Mecanizado de engranajes

El mecanizado de engranajes comprende el conjunto de procesos que generan los dentados de las ruedas dentadas: engranajes cilíndricos rectos y helicoidales, interiores y exteriores, cremalleras, cónicos rectos y espirales, sinfín-corona, piñones de cadena y ejes nervados o estriados. Es una de las disciplinas más especializadas del mecanizado, porque el flanco de un diente no es una superficie cualquiera: es casi siempre una evolvente de círculo cuya exactitud de perfil, hélice, paso y excentricidad —medida en micras— determina el ruido, las vibraciones, la capacidad de carga y la vida a fatiga de la transmisión.

La ruta de fabricación típica de un engranaje de responsabilidad encadena: torneado del blank, tallado del dentado en blando (fresa madre, mortajado, brochado o power skiving), tratamiento térmico (habitualmente cementación y temple en aceros como el 18CrNiMo7-6, o temple por inducción), y acabado en duro de los flancos mediante rectificado de flancos para recuperar la geometría distorsionada por el temple. La calidad final se especifica mediante grados normalizados: ISO 1328 y DIN 3962 para cilíndricos (en DIN, grados 1 a 12, siendo menor número mayor precisión; las multiplicadoras eólicas o el ferrocarril exigen típicamente DIN 3-6) y AGMA 2015 en el ámbito americano.

El rango dimensional es enorme: desde microdentados de módulo inferior a 0,5 en relojería y robótica hasta coronas de varios metros de diámetro y módulos por encima de 30 para molinos de cemento, minería o eólica. Cada tramo de tamaño y serie tiene sus procesos óptimos, y la verificación se realiza en máquinas de medir dentados o MMC con software específico según ISO 21771.

Casi todos los procesos de tallado se basan en el principio de generación: la herramienta y la pieza ruedan entre sí como dos engranajes que engranan, y el perfil de evolvente surge como envolvente de las sucesivas posiciones del filo. Esto distingue el tallado por generación (la geometría depende de la cinemática, una misma herramienta de módulo dado talla cualquier número de dientes) del tallado por forma (la fresa tiene el perfil exacto del hueco, válido solo para un rango de dientes).

Los procesos principales:

• Fresado con fresa madre (hobbing): la fresa madre es un tornillo sinfín con filos; girando sincronizada con la pieza talla dentados exteriores rectos y helicoidales con gran productividad. Es el proceso dominante en exteriores.
• Mortajado (gear shaping): una herramienta-piñón con movimiento alternativo vertical talla por rodadura; es el proceso clásico para dentados interiores y para exteriores junto a hombros donde la fresa madre no tiene salida.
• Brochado: una brocha con dientes escalonados pasa una sola vez por el agujero y termina el dentado interior o nervado; máxima productividad, reservado a series que amorticen la brocha.
• Power skiving: combina rotaciones cruzadas de herramienta y pieza con avance axial; talla interiores y exteriores hasta 5-10 veces más rápido que el mortajado y se ejecuta en centros multitarea modernos, lo que lo ha convertido en el proceso emergente para dentados interiores de calidad.
• Tallado cónico: procesos específicos (Gleason, Klingelnberg) para cónicos rectos y espirales.
• Acabado en duro: rectificado de flancos (de perfil o por generación con muela sinfín), honing de dentados y, en módulos grandes ya templados, hard skiving o fresado en duro.

El tratamiento térmico introduce distorsiones de decenas de micras a décimas; por eso los dentados de calidad superior a DIN 7 se terminan en duro, dejando creces de flanco de 0,1-0,3 mm para el rectificado.

Cada proceso tiene su familia de máquinas, hoy todas CNC con sincronización electrónica de ejes:

Proceso	Máquina	Rango típico
Fresa madre	Talladora de fresa madre (Liebherr, Gleason-Pfauter, Kashifuji)	Módulo 0,5-40; diámetros hasta varios metros
Mortajado	Mortajadora de engranajes (Liebherr, Gleason)	Interiores y exteriores con hombro
Power skiving	Centros de skiving o multitarea con sincronización (Gleason, DMG Mori, Okuma)	Interiores hasta módulo ~5-8 en serie; creciente en módulos mayores
Brochado	Brochadoras verticales/horizontales	Interiores, nervados; grandes series
Rectificado de flancos	Rectificadoras de perfil o generación (Kapp Niles, Reishauer, Höfler/Klingelnberg)	Calidades DIN 2-6; flancos de hasta 1.000 mm y más en máquinas de pórtico
Medición	Máquinas de medir dentados (Klingelnberg, Gleason) o MMC con Gear Control (Zeiss)	Perfil, hélice, paso, excentricidad según ISO 21771

En España existe un tejido reconocido de fabricantes de engranajes a medida y reductores (entre otros, Engranajes Ebro, Engranajes Juaristi, Egile o talleres integrados en grupos de mecanizado). Empresas especializadas como Izadi Mecanizados cubren el tallado exterior desde módulo 0,5 hasta módulo 34 y el interior en piezas de hasta 14.000 mm y 80 t, combinando generación, mortajado, brochado y power skiving con rectificado de flancos post-tratamiento (longitudes de flanco de hasta 1.000 mm) y medición tridimensional de perfil según DIN 3962, AGMA e ISO 21771 — un ejemplo del perfil de planta que integra todo el ciclo del engranaje, del blank al informe de medición.

Para nervados y chaveteros, las máquinas asociadas son brochadoras, mortajadoras y, en ciegos largos, mortajado CNC; la electroerosión por hilo cubre dentados unitarios o figuras interiores especiales en piezas templadas.

Los parámetros que definen un engranaje cilíndrico y gobiernan su fabricación son el módulo (m, en mm: relación entre diámetro primitivo y número de dientes), el número de dientes (z), el ángulo de presión (normalmente 20°), el ángulo de hélice (β), el desplazamiento de perfil (x) y el ancho de cara. De ellos derivan las cotas de control: espesor de diente, cota entre rodillos o bolas y longitud entre flancos (Wk).

La calidad se cuantifica con desviaciones normalizadas (ISO 1328-1 / DIN 3962): de perfil (fα), de hélice (fβ), de paso individual y acumulado (fp, Fp) y excentricidad (Fr). Correspondencias prácticas de grados DIN con procesos:

Grado DIN 3962	Proceso típico de acabado	Aplicación
1-3	Rectificado de máxima precisión	Patrones, máquina-herramienta de precisión
4-6	Rectificado de flancos	Eólica, ferrocarril, aeroespacial, reductores de calidad
7-8	Tallado fino (skiving/shaving) o rectificado básico	Reductores industriales generales
9-10	Fresa madre en blando	Transmisiones agrícolas, baja velocidad
11-12	Tallado basto	Mecanismos auxiliares

En tallado con fresa madre, las velocidades de corte van de 80 a 250 m/min con fresas de metal duro o HSS-PM recubiertas, con avances axiales de 1-4 mm por vuelta de pieza. En power skiving, la velocidad de corte resulta del ángulo de cruce de ejes (20-30°) y las pasadas se reparten en 3-8 cortes. En rectificado de flancos, las creces de 0,1-0,3 mm por flanco se eliminan vigilando el riesgo de quemado (control por Barkhausen o nital etch), y las correcciones intencionadas de perfil y hélice (abombado o crowning, despuntes) se programan para optimizar el patrón de contacto bajo carga.

La rugosidad típica de flanco es Ra 1,6-3,2 µm tallado en blando, 0,4-0,8 µm rectificado y 0,2-0,4 µm con honing. La medición final según ISO 21771 documenta cada desviación frente a su tolerancia de grado.

Los dentados de precisión están en el corazón de la transmisión de potencia industrial:

• Energía eólica: multiplicadoras con engranajes planetarios y helicoidales cementados y rectificados (DIN 4-6), coronas de orientación y de paso de pala de gran diámetro; uno de los mercados más exigentes en calidad y trazabilidad.
• Cemento y minería: coronas de molino de varios metros y módulos 20-36, piñones de ataque y reductores de gran par; aquí dominan los módulos grandes y el rectificado o fresado en duro de perfil.
• Siderurgia y naval: reductores de laminación, engranajes de líneas de ejes y maquinaria de cubierta, frecuentemente reparados mediante recargue por laser cladding y rectificado posterior.
• Ferrocarril: transmisiones de bogie con requisitos de ruido y fiabilidad elevados.
• Automoción y e-mobility: dentados de caja de cambios y reductores de vehículo eléctrico, donde el ruido (NVH) ha llevado las calidades a DIN 4-5 con rectificado por generación y honing en grandes series; el power skiving crece con los dentados interiores de los reductores eléctricos.
• Máquina-herramienta y robótica: reductores de precisión, cremalleras rectificadas, dentados de pequeño módulo.
• Reparación y repuestos: ingeniería inversa de engranajes obsoletos a partir de medición del dentado existente, habitual en mantenimiento industrial.

Junto a los engranajes propiamente dichos, la misma base tecnológica produce ejes nervados (DIN 5480, hasta longitudes de varios metros en maquinaria pesada), estriados, chaveteros largos y figuras interiores, que comparten máquinas (brochadoras, mortajadoras) y criterios de calidad.

Ventajas (del mecanizado dedicado de engranajes frente a alternativas genéricas)

• Precisión normalizada y verificable: los procesos de generación más rectificado alcanzan grados DIN 2-6 con documentación métrica completa según ISO 21771, imposible de garantizar con fresado de forma convencional.
• Productividad escalonada por serie: brochado para grandes series, fresa madre y power skiving para medias, mortajado y fresado de forma en 5 ejes para unitarios y módulos gigantes: hay proceso óptimo para cada caso.
• Capacidad de carga y silencio: las correcciones de flanco (crowning, despuntes) y el acabado en duro maximizan vida a fatiga y minimizan ruido, claves en eólica y e-mobility.
• Reparabilidad: un dentado dañado puede recargarse por láser y rectificarse de nuevo a su grado original, alargando la vida de componentes de gran valor.

Limitaciones

• Herramientas y utillaje específicos: fresas madre, piñones de mortajar y brochas son herramientas por módulo y geometría; series cortas con módulos atípicos penalizan en coste y plazo, salvo que se recurra a fresado de forma en 5 ejes o EDM por hilo.
• Cadena de proceso larga: blank, tallado, tratamiento térmico y rectificado implican varios recursos y semanas de plazo en engranajes de responsabilidad.
• Distorsión del temple: obliga a dejar creces y rectificar; un tratamiento mal controlado puede dejar el flanco fuera de creces y arruinar la pieza.
• Riesgo de quemado en rectificado: exige control de integridad superficial en calidades altas.
• Inversión y conocimiento: las máquinas de tallado y rectificado de flancos, y la metrología asociada, suponen una barrera de entrada elevada; el conocimiento de correcciones de flanco y patrones de contacto es escaso y diferencial.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el power skiving y por qué está sustituyendo al mortajado?

Es un proceso de tallado continuo en el que herramienta y pieza giran sincronizadas con los ejes cruzados un ángulo de 20-30°, generando el corte por la diferencia de velocidades. Talla dentados interiores y exteriores entre 5 y 10 veces más rápido que el mortajado y se ejecuta en centros multitarea, integrando el dentado en la misma atada que el torneado. Su auge está ligado a los dentados interiores de los reductores de vehículo eléctrico.

¿Qué calidad DIN o ISO necesita un engranaje?

Depende de la velocidad periférica, el ruido admisible y la vida exigida. Orientativamente: mecanismos lentos y auxiliares, DIN 9-12 (tallado directo); reductores industriales generales, DIN 7-8; eólica, ferrocarril y transmisiones rápidas o silenciosas, DIN 4-6 (cementado y rectificado); patrones y aplicaciones de máxima precisión, DIN 2-3. Cada grado se verifica midiendo perfil, hélice, paso y excentricidad según ISO 21771.

¿Por qué hay que rectificar los engranajes después del temple?

La cementación y el temple distorsionan el dentado: el perfil, la hélice y el paso se desvían decenas de micras o más, degradando la calidad dos o tres grados DIN. El rectificado de flancos elimina unas creces de 0,1-0,3 mm por flanco y devuelve la geometría exacta sobre el material ya endurecido (58-62 HRC), además de permitir correcciones de flanco que optimizan el contacto bajo carga.

¿Hasta qué tamaño se pueden tallar engranajes?

Las talladoras y rectificadoras de pórtico cubren coronas de varios metros de diámetro y módulos por encima de 30, típicas de molinos de cemento, minería y coronas de orientación eólicas. En España hay talleres que tallan exteriores hasta módulo 34 e interiores en piezas de hasta 14 m y 80 t. Por arriba, el límite práctico lo ponen el transporte y el tratamiento térmico de piezas tan grandes, que a veces se fabrican por segmentos.

¿Se puede fabricar un engranaje sin la herramienta específica de su módulo?

Sí, por dos vías: el fresado de forma en 5 ejes con fresas estándar y software específico (InvoMilling y similares), competitivo en unitarios y módulos grandes, y la electroerosión por hilo para dentados de geometría arbitraria en piezas pasantes, incluso templadas. Ambas evitan fabricar una fresa madre o una brocha dedicadas, a costa de mayor tiempo de ciclo por pieza.