DE102022128237A1

DE102022128237A1 - Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102022128237A1
Application number: DE102022128237.6A
Authority: DE
Inventors: Rolf Kettemer
Original assignee: Deckel Maho Pfronten GmbH
Current assignee: Deckel Maho Pfronten GmbH
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024088768A1

Abstract

In einem ersten Schritt eines Verfahrens zum Betreiben einer Werkzeugmaschine mit einer Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs wird ein Werkzeug in eine Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine eingewechselt. In einem zweiten Schritt wird ein Anlernvorgang durchgeführt. Der Anlernvorgang umfasst das Ermitteln einer Pumpenkennlinie des Werkzeugs, das Bestimmen eines optimalen Betriebspunkts der Pumpe für das Werkzeug und das Speichern des optimalen Betriebspunkts des Werkzeugs in einer Werkzeugtabelle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine und eine Werkzeugmaschine. Insbesondere soll ein Energieverbrauch der Werkzeugmaschine reduziert werden, indem ein optimaler Betriebspunkt einer Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs bestimmt wird.
Bei einer spanenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug in einer Werkzeugmaschine tritt vor allem Mischreibung auf. Kühlschmierstoffe (KSS) verringern die Reibung und können dadurch den Verschleiß des Werkzeugs, das Erhitzen des Werkstücks sowie den Energiebedarf reduzieren. KSS dienen somit der Kühlung des Werkzeugs bzw. des Werkstücks sowie zum Vermindern der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Ferner kann das KSS bei einigen Zerspanungsprozessen zum Entfernen der erzeugten Späne durch Abspülen aus dem Arbeitsumfeld dienen, die Maßhaltigkeit des Werkstückes verbessern und für eine bessere Oberflächengüte des Werkstücks sorgen. Außerdem kann das Werkstück vor Korrosion geschützt werden. Übliche KSS können neben Wasser und Öl auch Zusatzstoffe enthalten.
Im Stand der Technik ist es üblich, den KSS mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe mit einem hohen vorgegeben Druck von beispielsweise 50 bis 100 bar bereitzustellen, so dass jederzeit ein ausreichend hoher Volumenstrom aufrechterhalten wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass oft ein deutlich geringerer Druck ausreicht, um eine ausreichende Kühlung des Werkzeugs zu gewährleisten. Dadurch kann der Energieverbrauch der Pumpe signifikant reduziert werden. Ferner hat sich gezeigt, dass die Oberflächengüte des Werkstücks bei geringem Druck verbessert werden kann. Darüber hinaus kann die Lebensdauer des Werkzeugs bei einem Betrieb mit geringerem Druck erhöht werden.
Der Artikel B. Denkena et al. „Energy efficient machine tools", CIRP Annals - Manufacturing Technology 69 (2020) 646-667 liefert einen Überblick von Technologien zum Reduzieren eines Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen. Dabei wurde insbesondere gezeigt, dass die Prozesskühlung ein großes Energie-Einsparpotenzial aufweist. Betrachtet man z.B. die Systemeigenschaften einer Werkzeugmaschine mit einer drehzahlgeregelten Hochdruckpumpe, so haben kleine Änderungen des Kühlschmierstoffdurchsatzes einen signifikanten Einfluss auf die elektrische Pumpenleistung, ohne den Werkzeugverschleiß bei einem bestimmten Satz von Schnittparametern zu beeinflussen.
Obwohl im Stand der Technik bekannt ist, dass durch Umstellen einer Druckregelung der Pumpe zum Fördern des KSS auf eine Volumenregelung, eine große Menge an Energie einspart werden kann, findet diese Maßnahme bisher keine Anwendung in der Industrie. Ein Grund hierfür ist, dass meist nicht bekannt ist, welcher tatsächlich benötigte Volumenstrom für ein bestimmtes Werkzeug bzw. einen bestimmten Bearbeitungsprozess eingestellt werden muss. Ein weiterer Grund kann das Fehlen eines geeigneten Durchflusssensors zum Messen des Volumenstroms des KSS sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine anzugeben sowie eine verbesserte Werkzeugmaschine bereitzustellen. Insbesondere sollen dadurch ein Energieverbrauch der Werkzeugmaschine reduziert werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Oberflächengüte des Werkstücks nach dem Bearbeiten mit einer Werkzeugmaschine zu verbessern. Darüber hinaus soll eine Lebensdauer eines Werkzeugs erhöht werden.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, sowie durch eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der angehängten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Wesentlichen in jeder bestehenden Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung, also z.B. einer CNC-Werkzeugmaschine, zum spanenden Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug implementiert werden. Eine solche Werkzeugmaschine weist in der Regel eine Arbeitsspindel auf, in die ein Werkzeug wie z.B. ein Bohr- Fräskopf oder ähnliches eingespannt wird.
Die Werkzeugmaschine weist zudem eine Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs (KSS) zum Kühlen des Werkzeugs bzw. des Werkstücks auf. Die Pumpe kann insbesondere eine drehzahlgeregelte Hochdruckpumpe sein. Ferner kann die Werkzeugmaschine einen Durchflusssensor zum Messen eines Volumenstroms des KSS aufweisen.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Werkzeug in die Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine eingewechselt. Das Werkzeug kann beispielsweise aus einem Werkzeugmagazin oder dergleichen entnommen werden, wobei dieser Prozess vorzugsweise automatisch abläuft.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Anlernvorgang durchgeführt, bei dem eine für das Werkzeug spezifische Pumpenkennlinie ermittelt wird. Die Pumpenkennlinie kann beispielsweise eine Abhängigkeit zwischen einer Leistungsaufnahme und/oder einer Drehzahl der Pumpe und einem Volumenstrom des Kühlschmierstoffs durch das Werkzeug beschreiben.
Der Verlauf der Pumpenkennlinie kann von einer Vielzahl von Parametern abhängig sein. Insbesondere die Geometrie des Werkzeugs beeinflusst die Pumpenkennlinie. In der Regel ist es sehr aufwändig, die Pumpenkennlinie vorab, z.B. durch Simulation oder numerische Berechnung zu ermitteln. Somit ist es vorteilhaft, die Pumpenkennlinie über den Anlernvorgang empirisch zu ermitteln.
Die Leistungsaufnahme der Pumpe in Watt kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Pumpendrehzahl und/oder einem Pumpenstrom ermittelt werden. Der Wert der Leistungsaufnahme (in Watt) und/oder die Drehzahl (in 1/s) und/oder der Pumpenstrom (in Ampere) können insbesondere durch eine Pumpensteuerung erfasst werden. Die Leistungsaufnahme der Pumpe, die Pumpendrehzahl oder der Pumpenstrom können im Folgenden auch verallgemeinert als Leistungskennzahl oder Leistungsparameter bezeichnet werden.
Anschließend kann ein optimaler Betriebspunkt der Pumpe für das Werkzeug bestimmt werden. Der Betriebspunkt ist insbesondere ein Punkt auf der Pumpenkennlinie. Der optimale Betriebspunkt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass hier eine ausreichende Kühlung des Werkzeugs sichergestellt wird, während der Energieverbrauch minimiert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann eine Vielzahl verschiedener optimaler Betriebspunkte anhand unterschiedlicher Kriterien, beispielsweise minimierter Energieverbrauch, ausreichende Kühlleistung, maximale Lebensdauer des Werkzeugs, verbesserte Oberflächengüte des Werkstücks und dergleichen, ermittelt werden. Dann gibt es die Möglichkeit, einen Mittelwert dieser Kriterien als optimalen Betriebspunkt zu definieren.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird der optimale Betriebspunkts des Werkzeugs in einer Werkzeugtabelle gespeichert. Bei einer folgenden Bearbeitung eines Werkstücks mit demselben Werkzeug oder einem baugleichen oder ähnlichen Werkzeug kann der optimale Betriebspunkt aus der Werkzeugtabelle ausgelesen und eingestellt werden. Insbesondere können auch andere Werkzeugmaschinen auf die Werkzeugtabelle zugreifen und die optimalen Betriebspunkte beim Bearbeiten von Werkstücken einstellen.
Beispielsweise kann die Werkzeugtabelle über einen Server oder eine Cloud an eine Vielzahl von Werkzeugmaschinen, die sich an geographisch voneinander entfernten Orten befinden können, bereitgestellt werden. Dazu können die Werkzeugmaschinen über geeignete Schnittstellen mit einem Netzwerk verbunden sein.
Somit kann für jedes Werkzeug bzw. jede Art von Werkzeug ein optimaler Betriebspunkt erlernt werden. Bei folgenden Bearbeitungen von Werkstücken ist ein erneutes Anlernen nicht mehr notwendig. Der optimale Betriebspunkt kann dann einfach aus der Werkzeugtabelle ausgelesen und eingestellt werden.
Der optimale Betriebspunkt kann beispielsweise eine optimale Pumpendrehzahl, eine optimale Pumpenleistung oder einen optimalen Pumpenstrom oder dergleichen angeben. Somit kann auch eine Werkzeugmaschine, die keinen Durchflusssensor aufweist, mit dem optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Eine Steuerung, insbesondere eine Pumpensteuerung einer beliebigen geeigneten Werkzeugmaschine kann beispielsweise mittels eines Software-Updates für den Betrieb mit optimalen Betriebspunkten ausgelegt werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren einfach an bestehenden Maschinen nachgerüstet werden kann.
Vorzugsweise kann der Anlernvorgang einen Schritt zum Erfassen einer Leistungskennzahl der Pumpe (z.B. Leistungsaufnahme und/oder Pumpendrehzahl oder/oder Pumpenstrom) umfassen. Die Leistungskennzahl kann beispielsweise gemessen oder von einer Pumpensteuerung ausgegeben werden.
Ferner kann der Anlernvorgang einen Schritt zum Erfassen eines Volumenstroms des Kühlschmierstoffs durch das Werkzeug umfassen. Hierzu kann die Werkzeugmaschine einen geeigneten Durchflusssensor bzw. Volumenstromsensor aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann der Anlernvorgang in einem Leerlauf der Werkzeugmaschine, das heißt ohne Bearbeitung eines Werkstücks, durchgeführt werden. In diesem Fall ist der Anlernvorgang ein gesonderter Vorgang, der jedoch für jedes Werkzeug nur einmal durchgeführt werden muss. Der Anlernvorgang muss auch nicht für jede Werkzeugmaschine wiederholt werden. Für den Anlernvorgang kann somit insbesondere eine Werkzeugmaschine verwendet, die einen Volumenstromsensor aufweist.
Um die Pumpenkennlinie aufzuzeichnen kann die Pumpe im Anlernvorgang bei einer Vielzahl unterschiedlicher Leistungskennzahlen bzw. Druckvorgaben und/oder Pumpendrehzahlen und/oder Leistungswerten betrieben werden. Ein typischer durch die Pumpe bereitgestellter Druck des KSS kann 40 bis 100 bar, vorzugweise 50 bis 80 bar betragen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung kann der Anlernvorgang unter Verwendung von Daten durchgeführt werden, die während einer Bearbeitung eines Werkstücks oder bei einer Vielzahl von Bearbeitungen erfasst wurden. Hierzu können z.B. beim Bearbeiten eines oder einer Vielzahl von Werkstücken durch eine Werkzeugmaschine oder eine Vielzahl von Werkzeugmaschinen die Parameter der Pumpe (Leistungskennzahl) sowie ein gemessener Volumenstrom des KSS und das verwendete Werkzeug erfasst und gespeichert werden. Anschließend kann für jedes Werkzeug bzw. für jede Art von Werkzeug eine Auswertung vorgenommen werden, um für jedes Werkzeug bzw. für jede Art von Werkzeug eine Pumpenkennlinie zu erzeugen.
Ein oben beschriebener bevorzugter Anlernvorgang kann z.B. auf Grundlage einer Vielzahl zentral gesammelter und gespeicherter Betriebsdaten einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen durchgeführt werden, so dass zentral eine entsprechende Werkzeugtabelle erzeugt werden kann. Sobald ein optimaler Betriebspunkt für ein verwendetes Werkzeug verfügbar ist, kann dieser dann bei einer folgenden Bearbeitung herangezogen werden. Die zentral erzeugte Werkzeugtabelle kann insbesondere auf einer zentralen Datenspeichereinrichtung für alle Werkzeugmaschinen in einem Verbund zugänglich gemacht werden, so dass die ermittelten optimalen Betriebspunkte abgerufen werden können. Somit kann jedes Mal, wenn ein Werkzeugwechsel durchgeführt wird, der entsprechende optimale Betriebspunkt ausgelesen und eingestellt werden. Der Schritt des Auslesens kann auch vorab für jedes bei einer Bearbeitung eines Werkstücks benötigtes Werkzeug durchgeführt werden. Bei Werkzeugmaschinen, die nicht automatisch auf die Werkzeugtabelle zugreifen können, kann der jeweilige optimale Betriebspunkt auch manuell durch einen Benutzer der Werkzeugmaschine eingestellt werden.
Der optimale Betriebspunkt kann vorzugsweise in Abhängigkeit einer Art und einer Größe des Werkzeugs bestimmt werden. Entsprechend kann der optimale Betriebspunkt zusammen mit der Werkzeugart und Größe in der Werkzeugtabelle gespeichert werden. So kann beispielsweise angegeben werden, dass es sich um einen optimalen Betriebspunkt für einen M5-Bohrer handelt. Weitere beispielhafte Arten von Werkzeugen umfassen (Dreh-) Meißel, Fräswerkzeuge, Hobel, Raspel, Schleifwerkzeuge, die in einer Vielzahl von Größen und/oder Geometrien vorliegen können. Ferner kann es sich um links- oder Rechtsdrehende Werkzeuge handeln.
Vorzugsweise weist jedes Werkzeug in einer Werkzeugablage bzw. in einem Werkzeugmagazin eine eindeutige Identifizierung auf. So kann der optimale Betriebspunkt zusammen mit der Identifizierung in der Werkzeugtabelle gespeichert werden. Moderne Werkzeugmaschinen können in der Regel einen automatischen Werkzeugwechsel durchführen. Bei diesem Wechsel kann dann jeweils der optimale Betriebspunkt aus der Werkzeugtabelle eingestellt werden.
Außerdem kann der optimale Betriebspunkt vom Material des bearbeiteten Werkstücks abhängig sein. Entsprechend kann der optimale Betriebspunkt in Abhängigkeit des Materials bestimmt werden. Beispielsweise kann ein hartes Material eine höhere Kühlleistung und somit einen höheren Volumenstrom des KSS erfordern als ein weiches Material. Die optimalen Betriebspunkte für unterschiedliche Materialien können ebenfalls in der Werkzeugtabelle abgespeichert werden. Somit kann für ein bestimmtes Werkzeug, eine Vielzahl von optimalen Betriebspunkten für eine entsprechende Vielzahl von Materialien vorliegen.
Darüber hinaus kann der optimale Betriebspunkt auch vom Bearbeitungsprozess abhängig sein. So kann beispielsweise die gewünschte bzw. benötigte Kühlleistung von einer Drehzahl der Arbeitsspindel abhängig sein. Vorzugsweise kann der optimale Betriebspunkt entsprechend jeweils für verschiedene Bearbeitungsparameter und/oder -Parameterbereiche ermittelt und gespeichert werden.
Vorzugsweise kann der optimale Betriebspunkt durch Ausführen eines Algorithmus bestimmt werden. Der Algorithmus kann insbesondere von einer Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine und/oder auf einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung wie z.B. einem Server oder einer Cloud ausgeführt werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine mit einer Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs verwendet einen zuvor bestimmten optimalen Betriebspunkt. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Einwechseln eines Werkzeugs in eine Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine, einen Schritt zum Erfassen eines optimalen Betriebspunkts der Pumpe in Abhängigkeit des eingewechselten Werkzeugs oder in Abhängigkeit des eingewechselten Werkzeugs und eines Materials des Werkstücks, und einen Schritt zum Bearbeiten des Werkstücks, wobei die Pumpe beim optimalen Betriebspunkt betrieben wird.
Der Schritt zum Erfassen des optimalen Betriebspunkts der Pumpe kann beispielsweise ein Nachschlagen des optimalen Betriebspunkts in der Werkzeugtabelle umfassen. Die Werkzeugtabelle kann lokal in der Werkzeugmaschine gespeichert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Werkzeugmaschine über ein Netzwerk auf eine zentral gespeicherte Werkzeugtabelle (z.B. auf einem Server oder in einer Cloud) zugreifen.
Ein solches Bearbeitungsverfahren kann auf einer Werkzeugmaschine ohne Volumenstromsensor durchgeführt werden, da lediglich der zuvor ermittelte optimale Betriebspunkt der Pumpe für das jeweils verwendete Werkzeug ausgelesen und eingestellt wird. Da gleichartige Werkzeuge gleicher Größe eine gleichartige Geometrie aufweisen, ist ein zuvor für dieses Werkzeug ermittelter optimaler Betriebspunkt universell auf jeder Werkzeugmaschine anwendbar.
Eine bevorzugte Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks umfasst eine Arbeitsspindel zum Aufnehmen eines Werkzeugs zum spanenden Bearbeiten des Werkstücks, eine Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs zum Kühlen des Werkzeugs und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Werkzeugmaschine. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung konfiguriert, ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
Es zeigen schematisch:

1 1 zeigt eine gemessene Pumpenkennlinie für ein Fräswerkzeug mit einem Durchmesser von 6 mm (R0.8).
2 2 zeigt eine gemessene Pumpenkennlinie für ein Fräswerkzeug mit einem Durchmesser von 3 mm (F0.2).
3 3 zeigt eine gemessene Pumpenkennlinie für einen Bohrer mit einem Durchmesser von 2,5 mm.
4 4 zeigt eine gemessene Pumpenkennlinie für einen Bohrer mit einem Durchmesser von 8,9 mm.
5 5 zeigt eine gemessene Pumpenkennlinie für einen Bohrer mit einem Durchmesser von 14 mm.
6 6 zeigt einen Vergleich gemessener Pumpenkennlinien für verschiedene Werkzeuge. Diese Figur entstammt dem Artikel B. Denkena et al. „Energy efficient machine tools“, CIRP Annals - Manufacturing Technology 69 (2020) 646-667.
7 7 illustriert einen Anlernvorgang für verschiedene Werkzeuge.
8 8 illustriert einen Anlernvorgang für verschiedene Werkzeuge.
9 9 illustriert einen Algorithmus zum Bestimmen eines optimalen Betriebspunkts für ein Werkzeug.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 bis 5 zeigen beispielhafte Pumpenkennlinien für fünf verschiedene Werkzeuge. Nach dem Einwechseln des jeweils gezeigten Werkzeugs wird eine Pumpe zum Fördern eines Kühlschmiermittels KSS bei einer Vielzahl von Leistungskennzahlen betrieben und der resultierende Volumenstrom Q des KSS durch das Werkzeug wird gemessen.
In 1 bis 5 ist jeweils die aufgenommene Leistung P der Pumpe in Watt gegen den Volumenstrom Q in Litern pro Minute aufgetragen. In jeder Pumpenkennlinie werden drei beispielhafte Betriebspunkte durch große Punkte dargestellt. Der obere Punkt entspricht einer Druckregelung der Pumpe auf 80 bar. Der mittlere Punkt entspricht einer Druckregelung der Pumpe auf 40 bar. Der untere Punkt bezeichnet jeweils einen optimalen Betriebspunkt für die Volumenregelung.
1 zeigt beispielhaft die gemessene Pumpenkennlinie für ein Fräswerkzeug mit einem Durchmesser von 6 mm (R0.8). 2 zeigt beispielhaft die gemessene Pumpenkennlinie für ein Fräswerkzeug mit einem Durchmesser von 3 mm (F0.2). 3 zeigt beispielhaft die gemessene Pumpenkennlinie für einen Bohrer mit einem Durchmesser von 2,5 mm. 4 zeigt beispielhaft die gemessene Pumpenkennlinie für einen Bohrer mit einem Durchmesser von 8,9 mm. 5 zeigt beispielhaft die gemessene Pumpenkennlinie für einen Bohrer mit einem Durchmesser von 14 mm.

Die folgende Tabelle 1 liefert einen Überblick der ermittelten Parameter am optimalen Betriebspunkt der Pumpe mit Volumenregelung im Vergleich zur herkömmlichen Regelung auf einen Druck von 40 bar bzw. von 80 bar für die in 1 bis 5 gezeigten beispielhaften Werkzeuge. Die Werte entsprechen jeweils den drei Punkten in 1 bis 5, wobei jeweils der obere Punkt einem Druck von 80 bar, der mittlere Punkt einem Druck von 40 bar und der untere Punkt einer Volumenregelung entspricht (siehe auch Beschriftung in 1). Tabelle 1:

Werkzeug	Volumenregelung (Punkt C)	Druck 40 bar (Punkt B)	Druck 80 bar (Punkt A)
Bohrer 14 mm	Q = 10 l/min	Q = 13 l/min	Q = 20 l/min
	P = 650 W	P = 1.850 W	P = 5.300 W
	p = 19 bar
Bohrer 8,9 mm	Q = 5,8 l/min	Q = 8 l/min	Q = 12 l/min
	P = 450 W	P = 1.400 W	P = 4.150 W
	p = 16 bar
Bohrer 2,5 mm	Q = 0,2 l/min	Q = 0,4 l/min	Q = 0,6 l/min
	P = 425 W	P = 1.400 W	P = 3.800 W
	p = 14 bar
Fräser 6 mm	Q = 5 l/min	Q = 6,5 l/min	Q = 9 l/min
	P = 600 W	P = 1.650 W	P = 4.800 W
	p = 9 bar
Fräser 3 mm	Q = 6 l/min	Q = 7 l/min	Q = 10 l/min
	P = 650 W	P = 1.300 W	P = 3.850 W
	p = 23 bar

Wie man aus den Werten der Tabelle 1 ablesen kann, wird die benötigte Pumpenleistung P bei Volumenregelung im Vergleich zur Druckregelung signifikant reduziert, wobei nach wie vor ein zum Kühlen des jeweiligen Werkzeugs ausreichend großer Fluss erzielt wird. Somit kann der Energieverbrauch deutlich gesenkt werden. Ein geringerer Druck des KSS kann zudem für eine bessere Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks sorgen und die Lebensdauer des Werkzeugs erhöhen. Ferner haben Versuche ergeben, dass die Standzeiten von Werkzeugen mit Volumenregelung um bis zu 26% erhöht werden konnten.
Überraschender Weise hat sich zudem gezeigt, dass beim Kühlen und Schmieren eines Werkzeugs mit Volumenregelung auch die Oberflächenbeschaffenheit bzw. Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks deutlich verbessert werden kann. Zusammenfassend wird in der folgenden Tabelle 2 beispielhaft die Oberflächengüte eines Werkstücks verglichen, das mit einem Bohrer von 10 mm Durchmesser bei unterschiedlicher Pumpenleistung bearbeitet wurde. Hierbei wurde jeweils bei unterschiedlichen Leistungseinstellungen der Pumpe eine Vielzahl von Löchern, hier beispielsweise sechs Löcher, nebeneinander in das Werkstück gebohrt. Anschließend wurden die Löcher sowie die Oberfläche des Werkstücks vermessen.
In der ersten Spalte der Tabelle 2 sind die gemessenen Größen bzw. Pumpenparameter aufgelistet. Es wurde bei vier verschiedenen Leistungseinstellungen der Pumpe gemessen. Die Ergebnisse sind jeweils in der zweiten bis fünften Spalte der Tabelle dargestellt. Die Tabellen-Einträge geben jeweils an, wie viele der sechs Löcher außerhalb der jeweils darunter angegebenen Toleranz liegen.
In der vierten Zeile von Tabelle 2 ist jeweils angegeben, wie oft die vermessenen Löcher insgesamt außerhalb der Toleranzen größer als 10 µm lagen. Hierbei ist zu beachten, dass ein Loch gleichzeitig mehrere Toleranz-Kriterien verletzen kann.

Im Ergebnis zeigt sich, dass die Volumenregelung bei einem Volumenstrom von 6 l/min ein optimales Ergebnis liefert. Nur zwei mal waren hier die sechs Löcher außerhalb der Toleranz. Bei der gemäß dem Stand der Technik üblichen Pumpenregelung auf 80 bar waren die gebohrten sechs Löcher dagegen 16 mal außerhalb der Toleranz. Tabelle 2:

Rundheit 1	alle innerhalb der Toleranz < 10 µm	2x max. 12 µm	6x max. 18 µm	1x max. 14 µm
Rundheit 2	1x max. 7 µm	6x max. 18 µm	5x max. 19 µm	4x max. 21 µm
zylindrische Form	1x max. 7 µm	6x max. 18 µm	5x max. 19 µm	4x max. 21 µm
außerhalb der Toleranz	2x > 10 µm	14x > 10 µm	16x > 10 µm	9x > 10 µm
Oberflächenrauigkeit	R_Max=5,86	R_Max=9,89	R_Max=14,5	R_Max=7,44
Pumpenleistung	500 W	1100 W	3900 W	350 W
Volumenstrom	6 l/min	7 l/min	p = 80 bar	5 l/min

Die 6 wurde dem Artikel B. Denkena et al. „Energy efficient machine tools", CIRP Annals - Manufacturing Technology 69 (2020) 646-667 entnommen, wobei die englischen Angaben übersetzt wurden. Als Quelle für die Abbildung wird dort der Artikel „Energy Efficient Machining with Optimized Coolant Lubrication Flow Rates" von B. Dekena et al., Procedia CIRP 24:25-31 genannt. 6 zeigt einen Vergleich von Pumpenkennlinien verschiedener Werkzeuge.
In 6 ist der Pumpendruck p gegen den Volumenstrom Q aufgetragen. Zusätzlich ist die dem Druck p entsprechende Pumpenleistung anhand der Farbe der Kurven dargestellt. Für den Schaftfräser mit 12 mm Durchmesser ist beispielhaft die Leistungsreduzierung vom üblichen Pumpendruck von 80 bar (Punkt A) auf 40 bar (Punkt B) dargestellt, die hier 77% beträgt. Der optimale Betriebspunkt kann sogar bei einem noch niedrigeren Pumpendruck von ca. 20 bar liegen.
7 illustriert den Anlernvorgang. 7 zeigt links ein Werkzeugmagazin mit einer Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge. Für jedes Werkzeug des Werkzeugmagazins kann der Anlernvorgang durchgeführt werden, um den optimalen Betriebspunkt der Pumpe für das jeweilige zu ermitteln, der dann in die Werkzeugtabelle geschrieben wird. Im gezeigten Beispiel kann der optimale Betriebspunkt beispielsweise als Korrekturparameter K für den üblichen Betriebspunkt von beispielsweise 80 bar in die Werkzeugtabelle geschrieben werden. Dieser Korrekturparameter K ist vorzugweise eine dimensionslose Zahl die kleiner als 1 ist (z.B. der Quotient aus Druck beim optimalen Betriebspunkt und 80 bar).
8 illustriert einen Aufbau zum Durchführen des Anlernvorgangs und zum Ermitteln der Pumpenkennlinie. Ein Werkzeug ist in die Arbeitsspindel eingespannt. Eine drehzahlgesteuerte Pumpe fördert das KSS zum Kühlen des Werkzeugs. Im Strömungsweg des KSS ist ein Volumenstromsensor angeordnet, der den Volumenstrom Q misst. Die Pumpensteuerung stellt nacheinander eine Vielzahl unterschiedlicher Pumpenparameter (bzw. Leistungskennzahlen) ein. Anschließend können die ermittelten Werte als Pumpenkennlinie aufgetragen und ausgewertet werden, um den optimalen Betriebspunkt zu bestimmen, der dann in die Werkzeugtabelle geschrieben wird.
9 illustriert ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen des optimalen Betriebspunkts. Im linken Schaubild der 9 ist eine beispielhafte Pumpenkennlinie aufgetragen, wobei hier der Pumpendruck p gegen den Volumenstrom Q aufgetragen ist. Durch den Startpunkt und den Endpunkt der Kennlinie wird eine Gerade gelegt. Die Steigung dieser Geraden kann als globaler Zusammenhang zwischen Druck p und Volumenstrom Q für das Werkzeug verstanden werden und ist somit ein Werkzeug-spezifischer Parameter.
In einem nächsten Schritt (Schaubild rechts in 9) wird die Gerade parallel verschoben, bis sie die Pumpenkennlinie tangential in einem Punkt berührt. Dieser Berührungspunkt wird als der optimale Betriebspunkt für das Werkzeug definiert und kann entsprechend in der Werkzeugtabelle gespeichert werden.
Das unter Bezugnahme auf 9 beschriebene beispielhafte Verfahren zum Bestimmen des optimalen Betriebspunkts aus der Pumpenkennlinie kann insbesondere als Algorithmus in einer Steuervorrichtung einer Werkzeugmaschine hinterlegt sein und ausgeführt werden oder auch von einer Recheneinrichtung eines Servers oder einer Cloud ausgeführt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

B. Denkena et al. „Energy efficient machine tools“, CIRP Annals - Manufacturing Technology 69 (2020) 646-667 [0004, 0048]
Energy Efficient Machining with Optimized Coolant Lubrication Flow Rates“ von B. Dekena et al., Procedia CIRP 24:25-31 [0048]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine mit einer Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs, wobei das Verfahren umfasst: Einwechseln eines Werkzeugs in eine Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine; und Durchführen eines Anlernvorgangs, umfassend: Ermitteln einer Pumpenkennlinie des Werkzeugs; Bestimmen eines optimalen Betriebspunkts der Pumpe für das Werkzeug; Speichern des optimalen Betriebspunkts des Werkzeugs in einer Werkzeugtabelle.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anlernvorgang ferner umfasst: Erfassen einer Leistungskennzahl der Pumpe; und Erfassen eines Volumenstroms des Kühlschmierstoffs durch das Werkzeug, wobei die Pumpenkennlinie eine Abhängigkeit zwischen einer Leistungskennzahl der Pumpe und eines Volumenstroms des Kühlschmierstoffs durch das Werkzeug beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Anlernvorgang im Leerlauf der Werkzeugmaschine ohne Bearbeitung eines Werkstücks durchgeführt wird und die Pumpe bei einer Vielzahl von Druckvorgaben betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Anlernvorgang unter Verwendung von Daten durchgeführt wird, die während einer Bearbeitung eines Werkstücks erfasst wurden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Anlernvorgang unter Verwendung von Daten einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der optimale Betriebspunkt in Abhängigkeit einer Art des Werkzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der optimale Betriebspunkt in Abhängigkeit einer Art des Werkzeugs und/oder in Abhängigkeit eines Materials des bearbeiteten Werkstücks bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der optimale Betriebspunkt durch Ausführen eines Algorithmus bestimmt wird.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine, die eine Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Einwechseln eines Werkzeugs in eine Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine; Erfassen eines optimalen Betriebspunkt der Pumpe in Abhängigkeit des eingewechselten Werkzeugs; oder Erfassen eines optimalen Betriebspunkt der Pumpe in Abhängigkeit des eingewechselten Werkzeugs und eines Materials des Werkstücks; und Bearbeiten des Werkstücks, wobei die Pumpe beim optimalen Betriebspunkt betrieben wird.
Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks, umfassend: eine Arbeitsspindel zum Aufnehmen eines Werkzeugs zum spanenden Bearbeiten des Werkstücks; eine Pumpe zum Fördern eines Kühlschmierstoffs zum Kühlen des Werkzeugs; und eine Steuereinrichtung zum numerischen Steuern der Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.