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Hochdruckpumpen für Kühlschmierstoffe senken Produktionskosten

03.09.2008
Die Zufuhr von Kühlschmierstoffen im Zerspanungsprozess wurde lange als notwendiges Übel angesehen, das durch Entwicklungen in Richtung Minimalmengenschmierung oder sogar trockener Zerspanung umgangen werden sollte. Mittlerweile hat man aber erkannt, dass durch moderne Systeme zur Hochdruckeinspritzung von Kühlschmierstoffen enorme Effizienzpotenziale erschlossen werden können.

Den Pumpensystemen kommt eine Schlüsselposition bei der Minimierung der Gesamtkosten eines Fertigungssystems zu. Hohes Leistungsvermögen, lange Lebensdauer und hohe Verfügbarkeit sind die entscheidenden Erfolgsfaktoren.

Kein Tieflochbohren ohne Kühlschmierstoff

Modernes Tieflochbohren ist ohne Kühlschmierstoff nicht denkbar. Hochdruckzufuhr ist notwendig, um das Medium durch die engen Kühlkanäle der Bohrer zu treiben und die Späne aus der Bohrung zu waschen. Neue Werkzeuge und angepasste Pumpensysteme mit mehr als 100 bar Förderdruck erlauben immer kleinere Verhältnisse von Durchmesser zu Länge der Bohrer und ermöglichen so neue konstruktive Lösungen in der Metallverarbeitung.

Beim Fräsen ermöglicht die Hochdruckzufuhr durch innengekühlte Werkzeuge höhere Schnittgeschwindigkeiten und verbessert die erzeugten Oberflächen durch das Vermeiden von Überschneiden von Spänen.

Enorme Steigerungsmöglichkeiten bei Schnittgeschwindigkeiten sind beim Drehen zu erreichen. Extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten führen normalerweise wegen der Bildung einer Gasbarriere zu Thermoschocks. Ausgelöst wird dies durch das Sieden des Kühlschmierstoffs. Diese Gasbarriere kann mit Hochdruckpumpen durchbrochen werden.

Hochdruckpumpen verhindern die Bildung von Gasbarrieren

Beim Schleifen muss die Kühlschmierstoffzufuhr mit Geschwindigkeiten deutlich über der Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheiben erfolgen, um auch hier bei sehr hohen Schnittleistungen entstehende Gaspolster zu durchbrechen. Hochdruckzufuhr wird insbesondere auch dazu genutzt, die Schleifscheiben von Material freizuspülen und damit die Schneidfähigkeit zu erhalten.

In der modernen Produktion müssen Kosteneinsparungen bei immer weiter reduzierten Losgrößen und hoher Flexibilität erzielt werden. Flexible Fertigungszentren können hier mit minimalen Rüstkosten punkten und werden immer häufiger mit Hochdruckpumpen ausgestattet. Dies alles sind Gründe, warum das Wachstumspotenzial für Hochdruckpumpen überdurchschnittlich ist, während Niederdruckpumpen der Marktentwicklung bei Werkzeugmaschinen folgen oder teilweise sogar verdrängt werden.

Überdurchschnittliches Wachstumspotenzial für Hochdruckpumpen

Nicht nur im Automobilbau setzt sich die Forderung nach Minimierung der TCO (Total Cost of Ownership) bei Werkzeugmaschinen immer mehr durch. Zusätzlich zu den Anschaffungskosten werden die Verfügbarkeit und der Wartungsaufwand bei vergleichbarer Leistung immer wichtiger.

Weil Hochdruckpumpen für Kühlschmierstoff als Komponenten immer bedeutender werden, stellt sich insbesondere die Frage nach der MTBF (Mean Time Between Failures), also nach planbarer Wartung und nach den Instandhaltungskosten. Punkten können die Lieferanten auch mit hohem Wirkungsgrad, um Energiekosten und den Aufwand für Kühlung zu senken. Führende Pumpentechnik macht sich weiterhin in der Reduzierung des Aufwandes für die Filtrierung und weiterer Systemkomponenten bemerkbar.

Nicht zuletzt sind ein guter Service und eine optimale technische Beratung unabdingbar. Die starke Globalisierung des Werkzeugmaschinenmarktes fordert dabei weltweite Verfügbarkeit und ein entsprechendes Servicenetz.

Schraubspindelpumpen für Hochdruckzufuhr von Kühlschmierstoffen am besten

Aufgrund ihrer besonderen Kinematik sind Schraubenspindelpumpen für die Hochdruckzufuhr von Kühlschmierstoffen besonders geeignet. Sie besitzen eine große Toleranz gegenüber Partikeln, einen hohen Wirkungsgrad und sind insbesondere sehr pulsationsarm und leise. Bei hochwertigen Schleifprozessen werden die Pumpen auch bei niedrigeren Drücken bis 20 bar eingesetzt.

Die Pulsation von Kreiselpumpen kann optisch sichtbare Streifenformationen durch ungleichmäßige Kühlung des Prozesses erzeugen. Schraubenpumpen dagegen liefern einwandfreie Oberflächen.

Ein Beispiel für die Entwicklung von Schraubenspindelpumpen ist die Emtec-A von Allweiler. Ein Wirksystem mit hoher Druckstufenzahl erlaubt die Förderung von Öl-Wasser-Emulsionen, Schneidölen und Kühlschmierlösungen bis 130 bar bei Fördermengen bis zu 900 l/min. Die Pumpe ist serienmäßig mit einem hydrostatischen Schubausgleich ausgestattet, der die Verschleißkräfte der Spindeln gegeneinander minimiert. Spezielle Ausgleichsbuchsen nehmen die Laufspindeln dabei drucklos und schwingungsarm auf.

Die besondere Anordnung auf der Druckseite der Spindeln sorgt zudem für geringe Förderverluste und hohe Verschleißbeständigkeit der Ausgleichsstellen. Eine spezielle elastische Werkstoffkombination mit Oberflächenhärten von bis zu 1200 HV bei Spindeln und Laufgehäuse sorgt für eine lange Lebensdauer ohne die Gefahr von Sprödbrüchen oder Materialverbrennungen.

Verschleiß der Pumpe kündigt sich durch Druckabfall an

Dadurch sinkt die Empfindlichkeit gegenüber Lufteintrag, Schwingungen und Partikelausbrüchen im Vergleich zu herkömmlichen Produkten signifikant. Die Inbetriebnahme gestaltet sich einfach und die MTBF-Werte sind sehr groß. Plötzliche Ausfälle finden nicht statt, weil sich der Verschleiß der Pumpe durch einen langsamen Druckabfall ankündigt. Somit ist die Wartung bei entsprechender Überwachung und Schutz durch einen Polizei-Filter sehr gut planbar.

Die Hochdruckpumpe ist für den Tankaufbau mit dem Druckanschluss oberhalb des Tankdeckels konzipiert. Dadurch ist die Installation sehr einfach und ein Austausch kann in wenigen Minuten durchgeführt werden. Möglich ist auch die Trockenaufstellung mit einer Siliziumkarbid-Gleitringdichtung. Hierbei ermöglichen SAE-Flansche die einfache und leckagesichere Installation.

Neues Hochdruckpumpen-System kann Total Cost of Ownership (TCO) senken

Die vorhandenen Effizienzpotenziale ermöglichen eine TCO-(Total-Cost-of-Ownership)-Reduzierung beim Austausch bestehender Pumpensysteme. Im Druckbereich bis 30 bar kann der Ersatz von Kreiselpumpen eine Verringerung von 40% beim Energieverbrauch bei annähernd gleicher Lebensdauer bewirken.

In einem konkreten Fall wurden 8 statt 12 kW Motorleistung benötigt. Die Stromverbrauchskosten verringerten sich dabei um jährlich 2400 Euro.

Kolbenpumpen fallen in der Produktion oft durch hohe Druckpulsation und Lärm unangenehm auf. Sie erfordern zudem meist einen hohen Filtrationsaufwand und reagieren sehr empfindlich auf Störungen im Filtersystem. Nach dem Austausch gegen Emtec-Pumpen konnte die Produktion von Zylinderköpfen in einem großen Automobilwerk problemlos weitergeführt werden.

Presslufthammer-Effekt führte zum Totalschaden

Kolbenmembranpumpen sind deutlich unempfindlicher gegen Verschmutzungen als normale Kolbenpumpen. Hohe Belastung durch sehr feine Partikel hat aber auch bei ihnen zu vorzeitigen Ausfällen und Austausch geführt. Lufteintrag durch ungünstige Leitungsverlegung bewirkte zudem in einem Fall einen Presslufthammer-Effekt, der in manchen Fällen innerhalb weniger Stunden zum Totalschaden führte.

Zahnradpumpen sind im Normalfall besonders preiswerte Aggregate, die aber durch hohen Filtrationsaufwand geschützt werden müssen oder schnell verschleißen. Verbreitet ist dieser Typus besonders in Japan. Auch in diesem Bereich konnte die Zuverlässigkeit des Pumpensystems durch Austausch gegen Emtec deutlich erhöht werden.

Austausch vorhandener Schraubenpumpen kann Wartungsintervalle verlängern

Auch der Austausch vorhandener Schraubenpumpensysteme gegen Emtec kann die Betriebszeit zwischen den Instandhaltungen deutlich verlängern. Bei einem großen Automobilzulieferer werden bei hohen Zerspanungsleistungen und Drücken Aluminiumbauteile mit hohem Silizium-Anteil zerspant. Während der Vorgängertyp nur Lebensdauern von sechs Monaten erzielte, werden mit Emtec mehrere Jahre erreicht.

Schraubenspindelpumpen mit einer Gehäuseauskleidung auf PTFE-(Polytetrafluorethylen)-Basis sind sehr preiswert in der Herstellung. Im Betrieb werden jedoch abrasive Partikel in der Lauffläche eingelagert, die dann wie eine Schleifscheibe auf die Spindeln einwirken.

Zudem ist diese Konstruktion empfindlich gegen Trockenlauf und hohe Drücke bei niedrigen Viskositäten. Hier kann es zu Materialverbrennungen kommen. Aufgrund dieser Erfahrungen hat ein deutscher Werkzeugmaschinenbauer bereits komplett auf die Emtec-Technik umgestellt.

Vollhydrostatischer Schubausgleich verlängert die Lebensdauer der Schraubenspindelpumpen

Auch der Austausch von Schraubenspindelpumpen mit Gehäuseeinsätzen aus Siliziumkarbid hat schon Erfolge gezeigt. Ausschlaggebend sind die längere Lebensdauer der Emtec-Spindeln durch den vollhydrostatischen Schubausgleich und die Oberflächenbeschichtung. Das Laufgehäuse der Hochdruckpumpen ist außerdem sicher vor Sprödausbrüchen geschützt. Aufgrund des hohen Wirkungsgrades der Pumpe kann ein vorhandener Motor meist weiterverwendet werden.

In naher Zukunft wird eine intelligente Steuerung der Emtec-Pumpen den Verzicht auf Steuerventile und andere Komponenten ermöglichen. Eine flexible Anpassung an stark variierende Betriebspunkte sorgt für eine weitere deutliche Energieeinsparung und noch geringeren Kühlaufwand. Durch intelligentes Condition Monitoring wird außerdem die Wartung exakt planbar und kostenoptimiert.

Dipl.-Ing. Stefan Werner ist als Produkt- und Marktsegmentmanager zuständig für den Bereich Pumpen für Werkzeugmaschinen der Allweiler AG in 78314 Radolfzell; Dipl.-Ing. Sigbert Hahnewald betreut für das gleiche Unternehmen die Nutzer von Werkzeugmaschinenpumpen als Produkt- und Anwendungsspezialist vor Ort.

Stefan Werner und Sigbert Hahnew | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/index.cfm?pid=1547&pk=142895

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