Prepare sus procesos de rectificado para el futuro

Los procesos de acabado final son los que entregan las características de funcionalidad necesaria que distingue piezas las de alta calidad. La producción de nuevas autopartes para vehículos electrificados incrementa los requerimientos para este tipo de procesos. Conozca aquí lo que debe tener en cuenta a la hora de escoger las tecnologías correctas en su taller.

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La industria automotriz es la principal fuerza impulsora detrás de los avances en máquinas de rectificado y acabado fino y procesos. Las demandas de una mayor eficiencia a través de la reducción de tamaño y las mejoras de los componentes del tren motriz conducen a un rendimiento sin precedentes en términos de consumo de combustible y emisiones reducidos. Estas ganancias se han logrado a través de los últimos avances del motor de combustión interna, la electrificación del tren motriz, diseños innovadores para componentes, materiales mejorados y desarrollos recientes en tecnología de fabricación, que incluyen operaciones de pulido y acabado fino.

Con base en una encuesta realizada por los autores del artículo: Rectificado y acabado fino de componentes futuros para los sistemas de propulsión de vehículos, publicado en los anales de CIRP en 2021, las principales tendencias en estos procesos están determinadas por la electrificación (incluida la hibridación) del tren motriz, como el principal vector que afecta el rectificado y el acabado fino. Esto se refleja en requisitos más estrictos para: ruido (en engranajes); geometría; e integridad de las superficies, incluida la rugosidad (en las superficies de contacto).

Según los resultados de esta encuesta realizada a profesionales expertos de la industria automotriz europea, el tren motriz híbrido dominará el mercado durante la próxima década o dos, lo que seguirá aumentando la necesidad de rectificado y acabado fino. Además, se destaca que durante los próximos 15 a 20 años, el valor agregado por acabado por vehículo no disminuirá, aunque el número de partes móviles por vehículo disminuya, debido a que la producción de vehículos crecerá en total.

Los requisitos para los componentes serán más estrictos 

Los requisitos comunes para todos los tipos de componentes (principalmente ejes, cigüeñales, engranajes y rodamientos o cojinetes) incluyen la forma y la textura de la superficie. Los requisitos para la textura de la superficie incluyen rugosidad y ondulación de la superficie, que en gran medida están determinadas por las operaciones de rectificado y acabado fino.

Estos requisitos se pueden determinar numéricamente por parámetros normalizados que incluyen principalmente la altura media aritmética (Ra) y la altura total del perfil (Wt). Según la encuesta hecha por la publicación citada, se encontró el uso de parámetros de textura de superficie no convencionales en la industria, como la altura máxima reducida del perfil de rugosidad (Rpk) y la relación de material (Rmr). En el caso de los cojinetes y ejes, la redondez es la tolerancia de forma más usada. Tradicionalmente una tolerancia de +/-5 μm es aceptado en ejes de transmisión, sin embargo, los procesos actuales de rectificado sin centro en piezas como ejes para turbocompresores alcanzan +/- 0.5 – 1.2 μm de redondez y rugosidades Ra 0.2 – 0.3 μm. Sin embargo, cada vez más las exigencias se extienden a la integridad de la superficie, con umbrales específicos relacionados con las tensiones residuales y el daño térmico. Para esto, los talleres deben prepararse para entregar resultados de estos valores a sus proveedores. 

Para los engranajes, los requisitos principales se refieren al ruido aceptable, que es especialmente importante en un sistema de propulsión para VE. Los requisitos de nivel de ruido se traducen en la reducción de los errores de forma (geométricos) de la superficie (p. ej., el perfil del flanco del engranaje, relieve de la raíz, paso) y la optimización de la rugosidad de la superficie y la ondulación de los flancos. Aquí se habla de superficies que alcanzan valores Ra = 0.05 μm o Rz = 0.5 – 1 μm. Dichos requisitos impulsan las mejoras en las operaciones de rectificado, como por ejemplo las destacadas por el fabricante Liebherr con su rectificado topológico libre de desviaciones y rectificado de relieve final.

Aceros con mejores resultados en rectificado

Las principales tendencias con respecto a los materiales en los componentes del tren motriz automotriz se refieren a una adopción más amplia de aceros limpios con tamaño controlado de inclusiones no metálicas.

Los aceros limpios con capacidad de rectificado mejorada son especialmente atractivos para aplicaciones de cojinetes y engranajes. La metalurgia de polvos está encontrando aplicaciones en engranajes, siendo producidos por prensado y sinterización o por manufactura aditiva (fusión en lecho de polvo). Los árboles de levas de los motores de combustión interna que tradicionalmente se fabricaban con fundición gris, ahora se fabrican en gran medida con acero. Además, se han realizado intentos de introducir acero bainítico de alta resistencia en cigüeñales e inyectores diésel.

¿Qué nuevas tecnologías se están desarrollando para el esmerilado y el acabado fino de los componentes del tren motriz automotriz?

Los principales impulsores del desarrollo son especificaciones de calidad más estrictas y demandas de mayor productividad. La producción del tren motriz ya incluye tecnologías integradas, p. para torneado duro y rectificado. Esta integración es específica de la aplicación (por ejemplo, ruedas dentadas), donde la economía de producción requiere que la mayor parte del material se elimine mediante rectificado. Otras combinaciones incluyen la deposición de metal por láser seguida de esmerilado, que ofrece posibilidades de acabado de múltiples materiales. En este caso, existe la necesidad de aumentar la productividad de la fabricación aditiva. Además, hay muchas aplicaciones de nicho que tienen alternativas tecnológicas limitadas disponibles en el mercado, p. ej. el rectificado frontal de rodillos cónicos.

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Motores lineales en las máquinas de rectificado

Los avances en las rectificadoras para la producción de sistemas de propulsión de automóviles se ven normalmente en las rectificadoras de árboles de levas y cigüeñales. Los principales desarrollos en cuanto a la mejora de la productividad de las máquinas y la precisión en su mecanizado se ven en la eficiencia que logran para la sincronización entre el cabezal de trabajo y el cabezal de la muela o rueda abrasiva. Esta no solo depende del sistema de control, sino también de las limitaciones de la máquina en cuanto a velocidad, aceleración y tirones alcanzables.

Las limitaciones de la máquina determinan aún más el rendimiento del movimiento del cabezal portamuelas. En este caso, las limitaciones sobre la rapidez con la que el cabezal portamuelas puede acelerar de un lado a otro y la rapidez con la que puede cambiar de dirección dependen en gran medida del sistema de accionamiento de la máquina. Por ejemplo, en estudios revisados por la publicación de Krajnik, P., et. al., se compararon las limitaciones de un motor lineal y un husillo de bolas para dos rectificadoras de árboles de levas diferentes. El motor lineal tuvo un mejor desempeño en comparación con el husillo de bolas, logrando una velocidad un 70 % más alta, una aceleración un 80 % más rápida y un tirón (jerk) un 50 % más grande, lo que puede resultar en un tiempo de ciclo un 20 % más corto para el proceso de rectificado a temperatura constante. Un elemento clave para lograr esto es la corredera del motor lineal con rodamientos hidrostáticos.

Las correderas de cojinetes hidrostáticos requieren tolerancias estrechas en las guías largas y las superficies de apoyo. Entre las innovaciones en este tipo de sistemas se observan ejemplos que operan películas de aceite de tan solo 25 - 30 μm. Hoy en día los controladores de los bucles de velocidad funcionan a más de 200 Hz y lazos de posición por encima de 20 Hz. Los codificadores lineales ópticos a su vez proporcionan una resolución superior a 10 nm. Estas correderas funcionan con errores de posicionamiento sub-micrónicos mientras contornean muñequillas a por encima de 60 RPM alcanzando con esto un mayor rendimiento, un menor costo y una mayor confiabilidad.

Máquinas de acabado fino

Existe una infinidad de soluciones de maquinaria especializada para acabado fino de partes automotrices. Aquí se ilustrarán los desarrollos recientes de dos operaciones de uso común en la industria: bruñido de engranajes y super-acabado de rodamientos.

La actual generación de bruñidoras es mucho más rígida, con una cinemática mejorada del husillo y del cabezal de trabajo, lo que permite bruñir con velocidades de corte de 15 m/s, el triple que lo que se lograba hace 30 años. La velocidad de corte depende de la frecuencia de rotación del cabezal de trabajo y del ángulo del eje transversal entre la pieza de trabajo y el anillo de bruñido. Una máquina bruñidora de engranajes típica utiliza un husillo de herramienta con cojinetes más grandes que el anillo bruñidor. La máquina impulsa el anillo bruñidor mientras que la pieza de trabajo (engranaje) simplemente se sincroniza con el anillo bruñidor. El anillo de bruñido se asienta directamente debajo de los cojinetes para lograr una alta rigidez y permitir que la pieza de trabajo se sujete con un contrapunto. Los cojinetes son la principal limitación, ya que restringen la frecuencia de rotación alcanzable a unos 3,000 RPM. Funcionalmente, las marcas oblicuas que deja el proceso en los dientes del engranaje, reducen el ruido y mejoran la lubricación, además de agregar esfuerzos residuales compresivos que mejoran la vida a fatiga de las piezas.

Los nuevos desarrollos de husillos incluyen un cabezal de bruñido tipo copa (con cojinetes más pequeños), que es adecuado para aplicaciones sin la necesidad de un contrapunto. Con esto ha sido posible alcanzar las 5,000 RPM de la herramienta para aumentar la velocidad máxima de corte hasta unos 25 m/s. Sin embargo, las temperaturas más altas de la carcasa del husillo afectaron la precarga del cojinete (rigidez) y la precisión de la máquina, lo que ha impulsado la integración de sistemas de enfriamiento avanzado y la amortiguación pasiva de vibraciones.

Con el fin de cumplir con los requisitos de cambios rápidos a nuevos componentes o para el acabado fino de lotes más pequeños, se han desarrollado soluciones de máquinas flexibles para operaciones de acabado fino. De esta manera se han implementado soluciones con robots de 6 ejes, que se utilizan no solo para cargar y descargar componentes en el área de trabajo, sino también para implementar procesos de acabado, como el acabado con cinta de los hombros de los anillos de los rodamientos. Para esto, el robot se controla a través de la medición de la fuerza, proporcionando la frecuencia de rotación a la pieza de trabajo y aplicando la fuerza necesaria a la cinta de acabado. Al mismo tiempo la unidad de super-acabado realiza el movimiento de oscilación requerido de la cinta.

Fuente principal de información:

Krajnik, P., et. al., Grinding and fine finishing of future automotive powertrain components, CIRP Annals - Manufacturing Technology 70, p. 589_610, 2021.