En el cambiante panorama de la fabricación de engranajes, elegir el método y las herramientas de mecanizado de engranajes más eficientes y precisos resulta fundamental. La pieza, el proceso de producción y el tamaño del lote determinan la elección de la herramienta y el método de fabricación del engranaje.

El mecanizado de engranajes se realiza con el material sin tratar, y su reto es adquirir tolerancias dimensionales estrechas. Una cuidadosa preparación de la fase de temple, aporta una operación de torneado de piezas de gran dureza.

Evolución en el procedimientos de tallado de engranajes

El proceso de mecanizado de engranajes, cambiará drásticamente como consecuencia de la aparición de los vehículos eléctricos, los nuevos diseños de las transmisiones y el aumento de la productividad. El foco se alejará de las máquinas-herramientas de mecanizado de engranajes convencionales y el mecanizado multitarea de engranajes/estriados será la norma a seguir.

El power skiving ocupará el escenario central, dado que sustituirá al conformado, brochado, laminado de estriados y el tallado con fresa madre.

En la actualidad,  estos procesos han ido optimizándose con el control numérico y con herramientas de última generación. Debemos de conocer, cómo son los procesos y procedimientos convencionales en la talla de ruedas dentadas, ya que en muchos talleres se siguen fabricando de está manera. 

Procedimientos de tallado de engranajes

Los procedimientos de tallado de ruedas dentadas consisten, en la utilización de una herramienta de corte para efectuar el tallado de los dientes de los engranajes. Los dientes de los engranajes se mecanizan por fresado, cepillado o conformado con un sinfín y pueden ser acabados por cepillado, bruñido, esmerilado o pulido.

Los procedimientos de producción de engranajes por talla se dividen, a su vez, en dos grandes grupos: procedimientos de talla por reproducción o copia y procedimientos de talla por generación.

Procedimientos de talla por reproducción o copia

En los procedimientos de tallado de ruedas dentadas por reproducción, la forma de corte de la herramienta es una copia exacta de la rueda que queremos fabricar.

Los métodos de talla por reproducción, precisan de un número elevado de herramientas.  Para fabricar ruedas dentadas con el mismo módulo, hace falta una herramienta para cada número de dientes. Esto es debido al hueco interdental que varía entre ellos.

A estas herramientas de corte se las denominan: “cortadores conformadores”.  Generalmente, el cortador tiene la forma exacta del hueco interdental.

Tenemos dos procedimientos, según la máquina herramienta que vayamos a utilizar:

  1. Cepillado.
  2. Fresado.

Cepillado

En el cepillado, la herramienta de corte se encuentra perpendicular, a la dirección del perfil del diente. Tiene la misma forma, que el contorno del hueco interdental, del engranaje que queremos fabricar.

La herramienta, realiza un movimiento de vaivén sobre el cilindro que queremos tallar. Con ello, conseguimos cortar el material correspondiente a un hueco interdental. Después de cada operación, el cilindro base gira un ángulo igual a 1/z de vuelta para poder cepillar el siguiente hueco.

Imagen de una talladora de engranajes por cepillado
Imagen de una talladora de engranajes por cepillado

Video de un tallado de engranajes por cepillado

Fresado

Es un método muy difundido, similar a la talla por cepillado. En lugar de una cuchilla con una forma determinada, se utiliza cómo herramienta una fresa especial estandarizada.

La fresa de módulo, cuyos dientes tienen perfiles idénticos a la forma del hueco interdental que queremos fabricar. Al final de cada operación de fresado la fresa vuelve a su posición inicial y la pieza bruta gira un ángulo igual a 1/z de vuelta para poder fresar el siguiente hueco.

Desventajas de la fresa de módulo

  1. La principal desventaja de este procedimiento es que se necesitan una fresa distinta para cada combinación de módulo y número de dientes. Como es imposible tener un juego de fresas para cada caso, además del elevado precio de una fresa de módulo.
  2. Otra gran desventaja de la fresa de módulo, es la rapidez con la que se desgasta está herramienta. Con esta herramienta, podemos obtener una cierta inexactitud en el tallado.
  3. Este procedimiento, conlleva a una inexactitud en los perfiles conjugados. No es de gran importancia para velocidades pequeñas, pero que es inadmisible para velocidades elevadas.

Juegos de fresas de módulos 

Lo habitual es utilizar juegos de 8 fresas por módulo. Por ejemplo, para tallar las ruedas de 35 a 54 dientes se suele utilizar la misma fresa, debido a la escasa variación de los perfiles.

Así, cada fresa se corresponde con el número menor de dientes de su serie, ya que al aumentar «z» disminuye el hueco interdental. De está manera, evitamos el peligro de que los dientes se aplasten unos con otros, en la transmisión del movimiento. En ocasiones se emplean juegos de 15 a 26 fresas, para dar una mayor exactitud.

 

Fresa de módulo de acero rápido (HSS)
Fresa de módulo de acero rápido (HSS)

 

Video explicativo de la selección de fresas de módulo

Video del tallado de una rueda dentada cónica utilizando un cabezal divisor

 

Las fresas de módulo han avanzado mucho, ya que tenemos sistemas muy eficientes dentro del mecanizado CNC. En los siguientes videos, podemos apreciar, la gran diferencia que tenemos sobre todo en tiempos de fabricación a la hora de fabricar ruedas dentadas en una fresadora.

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Fresa de disco CoroMill 172 del fabricante Sandvik Coromant
Fresa de disco CoroMill 172 del fabricante Sandvik Coromant

Video de la fabricación de ruedas dentadas en una fresadora cnc

En este video, podemos apreciar una fresa de módulo, con insertos de metal duro intercambiables. Para realizar el tallado de ruedas dentadas con está herramienta,  necesitamos que el centro de mecanizado, disponga de un cuarto eje. Este eje, es un eje auxiliar que se acopla en la fresadora y equivale al antiguo plato divisor de una fresadora convencional.

Procedimientos de talla por generación

El procedimiento de tallado de ruedas dentadas por generación o rodamiento, permite aprovechar las propiedades, del perfil del diente del engranaje. Los dientes del perfil de evolvente se pueden tallar de forma sencilla y muy precisa empleando herramientas de perfil rectilíneo.

La herramienta de corte va avanzando a medida que la rueda gira sobre su centro.

Ventaja del procedimiento de talla por generación

Esta es la principal ventaja de este tipo de perfiles, cuya talla puede realizarse con una precisión elevadísima. Da igual cual sea el número de dientes, de esta manera aseguramos un funcionamiento perfecto y silencioso. Existen diversas formas de lograr el perfil del diente: por mortajado con un piñón generador, por tallado con cremallera y por tallado con fresa madre.

Generación con piñón generador

Como los perfiles de evolvente son conjugados entre sí, se pueden generar ruedas dentadas haciéndolas engranar con un piñón generador. La herramienta de corte es una rueda dentada con bordes cortantes a la que se hace rodar sobre la rueda base que se pretende tallar.

Ventajas y desventajas generación con piñón generador

Las ventajas de este procedimiento radican en que la talla es continua (no da lugar a imprecisiones por reposicionado de la herramienta), permite generar engranajes de dentado interior y con una sola rueda-herramienta se pueden fabricar ruedas dentadas de un mismo módulo «m» pero con diferentes números de dientes.

Presenta las desventajas de que el piñón generador es mucho más difícil de elaborar, de conservar y que el más mínimo defecto de la herramienta se reproduce en la rueda. El proceso de talla puede efectuarse de dos formas:

Si la futura rueda dentada se fabrica en un material más blando que la herramienta, girando ambas piezas con la debida relación de velocidades. El piñón generador penetra en la pieza bruta generando el perfil de los dientes de la misma forma que el perfil de la herramienta.

Explicación del proceso de generación con piñón generados

El proceso puede invertirse, manteniendo una de las ruedas fijas y variando la velocidad angular de la otra, para obtener el número de dientes deseado. Este método (poco extendido) se emplea para ruedas dentadas de módulo pequeño. Cuando el material de partida es suficientemente blando puede ser directamente mecanizado en frío, en caso contrario necesita ser precalentado.

Mediante una mortajadora en forma de piñón: estando la rueda parada se da al piñón generador el movimiento de vaivén axial a, al mismo tiempo que la rueda se acerca en la dirección b, en la siguiente imagen lo podemos ver más detenidamente.

Una vez que se ha avanzado la totalidad de los dientes, se para este último movimiento y empieza el giro de ambas ruedas, conservando el movimiento a del piñón, con lo cual se va labrando el perfil de los dientes de la rueda.

El piñón generador y la pieza bruta deben girar manteniendo la relación de velocidades angulares establecida por la relación entre su número de dientes.

La mortajadora, en función del modelo según fabricante, permite la fabricación de las ruedas dentadas rectas exteriores. El tallado se realiza empleando piñón tallador, acoplado al eje de la mortajadora. Este eje tiene movimiento vertical, de modo que va penetrando en la pieza hasta realizar el mecanizado completo del diente.

talladora de engranajes sistema fellows
talladora de engranajes sistema fellows

 

Maquinaria especial para la fabricación de grandes series

Dentadoras Pfauter

Para tallar ruedas dentadas cilíndricas rectas o helicoidales y coronas. Permite la realización del mecanizado de dentados exteriores e interiores de forma simultánea, reduciendo con ello el tiempo de operación y posibles desalineaciones entre dentados exterior e interior. La generación del diente se produce por medio de una herramienta especial, aplicada al husillo de una dentadora de movimiento giratorio continuo.

Para obtener las ruedas dentadas cilíndricas de dientes rectos se debe disponer de movimiento al eje de giro de la fresa de modo que las espiras de la fresa, en contacto con la rueda a dentar, resulten verticales. Por otra parte, el dentado helicoidal se obtiene inclinando el eje de rotación de la fresa de modo que las espiras de la fresa, en contacto con la pieza, resulten inclinadas con el mismo ángulo y el mismo sentido que los flancos a tallar.

Explicación del proceso con dentadora Pfauter

Este sistema también es conocido como generación con fresa madre. Los dientes son de lados rectos, como los de una cremallera, pero el eje del cortador debe desalinearse un valor igual al ángulo de avance de la hélice del tornillo, para cortar dientes rectos (no helicoidales).

Su principal ventaja es que no hay que reposicionar la herramienta lo que da unos resultados de mayor precisión (dientes más perfectos). Este método es el procedimiento de generación de engranajes más extendido.

Para la generación de ruedas de dientes rectos se debe proporcionar al eje de la fresa madre una inclinación α respecto al eje de la rueda a tallar, para contrarrestar la inclinación de la hélice de la fresa. Para generar engranajes con dientes helicoidales se le debe suministrar al eje de la fresa un ángulo igual a (α + β) para además de compensar la inclinación de la fresa proporcionarle a la rueda dentada un ángulo β.

tallado de engranajes rectos
tallado de engranajes rectos
tallado de engranajes helicoidales
tallado de engranajes helicoidales

 

 

Ángulo de inclinación proporcionado a la fresa madre para tallar:

(a) Ruedas dentadas cilíndrico rectas.

(b) Ruedas dentadas cilíndrico helicoidales.

                              

 

Video dentado de una corona para un eje sinfín con sistema Pfauter

 

Fresa madre de acero rápido al cobalto (HSSE)
Fresa madre de acero rápido al cobalto (HSSE)
Fresa Madre CoroMill 176 del fabricante Sandvik Coromant
Fresa Madre CoroMill 176 del fabricante Sandvik Coromant

           

Dentadoras – Mortajadoras Fellows

Se emplean en el mecanizado de ruedas dentadas cilíndricas rectas o helicoidales, con dentado exterior o interior. El principio de funcionamiento es como el de cualquier mortajadora
convencional. La mesa se mueve en sentido longitudinal y transversal, y el plato (donde va ubicada la pieza) también puede girar sobre su propio eje normal a la superficie del plato (caso
de ruedas helicoidales).

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Las mortajadoras del tipo Fellows deben su nombre al creador de esta maquinaria: Edwin R. Fellows. El principio de mecanizado se basa en el movimiento vertical de la herramienta de corte con respecto a la pieza en bruto (que se mantiene estática), de forma que se mecanicen uno a uno los dientes de la pieza a fabricar como si se tratara de una operación de mortajado cualquiera.

video de una mortajadora Fellows

Dentadoras – mortajadoras Maag

Permite el tallado de ruedas dentadas cilíndricas rectas y helicoidales con dentado exterior. El principio de funcionamiento es igual al realizado por la mortajadora. Este sistema también se conoce como generación con cremallera.

En este método de talla se utiliza un cortador en forma de cremallera, de módulo igual al de la rueda a tallar (figura 6). En todo momento el corte se produce debido a un movimiento de vaivén de la herramienta en la dirección del eje de la rueda.

Con la cremallera se generan simultáneamente las dos caras del diente aprovechando la propiedad de la evolvente: todos los perfiles de evolvente son conjugados a una ruleta constituida por un plano móvil, que apoya sobre una base que es la circunferencia primitiva del engranaje, con un perfil solidario que es una línea recta, se pueden generar los engranajes por medio de una cremallera, haciendo que la línea primitiva de ésta ruede sobre la circunferencia primitiva del engranaje.

Proceso de Fabricación con mortajadoras Maag

Para la fabricación, se parte de un disco de radio igual al radio de cabeza del engranaje a generar, se enfrenta éste al cortador y se hace avanzar la herramienta de modo que penetre en el cuerpo de la rueda hasta que su línea media sea tangente a la circunferencia primitiva de referencia de esta última. Luego, después de cada golpe de corte, se hace girar el cuerpo de la rueda ligeramente, al mismo tiempo que se desplaza longitudinalmente la cremallera, tal como lo haría una cremallera real al engranar con la rueda ya acabada.

Este movimiento se repite hasta llegar a completar una distancia igual al paso circular. En ese momento, se habrá completado el tallado de un diente, y se reposiciona la cremallera para proceder al mecanizado del siguiente. De este modo, los flancos de los dientes resultan como envolventes del flanco recto de la herramienta, en su movimiento de rodadura sobre la circunferencia primitiva de referencia.

Este método se emplea con relativa frecuencia, debido a la sencillez del útil de mecanizado ya que es una herramienta de bordes rectilíneos, fáciles de ejecutar y de conservar por sucesivos afilados. Presenta como principal inconveniente que la talla no es continua pues se origina una ligera imprecisión en el tallado debido al movimiento de reposicionado de la herramienta.

Descripción del movimientos de las mortajadoras Maag

En la siguiente figura se indica la manera de proceder durante la talla de engranajes con cremallera:

En la siguiente figura (a) se representa el movimiento inicial de la talla: la herramienta (cremallera) avanza hacia la izquierda y vacía parcialmente algunos huecos, estando parada la rueda base.

Después, la rueda gira y la cremallera avanza para conseguir el movimiento de rodadura de las superficies primitivas, como se indica en la figura (b).

Cuando la herramienta ha avanzado un paso se interrumpe este movimiento, la herramienta se separa y desciende para volver a la posición inicial, como se indica en la figura (c).

Entonces se vuelve a realizar la rodadura de la cremallera y de la rueda, pero habiendo avanzado la rueda, previamente, un paso figura (d).

Este proceso se repite hasta que quedan tallados todos los dientes por la eliminación de los huecos correspondientes.

Figura de los movimientos de un mortajado de dientes rectos
Figura de los movimientos de un mortajado de dientes rectos

En la siguiente figura vamos a ver más claramente como el útil a avanza a lo largo de la rueda pero, a medida que ejecuta su movimiento de vaivén la rueda w gira, evolucionando desde la
posición I a la posición VII, labrando el útil ambos flancos del diente.

Proceso de avance de la herramienta
Proceso del avance de la herramienta

Video tallado de engranajes sistema Maag

 

Dentadoras Gleason

Se utilizan para tallar engranajes cónicos rectos (conocidos como “coniflex”), cónicos espirales y cónicos hipoides.

Los engranajes hipoides son un estilo de engranaje cónico espiral cuya principal varianza es que los ejes de los engranajes coincidentes no se cruzan. El engranaje hipoidal está desplazado del centro del engranaje, lo que permite configuraciones únicas y un eje de gran diámetro. Los dientes de un engranaje hipoide son helicoidales, y la superficie del tono se describe mejor como hiperboloide. Un engranaje hipoidal se puede considerar como un cruce entre un engranaje cónico y un mecanismo sin fin.

El engranaje hipoide tiene una gran superficie de paso con múltiples puntos de contacto. Pueden transferir energía en casi cualquier ángulo. Los engranajes hipoides tienen grandes diámetros de piñón y son útiles en aplicaciones exigentes de torque. La pesada carga de trabajo expresada a través de múltiples dientes deslizantes significa que los engranajes hipoides deben estar bien lubricados, pero esto también proporciona un funcionamiento silencioso y durabilidad adicional.

Engranaje Hipoidal
Imagen de un engranaje hipoidal

Además de estos sistemas también existen sistemas de rectificado de engranajes de última generación con control numérico incorporado, aquí os dejo un videos de estas rectificadoras.

Video de una rectificadora Gleason realizando un rectificado de un engranaje de gran tamaño

En la actualidad existen procesos muy productivos para la producción en serie de engranajes, máquinas especialmente diseñadas únicamente para la producción de estas piezas, aquí os dejo un video de este tipo de máquinas tan productivas.

Video de una máquina de producción de engranajes Gleason modelos Phoenix 280 C y 280 CX 

Video de una máquina de 5 ejes de producción de engranajes hipoidales Gleason Heller CP4000

 

Cálculo de engranajes: ideas esenciales en tus transmisiones mecánicas

Los engranajes son el componente fundamental en un amplio número de mecanismos de control del movimiento, así como en transmisiones mecánicas y electromecánicas. En este apartado recogemos los elementos clave que te ayudarán en la fabricación de engranajes para tus proyectos. Vamos a explicar diferentes apartados como la terminología de los engranajes, fórmulas de engranajes e, incluso, en aspectos relacionados con el diseño de engranajes que te ayudarán a evitar fallos prematuros y a realizar un buen cálculo de engranajes.

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En multitud de aplicaciones, las transmisiones por engranajes se encargan de transferir el par de torsión idóneo desde un elemento motor. Estos sistemas de transmisión son más constantes, fuertes y resistentes. Además, destacan por la gran eficiencia con la que entrega de potencia, limitando las pérdidas de energía debido al menor rozamiento entre sus superficies.

¿Qué tipos de engranajes destacan en la industria hoy en día?

  1. Aquellos que operan sobre ejes paralelos de rotación montados en un piñón: engranajes rectos, engranajes helicoidales, engranajes doble helicoidales, etc.
  2. Aquellos que trabajan sobre transmisiones entre ejes perpendiculares (engranajes helicoidales que se apoyan sobre un tornillo sinfín para la transmisión de par).
  3. Engranajes cónicos cuya transmisión de movimiento es rotatorio sobre ejes concurrentes.  

Conocer cómo operan los distintos engranajes es fundamental a la hora de optar por unos u otros en tus proyectos industriales. Siguiendo esta idea, es fundamental estudiar en profundidad cómo se engrana el engranaje y los flancos del diente del piñón, pensando en diseñar una transmisión suave y rotatoria (manteniendo una relación de velocidad angular constante). Este es el kit de la cuestión dentro del cálculo de engranajes.

Terminología de engranajes

  • Relación de transmisión: Básicamente se trata de la relación entre las velocidades de rotación de dos engranajes conectados entre sí, donde uno de ellos ejerce fuerza sobre el otro. Esta relación surge fruto de la diferencia de diámetros de ambas ruedas, denominándose piñón aquella con un diámetro más reducido. Básicamente, este factor implica una diferencia entre velocidades de rotación de los dos ejes. De esta forma, y teniendo en cuenta el engrane del engranaje y piñón, la relación de transmisión se calcula a partir del número de dientes del engranaje dividido por el número de dientes de su piñón.
  • Diámetro de paso:  Determinado a partir del número de dientes y la distancia central a la que operan los engranajes.
  • Paso base: Paso medido sobre la circunferencia base de generación de la evolvente.
  • Distancia al centro: Equivalente a la suma del diámetro de paso del piñón y el diámetro de paso dividido por dos.  
  • Paso primitivo: Distancia circular desde un punto de un diente de engranaje a un punto del siguiente diente, tomado a lo largo del círculo primitivo. Dos engranajes deben tener el mismo círculo primitivo para engranar entre sí.
  • Paso diametral (o módulo): Una medida normativa del tamaño de los dientes. Se trata del número de dientes por pulgada del diámetro de paso. El incremento en el tamaño de los dientes reduce el paso diametral. Por lo general, los pasos diametrales fluctúan entre 25 y 1.
  • Distancia de montaje (D): Es la distancia entre la intersección del eje del engranaje con la línea del ángulo primitivo y un punto de referencia del engranaje. Respetar esta distancia implica asegurar un correcto montaje y uso de los elementos dentados.
  • Ángulo de perfiles (ángulo de presión): La pendiente del diente de engranaje en la posición del paso diametral. Si el ángulo de presión es 0, el diente es paralelo al eje de la rueda, lo que le convierte en un engranaje de dientes rectos.
  • Ángulo de la hélice: Representa la inclinación del diente en una dirección longitudinal. Siempre que el ángulo de la hélice sea de 0 grados, el diente es paralelo al eje de la rueda, por lo que hablaríamos también de un engranaje de dientes rectos.

Dominar estos conceptos es fundamental para el correcto cálculo de engranes. A continuación, una vez definidas estás cuestiones, podremos determinar los tipos de engranajes que mejor encaja con nuestra transmisión. Es importante que atendamos a las propiedades o particularidades de cada uno.

 

Tabla de módulos de engranajes y pasos estandarizados (UNE 3121)

Tabla de Módulos
Tabla de Módulos

 

Por lo general el diseño y cálculo se realiza sobre estos elementos fundamentales:

  1. Número de dientes (Z): Valor fundamental del engranaje.
  2. Diámetro primitivo (Dp): Otro elemento clave del engranaje y punto de partida para el cálculo de las transmisiones. Su valor se relaciona con el número de dientes (Z) y el módulo del engranaje.
  3. Módulo (M): Este parámetro identifica a un grupo de engranajes y de él se desprenden las dimensiones de los dientes y de todo el engranaje.
  4. Diámetro exterior (De): Es la distancia medida entre las puntas de dos dientes diametralmente opuestos. Su valor depende de (Z), (M) y del ángulo del primitivo.
  5. Paso (P): Es la distancia entre puntos iguales de dos dientes consecutivos medida sobre el diámetro primitivo. Si multiplicamos el paso (P) por (Z) tendremos el valor del diámetro primitivo (Dp).
Diseño de Engranaje Recto
Diseño de Engranaje Recto

 

  • Ángulo de cabeza de diente (Beta): Ángulo medido desde el ángulo primitivo al exterior del engranaje. Este ángulo depende del ángulo primitivo y de (Z).
  • Ángulo de pie de diente (Gama): Valor especificado en tablas en función del ángulo de cabeza de diente.
  • Ángulo primitivo (Alfa): Angulo utilizado para el diseño del engranaje y sobre el que se sitúa el diámetro primitivo (Dp). Su valor se relaciona con la relación de transmisión, siendo 45º para una transmisión de relación 1:1.
  • Distancia de montaje (D): Es la distancia entre la intersección del eje del engranaje con la línea del ángulo primitivo y un punto de referencia del engranaje. Si respetamos esta distancia aseguraremos un óptimo montaje y uso de los dientes.
diseño de engranaje helicoidal
Diseño de un engranaje helicoidal

 

 

Principales fórmulas de engranajes

principales formulas para el calculo de engranajes
Principales fórmulas de engranajes

 

Situaciones que provocan fallos en los engranajes

  1. Insuficiente resistencia a la flexión o fuerza de contacto, lo que provoca roturas en los dientes.
  2. Diseño pobre, fruto de errores de fabricación, lo que provoca una deficiente relación de carga entre 2 o más parejas de dientes de engranajes.
  3. Problemas relacionados con la vibración: Siempre que el paso de base del engranaje y del piñón de acoplamiento sean distintos  al paso de base de operación del par de engranajes, se genera excesiva vibración y ruido. Este deficiente funcionamiento afectará también a la vida útil del engranaje.

 

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