Frequenzumrichter bei Bohrmaschinen: Das Drehmoment entscheidet

Um es direkt auf den Punkt zu bringen: Die Aussage „Frequenzumrichter modernisieren Bohrmaschinen“ stimmt zwar, aber aus einem ganz konkreten mechanischen Grund, den man erklären sollte, anstatt nur allgemeine Floskeln wie „höhere Leistung“ oder „Flexibilität“ zu wiederholen.

Dass eine Frequenzumrichter-geführte Bohrspindel einem Festdrehzahlmotor mit Schaltgetriebe überlegen ist, liegt an der exakten Anpassung der Schnittgeschwindigkeit an die jeweilige Aufgabe – und das ist ein spezifisches Drehmoment- und Drehzahlproblem, kein vages Effizienzthema.

Warum sich die Drehzahl mit dem Bohrdurchmesser ändern muss

Die Schnittgeschwindigkeit beim Bohren hängt nicht nur von der Motordrehzahl ab. Sie bezeichnet die Umfangsgeschwindigkeit an der Schneidkante und berechnet sich direkt aus der Drehzahl und dem Bohrdurchmesser:

Schnittgeschwindigkeit = Pi x Bohrdurchmesser x Drehzahl / 1000 (Schnittgeschwindigkeit in m/min, Durchmesser in mm).

Eine empfohlene Schnittgeschwindigkeit für einen bestimmten Werkstoff – zum Beispiel etwa 20 bis 30 m/min für Baustahl mit einem HSS-Bohrer, deutlich höher für Aluminium oder niedriger für Edelstahl – kann nur erreicht werden, wenn die Drehzahl an den jeweiligen Bohrdurchmesser angepasst wird.

Ein Motor mit fester Drehzahl, der über Stufenscheiben oder ein Getriebe übersetzt ist, bietet nur wenige diskrete Drehzahlstufen. Ein Frequenzumrichter ermöglicht hingegen eine stufenlose Regelung über den gesamten Bereich. So lässt sich für jede Kombination aus Bohrerdurchmesser und Material exakt die richtige Schnittgeschwindigkeit einstellen, anstatt mit dem nächstbesten Getriebegang Kompromisse einzugehen.

Das Drehmomentproblem bei niedrigen Drehzahlbereichen

Bohren ist eine anspruchsvolle Anwendung für das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich: Große Bohrdurchmesser in harten Werkstoffen erfordern ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl – genau in dem Bereich, in dem eine einfache U/f-Kennliniensteuerung (U/f-Betrieb) ihre größten Schwachstellen hat.

Das Drehmoment eines Standard-U/f-Umrichters bricht bei niedrigen Frequenzen ein, außer man nutzt einen manuellen Boost (der die Spannung bei niedriger Frequenz anhebt, jedoch zu zusätzlicher Motorerwärmung führt). Wenn die Maschine längere Zeit bei niedriger Drehzahl läuft, ist die Vektorregelung (Vector Control) die richtige Wahl. Sie regelt das Drehmoment direkt, anstatt es nur über das Verhältnis von Spannung und Frequenz anzunähern, und hält das volle Drehmoment bis nahe an den Stillstand aufrecht.

Wenn eine Bohrmaschine bei großen Bohrern und niedriger Drehzahl abbricht oder blockiert, liegt die Ursache meist nicht an einem zu kleinen Motor, sondern daran, dass der Umrichter im einfachen U/f-Betrieb statt im Vektorbetrieb läuft.

Feldschwächung bei Hochzahlspindeln

Am anderen Ende des Spektrums erfordern kleine Bohrdurchmesser oder Gewindeschneiden in weichen Werkstoffen hohe Drehzahlwerte. Standardmotoren liefern ihr volles Nenn-Drehmoment bis zu ihrer Nennfrequenz (typischerweise 50 Hz oder 60 Hz).

Darüber hinaus kann ein Frequenzumrichter die Frequenz weiter erhöhen, jedoch tritt der Motor dann in den FeldSchwächbereich ein. In diesem Bereich fällt das verfügbare Drehmoment umgekehrt proportional zur Drehzahl ab, während die Abgabeleistung nahezu konstant bleibt.

Für leichte Bohrarbeiten bei hoher Drehzahl, bei denen wenig Drehmoment benötigt wird, ist das völlig ausreichend. Für anspruchsvolle Bearbeitungen ist dies jedoch der falsche Betriebspunkt. Überprüfen Sie stets die Nennfrequenz des Motors und gehen Sie nicht davon aus, dass der Motor bei 100 Hz noch das volle Nenn-Drehmoment liefert.

Der Ausgangsstrom als Werkzeug zur Stall- und Brucherkennung

Der Echtzeit-Ausgangsstrom des Frequenzumrichters ist ein nützliches Werkzeug zur Diagnose im Bohrbetrieb und nicht nur ein Schutzgrenzwert.

Wenn ein Bohrer in der Bohrung klemmt oder durch Verschleiß stumpf wird und reibt, macht sich dies durch einen steigenden Motorstrom bemerkbar – lange bevor es zu mechanischen Schäden kommt.

In der Praxis lässt sich dieser Effekt gezielt nutzen: Der Umrichter überwacht den Strom im Vergleich zu einem Sollwert der Bearbeitung und löst einen Stopp oder Alarm aus, sobald ein eingestellter Schwellenwert überschritten wird. So lassen sich verklemmte oder beschädigte Bohrer stoppen, bevor das Werkzeug bricht und das Werkstück oder die Spindellager beschädigt werden. Parameter für diese Stromüberwachung sollten bei Bohranwendungen bewusst konfiguriert und nicht auf den generischen Werkseinstellungen belassen werden.

Entspanungszyklen (Pickbohren) und Einschaltdauer

Das Tieflochbohren in harten Werkstoffen erfolgt häufig im Entspanungszyklus (Pickbohren oder Peck Drilling): Der Bohrer fährt ein Stück vor, zieht sich ganz oder teilweise zurück, um Späne zu brechen und zu fördern, und fährt wieder an.

Das bedeutet für den Antrieb permanente Drehrichtungswechsel sowie schnelle Beschleunigungs- und Bremsvorgänge anstelle eines kontinuierlichen Betriebs. Dies stellt eine völlig andere thermische und mechanische Belastung dar:

Kontinuierlicher Bohrbetrieb:
  [ Gleichbleibende Drehzahl ] ──> Thermisch stabiler Dauerbetrieb

Entspanungszyklus (Pickbohren / Peck Drilling):
  [ Beschleunigen ] ──> [ Bohren ] ──> [ Reversieren / Bremsen ] ──> [ Hohe dynamische Spitzenlast ]

Wenn Entspanungszyklen Teil der Anwendung sind, müssen Frequenzumrichter und Motor entsprechend dimensioniert und die Rampezeiten passend eingestellt werden. Eine Motor-Umrichter-Kombination, die bei konstanter Drehzahl problemlos läuft, kann bei dynamischen Start-Stopp-Reversierzyklen rasch überhitzen oder Störungen auslösen.

Checkliste zur Auslegung eines Frequenzumrichters für Bohrmaschinen

• Erforderliches Drehmoment bei niedrigster Arbeitsdrehzahl: Dieser Wert bestimmt maßgeblich, ob eine einfache U/f-Steuerung ausreicht oder eine Vektorregelung erforderlich ist.

• Nennfrequenz des Motors: Bestimmt den Beginn des FeldSchwächbereichs, falls hohe Speeds bei leichten Bohrarbeiten gefordert sind.

• Betriebsart & Einschaltdauer: Dauerbohren, Entspanungszyklen oder häufige Werkzeugwechsel mit Spindelstopp belasten den Umrichter unterschiedlich.

• Strombasierte Blockier- und Brucherkennung: Sollte gezielt auf die Anwendung parametriert und nicht auf Standardwerten belassen werden.

Kurz zusammengefasst

Ein Frequenzumrichter optimiert eine Bohrmaschine, weil er die exakte Anpassung der Schnittgeschwindigkeit an den Bohrdurchmesser und Werkstoff stufenlos ermöglicht – anstatt auf wenige Getriebestufen angewiesen zu sein. Zudem bietet die Überwachung des Motorstroms ein zuverlässiges Signal für den Werkzeugzustand und drohende Blockaden.

Ob das Gesamtsystem in der Praxis funktioniert, hängt vom Drehmoment bei niedrigen Drehzahlbereichen (U/f vs. Vektorregelung), dem Einsetzen der Feldschwächung und der dynamischen Belastung durch den Bohrzyklus ab.

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