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
| Paso | Procedimiento | Tipo de máquina |
|---|---|---|
| 1. Pieza en bruto | aserrado y torneado; en serie, forja, fundición o sinterizado | sierra, torno, prensa |
| 2. Blando, dentado exterior | tallado con fresa madre | talladora por fresa madre |
| 2. Blando, interior y contornos de interferencia | mortajado | mortajadora de engranajes |
| 2. Blando, interior y exterior | tallado por pelado | máquina de pelado |
| 2. Blando, cónicos | tallado de cónicos | máquina de engranajes cónicos |
| 2. Desbarbado | biselado | unidad en la máquina o máquina aparte |
| 3. Tratamiento térmico | cementación | horno y planta de temple |
| 4. Acabado duro | rectificado por generación o de perfil; honeado | rectificadora de engranajes, honeadora |
| 5. Medición | perfil, hélice, paso, concentricidad | máquina 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.
| Procedimiento | Herramienta | Uso y punto fuerte |
|---|---|---|
| Fresa madre | fresa madre helicoidal | exterior (interior solo en casos especiales); muy alto arranque, una herramienta para cualquier número de dientes del mismo módulo |
| Mortajado | piñón cortador | interior y exterior; sin salida de herramienta, agujeros ciegos |
| Tallado por pelado | herramienta de pelado, ejes cruzados | interior y exterior; continuo, bueno con contornos de interferencia |
| Cepillado por generación | peine de corte | engranajes muy grandes; sin dentado interior |
| Fresado de perfil | fresa de disco | en fresadoras normales; una herramienta por módulo y número de dientes |
| Brochado de perfil | brocha | sobre 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:
| Procedimiento | Calidad (DIN 3961) |
|---|---|
| Honeado | 1 a 6 |
| Rectificado | 1 a 7 |
| Rasqueteado, laminado en frío | 5 a 7 |
| Fresa madre, cepillado por generación, mortajado | 5 a 9 |
| Fresado y mortajado de forma, brochado | 7 a 12 |
| Estampado, sinterizado, inyección | 8 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.
| Procedimiento | Uso típico | Ventaja | Límite |
|---|---|---|---|
| Mortajado | coronas, cubos, agujeros ciegos, series pequeñas | recto y helicoidal, también en agujero ciego | garganta de salida de 5 a 10 mm; carrera de retorno sin corte |
| Brochado | series grandes de geometría fija, ejes ranurados | una sola pasada, tolerancia IT7 a IT9 | herramienta específica, cara y de largo plazo |
| Tallado por pelado | coronas planetarias, dentado junto a resalte | más rápido que el mortajado, sin garganta, torneado y dentado en una sujeción | sujeción estable y altas velocidades de giro |
| Electroerosión por hilo | piezas muy duras, piezas únicas | también en material muy duro | zona de trabajo limitada |
| Rectificado de perfil, pelado duro | coronas templadas de alta calidad | compensa la distorsión de temple | brazo 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
| Rasgo | Dentado de entalla | Eje dentado (evolvente) | Eje ranurado |
|---|---|---|---|
| Norma | DIN 5481 | DIN 5480 | DIN ISO 14 (sustituye a DIN 5461 a 5463); DIN 5464 serie pesada |
| Flanco | planos no paralelos, dientes en punta | evolvente, 30° | paralelos |
| Desplazable axialmente | no | con ajuste con juego | según el ajuste |
| Eje | laminado, fresado de perfil, fresa madre | fresa madre y otros por generación | fresado, rectificado, brochado, laminado |
| Cubo | brochado, mortajado | brochado, mortajado | brochado, 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
- tec-science: Herstellung von Zahnrädern y Getriebearten und Zahnräder.
- Wikipedia: Evolventenverzahnung y Zahnrad: DIN 867, DIN 780, calidades según DIN 3961.
- EMAG: Wälzfräsen vs. Schälwälzfräsen vs. Wälzschälen.
- WZL de la RWTH Aachen: Fertigung von Zahnrädern.
- Klingelnberg: Whitepaper Wälzschälen; FVA: Wälzschälen von Innenverzahnungen.
- Wikipedia: Wälzstoßen, Räumen, Kerbverzahnung, Hirth-Verzahnung; DS Werk: Kerbverzahnung, Zahnwellen DIN 5480.
- Dr. Hermann J. Stadtfeld, The Gleason Works: Couplings and Clutches; Flohr Industrietechnik: Hirth-Verzahnung geschliffen.