Usinagem especializada de eixos:materiais, técnicas e estratégias de design

O eixo mecânico é a espinha dorsal do projeto da máquina. Esses componentes rotativos simples, mas essenciais, são usados ​​para transferir energia ou movimento de um lugar para outro, como para uma parte diferente de uma máquina ou para outra máquina.

Encontrados em motores, caixas de engrenagens, bombas e muitas outras máquinas, os eixos são projetados para suportar fortes forças de torção e altas cargas de flexão à medida que giram. Isso significa que o projeto e a fabricação adequados de eixos são prioridade máxima para engenheiros em áreas como automotiva, fabricação industrial e geração de energia.

Este artigo explica os fundamentos da usinagem de eixos, observando como processos como o torneamento CNC são usados para criar eixos robustos para todos os tipos de aplicações.

O que é um eixo? Definição e Funções Mecânicas

Então, o que é um eixo, exatamente? O Dicionário de Engenharia McGraw-Hill  oferece a seguinte definição de “eixo”:“Uma peça cilíndrica de metal usada para transportar peças rotativas de máquinas, como polias e engrenagens, para transmitir potência ou movimento”.

Merriam-Webster oferece uma definição semelhante de “eixo” na engenharia mecânica, descrevendo um eixo como “uma barra comumente cilíndrica usada para apoiar peças rotativas ou para transmitir força ou movimento por rotação”. Observe que esta definição de eixos sugere a existência de eixos não cilíndricos, como eixos quadrados e eixos hexagonais.

Como funciona um eixo?

Muitas aplicações industriais de eixos utilizam esses componentes de diferentes maneiras. No entanto, os eixos funcionam basicamente da mesma maneira, transmitindo potência, torque e movimento rotacional de um dispositivo de acionamento (como um motor ou motor) para outro componente da máquina.

As principais funções de um eixo são:

• Transmitir energia conectando fontes de energia a componentes que necessitam de energia
• Transmitir torque (força de giro) de um componente acionador para um componente acionado
• Apoiar peças rotativas, como engrenagens e rolamentos, e mantê-las no lugar enquanto giram
• Resistir a forças pesadas, como tensões de cisalhamento, flexão e torção

Tipos comuns de eixos industriais

Os diferentes tipos de eixos podem ser categorizados por sua função ou formato. Este guia fornece ambas as distinções, primeiro examinando três tipos de eixo funcionais importantes e, em seguida, os vários formatos de eixo que podem ser usados.

Eixos de transmissão

Os eixos de transmissão são um dos principais subtipos de eixos. Eles funcionam como um meio de transferência de energia entre uma fonte de energia e uma máquina acionada que está absorvendo energia.

Exemplos de eixos de transmissão incluem eixos de linha  para distribuição de energia centralizada, contraeixos  que conectam eixos de acionamento e acionados e eixos de transmissão automotivos  que transferem potência do motor para o diferencial.

Eixos de máquinas

Onde os eixos de transmissão conectam sistemas separados, os eixos da máquina são componentes de uma máquina que transmitem energia internamente.

Exemplos de eixos de máquinas incluem virabrequins  que convertem o movimento alternativo em movimento rotacional e árvores de comando  que controlam o movimento da válvula.

Eixos de eixo

Os eixos podem ser considerados um tipo separado de eixo, normalmente usado para acionar rodas em automóveis  e suportar o peso do veículo.

Em um carro com tração traseira, o eixo está conectado ao diferencial, que obtém potência do motor por meio de um eixo de transmissão.

Diferentes formatos e formas de eixo

A tabela abaixo diferencia os diferentes tipos de eixos por seu formato e design, destacando os principais benefícios e a finalidade de cada um.
Formato do eixo Seção transversal Descrição Redondo (cilíndrico)○Eixo mais comum; rotação suave, fácil de usinar, ajusta-se bem aos rolamentos. Quadrado sólido□ Boa transmissão de torque sem rasgos de chaveta. Eixo sextavado⬡Boa transmissão de torque, fácil engate da ferramenta. rolamentos e engrenagens; diâmetros variados ao longo de seu comprimento. Eixo cônico◎O diâmetro diminui gradualmente em direção a uma extremidade; travamento forte para cubos.Eixo excêntrico❍Cilindro com “lóbulos” salientes em forma de ovo para acionamento de válvulas do motor.Eixo oco⊙Semelhante ao eixo redondo, mas com menor massa.

Seleção de material para usinagem de eixo

O material mais comum para eixos padrão é o aço-carbono. No entanto, outros materiais como níquel ou titânio podem ser usados ​​para maior resistência. A lista abaixo detalha os melhores materiais para eixos e suas principais vantagens.

• Aço carbono :Os aços carbono, especialmente o aço macio, são os metais mais econômicos e versáteis para eixos. Eles têm boa resistência e usinabilidade.
• Aço inoxidável :Eixos de aço inoxidável podem ser necessários para aplicações que exigem resistência extra à corrosão, como em ambientes marinhos ou para processamento de alimentos.
• Alumínio :Os eixos de liga de alumínio são mais leves e podem ser usados em aplicações onde é necessária uma boa relação resistência-peso, como automotiva ou aeroespacial.
• Titânio :Os eixos de titânio oferecem um bom nível de resistência à corrosão, resistência à temperatura e uma boa relação resistência-peso, tornando-os úteis na indústria aeroespacial e em outros campos.
• Níquel :Níquel e ligas de níquel podem ser usados na fabricação de eixos quando a resistência à corrosão, a resistência à temperatura e a resistência à fadiga são altas prioridades.
• Latão :Eixos de latão podem ser implantados quando são necessárias propriedades antimicrobianas, baixo atrito e boa usinabilidade.

Processos de fabricação e usinagem de eixos de precisão

A fabricação de eixos normalmente envolve forjamento, extrusão ou laminação para criar o estoque de metal alongado, seguido por processos de usinagem CNC de precisão, como torneamento CNC, fresamento CNC e retificação de precisão para atingir as características e dimensões finais.

1. Forjamento :O aquecimento do metal e a aplicação de forças de compressão criam o formato básico do eixo, garantindo que ele tenha uma excelente estrutura de grãos para máxima resistência
2. Usinagem CNC :O eixo básico é fresado, torneado ou usinado de outras maneiras (veja a seção abaixo) para criar recursos; por exemplo, um eixo escalonado pode ser criado usando um torno CNC girando o eixo em um mandril enquanto uma ferramenta de corte de ponta única remove o material.
3. Acabamento :Processos como retificação são usados para ajustar o eixo e obter tolerâncias precisas, enquanto polimento e outros métodos são usados para ajustar o acabamento da superfície do eixo.
4. Tratamento térmico :Endurecimento, revenido e outros processos podem ser implantados para melhorar a durabilidade do eixo.

Torneamento CNC

Tornos ou tornos CNC são usados de diversas maneiras durante a produção de eixos, como torneamento de desbaste e acabamento, criação de eixos escalonados, torneamento cônico para produção de eixos cônicos, rosqueamento, produção de ranhuras e corte.

Fresagem CNC

A fresagem CNC de eixos envolve a criação de recursos no eixo ou o ajuste de sua geometria. As fresadoras CNC são usadas para usinar rasgos de chaveta e ranhuras em eixos chavetados, cortar ranhuras longitudinais em eixos estriados e usinar planos e contornos.

Retificação CNC

A retificação CNC de eixo é normalmente usada para obter um acabamento superficial fino e tolerância restrita, em vez de criar recursos no eixo. A retificação também pode ser usada para corrigir distorções criadas pelo tratamento térmico.

Usinagem de Eixos Longos:Desafios e Técnicas Avançadas

Embora muitos eixos sejam relativamente curtos e rígidos, a usinagem de eixos longos apresenta desafios adicionais de engenharia e fabricação. Eixos longos são normalmente definidos por uma alta relação comprimento/diâmetro (L/D), tornando-os mais propensos a deflexão, vibração e instabilidade dimensional durante a usinagem. Em termos de usinagem, uma relação L/D entre 10:1 e 20:1 é considerada desafiadora, enquanto qualquer coisa acima de 30:1 (como um parafuso de avanço delgado ou um rolo de fábrica de papel) é classificada como um eixo “extralongo”.

Eixos longos são comumente usados em:

• Sistemas de propulsão marítima
• Equipamentos de petróleo e gás
• Rolos industriais
• Sistemas de transmissão de energia
• Componentes aeroespaciais

Principais desafios na usinagem de eixos longos

Deflexão e flexão

Devido à sua geometria delgada, eixos longos podem dobrar sob forças de corte. Mesmo pequenas pressões da ferramenta podem causar deflexão mensurável, afetando a circularidade e a precisão dimensional.

Vibração e vibração

Uma alta relação L/D aumenta a suscetibilidade à vibração durante o torneamento ou retificação. A vibração pode danificar o acabamento superficial e reduzir a vida útil da ferramenta.

Expansão Térmica

Durante ciclos de usinagem prolongados, o acúmulo de calor pode causar expansão, levando a desvios de tolerância.

Manter a retidão

Alcançar e manter a retilinidade em todo o comprimento do eixo é fundamental, especialmente em aplicações que exigem equilíbrio rotacional preciso.

Técnicas usadas na usinagem de eixos longos

Para enfrentar esses desafios, os fabricantes utilizam diversas técnicas especializadas:

Descanso constante e descanso contínuo

Os tornos CNC usam apoios estáveis ou apoios seguintes para apoiar o eixo durante o torneamento, minimizando a deflexão e a vibração.

Suporte ao cabeçote móvel

Apoiar o eixo entre os centros melhora a rigidez e mantém a concentricidade.

Parâmetros de corte otimizados

Forças de corte mais baixas, taxas de avanço adequadas e ferramentas afiadas ajudam a reduzir as forças de flexão.

Desbaste e acabamento em várias etapas

A usinagem de desbaste é realizada em etapas para minimizar o estresse, seguida de acabamento de precisão para atingir tolerâncias restritas.

Retificação de precisão para retilinidade

Após o tratamento térmico, os eixos longos geralmente passam por retificação cilíndrica para corrigir a distorção e obter tolerâncias estreitas de retilineidade e circularidade.

Balanceamento Dinâmico

Para aplicações de alta velocidade, eixos longos podem exigir balanceamento dinâmico para garantir uma rotação suave e reduzir a vibração em serviço.

Considerações sobre materiais para eixos longos

A seleção do material é especialmente importante para usinagem de eixos longos. Os aços-liga são comumente usados ​​devido à sua alta resistência e resistência à fadiga. Em aplicações sensíveis ao peso, o alumínio ou o titânio podem ser selecionados, embora possam ser necessárias medidas de rigidez adicionais devido à sua menor rigidez em comparação com o aço.

Ao combinar fixações avançadas, estratégias de usinagem otimizadas e métodos de inspeção de precisão, como medição CMM e testes de linearidade, os fabricantes podem produzir eixos longos que atendem aos rigorosos requisitos industriais de alinhamento, equilíbrio e durabilidade.

Exemplo de fluxo de trabalho:torneamento CNC de um eixo escalonado

Um eixo escalonado ou com ressalto é um bom exemplo do que um torno ou torno CNC pode fazer a partir de uma barra simples.

O processo começa com o projeto, quando o comprimento, os diâmetros e as localizações dos ressaltos do eixo escalonado são definidos, assim como os filetes, chanfros e tolerâncias. (O cliente normalmente fornece esse projeto, enquanto o 3ERP cuida do resto.) O modelo CAD é então convertido em percursos CAM para a máquina CNC.

O diâmetro da barra escolhida deve ser ligeiramente maior que o maior diâmetro ou ombro, e a escolha do material deve ser adequada à aplicação final. (O 3ERP pode ajudar na seleção do material, se necessário.) Quando essas decisões forem tomadas, a barra de metal escolhida é fixada em um mandril ou pinça no centro de torneamento CNC.

O faceamento é feito na extremidade e depois o torneamento em desbaste, primeiro no diâmetro maior, depois nos menores. Em seguida, os passes de acabamento aproximam o eixo de sua geometria especificada, formando ombros limpos. Chanfros e filetes são cortados onde especificado.

O eixo é então separado, sujeito a qualquer acabamento superficial necessário e verificado com uma CMM para garantir a conformidade. O eixo acabado é então entregue ao cliente.

Projeto para Manufatura (Df M) Pontas para eixos

O projeto mecânico do eixo requer adesão aos princípios DfM. Isso garante que os eixos sejam projetados para suportar forças pesadas e interagir suavemente com os componentes de conexão. Abaixo estão algumas dicas básicas de DfM para eixos.

• Defina primeiro as cargas e o layout :coloque peças rotativas como engrenagens, polias e rolamentos no desenho CAD e, em seguida, construa a geometria do eixo de acordo com as forças e torques que o eixo terá que suportar.
• Deixe as forças determinarem o diâmetro :esboce o eixo e os empurrões e puxões nele, descubra o que os rolamentos carregam e, em seguida, descubra onde o eixo dobra mais e quanta torção ele sofre antes de escolher o diâmetro.
• Projeto para rigidez e resistência :limita a deflexão e a torção, bem como a tensão máxima, especialmente em seções críticas.
• Assista à relação L/D (esbeltez) :eixos longos e finos desviam mais e podem vibrar, portanto, use diâmetros maiores ou suportes adicionais, se necessário.
• Minimize as concentrações de estresse :evite degraus afiados e sulcos profundos; em vez disso, use filetes e transições suaves, especialmente em peças como eixos chavetados.
• Não ’ não especificar excessivamente a precisão: exigem apenas limites rígidos de “tamanho exato” onde as peças devem se encaixar perfeitamente (como rolamentos e vedações). Permita tolerâncias mais flexíveis em outros lugares para reduzir custos e facilitar a fabricação.
• Escolha materiais para trocas :aço carbono =baixo custo, aço-liga =resistência/fadiga, inoxidável =resistência à corrosão, alumínio =leve; o tratamento térmico melhora a resistência, mas aumenta o custo e o risco de distorção.

Por que fazer parceria com 3ERP para seus projetos de eixos personalizados?

Com mais de 15 anos no ramo de prototipagem e fabricação de metais, a 3ERP possui um alto nível de experiência em projeto e produção de eixos. Os benefícios da parceria conosco incluem tolerâncias de +/- 0,01 mm, capacidade CNC multieixos, inspeção CMM precisa para garantir a qualidade da peça e retorno rápido da prototipagem à produção.

Para seu próximo projeto de usinagem de eixo, solicite um orçamento ao 3ERP.

Perguntas frequentes

O que é usinagem de eixo?

A usinagem de eixo é o processo de fabricação de eixos rotativos de precisão usando técnicas CNC como torneamento, fresamento, retificação e perfuração (geralmente após o eixo básico ter sido formado por outro processo).

Quais máquinas CNC são usadas para usinagem de eixos?

A maioria dos eixos usa tornos CNC para recursos redondos e, em seguida, fresas CNC ou centros de torneamento para recursos como rasgos de chaveta, planos e furos.

Como são alcançadas tolerâncias restritas em eixos?

Tolerâncias rigorosas são alcançadas com torneamento de acabamento, retificação de precisão, fixação controlada e inspeção com micrômetros ou CMMs.

Quais são alguns materiais comuns para eixos usinados ?

Os metais comuns do eixo incluem aço carbono (particularmente aço-carbono), liga de aço, aço inoxidável e alumínio, escolhidos por resistência, resistência ao desgaste e resistência à corrosão.