antriebstechnik 9/2018

FLUIDTECHNIK
Zur Beherrschung und Steuerung des thermo-elastischen Verhaltens
von Werkzeugmaschinen bilden fluidtechnische Systeme, wie
das Kühl- und das Kühlschmierstoffsystem, zentrale Stellelemente.
Deshalb sind solche Systeme heutzutage bei spanenden Werkzeugmaschinen
nicht mehr wegzudenken [2]. Sie sind dafür verantwortlich,
die entstehende Wärme aus der Werkzeugmaschine
abzuführen und somit ein konstantes Temperaturniveau zu gewährleisten.
In vorhergehenden Arbeiten konnte nachgewiesen
werden, dass der Anteil des Energieverbrauches aller fluidtechnischen
Systeme (Hydraulik-, Schmier-, Kühl- und Kühlschmierstoffsystem)
fast die Hälfte des Gesamtmaschinenverbrauches beträgt
[3, 4]. Sie sind damit wesentliche Verbraucher elektrischer
Energie und selbst bedeutende Wärmequellen innerhalb der
Werkzeugmaschine. Frühere Studien wurden in [2, 5, 6, 7] durchgeführt,
um den Energieverbrauch und die Energieverteilung an
den Werkzeugmaschinen zu analysieren und zu bestimmen. Diese
konzentrierten sich jedoch darauf, den Energieverbrauch durch
Entwicklung effizienterer Komponenten und neuer Steuerungsstrategien,
wie z. B. einer Abschaltsteuerung von Komponenten
während der Wartezeiten, zu senken. Das thermische Verhalten
der zu kühlenden Komponente des Kühlsystems und seine Effektivität
wurden noch nicht im Detail erforscht. Daher ist eine detaillierte
Analyse der bestehenden Kühlsystemstrukturen und ihres
thermischen Verhaltens notwendig, um neben einer Steigerung
der Energieeffizienz der Werkzeugmaschine auch eine gleichmäßige
Temperaturverteilung zu gewährleisten.
Das Ziel dieser Arbeit ist eine simulationsbasierte Studie über die
neuen entwickelten Kühlsystemstrukturen vorzustellen. Zuerst
werden experimentelle Untersuchungen zum thermischen Verhalten
der Kühlsystemkomponenten einer Demonstrationsmaschine
für zwei verschiedene Prozesse (Leerlauf- und Fertigungsprozess)
durchgeführt. Auf dieser Basis erfolgt die Entwicklung und Validierung
eines Simulationsmodells für die aktuelle Kühlsystemstruktur.
Für experimentelle Untersuchungen steht das Bearbeitungszentrum
DBF630 von Scharmann (Versuchsmaschine) am WZL der
RWTH Aachen zur Verfügung. Die Untersuchung trägt dazu bei,
Informationen über die Effizienz des Kühlsystems zu erhalten, d. h.
wie die individuelle bedarfsgerechte Bereitstellung des Kühlmediums
für jede Komponente abgestimmt ist. Dies bietet die Möglichkeit
neue Optimierungsansätze abzuleiten, wie z. B. die Dezentralisierung
der Systemstruktur.
Zunächst geben wir einen Überblick über die Demonstratormaschine
DBF630 mit besonderem Fokus auf das Kühlsystem sowie
die Ist-Stand-Analyse des Kühlsystems für einen Leerlauf- und Fertigungsprozess.
Dann wird der Modellierungsansatz für die Simulation
gezeigt. Abschließend werden die Optimierungsansätze der
neuen entwickelten Kühlsystemstrukturen diskutiert sowie deren
Potenziale gegenüber der aktuellen Kühlsystemstruktur dargestellt.
Demonstratormaschine und Ist-Stand-Analyse
des Kühlsystems
Die analysierte und experimentell untersuchte Demonstratormaschine
in Bild 01 ist das Bearbeitungszentrum DBF630 von
Scharmann. Diese Werkzeugmaschine hat drei Linearvorschubachsen
(X, Y, Z) und eine Drehachse (B). Die zusätzliche U-Achse
01 Freiheitsgrade der Demonstratormaschine DBF630 [3]
02
14
6
12
15
Schematische Darstellung des Kühlsystems der DBF630 und
die Positionen der Temperatursensoren
11
3
5
z
4
13 Eingangstemperatur
Ausgangstemperatur
Tanktemperatur
y
x
2
8
1
9
7
10
1) Ständer
2) Spindelkasten
3) Maschinenbett
4) Drehtisch
5) Werkstück
6) Elektr. Schaltschrank
7) Hauptspindel
8) Antrieb Y-Achse
9) Antrieb X-Achse
10) Antrieb Z-Achse
11) Tank
12) Lüfter Schaltschrank
13) Kühlaggregat
14) Hauptantriebpumpe
15) Stromventil
wird hauptsächlich für einen Drehprozess verwendet und ist während
des Fräs- oder Bohrprozesses inaktiv. Die Hauptspindel (Motorspindel)
der DBF630 ist eine Getriebespindel mit zwei Stufen. In
der Stufe 1 erreicht die Spindel eine maximale Drehzahl von
804 min -1 bei einem Übersetzungsverhältnis von 8,2. In dieser Stufe
besitzt die Spindel eine hohe Zerspanleistung durch ein hohes
Drehmoment von 1 700 Nm bei 195 min -1 . In Stufe 2 beträgt die
maximale Spindeldrehzahl 3 500 min -1 bei einem Übersetzungsverhältnis
von 1,5. So kann die Spindeldrehzahl sowohl durch das
antriebstechnik 9/2018 97