Fabricar engranajes con la precisión y la calidad requeridas es un desafío complejo. Sin los procesos adecuados, los engranajes pueden fallar prematuramente o no funcionar según las especificaciones.
Elegir el proceso de fabricación de engranajes incorrecto puede generar mayores costos, demoras y clientes insatisfechos.
En esta publicación, analizaremos los procesos clave de fabricación de engranajes, incluidos el conformado, el mecanizado, el acabado y el tratamiento térmico. Aprenderá las ventajas y desventajas de técnicas como el tallado con fresa madre frente al conformado, la carburación frente al templado, y más.
Formación de engranajes
Casting
En la fundición, el metal fundido se vierte en una cavidad de molde que define la forma del engranaje. Diversas técnicas de fundición, como la fundición en arena, la fundición a la cera perdida y la fundición a presión, pueden producir engranajes con una forma casi final. La fundición permite formar formas complejas, pero la precisión dimensional y el acabado de la superficie suelen ser inferiores en comparación con los procesos de mecanizado.
Forja
La forja permite formar engranajes mediante la deformación plástica de piezas de metal calentadas mediante el uso de alta presión en matrices. El proceso de forja se puede realizar en matrices abiertas o cerradas, y estas últimas proporcionan un mejor control dimensional. Los engranajes forjados tienen una microestructura de grano fino con una resistencia y una tenacidad superiores a las de los engranajes fundidos. A menudo se necesita un mecanizado adicional después de la forja para lograr la geometría y las tolerancias finales del engranaje.
Extrusión
En el conformado por extrusión, el metal se introduce a presión a través de una abertura de matriz para crear un perfil de engranaje continuo. El perfil de engranaje extruido se corta posteriormente al ancho de cara requerido. La extrusión permite producir eficientemente engranajes largos y delgados, como ejes estriados. Esto genera un patrón de flujo de grano favorable y elimina las soldaduras transversales, lo que se traduce en una alta resistencia y propiedades uniformes del material.
Metalurgia de polvos
La pulvimetalurgia (PM) implica compactar polvo metálico en una matriz a alta presión para formar un compacto “verde”, que luego se sinteriza a temperaturas elevadas para unir las partículas. La PM puede producir engranajes con forma neta o casi neta con poco o ningún mecanizado. Permite utilizar composiciones de aleación únicas y puede formar engranajes con ejes o cubos integrados. Los engranajes de PM tienen buena precisión dimensional y acabado superficial, pero pueden tener menor resistencia que los engranajes forjados.
Mecanizado de engranajes
Los procesos de mecanizado de engranajes cortan el perfil de los dientes de un engranaje en bruto para lograr la geometría, las dimensiones y la calidad superficial requeridas. El mecanizado permite producir engranajes externos o internos, estrías, cremalleras y otros tipos de engranajes, tanto metálicos como no metálicos.
Generación de engranajes vs. corte de formas
Generación de engranajes
En los procesos de generación, el perfil de los dientes del engranaje se genera progresivamente mediante un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo que simula la acción de engrane de un par de engranajes. La herramienta tiene un perfil especialmente diseñado que corresponde al espacio entre los dientes del engranaje. A medida que la herramienta gira y se traslada en relación con la pieza de trabajo, corta gradualmente toda la profundidad del espacio entre los dientes. El tallado y el conformado son ejemplos de procesos de generación. La generación puede producir engranajes tanto externos como internos, generalmente con perfiles evolventes.
Corte de formas de engranajes
Los procesos de corte de formas utilizan una herramienta con un perfil que coincide con la geometría completa del espacio entre dientes. La herramienta se introduce linealmente en la pieza de trabajo para cortar toda la profundidad del diente en una sola pasada, sin ninguna rotación entre la herramienta y la pieza de trabajo. El brochado y algunas operaciones de fresado son ejemplos de corte de formas. El corte de formas es adecuado tanto para perfiles de engranajes evolventes como no evolventes, y puede producir engranajes externos o internos.
Procesos comunes de mecanizado de engranajes
Cojeando
El tallado con fresa madre es uno de los procesos de fabricación de engranajes más utilizados, especialmente para engranajes cilíndricos. En el tallado con fresa madre, se introduce una fresa madre (herramienta de corte) a lo largo del ancho de la cara de una pieza bruta de engranaje mientras tanto la fresa madre como la pieza bruta giran en un movimiento sincronizado. La fresa madre tiene dientes de corte helicoidales que generan progresivamente el perfil de los dientes del engranaje y avanzan sobre la pieza de trabajo con cada pasada. El tallado con fresa madre puede producir engranajes tanto externos como internos con alta precisión y eficiencia.
Conformación
El conformado de engranajes utiliza una fresa de piñón alternativo para generar los dientes. La fresa, que consiste en una cremallera, está montada sobre un cabezal y corta la pieza bruta del engranaje a medida que este se mueve linealmente hacia arriba y hacia abajo. Simultáneamente, la pieza de trabajo gira para permitir que la fresa cree el perfil completo del diente. El conformado es ideal para engranajes rectos y helicoidales, tanto externos como internos, especialmente para diámetros grandes y pasos gruesos difíciles de tallar.
brochado
El brochado es un proceso de mecanizado que utiliza una herramienta de corte larga y de múltiples dientes llamada brocha para eliminar material en una sola pasada. En el caso de los engranajes, el brochado se utiliza principalmente para cortar estrías internas o dientes de engranajes. La brocha se tira o se empuja a través del orificio premecanizado en la pieza bruta del engranaje, y cada diente de la brocha corta progresivamente el perfil del engranaje. El brochado ofrece una alta productividad y consistencia, pero está limitado a geometrías de engranajes más simples.
Fresado
El fresado de engranajes implica el uso de una fresa de varios dientes para mecanizar los dientes del engranaje. La fresa, que tiene un perfil que coincide con el espacio entre los dientes del engranaje, gira a medida que avanza por la cara de la pieza bruta del engranaje. Se utiliza un indexado para girar la pieza bruta a la posición correcta para cada espacio entre los dientes. El fresado es versátil y puede manejar engranajes más grandes y geometrías de dientes más complejas que el tallado o el conformado. Sin embargo, generalmente es más lento y menos económico para la producción de gran volumen.
Procesos de acabado de engranajes
Rectificado
El rectificado de engranajes es un proceso de mecanizado abrasivo que se utiliza para mejorar la precisión de los engranajes, el acabado de la superficie y reducir el ruido. El rectificado corrige las distorsiones provocadas por el tratamiento térmico y elimina las muescas o rebabas. Los dos métodos principales son el rectificado de forma, que utiliza una rueda perfilada para rectificar toda la forma del diente a la vez, y el rectificado de generación, en el que la rueda de rectificado atraviesa la pieza bruta del engranaje giratorio para generar el perfil del diente. El rectificado es crucial para los engranajes de precisión que se utilizan en aplicaciones exigentes.
Lapeado
El lapeado es un proceso de abrasión a baja velocidad y baja presión que mejora el acabado de la superficie y elimina pequeñas imperfecciones en los dientes de los engranajes. El engranaje se hace funcionar engranado con un engranaje maestro o compuesto de lapeado a bajas velocidades para pulir las superficies de los dientes. El lapeado puede corregir pequeños errores en el perfil, el espaciado y el avance de los dientes. A menudo se utiliza después del tratamiento térmico para lograr la calidad de superficie requerida y reducir el ruido de los engranajes.
Bruñido
El bruñido de engranajes es un proceso de acabado fino que utiliza piedras o anillos abrasivos para mejorar el acabado de la superficie, eliminar muescas o rebabas y corregir pequeñas irregularidades en el perfil de los dientes. La herramienta de bruñido se hace funcionar engranada con el engranaje giratorio a bajas velocidades y con una presión ligera. El bruñido es similar al lapeado, pero utiliza abrasivos fijos en lugar de compuestos sueltos. Se emplea habitualmente para lograr superficies muy lisas y tolerancias ajustadas.
Afeitado
El afeitado es una operación de acabado de engranajes que elimina una pequeña cantidad de material para mejorar la precisión de los dientes y el acabado de la superficie. Se hace pasar una fresa de afeitar endurecida y rectificada, similar a una cremallera, engranada con la pieza bruta del engranaje giratorio bajo una ligera presión. La fresa tiene dientes dentados que cortan una fina capa de metal, corrigiendo errores en el espaciado de los dientes, el paso y el perfil. El afeitado se realiza a menudo después del tratamiento térmico pero antes del rectificado.
Bruñido
El bruñido es un proceso de acabado de superficies mediante trabajo en frío que utiliza rodillos o engranajes endurecidos para comprimir y alisar las superficies de los dientes de un engranaje más blando. A medida que la herramienta de bruñido y el engranaje se mueven engranados, la alta presión de contacto deforma plásticamente las irregularidades de la superficie, mejorando el acabado y la durabilidad de la misma. El bruñido también imparte tensiones de compresión residuales que mejoran la resistencia a la fatiga. Se utiliza comúnmente en engranajes no ferrosos o cementados.
Procesos de tratamiento térmico
Carburación
La carburación es un tratamiento térmico de endurecimiento superficial que difunde carbono en las capas superficiales de los engranajes de acero con bajo contenido de carbono. Los engranajes se calientan en un entorno rico en carbono, lo que permite que el carbono se absorba en la superficie. Después del temple, la capa superficial con alto contenido de carbono se transforma en martensita dura y resistente al desgaste, mientras que el núcleo con bajo contenido de carbono permanece resistente y dúctil. La carburación mejora la resistencia, la durabilidad y la resistencia a la fatiga de los engranajes.
Endurecimiento
El endurecimiento es un proceso de tratamiento térmico que aumenta la dureza y la resistencia de los engranajes de acero. Los engranajes se calientan a una temperatura específica (temperatura de austenización) y luego se enfrían rápidamente, generalmente en aceite o agua. Esto transforma la microestructura en martensita dura. El endurecimiento es esencial para que los engranajes soporten altas tensiones y desgaste. Sin embargo, también puede causar distorsiones que pueden requerir procesos de acabado posteriores al endurecimiento.
Temperamento
El revenido es un tratamiento térmico que se aplica después del endurecimiento para aliviar las tensiones internas, aumentar la tenacidad y reducir la fragilidad. Los engranajes endurecidos se recalientan a una temperatura específica por debajo del punto crítico, se mantienen así durante un tiempo determinado y luego se enfrían. El revenido permite que una cantidad controlada de martensita se transforme en martensita revenida, que tiene un mejor equilibrio entre dureza y tenacidad.
