01Visão geral
Um acionamento por engrenagem helicoidal consiste em um
sem-fim e uma roda sem-fim, usada para transmitir movimento e potência entre eixos que se cruzam, geralmente com um ângulo de interseção de 90 graus. Em acionamentos de engrenagem helicoidal em geral, o sem-fim é o componente de acionamento.
Na aparência, o sem-fim se assemelha a um parafuso, enquanto a roda sem-fim é muito semelhante a uma engrenagem cilíndrica helicoidal.
Durante a operação, os dentes da roda sem-fim deslizam e rolam ao longo da superfície helicoidal do sem-fim.
Uma rosca sem-fim é uma engrenagem com um ou mais dentes helicoidais que se encaixam em uma roda sem-fim para formar um par de engrenagens de eixo-cruzado. Sua superfície de passo pode ser cilíndrica, cônica ou toroidal.
Existem quatro tipos: verme de Arquimedes, verme involuto, verme de perfil reto normal e verme cilíndrico de envelope cônico.
Assim como os threads, os worms são divididos em tipos de mão-direita e esquerda-, chamados worms-destros e worms{3}}esquerdos, respectivamente.
Para melhorar o contato entre os dentes, a roda sem-fim é feita em forma de arco ao longo da direção da largura do dente, de modo que envolva parcialmente o sem-fim. Isso resulta em contato linear entre o sem-fim e a roda sem-fim durante a malha, em vez de contato pontual.
02Vantagens das engrenagens helicoidais
✦ Grande taxa de transmissão-de estágio único, geralmente i=10~100. Nos mecanismos de indexação para transmissão de energia, pode chegar a mais de 1.500.
✦ A malha é de contato em linha, permitindo suportar maior potência.
✦ Estrutura compacta, transmissão suave e baixo ruído.
✦ Quando o ângulo de ataque do sem-fim é menor que o ângulo de atrito equivalente entre as engrenagens, ele possui propriedades de travamento automático na direção reversa, o que significa que o sem-fim pode acionar a roda sem-fim, mas a roda sem-fim não pode acionar o sem-fim.
03Desvantagens das engrenagens helicoidais
✦ Como os dois eixos são perpendiculares e as velocidades das linhas nodais das duas engrenagens são perpendiculares, a velocidade de deslizamento relativa é muito alta, levando à geração de calor e ao desgaste.
✦ Baixa eficiência, geralmente 0,7 ~ 0,8; engrenagens helicoidais com propriedades de{2}travamento automático têm eficiência ainda menor, geralmente inferior a 0,5.
04Fórmulas de cálculo para engrenagens helicoidais e sem-fim
1. Taxa de transmissão=Número de dentes da engrenagem sem-fim ÷ Número de roscas sem-fim
2. Distância central=(diâmetro do passo da engrenagem sem-fim + diâmetro do passo do sem-fim) ÷ 2
3. Diâmetro externo da engrenagem helicoidal=(Número de dentes + 2) × Módulo
4. Diâmetro do passo da engrenagem sem-fim=Módulo × Número de dentes
5. Diâmetro do passo do sem-fim=Diâmetro externo do sem-fim - 2 × Módulo
6. Worm Lead=π × Módulo × Número de Threads
7. Ângulo de hélice (ângulo de ataque) tgB=(Módulo × Número de roscas) ÷ Diâmetro do passo do sem-fim
8. Worm Lead=π × Módulo × Número de Threads
9. Módulo=Diâmetro do círculo primitivo / Número de dentes
Número de roscas sem-fim: rosca sem-fim-única (apenas uma linha helicoidal no sem-fim, o que significa que o sem-fim gira uma revolução e a engrenagem sem-fim gira um dente); Sem-fim-de rosca dupla (duas linhas helicoidais no sem-fim, o que significa que o sem-fim gira uma revolução e a engrenagem sem-fim gira dois dentes).
O módulo refere-se ao tamanho da linha helicoidal do parafuso; quanto maior o módulo, maior será a linha helicoidal no parafuso.
O coeficiente de diâmetro refere-se à espessura do parafuso.
Módulo: O círculo primitivo de uma engrenagem é a base para projetar e calcular as dimensões de várias partes da engrenagem. A circunferência do círculo primitivo da engrenagem=πd=zp, então o diâmetro do círculo primitivo é
d = z p/π
Como π é um número irracional na fórmula acima, é inconveniente usá-lo como referência para posicionar o círculo primitivo. Para facilitar o cálculo, a fabricação e a inspeção, a razão p/π é definida artificialmente como alguns valores simples, e essa razão é chamada de módulo, representado por m.
05Tipos de engrenagens helicoidais
De acordo com o formato do sem-fim, os acionamentos de engrenagem helicoidal podem ser divididos em acionamentos de engrenagem helicoidal cilíndrica, acionamentos de engrenagem helicoidal toroidal e acionamentos de engrenagem helicoidal cônica. Entre eles, os acionamentos de engrenagem helicoidal cilíndrica são os mais utilizados. As engrenagens helicoidais cilíndricas comuns são usinadas principalmente em um torno usando uma ferramenta de corte com aresta de corte reta. Dependendo da posição de montagem da ferramenta e do tipo de ferramenta utilizada, podem ser obtidos quatro tipos de engrenagens helicoidais com diferentes perfis de dentes na seção-perpendicular ao eixo: engrenagem helicoidal envolvente (tipo ZI), engrenagem helicoidal de Arquimedes (tipo ZA), engrenagem helicoidal de perfil reto normal (ZN) e engrenagem helicoidal cilíndrica envolvente cônica (ZK).
Engrenagem sem-fim envolvente (tipo ZI) - O plano da aresta de corte é tangente ao cilindro base da engrenagem sem-fim e os dentes da face final são envolventes, adequados para velocidades mais altas e maior potência.
Engrenagem sem-fim de Arquimedes (tipo ZA) – O perfil do dente no plano perpendicular ao eixo é uma espiral de Arquimedes, e o perfil do dente no plano que passa pelo eixo é uma linha reta. É fácil de fabricar, mas tem menor precisão (engrenagem sem-fim de perfil axial-reto).
Engrenagem sem-fim de perfil reto-normal (ZN) – pode ser retificada com um rebolo modificado, tornando o processamento relativamente simples. É frequentemente usado para engrenagens helicoidais de partida múltipla e a eficiência da transmissão pode chegar a 0,9.
Engrenagem sem-fim cilíndrica de envelope cônico (ZK) – Esta é uma engrenagem sem-fim de superfície helicoidal não{0}linear. Não pode ser usinado em torno e só pode ser fresado em uma fresadora e retificado em uma retificadora. Este tipo de engrenagem helicoidal é fácil de retificar, resultando em maior precisão, e sua aplicação está se tornando cada vez mais difundida.
06Tecnologia de processamento de engrenagens helicoidais de metal
1. Determinando o material da peça bruta
⑴ Excelente usinabilidade, resultando em bom acabamento superficial e pequenas tensões internas residuais, com menor desgaste das ferramentas de corte.
⑵ Resistência à tração geralmente não inferior a 588 MPa.
⑶ Boas propriedades de tratamento térmico, boa temperabilidade, não sujeito a trincas, estrutura uniforme, pequena deformação no tratamento térmico e capaz de obter alta dureza, garantindo assim a resistência ao desgaste e estabilidade dimensional da engrenagem helicoidal.
⑷ Dureza uniforme do material e estrutura metalográfica atendendo aos padrões. Os materiais comumente usados incluem: T10A, T12A, 45, 9Mn2V, CrMn, etc. Entre eles, 9Mn2V tem melhor processabilidade e estabilidade, mas baixa temperabilidade; sua vantagem é a pequena deformação após o tratamento térmico, adequada para a fabricação de peças de alta-precisão, mas é propensa a rachaduras e possui propriedades de retificação fracas. Quanto maior a dureza da engrenagem helicoidal, mais resistente-ao desgaste ela é, mas é mais difícil de retificar durante a fabricação. 2. Seleção de superfícies de referência de usinagem
Superfícies de referência da engrenagem helicoidal: Estruturalmente, as engrenagens helicoidais vêm em duas formas: engrenagens helicoidais montadas e engrenagens helicoidais integrais. As engrenagens helicoidais montadas usam o furo interno como superfície de referência de usinagem. Portanto, o furo interno deve ser usinado com precisão primeiro e, em seguida, o diâmetro externo e os munhões de suporte são usinados usando o furo interno como superfície de referência. A usinagem de roscas também utiliza o furo interno como superfície de referência, exigindo assim um mandril. Geralmente, a precisão do furo interno das engrenagens helicoidais de indexação de precisão é muito alta e algumas requerem retificação para garantir a precisão.
O furo interno das engrenagens helicoidais de indexação de precisão geral-deve ter uma precisão de pelo menos grau 1, uma rugosidade superficial de pelo menos 0,12 e um desvio da face final não inferior a 0,005 mm. Ao usinar a engrenagem helicoidal em um mandril, o desvio radial dos dois ressaltos finais deve primeiro ser verificado para garantir que esteja dentro da tolerância especificada. Isso deve ser verificado em cada processo subsequente. Durante a montagem da engrenagem helicoidal, o desvio radial dos dois ressaltos finais também deve ser verificado. A precisão do mandril deve ser igual ou superior à precisão do eixo que combina com a engrenagem helicoidal montada.
As engrenagens helicoidais integrais usam o furo central como superfície de referência de usinagem. Os requisitos para o furo central são muito elevados; deve ter uma conicidade para garantir suavidade e área de contato. O furo central deve ser verificado e corrigido antes de cada processo. Os munhões de suporte devem garantir coaxialidade com o furo central e precisão geométrica própria. Antes dos processos de semi{4}}acabamento e acabamento, o desvio radial e o desvio axial dos munhões de suporte devem ser verificados para garantir que estejam dentro da tolerância.
Ao selecionar o ponto de referência aproximado, a principal consideração é como garantir que cada superfície usinada tenha tolerância de usinagem suficiente, de modo que as dimensões e posições entre a superfície de referência não usinada e a superfície usinada atendam aos requisitos do desenho.
A seleção do dado aproximado deve atender aos seguintes requisitos:
(1) O ponto de referência aproximado deve ser selecionado a partir da superfície usinada. Isto é para garantir a precisão da relação posicional relativa entre a superfície usinada e a superfície não usinada. Se houver diversas superfícies na peça de trabalho que não necessitam de usinagem, a superfície com o maior requisito de precisão posicional relativa com a superfície usinada deverá ser selecionada como referência aproximada. Isso garante espessura de parede uniforme, formato simétrico e menos operações de fixação.
(2) Selecione a superfície importante com requisitos de tolerância de usinagem uniformes como referência aproximada.
(3) A superfície com a menor tolerância de usinagem deve ser selecionada como referência aproximada. Isso garante que a superfície tenha margem de usinagem suficiente. (4) Tanto quanto possível, uma superfície plana e lisa com uma área suficientemente grande deve ser selecionada como referência aproximada para garantir um posicionamento preciso e uma fixação confiável. Superfícies com entradas, risers, rebarbas ou rebarbas não devem ser selecionadas como referências aproximadas; se necessário, é necessária usinagem preliminar.
(5) O ponto de referência aproximado deve ser evitado de ser usado repetidamente, porque a maioria das superfícies do ponto de referência aproximado são ásperas e irregulares, e o uso repetido torna difícil garantir a precisão posicional entre as superfícies externas.
De acordo com o princípio da seleção do ponto de referência aproximado, fixar o círculo externo e usinar a maior parte da superfície em uma operação de fixação pode garantir a coaxialidade do círculo externo e do furo interno, bem como a perpendicularidade da face final ao eixo.
Rota do processo de usinagem de engrenagem helicoidal de metal
(1) Engrenagem sem-fim montada-não endurecida
Preparação do material-Normalização-Torneamento em desbaste-(Têmpera)-Torneamento de semi-acabamento do diâmetro externo, torneamento de desbaste de superfície helicoidal-Envelhecimento artificial-Torneamento de acabamento (retificação de acabamento) do furo interno e da face final-Corte de chaveta-Torneamento de semi-acabamento-de helicoidal superfície-Limagem (corte de dentes incompletos)-Semi{12}}desbaste de diâmetro externo-Desbaste de acabamento de superfície helicoidal-Envelhecimento em baixa-temperatura-Lapidação do furo central-Desbaste de acabamento de diâmetro externo-Desbaste de acabamento de superfície helicoidal
(2) Engrenagem sem-fim integral carburada e endurecida
Forjamento-Recozimento-Torneamento de desbaste-Normalização-Torneamento de semiacabamento-Torneamento de diâmetro externo e superfície helicoidal-Armação (desbaste de dentes incompletos)-Cementação-Torneamento de acabamento do diâmetro externo (remoção de peças que não precisam de cementação)-Têmpera e revenimento-Lapidação de centro furo-Torneamento de roscas de fixação-Fresamento de canais-Desbaste semiacabado-Desbaste de semiacabamento do diâmetro externo-Desbaste semi-desbaste de superfície helicoidal-Envelhecimento em baixa-temperatura-Limpeza do furo central-Desbaste final do anel externo e da extremidade face-Terminar o desbaste da superfície helicoidal
Blanking: De acordo com a regulamentação, o blank deve ser forjado para obter uma boa estrutura metálica fibrosa.
Torneamento em desbaste: Garanta a coaxialidade e deixe quantidade adequada para acabamento.
Tratamento térmico e tratamento de têmpera HRC28-32, torneamento semi-acabado, cada peça deixa 0,5 mm para torneamento de acabamento, a peça da engrenagem helicoidal e as duas extremidades da ranhura de alívio são giradas de acordo com as especificações exigidas, corte da engrenagem helicoidal, corte áspero, seja usando método em camadas ou método de corte, etc.
Meça a tolerância no diâmetro médio. A tolerância de corte de semi{0}acabamento fornece uma boa base para a usinagem de acabamento. O acabamento-de baixa velocidade é necessário em todas as três superfícies, e a ferramenta de corte deve ser afiada e com boa rugosidade na borda. Cada superfície deve ser acabada individualmente. O torneamento preciso de todas as peças é necessário para garantir a concentricidade.
As engrenagens helicoidais cilíndricas comuns, quando usinadas em um torno usando uma aresta de corte reta, podem ser classificadas em engrenagens helicoidais de Arquimedes (ZA), engrenagens helicoidais envolventes (ZI) e engrenagens helicoidais normais de perfil reto (ZN), dependendo da posição de montagem da ferramenta de corte. ZA Engrenagens sem-fim de Arquimedes: O plano da ferramenta de corte passa pelo eixo da engrenagem sem-fim, e a engrenagem sem-fim cortada com um ângulo de aresta de corte de 2 =40 grau tem um perfil de dente reto no plano axial, e o perfil de dente da seção normal é uma curva convexa. A curva do perfil do dente na face final é uma espiral de Arquimedes, daí o nome engrenagem helicoidal de Arquimedes. Este tipo de engrenagem helicoidal é relativamente fácil de usinar e medir, por isso é amplamente utilizado.
No entanto, a usinagem é difícil quando o ângulo de ataque é muito grande. É difícil retificar um perfil de dente preciso com um rebolo, portanto a precisão e a eficiência da transmissão são baixas. Engrenagens helicoidais envolventes ZI: O plano da aresta de corte da ferramenta de corte é tangente ao cilindro base da engrenagem helicoidal. A engrenagem helicoidal resultante tem uma curva de perfil convexo no plano axial, e o perfil do dente na face final perpendicular ao eixo é uma curva evolvente, daí o nome engrenagem helicoidal evolvente. Esse tipo de engrenagem helicoidal pode ser retificada, por isso tem maior precisão e eficiência de transmissão e é adequada para produção em massa e transmissão de precisão de alta-potência e alta-velocidade.
Engrenagens helicoidais de perfil reto-normal ZN: Quando o ângulo de ataque da engrenagem helicoidal é grande, a fim de obter um ângulo de inclinação razoável e um ângulo de alívio para a ferramenta de corte, o plano da ferramenta de corte é colocado no plano normal da hélice da engrenagem helicoidal durante a usinagem. A engrenagem helicoidal resultante tem um perfil de dente reto na seção normal, daí o nome de engrenagem helicoidal de perfil reto normal-. A curva do perfil do dente na face final perpendicular ao eixo é uma curva evolvente estendida, portanto também é chamada de engrenagem helicoidal evolvente estendida. Este tipo de engrenagem helicoidal tem melhor desempenho de corte, é ideal para usinagem de engrenagens helicoidais de partida múltipla e pode ser retificada com um rebolo. É frequentemente usado em transmissões de engrenagens helicoidais de precisão de partida múltipla em máquinas-ferramentas. Com o avanço da tecnologia e dos requisitos do produto, surgiu a necessidade de aumentar ainda mais a velocidade de corte, e o método de torneamento encontrou um gargalo, levando ao desenvolvimento do fresamento rotativo. Este método utiliza uma ferramenta de corte rotativa para aumentar a velocidade de corte (até 400 metros por minuto), enquanto a peça não precisa girar em alta velocidade.
Existem dois métodos de turbilhonamento com engrenagem helicoidal: turbilhonamento interno e turbilhonamento externo.
Turbilhonamento interno: A circunferência da peça é tangente internamente à circunferência da ferramenta de corte (a engrenagem helicoidal está dentro da cabeça de corte). A precisão pode chegar a DIN7 Ra0.8.
Turbilhonamento externo: A circunferência da peça é tangente externamente à circunferência da ferramenta de corte (a engrenagem helicoidal está fora da cabeça de corte). A precisão pode chegar a DIN6 Ra0.4.
