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EFB-Forschungsbericht Nr. 528

Thermoenergetisches Verhalten hydraulischer Tiefziehpressen unter Berücksichtigung neuester Entwicklungen in der Antriebstechnik

efb528

Verfasser:
Dipl.-Ing. Tobias Schulze, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Institut für Fluidtechnik der Technischen Universität Dresden

86 Seiten (sw, 39 teils farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-583-1

Preis (Digital) EUR 57,90

Preis (Print) EUR 72,62

Zusammenfassung

Die Anforderungen an moderne Produktionsmaschinen hinsichtlich hoher Prozessstabilität, Wiederholbarkeit, Ausbringungsrate und zunehmend auch effizientem Energieeinsatz nehmen stetig zu. So auch im Bereich der Blechumformung, in der die hydraulische Tiefziehpresse sowohl in großen als auch kleinen und mittelständischen Unternehmen heute eine weite Verbreitung besitzt.

Durch die hohe Flexibilität bei der Vorgabe von Weg- und Kraftverläufen können diese Maschinen für verschiedenste Fertigungsverfahren im Bereich der Blechumformung eingesetzt werden.

Charakteristisch für die hydraulischen Antriebe, wie sie im Stößel und Ziehkissen oder auch bei servomechanischen Pressen nur im Ziehkissen zum Einsatz kommen, ist die Abhängigkeit des Betriebsverhaltens von den Eigenschaften des Hydrauliköls. Mit der Betriebstemperatur ändern sich dessen Stoffwerte und führen so zu einem abweichenden Verhalten der Antriebskomponenten und damit der Maschine.

Dies führt zum Teil dazu, dass die Qualität der produzierten Blechteile zwischen dem Einschalten der Maschine bei Hallentemperatur und dem Betrieb bei Erreichen der Betriebstemperatur schwankt oder sogar Fehlteile produziert werden. Zudem ist bekannt, dass sich auch der Energiebedarf des hydraulischen Antriebs mit der Temperatur des Hydrauliköls ändert.

Dieses Projekt analysiert ebendiese Auswirkungen der sich ändernden Temperatur auf das Systemverhalten und den Energiebedarf einer hydraulischen Tiefziehpresse und untersucht die thermischen Wechselwirkungen innerhalb der Maschine. Die Grundlage bilden umfangreiche Messungen an einer vollhydraulischen Tiefziehpresse, die als Untersuchungsgegenstand an der Forschungseinrichtung zur Verfügung steht.

Die Untersuchung umfasst alle Komponenten der Maschine, mit besonderem Fokus auf den hydraulischen Antrieben im Stößel, Ziehkissen und den Nebenantrieben. Dabei werden sowohl ein klassisch ventilgesteuertes als auch ein energiesparendes pumpengesteuertes Ziehkissen untersucht.

Die Messungen zeigen anhand zweier Referenzprozesse, dass sich der Energiebedarf der Maschine mit steigender Öltemperatur stetig verringert. Im untersuchten Betriebsbereich zwischen 27 °C und 60 °C sinkt der Energiebedarf der Gesamtmaschine um 10 %. Dies zeigt sich auch bei der weiteren Analyse der Teilsysteme. Hervorzuheben ist der Kühl-Filter-Kreislauf, dessen Energiebedarf sich um 56 % verringert.

Auch das Systemverhalten schwankt mit der Betriebstemperatur der Maschine. So zeigt sich eine höhere Kippung des Ziehkissens und eine Änderung der Durchfluss-Last-Funktion des Regelventils im Ziehkissen.

Durch die Ausstattung der Maschine mit umfangreicher Messtechnik und zusätzlichen Temperatursensoren konnte die Verlustleistung, der Wärmeeintrag und die Kühlleistung einzelner Komponenten und der Gesamtmaschine bestimmt werden. Für die modellhafte Abbildung wurde eine Methodik zur analytischen Entwicklung des thermischen Netzwerks aufgezeigt.

Dessen Anwendungsmöglichkeiten sind aufgrund der hohen Komplexität der Maschine, den Umgebungseinflüssen und vereinfachten Annahmen jedoch begrenzt. Ein vereinfachtes Ersatzmodell zeigt hier ebenso gute Übereinstimmung und ermöglicht die Vorausberechnung der von der Maschine an die Umgebung abgegebenen Wärmeleistung.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen das Potential zur Reduktion des Energiebedarfs hydraulischer Antriebe in Tiefziehpressen und weiteren Anlagen. Für die Beispielmaschine konnte die mittlere Leistungsaufnahme des Referenzprozesses um 5 % von 19,26 kW auf 17,6 kW reduziert werden, ganz ohne zusätzliche Investitionsmaßnahmen. Die Verwendung eines Hydrauliköls mit geringerer Viskositätsklasse (ISO VG32) bietet weiteres Potential zur Reduzierung des Energiebedarfs um 5%.

Das IGF-Vorhaben „Thermoenergetisches Verhalten hydraulischer Tiefziehpressen unter Berücksichtigung neuester Entwicklungen in der Antriebstechnik" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19764BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 528 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Hydraulic deep drawing presses are widely used for various sheet metal forming processes. Large enterprises as well as small and medium sized companies value their high flexibility and accuracy for their production. High productivity, accuracy and also low energy efficiency are important key factors for the current operation and future investigations in deep drawing presses.

However, the operating temperature influences the behavior of the hydraulic drive system. This affects the accuracy as well as the energy efficiency of the machine. The characteristics of the hydraulic fluid change with its temperature and therefore affect the drive system. This could affect the quality of the produced part and is not acceptable.

The research project investigated the influence of a changing oil temperature on the machine behavior and energy consumption. The basis forms an extensive set of measured values at the hydraulic deep drawing press that is available at the institute.

The measurements include all main components of the machine with their respective energy consumptions, system behavior and temperature values. Part of the investigation is a valve- as well as a pump controlled die cushion, the slide drive and the auxiliary drives of the machine.

The measurements show that the energy consumption of two different sample processes is reduced by 10% within the temperature range of 27 °C (80 °F) to 60 °C (140 °F). This reduction is applicable for the individual drive systems, such as the slide as well as die cushion drive. The energy consumption of the cooling circuit is reduced by 56 %.

The changing system behavior was also measured, as the tilting of the die cushion increases and the pressure flow function of the proportional valve of the die cushion changes with rising oil temperature.

Through installing additional temperature sensors and the use of a thermal imaging camera, the heat distribution within the machine is described. Furthermore, an approach to analytically model the heat distribution of the machine is applied. However, the high complexity and the required assumptions to calculate the heat transfer make it difficult to apply this approach for the industrial application.

A simplified model, whose parameters can be found through a reference measurement was also tested. The model results can be verified by additional measurements and the model was used to calculate the heat transfer from the machine to it is environment.

The results of the research project show the potential of a reduced energy consumption for hydraulic drives in deep drawing presses and other machines. By applying the results to the hydraulic deep drawing press at the institute, the energy consumption is reduced by 5 % from 19,26 kW to 17,6 kW. This did not require additional costs or changes at the machine.

Additionally, by using a different ydraulic oil with a lower viscosity (ISO VG32), it is assumed, that the energy consumption can be reduced by another 5 %.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der bisherigen Forschung
2.1 Temperaturabhängigkeit hydraulischer Antriebe in Tiefziehpressen
2.2 Einfluss der Betriebstemperatur auf den Energienutzungsgrad der Tiefziehpresse
2.3 Einfluss der Betriebstemperatur auf das Systemverhalten der Tiefziehpresse
2.4 Auslegung von Kühlsystem und Öltank mit Einstellung eines optimalen thermischen Betriebsbereiches
3 Versuchsmaschine und Referenzprozess
3.1 Versuchsmaschine
3.2 Referenzprozess
3.3 Referenzmessung
4 Thermoenergetisches Modell des Antriebssystems
4.1 Motor-Pumpe Einheiten
4.2 Weitere Teilsysteme
4.3 Verifikation Simulationsmodell
5 Temperaturführung für hydraulische Antriebe
6 Temperaturverteilung innerhalb der Maschine
7 Thermisches Netzwerk und freie Kühlleistung
8 Externes Kühlsystem
9 Umsetzung und Verallgemeinerung
10 Wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literaturverzeichnis