A. Herbert Fritz Günter Schulze Hrsg. Fertigungstechnik. 11. Auflage

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1 A. Herbert Fritz Günter Schulze Hrsg. Fertigungstechnik 11. Auflage

2 Springer-Lehrbuch

3 Alfred HerbertFritz Günter Schulze Herausgeber Fertigungstechnik 11., neu bearbeitete und ergänzte Auflage

4 Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Alfred Herbert Fritz Berlin, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze Berlin, Deutschland ISSN ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994, 1997, 2001, 2003, 2006, 2008, 2010, 2012, 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+ Business Media (

5 Vorwort zur elften Auflage Die Aktualität eines Fachbuches aufrecht zu erhalten, ist für Autoren, Herausgeber und Verlag eine Herausforderung und Verpflichtung. Die Bearbeitung dieser Auflage wurde erschwert durch den bedauerlichen Tod des Mitherausgebers, Herrn Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze, der den Inhalt des Kapitels Schweißen zu verantworten hatte und auch Struktur, Grafiken und Layout bisheriger Auflagen in mühevoller Detailarbeit prägte. Wir behalten ihn in dankbarer Erinnerung. Ein besonderer Dank gebührt auch dem Kollegen Prof. Dipl.-Ing. Manfred Knipfelberg aus Wolfenbüttel. Er hat von der 1. bis zur 7. Auflage die Urformverfahren Gießen und Sintern bearbeitet und aktualisiert. Auf seiner Grundkonzeption aufbauend wurde das Kap. 2 Urformen durch Gießen aktualisiert und durch den Abschn Gießen von Motoren im Pkw-Leichtbau ergänzt. Die Wirtschaftlichkeit der industriellen Produktion hängt u. a. von der richtigen Auswahl der Fertigungsverfahren ab. Neben der angestrebten Kostensenkung ist auch immer eine Steigerung der Produktivität erwünscht. Beide Ziele sind nur erreichbar, wenn Produktionsplaner, Fertigungstechniker und Konstrukteure ausreichende Kenntnisse über die neuesten technischen Entwicklungen zur Verfügung haben. Wegen der raschen Neuerungen auf mehreren Sachgebieten wurden in der vorliegenden Auflage mehrere Unterkapitel überarbeitet. Der Abschn. 2.9 Additive Fertigungsverfahren (Rapid-Technologie) wurde aktualisiert, da sich die bisherige Prototypenfertigung in den letzten Jahren bis zur Herstellung von einbaufertigen Ersatzteilen und Werkzeugen fortentwickelt hat (Direct Manufacturing). Neue Praxisbeispiele reichen vom Turbinenbau bis zur Zahnmedizin. Im Kap. 3 Fügen wurde das Schweißen aktualisiert und gestrafft. Hier konnten drei neue Abschnitte zum aluminothermischen Schweißen sowie zum Bolzen- und Reibschweißen hinzugefügt werden. Das Kleben wurde durch neue Praxisbeispiele erweitert. Ebenfalls überarbeitet wurde der Abschn. 4.8 Abtragende Verfahren. Im Kap. 5 Umformen kam ein neuer Abschnitt hinzu: 5.8 Gebaute Nockenwellen, hergestellt mit Umformverfahren. Alle Kapitel enthalten einen ausführlichen Abschnitt über die zweckmäßige konstruktive und fertigungstechnische Gestaltung der einzelnen Werkstücke. In diesem Fachbuch wird erstmalig bei der Vorstellung eines neuen Fertigungsverfahrens durch eine Fußnote auf einen vorhandenen sog. Wissens- V

6 VI Vorwort zur elften Auflage Floater (Podcast) hingewiesen. Als Podcast werden die Mediendateien bezeichnet, die direkt im Internetbrowser abgerufen werden können. Nach dem Herunterladen öffnet sich ein Movieplayer (z. B. Windows Media Player). Der Ablauf beginnt dann automatisch. Die Bergische Universität Wuppertal hat in der Rubrik Downloads (Produktions-/Fertigungstechnik) unter spezielle kurze Lehrfilme und Power Point Bildschirm-Präsentationen erstellt, die mit visuellen Elementen einen kleinen, abgeschlossenen Wissensbereich interessant darstellen. Sie können als Podcast oder PP-Datei kostenfrei und ohne Passwort heruntergeladen werden, auch auf mobile Telefone. Damit wird den Studierenden der sachgerechte Einblick in das Verfahren gegeben und der Praktiker kann seine Kenntnisse vom technologischen Verfahrensablauf auffrischen. Bei der Erstellung eines Podcasts zum Innen-Hochdruck-Umformen wurde ich durch Herrn Prof. Dr.-Ing. Helmut Richter von der Bergischen Universität Wuppertal, dem Initiator des Projekts Wissens-Floater, fachkundig unterstützt, wofür ihm herzlich gedankt sei. Im Einzelnen sind z.zt. Podcasts in HD-Qualität oder für das Mobiltelefon sowie PP-Präsentationen zu folgenden Kapiteln dieses Buches abrufbar: Kapitel 2: Das Prinzip Sandguss; Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild; Gießen in Dauerformen; Gießen von Großgussstücken; Gusseisen mit Kugelgraphit; Gusseisen mit Lamellengraphit; Stranggießen von Gusseisen; Pulverpressen und Sintern; Rapid Prototyping; Thixoforming. Kapitel 3: Abbrennstumpfschweißen von Schienen; Buckelschweißen; Bolzenschweißen; Laserstrahlschweißen und -schneiden; Schienenschweißen mit dem Thermit-Prozess; Löttechnik: Weichlöten u. Hartlöten; Kleben. Kapitel 4: Drehen: eine Kurzeinführung; Metalle schneiden mit dem Laserstrahl. Kapitel 5: Gesenkformen; Innen-Hochdruck-Umformen; Kaltwalzplattieren; Streckziehen von Bus- und Flugzeugteilen; Tiefziehen in der Kfz- und Metalltechnik; Walzen von Schienen. Berlin, im Juli 2015 Alfred Herbert Fritz

7 Vorwort zur ersten Auflage Das vorliegende Lehr- und Nachschlagewerk Fertigungstechnik soll die Lücke schließen zwischen den großen mehrbändigen, überwiegend theorieorientierten Lehrbüchern der Fertigungstechnik und den ausschließlich für den Praktiker geschriebenen Büchern, die häufig nicht alle Aspekte der Fertigungstechnik ausreichend berücksichtigen. Die Autoren haben sich das Ziel gesetzt, einen Überblick über die wichtigsten Fertigungsverfahren gemäß dem heutigen Wissensstand zu vermitteln. Die Beschränkung auf die wesentlichsten Grundlagen steht dabei im Vordergrund. Dies betrifft nicht nur die Anzahl der beschriebenen Verfahren, sondern auch den Umfang der theoretischen Erörterungen. Die Autoren waren zudem stets bemüht, die Grenzen, Möglichkeiten und die Leistungsfähigkeit der Verfahren aufzuzeigen. Ein wichtiges Mittel für die intensive Auseinandersetzung mit dem gebotenen Lehrstoff ist die unübliche große Anzahl der Schaubilder, Diagramme und Verfahrensskizzen. Dagegen haben die Verfasser auf Photographien von Maschinen und Anlagen weitgehend verzichtet, da der Informationswert solcher Bilder gering ist. Dem raschen Auffinden bestimmter Einzelheiten dient das umfangreiche Sachwortverzeichnis. Die Reihenfolge der zu beschreibenden Verfahrensgruppen weicht etwas von der in DIN 8580 vorgegebenen ab. Die in diesem Buch gewählte Folge, nämlich Gießen (Urformen), Schweißen (Fügen), spanende Fertigungsverfahren (Trennen) und spanlose Fertigungsverfahren (Umformverfahren) wird in vielen Fachhochschulen und Universitäten bevorzugt. Bei den Gießverfahren muss berücksichtigt werden, dass der Studienanfänger heute keinen gesicherten Bezug mehr zum Gießen hat. Eine anschauliche Darstellung ist daher ebenso wichtig wie das Herausstellen der praktisch unbegrenzten Gestaltungsmöglichkeiten. Der Entwicklungstrend geht hier eindeutig zu den Seriengießverfahren: Mehr als 70 % aller erzeugten Gussstücke sind Serien. Der weitaus größte Anwender von Gussteilen ist mit über 50 % der Fahrzeugbau. Die Kenntnis vieler verfahrenstechnischer Einzelheiten ist noch keine hinreichende Gewähr für den sinnvollen Einsatz der schweißtechnischen Fertigungsverfahren. Wesentlicher ist, dass die beim Schweißen ablaufenden Werkstoffänderungen einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Gütewerte der Schweißverbindung haben. Die oft zitierte Grunderfahrung Der VII

8 VIII Vorwort zur ersten Auflage Werkstoff diktiert die Schweißbedingungen wird immer wieder in den Vordergrund gestellt. Die spanenden Fertigungsverfahren sind wegen der erreichbaren Fertigungsgenauigkeit in Verbindung mit den vielfältigen Bearbeitungsmöglichkeiten von großer Bedeutung. Die Verfahren sind unterteilt in solche mit geometrisch bestimmten und solche mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Die Autoren haben die neuesten Begriffe der Zerspantechnik berücksichtigt, die nach einer grundlegenden Neuordnung der DIN- und ISO-Normen neue Kurzzeichen erhalten haben. Die Technologie der wichtigsten Fertigungsverfahren ist in einem der Bedeutung und den bestehenden Tendenzen in der Fertigungstechnik entsprechenden Umfang wiedergegeben. Einheitlich sind für alle spanenden Fertigungsverfahren Gesichtspunkte zur Einteilung sowie zu den Fertigungsmöglichkeiten, Werkzeugen und Berechnungsgrundlagen beschrieben. Die Umformverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass der Stoffzusammenhalt beibehalten wird. Da die als Rohling eingesetzte Masse konstant bleibt und im Fertigteil wiederzufinden ist, gibt es nur sehr geringe Materialabfälle. Die Umformverfahren sind vorwiegend gekennzeichnet durch die Kraftwirkungen, die zwischen der Umformmaschine und dem eingesetzten Werkzeug einerseits sowie dem umzuformenden Werkstück andererseits auftreten. Deshalb müssen zunächst die Beanspruchungen und Spannungszustände des Werkstoffs im Umformprozess betrachtet und erläutert werden. Das Ordnungsprinzip der DIN geht von den beim Umformen herrschenden Spannungszuständen aus: Druckumformen, Zugdruck-, Zug-, Biege- und Schubumformen. Im Abschnitt Umformen wird zunächst jedes Verfahren in seinen Einzelheiten erklärt und dann der Kraft- und Arbeitsbedarf überschlägig berechnet. Diese Angaben sind nötig, um für eine bestimmte Fertigungsaufgabe die geeignete Maschine entsprechend ihrer Nennkraft und ihrem Arbeitsvermögen auszuwählen. Mitunter muss der Umformtechniker seine Fertigungsschritte in kleineren Stufen vorgeben, damit die vorhandenen kleineren Maschinen für die vorgesehene Umformaufgabe sinnvoll eingesetzt werden können. Bei den Berechnungen des Kraft- und Arbeitsbedarfs greift der Verfasser bewusst auf die elementare Plastizitätstheorie zurück; denn aufwendige moderne Verfahren benötigen einen großen Rechneraufwand, liefern aber keine wesentlich genaueren Ergebnisse für den praktischen Einsatz im Betrieb. Zu jedem Abschnitt des Buches werden konstruktive Hinweise in Form der Gegenüberstellung zweckmäßige und unzweckmäßige Gestaltung gegeben. Somit hat der Anfänger die Möglichkeit, grobe Fehler in der Gestaltung der Teile zu vermeiden. Der erfahrene Praktiker wird daran erinnert, wie er die Bearbeitung und das Spannen von Werkstücken bereits bei der Konstruktion berücksichtigen kann. Berlin, März 1985 A. Herbert Fritz, Günter Schulze

9 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung... 1 K.-D. Kühn 2 Urformen... 7 A. H. Fritz et al. 2.1 Urformen durch Gießen Grundbegriffe der Gießereitechnologie Metallkundliche Grundlagen des Gießens Entstehung der Gussgefüge Stoffzustände Keimbildung und Impfen Kristallformen Erstarrungstypen Isotropes, anisotropes und quasi-isotropes Verhalten von Gusswerkstoffen Gusswerkstoffe Eisengusswerkstoffe Nichteisen-Gusswerkstoffe Gießbarkeit Fließ- und Formfüllungsvermögen Schwindung (Schrumpfung) Warmrissneigung Gasaufnahme Penetrationen Seigerungen Fehlerzusammenstellung bei Sandguss Form- und Gießverfahren Formverfahren mit verlorenen Formen Formverfahren mit verlorenen Formen nach verlorenen Modellen Formverfahren mit Dauerformen Gießen von Motoren im Leichtbau Gestaltung von Gussteilen Allgemeines Gestaltungsregeln Gießgerechte Gestaltung Beanspruchungsgerechte Gestaltung IX

10 X Inhaltsverzeichnis Fertigungsgerechte Gestaltung Normung von Erzeugnissen aus Gusseisen Normung von Erzeugnissen aus Stahlguss Urformen durch Sintern (Pulvermetallurgie) Pulvermetallurgische Grundbegriffe Pulvererzeugung Presstechnik Sintern Verfahren zum Verbessern der Werkstoffeigenschaften Anwendungen Gestaltung von Sinterteilen Allgemeines Gestaltungsregeln Werkstoff- und werkzeuggerechte Gestaltung Fertigungs- und fügegerechte Gestaltung Additive Fertigungsverfahren (Rapid Prototyping) Stereolithografie Laser-Sintern und Strahlschmelzen Fused Layer Modeling/Manufacturing oder Fused Deposition Modeling Multi-Jet Modeling Poly Jet Modeling D-Printing Layer Laminated Manufacturing Masken-Sintern Digital Light Processing Entwicklungen Fügen A. H. Fritz und G. Schulze 3.1 Schweißen als Fügeverfahren Bedeutung der Schweißtechnik Abgrenzung und Definitionen beim Fertigungsverfahren Schweißen Einteilung der Schweißverfahren Hinweise zur Wahl des Schweißverfahrens Werkstoffliche Grundlagen für das Schweißen Wirkung der Wärmequelle auf die Werkstoffeigenschaften Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Einfluss des Temperaturfeldes Werkstoffbedingte Besonderheiten beim Schweißen Schmelzschweißverfahren Gasschweißen (G) (Ordnungsnummer: 311) Lichtbogenhandschweißen (E) (ON: 111) Metall-Lichtbogenschweißen Schutzgasschweißen (SG) Unterpulverschweißen (UP) (ON: 12)

11 Inhaltsverzeichnis XI Elektronenstrahlschweißen (EB) (ON: 51) Laserstrahlschweißen (LA) (ON: 52) Widerstandsschweißen (ON: 2) Widerstandspressschweißen Widerstandsschmelzschweißen Reibschweißen (Ordnungsnummer: 42) Bolzenschweißen (ON: 783 bis 786) Aluminothermisches Schweißen (Thermit-Verfahren) Gestaltung von Schweißverbindungen Allgemeines Gestaltungsregeln Gestaltung von Schmelzschweißverbindungen Gestaltung von Punktschweißverbindungen Löten (Ordnungsnummer: 9) Grundlagen des Lötens Einteilung der Lötverfahren Flussmittel; Vakuum; Schutzgas Lote Konstruktive Hinweise für Lötverbindungen Gestaltung von Lötverbindungen Allgemeines Gestaltungsregeln Gestaltung gelöteter Blechverbindungen Gestaltung gelöteter Rundverbindungen Gestaltung gelöteter Rohrverbindungen Gestaltung gelöteter Bodenverbindungen Kleben Wirkprinzip des Klebens Vorbehandlung zur Steigerung der Klebfestigkeit Vorbereitung der Klebung Eigenschaften polymerer Werkstoffe Klebstoffarten Herstellung der Klebung Anwendungsbeispiele Gestaltung von Klebverbindungen Allgemeines Gestaltung geklebter Blechverbindungen Gestaltung geklebter Rohrverbindungen Gestaltung geklebter Rundverbindungen Trennen A. H. Fritz et al. 4.1 Allgemeines und Verfahrensübersicht Scherschneiden Beschreibung des Schneidvorgangs Schneidkraft Gestaltung von Schneidwerkzeugen Vorschubbegrenzungen

12 XII Inhaltsverzeichnis 4.3 Spanen Einteilung nach DIN Technische und wirtschaftliche Bedeutung Grundbegriffe der Zerspantechnik Bewegungen und Geometrie von Zerspanvorgängen Eingriffe von Werkzeugen Spanungsgrößen Geometrie am Schneidteil Kräfte und Leistungen Standzeit- und Verschleißbegriffe Grundlagen zum Spanen Spanbildung Spanstauchung Scherwinkelgleichungen Spanarten Spanformen Energieumwandlung beim Spanen Schneidstoffe Werkzeugverschleiß Kühlschmierstoffe Hart-, Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitung Mikrozerspanung Standzeitberechnung und Standzeitoptimierung Schnittkraftberechnung Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Drehen Bohren, Senken, Reiben Fräsen Hobeln und Stoßen Räumen Auswahl spanender Fertigungsverfahren Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden Schleifen Einsatz von Sensoren in Schleifmaschinen Ansätze zur Miniaturisierung Honen Läppen und Feinschleifen mit Läppkinematik Gleitschleifen Abtragen Thermisches Abtragen Chemisches Abtragen Elektrochemisches Abtragen Thermisches Schneiden Autogenes Brennschneiden Plasmaschneiden Laserschneiden

13 Inhaltsverzeichnis XIII 4.10 Wasserstrahlschneiden Einleitung Verfahrensgrundlagen Einsatz und Anwendung Gestaltung von Schnittteilen Werkstoffausnutzung Fertigung Genauigkeit Beanspruchung Gestaltung spanend herzustellender Werkstücke Allgemeines Gestaltung für das Drehen Gestaltung für das Bohren, Senken, Reiben Gestaltung für das Fräsen Gestaltung für das Hobeln und Stoßen Gestaltung für das Räumen Gestaltung für das Schleifen Umformen A. H. Fritz 5.1 Einteilung und Vorteile der Umformverfahren Grundlagen der Umformtechnik Druckumformen Walzen Schmieden Eindrücken Durchdrücken Zug-Druck-Umformen Draht- und Stabziehen Gleitziehen von Rohren Abstreckziehen von Hohlkörpern Tiefziehen Drücken Kragenziehen (Bördeln von Öffnungen) Zugumformen Längen Weiten Tiefen (Streckziehen) Blechprüfung zur Kennwertermittlung Biegen Einteilung der Biegeverfahren Biegespannungen, Verformungen und Kräfte Innenhochdruckumformen (IHU) Allgemeines Anwendungsgebiete Bauteil- und Prozessauslegung Anlagen- und Werkzeugtechnik

14 XIV Inhaltsverzeichnis Fertigteilqualität Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fertigungsbeispiele Gebaute Nockenwellen, hergestellt mit Umformverfahren Aufweiten durch Innen-Hochdruck-Umformen (IHU) Thyssen-Krupp-Presta-Verfahren (Aufpressen auf rolliertes Rohr) Gestaltung von Umformteilen Allgemeines Gestaltung von Gesenkschmiedestücken Gestaltung von Tiefziehteilen Sachverzeichnis

15 Autorenverzeichnis Prof. Dr.-Ing. Alfred Herbert Fritz Berlin, Abschnitte ; ; ; 4.2; 4.11; 4.12; Kapitel 5 Prof. Dr.-Ing. Ralf Förster Berlin, rfoerster@beuth-hochschule.de Abschnitt 4.8 Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister Braunschweig, h.hoffmeister@tu-bs.d Abschnitt 4.7 Dipl.-Ing. Klaus-Dieter Kühn Braunschweig, k.kuehn@tu-bs.de Kapitel 1, Abschnitte 4.1; Prof. Dr.-Ing. Jörg Schmütz Berlin, jschmuetz@beuth-hochschule.de Abschnitt 2.5 Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze Berlin Abschnitte ; 4.9; 4.10 Prof. Dr.-Ing. Burghilde Wieneke-Toutaoui wieneke@fh-brandenburg.de Abschnitt 2.9 XV