MASTER: Proiectare și fabricație asistate de calculator [309428]

UNIVERSITATEA „PETRU MAIOR” TÎRGU-MUREȘ

FACULTATEA DE INGINERIE

MASTER: Proiectare și fabricație asistate de calculator

LUCRARE DE DISERTAȚIE

“Proiectarea și realizarea unei mașini pneumatice pentru aplicarea ocheților metalici”

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC:

dr. ing. CAZACU Paul Răzvan

MASTERAND: [anonimizat]

2016

UNIVERSITATEA „PETRU MAIOR” [anonimizat]: P.F.A.C.

Viza facultății

TEMĂ LUCRARE DE DISERTAȚIE

Conducătorul temei: Candidat (ă):

Șef lucrări dr.ing. CAZACU Paul Răzvan DASCĂLUL DAN

Anul absolvirii: 2016

Tema proiectului de diplomă:

Proiectarea și realizarea unei mașini pneumatice pentru aplicarea ocheților metalici

Problemele principale care vor fi tratate în proiect:

1. Proiectarea dispozitivelor;

2. Proiectarea circuitului pneumatic;

3. Proiectarea asistată de calculator;

4. Considerații privind fabricarea reperelor;

5. Concluzii;

Bibliografie minimală recomandată:

Tero, M. Acționări hidraulice și pneumatic. Curs. [anonimizat] „Petru Maior”, 1997.

Boloș V. Și Boloș Codruța. [anonimizat], Institutul de învățământ superior, 1980

Damian M. ș.a. Proiectarea asistată de calculator a [anonimizat], Casa cărții de știință,1999

Termene obligatorii de consultații:

Locul practicii: S.C. VERTIQUAL ENGINEERING S.R.L.

Primit la data de: 15.05.2016

Termen de predare: 21.06.2017

Semnătura directorului de departament Semnătura conducătorului

Semnătura candidat: [anonimizat], care a pornit de la necesitatea unei companii de a-și extinde gama de produse.

Obiectivul a fost acela de a construi o mașină care să poată aplica ocheți din oțel inoxidabil pe o chingă cu grosimea de 3 mm, operație pentru care este nevoie do o forță de aproximativ 1200 daN. După analizarea sarcinilor și a posibilităților, [anonimizat]. Pentru a dezvolta forța necesară dat fiind diametrul cilindrului și presiunea maximă de lucru de 8 bar, am conceput și un sistem mecanic cu pârghie pentru a amplifica forța la capetele de presare. [anonimizat] o variantă îmbunătățită care poate face obiectul unei producții de serie. [anonimizat]-[anonimizat] C.N.C. Am ales această abordare pentru a [anonimizat] a îmbunătăți constant echipamentul în funcție de nevoile punctuale ale pieței și pentru a putea integra în ansamblu tehnologii noi.

PROJECT SUMMARY

The folowing project aims to present the design steps and manufacturing considerations for a production equipment that had started from the necessity of a manufacturing company to extend it’s product range.

The goal was to build a device capable of applying stainless steel eyelets on 3mm webbing for which needed around 1200 daN of force for a successful pressing operation. After analyzing the needs and the available possibilities I have decided to design a pneumatic equipment for the job, hand tools or hand operated devices being excluded from the beginning because of productivity and ergonomy reasons. In order to achieve the required force giving the cylinder diameter and the considered maximum working pressure of 8 bar, I have chosen a simple mechanical lever system to increase the force at the pressing heads. With the design and manufacturing of the first machine completed I have conceived an improved concept which can be mass produced. The focus is to be able to manufacture all parts needed using conventional machines or C.N.C. machines in order to have a flexible production process which can be easily changed in order to improve the device according to latest needs of the market and to be able to easily integrate new technologies.

INTRODUCERE

Motivația realizării proiectului. Obiective propuse

Ideea pentru acest concept a pornit de la un proiect realizat anterior de mine în cadrul companiei S.C. VERTIQUAL ENGINEERING S.R.L. care a constat în proiectarea și realizarea unei mașini pentru aplicarea (asamblarea) unor ocheți metalici pe chingi textile. Acești ocheți împreună cu alte componente specifice au ca scop formarea unui sistem de închidere și reglaj ale unei centuri de siguranță pentru lucrul la înalțime. Datorită faptului că aceștia fac parte dintr-un ansamblu cu rol de rezistență s-a impus folosirea unor ocheți metalici cu grosimea peretelui mare, realizați din oțel inoxidabil , astfel fiind exclusă posibilitatea aplicătii lor folosind scule / prese manuale. Pornind de la acest proiect am conceput un dispozitiv îmbunătățit care poate face obiectul unei producții de serie. Am ales ca operația să fie realizată cu ajutorul unui actuator pneumatic, rețelele de aer comprimat fiind întâlnite astăzi în majoritatea intreprinderilor, datorită numeroaselor avantaje pe care le oferă.

Obiectivul principal pe care mi l-am propus este ca acestă mașină să poată fi fabricată fără a fi nevoie de SDV-uri dedicate pentru realizarea reperelor ,ci doar mașini-unelete convenționale ori mașini-unelte cu comandă numerică. Prin acest lucru urmăresc obținerea unui proces de fabricație flexibil, care să permită personalizarea / realizarea ușoară de îmbunătățiri, raportate în permanență la nevoile beneficiarilor și la posibilitățile de creștere a productivității prin integrarea unor tehnologii noi.

De asemenea mi-am propus ca acționarea să poată fi făcută în depline condiții siguranță de către operator, încercând să elimin în totalitate riscurile determinate de introducerea mâinilor în zonele unde sunt piese în mișcare. Din punct de vedere al ergonomiei am ales ca dipozitivul să poată fi operat din poziția “șezut” folosind o pedală , astfel operatorul având libere ambele mâini pentru poziționarea și reținerea materialului de lucru.

Sistemele pneumatice (generalități)

Sistemele pneumatice sunt instalații de putere ce folosesc aerul comprimat ca și agent de lucru pentru transmiterea energiei mecanice. Compresorul convertește energia mecanică în energie potențială a aerului comprimat (Figura 1.1. Transformările energiei în sistemele pneumatice). Această transformare facilitează transmiterea și controlul puterii. Înainte de utilizare, aerul trebuie să fie filtrat, dezumidificat și amestecat cu vapori de lubrifiant.

FIGURA 1-1. Exemplu de instalație pentru producerea și prepararea aerului comprimat

Aerul comprimat este stocat în acumulatori și transmis prin conducte sau furtune flexibile. Puterea pneumatică este controlată prin valve de presiune, valve de debit și/sau valve distribuitoare (sau mai simplu: distribuitoare). La final, energia pneumatică este reconvertită în energie mecanică prin intermediul motoarelor sau a cilindrilor pneumatici.

FIGURA 1-2. Transformările energiei în sistemele pneumatice

Acționarea reprezintă operațiunea prin care se comandă și se urmărește regimul de funcționare al diverselor instalații de lucru sau procese tehnologice. Procesele tehnologice implică deseori acționarea unor agregate cu ajutorul unor motoare ,,neelectrice” adică folosirea energiei unui gaz sub presiune (motoare pneumatice).

Acționarile pneumatice și-au găsit aplicații în domenii variate ale tehnicii, pentru cele mai diferite scopuri.

Utilizarea pe scară largă a acestor sisteme se datorează avantajelor prezentate de acestea:

datorită vitezelor de lucru și de avans mari, precum și momentelor de inerție mici, durata operațiilor este mică;

acționarile pneumatice pot fi foarte rapide: utilizand elemente logice sau convertoare electro-pneumatice se pot realiza instalații cu funcțioanre în ciclu automat, care oferă productivitate mare;

forțele, momentele și vitezele motoarelor pot fi reglate ușor, utilizand dispozitive simple ;

supraîncărcarea motoarelor pneumatice nu introduce pericol de avarii;

transmisiile pneumatice permit porniri, opriri dese și schimbări de sens bruște, fără pericol de avarie ;

aerul comprimat este relativ ușor de produs și de transportat prin rețele, este nepoluant si neinflamabil;

poate fi stocat în cantități apreciabile;

pericolul de accidentare este redus;

întreținerea instalațiilor pneumatice este ușoară daca se dispune de personal calificat;

Dezavantajele acestor tipuri de acționari sunt:

compresibilitatea ridicată a aerului din incinta camerelor motoare și a conductelor (motiv pentru care nu se utilizează în acționări de mare precizie);

randament scăzut, datorită presiunii scăzute ;

apariția unor șocuri mecanice la capetele curselor pistoanelor cilindrilor pneumatici;

producerea unor zgomote specifice caracteristice deversării în atmosferă a aerului de retur și funcționării cu șocuri a aparatelor de comandă ;

depunerea condensului de apă în incintele aparatelor de execuție și reglare și de aici, pericolul de corodare și dereglări de funcționare.

Generarea energiei pneumatice se face după un ciclu deschis. Un asemenea ciclu presupune aspirarea din atmosfera,comprimarea ,tratarea ,distribuția la utilizatori și refularea în atmosferă.

Fiind un ciclu deschis ,aerul care alimentează sistemul de acționare se reîmprospatează continuu , fiind supus de fiecare data unui proces complex de filtrare. Avantajul acestui tip de sistem constă în simplificarea sa . Fiabilitatea ,durata de viață și nu în ultimul rând performanțele unui sistem pneumatic de acționare depind în cea mai mare măsură de calitatea agentului folosit .

Având în vedere ca aerul intra în contact cu elementele mobile sau fixe ale echipamentelor , confecționate din cele mai diverse materiale (otel, bronz, alama, cauciuc ,material plastic, etc.) și că nu de puține ori traversează secțiuni de curgere , uneori de dimensiuni foarte mici, calibrate, acestuia i se impun următoarele cerințe:

să fie cât mai curat posibil: un aer contaminat cu particule mai mari sau egale cu jocurile funcționale existente între elementele constructive mobile și cele fixe poate duce la blocarea elementelor mobile , dar și uzura lor prin abraziune și la îmbâcsirea filtrelor din sistem;

să asigure lubrifierea sistemului de acționare: deoarece aerul nu are proprietăți de lubrefiere, în acest scop se folosesc echipamente speciale numite ungătoare ,care pulverizeaza în masa de aer particule fine de ulei ; trebuie avut în vedere faptul că o ungere excesivă poate conduce „năclăirea”elementelor constructive ale echipamentelor, iar o ungere insuficientă poate conduce la scoaterea prematură din funcționare a sistemului respectiv;

să conțină cât mai puțină apă: în aer există sub forma de vapori , iar prin condensarea acestora se obtine apa care va coroda piesele de oțel ;la temperaturi mai scăzute poate să apară fenomenul de înghețare a apei , care poate împiedica funcționarea sistemului la parametri normali;

să aibă o temperatură adecvată: apropiată de temperatura mediului ambiant pentru a evita modificarile de stare care la rândul lor ar duce la modificări ale parametrilor funcționali ai sistemului;

să intre în sistem având presiunea și debitul corespunzător bunei funcționări a sistemului ; o presiune mai mare decât cea recomandată de producator poate duce la avarii, iar o presiune mai mică nu asigură forța sau momentul cerute de aplicația respectivă; în ceea ce privește debitul ,abaterile acestuia influențează viteza de deplasare a sarcinii antrenate de sistem;

PROICTAREA MAȘINII

CERINȚE. CONSIDERAȚII INIȚIALE

Proiectarea trebuie realizată ținând cont de următoarele cerințe, care se referă la performanțe, la condițiile de operare și la posibilitățile de alimentare cu aer comprimat prezente în cele mai multe intreprinderi:

Presiunea maximă de lucru: 8 bar;

Forța de presare necesară: 1500 daN;

Cursa minimă a capului de presare: 20mm;

Posibilitate de reglare a forței de presare;

Poziție de lucru a operatorului confortabilă și ergonomică;

Acționare ușoară și rapidă în condiții de siguranță;

Design simplu și robust;

PRESAREA OCHEȚILOR. SCHEMA DE PRINCIPIU

Ocheții metalici pe care dorim să îi asamblăm sunt realizați din două elemente : elementul cu guler și elementul de tip “șaibă” care vor fi inserați manual de o parte și de cealaltă a materialului de prelucrat așa cum este prezentat în figura de mai jos:

FIGURA 2-1. Dispunerea elementelor asamblării

Pentru realizarea asamblării nedemontabile ale acestor două elemente este necesară răsfrângerea gulerului (pe întreaga sa circumferință) peste elementul pereche (cel de tip “șaibă”). Capul de presare superior are o geometrie specială care va realiza ghidarea și răsfrângerea progresivă a gulerului (deformare plastică) pornind de la o zonă conică având unghiul de 25⁰. Aceasta este prima zonă de contact a capului de presare cu gulerul menită să realizeze doar o “pregătire” a gulerului prin imprimarea acestui unghi până la răsfrângerea completă. Capul de reținere inferior este fix și prezintă o zonă conică pentru ghidare și o zonă de reținere a flanșei elementului cu guler așa cum este arătat în imaginile de mai jos.

FIGURA 2-2. Schema de principiu a asamblării (presării)

Defectul cel mai frecvent întâlnit la acest tip de asamblare este răsfrângerea ineglă a gulerului în locașul elementului de tip “șaibă” și este datorată apariției unor abateri de coaxialitate (concentricitate) ale sculelor.

ALEGEREA CILINDRULUI ȘI PROIECTAREA CIRCUITULUI PNEUMATIC

Pentru dimensionarea cilindrului pneumatic se va pleca de la forța de presare necesară (1500 daN) ,presiunea maximă de lucru disponibilă (8 bar) și cursa minimă a capului de presare de 20 mm;

Am comparat două variante constructive posibile pentru realizarea mașinii, fiecare prezentând avantaje și dezavantaje specifice, urmând ca alegerea cilindrului să fie facută împreună cu varianta constructivă cea mai avantajoasă:

Analiza variantelor constructive considerate

Varianta constructivă 1: Presare directă

În această situație forța dezvoltată de cilindrul pneumatic acționează direct capul de presare , așa cum este prezentat în FIGURA. 2-3

Varianta constructivă 2: Presare cu amplificare mecanică

Am ales varianta constructivă 2 pentru că prin sistemul cu parghie vom vom putea obține un avantaj mecanic bun folosind un cilindru pneumatic uzual (în general, diametre sub 125mm).

Un considerent secundar în această alegere este legat de poziția cilindrului în ansamblu , fiind de preferat ca deasupra zonei de lucru sa nu se regăsescă un cilindru de diametru mare care poate să blocheze vederea operatorului ori să îl determine să execute mișcări ale capului pentru a avea o vedere bună asupra zonei în care se realizează presarea. Reamintim că operatorul va acționa dispozitivul din poziția “șezut” folosind o pedală.

Alegerea cilindrului: diametrul și cu cursa utilă

Analizând ofertele existente pentru cilindri pneumatici am decis să aleg un cilindru pneumatic cu dublă acțiune și diametrul de 100mm, conform ISO 15552 (anterior DIN/ISO 6431).

FIGURA 2-5. Dimensiunile cilindrului pneumatic

Astfel, forța maximă dezvoltată la capul de presare (Fp) folosind acest cilindru va fi:

unde,

R=Avantajul mecanic al sistemului cu pârghie 2,5:1

Fp = forța de presare [N]

F = forța exercitată de piston [N]

p = pesiunea de lucru [N/m2, Pa] p=8*105 Pa

A = aria pistonului (la extindere/împingere) [m2]

d = diametrul cilindrului [m]

Determinarea cursei necesare a cilindrului s-a realizat grafic, în modul “sketch” al soft-ului SolidWorks 2015 folosind dimensionări și constrângeri ale elementelor mecanismului schematizat. Am pornit de la condiția impusă de a avea o cursă a capului de presare de minimum 20mm și de la dimensiunile pârghiilor și ale elementelor de ghidare disponibile alese astfel încât mecanismul să poată funcționa normal, în condiții de siguranță ,iar greutatea totală să fie cât mai mică.

FIGURA 2-6. Determinarea cursei necesare a cilindrului

În urma analizei grafice am determinat că este nevoie de o cursă de 53 mm a cilindrului pentru a asigura deschiderea de 20mm între capurile de presare. Am ales astfel cursa de 60mm pentru acest cilindru .  De asemenea acesta dispune de amortizare pneumatică, prin crearea unei perne de aer care decelereaza pistonul pe durata parcurgerii ultimei părti a cursei.

Pentru realizarea montajului prezentat în figura 2-6 cilindrul ales a fost echipat cu două accesorii de prindere (nestandarizate) regasite în oferta producătorului cilindrului pneumatic.

Reglarea forței de presare

Aceasta se va realiza folosind regulatorul de presiune în funcție de necesități. Forța de presare in raport cu presiunea de lucru este exprimată în diagrama de mai jos:

Figura 2-1. Diagrama forța-presiune

Funcționarea circuitului pneumatic

Schema pneumatică este reprezentarea grafica a instalatiei pneumatice care echipeaza o mașină și are rolul de a facilita înțelegerea functionării mașinii.

Aparatele pneumatice, conexiunile dintre ele, precum si funcțiile pe care acestea le îndeplinesc sunt redate prin simboluri si notatii specifice, cuprinse si descrise in norme unanim acceptate.

FIGURA 2-7. Schema pneumatică

Componente:

1 – Sursă de presiune;

2 – Valvă culisantă (întrerupător) cu refulare;

3 – Regulator de presiune cu manometru încorporat;

4 – Atenuator fonic;

5 – Distribuitor 5/2 , cu comandă mecanică (pârghie cu rolă);

6 – Cilindru cu dublă acțiune și amortizare pneumatică

Întreruperea alimentării cu aer comprimat se face folosind valva culisantă care, atunci când este glisată în poziția ÎNCHIS va refula aerul din întreg circuitul pneumatic.

ÎNCHIS DESCHIS

FIGURA 2-8 . pornirea și oprirea alimentării cu aer comprimat

PROIECTAREA SISTEMULUI DE ACȚIONARE ȘI OPERAREA ÎN CONDIȚII DE SIGURANȚĂ

Protecția muncii – dispoziții generale

Protecția muncii constituie un ansamblu de activitǎți instituționale având ca scop asigurarea celor mai bune condiții în desfǎșurarea procesului de muncǎ, integritǎții corporale și sǎnǎtǎții personalului.

Normele de protecția muncii sunt stabilite prin Legea nr. 90/1996 și reprezintǎ un sistem unitar de mǎsuri și reguli aplicabile tutror participanților la procesul de muncǎ.

Prevederile legii 90/1196 se aplicǎ tutror persoanelor angajate pe bazǎ de contract de muncǎ sau în alte condiții prevǎzute de lege.

Ministerul Muncii și Protecției șociale și Ministerul Sǎnǎtǎții, prin organele lor abilitate, orgenizeazǎ, coordoneazǎ și controleazǎ activitatea de protecți a muncii.

Cercetarea, înregistrarea și evidența accidentelor de muncǎ și a bolilor profesionale, precum și autorizarea din punct de vedere a protecției muncii, a unitǎților din subordinea ministerelor și serviciilor se efectueazǎ de organele proprii.

Ministerul Muncii și Protecției Sociale emite norme generale, normative și alte reglementǎri de interes naționa privind securitatea muncii, coordoneazǎ programul de elaborare a normelor specifice pe activițǎți și avizeazǎ normele și standardele și alte reglementǎri.

Ministerul Sǎnǎtǎții emite normenorme obligatorii privind igiena muncii, avizeazǎ norme, standarde și alte acte normative care privesc sǎnǎtatea salariaților la locul de muncǎ.

Acționarea mașinii în condiții de siguranță

Acționarea mașinii se face folosind pedala poziționată pe partea dreaptă a dispozitivului. Pedala este conectată printr-o bară rigidă având la capete articulații, la un subansamblu ce asigură comutarea distribuitorului pneumatic și coborârea palpatorului cu apărătoare de protecție în zona de lucru. Având în vedere faptul că operatorul va acționa mașina folosind pedala și își va folosi ambele mâini pentru inserarea ochețiolor / manipularea materialului , este identificat riscul introducerii mâinilor în zona de întâlnire a capurilor de presare. Cum forța de presare este de 1500 daN prinderea mainilor între capetele de presare aceasta va provoca leziuni grave. Acționarea propriu-zisă a distribuitorului pneumatic (apăsarea pârghiei cu rolă) este condiționată coborârea palpatorului cu apărătoare de protecție la o distanță de sguranță față de masa de lucru. Astfel comutarea va avea loc doar atunci atunci când muchia inferioară a apărătoarei de protecție se află la o distanță mai cel puțin 5mm așa cum este prezentat în Figura 2-9.

FIGURA 2-9. Condiția de comutare pentru pornirea presării

Astfel orice obstacol ce ar putea împiedica palpatorul să coboare până la punctul de sigurață stabilit va împiedica începerea presării. Spațiul efectiv în momentul comutării distribuitorului pneumatic (începerea presării) rămas între apărătoarea transparentă și materialul de prelucrat dat de 5mm din care se scade grosimea materialului de prelucrat. Pentru a putea funcționa în felul descris mai sus, sistemul de acționare include următoarele componente:

FIGURA 2-10 . Componentele sistemului de acționare

Un alt risc identificat este cel al introducerii mainilor în zona pârghiei (partea superioară a dispozitivului). Din acest motiv am conceput o carcasă care va acoperi componentele ce execută mișcare în timpul lucrului. Carcasa este fixată de corpul dispozitivului folosind șuruburi și se poate demonta dacă este cazul (lubrefierea componentelor, reparații). Carcasa este realizată din trei componente realizate din tablă și asamblate folosind pop-nituri (Figura 2-11)

FIGURA 2-11 . Apărătoarea pentru mecanismul cu pârghie

FIGURA 2-12. Comutarea distribuitorului folosind pedala și evidențierea componentelor implicate

Forța necesară pentru apăsarea pedalei este dată de forța de comprimare a celor două arcuri și de rezistența dezvoltată de pârghia cu rolă a distribuitorului pneumatic. Conform prducătorului distribuitorului pneumatic cu rolă, forța necesară pentru comutarea pneumatică este de 8N la o presiune de lucru de 6bar. Datorită faptului că acționarea pârghiei cu rolă nu se realizează prin apăsarea directă (înspre distribuitor) ci indirect prin culisarea piesei de comutare cu plan înclinat (25⁰) vom considera această reacțiune neglijabilă. Atfel forța principală ce trebuie învinsă pentru acționare este dată de forța de comprimare însumată a celor două arcuri montate pe axele de ghidaj. Conform producătorului forța de comprimare necesară pentru acest arc este de 10N fiind astfel nevoie de 20N.

Considerații privind ergonomia echipamentului

Pentru o poziție de operare ergonomică este recomandat ca pedala să fie înclinată la mai mult de 20⁰ (am ales 25⁰ ) față de orizontală, iar forța necesară să nu fie mai mare de 120N.

Ergonomia a căpătat un important rol în amenajarea locului de muncă. Un loc de muncă corectat din punct de vedere ergonomic, integrează mediul, sarcinile, echipamentele și lucrătorul într-o manieră care protejează sănătatea, crește confortul și productivitatea, iar ambianța devine mai plăcută. Ergonomia rezolvă o mulțime de probleme posibile, oferă confort personalului și adaugă vitalitate și libertate de mișcare. Prin încorporarea efectivă a ergonomiei în design-ul echipamentelor de producție , structurile economice sau culturale își pot satisface nevoile proprii cât și pe cele ale angajaților prevenind factorii de risc, rezolvând unele probleme sociale, dând posibilitatea indivizilor să-și maximizeze potențialul.

FIȘA TEHNICA A ECHIPAMENTULUI

Principalele caracteristici ale dispozitivului

Dimensiuni

CONSIDERAȚII PRIVIND FABRICAREA REPERELOR

Debitarea semifabricatelor

Reperele vor fi realizate în principal din oțel (oțel carbon și oțel inxidabil), livrat în următoarele semifabricate : profile rectangulare sudate, table de diferite grosimi, bare cu secșiune circulară.

Debitarea profilelor sudate și ale celor laminate

Se realizează folosind un fierăstrău mecanic cu bandă. În cazul profilelelor laminate se va considera un adaos pentru prelucrările ce vor urma (strunjire ,frezare).

FIGURA 3-1. fierăstrău mecanic

Tăierea tablelor

În cazul acestor semifabricate se va folosi tăierea cu plasmă pentru conturarea reperului desfășurat.

Tăierea cu plasmă :

Tăierea cu plasma este un proces de tăiere termic în care se utilizează procedeul arc-scurt. Arcul este creat atunci când fluxul de curent electric se îndreaptă dinspre catod (electrodul non-topire) către anod, adică piesa de debitat, conductoare electric. Energia necesară topirii piesei de prelucrat este asigurată de pe de o parte de jetul de plasmă, pe de altă parte de arcul electric. Datorită arcului electric gazul din plasma se dizolva parțial și se ionizează se transforma în conductor electric, ca apoi în urma densității de energie și a temperaturii ridicate se îndreaptă către piesă în lucru cu multiplul vitezei sunetului. În momentul în care jetul de plasmă concentrat de mare energie ajunge pe suprafața piesei de prelucrat, moleculele se reunesc din nou, astfel încât energia stocată și eliberată din arc topește și parțial evapora materialul.În plus, energia cinetică mare a fascicului plasmatic permite evacuarea materialului topit.

FIGURA 3-2. Procesul de tăiere cu plasmă

Debitarea cu plasmă, spre deosebire de debitarea flacără de oxigen, este adecvat nu numai în cazul oțelurilor a căror temperatura de topire este mai scăzută decât a materialului de prelucrat, ci la toate materialele care sunt conductoare de electricitate. Această tehnologie poate fi aplicată cu ușurință la debitarea tablelor groase înalt aliate, cât și la debitarea tablei de aluminiu de până la 160 mm. Popularitatea ei constă în principal în eficiență tăierii. Este caracterizată de viteze mari de tăiere – deoarece energia dezvoltată de arcul de plasmă este superioară față de tăierea oxi gaz (chiar 9m/min) într-un timp scurt (nu necesită preîncălzire). Pot fi tăiate toate tipurile de materiale metalice. Se formează tensiuni și deformații mult mai mici decât la tăierea oxi gaz. În cazul tablelor subțiri, unde sunt impuse rosturi mici și margini stricte, tăierea cu laser poate fi mai avantajoasă , dar acest lucru se întâmplă în proporție mică pe scară industrială. În general, cu cât este tabla mai groasă , cu atât sunt costurile de tăiere mai avantajoase. De exemplu, dacă ne raportăm la oțeluri, de la gama de 3 mm în sus plasma este mai puțin costisitoare, în timp ce la oțeluri înalt aliate de la grosimi de 8 mm pot scădea costurile de tăiere chiar de cinci ori.

Echipamentele de debitare cu plasma pot fi echipamente pentru debitare manuala sau instalatii automate de taiere cu plasma, de regula cu control numeric.

FIGURA 3-3. Instalatia automata de debitare cu plasma cu comandă numerică

Performanța echipamentelor de tăiere cu plasmă cât și calitatea materialului de tăiat, depinde de tehnologia de tăiere, tipul materialului, gazul plasmagen folosit, parametrii procesului de tăiere (viteza de tăiere, lungimea arcului, intensitatea și tensiunea curentului, etc.), precum și de factori, cum ar fi grosimea, conductivitatea pieselor de tăiat sau starea suprafețelor. Cerințele în industrie, referitoare la calitate sunt din ce în ce mai stricte. Acest lucru necesită o dezvoltare continuă în rândul producătorilor. Dezvoltarea are ca scop, pe de o parte, obținerea de calități superioare ale produselor, prin eliminarea proceselor de prelucrare suplimentare, pe de altă parte, dezvoltarea, care se caracterizează prin eforturile de reducere a costurilor.

Echipamentele moderne de tăiere cu plasma, până la o anumită grosime din punct de vedere al calității, rivalizează cu mașinile de tăiere cu laser.

În cazul tablelor subțiri, cu rosturi mici și în cazul pieselor cu contururi stricte, tăierea cu laser poate fi mai avantajoasă, dar această situație apare doar în proporție foarte mică pe scară largă. În general, cu cât grosimea materialului este mai mare, costurile debitării cu plasmă sunt mai favorabile. De exemplu, referitor la oțeluri, pentru grosimi mai mari de 3mm, în gama de tăiere, clar plasma este mai ieftină. în timp ce în cazul tablelor de aluminiu și înalt aliate mai groase de 8 mm, diferența de costuri pot fi de cinci ori mai mari în favoare plasmei.

Îndoirea tablelor

După debitarea cu plasmă a reperelor desfășurate se va trece la ăndoirea acestora pentru obținerea formei finale . Îndoirea este procesul de modificare a formei unui semifabricat prin încovoierea în jurul unei muchii rectilinii, este un proces de deformare elastică si plastică la rece, deformarea apărând numai în zona învecinată liniei de îndoire.

Indoirea tablelor folosind prese de tip Abkant

Abkanturile sunt masini folosite la indoirea tablei recomandate pentru un volum mediu de lucru deoarece sunt solutii mai lente. Unul din avantajele lor este ca tabla prelucrata nu este sustinuta de utilizator si se pot realiza multiple feluri de indoiri ale tablei.

Utilajele de tip abkant se utilizeaza pentru prelucrarea tablei de mari dimensiuni, pentru productia de piese perforate sau oricand materialul are o suprafata pe care pot ramane urme. Datorita dotarii cu un ecartament amplasat in spatele masinii, ea poate fi folosita de un singur utilizator usurand sarcina acestuia.

Ca principiu de functionare masinile pentru indoit tabla prezinta o pereche de falci care prin rotire realizeaza indoirea tablei, apoi facand aceeasi operatiune in celalalt sens.

FIGURA 3-4 . presă abkant cu comandă numerică

Prelucrări prin așchiere

O parte din repere vor fi realizate folosind prelucrările prin așchiere (frezări și strunjiri).

Strunjiri:

Strunjirea este procedeul de prelucrare prin aschiere, care se realizeaza prin combinarea miscarii principale de rotatie, executata de regula de semifabricat, cu miscarea de avans — rectilinie — executata de scula.

Cele doua miscari se desfasoara simultan, miscarea de aschiere pentru un punct de pe taisul sculei, fiind o miscare elicoidala sau spirala, dupa cum miscarea de avans are loc in lungul axei semifabricatului sau este perpendiculara pe aceasta.

Operatia de strunjire se desfasoara, ca si rabotarea si mortezarea, cu scule cu o singura muchie aschiietoare principala, procesul de aschiere desfasurandu-se continuu. Pe strungurile echipate cu dispozitive adecvate se pot realiza si miscari de avans curbilinii, lucru ce conduce la largirea considerabila a posibilitatilor tehnologice ale acestor masini.

Prin strunjire se pot obtine suprafete plane, de rotatie, elicoidale, spirale, elicoide spirale sau chiar suprafete poligonale. Pe langa aceasta procedeul de prelucrare este concretizat si printr-o mare productivitate, ceea ce a facut ca procedeul sa capete o larga raspandire. Mai mult, precizia de prelucrare este suficient de ridicata, astfel incat,pentru multe situatii, strunjirea poate constitui operatia finala de prelucrare.

Sculele de strunjit sunt in general scule simple, cu o geometrie usor de realizat. si, in consecinta, usor de exploatat.

Mașinile-unelte controlate numeric se mai numesc și mașini CNC. Controlul numeric rezidă într-un proces de “alimentare” continuă a unui controller programabil în construcție specială, cu un set de instrucțiuni (formate din litere și cifre) astfel încât să poată fi controlate mișcările unei mașini-unealtă.

Mișcările mașinii trebuie să conducă o sculă tăietoare:

– pe un anumit traseu;

– cu o viteză precisă de rotație a sculei

– cu o viteză precisă de înaintare a sculei.

CNC este abreviație de la “Computer Numerically Controlled” (Control Numeric cu Computer). Denumirea CNC se referă întotdeauna la modul de operare al unei mașini, adică, la metoda de bază pentru controlul mișcărilor, și nu spune nimic despre tipul mașinii: freză, strung sau altceva. O mașină CNC face uz de matematică și de diverse sisteme de coordonate pentru a înțelege și procesa informația pe care o primește, pentru a determina ce trebuie să miște, unde și cât de repede.

Cea mai importantă funcție a oricărei mașini CNC este controlul precis și riguros al mișcării. Toate echipamentele CNC au două sau mai multe direcțiie de mișcare, numite axe. Aceste axe pot fi mișcate precis și poziționate precis, de-a lungul intervalului de deplasare. Cele mai cunoscute tipuri de axe sunt cele liniare și de rotație (mișcare curbilinie). În loc de a produce aceste mișcări prin utilizarea de manivele și discuri, așa cum necesită mașinile clasice de prelucrare prin așchiere, mașinile CNC sunt acționate de servomotoare controlate prin computer și și ghidate de un program memorat. În general, tipul de mișcare (rapid, liniar, circular), axele care se mișcă, distanțele de mișcare și vitezele de mișcare (de prelucrare) sunt programabile la majoritatea mașinilor CNC. În figura 1 se arată diferențele dintre o mașină-unealtă convențională și una controlată CNC.

Diferențe între o mașină clasică, acționată manual (a) și o mașină controlată numeric (b).

Marea majoritate a mașinilor CNC sunt capabile să se miște în 3 direcții simultan. Aceste direcții sunt numite axele mașinii. Axele au numele coordonatelor X, Y, Z. Axa X este întotdeauna aceea pe care mașina, sau o parte a mașinii, se deplasează (acoperă) cea mai mare lungime. De exmplu, axa X poate reprezenta mișcarea față – spate iar axa Y mișcarea stânga – dreapta. Axa Z reprezintă mișcarea verticală, sus – jos. Unealta de prelucrare este montată, de obicei, pe axa Z.

O mașină CNC trebuie să fie capabilă să comunice cu ea însăși, pentru a putea opera. O unitate centrală cu computer, pentru control numeric, trimite comenzi de poziționare către motoare. Traductoare speciale, fixate pe axele mașinii, trebuie să comunice înapoi, către unitatea centrală, faptul că motoarele au acționat corect și au mișcat axele cu distanța comandată. Abilitatea unei mașini de a mișca un punct central (scula de prelucrare) în trei direcții, în același timp, permite acesteia să urmărească orice traiectorie sau suprafață din spațiul de lucru. Toate mișcările sunt mult mai rapide și mult mai precise decât cele care pot fi realizate de un operator uman.

Un robot industrial este o formă de mașină cu control numeric, prin aceea că mișcările robotului sunt comandate cu același tip de controller cu care sunt echipate și mașinile-unelte. Diferența rezidă în limbajul de programare utilizat. Un robot constă, în esență, dintr-un braț mecanic articulat care are la capăt un dispozitiv mecanic numit end-efector cu ajutorul căruia robotul poate apuca diverse obiecte sau poate mânui un aparat de sudură, în diverse puncte de pe caroseria unui automobil, sau un aparat de vopsit pe care îl deplasează de-a lungul unei traiectorii complexe, în vederea unei vopsiri uniforme.

Se poate spune și invers, că o mașină unealtă este un fel de robot. Oricum, ambele au în comun faptul că funcționarea lor depinde de un program numeric care se poate modifica foarte ușor, astfel încât, în numai câteva secunde, mașina-unealtă sau robotul pot să îndeplinească alte sarcini.

Avantajele și dezavantajele utilizării mașinilor CNC

Primul beneficiu oferit de toate tipurile de mașini CNC este îmbunătățirea automatizării. Intervenția operatorului în producerea pieselor poate fi redusă sau eliminată. Multe mașini CNC pot funcționa nesupravegheate pe parcursul întregului ciclu de prelucrare. Acest aspect oferă utilizatorului mai multe beneficii cum ar fi: reducerea gradului de oboseală, reducerea greșelilor provocate din eroare umană, un timp de ciclu constant, deci o producție previzibilă. Deoarece mașina rulează un program de control, nivelul de cunoștințe necesar majorității operatorilor CNC (privind tehnologia de prelucrare a metalelor) este de asemenea redus în comparație cu cea a unui prelucrător prin așchiere (strungar) care lucrează pe mașini clasice.

Al doilea avantaj al tehnologiei CNC este rapiditatea și precizia obținută pentru piesele finite. Odată ce un program este verificat și corectat, cu aceeași precizie și rapiditate se pot face una, zece sau o mie de piese de aceeași calitate și același timp de prelucrare pentru fiecare piesă.

Al treilea beneficiu este flexibilitatea. Deoarece mașinile execută programe, schimbarea prelucrării este la fel de ușoară ca și încărcarea unui alt program. O dată ce un program a fost realizat și prima piesă a fost executată corect, acesta poate fi salvat în memorie, pe dischete sau bandă magnetică și încărcat oricând mai este nevoie de el. Acest lucru implica un alt beneficiu: schimbări rapide în producție. Deoarece punerea în funcțiune a unei mașini CNC este ușoară și rapidă, producția cu astfel de mașini este pretabilă la diminuarea stocurilor și onorarea comenzilor imediat ce sunt primite.

Se prezintă în continuare, mai detaliat, principalele avantaje și dezavantaje ale mașinilor CNC în comparație cu mașinile-unelte clasice.

Sudarea profilelor

Profilele ce vor compune masa mașinii vor fi îmbinate prin sudura în mediu de gaz protector MIG.

Sudarea in mediu protector este termenul generic pentru toate procedeele de sudare, lacare baia de sudare si metalul ce se transfera in aceasta, sunt protejate cu un gaz de protectie impotriva actiunii atmodsferei. Arcul electric arde vizibil intre electrod si piesa.

Procedeele de sudare in mediu de gaz protector pot fi clasificate in functie de tipulelectrodului, a gazului de protectie si a arcului electric utilizat.

O prima clasificare se poate face dupa tipul electrodului. Astfel, procedeele pot fi impartite in procedee cu electrod nefuzibil si procedee cu electrod fuzibil.

Electrodul nefuzibil – sau „permanent” – este fabricat din wolfram, de aceea acest procedeu se numeste sudare in mediu de gaz protector cu electrod nefuzibil – in engleza gas tungsten-arc (GTA) welding.

In cazul sudarii cu electrod fuzibil acesta este in acelasi timp si unul din polii arculuielectric si material de adaos. Are aceeasi compozitie chimica sau foarte apropiata decea a materialului de baza. Acest procedeu se numeste sudare in mediu de gaz protector cu electrod fuzibil – in engleza gas metal-arc (GMA) welding.

Aceste doua categorii se pot diferentia dupa gazul de protectie utilizat.

La procedeul de sudare in mediu de gaz protector cu electrod nefuzibil se folosesc gaze inerte sau nobile. Termenul "inert" provine din limba greaca si inseamna “indiferent’’ sau

„lent in reactii”. Dintre gazele nobile disponibile, la sudarea in mediu de gaz protectorinert cu electrod nefuzibil (WIG) se foloseste in principal argon sau heliu, sau amestecuri ale acestora.

La sudarea in mediu de gaz protector cu electrod fuzibil se folosesc atat gaze inerte, cat si gaze active. De accea, se face deosebirea dintre sudarea in mediu de gaz protector inert cu electrod fuzibil (MIG) si sudarea in mediu de gaz protector activ cu electrod fuzibil (MAG).

O alta distinctie se face in functie de tipul de gaz de protectie utilizat – intre sudarea

MAGM, unde se utilizeaza amestecuri de gaze pe baza de argon cu adaos de componente active, cum ar fi CO2 si O2 (cunoscuta si ca GMMA = “gas-mixture metalarc” welding) si sudarea MAGC, unde se utilizeaza dioxid de carbon CO2 tehnic (cunoscuta si ca GMA-CO2).

PROCEDEUL MIG / MAG

Este o îmbunătățire a procesului de sudare SEI. Cu toate că procesul de sudare este asemănător, totuși aparatele de sudare precum și pistoletul de sudare se deosebesc semnificativ. Diferența majoră o constă introducerea de gaz protector la locul sudării, care înlocuiește învelișul electrodului. Gazul protector, cum reiese și din denumirea lui, are rolul de a proteja zona de sudare efectivă (arcul electric și baia metalică). Deoarece majoritatea metalelor reacționează cu aerul formându-se oxizi, care deteriorează grav caracteristicile mecanice ale îmbinării, este necesar ca în imediata vecinatate a procesului de sudare să nu fie aer. Acest lucru se realizează prin intermediul gazului protector. Acest gaz poate fi de două tipuri, MIG (Metal Inert Gas) sau MAG (Metal Activ Gas). Gazele inerte, de exemplu argonul, heliul sau amestecuri ale lor se folosesc la sudarea metalelor și aliajelor reactive cum sunt cuprul, aluminiul, titanul sau magneziul. Gazele active se folosesc la sudarea oțelurilor obișnuite, de construcții sau înalt aliate. În cazul proceselor de sudare MIG/MAG electrodul folosit este așa-numită sârmă de sudură. Aceasta este împinsă în baie de către un sistem de avans. În vecinătatea băii, înainte de contactul mecanic ea trece printr-o diuză de curent, de la care preia energia electrică a sursei de curent necesară creerii arcului și topirii materialului. Diuza de curent este poziționată în interiorul diuzei de gaz. Astfel prin orificiul dintre cele două diuze va curge gazul protector. Tensiunea aplicată arcului electric este cu mici excepții continuă, cu formă de undă staționară sau pulsată. Rata de depunere ajunge în aplicațiile industriale curente la 3 – 4 kg/h. O evoluție nouă a procedeului MIG-MAG este Procedeul MIG/MAG Tandem dezvoltat de firma CLOOS (Germania) care a introdus subprocedeul "MIG/MAG-TANDEM", ca pe o unealtă tehnologică de mare productivitate. Aceasta reprezintă o versiune flexibilă și performantă a procedeului de sudare MIG/MAG cu două arce, la care cele două sârme electrod sunt avansate pe direcții concurente, într-o baie topită comună. Pentru a permite un transfer dirijat, cu un grad de stropire cât mai redus, cele două surse de sudare sunt sincronizate electronic. În același timp parametrii celer două surse pot fi reglați individual, astfel că e posibil să se sudeze de exemplu cu două diametre de sârmă, sau chiar cu două procedee diferite (normal și pulsat). Ca rezultat se pot obține cusături sudate având o calitate deosebită, rate mari de depunere și în același timp o stropire redusă, toate acestea la viteze de sudare care ating frecvent 3~4 m/min. La sudarea tablelor subțiri (2–3 mm), procesul TANDEM poate asigura chiar viteze de până la 6 m/min. La sudarea tablelor medii/groase se pot obține cote ale îmbinărilor de colț de până la 8 mm, dintr-o singură trecere. Rata de depunere, de până la 26 kg/h face din acest procedeu o alternativă foarte avantajoasă la sudarea sub flux(UP).

CONCLUZII

În lucrarea de față am dorit să prezint procesul de proiectare și considerațiile referitoare la fabricarea acestui dispozitiv, care a pornit de la o necesitate reală apărută într-o unitate de producție. Înainte de modelarea și documentarea conceptului prezentat, am realizat o scurtă cercetare având ca surse principale cărțile regăsite în biblioteca Universității Petru Maior , articole/studii publicate în mediul online și de asemenea a implicat și studierea unor dispozitive similare în scopul aducerii de îmbunătățiri. Potențialii beneficiari ai acestui echipament sunt producătorii ce activează în următoarele domenii (producția de îmbrăcăminte / echipamente individuale de protecție, echipamente și accesorii utilizate în transportul mărfurilor, produse publicitare ș.a.). Cred ca soluțiile tehncie pe care le-am propus satisfac cerințele inițiale impuse iar realizarea acestui echipament este posibilă folosind mijloace de fabricație uzuale.

Principale avantaje pe care mi-am propus să le ofer prin felul în care am conceput dispozitivul sunt robustețea și simplitatea ansamblului și posibilitatea realizării ușoare a elementelor componente urmărind în final obținerea unui produs cu un preț competitiv , care să se poată alinia rapid la standardele de calitate și performanță impuse.

Posibilitatea de îmbunătățire pe care am identificat-o și care consider ca trebuie implementată la versiunile următoare, este legată de creșterea producivității acestui dispozitiv. În acest sens cred că dispozitivul poate fi completat cu un sistem de alimentare și inserare automată a elemenților ochetului. Acesta va trebui să fie capabil să elibereze controlat ocheții dintr-un rezervor ,să îi ca conducă și să îi alinieze corect în zona capurilor de presare eliminând necesitatea intervenției operatorului pentru această operație.

BIBLIOGRAFIE

Bibliografie

[1] Boloș,V. și Boloș Codruța. Organe de mașini și mecanisme, Tîrgu Mureș, Institutul

de învățământ superior, 1980.

[2] Pozdîrcă,A. Mecanisme. Tîrgu Mureș, Litografia Universității „Petru Maior”, 1998

[3] Vișa,I. ș.a. Proiectarea funcțională a mecanismelor. Brașov, Editura Lux Libris

[4] Șaban,R. Studiul și ingineria materialelor. Editura Didactică și Pedagogică,

București, 1995.

[5] Damian,M. ș.a. Proiectarea asistată de calculator a formei și tehnologiei

reperelor. Cluj-Napoca, Casa Cărții de Știință, 1999

[6] Cosoroabă,V.ș.a. Acționări pneumatice. București, Editura Tehnică, 1974.

[7] Tero,M. Acționări hidraulice și pneumatice. Curs. Tîrgu Mureș, Litografia

Universității „Petru Maior”, 1997.

[8] Waldemar Karawowski “International Encyclopedia of Ergonomics and Human Factors (Volume 1)” University of Louisville, Kentucky U.S.A.

[9] Wesley E. Woodson & Donald W. Conover “Human engineering guide for equipment designers” University of California, Berkeley U.S.A

http://www.rexrothpneumatics.com/pneumatics-catalog

http://en.wikipedia.org/wiki/Pneumatic_actuatorhttp://www.metalfoam.net/

http://en.wikipedia.org/wiki/Pneumatics

Softuri utilizate

SolidWorks 2015 – Proiectare CAD

Microsoft Office 2013 – Tehnoredactare / realizarea prezentării

SMC-PneuDraw 2.8 – Realizarea schemei pneumatice

ANEXE

DA-01 – Masa de lucru a mașinii (Desen de ansamblu)

DA-02 – Dispozitivul de presare (Desen de ansamblu)