Témata
Reklama

Cesty k vyšší energetické účinnosti v třískovém obrábění

Energie je stále dražší. Z analýzy spotřeby energie u obráběcích strojů a z návazného procesu obrábění je možné odvodit konkrétní závěry pro zvýšení energetické účinnosti a stanovit, co je základem pro optimalizaci nástrojů a procesu 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?

Reklama
Reklama
Obr. 1. Optimalizace mikro- a makrogeometrie nástrojů skýtá možnost snížení spotřeby energie ve výrobě.
Obr. 2. Podíl spotřeby energie jednotlivých komponent obráběcího centra (MAG XS211) v sériové výrobě při třísměnném provozu.

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).

Řízené otáčky čerpadla snižují spotřebu energie agregátu pro chlazení

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 %.

Obr. 3. Snížení spotřeby energie optimalizací konstrukce nástroje

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.

Snadno řezající nástroje snižují energii procesu

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.

Obr. 5. Úspora hlavního času a energie z důvodu zvýšení produktivity
Obr. 6. Nástroj se sníženou náchylností ke chvění; vlevo z důvodu malé radiální řezné síly, vpravo z důvodu různé šroubovice břitů

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).

Doba zatížení stroje ovlivňuje celkovou energii

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.

Obr. 4. Celkový potenciál úspory snížením energetické náročnosti procesu 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.

Vibrace nástroje omezují produktivitu

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.

Obr. 7. Kombinovaný nástroj pro snížení hlavních a vedlejších časů

U stávajících obráběcích strojů je možné šetřit až 25 % energie

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

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 140605
Datum: 11. 06. 2014
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Související články
Aktuální přístupy ke zvyšování produktivity třískového obrábění

V každé výrobní technologii neustále klademe nové požadavky na zvyšování produktivity, přesnosti, jakosti, efektivity, spolehlivosti apod. Produktivita je jedním z důležitých parametrů, na jejichž základě lze technologie mezi sebou srovnávat. Třískové obrábění si z pohledu produktivity neustále udržuje významné postavení, neboť je schopno zajistit všechny výše uvedené požadavky i pro velmi přesné dílce. Výše celkové produktivity a samozřejmě i ostatních parametrů je dána každým článkem z tohoto řetězce: zvolený nástroj – upnutí nástroje – řezné podmínky – upnutí dílce – zvolená strategie obrábění – NC kód (vazba na CAM a postprocesor) – možnosti stroje z pohledů parametrů pohonů a též jeho technologické konfigurace (multifunkčnost) – řídicí systém.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Expert na mikroobrábění

V loňském roce na MSV v Brně uvedla společnost Kovosvit MAS nové pětiosé vertikální centrum MCU450. Symbolicky na stánku společnosti Siemens, která pro prototyp stroje dodala řídicí systém, pohony, motory a zároveň rozváděč osazený ze 100 % komponenty Siemens. Již na veletrhu bylo oznámeno, že prvním zákazníkem obráběcího centra MCU450 bude katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Vznikla intenzivní spolupráce mezi Kovosvitem MAS, Siemensem a vysokou školou, která již přináší první výsledky: aktuálně společnými silami zmíněné subjekty úspěšně řeší mikroobrábění. Předmětem jejich zájmu je těleso náramkových hodinek.

Komplexní obrábění rotačních dílů

Následující článek poskytuje reference rakouského výrobce obráběcích strojů Emco u svých klíčových zákazníků. V dnešním vydáním přineseme pohled z laakirchenského závodu na výrobu rotačních dílů Miba Gleitlager Austria GmbH a v příštím vydání reportáž ze salcburské firmy MTE Metalltechnik Elsenhuber specializující se od kusové až po sériovou výrobu dílů a sestav.

Nová metodika hodnocení řezných vlastností nástrojů

Řezivost nástrojů je termín obdobný základním technologickým vlastnostem zpracovávaných technických materiálů, jako jsou například svařitelnost, slévatelnost či tvařitelnost. Podobně jako u jiných technologií je nutno vztáhnout tuto charakteristiku k požadovanému kritériu, to je k hlavnímu sledovanému cíli a základním podmínkám zkoušek. To znamená, jakou požadovanou práci či dosaženou kvalitu produkce od řezného nástroje očekáváme a s jakou spolehlivostí či rizikem tyto výkony chceme opakovat a používat.

Silná geometrie s měkkým řezem

Existují prezentace produktů, které je potřeba přečíst si několikrát, než je člověk pochopí. Tato prezentace k nim ovšem nepatří. S-Cut SC-UNI je fréza, jejíž funkční princip lze přes její unikátní provedení, nebo právě proto, velmi snadno vysvětlit. Její břity ve tvaru S a extrémně nestejné dělení potlačující chvění vyvolané procesem obrábění vytvářejí z této frézy vysoce kvalitní nástroj, který v rámci veškerých srovnávacích testů poráží porovnávané frézy.

Upnutí obrobku ovlivňuje přesnost a produktivitu obrábění

Přesnost a produktivitu obrábění ovlivňuje mnoho faktorů. Svůj podíl na výsledku má typ a vlastnosti použitého obráběcího stroje, volba nástrojů a řezných podmínek, zvolená strategie obrábění a v neposlední řadě i způsob upnutí a vyrovnání dílce před obráběním. V některých specifických případech je volba upnutí klíčovým faktorem pro realizaci celé technologie v požadovaných parametrech.

Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

Patrick De Vos

Patrick De Vos se narodil v roce 1959 v Belgii. Už při studiu se věnoval oboru výrobní technologie. Po jeho skončení na škole zůstal ještě dva roky jako učitel a vědecký pracovník a věnoval se optimalizaci obráběcího procesu a výrobních technologií. Od roku 1983 pracuje pro Seco, kde vystřídal několik různých pozic. Od roku 2006 zastává svoji současnou funkci manažera výuky, kde je zodpovědný za vzdělávání zaměstnanců i zákazníků.

Nesousledné frézování

K výrobě zákaznických nástrojů neodmyslitelně patří rozvaha o životnosti a údržbě navrhovaných nástrojů. Její součástí je doporučení strategie obrábění včetně jeho smyslu. A to je zase přizpůsobeno konstrukčním možnostem obráběcího stroje. Konvenční stroje, které zajišťují posuv pomocí prosté soustavy šroub-matice, umožňují pouze nesousledný způsob frézování. Důvodem je obtížně odstranitelná vůle mezi šroubem a maticí. Ta by při volbě sousledného obrábění vedla v mezích této vůle ke vtažení obrobku pod frézovací nástroj a jeho jistou destrukci.

Rychlejší výměna nástrojových držáků

Výměna nástroje na stroji musí být provedena ve správný okamžik a rychle. Modulární rychlovýměnné systémy a technika polohování nástrojových držáků na stroji zjednodušují výměnu, čímž se zároveň zkracují vedlejší časy.

Výběr správného závitníku

Nejdůležitějším faktorem při jakémkoliv moderním obrábění je výběr nejvhodnějšího obráběcího nástroje pro danou aplikaci. Vzhledem k tomu, že nabídka závitníků umožňujících vytvoření závitu v obráběné díře je obrovská, může se nalezení správné volby jevit jako obtížné.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit