Métodos de fabricación de Engranajes Plásticos

Enviado por jorgemr

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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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]

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.

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.

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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.

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:

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Dr. Jorge L. Moya Rodríguez

MSc. Ángel Rafael García Martínez

Dr. José Alberto Velásquez Pérez