Hydrostatika zvyšuje užitnou hodnotu obráběcích strojů

Argo-Hytos je tradičním a dlouholetým dodavatelem hydraulických prvků a agregátů do firmy Toshulin. Mezi standardní pomocné funkce obráběcích strojů ovládaných hydraulikou patří upínání nástroje a obrobku, zpevnění os nebo vyvažování smykadla. Obráběcí stroje firmy Toshulin disponují i další řadou silových hydraulických funkcí, které obsluhují agregáty firmy Argo-Hytos.

Pro optimální zajištění uvedených funkcí je důležité pochopit vzájemné potřeby a možnosti mezi odběratelem a dodavatelem. Na této skutečnosti také Argo-Hytos staví svoji konkurenční výhodu. Firma má zkušenosti v oblasti konstrukce, výroby a zkoušení hydraulických agregátů více než 45 let. Důkazem jsou stovky dodaných zákaznických řešení agregátů a hlavně stejný počet spokojených koncových uživatelů výrobních strojů po celém světě.

V současné době je zaznamenán nárůst používání systému hydrostatického vedení výrobci obráběcích strojů. Spolupráce mezi firmami Toshulin a Argo-Hytos přinesla v minulosti celou řadu nových zákaznických řešení jak z pohledu funkce, tak i kvality či energetické efektivity. Dalším krokem spolupráce byl vývoj hydrostatického agregátu pro vedení svislého obráběcího centra.

Nosné části obráběcího stroje, které se vůči sobě pohybují – translační pohybové osy –, se stýkají na plochách, pro které existuje ustálený výraz lineární vedení. Historicky nejstarší jsou vedení kluzná. Jejich vlastnosti, díky materiálovému výzkumu a vývoji firem zabývajících se plasty, dokážou výrobci obráběcích strojů vylepšit tak, že jsou u obráběcích strojů stále použitelné. Někteří výrobci obráběcích strojů mají na kluzném vedení postavené stroje i celý byznys s nimi spojený.

Hydrostatická vedení jsou dalším z typů, které vzniklo jako alternativa ke kluznému a valivému vedení ve chvíli, kdy tyto přestaly pro dané potřeby obráběcího stroje vyhovovat. Hydrostatické vedení má tu vlastnost, že má velmi malou třecí sílu, která působí proti pohybu. Dále má výborné tlumicí vlastnosti a v případě správné funkce vykazují lineární vodicí plochy nulové provozní opotřebení po dobu mnoha let provozu. Tedy si dlouhodobě zachovávají vysokou pracovní přesnost. Hydrostatická lineární vedení se dále vyznačují vysokou tuhostí, tlumením a umožňují pohyby s minimálním polohovacím krokem. Pro výrobce těžkých obráběcích strojů je výhodná jejich vysoká únosnost. U velmi těžkých obráběcích strojů není pro uložení jejich rámů, kde pohyb obrobků v podstatě neexistuje, jiná racionální alternativa, jak lineární (ale i rotační) pohybové osy realizovat. O přínosech užití hydrostatiky pro pohyb hmotných předmětů hovoří i to, že loďaři v docích pohybují loděmi o hmotnosti tisíců tun na hydrostatických vedeních. Rozdíl proti obráběcím strojům je v požadavcích na přesnost a v tom, že médiem proudícím v trubkách je mořská voda.

Princip hydrostatického vedení je založen na vtlačování oleje mezi dvě plochy, které se mají vůči sobě pohybovat. Díky tomu mezi dvěma pevnými látkami vznikne vrstva kapaliny (maziva), nedochází k mechanickému kontaktu vůči sobě se pohybujícím plochám, tzn. že odpor proti pohybu klade kapalina. A jak známo, kapalinné tření je mnohem menší než suché.

Výhodami a vlastnostmi hydrostatického vedení lineárních os obráběcího stroje jsou:

• vysoká tuhost vedení suportu a smykadla;
• bezvůlové uložení lineárních os;
• vysoké tlumení vibrací rázů během obrábění;
• velmi malé pasivní odpory proti pohybu (malý součinitel tření);
• stabilita při malých rychlostech pojezdu – žádný stick‐slip efekt;
• přesnější polohování lineárních os (lze minimalizovat polohovací krok);
• delší životnost (nulové opotřebení vodicích ploch, vodicí plochy se nedotýkají ani při nulových rychlostech).

V porovnání s kluzným vedením jsou uvedené parametry hydrostatických vedení lepší. Oprávněně diskutabilní může být únosnost, avšak dimenzování pohonu translační osy (požadavek na výkon a moment motoru) „hraje“ ve prospěch hydrostatického vedení. Obrovskou výhodou kluzného vedení je, že výrobce používající pouze kluzná vedení nemusí tímto know-how disponovat a „jednodušší život“ má samozřejmě uživatel stroje, resp. jeho údržba.

Vývojové i provozní zkoušky a měření prováděné v Toshulinu a u zákazníků říkají, že dynamická tuhost je proti valivému vedení lepší. Při zkouškách výkonového obrábění s velkým vysunutím smykadla zvládl stroj typu Forceturn s hydrostatikou stejný úběr materiálu při vysunutí smykadla 1 750 mm jako stroj s valivým vedením při vysunutí 1 450 mm. Při běžně zkoušeném vysunutí smykadla (cca 500 mm) stroj s hydrostatickým vedením zvládne větší úběry materiálu. Měřítkem může být např. jakost obrobené plochy, která se vyhodnocuje opticky – lomem světla, protože je komparativními metodami neměřitelná. Limity strojů ani hydrostatického vedení nebyly nalezeny, protože díky rozměrům plátků, které byly k dispozici (50 x 50mm), nebylo možné obrábět větší hloubku třísky, aby byl využit plný výkon soustružnického obráběcího centra. Plně srovnatelné zkoušky se připravují na aktuálně vyráběných speciálních strojích určených pro letecký průmysl.

Na okraj krátká poznámka. Firma Toshulin disponuje vlastní technologií hydrostatického uložení upínací desky. Únosnost upínací desky velkých velikostí je až 100 tun. Minimální pasivní odpory upínací desky lze na otočných stolech jednoduše prokázat – na rozdíl od lineárních os (kvůli kuličkovým šroubům, zabrzděným motorům atd.). Zákazníci Toshulinu si proto rádi užívají okamžiku, kdy ukazováčkem zlehka tlačí na obvodu upínací desky, na které je umístěno 40 tun, a ta se zvolna otáčí.

Vedení hydrostatického typu je nejlepším možným řešením pro velmi přesné stroje, stroje s nárokem na minimální polohovací krok, stroje pro tvrdé obrábění vyžadující vysoké tlumení a pro těžké stroje. V případě malých zatížení a extrémních přesností používají výrobci obráběcích strojů (a měřicích strojů) jako médium vzduch. Alternativou uložení pohybové osy obráběcího stroje je magnetický polštář, který se však nepoužívá.

Nedílnou součástí systému hydrostatického vedení je hydraulický agregát, který dodává hydraulický olej do jednotlivých hydrostatických buněk v požadovaných parametrech. Ten se skládá ze dvou okruhů.

Obslužný okruh sestává z přídavného čerpadla chladicího okruhu, které nejdříve čerpá olej přes filtr schopný zachytit nečistoty větší než 10 mikronů a deskový výměník, kterým protéká chladicí médium (voda). Olej z přídavného čerpadla proudí podle momentální potřeby, částečně do sacího vedení tlakového čerpadla hydrostatického okruhu a částečně zpět do olejové nádrže. Pracovní teplota oleje je udržována na 20 °C.

Tlak a průtok oleje v hlavním okruhu vytváří zubové čerpadlo s vnitřním ozubením. Toto čerpadlo má pro hydrostatiku nezbytnou vlastnost, a to, že má nízkou pulzaci. Čerpadlo, v typickém provedení hydrostatického agregátu, je poháněno asynchronním motorem o výkonu 2,2 kW. Regulace požadovaného průtoku oleje je prováděna změnou otáček čerpadla pomocí frekvenčního měniče. Toto řešení je energeticky výhodnější v porovnání s regulací čerpadla s proměnným geometrickým objemem. Regulace hydrogenerátoru je prováděna na konstantní tlak, mění se tedy průtok. Dodávaný průtok oleje hlavního čerpadla je 1,9–9,6 litru za minutu, což odpovídá rozsahu otáček 400–2 000 min-1 při pracovním tlaku 100 barů. Požadovaný tlak na výstupu z agregátu je udržován pomocí tlakového spínače, který přímo komunikuje s frekvenčním měničem.

Hydraulický agregát se dále skládá z hydraulického akumulátoru o objemu 2,8 l, který má zajistit přísun oleje do hydrostatických vedení v případě výpadku elektrického proudu. Akumulátor také přispívá ke stabilizaci hydraulického obvodu. Požadovaná čistota oleje je zajišťována tlakovým filtrem. Maximální tlak oleje v obvodu hlídají přepouštěcí ventily umístěné na výstupu z hydraulického agregátu. Hydraulické prvky včetně nádrže jsou dodávány firmou Argo-Hytos.

Michal Tomek, Jiří Vrhel, Lubomír W. Novotný

Argo-Hytos, Toshulin

j.vrhel@argo-hytos.com

Lubomir.Novotny@toshulin.cz