Conception hydraulique d'une presse à injecter de 650 tonnes : configuration à double pompe à engrenages internes pour les circuits de serrage et d'injection

Une presse à injecter de 650 tonnes représente un investissement important. À ce niveau de force de fermeture — généralement utilisée pour la fabrication de panneaux intérieurs automobiles, de boîtiers pour gros appareils électroménagers, de palettes, de conteneurs IBC et de composants logistiques structurels — la conception du système hydraulique influe directement sur la régularité des temps de cycle, les coûts énergétiques et la fiabilité à long terme.

Le défi ne consiste pas seulement à générer un débit et une pression. Il s'agit d'adapter la puissance hydraulique à deux profils de charge fondamentalement différents au sein d'un même cycle machine : circuit de blocage, qui exige le maintien d'une pression constante à un débit relativement faible, et le circuit d'injectionCe type de machine exige un débit instantané élevé et des variations de pression rapides. Ces exigences contradictoires rendent les architectures à double pompe non seulement avantageuses, mais essentielles à la conception efficace de machines de la classe des 650 tonnes.

Dans cet article, nous expliquons la justification technique de la séparation des circuits de serrage et d'injection à l'aide d'un double circuit. pompes à engrenages internes série VG, détailler la méthodologie de dimensionnement de la pompe et expliquer comment groupes de pompes à servomoteur transformer le profil énergétique de ces applications exigeantes.

Dimensionnement du système hydraulique pour une force de serrage de 650 tonnes — Débit et pression requis par le circuit

Avant de choisir la cylindrée de la pompe, il est nécessaire de définir les conditions aux limites hydrauliques pour une machine de 650 tonnes. La force de serrage de 650 tonnes métriques requiert un alésage de cylindre capable de générer cette force à la pression disponible du système. Avec un système nominal de 31,5 MPa (315 bar) – la norme pour les systèmes modernes machines hydrauliques — le diamètre d'alésage du cylindre de serrage se situe généralement entre 500 et 560 mm. Le calcul est simple :

F = P × A → 6 375 kN = 31,5 × 10⁶ Pa × π × (D/2)² → D ≈ 0,51 m

Une fois dimensionné, le débit requis pour le circuit de serrage se divise en plusieurs phases distinctes au cours de chaque cycle :

• Fermeture du moule (approche à grande vitesse) : Basse pression, débit élevé — généralement de 180 à 240 L/min selon la course et la durée du cycle à sec souhaitée. Une machine de 650 tonnes avec une course de serrage de 1 000 mm, visant un temps de fermeture de 3,5 secondes, requiert environ 200 L/min durant cette phase.
• Protection contre les moisissures et verrouillage : Vitesse réduite, la pression augmente de 5 MPa à plus de 30 MPa — le débit chute à 30-60 L/min.
• Maintien par pince : Pression maintenue à 28-31,5 MPa pendant l'injection — débit proche de zéro, seule la compensation des fuites est nécessaire (5-15 L/min).
• Ouverture et éjection du moule : Profil d'écoulement similaire à celui de la fermeture, mais avec une direction de pression différente — généralement 160-200 L/min.

Le circuit d'injection révèle une autre réalité. Les exigences en matière de vitesse d'injection pour les grandes pièces varient de 30 mm/s (pour les mousses structurales à parois épaisses ou les palettes standard) à plus de 120 mm/s (pour les panneaux automobiles à parois minces). Avec un diamètre de vis de 80 à 90 mm (valeur typique pour les machines de 650 tonnes), une vitesse d'injection de 100 mm/s requiert un débit instantané d'environ 300 à 380 L/min, bien supérieur à ce qu'une pompe unique dimensionnée pour le serrage pourrait fournir efficacement.

Ces cycles de fonctionnement divergents nous amènent à une architecture à deux pompes : une pompe optimisée pour le profil de serrage, une autre pour l’injection, chacune associée à son propre système d'entraînement servo.

Pompes à engrenages internes doubles série VG — Pourquoi séparer les circuits de serrage et d'injection

Une seule pompe de grande capacité alimentant les deux circuits imposerait un compromis constant. Dimensionnée pour le débit d'injection maximal, elle serait largement surdimensionnée lors du serrage, entraînant un gaspillage d'énergie dû à la décompression, une surchauffe et une usure accélérée des composants pendant les 90 % du cycle où le débit maximal est inutile. À l'inverse, une pompe dimensionnée pour la demande moyenne sous-dimensionnerait la phase d'injection, allongeant les temps de cycle et dégradant la qualité des pièces.

La configuration à double pompe utilisant pompes à engrenages internes série VGrésout ce problème avec élégance. Chaque pompe est entraînée indépendamment par un servomoteur dont la vitesse est modulée par un servovariateur répondant aux commandes de pression et de débit en temps réel. Contrôleur de machineIl en résulte un système hydraulique où chaque litre d'huile déplacé est directement lié à la demande du processus — aucune perte par étranglement, aucun gaspillage par dérivation.

Pompes à engrenages internes sont particulièrement bien adaptées à cette architecture pour trois raisons :

• Faible pulsation : L'engrènement continu des engrenages internes et externes assure un débit exceptionnellement régulier, contrairement aux pompes à pistons ou aux pompes à engrenages externes. Sur une machine de 650 tonnes, cela réduit les vibrations transmises par les conduites hydrauliques au système de serrage et d'injection, améliorant ainsi la régularité des pièces moulées.
• Fonctionnement silencieux à vitesse variable :Contrairement aux pompes à palettes dont les pales fonctionnent grâce à la force centrifuge, Pompe à engrenages internesLes pompes VG2 maintiennent un rendement volumétrique optimal sur une large plage de vitesses. Une pompe VG2 fonctionnant à 500 tr/min pour le maintien par serrage est quasiment silencieuse (généralement en dessous de 55 dB(A)), contrairement à une pompe à engrenages externe à vitesse fixe fonctionnant à 1 750 tr/min et produisant plus de 75 dB(A).
• Capacité de haute pression à basse vitesse :La série VG maintient une pression de sortie stable de 31,5 MPa même lorsque servomoteur La vitesse est réduite à 10-20 % de sa valeur maximale nominale. Ceci est crucial pour la phase de maintien de la pression lors du serrage, où celle-ci doit être maintenue sans débit d'huile significatif.

Cette configuration à double servopompe s'aligne sur ISO 4409méthodologies de test pour Pompe hydraulique performance, en veillant à ce que les mesures d'efficacité que nous citons soient reproductibles dans des conditions standardisées.

Sélection de la pompe pour le circuit de serrage — Maintien soutenu avec génération de chaleur minimale

Pour le circuit de serrage d'une machine de 650 tonnes, nous spécifions généralement un VG2-100 ou VG2-80Pompe à engrenages internesVoici le raisonnement fondé sur leDonnées techniques de la série VG:

Pour une machine standard de 650 tonnes avec une course de fermeture de 1 000 à 1 200 mm, la pompe VG2-100 fournit un débit de 150 L/min à 1 500 tr/min. Associée à un servomoteur capable d'atteindre une vitesse de pointe de 2 200 tr/min, cette même pompe peut fournir 220 L/min pendant la phase de fermeture rapide du moule, ce qui est suffisant pour un cycle à sec de 3,0 à 3,5 secondes. Pendant la phase de maintien, servomoteur La vitesse du moteur est réduite à 150-300 tr/min, ne fournissant que le débit de 5 à 15 L/min nécessaire à la compensation des fuites. À cette vitesse réduite, les pertes mécaniques de la pompe à engrenages interne diminuent proportionnellement et l'élévation de température de l'huile du circuit de serrage reste inférieure à 3-5 °C par cycle.

Le choix entre le VG2-80 et le VG2-100 dépend du temps de cycle à sec souhaité. Pour les machines destinées à l'industrie automobile et exigeant des cycles inférieurs à 3,5 secondes, le VG2-100, avec sa fonction de survitesse par servomoteur, est préférable. Pour le moulage d'usage général, où les contraintes de temps de cycle sont moins strictes, le VG2-80 offre un rendement volumétrique légèrement supérieur aux vitesses de fonctionnement typiques.

Toutes les pompes de la série VG2 utilisent des brides de montage conformes à la norme SAE : les modèles VG2-80 et VG2-100 sont équipés d’une bride d’entrée F16 (entraxe de boulonnage 77,8 × 42,9 mm, profondeur de filetage M12 : 20 mm) et d’une bride de sortie F12 (69,9 × 35,7 mm, M12). Ces interfaces standardisées simplifient l’intégration aux systèmes de collecteurs hydrauliques existants et facilitent la modernisation.

Sélection de la pompe pour le circuit d'injection — Débit instantané élevé avec servo-commande de précision

Le circuit d'injection exige un profil différent : un débit très élevé par brèves impulsions (0,5 à 2 secondes par injection), suivi de périodes d'inactivité relativement longues pendant la plastification, le refroidissement et l'ouverture/fermeture du moule. Pour une machine de 650 tonnes équipée d'une vis de 80 à 90 mm, des vitesses d'injection de 80 à 120 mm/s nécessitent un débit de 250 à 380 L/min à des pressions allant jusqu'à 31,5 MPa.

Nous spécifions généralement un VG2-125 ou VG2-145 pour le circuit d'injection, en fonction de la configuration de l'unité d'injection :

Notez la réduction de la pression nominale des pompes VG2-145 et VG2-160. Ce phénomène est courant pour les pompes à engrenages de grande cylindrée : plus la cylindrée augmente, plus les contraintes sur les paliers dues à la différence de pression entre les engrenages sont importantes. Pour les circuits d'injection nécessitant une pression maximale de 31,5 MPa, la VG2-125 est le choix optimal. Elle peut fournir plus de 250 l/min à 2 000 tr/min à pleine pression, ce qui est suffisant pour la plupart des profils d'injection de 650 tonnes.

Pour les machines qui ne nécessitent pas une pression d'injection maximale (par exemple, le moulage de palettes standard à 18-22 MPa), les VG2-145 ou VG2-160 peuvent être sélectionnés, offrant une capacité de débit plus élevée pour des vitesses d'injection plus rapides sans dépasser la pression nominale de la pompe.

Le servomoteur de la pompe d'injection doit être capable d'une accélération rapide — de presque zéro à 1 800 tr/min en moins de 100 ms — pour assurer un démarrage d'injection réactif. Système servo VICKS y parvient grâce à des algorithmes de contrôle orientés champ avec précharge de couple, garantissant que le profil de vitesse d'injection commandé corresponde à ±1 % du point de consigne tout au long de l'injection.

Efficacité grâce aux servomoteurs — Comment la commande à vitesse variable transforme la consommation d'énergie d'une machine de 650 tonnes

L'argument énergétique en faveur des pompes à engrenages internes doubles servo-entraînées est convaincant. Un système de pompe à cylindrée fixe sur une machine de 650 tonnes alimente généralement un moteur de 45 à 55 kW en continu à 1 500 tr/min, indépendamment de la demande cyclique. L'huile excédentaire est évacuée par des vannes proportionnelles à la pression du système, convertissant ainsi directement l'énergie hydraulique en chaleur.

Grâce à la commande de vitesse variable par servomoteur, la consommation d'énergie diminue pour correspondre uniquement au travail hydraulique instantané requis. Nous avons mesuré les profils de puissance typiques suivants sur des machines de 650 tonnes modernisées avec VICKS. groupes de pompes servo:

L'économie d'énergie moyenne de 50 % se traduit directement par : une machine de 650 tonnes fonctionnant 24 heures sur 24, 300 jours par an, à un coût de l'électricité de 0,10 $/kWh, permet d'économiser environ 24 900 $ par an en termes d'électricité uniquement. Cela ne tient pas compte de la réduction de la charge de refroidissement (échangeurs de chaleur plus petits, demande de refroidisseur moindre), de la durée de vie prolongée de l'huile hydraulique (taux d'oxydation plus faibles à des températures de fonctionnement réduites) ni des intervalles de maintenance réduits sur les pompes servo-entraînées par rapport aux unités à cylindrée fixe fonctionnant en continu.

Au-delà de la simple énergie brute, la configuration de la pompe à engrenages internes servo-entraînée améliore la constance du processus. Contrairement aux systèmes à vanne proportionnelle où la viscosité de l'huile varie avec la température, modifiant ainsi les caractéristiques d'écoulement, la régulation de vitesse en boucle fermée de la pompe servo-entraînée maintient un débit constant quelle que soit la température de l'huile dans la plage de fonctionnement de 20 à 55 °C. Il en résulte une meilleure répétabilité du poids d'injection — généralement de l'ordre de ±0,3 % contre ±0,8 % pour les systèmes à cylindrée fixe.

Considérations relatives à l'intégration du système — Agencement du collecteur, filtration et refroidissement

Une configuration à double pompe à engrenages interne exige une intégration soignée au niveau du système. Voici les considérations pratiques que nous prenons en compte lors de la conception de machines de 650 tonnes :

Dimensionnement des orifices d'huile. Le VG2-100 utilise une bride d'entrée F16 (entraxe SAE de 77,8 mm) et une bride de sortie F12 (entraxe de 69,9 mm). Ces dimensions correspondent respectivement aux orifices SAE 1-5/8 et SAE 1-1/4. La vitesse d'écoulement dans la conduite d'entrée doit être maintenue en dessous de 1,5 m/s afin d'éviter la cavitation au débit maximal. Pour le VG2-125, équipé d'une bride d'entrée F20 (entraxe SAE de 88,9 mm), nous recommandons généralement un tuyau en acier de 2 pouces (50,8 mm) de diamètre standard 40 ou un flexible équivalent pour la conduite d'aspiration, avec un filtre de retour dédié dimensionné pour un débit supérieur à 300 L/min.

Montage de plusieurs pompes. Lors du montage simultané d'une pompe VG2-100 (à serrage) et d'une pompe VG2-125 (à injection) sur un même réservoir, il est recommandé d'utiliser une plaque de séparation verticale entre les zones d'aspiration des deux pompes. Ceci permet d'éviter que les turbulences d'huile dues au retour d'une pompe n'affectent la stabilité d'aspiration de l'autre. Chaque pompe doit être équipée de sa propre crépine d'aspiration présentant une perte de charge inférieure à 0,03 MPa.

Communication du servomoteur. Les deux servomoteurs doivent communiquer avec le contrôleur principal de la machine via EtherCAT ou CANopen. Le contrôleur envoie des commandes de vitesse cible indépendamment à chaque servomoteur en fonction de la phase du cycle. Pendant les phases de maintien, le servomoteur de la pompe de serrage conserve le mode de contrôle de position pour maintenir la pince verrouillée sans dépassement, tandis que le servomoteur de la pompe d'injection passe en mode de contrôle de pression pour une régulation précise de la pression d'emballage. servomoteur VICKS Cette série prend en charge nativement les trois modes de contrôle.

Capacité de refroidissement. Même avec un système d'asservissement performant, une machine de 650 tonnes dissipe une chaleur importante lors de l'injection (forte densité de puissance sur une courte durée). Nous recommandons une capacité d'échangeur de chaleur de 60 à 80 kW pour l'ensemble du système, soit environ 40 à 50 % inférieure à celle requise par un système à cylindrée fixe de puissance équivalente. La réduction des besoins en refroidissement permet également l'utilisation de réservoirs hydrauliques plus petits (600 à 800 L au lieu de plus de 1 000 L), ce qui représente un gain d'espace au sol et de volume d'huile.

Stratégie de filtration. Les pompes à engrenages internes présentent des jeux internes plus faibles que les pompes à palettes de cylindrée équivalente, ce qui nécessite une huile plus propre. Nous spécifions β₁₀ Filtration de la ligne de retour ≥ 75 (ISO 16889) pour les pompes de la série VG2 sur les systèmes de 650 tonnes. Compte tenu de la contamination particulaire importante générée par les mouvements du moule et la manutention des matériaux lors du moulage par injection, un filtre de retour absolu de 10 microns avec indicateur de dérivation est indispensable. Nous recommandons également une filtration hors ligne avec une boucle de filtration en forme de rein de 3 microns fonctionnant en continu pendant le fonctionnement de la machine, notamment lors du traitement de composés chargés de fibres de verre dont les fibres en suspension dans l'air peuvent pénétrer dans le réservoir.

Choix de l'huile. Pour les configurations à double pompe sur les machines de 650 tonnes, nous préconisons l'huile hydraulique anti-usure ISO VG 46 comme huile de référence. À des températures ambiantes supérieures à 35 °C ou lors de la transformation de plastiques techniques haute température (PEEK, PEI, LCP) qui augmentent le transfert de chaleur du moule vers le système hydraulique, l'huile ISO VG 68 peut être nécessaire pour maintenir une épaisseur de film suffisante dans les paliers de la pompe à engrenages. La viscosité à froid ne doit pas dépasser 800 mm²/s, un point important pour les machines installées dans des locaux non chauffés en climat nordique.

Conclusion : Adapter l’architecture hydraulique à l’échelle de la machine

La conception du système hydraulique d'une machine de moulage par injection de 650 tonnes exige un niveau de rigueur en ingénierie qui machines plus petites Il est parfois possible de contourner ce problème grâce à des architectures plus simples. À cette échelle, les pertes d'énergie et de stabilité des procédés dues à une conception hydraulique défaillante se chiffrent en dizaines de milliers de dollars par an et en fractions de pour cent en perte de rendement ; ces pertes s'accumulent sur la durée de vie de la machine, qui est de 10 à 15 ans.

Une configuration à double pompe à engrenages internes — avec des pompes de la série VG2 à servocommande indépendante dédiées aux circuits de serrage et d'injection — résout la contradiction fondamentale des systèmes hydrauliques des machines de 650 tonnes, et récemment mises en œuvre industrielles Validez systématiquement cette approche : le circuit de serrage nécessite une efficacité de maintien constante, tandis que le circuit d’injection requiert un débit maximal. La séparation de ces fonctions, grâce à des cylindrées de pompe et une servocommande adaptées, permet à chacune de fonctionner à son point de fonctionnement optimal sans compromis.

Notre L'équipe d'ingénierie de VICKS Cette architecture a été mise en œuvre sur des dizaines de plateformes de machines de 500 à 1 000 tonnes, pour des applications allant des garnitures intérieures automobiles à l'emballage logistique grand format. L'association de la fiabilité des pompes à engrenages internes de la série VG et de la précision des servocommandes permet de réaliser systématiquement une réduction de la consommation d'énergie de 45 à 55 % par rapport aux systèmes à cylindrée fixe, avec des améliorations notables de la répétabilité du dosage et de la stabilité de la température du système hydraulique.

Pour les ingénieurs et les responsables des achats qui évaluent les options de propulsion hydraulique pour les presses à injecter de 650 tonnes ou de taille similaire (qu'il s'agisse de la construction de nouvelles machines ou de la modernisation de plateformes existantes), nous vous encourageons à examiner la conception de la pompe, et pas seulement les spécifications de la machine. Le type de pompe à engrenages interne, le dimensionnement du circuit en fonction du cycle de service de chaque circuit et l'architecture du servomoteur sont les variables qui déterminent si votre système hydraulique représente un atout pour la production ou une source de coûts d'exploitation récurrents.

Foire aux questions

Équipe d'ingénierie VICKS • NVICKS Intelligent Equipment (Ningbo) Co., Ltd. • Entreprise nationale reconnue « Petit Géant » par le MIIT • Entreprise nationale de haute technologie • Certifiée ISO
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