Torneado fuera de redondez en acoplamientos poligonales

Los fabricantes de vehículos han invertido millones de dólares en los últimos años para desarrollar los autos, vans y camiones más limpios en la historia. Entre otros avances, la mayor sofisticación de trenes de válvulas, turbo-cargadores, transmisiones con más engranes y controles optimizados han llevado las emisiones de los nuevos vehículos a los niveles más bajos de todos los tiempos. Sin embargo, muchas tecnologías permanecen en los estantes de la ingeniería automotriz, listas para ser desplegadas.

Un ejemplo citado por Reiner Jörg, Ingeniero Jefe del Departamento de I&D del fabricante de máquinas-herramienta Weisser, al sur de Alemania, son los acoplamientos poligonales o conexiones poligonales shaft-eje que podrían reemplazar las conexiones estriadas o de ajuste por contracción.

“Los acoplamientos poligonales no son nada nuevo”, dice él. “Diseñados para eliminar problemas de falla comunes asociados con las conexiones de ejes estriados o con cuña, el sistema poligonal general es un método superior comprobado para hacer conexiones mecánicas exigentes que son más fuertes, más precisas y tienen una vida de servicio sustancialmente más larga, porque la distribución efectiva de la carga casi que elimina el punto de contacto, minimiza la fatiga por esfuerzo y la distorsión. El polígono tiene una mayor capacidad de torque que cualquier otro dispositivo de eje. Se optimizan la transmisión de fuerza y la categoría de carga y, generalmente, puede usarse una conexión de eje más corta para ahorrar espacio valioso. Una masa menos acelerada en un espacio más pequeño (tal como las cajas de transmisión) contribuye a la eficiencia de combustible antes mencionada”.

No obstante, él dice que los fabricantes de autos aún no han adoptado los acoplamientos poligonales para sus transmisiones. Una razón es que las partes son difíciles de mecanizar. Sin embargo, la tecnología de torneado fuera de redondez de Weisser podría cambiar eso, permitiéndoles a los fabricantes tornear poligonales terminadas en un solo alistamiento, en una sola máquina. Tal capacidad puede hacer el torneado fuera de redondez una alternativa más eficiente que los procesos de fresado y rectificado de perfiles, que normalmente se usan para producir las tradicionales conexiones automotrices shaft-eje.

Desde su introducción en 1993, el torneado fuera de redondez ha sido usado para mecanizado en duro y suave de pistones reciprocantes para motores de combustión hechos de aluminio y acero, ejes de levas endurecidos, perfiles o formas poligonales y bombas de combustible automotrices. Ahora, Weisse está trabajando en varios proyectos con fabricantes de equipo original (OEMs) para demostrar cómo una mayor adopción de este proceso podría hacer factible reemplazar las conexiones tradicionales shaft-eje con acoplamientos poligonales.

Aceleración nominal de 30 Gs

El sistema de mecanizado fuera de redondez Hyperspeed Oval Turning (HOT) de Weisser es una unidad separada que se integra con la máquina de torneado vertical Vertor de la compañía. Las formas ovaladas o fuera de redondez se producen por la interacción del eje del husillo de la pieza de trabajo con el eje de alimentación de la herramienta que genera el diámetro.

El filo de corte de la herramienta se mueve en la misma dirección del eje X y perpendicular al eje del husillo de la pieza de trabajo. El filo de corte puede posicionarse de forma variable en este plano hipotético para producir contornos radiales y frontales o faltas de redondez hemisféricas.

Weisser usa motores lineales en lugar de tornillos de bolas para acelerar las unidades de torneado ovalado.

La potencia del motor altamente dinámico es requerida en parte para la aceleración de la masa y en parte como la fuerza que actúa en el filo de corte de la herramienta durante el mecanizado. La herramienta de corte puede acelerarse en un movimiento oscilatorio radial hasta 130 Gs. Este nivel de aceleración es tan extremo, incluso para los últimos CNC Siemens y Bosch Rexroth, que la mayoría de aplicaciones que involucra aceleraciones de sólo 30 a 90 Gs (que equivale entre seis a siete veces la aceleración de un asiento de eyección de una aeronave).

“Para una falta de redondez dada, las máximas rpm permisibles de la pieza de trabajo están relacionadas con la aceleración máxima del buril de la herramienta, producida por el movimiento oscilatorio. Una aceleración nominal de 30 Gs facilita la precisión más alta y la generación de un acabado superficial de primera clase”, dice Jörg.

La neutralización del impulso asegura la precisión

A pesar de la alta aceleración nominal, las propiedades especiales de absorción de impacto aseguran la precisión al limitar la fuerza ejercida sobre la estructura base de la máquina. “Nuestro sistema compensa las fuerzas de aceleración al convertir el trabajo de aceleración en energía cinética, de modo que las vibraciones de la máquina se eliminan y se logran superficies de alta calidad”, dice Jörg. “Debido a la compensación integrada de la fuerza de corte, las fuerzas de corte netas (fuerzas pasivas) pueden ser neutralizadas casi por completo”.

Uno de los clientes de Weisser fabrica levas poligonales en menos de un minuto en un setup y cuatro pasadas de torneado, incluidas las operaciones de mecanizado frontal y achaflanado. A 1,500 rpm, la unidad de torneado fuera de redondez genera una tasa de avance de 0.1 mm por rotación y una profundidad de corte de 0.8 a 2 mm. Las partes son terminadas con una precisión de 10 micras.

Otro cliente, que ha dado un paso más allá respecto a muchos competidores internacionales, ya ha integrado un acoplamiento poligonal en una caja de transmisión recientemente desarrollada, usando la tecnología HOT de Weisser. “El cliente reemplazó el eje estriado por un eje poligonal en el séptimo engranaje, lo cual redujo la longitud del eje de 20 a 12 mm, ya que el sistema poligonal tiene una mayor capacidad de torque que cualquier otra conexión de eje, de modo que puede usarse un acoplamiento de eje más corto y ahorrar espacio valioso”, explica Jörg. Con todo, los ahorros de 6 mm de espacio ayudaron a optimizar la relación de transmisión del primer engrane, que encontraba problemas de fatiga con el diseño original.

Promoviendo su tecnología HOT para conexiones poligonales shaft-eje, Weisser ya ha vendido alrededor de 100 máquinas con una unidad integrada de torneado fuera de redondez. Ahora está ofreciendo su máquina de torneado vertical Vertor C con un cambiador automático de herramientas para permitir un mecanizado aún más flexible. Según Jörg, la precisión que puede lograrse está limitada actualmente por la capacidad del CNC. “Si usted opera su máquina a 1,800 rpm y quiere mecanizar su parte con una resolución de un grado usando nuestra unidad de torneado fuera de redondez, el controlador tiene que manejar 9,180 señales por segundo. Estamos hablando de una resolución en el área de nanosegundos. Ese es el factor limitante, pero estamos trabajando traspasar las limitaciones de estos sistemas para mecanizar con un nivel de tolerancia de micras”.