Qual é o processo de fabricação de caixas de engrenagens forjadas?

O processo de fabricação para forjados de caixa de velocidades segue seis etapas principais: corte e aquecimento de tarugos, forjamento em desbaste, tratamento térmico, usinagem em desbaste, usinagem de acabamento de precisão e inspeção final. Os componentes forjados da caixa de engrenagens normalmente alcançam padrões de fluxo de grãos que seguem o contorno da peça , o que melhora significativamente a resistência à fadiga em comparação com componentes usinados diretamente em peças fundidas ou em barra. Este alinhamento de grãos é uma das principais razões pelas quais o forjamento é preferido em vez da fundição para peças de caixas de engrenagens de alta carga usadas em aplicações de máquinas marítimas, industriais e portuárias.

Cada etapa deste processo afeta diretamente as propriedades mecânicas da peça final, e pular ou apressar qualquer etapa, especialmente o tratamento térmico, pode comprometer a resistência e a durabilidade que o componente da caixa de engrenagens precisa para suportar o torque sustentado e a carga cíclica em serviço.

Seleção de matéria-prima e preparação de tarugos

O processo começa com a seleção de um tipo de aço apropriado com base na aplicação da caixa de engrenagens, normalmente aços-liga como 42CrMo4 ou tipos similares escolhidos por sua resistência e tenacidade após tratamento térmico. O tarugo bruto é inspecionado quanto a defeitos internos por meio de testes ultrassônicos antes de ser cortado no comprimento correto para o forjamento específico.

Principais verificações durante a preparação do material

• Verificação da composição química em relação ao tipo de aço especificado
• Teste ultrassônico para detectar vazios ou inclusões internas antes do forjamento
• Corte preciso do tarugo para minimizar o desperdício de material durante a etapa de forjamento

Qualquer defeito interno presente no tarugo bruto nesta fase será transferido para o forjamento acabado, portanto esta etapa de inspeção é tratada como um portão de qualidade obrigatório em vez de uma verificação opcional pela maioria das instalações de forjamento que seguem as práticas de gestão de qualidade ISO 9001.

Aquecimento e Forjamento Bruto

O tarugo é aquecido em um forno a uma faixa específica de temperatura de forjamento, normalmente entre 1.100 e 1.250 graus Celsius para componentes de caixa de engrenagens de liga de aço, dependendo do tipo exato de aço usado. A esta temperatura, o metal torna-se plástico o suficiente para ser moldado sem rachar, mas ainda frio o suficiente para evitar o crescimento excessivo de grãos.

Métodos comuns de forjamento usados para componentes de caixas de engrenagens

Durante o forjamento em matriz fechada, o tarugo aquecido é pressionado entre as matrizes moldadas de acordo com a geometria áspera da peça, forçando a estrutura interna do grão do metal a fluir ao longo dos contornos da peça em vez de ser cortado transversalmente, o que é a base mecânica para a melhoria da resistência à fadiga pela qual as peças forjadas são conhecidas.

Tratamento térmico para resistência e resistência

Após o forjamento, a peça passa por tratamento térmico controlado para atingir o equilíbrio necessário de dureza e tenacidade. Isso normalmente envolve a normalização para refinar a estrutura do grão, seguida de têmpera e revenimento para atingir as propriedades mecânicas desejadas especificadas para a aplicação da caixa de engrenagens.

Sequência típica de tratamento térmico

1. Normalização para aliviar tensões internas do processo de forjamento
2. Têmpera em óleo ou água para atingir o nível de dureza desejado
3. Têmpera para reduzir a fragilidade enquanto mantém a resistência
4. Testes de dureza para confirmar se a peça atende às especificações, geralmente na faixa de 220 a 280 HB para caixas de engrenagens forjadas

Acertar esse estágio é fundamental, pois a têmpera inadequada pode introduzir trincas ou tensão residual excessiva, enquanto a têmpera inadequada deixa a peça muito frágil para as condições de carga cíclica típicas da operação da caixa de engrenagens.

Usinagem Desbaste e Alívio de Tensão

Depois de tratado termicamente, o forjamento passa para a usinagem de desbaste, onde o excesso de material é removido para aproximar a peça de suas dimensões finais, deixando espaço para a usinagem de acabamento. Esta etapa geralmente inclui um tratamento adicional de alívio de tensão se material significativo tiver sido removido, uma vez que a própria usinagem pode introduzir novas tensões internas.

Deixando margem de usinagem adequada, normalmente de 3 a 5 mm em superfícies críticas , garante que qualquer descarbonetação superficial proveniente do tratamento térmico seja totalmente removida durante a usinagem de acabamento, preservando a dureza projetada do material até a superfície final.

Usinagem de acabamento de precisão

A usinagem de acabamento leva o forjamento da caixa de engrenagens às suas tolerâncias dimensionais finais, incluindo corte dos dentes da engrenagem quando aplicável, acabamento do assento do rolamento e retificação do munhão do eixo. Este estágio normalmente usa centros de usinagem CNC para atingir as tolerâncias rígidas que os componentes da caixa de engrenagens exigem para o encaixe adequado do rolamento e da engrenagem.

Dimensões críticas verificadas durante a usinagem de acabamento

• Diâmetros de furo e circularidade para superfícies de assentamento de rolamentos
• Precisão do perfil do dente da engrenagem para uma malha adequada com componentes correspondentes
• Qualidade de acabamento superficial em superfícies de contato resistentes
• Concentricidade geral entre eixos rotativos

Fabricantes produzindo forjados de caixa de velocidades , como aqueles fabricados pela Ace Process para aplicações em máquinas marítimas e portuárias, contam com equipamentos CNC de precisão neste estágio para manter tolerâncias adequadas para conjuntos de caixas de engrenagens marítimas de alta carga.

Inspeção Final e Teste de Qualidade

Antes de uma caixa de engrenagens forjada sair da fábrica, ela passa por uma rodada completa de inspeção para confirmar a precisão dimensional e a integridade interna do material. Isso normalmente inclui verificações dimensionais em relação ao desenho de engenharia, verificação de dureza e testes não destrutivos para confirmar a ausência de rachaduras ou vazios internos.

Somente as peças que passam por todas as etapas desta sequência de inspeção são liberadas para envio, uma vez que os componentes da caixa de engrenagens operam sob cargas cíclicas sustentadas, onde mesmo uma pequena falha interna pode levar à falha prematura por fadiga em serviço.

Por que o forjamento supera a fundição para componentes de caixas de engrenagens

Os componentes fundidos da caixa de engrenagens podem ser produzidos mais rapidamente e com menor custo inicial, mas geralmente não conseguem igualar a resistência à fadiga de uma peça adequadamente forjada. A fundição produz uma estrutura interna de grãos mais aleatória, enquanto o forjamento alinha o fluxo dos grãos ao longo dos caminhos de tensão que a peça experimentará durante a operação.

Para aplicações de caixas de engrenagens em máquinas marítimas e portuárias, onde os componentes enfrentam inversões constantes de torque e cargas cíclicas pesadas, essa diferença na vida útil à fadiga torna as peças forjadas a escolha padrão para componentes críticos do sistema de transmissão, mesmo com um custo inicial de fabricação mais alto.