El conformado moderno de metales requiere precisión, flexibilidad y un buen uso de la energía. Las servoprensas satisfacen estas necesidades mediante el control fuerza-carrera. Esta tecnología permite a los ingenieros ajustar y controlar la fuerza aplicada en cada etapa de la carrera de la prensa.
Las prensas mecánicas tradicionales se mueven a velocidades fijas. Ofrecen poco control una vez iniciada la carrera. Las servoprensas funcionan de forma diferente. Ofrecen un control total sobre el movimiento. Los operarios pueden ajustar la aceleración, la deceleración, el tiempo de permanencia y la velocidad de retorno.
Este artículo explica cómo funciona el control fuerza-carrera. También explica por qué es importante en la producción diaria. El artículo demuestra cómo este control permite producir piezas estables y de alta calidad.
Cómo funciona el control fuerza-carrera en las servoprensas？
Las servoprensas utilizan motores eléctricos y sistemas de realimentación para controlar tanto el movimiento del pistón como la presión de conformado. Esta sección explica el servoaccionamiento, los modos de control y el proceso de realimentación que hay detrás de un control preciso de la carrera.
Servoaccionamiento y sistema de bucle cerrado
El núcleo de una servoprensa es un servomotor, que sustituye al volante de inercia y al embrague utilizados en las prensas mecánicas. El motor acciona directamente el cilindro y sólo se mueve cuando se le ordena. Un codificador mide continuamente la posición del cilindro, mientras que el controlador ajusta instantáneamente el par (fuerza de rotación) para que coincida con el objetivo programado.
Esta configuración forma un sistema de control de bucle cerrado, lo que significa que se comprueba y corrige continuamente durante cada carrera. Si la presión o la posición reales se desvían del objetivo, el controlador ajusta inmediatamente el par del motor para volver a alinearlo.
Estudios de campo en conformado de precisión han demostrado que el servocontrol en bucle cerrado puede mejorar la precisión dimensional en 20-30% en comparación con los sistemas convencionales. Esta corrección en tiempo real también minimiza el impacto y la vibración de la herramienta, lo que prolonga la vida útil de la matriz y reduce el mantenimiento no planificado.
En términos sencillos: La prensa "siente" lo que ocurre durante el conformado y se ajusta instantáneamente para mantener cada pieza dentro de la tolerancia.
Control de fuerza y control de posición
Las servoprensas funcionan con dos modos de control principales: control de fuerza y control de posición.
En el control de fuerza, el sistema mantiene una presión específica durante toda la carrera. Esto es esencial para procesos como el acuñado, el prensado o la unión, en los que una carga constante importa más que una profundidad de carrera exacta. La prensa supervisa la fuerza aplicada y ajusta el par de salida para mantener constante el valor programado.
En el control de posición, el cilindro sigue una trayectoria definida con precisión. Este modo es adecuado para el corte, flexióny de corte, en los que la geometría de la pieza depende de la posición exacta del cilindro.
Los servosistemas modernos pueden incluso combinar ambos modos en un mismo ciclo de conformado. Por ejemplo, durante un operación de embutición profundaLa prensa puede comenzar con el control de posición para dar forma a la pieza en bruto y, a continuación, cambiar al control de fuerza para gestionar el flujo de metal y evitar el desgarro.
Retroalimentación en tiempo real y control adaptativo
Cada carrera de una servoprensa se controla en tiempo real. Los sensores miden la carga, el par y el desplazamiento y envían los datos a la unidad de control. Si la curva de conformado se desvía de la trayectoria ideal, el controlador ajusta instantáneamente la velocidad o el par para corregirlo.
Este control adaptativo mantiene la consistencia del proceso de conformado, incluso cuando se trabaja con diferentes lotes de material. También ayuda a reducir el springback, la tendencia del metal a volver a su forma original tras el conformado.
Los ingenieros pueden visualizar estos resultados mediante un gráfico de fuerza-desplazamiento, que muestra cómo responde el material a la carga aplicada. Comparando las curvas reales y las objetivo, pueden identificar el desgaste de la herramienta, optimizar el tiempo de permanencia y ajustar la velocidad de conformado para obtener mejores resultados.
Por qué es importante el control de la fuerza de empuje？
El control fuerza-carrera mejora la precisión del conformado, la flexibilidad y la eficiencia energética. Las siguientes subsecciones muestran cómo mejora la calidad de la pieza, la vida útil de la herramienta y la estabilidad del proceso.
Mejora de la precisión y la calidad de las piezas
Las prensas mecánicas tradicionales funcionan con una curva de movimiento fija y un pico de fuerza cerca de la parte inferior de la carrera. Dado que la velocidad y la carga no pueden cambiar a mitad de ciclo, esto suele provocar sobreconformado, deformación desigual y springback, especialmente cuando se trabaja con chapas más finas o materiales de alta resistencia.
Una servoprensa evita esto ajustando la velocidad y la fuerza a lo largo de la carrera. El pistón puede aproximarse rápidamente, ralentizarse durante el conformado y aplicar una presión controlada donde el material más lo necesita. Esto evita el desgarro y garantiza una deformación uniforme en toda la pieza.
Estudios realizados en la fabricación de automóviles y electrodomésticos demuestran que un control preciso del movimiento puede reducir el springback en 40-50% y mejorar la repetibilidad dimensional en 25-30%. Dado que la prensa supervisa y ajusta cada ciclo, compensa automáticamente las diferencias de lotes de material o el desgaste de la herramienta.
Mayor flexibilidad de los procesos
Cada trabajo de conformado tiene diferentes necesidades de movimiento. Algunos procesos requieren una fuerza constante; otros exigen ciclos rápidos o tiempos de permanencia largos. Las servoprensas hacen posible esta flexibilidad mediante perfiles de movimiento programables: "recetas" digitales que definen cómo se mueve el pistón de principio a fin.
Un perfil típico podría incluir:
- Acercamiento rápido para acortar el tiempo de viaje en vacío.
- Formación lenta para permitir un flujo suave del material.
- Dwell ayuda aliviar la tensión y mejorar la recuperación dimensional.
- Devolución rápida para un cambio de ciclo más rápido.
Estas secuencias de movimiento pueden guardarse, reutilizarse y modificarse en cualquier momento sin cambiar los componentes mecánicos. Una sola servoprensa puede pasar de la embutición profunda a la acuñación o el gofrado en cuestión de minutos con solo cargar un nuevo programa.
Eficiencia energética y de las herramientas
Las servoprensas sólo consumen energía cuando se mueven o aplican fuerza, a diferencia de las prensas mecánicas o hidráulicas que consumen energía continuamente. Los datos de campo de las líneas de producción muestran un ahorro energético de 30-40%, en función de la complejidad del ciclo y la carga de trabajo.
El movimiento suave y controlado también reduce el impacto de la matriz y las vibraciones de la máquina. En lugar de golpear con toda su fuerza en cada ciclo, el servomotor puede suavizar el contacto, reduciendo la tensión en las superficies de las herramientas. Esto suele prolongar la vida útil de la matriz en 25-30% y reduce la necesidad de realineación o pulido frecuentes.
Estabilidad del proceso y resultados predecibles
El mayor punto fuerte de las servoprensas reside en su repetibilidad. Dado que el controlador ajusta el par y la posición en tiempo real, cada carrera ofrece la misma curva de carga y profundidad de carrera.
Esta consistencia garantiza una producción estable y resultados predecibles, reduciendo la necesidad de ajuste manual o inspección posterior al proceso. El sistema de control registra los datos de fuerza, posición y permanencia de cada ciclo, creando una huella digital de cada pieza.
Comparación del comportamiento de la servoprensa y la prensa tradicional
Las diferentes prensas conforman el metal de distintas maneras. A continuación, comparamos prensas mecánicas, hidráulicas y servoprensas para destacar sus diferencias en cuanto a velocidad, precisión y eficiencia.
Prensa Mecánica
Una prensa mecánica utiliza un volante de inercia, un embrague y un cigüeñal para mover el pistón siguiendo un patrón fijo. El volante almacena energía y la libera uniformemente a lo largo de la carrera, alcanzando su fuerza máxima cerca de la parte inferior de la carrera. Este movimiento es rápido y directo, lo que hace que las prensas mecánicas sean ideales para el troquelado, el punzonado y el conformado superficial.
Sin embargo, la velocidad no puede cambiar a mitad de ciclo. Cuando se conforman formas complejas o materiales de alta resistencia, este movimiento fijo suele provocar el springback, desgarros o tensiones desiguales. El cilindro golpea la matriz a toda velocidad, lo que genera grandes vibraciones, ruidos y un importante desgaste de la herramienta.
Prensa hidráulica
Una prensa hidráulica utiliza presión de aceite para accionar el cilindro. Puede aplicar todo el tonelaje en cualquier punto de la carrera, lo que la hace ideal para la embutición profunda o el conformado de materiales más gruesos. Los operarios pueden ajustar fácilmente la presión de conformado, pero la velocidad de movimiento sigue siendo más lenta y menos sensible.
Los sistemas hidráulicos también requieren un funcionamiento continuo de la bomba, que consume energía incluso durante los periodos de inactividad. Los cambios de temperatura afectan a la viscosidad del aceite y al control de la presión, lo que provoca un rendimiento irregular entre ciclos. Estos sistemas exigen un mantenimiento regular para evitar fugas y contaminación.
Servoprensa
Una servoprensa sustituye el volante de inercia o la bomba hidráulica por un servomotor programable. Este motor puede arrancar, parar, invertir y cambiar de velocidad instantáneamente. Los ingenieros pueden definir cada etapa de la carrera -incluida la aceleración, la deceleración, la permanencia y el retorno- en un perfil de movimiento personalizado.
Por ejemplo, la prensa puede acercarse rápidamente, ralentizarse para el conformado, detenerse brevemente para aliviar la tensión y volver a la velocidad máxima. Esta flexibilidad garantiza un flujo constante del metal y un mejor acabado superficial.
Comparación de prestaciones
| Característica | Prensa Mecánica | Prensa hidráulica | Servoprensa |
|---|---|---|---|
| Velocidad | Muy alto (fijo) | Moderado | Ajustable (rápido o lento) |
| Control de la fuerza | Limitado | Excelente | Excelente (programable) |
| Eficiencia energética | Bajo | Bajo | Alta (a la carta) |
| Mantenimiento | Moderado | Alto (sistema de aceite) | Bajo a moderado |
| Precisión | Medio | Alta | Muy alto |
| Ruido y vibraciones | Alta | Bajo | Muy bajo |
| Ideal para | Corte simple, punzonado | Embutición profunda, piezas gruesas | Conformado de precisión, producción de alta mezcla |
Impacto económico y práctico
Aunque las servoprensas tienen un coste inicial más elevado, suelen amortizarse en 2-3 años gracias a un menor consumo de energía, un menor desgaste de las herramientas y unos tiempos de preparación más cortos. Su capacidad para almacenar y recuperar programas de movimiento elimina la necesidad de cambios mecánicos, lo que minimiza el tiempo de inactividad de la producción.
Para los fabricantes que equilibran múltiples tipos de productos y materiales, las servoprensas ofrecen la precisión de la hidráulica y la velocidad de los sistemas mecánicos.
Control de la fuerza para materiales avanzados
Los materiales avanzados, como los aceros de alta resistencia y el aluminio, requieren condiciones de conformado controladas. Esta parte explica cómo las servoprensas gestionan la tensión, reducen el springback y aprenden de los datos del proceso.
Trabajar con aceros de alta resistencia y aleaciones ligeras
El acero de alta resistencia puede soportar más tensión que el acero dulce, pero esa misma resistencia dificulta su deformación. Si la prensa aplica la fuerza demasiado deprisa, el metal puede desgarrarse o formarse de forma irregular. Una servoprensa resuelve este problema permitiendo que el pistón reduzca la velocidad durante el contacto y aumente la fuerza gradualmente. Este movimiento suave permite que el material fluya uniformemente a través de la matriz, distribuyendo la tensión de manera más uniforme.
Las aleaciones ligeras como el aluminio se comportan de forma diferente. Son más blandas y elásticas, lo que significa que son propensas al springback, es decir, a que la pieza intente volver a su forma original después del conformado. Una servoprensa puede mantener el pistón durante un breve tiempo en la parte inferior de la carrera, permitiendo que las tensiones internas se relajen antes de retraerse. Esta breve pausa mejora la precisión dimensional y reduce la necesidad de correcciones posteriores al conformado.
Reducción del springback en paneles conformados
El springback sigue siendo uno de los mayores retos en el conformado de chapa metálica. Cuando se elimina la fuerza de conformado, la tensión residual en el interior del metal provoca una ligera flexión o distorsión de la forma. Incluso un pequeño ángulo de springback puede causar desalineación o un mal ajuste durante el montaje.
Las servoprensas minimizan el springback mediante un control de velocidad variable y una gestión precisa del tiempo de espera. Al desacelerar antes del punto muerto inferior, el pistón aplica una distribución más uniforme de la presión. Mantener esa presión durante unos milisegundos permite que el material se estabilice antes de ser liberado.
Los estudios realizados en el conformado de paneles de carrocería de automóviles han demostrado que el movimiento optimizado de los servomotores puede reducir el springback en un 30-40% en comparación con los sistemas mecánicos. Esta mejora se traduce en un mejor ajuste de las piezas, menos repeticiones y tiempos de ajuste más cortos en las líneas de montaje.
Optimización basada en datos y aprendizaje continuo
Cada carrera de una servoprensa genera datos de proceso detallados, incluidas curvas de fuerza, posición y desplazamiento. Esta información ayuda a los ingenieros a comprender cómo responde el material a determinados ajustes de movimiento. Si un lote concreto muestra un pequeño adelgazamiento o arrugamiento, los datos de fuerza-desplazamiento registrados pueden revelar dónde comenzó la desviación.
Con el tiempo, estos datos forman una base de conocimientos digital. Permite a los equipos predecir el desgaste de las herramientas, anticipar las variaciones de material y optimizar los perfiles de carrera para futuras tiradas. Cuando se conectan a las redes de la fábrica, varias servoprensas pueden compartir información y optimizar en tiempo real las líneas de producción.
Conclusión
El control fuerza-carrera es la característica clave que diferencia a las servoprensas de otros métodos de conformado. Permite a los ingenieros controlar la velocidad, la posición y la fuerza a lo largo de toda la carrera. Este control crea un proceso de conformado preciso, estable y repetible.
Las prensas mecánicas e hidráulicas funcionan de forma fija. No pueden cambiar de movimiento una vez iniciada la carrera. Una servoprensa funciona en tiempo real. Se mueve rápido cuando no hay carga. Se ralentiza durante la formación. También puede sujetarse por la parte inferior para liberar la tensión.
Este movimiento controlado mejora la precisión de las piezas. También ayuda a proteger la matriz. Se necesitan menos reprocesamientos. El consumo de energía es menor.
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Hola, soy Kevin Lee
Durante los últimos 10 años, he estado inmerso en diversas formas de fabricación de chapa metálica, compartiendo aquí ideas interesantes de mis experiencias en diversos talleres.
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Kevin Lee
Tengo más de diez años de experiencia profesional en la fabricación de chapas metálicas, especializada en corte por láser, plegado, soldadura y técnicas de tratamiento de superficies. Como Director Técnico de Shengen, me comprometo a resolver complejos retos de fabricación y a impulsar la innovación y la calidad en cada proyecto.
