Fundamentos de Fabricación de Engranajes: Guía Experta de Procesos de Producción

El concepto de engranajes existe desde hace tiempo, ya que se encuentran entre los componentes mecánicos más antiguos que siguen siendo relevantes hoy. Ya sea la industria automotriz, el sector aeroespacial, cualquier maquinaria industrial o algo simple como un reloj. Los engranajes son necesarios en todas partes y quizás le gustaría aprender sobre la fabricación de engranajes.

La pregunta es: ¿cómo se fabrican los engranajes?

Prefacio: Proceso de Fabricación de Engranajes

No hay un único proceso para la fabricación de engranajes, ya que requieren diferentes procesos según el tipo y la aplicación.

Generalmente, los engranajes operan en condiciones muy exigentes porque la transmisión de potencia (el propósito real del engranaje) tiene varios requisitos. Primero, los engranajes deben estar en condiciones absolutamente perfectas. Luego, deben ser siempre confiables, tener tensiones residuales mínimas y poca o ninguna posibilidad de propagación de grietas.

Naturalmente, todos estos requisitos son extremadamente difíciles de cumplir. Sin embargo, nadie puede negar su importancia. Por eso la producción de engranajes es un campo altamente especializado con tolerancias limitadas y poco margen de error.

Este artículo le llevará a los fundamentos de la fabricación de engranajes respecto a los materiales comunes para engranajes industriales, los procesos que preparan los engranajes y cómo pueden soportar toda esa carga sin fallar.

Tipos Comunes de Engranajes y sus Aplicaciones

Antes de pasar a los detalles sobre corte y fabricación de engranajes, es importante ver los conceptos básicos. Son diferentes tipos de engranajes y su aplicación y ventajas.

Su aplicación, parámetros de rendimiento y numerosos otros factores juegan un papel importante en el tipo de engranajes que usa. Hay varias formas de caracterizar el tipo de engranaje, pero la mejor y más relevante desde una perspectiva de fabricación es a través de su perfil de dientes.

Aquí están los 5 tipos de engranajes que encontrará:

Engranajes Rectos (Spur Gears)

Imagine mentalmente cómo se ve un engranaje. Hay muchas probabilidades de que esté pensando en un engranaje con dientes rectos. Eso es exactamente un engranaje recto.

El engranaje recto es el tipo más común y tiene múltiples aplicaciones en centrales eléctricas, componentes aeroespaciales, máquinas industriales y mucho más. Los dientes rectos son los más simples de fabricar y soportan altas velocidades y cargas. Sin embargo, producen mucho ruido y no son adecuados para aplicaciones donde se necesitan operaciones suaves.

Además, los engranajes rectos pueden engranar con otros del mismo tipo y engranajes internos/externos. Encontrará engranajes rectos en muchos mecanismos como un simple cremallera/piñón o un sistema planetario.

Su simplicidad significa que es más fácil fabricarlos. Por tanto, le resultará más fácil mantener la precisión durante la producción de engranajes. Los engranajes rectos también tienen poca o ninguna carga axial, por lo que son bastante eficientes para un tren de engranajes donde se quieren minimizar las pérdidas mecánicas.

Engranajes Helicoidales

Los engranajes helicoidales son bastante similares a los rectos, pero vienen con dientes torcidos alrededor de un cuerpo cilíndrico. Esta cualidad les permite trabajar con ejes paralelos y no paralelos fácilmente. Su engranaje, sin embargo, solo funciona con otros engranajes helicoidales del mismo ángulo de hélice (el ángulo de torsión desde el cilindro original).

La mayoría de las aplicaciones de los engranajes helicoidales son las mismas que las de los rectos. Sin embargo, los dientes inclinados juegan un papel enorme en la reducción de la carga de impacto y en hacer las operaciones más suaves. Esto significa menos ruido, pero a costa de la eficiencia. Relativo a los engranajes rectos, un tren helicoidal tendrá más pérdidas y también necesitará cojinetes de empuje debido a la forma.

Desde una perspectiva de fabricación, los engranajes helicoidales son más difíciles que los rectos. Los ángulos de hélice son difíciles de replicar con un rango de tolerancia aceptable bajo. Además, los costos de fabricación y la adición de otros elementos axiales los hacen adecuados para operaciones limitadas.

Engranajes Cónicos (Bevel Gears)

Los engranajes cónicos no son sus engranajes cilíndricos estándar. Vienen en una superficie cónica que permite cambiar la dirección de la transmisión en ejes que se intersectan. Generalmente, los engranajes cónicos trabajan con ángulos de 90°. Sin embargo, puede usarlos en otras configuraciones también.

Aquí hay algunos tipos comunes de engranajes cónicos que puede encontrar en una variedad de aplicaciones:

• Engranajes cónicos rectos
• Engranajes cónicos espirales
• Engranajes cónicos miter
• Engranajes corona
• Engranajes hipoides

Engranajes de Tornillo Sin Fin (Worm Gears)

El sistema de tornillo sin fin es una combinación de dos componentes: una rueda de tornillo y un engranaje con forma de tornillo. Se usan predominantemente en aeroespacial, máquinas industriales, elevadores y dirección de automóviles.

La configuración tornillo-rueda no ofrece mucha velocidad ni eficiencia. Sin embargo, ofrece una característica única requerida para mecanismos de autobloqueo. En muchos casos, el tornillo puede girar la rueda, pero no a la inversa debido a los ángulos del engranaje. Además, otra cosa importante es que los engranajes tornillo-rueda tienen mucha fricción y pueden requerir lubricación continua para operar correctamente.

Cremallera y Piñón

El sistema cremallera-piñón es otra combinación que principalmente trabaja para transformar movimiento rotacional en lineal y viceversa. Los dientes del engranaje pueden engranar con dientes de tipo recto y helicoidal, por lo que puede trabajar tanto en ejes paralelos como en ángulo. Algunas de las aplicaciones más comunes de este sistema son en sistemas de automóviles, balanzas y otros sistemas similares.

Materiales Usados para Producir Engranajes

No hay restricción de material cuando se trata de engranajes. Los más antiguos eran de madera, y puede encontrar engranajes de diferentes materiales en la industria. Desde engranajes industriales grandes de acero o hierro hasta pequeños engranajes de plástico en juguetes. Las combinaciones de materiales son infinitas.

No obstante, los siguientes elementos son los más usados en la fabricación de engranajes y procesos de conformado:

• Hierro fundido
• Acero
• Bronce
• Plásticos

Los engranajes tienen criterios muy específicos para la selección de material. Dependiendo de la aplicación, el material que elija debe tener la resistencia a la tracción y resistencia adecuadas.

Además, el coeficiente de fricción es otra consideración porque los engranajes necesitan contacto constante. Finalmente, también debe seleccionar materiales que sean fáciles de procesar. Un material fuerte con baja fabricabilidad será más difícil de tratar porque la fabricación de engranajes requiere precisión y exactitud extremas.

Los materiales mencionados vienen con el equilibrio perfecto de estas propiedades para sus aplicaciones. Por eso los verá comúnmente en la mayoría de los engranajes.

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Procesos Comunes de Fabricación de Engranajes

La producción de engranajes es bastante complicada debido a la precisión que exige. Hoy, la fabricación de engranajes es una industria en sí misma que depende de múltiples procesos, tanto tradicionales como modernos, para asegurar el equilibrio correcto entre costo, calidad y operaciones.

Aquí hay una lista de procesos comunes de corte y fabricación de engranajes junto con sus aparentes ventajas y desventajas.

1 – Fundición

La fundición es un proceso más simple que se usa predominantemente para preparar brutos o cilindros para engranajes, mientras que los dientes se preparan mediante mecanizado. Sin embargo, es un proceso de fabricación viable para todo el engranaje en muchas aplicaciones debido a su capacidad de producción en masa y relativa facilidad.

Hay, sin embargo, un área donde la fundición es el método de fabricación más preferido en la industria: la producción de engranajes muy grandes. Los métodos de mecanizado y otros métodos de conformado no son tan viables en casos de diámetros grandes. Generalmente, los engranajes grandes son casi siempre de tipo recto. Por tanto, su relativa simplicidad hace que la fundición sea una opción muy buena.

Entre los tipos de fundición más comunes, la fundición en concha, a presión, en arena y en molde permanente son los más comunes para la producción de engranajes. Otros métodos tienen uso limitado en algunas aplicaciones. Sin embargo, los mencionados son los más comunes en la industria.

2 – Forja

Este es otro proceso de conformado que puede darle tanto brutos como engranajes preparados según sus requisitos. La forja es bastante viable en casos donde tiene engranajes relativamente simples.

Teóricamente, la forja es un excelente proceso de fabricación de engranajes para aplicaciones de servicio pesado por una razón simple. La forja requiere tratamiento térmico, lo que significa que el engranaje resultante tendría mejores propiedades de fatiga. Sin embargo, la tremenda fuerza requerida para el proceso de forja limita el tamaño y delgadez de este proceso.

Generalmente, la forja funciona bien para engranajes de 6 a 10 pies de diámetro. Dependiendo del tipo de forja, por ejemplo forja de precisión, puede que necesite o no mecanizar los engranajes al final.

3 – Extrusión y Estirado en Frío

Este es otro proceso de conformado de engranajes que es versátil y más simple. De hecho, la extrusión tiene un menor gasto en herramientas, pero no significa que sea el proceso más económico.

La extrusión, como su nombre sugiere, es el proceso de pasar un perfil de metal calentado a través de una forma predefinida más pequeña. Resulta en una barra de la forma deseada con una superficie exterior endurecida y lisa.

El proceso de estirado en frío es muy similar a la extrusión. Hay dos diferencias: la extrusión empuja el bruto a través de una matriz, el estirado lo tira. La otra diferencia es la temperatura. El estirado en frío no calienta el lingote, aumentando las propiedades mecánicas a expensas del costo.

4 – Metalurgia de Polvos

La metalurgia de polvos es un proceso avanzado que ha hecho avances significativos en años recientes. Hoy, se usa para múltiples procesos de fabricación incluyendo la producción de engranajes.

¿Cómo funciona la metalurgia de polvos? A simple vista, es bastante simple. Sin embargo, hay muchas complejidades involucradas.

Todo comienza con polvo de metal. El primer paso es tomar todo el polvo y darle una forma finalizada que desee. Una vez hecho, el siguiente paso asegura que toda la configuración esté bastante compacta, ya que resultará en mejores propiedades mecánicas. Caliente toda la configuración cuidadosamente y ha terminado.

La metalurgia de polvos es extremadamente eficiente, simple y viable para grandes cantidades. No tiene que preocuparse por post-procesado, ya que el producto estará listo para usar. Sin embargo, los engranajes resultantes no pueden soportar demasiada carga y hay limitaciones de tamaño también.

Además, el costo inicial para cualquier configuración de metalurgia de polvos es bastante alto, lo que la hace inviable para producciones de bajo volumen.

5 – Estampado (Blanking)

El estampado es un proceso muy similar a la extrusión pero con capacidades 3D limitadas. Este proceso de conformado usa chapa metálica para crear la forma deseada con la ayuda de múltiples matrices. Puede producir diferentes tipos de engranajes con el proceso de estampado. Sin embargo, los engranajes rectos dan los mejores resultados.

Hoy, el proceso de estampado de producción de engranajes es usado por múltiples industrias para aplicaciones ligeras. Por ejemplo, equipos de oficina, hidráulica, dispositivos médicos pequeños y otras aplicaciones con bajos requisitos de carga.

6 – Mecanizado de Engranajes

El mecanizado está entre los procesos de fabricación de engranajes más comunes debido a su versatilidad. El mecanizado tradicional era bastante común para el corte y fabricación de engranajes, pero los avances del mecanizado CNC han impulsado su popularidad.

Los siguientes 4 métodos de corte de engranajes son los más comunes en la industria:

Generación por Cremallera (Hobbing)

El hobbing utiliza un dispositivo de corte cónico llamado cremallera (hob). Tanto la cremallera como la pieza giran mientras la cremallera rota alrededor del bruto del engranaje. Hasta ahora, engranajes rectos y helicoidales externos son los únicos productos que puede crear con hobbing.

El proceso es bastante versátil y rápido. También puede aumentar sus tasas de producción procesando múltiples pilas juntas. Sin embargo, requiere más habilidad y precisión.

Mecanizado por Tallado (Shaping)

El tallado es un proceso avanzado de corte y fabricación de engranajes que desarrolla engranajes que el hobbing no puede manejar. El cortador puede ser de cualquier forma como un piñón, forma de cremallera o forma de punta única. Se parece bastante a los engranajes y funciona cortando el bruto en la forma requerida. Puede crear engranajes internos o en racimo con el proceso de tallado.

Brochado (Broaching)

El brochado es quizás el método más rápido de corte por conformado. Se basa en una herramienta de múltiples dientes con cortadores incrustados que van más profundo que sus predecesores. Esto resulta en cortes más pequeños e incrementales que son más fáciles de hacer y dan rápidamente la forma requerida sin comprometer la precisión.

Este proceso de fabricación es típico para engranajes internos, pero puede usarse para hacer dientes externos también. Para eso, necesitará una herramienta especializada para brochado de olla que le permita replicar la misma precisión y eficiencia.

Fresado (Milling)

Este es un método básico de corte de engranajes donde produce dientes de engranaje individuales secuencialmente. Sin embargo, es bastante versátil, especialmente cuando involucra una máquina de fresado CNC. Aunque puede hacer cualquier tipo de engranaje en una fresadora, la precisión de este método deja mucho que desear. Por eso el fresado no es tan común como antes.

Sin embargo, los desarrollos recientes en el dominio CNC y multi-eje han cambiado las cosas. La fabricación de engranajes en máquinas de fresado se está volviendo cada vez más común. Así que las cosas mejorarán aún más con el tiempo.

Post-procesado en Fabricación de Engranajes

Dependiendo del método de fabricación de engranajes que usó, sus engranajes necesitarán algún post-procesado antes de estar 100% listos. Ese post-procesado puede variar desde tratamiento térmico para mejorar características de fatiga hasta corrección dimensional y acabado superficial.

Aquí están los 5 procesos de acabado superficial más comunes en la producción de engranajes:

• Rectificado: Como su nombre indica, el rectificado es un proceso común de acabado que da un acabado liso en toda la superficie. Puede realizarse de forma intermitente o continua, y no afectará los resultados.
• Lapeado: Este proceso es para engranajes sensibles donde se necesita precisión extrema. El lapeado usa pequeñas partículas abrasivas para alisar una superficie a bajas o medias velocidades.
• Bruñido (Honing): Este es otro proceso común que pule la superficie y la hace lisa. Además, también puede corregir algunos errores menores en la geometría de los dientes.
• Afeitado (Shaving): Este proceso elimina capas extremadamente delgadas de la superficie para lograr un perfil liso. El afeitado es generalmente costoso, por lo que rara vez se usa en producción de engranajes.
• Brunido (Burnishing): En esencia, el brunido es el proceso de usar compresión para alisar la superficie.

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La fabricación de engranajes es un campo altamente especializado que requiere precisión y exactitud extremas. Los engranajes son un componente esencial para cualquier sistema mecánico y incluso el más pequeño defecto de fabricación puede tener consecuencias desastrosas. Por eso debe ser cuidadoso con el servicio que seleccione.

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