Schriftliche Abiturprüfung Technik / Maschinenbautechnik - Leistungskurs - Hauptprüfung

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1 Sächsisches Staatsministerium Geltungsbereich: Berufliches Gymnasium für Kultus Fachrichtung: Technikwissenschaft Schuljahr 2006/2007 Schwerpunkt: Maschinenbautechnik Schriftliche Abiturprüfung Technik / Maschinenbautechnik - Leistungskurs - Hauptprüfung Hinweise Arbeitszeit: Hilfsmittel: Aufgaben: 270 Minuten - Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung - Grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computeralgebra - Eingeführte gedruckte Formelsammlung - Zeichengeräte - Tabellenbuch Pflichtaufgaben Aufgabe 1 (2 Seiten) Aufgabe 2 (2 Seiten) Aufgabe 3 Variante 1 (2 Seiten + 2 Arbeitsblätter) Variante 2 (2 Seiten + 2 Arbeitsblätter) Wahlaufgaben Aufgabe 4 Aufgabe 5 Aufgabe 6 (1 Seite) (1 Seite) (2 Seiten + 1 Arbeitsblatt) Bemerkungen: Dem Prüfungsteilnehmer werden 6 Aufgaben vorgelegt, drei Pflichtaufgaben und drei Wahlaufgaben. Er hat die drei Pflichtaufgaben und eine Wahlaufgabe zu bearbeiten. Von der Pflichtaufgabe 3 ist eine Variante zu wählen! Die Auswahl trifft der Prüfungsteilnehmer. Werden mehrere Wahlaufgaben bearbeitet, so hat der Prüfungsteilnehmer die zu bewertende Wahlaufgabe deutlich zu kennzeichnen. Zur Lösung jeder Aufgabe ist ein neuer Reinschriftbogen zu verwenden. Der Aufgabensatz umfasst 18 Blätter (einschließlich Deckblatt). Der Prüfungsteilnehmer ist verpflichtet, seinen Aufgabensatz umgehend auf Vollständigkeit zu prüfen und Abweichungen der Aufsicht führenden Lehrkraft anzuzeigen. Kennziffer Abiturprüfung 2007

2 Pflichtaufgaben Aufgabe 1 Statik / Festigkeitslehre / Lager 25 BE Rahmenrichtbank mit hydraulischem Richtgerät Die Rahmenrichtbank mit Richtgerät (Abb.1) dient zum Richten von Deformationen an Unfallautos. Dazu werden die Fahrzeuge auf die 4 Stützen der Richtbank aufgesetzt und mittels Karosserieklemmen befestigt. Mit Hilfe einer Kette wird die hydraulisch erzeugte Kraft vom Dozer auf das Auto übertragen. Die gesamte Richteinrichtung ist auf Rollen gelagert und somit transportabel. Der Abstand zwischen den Rollen C und D beträgt 1,2 m. Abb Die Fahrzeugmasse des aufgesetzten Fahrzeuges beträgt 1224 kg und ist im Schwerpunkt S des Fahrzeuges konzentriert. Welche Kräfte nehmen die Stützen A und B auf? 1.2 Während der Belastung durch ein anderes Fahrzeug wirken je 8 kn in den Stützen A und 4 kn in den Stützen B. Wie groß sind die Kräfte in den Rollen C und D, wenn das Richtgerät noch nicht angebracht ist? (4 BE) 1.3 Die Längsträger der Richtbank bestehen aus U - Profil DIN S 235 JR. Sie nehmen bei Höchstlast die Kräfte F A = 10 kn, F B = 5 kn, F C = 2,5 kn und F D = 12,5 kn nach dem Belastungsschema (Abb. 1) auf Berechnen Sie die Momente an den Kraftangriffstellen und zeichnen Sie das Momentenschaubild Wählen Sie ein genormtes U-Profil zur Gewährleistung dieser Belastung bei 3-facher Sicherheit gegen das Erreichen der Streckgrenze aus. (4 BE) Kennziffer Seite 1 Abiturprüfung 2007

3 1.4 Die Haltekraft zwischen der Karosserie (1), der Karosserieklemme (3) und der Klemmleiste (2) wird durch je 2 Sechskantschrauben (4) erzeugt (Abb.2). Welche Kraft muss eine Schraube mindestens aufbringen, um bei einer Gesamtzugkraft (F) von 24 kn das Fahrzeug sicher zu halten? Der Reibwert zwischen Karosserieklemme (3) und Karosserie (1) ist µ 1 = 0,2 und der Reibwert zwischen Karosserie (1) und Klemmleiste (2) beträgt µ 2 = 0,15. (4 BE) Abb Ermitteln Sie das Gewinde nach DIN 13-1 (Abb. 2) für die Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8, wenn die Kraft pro Schraube 9 kn beträgt und eine 2-fache Sicherheit gegen das Erreichen der Streckgrenze gefordert ist. 1.6 Die Rollen der Richtbank sind mittels Radialrillenkugellagern nach DIN auf einer Achse mit einem Durchmesser von 30 mm gelagert Wählen Sie ein geeignetes Lager aus und geben Sie die Abmessungen des Lagers an Welche Passungsart ist zur Befestigung der Lager auf den Achsen anzuwenden? Begründen Sie die Auswahl der Passung. Kennziffer Seite 2 Abiturprüfung 2007

4 Aufgabe 2 Statik / Werkstoffkunde 25 BE Antrieb für geradlinige Bewegungen (vereinfacht) 2.1 Die Kurbelscheibe wird mit einem Drehmoment von 180 Nm angetrieben (Abb. 3). Für die gegebene Schwingenposition von 10 zur Senkrechten sind die wirkenden Kräfte am Gleitstein zu berechnen. Schneiden Sie dazu den Kurbelbolzen im Gleitstein frei. Welche maximale Kraft kann in der dargestellten Position im Punkt D auf das Gestänge übertragen werden? (8 BE) D Gestänge B Kurbelscheibe Schwinge C A 1 0 Gleitstein mit Bolzen (C45) Abb Die Kurbelscheibe besteht aus einem Werkstoff nach DIN17212 mit der Werkstoffnummer Um welchen Werkstoff handelt es sich? Nennen Sie die Eigenschaften und die Zusammensetzung dieses Werkstoffs. 2.3 Der Bolzen des Gleitsteins besteht aus dem Werkstoff C45. Zeichnen Sie mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms die Abkühlungskurve dieses Werkstoffes von 1600 C bis auf Raumtemperatur. Geben Sie die ungefähren Temperaturen der Gefüge- und Aggregatszustandsänderungen an. Kennziffer Seite 3 Abiturprüfung 2007

5 2.4 Der Bolzen ist hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Es wird eine hohe Festigkeit und große Zähigkeit gefordert Welches Wärmebehandlungsverfahren eignet sich zur Realisierung der genannten Eigenschaftskombination? (1 BE) Stellen Sie in einem Zeit-Temperatur-Schaubild die erforderlichen Arbeitsschritte qualitativ dar. Die notwendigen Temperaturen sind dem EKD und dem Diagramm (Abb. 4) zu entnehmen. Die Streckgrenze soll nach entsprechender Wärmebehandlung 380 Nmm -2 betragen. (4 BE) Abb Wie groß sind die Mindestzugfestigkeit und die Bruchdehnung bei der genannten Streckgrenze? Kann man bei der geforderten Eigenschaftskombination von hoher Festigkeit und großer Zähigkeit auch den Werkstoff C15 verwenden? Begründen Sie Ihre Antwort Nach der Wärmebehandlung soll überprüft werden, ob die geforderte Härte von 58 HRC vorhanden ist. Erklären Sie die Härteangabe und bestimmen Sie für den angegebenen Härtewert die bleibende Eindringtiefe. Kennziffer Seite 4 Abiturprüfung 2007

6 Aufgabe 3 CNC-Drehen (Variante 1) 25 BE Gewindebolzen Der in der Fertigungszeichnung dargestellte Gewindebolzen (Material: 35S20) soll auf einer Schrägbettmaschine gefertigt werden. Die Rohteilmaße sind Ø 68 x120. 2x45 R 8 R4 Rohteilkontur 1x45 R4 ø68 ø62 ø36 ø28 ø40 6 M16x1, Der Werkzeugrevolver ist wie folgt bestückt: Abb.5 Werkzeug Schruppdrehmeißel 2) Schlichtdrehmeißel R є = 0,4 mm Einstechmeißel b = 6 mm 1) Gewindedrehmeißel WZ-Nummer T01 T02 T03 T04 Schneidstoff HM HM HSS HM Schnitttiefe a p?? --- 0,1 mm Schnittgeschwindigkeit/ Drehzahl?? v c = n = 2390 m min -1 min -1 Vorschub?? 0,1 mm 1,5 mm 1) Der Einstechmeißel ist auf die rechte Schneidenecke vermessen. 2) Für Längs- und Plandrehen geeignet. Der Werkzeugwechselpunkt liegt bei X100 und Z100. Die Spindeldrehzahl soll 3000 min -1 nicht überschreiten. Kennziffer Seite 5 Abiturprüfung 2007

7 3.1 Ermitteln Sie die für das Schruppen und Schlichten erforderlichen Schnittdaten. Legen Sie konkrete Werte fest. 3.2 Erstellen Sie auf dem Programmblatt (Arbeitsblatt) das CNC-Programm. Schreiben Sie die möglichen voreingestellten aktiven Befehle (Einschaltzustände) der Maschine auf. Beachten Sie: Zum Werkzeugwechsel muss der Werkzeugwechselpunkt X100, Z100 angefahren werden. (16 BE) 3.3 Warum muss bei nichtachsparallelen Verfahrbewegungen, vor allem beim Schlichten, mit der Schneidenradiuskompensation gearbeitet werden? 3.4 Welche Informationen benötigt die Steuerung zur Schneidenradiuskompensation? 3.5 Beschreiben Sie die prinzipielle Funktion des indirekten inkrementalen Wegemeßsystems. Welche Funktion übernehmen dabei die Referenzpunkte? Kennziffer Seite 6 Abiturprüfung 2007

8 CNC- Programmblatt Kennziffer des Prüfungsteilnehmers:. N G X Z I K F S T M D H P Q R BE Kennziffer Arbeitsblatt 1 zur Aufgabe 3 / Drehen Abiturprüfung 2007

9 CNC- Programmblatt Kennziffer des Prüfungsteilnehmers:. N G X Z I K F S T M D H P Q R BE Kennziffer Arbeitsblatt 2 zur Aufgabe 3 / Drehen Abiturprüfung 2007

10 Aufgabe 3 CNC-Fräsen (Variante 2) 25 BE Fußplatte Zur technologischen Vorbereitung und Fertigung der Fußplatte sind einige Unterlagen vorzubereiten (Abbildung 6). Das Werkzeugmagazin des Werkzeugwechslers ist wie folgt bestückt: Werkzeug NC- Anbohrer 90 (HSS) Schaftfräser (HM) Bohrnutenfräser (HSS) Abb.6 Walzenstirnfräser (HSS) Spiralbohrer (HSS) WZ-Nummer T01 T02 T03 T04 T05 Durchmesser 12 mm 35 mm 40 mm 16 mm 6 mm Zähnezahl max. Schnitt- - 6 mm 6 mm 2 mm - tiefe a p Schnittgeschwindigkeit v c 40 m min -1? 80 m min m min m min - 1 Vorschub f = 0,15 0,12 0,1 0,1 f = 0,14 f /f z in mm n in min -1? ? v f in mm min ?? 210 Kennziffer Seite 7 Abiturprüfung 2007

11 3.1 Die Fußplatte soll auf einer Senkrecht-Konsolfräsmaschine hergestellt werden. Erarbeiten Sie den Arbeits- und Werkzeugplan in einer Tabelle unter Verwendung der Magazinbestückung. Ermitteln Sie die fehlenden Werte. Verwenden Sie folgenden Tabellenkopf: Arbeitsgang Werkzeug Ø in mm z v c in mm min -1 n in min -1 Schnittwerte f z / f in mm v f in mm min -1 a pmax in mm Erstellen Sie ausgehend von Ihrem Arbeits- und Werkzeugplan auf dem Arbeitsblatt das CNC-Programm. Schreiben Sie mögliche voreingestellte aktive Befehle (Einschaltzustände) der Maschine auf. Erläutern Sie die einzelnen Programmschritte, ausgenommen die Außenkonturbeschreibung. Beachten Sie: Zum Werkzeugwechsel muss der Werkzeugwechselpunkt X150, Y-50, Z100 angefahren werden. Kühlschmierstoff ist für diese Bearbeitung vorzusehen. (17 BE) 3.2 Erläutern Sie die Vorteile des Gleichlauffräsens. Benennen und begründen Sie Bedingungen für die Anwendung des Gleichlauffräsens. 3.3 Erläutern Sie die Fräserradiuskorrektur und in dem Zusammenhang den Begriff Äquidistante. Welche Informationen werden durch die Steuerung dafür benötigt und verarbeitet? 3.4 Beschreiben Sie die prinzipielle Funktion des indirekten inkrementalen Wegemeßsystems. Welche Funktion übernehmen dabei die Referenzpunkte? Kennziffer Seite 8 Abiturprüfung 2007

12 CNC- Programmblatt Kennziffer des Prüfungsteilnehmers:... N G X Y Z I J F S T M D R Erläuterung BE Kennziffer Arbeitsblatt 1 zur Aufgabe 3 / Fräsen Abiturprüfung 2007

13 CNC- Programmblatt Kennziffer des Prüfungsteilnehmers:... N G X Y Z I J F S T M D R Erläuterung BE Kennziffer Arbeitsblatt 2 zur Aufgabe 3 / Fräsen Abiturprüfung 2007

14 Wahlaufgaben Aufgabe 4 Statik / Festigkeitslehre 15 BE Betätigung einer Lichtkuppel Die Lichtkuppel eines Flachdaches soll durch einen Pneumatikzylinder betätigt werden. a b S c c A α B m = 160 kg in S β a = 750 mm b = 650 mm c = 200 mm α = β = 12 Abb Schneiden Sie die Lichtkuppel frei und stellen Sie die angreifenden und die Reaktionskräfte dar. 4.2 Berechnen Sie die Lagerkräfte in den Punkten A und B für den geöffneten Zustand (Abb. 7). (5 BE) 4.3 Die Lagerung an der Stelle A erfolgt über zwei Gelenke, die gleiche Lastanteile aufnehmen (Abb. 8). Welche Gesamtkraft kann bei zweifacher Sicherheit gegen Abscheren übertragen werden, wenn die Gelenkbolzen aus S235 bestehen? Weisen Sie die dabei auftretende maximale Gelenkstück Gelenkbolzen Lagerbock Flächenpressung (Lochleibungsspannung) in der Verbindung nach. Abb.8 (5 BE) O Der Zylinder soll für eine Kolbenkraft von 1 kn bei einem Druck von 6 bar ausgelegt werden. Berechnen Sie den erforderlichen Kolbendurchmesser, wenn mit Reibungsverlusten von 12% zu rechnen ist. Kennziffer Seite 9 Abiturprüfung 2007

15 Aufgabe 5 Werkstoffkunde / Technisches System Maschine 15 BE Pleuellagerung Das geteilte Lager der Pleuellagerung wird mit zwei Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 verspannt. Für die Laufschicht der Lagerbuchse wird die Legierung PbSb13 verwendet. Das Pleuel besteht aus C60 und wird vergütet. Die Lagerung wird mit dem Passmaß Ø 30 H7/g6 gefertigt (Abb. 9). Abb.9 Quelle: Aufgaben Handwerk und Technik HuT Das einwandfreie Funktionieren der Lagerung ist vor allem vom Lagerspiel abhängig Bestimmen Sie für die gegebene Passung die Grenzwerte des Spiels Welches Passungssystem findet Anwendung? (1 BE) Während des Einsatzes wird die Betriebstemperatur überschritten. Nennen und begründen Sie mindestens eine mögliche Folge. 5.2 Jede Schraube wird mit einer Vorspannkraft von 8 kn und einer Betriebskraft von 3,2 kn belastet. Bestimmen Sie für eine zweifache Sicherheit gegen Verformung das erforderliche metrische Gewinde. 5.3 Blei und Antimon bilden eine Legierung mit völliger Löslichkeit im flüssigen und völliger Unlöslichkeit im festen Zustand. Die Legierung PbSb13 besitzt einen Haltepunkt bei 247 C Skizzieren Sie das zugehörige Zustandsschaubild. Beschriften Sie die Linien- und Phasengebiete Erläutern Sie, warum PbSb13 auf Grund von Gefüge und Eigenschaften für die Herstellung des Lagers verwendet wird Bestimmen Sie für das Pleuel aus C60 die prozentualen Gefügebestandteile vor der Wärmebehandlung. Kennziffer Seite 10 Abiturprüfung 2007

16 Aufgabe 6 - Steuerungstechnik 15 BE Elektropneumatische Prägemaschine Blechteile werden von Hand in die Maschine gelegt. Über eine Zweihand- Sicherheits-Steuerung soll dann der Prägezylinder 1A ein Profil in das Blech prägen. Nach vollendetem Umformvorgang wirft der Zylinder 2A die Blechteile aus (Abb. 10). Die Anlage ist mit einer Zweihand-Sicherheits- Steuerung und einem NOT-AUS-Taster ausgestattet. Für den Aufbau des Pneumatikschaltplans stehen folgende Bauelemente zur Verfügung: Zylinder 1A: DWZ mit Endlagenabfrage mittels Grenztaster elektrisch betätigt (1S1; 1S2), Ausfahren abluftgedrosselt; Zylinder 2A: DWZ mit Endlagenabfrage mittels Näherungsschalter (2B1; 2B2); beide Zylinder mit beidseitig einstellbarer Endlagendämpfung; je ein 5/2-Magnetventil mit Federrückstellung zur Ansteuerung der Zylinder; Abb. 10 eine Aufbereitungseinheit mit Druckquelle. Quelle: Dümmler-Verlag Aufgabensammlung Der dazugehörige Stromlaufplan sieht wie folgt aus: +24V 1 2 NOT-AUS K K5 2B1 1S2 K5 1S1 K6 2B2 K2 K6 K4 S1 S1 S2 S2 K3 K2 K7 K5 K6 K5 K1 K2 K3 0.5 =0,5s K4 K5 K6 K7 1Y 2Y 0V Kennziffer Seite 11 Abiturprüfung 2007

17 6.1 Erstellen Sie den dazugehörigen Pneumatikschaltplan mit den Schaltzeichen der Fluidtechnik nach DIN ISO und führen sie die Bauteilkennzeichnung nach DIN ISO unter Verwendung der DIN EN aus. (4 BE) 6.2 Tragen Sie im Funktionsdiagramm für die Antriebs- und Stellglieder die Funktionsfolgen und die steuerungstechnischen Verknüpfungen der zugehörigen Bauglieder ein. Verwenden Sie dazu den Vordruck im Arbeitsblatt. (5 BE) 6.3 Beschreiben Sie die NOT-AUS-Schaltung. (1 BE) 6.4 Erklären Sie die Funktionsweise der Zweihand-Sicherheits-Schaltung. Welches sind die hierfür relevanten Bauelemente? (5 BE) Kennziffer Seite 12 Abiturprüfung 2007

18 Arbeitsblatt Kennziffer des Prüfungsteilnehmers: 6.2 Funktionsdiagramm Nr. Benennung Zustand 1 Schritte a b 1 0 a b Kennziffer Arbeitsblatt zur Aufgabe 6 Abiturprüfung 2007