Memilih Mesin Tekan yang Tepat: Panduan Ahli untuk Opsi Mekanis, Hidrolik, dan Servo

Teknologi mesin tekan — baik mekanis, hidrolik, atau servo — memainkan banyak peran

Ada pilihan dalam mesin tekan, yang merupakan hal yang baik. Debatnya bukan yang terbaik, tetapi yang tepat untuk pekerjaan yang ada. Ada tradeoff dalam biaya, fungsi dan kualitas antara jenis utama mesin tekan yang bisa dipilih.

Itu adalah debat yang ramah, dan kartu ada di meja untuk semua orang melihat.

Ulasan Cepat Teknologi

Menurut Stephanie Price, insinyur aplikasi senior di Promess Inc, Brighton, Mich., banyak orang di industri tidak sepenuhnya menghargai keuntungan teknologi mesin tekan servo. Sebaliknya, Mike Josefiak, insinyur mekanis di Greenerd Press & Machine, Nashua, N.H., memberikan alasan yang baik bahwa mesin tekan hidrolik adalah solusi terbaik untuk beberapa aplikasi. Dan Jim Landowski, vice president di Komatsu America Industries LLC berbasis Chicago, akan mengatakan bahwa masih ada situasi di mana mesin tekan mekanis tradisional masih baik.

Mesin tekan mekanis mengubah gerakan rotasi roda gila menjadi gerakan linear ram yang menekan workpiece. Seperti yang dijelaskan Landowski, Anda dapat "bayangkan lingkaran, dengan nol di atas dan 180 di bawah. Mesin tekan mekanis pergi dari nol melalui 180 dan kembali ke nol, atau 360, dalam satu gerakan berkelanjutan." Gerakan tidak memiliki gaya di atas dan gaya maksimum di bawah, sehingga "tergantung pada cetakan, Anda mungkin mulai mendorong bahan pada sekitar 160 derajat. Tetapi ketika mencapai 180, bagian selesai, karena slide Anda kembali ke atas."

Seperti yang dijelaskan Bob Southwell, executive vice president AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, sebagian besar mesin tekan servo adalah versi dari susunan yang sama, "kecuali Anda menggerakkan rangkaian penggerak mekanis dengan motor servo, alih-alih roda gila dengan mekanisme klem rem." Mesin tekan mekanis memiliki gerakan tetap dan kecepatan konstan. Namun "tambahkan motor servo padanya, dan sekarang Anda dapat memprogram profil gerakan. Anda dapat melambatkan, berhenti, melakukan restriking cepat, dan melakukan berbagai hal yang sebelumnya tidak mungkin dengan mesin tekan mekanis standar." Ada juga versi direct drive (motor servo ke ball screw), dengan karakteristik torsi yang lebih baik dari hybrida servo-mekanis.

Mesin tekan hidrolik menggabungkan serangkaian pompa, katup, dan selang untuk melibatkan ram dengan fluida tekanan. Sementara pendekatan ini memiliki keuntungan, mereka tidak termasuk jenis kontrol gerakan yang disebutkan di atas. Jadi mesin tekan servo menawarkan kemampuan tambahan dan menyelesaikan sejumlah masalah yang terjadi dengan mesin tekan mekanis atau hidrolik murni.

Bahan Baru, Tantangan Baru

Landowski mengamati bahwa ger menuju logam canggih yang disebabkan oleh ringkasan otomotif dan faktor lain mendorong permintaan mesin tekan servo. Seperti yang dikatakannya, "bayangkan baja sebagai cair, harus mengalir... Anda tidak bekerja pada bahan, Anda bekerja dengan bahan."

Bahan yang lebih keras memerlukan penyesuaian halus pada kecepatan ram agar "bahan mengalir dengan benar, atau sebaliknya akan seperti taffy dan mulai pecah." Misalnya, katanya, membentuk cangkir dalam logam keras mungkin memerlukan perlambatan dari 30 ke 15 IPM selama gerakan 3 inci (76,2 mm), pada tingkat perubahan yang tepat—dan mungkin bervariasi.

Hanya kontrol servo yang dapat mengelola ini, mengingat penyesuaian terjadi dalam milidetik.

Manfaat utama servo, kata Landowski, adalah fleksibilitas untuk bekerja dengan berbagai logam dengan menyesuaikan aliran bahan. "Itulah mengapa kami mengundang orang untuk mencoba berbagai opsi. Saya dapat membuat bagian yang baik atau buruk hanya dengan mengubah kecepatan slide."

Southwell setuju dan melaporkan bahwa tantangan bahan ini telah menghasilkan pangsa pasar mesin tekan servo sekitar 80 persen dalam manufaktur otomotif Amerika Utara. "Logam baja kekuatan tinggi dan kekuatan ultra tinggi serta aluminium jauh lebih sulit dibentuk dibandingkan bahan sepuluh hingga lima belas tahun yang lalu. Dan kemampuan servo untuk menyesuaikan profil pembentukan telah terbukti sangat bermanfaat bagi basis pelanggan."

Josefiak dari Greenerd setuju bahwa kontrol servo memiliki keuntungan dalam waktu respons dibandingkan hidrolik, di mana responsnya deden, namun katanya dia tidak "telah melihat banyak aplikasi di mana tingkat kontrol tersebut dalam profil gerakan secara material mempengaruhi apakah Anda membuat produk yang baik atau tidak. Tetapi dia mengakui bahwa "restriking adalah contoh fungsi hanya servo. Pergi ke bawah lalu restriking dalam sebatas detik bukan sesuatu yang dapat Anda lakukan dengan hidrolik."

Jika Anda tidak perlu mengontrol kecepatan, argued Landowski, Anda mungkin tidak perlu servo.

"Jika Anda membuat pelapis, misalnya, atau baut kecil atau semacamnya, Anda tidak akan melambatkan mesin tekan, Anda tidak akan mengontrol kecepatan. Anda ingin membuat sebanyak mungkin bagian, secepat mungkin." Itulah tempat mesin tekan mekanis bersinar, katanya. Itu juga tempat mesin tekan hidrolik paling tidak sesuai.

Kebaikan Servo dalam Assembly

Southwell menambahkan bahwa kemampuan mesin tekan servo untuk direprogram dengan mudah untuk bagian berbeda adalah faktor lain dalam keberhasilannya, bahkan di dunia otomotif volume tinggi.

"Sebagian besar sistem mesin tekan dirancang untuk menjalankan berbagai jenis bagian. Mereka akan menjalankan satu cetakan selama satu jam, menggantinya dan memindahkan cetakan lainnya. Hampir tidak ada yang menyiapkan satu mesin tekan dan hanya menjalankannya... Tidak mungkin mereka tetap kompetitif. Kami menjual banyak sistem ke OEM melalui Tier Ones dan Tier Twos untuk keluarga besar berbagai bagian atau set cetakan melalui satu mesin tekan."

Kebaikan mesin tekan servo jauh melampaui pemrograman yang mudah dan meluas ke dalam operasi assembly yang halus, kata Price dari Promess.

Melanjutkan contoh otomotif, Price menunjuk ke assembly selang pintu. Dia menjelaskan bahwa mesin tekan servo menawarkan presisi tinggi dan loop umpan balik inherent yang mampu memantau posisi dan gaya dengan ketat. Jadi, saat menekan selang bersama, Promess juga dapat mengukur resistensi yang dihasilkan pada sendi, sehingga mereka dapat memastikan bahwa pintu tidak terbuka terlalu mudah atau terlalu kaku sehingga tidak nyaman untuk pemilik mobil.

Kemampuan ini untuk mengaktifkan bagian yang bergerak dan mengukur gaya secara real-time juga memberikan peluang untuk melonggarkan toleransi bagian, sehingga menurunkan biaya komponen. Seperti yang dijelaskan Price, tanpa umpan balik selama assembly, para insinyur sering dipaksa merancang dan memproduksi dengan toleransi yang sangat ketat untuk memastikan bahwa bagian cocok dengan benar.

"Mereka menggunakan fakta bahwa mesin tekan mencapai kedalaman tertentu, dan berdasarkan toleransi ketat mereka, asumsi bahwa bagian dirakit dengan benar. Mereka tidak memiliki analisis tanda tangan untuk memverifikasi itu."

Dengan mesin tekan servo, mereka sebaliknya dapat melonggarkan toleransi dan memantau data selama proses assembly untuk menentukan bahwa apa yang telah mereka tekan bersama sebenarnya dipasang dengan benar. Price mengatakan kemampuan senssi bawaan mesin tekan servo mereka telah menghasilkan penurunan tingkat sisa hingga 50 persen dalam beberapa kasus.

Price juga menyarankan bahwa jika aplikasi membutuhkan senssi tambahan (di luar umpan balik dari motor servo), mudah untuk diintegrasikan dengan sistem mereka.

"Kami memiliki pelanggan yang menggunakan sepuluh atau sepuluh transducer tekanan yang berbeda, atau transducer posisi, atau sel beban eksternal. Kami dapat menerima semua informasi tersebut untuk memahami apa yang terjadi dalam proses," katanya. "Dan kami dapat bereaksi terhadap itu selama proses. Dan karena semuanya listrik, sangat mudah untuk menyiapkan. Cukup colokkan transducer ke kondisi sinyal digital. Kontroler kemudian dapat menerima sinyal tersebut dan menggunakannya untuk membuat penentuan."

Mesin Tekan, Kontrol dan Tradeoff

Mesin tekan hidrolik tidak buta di bidang ini. Josefiak mengatakan ada pengontrol gerakan yang didedikasikan untuk sistem hidrolik dengan "waktu scan yang sangat cepat yang melihat tekanan di kedua sisi aktuator hidrolik. Dan kemudian menggunakan transducer tekanan respons cepat, kami dapat menunjukkan gaya aktual yang diterapkan pada pekerjaan." Sistem seperti itu memperbarui pengukuran gaya dalam waktu kurang dari satu milidetik. Dalam pendapatnya, aplikasi yang memerlukan pengukuran gaya yang lebih cepat adalah "jarang."

Menurut Southwell, mesin tekan servo jauh lebih baik daripada mesin tekan hidrolik dalam membuat bagian kompleks yang memerlukan serangkaian cetakan. Tahun lalu ini akan dilakukan dengan memindahkan bagian secara manual dari mesin tekan ke mesin tekan, katanya. Namun sekarang "satu-satunya cara untuk bersaing" adalah memindahkan bagian secara mekanis dari tahap ke tahap dalam satu mesin tekan. Namun "saat Anda menggunakan beberapa stasiun untuk membuat bagian, ada beban tidak terpusat, yang sangat merugikan rangkaian penggerak hidrolik."

Josefiak membantah bahwa "beban tidak terpusat merugikan sistem mekanis dan hidrolik. Keduanya menangani beban tidak terpusat ini dengan konstruksi dan pemandu yang sesuai dari kerangka baja. Kami memiliki sistem yang menggunakan beberapa silinder hidrolik untuk memungkinkan beban tidak terpusat yang jauh lebih besar daripada mesin tekan servo-mekanis standar."

Ada juga beberapa kontroversi tentang aplikasi yang memerlukan penggunaan minyak grade makanan sebagai pelumas. Landowski melaporkan bahwa "beberapa pelanggan telah beralih dari hidrolik ke mesin tekan servo-mekanis sepenuhnya karena silinder yang bocor dan gib slide yang menetes ke bahan. Semua bagian perlu dibersihkan setelah dibentuk untuk menghilangkan kontaminasi apa pun yang mungkin. Pelanggan juga telah memberitahu kami bahwa membersihkan pelumas grade makanan lebih murah daripada non-grade makanan karena peraturan FDA atau EPA."

Josefiak mengatakan mereka telah memenuhi standar keamanan medis dan makanan pada sejumlah proyek "dengan memodifikasi pengapian mesin tekan mereka untuk menggunakan minyak grade makanan alih-alih minyak industri standar." Sedangkan Landowski menyatakan bahwa mesin tekan servo standar off-the-shelf mereka tidak memerlukan modifikasi apa pun, "hanya minyak grade makanan untuk penggerak mesin tekan dan pelumas slide." Satu pelanggan "membuat stopper karet untuk tabung uji. Setiap gerakan mesin tekan menghasilkan 65 hingga 75 stopper karet, dan pelumas non-grade makanan akan membuat proses ini tidak valid."

Hidrolik Menguasai Deep-Draw

Menurut Southwell, "keuntungan mesin tekan hidrolik adalah Anda memiliki kapasitas tonase atau gaya penuh selama seluruh gerakan. Jadi, jika itu mesin tekan 200 ton dan Anda memiliki gerakan dua belas inci, Anda dapat memberikan tekanan 200 ton selama seluruh gerakan tersebut. Dengan mesin tekan servo yang memiliki rangkaian penggerak eksentrik mekanis yang sama dengan mesin tekan mekanis asli, ada roda gigi, crank shaft atau sentric shaft, dan center gear drive. Ada kurva tonase atau torsi, dan gaya yang dapat Anda terapkan bervariasi tergantung pada sudut sumbu motor dari bawah." Ini bukan kasus untuk mesin tekan servo direct drive seperti yang dibuat oleh Promess, tetapi sistem ini menjadi sangat mahal seiring peningkatan tonase. Promess mencapai maksimal 1 MN (~100 ton) dalam satu silinder, misalnya.

Kemampuan untuk menerapkan gaya penuh selama seluruh gerakan membuat mesin tekan hidrolik sempurna untuk aplikasi deep-draw, dan Josefiak berani mengatakan ini adalah "satu-satunya opsi yang benar-benar masuk akal."

Salah satu contoh terbaru yang disebutkan adalah proyek untuk menghasilkan "tangki tekan yang relatif besar. Kami menginstal sistem otomatis yang memuat blank datar besar ke dalam mesin tekan deep-draw yang memiliki gerakan kerja lima kaki." Sistem ini memiliki beberapa operasi, katanya. Pertama menggunakan mesin tekan 170 Ton untuk menggambar dua separuh tangki. Ini diikuti oleh mesin tekan otomatis dan pemotongan serta pengelasan downstream. Kunci di sini, kata Josefiak, adalah bahwa gerakan kerja seperti itu "bukan sesuatu yang mudah direplikasi dengan mesin tekan servo. Jadi deep-draw adalah area di mana hidrolik masih mendominasi. Dan itu melintasi banyak industri. Ini lebih banyak tentang proses daripada industri."

Josefiak mengatakan hidrolik juga "sangat baik dalam situasi dengan waktu siklus yang sangat lama, di mana kami dapat mengelola konsumsi daya sangat rendah dengan tekanan konstan di seluruh area tempat tidur dan relatif murah dari sudut biaya modal. Compression molding menawarkan contoh utama. "Biasanya, compression molding akan menjadi kombinasi waktu, suhu dan tekanan yang membentuk bahan menjadi bentuk," dijelaskan Josefiak. Mesin tekan akan memegang bahan relatif tipis terhadap cetakan positif atau negatif di bawah tekanan. "Durasi bisa sempendek lima detik, atau selamadalam dua jam. Dan sangat sering... kami mencoba mempertahankan suhu plat konstan di seluruh area kerja dari sekitar 300 hingga 700 derajat, dan mencoba mengontrol tekanan yang sangat konsisten di seluruh area kerja." Ini memastikan bahan yang dibentuk seragam di seluruhnya. Teknik ini digunakan untuk hal-hal seperti pelapis ranjang otomotif (termasuk pelapis komposit baru) dan kepala otomotif yang terbuat dari bahan mirip karpet. Contoh lain yang disebutkan adalah "kompaksi bubuk untuk membuat roda gerinda aluminium oksida."

Pertimbangan Biaya

Secara luas, investasi modal untuk mesin tekan servo melebihi mesin tekan mekanis atau hidrolik tradisional. Namun ada biaya operasional dan faktor terkait yang perlu dipertimbangkan yang membuat perbandingan ini hampir tidak berguna. Lebih dari itu, tidak semua mesin tekan dari jenis yang sama sama, bahkan untuk rating tonase/torsi yang sama.

Mari kita mulai dengan konsumsi energi. Mesin tekan hidrolik harus mempertahankan tekanan di saluran untuk menggerakkan ram pada permintaan, dan itu berarti menjalankan pompa melalui siklus. Itu membandingkan tidak menguntungkan dengan mesin tekan servo, yang hanya menggunakan listrik saat ram bergerak. Menurut Landowski, itu menghasilkan penghematan daya sekitar "50 persen dengan mesin tekan servo, tergantung pada ukuran mesin." Price merujuk pada studi dari Universitas Kassel, yang menemukan mesin tekan servo memiliki efisiensi konversi energi 90 persen, versus 57 persen untuk sistem hidrolik yang sebanding. Southwell mengatakan Honda telah mempelajari sistem mereka sendiri dan menerbitkan temukan bahwa mesin tekan servo memberikan penghematan konsumsi daya aktual 30 persen.

Southwell juga menunjukkan bahwa beberapa mesin tekan AIDA menggunakan "sistem manajemen energi 100 persen berbasis kapasitor." Ini menyimpan energi kerja yang diperlukan dalam kapasitor, yang diisi ulang selama bagian non-kerja dari gerakan. Ini "secara signifikan mengurangi beban puncak," katanya, dibandingkan dengan mesin tekan mekanis atau hidrolik, yang memiliki "lonjakan besar saat mereka pertama kali terlibat." Konsumsi arus AIDA "cukup rata. Jadi aliran puncak aktual Anda mungkin hanya 20 hingga 30 persen dari beban puncak sistem mekanis atau hidrolik. Itu krusial, karena perusahaan listrik harus menyesuaikan jumlah listrik yang mereka sampaikan ke pelanggan berdasarkan beban puncak."

Josefiak membantah bahwa dalam lingkungan produksi tinggi, hampir tidak ada waktu idle, jadi "tidak terlalu penting" bahwa pompa hidrolik berjalan terus-menerus. Dan "di sistem di mana kami memiliki waktu idle lama 10 menit atau lebih, kami dapat menginstal kontrol motor 'soft start' yang mematikan motor untuk menghemat energi." Menariknya, meskipun opsi ini hanya menambahkan 2 persen hingga 3 persen dari biaya sistem, Josefiak melaporkan bahwa tidak pernah ada permintaan yang kuat untuknya. Dia menambahkan bahwa beralih dari pompa perpindahan tetap ke pompa perpindahan variabel juga dapat "secara dramatis menurunkan konsumsi daya idle kami." Namun itu juga opsi yang belum menjadi norma di AS.

Dengan semua pompa, katup, pipa dan selangnya, teknologi hidrolik sering dikritik karena lebih kompleks dan lebih intensif perawatan daripada sistem berbasis servo. Price mengatakan mesin tekan servo mereka tidak memerlukan lebih dari pelumasan bola screw dua kali setahun—dan bahkan itu sangat hati-hati. Sebaliknya, biarkan saluran hidrolik di bawah tekanan tinggi selama bulan-bulan, melalui siklus demi siklus, dan lebih cepat atau kemudian sesuatu pasti akan bocor atau sub-komponen pasti akan gagal. Argumen baliknya, kata Josefiak, adalah "tidak ada yang menggunakan fitting NPT lagi. Ada berbagai segel logam-ke-logam dan gaya O-ring, yang dibuat dengan bahan yang lebih baik, yang telah melakukan pekerjaan yang jauh lebih baik dalam mengontrol kebocoran." Plus, katanya, komponen individu relatif murah dan mudah diperbaiki, sementara "melakukan perbaikan pada sistem servo secara dramatis lebih mahal."

Titik terakhir ini membawa kita ke topik menyesuaikan komponen dengan benar untuk pekerjaan. Benar bahwa jika Anda membakar motor servo dalam beberapa tahun Anda akan menghadapi tagihan perbaikan besar. Tetapi Price mengatakan sistem mereka rutin berjalan selama 20 tahun tanpa kegagalan semacam itu, karena mereka dirancang dengan faktor keselamatan 2,5 kali. Drive disesuaikan untuk berjalan pada arus kontinu motor servo, bukan puncak, sehingga mesin tekan dapat memegang bagian selama waktu yang lama tanpa terlalu panas dan gagal.

Demikian pula, ballscrew akan memiliki kapasitas beban dinamis 2,5 kali rating gaya mesin tekan. Misalnya, ballscrew dalam mesin tekan Promess 40-kN memiliki kapasitas beban dinamis 134 kN dan kapasitas beban statis 320 kN. Price mengatakan sistem seperti itu dapat diharapkan bekerja tanpa kegagalan selama 22 tahun lebih saat menjalankan pekerjaan dengan gaya rata-rata 30 kN, dengan 16 siklus/menit selama 14 jam/hari. Bandingkan dengan hanya 32 minggu untuk ballscrew yang dirating pada 40 kN beban dinamis; bahkan pada rating 80 kN, sistem akan bertahan kurang dari lima tahun.