Torneado fuera de redondo: Una nueva era para la fabricación de transmisiones

La unidad de mecanizado "fuera de redondo" Hyperspeed Oval Turning (HOT) de Weisser permite mecanizado en duro y blando de pistones alternativos para motores de combustión hechos de aluminio y acero, levas endurecidas, perfiles o formas poligonales, y bombas de combustible automotrices, entre otras aplicaciones.

Las transmisiones automotrices continúan avanzando. También continúan usando conexiones de estría y ajuste por contracción para componentes de eje internos. Sin embargo, Reiner Jörg, ingeniero jefe del departamento de I+D del constructor de máquinas herramienta Weisser en el sur de Alemania, dice que los acoplamientos poligonales o conexiones eje-cubo poligonales son una buena alternativa a estos métodos de conexión tradicionales para componentes de transmisión.

"Los acoplamientos poligonales no son nada nuevo", dice. "Diseñados para eliminar problemas comunes de falla asociados con estrías y uniones de eje con chaveta, el sistema poligonal general es un método probado superior para hacer conexiones mecánicas exigentes que son más fuertes, más precisas y tienen una vida útil sustancialmente más larga, porque la distribución efectiva de carga virtualmente elimina el contacto puntual, minimizando fatiga por estrés y distorsión. El polígono tiene una mayor capacidad de par que cualquier otra unión de eje. La transmisión de fuerza y las capacidades de carga están optimizadas y a menudo se puede usar una conexión de eje más corta y se ahorra espacio valioso. Menos masa acelerada en un espacio más pequeño como cajas de cambios contribuye a la eficiencia de combustible mencionada."

Sin embargo, dice que los fabricantes de automóviles aún no han adoptado acoplamientos poligonales para sus transmisiones. Una razón es que las piezas son difíciles de mecanizar. Sin embargo, la tecnología de torneado fuera de redondo de Weisser podría cambiar eso al permitir a los fabricantes tornear formas poligonales terminadas en una sola configuración en una máquina. Tal capacidad puede hacer que el torneado fuera de redondo sea una alternativa más eficiente a los procesos de fresado de perfil y rectificado típicamente usados para producir conexiones de eje-cubo automotrices tradicionales.

Desde su introducción en 1993, el torneado fuera de redondo se ha usado para mecanizado en duro y blando de pistones alternativos para motores de combustión hechos de aluminio y acero, levas endurecidas, perfiles o formas poligonales, y bombas de combustible automotrices. Ahora, Weisser está trabajando en varios proyectos con fabricantes de equipos originales (OEMs) para demostrar cómo una adopción más amplia de este proceso podría hacer factible reemplazar las conexiones de eje-cubo tradicionales con acoplamientos poligonales.

Los ejes poligonales están diseñados para eliminar problemas comunes de falla asociados con estrías y uniones de eje con chaveta. El polígono tiene una mayor capacidad de par que cualquier otra unión de eje. La transmisión de fuerza y las capacidades de carga están optimizadas y a menudo se puede usar una conexión de eje más corta para ahorrar espacio.

Por ejemplo, el sistema de mecanizado fuera de redondo Hyperspeed Oval Turning (HOT) de la compañía es una unidad separada que se integra con la máquina de torneado vertical Vertor de la compañía. Las formas ovaladas o fuera de redondo se producen por la interacción del eje del husillo de la pieza con el eje de avance generador de diámetro de la herramienta.

El filo de corte de la herramienta se mueve en la misma dirección del eje X y perpendicular al eje del husillo de la pieza. El filo de corte puede posicionarse variablemente en este plano nocional para producir contornos radiales y frontales o redondez fuera de redondo hemisférica. Weisser usa accionamientos lineales en lugar de tornillos de bolas para acelerar las unidades de torneado ovalado.

El poder del accionamiento dinámico es parcialmente requerido para la aceleración de la masa y parcialmente requerido como la fuerza que actúa en el filo de corte de la herramienta durante el mecanizado. La herramienta de corte puede ser acelerada en un movimiento oscilante radial por tanto como 130 Gs. Este nivel de aceleración es tan extremo, incluso para los CNCs más recientes de Siemens y Bosch Rexroth, que la mayoría de las aplicaciones involucran aceleraciones de solo 30 a 90 Gs.

"Para una redondez fuera de redondo dada, el rpm máximo permitido de la pieza está relacionado con la aceleración máxima del filo de la herramienta, como se produce por el accionamiento oscilante. Una aceleración nominal de 30 Gs facilita la más alta precisión y la generación de un acabado superficial de primera clase", dice Jörg.

El movimiento del filo de corte de la herramienta está en la dirección del eje X y, por lo tanto, perpendicular al eje del husillo de la pieza. El filo de corte puede posicionarse variablemente en este plano nocional para que se puedan producir contornos radiales y frontales o redondez fuera de redondo hemisférica.

A pesar de la alta aceleración nominal, se dice que propiedades especiales de absorción de choque aseguran la precisión limitando la fuerza ejercida en la estructura base de la máquina. "Nuestro sistema compensa las fuerzas de aceleración convirtiendo el trabajo de aceleración en energía cinética, así que las vibraciones de la máquina se eliminan y se logran altas calidades superficiales", explica Jörg. "Debido a la compensación de fuerza de corte integrada, las fuerzas de corte netas (fuerzas pasivas) pueden ser casi completamente neutralizadas."

Uno de los clientes de Weisser fabrica levas poligonales en menos de un minuto en una sola configuración y cuatro pasadas de torneado, incluyendo operaciones de mecanizado de cara y chaflanado. A 1.500 rpm, la unidad de torneado fuera de redondo genera una tasa de avance de 0,1 mm por rotación y una profundidad de corte de 0,8 a 2 mm. Las piezas se terminan con una precisión de ±10 micras.

Otro cliente que ha ido un paso más allá que muchos competidores internacionales ya ha integrado un acoplamiento poligonal en una caja de cambios recién desarrollada, usando la tecnología HOT de Weisser. "El cliente reemplazó el eje estriado con un eje poligonal en la séptima marcha, lo que redujo la longitud del eje de 20 a 12 mm ya que el polígono tiene una mayor capacidad de par que cualquier otra unión de eje", dice Jörg. "Así, se puede usar una conexión de eje más corta y se ahorra espacio valioso." El ahorro de espacio ayudó a optimizar la relación de transmisión de la primera marcha, que encontró problemas de fatiga con el diseño original.

Impulsando su tecnología HOT para conexiones eje-cubo poligonales, Weisser ha vendido hasta ahora alrededor de 100 máquinas con una unidad de torneado fuera de redondo integrada. Ahora está ofreciendo su máquina de torneado vertical Vertor C con cambiador de herramientas automático para permitir un mecanizado aún más flexible. Según Jörg, la precisión alcanzable actualmente está limitada por la capacidad del CNC. "Si corres tu máquina a 1.800 rpm y quieres mecanizar tu pieza con una resolución de un grado con nuestra unidad de torneado fuera de redondo, el controlador tiene que manejar 9.180 señales por segundo. Estamos hablando de una resolución en el área de nanosegundos. Ese es el factor limitante. Pero estamos trabajando en limitar aún más estos límites del sistema para mecanizar a nivel de tolerancia de micras."