Usinagem de eixos: material, tratamento térmico, solução

O eixo é um componente crítico das máquinas. Ele é conectado à estrutura por meio de rolamentos, e os componentes montados nele realizam movimento rotativo em torno do eixo central. Juntos, esses elementos formam um conjunto de eixo.

Visão geral dos eixos

Um eixo é um componente rotativo de qualquer máquina, caracterizado por uma seção transversal circular, usado para transmitir energia de uma parte para outra ou de uma fonte de energia para um consumidor de energia. Para facilitar essa transmissão de energia, uma extremidade do eixo é acoplada ao acionador, enquanto a outra é conectada à máquina. Os eixos podem ser maciços ou ocos, dependendo da aplicação; eixos ocos são vantajosos para redução de peso. Como um elemento mecânico crítico, os eixos suportam componentes rotativos, como polias e engrenagens. Eles são normalmente suportados por mancais dentro de uma carcaça rígida, permitindo que engrenagens e polias transmitam o movimento de forma eficaz.

Muitos outros elementos rotativos são montados no eixo por meio de chavetas. Consequentemente, os eixos são submetidos tanto a momentos fletores quanto a torque devido às forças de reação dos componentes suportados e ao torque gerado durante a transmissão de potência.

De acordo com o tipo de carregamento, os eixos são classificados nos três tipos seguintes:

• Eixo do fuso: Um eixo que suporta apenas momentos de flexão, sem torque. Os eixos do fuso podem ser divididos em eixos de fuso rotativos e eixos de fuso não rotativos.
• Eixo de transmissão: um eixo que transmite apenas torque sem sofrer momentos de flexão significativos, ou cujos momentos de flexão são desprezíveis. Por exemplo, o eixo que conecta a caixa de câmbio ao eixo traseiro de um automóvel.
• Eixo de transmissão: um eixo que suporta tanto momentos de flexão quanto torque, como os eixos em redutores. Um exemplo é o eixo de transmissão que conecta a caixa de câmbio de um automóvel ao eixo traseiro.

Com base no formato, os eixos podem ser classificados em diversos tipos. A tabela abaixo mostra os diferentes tipos de eixos de acordo com seu formato e design.

Precisão de usinagem de eixos

As superfícies dos componentes do eixo são geralmente divididas em mancais de apoio e mancais correspondentes.

• Mancais de apoio: Estes encaixam-se no anel interno de um rolamento para posicionar e suportar o eixo. Requerem alta tolerância dimensional, tipicamente IT5–IT7.
• Mancais de acoplamento: Estes fazem a interface com vários componentes de transmissão. Seus requisitos de tolerância são geralmente menores, tipicamente IT6–IT9.

Precisão geométricaRefere-se principalmente à circularidade e cilindricidade de superfícies críticas, como superfícies de mancais, cones externos e furos cônicos. Os erros devem, em geral, ser limitados à zona de tolerância dimensional. Para eixos de precisão, as tolerâncias geométricas devem ser definidas especificamente nos desenhos técnicos.

Precisão posicional: Inclui a coaxialidade das superfícies internas e externas, o desvio radial, a perpendicularidade das faces extremas críticas em relação ao eixo e o paralelismo entre as faces extremas.

Rigidez da superfícieTodas as superfícies usinadas possuem requisitos específicos de rugosidade, determinados pela viabilidade e custo-benefício do processo. Os mancais de apoio normalmente requerem Ra de 0.2 a 1.6 μm, enquanto os mancais correspondentes para componentes de transmissão requerem Ra de 0.4 a 3.2 μm.

Materiais para Eixos

Os eixos são fabricados principalmente em aço carbono e aço liga. O aço carbono 1045 é a escolha mais comum, geralmente exigindo normalização ou têmpera e revenido (T&R) para melhorar as propriedades mecânicas. Os aços liga oferecem propriedades mecânicas e desempenho em tratamento térmico superiores em comparação ao aço carbono, mas são mais sensíveis à concentração de tensões e têm um custo mais elevado. Portanto, são reservados para aplicações de alta velocidade, serviço pesado ou condições especiais (por exemplo, resistência ao desgaste, ambientes de alta/baixa temperatura). Observe que, como o módulo de elasticidade do aço liga e do aço carbono é quase idêntico à temperatura ambiente, a substituição do aço carbono pelo aço liga não aumentará significativamente a rigidez do eixo.

Para eixos que suportam cargas pesadas ou que exigem alta resistência, design compacto ou melhor resistência ao desgaste, são utilizados aços-liga como o 5140, 5120 ou 9255. Como o aço-liga é altamente sensível à concentração de tensões, o projeto estrutural deve minimizar esses efeitos. O tratamento térmico adequado é imprescindível para aproveitar ao máximo as propriedades do material.

Os eixos brutos são produzidos a partir de barras redondas laminadas a quente ou forjadas. Para formatos complexos, como virabrequins e eixos de comando, podem ser utilizados aço fundido ou ferro fundido nodular, sendo este último excelente para amortecimento de vibrações, baixa sensibilidade à concentração de tensões e custo-benefício.

Tratamento térmico do eixo

Aços de médio carbono e aços-liga de médio carbono (por exemplo, 1035, 1040, 1045, 1050, 5140, 3140 ou 1541) são opções padrão. Normalmente, esses aços passam por processos de normalização ou têmpera e revenimento. Caso seja necessária alta resistência ao desgaste no mancal, pode-se aplicar endurecimento superficial.

A seleção do material depende do tipo de carga, das dimensões da peça e da temperabilidade. Para eixos submetidos a cargas de flexão e torção, onde a tensão diminui da superfície para o centro, uma alta temperabilidade não é estritamente necessária. No entanto, para eixos submetidos a tração ou compressão, onde a tensão é uniforme em toda a seção transversal, o aço de alta temperabilidade é imprescindível.

Para cargas de alto impacto ou requisitos de extrema tenacidade e resistência ao desgaste, são utilizados aços-liga para cementação, como o 5120 ou o 4320, seguidos por cementação, têmpera e revenido a baixa temperatura. Eixos de baixa importância com cargas mínimas podem utilizar aços-carbono de uso geral, como o 1015 e o 1025.

O tratamento térmico na usinagem de eixos é mostrado na figura.

1. Normalização ou recozimentoPreparado antes da usinagem para refinar os grãos, eliminar a tensão de forjamento e melhorar a usinabilidade.
2. Têmpera e revenido (Q&T): Geralmente realizado após o torneamento de desbaste, mas antes do torneamento de semiacabamento, para obter propriedades mecânicas ótimas em todos os aspectos.
3. Endurecimento superficial: Realizado antes do acabamento final para permitir a correção de qualquer deformação induzida pelo resfriamento rápido.
4. Envelhecimento a baixa temperatura: Necessário para eixos de alta precisão após têmpera localizada ou retificação grosseira.

Seleção de Referências de Posicionamento

O ponto de referência comum para o posicionamento de peças de eixos são os dois furos centrais. Como a coaxialidade e a perpendicularidade são os principais requisitos de precisão, o ponto de referência de projeto geralmente é a linha de centro do eixo.

No entanto, os furos centrais não podem ser usados ​​se:

• O desbaste requer maior rigidez, caso em que se utiliza a superfície do diâmetro externo.
• O eixo é oco e possui um furo passante.

Métodos para eixos ocos:

1. Furos pequenos: Chanfre um cone interno de 60° (largura ≤ 2 mm) na abertura do furo.
2. Furos cilíndricos: Utilize um tampão cônico (cone 1:500).
3. Furos cônicos grandes: Use um mandril com um plugue cônico.

Rotas do Processo de Usinagem

O foco da usinagem são as superfícies cilíndricas externas dos mancais. O processo é projetado em torno da sequência de usinagem do diâmetro externo, com elementos secundários como roscas, estrias e chavetas intercalados.

(1) Eixos de aço cementado

Preparação do material → Forjamento → Normalização → Furação de furos centrais → Torneamento de desbaste → Torneamento semiacabado/acabado → Cementação → Têmpera e revenido a baixa temperatura → Retificação de desbaste → Usinagem de características secundárias → Retificação de acabamento.

(2) Eixos de aço Q&T de precisão padrão

Preparação do material → Forjamento → Normalização (Recozimento) → Furação de furos centrais → Torneamento de desbaste → Qualificação e revenimento → Torneamento semiacabado/acabado → Endurecimento e revenimento superficial → Retificação de desbaste → Usinagem de características secundárias → Retificação de acabamento.

(3) Eixos de aço nitretado

Preparação do material → Forjamento → Normalização (Recozimento) → Furação de furos centrais → Torneamento de desbaste → Qualificação e revenimento → Torneamento de semiacabamento/acabamento → Envelhecimento a baixa temperatura → Retificação de desbaste → Nitretação → Usinagem de características secundárias → Retificação de acabamento → Lapidação/Polimento.

Exemplo de usinagem: Eixo escalonado

Este componente é um eixo escalonado constituído por superfícies cilíndricas, ressaltos no eixo, roscas e uma seção transversal de cabeça quadrada.

(1) Fabricação de materiais e blanks

O eixo é feito de aço 45 (equivalente ao AISI 1045). Embora o volume de produção seja pequeno, o diâmetro dos munhões varia significativamente (variando de um máximo de ø50 mm a um mínimo de ø13 mm). Para otimizar o aproveitamento do material, utiliza-se um forjado como matéria-prima, seguido de um tratamento de normalização.

(2) Requisitos técnicos

Precisão Dimensional: O munhão de ø25mm deve atender à classe de tolerância IT7. A rugosidade superficial especificada é de Ra 0.8μm. Utilizando o ombro de ø50mm como referência, a tolerância de perpendicularidade do eixo de ø25mm é de 0.02mm e a tolerância de paralelismo entre as duas faces extremas do ombro é de 0.02mm.

(3) Datums de posicionamento

Para garantir a coaxialidade dos diversos mancais, os furos centrais em ambas as extremidades são usados ​​como referência de precisão. Essa referência de posicionamento permanece consistente durante os processos de torneamento, fresamento e retificação para minimizar erros de preparação.

(4) Métodos de usinagem

Como o eixo consiste principalmente em superfícies de revolução, o torneamento e a retificação são os principais processos de conformação. Como o munhão de ø25 mm e as faces do ombro de ø50 mm exigem alta precisão geométrica, além da precisão dimensional, a retificação é realizada após o torneamento. A sequência de processamento para as superfícies externas é: Torneamento de desbaste → Torneamento de semiacabamento → Retificação

(5) Rota de usinagem

Para componentes com requisitos de alta precisão, as etapas de desbaste e acabamento devem ser separadas para garantir a qualidade. A usinagem deste eixo é dividida em três etapas: torneamento de desbaste, torneamento de semiacabamento e retificação.

(6) Tratamento térmico

A seção de ø25mm × 35mm e as superfícies da cabeça quadrada requerem têmpera. Esta etapa é programada após o semiacabamento e antes do processo de retificação final. A normalização é realizada após a forja do tarugo para aliviar tensões internas, refinar a estrutura granular e melhorar a usinabilidade.

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