Uspořit energii při obrábění je úkolem doby Bez stále se zdražující energie vyrábět nelze. Snižování její spotřeby se stává stále naléhavější, nutnosti šetřit energii se v brzké době nevyhne žádný hospodářský subjekt a důležitost energetické efektivnosti obráběcích strojů a jejího hodnoceni se již dostala do hledáčku vrcholových legislativců. Problematikou se zabývají renomovaná výzkumná pracoviště a špičkoví výrobci obráběcích strojů. Její zkoumání patří i k úkolům, řešeným ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii ČVUT. Obtížnost snižování energetické náročnosti procesu třískového obrábění tkví v tom, že se jedná o komplexní problematiku a ne každé opatření je vhodné a dostatečně efektivní pro každého výrobce. Úspěšnost řešení je proto podmíněna důkladnou analýzou konkrétního pracoviště. Řada měření energie, spotřebované obráběcím strojem za určitý časový úsek, potvrdila nečekanou skutečnost. I s přihlédnutím k rozdílným způsobům nasazení stroje, které mohou měnit uvedený poměr zastoupení jednotlivých skupin spotřebičů, lze konstatovat, že výkon na vřetenu stroje, resp. potřebný krouticí moment, není pro spotřebovanou energii rozhodující (obr. 1). Na spotřebované energii se podílí spotřeba pohonných řetězců pouhými 10 až 20 %; rozhodující podíl mají systémy zásobování vysokotlakou řeznou a chladicí kapalinou včetně její filtrace a zpětného transportu (až 40 %), chlazení a klimatizace stroje (15 až 20 %), systémy nízkotlaké řezné a chladicí kapaliny (15 %), hydraulika a stlačený vzduch až 15 %. Řada opatření s vysokým potenciálem úspor je realizovatelná pouze výrobcem stroje – za všechna lze jmenovat například snižování energie nutné pro zrychlení pohyblivých skupin stroje důslednou optimalizací jejich hmotnosti – jiná však jsou v moci uživatele, realizovatelná při retrofitu stroje nebo při volbě strategie opracování konkrétního dílce. Renomovaní výrobci obráběcích strojů již nabízejí stroje vybavené elektromotory s energetickou účinností třídy IE2 a IE3, inteligentní regulací posuvů, rekuperací tepla generovaného elektronikou řídicí skříně či rekuperací energie spotřebované brzdnými procesy, inteligentní Standby regulací, automatickým vypínáním stlačeného vzduchu a průběžným měřením jeho spotřeby pro zjištění netěsností, frekvenčně regulovatelnými čerpadly a řadou dalších, energii šetřících funkcí. Dle jejich firemních materiálů lze takto během doby životnosti stroje ušetřit až 30 % elektrické energie. Řadu těchto opatření může realizovat i uživatel staršího stroje. Z hlediska maximálního efektu je účelné se zaměřit na systémy zásobování vysokotlakou a nízkotlakou řeznou a chladicí kapalinou. Spotřebu čerpadel lze snížit změnou typu regulace obvodu a regulovat tlakovou regulací nebo změnou otáček (obr. 2). Pro vybrané aplikace jsou na trhu čerpadla s několika sekcemi, jejichž spotřebu je možno usměrnit vypínáním jednotlivých sekcí dle potřeby. V případech, kdy jsou nízké nároky na dodávané množství, lze volit levné čerpadlo s konstantním dodávaným množstvím a vhodný akumulátor. Výsledkem těchto opatření je, že se dodává jen takové množství a tlak řezné kapaliny, které řezný proces aktuálně vyžaduje. Dle údajů, vyplývajících z provedených měření a z nabídky specializovaných výrobců, lze změnou typu regulace a vypínáním agregátů v čase kdy nejsou technologicky zapotřebí, ušetřit až 60 % energetické spotřeby tohoto okruhu spotřebičů a tedy až 30 % celkové spotřeby stroje. Z porovnání cen nabízených agregátů a ušetřených nákladů za energii navíc vyplývá, že jsou reálné doby návratnosti v řádu měsíců. Ve vybraných případech lze nahradit hydraulicky poháněné komponenty skupinami s elektrickým pohonem; jako příklad uvádíme upínače nebo elektricky poháněné revolverové hlavy Sauter (obr. 3); dalšími efekty této záměny jsou přínosy ekologické. Pro nárazovou potřebu tlakové kapaliny, jaká se například vyskytuje při upínání nástroje nebo zpevnění pohybové osy, lze s výhodou použít externích agregátů, jejichž představitelem jsou kompaktní agregáty HYDAC CO1. Převážná část komponent stroje nespotřebovává energii kontinuálně, ale nárazově, většinou jsou však v trvalém provozu. Proto jejich účelné a technologickým procesem podmíněné vypínání představuje vysoký potenciál úspor. K tomuto účelu se nabízí řada softwarových nástrojů, které jsou do řídicího stroje implementovatelné dodatečně. Například společnost Bosch-Rexroth nabízí funkci Standby-Manager, která uživateli umožňuje výběr regulovaných komponent a volbu jejich stavů či skutečností ovlivňujících vytížení stroje (např. momentální nedostatek dílců k obrábění). Na základě vyhodnocení těchto programových vstupů přepíná Standby-Manager jednotlivé komponenty stroje do módu s minimální spotřebou energie, vždy když tím není negativně ovlivněn výrobní proces. Obdobný systém INDEX Eco Fluid k řízení čerpadel nabízí společnost Traub pro soustružnické automaty Index. Režim optimalizace a řízeného vypínání se týká především pohonů, hydraulických agregátů, osvětlení atd. V případě zařazení skupin klimatizace do regulace je však nutné zvážit, zda vypínáním nedojde k nežádoucímu kolísání teplot vybraných skupin stroje, a tím ke zhoršení přesnosti výroby. Snížení potřebného krouticího momentu na vřeteni lze docílit moderními řeznými nástroji s pozitivní geometrií, opatřenými vhodným povlakem s nízkým koeficientem tření, které generují nízké řezné síly. Přesto, že takové snížení může představovat až 25% úsporu nákladů na energie, spotřebovaných vlastním řezným procesem, je celková úspora vlivem nízkého podílu pohonného řetězce relativně malá – 3 až 4 %. Naopak, použije-li se vícebřitý nástroj nebo obrábí-li se více nástroji najednou, je nárůst spotřeby energie pohonným řetězcem nepodstatný, ale snižuje se doba činnosti komponent okruhů dodávajících tlakovou řeznou a chladicí kapalinu, a dalších komponent, využívaných nezávisle na řezném procesu (chlazení stroje, klimatizace, osvětlení). Celková úspora energie je proto znatelná. To je základem filozofie společnosti Mapal, která dodává výkresové vícebřité nástroje (obr. 4). Zkrácení hlavního času tedy vždy přispívá k úspoře energie vlivem zkrácení času chodu energeticky náročných agregátů. Zvýšení úběru materiálu za jednotku času tedy znamená ve svých důsledcích snížení energie, potřebné k vyrobení jednoho dílce. Proto je účelné využívat metody vysoce produktivního obrábění, obrábění s vysokými posuvy a s přihlédnutím k ekonomické životnosti nástroje pracovat s nejvyššími přípustnými řeznými parametry. K tomu účelu je vhodné eliminovat omezení řezných parametrů v důsledku vzniku vibrací, např. použitím stopkového nástroje s rozdílným stoupáním šroubovice, a volit takovou řeznou geometrii, která převádí řezné síly do směru, v němž je nástroj výrazně tužší. Značných úspor energie se dosahuje omezením činnosti vysokotlakých okruhů dodávky řezné a chladicí kapaliny, vždyť jejich spotřeba představuje skoro polovinu spotřeby energie obráběcího stroje. Nabízí se účelné vypínání těchto okruhů nebo zavádění mazání minimálním množstvím, které je energeticky podstatně méně náročné, a navíc, dodatečné zavedení této metody v sobě neskrývá přílišné problémy. I při zohlednění eventuálních ztrát netěsnostmi je potenciál takové náhrady až 40% snížení energetické spotřeby oproti mazáním vysokotlakou kapalinou. Na trhu jsou k dispozici externí agregáty pro mazání minimálním množstvím, které lze k obráběcímu stroji dodatečně přiřadit a integrovat jejich ovládání do řídicího systému stroje. Za všechny lze jmenovat řadu agregátů LubriLean firmy SKF Lubrication Systems Germany (obr. 5), které nabízejí možnost zásobovat 1 až 8 mazacích míst. Ing. Petr Borovan
