Выбор правильной прессы

Технология прессования — будь то механическая, гидравлическая или сервоприводная — играет множество ролей

В прессах есть выбор, и это хорошо. Спор идет не о том, что лучше, а о том, какой из них подходит для данной работы. Между основными типами печатных машин, которые можно выбрать, существуют компромиссы между стоимостью, функциями и качеством.

Это дружеская дискуссия, и карты выложены на всеобщее обозрение.

Краткий обзор технологий

По словам Стефани Прайс, старшего инженера по применению в Promess Inc, Брайтон, штат Мичиган, многие люди в промышленности не в полной мере оценивают преимущества технологии сервопрессов. И наоборот, Майк Джозефиак, инженер-механик компании Greenerd Press &Machine, Нашуа, Нью-Хэмпшир, приводит веские доводы в пользу того, что гидравлический пресс является лучшим решением для некоторых применений. А Джим Ландовски, вице-президент чикагской компании Komatsu America Industries LLC, скажет вам, что до сих пор существуют ситуации, когда традиционный механический пресс подходит.

Механический пресс преобразует вращательное движение маховика в линейное движение ползуна, вдавливающего в заготовку. Как описал это Ландовски, вы можете «вообразить круг с нулем вверху и 180 внизу. Механический пресс проходит от нуля до 180 и обратно до нуля, или 360, одним непрерывным движением». Ход не имеет усилия вверху и имеет максимальное усилие внизу, поэтому «в зависимости от штампа вы можете начать толкать материал под углом 160 градусов или около того. Но когда он достигает 180, часть закончена, потому что ваш слайд снова поднимается».

Как объяснил Боб Саутуэлл, исполнительный вице-президент AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, большинство сервопрессов представляют собой версии одного и того же устройства, «за исключением того, что вы приводите в действие механическую трансмиссию с серводвигателем, а не с маховиком. с тормозным механизмом сцепления». Механический пресс имеет фиксированный ход и постоянную скорость. Но «добавьте к нему серводвигатель, и теперь вы можете программировать профиль движения. Вы можете замедляться, делать паузу, выполнять быстрые повторные удары и делать различные вещи, которые никогда не были бы возможны при использовании стандартного механического пресса». Существует также версия с прямым приводом (от серводвигателя к шарико-винтовой передаче) с лучшими характеристиками крутящего момента, чем у сервомеханического гибрида.

Гидравлический пресс сочетает в себе набор насосов, клапанов и шлангов для взаимодействия плунжера с жидкостью под давлением. Хотя у этого подхода есть преимущества, они не включают в себя управление движением, описанное выше. Таким образом, сервопресс предлагает дополнительные возможности и решает ряд проблем, возникающих при использовании чисто механических или гидравлических прессов.

Новые материалы, новые задачи

Ландовски заметил, что переход к усовершенствованным сплавам, вызванный облегчением веса автомобилей и другими факторами, стимулирует спрос на сервопрессы. Как он выразился, «представьте, что сталь — это жидкость, она должна течь… Вы не работаете с материалом, вы работаете с материалом».

Более твердые материалы требуют тонкой настройки скорости поршня, чтобы «дать материалу течь правильно, иначе он станет похож на ириску и начнет распадаться». Например, по его словам, для формирования чашки из твердого сплава может потребоваться замедление с 30 до 15 дюймов в минуту в течение 3-дюймового (76,2-мм) хода с точной — и, возможно, переменной — скоростью изменения.

С этим справится только сервопривод, учитывая, что корректировки происходят за миллисекунды.

По словам Ландовски, основное преимущество сервопривода заключается в гибкости работы с различными металлами за счет настройки потока материала. «Вот почему к нам приходят люди, чтобы попробовать разные варианты. Я могу сделать хорошую или плохую часть, просто изменив скорость слайда».

Саутвелл согласился с этим и сообщил, что эти материальные проблемы привели к тому, что доля рынка сервопрессов в автомобильном производстве Северной Америки составила примерно 80 процентов. «Высокопрочные и сверхвысокопрочные стали и алюминий гораздо сложнее формовать, чем материалы десяти-пятнадцатилетней давности. А способность сервопривода регулировать профиль формования оказалась чрезвычайно полезной для клиентской базы».

Йозефиак из Greenerd согласился с тем, что сервоуправление имеет преимущество во времени отклика по сравнению с гидравликой, в которой отклик демпфирован, но сказал, что он «не видел много приложений, в которых такой уровень управления в профиле движения существенно влияет на то, совершаете ли вы движение или нет». хороший продукт." Но он признал, что «повторное зажигание — хороший пример функции только сервопривода. Опуститься на дно, а затем нанести удар за доли секунды — это не то, что вы можете сделать с помощью гидравлики».

Ландовски утверждал, что если вам не нужно контролировать скорость, вам может не понадобиться сервопривод.

«Если вы делаете, например, шайбы, или маленькие заклепки, или что-то в этом роде, вы не собираетесь замедлять пресс, вы не собираетесь контролировать скорость. Вы хотите сделать как можно больше деталей и как можно быстрее». По его словам, именно здесь сияет механический пресс. Это также место, где гидравлические прессы менее всего подходят.

Универсальность сервоприводов в сборке

Саутуэлл добавил, что способность сервопресса легко перепрограммировать для различных деталей является еще одним фактором их успеха, даже в автомобильном мире больших объемов.

«Большинство прессовых систем предназначены для обработки нескольких типов деталей. Они запускают один инструмент в течение часа, меняют его и вкатывают другой инструмент. Практически никто не устанавливает один пресс и просто не запускает его… Они никак не могут оставаться конкурентоспособными. Мы продаем OEM-производителям множество систем через первый и второй уровни для больших семейств различных деталей или наборов штампов с помощью одного пресса».

По словам Прайса из Promess, универсальность сервопресса выходит далеко за рамки простого программирования и распространяется на деликатные сборочные операции.

Придерживаясь автомобильного примера, Прайс указал на сборку дверной петли. Она объяснила, что сервопресс предлагает как высокую точность, так и внутреннюю петлю обратной связи, позволяющую точно отслеживать положение и усилие. Таким образом, сжимая петлю вместе, Promess также может измерить результирующее сопротивление в соединении, чтобы они могли убедиться, что дверь не открывается слишком легко и не слишком туго, чтобы не причинять неудобства владельцу автомобиля.

Эта возможность активировать движущуюся часть и измерять силы в режиме реального времени также дает возможность ослабить допуски на детали, тем самым снижая стоимость компонентов. Как объяснил Прайс, без обратной связи во время сборки инженеры часто вынуждены проектировать и производить с очень жесткими допусками, чтобы обеспечить правильную подгонку деталей друг к другу.

«Они пользуются тем, что пресс ушел на определенную глубину, и исходя из своих жестких допусков предполагают, что деталь собрана правильно. У них нет сигнатурного анализа, чтобы это проверить».

Вместо этого с помощью сервопресса они могли бы ослабить допуски и наблюдать за данными в процессе сборки, чтобы определить, что то, что они спрессовали, действительно правильно установлено. Прайс сказал, что встроенные датчики их сервопрессов позволили в некоторых случаях сократить процент брака до 50 процентов.

Прайс также отметил, что если приложению требуются дополнительные датчики (помимо обратной связи от серводвигателя), их легко интегрировать в их системы.

«У нас есть клиенты, использующие от девяти до десяти различных датчиков давления, датчиков положения или внешних тензодатчиков. Мы можем использовать всю эту информацию, чтобы понять, что происходит в процессе», — сказал он. «И мы можем реагировать на это в процессе. А так как все электрическое, настроить очень просто. Просто подключите преобразователь к цифровому преобразователю сигнала. Затем контроллер может принять этот сигнал и использовать его для принятия решения».

Прессы, контроль и компромиссы

Гидравлические прессы не слепы в этой области. Йозефиак сказал, что существуют контроллеры движения, предназначенные для гидравлических систем, с «чрезвычайно быстрым временем сканирования, которые учитывают давление с обеих сторон гидравлического привода. А затем, используя быстродействующие датчики давления, мы можем показать реальную силу, приложенную к работе». Одна такая система обновляет измерение силы менее чем за миллисекунду. По его мнению, приложений, требующих более быстрого измерения силы, «очень мало».

По словам Саутвелла, сервопрессы намного лучше гидравлических прессов в изготовлении сложных деталей, для которых требуется набор штампов. По его словам, несколько лет назад это можно было бы сделать путем ручной передачи деталей от пресса к прессу. Но теперь «единственный способ конкурировать» — это механический перенос деталей с этапа на этап в рамках одного пресса. Но «когда вы используете несколько станций для изготовления детали, у вас возникает нецентральная нагрузка, что очень вредно для гидравлической трансмиссии».

Йозефиак возразил, что «нецентральная нагрузка вредна как для механических, так и для гидравлических систем. Оба выдерживают эти нецентральные нагрузки с соответствующей конструкцией и направлением стального каркаса. У нас есть системы, использующие несколько гидравлических цилиндров, чтобы обеспечить нецентральную нагрузку, намного большую, чем стандартный сервомеханический пресс».

Существуют также некоторые разногласия по поводу приложений, требующих использования пищевого масла в качестве смазки. Ландовски сообщил, что «несколько заказчиков перешли с гидравлических прессов на сервомеханические исключительно из-за того, что цилиндры плакали, а скользящие направляющие капали на материал. Все детали должны быть очищены после того, как они сформированы, чтобы удалить все возможные загрязнения. Клиенты также сообщили нам, что очистка пищевых смазочных материалов обходится дешевле, чем непищевых, благодаря требованиям FDA или EPA».

Йозефиак сказал, что они соблюдали как медицинские стандарты, так и стандарты безопасности пищевых продуктов в ряде проектов, «модифицировав уплотнения в своих прессах, чтобы использовать пищевое масло вместо стандартных индустриальных масел». В то время как Ландовски заявил, что их стандартный серийный сервопресс не нуждается в каких-либо модификациях, «только пищевое масло для привода пресса и смазки ползуна». Один заказчик «производит резиновые пробки для пробирок. Каждый ход пресса создает от 65 до 75 резиновых пробок, а использование непищевых смазочных материалов может сделать этот процесс недействительным».

Гидравлика побеждает глубокую вытяжку

По словам Саутуэлла, «преимущество гидравлического пресса заключается в том, что у вас есть полная грузоподъемность или усилие на протяжении всего хода. Итак, если это 200-тонный пресс, и у вас есть ход в двенадцать дюймов, вы можете приложить 200 тонн давления на протяжении всего этого хода. С сервопрессом, который имеет ту же механическую эксцентриковую трансмиссию, что и оригинальный механический пресс, у вас есть зубчатая передача, кривошипный вал или центральный вал и центральная зубчатая передача. Существует кривая тоннажа или крутящего момента, и усилие, которое вы можете приложить, зависит от угла наклона вала двигателя относительно дна». Это не относится к сервопрессам с прямым приводом, подобным производимым Promess, но эти системы становятся очень дорогими по мере увеличения тоннажа. Например, Promess достигает максимума в 1 МН (~ 100 тонн) в одном цилиндре.

Возможность приложения полного усилия на протяжении всего хода делает гидравлические прессы идеальными для операций глубокой вытяжки, и Йозефиак зашел так далеко, что сказал, что это «единственный вариант, который действительно имеет смысл».

Одним из недавних примеров, который он привел, является проект по производству «относительно больших резервуаров высокого давления». Мы установили автоматизированную систему, которая загружает большие плоские заготовки в пресс для глубокой вытяжки с рабочим ходом в пять футов». Система имеет несколько операций, пояснил он. В первом используется 170-тонный пресс для вытягивания двух половин резервуара. Далее следует автоматический штамповочный пресс, обрезка и сварка. Ключевым моментом здесь, по словам Йозефиака, является то, что такой рабочий ход «не является чем-то, что легко воспроизвести с помощью сервопресса. Таким образом, глубокая вытяжка — это область, в которой по-прежнему доминирует гидравлика. И это во многих отраслях. Это больше процесс, чем отрасль».

Йозефиак сказал, что гидравлика также «очень хорошо работает в ситуациях с очень длительным циклом, когда мы можем управлять очень низким энергопотреблением при постоянном давлении в зоне пласта и относительно недорого с точки зрения капитальных затрат». Компрессионное формование предлагает главный пример. «Обычно компрессионное формование представляет собой комбинацию времени, температуры и давления, придающую материалу форму», — пояснил Йозефиак. Пресс будет удерживать относительно тонкий материал на положительной или отрицательной форме штампа под давлением. «Продолжительность может составлять от пяти секунд до двух часов. И очень часто… мы пытаемся поддерживать постоянную температуру плиты в рабочей зоне от 300 до 700 градусов и пытаемся контролировать постоянное давление в рабочей зоне». Это обеспечивает однородность формируемого материала. Этот метод используется для таких вещей, как автомобильные обивки кроватей (включая новые композитные обивки кроватей) и автомобильные обивки потолка, изготовленные из материала, похожего на ковролин. Другим примером, который он привел, является «уплотнение порошка для изготовления шлифовальных кругов из оксида алюминия».

Соображения стоимости

В целом капиталовложения в сервопрессы превышают инвестиции в традиционные механические или гидравлические прессы. Но есть эксплуатационные расходы и связанные с ними факторы, которые делают это сравнение практически бесполезным. Более того, не все прессы данного типа одинаковы, даже для одинаковых номинальных мощностей/моментов.

Начнем с энергопотребления. Гидравлический пресс должен поддерживать давление в линиях, чтобы перемещать плунжер по требованию, а это означает работу насосов через циклы. Это невыгодно по сравнению с сервопрессом, который использует электричество только при движении поршня. По словам Ландовски, это дает примерно «50-процентную экономию энергии при использовании сервопресса, в зависимости от размера машины». Прайс сослался на исследование Университета Касселя, которое показало, что эффективность преобразования энергии сервопресса составляет 90 процентов по сравнению с 57 процентами для сопоставимой гидравлической системы. Саутуэлл сказал, что Honda изучила свои собственные системы и опубликовала результаты, свидетельствующие о том, что прессы с сервоприводом обеспечивают 30-процентную экономию фактического энергопотребления.

Саутвелл также указал, что в некоторых печатных машинах AIDA используется «система управления энергопотреблением, полностью основанная на конденсаторах». Это сохраняет необходимую рабочую энергию в конденсаторах, которые перезаряжаются во время нерабочей части хода. Это «значительно снижает пиковую нагрузку», объяснил он, по сравнению с механическим или гидравлическим прессом, которые имеют «огромный всплеск при первом включении». Текущий розыгрыш AIDA «довольно ровный». Таким образом, ваш фактический пиковый расход может составлять всего 20–30 процентов от пиковой нагрузки механических или гидравлических систем. Это очень важно, потому что энергетические компании должны рассчитывать объем электроэнергии, которую они поставляют потребителю, в зависимости от пиковой нагрузки».

Йозефиак возразил, что в условиях высокой производительности время простоя практически отсутствует, поэтому «на самом деле не имеет большого значения», что гидравлические насосы работают непрерывно. И «в системах, где время простоя составляет 10 минут и более, мы можем установить систему управления двигателем с «плавным пуском», которая выключает двигатель для экономии энергии». Интересно, что хотя этот вариант увеличивает стоимость системы всего на 2–3%, Йозефиак сообщил, что на него никогда не было большого спроса. Он добавил, что переход с насоса постоянной производительности на насос переменной производительности также может «значительно снизить энергопотребление на холостом ходу». Но это снова вариант, который еще не стал нормой в США.

Гидравлические технологии со всеми их насосами, клапанами, трубами и шлангами часто называют более сложными и требующими большего объема обслуживания, чем системы на основе сервоприводов. Прайс сказал, что их сервопрессы требуют не более двух раз в год смазывания шарико-винтовых пар, и даже это требует осторожности. И наоборот, держите гидравлические линии под высоким давлением в течение нескольких месяцев, цикл за циклом, и рано или поздно что-то обязательно потечет или какой-то компонент выйдет из строя. По словам Джозефиака, контраргумент заключается в том, что «никто больше не использует фитинги с нормальной трубной резьбой. Существует целый ряд уплотнений металл-металл и кольцевых уплотнений, изготовленных из более качественных материалов, которые намного лучше справляются с контролем утечек». Кроме того, по его словам, отдельные компоненты относительно недороги и легко ремонтируются, в то время как «ремонт сервосистемы значительно дороже».

Этот последний пункт подводит нас к теме правильного выбора размеров компонентов для работы. Это правда, что если вы сожжете серводвигатель через несколько лет, вы получите большой счет за ремонт. Но Прайс сказал, что их системы обычно работают в течение 20 лет без каких-либо сбоев, потому что они спроектированы с коэффициентом безопасности 2,5×. Приводы рассчитаны на работу с непрерывным током серводвигателя, а не с пиковым током, поэтому пресс может удерживать деталь неограниченное время без перегрева и выхода из строя.

Точно так же шарико-винтовые пары будут иметь динамическую грузоподъемность, в 2,5 раза превышающую номинальное усилие пресса. Например, шарико-винтовая передача в прессе Promess 40 кН имеет динамическую грузоподъемность 134 кН и статическую грузоподъемность 320 кН. Прайс сказал, что такая система может работать без сбоев в течение 22 с лишним лет при выполнении работы со средней силой 30 кН, с 16 циклами в минуту в течение 14 часов в день. Сравните это всего с 32 неделями для шарико-винтовой передачи, рассчитанной на динамическую нагрузку 40 кН; даже при нагрузке 80 кН система прослужит менее пяти лет.