Werkzeugmaschinenkühlung
Anwendung und Hintergrundwissen
Für schnelle und effiziente Fertigungsprozesse werden in der industriellen Produktion zahlreiche, unterschiedliche Maschinen eingesetzt, vom einfachen Fließband über vollautomatische CNC-Maschinen bis hin zu modernsten Co-Bots, die im wahrsten Sinne Hand in Hand mit dem Menschen arbeiten. Bei der Herstellung aller Maschinen ist größtmögliche Präzision entscheidend, damit diese später zuverlässig sind und gleichbleibende Qualität liefern.
Wie werden industrielle Kühlaggregate zur Maschinenkühlung eingesetzt?
Bei der Fertigung der Maschinenkomponenten werden hochpräzise und leistungsstarke Werkzeugmaschinen verwendet. Enge Toleranzen im Mikrometer-Bereich (1 µm = 1 Tausendstel Millimeter) erfordern, dass alle beweglichen Teile der Werkzeugmaschinen in einem engen, konstanten Temperaturbereich arbeiten. Deshalb werden sie häufig aktiv mit Flüssigkeit gekühlt (wie beispielsweise Wasser, Öl oder Emulsion). Ohne geregelte Kühlung könnten bspw. die thermodynamischen Eigenschaften der Lager und Achsen zum Stillstand der Werkzeugmaschine führen. Dehnt sich eine Achse durch Wärmeeintrag stärker aus als ihre Lager, kann sie festklemmen. Oder umgekehrt: wenn die Lagerung sich stärker ausdehnt als die gelagerte Achse, entsteht dadurch mehr Spiel. Dies bewirkt einen weniger genauen Rundlauf, was die Maßhaltigkeit des Werkstücks beeinträchtigt und Ausschuss verursacht.
Auch die konstante Temperatur des Werkstücks während der Bearbeitung ist entscheidend. Eine aktive, geregelte Kühlung mit Kühlschmierstoff (KSS) wirkt hierbei dem Wärmeeintrag in das Material entgegen, der ungewünschte Eigenschaften des Werkstücks zur Folge haben kann und ebenfalls die Maßhaltigkeit beeinträchtigt. Dies kann zu einer Überschreitung der zugelassenen Toleranzen und damit zu Ausschuss führen; die Qualitätsanforderungen des Werkstücks werden dann nicht mehr erfüllt.
Welche Vorteile bieten Chiller bei der Werkzeugproduktion?
Die aktive Kühlung des Werkzeugs dient nicht nur der Präzision, sondern erhöht auch dessen Lebensdauer. Im Herstellungsprozess setzt man Temperaturveränderungen bewusst ein, um bspw. die Eigenschaften des Metalls zu beeinflussen. So werden z. B. Bohrer an der Schneidspitze gehärtet, um lange saubere Löcher bohren zu können, während ihr Schaft vergleichsweise weich belassen wird, damit sie nicht so leicht abbrechen. Die Härte oder Flexibilität des Metalls wird durch gezieltes Erwärmen und Abkühlen erreicht. Ungewollte Temperaturschwankungen können diese Eigenschaften zerstören.
Durch die korrekte und konstante Temperatur bleiben die Schneiden von Bohrern und Fräsköpfen länger scharf; das Werkzeug kann für die Produktion mehrerer Werkstücke genutzt und somit auch die Herstellungskosten pro Stück gesenkt werden.
Welche Anforderungen werden in der modernen Maschinenkühlung gestellt?
Neben der Anforderung zu immer höherer Präzision wird auch im Maschinenbau stetig größere Leistung auf kleinerem Raum verlangt. Dies führt dazu, dass vor allem bei den Antriebsmotoren die passive Luftkühlung durch eine aktive Flüssigkeitskühlung abgelöst wird. Dieselbe Entwicklung vollzog sich vor Jahrzehnten im Fahrzeugbau: von luftgekühlten Motoren hin zu den heutigen, sehr viel leistungsstärkeren, wassergekühlten Motoren – bei vergleichbarer Baugröße.
Zusammengefasst: Große Präzision erfordert exakte Temperierung von Werkstück, Werkzeug und Werkzeugmaschine. Mehr Leistung schafft kürzere Bearbeitungszeiten durch größere mögliche Schnittgeschwindigkeiten, aber dadurch auch höhere Wärmelasten und benötigt bei gleichem oder geringerem Platzbedarf die effektivere Flüssigkeitskühlung statt einfacher Luftkühlung. Für Flüssigkeitskühlung mittels Wasser, Öl oder Emulsion hat HYFRA den passenden Kühler oder entwickelt maßgeschneiderte Lösungen.
Andere Kunden suchten auch nach Anlagen zur Spritzgießmaschinen-Kühlung oder zur Werkzeugmaschinenspindel-Kühlung.
Praxisbeispiel Werkzeugmaschinen-Kühlung
Ein Beispiel aus dem Automotive-Bereich ist das Bearbeiten eines Motorblocks. Damit der fertige Motor später zuverlässig seine volle Leistung bringt und auch die strengsten Abgasnormen erfüllt, müssen alle Teile mit großer Präzision gefertigt werden. Um die strengen Toleranzen einhalten zu können, wird nicht nur das Werkzeug gekühlt, sondern auch die Spindel der Fräsmaschine, um einen optimalen Rundlauf sicherzustellen. Während der gesamten Bearbeitung darf sich das Werkstück nicht in Größe oder Form verändern, wie es durch Temperaturschwankungen möglich wäre. Daher wird nicht nur das Werkstück gekühlt, sondern auch der Werktisch, auf dem der Motorblock während seiner Bearbeitung montiert ist. Die Kühlung von Werkzeug und Werkstück geschieht durch KSS der während der Bearbeitung über Werkzeug und Werkstück fließt und in einem geschlossenen Kreislauf gereinigt und erneut gekühlt wird. Die Kühlung der Spindel erfolgt davon getrennt in der Maschine und ist auf die dafür optimale Temperatur abgestimmt.
Zukunftssichere Lösungen
Wie die Werkzeugmaschinen selbst, müssen auch Prozesskühler stetig kleiner, leistungsfähiger und flexibler werden, um sich in die Maschinendesigns einzufügen. Zeitgleich wachsen die Anforderungen an den schonenden Umgang mit allen wirtschaftlichen und ökologischen Ressourcen. Dafür entwickeln Spezialisten von HYFRA zukunftssichere Lösungen, wie z. B. die Microchannel-Technologie, mit der der Kältemittelbedarf um bis zu 70 % reduziert wird sowie kompakte Bauformen mit reduzierter Aufstellfläche oder Höhe.
Für die Maschinenkühlung, besonders im Bereich der Werkzeugmaschinenkühlung, können verschiedene HYFRA Kühler eingesetzt werden. Die Eintauchkühler der Serie HYFRA Gamma sowie die Durchlaufkühler der Serie HYFRA Alpha eignen sich für die Prozesskühlung mittels Emulsion und Öl. Die Rückkühler der Serie HYFRA Sigma sowie der HYFRA eChilly ermöglichen hingegen einen geschlossenen Kühlkreislauf, beispielsweise bei der Spindelkühlung.
