올바른 언론 선택

기계, 유압 또는 서보 등 프레스 기술은 많은 역할을 합니다.

언론에 선택권이 있다는 것은 좋은 일입니다. 논쟁은 어느 것이 가장 좋은가가 아니라 당면한 업무에 어느 것이 옳은가 하는 것입니다. 선택할 수 있는 주요 유형의 프레스 간에는 비용, 기능 및 품질에 대한 절충점이 있습니다.

우호적인 토론이며 모든 사람이 볼 수 있도록 카드가 테이블 위에 있습니다.

기술에 대한 빠른 검토

미시간주 브라이튼에 있는 Promess Inc의 선임 애플리케이션 엔지니어인 Stephanie Price에 따르면 많은 업계 사람들이 서보 프레스 기술의 이점을 충분히 이해하지 못하고 있습니다. 반대로 Greenerd Press &Machine, N.H., Nashua의 기계 엔지니어 Mike Josefiak은 유압 프레스가 일부 응용 분야에 가장 적합한 솔루션이라는 좋은 사례를 제시합니다. 그리고 시카고에 기반을 둔 Komatsu America Industries LLC의 부사장인 Jim Landowski는 전통적인 기계식 인쇄기가 여전히 괜찮은 상황이 있다고 말합니다.

기계식 프레스는 플라이휠의 회전 운동을 공작물을 누르는 램의 선형 운동으로 변환합니다. Landowski가 설명했듯이 "위쪽이 0이고 아래쪽이 180인 원을 상상할 수 있습니다. 기계식 프레스는 한 번의 연속 동작으로 0에서 180까지 그리고 다시 0 또는 360으로 이동합니다.” 스트로크는 위쪽에 힘이 없고 아래쪽에 최대 힘이 있으므로 "다이에 따라 160도 정도에서 재료를 밀기 시작할 수 있습니다. 그러나 180에 도달하면 슬라이드가 다시 올라가기 때문에 부품이 완성됩니다.”

AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio의 부사장인 Bob Southwell은 대부분의 서보 프레스가 동일한 배열의 버전이라고 설명했습니다. 클러치 브레이크 메커니즘으로." 기계식 프레스는 스트로크가 일정하고 속도가 일정합니다. 그러나 “서보 모터를 추가하면 이제 모션 프로필을 프로그래밍할 수 있습니다. 속도를 늦추고, 일시 정지하고, 빠른 재타격을 수행하고, 표준 기계식 프레스로는 불가능했던 다양한 작업을 수행할 수 있습니다.” 서보-기계식 하이브리드보다 토크 특성이 더 좋은 다이렉트 드라이브 버전(서보 모터에서 볼 나사로)도 있습니다.

유압 프레스는 펌프, 밸브 및 호스 세트를 결합하여 램을 가압 유체와 결합시킵니다. 이 접근 방식에는 장점이 있지만 위에서 설명한 종류의 모션 제어는 포함되지 않습니다. 따라서 서보 프레스는 추가 기능을 제공하고 순수 기계식 또는 유압식 프레스에서 발생하는 여러 문제를 해결합니다.

신소재, 새로운 도전

Landowski는 자동차 경량화 및 기타 요인으로 인해 고급 합금으로의 이동이 서보 프레스에 대한 수요를 주도하고 있음을 관찰했습니다. 그가 말했듯이 "강을 액체로 생각하면 흐르고 있어야 합니다. 재료를 사용하는 것이 아니라 재료로 작업하는 것입니다."

더 단단한 재료는 "재료가 올바르게 흐르도록 하기 위해 램 속도를 미세 조정해야 합니다. 예를 들어, 경질 합금으로 컵을 형성하려면 3"(76.2mm) 스트로크 과정에서 정확하고 아마도 다양한 변화율로 30에서 15 IPM으로 감속해야 할 수 있다고 그는 말했습니다.

조정이 밀리초 단위로 발생한다는 점을 감안할 때 서보 제어만이 이를 관리할 수 있습니다.

Landowski는 서보의 주요 이점은 재료 흐름을 조정하여 다양한 금속으로 작업할 수 있는 유연성이라고 말했습니다. “그래서 사람들이 다양한 옵션을 시도하도록 하는 것입니다. 슬라이드 속도만 바꿔도 좋은 부분도 나쁜 부분도 만들 수 있어요.”

Southwell은 이러한 재료 문제로 인해 북미 자동차 제조에서 약 80%의 서보 프레스 시장 점유율이 발생했다고 동의하고 보고했습니다. “고강도 및 초고강도 강철과 알루미늄은 10년에서 15년 전의 재료보다 성형하기가 훨씬 더 어렵습니다. 그리고 성형 프로파일을 조정하는 서보의 기능은 고객 기반에 매우 유익한 것으로 입증되었습니다."

Greenerd의 Josefiak은 서보 제어가 응답 시간이 감소하는 유압식에 비해 응답 시간 면에서 이점이 있다는 데 동의했지만 “모션 프로파일의 제어 수준이 사용자의 선택 여부에 실질적으로 영향을 미치는 많은 응용 분야는 본 적이 없습니다. 좋은 제품." 그러나 그는 “재타격은 서보 전용 기능의 좋은 예입니다. 바닥까지 내려갔다가 1초 만에 다시 치는 것은 유압 장치로 할 수 있는 일이 아닙니다."

속도를 제어할 필요가 없다면 서보가 필요하지 않을 수도 있다고 Landowski는 주장했습니다.

“예를 들어 와셔나 작은 리벳 등을 만드는 경우 프레스 속도를 낮추거나 속도를 제어하지 못할 것입니다. 가능한 한 많은 부품을 최대한 빨리 만들고 싶습니다.” 기계식 프레스가 빛을 발하는 곳이라고 그는 말했다. 유압 프레스가 가장 적합하지 않은 곳이기도 합니다.

조립의 다양한 서보 기능

Southwell은 서보 프레스가 다른 부품에 대해 쉽게 재프로그래밍할 수 있는 능력이 대량 자동차 세계에서도 성공의 또 다른 요인이라고 덧붙였습니다.

“대부분의 프레스 시스템은 여러 유형의 부품을 실행하도록 설계되었습니다. 그들은 한 시간 동안 한 도구를 실행하고 교체하고 다른 도구를 도입할 것입니다. 사실상 아무도 하나의 프레스를 설정하고 실행하지 않습니다. 경쟁력을 유지할 수 있는 방법은 없습니다. 우리는 단일 프레스를 통해 서로 다른 부품 또는 다이 세트의 대규모 제품군을 위한 Tier 1 및 Tier 2를 통해 OEM에 많은 시스템을 판매합니다.”

Promess의 Price는 서보 프레스의 다양성은 쉬운 프로그래밍을 넘어 섬세한 조립 작업으로 확장된다고 말했습니다.

자동차의 예를 들어 Price는 도어 힌지 조립을 지적했습니다. 그녀는 서보 프레스가 높은 정밀도와 위치와 힘을 면밀히 모니터링할 수 있는 고유한 피드백 루프를 모두 제공한다고 설명했습니다. 따라서 힌지를 함께 누를 때 Promes는 조인트에서 발생하는 저항도 측정할 수 있으므로 문이 너무 쉽게 열리지도 않고 너무 뻣뻣하여 차 소유자가 불편하지 않도록 할 수도 있습니다.

움직이는 부품을 활성화하고 실시간으로 힘을 측정하는 이러한 기능은 부품 허용 오차를 완화하여 구성 요소 비용을 낮출 수 있는 기회를 제공합니다. Price가 설명했듯이 조립 중 피드백이 없으면 엔지니어는 부품이 제대로 맞물리도록 하기 위해 매우 엄격한 공차로 설계 및 제조해야 하는 경우가 많습니다.

“그들은 프레스가 특정 깊이까지 갔다는 사실을 이용하고 엄격한 허용 오차를 기반으로 부품이 올바르게 조립되었다고 가정합니다. 그들은 그것을 확인할 서명 분석이 없습니다.”

서보 프레스를 사용하면 대신 공차를 느슨하게 하고 조립 과정에서 데이터를 관찰하여 함께 누른 것이 실제로 제대로 장착되었는지 확인할 수 있습니다. Price는 서보 프레스에 내장된 감지 기능으로 인해 일부 경우 스크랩 비율이 최대 50%까지 감소했다고 말했습니다.

Price는 또한 애플리케이션에 추가 감지가 필요한 경우(서보 모터의 피드백 외에) 시스템과 쉽게 통합할 수 있다고 지적했습니다.

“우리는 9~10개의 서로 다른 압력 변환기, 위치 변환기 또는 외부 로드 셀을 사용하는 고객을 보유하고 있습니다. 우리는 그 모든 정보를 수집하여 프로세스 내에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “그리고 우리는 그 과정에서 이에 대응할 수 있습니다. 모든 것이 전기식이므로 설정이 매우 간단합니다. 변환기를 디지털 신호 조절기에 연결하기만 하면 됩니다. 그러면 컨트롤러가 해당 신호를 받아 결정을 내리는 데 사용할 수 있습니다.”

압박, 통제 및 절충

유압 프레스는 이 영역에서 블라인드가 아닙니다. Josefiak은 "유압 액추에이터의 양쪽에 가해지는 압력을 확인하는 매우 빠른 스캔 시간을 가진 유압 시스템 전용 모션 컨트롤러가 있습니다. 그런 다음 빠르게 작동하는 압력 변환기를 사용하여 작업에 가해지는 실제 힘을 보여줄 수 있습니다.” 그러한 시스템 중 하나는 밀리초 미만으로 힘 측정을 업데이트합니다. 그의 의견으로는 더 빠른 힘 측정이 필요한 응용 프로그램은 "매우 적습니다."

Southwell에 따르면 서보 프레스는 일련의 다이가 필요한 복잡한 부품을 만드는 데 유압 프레스보다 훨씬 뛰어납니다. 몇 년 전에는 프레스에서 프레스로 부품을 손으로 옮기는 방식으로 이루어졌을 것이라고 그는 설명했습니다. 그러나 이제 "경쟁할 수 있는 유일한 방법"은 단일 프레스 내에서 단계에서 단계로 부품을 기계적으로 전송하는 것입니다. 그러나 "여러 스테이션을 사용하여 부품을 만들면 중심에서 벗어난 하중이 발생하여 유압 구동 트레인에 매우 해롭습니다."

Josefiak은 “중심에서 벗어난 하중은 기계 및 유압 시스템 모두에 해롭습니다. 둘 다 강철 프레임워크의 적절한 구성 및 안내로 이러한 중심에서 벗어난 하중을 처리합니다. 우리는 기성 서보 기계식 프레스보다 훨씬 더 큰 오프 센터 하중을 허용하기 위해 여러 유압 실린더를 사용하는 시스템을 보유하고 있습니다.”

식용유를 윤활제로 사용해야 하는 용도에 대해서도 논란이 있습니다. Landowski는 다음과 같이 보고했습니다. “몇몇 고객은 오로지 실린더가 삐걱거리고 슬라이드 깁스가 재료에 떨어지는 이유만으로 유압식에서 서보 기계식 프레스로 전환했습니다. 가능한 모든 오염을 제거하기 위해 모든 부품은 성형 후에 청소해야 합니다. 또한 고객들은 FDA 또는 EPA 규정으로 인해 식품 등급 윤활유를 세척하는 것이 비식품 등급보다 비용이 적게 든다고 말했습니다.”

Josefiak은 "표준 산업용 오일 대신 식품 등급 오일을 사용하도록 프레스의 밀봉을 수정함으로써" 여러 프로젝트에서 의료 및 식품 안전 표준을 모두 충족했다고 말했습니다. Landowski는 표준 기성품 서보 프레스에는 수정이 필요하지 않으며 "프레스 드라이브 및 슬라이드 윤활유용 식품 등급 오일만"이라고 말했습니다. 한 고객은 “시험관용 고무 마개를 만든다. 프레스의 모든 스트로크는 65~75개의 고무 마개를 제공하며 비식품 등급 윤활유는 이 특정 프로세스를 무효화합니다."

딥 드로를 정복한 유압식

Southwell에 따르면, “유압 프레스의 장점은 전체 스트로크를 통해 전체 톤수 또는 힘을 사용할 수 있다는 것입니다. 따라서 200톤 프레스이고 12인치 스트로크가 있는 경우 해당 스트로크를 통해 200톤의 압력을 가할 수 있습니다. 원래 기계식 프레스와 동일한 기계적 편심 드라이브 트레인이 있는 서보 프레스를 사용하면 기어링, 크랭크 샤프트 또는 중심축 및 센터 기어 드라이브가 있습니다. 톤수 또는 토크 곡선이 있으며 적용할 수 있는 힘은 바닥에서 모터 샤프트의 각도에 따라 다릅니다." 이것은 Promes에서 만든 것과 같은 직접 구동 서보 프레스의 경우는 아니지만 이러한 시스템은 톤수가 증가함에 따라 매우 비쌉니다. 예를 들어 Promess는 단일 실린더에서 1MN(~100톤)을 초과합니다.

전체 스트로크를 통해 최대 힘을 ​​가할 수 있는 기능은 유압 프레스를 딥 드로 작업에 완벽하게 만들었으며 Josefiak은 "정말로 의미 있는 유일한 옵션"이라고 말했습니다.

그가 인용한 최근 사례 중 하나는 "상대적으로 큰 압력 탱크를 생산하는 프로젝트"입니다. 우리는 작동 스트로크가 5피트인 딥 드로 프레스에 크고 평평한 블랭크를 로드하는 자동화 시스템을 설치했습니다.” 그는 시스템에 여러 작업이 있다고 설명했습니다. 첫 번째는 170톤 프레스를 사용하여 탱크의 절반을 두 개 뽑습니다. 그 다음에는 자동화된 펀치 프레스와 트리밍 및 용접 다운스트림이 뒤따릅니다. 여기서 핵심은 그러한 작동 스트로크가 “서보 프레스로 쉽게 복제할 수 있는 것이 아니라는 것입니다. 따라서 딥 드로우는 유압이 여전히 지배적인 영역입니다. 그리고 그것은 꽤 많은 산업에 걸쳐 있습니다. 산업보다 과정이 더 중요합니다.”

Josefiak은 유압 장치가 "매우 긴 주기 시간이 있는 상황에서도 매우 잘 작동하며, 자본 비용 관점에서 침대 영역 전체에 걸쳐 일관된 압력으로 매우 낮은 전력 소비를 관리할 수 있고 상대적으로 저렴합니다."라고 말했습니다. 압축 성형이 주요 사례를 제공합니다. Josefiak은 "일반적으로 압축 성형은 시간, 온도 및 압력의 조합으로 재료를 성형하는 것입니다."라고 설명했습니다. 프레스는 압력을 받는 포지티브 또는 네거티브 다이 형태에 대해 상대적으로 얇은 재료를 고정합니다. “시간은 짧게는 5초, 길게는 2시간이 될 수 있습니다. 그리고 매우 자주… 우리는 약 300도에서 700도 사이의 작업 영역에서 일정한 플래튼 온도를 유지하려고 노력하고 작업 영역 전체에서 매우 일관된 압력을 제어하려고 노력합니다.” 이는 형성되는 재료가 전체적으로 균일함을 보장합니다. 이 기술은 자동차 베드 라이너(새로운 복합 베드 라이너 포함) 및 카페트 같은 재료로 만든 자동차 헤드라이너와 같은 것에 사용됩니다. 그가 열거한 또 다른 예는 "산화알루미늄 연삭 휠을 만들기 위한 분말 압축"입니다.

비용 고려사항

일반적으로 서보 프레스의 자본 투자는 기존 기계식 또는 유압식 프레스의 자본 투자를 초과합니다. 그러나 이러한 비교를 거의 무용지물로 만드는 운영 비용 및 고려해야 할 관련 요소가 있습니다. 더욱이, 동일한 톤수/토크 등급에 대해서도 주어진 유형의 모든 프레스가 동일한 것은 아닙니다.

에너지 소비부터 시작하겠습니다. 유압 프레스는 필요에 따라 램을 움직이기 위해 라인의 압력을 유지해야 하며, 이는 펌프를 사이클을 통해 작동시키는 것을 의미합니다. 이는 램이 움직일 때만 전기를 사용하는 서보 프레스에 비하면 불리하다. Landowski에 따르면, 이는 "기계의 크기에 따라 서보 프레스로 약 50%의 전력 절감"을 가져옵니다. 가격은 서보 프레스의 에너지 변환 효율이 90%인 카셀 대학의 연구를 참조한 반면, 유사한 유압 시스템의 경우 57%였습니다. Southwell은 Honda가 자체 시스템을 연구한 결과 서보 프레스가 실제 전력 소비를 30% 절감한다는 결과를 발표했다고 말했습니다.

Southwell은 또한 일부 AIDA 인쇄기가 "100% 커패시터 기반 에너지 관리 시스템"을 사용한다고 밝혔습니다. 이것은 필요한 작동 에너지를 커패시터에 저장하고, 이는 스트로크의 비작동 부분 동안 재충전됩니다. 이것은 "처음 맞물릴 때 엄청난 스파이크"가 있는 기계식 또는 유압식 프레스에 비해 "최대 부하를 크게 줄입니다."라고 그는 설명했습니다. AIDA 전류 인출은 "상당히 평평합니다. 따라서 실제 최대 유량은 기계 또는 유압 시스템의 최대 부하의 20~30%에 불과할 수 있습니다. 전력 회사는 최대 부하에 따라 고객에게 제공하는 전력의 크기를 결정해야 하기 때문에 중요합니다."

Josefiak은 생산량이 많은 환경에서는 유휴 시간이 거의 또는 전혀 없기 때문에 유압 펌프가 계속 작동하는 것이 "별로 중요하지 않습니다"라고 반박했습니다. 그리고 "10분 이상의 긴 유휴 시간이 있는 시스템에서는 에너지를 절약하기 위해 모터를 차단하는 '소프트 스타트' 모터 컨트롤을 설치할 수 있습니다." 흥미롭게도 이 옵션은 시스템 비용의 2~3%만 추가하지만, Josefiak은 이에 대한 수요가 크게 증가한 적이 없다고 보고했습니다. 그는 고정 용량 펌프에서 가변 용량 펌프로 전환하는 것도 "유휴 전력 소비를 크게 낮출 수 있다"고 덧붙였습니다. 그러나 그것은 아직 미국에서 표준이 되지 않은 옵션입니다.

모든 펌프, 밸브, 파이프 및 호스와 함께 유압 기술은 종종 서보 기반 시스템보다 더 복잡하고 유지 관리 집약적입니다. Price는 그들의 서보 프레스가 1년에 두 번만 볼 나사에 그리스를 칠할 필요가 있다고 말했습니다. 그것도 매우 조심스럽습니다. 반대로, 수개월 동안 수압 라인을 고압으로 유지하십시오. Josefiak은 반론이 “아무도 NPT 피팅을 더 이상 사용하지 않는다는 것입니다. 더 나은 재료로 제작된 다양한 금속 대 금속 및 O-링 스타일 씰이 있어 누출을 훨씬 더 잘 제어할 수 있습니다.” 또한 그는 개별 구성 요소가 비교적 저렴하고 수리하기 쉬운 반면 "서보 시스템을 수리하는 것은 훨씬 더 비쌉니다"라고 말했습니다.

이 마지막 요점은 작업에 필요한 구성 요소의 크기를 올바르게 지정하는 주제로 이어집니다. 몇 년 안에 서보 모터를 태우면 큰 수리 비용이 드는 것이 사실입니다. 그러나 Price는 그들의 시스템이 2.5배의 안전 계수로 설계되었기 때문에 그러한 고장 없이 20년 동안 일상적으로 작동한다고 말했습니다. 드라이브는 피크 대신 서보 모터의 연속 전류에서 작동하도록 크기가 지정되어 있어 프레스가 과열 및 고장 없이 부품을 무기한 유지할 수 있습니다.

마찬가지로 볼스크류의 동적 하중 용량은 프레스 정격 하중의 2.5배입니다. 예를 들어, Promess 40kN 프레스의 볼스크류는 134kN의 동적 부하 용량과 320kN의 정적 부하 용량을 갖습니다. Price는 이러한 시스템이 14시간/일 동안 16주기/분으로 평균 30kN의 힘으로 작업을 실행할 때 22년 이상 동안 고장 없이 수행할 것으로 예상할 수 있다고 말했습니다. 40kN 동적 하중으로 평가된 볼스크류의 경우 단 32주와 비교하십시오. 80kN의 정격에서도 시스템은 5년 미만으로 지속됩니다.