1 Zerspankraft und Vorschubkraft beim Bohren

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1 1 Zerspankraft und Vorschubkraft beim Bohren 1.1 Einleitung Bei allen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren ist die Kenntnis über Größe und Richtung der Zerspankraft F von Bedeutung für die Auslegung von Bearbeitungsaufgaben. Die Zerspankraft F setzt sich aus der Schnittkraft F c, der Vorschubkraft F f und der Passivkraft F p zusammen Beim Bohren heben sich die Passivkraftkomponenten bei symmetrischen Spannungsverhältnissen auf. Mit Hilfe der spezifischen Schnittkraft k c bzw. der spez. Vorschubkraft k f kann die Schnitt-kraft F c bzw. die Vorschubkraft F f berechnet werden. F c = kc b h Ff = kf b h Die spezifische Schnittkraft k c ist ein werkstoff- und vorschubabhängiger Zerspanungswert, der nicht von der Spanungsbreite b, sondern ausschließlich von der Spanungsdicke h bzw. dem Vorschub f abhängt. Nach KIENZLE gilt die Formel: kc 1.1 = kc h m c Darin ist k c1.1 die spez. Schnittkraft welche sich auf einen Spanungsquerschnitt A = b h = 1 1 mm 2 bezieht. Zur Ermittlung von k c1.1 bzw. k f1.1 und m c bzw. m f werden für die zu untersuchenden Werkstückstoff-Schneidstoff-Paarungen Zerspanungsversuche durchgeführt, bei denen für mehrere Vorschübe die zugehörigen Schnittkräfte bei konstanter Schnittgeschwindigkeit, Schnittiefe und Schneidteilgeometrie gemessen werden. In diesem Laborversuch werden die Zerspankraftkomponenten beim Bohren auf einer NC-Fräsmaschine mit Hilfe eines piezoelektrischen Vier-Komponenten-Kraft und Momenten-Meßsystemes der Firma Kistler mit nachgeschalteten Ladungsmeßverstärkern und einem Linienschreiber gemessen. Es werden drei Meßreihen mit je acht verschiedenen Vorschüben gefahren, wobei zuerst ein maschinell- und dann ein hand geschliffener Wendelbohrer Typ N mit Kegelschaft, Durchmesser 16 mm, nach DIN 345 (Schneidteilgeometrie nach DIN 1412 ) verwendet wird. Bei der dritten Meßreihe wird das Werkstück auf den Querschneidendurchmesser des in Meßreihe eins verwendeten Bohrers vor- und anschließend aufgebohrt. Laborübungen trennende Seite 1 von 12

2 1.2 Aufgabenstellung Darstellung des Versuchsaufbau. Angabe und Beschreibung der Meßschaltung mit allen Geräten. Dokumentation der Meßergebnisse und Notierung von Besonderheiten. Vergleich der Meßergebnisse aus den drei Meßreihen. Graphische Darstellung der Meßergebnisse in Diagrammen mit linear und doppellogarithmisch geteilten Achsen für k c = f (h) und k f = f (h) Beschreibung des Verhaltens der Passivkraft F p. Ermittlung von k c1.1 bzw. k f1.1 sowie m c bzw. m f unter Anwendung der linearen Regression. Mit ln h i = x i, ln k ci = y i, -m c = a i1 und ln k c1.1 =a 0 ergibt sich mit n als Anzahl gemessener Wertepaare: n xi yi xi = yi a 2 2 n xi xi 1 ; ( y a x ) a i 1 i 0 =. n Die Güte der Regression wird durch den Korrelationskoeffizienten r dargestellt. n xi yi xi yi n x ( x ) 2 n y ( y ) 2 2 i i i i mit 1 r 1 Ist 1 bzw. -1, so kann von einer vollständigen Regression ausgegangen werden. Die ermittelten Werte sind mit den Erkenntnissen des Schrifttums zu vergleichen. Dabei ist auf einen eventuell gegebenen Einfluß des Drallwinkels γ, welcher auch als Spanwinkel zu bezeichnen ist, zu achten. Jeder Teilnehmer hat für jeden Versuch eine persönliche Stellungnahme zum Versuchsaufbau und -ablauf, sowie zu den Versuchsergebnissen abzufassen. Diese darf nicht länger als eine DIN-A4-Seite sein. Jede Gruppe gibt einen gemeinsamen Ordner mit allen Versuchsberichten ab. Die Aufgabenblätter sind mit den Versuchsberichten abzugeben. Als Schrifttum wird empfohlen: W. König: Band 1 Drehen, Fräsen, Bohren. 2. Auflage VDI-Verlag Laborübungen trennende Seite 2 von 12

3 Tabelle 1 Fachhochschule Wertetabelle maschinell geschliffener Bohrer f h M z [Nm] F c k c [N/mm 2 ] F z F f k f [N/mm 2 ] 1 0,05 2 0, ,1 4 0, , ,2 7 0,25 8 0,3135 Steigungsfaktor -m c = Steigungsfaktor -m f = Tabelle 2 spez. Schnittkraft k c1.1 = spez. Vorschubkraft k f1.1 = Korrelationskoeffizient Korrelationskoeffizient Wertetabelle hand geschliffener Bohrer f h M z [Nm] F c k c [N/mm 2 ] F z F f k f [N/mm 2 ] 1 0,05 2 0, ,1 4 0, , ,2 7 0,25 8 0,3135 Steigungsfaktor -m c = Steigungsfaktor -m f = spez. Schnittkraft k c1.1 = spez. Vorschubkraft k f1.1 = Korrelationskoeffizient Korrelationskoeffizient Laborübungen trennende Seite 3 von 12

4 Tabelle 3 Fachhochschule f 1 0,05 2 0, ,1 4 0, , ,2 7 0,25 8 0,3135 Steigungsfaktor -m c = Steigungsfaktor -m f = h M z [Nm] Wertetabelle Aufbohren* F c spez. Schnittkraft k c1.1 = spez. Vorschubkraft k f1.1 = k c [N/mm 2 ] F z F f Korrelationskoeffizient Korrelationskoeffizient k f [N/mm 2 ] * Der Durchmesser der Vorbohrung entspricht der Länge der Querschneide. Die Proben haben einen Durchmesser von 30 mm und eine Länge von 20 mm. Die Drehzahl bei allen Versuchen bzw. Versuchsreihen beträgt 630 min -1. Vorschübe f f [mm/min] 1 0,05 31,5 2 0, , , , , , , Laborübungen trennende Seite 4 von 12

5 2 Vergleich des Einflusses konstanter Schnittgeschwindigkeit oder konstanter Drehzahl auf die Oberflächenqualität 2.1 Einleitung Die Güte der durch Spanen erzeugten Werkstückoberfläche kann durch die Schnittbedingungen und die Schneidkeilgeometrie beeinflußt werden. Die kinematische Rauhigkeit ergibt sich durch die Form der Schneidkante und der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Beim Drehen wird sie in der Hauptsache durch den Eckenradius R und den Vorschub f beeinflußt. Entsprechend der geometri-schen Eingriffsverhältnisse ergibt sich eine theoretische Rauhtiefe Rt 2 2 f = R R oder 4 Rt 2 f = für den Gültigkeitsbereich f 2R cos χ r 8R Eingriffsverhältnis beim Drehen Quelle: König Beim Querplandrehen ergibt sich eine weitere Schwierigkeit durch den kleiner werdenden Durchmesser zur Mitte hin. Bei konstanter Drehzahl sinkt die Schnittgeschwindigkeit somit ab. Kann die Werkzeugmaschine allerdings eine konstante Schnittgeschwindigkeit gewährleisten, so sind die Schnittbedingungen im allgemeinen gleichmäßiger. 2.2 Aufgabenstellung Der Einfluss der alternativen Bearbeitungsverfahren (n=const.; v c =const.) ist durch entsprechende Bearbeitungsversuche zu erarbeiten. Der Unterschied in bezug auf die Dauer der Zerspanung und den dadurch entstehenden Kosten ist zu untersuchen. Der Versuchsaufbau und der Versuchsablauf sind zu beschreiben. Dazu gehören auch die Beschreibung der verwendeten Werkzeuge und der Schnittbedingungen. Der gesamte Versuch ist von jedem Teilnehmer auf einer DIN-A4-Seite kritisch zu kommentieren. Laborübungen trennende Seite 5 von 12

6 2.3 Versuchsdurchführung Zuerst wird das Werkstück vorbereitend in einem ersten Arbeitsgang übergedreht. Anschließend ist das Werkstück mit unterschiedlichen Vorschüben zu bearbeiten und die Oberflächenqualität messtechnisch zu erfassen. Die Versuchspaarungen sind der untenstehenden Tabelle zu entnehmen. Weiterhin sind die unterschiedlichen Zerspanungsbedingungen kritisch zu beurteilen. 2.4 Tabellen mit Vorschüben und Schnittbedingungen, die kombiniert werden. Vorschub f Konstante Drehzahl Zerspanungsdauer in Sek. Bemerkungen zur Zerspanung 1 0,05 n=208 min ,1 n=208 min ,15 n=208 min ,2 n=208 min -1 Vorschub f Konstante Schnittgeschwindigkeit Zerspanungsdauer in Sek. Bemerkungen zur Zerspanung 1 0,05 v c =100m/min 2 0,1 v c =100m/min 3 0,15 v c =100m/min 4 0,2 v c =100m/min Werkstoff : 16 Mn Cr 5 Schnitttiefe a p : 1 mm Schneidstoff : Hartmetall P10/P20, beschichtet Einstellwinkel κ r : 80 Grad Eckenradius : 0,4mm Einspannung : Futter Anfangsdurchmesser : 153 mm Laborübungen trennende Seite 6 von 12

7 3 Verschleiß-Standzeit-Drehversuch 3.1 Einleitung Zerspanversuche werden zur Prüfung sowohl der Zerspanbarkeit von Werkstoffen als auch der Verschleißfestigkeit von Schneidstoffen durchgeführt. Der Verschleiß-Standzeit-Drehversuch dient zur Ermittlung der Zeit, während der ein Werkzeug unter bestimmten Bedingungen Zerspanarbeit zu leisten vermag. Kennzeichen des Versuches ist das Erreichen eines vorgegebenen Verschleißkriteriums. Die Versuchsdurchführung ist im Stahl-Eisen-Prüfblatt festgelegt. Die Versuchsergebnisse sind auch Grundlage für die Ermittlung der kostenoptimalen Standzeit bzw. Schnittgeschwindigkeit. 3.2 Optimierung von Standzeit und Schnittgeschwindigkeit Die Fertigungskosten K F je Werkstück setzen sich zusammen aus: - Rüst- und Auftragsvorbereitungskosten, - Maschinen- und Lohnkosten, - Werkzeugverbrauchs- und -wechselkosten. Die Rüstkosten fallen als Fixkosten an. Sie sind unabhängig von der Schnittgeschwindigkeit. Die Maschinen- und Lohnkosten entstehen während der Hauptzeit t h. Die Werkzeugkosten ergeben sich aus der Anzahl verbrauchter Schneiden und der anteiligen Werkzeugwechselzeit. Die Fertigungskosten K F ergeben sich zu: t m r h (1) K F = KML + KML th + ( KML tw + KWT ) t T Darin sind: K ML = Maschinen- und Lohnkostensatz [DM/h], t Rüstzeit [h], m = Stückzahl pro Los, t h = Hauptzeit pro Stück [h], T = Standzeit pro Werkzeugschneide [h], t w = Werkzeugwechselzeit pro Werkzeugschneide [h], K WT = Kosten pro Werkzeugschneide [DM]. Beim Drehen ergibt sich die Hauptzeit t h zu: (2) t h d π l = f vc [min] Laborübungen trennende Seite 7 von 12

8 Darin sind: v c = Schnittgeschwindigkeit [m/min] d = Durchmesser [m] f = Vorschub l = Drehlänge Die Standzeit T eines Werkzeuges ist in erster Linie von der Schnittgeschwindigkeit v c und in zweiter Linie vom Vorschub f abhängig. Da beim Zerspanen der Vorschub immer so groß wie möglich gewählt werden sollte, kann die vereinfachte Standzeitgleichung herangezogen werden: 1 k (3) v c T = CT Darin sind: C T = Schnittkonstante, k = Steigung der Standzeitgeraden. Mit dem Zerspanungsvolumen (4) vz = ap f vc th ergibt sich (5) Darin ist: a p = Schnittiefe. t h = vz ap f vc Die Fertigungskosten K F sind dann: K t m K v ap f v ML r ML Z Z T (6) KF + + ( KML tw + KWT ) k c v c ap f v = +2 k c Die optimale Standzeit T opt kann durch Differenzieren nach der Variablen v c und gleichsetzen zu Null gefunden werden: dk dv F c KML vz 0 = 0 ap f vc v c ap f v k Z T ( k + ) ( KML tw KWT ) = k +2 c Mit c v k T 1 c = T folgt: WT (7) T opt = ( k + 1) tw + K K ML Die optimale Schnittgeschwindigkeit v c opt ergibt sich dann mit T opt aus Gleichung (3). Laborübungen trennende Seite 8 von 12

9 3.3 Aufgabenstellung Durchführung von mehreren Versuchen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Schnittzeiten und Messung der Verschleißmarkenbreite V B. Im Einzelnen ist durchzuführen: Beschreibung des Versuchsaufbaus. Protokollierung der Versuchsbedingungen und der Versuchsergebnisse auf den beiligenden Formblättern. Darstellung der Standzeitgeraden im doppellogarithmischen Koordinatennetz. Ermittlung der Kennzahlen. Berechnung der optimalen Schnittgeschwindigkeiten v c opt für zwei unterschiedliche Fertigungsbedingungen: Einfache, manuell betätigte Drehmaschine: K ML = 40 /h, K WT = 0,5 /Schneide, (Hartmetall, unbeschichtet), t w = 3 min, k = -4 (HM), C t = 300. NC-Drehmaschine mit automatischen Werkzeugwechsel: K ML = 120 /h, K WT = 0,75 /Schneide, (Hartmetall, beschichtet), t w = 0,1 min, k = -4 (HM), c t = Diskussion des Versuches und der Versuchsergebnisse auf einem DIN A4-Blatt. v c m/min Eingriffsdauer t in s (Angabe entspricht immer der gesamten Eingriffsdauer) Werkstoff: Schnittgeschwindigkeit v c : siehe Tabelle Vorschub f: 0,1 mm Schnittiefe a p : 2 mm Schneidstoff: Hartmetall P25 Einstellwinkel: 75 Grad Einspannung: Futter/Reitstock Laborübungen trennende Seite 9 von 12

10 Die Platten werden nach jedem Schnitt ausgebaut und unter dem Mikroskop vermessen. Für jede Schnittgeschwindigkeit wird eine neue Schneidkante verwendet. Laborübungen trennende Seite 10 von 12

11 Die Werte sollen auf Papier mit doppellogarithmischem Koordinatennetz aufgezeichnet und dem Prüfbericht beigegeben werden. 3.5 Kennzahlen: v c 30 = m/min η = k = tan η = C T = Laborübungen trennende Seite 11 von 12

12 3.6 Messungen Lfd. V C [m/min] Schnittgeschwindigkeit Einzeleingriffsdauer t E [s] Gesamteingriffsdauer t G [s] Freifläche V B V B max Bemerkungen (Spanform, Ausbrüche usw.) Laborübungen trennende Seite 12 von 12

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