Best Practices für die Presse

Bei dieser Anwendung wird vor dem Einsetzen des Stifts eine Kolbenbaugruppe in die Vorrichtung geladen. Distanzblöcke auf der rechten Seite ermöglichen verschiedene Kolbenhöhen und -größen. Foto mit freundlicher Genehmigung von BalTec Corp.

Das Einpressen wird für kleine und große Teile verwendet. Hierbei werden Stehbolzen in eine Radnabe eines Gabelstaplers eingesetzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von FEC Automation Systems

Automobilhersteller nutzen häufig die Einpressmontage. Diese Einheit presst ein Bauteil in eine Bremsscheibe. Foto mit freundlicher Genehmigung von Kistler Instrument Corp.

In der Fertigung sind eiserne Erfolgsrezepte schwer zu finden. Dies ist besonders relevant für die Presspassung, ein Verfahren, bei dem ein Teil mit einem einzigen schnellen Hub (1 bis 2 Sekunden) fest in ein Loch in einem anderen Teil eingesetzt wird. Konstrukteure verwenden viele Formeln, um die erforderliche Kraft und die damit verbundenen Drücke und Spannungen für jede Presspassungsanwendung abzuschätzen. Diese Berechnungen können jedoch niemals reale Labortests oder Versuche und Irrtümer in der Produktionslinie ersetzen.

„Formeln können einen Ausgangspunkt im Prozess der Konstruktion von Teilen zum Einpressen bieten, sie berücksichtigen jedoch nicht die vielen Variablen, die während der Montage eine Rolle spielen“, sagt Chuck Rupprecht, General Manager bei BalTec Corp. „Faktoren wie Uneinheitliche Materialqualität, unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit und Umgebungsfeuchtigkeit können zu falschen Berechnungen führen. Die Wahrheit ist, dass Sie tatsächliche Teile installieren müssen, um die richtigen Material- und Kraftanforderungen für eine Anwendung zu ermitteln.“

BalTec bietet mehrere manuelle, pneumatische und hydropneumatische Pressen zum Pressen an. Zu den Kunden zählen Automobil-, Medizin- und andere Industriehersteller wie Hersteller von HVAC-Komponenten. Ein letzteres Unternehmen hat BalTec kürzlich gebeten, zwei DA-850-Pneumatikpressen so anzupassen, dass sie Stifte in 40 Kolben unterschiedlicher Höhe einpressen können, um HVAC-Kompressoren zu überholen.

Jede direkt wirkende Presse verfügt über einen Stößel, der eine Kraft von bis zu 8,5 Kilonewton und einen Hub von bis zu 80 Millimetern erzeugt. Das obere Werkzeug der Presse ist in der Lage, Stifte in Kolben aller Höhen einzusetzen, während die Vorrichtung über Schnellwechsel-Distanzblöcke verfügt, die Höhenunterschiede berücksichtigen. Eine pneumatische Klemmvorrichtung sichert den Kolben beim Einsetzen des Stifts. Die Kraft- und Wegüberwachung löst eine akustische und visuelle Meldung aus, um anzuzeigen, ob der spezifische Prozess in Ordnung ist oder nicht.

Kolben eignen sich gut für die Presspassung, ebenso wie viele andere Arten von Teilen: Lager, Rotoren, Zahnräder, Wellenringe und Buchsen. Die Hauptgründe, warum Hersteller dieses Verfahren bevorzugen, sind, dass es einfach und relativ kostengünstig ist. Die Attraktivität des Press-Fit-Verfahrens wird dadurch weiter erhöht, dass es mit verschiedenen Arten von Pressen an Teilen unterschiedlicher Form, Größe und Material durchgeführt werden kann.

„Wenn Ingenieure ein Teil für den Presssitz entwerfen, müssen sie sich auf eine Frage konzentrieren: Welche Funktion hat das Teil in der Baugruppe?“ sagt Hiroyuki Natsume, Leiter des Systems-Teams der IPC-Abteilung bei Kistler Instrument Corp. „Diese Frage muss in jedem Aspekt des Teiledesigns betont werden, unabhängig davon, ob die Baugruppe einfach oder komplex ist.“

Der erste Designfaktor ist die Größe. Bei der Presspassung wird ein Teil eingesetzt, das etwas größer als das passende Loch ist. Die Baugruppe bleibt durch Reibung und die Kraft der beiden Teile, die gegeneinander drücken, an Ort und Stelle. Wie viel größer das eingesetzte Teil im Verhältnis zum Loch sein muss, ist unterschiedlich, beträgt jedoch typischerweise 0,0005 bis 0,002 Zoll.

Mike Brieschke, Vizepräsident für Vertrieb bei Aries Engineering, sagt, dass ein Metalldübel mit einem Durchmesser von 0,25 Zoll, der in ein Loch aus Weichstahl eingepresst wird, normalerweise ein Übermaß von ±0,0015 Zoll aufweist. Teile in unkritischen Baugruppen weisen tendenziell geringere Toleranzen auf.

„Als Faustregel gilt: Je größer der Durchmesser eines Lagers, einer Buchse oder eines Bolzens, desto größer ist der Toleranzbereich“, betont Brieschke. „Das Umgekehrte gilt für Stücke mit kleinerem Durchmesser.“

Brieschke sagt, dass ein Lager mit 2 Zoll Durchmesser, das beispielsweise auf eine Metallwelle gepresst wird, aufgrund des größeren relativen Durchmessers der beiden Teile einen Toleranzbereich von 0,001 bis 0,01 Zoll haben könnte. Im Gegensatz dazu haben kleinere Lager, die für Automobilteile wie Getriebegehäuse und Motorkomponenten verwendet werden, oft einen Toleranzbereich von nur wenigen Mikrometern.

Bezüglich der Form sind die meisten Einpressteile rund, können aber auch oval, quadratisch, rechteckig oder dreieckig sein. Eingesetzte Teile können massiv oder hohl sein. Keith Lowery, Produktspezialist für Servopressen bei FEC Automation Systems, weist darauf hin, dass unrunde Teile möglicherweise einen zusätzlichen Schritt erfordern, um die richtige Ausrichtung sicherzustellen, was zu längeren Zykluszeiten führt. Große Teile erfordern eine Presse, die eine höhere und gleichmäßigere Kraft und ausreichenden Teilezugang bietet.

Laut Natsume ist die Teileausrichtung für eine gute Presspassung ebenso wichtig. Er sagt, der beste Weg, eine Fehlausrichtung zu verhindern, sei die Verwendung der richtigen Werkzeuge und Vorrichtungen.

Um die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen, können die Kanten der Teile mit Vertiefungen oder Vorsprüngen versehen werden. Lowery sagt, dass Rändelungen es dem eingesetzten Teil ermöglichen, in das Gegenstück einzugreifen und dabei helfen, zu verhindern, dass sich das Gelenk bewegt, wenn es hohen Drehmomentkräften ausgesetzt wird. Bei der Kunststoff- und Elektronikmontage verhindern Rillen oder Widerhaken am Gegenstück, dass die Verbindung auseinandergezogen wird.

Einpressteile bestehen aus Metall, Kunststoff oder Gummi und es können Teile aus ähnlichen oder unähnlichen Materialien verbunden werden. Wenn sie unterschiedlich sind, sollten Ingenieure Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, aber unterschiedlichen Härtewerten wählen.

„Das beste Szenario ist, wenn beide Teile aus demselben Material und derselben Härte bestehen“, sagt John Lytle, technischer Leiter bei Promess Inc. „Das schlimmste Szenario ist, wenn ein Material viel härter ist als das andere.“

Als Beispiel nennt Lytle das Einpressen einer stahlummantelten Gummibuchse in Aluminium-Querlenker-Lenkkomponenten für Fahrzeuge. Wenn ein Teil aus Stahl und das andere aus Aluminium besteht, sind sehr hohe Einpresskräfte erforderlich.

Laut Lowery ist es wichtig, Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu wählen, wenn Pressverbindungen großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Wenn dies beispielsweise beim Einpressen eines Stahllagers in ein Aluminiumgehäuse nicht beachtet wird, kann es dazu kommen, dass sich letzteres stärker ausdehnt als der Stahl – und das Lager herausfällt.

Laut Rupprecht sind Druckgussmetalle und glasfaserverstärkte Kunststoffe spröde Werkstoffe und müssen mit exakter Kraft eingepresst werden. Wenn Sie ein hartes Teil mit zu viel Kraft in ein dünnwandiges Aluminium- oder Kunststoffteil drücken, kann das Gegenstück leicht deformiert werden. Auch Grate oder Partikel am eingesetzten Teil können zu Schäden führen.

Auch andere Kunststoffarten unterliegen Einschränkungen. Etwas flexibles Polycarbonat ist für Wellennaben nicht zu empfehlen, da es keine übermäßige Umfangsbeanspruchung verträgt. Flexiblere Kunststoffe wie Nylon, ABS und thermoplastisches Polyurethan können dieser Belastung besser standhalten, zeigen jedoch mit der Zeit möglicherweise eine stärkere Spannungsentspannung.

„Die Automobilindustrie verwendet zunehmend Teile aus leichteren Materialien, um das Gewicht des Fahrzeugs zu verringern, und dieser Wandel hat zu einer Zunahme von Einpressanwendungen geführt, um Befestigungselemente zu eliminieren“, erklärt Natsume. „Manchmal müssen dazu Kunststoff- oder Metallteile in solche aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff eingefügt werden, etwa Heckspoilerflügel und andere Außen- und Innenbauteile.“

Einpressteile passen nicht immer reibungslos zusammen. Wenn das passiert, haben Hersteller mehrere Möglichkeiten, das Problem zu lösen. Eine besteht darin, eine Verjüngung am eingesetzten Teil und eine Fase am Gegenstück anzubringen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Schmierung aufzutragen, die Beschädigungen und Fressen (Verschleiß zwischen den Gleitflächen) an harten Teilen sowie die Stick-Slip-Bewegung (Ruckbewegung) beider Teile verhindert. Außerdem wird dadurch die erforderliche Einführkraft verringert, um eine Durchbiegung des Teils zu verhindern. Lytle sagt, dass Gummibuchsen, die in Metall gepresst werden, gute Kandidaten für eine kleine Menge Schmierung sind, ebenso wie Ventilführungen aus Stahl oder Titan, die in einen Zylinderkopf aus Aluminium gepresst werden.

Laut Lowery wird beim Einpressen von Compliance-Pins in Leiterplatten häufig Schmiermittel eingesetzt, um die Belastung der Platine aufgrund übermäßiger Presskraft zu reduzieren. Er sagt, dass bei diesen Anwendungen ein leichter Schmierspray verwendet wird.

Während Stifte möglicherweise eine geringe Menge Schmiermittel benötigen oder auch nicht, benötigen andere Teile eine größere Menge, um einen guten Presssitz zu ermöglichen, behauptet Brieschke. Breite und lange Buchsen beispielsweise müssen rundum geschmiert werden, damit sie sich reibungslos in die jeweilige Hülse einführen lassen. Aries bietet mit seinen Servoaktuatoren optional eine Schmierstoffwanne an, die das Schmiermittel vor dem Pressen automatisch auf Buchsen und Lager aufträgt.

Obwohl die überwiegende Mehrheit der Pressverbindungen stabil genug ist, um selbstständig zu bestehen, erfordern einige Verbindungen eine Klebeverbindung. Der Kleber dichtet die Verbindung vollständig ab, beugt Korrosion vor und verteilt die Spannung gleichmäßiger. Es ermöglicht Ingenieuren außerdem, die Toleranzanforderungen für die Teile zu lockern und ihre Sperrigkeit zu verringern, die erforderlich ist, um den Druck zu erzeugen, der die Teile zusammenhält.

Die Verwendung eines Klebstoffs hat jedoch einen Nachteil: Er erhöht den Kraftaufwand für die Montage der Teile deutlich. Infolgedessen müssen Monteure möglicherweise die Presskraft oder die Stößelgeschwindigkeit erhöhen.

„Ich sehe nicht, dass Klebstoffe bei der Einpressmontage häufig zum Einsatz kommen“, sagt Dave Zabrosky, Vertriebsleiter von Schmidt Technology. „Aber wenn ich das habe, dann dient es dazu, zwei unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besser zusammenzuhalten.“

Zur Montage von Pressverbindungen können manuelle, pneumatische, hydropneumatische und elektrische Servopressen eingesetzt werden. Laut Zabrosky sind manuelle Pressen relativ kostengünstig, ermöglichen eine einfache Teilebefestigung und können mit einer Kraft-Weg-Überwachung ausgestattet werden. Ihre Nachteile sind die geringe Produktion und die schlechte Ergonomie für den Monteur.

Pneumatische Pressen bieten eine gleichmäßigere Krafteinwirkung und Stößelgeschwindigkeit als ein manuelles Modell, verfügen jedoch nicht über die Steuerung und Programmierbarkeit eines Servos. Darüber hinaus, so Zabrosky, sei die Erzeugung von Luft kostspielig. Eine hydropneumatische Presse erzeugt ihre maximale Kraft über einen kurzen Weg und ist daher eine gute Wahl für Anwendungen mit hoher Kraft, die kurze Krafthübe erfordern.

„Ohne Zweifel bieten Servos die präziseste Steuerung der Stößelposition und -geschwindigkeit für Genauigkeit und Wiederholbarkeit“, sagt Zabrosky. „Wenn jedoch kein hohes Maß an Präzision erforderlich ist, würde ich dem Unternehmen empfehlen, stattdessen eine manuelle oder pneumatische Presse zu verwenden, da diese kostengünstiger sind und weniger Wartung erfordern.“

Lowery bestätigt, dass eine Großserienmontage erforderlich sei, um die höheren Vorabkosten des Servos zu rechtfertigen. Zu den weiteren Vorteilen der Servopresse gehören Flexibilität für High-Mix-Operationen, Energieeffizienz, leiser Betrieb und ein relativ geringer Platzbedarf.

Mehrere Faktoren bestimmen, wie viel Kraft erforderlich ist, um Teile zusammenzudrücken. Teilegröße, -dicke und -geometrie sind ebenso wichtig wie die Härte, Glätte und Oberflächenbeschaffenheit des Komponentenmaterials. Darüber hinaus müssen Konstrukteure das genaue Ausmaß der Interferenz zwischen den Teilen (dh den Größenunterschied zwischen dem eingesetzten Teil und dem Loch) und die Länge der Presspassung kennen.

Zu den größten Anwendern von Pressverbindungen zählen Hersteller, die Automobil-, Medizin-, Haushaltsgeräte-, Solarenergie- und Konsumgüter montieren. Beispiele für Automobilprodukte, die laut Lytle eine hohe, mittlere und niedrige Presskraft erfordern, sind das Einführen eines Achsrohrs (250 Kilonewton), eine Ventilführung in einen Zylinderkopf (20 Kilonewton) und ein Motorstator auf einer Welle (300 Newton). ).

„Hersteller sagen oft, dass sie für Pressen, die in der Einpressmontage eingesetzt werden, einen Sicherheitsfaktor von 20 Prozent benötigen“, sagt Zabrosky. „Aber unsere Teiletests zeigen, dass 50 Prozent angemessener sind.“

Ein weiteres Werkzeug, das die Einpressmontage deutlich verbessert, ist die Kraft- und Wegüberwachung, sagt Zabrosky. Der Kraftsensor wird zwischen Zylinder und Stößel eingebaut und misst die während des gesamten Montagezyklus entstehende Kraft.

Der Abstandssensor (oder Wandler) ist in der Nähe des Kraftsensors positioniert, sodass die Pressensteuerung Kraftkurven über die Distanz oder Kraftkurven über die Zeit anzeigen kann. Über die Steuerung können Ingenieure außerdem Ober- und Untergrenzen für die Presskraft festlegen. Bei Über- oder Unterschreitung des eingestellten Wertes erfolgt eine Alarmmeldung.

„Die Kraft- und Wegüberwachung ist eine tolle Möglichkeit, wertvolle Informationen über die Qualität der Teile und der Baugruppe zu gewinnen – vorausgesetzt, das Pressengestell ist richtig ausgelegt“, schlussfolgert Brieschke. „Wenn sich der Rahmen zu stark durchbiegt, weicht die resultierende Kraft-Weg-Kurve von den tatsächlichen Ergebnissen ab. Der beste Weg, eine Durchbiegung zu verhindern, besteht darin, die Rahmenkonstruktion ausreichend zu stabilisieren oder Verstärkungen zu verwenden.“

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.