, provocando que la línea central del agujero quede torcida o no recta, pero el diámetro del agujero permanece invariable.
Por el contrario, cuando la pieza gira, la desviación de la broca puede provocar un cambio en el diámetro del orificio, aunque la línea central permanece recta.
Las herramientas de perforación más comunes son brocas helicoidalesLas brocas helicoidales son las más utilizadas, con diámetros que oscilan entre 0,1 y 80 mm.
Debido a limitaciones estructurales, las brocas tienen poca rigidez a la flexión y a la torsión, y poca capacidad de centrado, lo que da como resultado una baja precisión de perforación, normalmente entre IT13 e IT11; rugosidad superficial también es relativamente alto, generalmente entre Ra 50 y 12,5 μm.
Sin embargo, el taladrado tiene un alto índice de arranque de metal y eficacia de corte. Se utiliza principalmente para agujeros que no requieren gran precisión, como los de los pernos, los del fondo roscado y los de aceite.
Los orificios que requieren una mayor precisión y calidad superficial deben acabarse con procesos posteriores como escariado, avellanado, mandrinado o rectificado.
El escariado es el proceso de mecanizado posterior de orificios pretaladrados, fundidos o forjados para aumentar el diámetro y mejorar la calidad del orificio. El escariado puede servir como operación previa al mecanizado de precisión o como proceso final para orificios con requisitos menos estrictos. Los escariadores son similares a las brocas helicoidales, pero tienen más dientes y carecen de filos transversales.
En comparación con la perforación, el escariado presenta las siguientes características:
(1) Los escariadores tienen múltiples dientes (de 3 a 8), lo que proporciona un buen guiado y un corte estable;
(2) Los escariadores carecen de filos transversales, lo que mejora las condiciones de corte;
(3) La tolerancia de mecanizado es pequeña, lo que permite canales de viruta menos profundos y un núcleo más grueso, dando lugar a cuerpos de herramienta más fuertes y rígidos. La precisión del escariado suele situarse entre IT11 e IT10, con valores de rugosidad superficial entre Ra 12,5 y 6,3. El escariado se utiliza habitualmente para agujeros con diámetros inferiores a 100 mm. Cuando se taladran agujeros más grandes (D ≥ 30 mm), es práctica común pretaladrar con una broca más pequeña (de 0,5 a 0,7 veces el diámetro del agujero) y luego escariar hasta el tamaño deseado, mejorando así la calidad y la eficiencia de mecanizado de agujeros.
Además de los agujeros cilíndricos, se pueden utilizar diversos escariadores de formas especiales, también conocidos como avellanadores, para mecanizar agujeros avellanados y aplanar las caras frontales. El extremo delantero de un avellanador suele presentar una columna guía, que se dirige por el orificio ya mecanizado.
El avellanado es uno de los métodos de mecanizado de precisión para agujeros y se utiliza ampliamente en la producción. Para orificios más pequeños, en comparación con el rectificado interior o el mandrinado de precisión, el avellanado es un método más económico y práctico.
Los avellanadores se dividen generalmente en manuales y mecánicos. Los avellanadores manuales tienen un vástago recto con una parte de trabajo más larga, lo que proporciona un mejor guiado, y están disponibles con diámetro exterior integral y ajustable.
Los avellanadores accionados a máquina están disponibles con mango y con manguito. Los avellanadores pueden procesar no solo agujeros redondos, sino también agujeros cónicos con avellanadores cónicos.
La tolerancia de avellanado influye enormemente en la calidad del acabado. Una tolerancia excesiva aumenta la carga sobre el avellanador, embotando rápidamente los filos de corte y dificultando la obtención de una superficie lisa y el mantenimiento de las tolerancias dimensionales. Una tolerancia insuficiente no elimina las marcas dejadas por procesos anteriores, por lo que no mejora la calidad de mecanizado del agujero.
La tolerancia general para el avellanado grueso oscila entre 0,35 y 0,15 mm, mientras que para el avellanado fino oscila entre 0,15 y 0,05 mm.
Para evitar la formación de bordes acumulados, el avellanado se realiza normalmente a bajas velocidades de corte (para alta velocidad acero avellanadores que mecanizan acero y fundición, v < 8 m/min). La velocidad de avance depende del diámetro del orificio que se esté mecanizando; los diámetros mayores requieren velocidades de avance mayores, con velocidades de avance comunes para avellanadores de acero de alta velocidad que mecanizan acero y hierro fundido entre 0,3 y 1 mm/r.
El avellanado requiere el uso de fluidos de corte de refrigeración, lubricación y limpieza para evitar la acumulación de bordes y la eliminación oportuna de las virutas.
En comparación con el rectificado y el mandrinado, el avellanado ofrece una mayor productividad y mantiene fácilmente la precisión del agujero; sin embargo, no puede corregir los errores de posición del eje del agujero, que deben garantizarse mediante el proceso anterior. El avellanado no es adecuado para el mecanizado de agujeros escalonados y agujeros ciegos.
La precisión dimensional del avellanado suele situarse entre IT9 e IT7, con una rugosidad superficial que suele oscilar entre Ra 3,2 y 0,8. Para orificios de tamaño medio con mayores requisitos de precisión (por ejemplo, orificios de grado IT7), la secuencia de mecanizado típica en producción es taladrado-ensanchado-avellanado.
El mandrinado es un proceso de mecanizado que amplía un orificio previamente taladrado con una herramienta de corte. Esta operación puede realizarse tanto en mandrinadoras como en tornos.
Existen tres métodos de perforación diferentes:
a) Rotación de la pieza con avance de la herramienta: Este método se utiliza habitualmente en tornos. El proceso garantiza que el eje del orificio taladrado se alinee con el eje de rotación de la pieza. La dirección redondez del agujero depende principalmente de la precisión de rotación del husillo de la máquina, mientras que el error de forma geométrica axial viene determinado principalmente por la precisión de la dirección de avance de la herramienta con respecto al eje de rotación de la pieza. Este método es adecuado para taladrar agujeros que requieren concentricidad con la superficie cilíndrica exterior.
b) Rotación de la herramienta con avance de la pieza: El husillo de la mandrinadora acciona la herramienta de mandrinar para que gire, mientras que la mesa de trabajo desplaza la pieza hacia delante.
c) Rotación de la herramienta con movimiento de avance: Al utilizar este método, la longitud de proyección de la barra de mandrinar cambia, al igual que la deformación bajo carga, lo que da como resultado un agujero cónico con un diámetro mayor cerca de la caja del husillo y un diámetro menor más alejado. Además, a medida que aumenta la longitud de proyección de la barra de mandrinar, también aumenta la deformación por flexión causada por el propio peso del husillo, lo que provoca la correspondiente flexión en el eje del orificio que se está mecanizando. Este método sólo es adecuado para taladrar agujeros cortos.
En comparación con el mandrinado general, el mandrinado con diamante se caracteriza por una menor cantidad de retroceso, un menor avance y una mayor velocidad de corte. Puede lograr una alta precisión de mecanizado (IT7 a IT6) y un acabado superficial muy suave (Ra 0,4 a 0,05). Inicialmente, el mandrinado con diamante se realizaba con herramientas de mandrinar de diamante, pero ahora se utiliza comúnmente aleación duraCBN y herramientas de diamante sintético. Se utiliza principalmente para el mecanizado de piezas de trabajo de metales no ferrosos y también se puede aplicar a piezas de trabajo de hierro fundido y acero.
Los parámetros de corte típicos para el mandrinado con diamante son: cantidad de retroceso de 0,2 a 0,6 mm para el mandrinado de desbaste y de 0,1 mm para el mandrinado de acabado; velocidad de avance de 0,01 a 0,14 mm/r; velocidad de corte de 100 a 250 m/min para hierro fundido, de 150 a 300 m/min para acero y de 300 a 2000 m/min para metales no férreos.
Para garantizar una alta precisión de mecanizado y calidad de superficie en el mandrinado con diamante, la máquina (diamante mandrinadora) deben tener una gran precisión geométrica y rigidez. Los cojinetes del husillo principal suelen utilizar cojinetes de bolas de contacto angular de precisión o cojinetes deslizantes hidrostáticos, y las piezas giratorias de alta velocidad deben estar equilibradas con precisión. Además, el mecanismo de avance debe moverse suavemente para garantizar que la mesa de trabajo pueda realizar movimientos de avance estables y lentos.
El mandrinado de diamante se utiliza ampliamente en la producción en serie para el mecanizado final de orificios de precisión, como orificios de cilindros de motores, orificios de pasadores de pistones y orificios de husillos principales en cajas de husillos de máquinas herramienta. Sin embargo, es importante tener en cuenta que al mecanizar metales ferrosos en el mandrinado con diamante, se deben utilizar herramientas de mandrinar de aleación dura o CBN en lugar de diamante, ya que los átomos de carbono del diamante se enlazan fuertemente con los elementos del grupo del hierro, reduciendo la vida útil de la herramienta.
Las herramientas de mandrinar pueden clasificarse en herramientas de mandrinar de un solo filo y herramientas de mandrinar de doble filo.
En comparación con el proceso de taladrado-expansión-roscado, el mandrinado no está limitado por el tamaño de la herramienta y tiene una gran capacidad para corregir errores. Puede corregir la desviación inicial del eje del orificio mediante múltiples pasadas y mantener una alta precisión posicional con la superficie de localización.
En comparación con el torneado exterior, el mandrinado presenta menor rigidez en el sistema de barras de herramientas, mayor deformación, mala disipación del calor y condiciones de arranque de viruta, y tanto la pieza como la herramienta experimentan importantes deformaciones térmicas. En consecuencia, la calidad de mecanizado y la eficiencia de producción del mandrinado no son tan altas como las del torneado exterior.
En resumen, el mandrinado tiene una amplia gama de aplicaciones, capaz de mecanizar orificios de diversos tamaños y niveles de precisión. Es casi el método exclusivo para agujeros de gran diámetro y con elevados requisitos de precisión dimensional y posicional. La precisión de mecanizado del mandrinado oscila entre IT9 e IT7, y la rugosidad superficial es Ra. El mandrinado puede realizarse en mandrinadoras, tornos, fresadoras y otras máquinas. tipos de máquinas herramientaLa ventaja de la flexibilidad. En la producción en serie, para mejorar la eficiencia del mandrinado, se suelen utilizar plantillas de mandrinar.
El bruñido es un método de mecanizado de acabado de orificios con una herramienta de bruñido equipada con barras abrasivas (piedras de aceite). Durante el bruñido, la pieza permanece inmóvil mientras la herramienta de bruñido, accionada por el husillo de la máquina herramienta, gira y se desplaza linealmente.
En el proceso de bruñido, los bastoncillos abrasivos ejercen una cierta presión sobre la superficie de la pieza de trabajo, eliminando una capa extremadamente fina de material, lo que da lugar a un patrón rayado en cruz en la superficie. Para que las partículas abrasivas no sigan la misma trayectoria, el número de rotaciones por minuto de la herramienta de bruñido y el número de golpes alternativos por minuto deben ser relativamente primos.
El ángulo de cruce θ del patrón de bruñido está relacionado con la velocidad de vaivén (va) y la velocidad circunferencial (vc) de la herramienta de bruñido. El tamaño del ángulo θ afecta a la calidad y eficacia del bruñido; normalmente, θ se ajusta a 40-60° para el bruñido basto y más fino para el bruñido de precisión. Para facilitar la expulsión de las partículas abrasivas rotas y las virutas, reducir la temperatura de corte y mejorar la calidad del mecanizado, durante el bruñido debe utilizarse abundante líquido de corte.
Para garantizar un mecanizado uniforme de la pared del orificio, la carrera de los palos abrasivos debe extenderse más allá de ambos extremos del orificio. Para garantizar una tolerancia de bruñido uniforme y minimizar el impacto de los errores de rotación del husillo en la precisión del mecanizado, se suele utilizar una conexión flotante entre la herramienta de bruñido y el husillo de la máquina.
Los ajustes de expansión y contracción radial de los palos abrasivos de la herramienta de bruñido pueden ser manuales, neumáticos, hidráulicos y de otras estructuras.
1) El bruñido consigue una gran precisión dimensional y de forma, con una precisión de mecanizado del nivel IT7-IT6. Los errores de redondez y cilindricidad del agujero pueden controlarse dentro de un margen muy estrecho. Sin embargo, el bruñido no mejora la precisión de posición del agujero mecanizado.
2) El bruñido consigue una alta calidad superficial, con una rugosidad superficial (Ra) que oscila entre 0,2 y 0,025μm y una profundidad extremadamente baja de la capa de defectos alterada en la superficie metálica (2,5-25μm).
3) Aunque la velocidad circunferencial de la herramienta de bruñido no es alta (vc=16-60m/min) en comparación con las velocidades de rectificado, la mayor superficie de contacto entre los palos abrasivos y la pieza de trabajo y la velocidad de vaivén relativamente alta (va=8-20m/min) siguen permitiendo que el bruñido mantenga una alta productividad.
El bruñido se utiliza ampliamente en la producción en serie para mecanizar orificios de precisión en cilindros de motores y diversos dispositivos hidráulicos. La gama de diámetros de los orificios suele ser de 5 mm o más, y el bruñido puede procesar orificios profundos con relaciones longitud-diámetro superiores a 10. Sin embargo, el bruñido no es adecuado para el mecanizado de agujeros en piezas de metal no férreo con alta plasticidad, ni puede procesar agujeros con chaveteros o estrías.
El brochado es un proceso de mecanizado de precisión altamente productivo que se realiza en una brochadora utilizando brochas especialmente diseñadas. Existen dos tipos principales de brochadoras: horizontales y verticales, siendo las horizontales las más comunes.
Durante el brochado, la brocha realiza un movimiento lineal lento (el movimiento primario). Por lo general, el número de dientes de la brocha que actúan simultáneamente no debe ser inferior a tres para garantizar la estabilidad; de lo contrario, el corte desigual puede crear ondulaciones en forma de anillo en la superficie de la pieza. Para evitar fuerzas de brochado excesivas que podrían romper la brocha, el número de dientes de corte que trabajan al mismo tiempo generalmente no debe exceder de seis a ocho.
Existen tres métodos distintos de brochado, que se describen a continuación:
1) El brochado capa a capa consiste en cortar secuencialmente el material sobrante de la pieza capa a capa. Para facilitar rotura de virutasEn este método, los dientes de la brocha se rectifican con ranuras rompevirutas entrelazadas. Las brochas diseñadas para este método se denominan brochas planas.
2) El brochado por segmentos se caracteriza por que cada capa de la superficie mecanizada es cortada por un grupo de dientes de tamaño similar y escalonados (normalmente de 2 a 3 dientes por grupo). Cada diente sólo elimina parte de una capa de metal. Las brochas diseñadas para este método se denominan brochas rotativas.
3) El brochado combinado combina las ventajas del brochado por capas y por segmentos. La parte de desbaste utiliza el brochado por segmentos, mientras que la parte de acabado utiliza el brochado por capas. Esto no sólo acorta la longitud de la brocha y mejora la productividad, sino que también consigue una mejor calidad superficial. Las brochas diseñadas para este método se denominan brochas combinadas.
1) Las brochas son herramientas de varios filos que pueden realizar secuencialmente el desbaste, el acabado y el bruñido de un orificio en una sola pasada de brochado, lo que se traduce en una gran eficacia de producción.
2) La precisión del brochado depende principalmente de la exactitud de la brocha. En condiciones normales, el brochado puede alcanzar tolerancias de IT9 a IT7, con una rugosidad superficial (Ra) que alcanza de 6,3 a 1,6 μm.
3) Durante el brochado, la pieza se autolocaliza mediante el orificio que se está mecanizando (la parte delantera de la brocha sirve como elemento de posicionamiento), lo que dificulta garantizar la precisión posicional del orificio con respecto a otras superficies; para las piezas giratorias que requieren concentricidad entre las superficies interior y exterior, a menudo se realiza primero el brochado, seguido del mecanizado de otras superficies basándose en el orificio como referencia.
4) Las brochas pueden mecanizar no sólo agujeros redondos, sino también agujeros perfilados y agujeros estriados.
5) Las brochas son herramientas de tamaño fijo con formas complejas y costes elevados, lo que las hace inadecuadas para el mecanizado de grandes orificios.
El brochado se utiliza habitualmente en la producción en serie para mecanizar orificios pasantes en piezas pequeñas y medianas con diámetros comprendidos entre 10 y 80 mm y profundidades de orificio no superiores a cinco veces el diámetro.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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