Fundamentos da Fabricação de Engrenagens: Guia Especialista para Processos de Produção

O conceito de engrenagens existe há um tempo, pois estão entre os componentes mecânicos mais antigos ainda relevantes hoje. Seja na indústria automobilística, setor aeroespacial, qualquer maquinário industrial, ou algo simples como um relógio. Engrenagens são necessárias em todo lugar e talvez você queira aprender sobre fabricação de engrenagens.

A questão é sobre como as engrenagens são fabricadas.

Prefácio: Processo de Fabricação de Engrenagens

Não existe um único processo para fabricação de engrenagens, pois elas requerem diferentes processos dependendo do tipo e aplicação.

Geralmente, engrenagens operam em condições muito exigentes porque a transmissão de potência (o propósito real da engrenagem) tem vários requisitos. Primeiro, as engrenagens precisam estar em condição absolutamente perfeita. Depois, devem ser sempre confiáveis, ter tensões residuais mínimas e pouca ou nenhuma chance de propagação de trincas.

Naturalmente, todos estes requisitos são extremamente difíceis de cumprir. No entanto, ninguém pode negar sua importância. Por isso, a produção de engrenagens é um campo altamente especializado com tolerâncias limitadas e margem para erro.

Este artigo o levará de volta aos fundamentos da fabricação de engrenagens, concernentes aos materiais comuns para engrenagens industriais, os processos que preparam engrenagens, e como engrenagens podem sustentar toda essa carga sem falhar.

Tipos Comuns de Engrenagens e Suas Aplicações

Antes de avançar para detalhes sobre corte e processos de fabricação de engrenagens, é importante olhar para os fundamentos. São diferentes tipos de engrenagens e suas aplicações e vantagens.

Sua aplicação, parâmetro de desempenho e numerosos outros fatores desempenham papel importante no tipo de engrenagens que você usa. Existem várias formas de caracterizar o tipo de engrenagem, mas a melhor e mais relevante do ponto de vista de fabricação é através do perfil dos dentes.

Aqui estão os 5 tipos de engrenagens que você encontrará.

Engrenagens Cilíndricas de Dentes Retos (Spur Gears)

Desenhe mentalmente uma imagem do que uma engrenagem parece. Há grandes chances de você estar pensando em engrenagem com dentes retos. É exatamente assim que uma engrenagem de dentes retos parece.

A engrenagem de dentes retos é o tipo mais comum e tem múltiplas aplicações em usinas, componentes aeroespaciais, máquinas industriais e muito mais. Dentes retos são os mais simples de fabricar e sustentam altas velocidades e cargas. No entanto, produzem muito ruído e não são adequadas para aplicações onde você precisa de operações suaves.

Além disso, engrenagens de dentes retos podem acasalar com outras engrenagens do mesmo tipo e engrenagens internas/externas. Você encontrará engrenagens de dentes retos em muitos mecanismos de engrenagem como um simples setup cremalheira/pinhão ou um sistema de engrenagem planetária.

A simplicidade significa que é mais fácil para você fabricar. Portanto, você achará mais fácil manter a precisão durante a produção de engrenagens. Engrenagens de dentes retos também têm pouca ou nenhuma carga axial, sendo bastante eficientes para um trem de engrenagens onde você quer minimizar perdas mecânicas.

Engrenagens Helicoidais

Engrenagens helicoidais são bastante similares às de dentes retos, mas vêm com dentes torcidos ao redor de um corpo cilíndrico. Esta qualidade permite trabalhar com eixos paralelos e não paralelos facilmente. Seu acasalamento, porém, só funciona com outras engrenagens helicoidais do mesmo ângulo de hélice (o ângulo de torção do cilindro original).

A maioria das aplicações de engrenagens helicoidais é a mesma das de dentes retos. No entanto, os dentes angulares desempenham papel enorme na redução da carga de impacto e tornam as operações mais suaves. Isso significa menos ruído, mas à custa da eficiência. Relativo a engrenagens de dentes retos, um trem de engrenagens helicoidais terá mais perdas e também precisará de mancais de encosto devido ao formato.

Do ponto de vista de fabricação, engrenagens helicoidais são mais difíceis que as de dentes retos. Os ângulos de hélice são bastante difíceis de replicar com uma faixa de tolerância aceitável baixa. Além disso, os custos de fabricação e a adição de outros elementos axiais as tornam adequadas para operações limitadas.

Engrenagens Cônicas (Bevel Gears)

Engrenagens cônicas não são suas engrenagens cilíndricas padrão. Elas vêm em uma superfície cônica que permite mudar a direção da transmissão em eixos concorrentes. Geralmente, engrenagens cônicas funcionam com ângulos de 90°. No entanto, você pode usá-las em outras configurações também.

Aqui estão alguns tipos comuns de engrenagens cônicas que você encontra em diversas aplicações.

• Engrenagens cônicas de dentes retos
• Engrenagens cônicas espirais
• Engrenagens cônicas retas (Miter gears)
• Engrenagens coroas (Crown gears)
• Engrenagens hipoides (Hypoid gears)

Engrenagens Sem-Fim (Worm Gears)

O sistema de engrenagem sem-fim é uma combinação de dois componentes. Uma roda sem-fim e uma engrenagem em forma de parafuso. São predominantemente usadas em aeroespacial, máquinas industriais, elevadores e direção automobilística.

O setup roda sem-fim não oferece muita velocidade ou eficiência. No entanto, oferece uma característica única requerida para mecanismos de auto-travamento. Em muitos casos, o sem-fim pode girar a roda, mas o inverso não acontece devido aos ângulos da engrenagem. Além disso, outro ponto importante é que engrenagens sem-fim têm muito atrito e podem requerer lubrificação contínua para operar corretamente.

Cremalheira e Pinhão (Rack and Pinion)

O sistema cremalheira e pinhão é outra combinação que trabalha primariamente para transferir movimento rotacional para linear e vice-versa. Os dentes da engrenagem podem acasalar com dentes do tipo reto e helicoidal, então você pode trabalhar tanto em eixos paralelos quanto em ângulo. Algumas das aplicações mais comuns deste sistema são em sistemas automobilísticos, balanças e outros sistemas similares.

Materiais Usados para Produzir Engrenagens

Não há restrição de material quando se trata de engrenagens. As mais antigas eram de madeira, e você encontra engrenagens de diferentes materiais pela indústria. De engrenagens industriais de grande escala em aço ou ferro a pequenas engrenagens plásticas em brinquedos. As combinações de materiais são infinitas.

No entanto, os seguintes itens são mais comumente usados na fabricação de engrenagens e processos de conformação:

• Ferro fundido
• Aço
• Bronze
• Plásticos

Engrenagens têm critérios muito específicos para seleção de material. Dependendo da aplicação, qualquer material que você escolha deve ter a resistência à tração e resistência adequadas.

Além disso, o coeficiente de atrito é outra consideração porque engrenagens precisam de contato constante. Finalmente, você também deve selecionar materiais fáceis de processar. Um material forte com baixa fabricabilidade será mais difícil de lidar porque a fabricação de engrenagens requer precisão e exatidão extremas.

Os materiais mencionados vêm com o equilíbrio perfeito destas propriedades para suas aplicações. Por isso, você os verá comumente na maioria das engrenagens que encontra.

A RapidDirect pode oferecer todos estes materiais usados no processo de fabricação de engrenagens. Faça upload do seu arquivo de design para obter uma cotação para seu projeto de engrenagem.

Processos Comuns de Fabricação de Engrenagens

A produção de engrenagens é bastante complicada devido à precisão que exige. Hoje, a fabricação de engrenagens é uma indústria em si que depende de múltiplos processos, tanto tradicionais quanto modernos, para garantir o equilíbrio certo entre custo, qualidade e operações.

Aqui está uma lista de processos comuns de corte e fabricação de engrenagens junto com suas vantagens e desvantagens aparentes.

1 – Fundição

Fundição é um processo mais simples, predominantemente usado para preparar blocos ou cilindros para engrenagens, enquanto os dentes são preparados através de usinagem. No entanto, é um processo de fabricação viável para a coisa toda para muitas aplicações devido à sua capacidade de produção em massa e facilidade relativa.

Há, no entanto, uma área onde a fundição é o método de fabricação mais preferido na indústria. É a produção de engrenagens muito grandes. Métodos de usinagem e outros métodos de conformação não são tão viáveis em casos de grandes diâmetros. Geralmente, engrenagens maiores são quase sempre do tipo dentes retos. Por isso, sua simplicidade relativa torna a fundição uma opção muito boa.

Entre os tipos mais comuns de métodos de fundição, fundição em casca, fundição sob pressão, fundição em areia e fundição em molde permanente são os mais comuns para produção de engrenagens. Outros métodos têm uso limitado em algumas aplicações. No entanto, os mencionados são os mais comuns na indústria.

2 – Forjamento

Este é outro processo de conformação que pode dar tanto blocos quanto engrenagens preparadas dependendo dos seus requisitos. Forjamento é bastante viável em casos onde você tem engrenagens relativamente simples.

Teoricamente, forjamento é um excelente processo de fabricação de engrenagens para aplicações pesadas por uma razão simples. Forjamento requer tratamento térmico, o que significa que a engrenagem resultante teria melhores propriedades de fadiga. No entanto, a tremenda força requerida para o processo de forjamento limita o tamanho e a espessura deste processo.

Geralmente, forjamento funciona bem para engrenagens com diâmetro de 6 a 10 pés. Dependendo do tipo de forjamento, por exemplo forjamento de precisão, você pode ou não precisar usinar as engrenagens no final.

3 – Extrusão e Trefilação a Frio

Este é outro processo de conformação de engrenagens que é versátil e mais simples. Na verdade, a extrusão tem menor gasto com ferramentas, mas não significa que seja o processo mais econômico.

Extrusão, como o nome sugere, é o processo de passar um perfil de metal aquecido através de uma forma pré-determinada menor. Resultando, você obtém uma barra do formato desejado com superfície externa endurecida e lisa.

O processo de trefilação a frio é muito similar à extrusão. Existem duas diferenças. A extrusão empurra o blank através de uma matriz, a trefilação puxa. A outra diferença é a temperatura. Trefilação a frio não aquece o lingote. Aumentando assim as propriedades mecânicas à custa do custo.

4 – Metalurgia do Pó

Metalurgia do pó é um processo avançado que fez avanços significativos nos últimos anos. Hoje, é usado para múltiplos processos de manufatura incluindo produção de engrenagens.

Então, como a metalurgia do pó funciona? Da perspectiva, é bastante simples. No entanto, há muitas complexidades envolvidas.

Tudo começa com pó de metal. O primeiro passo é pegar todo o pó e dar a forma finalizada que você deseja. Uma vez feito, o próximo passo garante que toda a configuração esteja bem compacta, pois resultará em melhores propriedades mecânicas. Aqueça toda a configuração cuidadosamente e pronto.

Metalurgia do pó é extremamente eficiente, simples e viável para grandes quantidades. Você não precisa se preocupar com pós-processamento, pois o produto estará pronto para uso. No entanto, as engrenagens resultantes não suportam muita carga e há limitações de tamanho também.

Além disso, o custo inicial para qualquer configuração de metalurgia do pó é bastante alto, o que a torna inviável para produção de baixo volume.

5 – Estamparia (Blanking)

Estamparia é um processo muito similar à extrusão, mas com capacidades 3-dimensionais limitadas. Este processo de conformação de engrenagens usa chapa metálica para criar a forma desejada com a ajuda de múltiplas matrizes. Você pode produzir diferentes tipos de engrenagens com o processo de estamparia. No entanto, engrenagens de dentes retos dão os melhores resultados.

Hoje, o processo de estamparia de produção de engrenagens é usado por múltiplas indústrias para aplicações leves. Por exemplo, equipamentos de escritório, hidráulicos, pequenos dispositivos médicos e outras aplicações com baixos requisitos de carga.

6 – Usinagem de Engrenagens

Usinagem está entre os processos mais comuns de fabricação de engrenagens devido à sua versatilidade. Usinagem tradicional era bastante comum para corte e fabricação de engrenagens, mas os avanços da usinagem CNC impulsionaram sua popularidade.

Os seguintes 4 métodos de corte de engrenagens são os mais comuns na indústria.

Fresamento de Engrenagens (Hobbing)

Fresamento de engrenagens utiliza um dispositivo de corte cônico chamado fresa-mãe (hob). Tanto a fresa-mãe quanto a peça giram enquanto a fresa-mãe gira ao redor do blank da engrenagem. Até agora, engrenagens cilíndricas de dentes retos e helicoidais externas são os únicos produtos que você pode criar com fresamento de engrenagens.

O processo é bastante versátil e rápido. Você também pode aumentar suas taxas de produção processando múltiplas pilhas juntas. No entanto, requer mais habilidade e precisão.

Brochamento (Shaping)

Brochamento é um processo avançado de corte e fabricação de engrenagens que desenvolve engrenagens que o fresamento de engrenagens não consegue lidar. O cortador pode ser de qualquer formato como pinhão, formato de cremalheira, ou formato de ponto único. Parece bastante similar a engrenagens e funciona cortando o blank no formato requerido. Você pode criar engrenagens internas ou de conjunto com o processo de brochamento.

Brochamento de Passagem (Broaching)

Brochamento de passagem é talvez o método mais rápido de corte de forma de engrenagem. Baseia-se em uma ferramenta multi-dentes com cortadores embutidos que vão mais fundo que seus predecessores. Isso resulta em cortes menores e incrementais que são mais fáceis de fazer e rapidamente dão a forma requerida sem comprometer a precisão.

Este processo de fabricação de engrenagens é típico para engrenagens internas, mas você pode usá-lo para fazer dentes externos também. Para isso, você precisará de uma ferramenta especializada para brochamento de panela (pot broaching) que permite replicar a mesma precisão e eficiência.

Fresamento (Milling)

Este é um método básico de corte de engrenagem onde você produz dentes de engrenagem individuais sequencialmente. É, no entanto, bastante versátil, especialmente quando envolve uma máquina de fresamento CNC. Embora você possa fazer qualquer tipo de engrenagem em uma máquina de fresar, a precisão deste método deixa a desejar. Por isso, o fresamento não é tão comum quanto era antes.

No entanto, desenvolvimentos recentes no domínio CNC e multi-eixos mudaram as coisas. Fabricação de engrenagens em máquinas de fresar está se tornando cada vez mais comum. Então, as coisas ficarão ainda melhores com o tempo.

Pós-Processamento na Fabricação de Engrenagens

Dependendo do método de fabricação de engrenagens que você usou, suas engrenagens precisarão de algum pós-processamento antes de estarem 100% prontas. Esse pós-processamento pode variar desde tratamento térmico para características de fadiga melhoradas até correção dimensional e acabamento superficial.

Aqui estão os 5 processos de acabamento superficial mais comuns na produção de engrenagens.

• Retificação: Como o nome sugere, retificação é um processo comum de acabamento superficial que dá acabamento liso em toda a superfície. Você pode realizá-lo intermitentemente ou continuamente, e não afetará os resultados.
• Lapidação: Este processo é para engrenagens sensíveis onde você precisa de precisão extrema. Lapidação usa pequenas partículas abrasivas para alisar uma superfície em baixas ou médias velocidades.
• Brunimento (Honing): Este é outro processo comum que polhe a superfície e a torna lisa. Além disso, você também pode corrigir alguns erros menores na geometria do dente.
• Shaving (Desbaste de Precisão): Este processo remove camadas extremamente finas da superfície para alcançar um perfil liso. Shaving é geralmente caro, por isso é raramente usado na produção de engrenagens.
• Brunimento por Compressão (Burnishing): Em sua essência, burnishing é o processo de usar compressão para alisar a superfície.

Procure a RapidDirect para os Melhores Serviços de Fabricação de Engrenagens

A fabricação de engrenagens é um campo altamente especializado que requer precisão e exatidão extremas. Engrenagens são um componente essencial para qualquer sistema mecânico e até a menor falha de fabricação pode ter consequências desastrosas. Portanto, você precisa ter cuidado com o serviço que seleciona.

A RapidDirect é um serviço certificado ISO com a equipe mais experiente que entrega o melhor desempenho ao preço mais competitivo. Oferecemos serviços de ponta que entregam o melhor quando se trata de fabricação de engrenagens.

De engrenagens grandes para maquinário industrial aos menores componentes para qualquer aplicação de nicho, a RapidDirect oferece a combinação certa de habilidades, experiência e qualidade que você precisa. Contate-nos hoje e obtenha uma cotação inicial em poucas horas.