METODO DE TERMINADO CON ENGRANAJE CONICO PARA PRODUCIR UNA ESTRUCTURA CON SUPERFICIE DIFUSA
Campo de la Invención La presente invención se refiere a la manufactura de engranajes cónicos y en particular a un proceso de terminado para engranajes cónicos. Antecedente de la Invención En la producción de engranajes, especialmente de engranajes cónicos, comúnmente se emplean dos tipos de procesos, procesos de fresado frontal (ajuste intermitente) y procesos de tallado frontal (con fresa matriz) (ajuste continuo) . En los procesos de fresado frontal, las ranuras de los dientes están formadas individualmente de manera sucesiva al poner una herramienta rotatoria dentro de una pieza de trabajo a una profundidad predeterminada, retirando la herramienta y ajustando la pieza para la siguiente posición de la ranura del diente. Los pasos de poner, retirar y ajustar se repiten hasta que están formadas todas las ranuras de los dientes. Este tipo de proceso de fresado frontal es conocido como un proceso de no generación. La forma del perfil de un diente en una pieza de trabajo se produce directamente desde la forma del perfil en la herramienta. Ref.:200159
De manera alternativa al fresado frontal no generado, se puede llevar a cabo un proceso de fresado frontal de generación en donde una vez que se pone la herramienta a una profundidad determinada, entonces la herramienta y la pieza giran juntas en un movimiento rotatorio relativo predeterminado, conocido como rotación de generación, aunque la pieza estuviera girando en el engranado con un engranaje de generación teórico, el diente del engranaje de generación teórico se representa por las superficies que quitan el cabezal de la herramienta. La forma del perfil del diente se forma por movimiento relativo de la herramienta y la pieza durante la rotación de generación. Los pasos de poner, rotar, retirar y ajustar se repiten para cada ranura de diente hasta que se forman todas las ranuras de los dientes. En los procesos de tallado frontal con fresa madre (no generado o generado) , la herramienta y la pieza de trabajo giran en una relación sincronizada y la herramienta se lleva a profundidad formando de esta manera todas las ranuras de los dientes en una sola introducción de la herramienta. Después de que se alcanza toda la profundidad, se puede efectuar una rotación de generación. Debido a que no hay rotación de ajuste de la pieza durante un proceso de fresado frontal, la herramienta rotatoria produce una curvatura circular longitudinal al diente sobre la pieza. En contraste, debido a la rotación
adicional de la pieza durante el tallado frontal con la fresa madre, se produce una curvatura longitudinal del diente que tiene la forma de un epicicloide. Por lo tanto, en un proceso de terminado como el esmerilado, es apropiada una rueda de esmerilado (por ejemplo, en forma de taza) para el terminado de los dientes de una pieza que se ha formado por un proceso de fresado frontal no de generación o de generación, pero por lo general no se considera apropiado para los dientes de terminado con tallado frontal (epicicloide) . Los engranajes del tallado frontal generalmente son terminados por un proceso de rectificado en donde los elementos de un par de engranes (es decir, el anillo dentado y el piñón) se hacen girar juntos en la presencia de un compuesto o lechada abrasiva . Como se mencionó anteriormente, los engranajes cónicos del fresado frontal pueden aguantar un proceso de terminado posterior al corte. Generalmente el proceso de terminado es el esmerilado usando una rueda de esmerilado con forma de taza. El tipo de proceso de esmerilado (es decir, de generación o de no generación) usualmente es el mismo que el tipo de proceso de fresado frontal utilizado para cortar el engrane. Si se desea durante el proceso de esmerilado, el eje de la rueda de esmerilado se puede girar alrededor de un eje excéntrico espaciado desde, y paralelo al eje de la rueda de esmerilado de la forma en que se divulgó en la Patente de los
Estados Unidos No. 3,127,709. Este método proporciona de manera efectiva un movimiento oscilatorio de la rueda de esmerilado entre las superficies adyacentes del diente, mejorando así el acceso del refrigerante a la zona de esmerilado y la eliminación de las virutas de ahí. El esmerilado de los engranajes cónicos e hipoides puede causar que una estructura de desigual en la superficie del diente con líneas de rayones finos que se extienden de forma paralela a la porción raíz del diente. Las imperfecciones de esas líneas a menudo se repiten en los siguientes dientes que llevan a un aumento de las amplitudes de la frecuencia del engranado de los dientes y su mayor armonía. Este fenómeno es conocido en el esmerilado y en algunas aplicaciones ha llevado a operaciones de terminado adicional, como lo es el afilado en engranes cilindricos o por ejemplo en el rectificado a corto plazo de los engranajes cónicos. Breve Descripción de la Invención El presente método inventivo proporciona una estructura superficial en donde se separan micro rayones del esmerilado convencional para proporcionar una estructura difusa de micro rayones y micro depresiones que resultan del movimiento de una rueda de esmerilado que consta de un movimiento giratorio excéntrico de la rueda de esmerilado y/o de la vibración la rueda de esmerilado.
Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 ilustra las líneas de contacto en una superficie de diente generada convencionalmente . La Figura 2 muestra el movimiento de un eje de rueda de esmerilado girando alrededor de un eje excéntrico. La Figura 3 ilustra la superficie de referencia de generación de una rueda de esmerilado para ser una superficie de cono . La Figura 4 es una vista agrandada de una "depresión" sobre la superficie de un diente de engrane. La Figura 5 muestra las direcciones para hacer vibrar la rueda de esmerilado de conformidad con la invención. La Figura 6 ilustra una superficie esmerilada inventiva que tiene una estructura difusa de micro depresiones y rayones. La Figura 7 es un análisis de frecuencia que compara los engranes esmerilados convencionales con los engranes esmerilados de conformidad con el método inventivo. Descripción Detallada de la Invención Los detalles de la presente invención ahora se discutirán con referencia a las figuras adjuntas que ilustran la presente invención únicamente por medio del ejemplo. En las Figuras, características o componentes similares serán referidos como números de referencia. En el contexto de la presente invención, se entiende que
el término engranaje "cónico" es de suficiente alcance para incluir los tipos de engranes conocidos como engranajes cónicos, engranajes "hipoides", asi como los engranajes conocidos como engranajes de "corona" o de "cara". El esmerilado de generación para los engranajes de anillo cónicos o piñones presenta la rueda de esmerilado como un diente del engranaje de generación teórico, mientras que la pieza de trabajo se hace rotar en el diente del engrane de generación para terminar el perfil y guía de la superficie del diente de la pieza. Durante la rotación de generación, una máquina de forma libre (por ejemplo, CNC) controlada por computadora, de los tipos divulgados en las Patentes de los Estados Unidos Nos. 4 , 981 , 402 ; 5 , 961 , 260 o 6 , 712 , 566 (todas incorporadas en la presente para referencia) por ejemplo, cambia las posición de sus ejes en varios cientos de pasos con cada paso representado hasta por tres posiciones de ejes lineares (por ejemplo X, Y, Z) y hasta tres posiciones de los ejes de rotación (por ejemplo, herramienta, pieza de trabajo, pivote) de la máquina. En el esmerilado de generación de los engranajes cónico e hipoide, por lo general se requieren cinco ejes (la rueda de esmerilado gira de manera independiente) , los cuales cambian las posiciones de sus ejes varios cientos de veces durante el proceso de movimiento rotatorio para cada una de las superficies del diente. La Figura 1 ilustra un ejemplo del contacto entre una
rueda de esmerilado y una superficie de diente 2 en proceso de generación. Como se mencionó anteriormente, durante el proceso de generación, las posiciones de los ejes de la máquina generalmente cambian varios cientos de veces durante el esmerilado de una superficie de diente mientras la rueda de esmerilado está cruzada a través de la superficie del diente durante el movimiento rotatorio de generación. Cada cambio de posición se puede representar por una línea de contacto Lc con las líneas' de contacto estando orientadas a un ángulo de inclinación at. El número de líneas de contacto m (es decir, el número de cambios de posición de ejes) por cada movimiento rotatorio de generación puede variar la posición, pero únicamente para propósitos de discusión, 300 líneas de contacto serán referenciadas aunque se debe entender que se pueden utilizar menos líneas de contacto. El área F entre líneas de contacto sucesivas será referida como una "depresión" . De esta manera, para un movimiento rotatorio de generación que consiste de 300 líneas de contacto, se generarán 299 depresiones. En la práctica, las depresiones de los engranajes esmerilados son extremadamente pequeños (referidos como micro depresiones) y por lo general no son visibles al ojo debido a que la superficie de la rueda de esmerilado es efectivamente una superficie de serie continua sin superficies de corte discretos y definidos como se encontrarían en una herramienta de corte que tiene hojas
cortadoras. La estructura de la superficie es una estructura de finos rayones que se extienden de forma paralela hacia la parte de la raíz del diente. Estos rayones, referidos como micro rayones, por lo general no son visibles al ojo pero se pueden detectar con un microscopio e iluminación apropiados. Los micro rayones del esmerilado 10 se ilustran en la vista agrandada presentada por la Figura 4. La Figura 2 ilustra el método de esmerilado antes mencionado en donde el eje de una rueda de esmerilado, Aw, está girando (trayectoria circular 4) , vía un mandril excéntrico, alrededor de un eje excéntrico AE, espaciado desde, y paralelo a, el eje de la rueda de esmerilado Aw . La superficie de referencia de generación de la rueda de esmerilado es un cono de generación 6 (Figura 3) y el girado del eje de la rueda de esmerilado Aw a lo largo de la trayectoria 4 genera una modificación para las depresiones F mientras la rueda de esmerilado y la pieza de trabajo giran juntas durante la generación. Cada depresión F (que se muestra agrandada en la Figura 4) se generó en una posición de los ejes de la máquina que la máquina sostiene durante una cantidad predeterminada de tiempo, por ejemplo, 3 milisegundos (0.003 segundos) . En la Figura 3, se ilustra la función de cubierta de un cono 8 para una depresión.
La modificación inventiva de una depresión a la siguiente es un cambio lateral del cono de generación 6 superpuesto con un desplazamiento equidistante. Un cambio lateral se define como un cambio en la dirección de la línea raíz (dirección longitudinal del diente de la pieza) mostrado como dirección X en la Figura 2. Un cambio equidistante (mostrado como la dirección "y" en la Figura 2) se define como que es generalmente perpendicular a la línea de simetría del perfil del diente Ps. Ambas direcciones están en un plano (definido por el plano de la página de la Figura 2) que tiene el eje de la rueda de esmerilado A como un vector normal.
Para el esmerilado, se considera que la superficie de la rueda de esmerilado es una serie continua y el movimiento de la rueda de esmerilado en el plano x -y (Figura 2) proporciona la modificación de las depresiones del esmerilado. Las modificaciones de las depresiones del esmerilado debido al eje giratorio de la rueda de esmerilado se pueden dividir en dos componentes : 1. laterales - que serán referidas como "desviación de la superficie de la depresión" FSO, por sus siglas en inglés) y 2. equidistantes - que serán referidas como alivio/avance de la depresión" (FRA, por sus siglas en inglés) Los dos componentes anteriores se pueden definir como:
£kFRA(i) ss J¾, sm(pf)-sinl + (2)
Donde: n = RPM, por ej . Entre 1000/min. y 2000/min. ; t= tiempo en el proceso de generación de una depresión a la siguiente, por ejemplo, 300 posiciones de ejes = 299 depresiones -> t = 1/299 0.0033 segundos; RE = radio del circulo excéntrico, por ejemplo, 0.06 mm; F? = ángulo de rotación alrededor del eje excéntrico AE. Para F? entre 0° y 360°, las fórmulas anteriores (1) y (2) se pueden resolver por: F? n t 0° 1000 0 0033 90° 1000 0 0033 180° 1000 0 0033 270° 1000 0 0033 F? n t 0° .2000 0 0033 90° 2000 0 0033
180 ° 2000 0 0033 270 ° 2000 0 0033
Resolver las ecuaciones ( 1 ) y ( 2 ) con los datos anteriores proporciona las magnitudes de las modificaciones (laterales y equidistantes) entre las cuales son posibles las modificaciones. Por ejemplo, con 1000 RPM y t = 0 . 0033 segs., las modificaciones de 0 . 022 mm (máx.) y 0 . 004 mm (mín.) son posibles en ambas direcciones, AFSO y AFRA. En adición a las modificaciones anteriores, la rueda de esmerilado también se puede hacer vibrar al cambiar uno o más ejes (hasta 6 ejes) con la frecuencia (f) de los comandos de posición del eje de la máquina. Por ejemplo: f = 1/t; t = 1 seg. / 299 depresiones = 0 . 0033 segs. La frecuencia también puede ser menor (por ejemplo, el comando cada segunda o tercera posición) pero no mayor. El principio de la modificación es tomar un comando de posición de eje que se puede entender de la siguiente manera. Cada línea de contacto se define por una pluralidad de posiciones del eje de la máquina (por ejemplo, cinco ejes) que juntos forman un comando de posición para la rueda de esmerilado con relación a la pieza de trabajo. Por lo tanto, para 3 00 líneas de contacto, se requieren 3 00 comandos de posición. Se puede pensar en esto como una tabla que contiene
300 líneas de código con cada línea representando un comando de posición. Tomando un comando de posición de eje (es decir, una línea) , el comando de posición se puede modificar al agregar una dimensión linear o angular (por ejemplo, 2 mieras o 3 segundos angulares) a una de las dimensiones lineares o angulares (por ejemplo eje - Z de la máquina (linear) o eje B (pivote) en una máquina de forma libre. La siguiente línea de posiciones de puede usar para restar la misma cantidad previamente agregada de la misma designación del eje. Los números agregados y restados también pueden seguir una función de orden linear o mayor o pueden ser números aleatorios. Esto tiene que ocurrir dentro de ciertos límites, para limitar el cambio de depresión a depresión debajo de una cantidad predeterminada, por ejemplo 5 mieras y para limitar el cambio entre los cambios extremos (por ejemplo, la primera y última depresión) debajo de una cantidad predeterminada, por ejemplo, 5 mieras para asegurar la fidelidad de la forma del costado y conservar el efecto de una estructura de superficie óptima de ruido. Direcciones del vector predilecto para incluir la vibración (vea la Figura 5) : a) tangencial a la depresión; b) tangencial al cono de la rueda de esmerilado (en plano axial ) ; c) movimiento axial;
d) movimiento radial normal hacia la depresión; e) movimiento radial tangencial hacia la depresión; f) combinación de a, b, c, d y e, la combinación puede cambiar de depresión a depresión; g) un solo movimiento de a hasta e pero cambiando de depresión a depresión; h) movimiento de combinación similar a f pero cambiando la cantidad de movimiento de depresión a depresión; i) un solo movimiento del eje con cantidad cambiante de depresión a depresión, la designación del eje también puede cambiar de depresión a depresión. El movimiento de los ejes (vibración) es una superimposición de los valores delta hacia las posiciones teóricas del eje. Los experimentos prácticos de esmerilado han demostrado que en comparación a una superficie lateral de esmerilado convencional, que tiene depresiones invisibles por el esmerilado y una estructura de superficie de micro rayones de esmerilado que se extienden de forma paralela a la porción raíz del diente, el presente método inventivo proporciona una estructura de superficie en donde se separan los micro rayones del esmerilado para proporcionar una estructura difusa similar al afilado y las micro depresiones se vuelven visibles debido a la rueda de esmerilado que gira de manera excéntrica y/o haciendo vibrar el eje como se ilustra, por
ejemplo, en la Figura 6. Similar a las ventajas de una superficie afilada, el análisis de frecuencia (Figura 7) de la serie de engranajes manufacturados de conformidad con el método inventivo muestra picos de amplitud más bajos en la frecuencia del engranado del diente y sus armónicos mayores . Adicionalmente, se generan bandas laterales mayores que encajan los picos de frecuencia armónica y resultan en engranajes que funcionan más silenciosamente (sin una operación de afilado adicional) . Mediciones del sonido del vehículo de series de engranajes manufacturados conforme al método inventivo muestran menores niveles de presión del sonido (dbA) . Esto resulta en series de engranajes con mejor calidad de sonido que son más fáciles y más estables para la manufactura. También se mejoran la lubricación hidrodinámica y la eficiencia debido a la estructura de superficie inventiva. Esto a su vez, reduce los costos de manufactura e incrementa la calidad del engranaje. La combinación de engranado predilecto es un piñón de esmerilado de estructura inventiva y un anillo dentado de esmerilado convencional (anillo dentado de generado o de no generado) . En el caso de los anillos dentados generados, el esmerilado de la estructura inventiva del piñón y del anillo dentado se puede llevar a cabo con el mismo o con diferente movimiento giratorio excéntrico y parámetros de pulsación y
se puede elegir para reducir los eventos de excitación de ruido . Mientras que la invención ha sido descrita con referencia a la modalidad predilecta, se entiende que la invención no se limita a los particulares de la misma. La intensión de la presente invención es incluir modificaciones que serían aparentes para aquellos con habilidad en la técnica a la cual se refiere la materia objeto sin desviarse de la esencia y alcance de las reivindicaciones añadidas. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.