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Máquinas: Mudança no conceito básico do funcionamento de prensas
30/06/2008 09h19

A nova geração de prensas Multi-Estágio para produção de peças complexas

Para aumentar os benefícios do cliente, está na hora de uma mudança fundamental no conceito básico de prensas, que permanece praticamente inalterado por décadas. A utilização da moderna técnica de servo-acionamento e de acionamento direto, assim como o emprego de novos materiais, revestimentos funcionais e métodos de processamento, resulta em soluções completamente inéditas, proporcionando grandes vantagens para o usuário.
As atuais prensas horizontais, com vários estágios para a produção de peças complexas forjadas por compressão a partir de arame, não negam sua origem das antigas prensas de parafusos e porcas. No decorrer dos anos, o benefício do cliente foi ampliado com o acréscimo de técnicas cada vez mais complexas e componentes provenientes de um conceito básico inalterado.
Ao longo do tempo, essas máquinas, inicialmente bastante descomplicadas e confiáveis, se transformaram em instalações altamente complexas, sujeitas a falhas, de alto custo e com necessidade de muito espaço. Alguns passos em direção ao benefício do usuário parecem terminar em um beco sem saída, já está na hora de rever um conceito que foi criado há tempos e sob condições diferentes, levando em consideração os requisitos, as experiências e possibilidades técnicas atuais.
No entanto, esse passo requer um tratamento integral, incluindo todos os aspectos relativos ao mercado, dos usuários de máquinas, dos projetistas de produtos, dos projetistas de ferramentas e processos, dos preparadores e operadores de máquinas, dos projetistas de máquinas bem como dos especialistas em acionamento e projetistas de software. Veja os principais requisitos que uma nova geração de conformadores de peças a partir de arames deve preencher para aumentar os benefícios do cliente:
-Aperfeiçoar a precisão do produto
- Melhorar a flexibilidade correspondente à geometria do produto e à configuração das ferramentas
-Redução do tempo de ajustes e simplificação do processo de ajuste com resultados de melhor reprodução
- Aumento da confiabilidade e redução do custo com manutenção e reparos
-Necessidade reduzida de espaço e energia
-Menor custo de aquisição
Com base em experiências de muitos anos e em conhecimentos de um usuário de máquinas, projetista de máquinas, projetista de ferramentas e processos e preparador, e incluindo a técnica cada vez mais potente de servo-acionamento e acionamento direto elétrico, como também o uso de novos materiais, revestimentos funcionais e métodos de processamento, nasceu uma nova visão do conceito de máquina que preenche todos estes requisitos.
A realização das idéias individuais requer, porém, o desenvolvimento abrangente de detalhes e pode ser efetuada somente passo a passo. Dependendo dos requisitos do cliente e do espectro de produção, as máquinas construídas de forma tradicional irão manter sua função durante esta fase.
Os pontos individuais do novo conceito:
A solução para alguns dos itens aqui citados foi possível, em muitos casos, somente após a integração das possibilidades e condições recém-criadas de um outro item.
Acionamento direto das árvores de manivela através de servo-torque-motor
Vantagens:
- Eliminação da combinação freio-embreagem que requer manutenção intensiva
- Força plena de prensagem também no início do curso e no avanço lento
- Evolução de força – curso livremente programável
- Ângulo de frenagem muito pequeno
- Compacto e isento de manutenção
- Elevado grau de eficácia
No entanto, o acionamento convencional não pode ser simplesmente substituído por um acionamento direto sem alterar a cinemática. Uma vez que, no acionamento direto sem volante, o próprio motor deve fornecer o torque necessário para a evolução da força de prensagem, a potência máxima necessária do acionamento direto seria maior, por um fator economicamente não justificável, do que no acionamento convencional comparável com volante.
Com a possível rotação descontínua da árvore de manivela, o curso do carro pode ser significativamente diminuído, reduzindo o torque necessário de maneira correspondente, uma vez que o tempo necessário para o transporte transversal dos estágios entre punções e matrizes não precisa mais ser gerado pela sobre-elevação do carro, e sim pela redução das rotações no ponto morto dianteiro. Como efeito secundário, a máquina é construída de forma mais compacta e rígida.
Pela alteração da cinemática da manivela para “biela puxadora” (eixo de manivelas atrás das matrizes), em vez da “biela empurradora” (eixo de manivelas atrás dos punções), o torque necessário pode ser mais uma vez reduzido. O elevado consumo de corrente do acionamento direto no momento da conformação pode ser compensado por meio de um acumulador elétrico de volante, que serve também para armazenar a energia recuperada de frenagem. É um motor independente com volante, mantido no número de rotações, por meio da corrente fornecida pela rede e limitada à potência nominal. Pelo acoplamento de circuito intermediário dos conversores, ele disponibiliza então a potência máxima necessária através da queda do número das rotações.
Duas árvores de manivela, girando em sentido oposto e colocadas atrás das matrizes sobrepostas uma a outra, possuindo pinos nas duas extremidades e com bielas discóides
Vantagens:
- Evolução do tempo de deslocamento favorável – pela cinemática da “biela puxadora” com comprimento bem pequeno da biela - em conexão com o servo-acionamento direto para reduzir o torque necessário.
- Compensação dos componentes de forças verticais sobre a guia do carro
- Compensação simples de massas
- Construção muito compacta
- Resistente contra cargas fora do centro – o bloco maciço de punção é conduzido, com rigidez e sem folga, diretamente no bloco da matriz pelas colunas-guia maciças bilaterais que transmitem a força de prensagem dos pinos de manivela laterais – o carro de prensagem convencional com a respectiva guia não é necessário
- A saída simples e suave do produto, separadamente para cada estágio, é possível agora por meio de calhas curtas juntamente posicionadas em sentido longitudinal, diretamente abaixo do bloco do punção
- Limitação precisa da força mecânica por meio de tirantes de ancoragem pré-tensionados de eixo reduzido nas colunas-guia rígidas – ao exceder a tensão previamente ajustada, estes esticam-se elasticamente por vários milímetros, apenas com um pequeno aumento da força, e absorvem a energia até a parada das árvores de manivela.
O último item citado acima é a precondição para o mecanismo de manivela, completamente equipado com mancal anti-fricção. Este mecanismo por sua vez é a pré-condição para atingir a força máxima de prensagem, mesmo em avanço lento, e para evitar o emperramento da prensa no ponto morto superior e também para um elevado grau de eficácia e para o movimento do carro isento de folga axial. Em mancais de deslizamento convencionais, a fricção aumenta de forma acentuada em velocidade muito baixa, devido à ausência do efeito lubrificante hidrodinâmico, de maneira que uma boa parte do torque é perdida para superar a fricção do mancal.
Corte de impacto com massa de choque acionada por servo-motor
Vantagens:
- Velocidade constante de cisalhamento, de até 10m/s, independentemente do número de golpes da prensa
- Superfícies de cisalhamento planos e limpos, com deformação e endurecimento mínimos mesmo em materiais moles
- Estruturação mecânica simples e de pouca manutenção sem derivação de acionamento da prensa
- Baixo consumo de energia
O problema principal dos sistemas de corte de impacto conhecidos – sejam eles de acionamento mecânico, hidráulico, pneumático ou elétrico – consiste em captar e desfazer a energia excedente que não é usada pelo processo de cisalhamento, mas que é necessária para uma velocidade suficiente no fim do cisalhamento. Na versão desenvolvida, este problema é solucionado, de acordo com a invenção, de forma simples: Ao contrário de outras execuções, a massa de impacto (martelo) e a contra-massa (carro e faca de cisalhamento) possuem aproximadamente a mesma grandeza. Com isso temos, segundo as leis do impacto elástico, os seguintes acontecimentos:
O martelo é acelerado pelo servo-motor e bate, com a velocidade programada, na faca que se encontra em sua posição inicial. Após um curso definido pela rigidez de mola dos elementos de impacto na faixa de décimos de milímetros, o martelo pára e a faca é acelerada para uma velocidade aproximadamente igual, após o cisalhamento do material, a velocidade residual da faca é freada por elementos resilientes, os quais voltam a acelerar a faca então em direção oposta. Um pouco antes da posição inicial da faca, esta se choca, sob a energia restante, com o martelo que ainda está nesse ponto. A faca pára então diretamente à frente do seu encosto, e o martelo é acelerado com a energia restante para trás. O servo-motor freia o martelo sob recuperação da energia e coloca-o em sua posição inicial.
A sincronização com a prensa é feita através de um impulso elétrico no momento correspondente. A seção cortada é ejetada da faca pelo material subseqüente. Para agarrar e fazer o transporte transversal da seção cortada, o movimento de alimentação pára por um instante após um curso, a uma medida correspondente à largura da faca, para terminar o curso somente depois, em comprimentos inferiores à espessura da faca, na direção de retorno.
Alimentação linear com acionamento direto por servo-motor do carro dos mordentes do arame acionados por servo-motor.
Vantagens:
- Mudança do comprimento de alimentação de 0 até o máximo, sem ajustes mecânicos, somente pela programação com precisão de 0,01 mm.
- A correção do comprimento é possível com a prensa em funcionamento
- Sem variações do comprimento de cisalhamento em caso de oscilações da contra-força de alimentação
- Sem troca de mordentes de fixação em caso da troca do diâmetro do arame
- Estruturação mecânica muito simples e isento de desgaste, sem derivação de acionamento da prensa, sem parte hidráulica
- Baixo consumo de energia.
O módulo de alimentação compacto e completo (figura 1) pode ser montado facilmente em instalações existentes. A sincronização com a prensa é feita por meio de um encoder da árvore de manivela. Em unidades construtivas menores, o acionamento dos mordentes do arame é feito por meio pneumático utilizando válvulas de comutação instantânea e cilindros de curso rápido e pequeno e de transmissão excêntrica.
 
 
Pinças transportadoras acionadas por servo-motor e carro de transferência acionado por servos-motores.
Vantagens:
- Mudança do momento e da seqüência dos movimentos individuais das pinças e do movimento transversal sem ajustes mecânicos, somente pela programação.
- Monitoramento simples das garras sem sensores adicionais, somente por meio das informações referentes à posição e às forças presentes no servo-comando
- Movimento muito rápido das garras e do transporte transversal; isso permite a simplificação das ferramentas e garras também de peças curtas diretamente do punção (em vez de pinças inversoras)
- Estruturação mecânica simples, de pouca manutenção e desgaste
- Sem acoplamento mecânico de acionamento à prensa, com isso, tornam-se fácil de afastar, simplesmente virando-as para o lado.
O módulo de transferência compacto e completo (figura 2) pode ser montado facilmente em prensas existentes. Pelo comando eletrônico de trajeto com a árvore de manivela como eixo-mestre, a seqüência do movimento em relação ao movimento do carro permanece sempre igual, independentemente do número de golpes da prensa.
 
Por meio de uma nova cinemática especial, as pinças abrem e movimentam-se, acima do diâmetro máximo do punção, correspondente a 95% da distância da matriz, não alterando o centro de agarramento no início do movimento de abertura. As garras, de baixo preço e configuradas de forma simples, podem ser trocadas rapidamente, graças à fixação precisa, sem ajustes.
Extratores mecânicos sincronizados, acoplados diretamente ao movimento do carro
Vantagens:
- Seqüência de movimento em sincronismo exato com o movimento do carro, independentemente do ajuste para o comprimento do curso de elevação e momento
- Curso de extração e momento facilmente ajustáveis
- Sistema idêntico do lado da matriz e do lado do punção, com os mesmos golpes máximos de elevação e forças
- Estruturação mecânica simples, com fluxo de força direto, curto e rígido. Com isso, obtêm-se forças elevadas de extração e pouco desvio
- Limitação e monitoramento de força mecânica simples, ajustável, sem partes de ruptura pré-determinadas.
 
O sistema de extração da matriz, disposto atrás do bloco da matriz, está rigidamente ligado ao carro; o sistema de extração do punção, disposto atrás do carro, está rigidamente ligado ao corpo da máquina. A limitação dos golpes de extração, ajustadas de forma específica do estágio, é realizada pelo desacoplamento do movimento do carro, acionado pelo dobrar comandado por came da alavanca dobrável, esticada durante o curso sincronizado de extração.
Ajuste da posição do suporte do pino extrator no lado da matriz através de sistema de troca rápida e previamente ajustáveis pelo lado externo atrás de cada matriz.
Vantagens:
- Dispensa as buchas roscadas no corpo da máquina, permitindo uma construção mais compacta
- Dispensa o ajuste servo-motor das buchas roscadas sem influência negativa para o tempo de regulagem
- Maior rigidez e precisão do suporte do pino extrator
- Reprodutibilidade mais precisa do ajuste
Os blocos do sistema de ajuste podem ser retirados facilmente por cima, sem desmontagem das matrizes, e estão presentes em duas peças para permitir a troca rápida.
Regulagem axial do punção por meio do anel de pressão hidrostática atrás de cada punção.
Vantagens:
- Dispensa as cunhas de regulagem que estão sujeitas a desgaste fácil que enfraquecem o carro
- Proteção contra sobrecarga ajustável individualmente por estágio
- Monitoramento preciso de força absoluta e medição de força em cada estágio.
-Alojamento idêntico de ferramenta nos lados do punção e da matriz
Vantagens:
-Alta flexibilidade na geometria do produto, configuração do procedimento, projeto de ferramenta e padronização
Bloco de matriz e de punção com metades superiores basculáveis que, depois da abertura motora, dão acesso completo aos pacotes de ferramenta.
Vantagens:
- Os pacotes de punção e matriz podem ser facilmente retirados por cima com a utilização de um dispositivo acessório de elevação com acoplamentos rápidos – tanto completamente como individualmente – usando um guindaste simples. Essa possibilidade dispensa os sistemas problemáticos e caros de troca de blocos
- A fixação manual ou hidráulica radial da ferramenta não é mais necessária. A fixação axial da ferramenta é feita por uma pequena ranhura anelar na metade inferior do bloco. No lado do punção, esta altera sua posição axial com a regulagem axial do punção. No lado da matriz, com a abertura da metade superior do bloco, é virada para o lado simultaneamente com o módulo de transferência montado sobre esta parte.
Desenvolvimento de ferramentas
Reforço de matrizes para forças de estampagem extremamente elevadas. A exigência dos projetistas de ferramentas por maiores diâmetros para instalação de ferramentas, como premissa para melhores condições de reforço e vida útil prolongada, não pode ser atendida pelos fabricantes de máquinas sem influência negativa para o tamanho construtivo de toda a máquina e, conseqüentemente, para a quantidade máxima de ciclos da prensa.
Em caso de problemas referentes à vida útil em conseqüência a pré-tensão radial insuficiente, são utilizados reforços como anéis múltiplos ou reforço por fitas. Estes aproveitam melhor, em termos de tensão, o volume existente do anel de reforço do que um anel de reforço simples (segundo as equações de LAMÉ).
E também, reforços por fitas modernas não proporcionam melhorias significativas em caso de condições desfavoráveis de diâmetro de De/Di [diâmetro externo/diâmetro interno] < 4, uma vez que por causa do invólucro externo necessário e do anel de suporte interno, não sobra muito espaço para a fita bobinada geradora da pré-tensão. Quando o reforço por fita tiver de absorver grandes forças axiais, as respectivas medidas construtivas reduzem ainda mais o volume máximo da fita bobinada.
Por esta razão, está sendo desenvolvido agora um anel de reforço maciço de uma só peça, onde é gerado, através de um processo especial de fabricação e tratamento, um estado de tensão interna, semelhante a um esforço bobinado (tensões tangenciais internas elevadas de pressão no diâmetro interno do anel que, em direção ao diâmetro externo, se convertem em tensões tangenciais internas de tração). O anel de reforço suporta sobremedidas de junta de mais de 1% sem expansão plástica, mesmo após várias trocas do núcleo, isso a uma proporção do diâmetro externo do anel para o diâmetro interno do anel de apenas 2:1.

 

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