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Energieeffiziente Werkzeugkonzepte

Prozessoptimierung an der Werkzeugmaschine

Mit einer intelligenten Prozessoptimierung können auch auf vorhandenen Werkzeugmaschinen beachtliche Energie- und damit Kosteneinsparungen erreicht werden. Dafür gibt es im Wesentlichen zwei Ansatzpunkte: Die Verkürzung der Maschinenlaufzeiten und die Reduzierung der Schnittkräfte. Diesen Ansatz unterstützt Mapal mit Werkzeugkonzepten für energieeffiziente Fertigungsprozesse.



Beispiel für die Umstellung von Fertigungsprozessen auf energiesparende Verfahren: Die Bearbeitung einer Wandlerglocke wurde erfolgreich auf Minimalschmiermengen-Bearbeitung umgestellt. Bild: Mapal Dr. Kress KG

Energiekosten und insbesondere die Strompreise werden weiter steigen. Diese These ist unstrittig. In Deutschland benötigt die Industrie über 40 Prozent des gesamten produzierten Stromverbrauchs. Circa 60 Prozent davon entfallen auf den Betrieb von Produktionsmaschinen. Bei Werkzeugmaschinen ist die benötigte Energie für die Zerspanung sehr klein im Vergleich zum Gesamtenergiebedarf der Maschine. Bei diesen Maschinen gibt es eine Reihe von Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz, zum Beispiel durch den Einsatz bedarfsgerechter Regelungen und Steuerungen sowie die Verwendung von energiesparenden Komponenten.

Dies setzt jedoch meist hohe Investitionen oder gar neue Maschinen voraus. Dagegen kann mit einer intelligenten Prozessoptimierung auch auf vorhandenen Maschinen eine beachtliche Energie- und damit Kosteneinsparung erreicht werden. Dafür gibt es im Wesentlichen zwei Ansatzpunkte: Die Verkürzung der Maschinenlaufzeiten und die Reduzierung der Schnittkräfte, insbesondere bei der Schruppzerspanung. Im Durchschnitt können mit geeigneten Werkzeugkonzepten Einsparungen im Bereich von 15 Prozent des Gesamtenergiebedarfs realisiert werden.

Reduzierung von Haupt- und Nebenzeiten

Besonders effektiv zeigt sich der Einsatz von Kombinationswerkzeugen im Hinblick auf die Reduzierung des Energiebedarfs, da sowohl Haupt- als auch Nebenzeiten beeinflusst werden. Durch die Integration möglichst vieler Bearbeitungen in ein Werkzeug werden Werkzeugwechsel eingespart. Die gesamte Fertigungszeit wird so durch das gleichzeitige Bearbeiten verschiedener Durchmesser, Fasen und Planflächen reduziert. Überdies werden Folgeprozesse positiv beeinflusst, da außerdem Genauigkeiten und Prozesssicherheit verbessert und so Messzyklen reduziert werden können. Getriebegehäuse von modernen Automatikgetrieben zum Beispiel sind sehr komplexe Bauteile, für deren Bearbeitung eine Vielzahl von Werkzeugen nötig ist. Da bietet der Fertigungsprozess für Getriebegehäuse zum Beispiel mehrere Ansatzpunkte für den Einsatz von Kombinationswerkzeugen. Hier können bis zu 25 Prozent der Bearbeitungszeiten eingespart werden.

Hochleistungswerkzeuge verkürzen Bearbeitungszeit

Auch durch gesteigerte Schnittwerte kann die Hauptzeit der Bearbeitung stark reduziert werden, mit entsprechend positiven Auswirkungen auf den Energieverbrauch. Bei der Entwicklung des Mega-Speed-Drill, der Feedplus Reibahle oder des HP-Facemill (Bild links) von Mapal stand dementsprechend die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit beziehungsweise der Vorschubwerte im Mittelpunkt. Auf diese Weise lassen sich die Bearbeitungszeiten mehr als halbieren. Bei den Feedplus Reibahlen wurde dies möglich, weil je nach Durchmesser mehr als doppelt so viele Schneiden im Werkzeug eingebracht sind als bei anderen fest gelöteten Reibahlen. Dadurch können entsprechend höhere Vorschübe gefahren werden. Beispielsweise konnte bei der Bearbeitung einer Bronzebuchse in einem Kipphebel durch den Einsatz einer Feedplus Reibahle mit 18 Schneiden die Bearbeitungszeit um 66 Prozent reduziert werden. Gegenüber der herkömmlichen Bearbeitung mit achtschneidigen Werkzeugen entspricht dies bei 50.000 produzierten Teilen pro Jahr einer Einsparung von 39 Stunden Bearbeitungszeit.



„Unsere Aktivitäten stehen unter der Prämisse, unsere Umwelt und die uns zur Verfügung stehenden Ressourcen zu schonen.“ Dieser Auszug aus den Mapal-Unternehmensgrundsätzen dient als Maßstab bei neuen Produktentwicklungen und auch bei Werkzeugkonzepten für energieeffiziente Fertigungsprozesse. Das zeigt sich auch an den Hochleistungswerkzeugen des Herstellers, die dahingehend konzipiert wurden, die Bearbeitungszeit durch hohe Schnittwerte zu verkürzen (Bild links) oder hohe Zerspanvolumina bei vergleichsweise geringem Leistungsbedarf zu erreichen (Bild rechts). Bilder: Mapal Dr. Kress KG

Reduzierte Schnittkräfte bei der Schruppzerspanung

Bei der mittleren bis leichten Zerspanung ist die Energieaufnahme der Spindel unwesentlich vom Werkzeug bestimmt. Anders bei der Schruppzerspanung, bei der das Werkzeug sehr stark den Leistungsbedarf bestimmt. Durch den Einsatz von weichschneidenden Schneidengeometrien, wie in der Tangentialtechnologie verwendet, kann folglich auch bei der Schruppzerspanung der Energiebedarf gesenkt werden. Der Hersteller setzt die Tangentialtechnologie bei Aufbohrwerkzeugen und zum Fräsen ein. Die Performancemill Fräser mit ISO-Wendeschneidplatten erreichen hohe Zerspanvolumina bei vergleichsweise geringem Leistungsbedarf. Zudem führt das weiche Schnittverhalten zu höheren Standzeiten und reduzierten Vibrationen.

Leichtbauwerkzeuge mit doppelt positivem Effekt

Spezielle Leichtbauwerkzeuge mit CFK-Grundkörper für Bohrungen mit großem Durchmesser – ab 500 Millimeter – können Bearbeitungszeit sparen und schonen durch ihr geringeres Gewicht zusätzlich die Spindel der Werkzeugmaschine. Im Gegensatz zu üblicherweise eingesetzten Brückenwerkzeugen in Stahl- oder Aluminiumbauweise weisen CFK-Werkzeuge eine sehr geringe Wärmeausdehnung auf. Somit sind Maßstabilität und eine konstante Genauigkeit des Werkzeuges bei schwankenden Temperaturen gewährleistet, Nachjustieren und Kontrollschnitte entfallen. Durch ihr geringes Gewicht sind die großen Werkzeuge gut ein- und auszuwechseln. Und auch die Anwendung der Werkzeuge ist vergleichsweise einfach: Es gibt nur eine Feinverstellpatrone, die auf den Mikrometer genau und ohne Spiel auf der Brücke angebracht ist.

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