Drehen. Fertigungstechnik Vorlesung 06. Fertigungstechnik VL 06: Drehen. Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann

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1 Drehen Fertigungstechnik Vorlesung 06 Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann Folie 1

2 Inhalt 1. Einteilung nach DIN Definition des Fertigungsverfahrens 3. Merkmale des Verfahrens 4. Fertigungseinrichtungen 5. Technologie 6. Werkzeuge 7. Werkstoffe (Werkstück) 8. Verfahrensvarianten 9. Bauteile und Anwendungsbeispiele 10. Vergleich zu anderen Verfahren / Verfahrensvarianten 11. Literatur Folie 2

3 Einteilung nach DIN 8580 Fertigungstechnik VL 06: Drehen Trennen Zerteilen Spanen mit Spanen mit geometrisch geometrisch Abtragen Zerlegen Reinigen Evakuieren bestimmter Schneide unbestimmter Schneide Drehen Bohren, Senken, Reiben Fräsen Hobeln, Stoßen Räumen Sägen Feilen, Raspeln Bürstenspanen Schaben, Meißeln Folie 3

4 Definition des Fertigungsverfahrens Drehen Spanen mit geschlossener, meist kreisförmiger Schnittbewegung und beliebiger, quer zur Schnittrichtung liegender Vorschubbewegung. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkstück unabhängig von der Vorschubbewegung bei. Quelle: DIN Folie 4

5 Merkmale des Verfahrens Fertigungstechnik VL 06: Drehen Spanen ist Trennen, bei dem durch die Schneiden eines Werkzeuges von einem Werkstück Werkstoffschichten in Form von Spänen auf mechanischem Wege abgetrennt werden. Halbzeuge Drehbearbeitung Bauteile + Späne + Quelle: Sandvik Quelle: DIN Folie 5

6 Fertigungseinrichtungen Fertigungstechnik VL 06: Drehen Manuelle Universaldrehmaschine Drehmaschinenfutter Werkzeugschlitten (Support) Zugspindel Leitspindel Reitstock Getriebekasten Schlosskasten Maschinenbett Gestell Quelle: WEILER Werkzeugmaschinen GmbH Folie 6

7 Fertigungseinrichtungen - Konstruktive Merkmale von Drehmaschinen Klassifizierung von Drehmaschinen nach ihren Gestellbauformen Quelle: Dubbel Folie 7

8 Fertigungseinrichtungen Fertigungstechnik VL 06: Drehen CNC Schrägbettdrehmaschine CTX410 der Fa. DMG Trommelrevolver Werkstück Hauptspindel Halter mit Wendescheidplatte Folie 8

9 Fertigungseinrichtungen Hochleistungs-Dreh-Fräszentrum TNX 65 der Fa. Traub Fertigungstechnik VL 06: Drehen Hauptspindel Gegenspindel Werkstück Werkzeugträger Quelle: Traub 4 Werkzeugträger mit je 10 Aufnahmen für Werkzeuge Jeder Werkzeugträger entlang x-, y- und z-achse verfahrbar Einsatz von angetriebenen und nichtangetriebenen Werkzeugen für die Komplettbearbeitung Optische Werkzeugeinmessung Folie 9

10 Technologie - Schneiden und Flächen am Schneidkeil Schnittrichtung Spanfläche Nebenschneide Nebenfreifläche Schaft Hauptschneide Hauptfreifläche Schneidenecke Vorschubrichtung Quelle: DIN 6581 Folie 10

11 Technologie Winkel am Drehwerkzeug Rotationsrichtung Schnitt A-B (Werkzeug-Orthogonalebene P o ) Werkstück Span A α o Freiwinkel κ β o Keilwinkel β o γ o Vorschubrichtung B γ o κ Spanwinkel Einstellwinkel α o Schneidkeil Es gilt immer: α o + β o + γ o = 90 Quelle: DIN 6581 Folie 11

12 Technologie Kinematik beim Drehen v c Schnittgeschwindigkeit v e Wirkgeschwindigkeit v f Vorschubgeschwindigkeit ϕ Vorschubrichtungswinkel η Wirkrichtungswinkel Quelle: DIN 6580 Folie 12

13 Technologie Werkzeug-Bezugssystem Die Bezugsebene im Werkzeug-Bezugssystem steht senkrecht zur angenommenen Schnittrichtung. angenommene Vorschubrichtung angenommene Schnittrichtung P p P r Werkzeug-Bezugsebene P f Angenommene Arbeitsebene P r P p Werkzeug-Rückebene P f Quelle: DIN 6581 Folie 13

14 Technologie Wirk-Bezugssystem Fertigungstechnik VL 06: Drehen Die Bezugsebene im Wirk-Bezugssystem steht senkrecht zur tatsächlichen Wirkrichtung. Vorschubrichtung Wirkrichtung η Schnittrichtung P pe v e v c P re Wirk-Bezugsebene P fe Arbeitsebene P pe Wirk-Rückebene v f P fe P re η v f v c v e Wirkrichtungswinkel Vorschubgeschwindigkeit Schnittgeschwindigkeit Wirkgeschwindigkeit Quelle: DIN 6581 Folie 14

15 Technologie Schnitt- und Spanungsgrößen beim Drehen Werkstück A Spanungsquerschnitt b Spanungsbreite h Spanungsdicke a p Schnitttiefe f Vorschub κ Einstellwinkel κ κ Vorschubrichtung Werkzeug A = b h = a p f b = a p / sinκ h = f sinκ Schnittgeschwindigkeiten v c in m/min beim Drehen für T = 15 min, Verschleißkriterium VB max = 0,2 mm Werkstoff Schneidstoff Schnitttiefe a Vorschub f in mm p in [mm] 0,1 0,4 0, Vergütungsstahl C45 Hartmetall P Quelle: Tschätsch, Dubbel Folie 15

16 Technologie Zerspankräfte beim Drehen F Zerspankraft F a Aktivkraft F p Passivkraft F c Schnittkraft F f Vorschubkraft -F p -F c -F f Berechnung der Zerspankraft aus den Zerspankraftkomponten: -F a F = F + F + F c f p -F Quelle: DIN 6584 Folie 16

17 Technologie Schnittkraftberechnung nach Kienzle A b h a p f Spanungsquerschnitt Spanungsbreite Spanungsdicke Schnitttiefe Vorschub A = b h = ap f p b = a sin κr h = f sin κ r Schnittkraftberechnung: F = k b h 1 c c 11. ( m ) c k c1.1 Hauptwert der spezifischen Schnittkraft (für A = 1 mm 2 ) 1-m c Anstiegswert der spezifischen Schnittkraft κ Einstellwinkel des Werkzeugs Folie 17

18 Technologie Graphische Ermittlung der Werkstoffkonstanten Direkte Proportionalität der Zerspankraftkomponenten zur Spanungsbreite b Nichtlinearer Zusammenhang zwischen den Zerspankraftkomponenten und der Spanungsdicke h Kienzle-Gleichung Fc 1 F' c = = kc1. 1 h b ( m ) c 4000 N/mm 2000 k c1.1 = 2220 N/mm 2 m c k c1.1 spezifische Schnittkraft für h = 1 mm, b = 1 mm 1-m c Steigung der Geraden F c = f(h) im doppeltlogarithmischen System Schnittkraft F c Spanungsbreite b m c 1 Beispiel Werkstoff: C45 k c1.1 = 2220 N/mm 2 m c = 0, ,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 mm 2,0 Spanungsdicke h Quelle: Tschätsch, nach Kienzle Folie 18

19 Technologie Trennung der Werkstoffbereiche beim Spanen Ablauf 1. Durchdringung von Werkzeug und Werkstück Voraussetzungen für die Trennung Werkzeug besitzt höhere Härte als Werkstück Überschreitung der minimalen Eindringtiefe 2. Elastische und plastische Verformung 3. Fließen des Werkstoffes 4. Ausbildung eines Spans 5. Ablaufen des Spans über die Spanfläche des Schneidkeils Film: Animation Spanbildung Folie 19

20 Technologie Spanentstehungsstelle a primäre Scherzone Werkstück Φ b sekundäre Scherzone c d Stau- und Trennzone Scherebene Scherzone f d φ Scherwinkel c b a b g h e f Schnittfläche Struktur im Werkstück m l g h Struktur im Span Span e l Spanfläche Schneidkeil Drehmeißel m Freifläche Schnittfläche Schneidkeil C45 E, v c = 100 m/min, Schneidstoff Hartmetall P30 Quelle: nach Spur Folie 20

21 Technologie Zusammenhang, Scherwinkel, Spandickenstauchung Spandickenstauchung λ h Einflussgrößen: Formänderungsvermögen des Werkstoffes Geometrische Verhältnisse am Schneidkeil Schnittparameter (Vorschub, Schnittgeschwindigkeit) v c h λ h = h 1 h Φ h 1 γ o Scherwinkel Φ cosγ tanφ = λ sin γ h γ o Spanwinkel v c Schnittgeschwindigkeit h Spanungsdicke h 1 Spandicke Quelle: nach Spur Folie 21

22 Technologie Spanarten Fertigungstechnik VL 06: Drehen Ursache Wirkung verformungsfähiger Werkstoff gleichmäßiges Gefüge keine Versprödung in der Spanwurzel schwingungsarme Zerspanung größerer Spanwinkel größere Schnittgeschwindigkeit kleinerer Vorschub größerer Scherwinkel Φ glattere Oberfläche höhere Maßhaltigkeit geringere Schnittkraftschwankungen ruhigeres Arbeiten der Werkzeuge Φ = Scherwinkel Folie 22

23 Technologie Spanformen Fertigungstechnik VL 06: Drehen Spanform ungünstig Spanform gut Spanform brauchbar Spanraumzahl RZ = Raumbedarf einer ungeordneten Spanmenge Werkstoffvolumen der gleichen Spanmenge Quelle: Stahl-Eisen-Prüfblatt Folie 23

24 Werkzeuge Wendeschneidplatten Hartmetall + TiAlN kubisches Bornitrid Al 2 O 3 Keramik whiskerverstärkt Al 2 O 3 - Mischkeramik Klemmhalter von oben geklemmt durch die Bohrung aufgeschraubt über Bohrung geklemmt von oben und über Bohrung geklemmt Quelle: Sandvik, DIN 4983 Folie 24

25 Halter für Wendeschneidplatten Fertigungstechnik VL 06: Drehen Unterschiedliche Arten der Wendeschneidplattenbefestigung für Drehwerkzeuge Quelle: DIN 4984 Folie 25

26 Werkzeuge - Einfluss der Schneidengeometrie auf die Zerspanungskenngrößen Neigungswinkel λ s Freiwinkel α o, Spanwinkel γ o γ o λ s Spanflächenfase Einstellwinkel κ, Eckenradius r ε Quelle: Klocke, König Folie 26

27 Werkstoffe Titanlegierungen und intermetallische Titanaluminide Anwendung Problemstellung Forschungsschwerpunkt Auslassventile aus γ-tial Weitere Anwendungen im Bereich hochtemperaturbeanspruchter Strukturbauteile: Turbinen Motoren Anlagen Konventionelle Bearbeitung mit Hartmetallwerkzeugen (v c = 15 m/min): Risse und Ausbrüche an der Werkstückoberfläche Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit PcBN-Werkzeugen (v c = 400 m/min): Verbesserung der Randzonen- und..oberflächenqualität Folie 27

28 Werkstoffe Verstärkte Leichtmetalle Anwendung des Werkstoffs Bremstrommel aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff AlSi9 mit 20% SiC Weitere Anwendung von verstärkten Aluminiumlegierungen: Motorblock aus G-AlSi17Cu4Mg Problemstellung Hoher abrasiver Verschleiß durch Verstärkung (Fasern, Partikel) Bildung von Aufbauschneiden durch Adhäsion der duktilen Aluminiummatrix Oberflächenzerrüttung durch inhomogene Beanspruchung am Übergang Matrix/Verstärkung Forschungsschwerpunkt Einsatz von CVD-diamantbeschichteten Wendeschneidplatten Verschleißmarkenbreite VB 0,4 mm 0,2 0,1 0 0 unbeschichtetes Hartmetall CVD-diamantbeschichtetes Hartmetall 2 Außen-Längs-Runddrehen ISO Code: VCGT Werkstoff: G-AlSi17Cu4Mg KSS: 5% Emulsion 4 6 km 10 Schnittweg l c v c = 300 m/min f = 0,1 mm a p = 1,0 mm Folie 28

29 Werkstoffe Hochharte Stähle Anwendung Quelle: RA Scheid / ZEEH-PRÄZISION Antriebswelle aus X40CrMo V5-1 (Härte 52HRC) Weitere Anwendungen von hochharten Stählen: Zahnräder Flansche Werkzeuge und Formen Problemstellung Hohe Schnittkräfte und Prozesstemperaturen Große mechanische und thermische Belastungen an Werkzeug, Werkstück und Maschine Einsatz kostenintensiver Wendeschneidplatten mit PcBN Schneideinsätzen PcBN-Werkzeuge nur mit einfachen Geometrien erhältlich Forschungsschwerpunkt Einsatz von cbn-beschichteten Wendeschneidplatten Verschleißmarkenbreite VB 0,4 mm 0,2 0,1 HM-Substrat + TiAlN HM-Substrat + TiAlN+cBN min 120 Schnittzeit t c Prozess: Außen-Längs-Runddrehen f = 0,1 mm ISO Code: CNMA a p = 0,5 mm Werkstoff: X40CrMoV5-1 v c = 50 m/min Härte: 52 HRC KSS: trocken Folie 29

30 Verfahrensvarianten - Einteilung der Drehverfahren nach Art der erzeugten Bearbeitungsfläche Plandrehen Runddrehen Schraubdrehen Wälzdrehen Profildrehen Formdrehen Lage der Bearbeitungsstelle am Werkstück Außendrehen Innendrehen Kinematik des Zerspanvorganges Längsdrehen Querdrehen Oberflächengüte Schrupp-, Schlicht-, Fein-, Feinstdrehen Schneidstoff des Werkzeugs Drehen mit HSS, Hartmetall, Schneidkeramik, CBN, Diamant Quelle: DIN Folie 30

31 Verfahrensvarianten v c v fa v c v fa v fa v c v c v c v fa v fr v fa Runddrehen Vorschubgeschwindigkeit axial Längs-Runddrehen Schäldrehen Quer-Runddrehen v c v c v c v fr v c Vorschubgeschwindigkeit radial Schnittgeschwindigkeit v fa Plandrehen v fr v fr Quer-Plandrehen Längs-Plandrehen Quer-Abstechdrehen Folie 31

32 Verfahrensvarianten Schraubdrehen A) Gewindedrehen B) Gewindestrehlen C) Gewindeschneiden A B C v c v fa Quelle: DIN Folie 32

33 Verfahrensvarianten Formdrehen A A) NC-Formdrehen Profildrehen A v c B A) Quer-Einstechdrehen B) Profil-Abstechdrehen v fr Quelle: DIN Folie 33

34 Bauteile und Anwendungsbeispiele Vertikaldrehmaschine Francislaufrad einer 700 MW Wasserturbine Vertikaldrehmaschine (Baustellenfertigung) Voith Siemens Hydro Shanghai Quelle: Voith Siemens Folie 34

35 Bauteile und Anwendungsbeispiele Quelle: Kugler Quelle: Kugler Ultrapräzisionsdrehmaschine Positionierung im Submikrometer-Bereich Luftgelagerte Rotationslager in Spindel und Reitstock Bauteile Elektrode für Teilchenbeschleuniger Quelle: Kugler Metallspiegel mit elliptischer Oberfläche Quelle: Kugler Folie 35

36 Vergleich zu anderen Verfahren / Verfahrensvarianten Drehwerkzeuge mit feststehender Wendeschneidplatte rotierender Wendeschneidplatte Mitsubishi Carbide Günstigeres Schwingungsverhalten aufgrund höherer Steifigkeit der Lagerung der Wendeschneidplatte Merkmale des Werkzeugs mit rotierender Wendeschneidplatte (WSP) Höhere Standzeit möglich Entfall von Nebenzeiten für den Wechsel des Schneidenbereichs i Befestigung der WSP auf einer drehbar gelagerten Achse Anstellung der WSP um den Winkel i gegenüber dem Werkstück Antrieb der WSP durch den ablaufenden Span v f v c v rot Folie 36

37 Verfahrensvergleich Hartdrehen und Schleifen Hartdrehen (über 60 HRC) Hohes Zeitspanvolumen Hohe Flexibilität Möglichkeit der Trockenbearbeitung Hohe Wirtschaftlichkeit Schleifen Hohe Fertigungsqualität Hohe Prozesssicherheit Keine Mindestschnitttiefe erforderlich Randzoneneinflüsse, -schädigungen beherrschbar Neuhärtungszone Anlasszone Folie 37

38 Verfahrenskombination Hartdrehen und Schleifen Hohe Genauigkeit und Verkürzung der Prozesskette durch Bearbeitung in einer Aufspannung Schruppen mittels Drehen Schlichten mittels Schleifen Beispiel: Getriebewelle Quelle: Schleifring Maschinensystem zur kombinierten Schleif- und Drehbearbeitung 1 Durchmesser schleifen 2 Schultern drehen 3-6 Nuten drehen Quelle: Studer Folie 38

39 Literatur Grote, K.H.; Feldhusen, J.: Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 2008 Klocke, F.; König, W: Fertigungsverfahren, Band 1, Drehen, Fräsen, Bohren. Springer Verlag, Berlin, 8. Aufl., 2008 Spur, G.; Stöferle, T.: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 3, Spanen, Carl Hanser Verlag, München 1980 Tschätsch, H.: Praxis der Zerspantechnik, Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2007 Folie 39