Cold forging tool for gear accuracy grade improvement by a different shrink fitting method

The manufacturing of the gear profile by Metal Forming is widely used in industry due to its quality and production capability. Direct cold extrusion has this characteristic and with support of peripheral technologies allows the development of asymmetric parts with complex geometry and near net shape. These resources, added with the great experience of a Brazilian forging company with strong presence in the cold forging market, allowed to develop a cold extrusion process to produce spur gears using the low carbon steel alloy described as SAE 10B22. The goal of this study was to develop the whole process, precision tooling project and manufacture as well as the experimental availability of the process. The tools were manufactured with high speed steel AISI M2 having a hardness in a range from 61 up to 63 HRc. The shrink rings were manufactured using steels with more toughness, such as S1 and H13. The application of shrink rings for the prestressing of tooling was evaluated using two different methods. The first one is using conventional shrink rings with tool steel, while the second is the stripwinding concept developed by the company STRECON

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

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

Sinterização de bronze ao alumínio seguido de endurecimento por precipitação através de envelhecimento artificial

O experimento teve como objetivo o desenvolvimento de uma bucha de bronze ao alumínio de alta dureza através do processo de metalurgia do pó e endurecimento por precipitação. Iniciou-se pela definição da liga de bronze equivalente que atingiria os resultados obtidos pelo processo de fundição, ou seja, dureza final acima de 190 HB. Foram elaboradas ligas por metalurgia do pó com cobre como base e alumínio, sendo que a utilizada no processo de fundição não apresentou bons resultados na adaptação para a sinterização. Foram realizados ensaios de compactação visando a maior densidade à verde possível para as respectivas ligas. A sinterização das peças foi feita à temperatura de 885ºC em atmosfera de nitrogênio e hidrogênio até a obtenção de peças com maior resistência e menor variação dimensional. Um fator importante observado foi que o acréscimo de lubrificante na mistura prejudicou a sinterização das peças, resultando em peças com baixa resistência mecânica. Dentre as ligas de bronze estudadas, a que apresentou melhor resistência mecânica e menor variação dimensional foi a liga 81Cu - 11Al - 4Fe - 4Ni. Após a sinterização, realizou-se de ensaios de solubilização com temperaturas próximas do ponto de fusão da liga e sem atmosfera. Verificou-se que houve um crescimento máximo da dureza para a temperatura de 670 ºC, havendo decréscimo após esta temperatura. Posteriormente, as peças que sofreram maior endurecimento resultante da solubilização foram submetidas à precipitação por envelhecimento artificial. Os resultados obtidos após o envelhecimento comprovaram que houve a formação dos precipitados endurecedores e o tratamento térmico do bronze ao alumínio atingiu resultados satisfatórios em relação aos parâmetros especificados. Foram obtidas durezas acima de 150 HB.The experiment had the development of the aluminum bronze bush with high hardness by the metal powder process and precipitation hardening as target. The development was begun by the definition of the bronze alloy which would reach the results of the casting process, hardness up to 190 HB. Different alloys were prepared by powder metallurgy, and the alloy used in the casting process did not have success in adapting to the sintering. The compaction tests were carried out seeking the highest green density for the respective alloys. The sintering of the parts was done at 885ºC and nitrogen/hydrogen atmosphere to obtain the product with greater resistance and less dimensional variation. An important factor observed was that the addition of lubricant damaged the sintering of the parts, resulting in low mechanical strength. Among the bronze alloys studied, the 81Cu - 11Al - 4Fe - 4Ni alloy was chosen by having the best mechanical strength and less dimensional change. After sintering, the solution heat treatment was performed at temperatures near of the alloy’s melting point and no atmosphere. It was found that there was a maximum increase of the hardness at 670ºC, decreasing after this range. Subsequently, the samples which suffered further hardening results from the solution heat treatment were submitted to precipitation heat treatment. The results showed that after the precipitation heat treatment the hardening precipitates were created and the heat treatment of aluminum bronze reached satisfactory results for the specified parameters. Hardness over 150 HB were obtained

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

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