Estudo da influência dos anéis de cintamento sobre as matrizes de extrusão a frio de engrenagens cilíndricas de dentes retos com o aço SAE 10B22 para a indústria automobilística

Abstract

O trabalho tem como finalidade o desenvolvimento do processo, o projeto e a fabricação do ferramental de uma engrenagem extrudada a frio utilizando o aço SAE 10B22. As matrizes foram fabricadas em aço-ferramenta K340, com dureza no intervalo de 60 – 62 HRC. Os anéis de cintamento foram fabricados em aços de maior tenacidade, tais como, AISI S1 e AISI H13. O punção de recalque foi fabricado em aço AISI M2, bem como, o punção de furação em aço VF800 AT. Os estudos sobre eletroerosão a fio e por penetração foram conduzidos para desenvolver uma metodologia de fabricação de eletrodos e matrizes de extrusão de precisão para engrenagens. Também, avaliou-se a diferença entre máquinas de usinagem por eletroerosão a fio e microfresamento de diferentes capacidades de precisão, resultando na determinação de um roteiro específico para a obtenção de eletrodos com alto acabamento e precisão de forma. A aplicação de anéis de cintamento com o objetivo de pré-tensionamento das ferramentas foi analisada para dois cenários, sendo um deles, o método convencional baseado em sistema de anéis duplos com aço-ferramenta e o outro, um sistema de cintamento por enrolamento de tiras de aço de alta resistência. O sistema de alta resistência apresentou melhor resultado no controle das distorções dimensionais do dente de engrenagem. O prétensionamento das ferramentas foi fundamental para atingir os resultados de melhoria de qualidade esperados. Os resultados obtidos na análise numérica e no procedimento experimental demonstraram que o processo proposto neste trabalho é capaz de produzir engrenagens cilíndricas retas, por extrusão, com grau de qualidade, conforme a ISO 1328, similar àquelas obtidas por processos convencionais de usinagem como hobbing, shaving e retificação. Para desvios de perfil foi possível alterar o grau de qualidade da cavidade da matriz de 10 para 5, a qual, resultou em uma melhoria na engrenagem extrudada de grau de qualidade 11 para 7.

The research aims to develop the process of production, the project and tooling manufacturing of high precise cold extruded gears based on the SAE 10B22 steel. Dies were manufactured in tool steel K340 in a range of hardness from 60 up to 62 HRC. The shrink rings were manufactured in steel grades with greater toughness like AISI S1 and AISI H13. In addition, the upsetting punch was manufactured in high speed steel AISI M2, as well as, the hole punch with the steel VF 800 AT. The studies regarding wire electrical discharge machining and die sinking were carried out to develop a manufacturing method for precise extrusion dies of gears. Also, the differences between wire discharge machining equipments in different precision levels were evaluated to stablish a specific routine to produce high precise electrodes. The application of shrink rings for prestressing of the tooling was evaluated based on two methods being one of them the more usual with double shrink rings made by tool steel and the other one is the stripwinding technique. The stripwinding technique has showed a better performance regarding dimensional scattering of the gear teeth. Prestressing of the tools was important to reach the expected results of quality improvement of gears. Results which were obtained in the finite element analysis and experimental procedure demonstrated that the proposed process in this study is able to produce spur gears by cold extrusion with an accuracy grade according ISO 1328 similar to those produced by additional machining processes such like hobbing, shaving and grinding. For profile deviation was possible to change the gear accuracy grade of die cavity from 10 to 5 which allowed to obtain an accuracy grade equal to 7 for the cold extruded gear.