Schriftliche Abiturprüfung Technik / Maschinenbautechnik - Leistungskurs - Hauptprüfung

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1 Sächsisches Staatsministerium Geltungsbereich: Berufliches Gymnasium für Kultus Fachrichtung: Technikwissenschaft Schuljahr 2008/2009 Schwerpunkt: Maschinenbautechnik Schriftliche Abiturprüfung Technik / Maschinenbautechnik - Leistungskurs - Hauptprüfung Hinweise Arbeitszeit: Hilfsmittel: 270 Minuten - Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung - Grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computeralgebra - Eingeführte gedruckte Formelsammlung - Zeichengeräte - Tabellenbuch Aufgaben: Pflichtaufgaben Aufgabe 1 - Statik und Festigkeitslehre Aufgabe 2 - Statik/Werkstofftechnik Aufgabe 3 - Steuerungstechnik (2 Seiten) (2 Seiten) (1 Seite + 2 Arbeitsblätter) Wahlaufgaben Aufgabe 4 - Getriebe/Festigkeitslehre/ Toleranzen und Passungen (1 Seite) Aufgabe 5 - Werkstofftechnik (1 Seite + 1 Arbeitsblatt) Aufgabe 6 - CNC-Drehen - Variante 1 (2 Seiten + 2 Arbeitsblätter) CNC-Fräsen - Variante 2 (2 Seiten + 2 Arbeitsblätter) Bemerkungen: Dem Prüfungsteilnehmer werden 6 Aufgaben vorgelegt, drei Pflichtaufgaben und drei Wahlaufgaben. Er hat die drei Pflichtaufgaben und eine Wahlaufgabe zu bearbeiten. Bei Auswahl von Aufgabe 6 ist nur eine Variante zu bearbeiten. Die Auswahl trifft der Prüfungsteilnehmer. Werden mehrere Wahlaufgaben bearbeitet, so hat der Prüfungsteilnehmer die zu bewertende Wahlaufgabe deutlich zu kennzeichnen. Zur Lösung jeder Aufgabe ist ein neuer Reinschriftbogen zu verwenden. Der Aufgabensatz umfasst 19 Blätter (einschließlich Deckblatt). Der Prüfungsteilnehmer ist verpflichtet, seinen Aufgabensatz umgehend auf Vollständigkeit zu prüfen und Abweichungen der Aufsicht führenden Lehrkraft anzuzeigen. Kennziffer Abiturprüfung 2009

2 Pflichtaufgaben Aufgabe 1 - Statik und Festigkeitslehre 25 BE Mähdrescher Der abgebildete Mähdrescher wird zur Ernte unterschiedlicher Hülsenfrüchte und Getreidesorten eingesetzt. Er wird dabei unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. 2 Abb. 1 Abmessungen: l 1 = 2,0 m l 2 = 2,4 m l 3 = 1,5 m l 4 = 3,75 m Raddurchmesser (vorn) D 1 = 1,8 m Raddurchmesser (hinten) D 2 = 0,8 m 1.1 Ermitteln Sie die Achslasten für den Mähdrescher bei angebautem Schneidwerk und voller Zuladung der Kornkammer mit Getreide. Schneiden Sie das System frei. (5 BE) 1.2 Berechnen Sie den Abstand l 0 der resultierenden Kraft F ges = 190 kn vom Radlager A. (2 BE) 1.3 Bei der Arbeit auf dem Feld bewegt sich der Mähdrescher mit einer Fahrgeschwindigkeit von 8 kmh -1. Die Motordrehzahl beträgt dabei 530 min -1. Berechnen Sie das bestehende Übersetzungsverhältnis vom Motor zum großen getriebenen Rad. (3 BE) 1.4 Welches Motordrehmoment steht bei gegebener Drehzahl von 530 min -1 und einer Motorleistung von 303 kw zur Verfügung? (1 BE) Kennziffer Seite 1 Abiturprüfung 2009

3 1.5 Ermitteln Sie die Stützkräfte für das Schneidwerk in den Lagerstellen C und D bei gegebener Position der Abb. 2 und bekannten Kräften F H = 1000 N und F G = 2000 N für eine Seite. Schneiden Sie dazu das Traggestell der Haspel frei und erläutern Sie dabei die Begriffe Fest- und Loslager. (9 BE) Abb Das Traggestell der Haspel wird auf jeder Seite mit einem Hydraulikzylinder gehalten. Jeder Hydraulikzylinder hat in der Position (Abb. 2) eine Stützkraft von 4,5 kn aufzubringen Ermitteln Sie den notwendigen Öldruck in bar, welcher auf den Hydraulikkolben mit einem Durchmesser d K = 40 mm wirken muss, um die Position zu halten. (2 BE) Das Lagerauge der Kolbenstange ist mit einem Bundbolzen aus E295 in der Lagergabel des Tragwerks im Punkt C befestigt (Abb. 3). Ermitteln Sie den notwendigen Bolzendurchmesser bei einer 8-fachen Sicherheit gegenüber der Scherfestigkeit. (3 BE) Traggestell Lagergabel Kolbenstange Lagerauge Abb. 3 Kennziffer Seite 2 Abiturprüfung 2009

4 Aufgabe 2 Statik / Werkstofftechnik 25 BE Fußhebel Eine Exenterpresse wird durch einen Fußhebel mit der Kraft F A = 500 N betätigt. Der Fußhebel ist im Punkt C drehbar gelagert und im Punkt B durch einen Bolzen mit der Gabel einer Zugstange verbunden (Abb. 4). F A Abb Ermitteln Sie die Kraft F B in der Zugstange und die Lagerkraft F C im Punkt C. Die Eigengewichtskraft des Fußhebels wird vernachlässigt. Zur Lösung der Aufgabe ist das System freizuschneiden. (6 BE) 2.2 Die Gelenkgabel aus C45 muss wegen der auftretenden Beanspruchung vergütet werden, um eine hohe Festigkeit und gute Zähigkeit zu besitzen. Gefordert wird eine Zugfestigkeit von 750 Nmm Stellen Sie anhand einer Skizze das Zeit-Temperatur-Schaubild qualitativ dar. Die notwendigen Temperaturen sind dem EKD im Tabellenbuch sowie dem Vergütungsschaubild (Abb. 5) zu entnehmen und im Bild einzutragen. (3 BE) Abb. 5 Kennziffer Seite 3 Abiturprüfung 2009

5 2.2.2 Beschreiben Sie für jeden Arbeitsgang der Wärmebehandlung die Vorgänge im Gefüge. (4 BE) 2.3 Der Fußhebel wurde aus C35 gefertigt Skizzieren Sie qualitativ die Abkühlungskurve des Stahles von der Schmelze bis zur Raumtemperatur. Die entsprechenden Temperaturen und Gefüge sind anzugeben. Nutzen Sie dazu das EKD in Ihrem Tabellenbuch. (3 BE) Ermitteln Sie die prozentualen Gefügebestandteile bei Raumtemperatur.(2 BE) 2.4 An der Zugstange aus C45 wurden vor und nach der Wärmebehandlung Härteprüfungen durchgeführt Wählen Sie ein geeignetes Härteprüfverfahren aus. Begründen Sie Ihre Auswahl und beschreiben Sie die Durchführung des Verfahrens. (4 BE) Für die unbehandelte Zugstange wurde ein Härtewert von 171/HBW2,5/187,5 ermittelt. Welcher Eindruckdurchmesser d ist bei dieser Härteprüfung zu erwarten? Erläutern Sie die Härteangabe. (3 BE) Kennziffer Seite 4 Abiturprüfung 2009

6 Aufgabe 3 - Steuerungstechnik 25 BE Bohrvorrichtung Entsprechend des Technologieschemas (Abb. 6 ohne Zylinder 3) sollen Werkstücke mit je zwei Bohrungen versehen werden. Die Rohlinge werden in die Vorrichtung eingelegt und nach Betätigung eines Starttasters durch Zylinder 1A langsam gespannt. Erst wenn Zylinder 1A das Werkstück gespannt hat, fährt Zylinder 2A mit der Bohreinheit langsam aus und ein, um eine Bohrung ins Werkstück einzubringen. Anschließend fährt der Spannzylinder 1A wieder ein und gibt das Werkstück frei. Zum Einbringen der zweiten Bohrung muss das Werkstück umgespannt werden. Zusatzbedingungen: - Der Spannvorgang ist nur bei eingelegtem Werkstück möglich. - Aus arbeitstechnischen Gründen ist die Verwendung von kipprollenbetätigten Signalgliedern nicht zulässig. - Die Anlage ist mit einem Hauptschalter und einer Wartungseinheit auszurüsten. - Not-Aus-Schaltung: - Zyl. 2A fährt bei Betätigung sofort ein. - Zyl. 1A darf das Werkstück erst nach ca. 5 s freigeben. Technologieschema: Zyl. 2 Rohteil Fertigteil Zyl. 1 Zyl. 3 Abb Entwerfen Sie den Pneumatikschaltplan nach DIN ISO 1219 und bezeichnen Sie die Bauelemente. (11 BE) 3.2 Zur Rationalisierung der Herstellung wird die Steuerung durch einen dritten Zylinder erweitert und auf Elektropneumatik umgerüstet. Dadurch wird der Gesamtablauf der Steuerung verändert. Nach Beendigung der ersten Bohrung erfolgt das Ausfahren des 3. Zylinders. Dabei positioniert der Zylinder 3A die Spannvorrichtung so, dass die zweite Bohrung eingebracht werden kann. Erneut fährt Zylinder 2A aus und ein. Anschließend fährt Zylinder 3A wieder ein und nach Erreichen der Ausgangsposition gibt Zylinder 1A das Werkstück wieder frei. Ergänzen Sie fehlende Signalglieder und Bezeichnungen auf dem Arbeitsblatt 1. (7 BE) 3.3 Erstellen Sie auf dem Arbeitsblatt 2 das Funktionsdiagramm für die 3 Zylinder und deren Stellglieder mit allen Signalgliedern sowie allen Signal- und Funktionslinien. (7 BE) Kennziffer Seite 5 Abiturprüfung 2009

7 Aufgabe 3 Arbeitsblatt 1 Kennziffer des Prüfungsteilnehmers 1A Spannen S4 2A Bohren S5 S6 S5 S6 3A Vorschub S7 S8 1V V V Y Y2 2Y Y2 3Y Y2 +24V S Steuerteil K K2 K2 K3 K3 K4 K4 K5 K5 K6 K6 K7 K7 K8 K8 K9 K1 Not - Aus S1 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K2 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 5 0V V S Leistungsteil K10 K1 1Y1 1Y2 2Y1 2Y2 3Y1 3Y2 0V Kennziffer Arbeitsblatt 1 zu Aufgabe 3 Abiturprüfung 2009

8 Aufgabe 3 Arbeitsblatt 2 Kennziffer des Prüfungsteilnehmers Kennziffer Arbeitsblatt 2 zu Aufgabe 3 Abiturprüfung 2009

9 Wahlaufgaben Aufgabe 4 Getriebe/ Festigkeitslehre/ Toleranzen und Passungen 15 BE Seilwinde Eine Seilwinde wird von einem Motor über einen Schneckentrieb angetrieben. Auf dem Motorenkennschild wurden folgende Kenndaten ermittelt: Leistung P = 4 kw; Drehzahl n = 1420 min -1. Die Seiltrommel hat einen Durchmesser von 150 mm. Der Wirkungsgrad des Getriebes beträgt 82 %. ø150 Schneckenrad Z =80 2 Seil E-Motor P = 4 kw n mot = 1420 min -1 Schnecke eingängig Abb Berechnen Sie: - das Drehmoment der Antriebswelle in Nm - die Drehzahl der Seiltrommel in min -1 - die Zugkraft F der Winde in kn (4 BE) 4.2 Nennen Sie mindestens zwei Gründe, die den Einsatz von Schneckenradgetrieben in Seilwinden oder Flaschenzügen rechtfertigen. (2 BE) 4.3 Das Drahtseil der Winde besteht aus Einzeldrähten mit einem Durchmesser von d = 1,5 mm. Der Seilwerkstoff hat eine Mindestzugfestigkeit R m = 1200 Nmm -2 und eine Streckgrenze R e = 900 Nmm -2. Ermitteln Sie die notwendige Anzahl der Einzeldrähte bei 8-facher Sicherheit gegen Bruch. Die Zugkraft der Winde soll max. F = 21 kn betragen. (4 BE) 4.4 Die Schneckenwelle ist mit Wälzlagern gelagert. Zwischen dem Innenring und der Welle wird die Passung Ø 42 H7/r6 hergestellt. Bestimmen Sie das Passungssystem, die Passungsart und weisen Sie diese rechnerisch nach. (5 BE) Kennziffer Seite 6 Abiturprüfung 2009

10 Aufgabe 5 - Werkstofftechnik 15 BE Zweistofflegierungen 5.1 Bei der thermischen Analyse zweier Legierungselemente A und B, sowie einiger Legierungen aus ihnen, wurden die auf dem Arbeitsblatt dargestellten Temperatur-Zeit-Kurven ermittelt Entwickeln Sie das dazugehörende Zustandsschaubild und identifizieren Sie die beiden Elemente A und B. (3 BE) Skizzieren und beschriften Sie die Gefügebilder der Legierungen mit 0,3 % sowie 1,2 % des Elementes A. Erläutern Sie den Unterschied der Gefüge bei deren Entstehung. (4 BE) 5.2 Stähle sind im Maschinenbau die wichtigsten technischen Legierungen Der Kohlenstoffanteil im Stahl hat entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften der entstehenden Legierung. Tragen Sie die Entwicklung von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt als Kurven in das Diagramm auf dem Arbeitsblatt ein. (3 BE) Der Stahl C15E hat im Lieferzustand den Härtewert 143HB. Nach einer Wärmebehandlung wurde eine Zugfestigkeit von 770 Nmm -2 ermittelt. Bewerten Sie diese Maßnahme. (1 BE) Welche Wärmebehandlung hat stattgefunden? Begründen Sie Ihre Entscheidung Wie ist der kristalline Aufbau von C15 bei ca C? Nennen Sie charakteristische Merkmale. (2 BE) (2 BE) Kennziffer Seite 7 Abiturprüfung 2009

11 Arbeitsblatt Kennziffer des Prüfungsteilnehmers:.. zu Abkühlungskurven Zustandsschaubild Temp.in C Temp.in C A in % 0 0,3 0,8 1,2 2,03 B in % ,7 99,2 98,8 97,97 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2,03 Massenanteil A in % zu Bruchdehnung und Einschnürung in % Zugfestigkeit und Streckgrenze in N/mm² ,2 0,4 0,8 Kohlenstoffgehalt in % Kennziffer Arbeitsblatt zu Aufgabe 5 Abiturprüfung 2009

12 Aufgabe 6 - CNC-Drehen Variante 1 15 BE Spannbolzen Der in der Fertigungszeichnung dargestellte Spannbolzen aus dem Werkstoff E295 soll auf einer Schrägbettdrehmaschine hergestellt werden. weiche Spannbacken R2 8 Planaufmaß 2mm ø50 ø26 ø12 ø14 ø30g6 1x x45 Arbeitsfolgeplan: Material: E295 Halbzeug: Rd 60x78 Abb Querplandrehen 2. Kontur mit Zyklen (PAL o. ä.) vordrehen (bis Z-46) 3. Kontur schlichten (bis Z-46) 4. Vorbohren 5. Aufdrehen mit Radius Werkzeugübersicht: v c in mm min -1 f in mm r ε in mm Schneidstoff/ Bemerkung T01 abgesetzter linker Seitendrehmeißel? 0,1 1,0 0,8 HSS a pmax = 2 mm T02 abgesetzter linker Seitendrehmeißel? 0,1 1,0 0,4 HSS a pmax = 2 mm T03 linker abgesetzter Innendrehmeißel 300 0,1 0,3 0,4 HM a pmax = 1,5 mm T06 Bohrer Ø ,2 --- HSS n = 796 min -1 T07 Zentrierbohrer --- 0,2 --- HSS n = 1200 min -1 Fehlende Schnittwerte sind dem Tabellenbuch zu entnehmen. Kennziffer Seite 8 Abiturprüfung 2009

13 6.1 Welche maximale Drehzahl wird beim Fertigen des Einstichs Ø 26 (1 BE) erreicht? 6.2 Warum wird beim Drehen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit (1 BE) gearbeitet? 6.3 Erstellen Sie auf dem Programmblatt (Arbeitsblätter 1 und 2) das CNC-Programm für die rechte Seite unter Beachtung des Arbeitsfolgeplanes. (13 BE) Hinweise: - Die maximale Drehzahl der Maschine ist mit 6000 min -1 angegeben. - Der Werkzeugwechselpunkt hat die Koordinaten X200 und Z Die geeigneten Werkzeuge sind auszuwählen. - Die Schlichtaufmaße sind angegeben mit: X-Richtung = 0,5 mm Z-Richtung = 0,2 mm. Kennziffer Seite 9 Abiturprüfung 2009

14 Arbeitsblatt 1 - CNC-Drehen Kennziffer des Prüfungsteilnehmers... CNC-Programmblatt N L G X Z I K F S T D H R P Q M Bewertung Kennziffer Arbeitsblatt 1 zur Aufgabe 6/ Drehen Abiturprüfung 2009

15 Arbeitsblatt 2 - CNC-Drehen Kennziffer des Prüfungsteilnehmers... CNC-Programmblatt N L G X Z I K F S T D H R P Q M Bewertung Kennziffer Arbeitsblatt 2 zur Aufgabe 6/ Drehen Abiturprüfung 2009

16 Aufgabe 6 - CNC-Fräsen Variante 2 15 BE Formplatte Die dargestellte Formplatte aus S235 JR soll auf einer CNC-Senkrechtkonsolfräsmaschine hergestellt werden. Schnitt A-C R30 50 P ø A B R 1 2 C Abb Ermitteln Sie die in der Zeichnung fehlende Koordinate (2 BE) Y P1 für den Punkt P Schreiben Sie das komplette NC-Programm zur Fertigung (13 BE) der Formplatte auf einer CNC-Senkrechtkonsolfräsmaschine unter Berücksichtigung der aufgeführten und berechneten Bedingungen (Arbeitsblätter 1 und 2). Kennziffer Seite 10 Abiturprüfung 2009

17 Bedingungen: - Programmierung nach DIN bzw. PAL o. ä., - der Start- bzw. Werkzeugwechselpunkt liegt bei: X+150,0 Y+150,0 Z+100,0 - das Werkstück ist im Gleichlauf mit Fräserradiuskorrektur zu fertigen, - die verwendeten Werkzeuge verlangen Rechtslauf, - es stehen nur die aufgelisteten Werkzeuge zur Verfügung. Angaben zu den Werkzeugen: Werkzeug-Nr. T01 T02 T03 T04 Werkzeug-Durchmesser [mm] Schnittgeschwindigkeit [m/min] Drehzahl [min -1 ] Vorschubgeschwindigkeit [mm/min] max. Schnitttiefe [mm] Schneidstoff HM HSS HSS HSS Werkzeugbezeichnung Bohrer Schaftfräser Bohrnutenfräser Zentrierbohrer Kennziffer Seite 11 Abiturprüfung 2009

18 Aufgabe 6 Arbeitsblatt 1 - CNC-Fräsen Kennziffer des Prüfungsteilnehmers... CNC- Programmblatt N G X Y Z I J F S T M D BE Kennziffer Arbeitsblatt 1 zur Aufgabe 6/ Fräsen Abiturprüfung 2009

19 Arbeitsblatt 2 - CNC-Fräsen Kennziffer des Prüfungsteilnehmers... N G X Y Z I J F S T M D BE Kennziffer Arbeitsblatt 2 zur Aufgabe 6/ Fräsen Abiturprüfung 2009