Quais são os processos de fabricação de peças em bruto? Fundição vs. Forjamento vs. Usinagem

O limite superior da qualidade dos produtos de engrenagens depende do material de base. Mesmo que você tenha o melhor projeto de perfil de dente ou a solução de tratamento térmico mais avançada, se houver defeitos no processo básico de fabricação da engrenagem, suas engrenagens estarão destinadas a não funcionar por muito tempo.

As peças brutas das engrenagens são os fatores determinantes para a integridade estrutural, a vida em fadiga e o custo de fabricação dos componentes finais. Escolher o processo de fabricação errado pode resultar em quebras catastróficas de engrenagens durante-a operação no local ou aumentar os custos de manutenção no processo de produção.

Então, como você escolhe o processo de fabricação? Você deve escolher fundição, forjamento ou usinagem direta a partir de barras?

A fundição é uma das técnicas de processamento de metal mais antigas dominadas pelo homem e, para cenários de aplicação específicos, continua sendo uma técnica altamente competitiva.processo de fabricação de engrenagem em branco. O princípio é injetar metal fundido na cavidade do molde, definindo assim a forma da peça bruta.

Artesanato e Materiais
No campo das engrenagens, geralmente nos referimos à fundição em areia ou fundição de precisão, e os materiais comumente usados ​​incluem ferro fundido cinzento, ferro dúctil ou aço fundido. Depois que o metal fundido esfria e solidifica, ele forma uma forma consistente com o molde.

prós e contras
A maior vantagem da fundição é o grau de liberdade na forma geométrica. Se você estiver projetando engrenagens gigantes para moinhos de bolas de mineração ou sistemas de propulsão de navios - aqueles com diâmetros de vários metros - a fundição geralmente é a única solução viável. Ele permite fundir diretamente estruturas complexas, como raios e furos para redução de peso na peça bruta, reduzindo significativamente a quantidade de material removido no futuro.

Mas o elenco tem suas fraquezas inerentes. O processo de solidificação pode facilmente levar a defeitos internos, comocavidades de porosidade e encolhimento. Além disso, a estrutura granular das peças fundidas é geralmente aleatória e grosseira. Isso significa que, em comparação com peças forjadas, a resistência à tração e a resistência ao impacto das engrenagens fundidas são geralmente mais baixas.

Os cenários aplicáveis ​​geralmente são engrenagens de grande-tamanho, estruturas geométricas extremamente complexas, aplicações de tensão baixa a média e situações que exigem excelente desempenho de absorção de choque do ferro fundido.

Atenção:Cuidado com defeitos internos ocultos que só serão expostos após o início do processamento do corte das engrenagens.

Quando a alta capacidade-de carga, a resistência ao impacto e a longa vida útil à fadiga se tornam requisitos intransigentes,forjamentoé sem dúvida um processo de fabricação de peças brutas de engrenagem superior. Forjar envolve aquecer um tarugo de metal e aplicar imensa pressão usando um martelo gigante ou uma prensa para causar deformação plástica.

Arma secreta:Fluxo de grãos
Por que as engrenagens forjadas são mais fortes do que as engrenagens fundidas ou cortadas? A resposta está emfluxo de grãos metálicos.
Imagina madeira. Dividir a madeira ao longo de sua textura é muito mais fácil do que cortá-la horizontalmente. Os metais também têm “texturas” ou estruturas fibrosas semelhantes.

No elenco: não há linhas aerodinâmicas, a estrutura é isotrópica, mas relativamente solta.
Corte:Você cortou a linha aerodinâmica e as extremidades expostas da fibra podem se tornar o ponto inicial de rachaduras.
Em forjamento, a deformação plástica força as linhas de fluxo do metal a seguir o contorno da peça bruta.

Esta aerodinâmica metálica contínua forma um “esqueleto” dentro da peça que é consistente com a direção da força na engrenagem, melhorando significativamente a resistência à fadiga e ao impacto.

Duas formas principais

Forjamento em matriz aberta:Usado para espaços em branco maiores e mais simples. Pode compactar efetivamente o centro do lingote de aço e fechar os poros internos.
Forjamento em matriz fechada:Este é o processo de fabricação de peças brutas mais comum para engrenagens automotivas e industriais. O metal é prensado em moldes de precisão para produzir peças em bruto "quase formadas" com processamento subsequente mínimo.

Considerações econômicas
Forjar requer moldes caros e equipamentos pesados. Se for um protótipo único, não será-econômico. Mas para lotes de mais de 1.000 peças, o forjamento costuma ser a opção de menor custo devido ao desperdício mínimo de matéria-prima e à redução significativa do tempo de processamento. Adequado para caixas de engrenagens automotivas, engrenagens de aviação, caixas de engrenagens industriais-para serviços pesados ​​e produção em-grande escala.

O terceiro processo comum de fabricação de peças brutas de engrenagem é o corte direto da barra. Aqui, você seleciona um aço redondo sólido (como aço 45 #, 42CrMo, 20CrMnTi, etc.) e usa um torno CNC ou uma máquina de serra para cortá-lo no tamanho de uma peça bruta de engrenagem.

O caminho com menor resistência
Este é um processo de “redução de material”. Você segura um pedaço maior de material e corta todas as partes que não parecem engrenagens.

A maior vantagem aqui é a agilidade. Você não precisa esperar 8 semanas para a produção de moldes de fundição ou forjamento. Você pode solicitar uma barra de aço hoje e obter a peça bruta processada amanhã. Para prototipagem, substituição de peças sobressalentes ou produção de pequenos lotes (como 10 a 50 peças), esse geralmente é o método padrão preferido.

Compromisso em engenharia
A desvantagem está no desempenho estrutural. Conforme mencionado anteriormente, quando você gira engrenagens a partir de material em barra, você interrompe as linhas de fluxo de fibra do material. Ao cortar a textura longitudinal do material da barra laminada, você expôs as pontas dos grãos na superfície do dente da engrenagem.

Embora a qualidade do aço moderno seja alta o suficiente para tornar este método aceitável para muitas aplicações gerais, a vida à fadiga das engrenagens cortadas é geralmente menor do que a das engrenagens forjadas do mesmo material e tamanho.

Além disso, a taxa de utilização de material deste processo de fabricação de peças brutas de engrenagem é a mais baixa. Se você quiser processar uma engrenagem grande com um cubo de roda, você transformará a maior parte da liga de aço cara em cavacos (resíduos), o que aumentará diretamente o custo do material por peça.

Sua vantagem é que não há necessidade de taxas de molde (NRE) e o ciclo de entrega é muito rápido. Adequado para máquinas protótipos, testes de pequenos lotes, peças de reparo de emergência e engrenagens com cargas leves a médias.

Para ajudá-lo a entender as diferenças intuitivamente, Hansheng comparou esses três processos de fabricação de peças brutas de engrenagem.

 

 

 

 

 

Ponto de equilíbrio de "custo vs. produção"
Um dos fatores mais críticos na escolha de um processo de fabricação de peças brutas de engrenagem é a “curva de rendimento”.

Se você precisar de 10 marchas, o corte em barra é uma escolha adequada. Embora o desperdício de material seja significativo, o custo total ainda é inferior ao custo de abertura de um conjunto de moldes de forjamento (que pode chegar a dezenas de milhares de yuans).

Se você precisar de 5.000 marchas, o forjamento é o vencedor indiscutível. O custo inicial do molde é distribuído por milhares de peças e o aumento no custo de peça única é mínimo. Ao mesmo tempo, a economia de matérias-primas e a redução do tempo de usinagem (já que a peça bruta fica quase formada) trarão enormes margens de lucro.

Hansheng fornece uma lista de verificação para o processo de fabricação de peças brutas de engrenagem.

Avalie a carga e o fator de segurança
Para qual cenário esse equipamento é usado? Se a aplicação envolver carga de choque, tensão cíclica ou funções críticas de segurança, então a fundição poderá receber consideração especial.

Analise formas geométricas
As engrenagens possuem placas de barriga grandes, orifícios complexos para redução de peso ou carcaças integradas? Se a forma for muito complexa para forjar ou se o torneamento desperdiçar muito materiais, a fundição pode ser sua única solução geométrica.

Calcule o custo total de propriedade (TCO)
Não olhe apenas a cotação da matéria-prima, olhe o custo do produto acabado.
Fundir blanks pode ser barato para comprar, mas se houver pontos difíceis (zonas frias), não é adequado para suportes CNC e aumentará os custos de processamento.
Embora o forjamento de peças brutas exija um alto investimento inicial, sua suavidade superficial consistente e características livres de defeitos podem acelerar a velocidade de fresagem e retificação de engrenagens, encurtando assim o tempo de ciclo de todo o processo de fabricação de peças brutas de engrenagens.

Considere o impacto do tratamento térmico
Os materiais forjados normalmente têm uma estrutura mais densa e uniforme, tornando mais previsíveis suas reações a tratamentos térmicos, como cementação e nitretação. As peças fundidas às vezes sofrem deformações imprevisíveis durante a têmpera devido a inconsistências internas.

Com base na ampla experiência da Hansheng, nossa sugestão é que não existe um processo de fabricação de peças brutas de engrenagem absolutamente “melhor”, apenas o processo que melhor atende aos padrões de produção, orçamento e desempenho do seu projeto.

Fundição:para estruturas geométricas complexas e de grande escala.
Forjamento:Para desempenho crítico, durabilidade e produção em massa.
Corte de barra:para velocidade, flexibilidade e pedidos de pequenos lotes.

Hansheng é um fabricante profissional de engrenagens que fornece-soluções completas de transmissão de precisão. Se você tiver alguma necessidade relacionada a equipamentos, entre em contato com nossa equipe de engenharia imediatamente ou visite nossa página de recursos de fabricação de equipamentos para navegar. Podemos fornecer análises abrangentes de Design for Manufacturability (DFM) e comparações detalhadas de custos para ajudá-lo a otimizar seu projeto de engrenagem. Vamos construir juntos produtos duráveis.

Todas as engrenagens podem ser forjadas?
Não. O forjamento tem limitações de formato. Se as engrenagens tiverem cavidades internas muito complexas, rebaixos ou diâmetros extremamente grandes (como as engrenagens marítimas que excedem 2 a 3 metros), o forjamento pode ser tecnicamente impraticável ou caro. Nesse caso, a fundição geralmente é a melhor escolha para o processo de fabricação de peças brutas de engrenagem.

Qual é o impacto específico da "agilização metálica" na vida útil das engrenagens?
O impacto é significativo. De acordo com os dados da indústria que aprendemos, sob as mesmas condições de material e tratamento térmico, as engrenagens forjadas com linhas de fluxo contínuo de metal normalmente apresentam uma resistência à fadiga 20% a 30% maior do que as engrenagens usinadas por corte. Para engrenagens de transmissão que suportam cargas de alto impacto, isso geralmente determina a vida útil das engrenagens.

Qual é o processo mais rápido se eu precisar urgentemente de um equipamento de reposição?
Usinagem a partir de barras. Você não precisa esperar pela fabricação do molde (que geralmente leva de 4 a 8 semanas). Usando o estoque de aço redondo, oficinas de usinagem qualificadas podem produzir peças de reposição de emergência para você dentro de 24 a 48 horas. Embora um pouco mais fraco que os forjados, é a solução mais rápida para resolver o problema de desligamento.

Qual processo é mais adequado para grandes engrenagens helicoidais de bronze?
Para engrenagens helicoidais de bronze, a fundição centrífuga é geralmente o processo preferido.
Embora o bronze também possa ser forjado, a fundição centrífuga oferece excelente densidade de material e resistência ao desgaste, além de ser altamente econômica-, tornando-se o processo padrão de fabricação de peças brutas para engrenagens grandes-de metais não ferrosos.

ANSI/AGMA 2001-D04 (Reafirmado em 2016)

Fatores de classificação fundamentais e métodos de cálculo para dentes retos evolventes e dentes de engrenagens helicoidais.

ISO 6336-5:2016

Cálculo da capacidade de carga de engrenagens de dentes retos e helicoidais - Parte 5: Resistência e qualidade dos materiais.

AGMA 923-B05

Especificações Metalúrgicas para Engrenagens de Aço.

Manual de design e fabricação prática de equipamentos de Dudley (4ª edição)

Stephen P. Radzevich, CRC Press.