Chuck (ingeniería)

Una pinza, un tipo de mandril, es un manguito con una superficie interior (normalmente) cilíndrica y una superficie exterior cónica . La pinza se puede comprimir contra un cono compatible, de modo que su superficie interior se contrae hasta un diámetro ligeramente menor, sujetando así la herramienta o pieza de trabajo que se desea sujetar con seguridad. Generalmente, esto se logra con una pinza de resorte, fabricada en acero para muelles , con una o más ranuras a lo largo de su longitud que permiten su expansión y contracción. Un diseño alternativo de pinza consiste en varios bloques de acero cónicos (esencialmente bloques patrón cónicos ) mantenidos en posición circular (como las puntas de una estrella o las mordazas de un mandril) mediante un material 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 mandril de pinza.

Independientemente del diseño de la pinza, el principio de funcionamiento es el mismo: la pinza se comprime radialmente contra la herramienta o pieza a sujetar, generando una alta fricción estática . En condiciones adecuadas, la sujeción es bastante segura. Casi todos los mandriles de pinza logran la compresión radial mediante el desplazamiento axial de uno o más pares de superficies cónicas macho-hembra, lo que produce la compresión radial de forma altamente concéntrica. Según el diseño de la pinza, esta puede introducirse en un receptáculo cónico mediante tracción (a través de una sección roscada en la parte posterior) o empuje (a través de una tapa roscada con un segundo cono). Al introducirse la pinza en el receptáculo cónico, esta se contrae, sujetando el contenido del cilindro interior. (Sin embargo, el movimiento axial de los conos no es obligatorio; un casquillo partido comprimido 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 consigue en la medida en que los diámetros del casquillo sean perfectos para el objeto que se sujeta. Por lo tanto, esto solo es común en contextos de talleres de herramientas, como la creación y configuración de utillaje para máquinas herramienta).

Una de las consecuencias de la acción cónica es que las pinzas pueden desplazar ligeramente la pieza axialmente al cerrarse. Los sistemas de mandriles de pinza que no impiden este desplazamiento se denominan a menudo mandriles de pinza con desplazamiento, en contraste con los sistemas que lo evitan, generalmente empujando el anillo de cierre cónico hacia la pinza en lugar de tirar de ella hacia el anillo. Estos tipos sin desplazamiento se denominan a menudo mandriles de pinza de "longitud muerta" o "sin desplazamiento". El desplazamiento no siempre es un problema, pero evitarlo puede ser útil en algunos trabajos donde no tenerlo en cuenta podría resultar en imprecisiones en la longitud total de la pieza, la longitud de los hombros, etc.

Las pinzas de sujeción se encuentran comúnmente en fresadoras , tornos , routers para madera , rectificadoras de precisión y ciertas herramientas eléctricas portátiles, como amoladoras de troqueles y herramientas rotativas . Existen muchos sistemas diferentes; algunos ejemplos comunes son los sistemas ER , 5C y R8 . También se pueden conseguir pinzas de sujeción compatibles con casquillos cónicos Morse o Brown & Sharpe .

Por lo general , las pinzas de sujeción ofrecen mayor precisión que los mandriles autocentrantes y requieren menos tiempo de preparación que los mandriles de mordazas independientes. La desventaja es que la mayoría de las pinzas solo admiten un tamaño de pieza. Una excepción es la pinza ER, que suele tener un rango de trabajo de 1 mm (aproximadamente 0,04 pulgadas).  

Las pinzas de sujeción suelen estar diseñadas para sujetar piezas cilíndricas, pero también existen modelos para piezas cuadradas, hexagonales u octogonales. Si bien la mayoría de las pinzas son de acero templado, existen pinzas de emergencia que el usuario puede mecanizar para obtener tamaños o formas especiales. Estas pinzas están disponibles en acero, latón o nailon. También existen pinzas escalonadas que se pueden mecanizar para sujetar piezas cortas de mayor tamaño que la capacidad de las pinzas convencionales.

Desarrollado por Bosch en 1975 para taladros percutores , el sistema SDS utiliza un vástago SDS , que es un vástago cilíndrico con muescas para ser sujeto por el portabrocas. ^{[ 4 ]} Se inserta una herramienta en el portabrocas y se bloquea en su lugar hasta que se libera el bloqueo. La fuerza de rotación 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 percutor la mueve hacia arriba y hacia abajo dentro del portabrocas. Dos bolas con resorte encajan en ranuras cerradas, permitiendo el movimiento mientras retienen la broca. Existen cuatro tamaños estándar con diferentes diámetros de vástago:

El mecanizado de producción comercial ahora utiliza mandriles cada vez más avanzados que no solo tienen posicionamiento indexable, sino también sujeción indexable. ^{[ 9 ]} Ambas funciones suelen estar controladas hidráulicamente . La sujeción se realiza a menudo con cada par de mordazas, que consta de una mordaza fija y una mordaza móvil (accionada hidráulicamente), de forma similar a las mordazas de fresado avanzadas . Este método de sujeción traslada la alta precisión y repetibilidad de dichas mordazas a una aplicación de sujeción. Estos mandriles ofrecen la precisión de centrado de los mandriles tradicionales de mordazas independientes con la velocidad y facilidad de sujeción de los mandriles de espiral autocentrantes de tres mordazas tradicionales. Tienen un coste inicial elevado (en comparación con los mandriles tradicionales), pero este coste inicial se amortiza y luego reduce los costes marginales continuos en entornos de producción comercial en serie.

Actualmente también es posible construir mandriles CNC en los que la posición y la presión de sujeción de cada mordaza se controlan con precisión mediante CNC, a través de un sistema de posicionamiento en bucle cerrado y monitorización de la carga. En esencia, cada mordaza constituye un eje CNC independiente, una corredera con husillo , y las cuatro o seis pueden funcionar de forma coordinada. Si bien esta idea resulta interesante desde el punto de vista conceptual, los sistemas de sujeción más sencillos mencionados en el párrafo anterior probablemente sean la opción más popular en la mayoría de las aplicaciones, ya que ofrecen las mismas prestaciones mediante una solución más simple y económica.

Utilizado para sujetar piezas ferromagnéticas , un mandril magnético consta de una superficie de imán permanente centrada con precisión . Los electroimanes o imanes permanentes se ponen en contacto con placas ferrosas fijas, o piezas polares , contenidas en una carcasa. Estas piezas polares suelen estar al ras de la superficie de la carcasa. La pieza que se va a sujetar forma el cierre del circuito magnético sobre dichas placas fijas, proporcionando un anclaje seguro para la pieza.

Comúnmente utilizado para sujetar obleas de silicio durante los procesos de litografía, un soporte electrostático consta de una placa base metálica y una fina capa dieléctrica; la placa base metálica se mantiene a un alto voltaje con respecto a la oblea, de modo que una fuerza electrostática la sujeta firmemente a ella. Los soportes electrostáticos pueden tener clavijas o mesas, cuya altura se incluye en el espesor dieléctrico indicado; un diseño del Laboratorio Nacional Sandia utiliza un dieléctrico de dióxido de silicio con un patrón para formar las clavijas. ^{[ 10 ]}

Un plato de vacío se utiliza principalmente para materiales no ferrosos, como cobre, bronce, aluminio, titanio, plásticos y piedra. En este tipo de plato, se bombea aire desde una cavidad situada detrás de la pieza de trabajo, y la presión atmosférica proporciona la fuerza de sujeción. El vacío genera una presión de sujeción de 14,7 psi (101 kPa) a nivel del mar, que disminuye a mayor altitud, 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.  

• Un mandril roscado puede enroscarse en el cuerpo del mandril.
• Se puede insertar a presión un mandril cónico (con un cono autoajustable ) en el cuerpo del mandril.
  • La extracción y la inserción pueden requerir diversas herramientas o métodos:
    • Herramientas: tornillo de banco (especialmente con una plantilla de madera o una mordaza blanda hecha para este fin); martillo (especialmente un martillo que no dañe o un mazo de goma); prensa de husillo o prensa de taller (estas dos últimas requieren habilidad para evitar dañar el mandril).
    • Métodos: calentamiento (mediante pistolas de calor , sopletes u hornos) y enfriamiento (mediante congeladores de cocina, condiciones climáticas invernales o descompresión de aire comprimido o nitrógeno).
• Un portabrocas puede tener un cuerpo hueco que se enrosca directamente en la rosca del husillo del torno. (Estos son bastante raros, sobre todo hoy en día).

• Una placa trasera roscada puede atornillarse a un husillo roscado (para trabajos de torno) o a una placa adaptadora con el mismo tipo de husillo, para montarla en la mesa de fresadoras o rectificadoras de superficies . Este tipo de montaje con husillo roscado era el método típico desde el siglo XIX hasta la década de 1930. Es sencillo y útil, pero el grado de control de la concentricidad no es lo suficientemente bueno como para ser infalible en trabajos de alta velocidad y alta precisión (si bien se puede lograr alta precisión, el tiempo y la habilidad necesarios para su configuración lo convierten en una mala opción ahora que existen mejores alternativas, como los husillos con bloqueo de leva que se describen a continuación). Los husillos roscados todavía se fabrican en máquinas herramienta nuevas, pero solo en las de gama baja (para aficionados, mantenimiento, reparación y operaciones de bajo costo, etc.). La fabricación de alto capital (donde un alto gasto inicial produce el menor costo unitario posible para volúmenes de piezas de alta precisión de medio a alto) se ha alejado de este tipo de montaje. El concepto de ajuste exacto (Set-Tru) es una forma de lograr una alta concentricidad en las puntas de husillo roscadas con un grado relativo de facilidad.
• En tornos pequeños, una solución común consiste en un extremo del husillo con brida ancha y un registro circular concéntrico en relieve que encaja en un hueco del mandril o su placa posterior. El registro suele ser poco profundo, de lados paralelos y se inserta a presión en el registro hembra del mandril. Este se sujeta con tornillos que atraviesan orificios pasantes que no afectan a la alineación, la cual se garantiza completamente mediante el registro. Este sistema ofrece una excelente repetibilidad, pero resulta lento en entornos de producción.
• Una placa trasera con cono hembra (autoliberable) puede asentarse sobre el cono macho correspondiente de la punta cónica del husillo (para trabajos de torno) o de una placa adaptadora con la misma punta, para ser montada en una mesa. Este sistema mejora la repetibilidad de la concentricidad de montaje hasta un valor de desviación total indicada (TIR) ​​muy pequeño. Subtipos:
  • El mandril se puede sujetar contra el cono con un anillo de retención roscado (una tuerca grande y delgada ), que normalmente se aprieta con una llave de gancho o de pasador. El auge de la popularidad de este tipo de punta de husillo se produjo en las décadas de 1940 y 1950.
  • El mandril se puede sujetar contra el cono mediante postes de bloqueo de leva que se encajan en una posición fija. Los diseños de punta de husillo estándar de la industria permiten una amplia intercambiabilidad . Este sistema de punta de husillo con bloqueo de leva reemplazó a los sistemas anteriores en la mayoría de las máquinas herramienta en la década de 1960.

• Para los portapinzas montados en placas de soporte, se pueden aplicar todos los métodos descritos anteriormente.
• Muchos tornos que utilizan mandriles de pinza cuentan con sistemas de cierre de pinza específicos , donde no hay placa trasera y el husillo contiene el cono hembra para el cono exterior macho de la pinza, o un manguito que la sujeta. Una barra de tracción hueca atraviesa el cabezal hasta su parte posterior, donde se monta un mecanismo de cierre. Este último permite una apertura y cierre fáciles y rápidos de la pinza. El diámetro interior de la barra de tracción determina la capacidad de diámetro de barra que puede soportar el torno a través del husillo. Algunos sistemas de cierre de pinza incluso permiten abrir y cerrar sin detener la rotación del husillo. El mecanismo de cierre en un torno manual puede ser de palanca o de volante. En un torno CNC, el mecanismo de cierre es motorizado (eléctrico, hidráulico o neumático) y puede controlarse mediante diversos medios: un pedal que el operario acciona cuando lo desea; una línea en el programa (para abrir y cerrar bajo control programable); o un botón en el panel de control.

A principios del siglo XX, Arthur Irving Jacobs desarrolló el portabrocas moderno. Tras lastimarse los nudillos con uno de los antiguos portabrocas de ajuste con llave, desarrolló un portabrocas cuyas mordazas se movían axialmente en ranuras inclinadas. Su patente de 1902 detalla el mecanismo. ^{[ 19 ]} Si bien el término "portabrocas" no fue acuñado por él, su nuevo tipo de portabrocas reemplazó hace tiempo a cualquier modelo anterior que careciera del movimiento angular de las mordazas y del manguito exterior que ahora se encuentran en todos los portabrocas comunes.