現代の金属成形には、精度、柔軟性、そしてエネルギーの有効利用が必要です。サーボプレスは、フォースストローク制御によってこれらのニーズに応えます。この技術により、エンジニアはプレスストロークの各段階で加える力を設定し、制御することができます。
従来の機械式プレスは一定の速度で動きます。ストロークが始まると、ほとんど制御できません。サーボプレスは違います。動きを完全にコントロールすることができる。オペレーターは、加速、減速、滞留時間、戻り速度を調整することができます。
この記事では、フォース・ストローク・コントロールの仕組みについて説明する。また、なぜそれが日々の生産において重要なのかを説明する。また、この制御がどのように安定した高品質な部品の生産を可能にするのかについても説明します。
サーボプレスにおけるフォースストローク制御の仕組み
サーボプレスは、ラムの動きと成形圧力の両方を制御するために、電気モーターとフィードバックシステムを使用します。このセクションでは、正確なストローク制御の背後にあるサーボドライブ、制御モード、およびフィードバックプロセスについて説明します。
サーボドライブとクローズドループシステム
サーボプレスの核となるのはサーボモーターで、機械式プレスで使用されるフライホイールとクラッチに代わるものである。モーターはラムを直接駆動し、命令されたときだけ動く。エンコーダーがラムの位置を連続的に測定し、コントローラーがプログラムされた目標に合うようにトルク（回転力）を瞬時に調整します。
このセットアップは、クローズドループ制御システムを形成しており、つまり、すべてのストローク中に継続的にチェックと補正を行う。実際の圧力や位置が目標値からずれた場合、コントローラーは即座にモーターのトルクを微調整して元の位置に戻します。
の現地調査 精密成形 は、クローズドループ・サーボ制御により、従来のシステムに比べて寸法精度が20-30%向上することを示しました。また、このリアルタイム補正により、工具の衝撃や振動が最小限に抑えられ、金型寿命が延び、予定外のメンテナンスが減少します。
わかりやすく言えば、"ヴェニュー "である： プレスは成形中に何が起こっているかを「感じ」、瞬時に調整し、すべての部品を公差内に保つ。
力制御と位置制御
サーボプレスは、力制御と位置制御という2つの主要な制御モードで動作する。
フォースコントロールでは、システムはストローク全体を通して特定の圧力を維持します。これは、正確なストローク深さよりも一貫した荷重が重要な、コイニング、プレス、接合などのプロセスに不可欠です。プレス機は加えられた力をモニターし、プログラムされた値を安定させるためにトルク出力を調整します。
位置制御では、ラムは正確に定義されたストローク経路をたどります。このモードは切断に適しています、 曲げそして、部品形状が正確なラム位置に依存するブランキングである。
最新のサーボシステムは、1回の成形サイクルで両方のモードをブレンドすることもできる。例えば 深絞り加工プレスは、ブランクを成形するために位置制御で開始し、その後、メタルフローを管理し、引き裂きを防止するために力制御に切り替えることができる。
リアルタイムフィードバックと適応制御
サーボプレスの各ストロークはリアルタイムで追跡される。センサーが荷重、トルク、変位を測定し、そのデータを制御装置にフィードバックします。成形曲線が理想的な経路からずれると、コントローラーは即座に速度やトルクを調整して修正します。
この適応制御は、異なるバッチの材料を扱う場合でも、成形プロセスの一貫性を維持します。また、スプリングバック（成形後に金属が元の形状に戻る傾向）の低減にも役立ちます。
エンジニアは、加えられた荷重に対して材料がどのように反応するかをマッピングした荷重-変位グラフを通して、これらの結果を視覚化することができます。実際のカーブと目標カーブを比較することで、工具の摩耗を特定し、滞留時間を最適化し、より良い結果を得るために成形速度を微調整することができます。
なぜフォースストロークコントロールが重要なのか？
フォースストローク制御は、成形精度、柔軟性、エネルギー効率を向上させます。次のサブセクションでは、成形品の品質、金型寿命、工程の安定性をどのように向上させるかを紹介します。
精度と部品品質の向上
従来の機械式プレスは、固定されたモーションカーブと、ストロークの下端付近でピークとなる力で動作します。速度と荷重はサイクルの途中で変更することができないため、特に薄いシートや高強度材料を扱う場合、オーバーフォーミング、不均一なひずみ、スプリングバックがしばしば発生します。
サーボプレスは、ストローク全体で速度と力を調整することで、これを回避します。ラムは素早く接近し、成形中は減速し、材料が最も必要とする部分に制御された圧力を加えることができます。これにより、破断を防ぎ、ワーク全体にわたって均一な変形を保証します。
自動車や家電製品の製造における研究によると、精密なモーションコントロールにより、スプリングバックを40～50%減少させ、寸法再現性を25～30%向上させることができます。プレスは各サイクルを監視し調整するため、材料のバッチの違いや工具の摩耗を自動的に補正します。
プロセスの柔軟性の向上
成形作業には、それぞれ異なるモーションニーズがあります。安定した力を必要とする工程もあれば、素早いサイクルや長い滞留時間を必要とする工程もあります。サーボプレスは、プログラム可能なモーションプロファイル（ラムが最初から最後までどのように動くかを定義するデジタル「レシピ」）により、このような柔軟性を可能にします。
典型的なプロフィールは以下のようなものだ：
- 高速アプローチ アイドリングストップ時間を短縮する。
- 成形が遅い 材料がスムーズに流れるようにする。
- ドエルがお手伝い ストレスを和らげ、寸法回復を改善する。
- クイックリターン より速いサイクル回転のために。
これらの動作シーケンスは、機械部品を変更することなく、いつでも保存、再利用、変更が可能です。1台のサーボプレスで、新しいプログラムをロードするだけで、数分で深絞りからコイニングやエンボスに切り替えることができます。
エネルギーと工具の効率
サーボプレスは、連続的に電力を消費する機械式プレスや油圧プレスとは異なり、動いたり力を加えたりするときにのみエネルギーを消費します。生産ラインの実地データでは、サイクルの複雑さと負荷に応じて、30～40%のエネルギー節約を示しています。
スムーズで制御された動作は、金型への衝撃や機械の振動も低減します。サーボモータは、毎サイクル全力で打撃する代わりに、接触を緩和し、金型表面へのストレスを低減します。これにより、一般的に金型寿命が25-30%延び、頻繁な再調整や研磨の必要性が減少します。
プロセスの安定性と予測可能な出力
サーボプレスの最大の強みは、その再現性にあります。コントローラーがリアルタイムでトルクと位置を調整するため、どのストロークも同じ負荷曲線とストローク深さを実現します。
この一貫性により、安定した生産と予測可能な結果が保証され、手作業による調整や工程後の検査の必要性が減少します。制御システムは、各サイクルの力、位置、滞留データを記録し、各部品のデジタル指紋を作成します。
サーボプレスと従来のプレスの動作を比較する
様々なプレス機が様々な方法で金属を成形します。ここでは、機械プレス、油圧プレス、サーボプレスを比較し、速度、精度、効率の違いを明らかにします。
機械プレス
機械式プレスは、フライホイール、クラッチ、クランクシャフトを使用してラムを一定のパターンで動かします。フライホイールはエネルギーを蓄え、ストロークを通して均等に放出し、ストロークの下端付近で力がピークに達します。この動作は高速で単純であるため、機械式プレスはブランキング、パンチング、浅成形に理想的です。
しかし、サイクルの途中で速度を変えることはできない。複雑な形状や高強度材料を成形する場合、この固定された動きがスプリングバック、引裂き、不均一なひずみの原因となることがよくあります。ラムは全速力でダイに衝突し、高い振動と大きな騒音を発生させ、工具を著しく摩耗させます。
油圧プレス
油圧プレスは、ラムの駆動に油圧を使用します。ストロークのどのポイントでも全トンをかけることができるので、深絞りや厚い材料の成形に最適です。オペレーターは成形圧力を簡単に調整できるが、動作速度は遅く、反応性も劣る。
油圧システムはまた、ポンプを連続的に作動させる必要があるため、作動していない期間でもエネルギーを消費します。温度変化は油の粘度や圧力制御に影響を与え、その結果、サイクル間で性能が一定しなくなります。これらのシステムは、漏れや汚染を防ぐために定期的なメンテナンスが必要です。
サーボプレス
サーボプレスは、フライホイールや油圧ポンプをプログラマブルサーボモーターに置き換えます。このモーターは、スタート、ストップ、リバース、速度変更を瞬時に行うことができます。エンジニアは、ストロークの各段階（加速、減速、ドエル、リターンを含む）をカスタムモーションプロファイルで定義することができます。
例えば、プレスは素早く接近し、成形のために減速し、応力を緩和するために短時間保持し、その後フルスピードで復帰することができる。この柔軟性により、一貫したメタルフローとより良い表面仕上げが保証されます。
一目でわかる性能比較
| 特集 | 機械プレス | 油圧プレス | サーボプレス |
|---|---|---|---|
| スピード | 非常に高い（固定） | 適度 | 調整可能（速いか遅いか） |
| フォースコントロール | 限定 | 素晴らしい | エクセレント（プログラム可能） |
| エネルギー効率 | 低い | 低い | 高（オンデマンド） |
| メンテナンス | 適度 | 高（オイルシステム） | 低～中程度 |
| 精度 | ミディアム | 高い | すごく高い |
| 騒音・振動 | 高い | 低い | 非常に低い |
| こんな方に最適 | シンプルなブランキング、パンチング | 深絞り、厚物部品 | 精密成形、多品種生産 |
経済的および実際的な影響
サーボプレスは初期費用が高いが、エネルギー消費量の削減、工具摩耗の減少、セットアップ時間の短縮により、通常2～3年で投資回収が可能である。モーションプログラムの保存と呼び出しができるため、機械的な段取り替えが不要になり、生産停止時間を最小限に抑えることができます。
サーボプレスは、複数の製品タイプや素材のバランスをとるメーカーにとって、油圧の精度と機械システムのスピードを提供します。
先端材料のフォースストローク制御
高強度鋼やアルミニウムなどの先端材料は、制御された成形条件を必要とします。このパートでは、サーボプレスがどのように応力を管理し、スプリングバックを低減し、プロセスデータから学習するかを説明します。
高強度鋼と軽量合金を扱う
高強度鋼は軟鋼よりも大きな応力に耐えることができるが、同じ強さでも変形しにくい。プレスで力を加えるのが早すぎると、金属が破れたり、成形が不均一になったりします。サーボプレスは、ラムが接触中に減速し、力を徐々に増加させることにより、これを解決します。この滑らかな動きにより、材料は金型上を均一に流れ、応力がより均一に分散されます。
アルミニウムのような軽量合金は、挙動が異なります。つまり、成形後に部品が元の形状に戻ろうとするスプリングバックが起こりやすいのです。サーボプレスは、ストロークの下端でラムを短い滞留時間保持し、内部応力を緩和してから後退させることができます。この短い休止時間により、寸法精度が向上し、成形後の修正の必要性が減少します。
成形パネルのスプリングバック低減
スプリングバックは、板金成形における最大の課題の1つです。成形力が取り除かれると、金属内部の残留応力がわずかな曲げや形状の歪みを引き起こします。スプリングバックの角度が小さくても、組み立て時にミスアライメントや適合不良を引き起こす可能性があります。
サーボプレスは、可変速度制御と正確なドエル管理により、スプリングバックを最小限に抑えます。下死点の手前で減速することにより、ラムはより均等な圧力分布を適用します。その圧力を数ミリ秒間保持することで、材料がリリースされる前に安定させることができます。
自動車ボディパネル成形の研究では、最適化されたサーボモーションにより、機械式システムと比較してスプリングバックを30～40%削減できることが示されています。この改善により、部品の適合性が向上し、手戻りが減り、組立ラインでの調整時間が短縮されます。
データ主導の最適化と継続的学習
サーボプレスの各ストロークは、力、位置、変位曲線を含む詳細なプロセスデータを生成します。この情報は、特定の動作設定に対して材料がどのように反応するかをエンジニアが理解するのに役立ちます。特定のバッチに些細な薄化やしわが見られる場合、記録された力-変位データから、どこでその偏差が始まったかを明らかにすることができます。
時間の経過とともに、このデータはデジタルナレッジベースを形成する。これにより、チームは工具の摩耗を予測し、材料のばらつきを予測し、将来の稼働に向けてストロークプロファイルを最適化することができます。工場ネットワークに接続すれば、複数のサーボプレスが知見を共有し、生産ライン全体でリアルタイムの最適化が可能になります。
結論
フォースストローク制御は、サーボプレスを他の成形方法と区別する重要な機能です。エンジニアは、全ストロークを通して速度、位置、力を制御することができます。この制御により、正確で安定し、再現性のある成形工程が生まれます。
機械プレスと油圧プレスは固定された方法で動作する。ストロークが始まると動きを変えることはできない。サーボプレスはリアルタイムで動作します。負荷がないときは速く動きます。成形中は動きが遅くなります。また、応力を解放するために底部を保持することもできる。
この制御された動きは、部品の精度を向上させます。また、金型の保護にも役立ちます。手直しが少なくて済みます。エネルギー使用量が少なくなります。
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ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
