Descripción general
Una transmisión por engranaje helicoidal consta de
un tornillo sin fin y una rueda helicoidal, que se utilizan para transmitir movimiento y potencia entre ejes que se cruzan, generalmente con un ángulo de intersección de 90 grados. En las transmisiones por engranajes helicoidales en general, el tornillo sin fin es el componente impulsor.
Desde su apariencia, el gusano se parece a un perno, mientras que la rueda helicoidal parece un engranaje cilíndrico helicoidal.
Durante la operación, los dientes de la rueda helicoidal se deslizan y ruedan a lo largo de la superficie helicoidal del gusano.
Un tornillo sin fin es un engranaje con uno o más dientes helicoidales que engrana con la rueda helicoidal para formar un par de engranajes de eje que se cruzan. Su superficie de paso puede ser cilíndrica, cónica o toroidal.
Hay cuatro tipos: gusano de Arquímedes, gusano involuta, gusano de perfil{0}}recto normal y gusano cilíndrico cerrado-cónico.
Al igual que los hilos, los gusanos pueden ser diestros-o zurdos-, conocidos como gusanos-derechos y{3}}gusanos izquierdos, respectivamente.
Para mejorar el contacto de los dientes, la rueda helicoidal tiene forma de arco a lo largo de la dirección del ancho del diente, encerrando parte del gusano. Esto significa que el engranaje helicoidal engrana a través de un contacto lineal, no de un contacto puntual.
Desventajas de las transmisiones por tornillo sin fin:
✦ Debido a que los dos ejes son perpendiculares y las velocidades de las líneas de paso de los dos engranajes son perpendiculares, la velocidad de deslizamiento relativa es muy alta, lo que genera calor y desgaste.
✦ Baja eficiencia, normalmente entre 0,7 y 0,8; Los engranajes helicoidales con mecanismos-de autobloqueo tienen una eficiencia aún menor, generalmente inferior a 0,5.
04. Fórmulas de cálculo para engranajes helicoidales y tornillos sin fin
1. Relación de transmisión=Número de dientes del engranaje helicoidal ÷ Número de roscas helicoidales
2. Distancia central=(diámetro de paso del engranaje helicoidal + diámetro de paso del tornillo sin fin) ÷ 2
3. Diámetro de paso del engranaje helicoidal=(Número de dientes + 2) × Módulo
4. Diámetro de paso del engranaje helicoidal=Módulo × Número de dientes
5. Diámetro de paso del gusano=Diámetro exterior del gusano - 2 × Módulo
6. Cable helicoidal=π × Módulo × Número de subprocesos
7. Ángulo de hélice (ángulo de avance) tanB=(Módulo × Número de roscas) ÷ Diámetro de paso del gusano
8. Cable helicoidal=π × Módulo × Número de subprocesos
9. Módulo=Diámetro del círculo primitivo / Número de dientes
Número de roscas en un gusano: gusano de una sola-rosca (solo una hélice en el gusano, es decir, una revolución del gusano corresponde a una rotación de diente del engranaje helicoidal); Sinfín de doble-rosca (dos hélices en el sinfín, es decir, una revolución del sinfín corresponde a dos rotaciones de dientes del engranaje sinfín). El módulo se refiere al tamaño de la hélice del tornillo; cuanto más grande es el módulo, más grande es la hélice.
El coeficiente de diámetro se refiere al espesor del tornillo.
Módulo: El círculo primitivo de un engranaje es la referencia para diseñar y calcular las dimensiones de sus distintas piezas. La circunferencia del círculo primitivo=πd=zp, por lo tanto el diámetro del círculo primitivo es d=zp/π. Dado que π es un número irracional en la fórmula anterior, no es conveniente posicionar el círculo primitivo como referencia. Para facilitar el cálculo, la fabricación y la inspección, la relación p/π se define artificialmente como un valor numérico simple, y esta relación se denomina módulo, denotado por m.
05 tipos de transmisiones por engranajes helicoidales
Según la forma del gusano, los gusanos se pueden dividir en engranajes helicoidales cilíndricos, engranajes helicoidales toroidales y engranajes helicoidales cónicos. Entre ellos, los engranajes helicoidales cilíndricos son los más utilizados.
Los engranajes helicoidales cilíndricos ordinarios generalmente se mecanizan en un torno utilizando una herramienta de corte con un filo generatriz recto. Dependiendo de la posición de montaje de la herramienta y el tipo de herramienta utilizada, se pueden obtener cuatro tipos de engranajes helicoidales con diferentes perfiles de dientes en la sección transversal-perpendicular al eje: engranaje helicoidal involuto (tipo ZI), engranaje helicoidal de Arquímedes (tipo ZA), engranaje helicoidal de perfil recto-normal (tipo ZN) y engranaje helicoidal cilíndrico envolvente-cónico (tipo ZK).
Engranaje helicoidal de espiral (tipo ZI): el plano del filo es tangente al cilindro base del gusano y los dientes de la cara del extremo son de espiral. Adecuado para velocidades más altas y mayor potencia.
Engranaje helicoidal de Arquímedes (tipo ZA): el perfil del diente perpendicular al plano del eje es una espiral de Arquímedes, mientras que el perfil del diente en el plano que pasa por el eje es una línea recta. Sencillo de mecanizar, pero con menor precisión. (Engranaje helicoidal de perfil-recto axial).
Engranaje helicoidal de perfil-recto normal (tipo ZN): se puede rectificar con una muela rectificadora modificada, es relativamente sencillo de mecanizar y se utiliza a menudo para engranajes helicoidales de arranque múltiple-, con una eficiencia de transmisión de hasta 0,9.
Gusano cilíndrico envolvente cónico (ZK): este es un gusano helicoidal no-lineal. No se puede mecanizar en un torno; sólo se puede fresar en una fresadora y molerse en una rectificadora. Este tipo de gusano es fácil de moler, tiene una alta precisión y se utiliza cada vez más.
06 Proceso de mecanizado de tornillos sin fin metálicos
1. Determinar el material del blanco
⑴ Excelente maquinabilidad, logrando un buen acabado superficial y bajas tensiones internas residuales, minimizando el desgaste de la herramienta.
⑵ La resistencia a la tracción generalmente no es inferior a 588 MPa.
⑶ Buena procesabilidad del tratamiento térmico, buena templabilidad, no se agrieta fácilmente durante el enfriamiento, microestructura uniforme, pequeña deformación del tratamiento térmico y alta dureza, lo que garantiza la resistencia al desgaste y la estabilidad dimensional del gusano.
⑷ Dureza del material uniforme y estructura metalográfica conforme a los estándares. Los materiales comúnmente utilizados incluyen: T10A, T12A, 45, 9Mn2V, CrMn, etc.. 9Mn2V tiene buena procesabilidad y estabilidad, pero poca templabilidad. Su ventaja es una pequeña deformación después del tratamiento térmico, lo que lo hace adecuado para fabricar piezas de alta-precisión, pero es propenso a agrietarse y tiene poca procesabilidad por molienda. Una mayor dureza del gusano aumenta la resistencia al desgaste, pero es difícil de rectificar durante la fabricación.
2. Selección del dato de posicionamiento de mecanizado
Datos de posicionamiento del gusano: Estructuralmente, los gusanos se presentan en dos formas: gusanos ajustados y gusanos integrales. Los tornillos sin fin instalados utilizan el orificio interior como referencia de mecanizado; por lo tanto, el orificio interior debe mecanizarse con precisión primero y luego el diámetro exterior y el muñón de soporte deben mecanizarse utilizando el orificio interior como referencia. El mecanizado de roscas también utiliza el orificio interior como referencia, por lo que requiere un mandril. Generalmente, los requisitos de precisión del orificio interior para los gusanos indexadores de precisión son muy altos y algunos requieren rectificado para garantizar la precisión.
Generalmente, la precisión del orificio interior de un gusano indexador de precisión no debe ser inferior al Grado 1, la rugosidad de la superficie no debe ser inferior a 0,12 y la desviación de la cara del extremo del orificio interior no debe ser inferior a 0,005 mm. Al mecanizar un engranaje helicoidal montado sobre un mandril, primero se debe verificar el descentramiento radial de los hombros en ambos extremos para garantizar que esté dentro de la tolerancia especificada. Esta verificación debe realizarse después de cada operación posterior. De manera similar, durante el montaje del engranaje helicoidal, se debe verificar el descentramiento radial de los hombros en ambos extremos. La precisión del mandril debe ser igual o mayor que la precisión del acoplamiento del eje con el engranaje helicoidal.
El engranaje helicoidal integral utiliza el orificio central como referencia de mecanizado. Los requisitos para el agujero central son muy altos; debe tener un extremo cónico para asegurar el acabado de la superficie y el área de contacto. El orificio central debe revisarse y corregirse antes de cada operación. El muñón de soporte debe garantizar la coaxialidad con el orificio central y su propia precisión geométrica. Antes de las operaciones de semiacabado y acabado, se debe verificar el descentramiento radial, el descentramiento radial y el descentramiento axial de la cara del extremo del muñón de soporte para garantizar que estén dentro de la tolerancia.
Al seleccionar una referencia aproximada, la atención debe centrarse en garantizar un margen suficiente para cada superficie mecanizada de modo que las dimensiones y posiciones entre la referencia no mecanizada y la superficie mecanizada se ajusten a los requisitos del dibujo.
La selección de un dato aproximado debe cumplir los siguientes requisitos:
(1) La referencia aproximada debe basarse en la superficie mecanizada. Esto es para garantizar la precisión de la relación posicional entre las superficies mecanizadas y no mecanizadas. Si la pieza de trabajo tiene varias superficies que no requieren mecanizado, se debe seleccionar como referencia aproximada la superficie con el mayor requisito de precisión posicional en relación con la superficie mecanizada. Esto tiene como objetivo lograr un espesor de pared uniforme, una forma simétrica y menos operaciones de sujeción.
⑵ Seleccione una superficie importante con un margen de mecanizado uniforme como referencia aproximada.
⑶ Seleccione la superficie con el margen de mecanizado más pequeño como referencia aproximada. Esto asegura que la superficie tenga suficiente margen de mecanizado.
⑷ Elija una superficie plana y lisa con un área suficientemente grande como referencia aproximada para garantizar un posicionamiento preciso y una sujeción confiable. Las superficies con entradas, contrahuellas, rebabas o bordes rugosos no deben seleccionarse como puntos de referencia rugosos y deben pre-mecanizarse si es necesario.
⑸ Evite reutilizar la referencia aproximada, ya que la mayoría de las superficies de referencia rugosas son irregulares y el uso repetido dificulta garantizar la precisión posicional entre las superficies exteriores.
Siguiendo los principios de selección de la referencia aproximada, sujetar el círculo exterior y mecanizar la mayor parte de la superficie en una sola operación de sujeción garantiza la coaxialidad del círculo exterior y el orificio interior, así como la perpendicularidad de la cara del extremo al eje.
Ruta del proceso de mecanizado de engranajes helicoidales de metal
⑴ Engranaje helicoidal integral no endurecido
Preparación del material – Normalización – Torneado en desbaste – (Templado) – Torneado semiacabado del diámetro exterior, torneado en desbaste de la superficie helicoidal – Envejecimiento artificial – Torneado acabado (rectificado fino) de la cara del extremo interior – Inserción de chavetero – Torneado semiacabado de la superficie helicoidal – Sujeción (reparación de dientes incompletos) – Rectificado semiacabado del diámetro exterior – Rectificado fino de la superficie helicoidal – Envejecimiento a baja-temperatura – Rectificado de orificio central – Rectificado fino del diámetro exterior – Rectificado fino de la superficie helicoidal
⑵ Engranaje helicoidal integral carburizado y templado
Forjado – Recocido – Torneado en desbaste – Normalización – Torneado semiacabado del diámetro exterior y superficie helicoidal – Sujeción (reparación de dientes incompletos) – Carburación – Torneado acabado del diámetro exterior (eliminación de piezas que no requieren cementación) – Templado y revenido – Rectificado del orificio central – Torneado de rosca de fijación – Fresado de ranuras – Rectificado semiacabado del diámetro exterior – Rectificado semiacabado de la superficie helicoidal – Envejecimiento a baja-temperatura – Rectificado del orificio central – Rectificado fino del anillo exterior y la cara del extremo – Rectificado fino de la superficie helicoidal
Material en bruto: De acuerdo con los requisitos estándar, el material en bruto debe someterse a un tratamiento de forjado para obtener una buena estructura fibrosa metálica.
Torneado en desbaste: asegure la coaxialidad y deje un margen de acabado adecuado.
Tratamiento térmico (HRC28-32), torneado semiacabado: deje un margen de acabado de 0,5 mm para cada pieza durante el torneado semiacabado. Gire la sección del gusano y las ranuras de alivio en ambos extremos según las especificaciones requeridas. Es aceptable girar bruscamente el gusano, utilizando métodos de capas o de corte inferior.
Mida el margen en el diámetro medio-. El margen de torneado semiacabado proporciona una buena base para un buen acabado.
Acabado de baja-velocidad girando en tres lados según las especificaciones requeridas: la herramienta debe estar afilada y la rugosidad del filo debe ser buena, lo que garantiza un acabado suave en cada lado. Termine de girar todas las piezas según las especificaciones requeridas para garantizar la coaxialidad.
Si se mecaniza un gusano cilíndrico común en un torno usando un filo recto, dependiendo de la posición de instalación de la herramienta, el gusano resultante se puede clasificar como gusano de Arquímedes (ZA), gusano de involuta (ZI) o gusano de perfil recto normal (ZN), etc. Gusano de Arquímedes ZA: el plano del filo de la herramienta del torno pasa a través del eje del gusano y el gusano se corta con un ángulo de filo de 2 =40 grados. El gusano resultante tiene un perfil de diente recto en el plano axial y la sección normal del perfil de diente es una curva convexa hacia fuera. La curva del perfil del diente en el extremo es una espiral de Arquímedes, de ahí el nombre de gusano de Arquímedes. Este tipo de gusano es relativamente fácil de mecanizar y medir y, por lo tanto, se utiliza ampliamente.
Sin embargo, el mecanizado resulta difícil cuando el ángulo de avance es demasiado grande. Es difícil rectificar perfiles de dientes precisos con una muela abrasiva, lo que da como resultado una menor precisión y eficiencia de la transmisión.
Gusano involuto ZI: el plano del filo de la herramienta de torno es tangente al cilindro base del gusano. El gusano resultante tiene un perfil curvo convexo en el plano axial, y el perfil del diente en la cara extrema perpendicular al eje es una involuta, de ahí el nombre de gusano involuta. Este tipo de gusano se puede triturar, lo que da como resultado una mayor precisión y eficiencia de transmisión, adecuado para la producción en masa y transmisión de precisión de alta-potencia y alta-velocidad.
Sinfín de perfil recto normal ZN: cuando el ángulo de avance del sinfín es grande, para obtener ángulos de inclinación y de separación razonables para la herramienta de corte, el plano del filo de la herramienta de corte se coloca en el plano normal de la hélice del sinfín durante el giro. El gusano cortado de esta manera tiene un perfil de diente recto en la sección normal, de ahí el nombre de gusano de perfil recto normal. La curva del perfil del diente en la cara terminal perpendicular al eje es una evoluta extendida, por lo que también se le llama gusano de involuta extendida. Este tipo de gusano tiene un buen rendimiento de corte, es beneficioso para mecanizar gusanos de arranque múltiple-y se puede rectificar con muelas abrasivas, comúnmente utilizadas en tornillos sin fin de precisión de arranque múltiple en máquinas herramienta. Con los avances en la tecnología y los requisitos de los productos, se necesitan mayores aumentos en la velocidad de corte, lo que crea un cuello de botella en los métodos de torneado y conduce al desarrollo del fresado por torbellino. Esto implica el uso de una herramienta de corte giratoria para aumentar la velocidad de corte (hasta 400 metros por minuto), mientras que la pieza de trabajo no necesita girar a alta velocidad.
Los métodos de fresado por torbellino para gusanos se dividen en dos tipos: torbellino interno y fresado externo.
Ciclón interno: la circunferencia de la pieza de trabajo es internamente tangente a la circunferencia del diente del cortador (engranaje helicoidal dentro del cabezal del cortador). Precisión hasta DIN7 Ra0.8. Ciclón externo: la circunferencia de la pieza de trabajo es externamente tangente a la circunferencia del diente del cortador (engranaje helicoidal fuera del cabezal del cortador). Precisión hasta DIN6 Ra0.4.
