Effizienter dank optimierter Hydraulik

Für bestimmte Funktionen kommen bei Werkzeugmaschinen Hydrauliken zum Einsatz. Wichtigster Grund hierfür ist die Kompaktheit der Betätigungselemente, die sehr hohe Kräfte auf engstem Raum entfalten können. Diese hohe Leistungsdichte wird häufig auch bei Sicherheitsfunktionen genutzt, z. B. wenn die Arretierung mechanischer Komponenten durch Federkräfte bewirkt wird, die nur kurzfristig aufgehoben werden müssen. Dank neuer Entwicklungen haben sich die früher als lautstarke Energiefresser verrufenen Hydrauliken inzwischen zu leisen und sparsamen „Heinzelmännchen“ gewandelt, die – diskret unter der Maschinenverkleidung integriert – wichtige Hilfsfunktionen übernehmen.


Bild 1 Mit einem Arbeitsraum von 4000 x 1200 x 1500 mm ist die BFR24 die größte Bettfräsmaschine im Programm der Reiden AG.  (Bild: Reiden)

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Mit einem Arbeitsraum von 4000 x 1200 x 1500 mm ist die BFR24 die größte Bettfräsmaschine im Programm der Reiden AG.
(Bild: Reiden)

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Bild 2
Daniel Lustenberger (links) und Andy Brunner vor einer BFR2: „Wichtigste Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz waren der Wechsel zum Speicherladebetrieb und die konsequente Verwendung von leckagedichten Wegesitzventilen mit Low-Watt-Elektromagneten.“

„Moderne Werkzeugmaschinen müssen heute nicht nur Bestleistungen bei der Bearbeitung von Werkstücken aufweisen, sondern auch energieeffizient sein“, weiß Daniel Lustenberger, Leiter Marketing und Verkauf der Reiden Technik AG in Reiden (Schweiz). Das mittelständische Unternehmen ist Hersteller von hochpräzisen 5-Achs-Fräszentren für die Schwerzerspanung von Werkstücken mittlerer Größe, die dank ihrer Robustheit und Präzision einen weltweit hervorragenden Ruf genießen. Aufgrund entsprechender Forderungen der Politik werden solche industriellen Anlagen heute zunehmend auch mit Blick auf ihre Energieeffizienz auf den Prüfstand gestellt. Aus diesem Grund setzte die Reiden AG zunächst bei ihren Neuentwicklungen der RX-Serie auf eine umfassende Neukonzeption der Hydrauliksysteme, die bei diesen Maschinen zahlreiche Hilfsfunktionen z. B. bei Achsverriegelungen, beim Werkzeugwechsel sowie bei der Werkzeug- und Werkstückspannung übernehmen. Im Unterschied zum früher üblichen Vorgehen realisiert Reiden diese Systeme heute nicht mehr in Eigenregie. Stattdessen wählte man hierfür mit der Hawe-Hydratec AG aus Perlen einen langjährig bewährten Zulieferpartner, mit dem man auf diesem Gebiet bereits seit 2008 eng zusammenarbeitet.

Die Modernisierung eines Flaggschiffs

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Bild 3
Geschabte und tieflochgebohrte Flach- führungen sind die Grundlage für die enorme Robustheit und hohe Präzision des massiven Getriebebalkens der Y-Achse der BFR2.

„Jüngstes Projekt war dann die Modernisierung unseres Flaggschiffs, der BFR2“, ergänzt Lustenberger. Diese großformatige Bettfräsmaschine ist in verschiedenen Bau-größen mit Arbeitsraumabmessungen bis zu 4000 x 1200 x 1500 mm und Palettenzuladungen bis zu 5000 kg erhältlich. Die als hochpräzises „Arbeitspferd“ geschätzte BFR2 erfreut sich weltweit einer lebhaften Nachfrage. Ihre Hydraulik übernimmt zahlreiche Hilfsfunktionen bis hin zum Gewichts- ausgleich der Z-Achse und der Durchbiegungskompensation für den Getriebebalken des Fräskopfs. Sie war jedoch noch in herkömmlicher Weise ausgelegt: So lief die Pumpe kontinuierlich gegen ein Überdruckventil, um den geforderten Öldruck aufrechtzuerhalten und zudem Leckageverluste in den Ventilen zu kompensieren, und die Ventile benötigten erhebliche Steuerleistungen.
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Die von Hawe-Hydratec einbaufertig zugelieferte Hydraulikeinheit. Unten befindet sich das Kompaktaggregat Typ MPN mit Unterölmotor. Der schwarze Kolbenspeicher ist das Kernelement für den Abschaltbetrieb.

Weitere Nachteile waren der hohe Geräuschpegel der ständig laufenden Pumpe und Beschädigungsrisiken für das außen beigestellte Aggregat und die Verbindungen bis zur Maschine.

Komplettes Upgrade der Hydraulik

„Aufgrund der ungebrochenen Beliebtheit der BFR2-Baureihe entschied man sich bei Reiden Mitte 2016 für ein komplettes Upgrade im Bereich der Hydraulik“, sagt Andy Brunner, Vertriebsmitarbeiter bei Hawe Hydratec AG. Aufgrund des guten gegenseitigen Vertrauensverhältnisses entschied sich Reiden bei dieser Aufgabe erneut für Hawe-Hydratec als Gesamtpartner. Da hierbei auch die Einpassung der neuen Hydraulik in die Gesamtmaschine zu lösen war, arbeiteten Entwickler beider Firmen eng und partnerschaftlich zusammen. Das Ergebnis war ein sehr kompaktes Hydraulikaggregat, das von Hawe-Hydratec komplett gefertigt und geliefert wird. Die vollständige Integration in die Maschine verringert den Flächenbedarf, und die Hydraulik ist unter der Abdeckung zudem gegen Beschädigungen geschützt.

Zu den Besonderheiten der neuen Lösung gehört die vollständige Umstellung auf Speicherladebetrieb, d.h. die Pumpe füllt zunächst einen Gasdruckspeicher. Hieraus wird anschließend der für die Betätigung der Hydraulik benötigte Energiebedarf entnommen, bis ein definiertes Mindest-Druckniveau unterschritten wird. Daraufhin läuft die Pumpe wieder an und lädt den Speicher erneut auf. Dadurch konnte die Einsatzdauer der Pumpe je nach Betriebsweise auf teils sogar weniger als 10 % gesenkt werden. Dementsprechend verringern sich auch der Verschleiß des Aggregats und damit die Wartungsaufwendungen.

Weitere Vorteile

„Weitere erhebliche Einsparungen beim Energieverbrauch konnten wir durch die konsequente Verwendung neuer Ventiltechnik erzielen“, verrät A. Brunner. Dazu wurde die gesamte Ventiltechnik auf Wegesitzventile umgestellt, weil diese von der Bauart her völlig dicht schließen, so dass keinerlei Druckabfall durch interne Leckagen mehr ausgeglichen werden muss. Hinzu kommen weitere Energieeinsparungen bei der Ventilansteuerung, weil jetzt ausschließlich Low-Watt-Elektromagnete mit einer Leistungsaufnahme von je nur 8 W verwendet werden.
Wichtiger Pluspunkt der neuen Lösung ist auch die Verwendung einer kompakten Motor-Pumpeneinheit, die als Unterölaggregat direkt im Tank verbaut ist. Dieses platzsparende Design erleichtert nicht nur die Integration in die Werkzeugmaschine, die Dämpfung durch die Flüssigkeit senkt auch die Geräuschemissionen in den vergleichsweise kurzen Zeiträumen, in denen die Pumpe überhaupt arbeitet. Auch ein Teil der Ventile sowie der schlanke Druckspeicher finden oberhalb des Öltanks Platz.

Bemerkenswertes an der BFR2-Hydraulik

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Im Vergleich mit einer herkömmlichen, kontinuierlich arbeitenden Hydraulikpumpe (blau) verringert sich der Energiebedarf bei Speicherladebetrieb auf nur noch 22 %, fallweise sogar auf unter 10 %.
(Bild: Hawe-Hydratec)

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Hydrauliksteuerung für den Werkzeugwechsler (Zange unten rechts). Zum Einsatz kommen ausschließlich Wegesitzventile Typ NBVP 16 mit 8-Watt-Technologie.

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Der blaue Druckausgleichsspeicher für den hydraulischen Gewichtsausgleich der Z-Achse

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Bild 8
Die Zahl der Hydraulikventile am Getriebe- balken der Y-Achse verdeutlicht die Bedeutung hydraulisch betätigter Zusatzfunktionen an der BFR2. Oben rechts der Hydraulikzylinder für die Durchbiegungskompensation.
(Bilder 2–4, 6–8: Klaus Vollrath)

„Zu den erwähnenswerten Besonderheiten der Hydrauliklösung gehören der Gewichtsausgleich für die Z-Achse sowie die Durchbiegungskompensa- tion der Y-Achse“, weiß A. Brunner. Der Gewichtsausgleich für die Z-Achse samt des auf ihr verfahrenden Getriebebalkens der Y-Achse nebst Getriebekopf und Fräswerkzeug erfolgt durch einen eigenen Hydraulikkreislauf mit zugehörigem Speicher, dessen Kennfeld auf die zu bewältigende Gewichtskompensation ausgelegt ist. Erforder-lichenfalls kann das Druckniveau durch die Haupthydraulik nachjustiert werden, z. B. um das Gewicht eines besonders schweren Fräskopfs zu berücksichtigen. Diese feinfühlige Justiermöglichkeit verringert die Belastung des Antriebs der Z-Achse und damit deren Energieverbrauch.
Eine weitere Besonderheit des BFR2-Konzepts ist der hydraulische Ausgleich der Durchbiegung des Getriebebalkens der Y-Achse. Je weiter diese Achse ausfährt, desto stärker biegt sie sich der Schwerkraft folgend nach unten durch. Bei manchen am Markt angebotenen Maschinen wird dies lediglich durch eine entsprechende Höhenkorrektur der Z-Achse aus- geglichen. Dies kompensiert jedoch nicht die gleichzeitige Abweichung des Winkels der Spindelachse von der Vertikalen. Die Folge hiervon können Stufen in der Oberfläche sein. Der Effekt ist hierbei umso stärker, je größer der Werkzeugdurchmesser ist.
Als Abhilfe setzt man bei Reiden auf eine Kompensation der Durchbiegung durch eine Zugstange auf der Oberseite des Getriebebalkens, deren Spannung über einen Hydraulikzylinder verändert werden kann. Dadurch steht dann die Drehachse der Spindel wieder im exakten 90°-Winkel zur Tischober- fläche. Diese Kompensation stellt sehr hohe Anforderungen an die Fein- fühligkeit der Hydraulik. Hierfür sind zuverlässige und genaue Proportionalventile nötig. Das Ergebnis sind jedoch saubere Oberflächen ohne „Stufen“ selbst beim Einsatz großformatiger Scheibenfräser.

Weitere Verbesserungen

„Selbstverständlich haben wir bei dieser Upgradeaktion auch weitere Modernisierungen vorgenommen“, verrät Lustenberger. So wirke sich die geringe und konstante Wärmeentwicklung der neuen Hydraulik positiv auf die Bearbeitungsgenauigkeit aus. Hinzu kommen Verbesserungen an der Elektronik und den Antrieben sowie die Anpassung der Steuerung auf den aktuellen Entwicklungsstand von Hardware und Software.
Inzwischen habe man bereits drei Maschinen dieser verbesserten Version gebaut sowie eine weitere im Auftrag. Von den bereits bei Kunden stehenden Anlagen erhalte man positive Rückmeldungen.

Auch bezüglich der Zusammenarbeit mit Hawe-Hydratec sei man hoch zufrieden. Dies betreffe nicht nur die Entwicklungszusammenarbeit, sondern auch Qualität und Servicefähigkeit. Das Schweizer Hauptlager liege in kurzer Distanz und reagiere bei Bedarf sehr schnell. „Weiterer Vorteil ist darüber hinaus die weltweite Präsenz der Hawe Hydraulik mit Stammsitz in München. Wenn es im Fall des Falles einmal eng werden sollte, können wir weltweit mit schnellem Zugriff auf Ersatzteile und Support rechnen“, freut sich Daniel Lustenberger.

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Kontakte:
Hawe-Hydratec AG
Dorfstrasse 37
CH-6035 Perlen
Tel.: +41 41/7 47 40–00
E-Mail: info@hawe-hydratec.ch
www.hawe-hydratec.ch

Reiden Technik AG Werkzeugmaschinen
Werkstrasse 2, CH-6260 Reiden
E-Mail: info@reiden.com
www.reiden.com