A tecnologia e as vantagens das Prensas-Servo


As prensas mecânicas acionadas por servomotores, estimulam uma nova maneira de pensar sobre a conformação de metais.

THE FABRICATOR BY: TIM HESTON

Na operação de estampagem, o ponto crucial não é a tonelagem da prensa, mas a maximização da energia ou a capacidade da prensa disponibilizar sua capacidade onde é mais necessário, ou seja, entre a ferramenta e a peça. Até recentemente, a única maneira de aumentar a tonelagem em uma prensa mecânica era através de prensas maiores com motores maiores e volantes maiores.

Mas e se uma prensa disponibilizasse sua capacidade de forma diferente?

Essa pergunta estimulou uma nova tendência dos designers de prensas. Os fabricantes removeram o motor principal, o volante e a embreagem, substituindo tudo por um servomotor que concentrou a energia somente quando necessário e, de fato, fez com que o martelo fosse um eixo controlável.

As prensas mecânicas convencionais tipo volante/embreagem, provavelmente continuarão sendo o “cavalo de batalha” da indústria por algum tempo. Ainda assim, seu “primo rico”, as prensas-servo, provavelmente não serão um produto de nicho para sempre. A Toyota, por exemplo, mudou várias linhas para servo-prensas da Komatsu de alta tonelagem, produzindo os painéis da Tundra® em San Antonio, Texas, e o RAV4® em Woodstock, Ont. De acordo com o vice-presidente executivo Jim Landowski, da Wood Dale, com sede em Ill., a Toyota planeja adotar mais prensas servo-acionadas durante os próximos anos, com a intenção de tornar suas estamparias mais flexíveis.

A flexibilidade resume evolução das prensas servo-acionadas. Os pioneiros na adoção desta tecnologia estão percebendo essa flexibilidade e perguntando: "E se?". “E se eu pudesse controlar o movimento martelo em todo o seu curso e permanecer por certos períodos de tempo no ponto morto inferior (PMI)?”. De acordo com pesquisas, estes questionamentos conduziram a novas formas de pensar sobre a Conformação de Metais.

"Em uma prensa servo, você sempre sabe, com precisão de alguns microns, qual é a posição do martelo", disse Dennis Boerger, gerente de produtos da AIDA-America Corp., em Dayton, Ohio. "Isso abre muitas possibilidades".

As Possibilidades

Como Boerger explicou, o movimento de uma prensa pode ser reduzido a uma equação física: "A energia vem da massa vezes a velocidade, ou às vezes, massa vezes a velocidade de rotação". Quanto mais rápido a fonte se movimenta (seja um volante ou servomotor), mais energia fornece. Mas uma prensa com volante, tem ineficiências inerentes. A energia deve ser gerada a partir do volante, transmitida através de uma embreagem, descer pelas bielas que acionam o martelo e este fornece a tonelagem máxima em algum ponto acima do PMI. O motor de acionamento principal, deve então, fazer o volante voltar a acelerar antes que o martelo atinja o material novamente. Por esta razão, as prensas mecânicas não podem funcionar muito devagar porque a velocidade de rotação minimizada do volante não é capaz de fornecer energia suficiente para produzir a força necessária para cortar e/ou conformar o material.

"Mas se eu substituir o volante e a embreagem por um servomotor, posso fornecer o torque máximo a qualquer velocidade, desde próximo á zero até o máximo possível”, disse Boerger.

Com um servomotor, "você pode combinar velocidades e cursos com base na aplicação", disse Landowski. Considere uma peça que requer a conformação através de um curso de 3 polegadas e digamos que o deslocamento de descida do martelo é de 7 polegadas. "Você pode definir o curso do martelo para apenas 3 polegadas, permitindo uma certa abertura após a operação. Desta forma, você pode descer a uma velocidade rápida e, em seguida, desacelerar no último quarto de polegada para realizar a conformação com velocidade controlada, e então voltar a acelerar até o PMS, mantendo tempos de ciclo rápidos.”

"À medida que você encurta o comprimento do curso, você pode aumentar significativamente as velocidades", acrescentou Boerger. Uma prensa hidráulica também pode usar comprimentos de curso mais curtos, mas a natureza do acionamento hidráulico impõe algumas limitações de velocidade, disse ele.

Além disso, como em uma servo-prensa a velocidade de prensagem pode ser controlada e o martelo pode permanecer no PMI por um tempo determinado, mantendo a pressão no final do curso, algumas operações podem até ser eliminadas. De fato, manter o martelo no PMI por um determinado tempo mantém a peça mais estável à medida que ocorre a conformação.

Uma prensa servo pode executar operações de conformação progressiva em uma única ferramenta. Landowski referiu-se a uma aplicação na fabricação de armações de óculos em titânio. O springback do titânio pode ser um grande problema na produção, de modo que a aplicação tradicionalmente exigi uma ferramenta progressiva, com cada estágio formando 1 pol., 1.25 in., 1.5 in., e assim por diante, sendo necessárias de cinco á dez estágios. A prensa servo pode ser programada para executar todas essas etapas de um só golpe, com o martelo parando antes do PMI e em seguida progredindo lentamente para formar a peça, movendo-se de volta, depois voltando para baixo um pouco mais, e assim por diante, até a conformação total da peça.

Como a velocidade do martelo pode ser controlada com precisão, o cisalhamento também pode ser monitorado. Durante a produção ou no desenvolvimento de protótipos, pode-se detectar exatamente quando o cisalhamento do material ocorre e assim, otimizar o processo produtivo. Também se pode controlar esse parâmetro com sensores tipo loop fechado, para monitorar falhas de posicionamento na ferramenta, variação de espessura do material e pontos de dureza acima do especificado, causados por variações de carbono na chapa, dependendo do modelo da servo-prensa e da aplicação, disseram fontes.

Uma estamparia compra uma prensa mecânica padrão com as especificações conforme o trabalho a ser realizado. Não é assim com uma prensa-servo, disse Boerger. "O prensa-servo não se importa. Ela pode fornecer cursos de 1 a 12 polegadas de comprimento ou mais. Ela pode dar uma tonelagem total em 1 curso por minuto ou até a velocidade máxima, e você pode programar o comprimento do curso e o perfil". As operações de corte podem ser feitas um dia e os repuxos profundos no dia seguinte, pelo mesmo equipamento.

Ele acrescentou que, como o movimento do martelo é um eixo controlável, a velocidade pode ser controlada e os efeitos da tonelagem reversa são minimizados após a fratura do material. Isso significa que as operações de corte podem usar uma porcentagem maior da tonelagem geral da pensa. Usando uma prensa de 250 toneladas, tradicionalmente seriam cortadas peças com no máximo de 125 toneladas (metade da capacidade). Com uma prensa-servo com capacidade de 250 toneladas, poderia-se cortar peças até 220 toneladas, dependendo da aplicação, disse Boerger.

Note, no entanto, que as prensas-servo ainda não podem fornecer a tonelagem total em qualquer ponto do curso, como as pressas hidráulicas podem. “A prensa-servo possui uma curva de tonelagem, semelhante á uma prensa mecânica convencional”, disse Boerger. "Uma prensa mecânica padrão de 150 toneladas pode ter sua capacidade máxima abaixo de 6,5 mm do PMI. Quanto mais se afasta do PMI, menos tonelagem está disponível". As mesmas regras se aplicam para as prensas-servo. A diferença? Uma prensa-servo pode parar em qualquer ponto do curso, depois descer para o PMI e fornecer a tonelagem máxima. Como? Um servomotor, ao contrário de um volante, pode fornecer o torque máximo quase que imediatamente.

Servomotores: customizados ou standard?

No final dos anos 90 acontece uma derivação no desenvolvimento das prensas servo. Alguns fornecedores de prensas decidiram desenvolver seus próprios servomotores oferecendo muito mais torque do que qualquer modelo disponível no mercado. Outros usaram servomotores de prateleira juntamente com componentes de alavancagem que, graças às leis newtonianas, multiplicam o torque e, portanto, as tonelagens, chegando até 5.000 toneladas, na época.

A concepção de acionamento direto tem sido, em sua maior parte, limitada a tonelagens mais baixas, porém capacidades maiores têm sido alcançadas. As prensas com acionamento direto estão atingindo capacidades de até 2.000 toneladas como resultado de desenvolvimentos recentes, incluindo as maiores capacidades de torque fornecidas por motores de 400 volts (o dobro das gerações anteriores) e a capacidade de usar múltiplos servomotores para acionar diretamente um único martelo, Boerger disse. "Em vez de ter um servomotor de alto torque, você pode ter uma engrenagem no eixo de transmissão e construir uma caixa que contenha múltiplos servomotores, todos com pinhões que acionam a mesma engrenagem", explicou.

AIDA optou pelo acionamento direto. Os primeiros motores da empresa desenvolvidos internamente "tinham cinco vezes mais torque que o maior motor comercialmente disponível", explicou Boerger. "Na época, um fabricante de servomotores tinha um modelo que tinha cerca de 3.000 libras-pé de torque. O que desenvolvemos tinha cerca de 15.000 libras-pés".

A Amada também adotou a abordagem do acionamento direto, usando um motor de baixo torque e RPM projetado especificamente para os fabricantes de prensa. De acordo com David Stone, gerente de produto, a unidade direta maximiza a energia; o martelo tem mais energia disponível ao longo de uma maior parcela do curso. "A prensa com acionamento direto pode fornecer mais golpes por minuto e tem a capacidade de aplicar elevadas forças no final do curso", o que, segundo ele, é vantajoso para repuxos profundos e trabalhos semelhantes.

Encarando os trabalhos difíceis

"Eu nunca enfrentei um cenário onde uma prensa-servo não fizesse melhor o trabalho", disse Tom Ward, vice-presidente da Ward Manufacturing Co., Evanston, Ill. "Nossa forma convencional de analisar um serviço, tornou-se muito rígida. Uma vez, tivemos que executar um determinado projeto, que não poderia exceder certa tonelagem. Nestes casos, sempre perguntamos: "Como faço para construir a ferramenta para suportar o esforço e trabalhar em uma certa velocidade para que eu possa ganhar dinheiro?" Com a prensa-servo, jogamos tudo pela janela ".

Em 2004, a Ward substituiu alguns equipamento com 30 anos, por quatro prensas-servo AIDA de 250 toneladas. O impulso para a compra veio de um projeto que estava em vias de acontecer, mas o trabalho em si não necessitaria necessariamente de uma prensa-servo. Ward disse que a administração da empresa vislumbrou além desse projeto. "Nós poderíamos ter economizado dinheiro e comprado uma prensa mecânica padrão, mas nós nos perguntamos: onde isso nos leva? Isso nos dá alguma vantagem competitiva?"

A empresa percebeu que os Clientes estavam procurando fornecedores no exterior, por isso, para se manter rentável, Ward disse que a empresa teve que se concentrar em trabalhos precisos, de baixo volume e de alta complexidade, fora do padrão “made in China”. Por exemplo, Ward assumiu um trabalho que envolveu alumínio e uma folha perfurada em camadas, projetada para fornecer blindagem térmica. O material perfurado interno tinha conformabilidade limitada, rasgando-se facilmente sob a ação de uma prensa mecânica padrão. Para esta aplicação, a prensa-servo pode deslocar-se rapidamente, parar logo antes do material, conformar o material de forma extremamente lenta, balanceando cargas e garantindo o fluxo de material suave. "Tudo isso pode ser feito em um único golpe da prensa", disse ele.

Status da tecnologia das Prensas-Servo e uma visão do futuro

As prensas-servo não substituirão as prensas mecânicas convencionais tão breve, as fontes disseram. As prensas mecânicas acionadas por volante, ainda podem fazer muitos trabalhos simples de forma competitiva. As prensas hidráulicas ainda continuam a ser a única tecnologia com a tonelagem máxima disponível ao longo de todo o seu curso, ideal para repuxos extremamente profundos.

Boerger disse que vê a prensa-servo sofrendo a mesma "curva de adoção" que outras tecnologias servo usadas no chão-de-fábrica das estamparias, como alimentação de bobinas e mecanismos de transferência ou transfers.

"Eu acredito que as prensas-servo vão mudar a paisagem das estamparias", acrescentou Stone, "mas não vai acontecer do dia para a noite". Se uma prensa mecânica tradicional está funcionando bem para uma empresa agora, provavelmente irá funcionar no futuro previsível. As áreas em que Stone vê o maior impacto incluem aplicações complexas de conformação e de material exótico, em que as peças não podem ser conformadas de outra maneira.

Como Ward colocou, as prensas-servo levarão as estamparias para trabalhos complexos e de alto valor. "Para nós, esse é um ótimo lugar para estar".

Traduzido livremente por Sérgio Del Bianco, do original www.thefabricator.com de 15/01/2008

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