W arkuszowej maszynie offsetowej cylinder formowy, cylinder pośredni i cylinder dociskowy przenoszą obraz, przekazują farbę i dociskają arkusz do obciągu. Sposób podparcia tych cylindrów na obu końcach decyduje o tym, czy nacisk druku pozostaje równy na całej szerokości arkusza, i wyznacza górną granicę prędkości pracy. Przez większość XX wieku standardem było łożysko ślizgowe. Niemal każda nowa maszyna sprzedawana obecnie ma łożyska toczne. Zmiana wynikała z otoczenia konstrukcyjnego, a nie z jednego pomysłowego elementu.
Co łożyska ślizgowe robiły dobrze
Przy niskich i średnich prędkościach pracy czopy cylindrów obracały się w łożyskach ślizgowych. Konstrukcja ma duży stosunek długości do średnicy i pracuje w skojarzeniu o niskiej parze, więc film olejowy tłumi wstrząsy, a napęd pracuje równo. Długa linia styku usztywnia cylinder, ugięcie pod naciskiem docisku maleje, a nacisk pozostaje równomierny wzdłuż osi. Łożysko ślizgowe jest też łatwe w obróbce, montażu i utrzymaniu. Przy prędkościach ówczesnych maszyn spełniało wszystkie wymagania procesu, dlatego stosowano je tak szeroko.
Granica prędkości
Od lat 80. producenci maszyn zaczęli podnosić wydajność, a prędkość była pierwszym elementem, który zmieniali. Łożysko ślizgowe stawiało opór. Ma wysoki współczynnik tarcia, dużą powierzchnię styku czopa, mały luz w parze ciernej i słabe odprowadzanie ciepła, więc niewielki wzrost prędkości grozi zatarciem wału w panewce. Zwiększenie luzu, żeby uniknąć zatarcia, odbiera ramie sztywność, spada dokładność przenoszenia napędu, a na arkuszu pojawiają się smugi farby. W tym momencie łożysko ślizgowe było wąskim gardłem i uwaga przeniosła się na elementy toczne. Lepsza konstrukcja maszyn i lepsza produkcja usunęły wtedy przeszkody. Łożysko toczne ma mały stosunek długości do średnicy i zamienia skojarzenie o niskiej parze na skojarzenie o wysokiej parze, co przywraca sztywność, którą korpus cylindra traci pod obciążeniem docisku.
Dlaczego producenci zwlekali i co się zmieniło
Starym zarzutem było ugięcie. Pod dużym naciskiem docisku cylinder się wygina, jego krzywa ugięcia opada, środek cylindra wywiera mniejszy nacisk niż końce, punkty i tekst drukują się słabo w środku, a arkusz nie spełnia normy. Analiza metodą elementów skończonych zmieniła sposób obliczeń. Konstruktorzy optymalizują teraz strukturę cylindra i jego wewnętrzną komorę, rozkładając żebra i blachy łączące pod względem liczby, kształtu i przekroju tak, aby sztywność ogólna rosła, a ugięcie pod obciążeniem pozostawało w dopuszczalnym zakresie.
Produkcja cylindrów poprawiła się w tym samym czasie. Materiał i twardość są teraz kontrolowane na etapie topienia, odlewania i obróbki cieplnej. Cylinder maszyny musi też zachować dokładność dynamiczną oraz dokładność po zmęczeniu i pełzaniu, nie tylko dokładność statyczną i sztywność. Dokładność dynamiczna zależy od rozkładu masy oraz od struktury metalurgicznej i składu chemicznego metalu. Bicie mierzy się przy cylindrze niemal w spoczynku, ale przy prędkości pracy błąd jest inny, bo rozkład masy i struktura ziarna nigdy nie są idealnie jednorodne.
Dostawy łożysk również dojrzały. Dobór, pasowanie, montaż i kontrola są dziś rutynowe, a łożyska o wysokiej precyzji są dostępne u dostawców krajowych i zagranicznych bez bariery technicznej. Dopasowano też sąsiednie części. Dokładność kół zębatych cylindrów osiąga czwartą klasę lub lepszą zarówno w grupie kinematycznej, jak i w grupie gładkości, czyli tę samą klasę, którą stosuje się w kołach zębatych lotniczych. Otwory i czoła ramy są obrabiane w jednym zamocowaniu na centrum frezarsko-wytaczarskim CNC, więc wymiary, tolerancje kształtu i chropowatość powierzchni spełniają wymagania przesztywnionej konstrukcji ramy. Dzięki tym ulepszonym częściom maszyny pracują stabilniej, źródeł drgań jest mniej, a układ cylindrów wymaga mniejszego tłumienia drgań. Heidelberg, Mitsubishi, Komori i KBA montują podparcia łożysk tocznych standardowo, a doświadczenia zebrane za granicą dają krajowym producentom wyraźny punkt odniesienia.
Rodzaje łożysk stosowane obecnie
Pierwsza decyzja dotyczy konstrukcji łożyska, a producenci odpowiadają na nią różnie.
- Heidelberg preferuje łożyska igiełkowe, a luz roboczy ustala przy montażu przez pomiar igiełek i dobór ich w grupy.
- Roland opiera konstrukcję na wielorzędowych łożyskach walcowych krótkich z łożyskami oporowymi, przy czym obciążenia promieniowe i osiowe reguluje się osobno. Producent łożysk gwarantuje luz roboczy, a wymagania dokładności są wysokie.
- Mitsubishi stosuje łożyska stożkowe, które przenoszą obciążenie promieniowe i osiowe łącznie w prostszym układzie, z luzem ustalanym podczas montażu i wyższymi wymaganiami co do umiejętności pasowania.
- Niektórzy krajowi producenci montują łożyska walcowe drążone wykonane według patentu amerykańskiego, pracujące z dużym napięciem wstępnym i niewielkim wciskiem.
Wszystkie te układy służą maszynie offsetowej. Każdy ma własny charakter i teoretycznie każdy może podpierać cylinder. Wybór zależy od możliwości konstrukcyjnych i poziomu procesu producenta, od tego, jak dobrze zespół techniczny rozumie dany typ łożyska, oraz od stanu zakładu, tak aby ograniczenia obiektywne i ocena inżynierska spotkały się w tym samym miejscu. W każdej opcji wspólną troską jest kontrola luzu.
Napięcie wstępne i luz roboczy
Drugi problem techniczny to napięcie wstępne. Luz między parą łożysk trzeba wyregulować, aby podnieść sztywność układu, a luz pozostawiony po napięciu wstępnym przy montażu decyduje zarówno o końcowej jakości druku, jak i o żywotności maszyny. Aby podnieść sztywność i zmniejszyć hałas, łożysko toczne powinno pracować z ujemnym luzem roboczym.
Teoria i praktyka warsztatowa są zgodne co do wartości docelowej. Trwałość zmęczeniowa jest najdłuższa, gdy luz roboczy wynosi około -10 μm. Przy większej wartości ujemnej trwałość zmęczeniowa gwałtownie spada. Gdy temperatura łożyska mocno wzrośnie, rozszerzalność cieplna sprawia, że luz efektywny staje się bardziej ujemny niż wartość ustawiona na stole montażowym, dlatego montaż powinien pozostawić zapas na tę zmianę.