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antriebstechnik 9/2018

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Thermische Analyse und

Thermische Analyse und simulationsbasierte Optimierung des Kühlsystems einer Werkzeugmaschine Während der Produktionsprozesse wird ein Teil der elektrischen, hydraulischen und mechanischen Energie als Energieverluste in der Werkzeugmaschine in Wärme umgewandelt. Die eingeführte Wärme führt zu Temperaturschwankungen und ruft eine thermo-elastische Verformung der Maschinenstruktur hervor. Um die thermoelastische Verformung zu verringern, muss die Maschine gezielt temperiert werden. Bisherige Forschungsarbeiten konzentrierten sich vor allem auf die Reduzierung des Energiebedarfs der Antriebe. Das thermische Verhalten der zu kühlenden Komponenten des Kühlsystems ist jedoch noch nicht im Detail erforscht. M. Sc. Linart Shabi und Dipl.-Ing. Juliane Weber sind wissenschaftl. Mitarbeiter am Institut für Fluidtechnik der TU Dresden; Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber ist Hochschullehrer und Inhaber der Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik und Leiter des Instituts für Fluidtechnik der TU Dresden Bei Werkzeugmaschinen steigen im Allgemeinen neben der Produktivität auch die Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile und an die Energieeffizienz der Fertigungsprozesse [1]. Leistungsverluste, die während des Produktionsprozesses in der Maschine entstehen, werden nahezu vollständig in Wärme umgewandelt. Wird diese Wärme nicht abgeführt, kann es zu thermoelastischer Verformung der Maschinenstruktur kommen. Diese Verformung der Maschinenstruktur beeinflusst direkt die Lage des Tool Center Point (TCP) der Werkzeugmaschine. Dadurch wird die Präzision der Maschine beim Fertigungsprozess reduziert. 96 antriebstechnik 9/2018

FLUIDTECHNIK Zur Beherrschung und Steuerung des thermo-elastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen bilden fluidtechnische Systeme, wie das Kühl- und das Kühlschmierstoffsystem, zentrale Stellelemente. Deshalb sind solche Systeme heutzutage bei spanenden Werkzeugmaschinen nicht mehr wegzudenken [2]. Sie sind dafür verantwortlich, die entstehende Wärme aus der Werkzeugmaschine abzuführen und somit ein konstantes Temperaturniveau zu gewährleisten. In vorhergehenden Arbeiten konnte nachgewiesen werden, dass der Anteil des Energieverbrauches aller fluidtechnischen Systeme (Hydraulik-, Schmier-, Kühl- und Kühlschmierstoffsystem) fast die Hälfte des Gesamtmaschinenverbrauches beträgt [3, 4]. Sie sind damit wesentliche Verbraucher elektrischer Energie und selbst bedeutende Wärmequellen innerhalb der Werkzeugmaschine. Frühere Studien wurden in [2, 5, 6, 7] durchgeführt, um den Energieverbrauch und die Energieverteilung an den Werkzeugmaschinen zu analysieren und zu bestimmen. Diese konzentrierten sich jedoch darauf, den Energieverbrauch durch Entwicklung effizienterer Komponenten und neuer Steuerungsstrategien, wie z. B. einer Abschaltsteuerung von Komponenten während der Wartezeiten, zu senken. Das thermische Verhalten der zu kühlenden Komponente des Kühlsystems und seine Effektivität wurden noch nicht im Detail erforscht. Daher ist eine detaillierte Analyse der bestehenden Kühlsystemstrukturen und ihres thermischen Verhaltens notwendig, um neben einer Steigerung der Energieeffizienz der Werkzeugmaschine auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Das Ziel dieser Arbeit ist eine simulationsbasierte Studie über die neuen entwickelten Kühlsystemstrukturen vorzustellen. Zuerst werden experimentelle Untersuchungen zum thermischen Verhalten der Kühlsystemkomponenten einer Demonstrationsmaschine für zwei verschiedene Prozesse (Leerlauf- und Fertigungsprozess) durchgeführt. Auf dieser Basis erfolgt die Entwicklung und Validierung eines Simulationsmodells für die aktuelle Kühlsystemstruktur. Für experimentelle Untersuchungen steht das Bearbeitungszentrum DBF630 von Scharmann (Versuchsmaschine) am WZL der RWTH Aachen zur Verfügung. Die Untersuchung trägt dazu bei, Informationen über die Effizienz des Kühlsystems zu erhalten, d. h. wie die individuelle bedarfsgerechte Bereitstellung des Kühlmediums für jede Komponente abgestimmt ist. Dies bietet die Möglichkeit neue Optimierungsansätze abzuleiten, wie z. B. die Dezentralisierung der Systemstruktur. Zunächst geben wir einen Überblick über die Demonstratormaschine DBF630 mit besonderem Fokus auf das Kühlsystem sowie die Ist-Stand-Analyse des Kühlsystems für einen Leerlauf- und Fertigungsprozess. Dann wird der Modellierungsansatz für die Simulation gezeigt. Abschließend werden die Optimierungsansätze der neuen entwickelten Kühlsystemstrukturen diskutiert sowie deren Potenziale gegenüber der aktuellen Kühlsystemstruktur dargestellt. Demonstratormaschine und Ist-Stand-Analyse des Kühlsystems Die analysierte und experimentell untersuchte Demonstratormaschine in Bild 01 ist das Bearbeitungszentrum DBF630 von Scharmann. Diese Werkzeugmaschine hat drei Linearvorschubachsen (X, Y, Z) und eine Drehachse (B). Die zusätzliche U-Achse 01 Freiheitsgrade der Demonstratormaschine DBF630 [3] 02 14 6 12 15 Schematische Darstellung des Kühlsystems der DBF630 und die Positionen der Temperatursensoren 11 3 5 z 4 13 Eingangstemperatur Ausgangstemperatur Tanktemperatur y x 2 8 1 9 7 10 1) Ständer 2) Spindelkasten 3) Maschinenbett 4) Drehtisch 5) Werkstück 6) Elektr. Schaltschrank 7) Hauptspindel 8) Antrieb Y-Achse 9) Antrieb X-Achse 10) Antrieb Z-Achse 11) Tank 12) Lüfter Schaltschrank 13) Kühlaggregat 14) Hauptantriebpumpe 15) Stromventil wird hauptsächlich für einen Drehprozess verwendet und ist während des Fräs- oder Bohrprozesses inaktiv. Die Hauptspindel (Motorspindel) der DBF630 ist eine Getriebespindel mit zwei Stufen. In der Stufe 1 erreicht die Spindel eine maximale Drehzahl von 804 min -1 bei einem Übersetzungsverhältnis von 8,2. In dieser Stufe besitzt die Spindel eine hohe Zerspanleistung durch ein hohes Drehmoment von 1 700 Nm bei 195 min -1 . In Stufe 2 beträgt die maximale Spindeldrehzahl 3 500 min -1 bei einem Übersetzungsverhältnis von 1,5. So kann die Spindeldrehzahl sowohl durch das antriebstechnik 9/2018 97

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