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Herramientas a gran escala que dan soporte a la industria de la automoción

Los engranajes planetarios son un componente fundamental de las transmisiones automáticas (AT). La transición desde las transmisiones manuales hacia las automáticas exigía mejoras en la producción de estos engranajes tan importantes y, para este fin, se desarrolló la brocha helicoidal de gran diámetro. La brocha helicoidal garantiza el mecanizado uniforme que se necesita durante todo el proceso, desde el desbaste hasta el acabado. Hemos preguntado al personal del Departamento de Fabricación de Herramientas de Corte para Engranajes sobre la historia del desarrollo de esta brocha, así como sobre el desarrollo de productos innovadores pioneros con respecto a la competencia. 

DE CERCA

¿Qué es el brochado?
 

El brochado es un método de proceso diseñado para crear formas especiales en la superficie interior de agujeros cilíndricos (formas como ejes nervados o muescas para llaves). El filo de una brocha es similar al hueco redondo del material. Los dientes se forman progresivamente a medida que la herramienta avanza hacia el centro y alcanzan su geometría final completa en el momento en que la brocha se arrastra hasta el tope de su recorrido. Por tanto, el proceso de formación del conjunto del engranaje, desde el desbaste hasta el acabado, se realiza en una sola pasada.

La creación de las mejores condiciones de corte en los procesos individuales necesarios para mecanizar los engranajes de alta precisión que se utilizan en las transmisiones automáticas (tres pasos de una sola pasada: desbaste, semiacabado y acabado) aumenta significativamente la productividad. 

Características del brochado
Capacidad de formar engranajes interiores de precisión en las piezas de trabaj

Las brochas con múltiples dientes cuya forma cambia progresivamente de un perfil de desbaste a un perfil de acabado presentan las características siguientes:

• El arrastre de la brocha por la pieza con ayuda de una brochadora facilita y acorta el proceso. 
• El afilado de la brocha y la precisión del filo se reflejan directamente en la pieza de trabajo. Cuanto mayor sea el rendimiento de la brocha, mayor será la calidad de la superficie y la precisión dimensional de los productos acabados.
• Posibilidad de procesar engranajes axiales complejos, como los de los ángulos de hélice.
• Puesto que la cantidad de corte por filo y la cantidad de corte total se pueden configurar de antemano durante el diseño de la brocha, no es necesario que los operarios posean ningún tipo de capacitación especial para arrastrar la brocha por una pieza de trabajo.
• Dado que la presión generada durante el corte sirve para sujetar la pieza de trabajo, no se necesitan plantillas especiales para este fin. 

Part 1　1962～

La planta de Akashi comenzó sus operaciones

Después de 1955, el rápido crecimiento de la industria de fabricación japonesa disparó la demanda de herramientas de corte y, para satisfacerla, Mitsubishi Materials abrió en 1962 su planta de Akashi. La planta de Akashi estaba equipada con maquinaria de vanguardia para la ejecución de procesos específicos como, por ejemplo, pulidos o templados. También instalaciones de inspección para ayudar a la fabricación de distintas herramientas de corte, entre otras, brocas, fresas, escariadores o brochas. En el caso concreto de las brochas, ante las expectativas de que pudiesen ofrecer unas ventajas significativas a los clientes para el proceso preciso y eficaz de engranajes, Mitsubishi Materials empezó a trabajar muy pronto en su desarrollo.

Part 2　1990～

La rápida implantación de las transmisiones automáticas aceleró la demanda de brochas

La implantación acelerada de las transmisiones automáticas en la década de los noventa obligó a mejorar la eficiencia de producción de los engranajes planetarios con diámetros relativamente grandes. Antes del desarrollo de las brochas, los engranajes se mecanizaban con fresas para engranajes. Este método de corte de engranajes se componía de tres procesos: desbaste, semiacabado y acabado, con un tiempo aproximado de procesado de 2 a 3 minutos por engranaje. El brochado, por su parte, tan solo tardaba 30 segundos o menos por engranaje, lo que suponía una mejora de entre cuatro y seis veces de la productividad. Además, el brochado no solo permitía conseguir una precisión mucho mejor que la del corte de engranajes, sino que su funcionamiento era sencillo: bastaba con arrastrar la brocha por la pieza de trabajo en la brochadora.

Para sacar el máximo partido a estas ventajas, Mitsubishi Materials inició el desarrollo de una brocha helicoidal de gran diámetro, un modelo avanzado de la brocha de ranuras existente. El primer prototipo fue un conjunto formado por un engranaje de desbaste (cuerpo principal), compuesto por una lama de corte para la periferia exterior, y un engranaje de acabado (envolvente), compuesto por una lama de corte de dentado grueso. Debido a que en aquella época no existía ningún dispositivo de medición de la precisión lo bastante grande, el tamaño del prototipo obligaba a desmontarlo en dos partes, el cuerpo principal y el casco. Además, puesto que la forma del extremo de la brocha se transfería directamente a la pieza de trabajo, resultaba difícil conseguir la precisión deseada con una brocha de tipo ensamblado. A pesar de suministrar varios prototipos a los fabricantes de transmisiones automáticas, la mayoría de ellos fueron rechazados debido a una precisión incorrecta. En el caso del tipo ensamblado, el rendimiento de la lama de la parte envolvente afecta a la precisión de los dientes del engranaje. Esto exigió la realización de ajustes a escala micro en la forma de la lama envolvente. Mitsubishi se embarcó en un proceso de prueba y error para la mejora de la lama hasta que, en 1995, logró un nivel de precisión estable.

Part 3 : 2000~

Desarrollo de un innovador dispositivo de medición que ayudó a conseguir la primera brocha integral del mundo

En la década de los noventa, además de iniciar la producción en cadena de las brochas de tipo ensamblado, Mitsubishi Materials comenzó el desarrollo de un nuevo tipo de brocha. El proyecto se concibió para el desarrollo de una brocha integral que combinase el cuerpo principal y el casco. Sin embargo, al no existir ningún dispositivo para medir la precisión de los dientes de las brochas integrales, resultaba imposible rectificar los dientes con la precisión requerida. La brocha helicoidal de gran diámetro empleada para la fabricación de engranajes planetarios destinados a transmisiones automáticas tendría un diámetro exterior de 100-180 mm y una longitud total de 1500-2000 mm. Estas características hacían que solo fuese posible adoptar un enfoque de brocha ensamblada, donde la carcasa pudiese separarse y, gracias a su tamaño reducido, garantizar la excelente precisión requerida para sus dientes con ayuda del dispositivo de medición de engranajes disponible entonces. Por el contrario, la medición precisa de una brocha integral grande exigía el desarrollo de un nuevo dispositivo de medición. Fue entonces cuando un ingeniero de Mitsubishi Materials logró crear un innovador dispositivo de medición integrado para la forma de los dientes. Este fue el primer avance mundial en la materia y un logro por el que Mitsubishi Materials recibió un premio de reconocimiento por parte de la Sociedad de Ingenieros Mecánicos de Japón. El ingeniero responsable del diseño era doctor en Ingeniería por la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Osaka. He aquí un resumen de su estudio: «El rectificado preciso de la forma de los dientes de engranajes rectos y helicoidales exige la medición de los errores de afilado causados por la muela y la formación del diente, el análisis de los datos, la creación de un programa de corrección de errores automático y la comunicación inmediata con la rectificadora. La combinación de estos sistemas permitirá garantizar la precisión necesaria para el rectificado de engranajes».

El uso de este nuevo dispositivo de medición integrado para la forma de los dientes en la rectificadora CNC permitió lograr el rectificado de precisión de la forma de los dientes de una brocha integral. Este fue el principio del exitoso desarrollo de la primera brocha helicoidal de gran diámetro del mundo. La brocha helicoidal integral puede reducir significativamente los costes de producción gracias a la fabricación del cuerpo y la carcasa de una sola pasada, y siempre con la excepcional precisión de mecanizado requerida. Además, la carga de corte de cada lama puede optimizarse para reducir la abrasión del conjunto de la brocha y aumentar su vida útil, ampliando así el intervalo entre rectificados de la herramienta. Por último, a diferencia de las brochas de tipo ensamblado, las brochas integrales no requieren ningún tipo de desmontaje, montaje o ajuste de fase de la carcasa para su rectificado, una característica que también reduce los costes. Si bien todas estas prestaciones han agradado a nuestros clientes, los fabricantes internacionales de transmisiones automáticas consideran especialmente importante la reducción del trabajo necesario para el rectificado. 

Part 4　2010～

Fijación de nuevos objetivos

A la vez que promovía el desarrollo de la brocha integral, Mitsubishi Materials también trabajaba en la mejora de las brochas de tipo ensamblado. Entre los tipos de ranuras se incluyen las ranuras anulares (ángulo recto con respecto al eje) y helicoidales (desviación de la normal). El tipo de ranura anular provoca un cambio significativo en la carga de corte con respecto al tipo helicoidal, lo que acorta la vida útil de la herramienta. Por su parte, el tipo helicoidal provoca un cambio menor en la carga de corte, con lo que se mejora tanto la precisión de la forma de los dientes como la vida útil de la herramienta; sin embargo, el rectificado requiere el uso de un equipo especial.

Existen tres brochas de tipo ensamblado. La primera es una combinación de un cuerpo principal y una carcasa, ambos en ángulo recto con respecto al eje. La segunda es una combinación de un cuerpo principal en ángulo recto con respecto al eje y una carcasa fuera de lo normal. La tercera es una combinación de un cuerpo principal y una carcasa, ambos de tipo fuera de lo normal. El número de ranuras también varía. Por ejemplo, el dentado del cuerpo principal se reduce de 6 a 4 dientes, mientras que el dentado de la envolvente aumenta de 8 a 10 dientes, con lo que se logra una mejora del afilado. 

Las brochas integrales también presentan estos tres mismos tipos de dentados, si bien hemos estado trabajando en el desarrollo de una brocha integral con un cambio de dientes en el cuerpo principal y la carcasa. 

La fabricación de brochas de gran precisión exige un control estricto de la temperatura durante el rectificado. Debido a que el rectificado requiere una cantidad significativa de tiempo, la temperatura debe mantenerse dentro de un intervalo limitado para evitar que la rectificadora se expanda y se contraiga, lo que podría producir variaciones capaces de influir en la precisión del paso del producto final. Mitsubishi Materials prosigue con su búsqueda de nuevas formas de fabricar brochas que, además de ofrecer una calidad y una precisión todavía mayores, permitan reducir hasta la más mínima variación en la temperatura. 

Un vistazo a la historia de las brochas helicoidales

Nishikawa: el Departamento de Fabricación de Herramientas de Corte para Engranajes, responsable de la fabricación de las brochas, mantiene un contacto estrecho con nuestros clientes. Puesto que las herramientas de corte se fabrican para su uso por parte de nuestros clientes, conocer su opinión tras probarlas y los problemas con los que se han encontrado es muy importante para nosotros. Nos tomamos muy en serio las quejas que a veces nos transmiten, pero además de abordar cualquier incidente que surja, consideramos que también es importante desarrollar herramientas que les resulten todavía más útiles. La repetición de este ciclo ha servido de base para nuestro crecimiento. 

Kohno: en la fabricación de herramientas de precisión no siempre se cumplen las expectativas teóricas. Quizás esta sea la parte más divertida de fabricar brochas. En el caso de las brochas helicoidales de gran diámetro que hemos desarrollado, algunas por encima de los dos metros de largo, la más mínima diferencia en sus lamas influirá enormemente en la precisión de los dientes sobre el producto final. Sin embargo, un ligerísimo afilado manual de los filos de corte en ocasiones mejora la precisión. Esto no se puede explicar mediante la teoría ni tampoco cualquiera puede realizarlo. De ahí la importancia de que este tipo de herramientas de precisión puedan ajustarse de un modo tan analógico.