ES2337783T3 - Casquillos de embrague de polvo metalico para embragues unidireccionales y metodo de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Un método de fabricación de casquillos de embrague unidireccional en polvo metálico (12, 14) que comprende: la preparación de un polvo metálico de base ferrosa; el procesado del polvo metálico para una forma casi neta para producir un componente de embrague unidireccional sinterizado que tenga una densidad en su núcleo de entre 6,8 y 7,6 g/cc y una superficie de casquillo (18); y trabajo en frío de la superficie del casquillo (18) para formar una capa trabajada en frío (22) en la superficie (18) con una densidad que supere el 99% de la densidad teórica total.
Description
Casquillos de embrague de polvo metálico para
embragues unidireccionales y método de fabricación.
Esta invención se refiere generalmente a
embragues unidireccionales, y más particularmente a la fabricación
de casquillos para dichos embragues.
El principio operativo fundamental de los
embragues unidireccionales es bien conocido por aquellos que poseen
conocimientos ordinarios en la materia. Se evita la rotación
relativa de elementos interiores y exteriores en una dirección,
permitiendo la transmisión de la torsión a través del embrague,
mientras que los elementos interiores y exteriores pueden
sobrepasar o ir a rueda libre en la dirección opuesta. Casi todas
las transmisiones automáticas en los automóviles de pasajeros
modernos usan uno o más embragues unidireccionales para suavizar
las transiciones desde una ruta de torsión a otra, ya que la
transmisión cambia a través de sus rangos operativos. También
conocidos como embragues de rotación libre, los tipos de embrague
unidireccional más comunes son:
1) Embrague de rodillos unidireccional
2) Embrague de patín unidireccional
3) Embrague de trinquete unidireccional
Los tipos de rodillos y de patín se han estado
produciendo desde 1950. La producción de embragues de trinquete
empezó a mediados de los años noventa. Todos estos conjuntos de
embragues unidireccionales funcionan satisfactoriamente según la
aplicación particular para la que se usen. La construcción básica de
todos estos embragues incluye un casquillo exterior, un casquillo
interior, un juego de elementos de bloqueo (rodillos, patines o
trinquetes) que pueden bloquear las casquillos, y resortes que
activan los elementos de bloqueo.
Inicialmente, los casquillos para embragues
unidireccionales de rodillos y patines se fabricaban en aceros
pudelados siguiendo métodos de mecanizado tradicionales (torneado,
brochado, etc.). Este proceso sigue hoy en día empleándose en la
producción. Los aceros que se suelen utilizar normalmente son SAE
1060, SAE 5060, SAE 5120, SAE 5130 y SAE 5160. Para desarrollar la
resistencia a la fatiga de contacto necesaria en la superficie del
casquillo, y la resistencia a la fatiga por tracción en la masa
interior del casquillo, las piezas normalmente son tratadas
térmicamente para HRC 55-60 en la superficie y para
HRC 25-32 en el núcleo.
Una gran mejora en la fabricación de casquillos
fue introducida en la patente estadounidense núm. 3.772.935. El
proceso descrito implica la compactación y sinterización de polvo
metálico en una pieza bruta preforma, y después se forja en
caliente la preforma para formar el componente para producir una
densidad completamente uniforme en todo el casquillo. Finalmente,
los casquillos son tratados térmicamente. La ventaja clave del
proceso de forja del polvo es que se reduce el mecanizado. Las
mejoras para la fase de tratamiento en caliente de este proceso se
exponen en la patente estadounidense núm. 3.992.763 y en la patente
estadounidense núm. 4.002.47.
En la patente estadounidense núm. 5.966.581 se
trataba un proceso alternativo de forja del polvo. La preforma
compactada y sinterizada es trabajada con una herramienta de
ruleteado antes de la fase de forja. El proceso de ruleteado
combinado con la forja se dice que aumenta la vida contra la fatiga
del casquillo de embrague final, completamente densificado y
forjado en caliente.
Otra alternativa tratada en la patente
estadounidense núm. 5.966.581 es trabajar en frío la preforma
compactada y sinterizada granallando la superficie con perlas de
vidrio o arena, lo que trabaja las superficies, y después se forja
en caliente la preforma. Este enfoque resulta en un acabado
superficial comparablemente más bruto que el obtenido por
ruleteado.
En consecuencia, mientras que se reconoce en la
técnica la fabricación de casquillos de mecanismos de embrague
unidireccional a partir de polvo metálico que ha sido compactado y
sinterizado en una pieza bruta preforma que es ruleteada y después
forjada en caliente para producir un componente completamente
densificado de la forma deseada, la técnica advierte contra la
posibilidad de fabricar un componente de casquillo de embrague de
polvo metálico compactado y sinterizado de forma neta cuya
superficie final es trabajada en frío y que tendría propiedades
mecánicas y acabado superficial adecuados para el uso que del mismo
se pretende.
Es un objeto de la presente invención avanzar la
técnica mejorando el procesado de casquillos de embrague
unidireccional hechos de polvo metálico.
Un método para fabricar casquillos de embrague
unidireccional de polvo metálico según la invención se define en la
reivindicación 1. La invención además contempla un componente de
casquillo de embrague que se encuentra definido en la
reivindicación 4.
La invención posee la ventaja de suministrar un
proceso sencillo de fabricación de componentes de casquillo de
embrague unidireccional para obtener excelentes propiedades
mecánicas, así como un acabado superficial de leva aceptable
trabajado en frío.
La invención posee la ventaja añadida de
producir dichos componentes de casquillo de embrague unidireccional
con una densidad variable, con un núcleo de densidad relativamente
alta, aunque no completa, junto con una piel o capa en superficie
de la leva que es trabajada en frío para una densidad superior para
proporcionar las propiedades mecánicas requeridas y un acabado de
superficie de forma neta en la superficie del casquillo. La
densidad variable produce un casquillo de embrague unidireccional
que presenta una fuerza, resistencia a la fatiga y al desgaste
excelentes sin tener que forjar el componente para obtener la fuerza
y la resistencia al desgaste deseadas. Evitar los requerimientos de
la forja en caliente simplifica la fabricación y reduce el coste de
casquillos de leva para embragues unidireccionales. Las personas
versadas en la técnica ordinaria aceptan que el coste de
fabricación de un componente forjado de polvo es de 1,5 a 2,0 veces
el coste de fabricar el componente por prensado y sinterizado. Los
costes adicionales están asociados a la fase de forja y a la
relativamente corta vida de las herramientas de forjado en
caliente.
Eliminar la fase de forja tiene la ventaja
adicional de ajustar las tolerancias dimensionales globales de un
componente desde la gama típica para piezas forjadas de polvo hasta
la gama típica de las piezas prensadas y sinterizadas. Además, las
superficies trabajadas en frío tienen tolerancias incluso más
ajustadas.
Otro beneficio de eliminar el paso de forja es
que el proceso de prensa y sinterización tiene la capacidad de
producir características geométricas de formas netas (bujes, canales
de aceite, travesaños, etc.) que son mucho más complejas que las
obtenibles mediante forja, reduciendo mucho así la necesidad de un
mecanizado secundario.
En el caso de superficies de casquillo de formas
netas, como las usadas para levas para embragues unidireccionales
de rodillos, el proceso de formado en frío de la superficie del
casquillo, tal como se describe en la presente invención, introduce
una mejora sustancial en el acabado superficial del casquillo. La
Tabla 1 resume el acabado de superficie típico de brochado, forja
de polvo, forja de polvo tal y como ha sido modificada por la
patente estadounidense núm. 5.966.581 y por la presente
invención.
Esta mejora del acabado superficial resulta en
superior resistencia a la fatiga por contacto (fisuración) del
casquillo del embrague, lo que a su vez resulta en una superior
capacidad de torsión para un embrague dado.
Eliminar la necesidad de la fase de forja
resulta en un material de casquillo de cojinete de calidad
metalúrgica superior. Es bien conocido que hay dos efectos
perjudiciales asociados al proceso de forja en caliente de polvo.
Primero, porque la preforma de acero es calentada a una temperatura
de 1000-1130ºC y expuesta al aire durante al
proceso de forja, con lo cual se forman óxidos en la superficie de
la pieza. Estos óxidos aparecen en la superficie y son también
atrapados como inclusiones a una profundidad típica de
0,1-0,2 mm. Segundo, puesto que la preforma fluye y
entra en contacto con el troquel, el material en la superficie se
enfría rápidamente. Este enfriamiento resulta en un aumento rápido
de la fuerza de producción del material, que va en detrimento del
colapso de la porosidad. En consecuencia, las forjas de polvo
presentan porosidad en la superficie a una profundidad de
aproximadamente 0,2-0,4 mm. Estos defectos
microestructurales, óxidos y porosidad, tienen un impacto negativo
sobre la resistencia a la fatiga por contacto del casquillo.
Eliminando la fase de forja en caliente e introduciendo una
operación de formación en frío como propone la invención, se obtiene
una superficie de casquillo de una calidad notable, con
prácticamente nula porosidad e inclusiones de óxido (esto es,
prácticamente cero) en la capa formada en frío. Las tablas 2 y 3
siguientes ilustran las mejoras en la porosidad e inclusión de
óxidos obtenida por la presente invención, en comparación con las
aleaciones forjadas de polvo típicas.
La combinación de tolerancias dimensionales más
ajustadas, acabado de superficie mejorado y microestructura
metalúrgica superior resulta en una capacidad de torsión aumentada
en el embrague unidireccional. Esta mejora del acabado superficial
resulta en una superior resistencia a la fatiga por contacto
(fisuración) del casquillo del embrague, que a su vez resulta en
una superior capacidad de torsión para un embrague dado, tal como
indican los resultados preliminares basados en pruebas de carrera
de embragues unidireccionales de rodillos con casquillos forjados
de polvo y casquillos producidos según la invención.
Finalmente, otra importante ventaja de coste
asociada con la invención es la posibilidad de introducir
operaciones de maquinado (p. ej. perforación presinterización de
orificios de lubricación radial) mientras que el compacto está en
estado verde (antes de la sinterización). Las altas velocidades de
corte, combinadas con un desgaste de herramienta muy bajo, resultan
en importantes ahorros de costes. Las operaciones de maquinado
presinterización no son posibles cuando la preforma está
forjada.
Se podrán apreciar fácilmente estas y otras
características y ventajas de la presente invención al considerarse
en relación con la descripción detallada que sigue a continuación y
los dibujos que la acompañan, en los que:
La Figura 1A es una vista isométrica que
ejemplifica un tipo de rodillo de embrague unidireccional, estando
los componentes del casquillo de embrague fabricados según la
presente invención;
La Figura 1B es una vista transversal de un
embrague unidireccional de la Figura 1 que ilustra la presencia de
agujeros radiales lubricados verde-perforados en la
superficie de la leva;
La Figura 2 es una vista transversal que
ejemplifica un tipo de embrague de patines unidireccional, estando
los componentes del casquillo de embrague fabricados según la
presente invención;
La Figura 3 es una vista transversal que
ejemplifica un tipo de embrague de trinquete unidireccional, estando
los componentes del casquillo de embrague fabricados según la
presente invención;
La Figura 4 es una vista transversal esquemática
de un casquillo de leva exterior y la herramienta de densificación
asociada;
La Figura 5 es una vista transversal tomada a lo
largo de la linea 5-5 de la Figura 4;
La Figura 6 es una vista transversal de un
casquillo de embrague interior acompañado de una herramienta de
densificación;
La Figura 7 es una vista transversal tomada a lo
largo de la linea 7-7 de la Figura 6;
La Figura 8 muestra un plot Weibull de los
resultados de la prueba de fatiga por contacto de aceros pudelados
y aleaciones ferrosas sinterizadas producidos según la
invención.
La Figura 9 es un trazado típico de la medición
del acabado superficial de una leva de embrague unidireccional
fabricada según el método presentado en esta invención.
La Figura 10 es un trazado típico de la medición
del acabado superficial de una leva de embrague unidireccional
fabricada mediante forjado de polvo;
La Figura 11 es una vista transversal
esquemática fragmentaria de un componente de casquillo de leva de
acuerdo con la invención; y
La Figura 12 ilustra el perfil de densidad en la
superficie del casquillo determinado mediante procesado de imagen
por micrografía de la capa densificada.
Las Figuras 1a y 1b muestran un mecanismo 10 de
embrague unidireccional de rodillos representativo que tiene un
componente 12 de casquillo interior de embrague dispuesto alrededor
de un eje central A y un componente 14 de casquillo o leva de
embrague exterior dispuesto concéntricamente alrededor del
componente 12 de casquillo de embrague interior. El casquillo
interior 12 y el casquillo o leva exterior 14 tienen superficies de
casquillo 16, 18 que generalmente se encaran entre si y reaccionan
en cooperación con uno o más rodillos 20 que permiten que los
casquillos de embrague 12, 14 giren libremente en relación con el
otro en una dirección, mientras bloquea los casquillos de embrague
12, 14 contra la rotación inversa. La construcción y funcionamiento
general de los embragues unidireccionales de rodillos son bien
conocidos por las personas versadas en la técnica, así que no se
darán aquí más detalles sobre el tema. En la referencia 1 se
encuentran más detalles sobre el funcionamiento de dichos
mecanismos de embrague unidireccional de rodillos.
Además de los mecanismos de embrague
unidireccional de rodillos del tipo ilustrado en las Figuras 1a y
1b, la invención contempla además la fabricación de casquillos de
embrague para otra variedad de embragues unidireccionales,
incluyendo embragues unidireccionales de patín 10', ilustrados en la
Figura 2, en los que una pluralidad de elementos de patín
reaccionan entre las superficies del casquillo para permitir la
rotación en una dirección, pero no en la opuesta; y embragues
unidireccionales de trinquete 10'', ilustrados en la Figura 3, en
los que una pluralidad de miembros de trinquete reaccionan con un
casquillo interior con una pluralidad de ranuras y un casquillo
exterior con una pluralidad de superficies con cavidades para
permitir la rotación en una dirección, pero no en la opuesta.
Naturalmente, la configuración particular de la superficie del
casquillo del casquillo interior y exterior 12, 14 variará según el
tipo particular de embrague unidireccional según los requerimientos
particulares de la aplicación en cuestión.
Volviendo ahora en más detalle a la fabricación
de casquillos de embrague según el método preferido de la
invención, la Figura 4 muestra una sección transversal de la leva o
casquillo de embrague exterior 14, que ha sido compactada y
sinterizada para obtener una forma casi neta a partir de polvo
metálico de base ferrosa, que podría comprender o polvo de acero
prealeado, o una mezcla de polvo de hierro elemental y una o más
adiciones de polvo metálico aleado mezclado con polvo de hierro
elemental, o una combinación de polvo de hierro elemental y
prealeado, con o sin más adiciones de constituyentes de aleación de
polvo metálico. EL polvo metálico también puede incluir grafito y
aditivos apropiados para mejorar el mecanizado, como MnS, CaF_{2}
y otros similares. La invención no pretende limitarse a ninguna
composición particular basada en hierro, siempre que el material
sea adecuado para usarlo en un casquillo de embrague
unidireccional.
Forma casi neta significa que el componente 14
de casquillo de embrague compactado y sinterizado ha sido formado
casi hasta la forma final tras el sinterizado y con la masa interior
del polvo metálico compactada y sinterizada hasta la densidad final
deseada para su uso en la aplicación de casquillos de embrague. La
excepción principal es la superficie de leva 18, que recibe más
tratamiento en frío descrito más abajo para prepararla para el
tratamiento térmico. Así, tras la compactación y sinterizado, el
casquillo de embrague exterior 14 en esta fase que está en la
Figura 4 tiene una densidad de núcleo de entre unos 6,8 y 7,6 g/cc
(lo que equivale a un 87-97% de densidad completa
teórica del material) lo que proporciona la fuerza y resistencia a
la fatiga de tracción necesarias para su uso en la aplicación de
casquillo de embrague deseada. La superficie de leva 18 también
preferiblemente ha sido formada en su condición compactada y
sinterizada con una forma que se aproxima estrechamente a la de la
forma final deseada, aunque infradimesionada ligeramente en algunas
décimas de milímetro para acomodar la posterior densificación de la
superficie de leva 18 que se describirá más adelante.
La superficie de leva 18 del componente 14 de
casquillo de embrague exterior compactado y sinterizado de forma
casi neta es trabajada en frío para formar una capa densificada 22
en la superficie de leva 18, en la que el material de polvo
metálico en esta capa 22 tiene una densidad que supera la densidad
del núcleo, y un acabado superficial final de forma neta, ya que no
se necesita más maquinado de la superficie de leva 18 más allá del
trabajo en frío para poner en uso el casquillo de embrague exterior
14. La superficie final preferiblemente tiene un acabado de 20 a 35
pulgadas (50,8 a 88,9 X 10^{-8} m). La capa densificada 22 tiene
preferentemente una región densificada esencialmente llena (es
decir, >99% de densidad teórica completa) a una profundidad que
va de 0,2 a 1,5 mm, y más preferentemente aún entre 0,35 y 0,8 rara.
Esta capa fina 22 altamente densificada en la superficie de leva 18
respaldada por el fuerte pero relativamente menos denso núcleo 23
del componente de casquillo de embrague 14 proporciona las
propiedades de resistencia y dureza necesarias, proporcionando al
mismo tiempo la forma final, el acabado superficial y la resistencia
a la fatiga por contacto deseados y adecuados para su aplicación de
casquillo de embrague. La Figura 8 traza los resultados de la prueba
de fatiga por contacto rodante de aleaciones fabricadas según la
presente invención, comparados con aceros pudelados de alta
calidad. Se efectuaron experimentos de fatiga por contacto en un
aparato de prueba de bola y barra. Los resultados están resumidos
en la Tabla 4, que muestra que los casquillos fabricados según la
presente invención cumplen o superan la resistencia a la fatiga por
contacto de aceros pudelados, así como la de aleaciones forjadas de
polvo.
Este acabado superficial de la superficie de
leva 18 siguiendo la densificación de la capa 22 está comprendido
en un rango entre 20 y 35 pulgadas (50,8 y 88,9 x 10^{-8} m), y
preferentemente en el rango que va de 20 a 30 pulgadas
aproximadamente (50,8 a 76,2 x 10^{-8} m). La Figura 9 ilustra un
trazado típico de la medición de acabado superficial de un embrague
de leva unidireccional fabricado según el método presentado en esta
invención. A efectos comparativos. La Figura 10 es un trazado típico
de la medición del acabado superficial de un embrague de leva
unidireccional fabricado mediante forjado de polvo;
El método preferido para densificar la capa 22
del casquillo exterior 14 es forzar una herramienta densificadora
24 lateralmente a través de la superficie de leva 18, donde la
superficie de leva 18 se encuentra una o más porciones formadoras
26a, 26b, 26c, etc. que además compactan y densifican la superficie
para producir la capa densificada 22, que tiene el tamaño y acabado
superficial deseados para su uso. Tal y como se muestra en la
Figura 5, las porciones formadoras 26 están formadas con la forma de
la superficie de leva 18 deseada, aunque algo infradimensionada
para obtener la densificación deseada de la capa 22.
El casquillo de embrague interno 12 está
fabricado de la misma manera general para producir una capa
densificada 28 en la superficie de casquillo 16. De este modo, la
descripción anterior sobre las propiedades y fabricación del
casquillo de embrague exterior 14 es igualmente aplicable a la
fabricación del casquillo de embrague interior 12, y está
incorporada a la presente a modo de referencia. Puesto que el
casquillo de embrague interior 12 tiene una superficie de leva
exterior 18, la herramienta de densificación 30 usada para producir
la capa densificada 28 es algo diferente de la usada para la capa
de densidad 22 del casquillo de embrague exterior 14, y está
ilustrada esquemáticamente en las Figuras 6 y 7. La herramienta 30
tiene una o más porciones formadoras 32a, 32b, 32c, etc. que tienen
la misma forma general que la superficie de casquillo 16 final a
producir para su uso en una aplicación de embrague unidireccional,
aunque las porciones formadoras 32a, 32b, 32c están ligeramente
infradimensionadas para impartir la densificación a la capa 28. La
Figura 11 es una vista en sección fragmentaria ampliada que ilustra
la capa resultante 22 o 28 desarrollada sobre una superficie de
casquillo 16 o 18 del casquillo de embrague exterior o interior 12,
14 respaldada por el núcleo del casquillo, que ha sido compactado y
sinterizado para una densidad de núcleo menor que la de la capa de
la que se ha hablado antes. La Figura 12 ilustra el perfil de
densidad en la superficie del casquillo. Las densidades fueron
determinadas por procesado de la imagen de una micrografía de la
capa densificada.
La Figura 1b ilustra además la capacidad, según
la invención, de maquinado de características en la preforma antes
del sinterizado. Están ilustrados los orificios lubricantes radiales
34 antes del sinterizado que se formaron en forma casi neta sin
necesidad de maquinado o acabado postsinterizado.
Se entiende que la invención puede practicarse
de forma distinta a la que se ha descrito de forma especifica. La
invención está definida por las reivindicaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias bibliográficas
mencionadas por el solicitante se ha incorporado exclusivamente para
información del lector, pero no forma parte integrante de la
documentación de la patente europea. Aún habiéndose recopilado
estas referencias bibliográficas con sumo cuidado, no pueden
excluirse errores u omisiones, por lo que la EPO declina toda
responsabilidad a este respecto.
\bullet US3772935A
\bullet US3992763A
\bullet US4002471A
\bullet US5966581A
Claims (6)
1. Un método de fabricación de casquillos de
embrague unidireccional en polvo metálico (12, 14) que
comprende:
- la preparación de un polvo metálico de base ferrosa;
- el procesado del polvo metálico para una forma casi neta para producir un componente de embrague unidireccional sinterizado que tenga una densidad en su núcleo de entre 6,8 y 7,6 g/cc y una superficie de casquillo (18); y
- trabajo en frío de la superficie del casquillo (18) para formar una capa trabajada en frío (22) en la superficie (18) con una densidad que supere el 99% de la densidad teórica total.
2. El método de la 1ª reivindicación, en el que
la capa trabajada en frío (22) está formada forzando la herramienta
de densificación (24) lateralmente a través de la superficie del
casquillo (18).
3. El método según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, en en el que la preparación del polvo metálico de
base ferrosa comprende además compactar el polvo metálico de base
ferrosa para producir una preforma de casquillo presinterizada, y
además comprende el paso adicional de características de maquinado
en la preforma del casquillo presinterizado antes de sinterizar la
preforma de casquillo presinterizada.
4. Un componente de casquillo de embrague de
polvo metálico (12, 14) para un embrague unidireccional, que
comprende un cuerpo compactado y sinterizado de polvo metálico
ferroso en la forma de dicho componente de casquillo de embrague
unidireccional que tiene una superficie de casquillo (18), teniendo
dicho cuerpo una densidad en su núcleo de entre 6,8 y 7,6 g/cc,
incluyendo dicho cuerpo de embrague una capa trabajada en frío (22)
de polvo metálico en dicha superficie de casquillo (18) teniendo una
densidad localizada superior a la de la densidad de dicho núcleo, y
un acabado superficial final de entre 20 y 35 \mu pulgadas (50,8 y
88,9 x 10^{-8} m), donde dicha capa trabajada en frío (22) tiene
una densidad de al menos el 99% de la densidad teórica total.
5. El componente de casquillo de embrague de la
reivindicación 4, en el que dicho componente comprende un casquillo
exterior (14) del embrague unidireccional.
6. El componente de casquillo de embrague de la
reivindicación 4, en el que dicho componente comprende un casquillo
interior (12) del embrague unidireccional.
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