Wege zu höherer Energieeffizienz in der Zerspanung

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MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG

Für die Optimierung von Werkzeug und Prozess ist es sinnvoll, den Energieverbrauch einer Werkzeugmaschine anders zu strukturieren als in Bild 2. Im Folgenden werden alle Verbraucher der Maschine zusammengefasst, die im betriebsbereiten Zustand ständig oder von Zeit zu Zeit laufen. Die Leistungsaufnahme dieser Verbraucher wird zusammengefasst zur Grundleistung der Maschine. Die Leistungsaufnahme aller Verbraucher im Zusammenhang mit der Kühlschmierung wird zur KSS-Leistung zusammengefasst. Die Leistung, die zusätzlich zur Grundleistung während der Bearbeitung von der Werkzeugmaschine aufgenommen wird, wird Prozessleistung genannt. Multipliziert mit den Laufzeiten ergibt sich aus diesen Leistungen jeweils eine Energie (Prozessenergie, KSS-Energie, Energie für die Bearbeitungsmaschine).

Und schließlich ist für eine ganzheitliche Optimierung die Berücksichtigung der Herstellenergie für die Zerspanwerkzeuge sinnvoll. Ohne ihre Berücksichtigung könnte das energetische Optimum beim Anwender bei extrem kurzen Werkzeugstandzeiten liegen, die zu einem hohen Energieaufwand beim Werkzeughersteller führen würden.

Leicht schneidende Werkzeuge reduzieren die Prozessenergie

Die Anteile dieser vier Energien an der gesamten benötigten Energie hängen natürlich stark von der Werkzeugmaschine und dem Prozess ab. In den meisten Fällen ist die Prozessenergie jedoch weniger als 20 % der Gesamtenergie. Die KSS-Leistung kann einen deutlich größeren Anteil einnehmen, wenn eine Hochdruck-Innenkühlschmierung zum Einsatz kommt.

Ein zunächst naheliegender Ansatz, die Prozessenergie zu verringern, ist die Verwendung von besonders leicht schneidenden Werkzeugen. Bei ihnen ist die Schnittkraft durch eine geeignete Mikro- und Makrogeometrie (geringe Schneidkantenradien, große Spanwinkel) und durch eine reibungsarme Beschichtung vergleichsweise gering. Durch diese Maßnahmen kann die benötigte Energie zur Spanbildung und damit die Schnittkraft deutlich verringert werden. Bohrversuche in rostfreiem Stahl ergaben in einem Benchmark mit insgesamt neun Vollhartmetall-Spiralbohrern Unterschiede von Schnittkraft und Energie zur Spanbildung von bis zu 24 % bei gleicher Produktivität (Bild 3). Ausgehend von diesen 24 % Einsparpotenzial der Prozessenergie wird die Gesamtenergie des Zerspanprozesses aber nur um 3 bis 4 % verringert (Bild 4). Grundlage für diese Zahlen sind Messungen an einem für die Großserienfertigung in der Automobilindustrie typischen Bearbeitungszentrum (Alfing 2-Spindler) und an einem weiteren Bearbeitungszentrum, das für die Serienfertigung und auch für den Werkzeug- und Formenbau eingesetzt wird (Hermle C30).

Die Maschinenbelegungszeit beeinflusst die Gesamtenergie

In den meisten Fällen hat eine Verringerung der Schnittkraft bei gleicher Produktivität nur wenig Einfluss auf den Energieverbrauch. Nur bei Zerspanprozessen mit großem Anteil der Prozessenergie am gesamten Energieverbrauch – wie bei schwerer Schruppbearbeitung – bringt die Verringerung der Schnittkraft bei gleicher Produktivität einen deutlichen Zuwachs an Energieeffizienz. Es muss jedoch auf eine ausreichende Schneidenstabilität und Prozesssicherheit geachtet werden. Kleinere Schnittkräfte durch niedrigere Vorschübe oder Zustellungen sind hinsichtlich der Energieeffizienz kontraproduktiv. Sie erhöhen den Energiebedarf aufgrund der dann längeren Bearbeitungszeit.

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