“APARELHO DE PRÉ-TENSIONAMENTO UTILIZANDO UM PRENDEDOR
ROSCADO BIPARTIDO”
Referência Cruzada a Pedidos Relacionados
Não-aplicável
Antecedentes da Invenção
A presente invenção se refere a um prendedor roscado para unir em conjunto partes componentes grandes de uma máquina e, mais especificamente, a uma construção de múltiplas peças de tal prendedor para montagem em roscas externas de um eixo e usando um gerador de tensão, preferivelmente, parafusos de macaco, para impor força de pré10 tensionamento na conexão roscada sem aplicar torque à conexão roscada.
Prensas de forjadura para serviços pesados são usadas, por exemplo, na indústria de usinagem de metal para moldar e refinar a estrutura de granulação metalúrgica de uma peça fundida de metal, normalmente uma peça a trabalhar de aço, mediante forjadura (prensagem) da peça a trabalhar de aço em uma condição altamente aquecida entre matri15 zes. Uma prensa de forjadura desse tipo tipicamente deve desenvolver 5.000 ou mais toneladas de pressão entre as matrizes e consiste em partes maciças incluindo essencialmente um êmbolo hidraulicamente acionado no cilindro instalado em uma cruzeta superior estacionária. Um ou dois pares de tirantes algumas vezes denominados colunas de aço interconectam e ancoram a cruzeta superior em uma base grande. Essas partes são projetadas para 20 serviço muito pesado e desse modo são normalmente muito grandes de modo a sustentar as forças desenvolvidas pela operação de forjadura. O êmbolo hidraulicamente acionado é operado para mover uma cruzeta carregando a matriz de forjadura superior contra a peça a trabalhar de aço, aquecida. A peça a trabalhar é manipulada entre cursos do êmbolo para a operação de forjadura em posições estratégicas se apoiando na matriz estacionária locali25 zada na base estacionária grande na qual as colunas de aço são fixadas. Outros conjuntos de pistão e cilindro, hidraulicamente operáveis, levantam o êmbolo; a cruzeta e a matriz de forjadura superior após cada curso do êmbolo para a operação de forjadura.
As colunas de aço são usadas em pares para ligar a cruzeta superior estacionária à base grande estacionária e devem resistir à pressão desenvolvida entre as matrizes. As co30 lunas de aço têm extremidades roscadas que se projetam a partir da cruzeta e da base para receber um elemento de porca roscada. Cada elemento de porca é provido com um furo roscado, tipicamente, da ordem entre um pé e três pés de diâmetro e torque deve ser aplicado para pré-tensionar a conexão roscada para prevenir carga de impacto entre as roscas de casamento. A magnitude da força de pré-tensionamento deve ser superior às forças de 35 trabalho incluindo carga de impacto ocorrendo durante as operações de forjadura de modo a prevenir deformação permanente particularmente onde ocorrem folgas entre as roscas de casamento das porcas nas extremidades roscadas das colunas de aço. As roscas na coluna de aço e as porcas de prendedor são de tais proporções físicas que o uso de equipamento de manejo mecanizado é necessário para a remoção e instalação das porcas de prendedor para realizar desmontagem e remontagem necessárias da prensa de forjadura para operações de manutenção. Incrustação com material particulado transportado pelo ar nas roscas 5 expostas das colunas de aço que se estendem além de cada porca pode causar uma condição emperrada ou acunhada ao se desenrascar as roscas de casamento. Outra problema ocorrendo ao fazer manutenção em uma prensa de forjadura existente é a deformação da rosca na porca e da rosca na coluna de aço no local da área de transferência de carga inicial é particularmente problemático porque a distorção da rosca de porca distorce o passo de 10 rosca que deve percorrer o deslocamento de rosca inteiro durante o processo de remoção da porca. Essas condições são conhecidas freqüentemente como condições de bloqueio e de desprendimento de material por fricção de metal. Mesmo ao instalar porcas em colunas de prensa novas, a presença de fragmentos de metal tais como aparas ou roscas nãocorrespondentes ou mesmo procedimentos de manejo padrão pode fazer com que ocorra 15 desprendimento de material por fricção de metal. O peso da porca e a ampla área de contato entre as roscas de casamento podem ser suficientes para causar desprendimento de material por fricção de metal. Além disso, quando um membro de porca existente não pode ser reinstalado devido a dano, a tolerância de rosca permitida dentro da rosca na coluna de aço quando fabricada, algumas vezes a 30, 50 ou mais anos historicamente, é muito imprecisa 20 em comparação com as tolerâncias padrão dos dias atuais, e desse modo dificuldades de casamento de rosca ocorrem ao se instalar um elemento de porca de reposição recentemente manufaturado. Problemas similares são encontrados na construção e manutenção de outros equipamentos de serviços pesados usados na indústria de usinagem de metal e outras indústrias onde a força de uma magnitude muito grande demanda o uso de elementos 25 de porca de fixação roscados tendo tal grande tamanho físico e peso de modo a exigir equipamento de manejo mecanizado para instalação e remoção.
Conseqüentemente, um objetivo da presente invenção é o de prover um prendedor para facilidade de montagem nas colunas roscadas grandes e para tensionar as colunas roscadas grandes, hastes, como aquelas usadas em maquinaria para serviços pesados, 30 particularmente prensas de forjadura, sem exigir equipamento mecanizado de serviços pesados para instalação incluindo pré-tensionamento das roscas de casamento e remoção do prendedor.
É outro objetivo da presente invenção prover uma construção de prendedor útil na operação de instalação com o auxílio de ferramentas manuais comuns e eliminar as condi35 ções de desprendimento de material por fricção de metal e bloqueio de porca conhecidos como ocorrendo no uso de prendedores grandes de serviços pesados usados para resistir às grandes forças.
Sumário da Invenção
De acordo com a presente invenção é provido um prendedor para fixar um tirante roscado a uma parte de máquina, o prendedor incluindo a combinação de um meio anel circular dividida ao longo de um plano intersectando um eixo longitudinal central espaçado uniformemente a partir de uma rosca interna entre paredes de extremidade opostamente direcionadas, uma das paredes de extremidade tendo uma superfície de sustentação de carga, cônica, truncada, definida com um ápice projetado intersectando o eixo central sem percorrer a rosca interna, parafusos para prender os componentes divididos no meio do meio anel circular dividido ao longo dos eixos se estendendo tangenciais ao eixo longitudinal central, e um cilindro oco tendo uma parede de extremidade contendo uma superfície de empuxo, cônica, truncada, disposta para apresentar um par conjugado de superfícies cônicas truncadas com a superfície de sustentação de carga cônica truncada, a superfície de empuxo cônica truncada sendo circundada no sentido para fora por uma seção de corpo gerador de tensão, cilíndrico, contendo um gerador de tensão operativo para gerar uma força de prétensionamento se estendendo paralela ao eixo central longitudinal do cilindro oco pelo que o par conjugado de superfícies cônicas truncadas decompõe uma força paralela ao eixo longitudinal central gerada pelo gerador de tensão em direção a uma parte da máquina para prover um componente de força dirigido radialmente no sentido para dentro em direção ao eixo longitudinal central para induzir a rosca interna em direção a uma rosca de casamento em um tirante quando no anel circular e prover outra força componente dirigida paralela ao eixo longitudinal central para aplicar tensão ao tirante.
Descrição Resumida das Várias Vistas dos Desenhos
A presente invenção será entendida mais completamente quando a descrição a seguir é lida à luz dos desenhos anexos nos quais:
A Figura 1 é uma ilustração esquemática de uma prensa de forjadura do tipo usado na indústria de usinagem de metal para forjar uma peça a trabalhar altamente aquecida adequada para empregar o prendedor da presente invenção.
A Figura 2 é uma vista secional ampliada tomada ao longo das linhas ll-ll da Figura 1;
A Figura 3 é uma vista plana da Figura 2;
A Figura 4 é uma vista secional tomada ao longo das linhas lll-lll da Figura 3;
A Figura 5 é uma vista plana de um calço formando parte do prendedor da presente invenção;
A Figura 6 é uma vista de extremidade do calço mostrado na Figura 5;
A Figura 7 é uma vista em elevação de um dos segmentos de anel divididos ao meio, tomada ao longo das linhas X-X da Figura 3;
A Figura 8 é uma vista plana do segmento de anel dividido ao meio mostrado na Fi4 gura 7;
A Figura 9 é uma vista em elevação do segundo dos segmentos de anel dividido ao meio, tomada ao longo das linhas VII-VII da Figura 3;
A Figura 10 é uma vista plana do segmento de anel dividido ao meio mostrado na Figura 9;
A Figura 11 é uma ilustração de um parafuso de macaco roscado para prétensionamento das roscas formando o prendedor da presente invenção; e
A Figura 12 é um diagrama de força para ilustrar a resolução das forças ocorrendo no uso do prendedor da presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
A Figura 1 ilustra os principais componentes de uma prensa de forjadura de grande capacidade e de serviços pesados 10 que é um exemplo típico de uma aplicação adequada de um prendedor incorporando as características da presente invenção. A prensa de forjadura inclui uma base sustentada em fundação 12 na qual é montada uma matriz inferior estacionária 14 e colunas de aço separadas 16 e 18, algumas vezes denominadas de tirantes, tendo porções de extremidade roscadas se projetando através das aberturas na base e presas a ela por intermédio de prendedores 20. Um conjunto de cilindro e êmbolo 24 é fixado entre a cruzeta 22 e uma cruzeta móvel 28 e acionado operativamente por um sistema hidráulico, não mostrado, para acionar uma matriz superior 26 contra a peça a trabalhar de aço aquecido enquanto se apoiando sobre a matriz inferior estacionária 14 com uma força suficiente para trabalhar a calor o metal da peça a trabalhar. As extremidades livres verticais dos tirantes 16 e 18 também têm porções de extremidade roscadas que se projetam através das aberturas em uma cruzeta 22 e são fixadas à cruzeta por intermédio de prendedores 20. Conforme mostrado na Figura 2, cada extremidade das colunas de aço, 16 e 18, tem um ressalto 19 a partir do qual se estende uma porção de diâmetro reduzido 21 e daquele lugar uma porção de extremidade roscada 23 se projetando através de uma abertura na cruzeta 22 ou base 12. Cada porção de extremidade roscada 23 é fixada por um prendedor 20.
Os prendedores 20 em cada porção de extremidade das colunas de aço são construídos identicamente e detalhes da construção do prendedor de acordo com a modalidade preferida da presente invenção são ilustrados nas Figuras 2-7. O prendedor inclui um anel circular 30 dividido ao meio ao longo de um plano 32 intersectando um eixo longitudinal central 34 que é espaçado uniformemente de uma rosca interna 36 terminando em paredes de extremidade opostamente direcionadas 40 e 42. A parede de extremidade 42 provê uma superfície de sustentação de carga cônica truncada definida com um ápice projetado 44 intersectando o eixo central 34 sem percorrer a rosca interna 36. O processo de usinagem de metal usado para dividir ao meio o anel circular 30 normalmente causará uma perda de metal no local da linha de corte desse modo formando segmentos de metade de anel aproxi mados 31A e 31B. Os segmentos de metade de anel aproximados 31A e 31B são assim formados com faces de parede de corpo de porca opostas 32A confrontando o plano 32 contendo a linha de corte ao longo da qual o anel circular é dividido ao meio.
Um calço 46, conforme mostrado nas Figuras, 5 e 6, é feito com faces de paredes planas 46A e uma espessura designada pelo caractere de referência 46B selecionada para compensar a espessura do metal perdido como resultado do processo de usinagem de metal usado para dividir ao meio o anel circular 30. Furos 46C são perfurados em intervalos separados no calço 46 dos quais serão necessários dois calços, um entre as faces opostas de parede de corpo de porca 32A. Conforme mostrado nas Figuras 3, 7 e 8, furos diretos separados 45 são perfurados na parede lateral do segmento de meio anel 31A do anel circular 30 ao longo de eixos separados 33A que são dispostos tangenciais ao eixo longitudinal central 34. Cada um dos locais de entrada tangencial no corpo do segmento de anel é ampliado pelo alargador 45A para acomodar a porção de cabeça ampliada dos parafusos roscados 48 usados para prender os componentes divididos ao meio do anel circular em conjunto com os calços 46 se estendendo ao longo da linha de divisão. Conforme mostrado nas Figuras 3, 9 e 10 os mesmos eixos separados 33A os quais são arranjados tangenciais ao eixo longitudinal central 34 e usados para perfurar furos cegos separados 47 na parede lateral do segmento de meio anel 31B do anel circular 30. Os furos cegos são roscados para receber as porções roscadas dos parafusos roscados 48.
Retornando à Figura 3, cada um dos furos roscados 48 preferivelmente assume a forma de um parafuso que inclui uma porção de extremidade roscada 48A unida por uma haste 48B a uma porção de cabeça 48C. Vários parafusos de macaco 48D são espaçados em torno de um círculo de parafuso e cada um inclui uma haste roscada engatada com roscas internas formadas na porção de cabeça 48C. A cabeça de cada parafuso de macaco pode ser engatada por uma chave adequada ou outro dispositivo para aplicar torque ao parafuso de macaco e desse modo tensionar elasticamente os parafusos 48 com força suficiente para restabelecer a integridade estrutural do anel circular 30 antes da ocorrência do processo de fabricação de divisão ao meio. Uma característica importante da presente invenção permite a colocação do anel circular 30 nas roscas de uma coluna de aço de uma prensa de forjadura ou componente similar de uma máquina sem a necessidade de girar o anel circular. A pressão de fixação pode ser aplicada para estabelecer uma conexão roscada com as roscas em um eixo, embora as roscas sejam agarradas ou de outra forma alongadas além do limite elástico do material, contaminadas com incrustação de matéria estranha, ou reposicionadas ao longo das roscas da coluna de aço para aumentar o seu comprimento efetivo conforme explicado em detalhe a seguir.
Um cilindro oco 50 tem uma parede lateral cilíndrica interna com um diâmetro suficientemente ampliado para permitir espaçamento uniforme a partir das roscas na porção de extremidade da coluna de aço associada 16 ou 18. Essa relação espaçada uniforme proporciona uma relação coaxial entre o eixo central longitudinal do cilindro oco com o eixo 34. Uma parede de extremidade plana transversal 52 confronta uma arruela 54 assentada para contato de sustentação de carga com a base 12 ou cruzeta 22 no local da extremidade de rosca da tirante associada. A parede de extremidade planar 52 é oposta a uma parede de extremidade 56 contendo uma superfície de empuxo cônica truncada 58, disposta para apresentar um par conjugado de superfícies cônicas truncadas com a superfície de sustentação de carga cônica truncada 42. A superfície de empuxo cônica truncada 58 é circundada no sentido para fora por uma seção de corpo 60 que é moldada cilindricamente e contém uma pluralidade de furos brocados 62 cada um incluindo uma extensão roscada 64. Na modalidade preferida da invenção ilustrada nos desenhos, a transferência de carga ocorre ao longo das porções roscadas 64 que definem um gerador de tensão terminando na parede de extremidade planar 52 com roscas de parafuso de macaco 62 engatadas enroscadamente nos furos em locais separados. A modalidade da invenção mostrada nos desenhos utiliza os parafusos de macaco 62 dispersos em torno de dois círculos de parafuso para desenvolver a magnitude da força necessária para pré-tensionar a conexão roscada entre as colunas de aço e os prendedores divididos ao meio 30. Cada um dos parafusos de macaco 62 é disposto de tal modo que um eixo central longitudinal 62A do parafuso de macaco é espaçado do eixo central longitudinal 34 e se estende paralelo a ele, se projetando através do cilindro oco 50. Conforme mostrado na Figura 11, uma porção de extremidade roscada 62B é integral com uma porção de haste 62C terminando em uma porção de cabeça de formato hexagonal 62D para receber torque. As extensões da porção de haste 62C são escolhidas para garantir que a porção de cabeça de formato hexagonal 62D se projete a partir da seção de corpo 60 e porção roscada de cada um dos parafusos de macaco é suficiente para sempre manter contato de sustentação de carga suficiente com arruela 54 a qual pode ser temperada para melhor resistir à força de fixação desenvolvida pelo torque aplicado aos parafusos de macaco. Os parafusos de macaco podem incorporar a construção de parafusos de engate caracterizados pela localização das roscas entre a cabeça do parafuso e a haste de engate com uma parede lateral cilíndrica alongada.
A Figura 12 ilustra um diagrama de força em que a força gerada pelo torque aplicado aos parafusos de macaco 62 é identificada pela seta 100 em uma direção paralela ao eixo longitudinal central 34. O par conjugado de superfícies cônicas truncadas 42 e 58 em contato de metal com metal transfere as forças na direção indicada pela seta 102 e a conexão roscada entre o prendedor dividido ao meio 30 e as porções de extremidade roscadas das colunas de aço operam para resolver as forças indicadas pelas setas 102 em dois componentes de força, um componente de força é ilustrado pela seta 104 e o outro componente de força é identificado pela seta 106. O componente de força 104 é um componente de força dirigido radialmente no sentido para dentro em direção ao eixo longitudinal central para induzir a rosca interna em direção a uma rosca de casamento em um tirante. O outro componente de força 106 é direcionado paralelo ao eixo longitudinal central 34 para aplicar tensão ao tirante. A resolução das forças é favoravelmente gerada pelo torque aplicado aos parafusos de macaco 62 para prover um componente de força dirigido radialmente no sentido para dentro em direção ao eixo longitudinal central pelo torque aplicado aos parafusos de macaco sem a necessidade de aplicar torque às roscas interconectando o prendedor 30 e a coluna de aço 16, 18.
Essa resolução de forças, favorável, é o resultado do ângulo β incluso o qual é o ângulo incluso no ápice 44 projetado entre as superfícies de sustentação, cônicas truncadas 42 e 58 e o eixo central 34. O ângulo incluso β está dentro da faixa de 70-80 graus preferivelmente dentro da faixa de 76-79 graus. A resolução de forças, favorável, é adicionalmente aperfeiçoada pela transferência da força através de uma área de superfície relativamente grande formada pelo contato de metal com metal através do par conjugado de superfícies cônicas truncadas 42 e 58.
A distância entre a superfície de empuxo cônica truncada 58 e a parede de extremidade planar 52 pode ser selecionada criteriosamente para estabelecer um local desejado para o anel 30 e a extensão efetiva da coluna de aço entre os prendedores nas extremidades opostas conforme explicado previamente. O uso de parafusos de macaco para gerar a força identificada pela seta 100 pode ser realizado por outras estruturas tal como um tensor hidraulicamente operado, conhecido por si, na técnica, e integrado na seção de corpo de gerador de tensão, cilíndrica para prover a tensão operativa para gerar a força de prétensionamento se estendendo paralela ao eixo central longitudinal do cilindro oco.
Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com as modalidades preferidas das várias figuras, deve ser entendido que outras modalidades similares podem ser usadas ou modificações e adições podem ser feitas na modalidade descrita para realizar a mesma função da presente invenção sem se desviar da mesma. Portanto, a presente invenção não deve ser limitada a qualquer modalidade singular, porém, mais propriamente considerada no espírito e escopo de acordo com o exposto nas reivindicações anexas.