Bodově přesný paprsek chladicího média

Chladicí média (KSS) jsou svými mnohačetnými úlohami při obrábění skutečně multitalenty. Musejí zajistit vyšší trvanlivost břitu nástroje, lepší kvalitu obrobeného povrchu, jakož i spolehlivý odvod třísek z místa řezu a přispět tak podstatně k hospodárnému obrábění. „Chladicí kapaliny mají pokud možno rychle odvádět teplo z místa obrábění, aby se zabránilo změně struktury v okolí styku nástroje a obrobku,“ popisuje jejich úlohu Jens Thing, vedoucí obchodu firmy Haas Automation Europe. Dobré chlazení má vliv také na přesnost obrábění a umožňuje zvýšit řezné podmínky.

Ostatně podle Statistischen Bundesamt (Statistického spolkového úřadu) připadá z celkových nákladů na obrábění 8 % až 16 % na chladicí média. K tomu se počítá i zásobování a jejich likvidace, jakož i náklady během provozu stroje. „Podíl nákladů na chladicí média připadající na jeden výrobek závisí velmi na typu výrobku, jeho materiálu, stroji a technologii obrábění,“ vysvětluje Dr. Klaus Christoffel, manažer výroby Management & Design u firmy Sandvik Tooling Deutschland GmbH, pobočky Sandvik Coromant. „V mnoha případech je to suma, která není zanedbatelná a leží nad náklady na nástroje.“

Nestačí se podívat pouze na samotné chladicí médium, je nutné také uvažovat, jakým způsobem a v jakém množství je přiváděno do místa řezu. Přitom musíme rozlišovat různé způsoby. Při klasickém obrábění s chlazením jsou nástroj i obrobek zaplaveny chladicím médiem zcela. „Chlazení záplavové je v současné době stále ještě nejpoužívanější,“ domnívá se Christoffel. „Je jednoduše použitelné a nečiní žádné zvláštní nároky na nástroje a stroje,“ vysvětluje Markus Kannwischer, technický vedoucí a člen obchodního oddělení firmy Paul Horn GmbH. Avšak spotřeba energie je vysoká a pouze několik procent přiváděného chladicího média se dostane na potřebná místa na břitu nástroje. Další nevýhodu uvádí Jochen Nahl, vedoucí obchodního oddělení firmy Grob-Wewrke GmbH & Co. KG: „Spotřeba energie pro zásobování stroje, jakož i pro úpravu a likvidaci chladicího média je vysoká.“

Markus Kannwischer, technický ředitel a člen vedení společnosti u firmy Paul Horn GmbH

Z hlediska nákladů hovoří mnohé pro jiné způsoby chlazení, jako je chlazení minimálním množstvím chladicího média (MMS) s typickým dávkováním od 5 do 50 ml na hodinu obrábění, vysokotlaké chlazení od 80 barů nebo obrábění za sucha. Zásadní rada odborníků pro uživatele je „Méně je více“, neboť cílený přívod chladicího média tělesem nástroje s integrovaným přívodem chladicího média má velmi dobré výsledky nejen co se týče chladicího a také mazacího efektu, ale i odvodu třísek.

Obrábění s chlazením MMS je z důvodu menších nákladů na energie používáno především v sériové výrobě. Poskytuje výhody, jako je snížení nákladů úsporou KSS – zařízení, malá spotřeba energie (odpadá KSS čerpadlo) a snížení výrobních nákladů na odstranění a zpracování třísek.

„Vysvětlení procesu je ostatně složité,“ říká vedoucí obchodu Grob, „neboť musí být brán zřetel na daný sled operací obrábění z hlediska přívodu tepla.“ Při chlazení MMS bývá nutné brát v úvahu přívod tepla z procesu obrábění, jakož i z okolí a na stroji udělat příslušná opatření pro jeho kompenzaci.

V oblasti použití výkonného obrábění je z pohledu Groba přelom k MMS zřetelný. Vzhledem k evropské směrnici o šetření energií jsou v Evropě stále více používány technologie MMS. „Ve světě již existují podniky, které používají MMS obrábění standardně,“ říká Nahl, „v oblasti Asie se vyrábí téměř všude pouze zastaralou technikou chlazení emulzí, podobné to je také v oblasti Jižní Ameriky.“ Číselný odhad pro výkonné obrábění činí u záplavového chlazení 60 % a chlazení MMS 35 %. V současné době se stále více hovoří o takzvaném vysokotlakém chlazení. Zde není oblast tvoření třísky zaplavena chladicí kapalinou, nýbrž chladicí kapalina je směrována do místa řezu a pod vysokým tlakem přiváděna mezi třísku a břit nástroje. „Nemáme-li se zřeknout chladicí kapaliny, má vysokotlaké chlazení – spojené s přesně směrovaným přívodem – určitě výhodu,“ soudí Christoffel, manažer firmy Sandvik. „Proto zde vidíme také velký nárůst použití.“ Ukazuje se však, že vysoký tlak není v mnoha případech použitelný. Mohutnost paprsku chladicí kapaliny musí proto být u vysokotlakého chlazení velmi malá.

Dr. Klaus Christoffel, produktový manažer firmy Management & Design u firmy Sandvik Tooling Deutschland GmbH

Také u firmy Haas lze pozorovat rostoucí používání vysokotlakého chlazení tělesem nástroje. „U tohoto způsobu chlazeni registrují zákazníci zřetelně vyšší hospodárnost,“ říká vedoucí obchodu Thing. Pro použití při soustružení odhaduje vedoucí technik firmy Horn Markus Kannwischer, že asi 20 % strojů je vybaveno vysokotlakým chlazením s tlakem 80 barů. „Výrobce dodává nové stroje s tlakem 80 barů s vedením paprsku chladicí kapaliny revolverovou hlavou, existuje však stále sílící tendence po vyšším tlaku. Vyšší tlak 150 barů je dosud využíván pouze ojediněle, protože stroj musí mít speciální provedení s ohledem na bezpečnost práce.“
Kryogenní chlazení je v současné době na začátku zavádění.

Jens Thing, vedoucí obchodu firmy Haas Automation Europe

K úplnému odstranění chladicí kapaliny dochází při obrábění zasucha, u kterého se chladí pomocí stlačeného vzduchu nebo zcela bez chladicího média. Haas pro toto nabízí dvojí řešení. Při externím automatickém přívodu stlačeného vzduchu je konstantní proud stlačeného vzduchu nasměrován na řezný nástroj, aby se odstranily vznikající třísky. Alternativně může být vzduch veden vřetenem stroje. Přitom je proud vzduchu veden pod vysokým tlakem a ve velkém množství dutinou nástroje na jeho břit.

Již několik let se diskutuje o kryogenním chlazení – buď dusíkem nebo kysličníkem uhličitým (CO2). Aktuálně je v popředí koncepce chlazení pomocí CO2, kterou společně vyvinuly firmy Walter AG a  Starrag-Gruppe. Ale přes předpokládané enormní výhody – uvádí se vzrůst produktivity až o 70 % a trvanlivosti břitu nástroje až o 100 % – neexistuje žádný zákazník, který používá kryogenní chlazení v sériové výrobě. „Nyní jsme ve fázi zavádění,“ uvádí Thomas Schaarschmidt, manažer Energy Business & Application Development u firmy Walter AG.

Thomas Schaarschmidt, manažer firmy Energy Business & Application Development u firmy Walter AG

V současné době probíhají tři konkrétní projekty. Jedná se o obrábění turbínových lopatek z korozivzdorné oceli X20Cr13, o výrobu turbokompresorů a o výrobu strukturovaných součástí z Ti64 u výrobců letadel a kosmických těles. Nejlepší šance pro realizaci vidí Schaarschmidt u výroby turbínových lopatek. „Podle dosavadních výsledků je zde možné získat velké potenciály. Pro kryogenní chlazení jsou důležité strategie obrábění, uspořádání strojů, obráběné materiály, množství odebíraného materiálu, počet kusů vyráběných součástí a použitá konstrukce nástrojů.

Podle mínění expertů je obrábění při kryogenním chlazení vhodné především pro letecký průmysl a sektor energetiky. „Předpokládáme také použití v automobilovém průmyslu, u kterého kryogenní chlazení při vhodné strategii obrábění přinese zvýšení trvanlivosti břitu nástroje.“ Specifické stavební prvky jsou zejména strukturované dílce, turbínové lopatky a turbokompresory. „Pokud jde o obráběné materiály, vidíme velký potenciál v titanových slitinách, jako je TiAl16V4, martenzitických a austenitických korozivzdorných ocelích a v žáropevných ocelolitinách."

Proč přesto vázne změna způsobu principu chlazení, vysvětluje Schaarschmidt takto: „Podle mého názoru je důvodem chybějící ochota nést riziko pionýrské technologie, které vývoj a její zavedení do sériové výroby s sebou vždy nese. Abychom tuto ochotu našli, je nutné ještě zodpovědět několik otázek.“ Tím míní například způsob zásobování s CO2. Přívod z lahví není pro velkosériovou výrobu dlouhodobě řešením. „Nyní o tom jednáme s odpovídajícím dodavatelem.“

Také otázka bezpečnosti práce byla od samého začátku řešena samostatně. Je sice možné pomocí vhodných senzorů zajistit bezpečnost pracovníka, avšak směrnice o zacházení s CO2 v třískovém obrábění, která je velkými zákazníky často požadována, dosud neexistuje. „V současné době plánujeme společný projekt s konečnými zákazníky (uživateli), výrobci strojů, dodavateli systémů, dodavateli plynu a institutem, který se zabývá tématy bezpečnosti práce a odpovídajícími nezávislými posudky,“ říká manažer firmy Walter.

Konečně jde také o použitelnost technologie CO2 u rozličných výrobců strojů. Každý zákazník má svůj strojní park. „Ačkoli je možné v mnoha případech doplnit technologii chlazení CO2 na tyto stávající stroje, diskutuje se o CO2 technologii většinou v rámci nových strojů,“ uvádí Schaarschmidt. Vícenáklady pro modifikaci se odhadují asi na 50 000 eur.

Firma Grob provedla obsáhlé experimenty s kryogenním chlazením na prototypu obráběcího stoje. Jak vysvětluje vedoucí obchodního úseku Nahl, existuje však ještě mnoho dalších nezodpovězených aktuálních otázek kladených zákazníky. „Ve velké míře jde o otázky, zda a kdy se počítá s výrobou těchto nových strojů s kryogenním chlazením. Dosavadní provedené pokusy však zatím nedávají žádné ekonomické výhody při použití kryogenního třískového obrábění.“ Také u firmy Sandvik reagují zdrženlivě: „Kryogenní chlazení má své opodstatnění při obrábění speciálních materiálů, plošné rozšíření se v dohledné době neočekává,“ říká Christoffel.

Zatímco uživatel má právo volit libovolný způsob chlazení, musejí výrobci strojů a nástrojů poskytnout řešení, která budou vhodná pro různá provedení. „Uživatel klade na výrobce strojů požadavek, aby se všechny možnosti daly jednoduše kombinovat a aby byl nabídnut dobrý poměr ceny k výkonu,“ vyjadřuje se Thing, manažer firmy Haas. „U nás může zákazník jednoduše různá provedení chlazení porovnat a všechna řešení vyvinutá a vyrobená u firmy Haas a veškeré znalosti celého systému mít z ‚jedné ruky‘.“

Zdroj: MM Das Industriemagazin, č. 32/33, 2015

Jaroslav Řasa

Jar.rasa@seznam.cz