Energiesparmöglichkeiten bei Werkzeugmaschinen

 

 

Ausschnitt aus der RAVEL-Dokumentation "RAVEL im Maschinenbau" Nr. 724.333 D
von Oliver Zirn, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung, ETH Zürich

 

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© GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS, 30. JANUAR 1997


Einleitung

Der Energiebedarf von Werkzeugmaschinen stellt eine bislang wenig beachtete Einflussgrösse für deren Produktivität dar. Es bieten sich jedoch eine Vielzahl von Möglichkeiten, den Energiebedarf eines Maschinenparkes zu minimieren. Hierzu werden ausgehend von der zentralen Bearbeitungsaufgabe der Spanbildung die energetischen Zusammenhänge an Werkzeugmaschinen aufgezeigt. Neben der energie-optimalen Betriebsführung von Werkzeugmaschinen werden vor allem weitergreifende Änderungen in der Konstruktion und im Antriebsentwurf, welche teils parallel zu neuen Fertigungstechnologien wie der Hochge-schwindigkeitsbearbeitung verlaufen können, den Energie- und Leistungsbedarf bei gleichzeitiger Produktivitätssteigerung verringern.

Es darf erwartet werden, dass die energetische Optimierung zukünftig einen wichtigen Anteil an der Produktivität und damit an der Konkurrenz fähigkeit moderner Werkzeugmaschinen darstellt.

Die energetische Betrachtung von Werkzeugmaschinen bedeutet vorwiegend die Betrachtung des elektrischen Energiebedarfes, da die Wandlung in mechanische Arbeit heute fast immer direkt oder indirekt aus elektrischer Energie erfolgt. Der Bedarf an elektrischer Energie der gesamten Schweizer Maschinenindustrie betrug 1993 rund 2800 GWh [2], welche naturgemäss überwiegend in Hochlastzeiten - und damit auch Hochtarifzeiten - angefordert wurde. Bei Einschichtbetrieb entspricht diese Energie einem unterbrochenen Band von rund 1,4 GW elektrischer Leistung. Demnach bedarf es zur Bereitstellung der von der Maschinenindustrie benötigten elektrischen Energie der Leistung mehrerer grosser Kraftwerksblöcke.

Diese vereinfachte Darstellung macht bereits deutlich, dass bei der Ausschöpfung der Energiesparpotentiale neben der Minimierung des Energie- und Primärenergiebedarfes auch die Begrenzung der bereitzustellenden Leistung als vorrangige Ziele zu betrachten sind.


Systembetrachtung

Die Herstellung industrieller Güter kann in metabolische Prozesse, die zur Herstellung der Grundstoffe dienen, und morphologische Prozesse, welche Formgebung und Oberflächenbearbeitung bewerkstelligen, unterteilt werden. Die Kosten je Herstellungseinheit der morphologischen Prozesse liegen deutlich über denen der metabolischen Prozesse. Dagegen liegt Energiebedarf der metabolischen Herstellungsprozesse bezogen auf eine Herstellungseinheit deutlich über dem Energiebedarf der nachfolgenden morphologischen Arbeitsschritte, was in diesen Bereichen bereits früh einen Optimierungsdruck im Hinblick auf die spürbaren Energiekosten erzeugte. Zudem liegt damit ein zusätzlicher Ansatzpunkt bei der Energie-Optimierung von Werkzeugmaschinen in der Minimierung der zur Maschinenherstellung benötigten Energie (die sogenannte "graue Energie").

In diesem Gesamtfeld tragen die spanabhebenden Werkzeugmaschinen einen grossen Anteil der Produktivität morphologischer Herstellungsprozesse. Der Energiebedarf dieser Maschinen stellt dabei einen Anteil am Herstellungsaufwand dar, wobei der Leistungsbedarf dem fixen und der Energiebedarf dem variablen Herstellungsaufwand zugerechnet wird.

Ausgehend vom heute besonders in der Schweiz sehr niedrigen Energiepreisniveau darf mittelfristig trotz der zu erwartenden Wettbewerbsfreiheit auf dem Energiemarkt die Energieverknappung durch den vielerorts angestrebten Ausstieg aus der Kernenergie und das Schwinden der Primärenergieresourcen ein Anstieg der Energiekosten erwartet werden. Damit wird zukünftig der Energiebedarf einer Werkzeugmaschine neben Bearbeitungspräzision und Bearbeitungsleistung einen massgeblichen Einfluss auf die Produktivität - und damit nicht zuletzt auf die Konkurrenzfähigkeit - einer Werkzeugmaschine haben.


Prozessspezifischer Energiebedarf

Die qualitative Aufteilung der Energie, die zur Spanbildung benötigt wird, ist in Abb.1 dargestellt. Im Sinne einer hohen Werkzeugstandzeit sind die Reibungsverluste durch geeignete Prozessparameter (Schnittgeschwindigkeit, Werkzeuggeometrie, Zustellung) gering zu halten, so dass ca. 80% der mechanischen Hauptspindelleistung zur Spanbildung genutzt werden können.

 Abb. 1) Energiefluss beim Zerspanprozess

Die Schnittgeschwindigkeit bewegt sich bei konventionellen Verfahren zwischen 3 und 200 m/min, beim Hochgeschwindigkeitsfräsen in Stahl bis ca. 1500 m/min und bei Aluminium bis 5000 m/min. Der erzielbare Volumenabtrag liegt dabei bei 80 und 160 cm³/min bis zu 1600 cm³/min.

Den verschiedenen abtragenden Bearbeitungsverfahren können die in Tabelle 1 dargestellten spezifischen (volumenbezogenen) Energiewerte zugeordnet werden.

Prozess Benötigte Energie zur Spanbildung
Drehen, Fräsen, Bohren 1..3 J/mm³
Schleifen 30..60 J/mm³
Funkenerosion 100..200 J/mm³
Elektroerosion 200..500 J/mm³
Zum Vergleich:    
Schneiden/Stanzen 0,5..3 J/mm²
Biegen ..1 J/mm²

Tab. 1) Benötigte Energie zur Spanbildung

 


Maschine und Komponenten

Üblicherweise werden die Komponenten moderner Werkzeugmaschinen in die Bereiche Gestelle, Führungen und Lager, Antriebe sowie Steuerungen unterteilt.

Im Bereich der Gestelle liegen die Energiesparpotentiale beim Einsatz von Materialien geringen Energiegehaltes. Zudem müssen Gewichtseinsparungen - insbesondere im Hinblick auf die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung an bewegten Maschinenteilen - bei gleichzeitig höherer Steifigkeit durch eine weiter verbesserte oder gegebenfalls alternative Konstruktion erreicht werden. Ein eindrückliches Beispiel hierfür ist die Oktahedral-Hexapod-Fräsmaschine nach dem "Flugsimulator-Prinzip", welche eine hohe Steifigkeit und einen grossen Arbeitsraum mit geringem Gewicht und postulierbarem thermischen Verhalten verbindet.

Eine wichtige und analytisch schwer handhabbare Einflußgröße für die Genauigkeit und damit für die Produktivität einer Maschine ist die thermische Stabilität. Die gängige Praxis des Warmlaufenlassens vor Produktionsbeginn ist ein energetisch unsinniger und in thermischer Hinsicht schlechter Kompromiss, da die Maschine über die Hilfsantriebe und nicht über die im Prozess wirksamen Wärmequellen beheizt wird. Abhilfe kann hier eine optimierte Konstruktion mit kleinen Wärmekapazitäten, kleinen Wärmewiderständen und geschickt platzierten Wärmequellen bieten. Neben der heute immer öfter angewandten steuerungsseitigen Kompensation der Wärmeausdehnung bietet sich eine gezielte Erwärmung oder Flüssigkühlung bestimmter Bauteile als energetisch sinnvolle Alternative an.

Im Bereich der Führungen und Lager kann durch geringere Reibung und verschleissarme Komponenten der Energiebedarf nebst Lebensdauer verbessert werden.

Die Antriebe und Antriebskomponenten müssen einem hohen Wirkungsgrad besitzen [3]. Hierbei ist vor allem die Nutzbremsung anstelle der Widerstandsbremsung in Verbindung mit einer möglichst kleinen kinetischen Gesamtsystemenergie der Achsen zu erwähnen. Zudem sollten die Antriebsketten auch im Hinblick auf die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit möglichst geringen Trägheiten behaftet sein [4]. Hierbei können Kugelgewindetriebe hoher Steigung oder, soweit vom Prozess her möglich, Direktantriebe zum Einsatz kommen. In Abb. 2 sind die energetischen Verhältnisse dreier Vergleichsachsen für einen Beschleunigungsvorgang dargestellt.

Abb. 2) Gegenüberstellung der Beschleunigungsverluste und der Systemenergien verschiedener Vorschubantriebskonfigurationen

Steuerungsseitig sind je nach Prozess und Maschinenumgebung verschiedene Einsparmöglichkeiten gegeben. Bei der Programmerstellung muss durch Abstimmung der Antriebe der Leistungsbedarf minimiert und die Widerstandsbremsung soweit möglich vermieden werden.

Der Energie- und Leistungsbedarf eines Maschinenparkes hängt neben dem Energiebedarf des Bearbeitungszyklusses zusätzlich noch wesentlich von den Aktivitäten der Bediener und der "Gleichzeitigkeit" der Herstellungsperioden bzw. Lastspitzen ab. Im Bereich der Steuerung des Gesamt-Maschinenparkes können durch verbesserte Abstimmung der Arbeitsschritte und die Minimierung von Pausen- und Leerlaufzeiten deutliche Arbeits- und Leistungseinsparungen erzielt werden. Hierbei kann mit den heute zur Verfügung stehenden Simulationswerkzeugen eine weitgehende Optimierung mit Hilfe von Maschinenparkmodellen vorgenommen werden.


Leistungs- und Energiebedarf von Werkzeugmaschinen

Grundsätzlich kann eine immer weiterschreitende Erhöhung der installierten Leistung von CNC-Maschinen festgestellt werden. Die Hersteller erhöhen die Leistungsreserven der Maschinen möglicherweise, weil dies - richtig oder falsch - eine Forderung des Marktes, also ein Verkaufsargument zu sein scheint. Dagegen ist heute die mittlere Leistung Pm während eines Herstellungszyklus in 80% der Fälle kleiner als die halbe gesamte installierte Leistung.

Werkzeugmaschine installierte Leistung Hauptspindelleistung Achsvorschubantriebe Hilfsantriebe
Fräsmaschine* 51 % 37 % 12 %
BAZ* 38 % 38 % 24 %
Lehrenbohrwerk* 49 % 36 % 15 %
Horizontal-Drehmaschine* 66 % 22 % 12 %
Vertikal-Drehmaschine* 72 % 21 % 7 %
HSM-Fräsmaschine 20..40 % 50..60 % 10..20 %
Schleifmaschine 40..60 % ca. 20 % ca. 30 %

Tab. 2) Aufteilung der installierten Leistung für verschiedene CNC-Werkzeugmaschinen [1].

Die Wahl größer dimensionierter Motoren erzwingt eine Höherdimensionierung für die gesamte elektrische Antriebskette. Ebenso müssen die mechanischen Übertragungsglieder und die Strukturbauteile stärker und damit zunächst schwerer dimensioniert werden.

Das Gewicht der Maschinen nimmt exponentiell mit der installierten Leistung zu. Für Horizontaldrehmaschinen kann näherungsweise ein quadratischer Zusammenhang zwischen Maschinengewicht und installierter Leistung angegeben werden [1].

Abb. 3) Qualitative Darstellung der Netzleistung und -arbeit während eines Bearbeitungsvorganges

In Abb. 3 ist der Netzleistungsverlauf einer Fräsmaschine qualitativ für einen Bearbeitungsvorgang dargestellt. Die Aufteilung auf die verschiedenen Antriebsarten zeigt deutlich den geringen Anteil der eigentlichen Bearbeitungsenergie am Gesamtenergiebedarf. Der Energieanteil, der tatsächlich im Laufe einer Arbeitsschicht zur Spanbildung aufgewandt wird, liegt heute in den meisten Fällen deutlich unter 25% des Gesamtenergiebedarfes.

Die Hilfsantriebe haben trotz kleiner installierter Leistung einen erheblichen Anteil am Energiebedarf, so dass durch entsprechende bedarfsorientierte Steuerung dieser Antriebe eine spürbare Reduktion des Energieverbrauches erzielbar sein wird.

Um zukünftig im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung entsprechende Bahngenauigkeiten zu erhalten, werden bis an die physikalische Machbarkeitsgrenze optimierte Vorschubantriebe eingesetzt werden, deren Leistungs- und Energiebedarf grösser als der Bedarf der Hauptspindel sein kann. Dennoch ist diese Leistung keine "Verlustleistung", sondern ein wesentlicher Bestandteil der Hauptaufgabe der Werkzeugmaschine für das schnelle Zerspanen mit hoher Genauigkeit, d.h. höchster Produktivität.


Zusammenfassung

In Anbetracht des heute noch sehr niedrigen Energiepreisniveaus in den meisten Industrieländern wird die nachträgliche energetische Optimierung eines bestehenden Maschinenparkes nur im Bereich der Betriebsführung rentabel und sinnvoll sein. Für künftige Generationen von Werkzeugmaschinen darf jedoch erwartet werden, dass die Miteinbeziehung energetischer Aspekte eine auch vom Käufer geforderte Bedingung sein wird, und damit neben Leistung und Präzision einen massgeblichen Anteil an der Konkurrenzfähigkeit und der Produktivität einer Werkzeugmaschine haben wird.

Literaturhinweise

[1] Bongard, M.; Jufer, M.: Analyse du rendement énergétique de processus industriels de productique. Publications RAVEL, Office fédéral des questions conjoncturelles, 1992.

[2] Lüdi, R.: Auswertung Energiestatistik 1993. Verein Schweizerischer Maschinen-Industrieller, 1994.

[3] Reichert, K.; Neubauer, R. E.; Reiche, H.; Berg, F. W.: Elektrische Antriebe energie-optimal auslegen und betreiben. RAVEL, Bundesamt für Konjunkturfragen, 1993.

[4] Zirn, O; Treib, T.: High Speed Machining - Anforderungen an die Antriebstechnik. Automation Precision 8/1994.


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