Modul Fertigungstechnik. Vorlesung Werkzeugmaschinen Einführung Teil 2

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1 Modul Fertigungstechnik Vorlesung Werkzeugmaschinen Einführung Teil 2 Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 1

2 Organisation Ablaufplan und Lehrmaterialien: Ablaufplan:» Studium» Lehrveranstaltungen» Werkzeugmaschinen - Einführung Lehrmaterial» Studium» Downloads» Im Modul Fertigungstechnik» Werkzeugmaschinen - Einführung» Passwort: WZMEINF16 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 2

3 Elemente eines Produktionssystems (Fertigungssystems) Institut für Werkzeugmaschinen Informationen Räume Energie Rohmaterialien Halbzeuge Bauteile Hilfsstoffe Fertigungsprozess Fertigungsverfahren Maschinen Arbeitsmaschinen Werkzeugmaschinen Fertigungs-, Mess-, Lager- und Transportmittel Fertigteile Produkte Abfälle Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 3

4 Schwerpunkte der heutigen Vorlesung geschichtliche Entwicklung aktuelle spanende WZM aktuelle umformende WZM wesentliche Komponenten von WZM Blick in die Zukunft der WZM-Entwicklung Quelle: Hausbuch der Mendelschen Zwölfbrüderstiftung, Band 1 / de.mittelalter.wikia.com, VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 4

5 Historische Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaus am Beispiel einer Drehmaschine Zeit Quelle: Hausbuch der Mendelschen Zwölfbrüderstiftung, Band 1 / de.mittelalter.wikia.com, VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 5

6 Drechsler im 15 Jahrhundert Steuerung Vorschubantrieb Hauptantrieb Quelle: Hausbuch der Mendelschen Zwölfbrüderstiftung, Band 1 / de.mittelalter.wikia.com VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 6

7 Drehmaschine von Maudslay um 1800 Institut für Werkzeugmaschinen Anschluss - Hauptantrieb Spannvorrichtung Kreuzschlitten Lünette Reitstock Quelle: asset-cache.net, VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 7

8 Entwicklungsstand der Drehmaschine um 1840 lose Stufenscheibe und Vorgelege nach Roberts Wechselräder nach Maudslay Support nach Maudslay Planvorschub nach Whitworth getrennte Führungen nach Fox Zugspindel nach Fox Leitspindel nach Maudslay Zahnstange nach Fox vier Personen als wesentliche Teilhaber an der Entwicklung Quelle: Wittmann 1960 / werkstatt-betrieb.de VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 8

9 Ausstattung aktueller Drehmaschinen Vorschub X Hauptantrieb WZ-Revolver inkl. Antrieb Vorschub Z Reitstock Spannvorrichtung klassische Komponenten wie vor 200 Jahren Neu-/Weiterentwicklung Quelle: Gildemeister/IFW VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 9

10 Gestalt einer modernen Drehmaschine Institut für Werkzeugmaschinen 2- und 4- achsige Wellenbearbeitung oder Futterteilbearbeitung mit Abholspindel Maschinenbett in Verbundbauweise (Hydropol) reduzierter Energieverbrauch Quelle: VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 10

11 Einführung zu umformenden Werkzeugmaschinen Einteilung umformender WZM Grundaufgabe ausgewählte Beispiele Aufbau und Wirkstruktur Servospindelpresse Quelle: VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 11

12 Werkzeugmaschinen zum Umformen (DIN ) Hämmer Pressen Walzmaschinen Biegemaschinen Ziehmaschinen mit Wirkmedien Fallhammer mechanische Pressen pneumatische Pressen hydraulische Presen Längswalzmaschinen Gesenkbiegepressen Spindelpressen Gleitziehmaschinen Querwalzmaschinen Rollbiegemaschinen Walzziehmaschinen Schrägwalzmaschinen Walzbiegemaschinen Streckrichtmaschinen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 12

13 Grundaufgabe umformender Werkzeugmaschinen Die Grundaufgabe einer umformenden Werkzeugmaschine besteht darin, notwendige Kräfte und Energien bereitzustellen, um Umformwerkzeuge in Hüben genau zu führen und in Eingriff zu bringen. Dabei erfolgt ein Formgeben der Werkstücke durch plastisches Ändern deren Form ohne den Zusammenhalt des Materials aufzuheben. Folgeverbundwerkzeug mechanische Presse Quelle: meb-press.com, VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 13

14 Weggebundene Pressen: Exzenterpresse Institut für Werkzeugmaschinen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 14

15 Weggebundene Pressen: Exzenterpresse Institut für Werkzeugmaschinen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 15

16 Kraftgebundene Pressen: hydraulische Presse Beispiel: hydraulische Vierpunkt-Presse Kopfstück Stößelführung Hydraulikzylinder Stößel Seitenständer Tisch Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014, VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 16

17 Aufbau einer einfach wirkenden Tiefziehpresse Stößel Kopfstück Führung Matrize (Oberwerkzeug) Niederhalter Pinolen Zieheinrichtung Antrieb Gestell Blech (Werkstück) Stempel (Unterwerkzeug) Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 17

18 Wirkstruktur und Hauptkomponenten einer blechumformenden Werkzeugmaschine Institut für Werkzeugmaschinen Gestell Werkzeugseite (Oberteil) Führung Stößel Stößelantrieb Antriebselemente Ober- WZ Prozess Pressengestell Aufstellung WST (Blech) Bewegungssteuerung Antriebselemente Unter- WZ Regelantriebe Steuerung Niederhalter Zieheinrichtung Pinolen Werkstückseite Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 18

19 Einführung zu spanenden Werkzeugmaschinen Einteilung spanender WZM Grundaufgabe ausgewählte Beispiele Aufbau und Wirkstruktur Mehrachs-Drehmaschine Quelle: VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 19

20 Werkzeugmaschinen zum Trennen (DIN ) zerteilende WZM spanende WZM abtragende WZM Scheren Schneidpressen Wasserstrahlschneidmaschinen Laserschneidmaschinen mit geometrisch bestimmter Schneide Drehmaschinen, Bohrmaschinen, Fräsmaschinen Hobelmaschinen Räummaschinen mit geometrisch unbestimmter Schneide Flach-, Rund-, Band-, Werkzeug-, Profilschleifmaschinen Honmaschinen Läppmaschinen Erodiermaschinen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 20

21 Grundaufgabe spanender Werkzeugmaschinen Die Grundaufgabe einer spanenden Werkzeugmaschine besteht in der Realisierung einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeugschneide mit definierter Geschwindigkeit auf definierten räumlichen Bahnen, mit dem Ziel, durch das Abtrennen des auf der Bewegungsbahn der Werkzeugschneide befindlichen Werkstückmaterials eine vorgegebene geometrische Gestalt des Werkstückes zu erzeugen. Zyklen-Drehmaschine Beispiel für ein Drehteil Quelle: VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 21

22 Prinzipieller Aufbau einer spanenden Werkzeugmaschine Hauptantrieb Vorschubantrieb Hauptspindel Führungen Gestell Werkzeug Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, directindustry.de, wikipedia.de, siemens.com VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 22

23 Eigenschaften spanender Werkzeugmaschinen Genauigkeit (Mikrozerspanung) Produktivität (High Speed Cutting) Beweglichkeit (5 Achs Bearbeitung) Dynamik (Linearantriebe) Quelle: micro-maschinenbau.de VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 23

24 Wirkstruktur und Hauptkomponenten spanender Werkzeugmaschinen Prozess WZ- Spannung WZ WST WST- Spannung Hauptantrieb Gestell Lagerung Spindel Arbeitsspindel Antriebselemente Bewegungssteuerung Regelantriebe Steuerung Maschinengestell Aufstellung Antriebselemente Schlitten Vorschubachsen Führung Vorschubantriebe Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 24

25 Wesentliche Komponenten einer Werkzeugmaschine Gestelle Hauptantriebe Vorschubantriebe Steuerungen/Steuerungssysteme Quelle: VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 25

26 Typische Gestellbauformen Flachbett-Universal-Drehmaschine Einständer-Horizontal-Fräsmaschine Weiler Drehmaschine Cazeneuve Horizontal-Fräsmaschine Quelle: VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 26

27 Typische Gestellbauformen Portal-Vertikal-Fräsmaschine Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 27

28 Beispiele für Hauptantriebe Hochgeschwindigkeits-Frässpindel Frässpindel mit integrierter B- Achse Hochgeschwindigkeits-Frässpindel im Schnitt Spindel mit Riemenantrieb Quelle: gmn.de, WEISS Spindeltechnologie, directindustry.de VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 28

29 Beispiele für Vorschubantriebe Kugelgewindetrieb (KGT) Rollengewindetrieb Linear-Direktantrieb Rückführung der Kugeln Quelle: directindustry.de, TU Dresden VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 29

30 Industrielle Steuerungen - Einteilung CNC Computerized Numerical Control Für koordinierte Bewegungen mehrerer Achsen im Raum Anwendung: spanende Werkzeugmaschinen bis 5-Achs-Bewegung MC Motion Control Für Bewegung mehrerer Achsen mit Getriebebeziehung zueinander Anwendung: Handhabungsgeräte, moderne Umformmaschine (Servospindelpressen) SPS Speicherprogrammierbare Steuerung Für Verarbeitung logischer Verknüpfungen (binäre Logik) Einfache Bewegungsfunktionalität Anwendung: Pick and Place, Verpackungsmaschinen, Hilfsfunktion von CNC-Steuerungen Quelle: eima-maschinenbau.de, siemens.com, packworld.com VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 30

31 Sonderform zerteilender Werkzeugmaschinen Institut für Werkzeugmaschinen Wasserstrahlschneidmaschinen Laserschneidmaschinen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 31

32 Tendenzen der Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinen Mechatronik Automatisierung Optimierungsansätze Entwicklungsmethodik aktuelle Trends Quelle: iaw-aachen.de VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 32

33 Werkzeugmaschine als mechatronisches System Elektro-Mechanik z. B. Vorschubachse mit Antrieb Mechanik Elektronik z. B. Kugelgewindetrieb Mechanik-Software z. B. Interpolation mit mechanischen Randbedingungen Informatik z. B. Programmeingabe und Interpretation z. B. Schütz, Endlagenschalter Mechatronik Elektronik-Software z. B. intelligente Sicherheitsschaltgeräte z. B. Geschwindigkeits- und lagegeregelte Vorschubantriebe mit führungsintegrierten Lagemesssystemen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 33

34 Klassifizierung der Werkzeugmaschinen nach dem Automatisierungsgrad + Antriebe für Schnitt- und Vorschubbewegungen Automatisierter Ablauf der Schnitt, Vorschubund Zustellbewegungen für ein Werkstück + Werkzeugspeicher und automatisierter Werkzeugwechsel, evtl. Palettenwechsel + + Werkstückspeicher und automatisierter Werkstückwechsel Automatische Umstellung auf andere Werkstücke Maschine NC-Maschine Fertigungszentrum Fertigungszelle Fertigungssystem Quelle: nach Hirsch, Werkzeugmaschinen, Grundlagen, Auslegung, Ausführungsbeispiele, logismarket.de, krusegmbh.com, muega.de, dmgmori.com VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 34

35 Minimierung von Störgrößen an WZM Statische Verformungen Verschleiß Herstellungsbedingte, geometrische Fehler Dynamische Verformungen Thermische Verformungen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 35

36 Verbesserung des Verhältnisses von Haupt- zu Nebenzeit durch: Hauptzeiten verbesserte Schneidstoffe höhere Antriebsleitung höhere Steifigkeit (stat+dyn) stufenlose Drehzahlanpassung Mehrstückbearbeitung Mehrschnittbearbeitung durch: Nebenzeiten mechanisiertes Spannen automatischen Be- und Entladen automatischer Werkzeugwechsler selbsttätiges Messen Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 36

37 Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit Quelle: Weck; Werkzeugmaschinen I VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 37

38 Entwicklungsmethodik von WZM im Wandel Institut für Werkzeugmaschinen Bereiche Phasen Kosten Getrennte Betrachtung der Bereiche, Phasen und Kosten in der Konstruktion Zusammenfügen von Bereichen und Phasen zu einem methodischen Ablauf, Aufweitung von Kosten zu wirtschaftlichen Aspekten Zeit Methodisches und wirtschaftliches Konstruieren und Gestalten Quelle: TU Hamburg Harburg, nach Beins VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 38

39 Vorteil der lebenszyklusorientierten Entwicklung Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs) betrachten die Kosten eines Produktes von der Produktidee bis zur Rücknahme vom Markt von der Wiege bis ins Grab Quelle: nach TU Hamburg HarburgI VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 39

40 mechatronische Systeme in der WZM der Zukunft Werkstück- Handling mit automatisiertem Palettenwechsel und integrierter Spannkraftsowie Positionsüberwachung Direktantriebstechnik für Linear- und Rundachsen mit integrierter Impulsentkopplung Geschwindigkeits- und lagegeregelte Vorschubantriebe mit führungsintegrierten Lagemesssystemen Adaptive Prozessführung, Funktions- und Sicherheitsüberwachung durch NC, SPS und Sensorik Drehzahl- und lagegeregelte Hauptspindel mit integrierter Prozessanalyse-Sensorik, Temperaturregelung und Standzeitüberwachtes Wälzlagerüberwachung Werkzeugmanagement Modellgestützte Korrektur statisch, thermisch und dynamisch bedingter Bewegungsfehler Quelle: Vorlesungsskript Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, TU Dresden, 2014 VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 40

41 Industrie 4.0 und Cyber-physische Systeme Institut für Werkzeugmaschinen Vernetzung Informationstranparenz Technische Assistenz Dezentralisierte Entscheidungen vom Chip ausgehend Trend Festgelegte, integrierte Funktion Cyber-physisches System vom Web ausgehend Trend Offenes, vernetztes System Entwicklung situativ optimaler Produktionssysteme Quelle: fraunhofer.de,, iconfinder.de, neu.ithernet.de VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 41

42 Industrie 4.0 und Cyber-physische Systeme Institut für Werkzeugmaschinen Quelle: Fraunhofer IWU/TU Dresden VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 43

43 Beispiele für Prüfungsfragen Welche technische Entwicklung charakterisiert den Übergang von einer Drehbank zu einer Drehmaschine? Erläutern Sie wesentliche Unterschiede in den Grundaufgaben umformender und spanender Werkzeugmaschinen! Welche wesentlichen Komponenten von WZM kennen Sie? Warum spricht man bei Werkzeugmaschinen zunehmend von einem mechatronischen System im Gegensatz zu einem mechanischen System? Beschreiben Sie die Automatisierungsstufen von Werkzeugmaschinen! Welche Anforderungen werden aus Kundensicht an Werkzeugmaschinen gestellt? In welchen Tendenzen der Weiterentwicklung äußern sich diese? Quelle: VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 44

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Technische Universität Dresden Institut für Werkzeugmaschinen Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerung +49 (0) VL WZM Entwicklung/Grundlagen Folie 45