Прессы – это производственные механизмы (станки, машины, установки), преобразующие энергию привода (электромеханическую, гидравлическую и др.) в полезную работу по деформации заготовки/детали с целью изменения ее габаритно-пространственных (иногда также и внутренних структурных) характеристик. Операции по изменению пространственной геометрии изделий – это плоская и объемная штамповка, вытягивание, выравнивание, чеканка, подрезка, рубка, гибка и множество других видов холодного и горячего формования деталей. Воздействие на внутреннюю структуру заготовки включает такие операции как ковка стальных заготовок для придания им особых прочностных свойств, спекание порошков металлов, полимеризация неметаллических материалов под воздействием повышенного давления и температур, а также другие операции.

Главной характеристикой пресса является его номинальное усилие давления на деталь. Этот параметр измеряется в тонносилах (часто для простоты обозначается как Т) или в килоньютонах (кН). Для быстрого пересчета между величинами можно пользоваться формулой 10кН=1Т.

Хотя большинство параметров прессов имеет интуитивно понятные «геометрические» наименования, имеется пара исключений, о которых следует упомянуть. «Закрытая высота» - это расстояние от настольной плиты до ползуна пресса в его нижнем положении при наибольшей величине хода (закрытая высота определяет максимальную высоту штампа). «Глубина зева» - это расстояние между осью ползуна и краем станины, этот параметр определяет, насколько глубоко деталь можно подать в рабочую зону.

Рабочий цикл пресса состоит из двух частей: прямого хода ползуна (в сторону детали) и обратного (возвратного) хода. В свою очередь, прямой ход подразделяется на 3 этапа: холостой ход, связанный с подходом к детали, рабочий ход (в это время собственно и производится полезная работа) и холостой ход, связанный с проталкиванием изделия и отходов. Суммарное время прямого и обратного ходов называется временем двойного хода; количество двойных ходов в минуту – это основная характеристика скорости работы любого пресса. Также важное значение имеют скорости прямого холостого хода, рабочего хода и обратного холостого хода.

В настоящее время в промышленном производстве наибольшее распространение получили прессы с электромеханическим приводом (кривошипные прессы) и гидравлическим приводом (гидравлические прессы). В обоих случаях преобразование энергии происходит по принципу рычага: малое усилие с большой линейной скоростью в приводном механизме преобразуется в большое усилие с невысокой линейной скоростью в исполняющем механизме. Для кривошипных прессов коэффициент такого преобразования определяется соотношением плеч рычагов, а для гидравлических прессов – соотношением рабочих сечений насоса и главного цилиндра.

Для ускорения хода кривошипных прессов на холостых участках применяются пневматические муфты, которые при своем срабатывании увеличивают передаточное число, тем самым ускоряя движение ползуна без нагрузки. У некоторых гидравлических прессов (листогибочных прессов, гильотинных ножниц и др.) обратный ход осуществляется за счет пневматического «аккумулятора» - сжатый газ быстро возвращает ползун в исходное верхнее положение.

Принцип аккумулятора в прессах используется не только для ускорения холостого хода, но и для увеличения полезной мощности при деформировании деталей (иными словами, для ускорения рабочего хода). Для этих целей в гидравлических прессах служат емкости с жидкостью под высоким давлением, которая подобно пружине накапливает в себе потенциальную энергию сжатия и высвобождает ее в нужный момент. У кривошипных прессов роль аккумулятора выполняют маховики, которые раскручиваются во время холостого хода и технологических простоев, а при включении сцепления отдают свою энергию ползуну. Маховики также нужны для стабилизации скорости движения механизмов и уверенного прохождения «мертвых» зон (зон, в которых кривошип находится в крайнем положении, и не воспринимает вращение от мотора). Использование аккумуляторов энергии в прессах позволяет выбирать приводные моторы меньшей установочной мощности, при этом экономить финансовые средства, а также равномерно потреблять энергию без создания перегрузок в электросети.

Безопасность работы и настройки прессов обеспечивается рядом приспособлений. Для предотвращения самопроизвольного опускания ползуна во время технологических пауз и регулировок используются механические замки-предохранители. Электрическая и гидравлическая системы снабжаются защитой от перегрузок. В противопожарных целях гидравлическая система может быть изолирована, помещена в нижнюю часть пресса, либо масло заменено на водно-эмульсионный раствор. Пуск осуществляется со спаренной кнопки, что обеспечивает занятость обеих рук оператора. Неподвижные и подвижные экраны, решетки, а также системы оптико-электронного контроля служат для гарантии безопасности людей, занятых в эксплуатации и обслуживании прессов.

Как гидравлические, так и кривошипные прессы бывают простого, двойного, тройного и автоматического действия. Под простым действием понимается выполнение одной операции (один ход ползуна - одна операция). Прессы двойного и тройного действия имеют два или три ползуна: первый, как правило, используется для зажима и предотвращения образования складок, второй - для полезной деформации, третий - для деформации в противоположном направлении, выталкивания или обрезки краев. Автоматические прессы работают по программе и могут выполнять операции до израсходования рабочих материалов, такие прессы часто интегрируются в поточные производственные линии.

Большое разнообразие конструкций прессов связано со следующими особенностями их строения:

• вертикальные и горизонтальные
• колонные (рамные одно- и двухстоечные)
• с неподвижной и подвижной станиной
• открытые и закрытые
• с верхним и нижним расположением привода
• одно- и многоцилиндровые
• одно- и многоплунжерные
• одно- и двухкривошипные. 

О наиболее распространенных модификациях современных прессов, применяющихся в производственных процессах, речь пойдет ниже.

Кривошипный пресс – это пресс, в котором вращение приводного электродвигателя через кривошипный механизм передается на ползун с закрепленным на нем инструментом. Инструментом как правило является штамп, нижняя часть которого (матрица) находится на рабочем столе, а верхняя (пуансон) - на ползуне. Наиболее часто кривошипные прессы используются для плоской и объемной, холодной и горячей, штамповки деталей или их резки, также с помощью кривошипных прессов выполняются операции вытяжки, подрубки, обрезки, чеканки, прессование порошков и разнообразные виды гибки.

Схем включения кривошипных механизмов существует достаточно много, у недорогих одно-кривошипных прессов наиболее часто встречается кривошипно-ползунная (рис. 1), пример функционально более сложной схемы, двух-кривошипной коленно-ползунной, приведен на рисунке 2.

У мощных прессов для более равномерного распределения нагрузки по станине и рабочему столу применяется два или более синхронно работающих кривошипа, это дает возможность увеличить линейные размеры штампа без потери в точности прилегания пуансона к матрице.

В общем случае привод кривошипного пресса состоит из электродвигателя, маховика, муфты сцепления, тормозного механизма и понижающей передачи, с помощью которой вращение передаётся на кривошипный вал. Электродвигатель раскручивает маховик, который большую часть времени накапливает энергию, а при включении муфты сцепления отдает ее ползуну. Некоторые кривошипные прессы оснащаются маховиками и шестеренчатой передачей значительной массы и размеров, эти элементы выносятся на боковые стороны пресса и накрываются кожухами. Более «продвинутые» модели кривошипных прессов обладают компактным приводом, элементы которого целиком находятся внутри станка.

Кривошипные прессы могут работать в режиме одиночных ходов (после одного полного хода муфта отключается), двигаясь толчками (многократное включение-отключение сцепления) или в автоматическом режиме (муфта постоянно включена). Главные технические параметры, характеризующие кривошипный пресс – его номинальное усилие, число двойных ходов (полных циклов) ползуна в минуту, длина хода ползуна, диапазон регулировки хода ползуна, размер подошвы ползуна, размер рабочего стола, открытая и закрытая высота, глубина зева.

Основные преимущества кривошипных прессов перед гидравлическими: относительно низкая цена, более высокая скорость работы, простота и ремонтопригодность.

Гидравлические прессы используют для создания давления на деталь усилие, продуцируемое давлением гидравлической жидкости на площадь сечения главного цилиндра (или цилиндров, если их несколько). Сила, с которой гидравлический пресс давит на деталь, определяется соотношением рабочих сечений насоса и главного цилиндра. Во сколько раз увеличивается сила, во столько же раз скорость движения плунжера меньше скорости нагнетания жидкости в гидронасосе, - поэтому для обеспечения большей скорости движения требуется более мощный гидропривод. Из этого следует, что гидравлические прессы имеют наибольшее преимущество там, где не требуется сверхбыстрых перемещений ползуна.

Преимущества гидравлических прессов:

• Возможность работы при «нулевой» скорости, т.е. создание статического усилия
• Долгий срок службы трущихся деталей, т.к. многие из них полностью погружены в масло
• Развиваемое усилие постоянно по всей длине хода плунжера
• Скорость перемещения плунжера плавно регулируется
• Закрытая и открытая высоты легко изменяются перемещением концевых датчиков
• Давление рабочей жидкости регламентировано параметрами гидронасоса, и нет принципиальной необходимости в дополнительной защите от перегрузок (в отдельных случаях все же такая защита устанавливается).

Для увеличения общей мощности и более равномерного распределения нагрузки по станине гидравлические прессы могут иметь многоплунжерное и/или многоцилиндровое исполнение.

Гидравлические прессы способны создавать высокое усилие при относительно небольшом энергопотреблении, в связи с этим их широко применяют для гибки, правки, вырубки, пакетирования, вытяжки, прессования порошков, сборочных операций запрессовки, а также для «традиционных» прессовых операций – штамповки и ковки.

Наиболее экономичная конструкция станины пресса – колонная. В такой конструкции колонны соединяют верхнюю и нижнюю поперечины. Колонн бывает две, четыре (это самый распространенный вид) или более. Легкость колонной конструкции обоснована тем, что колонны работают не на изгиб или сжатие, как в других типах станин, а на растяжение – это позволяет обойтись минимумом металла, равномерно распределить усилие давления по станине при обеспечении высокой точности перемещений. Для обработки компактных (не более рабочего стола) или вытянутых в одном измерении деталей 4-колонный пресс - идеальный вариант.

Принципиальная схема колонного гидравлического пресса приведена на рисунке справа. Для того, чтобы рабочий инструмент 10 произвел положительную работу над деталью 9, плунжер 6 толкается сжатой жидкостью (гидравлическое масло либо водно-эмульсионный раствор), подаваемой в главный цилиндр 5. Плунжер в свою очередь толкает подвижную поперечину 3, которая перемещается вдоль направляющих колонн 7, жестко соединяющих неподвижные верхнюю 1 и нижнюю 2 поперечины. Для возврата подвижной поперечины в исходное верхнее положение гидропривод переключается и начинает подавать жидкость в возвратные цилиндры 4, толкающие вверх плунжеры 8.

На сегодня четырехколонные гидравлические прессы широко применяются в самых различных отраслях промышленности, и по всей видимости они не утратят своей популярности в обозримом будущем.

Гидравлические прессы С-типа во многом идентичны четырехколонным гидравлическим прессам, описанным выше. Основное отличие, которое получило отражение в названии этого типа прессов – наличие C-образной (полукруглой или прямоугольной) станины.

У прессов С-типа доступ в рабочую зону возможен с трех сторон, поэтому на них можно обрабатывать детали относительно больших габаритов, чем на четырехколонных (лимит подачи детали обусловлен глубиной зева).

Во время работы на станину оказывается несимметричное усилие «на разгиб», которое приводит к перекосу в смыкании штампа. Для противодействия нагрузкам станина выполняется с большим поперечным сечением и, как следствие, имеет большую массу. Этот фактор неблаготворно сказывается на цене прессов с С-образной станиной, поэтому применение такой конструкции должно быть оправдано необходимостью работы с деталями, которые невозможно обработать на более дешевом 4-колонном прессе с таким же номинальным усилием.

Прессы гидравлические горизонтальные применяются в тех случаях, когда по каким-либо причинам вертикальное исполнение станка невозможно или невыгодно. Из этого следует, что горизонтальные прессы – это станки с довольно узкой специализацией (например, литье под давлением, брикетирование и пакетирование, сборочные операции, правка профилей и др.).

В данном разделе представлены прессы гидравлические горизонтальные, предназначенные для выравнивания стального профиля различных сечений.

В этом разделе размещены прессы горячие гидравлические, имеющие в своем составе электрические плиты, которые нагревают пасто- или порошко-образный рабочий материал, находящийся в пресс-форме (пластмассы, композиционные материалы, резина, керамика и др.). Воздействие на изделие оказывается не только давлением, но и температурой, в результате чего происходит спекание/полимеризация материала и его затвердевание в заданной форме.

Гидравлический привод, как уже говорилось выше, способен создавать статическое (неизменное во времени) усилие – это преимущество позволяет выдерживать детали под воздействием разных давлений и температур в течение срока, определяемого технологическими нормативами. Для контроля и программирования режимов используется числовое управление.

Гидравлические молоты применяются для ковки – пластического изменения объемной формы заготовки под воздействием одного или серии ударов молотом. Ковка, являясь одним из самых древних способов обработки металлов, может производиться с предварительным нагревом детали для достижения требуемой пластичности, либо без нагрева. Холодная ковка обеспечивает более точную геометрию и отсутствие поверхностных напряжений. По инструментарию различают два основных вида ковки, выполняемых на гидравлических молотах: открытая, без использования штампа, и закрытая, когда заготовка находится внутри матрицы, на которую сверху опускается пуансон. Закрытая ковка технологически более сложна, но зато дает более высокую точность обработки.

Гидравлические молоты в целом похожи на гидравлические прессы без учета одного «но». Для "обычных" гидравлических прессов задача, как правило, сводится к тому, чтобы "доставить" гидравлическую энергию в область деформации детали с акцентом на параметрах точности по вертикальной координате, скорости перемещения ползуна и силе давления. У гидравлических же молотов главным рабочим параметром является кинетическая энергия молота (бабы), что вполне закономерно, поскольку именно энергия удара определяет режим и возможности ковки.

На рисунке справа схематически представлена работа гидравлического молота. На 1-й стадии молот выведен в крайнее верхнее положение. Баба молота с закрепленным на ней пуансоном устремляется вниз под совместным воздействием силы тяжести и гидравлической энергии. На 2-й стадии происходит соударение пуансона и детали, находящейся в матрице, штамп смыкается. Полезная часть кинетической энергии бабы расходуется на изменение формы заготовки, остальная энергия рассеивается. Далее гидравлика возвращает молот в исходное положение.

Обработка деталей ковкой на гидравлических молотах обеспечивает следующие преимущества:

• Результирующие изделия обладают большой прочностью и живучестью
• Поскольку металл нагревается, но не плавится, как при литье, - зерновая структура металла почти не меняется
• Дизайн штампа позволяет воздействовать на зерновую структуру результирующей детали

• Контроль линий структуры металла при ковке позволяет создавать области особой устойчивости к деформациям (см рисунок справа)
• Ковка несколько приближает молекулы друг к другу, повышая износостойкость
• При ковке не нарушается равномерность распределения химических компонентов сплава.