Prof. Holger Dürr AK Produktionstechnik des WsBV Dipl.-Kffr. Ngoc Anh Tran TU Chemnitz. Professur Fertigungslehre

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Frank Salzmann
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1 Kumulierter Energieverbrauch in der spanenden Fertigung Beitrag zur frühzeitigen Bewertung in der Phase der Technologieplanung Prof. Holger Dürr AK Produktionstechnik des WsBV Dipl.-Kffr. Ngoc Anh Tran TU Chemnitz Institut für Fertigungs- / Schweißtechnik (IFS) Professur Fertigungslehre Ressourceneffizienz in der Produktion Dresden am Prof. Dr. H. Dürr

2 Bewertungsvorgehensweise 2 Beschreibungsbasis Featurekatalog 3 Grundlagen der Ermittlung des Energieaufwandes 4 Bewerten von Fertigungstechnologien am Bi Beispiel ildes Prototyps tt einer Rollachse Rll 5 Zusammenfassung und Ausblick Gliederung 2

CAD Bauteil Prozessvarianten 1 2 3 4 5 CAM Fertigungsmittel itt STEP Feature Katalog Zylinder Kegel Bohrung Featureklassen Hauptform Nebenform Übergangsform Ergänzungsform Featurebasierte Bewertung

3 CAD Bauteil Prozessvarianten CAM Fertigungsmittel itt STEP Feature Katalog Zylinder Kegel Bohrung Featureklassen Hauptform Nebenform Übergangsform Ergänzungsform Featurebasierte Bewertung Fertigungszeit Herstellkosten Energieaufwand Featurebasierte Bauteilbeschreibung Featurebasierte Ressourcenbeschreibung CAP Featurebasierte Arbeitsplanung Analyse der Bewertungsergebnisse Maschinen Werkzeuge Spannmittel Vorrichtungen Fertigungsverfahren (DIN 8580) Umformen Trennen Fügen... Struktur des Entscheidungssystems (nach TRAN) 3

1 2 3 4 5 Energie Maschine, Werkzeuge Hilfs- und

Bohren Bauteil/ Produkt Sägen Drehen Fräsen Gewinde-

Werkstoffausnutzung Emissionen Wärme, Lärm, Dämpfe, Nebel,

4 Energie Maschine, Werkzeuge Hilfs- und Betriebsstoffe Halbzeug/ Material spanende Prozesskette Bohren Bauteil/ Produkt Sägen Drehen Fräsen Gewinde- bohren Schleifen Reststoffe Späne, Abwasser, Schlämme Werkstoffausnutzung Emissionen Wärme, Lärm, Dämpfe, Nebel, Schwingungen Zeiten, Kosten, Energieaufwand Bewerten von Fertigungstechnologien 4

5 Bewertungsvorgehensweise 2 Beschreibungsbasis Featurekatalog 3 Grundlagen der Ermittlung des Energieaufwandes 4 Bewerten von Fertigungstechnologien am Bi Beispiel ildes Prototyps tt einer Rollachse Rll 5 Zusammenfassung und Ausblick Gliederung 5

6 Features sind zur Beschreibung von Werkstücken verwendete Objekte, die geometrische und technologische Eigenschaften aufweisen können. Sie können auch spezifische anwendungsbezogene Daten (wie z.b. Zeiten, Kosten und Energieaufwand) enthalten. Platzierungsebene Herstellkosten Energieaufwand Quelle: Skript PI Methodik der Werkstückbeschreibung Professur FL - TUC Definition Features und Featurebeispiel 6

7 Hauptform, z.b. Zylinder, Kegel, Planfläche Featureklasse Nebenform, z.b. Bohrung, Ringnut, Fläche speziell Ergänzungsform, z.b. Gewinde Übergangsform, z.b. Fase, Rundung, Kante, Freistich Featurebeschreibung Geometrie Position und Lage Parameter, z.b. Durchmesser, Länge, Winkel Toleranzen / Passung Position außen oder innen Lage Trägerformelement oder Hilfselement technologische Anforderungen Anwendungsdaten Oberflächengüte Wärmebehandlung Formabweichung Fertigungsverfahren, z.b. Drehen, Fräsen, Bohren Energieaufwand Herstellkosten Struktur der Featurebeschreibung für Rotateile 7

8 Fertigteilangaben (FTEIL): BEN, zk; ZNR, zk; TNR, zk; TLK, zk; STZ, ntk Globale Angaben (FTINF) (featureübergreifend): WST,zk; M, ntk; MAXAB, ntk, ntk, ntk; RD, ntk; FS, ntk; TOLF, zk; WB, id; OB, id; OG, id; SI Nr. EINZELTEILBESCHREIBUNG ROTATEILE Featurebeschreibung Bezeich- Feature- Geometrie Position bzw. Darstellung nung klasse Parameter und Toleranzen Lage Parameter, Beispiel + Wert Toleranzen 1 Zylinder Hauptform D, tk D, 35 h8 L, tk L, POS, AUS oder INN Technologische Anforderungen Wahlparameter Oberflächengüte: Rz, ntk oder Rt, ntk oder Ra, ntk Wärmebehandlung: VERFAHREN, zk Formabweichung: Form FZY, ntk Beispiel Rt 1.6 VERFAHREN, HÄRTEN oder GLÜHEN FZY Kegel Hauptform DA, tk DE, tk L, tk NW, tk KV, ntk, ntk DA, 40 DE, L, NW, 30 KV, -20:70 POS, AUS oder INN Oberflächengüte: Rz, ntk oder Rt, ntk oder Ra, ntk Wärmebehandlung: VERFAHREN, zk Rt 1.6 VERFAHREN, HÄRTEN oder GLÜHEN 3 Planfläche Hauptform DA, ntk DI, ntk Wird von Zylinder übernommen DA, 35 DI, 20 POS, AUS oder INN Oberflächengüte: Rz, ntk oder Rt, ntk oder Ra, ntk Wärmebehandlung: VERFAHREN, zk Rt 1.6 VERFAHREN, HÄRTEN oder GLÜHEN Featurekatalog - Hauptform 8

9 Nr. Bezeichnung Featureklasse Darstellung Geometrie Parameter und Toleranzen Parameter, Beispiel + Wert Toleranzen Position bzw. Lage Technologische Anforderungen Wahlparameter Beispiel 8 Bohrung Sacklochbohrung Neben- form Durchgangsbohrung Bohrung mit zyl. Senkung Bohrung mit kegl. Senkung D, tk T, tk [GR, [ntk]] mit zyl. Senkung: (SEZYL) DSZ, tk TSZ, tk mit kegl. Senkung: (SEKEG) DSK, tk TSK, tk SEWI, ntk D, T, 70 GR, 118 POS, AUS oder INN LAGE, FE, id PKT, XFE, id, tk PKT, XFEA, id, tk PKT, XFEE, id, tk Oberflächengüte: Rz, ntk oder Rt, ntk oder Ra, ntk Wärmebehandlung: VERFAHREN, zk Rt 1.6 VERFAHREN, HÄRTEN oder GLÜHEN 9 Flächespeziell Nebenform Typ (konvexe, konkave, geschlossene) POS, AUS oder INN LAGE, FE, id B, tk T, 4 T, tk B, 16 PKT, XFE, id, tk T1, tk R, tk PKT, XFEA, id, tk PKT, XFEE, id, tk Oberflächengüte: Rz, ntk oder Rt, ntk oder Ra, ntk Wärmebehandlung: VERFAHREN, zk Rt 1.6 VERFAHREN, HÄRTEN oder GLÜHEN Featurekatalog - Nebenform 9

10 Bewertungsvorgehensweise 2 Beschreibungsbasis Featurekatalog 3 Grundlagen der Ermittlung des Energieaufwandes 4 Bewerten von Fertigungstechnologien am Bi Beispiel ildes Prototyps tt einer Rollachse Rll 5 Zusammenfassung und Ausblick Gliederung 10

11 Der kumulierte featurebasierte Energieaufwand (pro Werkstück) W KF W = n F W KF W F Kumulierter featurebasierter Energieaufwand (Ws) Featurebasierter Energieaufwand (Ws) n Feature 1 bis Feature n des Werkstückes Der featurebasierte Energieaufwand (Zerspanung) (pro Feature) W F = W Z V W F W Z V Featurebasierter Energieaufwand (Ws) Spezifischer Energieaufwand (Ws/mm 3 bzw. J/mm 3 ) Abgespantes Volumen (mm 3 ) Berechnung des kumulierten featurebasierten Energieaufwandes (nach TRAN) 11

12 Spezifischer Energieaufwand W Z in Abhängigkeit von der Spanungsdicke h (schematisch) 3 k Ws J W k K 10 c1.1 3 Z = c = K 10 ( in bzw. m 3 3 h mm mm ) nd Spezifischer Energieaufwa W Ws/mm 3 Z in Wobei: k c die spezifische Schnittkraft (N/mm 2 ) k c1.1 Hauptwert der spezifischen Schnittkraft (N/mm 2 ) h Spanungsdicke (mm) m Tangens des Steigungswinkels Π K Produkt der Korrekturfaktoren Da die spezifische Schnittkraft wiederum von der Spanungsdicke abhängig ist, wird der spezifische Energieaufwand umso größer, je kleiner kli die Spanungsdicke dik it(j ist (je feiner der Span wird) und umgekehrt. Spanungsdicke h in mm Berechnung des spezifischen Energieaufwandes (2/2) (in Anlehnung an Degner und Lutze) 12

13 Bewertungsvorgehensweise 2 Beschreibungsbasis Featurekatalog 3 Grundlagen der Ermittlung des Energieaufwandes 4 Bewerten von Fertigungstechnologien am Bi Beispiel ildes Prototyps tt einer Rollachse Rll 5 Zusammenfassung und Ausblick Gliederung 13

14 FE21 FE11 FE16 FE10 FE9 FE8 FE FE13 FE12 (13,25) 12,50 10,00 FE18 4,00 FE19 16,00 zyl. Senkung 8,00 16,00 (65,50) 16,00 4,00 50,25 FE7 FE6 FE5 FE4 FE3 FE20 FE14 FE2 FE1 16,00-0,10-0,20 FE15 24,00 13,25 15,25 Prototyp einer Stuhlrolle - Featurebeschreibung 14

15 1. Technologievariante Halbzeug/ Material D 30, L 68.5 X5CrNi1810 Sägen Bandsägemaschine SBL 280U spanende Prozesskette Bohren; Drehen Gewindeschneiden Fräsen Komplettbearbeitung Dreh-Fräsbearbeitungszentrum CTX 500E DL1000 mit Y-Achse Bauteil/ Produkt Rollachse Zeiten 2. Technologievariante Kosten Energieaufwand Halbzeug/ Material D 30, L 68.5 X5CrNi1810 Fräsen Bohren Senken Universal- Fräsmaschine FNC30 Sägen Bandsägemaschine SBL 280U spanende Prozesskette Drehen Bohren Gewindeschneiden konventionelle Drehmasch. DUS 560 ti Bauteil/ Produkt Rollachse Zeiten Kosten Ausgewählte Technologievarianten zur Fertigung einer Rollachse Energieaufwand 15

16 35,00 40,00 30,00 35,00 30,74 25,00 30,00 20,00 25,00 20,10 20,00 15,00 15,00 20,10 10,00 10,00 5, ,00 5,50 6,26 Hauptzeit Zeit (Minuten) Belegungszeit TV 1 TV 2 5, ,00 13,80 featur. masch.abh. FKG Kosten (Euro) 36,30 33,30 Herstellkosten TV 1 TV TV1 Komplettbearbeitung auf Dreh-Fräs- bearbeitungszentrum Energieaufwand (Ws) TV 1 TV 2 TV2 Bearbeitung auf Drehmaschine und Fräsmaschine Gegenüberstellung (Zeit, Kosten und Energieaufwand) 16

17 Bewertungsvorgehensweise 2 Beschreibungsbasis Featurekatalog 3 Grundlagen der Ermittlung des Energieaufwandes 4 Bewerten von Fertigungstechnologien am Bi Beispiel ildes Prototyps tt einer Rollachse Rll 5 Zusammenfassung und Ausblick Gliederung 17

18 Der Energieaufwand für die Fertigung geines Werkstückes kann featurebasiert ermittelt werden. Notwendige Voraussetzungen sind: Featurekatalog zur Beschreibung von Werkstücken - Verfahrenskatalog mit Berechnungsformeln - Energieaufwandsberechnung Bewertung von Technologievarianten kann kumuliert über alle Fertigungsfeatures g eines Werkstückes erfolgen. Zusammenfassung 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen und Diskussion 19

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