Nachhaltig-hochwertig zerspanen Richtiges Messen spart Energie an der Werkzeugmaschine

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IFW Produktionstechnisches Zentrum der Leibniz Universität Hannover / PZH

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Am IFW in Hannover haben die Forscher eine Möglichkeit entwickelt, mit der man den Energiebedarf von Werkzeugmaschinen messen kann, um diesen ohne Qualitätseinbußen bei der Bearbeitung senken zu können.

Im Zuge steigender Energiekosten gewinnt die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen immer mehr an Bedeutung. Unternehmen stehen damit aber vor der Herausforderung, den Energiebedarf von Werkzeugmaschinen (WZM) bei gleichbleibender Bearbeitungsqualität zu senken. Bisher wird dazu beispielsweise die Antriebskühlung zugunsten einer maximal hohen Bearbeitungsqualität konservativ für die größtmögliche Belastung ausgelegt. Dadurch verbraucht die Maschine bei geringer Belastung aber mehr Energie als nötig. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) in Hannover hat deshalb eine praxistaugliche Methode erarbeitet, mit der Einsparpotenziale quantifiziert und Effekte auf die Bearbeitungsqualität verlässlich beurteilt werden können. Als Grundlage dafür sind die Normen ISO 14955-3 und VDI 5211 herangezogen worden. Der Energieverbrauch der Werkzeugmaschine (WZM) wird nach ISO 14955-3 untersucht. In dieser Norm werden Prüfzyklen für typische Zustände (Bild 2 Mitte) einer WZM vorgegeben. Die dazu betrachteten, unterschiedlichen Zustände heißen „Off“ (Aus), „Standby“ (Ruhezustand), „Setup“ (Prozesseinrichtung), „Ready“ (Prozess startbereit), „Processing“ (Bearbeitung) und „Emergency Stop“ (Not-Aus). Aus den gemessenen Leistungen der Zustände wird schließlich der Mittelwert gebildet. Damit kann der durchschnittliche jährliche Leistungsbedarf der WZM berechnet werden. Dabei werden die unterschiedlichen Zustände gewichtet, um deren prozentualen Anteil über ein Betriebsjahr der Maschine abzubilden. Die Gewichte entsprechen Standardzeitanteilen nach ISO 14955-3, welche verwendet werden können, wenn keine betriebsindividuellen Daten zur Verfügung stehen.

Für den sicheren Vergleich braucht man ein Referenzbauteil

Zur Bewertung der Auswirkung einer geänderten Kühlstrategie auf die Bearbeitungsqualität muss die Maß-, Form- und Lagekontrolle eines auf der Maschine gefertigten Referenzbauteils bestimmt werden. Dafür besonders geeignet ist ein standardisiertes Bauteil, welches parallel zur Messung des Energieverbrauchs gefertigt wird. Die Maß-, Form- und Lagekontrolle wird anschließend anhand eines genormten Prüfverfahrens bewertet. Diese Anforderungen werden durch die VDI-Richtlinie 5211 erfüllt. Im Rahmen dieser wird das Referenzbauteil – bestehend aus Kreisformen, rechtwinkligen Quadern, Zylinderstufen, gewinkelten Kantenpaaren, Bohrungen und Freiformflächen – definiert. In der VDI-Richtlinie werden auch das Material, die Fräsertypen, die Bearbeitungsschritte und die Prozessparameter sowie der Prüfzyklus vorgegeben. So stellt man die universelle Vergleichbarkeit sicher. Mit dieser Richtlinie wird es folglich möglich, die Auswirkung einer energieeffizienteren Antriebskühlung auf die Bearbeitungsqualität standardisiert zu bewerten.

Vorbereitungen zur Energiemessung an vorhandener WZM

Für die Untersuchung des Einflusses einer geänderten Antriebskühlung auf die Bearbeitungsqualität und den Energieverbrauch gemäß ISO 14955-3 wurde eine WZM mit frequenzgeregelter Kühlmittelpumpe untersucht. Weil aber am IFW keine WZM diesen Anforderungen entspricht, wurde an der vorhandenen Maschine des Typs HSC55 linear von DMG Mori die Pumpe mit einem Frequenzumrichter nachgerüstet. Die Antriebskühlung der WZM besteht aus einem Kompressorkühler für ein Wasser-Glykol-Gemisch. Zur Temperaturstabilisation befindet sich das Kühlmedium in einem Tank. In der Maschine werden eine Spindel, drei translatorische Achsen mit insgesamt vier Lineardirektantrieben (LDA) sowie zwei rotatorische Achsen mit insgesamt drei Motoren gekühlt. Jeder LDA hat einen gekühlten Primär- und Sekundärteil. Zur Erfassung des Energieverbrauchs wurde die WZM mit Energiemesstechnik ausgestattet. Dafür wurde der IFW-Energiemesskoffer verwendet (siehe auch Bild 2). Insgesamt können mit diesem 18 Messstellen für elektrische Leistungen aufgezeichnet werden. Darüber hinaus können auch 16 weitere IO-Link-Sensoren für die Messung (etwa an pneumatischen Verbrauchern) angeschlossen werden. Weil bei der Untersuchung nur der Energiebedarf der Antriebskühlung untersucht wurde, wurden auch nur das Kühlaggregat und die Hauptversorgung bei der Messung betrachtet.

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