选择正确的印刷机

压力机技术——无论是机械的、液压的还是伺服的——都扮演着许多角色

印刷机有选择，这是一件好事。争论的不是哪个最好，而是哪个适合手头的工作。可以选择的主要印刷机类型在成本、功能和质量方面存在权衡。

这是一场友好的辩论，所有的牌都摆在桌面上。

技术快速回顾

据位于密歇根州布莱顿的 Promess Inc 的高级应用工程师 Stephanie Price 称，许多业内人士并未充分认识到伺服压力机技术的优势。相反，新罕布什尔州纳舒厄市 Greenerd Press &Machine 的机械工程师 Mike Josefiak 很好地证明了液压机是某些应用的最佳解决方案。总部位于芝加哥的 Komatsu America Industries LLC 副总裁 Jim Landowski 会告诉您，在某些情况下，传统机械压力机仍然可以使用。

机械压力机将飞轮的旋转运动转换为压入工件的柱塞的线性运动。正如 Landowski 所描述的，你可以“想象一个圆圈，顶部是 0，底部是 180。机械压力机以一个连续的运动从零到 180 度，然后回到零度或 360 度。”冲程在顶部没有力，在底部没有最大力，因此“根据模具，您可能会开始以 160 度左右的角度推动材料。但是当它达到 180 时，这部分就完成了，因为您的幻灯片正在回退。”

正如 AIDA-America, Corp. 俄亥俄州代顿市的执行副总裁 Bob Southwell 解释的那样，大多数伺服压力机都是相同配置的版本，“除了你用伺服电机驱动机械传动系统，而不是飞轮带有离合器制动机构。”机械压力机具有固定的行程和恒定的速度。但是“给它添加一个伺服电机，现在你就可以对运动曲线进行编程了。你可以放慢速度、暂停、进行快速的重击，以及做标准机械压力机不可能完成的各种事情。”还有直接驱动的版本（伺服电机转滚珠丝杠），扭矩特性比伺服-机械混合更好。

液压机结合了一组泵、阀门和软管，以使柱塞与加压流体接合。虽然这种方法具有优势，但它们不包括上述那种运动控制。因此，伺服压力机提供了额外的功能，并解决了纯机械或液压压力机出现的许多问题。

新材料，新挑战

Landowski 观察到，汽车轻量化和其他因素带来的向高级合金的发展正在推动对伺服压力机的需求。正如他所说，“把钢想象成一种液体，它必须流动……你不用材料，而是用材料。”

较硬的材料需要对柱塞速度进行微调，以“让材料正确流动，否则它会变得像太妃糖并开始分解。”例如，他说，用硬质合金制造杯子可能需要在 3 英寸（76.2 毫米）冲程的过程中以精确且可能变化的速度将 IPM 从 30 减慢到 15 IPM。

鉴于调整以毫秒为单位，因此只有伺服控制可以处理此问题。

Landowski 表示，伺服系统的主要优势在于通过拨入材料流来灵活地处理不同的金属。 “这就是为什么我们让人们进来尝试各种选择。我可以通过改变幻灯片的速度来制作好的部分或坏的部分。”

Southwell 同意并报告说，这些材料挑战导致伺服压力机在北美汽车制造业中的市场份额约为 80%。 “与十到十五年前的材料相比，高强度和超高强度钢和铝的成型难度要大得多。事实证明，伺服系统调整成型轮廓的能力对客户群极为有利。”

来自 Greenerd 的 Josefiak 同意伺服控制在响应时间方面与液压系统相比具有优势，在液压系统中响应会受到抑制，但他表示，他还没有“看到很多应用程序中的运动曲线中的控制水平会显着影响您是否制作好产品。”但他承认，“重击是伺服功能的一个很好的例子。到达底部然后在几分之一秒内重新打击，这不是您使用液压系统可以做到的。”

如果你不需要控制速度，Landowski 认为，你可能不需要伺服。

“例如，如果你正在制造垫圈、小铆钉或类似的东西，你就不会放慢压力，也不会控制速度。你想尽可能快地制造尽可能多的零件。”他说，这就是机械压力机大放异彩的地方。这也是最不适合液压机的地方。

装配中的伺服多功能性

Southwell 补充说，伺服压力机能够轻松针对不同零件重新编程是他们成功的另一个因素，即使在大批量汽车领域也是如此。

“大多数压力机系统设计用于运行多种类型的零件。他们将运行一个工具一个小时，将其更换并使用另一个工具。几乎没有人设置一台印刷机并运行它......他们无法保持竞争力。我们通过一级和二级向 OEM 销售许多系统，通过单台印刷机为不同零件或模具组的大型系列提供服务。”

Promess 的 Price 表示，伺服压力机的多功能性远远超出了简单的编程范围，并延伸到了精密的装配操作中。

以汽车为例，Price 指出组装门铰链。她解释说，伺服压力机既提供高精度，又提供能够密切监控位置和力的固有反馈回路。因此，在将铰链压在一起时，Promess 还能够测量接头中产生的阻力，这样他们就可以确保车门既不会太容易打开，也不会太硬而不会让车主感到不舒服。

这种激活运动部件和实时测量力的能力也提供了放宽部件公差的机会，从而降低了部件成本。正如 Price 解释的那样，如果在组装过程中没有反馈，工程师通常被迫按照非常严格的公差进行设计和制造，以确保零件正确装配在一起。

“他们利用压力机达到一定深度的事实，并根据他们的严格公差，假设零件组装正确。他们没有签名分析来验证这一点。”

使用伺服压力机，他们可以放松公差并在组装过程中观察数据，以确定他们压在一起的东西实际上是正确就位的。 Price 表示，他们伺服压力机的内置传感功能在某些情况下可将废品率降低多达 50%。

Price 还指出，如果应用需要额外的传感（除了来自伺服电机的反馈），那么很容易与他们的系统集成。

“我们有客户使用九到十个不同的压力传感器、位置传感器或外部称重传感器。我们可以获取所有这些信息，以了解流程中发生了什么，”他说。 “我们可以在这个过程中对此做出反应。而且因为一切都是电动的，所以设置起来非常简单。只需将传感器插入数字信号调节器即可。然后控制器可以接收该信号并使用它来做出决定。”

压力、控制和权衡

液压机在这方面并非盲目。 Josefiak 说，有专门用于液压系统的运动控制器，具有“极快的扫描时间，可以查看液压执行器两侧的压力。然后使用快速作用的压力传感器，我们可以显示施加到工作上的实际力。”一个这样的系统可以在一毫秒内更新力测量值。在他看来，需要更快测力的应用“少之又少”。

根据 Southwell 的说法，伺服压力机在制造需要一系列模具的复杂零件方面比液压机好得多。他解释说，多年前，这将通过手动将零件从印刷机转移到印刷机来完成。但现在“唯一的竞争方式”是在一台印刷机内机械地将零件从一个舞台转移到另一个舞台。但是“当你使用多个工位来制造一个零件时，你的负载会偏心，这对液压传动系统是非常不利的。”

Josefiak 反驳说，“偏心加载对机械和液压系统都是有害的。两者都通过适当的钢框架结构和导向来处理这些偏心负载。我们的系统使用多个液压缸，可以实现比现成的伺服机械压力机大得多的偏心负载。”

关于需要使用食品级油作为润滑剂的应用也存在一些争议。 Landowski 报告说：“一些客户已经从液压机切换到伺服机械压力机，仅仅是因为气缸漏水和滑片滴落到材料上。所有零件在成型后都需要清洁，以去除任何和所有可能的污染。客户还告诉我们，由于 FDA 或 EPA 法规，清洁食品级润滑油的成本低于非食品级润滑油。”

Josefiak 说，他们“通过修改压机的密封，使用食品级油代替标准工业油”，满足了许多项目的医疗和食品安全标准。而 Landowski 表示，他们的标准现成伺服压力机不需要任何修改，“只需用于压力机驱动器和滑动润滑油的食品级油。”一位客户“为试管制作橡胶塞。压力机的每一次冲程都会产生 65 到 75 个橡胶塞，而非食品级润滑剂会使这一特定过程失效。”

液压征服深拉

根据 Southwell 的说法，“液压机的优势在于您在整个冲程中都具有完整的吨位或力量能力。因此，如果它是 200 吨的压力机，而您的冲程为 12 英寸，那么您可以在整个冲程中施加 200 吨的压力。使用具有与原始机械压力机相同的机械偏心传动系统的伺服压力机，您有齿轮装置、曲轴或中心轴以及中心齿轮驱动装置。有一个吨位或扭矩曲线，你可以施加的力取决于电机轴与底部的角度。”对于像 Promess 制造的直接驱动伺服压力机，情况并非如此，但随着吨位的增加，这些系统变得非常昂贵。例如，Promess 在单缸中达到 1 MN（约 100 吨）。

在整个行程中施加全部力的能力使液压机非常适合深拉应用，Josefiak 甚至说这是“唯一真正有意义的选择”。

他引用的一个最近的例子是一个生产“相对较大的压力罐”的项目。我们安装了一个自动化系统，将大型扁平坯料装入工作行程为 5 英尺的深拉压力机中。”他解释说，该系统有多种操作。第一个使用 170 吨压力机来拉出两半坦克。随后是自动冲床以及下游的修整和焊接。 Josefiak 说，这里的关键在于，这样的工作行程“不是用伺服压力机轻易复制的东西。所以深拉是液压仍然占主导地位的领域。这涉及相当多的行业。与其说是行业，不如说是过程。”

Josefiak 表示，液压“在循环时间非常长的情况下也表现出色，我们可以在整个床区域的一致压力下管理非常低的功率消耗，并且从资本成本的角度来看相对便宜。”压缩成型就是一个重要的例子。 “通常，压缩成型将结合时间、温度和压力将材料成型为某种形状，”Josefiak 解释说。压力机将在压力下将相对薄的材料保持在正模或负模上。 “持续时间可能短至五秒，也可能长达两个小时。很多时候……我们试图在工作区域内保持恒定的压板温度，从大约 300 到 700 度不等，并试图控制整个工作区域的非常一致的压力。”这确保了正在形成的材料在整个过程中是均匀的。该技术用于汽车床衬（包括新型复合床衬）和用类似地毯的材料制成的汽车顶篷。他列举的另一个例子是“用于制造氧化铝砂轮的粉末压制”。

成本考虑

从广义上讲，伺服压力机的资本投资超过了传统的机械或液压机。但是有一些运营成本和相关因素需要考虑，这使得这种比较几乎毫无用处。更重要的是，即使对于相同的吨位/扭矩额定值，并非所有给定类型的压力机都是平等的。

让我们从能源消耗开始。液压机必须保持管路中的压力以按需移动柱塞，这意味着使泵在循环中运行。这与伺服压力机相比是不利的，伺服压力机仅在冲头移动时才使用电力。根据 Landowski 的说法，这会产生大约“使用伺服压力机节省 50% 的电力，具体取决于机器的尺寸”。 Price 提到了卡塞尔大学的一项研究，该研究发现伺服压力机的能量转换效率为 90%，而同类液压系统的效率为 57%。 Southwell 表示，本田研究了他们自己的系统，并发表了伺服压力机实际功耗降低 30% 的发现。

Southwell 还表示，一些 AIDA 印刷机使用“100% 基于电容器的能源管理系统”。这将所需的工作能量存储在电容器中，这些电容器在冲程的非工作部分进行充电。他解释说，与机械或液压机相比，这“大大降低了峰值负载”，机械或液压机“在首次接合时会出现巨大的峰值”。 AIDA 的电流消耗“相当平稳。因此，您的实际峰值流量可能仅为机械或液压系统峰值负载的 20% 到 30%。这很关键，因为电力公司必须根据高峰负荷来确定他们向客户提供的电力。”

Josefiak 反驳说，在高产量环境中，空闲时间很少或根本没有，因此液压泵持续运行“真的无关紧要”。并且“在我们有 10 分钟或更长时间的空闲时间的系统中，我们可以安装一个‘软启动’电机控制装置，它会关闭电机以节省能源。”有趣的是，虽然这个选项只增加了 2% 到 3% 的系统成本，但 Josefiak 报告说从未有过强烈的需求。他补充说，从固定排量泵切换到可变排量泵也可以“显着降低我们的闲置功耗”。但这又是一个尚未成为美国常态的选择。

凭借其所有的泵、阀门、管道和软管，液压技术通常被认为比基于伺服的系统更复杂、维护更密集。普莱斯说，他们的伺服压力机每年只需要对滚珠丝杠进行两次润滑——即使这样也是非常谨慎的。相反，将液压管路保持在高压下数月，通过一个又一个循环，迟早会发生泄漏或子组件必然会发生故障。 Josefiak 说，反驳的观点是“没有人再使用 NPT 接头了。有一系列金属对金属和 O 型圈密封件，采用更好的材料制成，在控制泄漏方面做得更好。”此外，他说，单个组件相对便宜且易于维修，而“维修伺服系统的成本要高得多。”

最后一点将我们带到正确调整工作组件大小的主题。确实，如果您在几年内烧毁伺服电机，您将需要支付巨额维修费用。但普莱斯表示，他们的系统通常可以运行 20 年而没有出现任何此类故障，因为它们的设计安全系数为 2.5 倍。驱动器的尺寸适合在伺服电机的连续电流下运行，而不是在峰值电流下运行，因此压力机可以无限期地保持零件而不会过热和故障。

同样，滚珠丝杠的动态负载能力是压力机额定力的 2.5 倍。例如，Promess 40 kN 压力机中的滚珠丝杠具有 134 kN 的动态负载能力和 320 kN 的静态负载能力。普莱斯说，这样的系统在以 30 kN 的平均力进行工作时，预计可以在 22 年多的时间内无故障运行，每天 14 小时内运行 16 个周期/分钟。相比之下，额定动载荷为 40 kN 的滚珠丝杠仅需 32 周；即使在 80 kN 的额定值下，该系统也可以使用不到五年。