Fertigungstechnik Trennen (2)

Transkript

1 Fakultät Maschinenwesen, Institut ür Fertigungstechnik, Proessur Formgebende Fertigungsverahren & Proessur Fügetechnik und Montage Fertigungstechnik Trennen (2) Pro. Dr.-Ing. habil. U. Füssel Pro. Dr.-Ing. A. Brosius 8. Dezember 2014

2 Einteilung der Fertigungsverahren (DIN 8580) Fertigungsverahren nach DIN 8580 Form schaen Zusammenhalt schaen Zusammenhalt beibehalten Zusammenhalt vermindern Form ändern Zusammenhalt vermehren Stoeigenschat ändern Hauptgruppe 1 Urormen Hauptgruppe 2 Umormen Hauptgruppe 3 Trennen Hauptgruppe 4 Fügen Hauptgruppe 5 Beschichten Hauptgruppe 6 Trennen: Formänderung unter örtlicher Auhebung des Stozusammenhalts. Abtrennen erolgt in Form Metallteilchen / Spänen, die Aball darstellen (Quelle: DIN 8580) -6-

3 Generelles Zerspanen gewollte partielle Zerstörung von überschüssigem Werksto mit dem Ziel, eine gewünschte geometrische Form von Bauteilen in deinierter Qualität zu erzeugen Flächen am Bauteil werden hauptsächlich kinematisch erzeugt, weniger durch die Form der Werkzeuge wie beim Ur- und Umormen Bruch des Materials erolgt an einer deinierten Stelle Wirkstelle Abtragen ist die gewollte Zerlegung von Material au thermischen, chemischen und elektrochemischen Wege mit dem gleichen Ziel wie beim Zerspanen -7-

4 Wirkvorgänge beim Zerspanen an der Wirkstelle treen i.d.r. zwei Festkörper aueinander: Werkstück (WST) und Schneide Werkzeug (WZ) Bedingung: aus Werksto (WS) des Werkstückes der weichere Festkörper Schneidsto (SS) der Schneide - der härtere Festkörper Form und Anordnung der Schneide(n) - geometrischer Aspekt und deren Bewegungsverhalten - kinematischer Aspekt resultieren unterschiedliche Verahren und große Formenvielalt herstellbarer Bauteilen -8-

5 Verahrenssystematik Spanen (auszugsweise) -9- Fertigungsverahren DIN Gruppe 3 Trennen Spanen DIN 8589

6 Verahrenssystematik Abtragen (auszugsweise) -10- Fertigungsverahren DIN Gruppe 3 Trennen Abtragen DIN 8590

7 Unterscheidung Spanen und Abtragen DIN 8589 Spanen ist ein Trennvorgang, bei dem von einem Werkstück mit Hile der Schneiden eines Werkzeugs Werkstoschichten in Form von Spänen zur Änderung der Werkstückorm und/oder Werkstückoberläche mechanisch getrennt werden. DIN 8590 Abtragen ist Fertigen durch Abtrennen von Stoteilchen von einem esten Körper au nichtmechanischem Wege. Das Abtragen bezieht sich sowohl au das Enternen von Werkstoschichten als auch au das Abtrennen von Werkstückteilchen. -11-

8 Gründe ür starke Verbreitung der Zerspan- und Abtragtechnik 1. Erzielung höchster Maßgenauigkeit und Oberlächengüte sowie komplizierter und/oder kleiner Formelemente 2. Bearbeitung harter und gehärteter Werkstoe 3. Zerspanwerkzeuge sind relativ einach, meist werkstückunabhängig aber auch hoch spezialisiert 4. hoher Entwicklungsstand leistungsähiger spanender Werkzeuge und Werkzeugmaschinen 5. Produktivität und Wirtschatlichkeit, insbesodnere bei geringen Stückzahlen (n 1), hohe Flexibilität bzgl. Stückzahlen -12-

9 Gegenüberstellung Stückkosten Stückkosten WZ WZM Lohn AV Material 10 0 Fräsen Räumen Fräsen Räumen kleine Stückzahl große Stückzahl Bsp. Stückkostenverteilung (grob) in /Stck. -13-

10 Begrie der Zerspantechnik DIN 6580 bis 6584 und ISO 3002 Kinematik des Zerspanvorgangs Kennzeichen: Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück Annahme ür generelle Betrachtungen: Werkstück ruhend, Werkzeug bewegt Schneide rotiert um die Achse, ührt die Schnittbewegung aus Schnittgeschwindigkeit v c : momentane Geschwindigkeit der Schnittbewegung im betrachteten Schneidenpunkt Einheit: m/min (Ausnahme Schleien in m/s) Werkzeug ührt eine Vorschubbewegung aus Vorschubgeschwindigkeit v : momentane Geschwindigkeit der Vorschubbewegung im betrachteten Schneidenpunkt Einheit: mm/min -14-

11 Verahrensunabhängige Grundlagen Schnittbewegung v c n d Vorschubbewegung v v n v c d n [mm/min] [m/min oder m/s] d Durchmesser rotierendes Werkzeug (oder Werkstück) in mm n Drehzahl in 1/min Vorschub in mm -15-

12 Vorschung und Vorschub / Zahn Vorschub in mm z Zähnezahl z z z z Vorschub pro Zahn in mm Vorschub : der in einer Umdrehung zurückgelegte Weg in mm mehrere Zähne vorhanden, dann Vorschubweg pro Zahn z -16-

13 Relevante Vektoren Vektoren v c und v spannen die Arbeitsebene P e au Arbeitsebene ist die wichtigste Ebene, da alle Bewegungen, die in ihr liegen, zur Zerspanung ühren Vorschubrichtungswinkel φ - Winkel zwischen v c und v v c P e P e v e η v c P e φ v v φ - Vorschubrichtungswinkel v e - Wirkgeschwindigkeit η - Wirkrichtungswinkel Wirkbewegung resultiert aus Schnitt- und Vorschubbewegung v c und v setzen sich zur Wirkgeschwindigkeit v e zusammen Wirkrichtungswinkel η lässt sich aus dem Skalarprodukt der Vektoren bestimmen -17-

14 Geometrie des Spanungsquerschnitts a p n Ableitung von Spanungsgrößen am Beispiel Drehen WZ eine Umdrehung zuvor WZ Bestimmungsgrößen ür A weitere Einstellgrößen -18-

15 Spanungsgrößen h h Spanungdicke b Spanungsbreite a p κ r b sin r h sin r a p b b h a p sin r sin r A b h a p Zusammenhänge zwischen Einstellgrößen und Spanungsgrößen z.b. Einstellwinkel κ r Zusammenhänge beim Drehen übertragbar au andere Verahren -19-

16 Berechnung Zerspankratkomponenten Berechnung Schnittkrat F c F c A k c b h k h c Grundgleichung nach Kienzle k c speziische Schnittkrat in N/mm² a p κ r b k c = (Werksto, h, γ 0, v c, WZ-Verschleiß, Fertigungsverahren ) grundlegende Einlussgrößen korrigierend berücksichtigen grundlegende Einlussgrößen: Experimente von Kienzle/Victor hat Bedeutung ür die praktische Schnittkratberechnung -20-

17 Bestimmung der Schnittkrat Bestimmung der speziischen Schnittkrat k c ermittelt beim Drehen Basisverahren ür grundlegende Untersuchungen k c K 1c h K 2c K i K i K 0 K vc K... K 1c und K 2c [Degner] Multipler Korrekturaktor die Bezeichnungen entsprechen der Dresdner Schule Beispiel: [Degner] Werksto St 50 K 1c [N/mm²] 1990 K 2c -0,26 Hauptbedingungen: Drehen mit v c = m/min Spanungsdicke h = 0,1 1,4mm -21-

18 Gültigkeitsbereich ür den k c -Wert Gleichung zu k c ist nur gültig ür einen Deinitionsbereich lg k c lg K 1c K 2c lg h lg k c K 1c δ c tan δ c = K 2c K 1c > 0 K 2c < 0 Schleien h = 1 mm lg h Deinitionsbereich Drehen, Bohren, Fräsen -22-

19 Korrekturaktoren Multipler Korrekturaktor K i K 0 K vc K Verschl K Sch K KSS K Ver... K γ0 - Korrekturaktor ür WZ-Orthogonal-Spanwinkel K vc - Korrekturaktor ür Schnittgesch. (starker Einluss: 1,3... 1,5) K Verschl - Korrekturaktor ür Verschleiß K Sch - Korrekturaktor ür Schneidwerksto K KSS - Korrekturaktor ür Kühlschmiersto - Korrekturaktor ür Verahren K Ver Berechnung (näherungsweise) der Vorschubkrat F F A k k K 1 h K 2 K i Berechnung (näherungsweise) der Passivkrat F p F p A k p k p K 1p h K 2p K i SS 2014 Skript Fertigungstechnik I Zerspan- und Abtragtechnik Folie 23 Nestler -23-

20 Problemdarstellung: Temperaturverteilung bei der Zerspanung von Stahl Wärmeluss Temperaturverteilung in C WST WST 5 % Span Span Randbedingungen: St, k =850 /mm 2 SS, HW-P % v c =60 m/min h=0,32 mm 2 % 18 % γ 0 = WZ 600 WZ (Quelle: Kronenberg, Vieregge) -24-

21 Spanbildungsmodell γ h Werkstück γ Span h ch α Freiwinkel γ Spanwinkel 5 3 Φ Scherwinkel 1 Primäre Scherzone Werkzeug 2 Verormungsvorlauzone 3,4 sekundäre Scherzonen α 5 Trenngebiet Spanbildungsmodell nach Warnecke (Quelle: Warnecke) -25-

22 Reale Spanbildung Temperaturbedingte Entestigung Umormgeschwindigkeitsabhängigkeit X20Cr13, v c = 8 m/min Homogene Deormation inolge Wärmeleitung X20Cr13, v c = 200 m/min Segmentierung des Spans durch adiabatischen Zustand (Quelle: ISF, Dortmund) -26-

23 Dehnung und Umormgeschwindigkeit bei der Spanbildung (= ) (= ) -27-

24 Prüen bei moderaten Dehnraten ϕ max 100 s -1 Ansatz: Stetige Krateinleitung via Einspannung Rheologisch steuerbare Flüssigkeiten Kopplung Messung & (Halb-)Analytik Scherschneiden & Spanbildung Spannung in MPa 100 Eigenschatscharakterisierung Dynamische Fließkurven 50 Dynamisch Quasi-statisch Werksto: Al 99,5 Dicke: 1 mm Dehnung in % Scherzone (Quelle: ISF) Werkzeug Ansatz: Spezial-Versuchsaubauten (z.b. dynamische Scherversuche) Hochgeschwindigkeitskameraaunahmen Kopplung Messung & Simulation (z. B. halb-analytische Methoden) -28-

25 Deinition der Schädigung Elastizität Plastizität Schädigung Duktile Schädigung (Metal): Initiierung, Wachstum und Vereinigung von Poren / Einschlüssen -29-

26 Parameteridentiikation Fließkriterium nach Gurson: Φ 2 σ 3 q σ = + 2 cosh ( 1+ q ) 0 P * 2 *2 eq q m 1 3 σ y 2 σ y Porenvoulmen: = u c c + c Poreninitiierung: = A e n t N t Porenwachstum: ( ) = + g g g t t hyd t shr p c > A N c c p N = AN ( e ) = exp SN 2π 2 [ ] ( dev[ σ ]) g = (1 )tr σ t t hyd = k g shr w w σ eq p p ( e en ) ( S ) N dev 2 2 [ σ ] -30-