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冲压成形机械力产生方法的选择冲压成形机械力产生方法的选择
摘要
环境因素在当今的商业中变得越来越重要。 在包装行业，这对基于纤维的包装解决方案提出了更高的需求，该解决方案为油基材料提供了一种可再生和环保的替代品。 其中一种材料是纸板，例如由纸板制成的托盘可以替代传统用于食品包装的塑料托盘。 现在需要具有成本效益的小型机器。 在这项研究中，目标是确定在紧凑纸板托盘压机中产生所需力量的最佳方法。 本文使用评分表分析和SWOT分析研究了两种不同的力量创造方法。
结果表明，与液压系统相比，电动执行器系统具有几个关键特性，使其具有明显的优势，包括高生产力，精度和成本效益。
1.介绍
由于对环境可持续产品的需求增加，对纸板包装机器的需求正变得越来越重要。特别是在食品包装行业，当涉及环保可持续和可回收产品时，纸板是使用最广泛的材料。 [1]由于它的材料特性，它可以用作一级，二级或三级包装。包装可以有许多不同的形状和形式，如袋子，盒子，罐子，纸盒，复合杯，折叠纸盒和包装。 [2] 2016年柔性纸和纸板的综合使用估计价值290,085.00百万美元。 [3]
通常，用于生产纸板托盘的最普通方法是压制成形。其他方法包括深冲压和液压成形，这些方法没有像冲压成形那样广泛使用。早些时候已经指出，冲压成形过程必须精确控制，以达到令人满意的成形产品质量[4-7]。目前，工业上用于制造纸板托盘的机器缺乏所需的可调节性水平。因此，对机器的高要求同时具有成本效益并且满足生产满足期望质量的最终产品所需的所有特性。
在深拉伸过程中，纸板由刚性工具和压缩件形成。 [8]。根据Hauptmann等人。 （2016）为了获得更好的分布和可控性的皱纹，发现压边力和热能对材料影响最大。
在液压成形过程中，纸板被挤压膨胀流体的膜压在阴模上。这个过程的好处是最终产品具有良好的表面特性和高视觉质量[9]。
根据以前的研究[5,10]，已经发现为了达到令人满意的成形产品质量，压力必须超过100kN，而温度高于130摄氏度。这种力/温度组合允许纸板拉伸并获得所需的形状。在冲压成形中，预先切割和折皱的可能聚合物涂布的纸板坯放置在成形模之间，成形模压在一起形成所需形状的盘，如图1所示。盘角的折叠由由轮缘工具（压边圈）施加的压边力。在可能的聚合物涂层软化时，将阳模保持在冲程的底端一段时间（停留时间），并且将托盘角部的折痕密封在一起。同时，托盘的凸缘通过轮圈工具施加的较大力（最大150kN）变平。最后，成形的托盘被移除，并且可以将新的坯料送入托盘压机。[11]
图1.压制纸板托盘。 BHF表示坯料夹持力。[11]
与塑料相比，纸板的好处是多种多样的，但最重要的是能够在没有对自然做出重大努力或影响的情况下进行处理。 另一方面，包装的外观对顾客在零售店中选择产品的决定起着重要作用。 纸板托盘上可以有各种不同的图形设计。 在下面的图2中，展示了纸板托盘的一些各种不同的形状和图形设计。
图2.各种不同的纸板托盘和图形设计。
市场上的工业级机器通常会生产出大量所需产品。这使得机器规模巨大，投资成本高，使得它们不可用，或者为小型生产商提供高风险投资。增加机器价格的主要组件来自以下部门：
bull;机器如何可调整和多功能？
bull;什么样的机械解决方案产生这些力量？
bull;生产所需的速度是多少？
所需的力量可以用两种主要使用的方法生产。在过去的十年中，如果需要大力生产（超过100千牛），液压系统就没有重要的选择。然而，现代电动执行器系统提供了出色的多功能性和可控性，并且能够产生所需的力。这种力也可以用传统的液压执行机构来生产，这种液压执行机构可以提供大量的力量和速度，并被广泛用于许多工业应用。多年来液压系统也得到了改进，并且获得了越来越多的可控性。
在本文中，正在研究两种现代机械执行器系统的优缺点，然后为机器选择最佳解决方案。这些问题都与机械压力机产生压力的方式有关。此外，用不同系统制造的产品进行比较，指出现代制造技术可以实现的关键差异。
2.方法
用SWOT分析和分数表分析分析了纸板托盘生产中常用的不同类型的执行器。关键的想法是精确定位冲压成型机的主要机械解决方案，从而以足够的精度获得所需的力，以满足所需的规格要求。
在SWOT分析中，力量生产系统在包括优势，劣势，机遇和威胁在内的四个横截面区域中呈现和观察。为了从分析中获得可靠的数据，必须仔细填写和研究这些部分中的每一部分。
在分数表分析方法中，必须首先识别关键特征。通常需要观察的关键特征数量从五点到十二点。低于五分会使分析过于狭窄，高于十二分则意味着关键特征只有微小的影响。关键特征也代表了作为乘数的一定比例的效应。意思是所有关键特征百分比的总和必须始终为100％。当关键特征用一个数字例如1-5或1-10进行评估时，其中1是不好的，10是最好的。然后给定的数字乘以效果的百分比。最后，这些现在获得的数字显示了该机器可能的最佳执行机构。数字越高，执行器类型越好越适合。
在本文中，分数表分析仅适用于之前选择用于机器的特定液压元件。同样的规则也适用于为了获得机器所需特征而选择的电子元件。
这两种执行器类型在SWOT分析中得到了进一步分析，因此可以考虑更多的因素来加深对这两种执行器类型差异的洞察力。电动执行器系统是齿轮齿条式齿轮箱，带有同步伺服电机（Knouml;dlerZS 201.3-C和Beckhoff AM8073），最大力量为200 kN，最大线速度为400 mm / s。液压系统有一个300
液压油箱和直线缸（力士乐A10VSO71和HSB-100x60x300-PKP），最大力量为150 kN，最大线速度为200 mm / s。
3.结果
在下面的得分表中，两个主要用于产生按压力的解决方案正在使用得分表分析进行分析。 这种分析的问题在于，由于液压元件出现各种各样的价格和用途，部分信息必须被忽略。
|
表1.执行器选项的分数表分析 |
|||||||
|
分数表 |
1 = 不良的 |
5= 完美的 |
|||||
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百分比重 |
20 |
15 |
20 |
10 |
5 |
30 |
100 |
|
总和 |
|||||||
|
可调节度 |
复杂程度 |
保养 |
能源消耗 |
尺寸 |
价格 |
(加权) |
|
|
电动执行器 |
4 |
4 |
4 |
5 |
5 |
3 |
3,85 |
|
液压执行器 |
3 |
2 |
3 |
3 |
4 |
2 |
2,6 |
为了达到与电动执行机构相同的速度，行程和力的长度，液压执行机构需要更多数量的部件和部件。 下面是一个小列表，如果使用液压执行器构造新设计的机械压力机将需要什么。
另外，在选择电动执行机构时，重要的是要考虑到执行机构的成本与图3所示的下图相关。在图中，三个关键属性彼此相互排除。
图3.电动执行器确定价格的三个关键属性。
例如，如果执行器需要以最大的力量尽可能快地工作，那么它可能产生的行程距离非常有限。 解决这个限制的方法是使用计算机辅助控制系统。 因此，执行机构首先达到其最大距离的大约70％以上，最大速度gt; 80％，最小力和大约最后lt;30％的距离，最大强度gt; 80％，速度最小。
两个执行器系统的SWOT分析结果在下面的图4和图5中给出。在这两个图中，这两个执行器之间的关键区别清晰地显示出来。 这些功能在本文的分析部分中进一步打开。
图4。 SWOT分析液压执行器系统
图5.电动执行器系统的SWOT分析。
4.分析和讨论
在本章中，评分表结果和SWOT分析进一步分析和解释，以澄清给定的分数和结果。
4.1分数表分析
如表1所示，电动执行机构几乎在每个领域都超过液压执行机构。可调整性评分基于这样的事实：电动执行机构的运动精度可以调整到0.01mm，而具有给定组件的液压执行机构只能达到gt; 1mm的运动精度。此外，电动执行器的速度超过液压执行器的150％，即400mm / s。
复杂性评分基于需要操作和安装到机器中的各种不同组件，以实现所需的性能。使用电动执行机构时，系统中不同部件的数量明显少于液压系统。液压执行机构还需要高压泵，阀门和过滤器以及300升优质液压油。
维护评分直接来自维护的需求，维护受系统中组件数量的强烈影响。需要更多的组件来维护更多。但是必须注意的是，一些液压组件实际上降低了维护成本。更换堵塞的过滤器比断开的控制阀甚至整个气缸更便宜。当质量组件用于稳定系统性能时，维护之间的时间也会迅速增加。
能源消耗是基于这样一个事实，即根据两个系统的制造商的工作需要系统需要多少电力。电动执行器所需的电力比液压版本少10-15％。液压系统的一个缺点是即使在不需要生产力的情况下也需要系统具有恒定的压力。
尺寸也选择分析功能之一，因为机器的想法是紧凑的尺寸，最大的效率和多功能性。因此执行器的尺寸决定了机器的整体尺寸。根据供应商的说法，电动执行器系统的尺寸远远小于液压系统。其中一个原因是液压执行机构在其周围有一个隔音框架，以尽量减少来自液压泵的声音干扰。电动执行机构和相关部件比液压系统需要大约40％的空间。
电动执行器系统的价格低于传统液压系统的价格。主要原因是为了从液压系统获得所需的精度而需要的复杂结构。这导致了复杂的结构和大量的阀门，过滤器和手段，以保持油压平稳和清洁。
如前所述，整个投资在两个可能的系统中几乎同样高。但由于电动执行器解决方案的结构相当简单并且精度更高，所以液压方案不能被视为新型机械压力机的现实选择。更少的零件意味着更少的空间需求，这意味着更紧凑的机器，最终成为这台新型现代化机械压机设计目标的一部分。
4.2 SWOT分析
在SWOT分析中，这两个系统在所有四个领域都有自己的特点;优势，劣势，机会和威胁。在下面的章节中，对液压系统和电动执行器系统分别对这些领域进行进一步检查。
4.2.1优势
在液压执行器系统中，优势来自液压系统的可修改性，因为如果需要它可以相当快地改变。按照相同的标准，液压元件大体上是相同的，并且它们很大程度上可用。它们可以相对自由地使用，并且可以组合来自不同生产商的组件。液压系统的关键特征之一是能够以相对简单的结构产生大量的力。随着强大的生产能力，液压系统可以在必要时过载。液压系统的最后一个优势来自于基本部件的低价格。
电动执行器系统具有广泛的优势。这种口径的电动执行器是新技术和现代技术，这一事实可以看作是实力。该系统的另一个优势是其能源效率和低能耗。致动器系统最重要的特征之一是可调性。电动执行机构可以调整以达到0.01mm的运动。这个分析中指出的最后一个优势就是规模。由于电动执行器系统的体积小，与液压执行器系统相比，机器的整体尺寸较小。由于电动执行机构可用于食品或医疗包装生产，因此必须达到较高的卫生水平。
4.2.2弱点
当观察到这两个系统的弱点时，可以发现几个不同之处。在液压执行器系统中，不同组的阀门，管道，过滤器和泵的结构可使结构相当复杂。当液压系统的精度提高时会出现这种复杂性。这随后影响液压系统的大小。液压系统已经使用了数十年，技术相当陈旧，可以被看作是一种弱点和力量。因此它也存在大声（gt; 80dB）的弱点并且消耗大量能量和效率差。由于液压系统总是有某种形式的泄漏，因此缺乏食品和医疗包装生产所需的卫生方面的要求。
由于电动执行器系统是一种现代化的解决方案，因此它们的结构并不为人所知，而且可能非常复杂。这直接影响到市场上供应商的数量和系统的首次投资成本。电动执行机构的另一个弱点是几乎不可能组合来自不同供应商的组件。这会影响削减备件成本的能力。
4.2.3机会
在机会部分，液压系统提供了多种构造方式。这完全取决于系统如何操作;准确性，速度，力量和可调整性。只要压力足够，扩展系统的可能性
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