Engrenagens e assentos de rolamento: a distorção do tratamento térmico é o verdadeiro inimigo da precisão

Artigo

15 de junho de 2009

As tolerâncias em um desenho de engrenagem são tolerâncias de estado final: perfil, avanço, cilindricidade do furo, desvio da face. O que decide se eles podem ser atendidos é quanto material resta para moer após o tratamento térmico – e a distorção é invisível antes do forno.

A precisão da engrenagem é a precisão após o tratamento térmico

As tolerâncias nas engrenagens e nos assentos dos rolamentos são especificadas no estado final: tolerância do perfil, tolerância do avanço, cilindricidade do furo, desvio da face. O que realmente decide se eles podem ser mantidos é a quantidade de tolerância que sobrevive ao tratamento térmico para moagem. Durante a cementação e a têmpera, uma peça sofre transformação estrutural e estresse térmico ao mesmo tempo: paredes finas crescem, seções espessas encolhem, peças assimétricas dobram. Nada disso é visível antes da fornalha.

Um furo de alta tolerância não é produzido por uma retificadora melhor; é produzido por um processo que sabia até onde o furo se moveria antes de ser retificado. O projeto do processo para engrenagens é, portanto, uma previsão de distorção mais alocação de licenças. Oficinas experientes constroem um banco de dados de distorção por material, proporção de espessura de parede e padrão de carga e, em seguida, compensam as dimensões do pré-tratamento térmico ao contrário. Lojas sem esses dados só podem deixar mais margem e fazer passes extras de moagem. O custo aumenta e muita tolerância desgasta a caixa carburada e diminui a dureza.

Três fontes de distorção: material, geometria, carregamento

O primeiro é material. Duas corridas do mesmo grau 20CrMnTi podem diferir na largura da banda de temperabilidade o suficiente para alterar a distorção em trinta por cento. A boa prática é exigir um relatório da banda de temperabilidade da fábrica e selecionar na direção inferior-média da banda.

A segunda é a geometria: espessura irregular da parede, rasgo de chaveta deslocado, furos assimétricos na alma, todos produzem resfriamento irregular durante a têmpera. Eles devem ser levantados na fase de desenho – o projeto para revisão de fabricação pode muitas vezes converter um recurso assimétrico em simétrico ou adicionar uma nervura de processo. A terceira é o carregamento: o dispositivo determina o campo de fluxo de resfriamento, a taxa de resfriamento difere entre o centro e a borda da cesta e as peças na mesma carga podem distorcer em direções opostas.

A margem de moagem é calculada, não adivinhada

Pouca margem e distorção não podem ser limpas, deixando a pele preta após o lixamento. Demais, o tempo e o custo de moagem aumentam enquanto a caixa carburada corre o risco de ser cortada. A tolerância correta é igual à distorção esperada mais a remoção de material mais um fator de segurança, e a distorção esperada deve vir da medição e não de um manual.

O caminho prático é uma execução de validação do processo: carregar dez peças em um ciclo, medir a distribuição de tamanho antes e depois, derivar o deslocamento médio e o desvio padrão e, em seguida, definir a tolerância. Na produção, amostrar por lote e plotar a distribuição em um gráfico de controle; uma mudança na média significa que o forno ou o material mudou. Nada disso é novidade, mas poucas oficinas fazem isso corretamente – que é exatamente a parte de um serviço de usinagem personalizada que é mais difícil de substituir.

Consistência do lote: uma parte boa não prova nada

A falha característica nas engrenagens não é uma única peça fora da tolerância, mas sim a dispersão do lote. Uma peça mede a tolerância média, mas em um lote uma extremidade se desvia — geralmente a soma do crescimento térmico, desgaste da ferramenta e desgaste do acessório. Após quatro horas de usinagem contínua, o crescimento térmico do fuso pode atingir dezenas de mícrons, o suficiente para consumir toda a faixa de tolerância.

O controle tem três camadas: confirmação do primeiro artigo, amostragem em processo, verificação do último artigo; além de aquecimento térmico antes da produção e gerenciamento da vida útil da ferramenta através do comprimento de corte em vez de quebra. Para assentos de rolamentos mantidos em IT6, a própria incerteza de medição deve ser contada: uma diferença de dois graus entre o medidor e a peça de trabalho é suficiente para ler um erro de um mícron em um furo de cinquenta milímetros.

Ajuste de engrenagem e rolamento: duas peças, um problema

O ajuste entre um eixo de engrenagem e seu rolamento é decidido em conjunto: tolerância do eixo, tolerância do anel interno do rolamento e a circularidade de ambos. O erro comum é observar apenas a dimensão do eixo e ignorar a circularidade e a rugosidade da superfície. Na mesma interferência, um eixo com baixa circularidade deforma o anel interno em uma elipse, alterando a folga do rolamento e provocando ruído e aumento de temperatura.

Peças como estas são, portanto, melhor usinadas por um fornecedor, ou pelo menos dentro de um sistema de referência. Dividida entre duas oficinas, é muito comum que cada uma passe na inspeção e a montagem falhe. Uma pergunta direta funciona bem na avaliação de fornecedores: a engrenagem e o assento do rolamento são usinados na mesma fixação na mesma máquina?

Inspeção: Um CMM não consegue medir a forma do dente

A precisão da engrenagem não pode ser realizada apenas por uma CMM. Uma CMM mede o tamanho do furo, o desvio da face e a posição da chaveta, mas o perfil e as tolerâncias de avanço exigem sondagem contínua ao longo da evolvente, o que significa um centro de medição de engrenagens ou um testador de evolvente dedicado. Muitas cotações prometem inspeção completa do CMM quando a forma do dente nunca foi realmente verificada.

Essa é uma fonte familiar de disputas de aceitação: a peça transmite dados do CMM e ainda reclama quando entra na caixa. A causa pode ser o coroamento do perfil, um desvio do ângulo da hélice ou um erro de passo acumulado, e nada disso se enquadra em uma rotina CMM padrão.

Um plano de aceitação viável é dividido em camadas. O primeiro artigo obtém um relatório completo do centro de medição de engrenagens cobrindo perfil, avanço, passo e desvio radial. As execuções de produção utilizam a inspeção composta de flanco duplo como uma triagem rápida, com amostragem periódica no centro de medição. As máquinas de flanco duplo são baratas e rápidas o suficiente para uma inspeção cem por cento, mas mostram apenas um erro composto e não podem dizer qual elemento está fora, portanto os dois métodos têm que trabalhar juntos.

Um cuidado sobre a medição em si: um centro de medição de engrenagens é mais sensível à calibração e à temperatura do que uma CMM, e vinte graus mais ou menos um é a linha de base. Observar o registro de temperatura da sala de metrologia durante uma auditoria informa mais do que a placa de identificação da máquina.

Quatro perguntas para um comprador

Primeiro, a cementação e a têmpera são feitas internamente ou terceirizadas e, se for terceirizado, o tratamento térmico contém CQI-9? Em segundo lugar, podem ser fornecidos dados de distorção medidos, com média e desvio padrão agrupados por material e espessura da parede? Terceiro, como é definida a margem de moagem e foi feita uma validação? Quarto, como é garantida a consistência do lote – existe CEP e gerenciamento da vida útil da ferramenta?

Poucos fornecedores respondem a todas as quatro perguntas de forma clara, mas aqueles que o fazem costumam cotar de forma realista, porque sabem que não perderão dinheiro com sucata. Ao selecionar uma fábrica de usinagem de precisão na China ou um fabricante chinês de peças CNC, use a capacidade de tratamento térmico como primeiro filtro; ele diz muito mais do que uma lista de equipamentos.