적절한 톤수를 선택하는 것은 서보 프레스를 선택할 때 가장 중요한 결정 중 하나입니다. 프레스 용량이 너무 낮으면 기계가 필요한 성형력에 도달하지 못할 수 있습니다. 이로 인해 부품 정확도가 떨어지고 공구가 조기에 마모될 수 있습니다. 톤수가 너무 높으면 시스템 비용이 더 많이 듭니다. 또한 더 많은 에너지를 소비하고 힘 제어에 대한 반응성이 떨어집니다.
현대 제조업은 경쟁력을 유지하기 위해 정밀도와 효율성에 의존합니다. 따라서 엔지니어는 프레스 압력을 실제 공정 요구 사항에 맞춰야 합니다. 적절한 매칭은 부품 품질을 향상시키고 운영 비용을 통제하는 데 도움이 됩니다.
이 문서에서는 엔지니어와 구매자가 필요한 힘을 추정하는 방법을 설명합니다. 또한 안전 마진을 설정하는 방법도 설명합니다. 마지막으로 실제 생산에서 프레스 성능에 영향을 미치는 기타 기술적 요소를 검토합니다.
서보 프레스의 톤수 이해
기계를 선택하기 전에 톤수가 실제로 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다. 이 섹션에서는 톤수가 무엇을 의미하며 서보 프레스가 톤수를 어떻게 다르게 적용하는지에 대해 설명합니다.
톤수는 무엇을 의미합니까?
톤수는 킬로뉴턴(kN) 또는 미터톤 단위로 측정되며, 서보 프레스가 전달할 수 있는 최대 성형 또는 가압력을 정의합니다. 이는 부품을 성형, 결합 또는 변형할 때 프레스가 극복할 수 있는 저항의 양을 나타냅니다.
그러나 많은 구매자가 이 사양을 잘못 읽고 있습니다. 대부분의 프레스는 특정 스트로크 위치에서 기계의 최대 힘을 나타내는 공칭 톤수를 표시하는데, 이는 종종 하단 데드 센터(BDC) 근처에 표시됩니다. 이와는 대조적으로 작동력은 프레스가 사용 가능한 스트로크 범위 전체에서 유지할 수 있는 힘입니다.
예를 들어, 공칭 톤수가 20kN인 서보 프레스는 이동거리의 마지막 5% 내에서만 피크를 유지할 수 있습니다. 성형 공정에서 스트로크 초기에 최대 압력이 필요한 경우 유효 힘이 20~30%까지 떨어질 수 있습니다. 그렇기 때문에 엔지니어는 항상 스트로크의 어느 지점에서 정격 힘이 적용되는지 확인해야 합니다.
간단히 말해서, 톤수는 단순히 프레스가 '얼마나 강한지'만을 의미하는 것이 아니라, 그 힘이 동작 중에 어떻게 전달되는지를 의미합니다.
피크 부하 대 연속 부하
또 다른 일반적인 오해는 정격 톤수가 기계의 지속 가능한 용량과 같다고 가정하는 것입니다. 실제로 모든 서보 프레스에는 두 가지 한계가 있습니다:
- 최대 부하 - 단 몇 초 동안 최대 힘을 발휘할 수 있는 짧은 순간을 의미합니다.
- 연속 로드 - 시스템이 과열되거나 기계적 피로를 유발하지 않고 유지할 수 있는 정상 상태의 힘입니다.
예를 들어, 10kN 서보 프레스는 0.5초 동안 10kN을 유지하지만 연속적으로 6kN만 유지할 수 있습니다. 장기 체류 또는 성형 애플리케이션에 사용하는 경우 연속 정격을 초과하면 시간이 지남에 따라 모터 열 축적, 토크 저하 또는 정확도 손실이 발생할 수 있습니다.
서보 프레스는 프로그래밍이 가능하여 이러한 문제를 극복합니다. 포스 스트로크 제어. 컨트롤러는 필요할 때만 최대 출력을 적용하고, 접촉 전에 속도를 줄이며, 응력 완화를 위해 바닥에 부드럽게 머무를 수 있습니다. 이러한 정밀한 동작은 부품 일관성을 향상시킬 뿐만 아니라 금형 수명을 연장하고 에너지 소비를 줄입니다.
명목상 성능과 실제 성능
모델을 비교할 때 엔지니어는 각 제조업체가 "톤수 등급"을 정의하는 방식도 고려해야 합니다. 50kN 등급의 두 장비는 나사 직경, 구동 효율, 토크 대 힘 변환의 차이로 인해 실제 결과가 다를 수 있습니다.
실용적인 팁: 항상 프레스의 연속 작업 곡선 또는 힘 대 속도 차트를 요청하세요. 이러한 그래프는 다양한 스트로크 위치와 속도에서 기계가 제공할 수 있는 톤수를 보여주며, 실제 성능을 확인할 수 있는 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다.
필요한 톤수를 추정하는 단계별 방법
정확한 톤수 선택은 적절한 계산과 검증에서 시작됩니다. 다음 단계에 따라 프로세스에 실제로 필요한 힘을 추정하세요.
1. 프로세스 및 재료 매개변수 정의
작업마다 매우 다른 수준의 힘이 필요합니다. 가벼운 프레스 핏에는 몇 킬로뉴턴만 필요할 수 있지만, 작은 성형이나 코인 공정에는 수백 킬로뉴턴이 필요할 수 있습니다. 따라서 기본부터 시작하세요:
- 프로세스 유형: 작업이 꼭 맞는지 확인합니다, 형성, 코인, 리벳팅또는 씰링?
- 재료 특성: 항복 강도, 경도 및 연성은 저항이 발생하는 정도를 직접적으로 결정합니다.
- 기하학: 더 넓은 표면적, 더 날카로운 굴곡, 더 좁은 반경은 국부적인 하중을 증가시킵니다.
예를 들어, 알루미늄 6061(항복 강도 ≈ 150 MPa)은 동일한 형상에서 스테인리스강 304(≈ 300 MPa)의 절반의 톤수가 필요할 수 있습니다.
간단히 말해, 재료가 강하고 두꺼울수록 서보 프레스가 더 많은 톤을 처리해야 합니다.
2. 기본 힘 요구 사항 계산
재료와 작동을 알고 나면 이 단순화된 관계를 사용하여 필요한 힘을 추정할 수 있습니다:
F=k×A×σy
Where:
- F = 예상 힘(N)
- ㅏ = 접촉 또는 성형 면적(mm²)
- σy = 재료의 항복 강도(MPa)
- k = 공정 계수(일반적으로 마찰 및 부품 형상에 따라 0.7-1.2)
예시:
항복 강도가 350MPa이고 공정 계수가 1.0인 50mm × 50mm(면적 2,500mm²)의 스테인리스 강판을 성형하고 있습니다.
F=1.0×2,500×350=875,000N=875kN
따라서 이상적인 실험실 조건에서 최소 875kN의 공칭 힘을 낼 수 있는 프레스가 필요합니다.
그러나 실제 작업은 이상적인 경우가 드뭅니다. 특히 고속 성형 시에는 마찰, 부품 정렬 및 공구 표면 마감으로 인해 저항이 10~20%까지 증가할 수 있습니다. 이 값은 항상 최종 선택 지점이 아니라 최소 임계값으로 보는 것이 가장 좋습니다.
3. 현실적인 안전 마진 적용
정확한 계산을 하더라도 공구 마모, 정렬 불량, 온도 변동으로 인해 예기치 않게 힘 요구량이 증가할 수 있는 등 실제 상황의 변화는 불가피합니다. 그렇기 때문에 대부분의 엔지니어는 톤수 추정치에 20~30%의 안전 마진을 추가합니다.
위의 예(875kN)에서 조정된 범위는 1,050~1,150kN이 됩니다.
이 버퍼는 이를 보장합니다:
- 서보 모터는 과부하 한계 근처에서는 절대로 작동하지 않습니다.
- 볼 스크류와 프레임은 스트레스를 받아도 정밀도를 유지합니다.
- 열 축적은 연속 사용 등급 내에서 유지됩니다.
경험 법칙:
중요한 성형 또는 연속 생산의 경우, 균형 잡힌 성능과 수명을 위해 서보 프레스의 크기를 이론적 톤수의 1.25배로 설정하세요.
4. 테스트 프레싱 또는 디지털 시뮬레이션을 통한 검증
최신 서보 프레스 선택은 계산에서 멈추지 않아야 합니다. 실제 데이터가 최고의 검증입니다. 가능하면 로드셀 또는 토크 센서를 사용하여 시험 프레스를 수행하여 실제 힘 프로파일을 기록합니다. 측정된 힘 곡선을 계산된 값과 비교하여 성형 중에 스파이크나 이상 현상이 발생하는지 확인합니다.
또는 시뮬레이션 소프트웨어(예: DEFORM 또는 Simufact Forming)를 사용하여 힘-변위 곡선을 분석할 수 있습니다. 시뮬레이션은 최대 하중뿐만 아니라 힘이 상승, 안정화 및 해제되는 곡선의 모양도 파악합니다. 이를 이해하면 최적의 에너지 사용과 공구 수명을 위해 서보 프레스 모션 프로파일을 조정하는 데 도움이 됩니다.
이것이 중요한 이유:
단순한 숫자(예: 900kN)만으로는 모든 것을 알 수 없습니다. 스트로크를 따라 힘이 어떻게 발생하는지 파악하는 것이 성공적인 프레스 설정과 값비싼 시행착오를 구분하는 요소입니다.
5. 향후 프로세스 유연성 고려
생산에 여러 부품이나 진화하는 디자인이 포함되는 경우 추가 여유 공간을 확보하는 것이 현명합니다. 프로그래밍 가능한 모션이 있는 서보 프레스는 새로운 재료나 형상에 적응할 수 있지만, 그렇게 할 수 있는 힘의 용량이 있는 경우에만 가능합니다.
소형 서보 프레스(1~5톤)의 경우, 20~30%의 추가 힘 예비력을 확보하면 재투자 없이도 새로운 애플리케이션에 맞게 재구성할 수 있습니다. 이 접근 방식은 제품 주기 및 R&D 변경에 걸쳐 자본 자산을 유용하게 유지합니다.
올바른 톤수 선택에 영향을 미치는 요인
아무리 정확한 계산이라도 실제 변수를 놓칠 수 있습니다. 재료, 형상 및 생산 요소가 톤수 수요에 미치는 영향은 다음과 같습니다.
재료 특성
재료의 강도와 연성은 가장 먼저 고려해야 할 요소입니다. 더 단단하거나 연성이 낮은 금속은 더 많은 성형 압력이 필요한 반면, 구리나 알루미늄과 같이 부드러운 금속은 낮은 하중에서도 변형이 가능합니다.
예를 들어, 스테인리스강 304(항복강도 약 215MPa)를 성형하려면 동일한 두께에서 알루미늄 5052(항복강도 약 100MPa)의 약 2배의 힘이 필요합니다. 고강도 강철, 티타늄 및 니켈 합금의 경우 동일한 부품 형상에 대해 연강의 4배를 초과하는 더 많은 힘이 필요할 수 있습니다.
항복 강도 외에도 가공물 경화는 성형 중 하중을 증가시킵니다. 재료가 변형됨에 따라 스트로크의 후반 단계에서 저항이 급격히 증가하는데, 이때 서보 프레스는 속도와 토크를 실시간으로 조정하여 일정한 압력을 유지할 수 있는 탁월한 성능을 발휘합니다.
요컨대: 더 단단한 합금이나 정밀한 응용 분야로 작업할 때는 항상 공칭 강도뿐만 아니라 재료의 응력-변형률 곡선을 확인해야 합니다.
부품 형상 및 툴링 설계
지오메트리는 하중 분포를 극적으로 변화시킬 수 있습니다. 깊은 드로우, 리브, 엠보싱 또는 좁은 코너 반경은 작은 영역에 응력을 집중시켜 국부적인 압력을 증가시키고 결과적으로 필요한 총 톤수를 증가시킵니다. 구멍 배치나 플랜지 높이와 같은 작은 설계 세부 사항도 성형 저항을 10~20%까지 증가시킬 수 있습니다.
예를 들어, 평평한 100mm 패널은 간단한 로고를 엠보싱하는 데 5kN만 필요하지만, 3mm 깊이의 채널이 있는 동일한 패널은 마찰과 굽힘 변형으로 인해 25kN 이상이 필요할 수 있습니다.
툴링 디자인도 중요한 역할을 합니다:
- 리지드 다이 힘을 고르게 분배하고 낭비되는 에너지를 줄입니다.
- 유연하거나 얇은 금형 가해지는 힘의 일부를 흡수하여 성형 효율을 효과적으로 낮춥니다.
- 다이 정렬 2023년 정밀 성형 연구소 연구에 따르면 오정렬은 필요한 톤수를 최대 15%까지 증가시킬 수 있습니다.
서보 프레스는 프로그래밍 가능한 드웰 제어를 통해 이러한 변동을 보정합니다. 접촉 전에 스트로크를 늦추고 하단 데드 센터에서 일시 정지함으로써 엔지니어는 충격 부하를 방지하고 금형 수명을 연장하며 부품 품질을 유지할 수 있습니다.
스트로크 길이 및 누르는 속도
스트로크 프로파일과 누르는 속도 사이의 관계는 톤수 수요에 직접적인 영향을 미칩니다. 스트로크가 길어지면 서보 모터가 더 긴 이동 거리에서 토크를 유지해야 하고, 동작이 빨라지면 관성 및 일시적 부하가 증가합니다.
기존의 기계식 프레스는 쉽게 적응할 수 없지만 서보 프레스는 가능합니다. 소프트웨어 정의 모션 프로파일을 통해 가능합니다:
- 재료가 닿기 직전에 감속하여 충격 부하를 줄입니다.
- 일관성 형성을 위해 프로그램된 머무름을 유지합니다.
- 반환 속도를 조정하여 사이클 시간과 열 부하의 균형을 맞춥니다.
이는 프레스 모션 제어가 원시 톤수 용량만큼 중요한 이유를 보여줍니다.
주요 요점:
최대 힘으로만 프레스의 크기를 정하지 말고 의도한 스트로크 속도와 체류 시간 동안 해당 힘을 유지할 수 있는지 확인하세요.
생산량 및 듀티 사이클
아무리 강력한 프레스라도 연속 작동에 적합하지 않으면 성능이 저하될 수 있습니다. 모든 서보 모터에는 듀티 사이클이 있으며, 이는 활성 프레싱 시간과 냉각 또는 유휴 시간 사이의 비율입니다. 이 주기를 초과하면 열이 축적되고 토크가 감소하며 베어링과 나사가 장기적으로 마모됩니다.
예를 들어
- 5kN의 소형 프레스는 1초 동안 최대 부하를 처리할 수 있지만 3~4초의 휴식이 필요합니다.
- 생산 등급 100kN 서보 프레스는 적절한 열 관리를 통해 80%의 용량을 지속적으로 유지할 수 있습니다.
대용량 환경에서는 피크 부하보다 연속 부하 등급이 훨씬 더 중요합니다. 정격 톤수의 70-80%에서 작동하면 일관된 정확도를 보장하고 유지보수 빈도를 줄일 수 있습니다.
머신 사용률을 예측할 때는 다음 사항을 고려하세요:
- 주기 시간: 프로세스가 실행되는 분당 스트로크 수입니다.
- 체류 기간: 각 스트로크 동안 힘이 유지되는 시간입니다.
- 교대 근무 패턴: 하루 총 연속 운영 시간입니다.
이러한 측면을 무시하면 모터가 조기에 마모되거나 힘의 이동이 발생하여 시간이 지남에 따라 치수 안정성이 저하될 수 있습니다.
톤수 제어에서 서보 프레스의 장점
서보 기술은 힘 제어를 정밀 엔지니어링으로 전환합니다. 프로그래밍 가능한 모션과 피드백이 어떻게 일관되고 효율적인 프레싱을 보장하는지 알아보세요.
프로그래밍 가능한 포스-스트로크 커브
기존 기계식 프레스에서는 톤수 곡선이 크랭크 각도를 따릅니다. 최대 힘은 하단 데드 센터 근처에서만 사용할 수 있으므로 공정이 용지에 맞게 조정되어야 하며, 그 반대는 불가능합니다.
서보 프레스는 이 논리를 뒤집습니다. 직접 구동 서보 모터를 사용하여 엔지니어는 각 작업에 맞는 맞춤형 포스 스트로크 프로파일을 설계할 수 있습니다. 재료 접촉 전에 속도를 늦추고, 토크를 부드럽게 높이고, 바닥에 정확하게 머무르면서 내부 응력을 완화할 수 있습니다.
이러한 유연성 덕분에 하나의 서보 프레스로 다양한 재료 또는 깊이에 맞게 설정된 여러 개의 기계식 프레스를 대체할 수 있습니다.
실시간 피드백 및 프로세스 데이터
서보 시스템은 높은 샘플링 속도로 힘, 변위, 모터 토크를 지속적으로 모니터링합니다. 이를 통해 재료 두께나 금형 정렬의 변화와 같은 편차를 즉시 수정하는 실시간 피드백 루프가 생성됩니다.
엔지니어는 데이터 로깅 및 곡선 비교를 통해 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다:
- 결함을 유발하기 전에 이상 징후를 감지하세요.
- 점진적인 힘 드리프트를 기반으로 다이 마모를 추적합니다.
- ISO 9001 또는 IATF 16949 준수를 위해 추적성을 유지하세요.
실제로 이는 불량률이 줄어들고 품질 승인 속도가 빨라진다는 것을 의미합니다. 전자, 전기차 모듈, 정밀 센서와 같은 산업에서 이 데이터 기능은 서보 프레스를 기계적인 도구에서 디지털 생산 자산으로 전환하는 역할을 합니다.
에너지 효율 및 스마트 통합
서보 프레스는 압력을 지속적으로 유지하는 유압 시스템과 달리 힘을 생성할 때만 전력을 소비합니다. 따라서 본질적으로 에너지 효율이 더 높습니다.
또한 프로그래밍이 가능한 제어 기능으로 스마트 제조 환경과 호환되어 MES, SCADA 또는 인더스트리 4.0 데이터 레이어에 쉽게 연결할 수 있습니다. 이를 통해 예측 유지보수, 주기 모니터링, 부하 분석이 가능하므로 시설에서 가동 시간을 최적화하고 장비의 수명을 연장할 수 있습니다.
종종 간과되는 추가적인 기술적 요소
작은 엔지니어링 세부 사항이 프레스 성능을 좌우할 수 있습니다. 간과되는 이러한 요소들이 장기적인 정밀도와 기계 안정성을 결정하는 경우가 많습니다.
힘-변위 곡선 분석
실제 누르는 힘은 일정하지 않으며 스트로크를 통해 동적으로 변합니다. 힘-변위 곡선은 힘이 어떻게 형성되고, 정점에 도달하고, 해제되는지를 보여줍니다. 엔지니어는 이 곡선을 연구함으로써 다음과 같은 비효율성과 숨겨진 위험을 파악할 수 있습니다:
- 갑작스러운 스파이크는 윤활 불량 또는 다이 정렬 불량을 나타냅니다.
- 불규칙한 고원은 머티리얼이 경화되었거나 드웰 제어가 제대로 이루어지지 않았음을 의미합니다.
- 스프링백 영역은 잔류 스트레스 또는 탄력 회복을 나타냅니다.
이 데이터를 분석하면 프레스 모션 프로파일을 최적화하고 선택한 서보 모터 토크 곡선이 이론적 톤수뿐만 아니라 실제 공정 요구사항과 일치하는지 확인할 수 있습니다.
금형 및 고정구 강성
툴링 강성은 톤수 효율에 중요한 역할을 합니다. 다이 또는 픽스처가 하중을 받아 구부러지면 가해진 힘의 일부가 탄성 변형으로 흡수되어 성형 정밀도가 떨어집니다.
이를 최소화하기 위해
- 균형 잡힌 클램핑과 지지대를 사용하여 압력을 균일하게 유지하세요.
- 탄성 계수가 높은 공구강 재종을 선택합니다.
- 금형 설계 시 유한 요소 분석(FEA)을 통합하여 처짐 영역을 예측합니다.
이러한 개선으로 톤수 정확도가 향상될 뿐만 아니라 금형 수명과 반복성이 연장됩니다.
열 및 피로 성능
모든 서보 프레스에는 과열 없이 무한정 처리할 수 있는 부하를 지정하는 연속 듀티 등급이 있습니다. 장시간 최대 토크에 가깝게 작동하면 모터와 볼 스크류의 열이 증가하여 치수 편차가 발생하고 마모가 가속화됩니다.
연속 성형 또는 고속 작업의 경우, 엔지니어는 정격 톤수 70-80%에서 연속으로 작동하는 프레스를 선택해야 합니다. 이를 통해
- 안정적인 토크 출력.
- 온도 상승을 낮춥니다.
- 장시간 실행에도 일관된 정밀도를 유지합니다.
열 모니터링 및 강제 공기 냉각 시스템도 여러 교대 근무 환경에서 작동하는 프레스에 유용한 업그레이드입니다.
결론
서보 프레스에 적합한 톤수를 선택하는 것은 단순한 사양서의 숫자가 아니라 품질, 비용, 장비의 장기적인 수명에 영향을 미치는 엔지니어링 결정입니다. 서보 기술은 프로그래밍 가능한 제어, 에너지 효율성 및 디지털 피드백을 추가하여 제조업체가 더 정확하고 낭비를 줄이면서 성형, 접합 또는 프레스할 수 있는 기능을 제공합니다.
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자주 묻는 질문
톤을 킬로뉴턴(kN)으로 변환하려면 어떻게 해야 하나요?
1메트릭톤 = 9.81kN. 예를 들어 10톤 프레스는 약 98kN에 해당합니다.
톤수가 높으면 항상 좋은가요?
대형 프레스는 더 많은 에너지를 소비하고 힘 감도가 떨어집니다. 공정 요구 사항과 안전 마진을 충족하는 가장 작은 기계를 선택하십시오.
하나의 서보 프레스로 여러 애플리케이션을 처리할 수 있나요?
예. 프로그래밍 가능한 모션 제어를 통해 하나의 서보 프레스로 정격 용량 내에서 압입, 성형, 코이닝 등 다양한 작업을 수행할 수 있습니다.
피크 톤수와 연속 톤수의 차이점은 무엇인가요?
피크 톤수는 단기간 최대 부하를, 연속 톤수는 프레스가 무한정 유지할 수 있는 부하를 의미합니다. 구매하기 전에 항상 두 가지를 모두 확인하세요.
톤수 선택이 올바른지 확인하려면 어떻게 해야 하나요?
로드셀 테스트 또는 디지털 시뮬레이션을 사용하여 실제 성형력을 측정하세요. 최대 힘이 80% 미만으로 유지되고 평균이 정격 용량의 60% 미만이면 균형이 잘 잡힌 선택입니다.
안녕하세요, 저는 케빈 리입니다
지난 10년 동안 저는 다양한 형태의 판금 제작에 몰두해 왔으며 다양한 워크숍에서 얻은 경험에서 얻은 멋진 통찰력을 이곳에서 공유했습니다.
연락하세요
케빈 리
저는 레이저 절단, 굽힘, 용접 및 표면 처리 기술을 전문으로 하는 판금 제조 분야에서 10년 이상의 전문 경험을 갖고 있습니다. Shengen의 기술 이사로서 저는 복잡한 제조 문제를 해결하고 각 프로젝트에서 혁신과 품질을 주도하는 데 최선을 다하고 있습니다.
