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Seminario mecanica ubbTRANSCRIPT
i
Facultad de IngenieríaDepartamento de Ingeniería Mecánica
Fabricación de engranajes por método de generación continúa adaptando una
fresadora universal con fines didácticos. Seminario de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero de Ejecución en Mecánica.
Profesor Guía:
Sr. Víctor San Juan Ramos
Víctor Pradines Alvarez
Ronald Torres Pino
A Ñ O 20
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RESUMEN
En este seminario de titulo se adaptara una máquina fresadora universal
convencional para la generación continua de engranajes cilíndricos de dientes
rectos mediante un dispositivo de sincronización, el cual coordinará el movimiento
husillo de la máquina fresadora con el cabezal divisor, automatizado mediantes
mecanismos que transmitirán el movimiento de la parte posterior del husillo al
cabezal divisor.
Para poder lograr la salida motriz de la máquina fresadora se extenderá el husillo
en la parte posterior de ésta, la extensión llegara a una lira en la cual se encuentra
un tren de engranajes previamente calculados para la sincronización del cabezal
divisor con el husillo, del tren de engranajes sale un cardan extensible que llega al
cabezal divisor y de este sale otra lira con un tren de engranajes para la
sincronización de la mesa de trabajo.
Se darán a conocer distintos tipos de fabricación de engranajes cilíndricos de
dientes rectos, tanto sin arranque de viruta en el que se tiene procesos como por
fundición, troquelado, pulvimetalurgía y extrusión; como con arranque de viruta que
son los procesos de tallado en los que se encuentran tallado con piñón generador,
tallado con fresa de forma y tallado degeneración por fresa madre.
Otros puntos importantes que se verán, son: Herramienta de tallado de engranajes,
la fresa madre, su forma y su manejo. También se verá la generación de la
envolvente que se produce a medida que la fresa madre va haciendo pequeños
cortes en el material y los parámetros de corte y mecanizado en el fresado por
generación.
Para aclarar la forma de sincronización del sistema se planteara un ejemplo de
cálculos de relación de transmisión para escoger los engranajes a necesitar y la
distribución de estos.
Por último para saber el costo económico del sistema se cotizaran los elementos que involucra este para su fabricación.
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OBJETIVOS
El tema del seminario está enfocado en la fabricación de engranajes cilíndricos
de dientes rectos con el método de generación continua utilizando una maquina
fresadora del taller de mecánica con fines pedagógicos.
Objetivos específicos
Diseñar accesorios para la máquina fresadora del taller de mecánica que
permita la fabricación de engranajes cilíndricos dientes rectos por el método
de generación.
Análisis de costos de fabricación.
Confeccionar una guía de funcionamiento de manera didáctica con el fin de
utilizarla como experiencia de laboratorio.
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INTRODUCCIÓN
Una forma obvia de ahorrar tiempo y costo de producción para la fabricación de
engranajes, seria utilizar un centro de mecanizado de alta velocidad, o fresadoras
CNC con endexadores, platos divisores con programación mediante cad-cam.
Simplemente, para lograr que la producción aumente con más rapidez.
Pero la desventaja de esta forma de producción de engranajes es el alto costo de
implementación, ya que por lo general estas maquinarias se usan para altas
producciones como en la industria automotriz, debido a esto una maestranza
pequeña no tiene la capacidad económica para adquirir un centro de mecanizado,
ya que existen otros métodos de menor costo para la fabricación de engranajes,
uno de estos métodos es utilizando una máquina fresadora universal convencional.
Sin embargo la mejor forma de mejorar la productividad de una máquina fresadora,
es adaptándola a otros métodos de trabajo o mejorar una operación dentro de ella,
sin limitar las operaciones que realiza hasta momento. La sola idea de que una sola
herramienta produzca eficientemente diferentes piezas de una misma especie,
únicamente estaba preparado para los centros de mecanizado y algunas máquinas
para fines especiales.
La administración del herramental y los métodos convencionales (tradicionales)
para el mecanizado de ruedas dentadas hacían del proceso algo artesanal, donde
la máquina dependía obligatoriamente del operador para su correcto
funcionamiento.
Sin duda la reducción del tiempo empleado en el tallado de engranajes significa un
gran ahorro de energía y una disponibilidad de entrega del producto terminado en
el menor tiempo posible, que son factores determinantes a la hora de evaluar el
trabajo en términos de calidad, tiempo y productividad, logrando con ello una mayor
competitividad.
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TABLA DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS.................................................................................................iRESUMEN................................................................................................................. iiOBJETIVOS.............................................................................................................. iiiINTRODUCCIÓN...................................................................................................... iv
CAPÍTULO 1) INTRODUCCIÓN A LOS ENGRANAJES DE DIENTES RECTOS.
1.1) Engranajes de dientes rectos.............................................................................11.2) Tipo de fabricación de engranajes cilíndricos dientes rectos.............................2 1.2.1) Sin arranque de viruta.............................................................................2 a) Fundición.............................................................................................3 b) Troquelado...........................................................................................4 c) Engranajes mediante metalurgia de polvos ........................................4 d) Extrusión..............................................................................................4 1.2.2) Con arranque de viruta............................................................................4 a) Generación con piñón generador........................................................4 b) Tallado por fresa de forma...................................................................5 c) Tallado por generación o por fresa madre...........................................61.3) Reseña del tallado de ruedas dentadas cilíndricas............................................71.4) Ley fundamental de engrane..............................................................................81.5) Perfil de evolvente..............................................................................................81.6) Otros tipos de perfiles.........................................................................................91.7) Engranajes de perfil cicloidal..............................................................................91.8) Comparación y ventajas del perfil del dentado por corte directo y generado.. .11
CAPÍTULO 2) LA FRESA MADRE, SU FORMA, SU MANEJO Y PRINCIPIOS DE
TALLADO POR GENERACION.
2.1) El trabajo de arranque de viruta efectuado por los dientes..............................142.2) Afilado y mantenimiento...................................................................................152.3) Velocidades de corte y avances de la herramienta..........................................172.4) Elección de Fluidos de corte.............................................................................192.5) Generación de la evolvente..............................................................................202.6) Parámetros de corte y mecanizado en fresado por generación.......................22 2.6.1) La velocidad de corte..............................................................................22 2.6.2) El avance................................................................................................22 2.6.3) La profundidad de corte..........................................................................25
2
2.6.4) El tiempo de corte...................................................................................25
CAPÍTULO 3) ADAPTACIÓN DE UNA FRESADORA UNIVESAL PARA LA
FABRICACIÓN DE ENGRANAJES CILÍNDRICOS DE DIENTES RECTOS.
3.1) Características de la maquina fresadora universal a modificar........................273.2) Diseño del aparato divisor automático y elementos de transmisión.................29 3.2.1) Cabezal divisor sincronizado..................................................................29 a) Elección de rodamientos para el sinfín.........................................30 b) Elección de rodamientos para la corona.............................................30 3.2.2) Ejes para engranajes de recambio.........................................................31 3.2.3) Cardan extensible ..................................................................................32 3.2.4) Liras de avance de la mesa longitudinal y cabezal divisor.....................33 a) Calculo de esfuerzos en los pernos de la lira.....................................35 3.2.5) Extensión del husillo principal de la fresadora........................................36 3.2.6) Ruedas de recambio adicionales al juego normal..................................363.3) Funcionamiento del accesorio para fresar con fresa madre.............................38
CAPÍTULO 4) COSTOS PARA LA FABRICACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL
SISTEMA DISEÑADO.
4.1) Cotización de los elementos mecánicos diseñados.........................................40
CAPITULO 5) EJEMPLO PRÁCTICO PARA LA FABRICACIÓN DE UN
ENGRANAJE CILÍNDRICO DE DIENTES RECTOS.
5.1) Cálculo de sincronización del cabezal y divisor y el árbol principal de la fresadora..................................................................................................................445.2) Cálculo de sincronización del cabezal divisor y el tornillo de avance de la mesa longitudinal...............................................................................................................465.3) Montaje de las ruedas calculadas para el tren de avance................................47
CONCLUCIÓN.........................................................................................................49
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CAPITULO 1) INTRODUCCIÓN A LOS ENGRANAJES DE DIENTES RECTOS.
Los engranajes y las transmisiones de engranajes están presentes en muchas de las
máquinas que se pueden hallar tanto en el mundo industrial como en el doméstico.
Los engranajes promueven el movimiento de las ruedas y hélices de los medios de
transporte, ya sea por tierra, mar o aire.
Las ventajas más importantes que poseen las transmisiones mediante engranajes
son:
Transmisión de movimientos de forma continua y constante, entre ejes
paralelos, que se cortan o que se cruzan.
Permiten amplias gamas de velocidades, potencias y relaciones de
transmisión; con altos rendimientos y reducidas dimensiones.
Transmiten grandes esfuerzos con seguridad y larga duración, soportando
sobrecargas importantes y con poco mantenimiento.
1.1) ENGRANAJES DE DIENTES RECTOS.
Engranaje es una rueda o cilindro dentado empleado para transmitir movimiento
giratorio o alternativo desde una parte de una máquina a otra. Un conjunto de dos o
más engranajes que transmiten el movimiento de un eje a otro se denomina tren de
engranajes.
La gran extensión del uso de engranajes como elemento de transmisión en todo tipo
de maquinaria industrial, ha producido que sean múltiples los procesos tecnológicos
aplicados a la fabricación de las ruedas dentadas, buscando siempre economizar
gastos de producción y conservando la calidad de las mismas, esto quiere decir,
no basta con hacer una rueda dentada muy precisa, cueste lo que cueste, sino que
hay que buscar siempre un equilibrio entre coste y las prestaciones que se le van a
exigir a la rueda dentada.
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1.2) TIPO DE FABRICACION DE ENGRANAJES CILINDRICOS DE DIENTES
RECTOS.
1.2.1) Sin arranque de viruta.
a) Fundición:
Por lo general, para fundir engranajes se utilizan los procesos de fundición en arena
seca, en molde permanente, en cáscara, moldeo plástico y a la cera pérdida.
Los métodos para producir engranajes son los mismos que los que se emplean para
fundir otros productos. Los engranajes pesados de hierro fundido y de acero se
producen mediante la fundición en arena. Aquellos producidos por este método,
tienen un pobre acabado superficial y escasa precisión.
Los engranajes pequeños de aleación de base de zinc se producen mediante
fundición a presión, pero solo son adecuados para la transmisión de cargas
pequeñas.
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Figura 1.1 Engranaje fundido.
b) Troquelado:
Este tipo de procedimiento para la obtención de ruedas dentadas tiene aplicación
bastante limitada en el entorno industrial. Normalmente se fabrican así grandes
series de ruedas dentadas de características mecánicas bajas y de limitada
precisión; especialmente demandadas por los sectores jugueteros, fotográficos,
artículos para oficina.
Las principales características de este tipo de proceso son:
Para grandes series de piezas es un proceso extraordinariamente económico, ya
que se puede realizar en troqueles progresivos con velocidades de ejecución
muy altas.
El espesor de las ruedas dentadas es limitados, así como su tamaño.
Se puede aplicar gran cantidad de materiales para su obtención, especialmente
aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre y de acero de bajo contenido en
carbono.
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c) Engranajes mediante metalurgia de polvos:
Este es un proceso de fabricación de engranajes a partir de polvos metálicos
mediante la aplicación de calor y presión con aglutinantes adecuados. Este método
es muy apropiado para trabajar con materiales que es difícil fundir o mecanizar.
Los rotores de las bombas y los engranajes que se utilizan en la industria del
automóvil se fabrican mediante este proceso, se mezcla hierro puro en polvo con
una cantidad calculada de polvo de grafito, se comprime en matrices y se calienta
para obtener engranajes de las dimensiones requeridas. Después, estos
componentes se impregnan con aceite para reducir el desgaste normal y el ruido.
d) Extrusión:
Este proceso es adecuado para fabricar engranajes de aluminio, zinc, y sus
respectivas aleaciones. En este proceso el material caliente que se va a extruir, se
coloca dentro del cilindro y se comprime desde un extremo con un pistón. El otro
extremo tiene un dado con la forma del engranaje. Al presionar, el material con la
forma del engranaje sale del dado. Después se corta el engranaje extruido y
finalmente se termina al tamaño. Este método sólo se utiliza para manufacturar
engranajes rectos.
1.2.2) Con arranque de viruta.
a) Generación con piñón generador
Como los perfiles de evolvente son conjugados entre sí, se pueden generar ruedas
dentadas haciéndolas engranar con un piñón generador, es decir, se emplea como
herramienta de corte una rueda dentada con bordes cortantes a la que se hace rodar
sobre la rueda base que se pretende tallar.
Las ventajas de este procedimiento radican en que el tallado es continuo (no da
lugar a imprecisiones por reposicionado de la herramienta), permitiendo generar
engranajes de dentado interior. Otra ventaja de este procedimiento es que
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aprovechando las propiedades de la evolvente generada, con una sola rueda-
herramienta se pueden fabricar engranajes de un mismo módulo pero con diferentes
números de dientes.
Figura 1.2 Tallado por piñón generador.
b) Tallado con fresa de forma:
Para este método de fabricación se usan herramientas con perfil idéntico al hueco
interdental, además van destalonados para mantener el perfil después del afilado,
por lo demás, la rueda a tallar permanece en reposo durante la operación de corte, y
gira una división exacta equivalente al paso circular de los dientes del engranaje
cuando el hueco ha sido terminado. Los sucesivos giros de división del engranaje a
tallar se efectúan mediante un dispositivo divisor universal.
Como el flanco de los dientes es variable para cada módulo según el número de
dientes de la rueda a tallar, las fresas de forma (o fresas modulo) se agrupan por
series, siendo éstas de ocho para módulos de 1 a 10 y de 15 series para módulos de
11 y mayores.
Aunque los flancos de los dientes para ruedas del mismo módulo varían según el
número de aquellos dientes, la diferencia de forma es muy reducida, disminuyendo
esta diferencia a medida q aumenta el número de dientes.
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El tallado con fresa de forma, tiene inconvenientes debido al proceso operacional del
mismo, dado a que la cantidad de divisiones realizada en el aparato divisor, deben
ser equivalentes a la cantidad de dientes que tenga la rueda dentada, como ésta
operación es manual, éste proceso de manufactura tan sólo se utiliza para fabricar
pequeñas series de ruedas dentadas.
Figura 1.3 Tallado con fresa de forma.
c) Tallado por generación o con fresa madre:
Se trata de un procedimiento continuo, esto por permitir una fabricación continua de
dientes en toda la periferia de la rueda, es decir, sin interrupciones en la operación
de arranque de viruta. La generación del diente se produce mediante una fresa
denominada “fresa madre”, que no es más que una herramienta con forma de tornillo
sinfín con los filetes interrumpidos por ranuras longitudinales destalonadas para
crear aristas de corte y cuya sección, normal a la hélice, reproduce precisamente la
cremallera base de generación del diente.
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Figura 1.4 Tallado por fresa madre.
1.3) RESEÑA DEL TALLADO DE RUEDAS DENTADAS CILÍNDRICAS.
En el tallado de ruedas dentadas en general se distinguen dos métodos: en el que
usa una fresa de módulo (fresa de forma) y el que usa una fresa helicoidal (tornillo-
fresa). En el primer sistema, se tallan sucesivamente los dientes de la periferia por
medio de una fresa de forma o comúnmente conocido como “módulo”. En el
segundo sistema se hace uso de una fresa helicoidal o denominada “fresa madre” (o
también llamada en muchos casos como “creadores”).
El procedimiento de fabricación de engranajes que utiliza la fresa de módulo es el
más antiguo, existiendo una competencia entre dicho procedimiento y el de la fresa
helicoidal. Análisis e investigaciones han certificado que los dos métodos son
efectivos, proporcionando la exactitud adecuada a las exigencias de los controles de
calidad, sin embargo, los dientes fresados con fresas madres dan muy buenos
resultados en la construcción de máquinas y equipos de precisión.
La exactitud otorgada con la herramienta modular (o herramienta de forma) depende
exclusivamente de las habilidades del operador para dar al engranaje fabricado las
terminaciones adecuadas, por el contrario, con la fresa madre, la precisión del
tallado lo determina la correcta sincronización del creador y la pieza para generar los
perfiles exactos.
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El método de talla con fresa madre es una idea antigua, en el año 1856 se concedió
una patente sobre la misma, pero no se llegó a realizar porque en aquel tiempo no
había madurado todavía el concepto de su considerable importancia. Antes de
concretarse la mitad del siglo xx, se había perfeccionado la talla con fresa helicoidal
hasta hacerla practica y precisa, gracias principalmente a los esfuerzos de la casa
Hernann Pfaule, de Chemnitz, Alemania, en cuyas máquinas habían resuelto por
primera vez los problemas que se habían presentados en este sistema.
1.4) LEY FUNDAMENTAL DE ENGRANE.
La ley fundamental del engranaje expresa que la relación de velocidad angular entre
los elementos de una transmisión de engranajes debe permanecer constante en
toda la conexión. Teniendo en cuenta la definición de perfiles conjugados, esta ley
puede formularse también de un modo más formalmente cinemática como sigue: “La
normal común a los perfiles de los dientes, en todos los puntos de contacto dentro
del engranado, deben pasar siempre por un punto fijo de la línea de centros, llamado
punto primitivo”.
1.5) PERFIL DE EVOLVENTE
Interesa encontrar perfiles conjugados que, por una parte, satisfagan la ley general
del engrane y, por otra, sean fáciles de construir. Un perfil que cumple estas
condiciones es el de evolvente, que se emplea en la mayor parte de los engranes.
La evolvente de circulo es una curva tal que el lugar geométrico de los centros de
curvatura de todos sus puntos forma una circunferencia. De forma intuitiva, el perfil
de evolvente se obtiene al desarrollar, manteniéndolo tenso, un hilo de una
circunferencia y dibujar la trayectoria de uno de sus puntos. La circunferencia sobre
la que se desarrolla se denomina Circunferencia Base, o también, evoluta. Conocido
el punto por donde debe de pasar el perfil, se puede calcular por puntos el
correspondiente perfil de evolvente. Se traza la tangente a la circunferencia base
desde el punto (A), se divide en segmentos iguales y se avanza sobre la
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circunferencia base trasladando esos segmentos. Desde cada nuevo punto se traza
la tangente (cada vez con un segmento menos), para acabar uniendo los extremos
de las sucesivas tangentes.
1.5.1) Entre las propiedades de los perfiles de evolvente están:
La línea de engrane es una recta.
Engranan a cualquier distancia entre centros.
Los perfiles de evolvente son fáciles de generar.
Figura 1.5 Circunferencia base del perfil evolvente.
1.6) OTROS TIPOS DE PERFILES
Al construir un par de ruedas dentadas, el perfil del diente de una rueda, en general,
puede elegirse arbitrariamente. En tal caso, el perfil del diente de la otra rueda se
calculará mediante el método general de determinación del perfil conjugado de uno
dado. Las ventajas asociadas al perfil de evolvente que acaban de verse dan lugar a
que éste sea el perfil mayormente extendido; no obstante, pueden encontrarse
también otro tipo de perfiles, aunque en menor medida y en la mayor parte de los
casos orientados a aplicaciones específicas.
1.7) ENGRANAJES DE PERFIL CICLOIDAL.
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La cabeza del diente está trazada por una epicicloide y el pie por una hipocicloide.
Tuvieron una gran difusión hace aproximadamente un siglo, en virtud de la facilidad
para reproducirlos por fundición. No obstante, en la actualidad sólo se emplean en
raras ocasiones para mecanismos especiales.
En estos engranajes el perfil convexo contacta con el cóncavo. Ello hace que la
presión específica en este tipo de contacto sea menor que cuando están en contacto
dos perfiles convexos. Sin embargo, esto mismo les hace ser muy sensibles a las
variaciones en la distancia entre ejes, precisando de un gran ajuste.
Al mismo tiempo, la velocidad de deslizamiento que tiene lugar entre dos dientes de
este tipo es constante en cada una de las zonas del diente; y en ambos casos es
significativamente menor que en el caso de los engranajes de evolvente. Ello da
lugar a un nivel de desgaste del diente también inferior. No obstante, en el punto del
perfil situado sobre la circunferencia primitiva (y que constituye la frontera entre el
perfil cóncavo y el convexo) se produce un cambio brusco de la velocidad de
deslizamiento y, como consecuencia, el quebrantamiento superficial del material
alrededor de ese punto es más probable en un engranaje cicloidal que en uno de
evolvente. Por último, la línea de engrane no resulta ser una línea recta, con lo que
el ángulo de presión varía.
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Figura 1.6 Perfil cicloidal.
1.8) COMPARACIÓN Y VENTAJAS DEL PERFIL DEL DENTADO POR CORTE
DIRECTO Y GENERADO.
El modo en que trabajan los engranajes con perfil de evolvente es muy especial, en
ellos se genera dos superficies convexas que permiten el deslizamiento entre sí
continuamente, de modo que el contacto y la transmisión de los esfuerzos se
verifican en un solo punto. En consecuencia, la presión específica en los dientes
resulta muy elevada, desgastándose con rapidez.
En ruedas de evolvente construidas por corte directo, se presentan en las ruedas
inferiores a 30 dientes el fenómeno de estrangulamiento y debilitación de la base del
diente, provocando una menor resistencia del diente con respecto a la corona del
engranaje. Este estrangulamiento, es mayor a medida que se reduce el número de
dientes no permitiendo transmitir esfuerzos considerables en las ruedas de 12
dientes.
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Sin embargo, las ventajas prácticas favorables del perfil de evolvente especialmente
en su construcción, hacen que hoy en día hagan su preferencia absoluta en la
fabricación y diseño de máquinas de precisión.
Por esta razón, y por otras consideraciones prácticas se ha probado tallar también
con perfil de evolvente las ruedas de reducido número de dientes, de manera que no
se presente tal estrangulamiento explicado, habiéndose logrado buenos resultados.
Pero su desventaja radica en la teoría y en el método de construcción del mismo,
esto porque, la forma del perfil de diente adopta solo y exclusivamente las
dimensiones de la herramienta talladora (fresa modular). Si se analiza un caso
particular: para fabricar un engranaje de módulo 2, la forma y dimensiones tanto
generales como las del perfil dentado dependerán del valor del módulo y del número
de dientes que contenga la rueda dentada, por lo tanto se concluye que para cada
engranaje módulo 2, se tendrá una evolvente generada diferente para cada número
de dientes que se le otorgue, dado a que no existen fresas modulares para tallar
cada condición, éstas herramientas son reagrupadas en series, obligando a los
diseñadores a fabricar herramientas con un perfil promedio que se aproxime a los
perfiles de evolvente teóricos para cada engranaje a tallar, llegando a componer
juegos desde 8 fresas (para módulos de 1 a 10) hasta 15 fresas (para los tamaños
superiores al módulo 11), por este motivo los perfiles dentados de engranajes
fabricados por este tipo de método estrictamente no son los adecuados para una
condición que se requiera.
Por el contrario el método por corte generado y en especial el método de corte por
generación continua con fresa madre es un mecanizado que tiene como herramienta
una fresa en forma de tornillo sin fin, cada fresa madre esta diseñada para cada
módulo y pueden fabricar el mínimo de números de dientes (Nº de dientes igual a 2
teóricamente) hasta el número de dientes infinito (engranaje cremallera) y la ventaja
en cuanto a manufactura de engranajes radica en el labrado de todo los dientes
progresivamente a medida que la pieza avanza, esta forma de tallado de engranajes
se logra debido a la sincronización correcta entre la fresa tornillo y la división del
paso circular del engranaje a fabricar.
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El engranaje tallado por generación tiene exactamente las mismas características
teóricas que un engranaje fabricado por corte directo (ángulo de presión,
dimensiones del dentado, diámetro primitivo, etc.…), su única y gran diferencia
radica solo en el perfil dentado ya que este método labra el diente continuamente
aprovechando las características del perfil generado, la forma de este perfil
dependerá de las dimensiones que tenga el engranaje requerido (número de dientes
y modulo), por ende, cada engranaje con dimensiones diferentes que se fabrique por
este método tendrá su propia evolvente generada.
Las ventajas funcionales entre ruedas dentadas fabricadas por el método de
generación continua dan lugar a engranajes que trabajan con deslizamientos y
rodaduras muy suaves, se producen menores vibraciones y ruidos por efecto del
trabajo de engranajes con perfiles no homólogos, que afectan directamente tanto
en ejes, como en equipos que trabajan en conjunto con ellos.
CAPITULO 2) LA FRESA MADRE, SU FORMA, SU MANEJO Y PRINCIPIOS DE
TALLADO POR GENERACION.
Para realizar un tallado de engranajes por el método de generación continua, se
requiere de una herramienta especial con características especiales. Esta
herramienta posee una forma semejante a la de un tornillo sinfín, denominado
“fresa madre” o fresa para engranajes, su característica radica en que los dientes
cortantes son de sección constante y destalonadas para su posterior afilado,
además son de lados rectos asimilando la cremallera tipo (figura 2.1).
Su principal ventaja estriba en que no hay que reposicionar la herramienta lo que
arroja unos resultados de mayor precisión (dientes más perfectos).
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Figura 2.1 Fresa madre.
2.1) EL TRABAJO DE ARRANQUE DE VIRUTA EFECTUADO POR LOS
DIENTES DE LA FRESA.
La figura 2.2 muestra dos métodos de arranque de viruta logrados por los dientes
de la herramienta de corte en la fresadora. El trabajo que logran los dientes de la
fresa se realiza cuando esta avanza hacia el material, durante este avance y por
efecto del giro de la misma, la fresa arranca el material en forma de escamas. A
causa del avance, el diente desde el punto de ataque “a” hasta el punto de salida
“b”, arranca una sección creciente de material aumentando sin interrupción los
esfuerzos de corte. Al salir del punto “b”, se produce tras el plano de corte c-d una
caída rápida del esfuerzo de corte. Por lo tanto, cada diente de la fresa realiza un
reducido trabajo, con esfuerzo variable.
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Se aprecia que para un arranque de viruta óptimo, el ángulo ideal de incidencia de
cada diente es de 90° en la fresa, puesto que una inclinación del diente con
respecto a la normal causa un enganche de ésta con respecto al material, no
siendo posible entonces lograr un corte adecuado (excepto en materiales ligeros).
Para que el arranque de viruta sea óptimo en el sistema diseñado, al montar la
fresa madre, habrá que tener en cuenta el ángulo ideal de incidencia.
Figura 2.2 Arranque de viruta fresa madre.
2.2) AFILADO Y MANTENIMIENTO.
Como la fresa madre es la herramienta fundamental del sistema diseñado hay que
tener ciertas consideraciones con su manejo, ya que su uso es muy delicado, por lo
que es necesario evitar que la fresa sea usada por operarios inexpertos.
Una primera medida sobre el modo de tratar la fresa, es que debe ser rectificada a
tiempo. Toda herramienta, desde que comienza su operación de arranque de
viruta, empieza un proceso de desgaste y despunte. Este efecto va aumentando a
medida que trabaja la herramienta durante toda la vida útil de la fresa.
Tras haber tallado una o varias piezas, la fresa se mueve una cierta distancia en el
sentido de su eje, realizando un movimiento denominado shifting. El objetivo de
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este movimiento axial es prolongar la vida útil de la fresa madre de forma que el
desgaste se distribuya de manera homogénea por todos sus dientes.
El shifting puede realizarse en la misma dirección o en dirección opuesta a la
rotación de la pieza de trabajo. Si se realiza en la misma dirección de rotación la
fresa se desgasta más lentamente pero el acabado del engranaje mecanizado es
más bajo que si se compara con el shifting en dirección opuesta al sentido de giro
de la pieza de trabajo.
Figura 2.3 Shifting dirección opuesta y la misma dirección.
La importancia del desplazamiento de la fresa madre se hace notoria cuando ésta
se retira de la máquina para su afilado. Si algunos de los dientes han sufrido mayor
desgaste que otros, se tendrá que eliminar un material valioso de los dientes mejor
conservados antes de poder afilar los dientes más desgastados.
El afilado de la fresa madre, se lleva a cabo en una máquina específica
denominada afiladora de fresas madre la cual realiza un rectificado mediante una
muela recubierta con polvo de diamante, realizando un movimiento alternativo a lo
largo de cada ranura.
Este disco elimina la superficie de desprendimiento (la cual está afectada por el
desgaste tipo cráter), eliminando el filo desgastado y parte de la superficie de
incidencia, concretamente entre 0,2 y 0,3 milímetros en el caso de fresas
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recubiertas. En la Figura 2.4 se puede observar cómo se realiza el afilado de una
fresa madre.
Figura 2.4 Esquema del funcionamiento de una muela afiladora de fresa madre
De esta manera se consiguen eliminar tanto el desgaste de cráter (que afecta a la
superficie de desprendimiento) como el desgaste de tipo abrasivo (que afectaba al
filo y a la zona de la superficie de incidencia inmediatamente posterior a éste).
2.3) VELOCIDAD DE CORTE Y AVANCE DE LA HERRAMIENTA.
Al trabajar, ya sea con fresas de módulos o fresas madres, se han de colocar las
herramientas y la pieza a tallar lo más cerca del husillo principal de la maquina
fresadora, donde se encontraran firme apoyo las fuerzas que ha de resistir la
máquina. También, se han de colocar las guías con los apoyos colgantes de los
barrotes lo más cerca posible de la máquina.
Aquí, mediante el proceso de generación los avances automáticos de la máquina
no sirven, dado a que son demasiados rápidos (el avance de la máquina más lento
es de 9 mm/m), lo que probablemente la incrustación del útil de corte en el material
sería inevitable al igual que la destrucción y deterioro de ambos.
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Los avances por generación van directamente relacionados con el giro de la pieza
a tallar, estos se consiguieran aprovechando el movimiento principal de la máquina,
como el divisor recibe el movimiento resultante de un juego de ruedas que permiten
la división exacta de una circunferencia, de este se aprovechara una línea de
acción que sincronizara los giros de la pieza mediante una transmisión de ruedas
conectadas al eje del tornillo patrón de la máquina (figura 2.5).
Figura 2.5 Sistema diseñado para la sincronización del avance de la mesa.
Al determinar los avances de la máquina, se recurrirá a tablas ya establecidas para
este proceso que servirán de guía y apoyo en la toma de decisiones de la ejecución
del tallado (tabla 2.1). Una de las recomendaciones otorgadas por los autores de
libros técnicos es: “contra más grande sea la pieza a tallar, menor debe ser el
avance por vuelta de la pieza”. Teniendo como base este dilema no se incurrirá en
la acción de aumentar la velocidad de avance por el hecho de ser un proceso
automático y progresivo en el ataque del material. Para ello, estos avances deben
tener en cuenta la naturaleza del material a cortar, como también la herramienta
que tallara las dimensiones del engranaje con que sé ira a trabajar.
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En función de los materiales y dimensiones de las herramientas a utilizar se puede
confeccionar la presente tabla, la cual otorga gran apoyo en la toma de decisiones.
TABLA 2.1 MÓDULOS Y AVANCES POR REVOLUCIÓ.
Módulos Avances x Rev. Del Cabezal
En mm.
2 a 4 0.5
5 a 7.5 0.75
8 a 10 1
11 a 15 1.25
16 a 20 1.5
Una vez conocido el valor a emplear para el tallado, se debe confeccionar una
transmisión que conecte el divisor automático con el tornillo de avance de la mesa
longitudinal, con el fin de generar movimiento uniforme. Sin duda, es aquí donde
se hace presente la segunda fórmula de juego de ruedas para el avance de la
pieza:
2.4) ELECCIÓN DE LOS FLUIDOS DE CORTE.
Esta elección debe basarse en criterios que dependen de diversos factores:
El tipo de operación de mecanizado que se realice, así como las condiciones de
dicha operación, principalmente los parámetros de corte.
El material de la pieza a mecanizar.
El material que constituye la herramienta de corte.
20
De manera general, para seleccionar un fluido de corte lo primero que se debe
tener en cuenta es si la función principal del fluido debe ser lubricar o refrigerar. De
esta forma, cuando lo primordial es refrigerar se utilizan taladrinas (suele ocurrir
cuando el arranque de material es relativamente pequeño, pero con una velocidad
de corte considerable, originando de este modo altas temperaturas).
En cambio cuando lo más importante es la lubricación suelen utilizarse aceites de
corte (ocurre cuando el desprendimiento de material es considerable y la velocidad
de corte es relativamente pequeña, siendo el principal problema a resolver la
disminución de los rozamientos generados por el desprendimiento de viruta).
Durante el proceso de selección del fluido de corte apropiado para una máquina-
herramienta determinada, el fabricante de ésta suele recomendar un modelo
concreto de aceite de corte o de taladrina, con unas propiedades determinadas que
optimizan el proceso de mecanizado de dicha máquina-herramienta.
Figura 2.6 Fluido de corte.
2.5) GENERACIÓN DE LA EVOLVENTE.
Los dientes de la fresa cortan el cuerpo del disco del engranaje en orden sucesivo
y cada uno de ellos en una posición ligeramente distinta. Cada diente de la fresa
madre cortará su perfil correspondiente, que en el caso de tratarse de una fresa
para engranajes con perfil evolvente tiene los lados rectos, pero la acumulación de
esta serie de cortes rectos produce la forma curvada en los dientes del engranaje.
21
En consecuencia, los dientes no se mecanizan en un solo corte de perfil, como
ocurre en el fresado de forma, sino que cada diente se va formando de manera
gradual, por medio de una serie de pequeños cortes. Esto es lo que se conoce
como proceso de tallado por generación.
Con la adaptación de máquina fresadora se podrá producir engranajes con el
método de tallado por generación.
Figura 2.7 Secuencia del desarrollo completo de la evolvente mediante el fresado por
generación.
El ángulo de presión normal del engranaje a tallar, que corresponde generalmente
con el ángulo de presión de la fresa madre, que está formado por la inclinación del
flanco del diente. Otro parámetro que caracteriza a la fresa madre es el módulo,
que de forma general, también corresponde con el módulo del engranaje a
mecanizar.
En cuanto al ángulo de montaje de la fresa madre (θ), dependerá del tipo de
engranaje que se desee tallar. Así para mecanizar ruedas de diente recto, el eje de
22
la fresa madre debe tener una inclinación igual a la hélice media de la misma (γ).
Para dentar ruedas helicoidales habrá que sumar el ángulo de hélice de la fresa
madre al ángulo de hélice del engranaje si giran en sentidos opuestos, y si ambos
giran en el mismo sentido la operación será de resta.
Figura 2.8 Angulo de montaje de la fresa Figura 2.9 Angulo se montado de la madre para
dentado recto fresa madre para dentado helicoidal
En el caso del sistema diseñado se debe rotar la mesa de trabajo en el ángulo que
se determine debido al ángulo de la fresa madre.
2.6) PARÁMETROS DE CORTE Y MECANIZADO EN FRESADO POR
GENERACIÓN.
Se denominan magnitudes de corte o parámetros tecnológicos de corte, a los
valores que hay que ajustar en el proceso de arranque de viruta para que éste se
realice de forma óptima. Se distinguen la velocidad de corte, el avance y la
profundidad de corte.
2.6.1) La velocidad de corte:
23
Es la velocidad lineal de un punto periférico de los dientes de la fresa madre que
están en contacto con la pieza que se mecaniza. Viene dada por la siguiente
expresión:
D: diámetro de la fresa madre en milímetros.
N: número de revoluciones por minuto de la fresa madre.
La velocidad de corte es el parámetro que más influye en la vida de la herramienta,
a mayor velocidad ésta se desgastará más. Para ajustar dicha velocidad debe
considerarse la maquinabilidad del material de la pieza que se mecaniza, el
material y recubrimiento de la fresa madre, la sección de viruta, el tipo de
refrigeración utilizado en el mecanizado y la capacidad de la máquina talladora.
2.6.2) El avance:
Es el desplazamiento relativo entre pieza y fresa, realizándose en la dirección del
eje de la rueda que se pretende dentar. Este parámetro se ajusta en función del
material que está siendo mecanizado, del material de la herramienta, de la
precisión requerida.
Conocidos la velocidad de giro de la pieza y el avance por revolución se puede
calcular la velocidad de avance mediante la siguiente expresión:
a: avance de la fresa en milímetros por cada revolución del engranaje a tallar.
NG: velocidad de giro del engranaje a tallar en rpm.
Donde:
24
n: velocidad de giro de la fresa madre en rpm.
N: número de filetes o entradas de la fresa madre.
G: número de dientes del engranaje a dentar.
Por lo que la velocidad de avance viene dada por la siguiente expresión:
Es importante destacar que en función del sentido del avance de la fresa madre,
hay dos modalidades de tallado (o fresado) por generación: en trepado y
convencional.
En el fresado por generación convencional el espesor de viruta va aumentando
desde cero hasta que alcanza su máximo valor, de forma que el esfuerzo de corte
también va aumentando progresivamente.
Figura 2.10 Fresado por generación convencional.
25
Con el fresado por generación en trepado ocurre todo lo contrario, los dientes de la
fresa comienzan cortando la viruta desde su máximo espesor.
Se necesita mayor potencia de corte, pero se permiten mayores avances y el
acabado superficial es mejor.
Figura 2.11 Fresado por generación en trepado.
Estas definiciones están dadas debido a que la máquina generadora original
trabaja verticalmente. Para el sistema diseñado será a favor y en contra como se
conoce normalmente.
2.6.3) La profundidad de corte:
Es la distancia que penetra la herramienta en la pieza, que en el caso del tallado
por generación coincide con la altura del diente a mecanizar. Se expresa en
milímetros.
El ajuste de los parámetros de corte debe realizarse de acuerdo con el acabado y
la precisión requeridos, con la capacidad de la máquina, con la herramienta
empleada y con los dispositivos de sujeción utilizados para el montaje y movimiento
de la pieza de trabajo.
26
2.6.4) El tiempo de corte:
En el tallado por generación, es el cociente entre la distancia lineal que tiene que
recorrer la fresa madre, y la velocidad de avance. La expresión matemática
correspondiente es:
G = número de dientes del engranaje a dentar.
L = recorrido de la fresa, en milímetros.
N = número de filetes o entradas de la fresa madre.
n = número de revoluciones por minuto de la fresa madre.
a = avance de la fresa en milímetros por cada revolución del engranaje a tallar.
El recorrido de la fresa (L), es la suma de la distancia de aproximación (X1), el
ancho de la cara del engranaje (B) y el desplazamiento para permitir la salida de la
fresa (X2). La distancia de aproximación es el espacio entre el punto de contacto
inicial de la fresa con la pieza de trabajo y aquel donde inicia el corte a la
profundidad íntegra. La distancia para asegurar la salida de la fresa es el espacio
recorrido más allá del corte más profundo y que se requiere para la completa
formación de los dientes.
27
Figura 2.12 Detalle del recorrido de la fresa madre.
CAPITULO 3) ADAPTACIÓN DE UNA FRESADORA UNIVESAL PARA LA
FABRICACIÓN DE ENGRANAJES CILÍNDRICOS DE DIENTES RECTOS.
3.1) CARACTERISTICAS DE LA MÁQUINA FRESADORA UNIVERSAL A
MODIFICAR.
28
La observación del comportamiento de la máquina fresadora durante su
funcionamiento y de todos los pequeños detalles del operador al momento de llevar
a cabo alguna acción en ella, brindaran excelentes aportes a la hora de determinar
la planificación y ejecución de cualquier elemento mecánico necesario para el
equipo. Sin duda la etapa de desarme tanto en alguna sección de la máquina y
accesorios necesarios para el proyecto, aclarara varias dudas. Sin embargo, la
proyección, la creatividad y el deseo de la innovación adelantaran varios detalles
cuyos objetivos estarán enfocados en la forma de transmitir movimiento, del modo
de sustentación, fijación, control y mantenimiento de estos, y aquellas referidas a la
factibilidad de construcción.
En un primer plano la máquina fresadora universal cuenta con una deficiente
información, procedente de los manuales y catálogos técnicos, necesarios para
realizar la modificación de cualquier elemento en ella. Pero el sistema a crear,
necesariamente modifica 3 puntos fundamentales, y que no interfiriera con su
funcionamiento normal de la máquina, donde se distingue:
El acople de la lira de división a la máquina.
Extensión del husillo principal de la máquina fresadora.
El acople de la lira de avance longitudinal del cabezal divisor.
29
Figura 3.1 Máquina fresadora universal.
Las características de la máquina serán las siguientes:
Máquina : TOS FA 3 AU
Ancho de mesa de trabajo : 350 mm
Área de sujeción de la mesa : 270x1600 mm
Carrera longitudinal (x) : 1000 mm
Carrera vertical (Z) : 425 mm
Carrera transversal (Y) : 300 mm
Cono sujetador del husillo : Mo 5
Potencia del motor principal : 2.5 kW
Dimensiones l x a x h : 2309x3190 mm
Largo de mesa de trabajo : 1600 mm
30
3.2) DISEÑO DEL APARATO DIVISOR PARA LA GENERACIÓN CONTINUA Y
ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN.
La investigación del proceso de tallado de engranajes determinó factores que debían
ser tratados al máximo, detalles como:
Disminución del desgaste.
Eliminación de juegos.
Vibraciones durante las operaciones de fresado.
Cabe mencionar que los dispositivos a desarrollar brindaran la máxima confiabilidad
en resistencia y precisión de funcionamiento, de los cuales se destacan:
1. Cabezal divisor sincronizado.
2. Ejes para engranajes de recambio.
3. Cardan extensible.
4. Liras de avance y división
5. Extensión del husillo principal de la fresadora.
6. Ruedas de recambio adicionales al juego normal.
3.2.1) Cabezal divisor sincronizado.
Tomando como referencia del proyecto un cabezal divisor normalizado, se hicieron
los diferentes análisis para determinar su posición que debe tener sobre la mesa de
la fresadora y realizar las mediciones para acoplar los ejes tanto de entrada, como
de salida, los cuales reciben los movimientos de la herramienta, llevándolo a través
de esta cadena cinemática.
Como los cabezales divisores fueron diseñados para movimientos rotatorios
alternados, no requieren rodamientos en las zonas de apoyo de la corona y el sinfín.
Sin embargo el nuevo diseño del divisor automático requiere rodamientos en la zona
de descanso de los ejes, tanto de entrada, como de salida, ya que el movimiento es
constante, y para su lubricación requieren ir en un baño de aceite.
31
Figura 3.2 Influencia de carga axial sobre los rodamientos.
a) Elección de rodamientos para el sinfín.
Dado que el proceso de corte ejerce carga sobre el eje de la corona, estas cargas
son transmitidas desde la corona hasta el sinfín produciendo una mayor fuerza axial
como se muestra en la figura 3.2.
Debido a esto como se requiere un rodamiento que soporte cargas simultáneas
tanto axial como radial, por lo tanto se seleccionara un rodamiento del tipo bolas de
contacto angular.
b) Elección de rodamiento para la corona.
Como la corona recibe una mayor carga axial debido al proceso de corte se
seleccionara un engranaje de rodillos cónicos.
Una de las particularidades de este divisor es la ausencia de manivela y compás,
aquellos que determinaban la división de una circunferencia en partes iguales a
través del método de corte directo, ahora reemplazados por una transmisión directa
de la lira de división, quien introduce movimiento continuo al sinfín, que hará girar la
corona del plato universal y este a la pieza. También este aparato divisor inducirá
movimiento en el tornillo patrón de la mesa longitudinal a través de una salida del
posterior a la pieza.
32
Figura 3.3 Conjunto cabezal divisor sincronizado.
3.2.2) Ejes para engranajes de recambio.
En la mayoría de los elementos mecánicos fabricados, además de satisfacer los
requisitos de resistencia a esfuerzos y desgaste, tienen un diseño exclusivo que
permiten:
La sujeción rígida y fijación precisa de las piezas de transmisión (ruedas de
recambio).
Ofrecer la intercambiabilidad de los elementos de fijación, ya sea dentro del
sistema de generación de piñones, como la integración a las otras fresadoras.
Geometría y diseño compacto.
La tecnología hasta este entonces se basaba básicamente en un perno con bujes
que permitiera la fijación y la rotación de las ruedas de recambio. Sin embargo, la
reducción de puntos de fijación (llámese a la cantidad de zonas de apriete por cada
elemento de fijación) significa una economía en el tiempo empleado en el montaje y
desmontaje de estos ejes con sus ruedas de recambio, agilizando mas el proceso de
tallado. También, la incorporación de elementos antifricción garantiza una rodadura
suave y precisa de las ruedas, minimizando el desgaste a través de líneas de
lubricación.
33
Figura 3.4 Conjunto eje de recambio de engranajes.
3.2.3) Cardan extensible.
Uno de los desafíos importantes, era realizar la transmisión del movimiento del
creador al cabezal divisor. De hecho, diversos sistemas pueden transmitir
sincronismo desde el punto motriz al punto conducido, pero en este caso, el punto
conducido no mantiene una posición determinada y se desplaza conforme sea la
longitud a tallar. Además, dependiendo de los diámetros de las piezas a mecanizar,
la posición en su altura del cabezal divisor variara notablemente.
Con desplazamientos del cabezal divisor en los tres ejes combinados, la elección de
una unión cardánica es evidente. Pero, además de controlar el movimiento en los
diferentes ángulos de inclinación, otro parámetro a gobernar era la variable de la
distancia existente entre la lira y el cabezal, que cambia cuando se produce la
condición anterior. Ante tal situación, además de contar con rotulas que absorben la
inclinación producida entre lira de división y el cabezal divisor, al diseño se le ha
incorporado la propiedad telescópica, acortándose o extendiéndose en su longitud
según como se desarrolle la ejecución del tallado de ruedas dentadas.
34
Figura 3.5 Conjunto cardan extensible.
3.2.4) Liras de avance de la mesa longitudinal y división del cabezal.
Para producir la división sincronizado entre el engranaje a tallar y la fresa de corte,
se diseño una lira especial con dos correderas, en ellas irán situadas las ruedas de
recambio encargadas en la división exacta del engranaje a tallar.
Como medida de seguridad, la lira de división es fijada rígidamente a la parte
posterior de la maquina fresadora (donde sale el husillo principal), en el acople
especialmente diseñado, para evitar tanto la fuerza tangencial resultante producida
por el juego de ruedas de recambio instalado, como el peso total del conjunto
armado, la lira de división debe ser fijada con uniones apernadas debidamente
calculadas.
Por otro lado, la lira de avance de la mesa longitudinal, con objetivos similares a la
anterior, pero más pequeña, posee la ventaja de rotar en el punto de amarre a la
mesa, brindando la mejor posición al juego de ruedas de recambio del avance
longitudinal en un espacio reducido.
35
Figura 3.6 lira divisor – tornillo mesa.
Figura 3.7 Lira posterior a la fresadora.
36
a) Calculo de esfuerzos en los pernos de la lira.
Para comprobar si los pernos que sujetan la lira al flanje resisten a los esfuerzos que
están sometidos, se usara el programa solidworks simulation.
Figura 3.8 carga distribuida en la lira.
Figura3.9 Simulación de esfuerzos que reciben los pernos.
Se aprecia en la simulación que el esfuerzo máximo que estarán sometido los
pernos es de 19.017Mpa, dado que las propiedades mecánicas de la clase métrica,
el perno de clase más baja tiene un esfuerzo de ruptura de 400Mpa, por lo tanto se
escogerán pernos Parker M8x1 estándar clase 4.6.
37
3.2.5) Extensión del husillo de la maquina fresadora.
Un paso importante dentro de la adaptación en la fresadora universal, sucede al
extender el husillo principal (parte posterior árbol porta fresa), con el objetivo de
garantizar una salida motriz directa del árbol de transmisión. Con ello, es posible
integrar elementos de transmisión (ruedas de recambio) a tal segmento de eje, para
obtener impulso cinemático necesario en sistema de tallado automático.
Es evidente que tal extensión debe cumplir con exigentes normas de calidad
referente al control dimensional y alineación, garantizando una transmisión de
engranajes suave y sin interferencia
Figura 3.10 extensión del husillo.
3.2.6) Ruedas de recambio adicionales al juego normal.
Como una forma de facilitar las operaciones de cálculos tanto para el juego de
ruedas que intervienen en la división exacta y avance de la mesa longitudinal, es
indispensable contar con una amplia gama de ruedas de recambio, comprendida
entre los números Z=25 al Z=100 dientes, con el objetivo de minimizar al máximo los
tiempos muertos originados por el cambio de una operación de cálculo al no
38
encontrar la rueda deseada. Esto no implica que el sistema sea obsoleto al no contar
con este requisito, también es eficiente con un juego estándar de engranajes. Si no
que representa una verdadera ventaja a la hora de evaluar los costos de producción
de la maquina fresadora universal reduciendo los tiempos muertos.
Figura 3.11 Ruedas de recambio.
La función que cumple la rueda de recambio dependerá del tipo de transmisión que
se utilice. Existen 2 formas de trasmisión aplicables para este sistema diseñado:
Transmisión simple y transmisión compuesta.
Las ruedas de recambio serán seleccionadas según el tipo de transmisión que se
utilice y el número de dientes del engranaje que se desee fabricar.
39
Figura 3.12 Tren de engranajes simple.
Por ejemplo: Para fabricar un engranaje de Z=30 modulo 2 con una fresa madre
modulo 2 de una entrada (cantidad de hilos que tenga el creador), el engranaje 1
que es el que recibe el movimiento directo de la máquina es de Z=40 y se mantiene
fijo en esa posición, por otro lado el engranajes 2 se debe cambiar por uno de Z=30,
por lo tanto se tiene que siempre el engranaje 2 debe tener el mismo número de
diente que el engranaje que se quiera fabricar, en este caso los engranajes que
están entre engranaje 1 y engranaje 2 solo transmiten movimiento y cambian el
sentido de giro al adecuado.
Todos los detalles de los componentes de cada conjunto se encontraran en los
planos de anexos a este documento.
3.3) FUNCIONAMIENTO DEL ACCESORIO PARA FRESAR CON FRESA MADRE.
Para que este sistema pueda funcionar a la perfección, se debe sincronizar
perfectamente el cabezal divisor con la fresa madre y una forma de poder hacer una
sincronización perfecta es aprovechando el movimiento del árbol principal de la
máquina, por lo que se decido extender el husillo para transmitir este movimiento a
una lira con un tren de engranajes intercambiables para obtener así una relación de
transmisión adecuada, ésta llega a un cardan extensible, y se une con el divisor.
Como las velocidades automáticas de la mesa eran demasiado altas se tuvo que
crear un dispositivo de transmisión para producir avance más lento, para que éste
dispositivo igual este sincronizado se aprovecho el movimiento del divisor,
extendiendo el eje de la corona y conectando a un tren de engranajes que van
sujetos a una lira, y de esta forma se transmite el movimiento del cabezal al tornillo
de la mesa.
40
Figura 3.13 Isométrica del accesorio para fresar con fresa madre
41
CAPITULO 4) COSTOS PARA LA FABRICACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL
SISTEMA DISEÑADO.
Para obtener parámetros de cuáles serán los costos de implementación de los
accesorios diseñados para adaptar la fresadora universal al método por generación
continua, se confeccionara una cotización con los valores aproximados equivalente a
su manufactura.
Esta cotización esta realizada por la empresa ORECAL LTDA. Ingeniería y
maestranza ubicada en calle Lincoyán N° 870, Concepción.
4.1) COTIZACIÓN DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS DISEÑADOS.
Los valores asignados a las piezas y a los conjuntos en general son según la
expectativa de manufactura de la empresa, este calculo de precios se confecciona
en base a las horas de trabajo que se empleen en la pieza, el tipo de proceso
mecánico que requiera y el precio del material en bruto que se necesite, por esta
razón, los valores de las piezas pueden variar según la empresa en que se cotice los
componentes según los parámetros de evaluación que contengan las distintas
empresas.
Cabe señalar que la cotización de algunos elementos está en base a la fabricación
del conjunto parcial que componen los accesorios, no especificando los valores
manufactura de las partes por separados.
42
Valor aproximado total para la fabricación de las partes diseñadas = 1.031.500 pesos.
Nombre de pieza o conjunto Valor aproximado (en pesos)Eje extensión del husillo máquina fresadora 40.000Separador engranaje constante para extensión husillo
4.000
chaveta eje extensión del husillo 1.500Tuerca de apriete engranaje constante 8.000Flanje lira – maquina fresadora 25.000Lira posterior de la fresadora 60.000Eje extensión del husillo máquina fresadora 40.000Conjunto eje para ruedas de recambio (7 conjuntos como mínimo para ruedas de recambio)
20.000 c/conjunto7 conjuntos = 140.000
Eje interior transmisor lira – cardan 45.000Tornillo apriete contra lira 20.000Tuerca para tornillo de apriete contra lira 3.000Buje con chavetero para acople de engranaje 10.000Chaveta para buje con chavetero 1.000Conjunto cardan 145.000Unión divisor - cardan 45.000Carcasa divisor + Tapa principal carcasa 100.000Corona modulo 3, Z = 40 dientes 80.000Eje sin fin modulo 3, una entrada 40.000Eje para corona 80.0002 tapas para eje corona 16.0002 tapas para eje sin fin 10.0002 rodamientos de rodillos cónicos ( SKF serie 32013 X)
12.000
2 rodamientos de bolas con contacto angular ( SKF serie 7204 BE)
6.000
Flanje para plato de agarre eje corona 50.000Lira cabezal divisor – tornillo mesa 40.000Flanje para acople lira cabezal divisor – Tornillo mesa
10.000
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Otros costos a tener en consideración a la hora de implementar este tipo de
sistemas es la adquisición del herramental para el tallado de engranajes cilíndricos
de dientes rectos. Como ya se a mencionado en este documento, la herramienta
necesaria para llevar a cabo este proceso es una fresa madre que contenga las
características del engranaje que se desee fabricar.
Para la selección y adquisición de una fresa madre se debe tener claro la
característica de magnitud de la rueda dentada que se desea fabricar, por lo tanto se
debe optar por el sistema modular o diametral pith (paso diametral), para este fin se
encuentran tablas normalizadas para los dos tipos de sistemas.
Los costos de estas herramientas dependerán de las dimensiones que contenga
esta (el tipo modulo o diametral pith) y además del tipo de material de la que este
fabricado, siendo las más comunes las fresas madre de aceros rápidos (HSS). Sin
embargo, tales costos para un herramienta de este tipo se equiparan a una juego
completo de fresas modulares para un determinado tamaño.
Sea el caso de una fresa madre diametral pith 12 de acero rápido (HSS), su valor
comercial asciende a 100.000 pesos, por el contrario un jugo estándar con las
mismas características que la fresa madre equivale a unos 84.900 pesos (precio de
referencia).
Por lo tanto, todo costo relacionado con las herramientas debe ser considerado
adicionalmente a los costos de implementar a este tipo de sistema.
44
CAPITULO 5) EJEMPLO PRÁCTICO PARA LA FABRICACIÓN DE UN
ENGRANAJE CILÍNDRICO DE DIENTES RECTOS.
Para entender cómo utilizar la máquina fresadora universal con los accesorios para
la sincronización de los movimientos del cabezal divisor y la mesa de avance, se
confeccionara un ejemplo completo con cálculos y sugerencias necesarias para
poder fabricar un engranaje cilíndrico de dientes rectos.
Ejemplo:
Fabricar un engranaje cilíndrico de diente recto que contiene las siguientes
características:
TABLA 5.1 CONDICIONES DEL ENGRANAJE A FABRICAR.
Módulo m = 2
Número de dientes Z = 30
Espesor de engranaje 30 mm.
Ángulo de presión 20º
TABLA 5.2 DIMENSIONAMIENTO DEL ENGRANJE:
Diámetro primitivo Dp = 60 mm.
Diámetro exterior D ext. = 64 mm.
Diámetro interior D int. = 55 mm.
Addendum (cabeza de diente) a = m = 2 mm.
Dedendum (pie de diente) b = 2.5 mm.
Paso circular del diente p = 6.283 mm.
Espesor de diente e = 3.1416 mm.
Profundidad de diente h = 4.5 mm.
45
TABLA 5.3 CARACTERÍSTICAS DE LA HERRAMIENTA.
Tipo de herramienta Fresa madre
Módulo m = 2
Número de entradas (hilos) 1
Sentido de hélice Derecha
Ángulo de presión 20º
Ángulo de hélice 8º
5.1) CALCULO DE SINCRONIZACIÓN DEL CABEZAL DIVISOR Y EL ÁRBOL
PRINCIPAL DE LA FRESADORA.
Para generar una división exacta y sincronizada equivalente al paso de la rueda
dentada a fabricar se debe montar un tren de ruedas en la lira que va fija en la parte
posterior de la máquina fresadora.
El cálculo del tren para conseguir un determinado número de dientes “z”, se realiza
siguiendo la formula general:
Siendo:
K: Engranaje equivalente a la constante del aparto divisor (engranaje constante de
40 dientes).
A y C: Ruedas dentadas conductoras.
B y D: Ruedas dentadas conducidas.
46
Como ya se a explicado anteriormente en este informe, para facilitar los cálculos de
este tren de engranajes, se cuenta con un juego de ruedas de recambio, que van
desde ruedas con números de diente Z=24 hasta Z=100.
Por lo tanto, para obtener un engranaje de 30 dientes, la expresión matemática de
relación de transmisión será simplemente:
Como se tiene la rueda de recambio con Z=30 dientes, el montaje de esta relación
se efectúa con un tren simple, teniendo el engranaje constante de Z = 40 dientes
montada en la extensión del árbol principal de la fresadora y colocando el engranaje
de Z = 30 dientes en el eje unión del cardan, que transmitirá el movimiento al
aparato divisor. En este caso se debe extender el tren simple de engranajes, ya que
es imposible engranar directamente las dos ruedas de 40 y 30 dientes, debido a las
dimisiones del cuerpo de la máquina fresadora, por ende se añaden ruedas de
recambio para extender a una longitud de trabajo normal el cardan y además para
proporcionar el sentido de giro correcto al cabezal divisor, este sentido de giro debe
ser anti horario mirando de frente las mordazas del cabezal, esto a causa del sentido
de hélice de la fresa madre (hélice derecha).
Cabe señalar que si no se encuentra la rueda dentada de recambio para hacer un
engranaje determinado, se debe expresar la formula general de la misma forma
anterior, pero ahora se debe descomponer mediante amplificación o simplificación
los valores según sea el caso, para así obtener las ruedas de recambio que si se
tengan en el juego y el montaje se hará con un tren compuesto de engranajes.
47
5.2) CALCULO DE SINCRONIZACIÓN DEL CABEZAL DIVISOR Y EL TORNILLO
DE AVANCE DE LA MESA LONGITUDINAL.
El avance recomendado para este tipo módulos de es 0.5 mm. por cada revolución
del cabezal divisor (ver tabla 2.1). El avance de la mesa corresponde al paso del
tornillo de ésta que equivale a 5 mm.
Para poder calcular el tren de engranajes requerido para sincronizar el movimiento
del cabezal divisor y el tornillo patrón de la mesa, se debe utilizar la misma expresión
general, pero con sus respectivos términos:
Por lo tanto la expresión matemática quedaría de la siguiente forma:
Se observa que para obtener un tren de ruedas con esta relación de transmisión, se
deben descomponer estos valores de tal manera de obtener ruedas dentadas
disponibles en el juego de recambio.
El primer paso a seguir es amplificar los dos términos por 16 para así obtener
números enteros en los factores.
Los nuevos factores se descomponen de la siguiente manera:
Los factores A y B serán amplificados por 12.
48
Ahora los factores C y D serán amplificados por 6.
Para comprobar si el tren de engranajes es el correcto se calcula la relación de
transmisión de las ruedas obtenidas, que debe ser la misma calculada en el inicio.
Con esto se comprueba que el tren de engranajes calculado genera un avance por
vuelta de 0.5 (mm/ rev.) de forma exacta y sincronizada con respecto a todos los
demás movimientos de la máquina.
5.3) MONTAJE DE LAS RUEDAS CALCULADAS PARA EL TREN DE AVANCE.
Para que del tren de engranajes realice el avance calculado de forma correcta y sin
errores, no basta con solo calcular las ruedas adecuadas, sino que también deben
ser montadas de la forma correcta, ya que de no ser así, genera otro tipo de avance
provocando efectos no deseados en la terminación de la pieza.
Para realizar un buen montaje de estas ruedas dentadas se deben seguir las
siguientes recomendaciones.
La rueda dentada más pequeña calculada siempre debe ir montada en la
extensión del cabezal divisor, esto para evitar una inclinación en demasía de
la lira que provoque un desengrane en las ruedas dentadas montadas.
Las ruedas intermediarias deben ser colocadas en línea entre dos ruedas
calculadas, esto para no alterar la relación de trasmisión que provoca el
avance deseado.
Cabe señalar que las funciones de las ruedas intermediarias montadas en el
tren de engranajes, solo son para extender y alcanzar la transmisión,
además al ingresar un rueda intermediaria en línea, se debe ingresar otra
49
rueda inmediatamente, esto para corregir el sentido de giro que altera la
primera rueda colada para esa función
La forma de conexión de los engranajes esta dado de la siguiente forma
La rueda dentada A solo puede engranar con la rueda B o D, por lo que la
rueda A será engranda con la rueda D.
Por consiguiente la rueda D solo puede tener un engranaje en su mismo eje,
esta pueden ser las ruedas A o C, como la rueda A ya fue ocupada solo debe
tener en su eje a la rueda C.
Finalmente la rueda C solo puede engranar con las ruedas B o D, como la
rueda D ay fue ocupada, la única con la que puede engranar es con la rueda
B.
El esquema de transmisión está representada por la siguiente figura.
Figura 5.1 Transmisión del cabeza a la mesa de avance longitudinal.
50
Cabe destacar que al fabricar engranajes cilíndricos de diente por el método de
generación continúa con fresa madre, la mesa debe ser inclina el ángulo de
correspondiente al de la herramienta tornillo, para el caso particular, la mesa debe
ser inclinada 8º para compensar dicho ángulo.
CONCLUCIÓN
Se logro diseñar un accesorio para una máquina fresadora del taller de mecánica el
cual le dará la capacidad de fabricar engranajes cilíndricos de dientes rectos por el
método de generación continua, esto mediante una sincronización prefecta entre el
husillo de la máquina, el cabezal divisor y el avance longitudinal de la mesa de
trabajo, todo esto con el fin de que los alumnos de los curso de máquinas-
herramientas obtenga una nueva experiencia, viendo otro método de fabricación de
engranajes.
Se vieron distintos métodos de fabricación de los engranajes cilíndricos de dientes
rectos que pueden ser con arranque de viruta o sin arranque de viruta, también los
perfiles de los diente de engranajes que son evolvente y cicloidal, y se concluyo
que el perfil evolvente es el que se usa en la actualidad por su fácil forma de
fabricar y pueden engranar a cualquier distancia entre centros, no así los
cicloidales que tienen que ser fijados con precisión y a una distancia entre centros
exacta.
Se vio que el ángulo de incidencia de cada diente en la fresa madre debe ser de
90° para que se produzca un arranque de viruta óptimo. También se vio que como
los avances automáticos de la mesa eran muy rápidos, para tomar la decisión del
avance se debe tener el cuenta el material mecanizar y las dimensiones de la
herramienta.
Un punto importante fue la cotización se hizo y se estimo un costo totas de
fabricación de 1.031.500 pesos. Esta cotización esta realizada por la empresa
ORECAL LTDA. Ingeniería y maestranza ubicada en calle Lincoyán N° 870,
Concepción.
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A través de un ejemplo práctico que se puede utilizar como guía para la fabricación
de engranajes, se determino cómo sincronizar los movimientos del cabezal divisor y
la mesa de avance. Con cálculos y sugerencias necesarias para su debida
utilización.