Werkzeugmaschinen Kompaktaggregat senkt Energieverbrauch bei hydraulischen Spannfunktionen

90% weniger Energie und Öl. Das ist das Ergebnis der Neuauslegung eines Hydrauliksystems zum Spannen von Werkzeug und Werkstück auf zerspanenden Werkzeugmaschinen. Um diese Einsparung zu erreichen, wird das zentrale Standardaggregat durch ein kompaktes Pumpenaggregat ersetzt. Das komplette System ist im Maschinengehäuse untergebracht, so dass sich auch 90% Platz einsparen lassen.

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HAWE Hydraulik SE

Wer denkt beim Thema „Energie sparen“ eigentlich an die Hydraulik? Bestimmt nicht diejenigen, die in dieser Technik nur wenig Einsparungspotenzial sehen. Dabei sind die Potenziale zur Einsparung von Energie laut Hawe Hydraulik nur nicht so leicht ersichtlich wie bei den elektrischen Antrieben. In der Hydraulik hat jedoch inzwischen ein Umdenken stattgefunden, wie der Münchener Spezialist für Hydraulikantriebe anhand der Ansteuerung von Spannsystemen bei Werkzeugmaschinen deutlich macht.

Das Spannen von Werkzeugen und Werkstücken auf zerspanenden Maschinen ist eine typische Anwendung der Hydraulik, denn deren generellen Vorteile kommen bei dieser Maschinenaufgabe besonders zum Tragen. Dazu gehören die hohe Leistungsdichte und die kompakte Bauweise hydraulischer Antriebe. Bei beiden Kriterien schneiden elektrische Antriebe – so Hawe Hydraulik – schlechter ab. So hat der Antriebsspezialist für einen Werkzeugmaschinenhersteller den Hydraulikantrieb eines Bearbeitungszentrums komplett neu ausgelegt. Das Ergebnis fällt deutlich aus: 90% weniger Energie und die Reduzierung des Ölvolumens auf den Betrieb eines Kompaktaggregats.

Eine wesentliche Voraussetzung dafür war, dass Hawe als OEM-Lieferant und Entwicklungspartner bereits frühzeitig in der Planungsphase einbezogen wurde. So ließen sich die Systemanforderungen gründlich analysieren. Darauf basierte die Entscheidung, das Standard- durch ein Kompakt-Pumpenaggregat der Baureihe KA von Hawe zu ersetzen.

Dadurch wurde das Gesamtölvolumen, das für die Ansteuerung der Hydraulikfunktionen erforderlich ist, von 40 auf 4 l reduziert. Folglich verringerten sich damit auch die Kosten für die Erstbefüllung und – über die gesamte Maschinenlebensdauer hinweg – die Kosten bei jedem Ölwechsel. Darin sieht der Hydraulikspezialist auch ein werbeträchtiges Verkaufsargument für den Werkzeugmaschinenhersteller.

Komplettes Hydrauliksystem in Maschine integriert

Vor der Neuauslegung wurde die Hydraulik zum Spannen der Werkstücke und Werkzeuge von einem zentralen Standardaggregat mit Öl versorgt. Dazu war das Aggregat mit einem großen Öltank ausgerüstet, der neben der Werkzeugmaschine separat aufgestellt wurde und heute noch bei vielen Anwendungen lediglich zur Abkühlung und zur Nebenstromfiltration des Hydrauliköls erforderlich ist. Nur ein geringer Bruchteil des Ölvolumens wird für die eigentliche Hydrauliksteuerung der Spannfunktionen benötigt.

Aufgrund der Reduzierung auf dieses Volumen konnte zusätzlich zum großen Tank auch der bislang separat aufgestellte Kühler entfallen. Eine weitere Volumenverringerung ergab sich aus der Anhebung des hydraulischen Betriebsdrucks auf 350 bar. Zur Erzeugung der gleichen Kraft ist bei höherem Druck weniger Volumenstrom erforderlich.

Das kompakte Pumpenaggregat lässt sich in das Maschinengehäuse integrieren. Damit entfällt das separate Aufstellen neben der Maschine. Das komplette Hydrauliksystem ist im Gehäuse untergebracht. Das mache die Maschineninstallation einfacher. So lasse sich die Maschine anschlussfertig an den Endkunden liefern. Aufgrund der Überarbeitung des Hydrauliksystems werden laut Hawe nicht nur 90% Energie und Öl, sondern auch 90% Platz eingespart – und das ohne Beeinträchtigung der Spannfunktion.

Tests beim Maschinenbauer bestätigen, dass die Wärmeentwicklung im System deutlich gesunken ist im Vergleich zur herkömmlichen zentralen Hydraulikeinheit mit großem Ölvolumen. So wurde eine um 10 K niedrigere Öltemperatur gemessen. Diese Differenz verlängere – so der Hydraulikspezialist – die Ölwechselintervalle: Ab einer Betriebstemperatur von 50 °C altere das Öl bei einer Erhöhung um 10 K doppelt so schnell. Weil moderne Werkzeugmaschinen häufig im 3-Schicht-Betrieb arbeiteten, multiplizierten sich selbst kleine Einspareffekte letztendlich zu großen Summen.

Hydraulikpumpe meist im Abschaltbetrieb

Das Kompaktaggregat ist für den Abschalt- oder Aussetzbetrieb (Betriebsart S3) konzipiert. Diese Betriebsart setzt sich aus einer Folge gleichartiger Zyklen – bestehend aus Einschaltzeit und Kühlpausen – zusammen. Von der prozentualen Einschaltdauer (ED) hängt die Aggregatgröße ab. Erfahrungswerte bei Hawe zeigen, dass zur Ansteuerung der Spannfunktionen in Werkzeugmaschinen nur eine Pumpeneinschaltdauer kleiner als 30% der Zykluszeit benötigt werden.

Folglich ist bei dieser Anwendung der Abschaltbetrieb die optimale Betriebsart. Die Pumpe wird nur dann eingeschaltet, wenn die Spannelemente zum Werkstück verfahren werden müssen, der Spanndruck aufzubauen und der Leckageverlust an den Wegeschieberventilen auszugleichen ist. Die Pumpe wird in Einfach- oder Doppelausführung konzipiert.

So kann damit den „Verbrauchern“ im Hydrauliksystem ein maximaler Volumenstrom von 22 l/min (Zahnradpumpe) oder ein Betriebsdruck bis zu 700 bar (Radialkolbenpumpe) zur Verfügung gestellt werden. Als Doppelpumpe wird zusätzlich eine Versorgung bei Eil- und Schleichgang, aber auch bei unterschiedlichen Betriebsdrücken der Verbraucher ermöglicht. Das maximale Nutzvolumen beträgt 6 l. Die eingebauten Unterölmotoren haben je nach Baugröße eine Nennleistung von 0,37 bis 1,1 kW.

Aufgrund des kompakten Aufbaus – mit Unterölmotor und Pumpe in einem Gehäuse – lässt sich das Aggregat laut Hawe leicht transportieren oder in besonders kleinen Einbauräumen unterbringen. Der Einbau kann stehend und liegend erfolgen. Als ein Vorteil der Unterölbauweise wird der niedrige Betriebslärmpegel des Motors und der Pumpe hervorgehoben. So dämpften Öl und Behälter die Lauf- und Lüftergeräusche des Motors.

Rippenrohr-Konstruktion erhöht Wärmeabfuhr

Die Rippenrohr-Konstruktion des Gehäuses erhöht die Wärmeabfuhr aus dem System. Verschiedene Antriebsvarianten und Behälterlängen ermöglichen nach Angaben des Hydraulikspezialisten eine einfache Anpassung an unterschiedliche Maschinen. Dadurch könne auch der gleiche Aggregattyp für mehrere Maschinen zur Anwendung kommen. Das reduziere die Typenvielfalt und verringere die Lagerhaltung.

Weitere Optionen zur Energieeinsparung mit dem Kompaktaggregat der Baureihe KA sind bei Hydrauliksystemen mit Speicherladebetrieb oder 2-Stufen-Pumpen möglich, aber auch bei Austausch der Wegeschieber- gegen Wegesitzventile. Außerdem stellt Hawe je nach Anforderung weitere Baureihen (Serie HK und MPN) zur Verfügung. Die Möglichkeiten zur Energieeinsparung ließen sich somit auf einmal oder in mehreren Teilschritten erreichen.

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