jak zvolit správné chlazení pro obráběcí stroj

Během třískového obrábění se teplota v místě řezu pohybuje v rozmezí od 650 do 800 ºC. Při použití klasického chlazení se část chladicí kapaliny přemění v páru, která následně brání přístupu nové kapaliny, a tak není zaručen potřebný chladicí a mazací účinek. Jednou z variant eliminace těchto nežádoucích vlivů je správné použití vysokotlakého chlazení v kombinaci s volbou vhodného řezného nástroje.

Dříve, než se začneme zabývat chlazením samotným, věnujme několik slov otázce volby mezi tzv. mokrým obráběním a obráběním za sucha, o kterém se v poslední době hodně hovoří především v souvislostech s kvalitou a opotřebováváním nástrojů. Hlavní argument pro „suchou cestu“ je ten, že v okamžiku, kdy je nástroj zasažen chlazením, dochází k výraznému teplotnímu šoku. Tento efekt je zvláště patrný při frézování, kdy je nástroj během celého cyklu v rotačním pohybu. Například při otáčkách 1000 ot/min tedy dochází až k 1000 extrémním výkyvům teploty, které nástroj poškozují více než samotná vysoká teplota. U soustružení není tento problém tak závažný. Jedná se o 3 až 4 záběry třísky za minutu, tedy o teplotní šoky ve stejném počtu. U soustružnických operací je proto konvenční chlazení většinou naprosto dostačující.

Zcela opačným případem je vyvrtávání hlubokých děr, kde o možnosti obrábění za sucha nelze ani uvažovat a běžné chlazení většinou nestačí. Důvod je ten, že při obrábění v omezeném prostoru (jakým je vyvrtávání hlubokých děr) je potřeba čerpat přes nástroj tolik chladicí kapaliny, aby zcela vyplnila vrtaný otvor a tím se v něm vyrovnal tlak. Pokud by se kapalina začala odpařovat, vytvořila by kolem řezného místa bariéru, tím by zabránila přísunu nové kapaliny a v místě řezu by došlo k přehřátí. Kromě toho je nutné z vrtaného otvoru okamžitě odvádět vznikající třísky, jinak může dojít k závažnému poškození nejen nástroje, ale i např. vřetene. Aby bylo toto všechno splněno, je potřeba přejít u chladicího média k vyšším tlakům i větším objemům. V dalších odstavcích si ukážeme, že vysokotlaké a velkoobjemové chlazení je značně výhodné i v případě jiných, náročnějších, především frézovacích operací.

Vysokotlaké a velkobjemové chlazení
Při obrábění kovů se až devadesát sedm procent energie přemění na teplo a teplota v místě řezu dosahuje 650 – 800 ºC. Při takto vysoké teplotě se každá běžná chladicí kapalina začne rychle měnit v páru, která začne bránit přísunu nové kapaliny. Kromě dalšího nárůstu teploty to má za následek zhoršení či úplnou ztrátu mazání, nárazy odlétávajících třísek do řezné hrany nástroje a poškození nástroje i celého obrobku. Konvenční chlazení navíc většinou nelze dobře nasměrovat a v některých případech až ve 40% doby vůbec nezasahuje ani nástroj ani obráběný díl.
Řešením těchto problémů je správně aplikované vysokotlaké chlazení doplněné používáním vhodných nástrojů. Dostatečné množství vysoce stlačené kapaliny přivedené do řezné zóny dokáže odvést všechno vznikající teplo, a proto nedochází k vzniku páry vůbec nebo jen ve velmi malém množství. Velký objem kapaliny navíc zajistí dobré mazání a odstraní třísky. Díky tomu nedochází k žádnému poškození nástrojů, pouze k jejich běžnému opotřebovávání. Proud kapaliny je navíc přesně nasměrován do žádaného místa, což umožňuje přímou a okamžitou kontrolu celého procesu.

Jaké tlaky a objemy jsou nejvhodnější?
Obecně lze říci, že pro většinu operací jsou dostatečné tlaky okolo 70 barů (7 MPa), některé náročnější dílčí operace ale vyžadují tlaky ještě vyšší. Chceme-li přesně stanovit, jaký tlak a jaké množství chladicí kapaliny je nejvhodnější pro konkrétní typ výroby, musíme se řídit velikostí používaného nástroje a okamžitým výkonem nástroje při provádění konkrétní operace. Vodítkem mohou být následující přibližné relace:

Operace	Vztah
Vyvrtávání	15 l / 1 cm průměru nástroje
Soustružení	2,36 l / 1 kW řezného výkonu nástroje
Frézování	2,36 l / 1 kW řezného výkonu nástroje

Abychom ukázali, jak velký vliv mají tyto dva parametry, tj. průměr nástroje a jeho okamžitý řezný výkon, na účinnost chladicího systému, uvádíme dva grafy, ve kterých vystupují jako modelové příklady následující chladicí systémy:
chladicí systém od výrobce – běžný nízkotlaký chladicí systém s fixním nastavením tlaku;
• JV 8 – 1000 – chladicí jednotka americké firmy ChipBLASTER s programovatelnými tlaky 14 – 70 bar;
• EV 2000 – chladicí jednotka ChipBLASTER programovatelná v rozmezí tlaků 14 – 140 bar;
• GV 20 – chladicí jednotka ChipBLASTER operující v intervalu 14 – 70 bar vhodná pro kombinovaná obráběcí centra a programovatelná na základě většího počti parametrů a s řadou dalších vylepšení.

Stálé versus proměnlivé nastavení tlaku
Rozhodneme-li se, že si ke svému stroji pořídíme vysokotlakou chladicí jednotku, zbývá ještě zamyslet se nad tím, zda si vystačíme s variantou s pevně daným konstantním průtokem, nebo dáme přednost jednotce s možností nastavitelného průtoku.
Pumpy systémů s pevně nastaveným průtokem se otáčejí konstantní rychlostí a výsledný tlak závisí na velikosti použitého nástroje. Tyto systémy jsou vybaveny regulačním ventilem, který udržuje maximální povolený tlak. Pokud se v dané chvíli obrábí malými nástroji, přebytečná chladicí kapalina odtéká přes tento ventil pryč a zůstává nevyužita.
Naproti tomu systémy s nastavitelným průtokem jsou konstruovány tak, aby udržovaly konstantní tlak bez ohledu na to, jaký nástroj je použit. Větší nástroje nebo větší počet nástrojů vyvolají větší průtok, malé naopak menší průtok.
Obě tyto varianty mají pochopitelně svá pro a proti:

Stálý průtok	Proměnlivý průtok
Pro	Pro
• nižší náklady • snadná instalace • snadné odstraňování problémů	• pumpa přivádí do systému pouze požadované množství kapaliny • je udržován optimální tlak • redukuje se ohřev chladicího média • snadno lze předprogramovat pro zvolené tlaky
Proti	Proti
• fixní průtok může být v dané situaci buď příliš malý nebo velký • plýtvání elektrickou energií • odklonění chladicího média může způsobit vznik dalšího tepla	• vyšší pořizovací náklady • nutné vyškolení obsluhy a znalost programování pro instalaci • náročnější opravy a údržba

Poněvadž instalace, programování i samotná obsluha chladicích jednotek s proměnlivým průtokem je poměrně složitá a řadu zákazníků dokáže odradit, firma ChipBLASTER vyvinula systém „automaticky proměnlivého objemu“ (APO) – Automatic Variable Volume, který má patentovaný a kterým jsou vybaveny její jednotky řady JV, EV a GV. Díky tomuto zařízení se objem chladicí kapaliny automaticky nastavuje podle průměru otvoru a obsluha stroje již nemusí sama nic programovat. Zde již také nejsou zapotřebí žádné regulační ventily a chladicí kapalina je využívána vysoce efektivně. To pochopitelně zajišťuje dokonalý odvod tepla, vymytí třísek z místa řezu i dobré mazání. Je prokázáno, že s používáním chlazení vybaveným APO se navíc výrazně prodlouží životnost filtrů (až o 200-400%!), životnost samotné chladicí kapaliny až o 100% a eliminuje se vznik teplotních šoků. Ne nepodstatné je rovněž zásadní prodloužení doby, po kterou lze pracovat s danými nástroji, a šetrnost zacházení s pumpou, jejíž cena nebývá marginální.

Filtrování a magnetická separace třísek
Účinný chladicí systém by měl správně recyklovat každou kapku chladicí kapaliny tím, že se z ní odstraní starý olej a veškeré nečistoty. Takto vyčištěnou kapalinu lze poté pumpovat zpět do řezné zóny. Aby bylo vyčištění dokonalé, chladicí kapalina by měla být filtrována filtry s průsvitem do pěti mikronů. Pokud tento ideální stav zajistit nelze, určitě by se neměla přesáhnout horní hranice hrubosti filtru dvacet mikronů. Pokud do nástroje narážejí špony o velikosti řekněme 70 mikronů, žádný nástroj již dále nebude přesný ani vyvážený.
Tento problém bývá často nahlížen chybně a provozovatel se domnívá, že nástroj uchrání zvětšením otvoru pro chlazení. Toto je ale zcela špatná cesta. Jediným správným řešením je zajistit vysokou čistotu kapaliny nasazením vhodných filtrů.
Firma ChipBLASTER se věnovala vývoji i v tomto směru a své chladicí jednotky vybavuje tzv. dvojí filtrací. V okamžiku, kdy se filtr A zanese, jednotka sama přepne na filtr B a dá světelnou či zvukovou signalizací obsluze na vědomí, že jeden z filtrů lze vyměnit. Tuto výměnu lze při tom provést během práce stroje, který není nutné k vůli tomu vypínat. To výrazně přispívá k eliminaci vedlejších časů.
Při obrábění ale odlétá od obráběného dílce 90% částic, které jsou větší než 20-25 mikronů. Co s nimi? Dobrým řešením je magnetická separace špon, která je rovněž zakomponována do chladicích jednotek ChipBLASTER.

Odsávání par
Co se týče odsávání par, firma ChipBLASTER nabízí produkt nazvaný MistBlaster, který je rovněž plně programovatelný. Po dobu, kdy jsou dveře stroje zavřeny, vytváří MistBLASTER malý podtlak, který brání úniku páry ze stroje. Tento podtlak je navíc přesně měřitelný. V okamžiku, kdy pracovní cyklus skončí a vypne se chlazení, MistBlaster zvýší své obrátky a po předem naprogramovanou dobu intenzivně odsává přítomné páry. Díky tomu nedochází v okamžiku otevření dveří k žádnému úniku páry a tím k žádnému ohrožení obsluhy.

Všechny zmíněné produkty firmy ChipBLASTER, včetně speciálních filtrů a nástrojů, jsou v České i Slovenské republice dostupné prostřednictvím zastupující společnosti technology-support.

Milan Hnídek, technology-support s.r.o.

Článek vyšel v Technickém týdeníku, 08/2013.

Pro další informace pište na info na vyžádání.

podrubriky teorie chlazení pro obráběcí stroje:

sitemap