Introducción

La fabricación de piezas para equipos y agregados se consigue en la actualidad mediante la aplicación de diversas tecnologías. La elaboración mediante procesos de maquinado continúa ocupando un importante lugar entre estas, y cada vez más, se consigue dar respuesta a elevadas exigencias en cuanto al maquinado de diferentes materiales, a la forma, los niveles de exactitud en las dimensiones y la rugosidad superficial de los elementos gracias a las modernas máquinas herramienta, el utillaje y las herramientas de corte, posibilitando alcanzar una elevada productividad. El control de la calidad para asegurar el cumplimiento de los diferentes parámetros de diseño y durante los pasos de la fabricación, es una importante herramienta para la conducción del proceso y la toma de decisiones operativas por parte de los directivos.La estrecha supervisión de la precisión de los engranajes durante su fabricación no solo es importante para los requisitos operacionales, sino también para detectar y controlar los problemas durante la fabricación en relación con las máquinas herramienta y su funcionamiento.(Gupta, Kumar y Laubscher, 2017)

En el país, como parte de la renovación industrial que se acomete en correspondencia con los lineamientos y directrices emanados del VII Congreso del Partido Comunista de Cuba (PCC, 2017), se realiza de forma gradual la sustitución de máquinas herramienta y equipamiento tecnológico, para posibilitar dar respuesta efectiva a las exigencias modernas en campos como el de la fabricación de piezas de repuesto para agregados y equipos. Entre los componentes que se demandan con elevada frecuencia y diversidad, se encuentran los engranes, piezas con exigencias de calidad que resultan mayores que muchas otras, como es el caso de las piezas tipo eje, por citar solo un ejemplo. Esto se incrementa exponencialmente cuando se trata de engranes para agregados como las cajas de cambio de velocidades de diferentes medios de transporte, entre ellos los automóviles.

Los parámetros dimensionales de la macrogeometría y de la microgeometría de los engranajes permiten cuantificar su precisión.

La inexactitud o los errores en estos parámetros, causan una desviación de las condiciones ideales de transmisión de movimiento y se puede decir que el nivel y la cantidad de desviaciones o errores en ellos, gobiernan el rendimiento funcional de los engranes (Tandwiel, 2018), Así por ejemplo, errores en el espesor de los dientes (uno de los parámetros importantes de la macrogeometría), son la causa principal del exceso o reducción del juego entre engranajes acoplados y el exceso de holgura que se genera, provoca ruidos y afecta la fuerza efectiva que trasmite el diente. De igual manera, los parámetros de la microgeometría, que son los de forma (forma de los dientes, dados por su perfil y flanco) y de ubicación (asociados a la posición real de los dientes, principalmente el paso y la pulsación radial) cuantifican la calidad de los engranajes y pueden afectar de manera notable su rendimiento funcional (Chaviano y Coello, 2016). Los autores Gupta et al. (2017) plantean que en general, la asignación de los grados de calidad del engranaje guarda estrecha relación con los errores de forma y ubicación permisibles.

Cerca del 25% de las fallas de los engranes en explotación tienen su génesis en el diseño y fabricación de los mismos, según los autores Machado y Moya (2005). Por supuesto este valor se elevará considerablemente a medida que salgan a explotación piezas defectuosas.

Ante la situación de que en una fábrica-taller escogida para el estudio, se conjugan factores que afectan el cumplimiento estable de las exigencias dimensionales y de forma de este tipo de pieza de repuesto, provocándose una afectación a la calidad en determinado número de ellas, se acometió el que constituye principal contenido para el presente artículo. Su propósito es exponer cómo, mediante la detección de desviaciones en el diámetro interior, en el paso, en las pulsaciones radiales y en la dirección del diente, junto a las del diámetro exterior de los engranes, se pudo realizar un análisis que llevó a identificar las posibles fuentes de los problemas detectados. Derivado de esto, se efectuaron las recomendaciones pertinentes a la empresa. Esta experiencia y sus resultados pudieron extrapolarse a la fabricación de otros grupos de engranes en la propia entidad.

Materiales y métodos

La posibilidad de adquisición e introducción de modernas máquinas talladoras y rectificadoras de engranes dotadas de control numérico (CNC, por sus siglas en inglés), significó un importante paso para cumplir eficazmente con las exigencias de estos procesos. Específicamente en el caso de análisis, se convirtió a su vez en un reto para elaborar las piezas en bruto que cumpliesen con exigencias mínimas para ser llevadas a las operaciones de tallado y rectificado, utilizando equipamiento tradicional con un alto número de años de explotación. Este constituye por tanto un antecedente importante que dio lugar a la necesidad de realizar el trabajo que a continuación se expone.

Se decidió realizar el estudio en una rueda dentada de caja de cambios de velocidades perteneciente a un camión para transporte de cargas. Se trata de un engrane cilíndrico de dientes helicoidales de módulo 3,5 mm, con 38 dientes. El mismo se fabrica mediante una pieza en bruto proveniente de un proceso de forja, importada. La fabricación del engrane (ver figura 1) comienza con el correspondiente torneado de esa pieza en bruto y el posterior rectificado del diámetro interior, para luego ser intalada nuevamente en el torno y dar la medida final al diámetro exterior. A continuación, se realiza el mortajado del chavetero. El engrane pasa a continuación a la operación de tallado de los dientes en una máquina talladora del tipo HG 250 (Samputensili, 2016) con fresa madre de módulo 3,5 mm.

Posterior al tallado, se aplica una cementación de 0,5 a 0,7 mm y el diámetro interior se somete al rectificado para obtener la medida final que será la que acoplará con el árbol correspondiente de la caja de cambios. Finalmente, se realiza el proceso de rectificado de los dientes en la rectificadora de igual tipo, con lo cual la pieza queda lista.

Figura 1.
Especificaciones principales del engrane cilíndrico helicoidal.

Muestra a considerar y mediciones efectuadas.

Para un nivel de confianza de 90 % y un error máximo admisible del 16 % la muestra seleccionada fue de 25 piezas, de 260 como población total. La muestra se tomó en pleno proceso de producción, en base a lo recomendación publicada por la compañía Psyma (2015).

Los parámetros de control de la rueda dentada objeto de análisis fueron los siguientes:

• Diámetro exterior (De)

• Diámetro interior (Di)

• Error total del perfil (Fα)

• Error de la dirección del diente (Fβ)

• Error individual del paso (fp)

• Pulsación radial del diámetro primitivo (Fr)

Los principales medios y equipos que se utilizaron fueron, un pie de rey (de 0 a 300 mm) con una apreciación de 0,05 mm para realizar la medición del diámetro exterior; un medidor de interiores y un micrómetro de exteriores (de 50 a 75 mm), ambos con una apreciación de 0,01 mm (marca MITUTOYO) para realizar el control del diámetro interior.

El medio de medición más importante utilizado en el control de las dimensiones ya mencionadas es la verificadora de engranes del tipo Gradey H300 (NANO Metrology, 2015).

Resultados

Síntesis de los problemas detectados y apreciaciones acerca de sus posibles causas.

A continuación, sin entrar a detallar y a modo de ejemplos, se muestran los siguientes resultados de las mediciones, procesados según experiencias derivadas de los trabajos de Chaviano (2016) y del Sol (2016).

Diámetro exterior (De).

Al analizarse el diámetro exterior de los engranes se pudo apreciar que existen errores en las dimensiones comprobadas, pues gran parte de estas se encontraron fuera de parámetros; existe un valor mínimo de 152,6 mm y un máximo de 153,6 mm, los cuales en varios casos se alejan de la zona de tolerancia.

Diámetro interior (Di).

Esta dimensión se controló mediante el medidor de interiores, considerando las desviaciones de 0 y +0.03 mm, correspondientes al diámetro interior (ø54 𝐻7+0,03).

En la gráfica siguiente (Figura 2), se aprecia con claridad que en algunas mediciones hay engranes cuya dimensión queda completamente fuera del área de tolerancia, mientras que otros están dentro de los parámetros establecidos. El engrane 2 por ejemplo, presentó problemas con las mediciones 2, 4 y 5 sin embargo, las mediciones 1 y 3 son correctas.

Figura 2.
Valores del diámetro interior de los engranes.

Otro parámetro que se muestra a manera de ejemplo, es la pulsación radial.

Pulsación radial del dentado antes del rectificado de los dientes.

La máxima pulsación radial del dentado permitida para lograr un IT 9 es de 63 𝜇𝑚. El resultado de la medición reflejó que solo un engrane, el 24 quedó en el rango permitido

Pulsación radial del dentado después del rectificado de los dientes.

Al pasar los engranes por el rectificado de los dientes y ser comprobados nuevamente, se apreció que el 40 % de los mismos permanece con error intolerable. En este caso no debe ser mayor a 32 𝜇𝑚, para alcanzar un IT 7.

En la siguiente gráfica (Figura 3) se aprecia una vez más como el engrane 2 presenta el mayor error, en este caso 215,8 𝜇𝑚 de pulsación radial.

Figura 3.
La pulsación radial del dentado después del rectificado de los dientes.

Al concluir todas las mediciones y su procesamiento, los resultados obtenidos permitieron elaborar las siguientes tablas, que resumen el estado de la muestra. (Tablas 1 y 2)

Se aprecia que ningún engrane cumplió con un grado IT 9 posterior al tallado de los dientes, incluso ninguno obtuvo valores dentro de la tolerancia en el error de la dirección del diente y los demás parámetros se vieron seriamente afectados. Luego del rectificado solo el 28 % de los engranes alcanzó la calidad 7ma o menor, o sea, en 7 engranes de los 25 analizados se obtuvo la calidad exigida.

Con estos desfavorables resultados se realizó el análisis de los factores relacionados con el proceso tecnológico de elaboración, que podían tener la mayor influencia o ser causas principales de los mismos.

Prácticamente todos los parámetros analizados presentaron problemas. Las desviaciones dimensionales y de forma en el diámetro interior es uno de los problemas que más afecta la calidad de los engranes, ya que este diámetro se toma como base para la manufactura, para la medición y para el montaje de estos. Teniendo en cuenta que el diámetro exterior es una de las superficies relativamente más fáciles de obtener, se aprecia que en el 44 % se presentaron problemas, a pesar del rango de tolerancia permitida. en relación con los demás parámetros.

Dentro de los parámetros de la microgeometría de los engranes, el más afectado fue el error individual del paso, seguido por la pulsación radial del dentado. Los errores en la dirección de los dientes y total del paso, también mostraron problemas apreciables. Dentro de los analizados, fue el error total de la forma del perfil el de mejor comportamiento si bien, tomando en consideración que el proceso se realiza por generación con fresa madre y en máquinas modernas, pudieran esperarse mejores resultados.

Con estos elementos, y a modo de resumen, se muestran las posibles fuentes de los principales defectos. Como se indica, las desviaciones en el diámetro interior son producto de errores en el rectificado del mismo, y a su vez, acarrean problemas en la pulsación radial (Fr), en el paso y en la dirección del diente (Fβ) (Tabla 3).

Tabla 3.

Fuentes de las desviaciones observadas.

Derivado de este análisis, se propusieron a la empresa recomendaciones en las siguientes direcciones:

• Realizar una revisión y análisis del cumplimiento de los principios de unidad y constancia de las bases tecnológicas de la pieza analizada (engrane) contemplando todas las operaciones.

• Se hizo evidente que algunos errores están relacionados con la falta de coincidencia de las bases, ya que como resulta conocido, las superficies y ejes tomados como referencia en el dimensionado de diseño para cumplir con las exigencias de la pieza, han de ser tomados en cuenta durante la fijación para la elaboración y en las mediciones (Kórsakov, 1974).

• Revisar y exigir el cumplimiento estricto de la ejecución de las acciones de control de la calidad durante el proceso de elaboración de la pieza.

• Se evidenció que existía falta de rigor en el control; que ello puede haber sido decisivo para que no se detectaran oportunamente las desviaciones y se adoptaran las medidas correctivas de carácter técnico y de disciplina en la ejecución del proceso. Con ello se evitaba además que piezas que debían salir del proceso continuaran siendo elaboradas aun cuando ya no cumplían con los requerimientos establecidos.

• Revisar las condiciones de trabajo de las muelas abrasivas para el rectificado de los dientes.

• Para llevar a cabo la instalación de la pieza en la máquina talladora se cuenta con un dispositivo elaborado en la propia empresa. Producto de que este dispositivo tiene un papel muy importante en el correcto posicionamiento de la pieza para realizar el tallado y de ello depende también la calidad del producto final, se considera conveniente una revisión de su diseño, particularmente de las cadenas de medida y las tolerancias, de ahí la recomendación final antes mencionada.

Conclusiones

Los principales defectos detectados son: desviaciones en el diámetro interior; paso, de pulsación radial y de dirección de diente; y desviaciones en el diámetro exterior.

Las posibles fuentes de los defectos detectados tienen que ver con la fabricación: torneado del diámetro exterior, rectificado inadecuado del diámetro interior y fijación para el tallado.

Se expusieron a la organización recomendaciones como: revisión del diseño del engrane, cumplimiento estricto del control de la calidad durante el proceso de elaboración de la pieza, analizar las condiciones de trabajo de las muelas abrasivas para el rectificado de los dientes, examinar el diseño y funcionamiento del dispositivo para el tallado.

Las medidas adoptadas, dada la similitud de los procesos, con el estudio de caso estudiado que se ejecutó sin afectar la continuidad de la producción, se extrapolaron a la fabricación de otros grupos de engranes en la propia entidad.

Referencias Bibliográficas

Chaviano, T.L. y Coello, M.N. (2016). The magnitude of the centered in components: evaluation. Annals of Faculty Engineering Hunedoara-International Journal of Engineering.Tome XIV, fascícule: 2. http://annals.fih.upt.ro/indexes.html

Chaviano,T. L. .2016). Simulación de valores geométricos estableciendo parámetros estadísticos para el cumplimiento de los índices de capacidad teóricos en un proceso de torneado. Revista Ingeniería Industrial: Actualidad y Nuevas Tendencias. 5(16), 83-98. https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=215048805007

del Sol, F. I. (2016).Ajustes en los acoplamientos de elementos de máquinas: análisis dimensional. Tesis de pregrado. Universidad de Camagüey Ignacio Agramonte Loynaz, Camagüey, Cuba.

Gupta, K., Kumar, N. y Laubscher, R. (2017). Advanced Gear Manufacturing and Finishing. Chapter 7. Measurement of Gear Accuracy. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/gear-accuracy

Kórsakov, V. (1974). Fundamentos de la tecnología en la construcción de maquinaria. Moscú. Editorial Mir.

Machado, Á.S. y Moya, L.J. (2005). Principales fallas en las transmisiones por engranajes. Centroazúcar, 32(4) 62-67. http://centroazucar.uclv.edu.cu/media/articulos/PDF/2005/4/11.pdf

NANO Metrology-Gear Measuring Machine (2015). GRADEY-H series gear measuring center. http://www.cmm-nano.com/gear-measuring-machine/high-precision-gear-measuring-machine.html

Partido Comunista de Cuba (2017). Política industrial y energética. Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución para el período 2016-2021. Ed. VII Congreso del PCC. La Habana: PCC.

PSYMA (2015) ¿Cómo determinar el tamaño de una muestra?. https://www.psyma.com/company/news/message/como-determinar-el-tamano-de-una-muestra

Samputensili (2016) Máquina talladora de engranajes ø 250 mm | HG 250. https://www.directindustry.es/fabricante-industrial/maquina-talladora-engranajes-80445.html

Tandwiel. (2018). Level of accuracy and compliance of the teeth. http://www.tandwiel.info/en/gears/level-of-accuracy-and-compliance-of-the-teeth/.

Notas de autor