Cesty k vyšší energetické účinnosti v třískovém obrábění

Moderní průmysl se bez energie neobejde. Globální růst obyvatel, rostoucí životní úroveň a rostoucí výroba jsou důvodem stále se zvyšující spotřeby energie. Na druhé straně jsou kapacity zdrojů energie, jako je uhlí, ropa nebo biopaliva omezené. Rostoucí poptávka po energiích při jejich současném omezení je příčinou stálého prudkého růstu jejich cen. Z tohoto hlediska je energetická účinnost výrobních procesů hnacím momentem, který umožní i v budoucnu využívat ve výrobě moderní technologie. Ale jak a s jakými konkrétními pákami je možné zvýšit energetickou účinnost třískového obrábění?

Měříme-li spotřebu energie u obráběcích strojů, včetně agregátu chlazení, můžeme definovat různé body pro zvýšení energetické účinnosti:
• optimalizaci obráběcího stroje a jeho komponent z hlediska spotřeby energie;
• minimalizaci doby chodu stroje jeho vypnutím, pokud nepracuje;
• optimalizaci procesu obrábění a použitých nástrojů (obr. 1).

Spotřeba energie vlastního obráběcího stroje činí při obrábění v typické velkosériové výrobě průměrně 80 % z celkové spotřeby energie. Zásobování řeznou chladicí kapalinou z toho spotřebuje asi 50 %. Další velkou část spotřeby energie má chlazení vlastního stroje, pohon stroje a hydraulika. Spotřeba energie chladicího agregátu může být snížena především regulací otáček čerpadla podle požadovaného množství chladicí kapaliny. Takto je možné snížit spotřebu energie chladicího agregátu až o 60 %. Spotřeba energie celého stroje se v tomto případě sníží pouze optimalizací chlazení o 30 %.

V typickém případě činí u obráběcích strojů podíl hlavního času obrábění k celkovému výrobnímu času asi třetinu nebo i méně. Zbytek času, kdy stroj běží, je čekací doba a čas na seřízení a na výměnu nástroje. Z toho plynou dva základní poznatky pro energetickou účinnost. Během tohoto neproduktivního času by se měly všechny nepotřebné, nákladné komponenty automaticky vypnout. Tímto opatřením můžeme částečně ušetřit až 20 % z celkové energie obráběcího stroje.
Dosud uváděné možnosti šetření energií mohou být z valné části realizovány pouze při koupi nového obráběcího stroje optimalizovaného z hlediska úspory energie. Investice do takového obráběcího stroje se zpravidla vyplatí pouze v případě, když jsme z hlediska zvýšení výroby nuceni nový stroj koupit. Vzhledem k velkému počtu v průmyslu již používaných obráběcích strojů a jejich velké životnosti je nutné zkoumat a realizovat možnosti úspory energie u nástrojů a samotného procesu obrábění také u těchto starších strojů.

Pro optimalizaci nástroje a procesu obrábění je účelné rozčlenit spotřebu energie obráběcího stroje jinak, než je na obr. 2. Při dalších úvahách jsou sloučeny všechny spotřebiče stroje, které jsou při zapnutí stroje trvale nebo čas od času v činnosti. Výkon všech těchto spotřebičů je sloučen a brán jako základní výkon stroje. Spotřeba všech spotřebičů společně s chlazením jsou označeny jako výkon KSS. Výkon, o který se zvýší základní výkon obráběcího stroje během obrábění, se nazývá výkon procesní. Vynásobíme-li ho dobou běhu, dostaneme vždy energii (energie procesu, KSS energie, energie pro obráběcí stroj).

Pro úplnou optimalizaci je smysluplné přihlédnout k energii připadající na obráběcí nástroj. Bez uvažování této energie by u uživatelů mohla být optimální spotřeba energie dána při extrémně krátkých trvanlivostech nástrojů. Naopak u výrobců nástrojů by to vedlo k vysoké spotřebě energie.

Podíl uvedených čtyř energií na celkové potřebné energie závisí samozřejmě značně na obráběcím stroji a daném procesu obrábění. Ve většině případů je však energie procesu menší než 20 % z celkové energie. Výkon KSS může činit značně větší podíl, když pracuje vysokotlaký systém chlazení vnitřkem nástroje.
Nejprve je zřejmé, že se na začátku obrábění procesní energie snižuje. Je to dáno tím, že je použit nový, ostrý obráběcí nástroj, u kterého je řezná síla díky vhodné mikro- a makrogeometrii břitu nástroje (malý rádius ostří, velký úhel čela) a tření čela s povlakem nesrovnatelně menší než v průběhu obrábění. Vzhledem k těmto opatřením může být značně snížena energie potřebná pro tvoření třísky a tak také řezná síla.

Experimenty prováděné vrtáním novým monolitním vrtákem ze slinutého karbidu do korozivzdorné oceli ukázaly rozdíl až 24 % ve velikosti řezné síly a energie pro tvoření třísky, při stejné produktivitě (obr. 3). Vycházeje z potenciálu úspory 24 % procesní energie, sníží se celková energie procesu obrábění pouze o 3 až 4 % (obr. 4). Základem pro tyto výpočty jsou měření provedená na obráběcím centru běžně používaném ve velkosériové výrobě v automobilovém průmyslu (dvouvřetenový stroj Alfing) a na dalším obráběcím centru, které se používá v sériové výrobě a také ve výrobě nástrojů a forem (Hermle C30).

Ve většině případů má zmenšení řezné síly při stejné produktivitě pouze malý vliv na snížení spotřeby energie. Pouze u procesů obrábění s velkým podílem procesní energie na vlastní spotřebu energie, např. při těžkém hrubování, přináší zmenšení řezné síly při stejné produktivitě zřetelné zvýšení energetické účinnosti. Je však nutné vzít v úvahu také potřebnou stabilitu a bezpečnost procesu obrábění. Menší řezné síly v důsledku menšího posuvu nebo přísuvu jsou z hlediska energetické účinnosti kontraproduktivní. Zvyšují spotřebu energie z důvodu delšího času obrábění.

Základní výkon a tím i energie obráběcího stroje, které jsou potřebné pro pohon stroje, mají zpravidla relativně velký podíl na celkovém výkonu a na celkové energii. Doba běhu stroje tak ovlivňuje celkovou energii velmi silně. Jak hlavní, tak také vedlejší časy je nutné s ohledem na energeticky vhodný proces obrábění co možná nejvíce zkrátit.

Cílem optimalizace procesu obrábění je dosud stále růst produktivity. V této oblasti existuje celá řada účinnějších opatření vedoucích ke snížení spotřeby energie. Jeden příklad při vrtání ukazuje obr. 5. Optimalizací konstrukce vrtáku byl snížen čas vrtání o 70 % a tím snížení spotřeby energie během vrtání o 60 %. Nejdůležitější změnou geometrie nástroje bylo jiné uspořádání vodicích fazetek, takže se vrták nemohl ve vrtané díře zadřít. Kromě toho byl změněn také materiál vrtáku a použitý povlak.

Další možností, jak zvýšit produktivitu a tím i energetickou účinnost, je zvýšení posuvu na otáčku. Při dokončovacím obrábění s vícebřitým výstružníkem s novou geometrií bylo možné pracovat s nástrojem, který nemá téměř žádnou zubovou mezeru. To umožnilo zvýšit počet břitů a značně zvětšit i použitý posuv.
V mnoha případech je produktivita procesu obrábění omezena vibracemi nástroje. Pak nástroj ani hlavní vřeteno neumožňují pracovat s vysokou produktivitou (vyšším posuvem nebo přísuvem). Abychom snížili vlastní buzené kmity, musíme omezit posuv a přísuv. V takových případech může být produktivita značně zvýšena, když se vibrace odstraní.

Dva příklady nástrojů optimalizovaných z tohoto hlediska ukazuje obr. 6. Vpravo je ukázán nástroj, jehož břity mají různý úhel šroubovice. Tím jsou jednotlivé frekvence méně buzené, což vede k menší náklonnosti nástroje k vibracím a k vyššímu výkonu obrábění (úběru materiálu).

Na levé straně obr. 6 je skica geometrie speciální frézy pro frézování vysokým posuvem ve srovnání s konvenční frézou. Tyto nástroje se hodně používají při výrobě tvářecích nástrojů a forem. Frézy pro vysoké posuvy pracují s extrémně malým axiálním přísuvem a velmi velkým posuvem, přičemž úhel záběru tohoto nástroje je velmi malý. Proto je radiální řezná síla působící na nástroj relativně malá a axiální síla je větší. V axiálním směru je nástroj velmi tuhý, takže vyšší axiální síla nezpůsobuje žádný problém. V radiálním směru je nástroj relativně poddajný. Menší radiální část celkové řezné síly ve spojení s malým úhlem nastavení vede k velmi velkým posuvům a značně většímu výkonu obrábění ve srovnání speciální frézy s válcovými frézami.

Dobrou možnost snížit jak hlavní, tak také vedlejší časy, skýtá použití kombinovaných nástrojů. Ve velkosériové výrobě s nimi můžeme často na obráběcím centru provést více následných operací. Tím na jedné straně šetříme čas na výměnu nástroje a s tímto časem spojenou spotřebu energie. Na druhé straně je při současném obrábění na více místech snížen hlavní čas. Na obr. 7 vlevo je ukázán nástroj, u kterého bylo spojeno devět různých operací do jednoho nástroje. V mnoha případech je možné kombinovaným nástrojem provést také rozdílné obráběcí operace. Nástroj, se kterým se nejprve vrtá a následně frézuje, je ukázán na obr. 7 vpravo.

Energetická účinnost je dnes zajímavá pro řadu podniků a umožňuje jim snižovat náklady na energii i celkové výrobní náklady. V budoucnosti bude toto téma při stále rostoucích cenách energií pro podniky, které stále zvyšují výrobu, velmi důležité. V třískovém obrábění existuje mnoho možností, jak zlepšit energetickou účinnost. U takových částí, jako je čerpadlo, elektromotor, stlačený vzduch nebo osvětlení, můžeme s poměrně malými konstrukčními zásahy dosáhnout značného zlepšení.

Když odkládáme nové investice do obráběcích strojů, můžeme využít potenciál úspor, který existuje u stávajícího stroje. Toto se týká především systému chlazení místa obrábění, chlazení stroje a hydrauliky. Tady pomůže porovnání nákladů na životní cyklus, aby se nejprve ospravedlnila poněkud dražší technika, pomocí níž však můžeme v podniku (provozu) značně šetřit energii. Také organizační opatření, která nevedou ke snížení produktivity ve výrobním čase stroje, zlepšují energetickou účinnost ve výrobě.

Obráběcí stroje mají velkou životnost. Pro podnik by bylo žádoucí využít možnosti zlepšení energetické účinnosti u již existujících strojů, které využívá při výrobě. Často je účelné zejména snížení hlavních a vedlejších časů ve výrobním procesu, což vedle zlepšení energetické účinnosti snižuje přirozeně také náklady na stroj. Sledujeme-li spotřebu (příjem) energie obráběcího stroje, včetně chladicího systému a systému stlačeného vzduchu, je možné také s existujícími obráběcími stroji s poměrně malými investicemi do optimalizace nástrojů dosáhnout úspory energie až 25 %.

Eckehard Kalhöfer a Jochen Kress

MM Das Industriemagazin, č.1/2, 2014, str. S26 až S29.

Zpracoval: -VŘ-

dana.benesova@mmspektrum.com