今日、多くの組立ラインが同じ問題に直面している。エンジニアは、締め付け品質にばらつきがあるのを見ている。工具の摩耗も早い。空気圧システムや油圧システムは、しばしば頻繁なメンテナンスを必要とする。これらの問題は、製品の信頼性を低下させる。薄くて軽い素材やコーティングされた素材を扱うチームでは、これらの問題はより深刻になります。
こうした問題に対処するため、現在では多くのメーカーがサーボ・プレスを使用している。これらの機械は電気モーターで動く。オイルや圧縮空気に頼ることはない。このシステムは、すべてのサイクルで力、位置、速度を正確に制御します。このレベルの制御は、安定した接合強度を生み出すのに役立ちます。また、サイクルタイムも短縮される。同時に、品質追跡のためのプロセスデータの記録も可能です。
今日、サーボプレスはさまざまな産業で広く使われている。自動車生産、EVバッテリーの組み立て、航空宇宙、電子機器製造などである。これらの分野では、一貫した接合品質が重要です。プロセスデータとトレーサビリティは、安全性とコンプライアンス要件を満たす上でも重要な役割を果たします。
リベット作業とクリンチ作業とは？
リベットとクリンチは、現代の金属アセンブリを形成する2つの中核的な締結方法です。各工程の仕組みを理解することで、サーボ制御が一貫性と品質に劇的な違いをもたらす理由が明らかになります。
リベッティング：永久的な高強度ジョイントを作る
リベット は機械的な締結プロセスである。作業員が部品にあらかじめ開けられた穴にリベットを通す。その後、プレスがリベットを変形させて部品を固定する。この方法は永久的な接合部を作る。多くの製造業者は、高い疲労強度が必要な場合にこれを使用する。また、鋼鉄とアルミニウムやチタン合金のような異なる材料を接合する場合にも有効である。
航空宇宙のような精密産業では、力の制御が非常に重要です。プレスは狭い範囲内で力を加えなければなりません。力が強すぎると、ひび割れや表面損傷の原因になります。力が弱すぎると接合部が弱くなります。サーボ制御プレスは、成形力を目標値の約±1%内に保つ。この制御は、均一なリベット・ヘッドを製造するのに役立ちます。
クリンチング：追加ファスナーなしの接合
クリンチはプレス接合とも呼ばれる。層間に局所的なロックを形成することでシートメタルを接合する。このプロセスでは、材料の制御された変形が使用される。リベットや溶接、接着剤は必要ない。多くのメーカーがアルミニウムや塗装鋼にクリンチングを使用している。このプロセスは熱を発生させない。また、ヒュームや表面汚染の心配もない。
サーボプレスは、エンジニアに精密なモーションコントロー ルを提供します。エンジニアは各素材のペアごとにモーションカーブを調整することができます。最下部のデッドセンター付近の短いドウェルは、完全なインターロックを形成するのに役立ちます。このステップはまた、表面コーティングを損傷から保護します。多くの場合、クリンチ接合はスポット溶接の強度の約80-90%に達します。同時に、この工程ではスパッタが発生せず、 後洗浄の必要もない。
従来のプレスシステムの限界
旧式の空気圧式、油圧式、機械式のプレスは、今日の精度と効率の基準を満たすのに苦労しています。その弱点を検証することで、メーカーがサーボ駆動システムに切り替える理由が浮き彫りになる。
| プレス・タイプ | フォースコントロール | メンテナンス | エネルギー使用 | 標準精度 | 共通の課題 |
|---|---|---|---|---|---|
| 空気圧式 | 悪い（空気圧縮性） | 低～中 | 適度 | ±10% | 一貫性のない力 |
| 油圧式 | 高いが安定しにくい | 高い（漏れ、液体の老化） | 高い | ±5% | オイル汚染、騒音 |
| 機械 | 固定カーブ、調整不可 | ミディアム | ミディアム | ±5-8% | アダプティブ・コントロールなし |
| サーボ（電動） | エクセレント（クローズドループ） | 低い | 低い | ±1% | - |
空気圧プレス一貫性のない力の伝達
空気圧プレスは圧縮空気を使って力を発生させる。空気圧は温度や供給条件によって変化します。わずかな変化でも、最大±10%の力のばらつきが生じます。このレベルのばらつきは、精密な組み立て作業には大きすぎます。
その結果、関節の質が不安定になる。あるジョイントは緩すぎるかもしれないし、あるジョイントは過剰にプレスされているかもしれない。ミスアライメントや再加工がより一般的になります。時間の経過とともに、エア漏れ、バルブの摩耗、汚染などがシステムの信頼性をさらに低下させる。
油圧プレス高いエネルギー消費と激しいメンテナンス
油圧プレスは大きな力を発生させることができる。油圧プレスは、しばしば連続的に作動するポンプに依存しています。プレスがアイドル状態であっても、システムは圧力を維持するためにエネルギーを消費します。多くの場合、消費電力はサーボベースのシステムよりも最大70%高くなることがあります。
作動油にはリスクもある。オイル漏れは部品や作業場所を汚染する可能性がある。温度変化は油の粘度に影響を与える。この変化は押圧力を変化させ、生産中の工程の一貫性を低下させる。
メカニカルプレス高速だが制御は限定的
機械式プレスは固定クランクモーションを使用する。ストローク中に動作プロファイルを変更することはできません。これらのプレスは、高速成形には適しています。しかし、繊細な組立作業に必要な柔軟性には欠けます。
動きが固定されているため、薄い素材や層状の接合部では力の制御が難しい。ストロークの下端付近で強い衝撃が加わると、工具の摩耗が進む可能性がある。また、経時的な部品のばらつきの原因にもなります。
サーボプレス技術はいかにゲームを変えるか？
サーボテクノロジーは、空気と油に代わるデジタル精度を提供します。クローズドループ制御とプログラマブルモーションが、どのように安定した品質、よりクリーンな運転、生産効率の向上を可能にするのか、探ってみましょう。
力、位置、速度の精密制御
サーボプレスはクローズドループ制御システムを採用しています。このシステムは、位置制御用のモーターエンコーダーと力測定用のロードセルを組み合わせたものです。コントローラーはリアルタイムの値とプログラムされた設定を比較します。数ミリ秒ごとに出力を調整し、プロセスの安定性を維持します。
この制御は、非常に高い精度を可能にする。サーボプレスは±0.01mmの位置精度を達成することができます。また、力の再現性を±1%以内に保つことができます。空圧プレスでは、同じ条件で±10%の力のばらつきが生じることがよくあります。
エンジニアにとって、これはプレスが複雑なモーションプロファイルを実行できることを意味する：
- 高速アプローチ アイドリング時間を短縮する。
- ゆっくりとした形成段階 過圧縮を防ぐため、底部付近のデッドセンター。
- 滞在期間 材料の流動または凝固（熱アシスト接合を使用する場合）を可能にする。
- 緩やかな後退 スプリングバックや部品の動きを最小限に抑える。
この柔軟性により、1台のサーボプレスで複数の接合作業を処理することができる。軽いクリンチと深いリベッティングを同じ機械で行うことができる。機械的な切り替えは必要ありません。
リアルタイム・モニタリングとデータ記録
サーボプレスのストロークごとにデジタル記録が作成される。この記録は力-変位曲線です。この曲線は、プレス工程全体を通して関節の挙動を示します。エンジニアはこの曲線を品質基準として使用します。部品のミスアライメント、リベットの欠落、材料の厚さの変化などの問題が発生すると、システムは即座にそれを検出します。
オペレーターはプロセスの許容範囲を設定することができます。これらのバンドは、異なるストローク段階での力の上限と下限を定義します。カーブが許容範囲外に移動すると、プレスは自動的に反応します。サイクルを停止させるか、検査のために部品にマークを付けることができます。この早期の制御により、欠陥のある接合部が次の工程に進むのを防ぎます。また、再加工を減らし、保証リスクを低減します。
また、各サイクルのプロセスデータも記録されます。このデータは完全なトレーサビリティをサポートし、IATF16949やAS9100などの規格に適合するのに役立ちます。プレス機は、サイクル時間、力、位置、オペレーターID、部品IDなどの詳細を保存できます。データは機械に残すことも、工場のMESシステムに転送することもできます。
エネルギー効率とクリーンな操業
サーボシステムは、プレスが動いているときだけエネルギーを使う。油圧プレスは、ポンプを連続的に稼動させている。サーボプレスがアイドル状態のとき、電力使用はゼロに近い。減速中、モーターはエネルギーを回収し、電力システムに送り返すことができます。これにより、全体的な効率が向上します。
実際の生産ラインでは、この設計により30～70%の省エネが実現します。正確な節約量は、サイクル速度や必要な力によって異なります。また、サーボプレスは作動油を使用しません。このため、油漏れ、部品汚染、油臭のリスクがなくなります。また、油の粘度の温度変化による力の変化もありません。
電気駆動は、より静かに作動します。騒音レベルは、従来のプレス機よりも10～15dB低いことがよくあります。この利点はクリーンルーム環境では重要です。また、現場のオペレーターの快適性と安全性も向上します。
さまざまな関節タイプに対応する柔軟なプログラミング
製品ごとに接合ニーズは異なる。シートの厚さも変わります。材料の硬度や表面コーティングも異なります。部品形状はさらに複雑になります。サーボプレスは、ソフトウェア制御によってこれらの変化に対応します。
エンジニアは事前に複数のプレスプログラムを作成することができます。各プログラムは、速度、力、滞留時間、後退距離を定義します。オペレーターはプログラムを瞬時に切り替えることができます。機械的な調整は必要ありません。この柔軟性は、多品種少量生産に適しています。また、さまざまな種類の部品を扱う自動化ラインにも適しています。
より高度なサーボプレスは、システムの直接統合をサポートしています。標準的な産業用ネットワークを介してロボットや制御システムと接続することができます。ロボットが新しい部品をロードすると、印刷機は自動的に正しいプログラムを選択することができます。これにより、セットアップエラーが減少します。また、異なる製品間で一貫した結果を保証します。
業界を超えたアプリケーション
サーボプレスシステムは、精度、再現性、清潔さが重要な産業で不可欠なものとなっています。これらの利点が実際の結果にどのように反映されるかを探ってみましょう。
自動車とEVの組み立て
自動車生産において、締結の品質は安全性と長期信頼性に大きな影響を与えます。従来の空圧プレスや油圧プレスの多くは、アルミパネル、混合材料、厳格な品質追跡を必要とする大量生産に苦戦しています。
サーボ駆動プレスはこれらの問題を解決します。サーボドライブプレスは、すべてのサイクルにおいて±1%以内の力制御を維持します。この安定性により、数十万個の部品でも均一な接合強度が得られます。EVバッテリーの組み立てでは、サーボ制御のクリンチがパネルの歪みを防ぎます。また、繊細なバッテリーモジュールの精密なシーリングにも対応しています。
サーボプレスは、自動化された生産ラインにもうまく統合されます。ロボットが部品をセットし、プレス機が力-変位曲線を使用して各関節をチェックします。ジョイントが設定された限界から外れると、システムは即座にフラグを立てます。
航空宇宙とエレクトロニクス
航空宇宙部品は、非常に厳しい公差とクリーンな組立条件を必要とします。アルミニウム、チタン、または複合材料のリベットまたはクリンチングの間、力の制御は非常に重要です。わずかな力の増加でも、マイクロクラックや層分離を引き起こす可能性があります。
サーボプレスは、プログラム可能な動きとリアルタイムのフィードバックにより、このリスクを低減します。エンジニアは、最終成形段階を下死点付近で約30-50%減速させることができます。この遅い動きは、材料が均一に変形するのを助けます。また、薄物や層構造の応力も制限されます。
電子機器の組み立てでは、清潔さも同様に重要です。プリント基板や塗装部品には、油やゴミが付着していないことが必要です。サーボプレスは作動油なしで作動し、低騒音です。コンパクトでクリーンなデザインは、ISOクラス8のクリーンルーム環境をサポートします。
自動化とロボットの統合
最近の工場の多くは、自動化されたロボットセル内でサーボプレスを使用している。これらのプレス機は、標準的な産業用ネットワークを介してロボット、コンベア、ビジョンシステムに接続されている。この接続により、すべての機器が単一の協調システムとして機能します。
典型的なセットアップでは、ロボットがカメラを使って部品の位置決めを行います。その後、サーボプレスが制御された動きで接合作業を行います。同時に、プレス機は力-変位曲線を記録します。この曲線が決められた範囲内に収まっているかどうかをチェックします。その後、システムは結果を工場のMESまたはSPCシステムに送信します。
ピーク力が低すぎるなど、プレス機が異常なカーブを検出すると、セルは即座に反応します。工程を停止したり、レビューのために部品にマークを付けたりすることができます。このクローズドループ検証により、手作業による検査の必要性がなくなります。また、スクラップを減らし、データ分析を通じて継続的な工程改善をサポートします。
プロセス品質と工具に関する考察
どんなに優れたサーボシステムでも、健全なツーリングとプロセスコントロールに依存しています。ここでは、インテリジェントな設計とデータモニタリングによって、エンジニアがどのように完璧なジョイントを実現しているかを検証します。
工具設計の重要性
リベッティングやクリンチングでは、工具設計が接合品質に重要な役割を果たす。パンチとダイの形状は、材料がどのように流れ、どのように固定されるかを制御する。小さな変化でも重要である。ダイ・キャビティの深さの0.1mmの変化やパンチ角度の2°の変化は、接合強度に顕著な影響を与えることがある。
よく設計された工具は、安定した材料の流れを促進する。これにより、亀裂や裂け目、弱いインターロックを避けることができます。多くのエンジニアは、有限要素シミュレーションを使用して、材料の変形を事前に研究しています。これらのシミュレーションは、工具を製作する前に金型形状を改良するのに役立ちます。
生産中、サーボプレスは同じ動作プロファイルを高精度で繰り返します。この動きは、すべてのサイクルで工具の設計意図と一致します。制御された接触により、衝撃やショック荷重が軽減されます。その結果、空圧プレスや機械式プレスと比較して、工具寿命が20～30%長くなることがよくあります。
多層および異種材料の接合
現代の製品の多くは軽量構造を採用している。このような設計では、アルミニウムとスチール、あるいはコーティング・シートとむき出しの金属など、異なる素材を組み合わせることが多い。各層の降伏強度は異なる。このため、ストローク中に成形力を変化させる必要がある。
サーボプレスはこの難題にうまく対処する。サーボプレスは、リアルタイムのフィードバックに基づく適応制御を使用します。成形中にプレスが抵抗を感知すると、モータのトルクをその場で調整します。この制御により、材料の変形は望ましい範囲内に保たれます。
このアプローチでは、接合部は完全かつ一貫して形成される。表面コーティングは無傷のままです。軟らかい層が過度に圧縮されることはありません。その結果、混合材料スタック全体にわたって、強力で信頼性の高い接合部が形成されます。
力-変位曲線のモニタリング
力-変位曲線は、サーボ接合における重要な診断ツールです。これは、成形プロセス中に力がどのように増減するかを示すものです。各ストロークごとに独自の曲線が作成され、これが接合部の挙動を表します。
曲線のわずかな変化でも、問題のシグナルとなることがある。これらの変化は、初期の工具摩耗、部品のミスアライメント、材料の厚さや硬さのばらつきを示している可能性があります。これらの曲線を経時的に追跡することで、エンジニアは欠陥やダウンタイムにつながる前に問題を検出することができます。
例えば、こうだ：
- あ 低いピークフォース は、過度のクリアランスまたは工具の摩耗を示す可能性がある。
- あ 急斜面 は材料硬度の変化を示す。
- アン 初期高原 は、シートが二重に重なっているか、パーツの向きが正しくないことを示している。
カーブの上限と下限を設定することで、エンジニアはこれらの問題をリアルタイムで検出できる。システムによっては、AIアルゴリズムを使って自動的にカーブを分類し、工具の不具合を事前に予測するものもある。
リベットまたはクリンチ加工に適したサーボプレスの選択
適切なサーボプレスを選択するには、トン数、精度、統合能力のバランスをとる必要があります。以下は、評価すべき最も重要な要素です。
主な技術仕様
| パラメータ | 推奨範囲 | なぜ重要なのか |
|---|---|---|
| 定格力 (kN) | 10-100 | 様々な板厚とリベット・サイズに対する最大成形能力を決定する。 |
| ストローク長（mm） | 50-200 | 短いクリンチと深いリベット成形の両方のための柔軟な動きを定義します。 |
| 位置精度 (mm) | ±0.01以上 | 安定した接合深さを確保し、厚みのばらつきを補正します。 |
| 力制御の精度 | ±1% | オーバープレスを防ぎ、再現性のある接合強度を保証。 |
| 速度範囲 (mm/s) | 1-300 | 低速で制御された成形で高速アプローチが可能。 |
| データ出力 / 接続性 | EtherCAT、PROFINET、OPC UA | スマート製造のためのMES、SPC、ロボットシステムとの統合が可能。 |
位置と力の精度
精密締結では、小さな誤差が大きな問題を引き起こすことがあります。わずか0.05mmの位置誤差は、リベットの拡張不良や浅いインターロック深さにつながります。これらの問題は接合部を弱くし、信頼性を低下させます。
このため、エンジニアは、0.001 mm程度の高分解能エンコーダを搭載したプレス機を選択する必要があります。デジタルロードセルも重要な役割を果たします。これらを併用することで、各ストロークが計画された力と位置のプロファイルに確実に従うようになります。
一部の高度なコントローラは、自己校正機能を追加している。これらのルーチンは、ベースラインの読み取り値を自動的に調整する。セットアップ時間を短縮し、オペレーターのばらつきがプロセス精度に与える影響を制限します。
動作プロファイルとプロセスの柔軟性
サーボプレスは、位置制御、力制御、およびハイブリッド制御を含む、プログラム可能なモーションモードを提供する必要があります。これらのモードにより、エンジニアは異なる材料に合わせてプロセスを調整することができます：
- 強制モード アルミクリンチングの一貫した圧縮のために。
- ポジションモード 正確なリベット深さのために。
- ハイブリッド・モード 多層またはコーティングされた材料の接合用。
マルチセグメントカーブにより、例えば、速くスタートし、接点近くをゆっくり押し、短く滞留させ、静かに後退させるなど、完全なカスタマイズが可能だ。
データ管理とスマートな統合
現代の工場では、完成品と同様に工程データも重要です。プロセスカーブを記録し、エクスポートするサーボプレスは、品質管理と安定した生産をサポートします。また、問題が発生する前にメンテナンス計画を立てるのにも役立ちます。
標準的な産業用ネットワークを介して、印刷機はMESまたはSPCシステムに直接接続することができます。この接続により、手動入力なしで自動データ転送が可能になります。エンジニアはリアルタイムで性能を監視することができます。また、長期的なプロセスの安定性を向上させるために、数千サイクルにわたる傾向を調査することもできます。
エネルギー効率とメンテナンス
サーボプレスは、プレスが動いているときだけ電力を使用する。減速時には、システムはエネルギーを熱として浪費する代わりに回収することができます。ほとんどの用途において、これは油圧プレスと比較して30-70%低いエネルギー消費をもたらします。エネルギー消費量の低減は、運転コストの低減と二酸化炭素排出量の削減にもつながります。
サーボプレスは作動油を使用しません。そのため、作動油漏れや作動油関連のメンテナンスのリスクがなくなります。作業エリアは清潔に保たれ、稼働率は向上します。また、可動部品が少なく、バックグラウンドで作動するポンプもありません。その結果、メンテナンス間隔が30～40%長くなることが多く、設備総合効率を長期にわたって安定させることができます。
結論
サーボプレスは、リベッティングやクリンチングを単純な機械的ステップから、制御されたデータ駆動プロセスへと変えました。サーボプレスは力と位置の正確な制御を提供する。また、オイルの必要性をなくし、過度の騒音を減少させ、クリーンな運転をサポートします。
これらの利点は、的確なビジネス成果につながる。エネルギー使用量が減少し、手戻りとスクラップが減少します。これらの利点は、長期にわたって測定可能な利益をもたらし、安定した高品質の生産をサポートします。
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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。
