Alfred Herbert Fritz Günter Schulze (Hrsg.) Fertigungstechnik. 10., neu bearbeitete Auflage

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1 Springer-Lehrbuch

2 Alfred Herbert Fritz Günter Schulze (Hrsg.) Fertigungstechnik 10., neu bearbeitete Auflage

3 Herausgeber Prof. Dr.-Ing. A. Herbert Fritz Berlin Germany Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze ISSN ISBN ISBN (ebook) DOI / 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 Dieses 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. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort zur 10. Auflage Vorwort V 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, im Frühjahr Herr Dr. Schulze hatte nicht nur die Inhalte weiter Teile des Buches zu verantworten, sondern auch Struktur, Grafiken und Layout zurückliegender Auflagen in mühevoller Detailarbeit geprägt. Wir werden ihn in dankbarer Erinnerung behalten. 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 ständig aktualisiert. Seine Grundkonzeption wurde auch in der vorliegenden Auflage beibehalten. 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 einige Unterkapitel neu bearbeitet. Der Abschnitt 2.9 Generative Fertigungsverfahren (Rapid Technologien) wurde völlig neu erstellt, da sich die bisherige Prototypenfertigung in den letzten Jahren bis zur Herstellung von einbaufertigen Ersatzteilen und Werkzeugen fortentwickelt hat (Direct Manufacturing). Die neuen Praxisbeispiele reichen vom Turbinenbau bis zur Zahnmedizin. Die Qualifizierung von Werkstoffen für das Metall-Laser-Sintern umfasst Auswahl, Kennwertermittlung und Anpassung an die Fertigungsmaschinen. Auf diesem Sektor sind die deutschen Maschinenhersteller weltweit führend. Der Abschnitt 4.7 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden (Schleifen, Honen, Läppen) wurde völlig neu gestaltet. Hier wurden neuere Aspekte zur prozessintegrierten Messung beim Schleifen eingebracht. Interessant sind auch die Ansätze zur Miniaturisierung bei Strukturabmessungen von wenigen Mikrometern. Die kleinsten eingesetzten Schleifstiftdurchmesser liegen bei 60 µm. Der Abschnitt Thixogießen wurde um Angaben zum Thixo-Umformen von Aluminium- und Magnesiumlegierungen ergänzt. Diese stützen sich vorwiegend auf die Podcast-Quelle des Instituts für Umformtechnik (IFUM) der Universität Hannover, erstellt für die Bergische Universität Wuppertal. Als Podcast werden 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 unter spezielle kurze Lehrfilme und PowerPoint-Bildschirm-Präsentationen erstellt, die mit vielen 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 Schülern und Studierenden der sachgerechte Einblick in das technische Know-how und die Entstehung technischer Produkte gegeben. In diesem Fachbuch wird erstmalig jeweils am Beginn eines Kapitels durch eine Fußnote auf einen vorhandenen Wissens-Floater hingewiesen. Dadurch kann der Studierende einen ersten Einblick in das Thema gewinnen und der Praktiker seine Kenntnisse vom Verfahrensablauf auffrischen. Im Einzelnen sind z.zt. Podcasts in HD-Qualität oder für das Mobiltelefon sowie PP-Präsentationen zu folgenden Kapiteln dieses Buches unter (Rubrik Downloads und Produktions-/ Fertigungstechnik) abrufbar: Kapitel 2: Das Prinzip Sandguss, Gießen in Dauerformen, Gießen von Großgussstücken, Stranggießen von Gusseisen, Pulverpressen und Sintern, Rapid Prototyping & Co generative Verfahren, Thixoforming zwischen Gießen und Schmieden. Kapitel 3: Abbrennstumpfschweißen von Schienen, Buckelschweißen, Schienenschweißen mit dem Thermit-Prozess, Laserstrahlschweißen und -schneiden mit Industrierobotern, Kleben. Kapitel 4: Drehen: eine Kurzeinführung, Metalle schneiden mit dem Laserstrahl. Kapitel 5: Kaltwalzplattieren, Walzen von Schienen, Tiefziehen in der Kfz- und Metalltechnik, Streckziehen. Mit dieser neuen Visualisierungsmöglichkeit einzelner Themen mit 5 bis 8 min dauernden Kurzfilmen hoffen die Herausgeber, den Benutzern dieses Fachbuches eine wertvolle Hilfe anbieten zu können. Berlin, im Juli 2012 A. Herbert Fritz

5 VI Vorwort 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 Aus ein an dersetzung 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 Sachwort verzeichnis. 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 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 50 % der Fahrzeugbau. Die Kenntnis noch so vieler verfahrenstechnischer Einzelheiten ist keine hinreichende Gewähr für den sinn vollen Einsatz der schweißtechnischen Fertigungsverfahren. Wesentlich ist die Erfahrung, dass die beim Schweißen ablaufenden Werkstoffänderungen einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Gütewerte der Schweißverbindung haben können. Die oft zitierte Grunderfahrung»Der 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 gegliedert 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 Fertigungsmöglichkeiten, Werkzeuge 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.

6 Vorwort VII Im Abschnitt Umformen wird zunächst jedes Verfahren in seinen Einzelheiten erklärt und dann der Kraftund 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 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, und der 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

7 Inhalt IX Inhalt 1 Einführung 1 2 Urformen 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 Thixoforming Gestaltung von Gussteilen Allgemeines Gestaltungsregeln Gießgerechte Gestaltung Beanspruchungsgerechte Gestaltung 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 werkzeug gerechte Gestaltung Fertigungs- und fügegerechte Gestaltung 103

8 X Inhalt 2.9 Generative Fertigungsverfahren (Rapid Technologien) 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 Das Fügeverfahren Schweißen Bedeutung der Schweißtechnik Das Fertigungsverfahren Schweißen; Abgrenzung und Definitionen 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 Besonder heiten und Schwierigkeiten beim Schweißen Schmelzschweißverfahren Gasschweißen (G) (Ordnungsnummer: 311) Lichtbogenhandschweißen (E) (Ordnungsnummer: 111) Metall-Lichtbogenschweißen Schutzgasschweißen (SG) Unterpulverschweißen (UP) (Ordnungsnummer: 12) Elektronenstrahlschweißen (EB) (Ordnungsnummer: 51) Laserstrahlschweißen (LA) (Ordnungsnummer: 52) Widerstandsschweißen (Ordnungsnummer: 2) Widerstandspressschweißen Widerstandsschmelzschweißen 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 237

9 Inhalt XI 3.8 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 (Zerteilen; Spanen; Abtragen; thermisches Schneiden) Allgemeines und Verfahrensübersicht Scherschneiden Beschreibung des Schneidvorgangs Schneidkraft Gestaltung von Schneidwerkzeugen Vorschubbegrenzungen 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 306

10 XII Inhalt 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 Abtragende Verfahren Thermisches Abtragen Chemisches Abtragen Elektrochemisches Abtragen Thermisches Schneiden Autogenes Brennschneiden Plasmaschneiden Laserschneiden Wasserstrahlschneiden Einleitung Verfahrensgrundlagen Einsatz und Anwendung Gestaltung von Schnittteilen 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 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 455

11 Inhalt XIII Tiefen (Streckziehen) Blechprüfung zur Kennwertermittlung Biegen Einteilung der Biegeverfahren Biegespannungen, Verformungen und Kräfte Innenhochdruckumformen (IHU) Allgemeines Anwendungsgebiete Bauteil- und Prozessauslegung Anlagen- und Werkzeugtechnik Fertigteilqualität Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fertigungsbeispiele Gestaltung von Umformteilen Allgemeines Gestaltung von Gesenkschmiedestücken Gestaltung von Tiefziehteilen Sachwortverzeichnis 489

12 Autorenverzeichnis Prof. Dr.-Ing. Alfred Herbert Fritz, Berlin, Abschnitte , 3.8, 3.9, 4.2, 4.8, 4.11, Kapitel 5 Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister, Braunschweig, h.hoffmeister@tu-bs.de Abschnitt 4.7 Dipl.-Ing. Klaus-Dieter Kühn, Braunschweig, k.kuehn@tu-bs.de Kapitel 1, Abschnitte 4.1, Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze, Berlin, Kapitel 3, Abschnitte 4.9, 4.10 Prof. Dr.-Ing. Burghilde Wieneke-Toutaoui, Berlin, wieneke@beuth-hochschule.de Abschnitt 2.9