antriebstechnik 9/2018

03 Position in mm 1500

03 Position in mm 1500 1000 500 0 – 500 04 Werkzeug 1 Verwendete Werkzeuge im Fertigungsprozess [11] Fräserdurchmesser Schnitttiefe Lastzyklus im Leerlaufprozess [4] 0 50 100 150 Zeit in s Spindelposition X (mm) Spindelposition Y (mm) Drehgeschwindigkeit Vorschubgeschwindigkeit Spindelposition Z (mm) Spindeldrehzahl (U/min) Werkzeug 1 R390-32T16-11M 32 mm 2 mm Werkzeug 2 2100 U/min 630 mm/min 200 250 275 Rotation Drehtisch Werkzeug 2 R390-080Q27-17M 63 mm 4 mm 1100 U/min 660 mm/min Übersetzungsverhältnis als auch durch den Motor, der mit einem Frequenzumrichter gekoppelt ist, variiert werden. Die Gesamtleistung der Maschine beträgt 35 kW. Wie in Bild 02 dargestellt, kühlt das Kühlsystem der DBF630 gleichzeitig drei Komponenten (elektrischer Schaltschrank 6, Drehtisch 4 und Hauptspindel 7). Eine Konstantpumpe 14 versorgt die zu kühlenden Komponenten über ein Stromventil 15 mit einem Kühlmedium von 40 l/min bei einem Systemdruck von 5,2 bar. Durch die Stromventile kann das Kühlmedium und damit die Kühlleistung des jeweiligen Kreislaufes eingestellt werden. Jedes Stromventil wird vom Hersteller entsprechend dem zu erwartenden Kühlbedarf im jeweiligen Kreislauf einmalig eingestellt und danach nicht mehr verändert. Die verwendeten Stromventile, type Tacosetter Inline 100 [8], in der Demonstratormaschine kommen aus 3000 2000 1000 0 1000 Spindeldrehzahl U/min dem Heizungsbereich der Haustechnik und beinhalten zusätzlich neben einem hydraulischen Abgleich eine Durchflussmessung, die das fließende Fluid durch das Stromventil zeigen kann. Mit den Abgleichventilen werden, wie bereits erwähnt, die erforderlichen Fluidmengen für die Teilsysteme einmalig eingestellt. Zur Vermeidung von Korrosionen und Kalkablagerungen findet ein Gemisch aus Wasser und 20 bis 40 % Antifrogen N als Kühlmedium Anwendung. Das Kühlaggregat 13 als Wärmesenke ist im Rücklauf des Kreislaufes integriert. Das Funktionsprinzip des Kühlaggregates (linkslaufender Carnot-Kreisprozess oder Clausius-Rankine-Prozess) ist ähnlich dem einer Kältemaschine (z. B. Kühlschrank) und basiert auf einer Zwei-Punkt-Regelung der Kühlmediumstemperatur. Im Gegensatz zum elektrischen Schaltschrank, der mithilfe eines Luft-Wärmetauschers 12 gekühlt wird, werden die Hauptspindel und der Drehtisch durch integrierte Kühlkanäle direkt durch das Kühlmedium gekühlt. Um das thermische Verhalten der zu kühlenden Maschinenkomponenten innerhalb des Kühlsystems zu bestimmen, werden Maschinenmessungen mit definierten Belastungszyklen durchgeführt. Die Maschinenmessungen enthalten verschiedene Teilprozesse, wie z. B. das Ein- und Ausschalten der Maschine, den Standby-Betrieb, den Leerlaufprozess sowie den Fertigungsprozess [9]. Die durchgeführte Untersuchung der Demonstratormaschine DBF630 umfasst vier unterschiedliche Betriebsphasen: Warmlauf-, Einricht-, Leerlauf- und einen exemplarischen Fertigungsprozess. Die Ergebnisse des Leerlauf- sowie Fertigungsprozesses werden in diesem Beitrag dargestellt. Der Leerlaufprozess basiert auf der ISO 230-3 [10], in der der typische Belastungszyklus definiert ist. Innerhalb des Leerlaufprozesses werden zwei Lastzyklen analysiert: Ein kurzer Lastzyklus (275 s) für die Leistungserfassung und ein langer Lastzyklus (dreimalige Wiederholung des kurzen Lastzyklus über insgesamt 1 100 s), der der Erfassung der Temperaturentwicklung in den zu kühlenden Komponenten des Kühlsystems dient. Wie in Bild 03 gezeigt, wird im Leerlaufprozess des kurzen Lastzyklus zunächst die Hauptspindel achtmal auf die maximale Drehzahl von 3 500 U/min beschleunigt und wieder abgebremst. Danach dreht sich der Drehtisch mit seiner maximalen Drehzahl für ca. 10 s. Anschließend erfolgt die Bewegung der translatorischen Achsen X, Y und Z. Im exemplarischen Fertigungsprozess wird ein Stahlblock (S235JR) mehrmals mit zwei verschiedenen Werkzeugen plangefräst. Die Spezifikationen der verwendeten Werkzeuge und daraus resultierenden Schneidbedingungen sind in Bild 04 dargestellt. Für die praktische Untersuchung des Kühlsystems wird die Demonstratormaschine mit umfangreicher Messtechnik für die Erfassung der Zielgrößen Temperatur, Volumenstrom und Druck ausgestattet. Für die Bestimmung der Fluidtemperatur an den Komponenten kommen hauptsächlich Thermoelemente (Typ T, Klasse 1) zur Anwendung. Die Kalibrierung der Temperatursensoren erfolgt in einem umgewälzten Flüssigkeitsbad bei 100 °C und im Eisbad bei 0 °C. Dies steigert die absolute Messgenauigkeit der einzelnen Temperatursensoren auf ± 0,1 K. In Bild 02 ist z. B. die Lage der angebrachten Temperatursensoren im Kühlsystem dargestellt. Die Verteilung des Volumenstroms an den Komponenten kann direkt aus den Stromventilen, Tacosetter Inline 100, abgelesen werden. Der Systemdruck lässt sich aus dem integrierten Druckmessgerät (Manometer) auf der Pumpendruckseite ablesen. Aufgrund der Zwei-Punkt-Temperaturregelung des Kühlaggregates lassen sich die Temperaturverläufe, wie in Bild 05 dargestellt, nach dem Zustand des Kühlaggregats unterteilen. Das heißt in der Kühlstrategie dieser Werkzeugmaschine besteht keine Regelung der Komponententemperatur auf eine Solltemperatur. Die Temperaturentwicklung des Drehtisches sowie des Schaltschrankes unterscheidet sich im ausgeschalteten Zustand des Kühlaggregates 98 antriebstechnik 9/2018

FLUIDTECHNIK (Phase KAG aus) deutlich von der in der Hauptspindel. In den Zeiten, in der das Kühlaggregat inaktive ist, 300 bis 600 s und 900 bis 1 400 s, liegt am Schaltschrank und Drehtisch die Temperaturdifferenz des Kühlmediums zwischen Ein- und Auslass ca. bei – 0,5 bis – 1 K. Das Kühlmedium wird abgekühlt, während die Komponenten erwärmt werden. Nur die Hauptspindel führt über die gesamte Prozesszeit Wärme an das Kühlmedium ab. Dies äußert sich in einer dauerhaften Erwärmung des Kühlmediums um maximal 3 K. Vor dem Leerlaufprozess erfolgt ein Warmlauf- und Einrichtprozess für ca. 300 s. Betrachtet man den ersten Hauptsatz der Thermodynamik für ein offenes, stationär durchströmtes System, kann für jede Komponente der Wärmestrom sowie die Änderung der Wärmemenge wie folgt berechnet werden: Bild 06 und Tabelle 01 verdeutlichen den übertragbaren Wärmestrom bzw. die Wärme durch das strömende Fluid, nach Gl. 1 und 2, aus den Komponenten Hauptspindel, elektrischer Schaltschrank und Drehtisch. In beiden Darstellungen hebt sich der Zeitraum zwischen 600 und 900 s deutlich ab, in dieser Phase ist das Kühlaggregat aktiv. Wird das Kühlmedium aktiv gekühlt, erhöht sich der Wärmestrom. Alle drei Komponenten übertragen Wärmeenergie an das Kühlsystem und werden somit gekühlt. Die Temperaturentwicklung der drei Komponenten im Fertigungsprozess, wie in Bild 07 dargestellt, sieht derjenigen im Leerlaufprozess sehr ähnlich. Beim ausgeschalteten Kühlaggregat (Phase KAG aus) ist die Fluideintrittstemperatur im Schaltschrank und Drehtisch höher als die Fluidaustrittstemperatur, dies beträgt ca. – 0,3 bis – 1 K, das Kühlmedium kühlt ab, während die Komponenten erwärmt werden. Beim zugeschalteten Kühlaggregat (Phase KAG ein) werden beide Komponenten aktiv gekühlt. Nur die Hauptspindel wird aktiv, wie im Leerlaufprozess, während des ganzen Prozesses gekühlt, die maximale Temperaturdifferenz beträgt 3,3 K. Mithilfe der Gl. 1 und 2 werden der Wärmestrom sowie die Wärme von Schaltschrank, Drehtisch und Hauptspindel für den Fertigungsprozess berechnet. Das Kühlaggregat schaltet sich im Bereich von 0 bis 95 s und von 820 bis 1 100 s ein. Bild 08 und Tabelle 02 geben einen Überblick über die Wärmezufuhr während des Fertigungsprozesses. Modellbildung und Validierung Simulationsmodelle bieten eine gute und flexible Möglichkeit zur Untersuchung und gezielten Weiterentwicklung eines Systems. Um belastbare Aussagen aus Simulationsmodellen ableiten zu können, ist es notwendig, das Verhalten des Realsystems zu analysieren und die Wirkzusammenhänge für die Modellerstellung aufzubereiten. Ziel der Modellbildung ist die Formulierung von geeigneten mathematischen Beschreibungsformen. Die resultierende, gleichungsbasierte Systembeschreibung wird anschließend mit den entsprechenden Parametern charakterisiert [12]. Wie in der Elektrotechnik gelten in der Thermik und Hydraulik die Knoten- und Maschenregel sowie die Gesetze zur Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen. Die Berechnung der thermischen und hydraulischen Widerstände zwischen zwei Knoten basiert auf folgenden Zusammenhängen [13]: 05 Temperatur in °C Temperatur in °C 06 Wärmestrom in W 36 32 28 36 32 28 Temperaturentwicklung der Komponenten und Tank im Leerlaufprozess Elektr. Schaltschrank 24 24 300 520 740 960 1180 1400 300 520 740 960 1180 1400 Zeit in s Zeit in s 24 24 300 520 740 960 1180 1400 300 520 740 960 1180 1400 3200 2400 1600 800 Motorspindel Zeit in s Q ES in kJ Q DT in kJ Q MS in kJ KAG aus (300 s bis 600 s) – 99 – 280 230 KAG ein (600 s bis 900 s) 165 248 656 KAG aus (900 s bis 1 400 s) – 101 – 183 651 Tabelle 01: Wärmeeintrag des Schaltschrankes, des Drehtisches sowie der Hauptspindel während des Leerlaufprozesses Temperatur in °C Temperatur in °C 36 32 28 36 32 28 Drehtisch Tank KAG aus KAG ein Zeit in s KAG aus Eingangstemperatur Ausgangstemperatur Tanktemperatur 0 Berechnete Wärmeströme und Wärmemengen im Leerlaufprozess Wärme in kJ 1600 1200 – 800 0 350 700 Zeit in s 1050 1400 – 400 0 350 700 Zeit in s 1050 1400 Hauptspindel (MS) Elektr. Schaltschrank (ES) Drehtisch (DT) Q ES in kJ Q DT in kJ Q MS in kJ KAG ein (0 s bis 95 s) 44 110 233 KAG ein (95 s bis 820 s) – 58 – 147 627 KAG ein (820 s bis 1 100 s) – 32 – 248 642 Tabelle 02: Wärmeeintrag des Schaltschrankes, des Drehtisches sowie der Hauptspindel während des Fertigungsprozesses 800 400 0 antriebstechnik 9/2018 99