適切なプレスの選択

機械式、油圧式、サーボ式のいずれのプレス技術も、多くの役割を果たします

プレスには選択肢があり、これは良いことです。議論はどちらが最善かということではなく、どちらが当面の仕事に適しているかということです。選択できる主なタイプの印刷機には、コスト、機能、および品質のトレードオフがあります。

これは友好的な討論であり、カードは全員が見ることができるテーブルにあります。

テクノロジーのクイック レビュー

ミシガン州ブライトンにある Promess Inc のシニア アプリケーション エンジニアである Stephanie Price 氏によると、業界の多くの人々は、サーボ プレス技術の利点を十分に理解していません。逆に、ニューハンプシャー州ナシュアにある Greenerd Press &Machine の機械エンジニアである Mike Josefiak 氏は、油圧プレスが一部の用途に最適なソリューションであると主張しています。また、シカゴに本拠を置くコマツ アメリカ インダストリーズ LLC の副社長であるジム ランドウスキー氏は、従来の機械プレスで問題ない状況がまだあると語っています。

機械プレスは、フライホイールの回転運動をワークピースに押し込むラムの直線運動に変換します。 Landowski が説明したように、「上が 0 で下が 180 の円を想像してください。機械プレスは、1 回の連続動作でゼロから 180 まで移動し、ゼロまたは 360 に戻ります。」ストロークは上が力なし、下が最大の力なので、「金型によっては、160度くらいから材料を押し始めるかもしれません。しかし、180 になると、スライドが元に戻るので、パーツは完成です。」

オハイオ州デイトンにある AIDA-America, Corp. のエグゼクティブ バイス プレジデントである Bob Southwell 氏は、次のように説明しています。クラッチブレーキ機構付き。」機械プレスは、一定のストロークと一定の速度を備えています。しかし、「それにサーボ モーターを追加すると、モーション プロファイルをプログラムできるようになります。速度を落としたり、一時停止したり、すばやく再点火したり、標準の機械プレスでは不可能だったさまざまなことを行うことができます。」ダイレクト ドライブ バージョン (サーボ モーターからボール スクリュー) もあり、サーボ メカニカル ハイブリッドよりも優れたトルク特性を備えています。

油圧プレスは、一連のポンプ、バルブ、およびホースを組み合わせて、ラムに加圧流体をかみ合わせます。このアプローチには利点がありますが、上記のようなモーション コントロールは含まれていません。そのため、サーボ プレスは追加の機能を提供し、純粋な機械プレスまたは油圧プレスで発生する多くの問題を解決します。

新しい素材、新しい挑戦

Landowski 氏は、自動車の軽量化やその他の要因によってもたらされた高度な合金への移行が、サーボプレスの需要を押し上げていることを観察しました。彼が言ったように、「鋼を液体と考えてください。それは流れなければなりません…材料を扱うのではなく、材料を扱うのです。」

より硬い材料は、「材料が正しく流れるようにするために、ラム速度を微調整する必要があります。そうしないと、タフィーのようになり、バラバラになり始めます。」たとえば、硬質合金でカップを形成するには、3 インチ (76.2 mm) のストロークで 30 IPM から 15 IPM に減速する必要があるかもしれないと彼は言いました。変化率は正確で、おそらく変化します。

調整がミリ秒単位で行われることを考えると、これを管理できるのはサーボ制御だけです。

Landowski 氏によると、サーボの主な利点は、材料の流れを調整することでさまざまな金属を処理できる柔軟性です。 「だからこそ、さまざまなオプションを試すために人々に来てもらいます。スライドの速度を変えるだけで良い部分も悪い部分も作れます。」

Southwell は同意し、これらの材料の課題が、北米の自動車製造におけるサーボ プレスの市場シェアの約 80% をもたらしたと報告しました。 「高強度および超高強度の鋼とアルミニウムは、10 ～ 15 年前の材料よりも成形がはるかに困難です。また、成形プロファイルを調整するサーボの能力は、顧客ベースにとって非常に有益であることが証明されています。」

Greenerd の Josefiak 氏は、サーボ制御は、応答が減衰する油圧制御よりも応答時間の点で有利であることに同意しましたが、「モーション プロファイルの制御のレベルが、動作プロファイルを作成するかどうかに実質的に影響する多くのアプリケーションを見たことがない」と述べました。良い製品。"しかし、彼は「再点火はサーボのみの機能の良い例です。底まで行って、一瞬のうちに再攻撃することは、油圧ではできないことです。」

速度を制御する必要がなければ、サーボは必要ないかもしれないと Landowski は主張しました。

「たとえば、ワッシャーや小さなリベットなどを作る場合、プレスを遅くしたり、速度を制御したりしません。できるだけ早く、できるだけ多くの部品を作りたいのです。」それが機械プレスが輝くところです、と彼は言いました。また、油圧プレスが最も適していない場所でもあります。

組み立てにおけるサーボの汎用性

Southwell 氏は、さまざまな部品に合わせてサーボ プレスを簡単に再プログラムできることも、大量生産の自動車の世界においても、成功のもう 1 つの要因であると付け加えました。

「ほとんどのプレス システムは、複数のタイプの部品を処理するように設計されています。彼らは 1 つのツールを 1 時間実行し、それを交換して別のツールをロールインします。事実上、1 台の印刷機をセットアップしてそれを実行するだけの人はいません。競争力を維持する方法はありません。 1 回のプレスでさまざまな部品または金型セットの大規模なファミリー向けに、ティア 1 およびティア 2 を通じて OEM に多くのシステムを販売しています。」

サーボ プレスの汎用性は、簡単なプログラミングをはるかに超えており、デリケートな組み立て作業にまで及びます、と Promess の Price 氏は述べています。

自動車の例にこだわると、Price 氏はドア ヒンジの組み立てを指摘しました。彼女は、サーボ プレスは高精度と、位置と力を綿密に監視できる固有のフィードバック ループの両方を提供すると説明しました。そのため、Promess は、ヒンジを一緒に押し込む際に、ジョイントに生じる抵抗を測定することもできます。これにより、ドアが簡単に開きすぎたり、硬すぎて車の所有者が不快に感じたりすることがないようにすることができます。

可動部品を作動させて力をリアルタイムで測定するこの機能は、部品の公差を緩和する機会をもたらし、それによってコンポーネントのコストを削減します。プライスが説明したように、組み立て中のフィードバックがなければ、エンジニアは部品を適切に組み合わせるために、非常に厳しい公差で設計および製造することを余儀なくされることがよくあります.

「彼らは、プレスが特定の深さまで行ったという事実を利用し、厳しい公差に基づいて、部品が正しく組み立てられたと想定しています。それを検証するための署名分析はありません。」

代わりにサーボ プレスを使用すると、公差を緩めて組み立てプロセス中にデータを監視し、一緒にプレスしたものが実際に適切に装着されているかどうかを判断できます。 Price 氏によると、同社のサーボ プレスに組み込まれたセンシング機能により、場合によってはスクラップ率が最大 50% 削減されました。

Price 氏はまた、アプリケーションが (サーボ モーターからのフィードバック以外に) 追加のセンシングを必要とする場合、システムとの統合が容易であることも指摘しました。

「当社には、9 ～ 10 個の異なる圧力トランスデューサー、位置トランスデューサー、または外部ロード セルを使用している顧客がいます。プロセス内で何が起こっているのかを理解するために、そのすべての情報を取り入れることができます」と彼は言いました。 「そして、私たちはプロセス中にそれに反応することができます。また、すべてが電気式であるため、セットアップが非常に簡単です。トランスデューサをデジタルシグナルコンディショナに差し込むだけです。コントローラーはその信号を受け取り、それを使用して判断を下すことができます。」

プレス、コントロール、トレードオフ

油圧プレスは、この分野では盲目ではありません。 Josefiak 氏は、「油圧アクチュエータの両側の圧力を調べる非常に高速なスキャン時間」を備えた油圧システム専用のモーション コントローラがあると述べています。そして、速効型の圧力変換器を使用して、作業に加えられている実際の力を示すことができます。」そのようなシステムの 1 つは、力の測定値を 1 ミリ秒未満で更新します。彼の意見では、より高速な力測定を必要とするアプリケーションは「ごくわずか」です。

Southwell 氏によると、一連の金型を必要とする複雑な部品の製造では、油圧プレスよりもサーボ プレスの方がはるかに優れています。何年も前であれば、プレスからプレスへとパーツを手作業で移すことで、これが行われていたと彼は説明しました。しかし、現在「競争する唯一の方法」は、1 回のプレスで段階から段階へ部品を機械的に移すことです。しかし、「部品を作るために複数のステーションを使用すると、荷重が中心からずれてしまい、油圧ドライブトレインにとって非常に有害です。」

Josefiak は、「偏心荷重は、機械システムと油圧システムの両方に有害です。どちらも、適切な構造とスチールフレームワークのガイドにより、これらの偏心負荷を処理します。複数の油圧シリンダーを使用して、既製のサーボ機械式プレスよりもはるかに大きな偏心ローディングを可能にするシステムがあります。」

また、潤滑剤として食品グレードのオイルを使用する必要があるアプリケーションについては、いくつかの論争があります。 Landowski 氏は次のように報告しています。すべての部品は、成形後に洗浄して、考えられるすべての汚染を除去する必要があります。また、お客様からは、FDA や EPA の規制により、食品グレードの潤滑剤の洗浄は非食品グレードよりもコストがかからないとの声もいただいています。」

Josefiak 氏は、「標準的な工業用油の代わりに食品グレードの油を使用するようにプレス機のシーリングを変更することによって」、多くのプロジェクトで医療と食品の安全基準の両方を満たしていると述べました。 Landowski 氏は、標準的な既製のサーボ プレスには何の変更も必要なく、「プレス ドライブとスライド潤滑油用の食品グレードのオイルだけ」と述べています。あるお客様は「試験管のゴム栓を作っています。プレスの各ストロークで 65 から 75 個のラバー ストッパーが供給され、非食品グレードの潤滑剤はこの特定のプロセスを無効にします。」

油圧がディープドローを征服

Southwell 氏によると、「油圧プレスの利点は、ストローク全体で最大のトン数または力を発揮できることです。つまり、200 トンのプレス機で 12 インチのストロークがある場合、そのストローク全体で 200 トンの圧力をかけることができます。元の機械プレスと同じ機械的偏心ドライブ トレインを備えたサーボ プレスでは、ギア、クランク シャフトまたは中心軸、およびセンター ギア ドライブがあります。トン数またはトルク曲線があり、適用できる力はモーター シャフトの底からの角度によって異なります。」これは、Promess 製のようなダイレクト ドライブ サーボ プレスには当てはまりませんが、これらのシステムはトン数が増加するにつれて非常に高価になります。たとえば、Promess は 1 つのシリンダーで 1 MN (~100 トン) に達します。

油圧プレスは、ストローク全体で最大の力を加えることができるため、深絞り用途に最適であり、Josefiak 氏はこれが「本当に理にかなっている唯一のオプション」であるとまで述べています。

彼が挙げた最近の例の 1 つは、「比較的大きな圧力タンクを製造するプロジェクトです。私たちは、作業ストロークが 5 フィートのディープ ドロー プレスに大型で平らなブランクをロードする自動システムを導入しました。」システムには複数の操作があります、と彼は説明しました。 1 つ目は 170 トンのプレスを使用して、タンクの 2 つの半分を描画します。これに続いて、自動化されたパンチ プレス、トリミング、溶接が下流に行われます。 Josefiak 氏によると、ここで重要なのは、このような作業ストロークは「サーボ プレスで簡単に再現できるものではないということです。そのため、ディープ ドローは依然として油圧が支配する領域です。そして、それはかなりの数の業界にまたがっています。業界というよりはプロセスです。」

Josefiak 氏は、油圧も「非常に長いサイクル タイムの状況で非常にうまく機能します。ベッド領域全体に一貫した圧力で非常に低い電力消費を管理でき、資本コストの観点から比較的安価です」と述べています。圧縮成形が代表的な例です。 「通常、圧縮成形は時間、温度、圧力を組み合わせて材料を成形します」と Josefiak 氏は説明します。プレスは、加圧下でポジティブまたはネガティブダイフォームに対して比較的薄い材料を保持します。 「持続時間は最短で 5 秒、最長で 2 時間です。そして非常に多くの場合、作業領域全体で 300 度から 700 度の一定のプラテン温度を維持しようとしており、作業領域全体で非常に一貫した圧力を制御しようとしています。」これにより、形成される材料が全体的に均一になります。この技術は、自動車用ベッド ライナー (新しい複合ベッド ライナーを含む) や、カーペットのような素材で作られた自動車用ヘッドライナーなどに使用されています。彼が挙げた別の例は、「酸化アルミニウム砥石を作るための粉末圧縮」です。

コストに関する考慮事項

大まかに言えば、サーボ プレスへの設備投資は、従来の機械プレスまたは油圧プレスの設備投資を上回ります。しかし、この比較をほとんど役に立たなくする運用コストと考慮すべき関連要因があります。さらに、トン数/トルク定格が同じであっても、特定のタイプのすべてのプレスが同じというわけではありません。

エネルギー消費量から始めましょう。油圧プレスは、必要に応じてラムを動かすためにライン内の圧力を維持する必要があります。これは、サイクルを通してポンプを稼働させることを意味します。これは、ラムが動いているときだけ電気を使用するサーボプレスと比較すると不利です。 Landowski 氏によると、これにより「機械のサイズにもよりますが、サーボ プレスを使用した場合、約 50% の電力が節約されます」。プライス氏は、カッセル大学の研究によると、サーボ プレスのエネルギー変換効率は 90% であるのに対し、同等の油圧システムの効率は 57% であることがわかりました。サウスウェル氏によると、ホンダは自社のシステムを研究し、サーボプレスが実際の消費電力を 30% 削減したという結果を発表しました。

Southwell はまた、一部の AIDA 印刷機が「100% コンデンサーベースのエネルギー管理システム」を使用していることを示しました。これにより、必要な動作エネルギーがコンデンサに蓄えられ、ストロークの非動作部分で再充電されます。これにより、「最初に作動したときに大きなスパイクが発生する」機械プレスや油圧プレスと比較して、「ピーク負荷が大幅に減少します」と彼は説明しました。 AIDAの現在のドローは「かなりフラットです。そのため、実際のピーク フローは、機械または油圧システムのピーク負荷の 20 ～ 30% にすぎない可能性があります。電力会社は、ピーク負荷によって顧客に供給する電力のサイズを決定する必要があるため、これは非常に重要です。」

Josefiak 氏は、生産量の多い環境ではアイドル時間がほとんどまたはまったくないため、油圧ポンプが継続的に稼働していても「あまり問題にならない」と反論しました。また、「10 分以上のアイドル時間が長いシステムでは、エネルギーを節約するためにモーターをシャットダウンする「ソフトスタート」モーター制御を取り付けることができます。」興味深いことに、このオプションはシステム コストの 2 ～ 3% しか追加しませんが、Josefiak は、それに対する強い需要は一度もないと報告しています。彼はまた、固定容量型ポンプから可変容量型ポンプに切り替えることで、「アイドル時の消費電力を大幅に削減できる」と付け加えました。しかし、これもまた、米国ではまだ標準になっていないオプションです.

すべてのポンプ、バルブ、パイプ、およびホースを備えた油圧技術は、サーボベースのシステムよりも複雑で、メンテナンスが必要になることがよくあります。プライス氏によると、同社のサーボ プレスではボールねじに年 2 回グリースを塗るだけで十分であり、それでも非常に慎重であるとのことです。逆に、サイクルごとに何ヶ月も高圧下に油圧ラインを維持すると、遅かれ早かれ何かが漏れたり、サブコンポーネントが故障したりします。 Josefiak 氏によると、反論は次のとおりです。より優れた材料で構築された、漏れを制御するはるかに優れた仕事をした、さまざまな金属対金属および O リング スタイルのシールがあります。」さらに、個々のコンポーネントは比較的安価で修理も簡単ですが、「サーボ システムの修理には大幅に費用がかかります」と彼は言いました。

この最後のポイントは、ジョブのコンポーネントのサイズを正しく設定するというトピックにつながります。数年でサーボモーターを焼き尽くしたら、多額の修理費がかかるのは事実です。しかしプライス氏によると、同社のシステムは 2.5 倍の安全係数で設計されているため、そのような障害は発生せずに 20 年間定期的に稼働しています。ドライブは、サーボ モーターのピーク時ではなく連続電流で動作するようにサイズ設定されているため、プレスは過熱や故障を起こすことなく無期限にパーツを保持できます。

同様に、ボールねじの動的負荷容量は、プレスの定格荷重の 2.5 倍です。たとえば、Promess 40 kN プレスのボールねじの動的負荷容量は 134 kN、静的負荷容量は 320 kN です。プライス氏によると、このようなシステムは、1 日 14 時間にわたって毎分 16 サイクルで、平均 30 kN の力で作業を行った場合、22 年以上故障することなく機能することが期待できるとのことです。動荷重定格 40 kN のボールねじのわずか 32 週間と比較してください。 80 kN の定格でも、システムの寿命は 5 年未満です。