Anpassung von Druck und Volumenstrom senkt Betriebskosten beim Tiefbohren

Heute werden auch Standardmaschinen mit einer Hochdruck-Innenkühlung angeboten, um sie für das Tiefbohren mit innerer Kühlschmierstoffzuführung und äußerer Spänerückführung einsetzen zu können. Der Anteil der Tieflochbohrprozesse auf Bearbeitungszentren und Drehmaschinen gewinnt so immer mehr an Bedeutung.

Beim Tiefbohren ist hoher Druck notwendig

Zum Tiefbohren muss der Kühlschmierstoff (KSS) der kritischen Schneidzone mit relativ hohem Druck zugeführt werden. Bei herkömmlicher Betriebsweise wird die zur KSS-Versorgung eingesetzte Hochdruckpumpe durch einen Motor mit fester Drehzahl und somit konstantem Volumenstrom angetrieben. Sie fördert diesen Volumenstrom also ungeachtet dessen, welche Menge an KSS die Werkzeugmaschine beziehungsweise das Werkzeug für den erforderlichen Druck tatsächlich benötigt.

Außer der Verschwendung von Energie hat diese Betriebsweise weitere unerwünschte Nebeneffekte für den Tiefbohrprozess, beispielsweise ein unnötiges Erwärmen des Kühlschmierstoffs und eine erhöhte Schaumproduktion. Auch ist keine Regelung des Soll-Drucks möglich, weil eine Rückkopplung zu einem Regelkreis (Closed-Loop-System) mit entsprechendem Stellantrieb nicht existiert. Betriebsdaten zur Prozess-Optimierung können nur mit Hilfe kostenintensiver manueller Versuche generiert werden.

Hochdruck-Regelung passt Druck und Volumenstrom an

Zur Komplettbearbeitung von Werkstücken auf modernen CNC-Werkzeugmaschinen hat Mayfran in Zusammenarbeit mit Grundfos eine neuartige Online-Hochdruck-Prozessregelung für die Zufuhr des Kühlschmiermittels entwickelt: Eine speziell ausgerüstete Werkzeugmaschine passt sich hierbei automatisch an die Druck-/Volumenstrom-Anforderungen verschiedener Tiefbohrer an. Das spart Energie und optimiert den gesamten Tiefbohrprozess. Mayfran hat die Technik bereits erfolgreich bei mehreren Kunden im Pilotbetrieb getestet; nun geht das System in Serie.

Das Projekt von Mayfran und Grundfos startete im Jahr 2006 mit dem Ziel, eine Technologie-Plattform für die KSS-Hochdruckversorgung zu entwickeln, die die oben aufgeführten Nachteile einer ungeregelten KSS-Pumpe vermeidet. Diese als Vari-Flow bezeichnete Prozessregelung, erstmals präsentiert auf der AMB 2008 in Stuttgart, basiert auf dem Mayfran-Controller des Typs HPC und der E-Solutions-Frequenzregler-Technik von Grundfos, realisiert mit einer Schraubenspindelpumpe des Typs MTSE.

Querschnitt der Kühlkanäle im Bohrer bestimmt Kühlschmierstoff-Volumenstrom

Eine Betrachtung der wichtigsten Parameter des KSS-Prozesses zeigt, dass der erforderliche KSS-Druck hauptsächlich durch das gewählte Bearbeitungsverfahren, das Länge-Durchmesser-Verhältnis des Bohrers und den eingesetzten Kühlschmiermittel-Typ bestimmt wird. Der erforderliche Kühlschmierstoff-Volumenstrom wird durch den Querschnitt der Kühlkanäle im Bohrer oder indirekt durch den Bohrerdurchmesser bestimmt.

Die Hersteller des Werkzeugs geben in der Regel nur den erforderlichen KSS-Druck eindeutig vor. Der dazu korrelierende Volumenstrom wird oft nur als globaler Richtwert angedeutet. Er ist aber entscheidend für die Auslegung der Hochdruckpumpe und der weiteren Prozesseinrichtungen.

Hersteller machen meist nur Angaben für den Druck

Die meisten der modernen Produktionsmaschinen ermöglichen die Integration von Systemen zur Produktivitätssteigerung, beispielsweise von Belade- und Entladesystemen für die gefertigten Teile oder den gleichzeitigen Paralleleinsatz mehrerer Spindeln/Bearbeitungsverfahren. Speziell bei diesen Maschinen, die mit einer Vielzahl unterschiedlicher Bohrer arbeiten, ist bezüglich des KSS-Drucks und -Volumenstroms kein eindeutiger Betriebspunkt für alle Einsatzfälle darstellbar.

Um diesen Nachteil zu beheben, hat Mayfran in Zusammenarbeit mit Grundfos die Online-Hochdruck-Prozessregelung Vari-Flow entwickelt, die sich automatisch an die Druck-/Volumenstrom-Anforderungen verschiedener Bohrer anpasst.

Steuerung des Motors nimmt eine Schlüsselrolle ein

Zusammen mit der HPC-Steuerung von Mayfran bilden die MTSE-Pumpen von Grundfos das Herz der Vari-Flow-Technik. Die dreispindelige, selbstansaugende Schraubenspindelpumpe der Baureihe MTSE bietet einen Förderdruck von maximal 130 bar. Sie weist einen sehr guten Wirkungsgrad auf und arbeitet konstruktionsbedingt besonders geräuscharm.

Wichtig für den erfolgreichen Einsatz der Vari-Flow-Technik ist die Programmierung und Steuerung des E-Motors der Pumpe. Ansteuerung und Justierung des Frequenzreglers erfolgen automatisiert durch den Mayfran-HPC-Controller. Die Kommunikation läuft über das Grundfos-Genibus-Protokoll.

Der große Vorteil für den Betreiber ist, dass er mit dieser kombinierten E-Solution über ein adaptives System verfügt, das auf die Prozessgegebenheiten reagiert und sich aktiv an den optimalen Zustand anpasst. Zudem schafft das Speichern der Prozessdaten einen gläsernen Prozess. Anfang des Jahres orderte das Metallverarbeitungsunternehmen VCN Mass Turning (Niederlande) bei Index in Esslingen Drehautomaten der Baureihe Speedline zusammen mit KSS-Anlagen von Mayfran. Bei diesem Projekt integrierten die Konstrukteure der beiden Häuser die Vari-Flow-Technik erstmals.

Prozessregelung verringert benötigte Leistung um 50%

Die Index-Speedline-C-Baureihe ist ausgelegt für die Simultanbearbeitung mit drei Revolvern und besitzt zwei baugleiche Motorspindeln. Die Vari-Flow-Technik deckt unter diesen Prozessbedingungen das Druck-/Volumenstrom-Spektrum für die KSS-Hochdruckversorgung an gleichzeitig allen Bearbeitungsstellen ab.

Die dafür benötigte Pumpleistung liegt 50% unter der einer konventionellen Druckerhöhungstechnik. Zudem sind bei herkömmlicher Technik die Zufuhrmöglichkeiten von Kühlschmiermittel an den verschiedenen Positionen begrenzt.

Herkömmlicher Technik sind engere Grenzen gesetzt

Die Vorteile einer automatischen druckabhängigen Volumenstrom-Anpassung an das jeweilige Werkzeug lassen sich in vier Hauptgruppen darstellen:

-Höhere Prozesssicherheit durch einen geringeren Werkzeugverschleiß und eine bessere Oberflächenqualität (Bohrqualität): Der Online-Regelkreis stellt sicher, dass der gewünschte KSS-Druck auch tatsächlich an der Schneide des Bohrers vorhanden ist.

-Flexiblere Prozess-Anpassung an mehrere Werkzeuge bei Maschinen mit automatischem Werkzeugwechsler oder mehreren zeitparallelen Bearbeitungen: Nach einem Werkzeugwechsel oder dem Zuschalten eines weiteren Bearbeitungsvorgangs wird der exakt benötigte Volumenstrom dem neuen Werkzeug automatisch zugeführt.

-Präzisere Prozesskontrolle: Der Soll-/Istwert-Vergleich des Kühlschmiermittel-Drucks kann zu einer Vorschub-Freigabe der Spindel genutzt werden und vermeidet so einen Werkzeugbruch. Auch kann über die Drehzahlregelung der Verschleißzustand der Hochdruckpumpe frühzeitig erkannt werden.

-Deutliche Energieeinsparung und Verkleinerung der Peripherie-Komponenten: Der Einsatz der Vari-Flow-Technik reduziert die Betriebskosten um bis zu 75% — einerseits durch das Einsparen von Energie, andererseits durch Optimierung des Zerspanungsprozesses anhand der automatischen Datenspeicherung und programmierten Analytik.

Vor dem Hintergrund steigender Energie- und Rohstoffpreise steht auch in der Fertigungstechnik die Frage im Vordergrund, wie man Prozesse wirtschaftlicher gestalten kann. Hier können drehzahlregelbare Pumpen für den Kühlschmiermitteltransport einen wesentlichen Beitrag leisten.

Dipl.-Ing. René Sieben ist Konstruktionsleiter bei der Mayfran GmbH in 52068 Aachen; Holger Fritzsche arbeitet im Vertrieb Machine Tools der Industriedivision der Grundfos GmbH in 40699 Erkrath.