Η ανάπτυξη ενός συστήματος συγκράτησης εργαλείων με υδραυλική πίεση, με απλότητα λειτουργίας, χωρίς περίπλοκα εξαρτήματα, με ευκολία παραγωγής και με λογικό κόστος έχει πολλά πλεονεκτήματα, το βασικότερο απ’ τα οποία είναι ότι δεν χρειάζεται να αγοραστούν νέα εργαλεία κατά την υιοθέτησή του.
Των κ. Γιώργου Βοσνιάκου και Ευάγγελου Νικολιδάκη*
Η υψηλή παραγωγικότητα στην κάμψη ελάσματος εξασφαλίζεται από υδραυλικές στράντζες CNC, που μερικές φορές εξυπηρετούνται από ρομπότ. Αυτό καθιστά δυνατή τη γρήγορη αλλαγή μερίδων παραγωγής, με την προϋπόθεση ότι μπορούν να αλλαχθούν γρήγορα και τα εργαλεία κάμψης.
Ωστόσο, συχνά χρησιμοποιείται συμβατική συγκράτηση εργαλείων, που περιλαμβάνει σφίξιμο και χαλάρωση ενός αριθμού κοχλιών για κάθε μονάδα συγκράτησης και μεγάλο αριθμό μονάδων. Τα εργαλεία εισάγονται και εξάγονται οριζόντια στις συμβατικές μονάδες συγκράτησης και είναι αλληλεξαρτώμενα, ενώ η εισαγωγή και εξαγωγή κατακόρυφα ενέχει κίνδυνο ατυχήματος.
Τα τυποποιημένα εργαλεία ευρωπαϊκού τύπου μπορεί να είναι πιο περίπλοκα και μπορούν να υποστηρίξουν μια ευρύτερη ποικιλία μορφών κάμψης σε σύγκριση με αυτά του αμερικανικού τύπου. Εργαλεία ενός «νέου προτύπου» εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα, ως μια προσπάθεια συνδυασμού των πλεονεκτημάτων του αμερικανικού και του ευρωπαϊκού τύπου και συμβιβασμού των μειονεκτημάτων τους, εστιάζοντας στην ταχεία αντικατάσταση σε κατακόρυφη διεύθυνση με υδραυλική σύσφιγξη. Ωστόσο, είναι δαπανηρά, απαιτούν ειδικά συστήματα συγκράτησης και δεν είναι ακόμα καλά εδραιωμένα.
Ένα τυπικό μη συμβατικό σύστημα σύσφιγξης εργαλείων κατά το «νέο πρότυπο» θα πρέπει να χρησιμοποιείται με κατάλληλους προσαρμογείς σε οποιαδήποτε στράντζα, να επιτρέπει τόσο οριζόντια όσο και κατακόρυφη φόρτωση και εκφόρτωση εργαλείων, καθώς επίσης να μπορεί να φέρει φορτία έως 250-300 t/m, κάτι που συνήθως εξασφαλίζεται από υλικό κατασκευής χάλυβα υψηλής αντοχής 700 – 1.000 MPa.
Στο άρθρο αυτό παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός συστήματος συγκράτησης εργαλείων με υδραυλική πίεση που υποστηρίζει την αρχή «Single Minute Exchange Die» (SMED), με απλότητα λειτουργίας, ευκολία παραγωγής και λογικό κόστος (βλ. εικόνα 1.)
Το σύστημα συγκράτησης αποτελείται από 18 διαφορετικούς τύπους εξαρτημάτων (εικόνα 2).
Η ενδιάμεση πλάκα είναι η διεπαφή μεταξύ του κινητής κεφαλής της στράτζας και του εργαλείου κάμψης και φέρει συναρμολογημένα επάνω της τα υπόλοιπα μέρη του συστήματος συγκράτησης.
Η πλάκα σύσφιγξης συγκρατείται στην ενδιάμεση πλάκα μέσω μιας άρθρωσης που είναι κοχλιωμένη στην ενδιάμεση πλάκα, και λειτουργεί ως μοχλός που δέχεται δύναμη από υδραυλικό πιστόνι και τη μεταφέρει στο εργαλείο ως δύναμη σύσφιγξης. Επιπλέον, εμποδίζει το εργαλείο να πέσει όταν δεν συσφίγγεται από τη δράση του ελατηρίου ασφάλισης. Το υδραυλικό έμβολο τροφοδοτείται με λάδι μέσω ενός εξαρτήματος banjo διπλού άκρου, το οποίο συγκρατείται στη θέση του με πίρο banjo και στεγανοποιείται με χάλκινων ροδέλες.
Λειτουργία συστήματος συγκράτησης
Για να απελευθερωθεί ένα συσφιγμένο εργαλείο λαμβάνουν χώρα τα εξής:
α) Η πίεση του υδραυλικού κυκλώματος πέφτει, κι επομένως, τα δύο βάκτρα πιστονιών που περιέχουν ένα προεντεταμένο ελατήριο, υποχωρούν μέσα στην ενδιάμεση πλάκα.
β) Το σύστημα συγκράτησης παραμένει σταθερό λόγω του προ-εντεταμένου ελατηρίου ασφάλισης του. Επομένως, το εργαλείο εξακολουθεί να συγκρατείται από το άκρο σε σχήμα αγκίστρου της πλάκας σύσφιγξης. Εφαρμόζοντας μια δύναμη 30 Ν στο πάνω άκρο της πλάκας και κρατώντας ταυτόχρονα το εργαλείο, (βλ. εικόνα 3).
γ) Ο σφιγκτήρας περιστρέφεται γύρω από την άρθρωση, βλ. εικόνα 3.
δ) Απελευθερώνεται το εργαλείο που ολισθαίνει προς τα κάτω και ανασύρεται χειροκίνητα (βλ. εικόνα 3).
Τα βήματα για την τοποθέτηση ενός εργαλείου είναι ουσιαστικά τα αντίστροφα από αυτά που αναφέρθηκαν προηγουμένως ,και απεικονίζονται στην εικόνα 3 (g – l).
Σύσφιγξη συστήματος συγκράτησης
Προκειμένου να προσδιοριστεί η ελάχιστη δύναμη σύσφιγξης που πρέπει να παρέχει το υδραυλικό κύκλωμα, μελετάται συμβατικό αντίστοιχο σύστημα, το Rolleri ST60TM. Θεωρείται ότι οι κοχλίες σύσφιγξης έχουν οριακά φθάσει στο σημείο διαρροής (κοχλίες M10 κατηγορίας 8.8), που αντιστοιχεί σε φορτίο 33,7 kN. Η συνθήκη ισορροπίας δίνει ελάχιστη δύναμη σύσφιγξης Fclamp = 13,6 kN.
Για ονομαστική πίεση λειτουργίας 200 bar στο υδραυλικό σύστημα και διάμετρο εμβόλου 20 mm, η δύναμη που ασκεί κάθε έμβολο είναι 6,3 kN. Η ισορροπία (βλ. εικόνα 4) δίνει δύναμη σύσφιγξης Fclamp = 15,8 kΝ και την αντίστοιχη αντίδραση στην άρθρωση Fhinge = 28,4 kN.
Η ενδιάμεση πλάκα και η πλάκα σύσφιγξης μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων υπό στατικά φορτία. Η ενδιάμεση πλάκα φορτίζεται από οριζόντιες δυνάμεις Fpiston = 6,3kN, Fclamp = 15,8 kΝ και Fhinge = 28,4 kN, καθώς και από την κατακόρυφη δύναμη κάμψης Fbend = 1.000 kN/m. Η τελευταία είναι η ονομαστική μέγιστη δύναμη που εφαρμόζεται στην ενδιάμεση πλάκα σε συμβατικό σύστημα. Η μέγιστη τάση προέκυψε περίπου 160 MPa και έδωσε ελάχιστο συντελεστή ασφάλειας 3,3, που είναι σαφώς αποδεκτός. Η μέγιστη μετατόπιση στην κατακόρυφη διεύθυνση στην επιφάνεια στήριξης του εργαλείου προέκυψε μικρότερη από 8 μm (βλ. εικόνα 5), η οποία είναι ανεκτή.
Αντίστοιχα, στην πλάκα σύσφιγξης (από χάλυβα AISI-1045) ο ελάχιστος συντελεστής ασφάλειας έφτασε το 2,6. Η μέγιστη μετατόπιση κάθετα στην πλάκα σύσφιγξης στη διεπιφάνεια του εμβόλου είναι περίπου 100 μm, ενώ στη διεπαφή του εργαλείου είναι 50-70 μm, τιμές σαφώς αποδεκτές.
Η υδραυλική ισχύς που απαιτείται για τη λειτουργία του συστήματος παρέχεται από μια υδραυλική μονάδα (εικόνα 6). Δεν είναι απαραίτητη αυτόνομη υδραυλική αντλία, καθώς μπορεί να θεωρηθεί ότι η αντλία της στράντζας αρκεί. Η πίεση είναι τυπικά 200 bar. Για λόγους ασφαλείας, χρησιμοποιείται ανακουφιστική βαλβίδα που λειτουργεί στα 250 bar.
Επιπλέον, ενώ η αντλία της στράντζας λειτουργεί διακοπτόμενα για να ωθεί το πιστώνι σε κάθε κύκλο κάμψης, το σύστημα σύσφιγξης πρέπει να παραμένει υπό πίεση συνεχώς. Συνεπώς, χρησιμοποιούνται υδραυλικοί συσσωρευτές.
Για πρέσα μήκους 4 m, μονάδες σύσφιγξης μήκους 150 mm και δύο πιστόνια ανά μονάδα με διάμετρο 20 mm και διαδρομή 10 mm, υποθέτοντας 4 εναλλαγές εργαλείων μεταξύ διαδοχικών λειτουργιών της αντλίας, η χωρητικότητα των συσσωρευτών υπολογίστηκε σε τουλάχιστον 0,7 lt. Τελικά χρησιμοποιούνται δύο συσσωρευτές χωρητικότητας 0,5 lt έκαστος. Μπροστά από τους συσσωρευτές είναι απαραίτητη βαλβίδα αντεπιστροφής.
Ελευθέρωση συστήματος συγκράτησης
Η μετάβαση από τη σύσφιγξη στην ελευθέρωση και αντίστροφα πραγματοποιείται από βαλβίδα ελέγχου 3/2. Είναι κανονικά ανοιχτή, έτσι ώστε όταν δεν ενεργοποιείται το κουμπί ελευθέρωσης, η πίεση εφαρμόζεται στα πιστόνια, ενώ όταν ενεργοποιείται η πίεση μηδενίζεται και τα πιστόνια υποχωρούν προς τα μέσα λόγω των προεντεταμένων ελατηρίων. Το υδραυλικό υγρό συλλέγεται στην ίδια δεξαμενή που χρησιμοποιείται από το κύκλωμα της στράντζας. Το υδραυλικό μπλοκ που φαίνεται στην εικόνα 7 έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να περιέχει τα παραπάνω εξαρτήματα.
Τα πρωτότυπα των μηχανικών εξαρτημάτων του συστήματος συγκράτησης κατασκευάστηκαν σε τρισδιάστατο εκτυπωτή από πλαστικό ABS και συναρμολογήθηκαν στη διάταξη που δοκιμάστηκε χειροκίνητα και βρέθηκε ότι συνεργάζεται τέλεια με το εργαλείο (βλ. εικόνα 8). Το συνολικό κόστος ανά πλήρως λειτουργική μονάδα υπολογίστηκε σε 253 ευρώ, εξαιρώντας το κόστος συναρμολόγησης και το κόστος της υδραυλικής μονάδας. Σημειώστε ότι το κόστος ενός παρόμοιου εμπορικά διαθέσιμου συστήματος ξεπερνά τα 400€.
Συμπέρασμα
Το σύστημα συγκράτησης που αναπτύχθηκε υποστηρίζει εργαλεία ευρωπαϊκού τύπου και πρέσες ευρωπαϊκού τύπου, τα οποία είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα, επομένως δεν χρειάζεται να αγοραστούν νέα εργαλεία κατά την υιοθέτησή του.
Η γρήγορη φόρτωση και εκφόρτωση των εργαλείων είναι δυνατή με απλό τρόπο σε κατακόρυφη διεύθυνση, γεγονός που καθιστά εύκολη την εναλλαγή των υπαρχόντων εργαλείων.
Ειδικότερα, η εκφόρτωση του εργαλείου περιλαμβάνει την περιστροφή του κουμπιού του υδραυλικού συστήματος στη θέση «ελευθέρωση» και την εφαρμογή αποδεκτής δύναμης στον μοχλό της πλάκας σύσφιγξης για την ελευθέρωση του εργαλείου. Η φόρτωση του εργαλείου περιλαμβάνει σχισμή του εργαλείου κατακόρυφα προς τα πάνω και περιστροφή του κουμπιού του υδραυλικού συστήματος στη θέση «σύσφιγξη».
Το σύστημα εξασφαλίζει ακρίβεια τοποθέτησης του εργαλείου καλύτερη από 10 μm, ενώ η δύναμη σύσφιγξης είναι μεγαλύτερη από τα συμβατικά συστήματα.
Το πλάτος της μονάδας σύσφιγξης είναι μικρό και το προφίλ της είναι λεπτό, έτσι ώστε να μην επηρεάζει σημαντικά ούτε τη διαδρομή κάμψης ούτε το γωνιακό χώρο που είναι διαθέσιμος για μεγάλη γωνία κάμψης.
Επιπλέον, ο σχεδιασμός είναι σχετικά απλός χωρίς ειδικά ή περίπλοκα εξαρτήματα, γεγονός που αυξάνει την αξιοπιστία του. Το υλικό (AISI1045) μπορεί να υποστεί σκλήρυνση για βελτιωμένη αντοχή.
Ο κ. Γιώργος Χ. Βοσνιάκος είναι καθηγητής, διευθυντής του Εργαστηρίου Τεχνολογίας Κατεργασιών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ), ενώ ο κ. Ευάγγελος Νικολιδάκης είναι διπλωματούχος μηχανολόγος μηχανικός ΕΜΠ, υποψήφιος διδάκτορας του Πολυτεχνείου Κρήτης.
Εικόνα 1: Το σύστημα συγκράτησης που αναπτύχθηκε με το εργαλείο κάμψης και το έμβολο της στράντζας.
Εικόνα 2: Αριθμημένα εξαρτήματα του συστήματος συγκράτησης.
1: Ενδιάμεση πλάκα, 2: Πλάκα σύσφιγξης, 3: Βάση άρθρωσης, 4: Πίρος άρθρωσης, 5: Ασφάλεια πίρου, 6: Κοχλίας βάσης άρθρωσης, 7 Πιστόνι, 8: Βάκτρο, 9: Ελατήριο επιστροφής εμβόλου, 10: Οδηγός πιστονιού, 11: Οδηγός βάκτρου, 12: Παρέμβυσμα πιστονιού, 13: Καπάκι εμβόλου, 14: Εξάρτημα banjo διπλού άκρου, 15: Πίρος banjo, 16: Χάλκινη ροδέλλα, 17: Ελατήριο ασφάλισης σφικτήρα, 18: Οδηγός ελατηρίου.
Εικόνα 3: Λειτουργίες του συστήματος συγκράτησης: a-f) ελευθέρωση, g-l) σύσφιγξη.
Εικόνα 4: Ανάλυση δυνάμεων συγκράτησης.
Εικόνα 5: Ανάλυση ενδιάμεσης πλάκας: a) τάση, b) μετατόπιση.
Εικόνα 6: Το υδραυλικό κύκλωμα του συστήματος συγκράτησης.
Εικόνα 7: Υδραυλικό μπλοκ.
Εικόνα 8: Πρωτότυπο του συστήματος συγκράτησης.
