Ecodesign - cesta k efektivní výrobě a technologiím

Poznatky uživatelů strojů z posledních let prokazují výhody energeticky efektivních strojů a výroby. Znalosti získané z aplikací a výzkumných projektů Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii při Fakultě strojní ČVUT v Praze (dále jen VCSVTT) ve spolupráci s českým průmyslem ukazují, že je možné zachovat vysokou produktivitu výroby při dosažení nižší spotřeby energie, což přináší uživateli nesporné ekonomické výhody. V této souvislosti jistě není bez zajímavosti zaznamenaný vznikající zájem uživatelů strojů na vybraných trzích v Asii (Rusko, Čína, Indie) o spotřebu strojů a potenciální úspory.

V případě rozhodnutí modifikovat stroje nebo výrobní linky či technologie podle zásad ekodesignu je vhodné zvážit význam jen těch modifikací, které nesnižují užitné vlastnosti daných zařízení. Prvním krokem je analýza aktuálního stavu a vytipování míst, kde dochází k energetickým ztrátám. Příkladem lze uvést fluidní okruhy, mařící často významnou část dodávky v odpadní větvi, nebo chladicí zařízení, podchlazující strojní části díky špatnému řízení. V druhém kroku následuje realizace nápravných opatření optimalizací komponent, způsobů řízení apod. Závěrem jsou opatření verifikována a je provedena kvantifikace dosaženého výsledku. Při požadavku na zvýšení intenzity výroby je třeba uvedené postupy uvažovat v kontextu změny celé technologie a vzájemných synergických efektů realizovaných opatření.

V oblasti obráběcích strojů probíhají intenzivní práce na tvorbě metodiky SRM – Self-regulation management –, na které pracuje skupina EEWG při Cecimo (VCSVTT je zastoupeno), kterou podpořil evropský průmysl na posledním Konzultačním fóru v květnu 2014. Aktuálním cílem je vyjasnění pozitivních i negativních dopadů pro budoucí uživatele, včetně tvorby pilotních technických dokumentací konkrétních strojů a technologií.

Druhou paralelní větví dokumentační činnosti je tvorba norem ISO pro hodnocení obráběcích strojů pracovní komisí ISO TC39/WG12, kde je RCMT přímým členem. Výsledkem v současné době je oficiální vydání úvodní normy ISO 14955-1:2014 pro identifikaci skupin komponent a podílů příkonu. V rozpracované formě se nachází část 2 (postup měření spotřeby) a část 4 (tvářecí stroje) s očekávaným vydáním během roku 2016. Ve stadiu úvodního návrhu je část 6 pro hodnocení spotřeby při výrobě známého konkrétního dílce v sériové výrobě.

Jak již bylo uvedeno, při snaze snížit spotřebu energie je nutné nejprve získat přehled o stavu stroje nebo technologie. Po mnoha měřeních a analýzách, které VCSVTT provedlo během posledních čtyř let, byl potvrzen fakt, že tzv. periferie – fluidní okruhy, chlazení, spotřeba stlačeného vzduchu apod. – jsou majoritním spotřebičem energie. Zde lze proto spatřit významný potenciál pro dosažení úspor energií při synergickém efektu zvýšení teplotní stability stroje a tedy zpřesnění výroby a rovněž pro minimalizaci plýtvání s energií.

Ukázka rozložení spotřeby energie ve stroji během testovací sériové výroby. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Poslední oblastí, nikoliv v pořadí významnosti, je návrh optimálních technologií pro výrobu dílců. Intenzivnější řezný proces znamená kratší dobu výroby dílce a tedy i menší množství energie potřebné na jeho výrobu. Pro vyšší produktivitu obrábění lze optimalizovat nastavení pohonů a řídicího systému, modifikovat NC kód, změnit řezné nástroje, řezné podmínky a způsob chlazení procesu.

Často se stává, že technologie je posuzována podle aktuálního příkonu udávaného v kW. To je jednotka výkonu. Množství spotřebované energie je dáno výkonem a dobou jeho působení a měří se tedy v kWh. Z této jednoduché úvahy plyne, že úspory energie je možné dosáhnout i zvýšeným aktuálním příkonem stroje či linky, který pokud umožní dostatečně zkrátit čas výroby, snižuje i celkovou spotřebu energie.

RCMT se intenzivně zabývá optimalizací procesů obrábění. V následujícím textu jsou ukázány některé možnosti modifikace řezného procesu, které vedly ke snížení spotřeby energie.

Na produktivitu obrábění má velký vliv podoba NC kódu a jeho interpretace strojem. Naladění parametrů pohonů a řídicího systému vzhledem k požadované přesnosti dílce, jakosti povrchu a minimalizaci času výroby se tak stává významnou úlohou při zvyšování produktivity obrábění.

Příkladem z praxe byl požadavek zákazníka na zkrácení kusového času u duralového dílu pro letecký průmysl. Jednalo se o 3+2 obrábění (indexované rotační osy) na stroji s řídicím systémem Heidenhain iTNC530. Na stroji bylo nejprve zkontrolováno naladění pohonů, přičemž se podařilo mírně zvýšit regulační parametry pohonů. Následovala zkouška obrábění na testovacím kusu s tvarovou plochou, při níž byly testovány parametry interpolátoru stroje. Cílem bylo nalezení optimálního poměru mezi přijatelnou kvalitou povrchu, přesností obrobku a časem obrábění. Po obrobení dílce se ukázalo, že nové nastavení parametrů pohonů a interpolátoru umožnilo snížit cyklový čas o cca 15 % při nezměněném příkonu stroje.

Za typickou aplikaci pro snížení nákladů na chod stroje lze považovat správné nastavení hydraulických okruhů. Typickým příkladem z praxe může být předimenzování dodávky řezné kapaliny vysokého tlaku vzhledem k propustnosti použitého nástroje s vnitřním chlazením. Zejména u malých nástrojů tak často dochází k využití pouze 20–50 % kapaliny. Problém lze řešit instalací frekvenčně řízených agregátů a naladění dodávky v souladu s požadovaným chladicím efektem, lámáním a odvodem třísek a životností nástroje. Úspora energie představuje podle konkrétní technologie 20–40 % původního odběru.

Spotřebu energie ovlivňuje také volba geometrie břitu, která má vliv na řeznou sílu a tedy i příkon potřebný pro obrábění. Především u hrubovacích operací, kde je podíl energie potřebné pro obrobení dílce na celkové spotřebované energii strojem relativně vysoký (cca 10 až 40 %), je volba správného nástroje a jeho geometrie rozhodující. Příkladem může být frézování oceli 12050 čelní frézou o průměru 63 mm. Změnou typy břitových destiček s jinou geometrií poklesl příkon vřetena frézky téměř o 50 %, a to při stejných řezných podmínkách, strategii obrábění, produktivitě a dokonce velmi podobné životnosti břitu obou nástrojů.

Volba způsobu chlazení a mazání ovlivňuje jak velikost síly, tak i spotřebu energie na jeho přípravu a dodání. Řezné prostředí jako takové má významný vliv na jakost obrobku, životnost břitu nástroje a s tím spojenou volbu řezných podmínek z pohledu hospodárnosti, produktivity a jakosti obrábění. Tyto volby rovněž ovlivňují spotřebu energie. Vliv má dvojí charakter. Efekt na samotnou velikost řezné síly, a to podle svých chladicích, mazacích a řezacích účinků a podíl na celkové spotřebě stroje daný energií potřebnou pro samotnou přípravu prostředí (filtrace, přečerpávání, chlazení apod.). Tento podíl může být velmi výrazný. S rostoucími možnostmi volby řezného prostředí rostou také nároky na technické pracovníky, návratnost je však zajištěna díky úspoře nákladů, ať již ve formě úspory energie nebo spotřeby nástrojů, kapalin či vyšší kvalitou výroby.

Případový podíl řezného prostředí na celkové spotřebě menší horizontky. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Virtuální model stroje a řezného procesu zahrnuje popis vazeb mezi CNC řízením stroje, řízením pohonů, mechanickou stavbou pohonů a stroje a řezným procesem pro kontrolu optimálního nastavení řízení a součinnosti celého řetězce vazeb řízení a mechanické stavby stroje (obr. 6) lze výhodně použít pro ověření vyvíjené technologie. Model vytvořený ve VCSVTT využívá jader skutečných řídicích systémů Siemens nebo Heidenhain, které zaručují plnou věrohodnost časových simulací obrábění. Specifickou vlastností řešení VCSVTT je zahrnutí dynamiky nosné struktury stroje a propojení s modelem nástroje a obrobku.

Modelovou interakci nástroje s obrobkem zaručují výpočty řezných sil, které jsou měřítkem zatížení nástroje, pohonů a vřetena. Přímo z výstupů simulací virtuálního obrábění lze odečítat jak proudovou spotřebu pohonů pohybových os, tak momentové nároky na pohon vřetena.

Virtuální model stroje umožňuje simulační ověření součinnosti vazeb mezi nastavením CNC řídicího systému, pohonů, nosné struktury stroje a řezného procesu.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Energetické hledisko je nezbytnou součástí hodnocení procesu obrábění, doplňující kritéria kvality, přesnosti a času obrábění. Snižování spotřeby energie má přímý vliv na snižování celkových výrobních nákladů. Praktické zkušenosti RCMT a jeho průmyslových partnerů ukazují, že významný vliv na celkovou spotřebu má jak volba typů a nastavení chodu periferií stroje, tak celkové nastavení obráběcího procesu – počínaje přípravou NC kódu, nastavením parametrů pohonů a interpolátoru stroje až po volbu řezných nástrojů, řezných podmínek a řezných médií. Tuto komplexní problematiku je také možné simulovat virtuálním modelem stroje a procesu.

Ing. Jiří Vyroubal, Ph.D.

Článek byl vytvořen s finanční podporou TA ČR (TE01020075).

J.Vyroubal@rcmt.cvut.cz