Zusammenfassung von Hydraulik und Kühlschmierung senkt Kosten und Energieverbrauch

In mehr als 95% der Anwendungen in der spanenden Fertigung sorgen Kühlschmierstoffe (KSS) für die Prozesssicherheit und Produktivität von Werkzeugmaschinen. Auf der einen Seite gewährleisten sie die Bearbeitungsqualität und sorgen für den Späneabtransport. Auf der anderen Seite beeinflusst die Kühlschmiertechnik die Betriebskosten von Werkzeugmaschinen erheblich. Mit intelligenten Steuerungsabläufen und optimierter Badpflege kann der dafür notwendige Aufwand reduziert werden.

Zusammengefasst Kühlschmiertechnik und Hydraulik erhöht Energieeffizienz

Darüber hinaus gehende Einsparungen lassen sich mit Innovationen erreichen, die Kühlschmiertechnik und Hydraulik zu einer Funktionsgruppe zusammenfassen. Das Ergebnis: weniger Komponenten und Platzbedarf sowie eine deutlich erhöhte Energieeffizienz. Dadurch werden bei gleicher Produktivität die Kosten erheblich gesenkt.

Basis dafür sind die Komponenten und kompletten Systeme zur Kühlschmiermittelversorgung von Bosch Rexroth Interlit Systems. Mit der Übernahme des etablierten Systemhauses Interlit Joistgen in Köln erschließt der Antriebs- und Steuerungshersteller Rexroth die Kühlschmiertechnik für mechatronische Innovationen. So wurden auf der Weltmesse EMO am Stand von Rexroth Lösungen zur Reduzierung der Total Cost of Ownership präsentiert.

Unterschiedliche Aufgaben der Hoch- und Niederdruckversorgung

Kühlschmiersysteme bestehen aus dem mechanischen Spänetransport, der Filterung und den Pumpen zur Erzeugung des Kühlschmierstoffkreislaufs. Dabei erfordern die verschiedenen Maschinenkonzepte, Bearbeitungsverfahren und Werkstoffe unterschiedliche Systemlösungen.

Für Graugussspäne mit hohem Zunderanteil eignen sich andere Späneförderer als für Aluminiumspäne, die schnell Nester und Knäuel bilden. Bei den Verfahren Drehen, Bohren und Fräsen – dem sogenannten definierten Schneiden – kommen meist wässrige Kühlschmieremulsionen zum Einsatz. Bei Schleif-, Hon-, und Läppprozessen – dem sogenannten undefinierten Schneiden – wird dagegen in der Regel Öl als Kühlschmierstoff verwendet. Diese Varianz in den Medien stellt hohe Anforderungen an alle Komponenten.

Kühlschmierstoffkreislauf erfüllt mehrere Aufgaben

Der Kühlschmierstoffkreislauf hat mehrere Aufgaben zu erfüllen: Die Niederdruckversorgung bis ungefähr 20 bar übernimmt die Außenkühlung der Werkzeuge und die Spänespülung. Die Hochdruckversorgung bis 150 bar stellt die Werkzeuginnenkühlung sicher. Eine Höchstdruckversorgung bis 300 bar realisiert Spanbruchfunktionen.

Die Aufgaben der Hydraulik in Werkzeugmaschinen sind Funktionen wie Spannen und Klemmen, aber auch hochpräzise und hochdynamische Vorschubbewegungen mit elektrohydraulischen Antrieben. Dazu nutzen die meisten Maschinenhersteller sehr fein steuerbare Hydraulikkreisläufe mit Druckniveaus von 250 bar und mehr.

Bislang lösten Maschinenhersteller die unterschiedlichen Aufgaben der Hydrauliköl- und Kühlschmierstoffversorgung mit zwei vollständig voneinander getrennten Aggregaten – zwei Elektromotoren, zwei Pumpen und zwei Steuerungen. An diesem Punkt setzt Rexroth mit dem neu entwickelten und patentierten KST-Booster an. Dieses neue System versorgt sowohl den hydraulischen Kreislauf als auch das Kühlschmiermittelsystem mit dem jeweiligen Druck. Die Medien bleiben dabei klar voneinander getrennt.

Verschleißfreies System ohne Schraubenspindelpumpe

Bei der KST-Booster-Lösung treibt ein Elektromotor – wie gewohnt – eine Hydraulikpumpe an, die über Zylinder zusätzlich noch den Förderstrom für den Kühlschmiermittel-Hochdruckkreislauf erzeugt. Die Bewegung dieser Linearpumpe ist verschleißfrei.

Diese Verschleißfreiheit verlängert die Lebensdauer der Kühlschmierstoffversorgung im Vergleich zu den bisherigen Schraubenspindelpumpen. Aufgrund der sehr kompakten Booster-Konstruktion entfallen zusätzlich zur üblichen Schraubenspindelpumpe plus Elektromotor auch die bislang notwendigen Komponenten für die Ventiltechnik im Kühlschmierstoffkreislauf.

Zusammenfassung von Kühlschmierung und Hydraulik verlängert Maschinen-Lebensdauer

Die Steuerung des KST-Boosters ist vollständig in das Hydraulikaggregat integriert. Weil das Hydrauliköl weniger verunreinigt ist als der Kühlschmierstoff, wird die Lebensdauer der gesamten Anlage erhöht.

Die Zusammenfassung der Hydraulik und der Kühlschmiermittelversorgung in einer Komplettlösung – aus einer Hand – vereinfacht zudem die Montage erheblich. Darüber hinaus ist weniger Bauraum erforderlich.

Der KST-Booster arbeitet unabhängig von der Art der Kühlschmierstoffe. Er kann Werkzeug und Werkstück im Arbeitsraum der Maschinen mit wässrigen und ölbasierten Kühlschmiermitteln versorgen.

Modulbaukasten für Hoch- und Niederdruckversorgung neu entwickelt

Bei der Projektierung einer Komplettlösung für das Fluidmanagement führt Rexroth das Know-how für Kühlschmiertechnik und Hydraulik zusammen. Die jüngste Entwicklung in diesem Bereich heißt Rapidstar – ein fein skalierbarer Modulbaukasten für die Hoch- und Niederdruckversorgung. Die dazu verwendeten Serienkomponenten beschleunigen die Projektierung und senken die Kosten durch vorkonfektionierte Bausteine, die funktionsspezifisch kombiniert werden können.

Doch nicht nur die Kühlschmiertechnik ermöglicht technologieübergreifende Innovationen in der Werkzeugmaschinen-Fluidik, sondern auch die Kombination von Hydraulik und Elektrik, aus der das elektrohydraulische Antriebskonzept „Blue Hydraulic Drives“ für die Druckversorgung entstanden ist. Dieses Rexroth-System bietet ein sehr großes Potenzial, die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen weiter zu erhöhen.

Drehzahlvariable Pumpenantriebe steigern Energieeffizienz weiter

Der Lösungsansatz dazu steckt in einer Kombination aus Frequenzumrichter, Elektromotor und Hydraulikpumpe. Es entstehen drehzahlvariable Pumpenantriebe. Der Umrichter regelt über das Drehzahlniveau den Förderstrom bedarfsgerecht.

In Zykluspausen oder während des Klemmens – wenn das abgesperrte Ventil die Kraft hält – sinkt die Drehzahl energiesparend. Bei einer steigenden Leistungsnachfrage regelt der Antrieb die Drehzahl hochdynamisch auf das notwendige Niveau.

Niedriger Energieverbrauch verringert die Betriebskosten

Die Software berücksichtigt die spezifischen Besonderheiten der Fluidtechnik. In Abhängigkeit von Maschinentyp und Zykluscharakteristik reduzieren drehzahlvariable Pumpenantriebe den Energieverbrauch um 40 bis 70% im Vergleich zu ungeregelten Pumpenantrieben.

Dieser verringerte Energiebedarf kann die Betriebskosten um mehrere tausend Euro im Jahr senken. Darüber hinaus reduzieren die innovativen Antriebseinheiten die mittlere Geräuschemission in hohem Maße.

Ein besonderer Vorteil: Maschinenhersteller können die Innovationen KST-Booster und drehzahlvariabler Pumpenantrieb miteinander kombinieren und damit doppelt profitieren. Die Zusammenfassung der Versorgungseinheiten für Hydraulik und Kühlschmiermitteltechnik zu einer Baugruppe reduziert die Komplexität für die Maschinenhersteller und Anwender deutlich. Sie sparen zahlreiche Komponenten und damit Bauraum sowie Montage- und Wartungszeiten ein.

Aufgrund einer deutlich verbesserten Energieeffizienz werden die Total Cost of Ownership bei Werkzeugmaschinen nachhaltig erhöht. Auch eine Nachrüstung bereits installierter Maschinen und Anlagen ist möglich.

Dr. Thomas Zellmann ist Leiter Anwendungszentrum Werkzeugmaschinen bei der Bosch Rexroth AG in 97814 Lohr am Main.