Mejores prácticas para la prensa

En esta aplicación, se carga un conjunto de pistón en el accesorio antes de la inserción del pasador. Los bloques espaciadores a la derecha permiten varias alturas y tamaños de pistón. Foto cortesía de BalTec Corp.

El ajuste a presión se utiliza para piezas pequeñas y grandes. Aquí, los pernos se insertan en el cubo de una rueda de montacargas. Foto cortesía de FEC Automation Systems

Los fabricantes de automóviles utilizan con frecuencia ensamblajes de ajuste a presión. Esta unidad encaja a presión un componente en un disco de freno. Foto cortesía de Kistler Instrument Corp.

En la fabricación, las fórmulas férreas para el éxito son difíciles de encontrar. Esto es especialmente relevante para el ensamblaje de ajuste a presión, un proceso mediante el cual una parte se inserta firmemente en un orificio en otra parte con un solo golpe rápido (1 a 2 segundos). Los ingenieros de diseño usan muchas fórmulas para estimar la fuerza requerida y las presiones y tensiones relacionadas para cada aplicación de ajuste a presión. Sin embargo, esos cálculos nunca pueden reemplazar las pruebas de laboratorio del mundo real o la prueba y error en la línea de producción.

"Las fórmulas pueden proporcionar un punto de partida en el proceso de diseño de piezas para ajuste a presión, pero no tienen en cuenta las muchas variables que entran en juego durante el ensamblaje", dice Chuck Rupprecht, gerente general de BalTec Corp. "Factores como la calidad inconsistente del material, los diferentes acabados superficiales y la humedad ambiental pueden dar como resultado cálculos que están muy equivocados. La verdad es que debe instalar piezas reales para determinar el material adecuado y los requisitos de fuerza para una aplicación".

BalTec ofrece varias prensas manuales, neumáticas e hidroneumáticas para prensado. Los clientes incluyen fabricantes de automóviles, médicos y otros industriales, como los fabricantes de componentes HVAC. Una última empresa solicitó recientemente a BalTec que personalizara dos prensas neumáticas DA-850 para poder insertar pasadores a presión en 40 pistones de diferentes alturas para reacondicionar compresores HVAC.

Cada prensa de acción directa cuenta con un ariete que produce hasta 8,5 kilonewtons de fuerza y ​​una carrera de hasta 80 milímetros. El herramental superior de la prensa puede insertar pasadores en pistones de todas las alturas, mientras que su accesorio tiene bloques espaciadores de cambio rápido que se adaptan a las variaciones de altura. Un dispositivo de abrazadera neumática asegura el pistón en su lugar durante la inserción del pasador. El control de la fuerza y ​​la distancia activa un sonido de audio y un mensaje visual para indicar si el proceso específico está bien o no.

Los pistones son un buen candidato para el montaje a presión, junto con muchos otros tipos de piezas: cojinetes, rotores, engranajes, collares de eje y bujes. Las principales razones por las que los fabricantes prefieren este proceso son que es simple y relativamente económico. Lo que mejora aún más el atractivo del ajuste a presión es que se puede realizar con varios tipos de prensas, en piezas de diferentes formas, tamaños y materiales.

"Al diseñar una pieza para ajuste a presión, los ingenieros deben centrarse en una pregunta: ¿Cuál es la función de la pieza en el ensamblaje?" dice Hiroyuki Natsume, líder del equipo de sistemas de la división IPC en Kistler Instrument Corp. "Esta pregunta debe enfatizarse en todos los aspectos del diseño de piezas, independientemente de si el ensamblaje es simple o complejo".

El primer factor de diseño es el tamaño. El ensamblaje de ajuste a presión implica la inserción de una parte que es ligeramente más grande que el orificio de acoplamiento. El conjunto permanece en su lugar a través de la fricción y la fuerza de las dos partes que se empujan entre sí. El tamaño de la parte insertada en relación con el orificio variará, aunque normalmente es de 0,0005 a 0,002 pulgadas.

Mike Brieschke, vicepresidente de ventas de Aries Engineering, dice que una espiga de metal de 0,25 pulgadas de diámetro que se ajusta a presión en un orificio de acero dulce generalmente tiene una interferencia de ±0,0015 pulgadas. Las piezas en ensamblajes no críticos tienden a tener tolerancias más flexibles.

"Como regla general, cuanto mayor sea el diámetro de un rodamiento, buje o pasador, mayor será el rango de tolerancia", señala Brieschke. "Lo contrario es cierto para las piezas de menor diámetro".

Brieschke dice que un cojinete de 2 pulgadas de diámetro que se presiona sobre un eje de metal, por ejemplo, podría tener un rango de tolerancia de 0,001 a 0,01 pulgadas debido al mayor diámetro relativo de las dos piezas. Por el contrario, los rodamientos más pequeños que se utilizan para piezas de automóviles, como carcasas de transmisión y componentes de motores, suelen tener un rango de tolerancia de unas pocas micras.

En cuanto a la forma, la mayoría de las piezas de ajuste a presión son redondas, pero también pueden ser ovaladas, cuadradas, rectangulares o triangulares. Las piezas insertadas pueden ser macizas o huecas. Keith Lowery, especialista en productos de servoprensas de FEC Automation Systems, señala que las piezas no redondas pueden requerir un paso adicional para garantizar la orientación adecuada, lo que resulta en tiempos de ciclo más prolongados. Las piezas grandes requieren una prensa que proporcione una fuerza mayor y más consistente y suficiente acceso a la pieza.

La alineación de piezas es igualmente importante para un buen ensamblaje de ajuste a presión, según Natsume. Él dice que la mejor manera de prevenir la desalineación es usar las herramientas y accesorios correctos.

Para mejorar la resistencia de la unión, los bordes de las piezas se pueden diseñar con muescas o proyecciones. Lowery dice que las estrías permiten que la parte insertada muerda la parte de acoplamiento y ayuda a evitar que la junta se mueva cuando se expone a fuerzas de torsión elevadas. En el ensamblaje de plástico y electrónica, las ranuras o púas en la pieza de acoplamiento ayudan a evitar que la junta se separe.

Las piezas encajadas a presión están hechas de metal, plástico o caucho, y se pueden unir piezas de materiales similares o diferentes. Cuando son diferentes, los ingenieros deben elegir materiales con coeficientes similares de expansión térmica, pero diferentes índices de dureza.

"El mejor escenario es cuando ambas partes están hechas del mismo material y dureza", dice John Lytle, gerente de ingeniería de Promess Inc. "Lo peor es cuando un material es mucho más duro que el otro".

Como ejemplo, Lytle cita el prensado de un buje de goma revestido de acero en los componentes de dirección del brazo de control de aluminio para vehículos. Se requieren fuerzas de ajuste a presión muy altas cuando una parte está hecha de acero y otra de aluminio.

Lowery dice que, cuando los ajustes a presión están sujetos a grandes cambios de temperatura, es importante elegir materiales con coeficientes similares de expansión térmica. Si no lo hace al colocar a presión un cojinete de acero en una carcasa de aluminio, por ejemplo, podría provocar que este último se expanda más que el acero y que el cojinete se caiga.

Según Rupprecht, los metales fundidos a presión y los plásticos reforzados con fibra de vidrio son materiales quebradizos y deben ajustarse a presión con la cantidad exacta de fuerza. Presionar una pieza dura contra una pieza de aluminio o plástico de paredes delgadas con demasiada fuerza puede desfigurar fácilmente la pieza de acoplamiento. Las rebabas o partículas en la parte insertada también pueden causar daños.

Otros tipos de plásticos también tienen limitaciones. No se recomienda el policarbonato algo flexible para cubos de eje porque no tolera una tensión circunferencial excesiva. Los plásticos más flexibles, como el nailon, el ABS y el poliuretano termoplástico, pueden manejar mejor esta tensión, pero pueden exhibir una mayor relajación de la tensión con el tiempo.

"La industria automotriz usa cada vez más piezas hechas de materiales más livianos para reducir el peso del vehículo, y este cambio ha llevado a un aumento en las aplicaciones de ajuste a presión para eliminar los sujetadores", explica Natsume. "A veces, esto requiere que se inserten piezas de plástico o metal en las que están hechas de plástico reforzado con fibra de carbono, como las alas del alerón trasero y otros componentes exteriores e interiores".

Las piezas de ajuste a presión no siempre se acoplan sin problemas. Cuando eso sucede, los fabricantes tienen un par de opciones para superar el problema. Una es colocar un cono en la parte insertada y un chaflán en la parte correspondiente. Otra es aplicar lubricación, que previene el daño y la excoriación (desgaste entre las superficies deslizantes) en las partes duras y el movimiento de adherencia y deslizamiento (sacudidas) de cualquiera de las partes. También reduce la fuerza de inserción necesaria para evitar la desviación de la pieza. Lytle dice que los casquillos de goma que se presionan contra el metal son buenos candidatos para una pequeña cantidad de lubricación, al igual que las guías de válvula de acero o titanio que se presionan contra una culata de aluminio.

La lubricación se usa con frecuencia en el ajuste a presión de los pines de cumplimiento en las PCB para reducir el estrés de la placa debido a una fuerza de presión indebida, según Lowery. Él dice que en estas aplicaciones se usa una ligera pulverización de lubricante.

Si bien los pasadores pueden o no requerir una pequeña cantidad de lubricación, otras partes necesitan una cantidad más significativa para permitir un buen ajuste a presión, afirma Brieschke. Los bujes anchos y largos, por ejemplo, deben lubricarse por todas partes para ayudarlos a insertarse suavemente en las respectivas mangas. Aries ofrece una bandeja de lubricante opcional con sus servoactuadores que aplica automáticamente el lubricante a los bujes y cojinetes antes de presionar.

Aunque la gran mayoría de los ajustes a presión son lo suficientemente fuertes como para sostenerse por sí solos, algunas juntas requieren unión adhesiva. El adhesivo sella completamente la junta, evita la corrosión y distribuye la tensión de manera más uniforme. También permite a los ingenieros flexibilizar los requisitos de tolerancia de las piezas y reducir su volumen, que es necesario para generar la presión que mantiene unidas las piezas.

Sin embargo, hay una desventaja en el uso de un adhesivo: aumenta significativamente la cantidad de fuerza necesaria para ensamblar las piezas. Como resultado, es posible que los ensambladores necesiten aumentar la fuerza de la prensa o la velocidad del pistón.

"No veo que los adhesivos se usen con frecuencia en el ensamblaje de ajuste a presión", dice Dave Zabrosky, gerente de ventas de Schmidt Technology. "Pero cuando lo tengo, es para mantener mejor unidos dos materiales diferentes que tienen diferentes coeficientes de expansión térmica".

Se pueden utilizar servoprensas manuales, neumáticas, hidroneumáticas y eléctricas para ensamblar press-fits. Zabrosky dice que las prensas manuales tienen un costo relativamente bajo, permiten una fijación simple de piezas y pueden equiparse con monitoreo de fuerza-distancia. Sus aspectos negativos son la baja producción y la mala ergonomía para el ensamblador.

Las prensas neumáticas brindan más consistencia en la fuerza aplicada y la velocidad del ariete que un modelo manual, pero carecen del control y la programabilidad de un servo. Además, señala Zabrosky, el aire es costoso de generar. Una prensa hidroneumática genera su fuerza máxima en una pequeña distancia, lo que la convierte en una buena opción para aplicaciones de gran fuerza que requieren carreras de potencia cortas.

"Sin duda, los servos ofrecen el control más preciso de la posición y la velocidad del pistón para lograr precisión y repetibilidad", dice Zabrosky. "Sin embargo, si no se necesita un alto nivel de precisión, recomendaría a la empresa que utilice una prensa manual o neumática, porque son más económicas y requieren menos mantenimiento".

Se necesita un ensamblaje de gran volumen para justificar el mayor costo inicial del servo, confirma Lowery. Otros beneficios de la servoprensa incluyen flexibilidad para operaciones de alta mezcla, eficiencia energética, operación silenciosa y una huella relativamente pequeña.

Varios factores determinan cuánta fuerza se necesita para unir las piezas. El tamaño, el grosor y la geometría de la pieza son importantes, junto con la dureza, el deslizamiento y el acabado de la superficie del material del componente. Además, los diseñadores necesitan conocer la cantidad exacta de interferencia entre las partes (es decir, la diferencia de tamaño entre la parte insertada y el orificio) y la longitud del ajuste a presión.

Entre los mayores usuarios de ajustes a presión se encuentran los fabricantes que ensamblan productos automotrices, médicos, de línea blanca, de energía solar y de consumo. Ejemplos de productos automotrices que requieren una fuerza de presión alta, media y baja, según Lytle, son la inserción de un tubo de eje (250 kilonewtons), una guía de válvula en una culata (20 kilonewtons) y un estator de motor en un eje (300 newtons). ).

"Los fabricantes a menudo dicen que necesitan un factor de seguridad del 20 por ciento para las prensas que se usan en el ensamblaje de ajuste a presión", dice Zabrosky. "Pero nuestra prueba de piezas indica que el 50 por ciento es más apropiado".

Otra herramienta que mejora significativamente el ensamblaje de ajuste a presión es el control de la fuerza y ​​la distancia (desplazamiento), dice Zabrosky. El sensor de fuerza se instala entre el cilindro y el pistón y mide la fuerza producida durante todo el ciclo de montaje.

El sensor de distancia (o transductor) se coloca cerca del sensor de fuerza para que el controlador de la prensa pueda mostrar curvas de fuerza sobre distancia o fuerza sobre tiempo. A través del controlador, los ingenieros también pueden establecer límites superior e inferior para la fuerza de presión. Si cae por encima o por debajo de la cifra establecida, se señala una alarma.

"El monitoreo de fuerza y ​​distancia es una excelente manera de obtener información valiosa sobre la calidad de las piezas y el ensamblaje, siempre que el marco de la prensa esté diseñado correctamente", concluye Brieschke. "Si el marco se desvía demasiado, la curva fuerza-distancia resultante se desviará de los resultados reales. La mejor manera de evitar la deflexión es diseñar suficiente resistencia dentro del diseño del marco o usar refuerzos".

Jim es editor sénior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.