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Métodos de fabricación de Engranajes Plásticos




Enviado por jorgemr



    1. Consideraciones
      generales
    2. Método de electro
      erosión. Particularidades
    3. Influencia de las
      contracciones en el proceso de moldeado del
      plástico
    4. Ejemplo de
      cálculo
    5. Procesos de maquinado en los
      engranajes plásticos.
      Recomendaciones
    6. Operaciones de maquinado.
      Recomendaciones
    7. Conclusiones

    Consideraciones generales

    Los engranajes plásticos
    son fabricados en la actualidad por varios procedimientos
    entre los que se encuentra los métodos
    tradicionales por arranque de virutas y el moldeo.

    La inyección de plástico
    es una forma que adquiere cada vez más auge en la
    fabricación de estas transmisiones por las ventajas que
    reporta desde el punto de vista constructivo y de calidad de la
    pieza obtenida.

    Profundas diferencias existen entre el engranaje
    moldeado y los engranajes elaborados por arranque de virutas
    tanto en aceros como en plásticos, en el último
    método
    según el investigador Roderick E. Kleiss y Presidente del
    Instituto Kleiss Engineering [7] la superficie a elaborar depende
    del régimen de corte a que estará sometida pues se
    corre el riesgo de que la
    herramienta utilizada no copie exactamente el perfil deseado
    influyendo negativamente en la vida de este. Ahora bien al
    analizar un engranaje moldeado podemos señalar varias
    ventajas que van desde la calidad en la superficie obtenida hasta
    una buena concentricidad entre sus parámetros
    geométricos donde se logra además una alta
    precisión.

    Las precisiones en los engranajes plásticos
    están estrechamente ligadas a los métodos de
    fabricación utilizados en el molde y en particular el
    macho y la cavidad. Al elaborar el macho y la cavidad del molde
    deben tenerse en cuenta regímenes tecnológicos que
    garanticen el acabado [9, 10] superficial óptimo en
    correspondencia con las características exigidas a la
    pieza plástica así como del material a moldear,
    además de facilitar el trabajo del
    molde en su conjunto.

    Método de electro erosión.
    Particularidades

    En la elaboración de los moldes es de vital
    importancia el empleo de la
    electro erosión, proceso que
    garantiza adecuadamente que la pieza sea moldeada con las
    características geométricas que se requieren
    según los cálculos, este método es posible
    aplicarlo tanto a las cavidades como a los insertos porque
    precisamente estos son las partes que estarían en contacto
    con el material plástico a moldear.

    De acuerdo con Kleiss [9, 10, 5] todos los engranajes
    plásticos son moldeados en cavidades elaboradas por
    electro erosión. Esta tecnología permite y
    esta ligada a la utilización de métodos
    computarizados en la cual el engranaje puede representarse
    perfectamente en un sistema CAD y
    trasferirlo a la máquina electro erosiva, copiando
    fielmente la forma deseada del perfil.

    El diseñador es libre de crear el perfil
    matemático que quiera y transferirlo a la electro erosiva
    de hilo o de penetración.

    Ya en la máquina el programa se
    encargará de contornear la figura [7] que se quiere por el
    sistema CAD. Con esta herramienta en la mano el diseñador
    puede obtener una evolvente con todas las condiciones de trabajo
    deseadas, el espesor del diente óptimo, ajustar el
    ángulo de presión

    Fig. 1 Erosiva de hilo con ordenador
    acoplado. [10]

    Con la electro erosiva de hilo, Fig. 1, el
    diseñador puede crear una malla plástica a partir
    de un sistema CAD, puede valorar si necesita un diente más
    largo, más corto aumenta la fortaleza del diente siempre
    [6] teniendo en cuenta la contracción del material
    plástico utilizado, esto hace que la transmisión
    quede con los parámetros requeridos.

    De forma general en los machos y las cavidades de los
    moldes para la obtención de engranajes plásticos es
    usado el método por EDM (Electrical Discharge Machining).
    Este método consiste en el alambre cargado
    eléctricamente que talla la cavidad dentro del acero [9, 10]. La
    generación por alambre EDM requiere de un conocimiento
    detallado de la exactitud del perfil de la involuta de la rueda y
    el diámetro de fondo. El método básico para
    la generación de cremalleras es superfluo para este y se
    convierte en mera invención matemática
    a través de la cual se describe este tipo de engranaje en
    un estilo similar al tallado primario. Una aproximación
    más directa al diseño
    de engranajes plásticos moldeados es para moldear
    aprovechando las condiciones máximas del material esto se
    hace a través de un engranamiento directo estrecho entre
    la rueda y su compañera. La punta de una de las dos ruedas
    forma la raíz de la otra, este perfil es entonces en el
    moldeado posterior, dentro de una cavidad del molde.

    Este método permite un adelanto en el proceso de
    diseño para ser desarrollados con muchas variables y
    pueden ser integrados dentro de un proceso de CAD para la
    investigación de tolerancias, condiciones
    máximas y mínimas del material y parámetros
    funcionales del engranaje así como el radio de contacto
    y juego de
    contacto entre dientes. Esta aproximación no necesita de
    ningún tipo de definición de engranajes para
    construcción, este puede ser aplicado para
    especificaciones de engranajes no estándar.

    Casi todos los engranajes rectos plásticos de hoy
    en día son moldeados a base de cavidades cortadas con
    alambre EDM como se muestra en la
    Fig. 2. Kleiss y Hoftman han escrito sobre este proceso, su
    aplicación y su exactitud. El alambre EDM puede trazar
    cualquier construcción en dos dimensiones para maquinar
    partes directamente desde el CAD [7]. Por lo tanto cualquier
    geometría que pueda ser representada en CAD
    puede ser aplicada a la cavidad del molde.

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    la opción "Descargar" del menú
    superior

    Fig. 2 Proceso de
    electroerosión de una rueda dentada.[10]

    La importancia de estas diferencias es primordial ya que
    los engranajes plásticos no dependen de las herramientas
    generadoras para crear su geometría
    (ver fig.2.2). El diseñador es libre para crear engranajes
    perfectamente matemáticos en papel y transferir esa
    geometría a la rueda a través del alambre EDM. Un
    método de hacer esto es permitiendo a las ruedas
    diseñarse ellas mismas a través de sus propias
    condiciones de engranamiento. [10]

    La Fig.3 muestra un cinturón o correa no
    deslizante que gira alrededor de los dos cilindros que rotan.
    Esto ilustra el concepto de
    conjugación del movimiento. La
    involuta de las transmisiones por engranajes es idealmente
    equivalente a un cinturón conducido y cruzado
    axialmente.

    Fig. 3 Conjugación del
    movimiento.[10]

    Los dientes provocan el mismo efecto rotacional usando
    la misma trayectoria de la transmisión. El conductor
    presiona al conducido a través de la trayectoria definida
    del cinturón que viene por fuera de un cilindro o
    círculo base del otro cilindro. Los círculos de las
    fig. 2.3 y 2.4 muestran el radio del círculo base que
    define su involuta. La principal limitación de este
    método es que el radio del círculo base tiene que
    ser la fracción de un número entero, entonces
    deberá haber números enteros en cada
    círculo. [10]

    El punto donde los cinturones se cruzan deberá
    ser el punto de paso de las dos ruedas y el ángulo de
    presión de trabajo es el ángulo que hace el
    cinturón con la abcisa horizontal. El tamaño de los
    cilindros es equivalente a la reducción del radio de las
    ruedas. Muchas de las características de este
    cinturón cruzado y reducido son exactamente descritas con
    nomenclatura
    de engranajes como son círculo de base, círculo de
    paso, ángulo de presión, y longitud tangente de
    base. La longitud del cinturón desde su
    intersección tangente con uno de los cilindros hasta su
    intersección tangente con el otro es referida como
    longitud tangente de base entre dos ruedas la superficie de la
    involuta de las ruedas trabaja a lo largo de esta línea
    tangente de base para transmitir movimiento. Entonces el punto de
    paso es el punto donde las líneas tangentes de base se
    cruzan unas a las otras, por lo que si desenvolvemos una involuta
    de alrededor de cada círculo base podemos encontrar el
    punto de paso (ver fig. 4), la longitud del círculo base
    es tres veces el diámetro del más pequeño.
    Por lo tanto, si se elige tener diez dientes en el círculo
    más pequeño, entonces se debe tener treinta dientes
    en el círculo mayor. El ángulo de la línea
    tangente de base ha de ser determinado a 200 por
    conveniencia.

    Fig. 4 Parámetros
    equivalentes.[10]

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    Fig. 5 Punto de
    paso.[10]

    Con estos factores al alcance se puede dimensionar
    relativamente por la reducción del radio de la rueda fija
    deseada.

    Absolutizar el tamaño no es importante ya que al
    final la rueda puede ser reducida al volumen deseado.
    El próximo paso a seguir por el diseñador debe ser
    seleccionar el espesor de la base de los dientes y dibujar la
    forma de la involuta del diente en una rueda como se muestra en
    la fig. 5, también las distancias para separar las ruedas
    y el ángulo de presión de trabajo. El
    diámetro exterior de la rueda es fijado arbitrariamente a
    este punto.[10].

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    Fig. 6 Generación de la
    rueda.[10]

    Ahora que la rueda ha sido definida, el resto de la
    construcción será generada por sí misma. La
    rueda parcialmente construida es rotada alrededor del
    círculo base de su compañera, y del perfil de su
    compañera es formado como se muestra en la fig. 2.5. La
    fig. 6 muestra el detalle de la geometría completa de la
    involuta para cada rueda. Es importante destacar que estas ruedas
    están en un engranaje cerrado, no existe holgura ni
    espacio libre. El paso final será completar la
    generación de la geometría del fondo.

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    Fig.7 Generación del perfil de
    la rueda.[10]

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    Fig. 8 Círculos
    concéntricos.[10]

    Anteriormente se describió el punto de paso donde
    las líneas tangentes de base se cruzan unas a las otras.
    Entonces se pueden dibujar círculos concéntricos
    con cada círculo base e interceptando al punto de paso,
    (ver fig.8).

    Estos círculos son llamados círculos de
    paso de los engranajes. Como los engranajes rotan estos
    círculos rotan uno a otro sin deslizamiento. Este dato
    prevé del detalle final para crear la geometría de
    la raíz del engranaje acoplado. Considerando estacionario
    el círculo de paso más pequeño y rotando el
    mayor alrededor de el como se observa en la fig. 7, se ejecuta
    esta misma operación pero remplazando el círculo de
    paso simple con el diente que se desarrolló en la fig.
    5.

    Es verdaderamente fácil ver el perfil del
    piñón que se ha formado por la involuta del
    engranaje así como su giro. La forma completada del perfil
    a las características básicas del material del
    piñón ya está completa y es mostrada. La
    punta del diente puede ser tan larga y puntiaguda sin mostrar
    resultados de interferencia. Indiscutiblemente este no
    podrá tener interferencia de ningún modo pues este
    ha sido formado por el contacto físico de su
    compañero. Sólo una cosa queda decidir ahora y es
    el diámetro exterior.

    Para este ejemplo se elige un diámetro exterior
    estandarizado por AGMA y calculado por la siguiente
    ecuación:

    El piñón acabado es mostrado en la fig.
    2.9 con la cantidad de puntas eliminadas que también
    aparecen esquematizadas.

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    Fig. 9 Piñón acabado.
    [10]

    La rueda de treinta dientes es formada usando la misma
    técnica. La rueda es fijada en el lugar y el
    piñón rota alrededor del círculo de paso de
    la rueda. La forma final de la rueda es mostrada en la fig.10 con
    líneas de puntos.

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    Fig.10 Forma del perfil
    determinada.[10]

    Ahora la forma de las dos ruedas ya está
    completa. Los engranajes han sido generados en las condiciones
    máximas del material.

    El diseño no está terminado aún
    algunas decisiones deben ser tomadas todavía concernientes
    al mínimo de holgura. Para esto se podrá separar
    discretamente las distancias entre centros o reducir el
    diámetro exterior y el espesor de los dientes se ha
    optimizado el diseño mediante el alivio de la punta este
    deberá ser aplicado a ambas ruedas. La distancia entre
    centros requerida puede cambiar, cuando esto ocurre el engranaje
    puede ajustarse a escala. El radio
    del filete puede aparecer muy afilado o agudo, para solucionar
    esto, se puede ampliar tanto como sea posible y no se vean
    afectadas las condiciones máximas del material.

    Las tolerancias para este tipo de aproximación
    pueden ser aplicadas de buena gana con generación mutua de
    los engranajes. Los engranajes pueden ser formados por la
    acción
    de un engranamiento ajustado a la distancia entre centros
    mínima especificada en el encaje mínimo de la
    excentricidad permisible de las ruedas. La expansión de
    los plásticos debido a la humedad, temperatura, y
    ambientes químicos pueden ser modelada por un simple
    incremento de la geometría del engranaje a través
    del CAD. La cavidad del molde desarrollada también puede
    ser diseñada en esta forma.

    La rueda individual puede ser dimensionada inversamente
    proporcional a la contracción esperada del material. Esto
    dará una primera y muy buena aproximación a la
    exactitud de la geometría de la rueda moldeada.

    El método de obtención por alambre EDM de
    ruedas dentadas le permite al diseñador de engranajes la
    posibilidad de explotar el material en sus condiciones
    máximas. No hay confusiones solo se requiere de simple
    trigonometría y un conocimiento
    básico de la involuta y el círculo base.

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    Fig. 11Cremallera AGMA y engranajes
    generados por si mismos.[10]

    Todos los dibujos de
    este epígrafe han sido hechos en CAD [10] por lo que el
    diseñador aventajado en CAD podrá hacer
    físicamente una geometría aceptable de la rueda en
    pantalla. Esto servirá de mucho pues se puede ver la rueda
    dentada creada y la que ha sido moldeada.

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    Fig. 12 Nuevos diseños.
    [10]

    La primera diferencia entre los dos tipos de engranajes
    es la cantidad de material eliminado del fondo del diente en
    comparación a la cremallera estándar definida por
    AGMA (ver fig.11). La simple modificación de tolerancia cero,
    incrementa significativamente la resistencia del
    piñón. Esta formación aproximada puede ser
    usada para extender la involuta dentro de un espacio
    insólito o cambiar la holgura extra así como se
    hecho, pero esto es sólo una pequeña muestra de las
    opciones reales que estas aproximaciones dan al
    diseñador.

    La descripción de la cremallera se convierte
    en superflua. El círculo base es el principal
    parámetro por definición. La generación del
    ángulo de presión se convierte en una simple
    variable. Un tipo de engranaje puede ser diseñado para
    encajar en diferentes aplicaciones. Los engranajes pueden ser
    diseñados para tensiones máximas o radios de
    contacto máximos o para el menor cúmulo de
    tolerancias para el mecanismo.

    La cavidad de un engranaje de dientes rectos obtenida
    por EDM tendrá necesariamente un radio final de la
    involuta debido al diámetro del alambre y el
    sobrecalentamiento. Este radio al final de la involuta debido al
    diámetro del alambre y el sobrecalentamiento. Este radio
    puede ser diseñado dentro del desarrollo de
    la involuta y usado para adicionar material al fondo del diente
    de la rueda compañera. Un ejemplo de dos diseños
    radicalmente diferentes es mostrado en la fig. 12

    El engranaje tipo en la izquierda fue ajustado
    visualmente para minimizar socavaduras del piñón y
    así alcanzar tanto contacto en el radio como sea posible.
    El contacto del radio actual de este engranaje cerrado es de
    1.48, el ángulo de presión es de 220. El
    engranaje de la derecha fue desarrollado para usar al menos
    entero el largo tangente de base entre los dos círculos
    base [10]. El contacto del radio de este engranaje es de 1.7con
    170 de ángulo de presión. Es
    completamente obvio que el segundo engrane es irreal, pero el
    diseñador podrá ver esto visualmente y ser capaz de
    ajustar acordemente.

    Los análisis tradicionales serán siempre
    importantes. La tensión en la involuta, el engranamiento y
    las inspecciones matemáticas no deberán ser
    diferentes en ejecución para este tipo de desarrollo que
    para los diseños tradicionales. La visualización
    será conveniente para el diseñador, pero más
    importante es la factibilidad del
    diseño libre.

    La geometría del engranaje se convierte en una
    variable infinita en la construcción así como
    deberá ser para generar matemáticamente cavidades
    para engranajes plásticos. Las restricciones artificiales
    impuestas por la incorporación de cremalleras
    estándar son eliminadas.

    Influencia de
    las contracciones en el proceso de moldeado del
    plástico.

    Según G. Mengues y G. Mohren en su libro Moldes
    para Inyección de Plásticos [9], se denomina
    contracción a la diferencia porcentual entre las
    dimensiones del molde y las de la pieza, a la temperatura
    ambiente.

    La contracción es distinta según el tipo
    de plástico y depende de la forma del artículo a
    fabricar y de las condiciones de producción.

    Por una parte se originan variaciones de medidas en
    virtud de la contracción volumétrica producida por
    la solidificación, siempre que no queden compensadas por
    la presión residual, por otra parte la pieza se dilata
    durante el enfriamiento posterior al molde, por lo tanto se puede
    decir, que se producen diferencias según la
    contracción sea libre o se vea obstaculizada.

    La contracción puede definirse también
    como la diferencia entre las medidas de la pieza desmoldada y
    enfriada a la temperatura ambiente y las dimensiones del molde.
    [5, 6, 8, 9, 10]

    Es de mencionar además las fuerzas ocasionadas
    por el desmoldeo que pueden provocar deformaciones en la cavidad
    y como consecuencia de esto en la pieza plástica
    deformaciones reales que se deben tener en cuenta en el momento
    que se diseñe el molde. Estas tensiones pueden ser
    aliviadas con un correcto acabado, así como ángulos
    de salida que faciliten el desmoldeo sin que estos provoquen
    variaciones dimensionales en el artículo a desarrollar.
    [1]

    Un papel importante lo tendrá el enfriamiento
    para la calidad y rentabilidad
    que muchas veces se exige que se tenga en cuenta. Para la
    construcción del molde debe de hacerse siguiendo el
    llamado principio del cono, es decir, que la pieza ha de
    enfriarse uniformemente partiendo del borde exterior hacia el
    punto de la colada. La mazarota no ha de solidificarse demasiado
    pronto para que la presión residual actúe durante
    un tiempo
    suficiente. [1, 9]

    El conocimiento con profundidad de los materiales su
    comportamiento, la contracción que poseen y
    la que se debe utilizar en un diseño son puntos
    determinantes en la obtención de artículos de
    responsabilidad como por ejemplo los engranajes
    plásticos.

    La temperatura es un punto que requiere un aparte en
    nuestro estudio porque está estrechamente relacionado con
    la contracción y cada material tiene una temperatura y una
    merma en dependencia de su composición química y
    procedencia. [1, 9]

    El proceso de moldeo es determinado entre otras cosas
    por los parámetros anteriores y además por un
    tiempo de inyección y de enfriamiento que influyen
    directamente en el ciclo del molde y en el artículo en
    cuestión.

    Es importante también que el proceso
    deberá contener una temperatura óptima que
    caracteriza a cada máquina inyectora en dependencia del
    material a inyectar lo que traerá un aumento de la
    disminución del número de defectos en las piezas ya
    moldeadas.

    Normalmente en nuestra industria de
    hoy los engranajes fabricados en aceros son mayoría y es
    por ello que hay dos diferencias fundamentales entre este
    material y los plásticos en general, una de las
    características importantes que saltan a la vista son los
    amplios rangos de contracción que presentan los
    poríferos [1] no siendo así en los aceros y es
    significativo señalar también que estos
    últimos son capaces de transmitir grandes cargas y no los
    plásticos donde los esfuerzos con que trabajan son
    limitados, por los que los técnicos dedicados al
    diseño de herramental para el moldeo deberán
    siempre tener presente estas propiedades pues pueden dar al
    traste con lo que se quiere y su posterior uso. Por ejemplo un
    plástico no compacto o no reforzado como lo es el Nylon y
    el Acetal tendrán de cuatro a cinco veces el coeficiente
    de expansión térmica del acero. Si el engranaje
    está previsto para operar a elevadas temperaturas el
    diseñador debe contar para esto, con la expansión
    térmica o correr peligro de interferencia a altas
    temperaturas o bajo radio de de contacto a bajas temperaturas.
    Esto es un problema que a lo largo de los años ha hecho
    que se altere el juego y la holgura del fondo del par engranando
    para acomodar la expansión.

    La aproximación es perfectamente aceptable para
    engranajes con similitud en la contracción. De esta misma
    forma, si un engranaje plástico con una contracción
    alta está engranando con una rueda de acero a una
    temperatura elevada, esto puede causar irregularidades en la
    acción del engranamiento. El mayor grado de coeficiente de
    expansión térmica de los engranajes
    plásticos será causa básica de la
    geometría del engranaje al cambiar mucho más
    drásticamente que el engranaje de acero.

    Este cambio en la
    geometría del diente es debido a la expansión
    térmica y es muy similar a las contracciones durante el
    ciclo de enfriamiento del molde. Y el resultado será
    engranajes operando a disímiles pasos bases.

    Las consecuencias de las dilataciones térmicas en
    la geometría de los engranajes plásticos deben
    conocerse antes de que los engranajes sean diseñados o
    inspeccionados, por lo que esto ayuda a prever el comportamiento
    de estos a las temperaturas de trabajo. [1, 9]

    Es por ello que el Dr. Kleiss en sus estudios plantea
    que es un error estimar una masa plástica
    isotrópicamente y que la contracción o la merma del
    plástico es una situación real que de no tenerla en
    cuenta puede hacer que fracase la transmisión proyectada.
    [6]

    La contracción en el engranaje se puede
    caracterizar microscópica y localmente, lo anterior esta
    dado porque al contraer el material plástico no
    será lo mismo en el diámetro exterior, que en el
    pie del diente como no lo será por el espesor del
    diente.

    Debido a que la merma no es uniforme en toda la
    superficie del engranaje las técnicas
    tradicionales de cálculo
    fracasan, se puede moldear un engranaje calculado por las
    técnicas tradicionales y comprobar las diferencias
    existentes en un engranaje en el cual se tuvo en cuenta la
    contracción notándose diferencias
    considerables.

    Al engranaje plástico se le puede realizar una
    inspección mediante el cual utilizando un sistema CAD se
    puede determinar la diferencia que existe antes y después
    de la contracción.

    En el proceso de moldeado las contracciones serán
    diversas a través de una sección del área en
    estado de
    enfriamiento, orientación de la fibra, temperaturas,
    presión de moldeado y otras variables. Con las
    herramientas de software disponibles y
    adecuadas para el moldeador, los moldes construidos para
    pronosticar cual proceso será el mejor para llenar la
    cavidad del molde y resultar en un correcto moldeado de las
    partes. Pero estos moldes no se hacen con tal habilidad debido a
    la pequeña y crítica
    área de la involuta. Las prácticas comunes
    presentes están en asumir una contracción
    isotrópica radial desde el eje del engranaje. Una simple
    recta desde el lado dentado de la rueda puede ser usada para
    describir estas contracciones isotrópicas, ver fig.
    13.

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    Fig. 13 Perfil
    contraído.[10]

    Ese grado de contracción isotrópica
    asumido será el mismo en cualquiera de los puntos en la
    superficie del objeto.

    En la fig.13 la contracción es idéntica
    desde el origen del eje de la rueda dentada a cualquier punto en
    la superficie del objeto. La contracción rara vez tiene
    desplazamiento grande desde el diámetro exterior al origen
    y un pequeño desplazamiento correspondiente a
    través del diente engranado. La contracción
    isotrópica para la involuta de un diente de una rueda
    dentada desde la cavidad de un molde es idéntica en
    naturaleza,[8], ver fig. 14.

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    Fig. 14 Engranaje después de
    moldeado [8].

    Donde: S es la contracción en
    pulg/pulg.

    Para las contracciones isotrópicas el
    diámetro de paso del molde variará inversamente con
    el grado de contracción del plástico. Lo mismo
    podría esperarse para las expansiones térmicas
    isotrópicas del engranaje moldeado en servicio. Los
    parámetros básicos son listados en la tabla
    1

    El ángulo de presión en la tabla 1
    permanece constante, esto se debe al hecho de que el
    diámetro de paso fue seleccionado como la cantidad a
    dilatar por el grado de la contracción. Si el
    diámetro de paso fue fijado constante se deberá
    incrementar el coseno del ángulo de presión por el
    grado de contracción para generar la cavidad
    geométrica. Esto es debido al hecho de que el
    diámetro de paso y el ángulo de presión no
    son atributos del engranaje propiamente sino funciones de la
    cremallera generatriz requerida para elaborar la rueda. Debido a
    la alteración del ángulo de presión o el
    diámetro de paso la cremallera generadora es propiamente
    expandida para producir la forma expansionada.

     

    Parámetros

    Engranaje

    Cavidad

    Nº de dientes

    N

    N

    Diametral Pitch

    Pn

    Pn *(1-s)

    Diámetro de
    paso

    Dp

    Dp/(1-s)

    Paso Circular

    Pc

    pc/(1-s)

    Paso Base

    Pb

    pb/(1-s)

    Espesor del Diente

    th

    tn/(1-s)

    Ángulo de
    Presión

    phi

    phi

    Diámetro base

    Db

    Db/(1-s)

    Ancho de la rueda

    L

    L/(1-s)

    Tabla 1 Afectación de los
    parámetros por el grado de expansión
    térmica. [8]

    Se debe señalar además que los engranajes
    plásticos que trabajan a elevadas temperaturas se asume
    que se expanden isotrópicamente de la misma manera que se
    asume que se contraen en el molde. Para un engranaje
    plástico no reforzado este rango de expansión
    deberá de ser de cuatro a cinco veces la expansión
    de un engranaje de acero que supuestamente engranaría con
    él.

    Esto presenta al diseñador con una
    problemática que no debe haber encontrado con
    ningún otro material para ruedas, y es que para el
    diseño correcto de un par de ruedas que engranen
    correctamente el especialista deberá producir tres
    geometrías diferentes, cavidad del molde, moldeado a
    temperatura de cámara, moldeado a temperatura de
    operación. El debe también asegurarse de que al
    menos ocurre un engranamiento a cualquier temperatura de trabajo
    que se presente durante el proceso.

    Como se puede analizar con los análisis
    realizados se puede determinar que el método de describir
    un engranaje por cremallera se convierte en obsoleto con la
    expansión térmica de los plásticos. Es por
    ello que hay nueve variables básicas necesarias para
    describir la geometría del dentado de un engranaje:
    [8]

    1. Número de dientes.
    2. Diámetro del círculo base.
    3. Espesor de la base circular del diente.
    4. Sentido y ángulo de la
      hélice.
    5. Diámetro de la circunferencia
      exterior.
    6. Comienzo real de la involuta a partir del
      diámetro.
    7. Final de la involuta desde el diámetro (debido
      al redondeo de la punta).
    8. Circulo del diámetro de fondo.
    9. Espesor de la cara.

    Cada uno de los atributos está afectado
    directamente por las contracciones excepto el número de
    dientes y el sentido de la hélice, los cuales permanecen
    constantes. El diámetro de paso al cual la rueda engrana
    con su compañera deberá ser calculado desde la
    geometría física a la esperada
    a la temperatura de operación.

    Ejemplo de
    cálculo.

    Considerando un piñón de 32 dientes, 16 Dp
    estándar, acero al carbono para
    engranar con una rueda de 64 dientes, Nylon 66 a una temperatura
    de operación de 2000F y un coeficiente de
    expansión térmico de 6.7x 10-6 pul/pul/F
    entonces: [8]

    Parámetros Piñón de
    metal Rueda de Nylon

    Número de dientes 22 64

    Diámetro de paso a 200 2.00174
    4.00348

    Módulo 15.9861 15.9861

    Ángulo de presión 200
    20

    Círculo del diente 0.09826 0.09826

    Diámetro exterior 2.12685 4.128559

    Diámetro de fondo 1.84536 3.84571

    Por tanto si la rueda de nylon tiene un coeficiente de
    expansión térmica de 50×10-6 pul/pul/F
    entonces el paso base deberá haber crecido por el orden de
    0.00119 pulg

    desde las condiciones ambientales mientras que la rueda
    de metal con un grado de expansión de 6.7×10-6
    in/in/F se expandirá solo encima la geometría esto
    requiere un incremento del módulo mientras decrece el
    espesor del diente y sus parámetros radiales, sin embargo
    convirtiendo su geometría de operación en
    parámetros de paso base, uno puede ajustar cualquier
    dimensión por el mismo coeficiente de expansión y
    ajustar las dimensiones del molde por las contracciones
    esperadas. En el ejemplo anterior, si las contracciones del nylon
    fueron de 0.017 in/in ruedas a temperatura ambiente y a
    temperatura de operación, ver tabla 2.2.

    Las fórmulas para la conversión del
    círculo base son las siguientes:[8]

    Kleiss en sus estudios trata la cavidad del molde como
    si esta fuera una dentada exterior,[8] aún cuando la
    cavidad misma es interna. Tratándola como una rueda
    dentada externa permite una correlación inmediata entre la
    cavidad y la rueda dentada plástica que esta produce. (Ver
    Tabla 2.2)

    Los procedimientos que se han analizados
    describirán exactamente la geometría de las partes
    moldeadas para contracciones isotrópicas y expansiones
    térmicas. Las contracciones isotrópicas son una
    buena aproximación para el diseño de ruedas
    dentadas plásticas no reforzadas. Pero para investigaciones
    experimentales se necesita que el moldeado de las partes no se
    haga en condiciones ambientales ya que las propiedades del
    material son muy afectadas por la temperatura y la
    duración de las cargas y los datos
    estándar publicados de materiales plásticos no
    hacen referencia a las pequeñas temperaturas de las cargas
    cíclicas que al mayoría de las ruedas
    plásticas experimentan.

    Para ver el cuadro seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    Tabla 2 Ejemplo de cálculo. [8]

    Procesos de
    maquinado en los engranajes plásticos.
    Recomendaciones.

    En los procesos de
    maquinados para los plásticos debe tenerse en cuenta una
    serie de recomendaciones que sin lugar duda mejoran la calidad de
    las piezas obtenidas así como su designación de
    servicio.

    La relativa debilidad de los plásticos respecto a
    los metales
    generalmente resulta en mayores dificultades para el mantenimiento
    de tolerancias [110, 111] estrechas durante y después del
    maquinado. Una recomendación importante para la
    tolerancias de las piezas plásticas es ± 0.001 por pulgadas de
    dimensión además son posibles tolerancias
    más estrechas con muy buena estabilidad en materiales
    reforzados.

    Es importante señalar además que los
    plásticos tienen una expansión térmica diez
    veces mayor que en los metales, que los plásticos pierden
    calor
    más lentamente que los metales por lo que se debe evitar
    sobrecalentamientos localizados pues corren el riesgo de perder
    la estabilidad en las dimensiones de las superficies que
    están expuestas a tales condiciones también los
    polímeros son muchos más blandos y fusibles a
    menores temperaturas que los metales además de ser
    más elásticos por lo que durante el proceso de
    maquinado se recomiendan: [10]

    • Herramientas con geometría positiva y
      superficie rectificada.
    • Herramientas de carburos con superficie superior
      pulida para lograr la vida óptima de las herramientas y
      un buen acabado final.
    • Cuando se máquina el Duratron PI o Celazole
      PBI los herramientas con revestimiento de diamante o
      policristalina prevén un acabado superficial
      óptimo.
    • Uso adecuado de la holgura para la rebaba para
      prevenir el atascamiento.
    • Adecuada fijación del material para restringir
      la deflectación a través de la herramienta de
      corte.

    Los refrigerantes que se deben usar para estos casos son
    refrigerantes solubles y no aromáticos. El rociado por
    spray y el aire a
    presión son medios muy
    efectivos en el proceso de corte. Fluidos de propósitos
    generales de base de petróleo aunque son adecuados para muchos
    plásticos y metales pueden contribuir al surgimiento de
    tensiones indeseables en plásticos amorfos como
    son:[10]

    Hyzod M Policarbonato, Udel Polysulfure, Ultem PEI y
    Radel R PAES.

    Operaciones de
    maquinado. Recomendaciones

    Se recomienda además que para operaciones de
    barrenado para materiales sensibles a entalladuras como
    son Ertalyte PET- P, Torlon PAI, Duratron PI, Celazole PBI y
    productos
    reforzados con vidrio o
    carbón. Además de minimizar el calentamiento
    localizado de las partes, los refrigerantes prolongan la vida de
    la herramienta. Dos de los refrigerantes utilizados en la
    mayoría de los plásticos son Trim 9106 CS (Mater
    Chemical Corporation – Perrysbur, OH) y Polycut (Tullco
    –Savannaah, GA). Uno que generalmente se utiliza rociado es
    el Astro – Mist 2001 A (Monroe Fluid Technology –
    Hilton, NY.. [2, 3, 4]

    Para operaciones de torneado se requiere de
    herramientas con geometrías positivas y superficies
    rectificadas pues estas características reducen la
    acumulación de material sobre el inserto, mejorando el
    acabado superficial alcanzado. Un carburo de grano fino C-2 es
    generalmente mejor para las operaciones de torneado.

    En el barrenado se requiere tener en cuenta
    ciertas consideraciones especialmente cuando la profundidad de
    los agujeros es mayor que dos veces el diámetro. Agujeros
    de diámetros pequeños de 1/32" a 1" de
    diámetro se recomienda barrenas de aceros de alta velocidad de
    giro. Para mejorar la salida de la viruta del taladro, se
    requiere de una entrada y salida frecuente de la barrena. Una
    espiral suave con una hélice baja permitirá una
    mejor salida de la viruta. Para agujeros para diámetros
    grandes de 1" en adelante es recomendada una espiral baja con
    hélice suave o de lo contrario una broca afilada a
    1180 con un ángulo en la punta de 90
    a 150 de tolerancia de los labios. La
    inclinación de los labios deberá ser rectificada,
    rectificada, desbastada hasta fuera y el alma de la
    barrena afilada.[10]

    Generalmente lo mejor para barrenar un agujero piloto,
    máximo de ½" de diámetro, es el uso de 600 a
    1000 rpm y un avance positivo de 0.005" a 0.0115" por revolución. Evitar el avance manual debido al
    agarramiento de la barrena el cual puede resultar el agarramiento
    de la barrena lo cual puede resultar el la formación de
    micro grietas o grietas. Con un resultado del barrenado a 400
    ó 500 rpm a 0.008" a 0.020" por revolución es
    necesario expandir el agujero a un diámetro mayor. Es
    recomendable dos pasos tanto para el barrenado como para el
    escariado pues esto minimiza la elevación del calor y
    reduce el riesgo de agrietamiento.[10]

    El roscado a punta de cuchilla debe ser hecho con
    una herramienta puntiaguda con insertos de carburos y entrando
    cuatro ó cinco veces 0.001" pasadas al final. Es sugerido
    el uso de refrigerante. Para el roscado con terrajas debe usarse
    la barrena especificada con un macho de dos estrías
    recuerde tener la terraja limpia de virutas calientes. .
    [10]

    Para el fresado se plantea que una
    fijación suficiente permite rapidez en la mesa
    móvil y mayores velocidades del usillo cuando se fresan
    plásticos con fresas de forma.

    En el aserrado o tronzado la sierra sin fin es
    adaptable para cortes rectos, curvas continuas o irregulares. Las
    sierras de mesa son convenientes para cortes rectos y pueden ser
    usadas para cortar múltiples espesores y a través
    se secciones de espesores de 4" en adelante con adecuada potencia. Las
    hojas de las sierras deben ser seleccionadas basadas en el
    espesor del material de la superficie deseada.

    Durante el maquinado ocurren fenómenos que
    propician el surgimiento de tensiones es por eso que las materias
    primas a utilizar son sometidas a un proceso de alivio de
    tensiones para minimizar cualquier tensión interna que
    puede resultar del proceso de manufactura.
    Esto garantizará que el material se mantendrá
    dimensionalmente estable durante y después que se haya
    elaborado la pieza. También es importante señalar
    que las partes ya elaboradas son sometidas a los beneficios del
    mejoramiento para eliminar tensiones que puedan dar al traste con
    su funcionamiento.

    Conclusiones:

    • Los engranajes moldeados reportan mejores
      características de funcionamiento eficiencia y
      durabilidad que los engranajes plásticos
      maquinados.
    • El método de electro erosión garantiza
      con gran precisión las características
      geométricas del dentado a obtener, además de
      garantizar el perfil deseado por el usuario incluyendo formas
      asimétricas de los dientes, con los correspondientes
      súper- acabados que permite este procedimiento.
    • La contracción no es una propiedad
      isotrópica pues esta se puede caracterizar en el
      engranaje tanto microscópicamente como
      localmente.
    • La temperatura y el régimen de enfriamiento
      deciden directamente sobre el grado de contracción
      siendo la tecnología del proceso un parámetro
      decisivo en el moldeo.
    • Para el maquinado de los materiales plásticos
      son recomendables refrigerantes y ángulos de corte
      adecuados para lograr características adecuadas en
      artículo a obtener.

    Bibliografía:

    1. Gil García R. "Fundamentos del diseño
      de Artículos y Moldes para Inyección de
      Plásticos, DISEMAH, 1997. La Habana. Cuba.
    2. Mock III, George B., Ensuring Plastic and Lubricant
      Compatibility, Machine Design, April 1999. Penton Publishing.
      USA
    3. Mock III, George B., A Few Guidelines for Lubricating
      Synthetic Gear, Machine Design, Julio 1998. Penton Publishing.
      USA
    4. Mock III, George B., Behavior of Especial Lubricating
      Greases towards Thermoplastic Material, Machine Design, Julio
      1998. Penton Publishing. USA
    5. Kleiss R. , A Practical Guide for Molding Better
      Plastic Geared Transmission. http://www.kleissgears.com/
    6. Kleiss R. , Plastic Gears the heart of the matter"
      http://www.kleissgears.com/
    7. Kleiss R, Hoffmann S. "The Generation of Precision
      Spurs Gears Through Wire Electrical Discharge Machining".
      Technical Conference of the American Gear Manufacturer's
      Association. 1993
    8. Kleiss Roderick. The effect of thermal shrink and
      expansion on plastic gear geometry. 1993 AGMA Conference on
      Gearing.
    9. Mengues G, Mohren G. Moldes para inyección de
      plásticos. Editorial Pueblo y Educación. La Habana, Cuba
      1989.
    10. Muñiz Cardoso Elián. "Engranajes
      Plásticos, Tesis
      presentada en opción del grado de MSc. UCLV,
      2001

    Dr. Jorge L. Moya Rodríguez

    MSc. Ángel Rafael García
    Martínez

    Dr. José Alberto Velásquez
    Pérez

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