- Consideraciones
generales - Método de electro
erosión. Particularidades - Influencia de las
contracciones en el proceso de moldeado del
plástico - Ejemplo de
cálculo - Procesos de maquinado en los
engranajes plásticos.
Recomendaciones - Operaciones de maquinado.
Recomendaciones - Conclusiones
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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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 | 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 | 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]
- Número de dientes.
- Diámetro del círculo base.
- Espesor de la base circular del diente.
- Sentido y ángulo de la
hélice. - Diámetro de la circunferencia
exterior. - Comienzo real de la involuta a partir del
diámetro. - Final de la involuta desde el diámetro (debido
al redondeo de la punta). - Circulo del diámetro de fondo.
- 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.
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
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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.
- 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.
- Gil García R. "Fundamentos del diseño
de Artículos y Moldes para Inyección de
Plásticos, DISEMAH, 1997. La Habana. Cuba. - Mock III, George B., Ensuring Plastic and Lubricant
Compatibility, Machine Design, April 1999. Penton Publishing.
USA - Mock III, George B., A Few Guidelines for Lubricating
Synthetic Gear, Machine Design, Julio 1998. Penton Publishing.
USA - Mock III, George B., Behavior of Especial Lubricating
Greases towards Thermoplastic Material, Machine Design, Julio
1998. Penton Publishing. USA - Kleiss R. , A Practical Guide for Molding Better
Plastic Geared Transmission. http://www.kleissgears.com/ - Kleiss R. , Plastic Gears the heart of the matter"
http://www.kleissgears.com/ - 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 - Kleiss Roderick. The effect of thermal shrink and
expansion on plastic gear geometry. 1993 AGMA Conference on
Gearing. - Mengues G, Mohren G. Moldes para inyección de
plásticos. Editorial Pueblo y Educación. La Habana, Cuba
1989. - 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