Mecanizado de ejes: material, tratamiento térmico, solución.

El eje es un componente fundamental de la maquinaria. Está conectado al bastidor mediante cojinetes, y los componentes montados sobre él realizan un movimiento giratorio alrededor de su eje central. En conjunto, estos elementos forman un conjunto de eje.

Descripción general de los ejes

Un eje es un componente giratorio de cualquier máquina, caracterizado por una sección transversal circular, que se utiliza para transmitir potencia de una parte a otra o de una fuente de energía a un consumidor. Para facilitar esta transmisión de potencia, un extremo del eje se acopla al motor, mientras que el otro se conecta a la máquina. Los ejes pueden ser macizos o huecos, según la aplicación; los ejes huecos ofrecen la ventaja de reducir el peso. Como elemento mecánico fundamental, los ejes soportan componentes giratorios como poleas y engranajes. Generalmente, se apoyan en cojinetes dentro de una carcasa rígida, lo que permite que los engranajes y las poleas transmitan el movimiento de forma eficaz.

Muchos otros elementos giratorios se montan en el eje mediante chavetas. En consecuencia, los ejes están sometidos tanto a momentos flectores como a pares torsores debido a las fuerzas de reacción de los componentes soportados y al par generado durante la transmisión de potencia.

Según el tipo de carga, los pozos se clasifican en los siguientes tres tipos:

• Eje del husillo: Un eje que solo soporta momentos de flexión sin torsión. Los ejes del husillo se pueden dividir a su vez en ejes de husillo giratorios y ejes de husillo no giratorios.
• Eje de transmisión: Un eje que solo transmite par sin soportar momentos flectores significativos, o cuyos momentos flectores son insignificantes. Por ejemplo, el eje que conecta la caja de cambios con el eje trasero de un automóvil.
• Eje de transmisión: Un eje que soporta tanto momentos flectores como pares de torsión, como los ejes de los reductores. Un ejemplo es el eje de transmisión que conecta la caja de cambios de un automóvil con el eje trasero.

Según su forma, los ejes se pueden clasificar en varios tipos. La siguiente tabla muestra los diferentes tipos de ejes según su forma y diseño.

Precisión de mecanizado de ejes

Las superficies de los componentes del eje generalmente se dividen en muñones de soporte y muñones de acoplamiento.

• Soportes: Estos se ajustan al anillo interior de un cojinete para posicionar y soportar el eje. Requieren una alta tolerancia dimensional, generalmente IT5–IT7.
• Cojinetes de acoplamiento: Estos interactúan con diversos componentes de transmisión. Sus requisitos de tolerancia suelen ser más bajos, normalmente IT6–IT9.

Precisión geométricaSe refiere principalmente a la redondez y cilindricidad de superficies críticas como las superficies de apoyo, los conos externos y los orificios cónicos. Los errores generalmente deben mantenerse dentro de la zona de tolerancia dimensional. Para ejes de precisión, las tolerancias geométricas deben definirse específicamente en los planos técnicos.

Precisión posicional: Incluye la coaxialidad de las superficies internas y externas, la desviación radial, la perpendicularidad de las caras extremas críticas con respecto al eje y el paralelismo entre las caras extremas.

Rugosidad de la superficieTodas las superficies mecanizadas tienen requisitos de rugosidad específicos determinados por la viabilidad del proceso y la rentabilidad. Los muñones de soporte suelen requerir una rugosidad Ra de 0.2 a 1.6 μm, mientras que los muñones de acoplamiento para componentes de transmisión requieren una rugosidad Ra de 0.4 a 3.2 μm.

Materiales para ejes

Los ejes se fabrican principalmente con acero al carbono y acero aleado. El acero al carbono 1045 es la opción más común, y generalmente requiere normalización o temple y revenido (Q&T) para mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros aleados ofrecen propiedades mecánicas y un rendimiento de tratamiento térmico superiores en comparación con el acero al carbono, pero son más sensibles a las concentraciones de tensión y tienen un costo mayor. Por lo tanto, se reservan para aplicaciones de alta velocidad, uso intensivo o condiciones especiales (por ejemplo, resistencia al desgaste, entornos de alta/baja temperatura). Cabe destacar que, dado que el módulo de elasticidad del acero aleado y del acero al carbono es prácticamente idéntico a temperatura ambiente, reemplazar el acero al carbono por acero aleado no aumentará significativamente la rigidez del eje.

Para ejes que soportan cargas pesadas o que requieren alta resistencia, un diseño compacto o una mayor resistencia al desgaste, se utilizan aceros aleados como el 5140, el 5120 o el 9255. Debido a que el acero aleado es muy sensible a las concentraciones de tensión, el diseño estructural debe minimizar estos efectos. Un tratamiento térmico adecuado es indispensable para aprovechar al máximo las propiedades del material.

Los ejes en bruto se fabrican a partir de barras redondas laminadas en caliente o piezas forjadas. Para formas complejas como cigüeñales y árboles de levas, se puede utilizar acero fundido o hierro dúctil; este último ofrece una excelente amortiguación de vibraciones, baja sensibilidad a la concentración de tensiones y rentabilidad.

Tratamiento térmico del eje

Los aceros de carbono medio y los aceros aleados de carbono medio (por ejemplo, 1035, 1040, 1045, 1050, 5140, 3140 o 1541) son opciones estándar. Estos suelen someterse a normalizado o tratamiento térmico. Si se requiere una alta resistencia al desgaste en el muñón, se puede aplicar un endurecimiento superficial.

La selección del material depende del tipo de carga, las dimensiones de la pieza y la templabilidad. Para ejes sometidos a cargas de flexión y torsión, donde la tensión disminuye desde la superficie hacia el centro, no se requiere estrictamente una alta templabilidad. Sin embargo, para ejes sometidos a tracción o compresión, donde la tensión es uniforme en toda la sección transversal, es necesario un acero de alta templabilidad.

Para cargas de alto impacto o requisitos de extrema tenacidad y resistencia al desgaste, se utilizan aceros aleados carburizantes como el 5120 o el 4320, seguidos de carburización, temple y revenido a baja temperatura. Para ejes de baja importancia con cargas mínimas, se pueden utilizar aceros al carbono de uso general como el 1015 y el 1025.

En la figura se muestra el tratamiento térmico en el mecanizado de ejes.

1. Normalización o recocido: Se prepara antes del mecanizado para refinar el grano, eliminar las tensiones de forjado y mejorar la maquinabilidad.
2. Temple y revenido (Q&T): Generalmente se realiza después del torneado en bruto pero antes del torneado de semiacabado para lograr propiedades mecánicas generales óptimas.
3. Endurecimiento superficial: Se realiza antes del acabado final para permitir la corrección de cualquier deformación inducida por el temple.
4. Envejecimiento a baja temperatura: Necesario para ejes de alta precisión después de un temple localizado o un rectificado basto.

Selección de sistemas de referencia de posicionamiento

El punto de referencia habitual para el posicionamiento de las piezas del eje son los dos orificios centrales. Dado que la coaxialidad y la perpendicularidad son los requisitos de precisión principales, el punto de referencia de diseño suele ser el eje central.

Sin embargo, no se pueden utilizar los orificios centrales si:

• El mecanizado en bruto requiere una mayor rigidez, en cuyo caso se utiliza la superficie del diámetro exterior.
• El eje es hueco con un orificio pasante.

Métodos para ejes huecos:

1. Agujeros pequeños: Biselar un cono interno de 60° (ancho ≤ 2 mm) en la abertura del agujero.
2. Agujeros cilíndricos: Utilice un tapón cónico (conicidad 1:500).
3. Agujeros cónicos grandes: utilice un mandril con un tapón cónico.

Rutas de procesos de mecanizado

El mecanizado se centra en las superficies cilíndricas externas de los muñones. El proceso se diseña en torno a la secuencia de mecanizado del diámetro exterior, intercalando elementos secundarios como roscas, estrías y chaveteros.

(1) Ejes de acero carburizado

Preparación del material → Forjado → Normalizado → Perforación de agujeros centrales → Torneado en bruto → Torneado semiacabado/acabado → Carburización → Temple y revenido a baja temperatura → Rectificado en bruto → Mecanizado de características secundarias → Rectificado de acabado.

(2) Ejes de acero Q&T de precisión estándar

Preparación del material → Forjado → Normalizado (Recocido) → Perforación de agujeros centrales → Torneado en bruto → Tratamiento térmico y templado → Torneado de semiacabado/acabado → Endurecimiento y revenido de la superficie → Rectificado en bruto → Mecanizado de características secundarias → Rectificado de acabado.

(3) Ejes de acero nitrurado

Preparación del material → Forjado → Normalizado (Recocido) → Perforación de agujeros centrales → Torneado en bruto → Tratamiento térmico → Torneado semiacabado/acabado → Envejecimiento a baja temperatura → Rectificado en bruto → Nitruración → Mecanizado de características secundarias → Rectificado de acabado → Pulido/Lapeado.

Ejemplo de mecanizado: Eje escalonado

Este componente es un eje escalonado que consta de superficies cilíndricas, hombros del eje, roscas y una sección de cabeza cuadrada.

(1) Fabricación de materiales y piezas en bruto

El eje está fabricado en acero 45 (equivalente a AISI 1045). Si bien el volumen de producción es reducido, el diámetro de los muñones varía considerablemente (desde un máximo de ø50 mm hasta un mínimo de ø13 mm). Para optimizar el aprovechamiento del material, se utiliza una pieza forjada como preforma, seguida de un tratamiento de normalizado.

(2) Requisitos técnicos

Precisión dimensional: El muñón de ø25 mm debe cumplir con una tolerancia IT7. La rugosidad superficial especificada es Ra 0.8 μm. Tomando como referencia el hombro de ø50 mm, la tolerancia de perpendicularidad del eje de ø25 mm es de 0.02 mm, y la tolerancia de paralelismo entre las dos caras extremas del hombro es de 0.02 mm.

(3) Puntos de referencia de posicionamiento

Para garantizar la coaxialidad de los distintos muñones, los orificios centrales de ambos extremos se utilizan como referencia de precisión. Esta referencia de posicionamiento se mantiene constante durante los procesos de torneado, fresado y rectificado para minimizar los errores de ajuste.

(4) Métodos de mecanizado

Dado que el eje se compone principalmente de superficies de revolución, el torneado y el rectificado son los principales procesos de conformado. Debido a que las caras del muñón de ø25 mm y del hombro de ø50 mm requieren una alta precisión geométrica además de la precisión dimensional, el rectificado se realiza después del torneado. La secuencia de procesamiento para las superficies externas es: Torneado en desbaste → Torneado de semiacabado → Rectificado

(5) Ruta de mecanizado

Para componentes que requieren alta precisión, es necesario separar las etapas de desbaste y acabado para garantizar la calidad. El mecanizado de este eje se divide en tres etapas: torneado de desbaste, torneado de semiacabado y rectificado.

(6) Tratamiento térmico

La sección de ø25 mm × 35 mm y las superficies de la cabeza cuadrada requieren endurecimiento. Este proceso se realiza después del semiacabado y antes del rectificado final. El normalizado se lleva a cabo después del forjado de la pieza en bruto para aliviar las tensiones internas, refinar la estructura granular y mejorar la maquinabilidad.

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