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FERTIGUNGSTECHNIK
1. Grundlagen der Fertigungstechnik
1.1. Aufgaben der Fertigungstechnik
Die FT befaßt sich mit der gezielten Formgebung von Werkstücken (WS) mit Hilfe geeigneter Verfahren, wobei als technologischer Kriterien
- Mengenleistung
- Fertigungsgenauigkeit
- Werkstoff
- die entsprechenden Fertigungskosten
zu beachten sind.
Durch die technischen, wirtschaftlichen und organisatorischen Veränderungen der Produktionstechnik werden immer höhere Anforderungen an
- Produktivität
- Wirtschaftlichkeit
- Flexibilität
der Fertigungssysteme gestellt.
Wertmäßig machen die Wz-Maschinen für die spanende Fertigung ca.
2/3 der Gesamtproduktion aus.
1.2. Geschichtliche Entwicklung der FT
® Faustkeil, Schabe- und Schneide-WZ
® Schnurzug- oder Fiedelbogenantrieb
19.Jhd:
Entwicklung der grundlegenden Verfahren der Zerspanungstechnik.
20.
Jhd:
Qualitätsverbesserung, Erhöhung der Produktion, Verbesserung der Werkstoffe, ...
1.3. Stand und Entwicklungstendenzen in der Produktionstechnik
Auch heute noch beinhalten die Produktionstechniken noch beträchtliche Reserven:
- Energieeinsparung
- Vollautomatische Fertigung
- Standortauswahl
- Bearbeitungsziel verkürzen
Diese Entwicklungstendenzen zielen auf eine Ausschöpfung des obengenannten Entwicklungspotentials hin, zur Erreichung folgender Ziele:
- Erhöhung der Qualität
- Vollautomatisierung
- Einsatz von Industrierobotern
- Erhöhung der Flexibilität
- Erhöhung der Produktion
- Geringe Herstellungskosten
- Standort verlegen
- keine Überstunden
- flexible Fertigungssysteme
- Lohnkürzung
Kostenhyperbel:
1.
4. Einteilung spanender Fertigungsverfahren
/3a/, /3b/, /4a/ bis /4d/
2. Technische Oberflächen
/5/, /6a/, /6b/
/6b/ 1 ... Idealprofil
2 .
.. Gemessene oder Ist-Profil
3 ... Bezugsprofil
4 .
.. mittleres Profil
5 ... Grundprofil
wirkliches Profil gibt es nicht (Meßfehler)
Rauhtiefe: Rt .
.. Abstand von Bezugs- zu Grundprofil
Glättungstiefe
Arithmetischer Mittelrauhigkeitswert
Rz ... Mittel aus 5Ra
VT: bessere Tragfähigkeit NT: größere Verschleiß
NT: große Kerbwirkung bei
dynamischen Belastung
3.
Zerspanungstechnik
3.1. Geometrie und Kinematik
Flächen, Schneiden und Ecken am Schneidkeil:
Der Teil des Werkzeugs (WZ), an dem der Span entsteht, wird Schneidkeil genannt (Die Schnittlinien der den Keil begrenzenden Flächen sind die Schneiden). /7a/, /7b/
Bei harten Werkstoffen negativer Spanwinkel g (geringere Schärfe und geringerer WZ-Verschleiß)
/7c/, /8/, /9/
3.2. Spanbildung
Die Spanbildung ist ein annähernd plastischer Vorgang, der durch den Schneidenkeil hervorgerufen wird.
Der Werkstoff wird dabei gestaucht, bis die Stauchkraft so groß ist, um die Scherung entlang der Scherebene zu bewirken.
/10/
Spanarten:
abhängig von der WS/WZ-Kombination, Schnittgeschwindigkeit, k, Spanungsbedingungen, ...
1. Fließspan (hohe Schnittgeschwindigkeit, duktiles Material)
2.
Lamellenspan
3. Scherspan
4. Reißspan (bei spröden Werkstoffen)
/11/
Spanraumzahl
günstig:
Fließspäne
Spanformen:
Unter Spanform versteht man jene Form mit der der Span nach Abschluß der Spanbildung die Spanfläche verläßt
Abhängigkeiten: ....
, Spanbrecher
/12/, /13/
/14/
Spangrößen:
a ... Schnittiefe
s ...
Vorschub/Umdr.
h ... Spanhöhe
b ..
. Spanbreite
3.3. Thermische Beanspruchung
/15/, /16/
3.4. Verschleiß und Standzeitbegriffe
Verschleiß = Abnutzung der unter Schnitt stehenden Schneide des WZ durch mechanische und thermische Belastung.
z.B.: Drehmeisel mit Verschleißgrößen:
KB ... Kolkbreite
KL .
.. Kolklippe
KVF ... Kantenversatz an der Freifläche
KVS .
.. Kantenversatz an der Spanfläche
VB ... Verschleißmarkenbreite
KT .
.. Kolktiefe
Standgrößen: Geben das Standvermögen des WZ an.
- Standzeit
ist jene Zeit, die ein WZ zwischen zwei Anschliffen einsatzbereit bleibt.
- Standweg (Bohrungen)
- Standmenge (Massenfertigung)
Standkriterien: Grenze einer unerwünschten Veränderung am WZ.
Absolute und relative Standkriterien
absolute Standkriterien: gebrochenes WZ (Blankbremsen des WZ)
relative Standkriterien: bis eine vorgegebene Standgröße erreicht wird z.
B.: bestimmte Verschleißmarkenbreite
/18/, /19/, /20/
Die Standzeit wird ermittelt mit einem Stand-Dauerversuch. /17/
Einflüsse auf die Standzeit:
1) Werkstoff des WS und WZ
2) Schnittgeschwindigkeit
3) Vorschub
4) Kühlung und Schmierung
5) Form der Schneide
6) Schnittiefe
3.7.4. Rechenbeisspiel
/28/
Wie groß ist die erforderliche Leistung der Drehmaschine ?
Vorschubleistung:
Schlitten ms = 1500 kg
m=0,1
Pv~0 P=Ps (+Pv)
4.
Drehen
/40/
4.1. Übersicht über die Drehverfahren
Systematischen Einteilung der Drehverfahren nach DIN 8589 Teil 2. Die Einteilung orientiert sich am Kriterium der Oberflächenform und Kinematik der Zerspanungsbedingungen.
Längsdrehen: Drehen mit Vorschubbewegung parallel zur WS-Achse.
Plandrehen: Drehen mit Vorschubbewegung plan (quer) zur WS-Achse.
(Querdrehen)
/41/, /42/, /43/, /44/, /44a/, /44b/, /45/, /45a/, /46/, /47/
4.2. Werkzeuge beim Drehen
Ein Drehmeißel besteht grundsätzlich aus Schneidenteil und Schaft (kreisrunder oder rechteckiger Querschnitt
1:1 oder 1:1,6).
/48/, /49/
Weitere Arten von Drehstählen:
- Schlicht- und Schruppstahl /50/
- Links- und Rechtsstahl /53/
- Gerader, gebogener & abgesetzter Drehstahl /52/
- Innen- /Außendrehstahl /51/
4.3. Winkel am Drehstahl
a .
.. Frei-, b ... Keil-, g .
.. Span-, e ... Eckenwinkel
/54/, /55/, /56/
4.
4. Spannen der Drehmeißel und WS
Saubere Oberfläche, mittig, normal zur WS-Achse (k), fest, kurz
Schwingungen der WZ-Maschine, WZ u./o. WS werden als Ratterschwingungen bezeichnet. /57/, /58/
4.4.
1. Ratterschwingungen
Mögliche Abhilfen für Rattern
4.4.2. Schwingungen von dünnwandigen Werkstücken
Mögliche Abhilfen:
-) Schnittdaten ändern (® Schwingungsvermeidung)
-) WS- bzw. WZ-Dämpfung erhöhen (® Schwingungsdämpfung)
/59/-/62/
4.
5. Maßhaltigkeit beim Drehen
Einhaltung von genauen Durchmessermaßen
Mögliche Probleme bei Schnittiefen unter 0,1mm
Verringerung durch:
-) Hohe Stabilität der WZ-Maschine (Schwingungsvermeidung)
-) Scharfes WZ (kleiner Eckenradius)
-) großer Spanwinkel
/61/, /62/
Erreichbare Genauigkeiten beim Drehen:
IT7 ... IT8 ..
. üblich
IT5 ... Schneiddiamanten- und Schneidkeramik-WZ
Oberflächenrauhigkeit:
Die theoretische Oberflächenrauhigkeit ist abhängig vom Spitzenradius r und dem Vorschub s.
Für Rt gilt (s>0,1mm)
Rt .
.. Rauhtiefe [mm]
s ... Vorschub [mm]
r .
.. Spitzenradius [mm]
Die tatsächliche Rauhtiefe weicht allerdings vom theoretischen Wert ab, wegen:
-) Laufruhe der Maschine (Schwingungen)
-) Verschleiß der Schneide
Durch eine Vorschubverkleinerung und eine Vergrößerung des Eckenradius würde man theoretisch immer eine Verbesserung der Oberflächengüte erzielen. In der Praxis tritt allerdings nur bis zu einem bestimmten Wert eine Verbesserung der Oberflächengüte ein ® Mindest-Spandicke.
Mindestspandicke:
Jener Wert bis zu dem noch einwandfrei geschnitten werden kann.
Plangedrehte Oberfläche ist ungenügend:
In einem bestimmten Durchmesserbereich ist dieOberfläche aufgerauht.
Infolge Schnittgeschwindigkeitsänderung entsteht im ungünstigen Bereich Aufbauschneide. /63/
Abhilfe: Regelung auf v=konst. /72/
Gewindedrehen mit einschneidigem WZ:
Der Vorschub erfolgt entsprechend der Gewindesteigung. Die Zustellbewegung kann auf 4 Arten erfolgen. Es werden bis zu 10 Schnitte durchgeführt. /64/
4.
6. Berechnungsverfahren
4.6.1. Zerspankraftkomponenten und Zerspanleistung
Schnittgeschwindigkeit: v=d.p.
n
Vorschubgeschwindigkeit: u=s.n
Wirkgeschwindigkeit:
Die flächenhaft, auf den Schneidenkeil, wirkenden verteilten Schnittlasten werden durch die s.g. Zerspankraft Fz,
und ihre Komponenten ersetzt.
Hauptschnittkraft:
Vorschubkraft:
Passivkraft:
Zerspanleistung:
Pv kann gegenüber Ps vernachlässigt werden: Pz~Ps
Der Gesamtwirkungsgrad der Drehmaschine verschlechtert sich bei Teillast und hohen Drehzahlen.
Grenzen für die Wahl der Schnittleistung: /69/
1.
) Grenzen durch die WZ-Maschine:
- Leistungsaufnahme
- Stabilität der Maschine
- Rattern (abh. von der Steifigkeit und Dämpfung des Systems)
2.) Grenzen durch das WZ:
- Standzeit
- Werkstoff
- Schneidkeilgeometrie
- Temperaturbeständigkeit, Wärmezufuhr
3.) Grenzen durch das WS:
- Stabilität (z.B. Fliehkräfte, geringe Wandstärke, .
..)
- Oberflächengüte
- Werkstoff
4.6.2. Berechnung der Hauptzeit
Die Hauptzeit tH besteht aus der Summe aller Zeiten in denen die gewünschte Veränderung am WS durch das WZ ausgeführt wird.
Bei konst. Zeitspanungsvolumen gilt:
Ist das Zeitspanvolumen nicht konstat, so muß die Hauptzeit aus den mit der Vorschubgeschwindigkeit zurückgelegten Wegen ermittelt werden.
Längsdrehen:
L ... Gesamt-Drehlänge
Gewindedrehen:
Gleich wie Längsdrehen, der Vorschub s entspricht der Steigung P.
g ... Gangzahl
i ...
Anzahl der Schnitte
Plandrehen:
Unterscheidung zwischen Drehmaschinen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit und konstanter Drehzahl.
a) Konstante Drehzahl
Lineare Veränderung der Drehzahl mit dem Durchmesser
Gesamt-Drehlänge:
b) Stufenlose Drehzahlregelung (v=konst.)
VT: Wirtschaftlicher (bessere Leistungsausrüstung der Drehmaschine) bessere Oberflächengüte, geringere Hauptzeit
Berechnung der Hauptzeit:
Berechnung Fräser:
Stirnfräser:
Geg: Schnittiefe a = 5mm
Werkstückbreite B = 200mm
WS-Material Ck 35 ks1.1 = 1860N/mm² z = 0,2
WZ-Maschine Vertikale Fräsmaschine
Elektr. Anschlußleistung Pel. = 20kW
Gesamtwirkungsgrad h = 0,75
k = 60°
HM-bestückter Fräser mit g = 6°
FräserÆ D = 320mm
Messerkopf z = 15
Vorschub sz = 0,1mm/Schneide
v = 120m/min
Standzeit T = 150min für v = 80m/min
Ges: Reicht die Leistung der Fräsmaschine für diese Bearbeitung aus?
Überprüfung des FräserÆ:
E ~ 3A ü
D ~ 1H .
.. 1,6B = 280 - 320min ü
Zähne im Eingriff:
Berechnung der Standzeit:
Erforderliche Drehzahl:
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