Wahlfach Fertigungstechnik Musterlösung zu Übung K Zerspanung

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1 Wahlfach Fertigungstechnik Musterlösung zu Übung K Zerspanung Prof. Konrad Wegener Thomas Lorenzer FS 008. Wirkrichtungswinkel Sie bohren mit einem HSS-Bohrer ein Loch mit einem Durchmesser von d = 4 mm in unlegierten Baustahl S35JR. Die Bohrmaschine ist auf n = 680 U/min eingestellt und wird mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit v f = 50mm/min in das Material bewegt. Geben Sie an, in welchen Grenzen sich der Wirkrichtungswinkel η bewegt! tan(η) = sin(ϕ) vc v f +cos(ϕ) Bohren ϕ = 90 Fall : v c = 0: tan(η) = sin(90 ) 0 η max = cos(90 ) = 0+0 Fall : v c = v c,max : v c,max am Bohrerrand bei r = 7 mm v c,max = π d n = π 0.04 m 680 /min = m/min sin(90 tan(η) = ) = cos(90 ) = η min = Zeitspanungsvolumen Sie führen Untersuchungen an den beim Bohren entstehenden Spänen durch. Messungen ergeben durchschnittliche Spandicken von 0.30mm bei einem Spanstauchfaktor λ h = 3.5 Berechnen Sie das Zeitspanungsvolumen sowie den Einstellwinkel κ des Bohrers. Zeichnen Sie die Bohrerspitze und tragen Sie den Winkel κ ein. f = v f n = 50mm/min 680 /min = 0. mm A = a p f = 7 mm 0. mm =.544 mm oder: Vorschub pro Schneide: f z = f z = 0. mm A = a p f z = 7mm 0.mm =.544 mm Angepasste Formel für Q w, weil Bohrer: Es wird mit vc,max als Mittelwert gerechnet. Q w = A vc,max = m 4.95 m/min = m 3 /h h 0 = h ch 0.30 mm λ h = 3.5 = mm sin(κ) = h theor f = h 0 f = mm 0. mm = κ = 59.7, also 60

2 oder: sin(κ) = h mm f z = 0. mm = κ = 59.7, also 60 Abbildung : Bohrerspitze mit Einstellwinkel κ 3. Schnittkraft Berechnen Sie die Schnittkraft F c bei Verwendung eines scharfen (= neuen) Bohrers. Wie gross ist die Zerspanungsleistung? Berechnung der Schnittkraft mittels Kienzle-Gleichung: F c = k c. b h ( z) mit h = h 0 und b = a p sin(κ) () k c. = 780N/mm und ( z) = 0.83 aus Tabelle im Skript. Schnittkraft pro Schneide F c = (0.83) = 049.6[N] () Da am Bohrer zwei Schneiden gleichzeitig im Eingriff sind errechnet sich die gesamte Schnittkraft zu: F c,ges = F c = 4099.N (3) Zerspanungsleistung: P = F c v c = F c,ges vc,max = N 4.95 m/min = 6300 Nm/min = 0.7 W

3 4. Optimale Schnittgeschwindigkeit Für ein neues Drehteil möchten Sie die optimale Schnittgeschwindigkeit bestimmen. Für die Taylor-Gleichung stehen Ihnen als Information die Proportionalitätskonstante = sowie der Exponent k =. für den Werkstoff Ck45 zur Verfügung. Des Weiteren wissen Sie, dass eine Schneidplatte 0 CHF kostet und der Werkzeugwechsel Minuten dauert. Für die Maschine wird ein Stundensatz von 30 CHF veranschlagt und die Personal- und Arbeitsplatzkosten für den Werker betragen 70 CHF pro Stunde. Berechnen Sie die optimale Schnittgeschwindigkeit zur Erzielung des a) Kostenoptimums b) Stückzeitoptimums und leiten Sie daraus die Formel zur Berechnung der jeweils zugehörigen Standzeit her. Werkzeugkosten K WT = 0 CHF Maschinensatz K ML = 00 CHF/h Werkzeugwechselzeit t W = min Fertigungszeit t e pro Stück: Hauptzeit t h + Werkzeugwechselzeit t W umgelegt auf Anzahl n gefertigter Teile: t e = t h + t W n Anzahl n gefertigter Teile: Standzeit T des Werkzeuges / Hauptzeit t h pro Stück. Also die Zeit, während der das Werkzeug auch benutzt wird: n = T t h Die Kosten setzen sich nun folgendermassen zusammen: Für jedes Stück wird die Zeit je Einheit t e benötigt. Verrechnet mit dem Maschinenstundensatz ergeben sich die Kosten, die die Maschine während Fertigung, aber auch Werkzeugwechsel verursacht: K ML t e = K ML (t h + t W n ) = K ML (t h + t W ) = K T ML t h ( + t W T ) t h Die Werkzeugkosten pro Standzeit werden auf die in der Standzeit gefertigten Teile umgelegt: K WT n = K WT th T Als Gesamtkostenfunktion ergibt sich somit: K F = K ML t h ( + t W T ) + K WT th T = t h K ML + t h T (K ML t W + K WT ) a) Stückzeitoptimum: Mit T = v k c und t h = a v c ergibt sich: t e = t h + t W n =... = a v c + t W v k c a/v c = a (v c + t W v (k+) c ) Hinweis: Im Faktor a werden die Geometrie- und weitere Eigenschaften zusammengefasst, von denen die Hauptzeit neben der Bearbeitungsgeschwindigkeit auch abhängt. 3

4 Dieser Faktor kürzt sich jedoch am Ende heraus, daher ist eine genauere Betrachtung in diesem Fall nicht notwendig. Von Interesse ist hier nur die reziproke Proportionalität von t h zur Schnittgeschwindigkeit v c. Bedingung: dte dv c vc,ot = 0 dt e = a [ vc (k + ) tw vc (k+) dv c v k c,ot Einsetzen ergibt: Standzeit: (k + ) tw = v c,ot = k t W (k + ) =. ] = a v c [ + (k + ) tw ] (. + ) = 38.m/min T ot = v k c,ot = ( t W (k + )) = t W (k + ) b) Kostenoptimum: Mit T = v k c und t h = a v c ergibt sich: T ot = min (. + ) = 0. min K F = a K ML + a v c v c vc k (K ML t W + K WT ) = a [ K ML + v c vc k+ (K ML t W + K WT )] = a [vc K ML +vc (k+) (K ML t W + K WT )] Bedingung: dk F dv c vc,ok = 0 dk F = a [ vc K ML (k + ) vc (k+) (K ML t W + K WT )] dv c = a vc [K ML + (k + ) vc k (K ML t W + K WT )] K ML = (k + ) K ML t W + K WT Einsetzen ergibt: Standzeit: v c,ok = k =. T = v k c,ok = (k + ) v k c (t W + K WT K ML ). + 0 ( (k + ) T ok = (. + ) ( ) = 3.0m/min (t W + K WT K ML ) = (k + ) (t W + K WT K ML ) 0 CHF h + ) =.36 h = 4.5 min 00 CHF/h v k c 4

5 5. Arbeitsfolge und Werkzeugauswahl Legen Sie die Arbeitsfolge und zugehörige Werkzeuge für das abgebildete Drehteil fest. Das Teil wird in grosser Stückzahl von der Stange bearbeitet und soll in einem Drehautomaten hergestellt werden, der über einen Stangenlader verfügt. a) Geben Sie die ideale Belegung des Magazins an. b) Ihr Magazin verfügt nur über 5 Plätze. Welche Werkzeuge müssen Sie auf jeden Fall verwenden? Siehe Tabellen und. 5

6 Abbildung : Welle mit Absätzen und Gewinde Arbeitsgang Bereich Vorgang Notwendige Werkzeuge + Längsrunddrehen - Schruppen rechter Längsdrehschruppmeissel + Längsrunddrehen - Schlichten rechter Längsdrehmeissel 3 Querplandrehen und Anfasen rechter Längsdrehmeissel 4 Freistich Profilstahl 5 Gewindedrehen Spitzmeissel Längsrunddrehen rechter Längsdrehmeissel 7 4 Einstechen - Querrundrehen gerader Stechmeissel Längsrunddrehen - Schruppen linker Längsdrehschruppmeissel Längsrunddrehen - Schlichten linker Längsdrehmeissel 0 6 Ecke ausdrehen - Querplandrehen linker Längsdrehmeissel 7 Profildrehen Formdrehstahl 7 Abstechen schräger Stechmeissel Tabelle : Notwendige Werkzeuge Magazin-Nr. WZ-Bestückung a) WZ-Bestückung b) rechter Längsdrehschruppmeissel rechter Längsdrehmeissel X 3 Profilstahl X 4 Spitzmeissel X 5 gerader Stechmeissel X 6 linker Längsdrehschruppmeissel 7 linker Längsdrehmeissel X 8 linker Eckendrehmeissel 9 Formdrehstahl 0 schräger Stechmeissel Tabelle : Bestückung Werkzeugmagazin 6