Prensa neumática que no atraviesa la chapa: dimensionado, caudal y mando
En una estación de troquelado se quiere obtener una fuerza de 4,5 kN en una prensa neumática de doble efecto, con una carrera de 120 mm y 25 ciclos por minuto. La red proporciona 6 bar y se estima un rendimiento mecánico del 0,85. La instalación actual monta un cilindro de Ø80 mm con vástago de Ø25 mm, gobernado por una válvula 5/2 de accionamiento manual y reguladores de caudal en las tomas. El operario se queja de que la prensa no atraviesa la chapa, de que el cilindro avanza a tirones y de que el manómetro del filtro-regulador, que marca 6 bar en reposo, cae a 4,2 bar durante el avance. Además, el compresor arranca con mucha frecuencia desde que se instaló la prensa. Se pide rediseñar el accionamiento con criterios técnicos y explicar cada síntoma.
1. Calcula el diámetro de cilindro necesario para dar 4,5 kN con 6 bar y rendimiento 0,85, elige el diámetro normalizado y comprueba también la fuerza de retroceso con el vástago de 25 mm.
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Fuerza teórica necesaria. La fuerza útil es la teórica multiplicada por el rendimiento: F_teórica = 4 500 / 0,85 = 5 294 N
Presión de trabajo. 6 bar = 60 N/cm².
Área de émbolo. A = F / p = 5 294 / 60 = 88,2 cm² D = √(4A/π) = √(4 · 88,2 / 3,1416) = √112,3 = 10,60 cm → 106 mm
Normalización. Los diámetros ISO son 80, 100, 125 mm. Con Ø100: A = 78,5 cm² → F = 78,5 · 60 · 0,85 = 4 004 N < 4 500 N ✗. Con Ø125: A = 122,7 cm² → F = 122,7 · 60 · 0,85 = 6 258 N ✔, con un margen del 39 %. Se elige Ø125 mm.
Retroceso. Área anular = 122,7 − 4,91 (vástago de 25 mm: A = π·1,25² = 4,91 cm²) = 117,8 cm². F_retroceso = 117,8 · 60 · 0,85 = 6 008 N ✔, suficiente también para el retorno.
Comprobación del síntoma. El cilindro actual de Ø80 da A = 50,3 cm² → F = 50,3 · 60 · 0,85 = 2 565 N a 6 bar, y a los 4,2 bar reales solo 1 796 N. Frente a los 4 500 N necesarios, la prensa no puede atravesar la chapa: no es un problema de regulación, es que el cilindro es la mitad de lo que hace falta.
2. Explica la caída de presión de 6 a 4,2 bar y el movimiento a tirones. Calcula el consumo de aire de la nueva prensa y compáralo con el compresor de 500 l/min.
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Consumo por ciclo (cilindro Ø125, carrera 120 mm).
- Avance: 122,7 · 12 = 1 472 cm³
- Retroceso: 117,8 · 12 = 1 414 cm³
- Total: 2 886 cm³ ≈ 2,89 L por ciclo, medidos a 6 bar relativos.
Aire libre equivalente. El factor de compresión es (6 + 1,013)/1,013 ≈ 6,9. V_libre = 2,89 · 6,9 = 20 NL por ciclo A 25 ciclos/min: ≈ 500 NL/min de aire libre.
Comparación con el compresor. Un compresor de 500 l/min de aspiración entrega, con rendimiento volumétrico real del 75-80 %, unos 375-400 NL/min. La prensa necesita 500 NL/min: el compresor es insuficiente. De ahí tres síntomas que encajan:
- El manómetro cae a 4,2 bar durante el avance, porque la demanda instantánea supera lo que la red puede reponer.
- El compresor arranca con mucha frecuencia y no alcanza a parar, trabajando en régimen de carga casi continuo.
Movimiento a tirones. Con aire, la compresión es muy superior a la del aceite: el caudal que entra se acumula como energía elástica y el cilindro avanza a saltos («stick-slip»). Los reguladores de caudal en las tomas, si son de estrangulamiento a la entrada, agravan el efecto. Hay que sumar la pérdida de carga en tubos y racores: la caída de 1,8 bar indica una restricción grande (filtro saturado, racores de menos de 3/8", válvula de 5/2 de pequeño caudal nominal).
Actuación: sustituir el filtro, montar válvula y racores de mayor paso, y sobredimensionar el compresor o el depósito de acumulación para absorber las puntas.
3. Diseña el circuito de mando y accionamiento: válvula direccional, regulación de velocidad, seguridad y control. Justifica cada elección.
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Elementos del circuito.
- Grupo de acondicionamiento: filtro, regulador con manómetro y lubricador (FRL) dimensionado para el caudal real (≥ 1 000 NL/min de paso, no el de la prensa nominal).
- Válvula direccional 5/2 de doble solenoide o monoestable con retorno por muelle: la doble bobina mantiene la posición ante un corte de tensión y evita movimientos indeseados al rearmar; la monoestable obliga a un retorno definido.
- Regulación de velocidad por estrangulación del escape (meter-out): se regulan las dos salidas con válvulas antirretorno-reguladoras. Es la elección correcta en una prensa porque mantiene siempre presurizada la cámara de trabajo, evita que el vástago se dispare y da un avance estable. La regulación a la entrada solo es preferible en cilindros de pequeño tamaño sin carga gravitatoria.
- Válvula de escape rápido en la cámara de avance si se necesita reducir el tiempo de ciclo.
- Válvula de retención pilotada o bloqueo, si el útil puede caer por gravedad al perder presión.
- Detectores de final de carrera (dos sensores magnéticos en el cilindro) que confirman la posición al PLC.
- Seguridad: mando a dos manos o cortina de luz con relé de seguridad para que el operario no pueda alcanzar la zona de troquelado mientras el cilindro avanza; resguardo fijo en el resto del recorrido.
Lógica de mando. El PLC debe condicionar el avance a la señal de seguridad, a la pieza presente y a la posición inicial confirmada; el retorno solo cuando se alcanza el final de carrera de avance. Así se evita el ciclo repetido y la puesta en marcha con el operario en la zona. Con el cilindro de Ø125 y la válvula de mayor caudal, la velocidad se ajusta actuando sobre las antirretorno-reguladoras, no sobre el regulador de presión: bajar la presión para frenar reduciría la fuerza por debajo de los 4,5 kN y la prensa volvería a no atravesar la chapa.