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Fluidtechnik

Schnelle Reaktionszeit

| Redakteur: Güney Dr.S.

Drehzahlgeregelte Innenzahnradpumpe verbessert die Kühlschmiermittelversorgung von Werkzeugmaschinen. Voith Turbo offeriert das neu entwickelte EPAF-System. Zusammen mit der drehzahlgeregelten...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Voith Turbo offeriert das neu entwickelte EPAF-System. Zusammen mit der drehzahlgeregelten Innenzahnradpumpe IPME bildet es die Basis einer innovativen Hochdruck-Kühlschmiermittelversorgung für Werkzeugmaschinen. Dieses Antriebskonzept vereinigt die konstruktiven Vorteile einer Innenzahnradpumpe – etwa im Vergleich zu einer Schraubenspindelpumpe – hinsichtlich Wirkungsgrad, Geräusch, Gewicht und Einbauraum mit der verschleißfreien Regelbarkeit eines elektrischen Antriebs mittels Frequenzregler gegenüber einer Regelpumpe.Die Kühlschmiermittelversorgung von Werkzeugmaschinen kann auf zwei unterschiedlichen Arten erfolgen: Einerseits gibt es Einzelanlagen, die jeweils einer Werkzeugmaschine zugeordnet und auf die Anforderungen dieser Maschinen abgestimmt sind. Kennzeichnend für diese Anlagen ist ein großer Druckbereich von 3 bis 120 bar bei einem Fördervolumen bis 100 l/min. Andererseits werden so genannte Zentralanlagen eingesetzt, die mehrere Maschinen gleichzeitig mit Kühlschmiermittel versorgen. In diesem Fall ist der Druck des Kühlschmiermittels für alle Maschinen gleich und beträgt typischerweise bis zu 10 bar. Einzelne Maschinen müssen dann bei Bedarf mit zusätzlichen Druckerhöhungsanlagen ausgestattet werden. Im Folgenden sollen nur die Einzel- und Druckerhöhungsanlagen betrachtet werden.Bei den verwendeten Kühl- und Schmiermitteln handelt es sich entweder um so genannte Schneidöle oder um Emulsionen. Haben die Schneidöle hinsichtlich Viskosität und Schmiereigenschaft ähnliche technische Daten wie klassische Hydrauliköle, unterscheiden sich dagegen Emulsionen grundlegend. Emulsionen entstehen durch Vermischung von KSS-Konzentrat mit Wasser. Der Wassergehalt kann bis zu 95% betragen. Daher ist die Schmierfähigkeit der Emulsion nicht sehr hoch und die Viskosität liegt deutlich unter 10 cSt. Komponenten für derartige Fluide werden daher weniger vor Verschleiß und Reibungsverlusten geschützt und haben höhere Spaltverluste. Weil aber große Spalte vor Verschleiß schützen und aufgrund des externen Leckagestroms für eine gute Wärmeabfuhr sorgen, wurden bisher Abstriche im Wirkungsgrad zu Gunsten der Lebensdauer in Kauf genommen. Druck und Fördermenge abhängig vom WerkzeugDie Hauptbaugruppen in einem System zur Kühlschmiermittelförderung sind der Kreislauf zur Kühlung und Filtrierung sowie die Hochdruckpumpe zur Mediumförderung. Weil die richtige Durchflussmenge – verbunden mit dem richtigen Druck – entscheidend für die Bearbeitungsqualität, die Standzeit der Werkzeuge und die Spülung der Bearbeitungsposition ist, wird für jedes Werkzeug ein bestimmter Arbeitspunkt hinsichtlich Druck und Fördermenge in der Maschinensteuerung hinterlegt. Somit hat fast jeder Werkzeugwechsel eine Änderung der Betriebsdaten zur Folge.In den bestehenden Systemen mit Schraubenspindel- oder Kreiselpumpen (konstante Antriebsdrehzahl) werden die unterschiedlichen Betriebsdaten hauptsächlich über Druck- und Wegeventile „angewählt“. Zur Abdeckung großer Arbeitsbereiche sind dabei teilweise zwei und mehr Pumpen erforderlich. Für diese Anwendungsfälle bietet Voith Turbo sowohl die Innenzahnradpumpe IPME als auch die dazugehörige Ventiltechnik an. Diese Ventile können in Modul- oder Plattenbauweise und als Wege- oder Druckventile ausgeführt sein. Infolge des neu entwickelten Ventilsitzes kann das Ventil selbst unter extremen Bedingungen arbeiten.Eine weitere Möglichkeit, die Arbeitspunkte anzuwählen, besteht darin, Druck und Förderstrom jeweils direkt an der Pumpe einzustellen. Dies kann einerseits über Variation der Drehzahl, andererseits – bei Pumpen mit variablem Förderstrom – durch Änderung des Verdrängungsvolumens geschehen. In beiden Fällen können verschleißanfällige Regel- oder Schaltventile entfallen.Druck- oder Drehzahlregelung über ElektromotorenAlternativ zu den genannten Konzepten - einerseits mit Konstantpumpen mit variabler Drehzahl, andererseits mit Pumpen mit variablem Förderstrom - besteht die Möglichkeit, die Druck- oder Drehzahlregelung der Voith-Innenzahnradpumpe mit Hilfe von frequenzgeregelten Elektromotoren zu verwirklichen. Die schnelle Reaktionszeit der Regelung in Verbindung mit dem guten Wirkungsgrad der IPME-Pumpe sind die Basis für eine hohe Regelgüte: An der Werkzeugschneide herrschen konstante Verhältnisse und auf Störgrößen wird unverzüglich reagiert. Die axiale und radiale Spaltkompensation minimiert die durch Verschleiß entstehenden Verluste in der Pumpe. Dennoch auftretender Verschleiß wird über die Regelung erkannt und bis zu einem gewissen Maß durch Erhöhung der Drehzahl ausgeglichen. Diese Drehzahlerhöhung ist am Frequenzregler direkt messbar und kann als Indikator für den Zustand der Pumpe verwendet werden. Bessere Betriebsdaten als bei SchraubenspindelpumpenDas EPAF-System bietet sowohl für den Maschinenbauer als auch für den Betreiber unschätzbare Vorteile. Hervorzuheben ist der gute, über den gesamten Druckbereich nahezu konstant hohe volumetrische Wirkungsgrad der Innenzahnradpumpe. Dadurch kann im Vergleich zu Schraubenspindelpumpen eine kleinere Pumpe verwendet werden, was den Aufwand für die Verrohrung reduziert. Gleichzeitig wird auch die zu installierende Leistung kleiner, bei einem deutlich größeren Arbeitsbereich (Bild 5). Vergleiche mit Schraubenspindelpumpen zeigen, dass die Energieeinsparung je nach Betriebspunkt bei 50 bis 75% liegen kann. Dieser Einsparungseffekt wirkt sich positiv auf den Energiehaushalt der KSS-Anlage aus. So führt er dazu, dass der Kühler kleiner gewählt und in vielen Fällen das Behältervolumen reduziert werden kann.Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Auswahl der Kühlschmiermittelpumpe ist die zu erwartende Standzeit. Aufgrund des hohen Verschmutzungsgrads und der besonderen Kühlschmiermitteleigenschaften wird die Pumpe einem hohen Verschleiß ausgesetzt. Dieser Herausforderung trägt Voith durch angepasste Werkstoffe und Oberflächenhärte Rechnung. Gleichzeitig minimiert die bereits angesprochene axiale und radiale Kompensation die Verluste der Pumpe, so dass sich über eine lange Laufzeit ein gleichmäßig guter Wirkungsgrad messen lässt. In vielen Dauerversuchen mit kontrolliert verschmutzter Emulsion wurde - immer im Vergleich mit Schraubenspindelpumpen - das Verschleißverhalten der Pumpe optimiert.Anwendungsvorteile bewirken KosteneinsparungParallel dazu wurden Feldversuche an Werkzeugmaschinen mit unterschiedlichen Bedingungen hinsichtlich der bearbeiteten Werkstoffe und der verwendeten Werkzeuge durchgeführt. Die Versuchsabläufe hat man kontinuierlich überwacht. Die Ergebnisse zeigen eine deutlich längere Lebensdauer im Vergleich zu Schraubenspindelpumpen und den regelbaren Pumpen bei insgesamt geringeren Betriebs- und Instandhaltungskosten. Dadurch bietet die neue Innenzahnradpumpe für Kühlschmiermittel-Anlagen Vorteile sowohl hinsichtlich der Anlagenkosten und des Installationsaufwands für den Maschinenbauer als auch in Bezug auf die Betriebskosten und Maschinenüberwachung für den Betreiber. Die neue Pumpe IPME steht zurzeit mit einem Fördervolumen von 13 cm3 zur Verfügung. In Verbindung mit einem frequenzgeregelten Elektromotor (1,1 bis 7,5 kW Leistung) kann ein Druckbereich bis 100 bar und ein Förderstrom bis etwa 35 l/min bei Verwendung von niederviskosen Flüssigkeiten erreicht werden. Für die Zukunft sind zwei weitere Baugrößen mit 25 cm3 und 50 cm3 geplant. Sie werden - wie alle Innenzahnradpumpen von Voith - untereinander zu Mehrfachpumpen kombinierbar sein. Aufgrund dieser Kombinationsmöglich-keiten stehen bei Bedarf sowohl ein größeres Fördervolumen als auch Zwischengrößen zur Verfügung.