A tolerância no corte de engrenagens CNC em uma produção normal varia de 5 a 10 micrômetros. Os dentes da sua engrenagem são moldados com um nível extremo de precisão.
Máquinas manuais não conseguem fazer isso. Você precisa de controle computadorizado, configurações rígidas e o processo de corte correto para sua engrenagem. Escolher o método errado não só resulta em engrenagens piores, como também em engrenagens mais caras, prazos de entrega mais longos e mais sucata.
Você encontrará as seguintes informações no artigo:
- Como funciona o corte de engrenagens CNC
- Qual método escolher e por quê?
- Materiais para usinagem de engrenagens
- Todo o processo de fabricação, desde a peça bruta até a engrenagem acabada.
- Tolerâncias e como escolher um fornecedor
O que é corte de engrenagens CNC?
Como Funciona
O corte de engrenagens CNC é o processo de usinagem dos perfis dos dentes em um bloco de engrenagem utilizando máquinas controladas por computador. O bloco é um cilindro bruto que é montado em um eixo de precisão. Em seguida, a ferramenta de corte remove material ao longo de um caminho programado até que cada dente adquira sua forma final.
O importante é a sincronização. Em um centro de fresagem CNC moderno, a rotação da fresa e a rotação da chapa são interligadas eletronicamente por meio de uma caixa de engrenagens eletrônica. A máquina executa a geometria do dente matematicamente, de modo que cada dente em um lote de 5,000 sai idêntico ao primeiro.
Corte de engrenagens CNC versus manual
O corte manual de engrenagens depende do operador para ajustar as taxas de avanço, verificar o alinhamento e detectar problemas. Funciona para trabalhos únicos, mas não permite tolerâncias rigorosas em uma série de peças e é lento.
CNC As mudanças são significativas: tolerâncias mais rigorosas e tempos de ciclo mais rápidos. Qualidade consistente da primeira à décima milésima peça. Por exemplo, máquinas manuais apresentam tolerâncias de ±0.05 a 0.10 mm. A usinagem CNC por fresamento mantém ±0.020 mm como valor padrão. A retificação de engrenagens reduz esse valor para ±0.005 mm.
Graus ISO alcançáveis por processo:
| Processo | Grau ISO alcançável | Uso |
| Diretamente da fresagem | 6ª e 8ª séries | Engrenagens industriais em geral |
| Diretamente do mata-ses | 6ª e 7ª séries | Engrenagens de anel internas, EV |
| Após retificação da engrenagem | 3ª e 5ª séries | Engrenagens de alta velocidade e precisão |
| Após brunimento/lapidação | 3ª e 4ª séries | Engrenagens ultrassilenciosas e de longa duração. |
Métodos de corte de engrenagens CNC
Existem seis métodos principais de corte de engrenagens CNC. Cada método é explicado na tabela abaixo.
| Forma | Melhor tipo de engrenagem | Faixa de Volume | Grau ISO | Agilidade (Speed) |
| Fresagem de engrenagem | Esporão, helicoidal | 1,000 - 100,000+ | 6ª e 8ª séries | Alto |
| Fresamento Helicoidal | Hélice alta >30°, bisel | 200 - 2,000 | 6ª e 7ª séries | Suporte: |
| Modelagem de engrenagens | Interno, cluster | 500 - 50,000 | 7ª e 9ª séries | Devagar |
| Desbaste de equipamentos | Engrenagens de anel internas | 1,000 - 100,000+ | 6ª e 7ª séries | Muito rápido |
| Moagem de engrenagens | Qualquer | Operação adicional. | 3ª e 5ª séries | Devagar |
| Brochagem de engrenagens | Apenas splines internas | 10,000+ | 7ª e 8ª séries | Fastest |
Comparação da velocidade relativa entre os métodos; o tempo de ciclo real depende do módulo, do número de dentes e do material.
Fresagem de engrenagem
A fresagem por engrenagem é o método de corte de engrenagens CNC mais utilizado para engrenagens cilíndricas de dentes retos e helicoidais externas. Uma fresa com múltiplos dentes gira em sincronia com o tarugo da engrenagem e corta todos os dentes em um movimento contínuo. Por exemplo, é um processo rápido, repetível e com boa relação custo-benefício em grandes volumes. Uma engrenagem helicoidal de módulo 3 com 50 dentes é produzida em 18 a 22 segundos em uma máquina moderna.
Uma peça bruta pode passar pela certificação de material e ainda assim apresentar uma variação de 5 a 8 HRC na seção transversal. Na peça 80 de uma longa produção, essa variação causa desgaste imprevisível da fresa e erros de perfil que só aparecem na inspeção final.
Fresagem de Engrenagens Helicoidais
Fresagem CNC de 5 eixos Utiliza-se uma fresa de perfil ou uma fresa de topo de metal duro para cortar engrenagens helicoidais. A maioria dos guias afirma que a fresagem é apenas para protótipos. Essa regra não se aplica a trabalhos de médio volume, como de 200 a 2,000 peças. Nesses casos, o ângulo da hélice é superior a 30° ou o material é uma liga resistente como o aço 4340 ou 9310.
Nessas tarefas, a configuração de um centro de fresagem por engrenagem helicoidal exige vários cortes de teste para ajustar a hélice e o passo. Um centro de fresagem de 5 eixos elimina essas variáveis. O resultado: custo total 25 a 40% menor em produções helicoidais de médio volume em materiais difíceis, considerando a configuração, os resíduos dos cortes de teste e as ferramentas.
Modelagem de engrenagens
A usinagem de engrenagens utiliza uma fresa de movimento alternativo que se assemelha a uma pequena engrenagem. É um processo lento, mas alcança locais onde a fresagem por engrenagem mecânica não é possível. Por exemplo, engrenagens internas, engrenagens com ressalto próximo aos dentes e conjuntos de engrenagens agrupadas. Se a sua engrenagem for interna e o volume não justificar o uso de fresagem por deslizamento, a usinagem de engrenagens resolverá o problema.
Desbaste de equipamentos
O skiving é um processo de corte contínuo onde a ferramenta de corte opera em um ângulo cruzado em relação à engrenagem bruta. Ele produz engrenagens anulares internas cerca de oito vezes mais rápido do que o processo de conformação. No entanto, sua máquina precisa de um eixo rígido com sincronização EGB. Nem todas as oficinas possuem esse equipamento.
Moagem de engrenagens
A retificação de engrenagens é uma etapa de acabamento, não um método de corte primário. Ela é utilizada após a fresagem por geração ou o torneamento, geralmente após... tratamento térmicoPara corrigir distorções e atingir um nível de precisão mais rigoroso, o processo de retificação não é opcional quando a engrenagem opera acima de 5,000 RPM. O interessante é que a retificação reduz o desvio radial para ±0.005 mm e o acabamento superficial para Ra 0.4–0.8 µm.
Brochagem de engrenagens
O brochamento utiliza uma broca com múltiplos dentes que atravessa o furo em uma única passada. Estrias internas são cortadas em segundos. É o método mais rápido para grandes volumes de produção. No entanto, o custo das ferramentas é elevado — só se justifica para lotes acima de 10,000 peças.
Tipos de engrenagens produzidas por usinagem CNC
| Tipo de Engrenagem | Método CNC | Uso comum | Módulo típico |
| Engrenagens retas | Fresagem / moagem | Caixas de engrenagens, transportadores | 1-8 |
| Engrenagens helicoidais | Fresagem por engrenagem / fresagem de 5 eixos | Transmissões automotivas | 1-6 |
| Engrenagens cônicas | 5 eixos / Gleason | Diferenciais, transmissões em ângulo reto | 1-10 |
| Engrenagem helicoidal | Hobbing, formando | Redutores de alta relação | 1-5 |
Engrenagens de dentes retos personalizadas
As engrenagens cilíndricas de dentes retos possuem dentes paralelos ao eixo. Não há empuxo axial. Devido à sua geometria simples e baixo custo, são uma boa opção para eixos paralelos e cargas moderadas.
Engrenagens helicoidais
Os dentes das engrenagens helicoidais ficam posicionados em um ângulo em relação ao eixo, geralmente de 15 a 30°. Como vários dentes engatam simultaneamente, a carga é distribuída. Isso significa menos ruído e maior capacidade de carga do que engrenagens cilíndricas de dentes retos do mesmo tamanho.
Engrenagens cônicas personalizadas
As engrenagens cônicas transmitem potência entre eixos que se encontram em um ângulo, geralmente de 90°. As engrenagens cônicas retas são mais simples e baratas de usinar. Da mesma forma, as engrenagens cônicas helicoidais suportam cargas maiores com mais suavidade. Ambas são usadas em diferenciais, caixas de engrenagens de ângulo reto e ferramentas elétricas.
Engrenagens sem fim
Um conjunto de engrenagens helicoidais oferece uma alta relação de redução em um espaço compacto. Este conjunto inclui:
- O verme
- Um eixo em forma de parafuso
- Encaixa-se com uma roda de bronze.
O parafuso sem-fim é usinado por fresa CNC. A roda é feita de bronze e gira contra aço sem emperrar.
Ferramentas de corte de engrenagens
Tipos de ferramentas
As principais ferramentas de corte de engrenagens são:
Fogões
Utilizada para fresar engrenagens cilíndricas de dentes retos, helicoidais e sem-fim. Entrada única para precisão, entradas múltiplas para velocidade.
fresas para moldar engrenagens
Fresas em forma de disco, haste ou copo para conformação de engrenagens, especialmente engrenagens internas.
cortadores de desbaste
Estas peças são para usinagem interna de engrenagens anulares em máquinas EGB-sync.
Fresas de topo e cortadores de disco de forma
Essas ferramentas são para fresagem de 5 eixos de engrenagens helicoidais e cônicas, além de ferramentas para... fresagem de rosca.
Rebolos de CBN e óxido de alumínio
Os fabricantes utilizam essas ferramentas para retificação e acabamento de engrenagens.
Materiais e Revestimentos
O HSS-E realiza a maioria das operações de fresagem úmida em aços-liga padrão. O metal duro opera a uma velocidade três vezes maior que a da superfície — 180–250 m/min a seco — e gera menos calor na peça.
A escolha do revestimento é mais importante do que a maioria dos engenheiros imagina:
- TiN (para fins gerais)
- TiAlN (para fresagem a seco)
- AlCrN (para ligas de alta temperatura)
Materiais para usinagem de engrenagens
| Material | Uso típico | Tratamento térmico |
| AISI 4140 | Caixas de engrenagens, máquinas | Q&T ou nitretação |
| AISI 8620 | Automotivo, aeroespacial | Carburizar até 58–62 HRC |
| Aço inoxidável 17-4PH | Marinha, médica, alimentar | H900 |
| Bronze C93200 | Rodas sem-fim | nenhum |
| Acetal / Delrin | Uso leve, consumidor | nenhum |
Engrenagens de Aço
O aço AISI 8620 é uma boa opção para engrenagens cementadas nas indústrias automotiva e aeroespacial. A cementação com dureza de 58–62 HRC proporciona uma superfície dura e resistente ao desgaste sobre um núcleo robusto que suporta cargas de impacto. O aço AISI 4140 é indicado para engrenagens nitretadas. Para aplicações que exigem alta resistência, ligas de titânio também são uma opção.
Nota: Para peças forjadas, a barra de teste de certificação nem sempre reflete a dureza em toda a extensão da peça..
Metais não ferrosos e polímeros
O bronze é o material padrão para engrenagens helicoidais porque funciona em contato com os parafusos de aço sem sofrer desgaste por atrito. O latão é uma boa opção para peças pequenas. Aliás, os plásticos de engenharia proporcionam baixo ruído e não necessitam de lubrificação.
Processo de fabricação de engrenagens personalizadas
Preparação de engrenagem em branco
O primeiro passo é começar com um bloco forjado, pois blocos forjados são melhores para engrenagens de alta tensão. Em seguida, torneia-se o bloco até o diâmetro de referência, furo e face. Esta etapa é mais importante do que se imagina.
Por exemplo, uma excentricidade não intencional na peça bruta nesta fase se propaga diretamente para a excentricidade do círculo primitivo da engrenagem finalizada. Portanto, fixe a peça bruta com uma tolerância de 0.005 mm TIR no eixo de torneamento, e não 0.015 mm.
Corte de engrenagens CNC
Você escolhe o método de corte com base no tipo de engrenagem e no volume de produção. Uma verificação de configuração que quase nunca é incluída em uma folha de processo: verifique o alinhamento axial da fresa com uma tolerância de 0.002–0.003 mm TIR no eixo de corte durante a operação, e não apenas no início.
A expansão térmica durante uma operação de duas horas pode deslocar a fresa em 0.005 mm. Esse deslocamento causa uma carga maior em um dos flancos do dente, e a engrenagem passará na inspeção dimensional, mas falhará em campo. Operadores de máquinas experientes fazem essa verificação sem que ninguém precise pedir. Leva apenas 30 segundos.
Tratamento térmico
Para engrenagens cementadas de aço 8620, o processo é: cementação gasosa a 900–950 °C, têmpera e revenido para dureza de 58–62 HRC. O número importante a considerar no planejamento é que o tratamento térmico geralmente distorce a engrenagem o suficiente para alterar o desvio primitivo em 0.02–0.05 mm.
Retificação e acabamento de engrenagens
Retificação de perfis Corrige a distorção resultante do tratamento térmico e leva a engrenagem ao seu nível final de precisão. Após a retificação, o brunimento ou lapidação da engrenagem remove a rugosidade final. Por exemplo, Ra abaixo de 0.4 µm e produz o padrão de contato mais uniforme entre os dentes.
Inspeção e Controle de Qualidade
Uma inspeção completa requer um centro de medição de engrenagens CNC — Klingelnberg, Mahr ou Wenzel. Ele mede:
- Desvio de perfil
- Desvio de liderança
- Erro de tom
- Erro composto radial total
Uma máquina de medição por coordenadas (CMM) não substitui essa função. Pelo menos não neste caso.
Em engrenagens de produção cementadas 8620 com deslocamento da fresa e temperatura do fluido de corte controlados, o erro radial composto total inferior a 0.015 mm é rotineiro. A maioria das fichas técnicas dos fornecedores cita 0.025–0.035 mm como limite prático. Isso demonstra que a diferença reside na disciplina do processo, e não na capacidade da máquina.
Tolerâncias e Padrões de Qualidade
Tanto a AGMA quanto a ISO definem graus de qualidade para engrenagens, mas seguem direções opostas. AGMA passa do 3º para o 15º trimestre.Números mais altos significam melhor qualidade.
A norma ISO/DIN vai do Grau 3 ao Grau 12. Números mais baixos indicam melhor qualidade.
Parâmetros de precisão
Para desenhar um diagrama completo de engrenagens, você precisa entender três parâmetros:
- Desvio de perfil
- Desvio de liderança
- Erro composto radial total
A tabela de tolerância abaixo mostra as estatísticas completas:
| Processo | Grau ISO | Equivalente AGMA | Excentricidade (mm) | Ra da superfície (µm) |
| Fresagem CNC | DIN 6–8 | 8º-T10 | ± 0.020 | 1.6-3.2 |
| fresagem de 5 eixos | DIN 6–7 | 9º-T10 | ± 0.015 | 1.6-3.2 |
| Forma de engrenagem | DIN 7–9 | 7º-T9 | ± 0.025 | 1.6-3.2 |
| Deslizamento de engrenagens | DIN 6–7 | 9º-T10 | ± 0.012 | 0.8-1.6 |
| Moagem de engrenagens | DIN 3–5 | 11º-T13 | ± 0.005 | 0.4-0.8 |
| Brunimento/lapidação | DIN 3–4 | 12º-T13 | ± 0.003 | 0.2-0.4 |
Estudo de caso: Engrenagem cilíndrica composta para transmissão de serviço pesado
Esta era uma engrenagem cilíndrica composta para uma caixa de transmissão de serviço pesado. Eram duas engrenagens com módulos diferentes, usinadas no mesmo eixo e operando em uma única carcaça. Era feita de aço-liga 20CrMnTi, um aço padrão chinês, comparável ao AISI 8620, que apresenta boa cementação e têmpera sob condições de alta carga e alto desgaste.
A ordem de usinagem foi: tornear até a referência, fresar as peças individuais da engrenagem, cortar a estria interna e realizar o tratamento térmico.
Primeiro: Como ambas as seções de engrenagem compartilham o mesmo eixo, elas precisam permanecer concêntricas entre si. Qualquer desalinhamento entre as duas seções causa ruído de engrenamento em ambas as engrenagens simultaneamente.
Segundo: O tratamento térmico distorceu a peça. Tanto o perfil dos dentes quanto o desalinhamento geral ficaram fora da tolerância após a cementação e têmpera.
SoluçãoAssim, a correção resolveu ambos os problemas simultaneamente. FastPreci Antes do tratamento térmico, deixamos material extra nas faces do furo e da referência e, após a têmpera, realizamos o torneamento de acabamento dessas superfícies para restabelecer a referência. O deslocamento da fresa de engrenagem para cada seção foi ajustado para compensar a direção de distorção esperada. Após o tratamento térmico, retificamos levemente as superfícies importantes onde o equipamento de medição se posiciona.
Em resultadoO desvio total ficou dentro de 0.015 mm em ambas as seções da engrenagem. Ambas as engrenagens engrenam suavemente sem necessidade de ajuste. O ruído nos testes de montagem ficou abaixo do limite exigido pelo cliente.
Como escolher um fabricante de engrenagens personalizadas
Lista de verificação de equipamentos
Antes de enviar um desenho, verifique se o fornecedor possui as máquinas adequadas para o seu trabalho:
- Centros de fresagem CNC com sincronização EGB
- Centros de usinagem de 5 eixos
- máquinas de retificação de engrenagens CNC
- Centro de medição de engrenagens CNC
Certificações
A norma ISO 9001:2015 é o requisito mínimo para um sistema de gestão da qualidade.
- Para a cadeia de suprimentos automotiva, você precisa da norma IATF 16949.
- Para o setor aeroespacial, AS9100 Rev D.
Você deverá confirmar se os procedimentos de inspeção do fornecedor estão em conformidade com a norma ISO 1328-1:2013. Além disso, solicite um relatório de inspeção completo referente a um lote de produção recente e comparável, com valores de medição reais.
Capacidade: Prototipagem vs. Produção
Um bom fabricante de equipamentos personalizados consegue lidar tanto com protótipos em estágio inicial quanto com a produção em larga escala, utilizando o mesmo equipamento. Pergunte se eles oferecem revisão de DFM (Design for Manufacturing) antes da finalização dos desenhos.
Conclusão
O corte de engrenagens CNC não é um processo único. Inclui a fresagem por engrenagem motora para a maioria das engrenagens externas em grande volume, a fresagem de 5 eixos para trabalhos helicoidais de média produção em materiais resistentes, a conformação e o corte por deslizamento para engrenagens internas e a retificação.
Para engenheiros de projeto: inclua a variação de inclinação no seu desenho e pergunte ao fabricante quais modificações de perfil ele recomenda antes de finalizar o projeto.
Para os gerentes de compras: o preço da engrenagem não é o custo final. Avalie os fornecedores com base na documentação de controle de processos, nos equipamentos de medição de engrenagens e na forma como lidam com problemas durante a produção.
Ambas as decisões se resumem à mesma coisa: trabalhar com um fabricante que tenha o equipamento, a disciplina de processo e a experiência para lhe dizer o que o desenho não mostra.
Envie seu desenho e dados de velocidade. Para a FastPreci. Analisaremos o plano, sinalizaremos quaisquer recomendações de modificação de processo ou perfil e enviaremos um orçamento com um plano de controle de processo completo.
Perguntas frequentes
O que são engrenagens de dentes retos?
Engrenagens de dentes retos são engrenagens cilíndricas de dentes retos. Seus dentes são paralelos ao eixo. Não apresentam carga axial de empuxo, possuem geometria simples e o menor custo de produção.
Qual é o método de corte de engrenagens CNC mais comum?
Usinagem por fresa de engrenagens. Processa engrenagens cilíndricas de dentes retos e helicoidais externas em volumes médios a altos, de forma mais rápida e econômica do que qualquer outro método.
É possível fresar engrenagens internas por meio de fresa?
Não. A fresa precisa de espaço livre para ultrapassar a peça bruta no final de cada passada de corte. A geometria da engrenagem interna não proporciona essa folga.
Qual a tolerância que o corte de engrenagens CNC pode alcançar?
Um erro radial composto total inferior a 0.015 mm é alcançável com o deslocamento adequado da fresa e o controle da temperatura do fluido de corte. As fichas técnicas da indústria geralmente citam 0.025–0.035 mm como o limite prático. A retificação de engrenagens reduz a excentricidade para ±0.005 mm. O brunimento ou lapidação atingem ±0.003 mm e Ra abaixo de 0.4 µm.
Quando é necessário retificar as engrenagens?
Duas situações principais. Primeira: a engrenagem foi cementada e a distorção resultante do tratamento térmico precisa ser corrigida. Segunda: a aplicação opera acima de aproximadamente 5,000 RPM. Nessa velocidade, ruído, vibração e vida útil à fadiga exigem um grau ISO 5 ou superior.
