Prensa mecánica: definición, principios de diseño y guía de selección

¿Qué es una prensa de potencia?

A prensa de potencia Es una sofisticada máquina de estampación de metales que se utiliza para dar forma, cortar, formar y perforar metales con rapidez y precisión, lo que la convierte en una herramienta indispensable en la producción en masa para la fabricación de piezas y componentes metálicos. Estas prensas se presentan en dos tipos principales: hidráulicas y mecánicas, cada una de las cuales ofrece distintas ventajas en el proceso de fabricación.

Las prensas mecánicas, que funcionan con principios mecánicos, hidráulicos o de servomotor, utilizan diferentes mecanismos para generar la fuerza necesaria para dar forma a los metales. Las prensas mecánicas emplean un sistema de embragues, volantes, cigüeñales y émbolos fijos y móviles para convertir el movimiento circular en fuerza lineal. Las prensas hidráulicas, por otro lado, utilizan la presión del fluido hidráulico para comprimir y dar forma a los metales de manera efectiva. Las prensas servo son accionadas por servomotores que controlan el movimiento del deslizador de la prensa a través de engranajes excéntricos, lo que garantiza un funcionamiento preciso.

En los tres tipos de prensas, la forma final de la pieza de trabajo está determinada por el encuentro de las mitades superior e inferior de una matriz cuando se presionan juntas bajo la fuerza ejercida por la prensa.

Antes de la llegada de las prensas mecánicas, dar forma a las láminas de metal era una tarea que requería mucha mano de obra y esfuerzo. Sin embargo, la introducción de las prensas mecánicas revolucionó el proceso, ya que introdujo fuerza mecánica y precisión que mejoraron enormemente la eficiencia en las industrias metalúrgicas.

Principios de las prensas mecánicas

Máquinas de prensado a presión El principio de trabajo consiste en dar forma a las láminas metálicas mediante la aplicación de la fuerza necesaria. Las piezas principales que se utilizan son un ariete, una bancada, un volante, un embrague y un cigüeñal. El ariete y la bancada están equipados con una combinación de matrices que permiten dar forma a una lámina metálica. El movimiento de rotación de un volante es impulsado por un motor eléctrico.

El volante giratorio está unido al cigüeñal mediante un embrague. Las matrices superior e inferior están unidas al ariete, una pieza de trabajo de la bancada se introduce en la máquina y se inicia el proceso. Como resultado del movimiento giratorio del volante, se realizan trabajos de prensado y conformación cuando las matrices superior e inferior aplican una fuerza en conjunto. Una vez finalizado el proceso, la pieza de trabajo formada se separa y se reemplaza por una nueva pieza de trabajo, y se repite el mismo proceso.

Cómo calcular el tamaño de una prensa mecánica

Para calcular correctamente el tamaño de una prensa mecánica, se debe definir el tonelaje necesario, el tamaño de la mesa de trabajo y la altura de apertura de la prensa.

• El tonelaje se determina en función del tipo y espesor del material a procesar y de la forma y tamaño de la herramienta de prensado.
• Para definir el tamaño de la mesa de trabajo, basta con conocer el tamaño máximo de los materiales que se van a manipular.
• Para seleccionar la altura de apertura de una prensa, la elección debe basarse en la extensión del estampado y la altura necesaria para despejar la pieza de trabajo.
• La velocidad de trabajo es un aspecto importante a tener en cuenta, especialmente para la producción en serie.

Diseños de prensas mecánicas

Las prensas mecánicas varían en diseño según la forma en que generan fuerza. En una prensa mecánica, el componente clave es el volante, que acumula energía rotacional para impulsar el ariete. Las prensas hidráulicas, por otro lado, dependen de la presión del fluido hidráulico para suministrar fuerza, mientras que las prensas con servomotor utilizan un motor para generar movimiento rotacional que luego se convierte en movimiento lineal.

La elección del tipo adecuado de prensa mecánica depende de varios factores. Las prensas mecánicas, que son el método más antiguo, se basan en el concepto de utilizar un volante de inercia. Las prensas hidráulicas, que se utilizan ampliamente, se desarrollaron como reemplazo de las prensas mecánicas. Por su parte, las prensas con servomotor representan el avance más reciente en la tecnología de prensas mecánicas.

Diseño de prensa hidráulica

La prensa hidráulica fue introducida hace más de 200 años por un ingeniero británico. Durante la primera revolución industrial, se utilizó para forjar como una forma de reemplazar los martillos de vapor. Con el paso de los años, el tonelaje de las prensas hidráulicas ha aumentado gradualmente hasta alcanzar miles de toneladas, con la capacidad de producir en masa una amplia variedad de piezas y componentes.

Una prensa hidráulica utiliza una bomba, placas terminales y un pistón que crea presión en un fluido para formar y dar forma a las piezas metálicas. El componente principal de una prensa hidráulica es su bomba, que bombea aceite a presión a un cilindro.

Cilindro

El cilindro contiene un pistón que se mueve hacia arriba y hacia abajo para crear la fuerza de compresión. El pistón del cilindro actúa como una bomba para producir la fuerza. Es la parte de una prensa hidráulica que produce la potencia para aplicar fuerza a la pieza de trabajo.

Depósito

El depósito contiene el fluido hidráulico, recoge los contaminantes del fluido, elimina el aire y la humedad del fluido y envía calor al sistema. El fluido hidráulico se envía desde el depósito hasta el cilindro a través de un tubo.

Válvula

La válvula ayuda a aliviar la presión y controla el flujo de fluido desde la bomba hasta el cilindro. Además, la válvula regula la velocidad de la prensa y la cantidad de fuerza que produce. Funciona como un limitador de presión. Un manómetro mide la presión del fluido hidráulico para garantizar que funcione dentro de su rango de presión.

Bomba hidráulica

La bomba hidráulica es la parte mecánica de una prensa hidráulica que mueve el fluido hidráulico hasta el depósito y convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Genera un flujo potente contra la presión en la salida.

Platos

Las placas de la prensa sostienen la pieza de trabajo en su lugar y proporcionan una plataforma para que la prensa doble, perfore, estampe o perfore la pieza de trabajo. Son la parte de la prensa que hace contacto con la pieza de trabajo.

Mangueras

El movimiento del fluido hidráulico depende de un conjunto de mangueras que trasladan el fluido desde la bomba hasta el cilindro y el depósito. Las mangueras están hechas de material duradero y resistente que es capaz de soportar la presión y el calor producidos durante el funcionamiento de la prensa. Los materiales comunes para las mangueras son los termoplásticos, los cauchos sintéticos y el politetrafluoroetileno (PTFE), que son materiales capaces de resistir la corrosión y los efectos de la exposición a productos químicos.

RAM

El ariete se desliza dentro del marco y aplica presión a la matriz. Según el diseño de la prensa hidráulica, el ariete puede moverse horizontal o verticalmente; algunas prensas hidráulicas tienen varios arietes para el proceso de formación.

Cama

La cama es una superficie de apoyo plana que sostiene la matriz mientras el ariete aplica fuerza.

Diseño de prensa servo

Una prensa servo utiliza precisión y un servomotor para controlar el movimiento del ariete. Son populares por su posicionamiento preciso del ariete, lo que es ideal para la producción de piezas que requieren precisión y repetibilidad óptima. El servomotor está conectado a una forma de actuador lineal, como un tornillo de bolas, que controla el movimiento ascendente y descendente del ariete.

En una prensa servomecánica, se han eliminado el motor principal, el volante y el embrague y se han reemplazado por un servomotor que hace que el ariete sea más controlable. La eliminación de las piezas de una prensa mecánica tradicional da como resultado una prensa servo con menos piezas de accionamiento y una estructura simplificada. En una prensa mecánica o hidráulica típica, el ariete se mueve hacia abajo con gran fuerza y golpea la pieza de trabajo para crear la forma deseada, después de lo cual vuelve a su posición original hacia arriba. Con una prensa servo, el ariete se puede controlar hasta el punto de que puede golpear la pieza de trabajo y permanecer en contacto durante un período prolongado.

Las prensas servo se utilizan para aplicaciones que requieren una precisión y un control excepcionales, como la fabricación aeroespacial y electrónica. Son capaces de producir las aplicaciones de estampado, punzonado y conformado de las prensas mecánicas e hidráulicas, pero con mayor precisión.

Servomotor

El servomotor acciona el ariete de una prensa servo y proporciona potencia y fuerza al sistema de prensa servo. Los tipos de motores que se utilizan en una prensa servo son el accionamiento directo y el accionamiento por servomotor con reductor.

Transmisión directa

Un motor de accionamiento directo está conectado directamente al actuador y es un motor de par alto y baja velocidad con una estructura simple, alta eficiencia y bajo nivel de ruido. Tiene un par limitado, lo que limita su uso a servoprensas de bajo tonelaje.

Servomotor con reductor

Un servomotor con reductor permite una aceleración y desaceleración rápidas. Tiene una relación de reducción de velocidad que combina la inercia del motor y la caja de cambios con la inercia de la carga impulsada, lo que hace que el motor funcione de manera más eficiente.

Los servomotores con reductor adoptan tres tipos de transmisión diferentes, que son la desaceleración con biela de manivela, con biela de manivela o con biela de tornillo. Este tipo de construcción permite que un servomotor de bajo par y alta velocidad pueda accionar prensas de gran tonelaje.

Solenoide

El actuador es la parte de una prensa con servomotor que transforma el movimiento rotatorio en movimiento lineal. Los actuadores de husillo de bolas son los más utilizados y consisten en un conjunto de tornillo y tuerca con cojinetes de bolas para proporcionar un movimiento suave, uniforme y eficiente. La construcción de un actuador de husillo de bolas consiste en una tuerca montada en un eje ranurado. A medida que el tornillo gira, la tuerca se mueve hacia arriba y hacia abajo por el eje creando un movimiento lineal y un control de precisión.

Controlador

El controlador recibe información de los sensores, que utiliza para enviar señales de salida al servomotor. Los algoritmos programados en el controlador regulan los movimientos de la prensa para garantizar un funcionamiento preciso y una repetibilidad exacta. Con las prensas hidráulicas y mecánicas, es difícil controlar la carrera, la presión de la carrera y el movimiento del deslizador. Una prensa servo se puede programar para controlar la carrera, la velocidad y la presión con precisión, lo que permite que la prensa alcance el tonelaje deseado a baja velocidad.

Sensores - Para que el controlador funcione correctamente, necesita datos sobre la posición, la fuerza y la velocidad del ariete. Los sensores internos y externos envían información al controlador, que convierte los datos en señales de comando para la prensa.

Interfaz hombre-máquina (HMI) - La HMI conecta a los operadores con la prensa servo y les permite monitorear, ajustar y cambiar aspectos de las operaciones de la prensa servo, como la velocidad, la fuerza y el posicionamiento. Un componente necesario de las prensas servo es una interfaz fácil de usar con gráficos que se muestran en tiempo real en la HMI, que se puede programar según las necesidades de la pieza que se está fabricando.

En el caso de sistemas complejos de HMI, se utiliza un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) para interconectar las HMI en una fábrica o instalación. La información y los comandos se pueden enviar a una HMI específica o a varias HMI mediante el sistema SCADA.

Diseño de prensa mecánica

Los componentes principales para la transmisión de potencia en una prensa mecánica son el embrague, el cigüeñal, el volante, el cilindro móvil y el cilindro fijo. La corredera está unida a un cigüeñal mediante bielas (“pitmans”).

El cigüeñal está acoplado al volante, que gira constantemente mientras el motor está en marcha. Un embrague conecta el volante giratorio con el cigüeñal. El cigüeñal convierte el movimiento de rotación del volante en movimientos ascendentes y descendentes de la corredera de la prensa.

RAM

El émbolo es el componente operativo principal de una prensa mecánica, que opera directamente durante el conformado de una pieza de trabajo. El émbolo se mueve de un lado a otro dentro de sus guías, que prescriben una longitud de carrera y una potencia. La longitud de carrera y la potencia transferidas se pueden ajustar de acuerdo con los requisitos de la operación. El extremo inferior del émbolo lleva el punzón para procesar la pieza de trabajo.

Volante

Para mantener una velocidad constante del cabezal cuando se presiona el punzón sobre la pieza de trabajo, se dispone una polea o engranaje conducido en forma de volante (que sirve para almacenar la reserva de energía). El volante se fija en el borde del eje de transmisión y se une a él mediante un embrague.

La energía se almacena en el volante cuando está inactivo. Si la máquina no tiene suficiente energía en el volante, se detendrá y no podrá terminar la operación. Básicamente, al utilizar un volante, el motor puede trabajar con menos capacidad. Al mismo tiempo, se suministra el tonelaje máximo según las necesidades de la operación.

Para un mayor espacio de trabajo (en el caso de un proceso de embutición) y para un procesamiento más rápido (en el caso de un proceso de perforación o troquelado automático), se debe proporcionar más potencia y energía.

En el proceso de troquelado, el trabajo se termina en una parte muy corta de la carrera. Por lo tanto, en este caso, la energía se debe extraer del volante de inercia, que proporciona instantáneamente toda la energía necesaria para el funcionamiento. Lo mismo se aplica al resto del período del ciclo. El proceso de embutición ocupa una parte importante del ciclo. Como el tiempo es suficiente, se puede aprovechar el exceso de energía del motor y la energía faltante se puede proporcionar al volante de inercia.

Reducción de velocidad admisible del volante:

Su valor para operación discontinua = 20%

Para funcionamiento continuo = 10%

• E = energía
• D = diámetro del volante
• W = peso del volante.
• N = velocidad, R = radio de giro.

De la operación E = P x K x L

• P = fuerza media, L = longitud de carrera.
• K es la pérdida por fricción (constante).

Si la energía del volante es menor que P x K x L, se debe aumentar la velocidad N.

Embrague

El embrague mecánico se utiliza para conectar y desconectar el eje de transmisión del volante cuando es esencial detener o iniciar el movimiento del ariete. Un embrague mueve el par generado por el volante y lo impulsa hacia el eje de engranaje. En las prensas mecánicas se utilizan dos tipos diferentes de embragues: embragues de revolución completa y embragues de revolución parcial.

Embrague de revolución completa

Según la definición de OSHA, un embrague de revolución completa es un tipo de embrague que, cuando se activa, no se puede desacoplar hasta que el cigüeñal haya completado casi una revolución y la corredera de la prensa haya completado un recorrido completo. Las prensas con embragues de revolución completa son generalmente más antiguas y más peligrosas debido a su funcionamiento cíclico.

Embrague de revolución parcial

Un embrague de revolución parcial, también definido por OSHA, es un tipo de embrague que se puede desacoplar en cualquier momento antes de que el cigüeñal haya realizado una revolución completa y la corredera de la prensa haya realizado un recorrido completo. La mayoría de las prensas mecánicas de revolución parcial tienen embrague y freno neumáticos. Cuando el aire queda atrapado y comprimido en los compartimentos, el embrague se acopla y el freno se desacopla. Para detener la prensa, se produce el proceso inverso.

Frenos

Los frenos se utilizan para detener el movimiento del eje impulsor inmediatamente después de que se desconecta del volante.

Los frenos son muy importantes en cualquier sistema móvil. Por lo general, se utilizan dos tipos de frenos. El primer tipo es un freno normal que puede detener el eje impulsado rápidamente después de desacoplarse del volante. El otro es un freno de emergencia que se ofrece como freno de pie para cualquier prensa mecánica. Estos frenos tienen un interruptor de apagado con un frenado fuerte normal para detener todos los movimientos rápidamente.

Base

La base es la estructura de soporte de la prensa y ofrece mecanismos para sujetar e inclinar el marco en una prensa inclinada. Sostiene las matrices de sujeción de la pieza de trabajo y varias herramientas de control de la prensa. El tamaño de la mesa limita el tamaño de la pieza de trabajo que se puede procesar en la prensa mecánica.

Mecanismo de accionamiento

En diversos tipos de prensas se aplican distintos tipos de mecanismos de accionamiento, como la configuración de pistón y cilindro en una prensa hidráulica, la configuración excéntrica y de cigüeñal en una prensa mecánica, etc. Estos mecanismos se utilizan para accionar el ariete moviendo potencia desde el motor hasta el ariete.

Mecanismo de control

Los mecanismos de control se utilizan para hacer funcionar una prensa en condiciones controladas y programadas previamente. Normalmente, los mecanismos de control configuran dos parámetros: la potencia de la carrera y la longitud de la carrera del pistón. La transferencia de potencia se puede cortar con la ayuda de un embrague que se ofrece con los mecanismos de accionamiento según los requisitos. En muchas prensas mecánicas, los mecanismos de control son inherentes a los mecanismos de accionamiento. Hoy en día, se utilizan prensas controladas por computadora en las que el control está guiado por un microprocesador. Estas prensas mecánicas proporcionan un control preciso y confiable con automatización.

Placa de refuerzo

Se trata de una placa gruesa fijada a la base o lecho de la prensa. Se utiliza para sujetar el conjunto de matrices de forma rígida para sostener la pieza de trabajo. La matriz que se utiliza en el trabajo con prensa puede tener más de un componente, por lo que se utiliza el nombre de "conjunto de matrices" en lugar de matriz.

Las prensas alimentadas manualmente se accionan con el pie o con dos controles manuales o con gatillos. Con el control con el pie, la prensa se activa presionando un pedal o un interruptor.

Deja las manos libres mientras se hace funcionar la prensa. Este movimiento de manos libres pone a los operadores que usan el pedal en un mayor riesgo de sufrir lesiones mientras operan. Aproximadamente el doble de lesiones en las prensas se producen con las prensas controladas con el pie. Con controles o dispositivos de accionamiento con dos manos, cuando se coloca una pieza de trabajo en la prensa, ambas manos deben retirarse del punto de operación para presionar los botones.

Elija una prensa de potencia adecuada

Seleccionar la prensa mecánica adecuada es crucial para lograr operaciones eficientes y evitar el desperdicio de inversión en equipos. A continuación, se indican algunas consideraciones clave:

Comprensión de los métodos de procesamiento y operación:

Se deben comprender los diferentes métodos de estampado y corte para determinar el tipo de punzón apropiado.

Volumen de producción:

Para lotes que superan las 3000-5000 piezas, la alimentación automática es más beneficiosa. Para grandes cantidades de producción, se debe considerar el procesamiento continuo y por transferencia.

Forma y tamaño del material:

Es esencial comprender las características del material, las tasas de uso y los métodos de procesamiento.

Manipulación de materiales:

El manejo eficiente de materiales, incluido el suministro de materiales, la extracción de productos y la eliminación de residuos, es crucial para la productividad general.

Frecuencia de uso del buffer de matriz:

Se deben considerar los topes de matriz para operaciones de extensión para facilitar procesos de embutición difíciles, especialmente en punzones de acción simple.

Capacidad de procesamiento de perforación:

Calcule la presión de procesamiento requerida y la curva de carrera, considerando el procesamiento de ingeniería múltiple y las cargas excéntricas.

Precisión dimensional:

Elija una prensa eléctrica según la precisión y tolerancia requeridas, con prensas servo que ofrecen un control de precisión superior.

Entendiendo la función Punch:

Investigue completamente las especificaciones de la perforadora y seleccione los accesorios adecuados para mejorar la productividad.

Confiabilidad y Mantenimiento:

Elija una prensa eléctrica con características de seguridad, teniendo en cuenta el riesgo asociado con las operaciones de prensado, y aborde las preocupaciones sobre el ruido y la vibración para cumplir con las regulaciones.

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