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¿Cómo se fabrica un engranaje? Procesos de tallado y máquinas

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Retrato de Lucas Agustí, COO y cofundador de compramostucnc.es

Revisión técnica: Lucas Agustí, COO y cofundador

Un engranaje se fabrica en cinco pasos: se prepara la pieza en bruto (aserrada y torneada, o forjada, fundida o sinterizada), se talla el dentado con el material blando, se templa, se repasa en duro y se mide. Lo habitual es tallar los dentados exteriores con fresa madre, mortajar o tallar por pelado los interiores, rectificar u honear después del temple, porque el temple deforma la pieza, y verificar al final en una máquina de medición. Cada paso tiene su tipo de máquina. Esta página recorre la cadena, compara procedimientos y calidades y explica el dentado interior, el tallado por pelado, los estriados y el acoplamiento Hirth. Si quieres vender una de estas máquinas, al final tienes la vía corta.

Dentado, engranaje y magnitudes básicas

El dentado es la forma de los dientes; el engranaje, la pieza que lo lleva (la cremallera es un engranaje de diámetro infinito); la máquina de engranajes, la que crea el dentado. Según la posición de los ejes hay cilíndricos de dentado exterior (ejes paralelos, el tipo más usado), cilíndricos de dentado interior o coronas (sobre todo en trenes planetarios), cónicos (ejes secantes, normalmente a 90°) y tornillos sinfín (ejes cruzados, relaciones superiores a 100, a menudo autoblocantes). Los helicoidales son más silenciosos y transmiten más par, a costa de fuerzas axiales.

La evolvente es el perfil dominante (perfil de referencia DIN 867): poco sensible a cambios de distancia entre ejes y fácil de tallar con herramientas estándar. El módulo m (DIN 780) mide el tamaño del diente en mm; solo engranan ruedas del mismo módulo. Diámetro primitivo d = m · z, paso p = π · m, ángulo de presión estándar 20°. Con α = 20°, por debajo de 17 dientes aparece socavado; una corrección de perfil (factor x) lo evita. Ejemplo: 40 dientes y módulo 3 dan 120 mm de diámetro primitivo y un paso de unos 9,42 mm. El módulo es también una característica de la máquina: limita lo que puede tallar cada una.

La cadena de fabricación

PasoProcedimientoTipo de máquina
1. Pieza en brutoaserrado y torneado; en serie, forja, fundición o sinterizadosierra, torno, prensa
2. Blando, dentado exteriortallado con fresa madretalladora por fresa madre
2. Blando, interior y contornos de interferenciamortajadomortajadora de engranajes
2. Blando, interior y exteriortallado por peladomáquina de pelado
2. Blando, cónicostallado de cónicosmáquina de engranajes cónicos
2. Desbarbadobiseladounidad en la máquina o máquina aparte
3. Tratamiento térmicocementaciónhorno y planta de temple
4. Acabado durorectificado por generación o de perfil; honeadorectificadora de engranajes, honeadora
5. Mediciónperfil, hélice, paso, concentricidadmáquina de medición de engranajes

Pieza en bruto. Normalmente aserrada y torneada con sobremedida; en gran serie también forjada en estampa, fundida, sinterizada o, en plástico, inyectada. Estos últimos solo alcanzan las calidades 8 a 12.

Tallado en blando. En los procedimientos por generación, la forma del diente es la envolvente de los filos; en el fresado y brochado de perfil sale de la geometría de la herramienta.

ProcedimientoHerramientaUso y punto fuerte
Fresa madrefresa madre helicoidalexterior (interior solo en casos especiales); muy alto arranque, una herramienta para cualquier número de dientes del mismo módulo
Mortajadopiñón cortadorinterior y exterior; sin salida de herramienta, agujeros ciegos
Tallado por peladoherramienta de pelado, ejes cruzadosinterior y exterior; continuo, bueno con contornos de interferencia
Cepillado por generaciónpeine de corteengranajes muy grandes; sin dentado interior
Fresado de perfilfresa de discoen fresadoras normales; una herramienta por módulo y número de dientes
Brochado de perfilbrochasobre todo interiores; solo producción en masa

La fresa madre es geométricamente un sinfín con ranuras de corte: con una fresa de una entrada, la pieza avanza un diente por vuelta. Corta de forma continua, sin carrera de retorno; los contornos de interferencia y los números de dientes muy bajos la limitan. Las talladoras CNC modernas acoplan herramienta y pieza de forma electrónica, lo que mejora calidad y vida de herramienta. En el mortajado, el piñón cortador oscila en carrera y rueda a la vez sobre la pieza, con avance radial. Los cónicos se tallan en máquinas propias (Klingelnberg y Gleason tienen sistemas propios) y, tras el temple, se lapean o rectifican. Tras el pretallado se bisela: protege en el transporte, evita aristas frágiles al cementar y es requisito para el honeado.

Temple. La cementación hace los flancos resistentes a las picaduras, pero la distorsión cambia la geometría del diente. En los cónicos lapeados debe preverse ya al tallar, porque el lapeado corrige poco; el rectificado elimina distorsiones mayores.

Acabado duro. El rectificado por generación trabaja de forma continua con una muela helicoidal sincronizada con la pieza; en máquinas modernas, según un portal especializado, con precisiones de paso inferiores a 2 µm. El de perfil trabaja hueco a hueco, y las máquinas modernas generan modificaciones de perfil y de línea de flanco (rectificado topológico). El honeado (calidad 1 a 6) gana peso en la movilidad eléctrica, donde se oyen más los ruidos de la transmisión. El rasqueteado, antes del temple, ofrece la mejor relación calidad-precio en gran serie; según EMAG, el fresado por generación con pelado de flancos (Schälwälzfräsen) acaba flancos exteriores templados con calidades ISO 1328 de 6 a 7.

Medición. Al final se verifican perfil, línea de flanco, paso, concentricidad y espesor de diente; centros como la serie P de Klingelnberg miden además por coordenadas. En un lazo cerrado, las desviaciones se convierten en datos de corrección para el rectificado.

Calidad de dentado por procedimiento

Según la norma DIN 3961, ya retirada (1 es lo más fino y 12 lo más basto; hoy rige DIN ISO 1328), así que léelo como orden de magnitud:

ProcedimientoCalidad (DIN 3961)
Honeado1 a 6
Rectificado1 a 7
Rasqueteado, laminado en frío5 a 7
Fresa madre, cepillado por generación, mortajado5 a 9
Fresado y mortajado de forma, brochado7 a 12
Estampado, sinterizado, inyección8 a 12

Lo que entrega realmente una máquina concreta lo demuestra su protocolo de verificación. Por cantidad: piezas únicas y prototipos en 5 ejes o fresado de perfil; series pequeñas y medianas con fresa madre y, en interiores, mortajado; series grandes con fresa madre, brochado en producción en masa y, en automoción, rasqueteado antes del temple.

Dentado interior

Está en la corona de todo tren planetario, en cubos de acoplamiento y en uniones eje-cubo. Permite construcciones más compactas, reparte la carga entre varios dientes y baja la presión de flanco. Es más difícil de fabricar porque la herramienta tiene que entrar en el taladro; la fresa madre solo sirve en helicoidales de gran diámetro.

ProcedimientoUso típicoVentajaLímite
Mortajadocoronas, cubos, agujeros ciegos, series pequeñasrecto y helicoidal, también en agujero ciegogarganta de salida de 5 a 10 mm; carrera de retorno sin corte
Brochadoseries grandes de geometría fija, ejes ranuradosuna sola pasada, tolerancia IT7 a IT9herramienta específica, cara y de largo plazo
Tallado por peladocoronas planetarias, dentado junto a resaltemás rápido que el mortajado, sin garganta, torneado y dentado en una sujeciónsujeción estable y altas velocidades de giro
Electroerosión por hilopiezas muy duras, piezas únicastambién en material muy durozona de trabajo limitada
Rectificado de perfil, pelado durocoronas templadas de alta calidadcompensa la distorsión de templebrazo de rectificado interior o máquina de pelado

Las mortajadoras habituales tienen carreras de 80 a 200 mm, más raramente hasta 400 mm. Las normas habituales de uniones eje-cubo con dentado interior son DIN 5480 e ISO 4156 (evolvente), DIN 5464 e ISO 14 (ranurados) y DIN 5481 (entalla).

Tallado por pelado (power skiving)

Wilhelm von Pittler lo patentó el 1 de marzo de 1910. Durante mucho tiempo fracasó, según Klingelnberg, por la corta vida de la herramienta, las vibraciones y la evacuación de viruta; Liebherr habla de un renacimiento gracias a accionamientos directos rápidos, nuevos materiales de corte y recubrimientos. La disposición cruzada de los ejes crea una velocidad relativa axial que permite cortar de forma continua, sin la carrera de retorno del mortajado; por eso husillo de herramienta y de pieza deben ir acoplados electrónicamente con precisión. Klingelnberg distingue herramientas cilíndricas (fáciles de reafilar), cónicas (mejor desgaste, pocos reafilados) y de cuchillas de barra de metal duro.

Se usa en coronas planetarias (EMAG cita automoción y accionamientos eléctricos), dentados junto a resaltes y combinado con torneado. Es un procedimiento, no una clase de máquina: corre en máquinas de pelado dedicadas (por ejemplo, la EMAG VSC 400 PS, las Gleason 100PS a 600/800PS o la serie LK de Liebherr), en talladoras con función de pelado y en centros de tornear-fresar o de 5 ejes con ciclos de pelado. El pelado duro, según Liebherr, es una alternativa al rectificado y al honeado para interiores y ejes ranurados templados.

Límites. En el proyecto FVA 661 II, al bajar el ángulo de ejes de 20°–30° a 5°–15° los tiempos fueron de 2 a 6 veces mayores, aunque de 2 a 3 veces inferiores al brochado de referencia; por debajo de 10° la ventana del proceso se estrecha, y con el acero 30CD12 preendurecido fue inestable. Klingelnberg cita ángulos de desprendimiento de 0° a menos 50°.

Estriados y dentado de entalla

RasgoDentado de entallaEje dentado (evolvente)Eje ranurado
NormaDIN 5481DIN 5480DIN ISO 14 (sustituye a DIN 5461 a 5463); DIN 5464 serie pesada
Flancoplanos no paralelos, dientes en puntaevolvente, 30°paralelos
Desplazable axialmentenocon ajuste con juegosegún el ajuste
Ejelaminado, fresado de perfil, fresa madrefresa madre y otros por generaciónfresado, rectificado, brochado, laminado
Cubobrochado, mortajadobrochado, mortajadobrochado, mortajado, electroerosión

El dentado de entalla transmite pares medios y grandes y debilita menos eje y cubo que una chaveta. Un error frecuente es confundir DIN 5480 y DIN 5481; indica norma y forma en el plano. En DIN 5480, la calidad 9 basta para la mayoría de usos, con ajustes 9H/9e (juego), 9H/9js (transición) y 9H/9p (apriete). El cubo se brocha (rápido, compensa en serie) o se mortaja (flexible). Los perfiles templados, a menudo por inducción, se rectifican.

Fallo típico: el final del dentado, donde según DIN 743-2 el efecto de entalla alcanza factores de 3 a 5. Remedios: garganta según DIN 509, temple que acabe al menos 3 a 5 mm antes del final del dentado y taladros que no pasen del 70 al 75 % de su longitud.

Acoplamiento Hirth

Es un dentado frontal autocentrante de 60°: dos piezas idénticas se unen por dientes radiales en sus caras frontales y se aprietan axialmente. Según Gleason, lo inventó Carl Albert Hirth en 1928, y su diseño Duplex-Taper permite fresar cada hueco de una pasada con fresa de disco. Se usa en mesas giratorias y de indexado (división de hasta un segundo de arco), turbomáquinas, extremos de eje y transmisiones de vehículos.

Necesita apriete axial: por la inclinación de flanco de 30°, la fuerza de apriete debe ser al menos Fa = Fu · tan 30°, y un fabricante cita un factor de seguridad de 1,8 a 3,0. Se aprieta con muelles de disco, cilindros hidráulicos o tornillos. Un manual de cálculo recomienda 12 dientes hasta 30 mm de diámetro, 24 o 36 de 30 a 60 mm, 36 o 48 de 60 a 120 mm y 72 o 96 por encima. Se fresa en material sin templar (hasta 1100 N/mm², porción portante de hasta el 70 %) o se prefresa, templa y rectifica (hasta el 80 %); un fabricante busca ±2 segundos de arco en anillos rectificados y garantiza ±3. No hemos acreditado una máquina exclusiva para Hirth: se hacen en fresadoras y, para la máxima precisión, en rectificadoras de perfil o de coordenadas. El Curvic, de dientes curvos, tiene rectificadoras propias; según Gleason, la mayoría de los Hirth están sin rectificar y valen para velocidades moderadas.

Si tienes una máquina de esta cadena y quieres venderla

Los compradores eligen máquina según el procedimiento que necesitan: talladora por fresa madre para exteriores en serie, mortajadora para interiores, rectificadora para el acabado tras el temple. Para el valor cuentan diámetro y módulo máximo, longitud de pieza, año y serie, control, husillos, prueba de precisión, accesorios y retrofit.

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Fuentes

Vender talladora de engranajes

Por fabricante

Resumen: vender máquinas de engranajes de todos los tipos¿Cuánto vale mi talladora de engranajes?Fabricación de engranajes: procesos

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Preguntas frecuentes

1. ¿Cómo se fabrica un engranaje?

En la industria sigue cinco pasos: pieza en bruto, tallado en mecanizado blando, tratamiento térmico, acabado duro y medición. El dentado exterior se talla casi siempre con fresa madre; los interiores se hacen por mortajado, tallado por pelado o brochado. Después del temple, los flancos se rectifican o se honean, porque la pieza se deforma al templar.

2. ¿Qué diferencia hay entre tallar con fresa madre y mortajar?

En el tallado con fresa madre corta de forma continua una fresa helicoidal giratoria; en el mortajado, un piñón cortador realiza un movimiento de carrera y rueda a la vez sobre la pieza. La fresa madre hace dentados exteriores con muy alto arranque de viruta; el mortajado sirve también para dentados interiores, dentados sin salida de herramienta y agujeros ciegos.

3. ¿Por qué se mecanizan los engranajes después del temple?

Al templar se produce distorsión de temple. Para alcanzar la calidad de dentado exigida, los flancos suelen repasarse después por rectificado o honeado. El temple hace los flancos más resistentes al desgaste, sobre todo frente a las picaduras.

4. ¿Cómo se fabrica un dentado interior?

Por mortajado, tallado por pelado o brochado de perfil. El mortajado es flexible, el pelado es continuo y sin carrera improductiva, y el brochado solo compensa en producción en masa, porque cada perfil necesita su propia herramienta. La fresa madre solo entra en casos especiales.

5. ¿Qué es el tallado por pelado (power skiving)?

Un procedimiento de corte continuo en el que una herramienta con forma de engranaje y la pieza ruedan con los ejes cruzados, como un engranaje de tornillo. Según EMAG, en la fresa madre los ejes forman de 45° a 135° y en el pelado solo de unos 10° a 25°. Por eso el pelado mecaniza también dentados interiores y junto a un resalte, y puede combinar torneado y dentado en una sujeción.

6. ¿Qué diferencia hay entre dentado de entalla (DIN 5481), eje dentado (DIN 5480) y eje ranurado?

Los tres son uniones eje-cubo con forma y se distinguen por el diente. El dentado de entalla (DIN 5481) tiene flancos planos no paralelos y dientes en punta; el eje dentado (DIN 5480), flancos de evolvente con ángulo de presión de 30°; el eje ranurado (DIN ISO 14), flancos paralelos. El dentado de entalla no es desplazable axialmente por desgaste; un eje ranurado puede serlo según el ajuste.

7. ¿Qué es un acoplamiento Hirth?

Un dentado frontal de 60° con dientes radiales que une dos piezas con forma y las centra solas al apretarlas axialmente. No rueda por generación. Con él, las mesas giratorias de indexado alcanzan precisiones de división de hasta un segundo de arco.

8. ¿Se pueden fresar engranajes en un centro de mecanizado de 5 ejes?

Sí. El fresado simultáneo de 5 ejes con herramientas sin perfilar es un método más reciente para piezas únicas y series pequeñas, en blando y en duro. En series grandes, la fresa madre es muy económica porque trabaja de forma continua.

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