¿Cuáles son los procesos de fabricación de engranajes en blanco? Fundición versus forja versus mecanizado

El límite superior de la calidad de los productos de engranajes depende del material de base. Incluso si tiene el mejor diseño de perfil de diente o la solución de tratamiento térmico más avanzada, si hay defectos en el proceso básico de fabricación de piezas en bruto de engranajes, sus engranajes están destinados a no funcionar durante mucho tiempo.

Los engranajes en bruto son los factores determinantes para la integridad estructural, la vida útil a la fatiga y el costo de fabricación de los componentes finales. Elegir el proceso de fabricación incorrecto puede provocar roturas catastróficas de los engranajes durante la operación en el sitio-o aumentar los costos de mantenimiento en el proceso de producción.

Entonces, ¿cómo se elige el proceso de fabricación? ¿Debería elegir fundición, forja o mecanizado directo a partir de barras?

La fundición es una de las técnicas de procesamiento de metales más antiguas dominadas por los humanos y, para escenarios de aplicación específicos, sigue siendo una opción altamente competitiva.proceso de fabricación de engranajes en blanco. El principio es inyectar metal fundido en la cavidad del molde, definiendo así la forma de la pieza en bruto.

Artesanía y Materiales
En el campo de los engranajes, generalmente nos referimos a la fundición en arena o a la fundición a la cera perdida, y los materiales comúnmente utilizados incluyen hierro fundido gris, hierro dúctil o acero fundido. Una vez que el metal fundido se enfría y solidifica, adquiere una forma consistente con el molde.

pros y contras
La mayor ventaja de la fundición es el grado de libertad de la forma geométrica. Si está diseñando engranajes gigantes para molinos de bolas de minería o sistemas de propulsión de barcos - aquellos con diámetros de varios metros, - la fundición suele ser la única solución factible. Le permite fundir directamente estructuras complejas como radios y orificios para reducir el peso en la pieza en bruto, reduciendo así significativamente la cantidad de material eliminado en el futuro.

Pero el casting tiene sus debilidades inherentes. El proceso de solidificación puede provocar fácilmente defectos internos comoporosidad y cavidades de contracción. Además, la estructura del grano de las piezas fundidas suele ser aleatoria y gruesa. Esto significa que, en comparación con los forjados, la resistencia a la tracción y la tenacidad al impacto de los engranajes fundidos suelen ser menores.

Los escenarios aplicables son generalmente engranajes-de gran tamaño, estructuras geométricas extremadamente complejas, aplicaciones de tensión baja a media y situaciones que requieren el excelente rendimiento de absorción de impactos del hierro fundido.

Atención:Tenga cuidado con los defectos internos ocultos que sólo quedarán expuestos después del inicio del procesamiento de corte de engranajes.

Cuando la alta capacidad de carga-, la resistencia al impacto y la larga vida útil se convierten en requisitos inflexibles,forjaEs sin duda un proceso de fabricación de piezas en bruto de engranajes superior. Forjar implica calentar un tocho de metal y aplicar una presión inmensa usando un martillo gigante o una prensa para provocar que sufra deformación plástica.

Arma secreta:Flujo de grano
¿Por qué los engranajes forjados son más fuertes que los fundidos o cortados? La respuesta está enflujo de grano de metal.
Imagínate la madera. Dividir la madera según su textura es mucho más fácil que cortarla horizontalmente. Los metales también tienen "texturas" o estructuras fibrosas similares.

en casting: no hay líneas de corriente, la estructura es isotrópica pero relativamente suelta.
Corte:Ha cortado la línea de corriente y los extremos de las fibras expuestas pueden convertirse en el punto de partida de las grietas.
en forja, la deformación plástica fuerza a las líneas de flujo de metal a seguir el contorno de la pieza en bruto.

Esta línea aerodinámica metálica continua forma un "esqueleto" dentro de la pieza que es consistente con la dirección de la fuerza sobre el engranaje, mejorando significativamente la resistencia a la fatiga y al impacto.

Dos formas principales

Forja con matriz abierta:Se utiliza para espacios en blanco más grandes y simples. Puede compactar eficazmente el centro del lingote de acero y cerrar los poros internos.
Forja con matriz cerrada:Este es el proceso de fabricación de piezas brutas de engranajes más común para engranajes industriales y de automoción. El metal se prensa en moldes de precisión para producir piezas en bruto "casi netas" con un procesamiento posterior mínimo.

Consideraciones económicas
La forja requiere moldes costosos y equipo pesado. Si se trata de un único prototipo, no es rentable-. Pero para lotes de más de 1000 piezas, la forja suele ser la opción de menor costo debido al mínimo desperdicio de materia prima y al tiempo de procesamiento significativamente reducido. Adecuado para cajas de cambios de automóviles, engranajes de aviación, cajas de cambios industriales-de servicio pesado y producción a gran-escala.

El tercer proceso común de fabricación de piezas en bruto para engranajes es el corte directamente de la barra. Aquí, selecciona un acero redondo sólido (como acero 45 #, 42CrMo, 20CrMnTi, etc.) y usa un torno CNC o una sierra para cortarlo al tamaño de un engranaje en bruto.

El camino con menor resistencia.
Se trata de un proceso de "reducción de material". Sostienes un trozo de material más grande y cortas todas las partes que no parecen engranajes.

La mayor ventaja aquí es la agilidad. No es necesario esperar 8 semanas para la producción de moldes de fundición o forja. Puede pedir una varilla de acero hoy y recibir el engranaje en bruto procesado mañana. Para la creación de prototipos, el reemplazo de repuestos o la producción de lotes pequeños (como de 10 a 50 piezas), este suele ser el método preferido predeterminado.

Compromiso en ingeniería
La desventaja reside en el rendimiento estructural. Como se mencionó anteriormente, cuando giras engranajes a partir de material de barra, estás interrumpiendo las líneas de flujo de fibra del material. Al cortar la textura longitudinal del material de la barra laminada, se expusieron los extremos de la fibra en la superficie de los dientes del engranaje.

Aunque la calidad del acero moderno es lo suficientemente alta como para que este método sea aceptable para muchas aplicaciones generales, la vida a fatiga de los engranajes cortados suele ser menor que la de los engranajes forjados con el mismo material y tamaño.

Además, el índice de utilización de material de este proceso de fabricación de piezas en bruto para engranajes es el más bajo. Si desea procesar un engranaje grande con un cubo de rueda, convertirá la mayor parte del costoso acero de aleación en virutas (residuos), lo que aumentará directamente el costo del material por pieza.

Su ventaja es que no hay necesidad de tarifas de molde (NRE) y el ciclo de entrega es muy rápido. Adecuado para prototipos de máquinas, pruebas de lotes pequeños, piezas de reparación de emergencia y engranajes con cargas ligeras a medias.

Para ayudarle a comprender las diferencias de forma intuitiva, Hansheng comparó estos tres procesos de fabricación de piezas en bruto de engranajes.

 

 

 

 

 

Punto de equilibrio de "coste versus producción"
Uno de los factores más críticos a la hora de elegir un proceso de fabricación de piezas brutas de engranajes es la "curva de rendimiento".

Si necesita 10 marchas, el corte de barra es una opción adecuada. Aunque el desperdicio de material es significativo, el costo total sigue siendo menor que el costo de abrir un conjunto de moldes de forja (que puede alcanzar decenas de miles de yuanes).

Si necesita 5000 engranajes, la forja es el ganador indiscutible. El costo inicial del molde se reparte entre miles de piezas y el aumento en el costo de una sola pieza es mínimo. Al mismo tiempo, el ahorro de materias primas y la reducción del tiempo de mecanizado (ya que la pieza en bruto se forma casi netamente) generarán enormes márgenes de beneficio.

Hansheng le proporciona una lista de verificación para el proceso de fabricación de piezas en bruto.

Evaluar carga y factor de seguridad.
¿Para qué escenario se utiliza este equipo? Si la aplicación implica cargas de choque, tensiones cíclicas o funciones críticas para la seguridad, entonces se puede dar especial consideración a la fundición.

Analizar formas geométricas.
¿Los engranajes tienen placas de vientre grandes, orificios complejos para reducir el peso o carcasas integradas? Si la forma es demasiado compleja para forjarla, o si el torneado desperdicia demasiado materiales, la fundición puede ser su única solución geométrica.

Calcular el costo total de propiedad (TCO)
No mire sólo la cotización de la materia prima, mire el costo del producto terminado.
Los espacios en blanco de fundición pueden ser baratos de comprar, pero si hay puntos duros (zonas frías), no es amigable para los accesorios CNC y aumentará los costos de procesamiento.
Aunque forjar piezas en bruto requiere una alta inversión inicial, su suavidad superficial constante y sus características libres de defectos pueden acelerar la velocidad de tallado y rectificado de engranajes, acortando así el tiempo del ciclo de todo el proceso de fabricación de piezas en bruto de engranajes.

Considere el impacto del tratamiento térmico.
Los materiales forjados suelen tener una estructura más densa y uniforme, lo que hace que sus reacciones a tratamientos térmicos como la cementación y la nitruración sean más predecibles. Las piezas fundidas a veces sufren deformaciones impredecibles durante el enfriamiento debido a inconsistencias internas.

Basándonos en la amplia experiencia de Hansheng, nuestra sugerencia es que no existe un "mejor" proceso de fabricación de piezas en bruto para engranajes, sino sólo el proceso que mejor se adapta a los estándares de producción, presupuesto y rendimiento de su proyecto.

Fundición:para estructuras geométricas complejas y de escala ultragrande.
Forja:Para rendimiento crítico, durabilidad y producción en masa.
Corte de barras:para velocidad, flexibilidad y pedidos de lotes pequeños.

Hansheng es un fabricante de engranajes profesional que ofrece-soluciones integrales de transmisión de precisión. Si tiene alguna necesidad relacionada con equipos, comuníquese con nuestro equipo de ingeniería de inmediato o visite nuestra página de capacidades de fabricación de equipos para explorar. Podemos proporcionarle un análisis integral de Diseño para Fabricación (DFM) y comparaciones de costos detalladas para ayudarlo a optimizar el diseño de su engranaje. Construyamos juntos productos duraderos.

¿Se pueden forjar todos los engranajes?
No. La forja tiene limitaciones en cuanto a la forma. Si los engranajes tienen cavidades internas muy complejas, rebajes o diámetros extremadamente grandes (como los engranajes marinos que superan los 2 o 3 metros), la forja puede resultar técnicamente poco práctica o costosa. En este caso, la fundición suele ser la mejor opción para el proceso de fabricación de piezas en bruto.

¿Cuál es el impacto específico de la "aerodinámica del metal" en la vida útil de los engranajes?
El impacto es significativo. Según los datos de la industria que hemos aprendido, bajo las mismas condiciones de material y tratamiento térmico, los engranajes forjados con líneas de flujo de metal continuo generalmente tienen una resistencia a la fatiga entre un 20 % y un 30 % mayor que los engranajes mecanizados mediante corte. Para los engranajes de transmisión que soportan cargas de alto impacto, esto a menudo determina la vida útil de los engranajes.

¿Cuál es el proceso más rápido si necesito urgentemente un equipo de reemplazo?
Mecanizado a partir de barras. No es necesario esperar a que se fabrique el molde (que suele tardar entre 4 y 8 semanas). Utilizando el inventario de acero redondo, los talleres de mecanizado calificados pueden producir piezas de repuesto de emergencia para usted en un plazo de 24 a 48 horas. Aunque es un poco más débil que las forjadas, es la solución más rápida para resolver el problema de apagado.

¿Qué proceso es el más adecuado para engranajes helicoidales de bronce grandes?
Para los engranajes helicoidales de bronce, la fundición centrífuga suele ser el proceso preferido.
Aunque el bronce también se puede forjar, la fundición centrífuga proporciona una excelente densidad del material y resistencia al desgaste, y es muy rentable-, lo que la convierte en el proceso de fabricación estándar de piezas en bruto para engranajes grandes de metales no-ferrosos.

ANSI/AGMA 2001-D04 (reafirmada en 2016)

Factores de clasificación fundamentales y métodos de cálculo para dientes de engranajes helicoidales y rectos involutos.

ISO 6336-5:2016

Cálculo de capacidad de carga de engranajes rectos y helicoidales - Parte 5: Resistencia y calidad de los materiales.

AGMA 923-B05

Especificaciones metalúrgicas para engranajes de acero.

Manual de Dudley sobre diseño y fabricación de engranajes prácticos (cuarta edición)

Stephen P. Radzevich, CRC Press.