Die Fertigung besteht aus der Teilefertigung und Montage

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1 1. FERTIGUNGSTECHNIK Fertigen ist das Herstellen von Werkstücken mit geometrisch bestimmter Gestalt und festgelegten stofflichen Eigenschaften Fertigungsverfahren sind Methoden zur Erzeugung einer geometrisch bestimmten festen Körpern Die Fertigung besteht aus der Teilefertigung und Montage Die Montage umfasst Vorgänge, die dem Zusammenbau geometrisch bestimmter Körper dienen. Als Hauptfunktion der Montage ist das Fertigungsverfahren Fügen zu sehen, das den eigentlichen Prozess des Schaffens einer Verbindung zwischen mehreren Teilen bewirkt. Unter Produktion versteht man die Summe der Tätigkeiten einschliesslich der Planungsschritte zur Erzeugung eines materiellen Produkts. Sie beginnt beim Lastenheft und endet bei der Entsorgung. Das Lastenheft ist dabei die vom Markt in das Herstellerunternehmen getragene Liste aller zu erfüllenden Anforderungen (Lasten). Das Pflichtenheft ist die Umsetzung des Lastenheftes in die Liste der zu verwirklichenden Produktdaten. Produktebeschreibung, Leistungsmerkmale, Produktionsrelevante Angaben, Kosten- und Preisvorgaben, Bindeglied zwischen dem Marketing und der Herstellerfirma, aber auch zwischen deren einzelnen internen Bereichen. Unter Funktionen erstellen verstehen wir das Treffen aller Vorkehrungen, die den sicheren Ablauf vorgesehener Funktion(en) gewährleisten. 2. PRODUKTE LEBENSLAUF Produktion: Herstellung Körperlicher Produkte Lebenslauf des Prod.: Idee Marketing Lastenheft Pflichtenheft Produktion:,Konstruktion,AVOR(Vorbereitung der Fert.), Fertigung, (Zwischenlagern), Montge, Abnahme, Verwendung+Service, Entsorgung Durchlaufszeit 2.1.Qualität Wirtschaftliche Zielsetzunngen: Kosten, Termin, Qualität, Ausbringung Klassisch Qualität:Mass der Erfüllung des Lastenhefts Totale Qualität: die Durchführung jeder Tätigkeit derart, dass sie für die nachfolgende(n) Tätigkeit(en) die bestmögliche Voraussetzung schafft" Konstruktionsteams: Konstruktion, Fertigung, Montage, Service, Marketing, Kostenrechnung, Entsorgung in Zusammenarbeit mit Schulung, Kommunikation, Projektteams Variantenkonstruktion: Stückzahl(Tiefere Kosten) vs. Individualisierung Plattform/Module Aufgaben der Stückliste: Abbild der Produktstruktur, Modularisierung des Produktenspektrums, Ermittlung der Produktionsbedarfe für Einzelteile, Steuerung des Montageablaufs, Terminsteuerung, Kostenerfassung/ Zuordnung 2.4 Phase Fertigung Fertigungsvorbereitung (AVOR): Wahl des Verfahrens, Arbeitsplangenerierung, Zeitrechnung/Vorkalk. NC-Prog., WZ-Definition, Festlegung der Hilfs-/ Spannvorrichtungen Verfügbarkeitsprüfung, Fertigungssteuerung(Kapazität/Termin-Planung), Make or Buy Vorbereitung Maschineninvestition Unterstützung zu Fertigungsgerechter Konstruktion 2.5 Service und Qualität Fähigkeit eines Produktes: - seine theoretischen, im Pflichtenheft postulierten Qualitäten (Qpflihe) - das Mass, in welchem das wirkliche Produkt diese Merkmale erfüllt, wenn es vollumfänglich funktioniert (ηprod) - seine Verfügbarkeit ηverf als der Zeitanteil, bezogen auf die Einschaltdauer, während dem das Produkt funktioniert ("up time"). Der effektive Nutzen ist dann: Qeff = QPflihe x ηprod x ηverf 3. STRUKTURIERUNG DER FV. 3.1 Überblick Das Fertigungsverfahren umfasst die grundsätzliche Beschreibung der Art wie Stoffzusammenhalt oder Eigenschaften verändert werden können. Der Fertigungsprozess ist der konkret an einem Produkt ablaufende Vorgang. 3.2 Einteilung der Fertigungsverfahren in Hauptgruppen 3.3 Überblick über die Hauptgruppen Urformen Urformen ist Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes. Dabei treten die Stoffeigenschaften des Werkstückes bestimmbar in Erscheinung. Bei einigen Urformverfahren werden Hilfsstoffe, z.b. Bindemittel, verwendet. Urformen werden auch beim Fügen und Beschichten verwendet. Qualitätssicherung: QFD: Konsequente Durchsetzung v. Marktanforderungen DOE: Experimentelles Aufsuchen der Einflussfaktoren auf Qual. FTA: Systematische suche nach Fehlerursachen FMEA: Suche nach Fehlermöglichkeiten und deren Einfluss Poka Yoke: Zufällige Fehler Vermeiden (Murphy s Law) SPC: Statistische Prozesskontrolle mit Gegenregelung vor eintreten der Toleranzüberschreitung MFU: Feststellung ob die Maschine langfristig Toleranzen halten kann Maschinen Fähigkeit c pk = 2d/S (d:kleinster Abstand des Mittelwerts von Tol, S: Prozessstreuung(6x Standardabweichung) 2.2 Phasen vor der Produktion: Marketing und Pflichtenheft Das Marketing Analysiert Marktbedürfnisse und erstellt daraus da Lastenheft Lastenheft... Pflichtenheft 2.3 Phase Konstruktion Erste Phase der mechanischen Produktion: Erstellung aller notwendigen Unterlagen die zur Herstellung des Produkts(Umsetzung des Lastenhefts): Fertigung, Montage, Abnahme, Verwendung(Anleitung, Rep., Service), Entsorgung Konstruktion soll:fertigungs-,montage-,reparatur,demontagegerecht sein Einhalten Des Lastenhefts: Kosten, Termine, Qualität

2 Umformen Umformen ist Fertigen durch bildsames (plastisches) Ändern der Form eines festen Körpers. Dabei werden sowohl die Masse als auch der Zusammenhalt beibehalten. Umformverfahren werden auch beim Fügen verwendet. Anmerkung: Zum Fügen gehört auch das Fügen verschiedener Stellen ein und desselben Körpers, z. B. eines Ringes. Trennen Trennen ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers, wobei der Zusammenhalt örtlich aufgehoben, das heisst im Sinne von Bild (Kapitel 3.2) im ganzen vermindert wird. Dabei ist die Endform in der Ausgangsform enthalten. Zum Trennen zählt man auch das Zerlegen zusammengesetzter Körper. Beschichten Beschichten ist Fertigen durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück. Massgebend ist der unmittelbar vor dem Beschichten herrschende Zustand des Beschichtungsstoffes. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden Verfahren wie Plattieren, Aufkleben von Folien oder Furnieren oft fälschlicherweise dem Beschichten zugeordnet. Da die Schicht nicht aus formlosem Stoff erzeugt wird, sondern als ein geometrisch bestimmter Körper durch Schweissen, Löten oder Kleben mit dem Werkstück verbunden wird, gehören solche Verfahren zum Fügen. Fügen Fügen ist das auf die Dauer angelegte Verbinden oder sonstige Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken von geometrisch bestimmter Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff. Dabei wird der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im ganzen vermehrt. Stoffeigenschaften ändern Stoffeigenschaftändern ist Fertigen durch Verändern der Eigenschaften des Werkstoffes, aus dem ein Werkstück besteht. Dies geschieht i.a. durch Veränderungen im submikroskopischen bzw. atomaren Bereich, z.b. durch Diffusion von Atomen, Erzeugung und Bewegung von Versetzungen im Atomgitter und chemische Reaktionen. Unvermeidlich auftretende Formänderungen gehören nicht zum Wesen dieser Verfahren.

3 -alle nur indirekt mit der Prozessdurchführung verbundenen, nicht oder nur lose von der Stückzahl abhängigen Kosten. Dabei ist nochmals zu unterscheiden zwischen den -Basis-Nebenkosten wie Investitions- bzw. Kapitalkosten, benützungsunabhängige Instandhaltungskosten, Ausbildungskosten, aber auch Raum-, Heizungs-, Klimatisier- Kosten u.ä., -sowie den Verfahrens- und serienspezifische Nebenkosten wie Vorbereitungs- und Einrichtekosten, Kosten für spezielle Haltevorrichtungen und Spezialwerkzeuge usw. Ebenfalls häufig verwendete Begriffe sind: -Direkte Kosten: Entsprechen im Wesentlichen den Hauptkosten. -Indirekte Kosten: Entsprechen im Wesentlichen den Nebenkosten. -Variable Kosten: Stückzahlabhängige Kosten (Hauptkosten). -Fixkosten: Zur Aufrechterhaltung der Produktionsbereitschaft erforderliche Kosten: Kapital-, Personalkosten (Nebenkosten). Technische Qualität Settimo gruppo Zusätzlich zu den 6 Hauptgruppen nach DIN 8580 kann noch eine siebente Gruppe erwähnt werden. Dabei handelt es sich um stoffaufbereitende Verfahren, die vor allem zur metallurgischen und chemischen Herstellung der Rohmaterialien (Flüssigkeiten, Pulver, Fasern, Granulat, Masseln) verwendet werden. 4. EIGENSCHAFTEN DES FP. 4.1 Prozessmodelle Die Gewichtung der verschiedenen Einflussfaktoren ist je nach Prozess recht unterschiedlich. 4.2 Ergebnisbezogene Eigenschaften Zeit Die Prozesszeit oder Brauchzeit ist die Zeit, die auf der Maschine gebraucht wird, um den Prozess ablaufen zu lassen. t H Unter der Hauptzeit t H versteht man die Zeit, während welcher der der eigentliche Fertigungsprozess tatsächlich abläuft, d.h. ein Fertigungsverfahren zur Anwendung kommt. t N Alle anderen Zeiten, die zur Durchführung des Prozesses nötig sind, während denen aber die Maschine nicht auf ein Produkt wirkt, sind Nebenzeiten t N. t R Als Rüstzeit t R wird die Zeit verstanden, während der die Maschine auf ein neues Produkt, eine neue Serie vorbereitet und eingestellt wird. t S Die Stillstandszeiten berücksichtigen auch die unproduktiven Zeiten infolge Pausen, Materialmangel und dgl.. t We Häufig wird die Zeit, die für die Behebung des direkt stückzahlabhängigen Verschleisses aufgewendet wird, nicht in den Stillstandszeiten berücksichtigt sondern wird auf die Stückzahlbezogen den Nebenzeiten zugeschlagen. Man nennt diese die anteilige Werkzeugwechselzeit infolge Standzeitende t We t e Die Stückzeit t e ist die Zeit, die für die Fertigung eines einzelnen Werkstücks gebraucht wird. tw twe = M Standmenge eines Werkzeugs M tr te = th + tn + twe + L Unter der Losgrösse L versteht man die Anzahl Teile, die gemeinsam, ohne die Maschine zwischendrin umzurüsten, abgearbeitet werden. Kosten Hauptkosten: -alle direkt mit der Durchführung des Prozesses verbundenen, stückzahlabhängigen Kosten: Arbeitskosten, Werkzeugkosten, Kosten für Hilfsmaterialien, benützungsabhängige Instandhaltungskosten und Reparaturkosten; Kosten für Ausschuss, für Spezialausbildung. Nebenkosten: (normal erreichbar) (durch Sondermassnahmen erreichbar) Unter diesem Begriff verstehen wir hier das technische Ergebnis einer Fertigung. Es bemisst sich nach den Aspekten: -Art des Roh- und Fertigteils. -Herstellbare Geometrien. -Mass- Form- und Lagegenauigkeit, Wiederholbarkeit,... -Oberflächengüte. Generelle Regel: Je höher geometrische Genauigkeit und / oder je höher die Oberflächenqualität, die durch ein bestimmtes Verfahren erreicht werden können, desto kleiner ist die Fertigungsgeschwindigkeit gemessen als Abtragsrate oder Taktzeit und desto höher sind die Kosten. Menge Während die Menge an sich keine Prozessgrösse darstellt, sie bemisst sich als der Quotient aus verfügbarer Zeit und der Fertigungszeit pro Stück. Allgemein kann gesagt werden, dass ein Prozess umso Produkteflexibler ist, je kleiner der Vorbereitungsaufwand für seinen Ablauf ist. Kennzeichen wenn auch eher qualitativ ist der Formspeichergrad eines Verfahrens, der den wertmässigen Anteil der Aktivteile (Teile, die mit dem Werkstück in Berührung kommen) erfasst, der im Mittel zum Geometriewechsel auszutauschen ist. Zum Beispiel: -Profilschleifen nicht-zylindrischer Profile, z.b. verwundener Turbinenschaufeln (Formspeichergrad klein). -Grossteiltransferpresse für Karosserieteile (Formspeichergrad annähernd 100%). -Erzeugen von Formen mit sich wiederholenden Geometrieelementen durch Elektroerosion mittels bahngeführter Formelektrode (Formspeichergrad mittel). -Schnittpresse zur Erzeugung von Platinen (Formspeichergrad 80%). -Erzeugen von Platinen durch Laserbeschnitt mit händischer Beschickung (Formspeichergrad 0). 4.3 Beurteilung einzelner Verfahrensgruppen Qualitätsanforderungen: -Gussform: Präzision, Oberflächengüte plus Temperaturfestigkeit und Eignung zum Ausformen. -Schmiedegesenk: Präzision plus Warmfestigkeit plus mechanische Festigkeit. -Stanzmatrize: Genauigkeit, Oberflächengüte plus hohe Verschleissfestigkeit. -Ziehmatrize (für Strangguss): Genauigkeit plus hohe Warmfestigkeit plus hoher Verschleisswiderstand. Die klassische Gruppierung: -Ur- und umformende Verfahren: Ungenau, mässige Oberflächenqualität; hohe Vorbereitungs-(Werkzeug-)Kosten, sehr günstige Einzelkosten, deshalb unflexibel, aber geeignet für grosse Stückzahlen. -Trennende Verfahren: Sehr genau, hohe Oberflächengüte, flexibel, aber hohe Einzelkosten kommt immer mehr ins Wanken. Gestaltung von Verfahrensketten für die Zahnradfertigung durch Veränderung der Verfahrensgrenzen der Einzelverfahren:

4 Hochleistungslaseranlage 30 m/min. Der Stanzautomat ist damit 170 mal schneller (kostet auch ca. 4 mal soviel). 5.3 Automatisierung in der Fertigung Unter Automatisierung versteht man das Ablaufen einzelner und das Aneinanderreihen mehrerer Fertigungsoperationen ohne menschlichen Eingriff. Neben der "Befreiung des Menschen" resultieren daraus als Ziele: -Eine Reduktion der Lohnkosten. -Zum Teil auch ein höherer Mengendurchsatz. -Eine homogene, nicht mehr von menschlichen Launen beeinflusste Qualität. 5. FERTIGUNGSORGANISATION 5.1 Der Fertigungsbetrieb Diese Bild zeigt sehr vereinfacht einen Fertigungsbetrieb aus Einzelmaschinen, wie er für Teilefertigung in Serie organisiert sein könnte. Jede der Maschinen benötigt den bereits angesprochenen Strom an Material, Energie, Information (Daten). Die Materialversorgung und die Fertigteilentladung werden durch einen durchgehenden Materialfluss von einem Materiallager in ein Fertigteillager oder die Montage dargestellt. Die Durchlaufzeit t D ist die Zeit, die vergeht zwischen dem Start eines Fertigungsauftrags (Bedarfsanmeldung) und der Verfügbarkeit der Teile (Bedarfsdeckung). ( ) t = t + t D Li Üi i t Li t Üi Brauchzeiten Übergangszeiten (Liege- / Transportzeit) 5.2 Flexible Fertigung Solche Maschinen beherrschen einen oder mehrere Verfahren und werden nach diesem Verfahren benannt (Drehmaschine für den Prozess Drehen). Haben solche Maschinen eine NC Steuerung werden Sie auch Automat genannt (Drehautomat). Haben die Maschinen einen eigenen Werkzeugspeicher, bezeichnet man sie als Zentrum (Fräszentrum). Das Idealziel war ein System, das möglichst lange eine "chaotische Fertigung" ohne menschlichen Eingriff durchziehen konnte. Die Realität zeigte, dass dieses Ziel nur bei Beschränkung auf eine bescheidene Flexibilität mit höchstens einem Dutzend verschiedener Werkstücke einigermassen erreichbar war, sonst wurden die Systeme zu teuer und störanfällig. Man richtet nun auch "Inseln" genannte Gruppierungen ein, bei welchen eine Gruppe von Menschen mit Hilfe entsprechender Fertigungsmittel gewisse Produkte oder Bestandteile davon völlig selbständig und in voller Eigenverantwortung bezüglich Terminen und Qualität fertigt. Zusammenhang zwischen Flexibilität und Produktivität Beispiel: ein guter Stanzautomat (2000 kn), der mit einem Werkzeug mit 100% Formspeicherung 0,5 mm dicke Bleche schneidet, erreicht bei geringer Blechfestigkeit ca. 5km Schnittlänge pro Minute. Eine hochflexible Unterteilung der Automatisierung: -Starr ablaufende Vorgänge: automatischer Vorschub, automatische Zustellung, automatischer Werkzeug- und Palettenwechsel. -Vorgänge, welche eine beschränkte Anzahl von Alternativen berücksichtigen können. Diese betreffen meistens den Arbeitsablauf bzw. dessen Ergebnis und benötigen demzufolge entsprechende Sensoren oder andere Informationen. -Auf der höchsten Stufe sind Abläufe anzusiedeln, die komplexe Situationsanalysen erfordern. Wir denken hier insbesondere an Roboter mit leistungsfähigen Sensoren (optisch, taktil, akustisch) und entsprechender Auswerte-Intelligenz wie etwa der geschirrabräumende Roboter. 5.4 Leistungsfähige Prozesse Mit diesem, noch nicht zum Schlagwort avancierten Begriff soll das Prinzip benannt werden, die Anzahl Prozesse, die zur Fertigstellung eines Werkstücks bzw. Produktes nötig sind, möglichst gering zu halten, z.b.: - Hochleistungs- und Tiefschleifen - Präzisionsgiessen - Feinstanzen - Feinstfräsen 5.5 Mehrere Verfahren auf einer Maschine Verringerung der Übergangszeiten, der Automatisierungskosten und Verbesserung der Genauigkeit durch Vermeidung von Umspannvorgängen treibt diese Idee. Im Gegensatz zum letztgenannten Prinzip werden hier aber mehrere, durchaus konventionelle Prozesse auf einer Maschine kombiniert. Der Effekt ist jedoch ähnlich: Weniger Aufspannungen, weniger Umtriebe, weniger Zeit und Kosten. Beispiele: -Blech: Laserschneiden, Nibbeln, Stanzen und Biegen auf einer Maschine. -Angetriebene Werkzeuge (Bohrer, Gewindebohrer, Fräser) auf der Drehmaschine. 5.6 Optimierung von Teilfertigung und Montage Im Trend liegt die Verringerung der Teilezahl pro Produkt, um Montageaufwand zu sparen. 5.7 Die Mittel der Fertigung Der Mensch Der Mensch ist der wertvollste, wichtigste flexibelste und teuerste Produktionsfaktor. Anderseits verlangt auch nicht jede Arbeit die gleichen Fähigkeiten; ein "niedrig qualifizierter" Mensch kann für manche Arbeiten besser geeignet sein als ein hoch qualifizierter. Man scheue sich bei der Personalwahl nicht davor, Hilfen aus dem Bereich der Psychologie wie etwa die Schriftanalyse mit einzubeziehen. Bezüglich seiner Bedürfnisse sei die Bedürfnispyramide von Maslow erwähnt, die einen Hinweis auf "humane" Arbeitsbedingungen und einen entsprechenden Umgangston liefern möge: Selbstverwirklichung Achtung, Anerkennung Liebe, Zuneigung Sicherheit Essen, Trinken, Obdach Das Prinzip von Maslow besagt, dass eine gewisse Bedürfnisstufe erst relevant wird, wenn alle darunter liegenden Stufen genügend befriedigt sind. Anerkennung wird also erst geschätzt, wenn man sich wohl aufgenommen fühlt. Maschinen und Werkzeuge Die Maschinen und Werkzeuge sind die Mittel zur Durchführung der bisher besprochenen Schritte der Fertigung. Bei Neuanschaffungen wird zumeist eine Wirtschaftlichkeits- bzw. Amortisationsrechnung gemacht. Spezialfall: Automatisierung es gibt eine wachsende Zahl von Geräten und Maschinen, welche speziell für die Automatisierung geschaffen wurden: -Transport- und Fördergeräte (Rollenwege, Transportbänder, -Ketten; Schienen- und unbemannte Fahrzeuge; Hängebahnen, Portalroboter usw). -Handling- oder Handhabungsgeräte: Zuführgeräte, Geräte zum Sortieren und zum Ordnen von Teilen (Rüttelförderer) usw. -Werkzeug- und Palettenwechsler. -Roboter aller Art, insbesondere Gelenk- und Portalroboter. Organisation Die Organisation der Fertigung entscheidet über den rationellen Einsatz der vorhandenen Betriebsmittel und des Personals. Es gibt heutzutage viele verschiedene Formen der Aufbau- und Ablauforganisation. Es ist wichtig, zu realisieren, dass die optimale Organisation von der jeweiligen Situation, dem Ort und anderen Rahmenbedingungen abhängt. Gebäude

5 In einer guten Fertigung "stimmt" alles zusammen. Dazu gehören auch die Gebäude. Sie müssen gewissen technischen Anforderungen genügen: -Schutz vor dem Wetter: Nässe, Wind, extreme Temperaturen. -Genügend Licht, aber keine direkte Sonneneinstrahlung. -Möglichst konstante Temperatur, ev. klimatisiert. -Vorrichtungen vorhanden zur Vermeidung von übermässigem Staub. -Genügend steife und erschütterungsfreie Fundamente. -Rauchüberwachung. -Stromversorgung, Beleuchtung, Netz- und andere Kabel, Druckluft, übrige Infrastruktur,... Da sich Ihre Mitarbeiter während rund 20 % der Zeit bzw. sogar 30 bis 40% der wachen Zeit eines Jahres in diesem Gebäude aufhalten, ist es wichtig, dass sie sich darin auch einigermassen wohl fühlen. 5.8 Weitere Mittel der Fertigung Lager Ein grosses verfügbares Lagervolumen bedeutet: -grosser Pufferraum; gestattet das Fertigen "an Lager" grösserer Serien auch in flauen Zeiten, d.h. eine gleichmässige Auslastung des Betriebs. -vollständiges Zwischenlager für die JiT (Just in Time)-Fertigung. -grossen Investitions-, Betriebs- und Verwaltungsaufwand. Ideal wäre also ein grosses Lagervolumen, das nur wenig Ware enthält! Transport Man wird aber auf jeden Fall versuchen: -Interne Transportwege kurz und direkt zu halten. -Externe Transporte möglichst ohne Sondermittel wie Tiefgangwagen, Tiefkühlwagen, Sonderkurier usw. zu ermöglichen. -Weiträumige, länderübergreifende Transporte auf ein Minimum zu beschränken. 5. Umformtechnische Verfahren 5.1 Einleitung 1.1. Bedeutung umformtechnischer Verfahren Mehr als die Hälfte der Stahlproduktion entsteht durch umformen. Besonders Automobilindustrie Stand Der Virtuellen Prozessplanung Digitale Modellierung der Werkstoffe, Modellierung der Prozesse und Abbildung der Fertigungsprozesse sind heute Möglich. 5.2 Mathematische Modellierung von Umformprozessen - Grundlagen 2.1. Kontinuumsmechanische Beschreibung Wichtige Grundgleichungen Umformprozesse stellen kontinuumsmechanische Strömungsvorgänge dar. Jedoch sind Geschwindigkeiten klein. Dies erlaubt Vereinfachungen Massenerhalt und Kontinuitätsgleichung Massenerhaltung: ρ dv = ρ v n ds t Mit Gauss, und Inkompressibilität: div( v) = 0 v + v + v = ε xx+ ε yy+ ε zz V... x, x y, y z, z = Dehnungsgeschwindigkeiten Inkrementiert: ε + ε + ε = 0 xx S yy Dehnungsberechnung Logarithmisches Dehnungsmass: l ε = ln (Schlecht Bei Schubdehnungen) xx l 0 Green-Lagran sches Deformationsmass: 1 ε ij = ( u i, j + u j, i + uk, i uk, j ) (Auch bei Schubdeformationen) Impuls und Gleichgewichtsbetrachtungen Impulssatz: DI D( mv) = = F ext Dt Dt Dv Dt Differentiell: ρ = div( σ ) + ρg Geschwindigkeit v vernachlässigbar: div( σ ) + ρg = div( σ ) + f = Thermomechanische Grundbeziehungen Wärmeleitungsgleichung: T λ = T t ρc 2.2. Werkstoffdaten und Mathematische WS-Modellierung Qualität der Modellierung und der Daten ergibt die Qualität der FEM- Simulation Wichtige Eigenschaften: 1.Verfestigung (Fliesskurve), 2.Anisotropie (Fliessort), 3.Versagen(Versagenskriterien) Flieskurvenbestimmung 0 p zz. ε xx Gemessen wird F(u), daraus erhält man Spannungs-Dehnungsdiagramm Technische Fliesskurve: -Technische Dehnungen: E 11 = (L-L 0 )/L 0 =u/l 0 -Technische Spannungen: k t_tech = F(u)/A 0 A 0 Anfangsquerschnitt Genauer ist die logarithmische Dehnung- wahre Spannung: -logarithmische Dehnungen: ε 11 = ln(l/l 0 ) - wahre Spannungen: σ 11 = F(u)/A(u) A(u) Moment. Querschnitt Spannungsberechnung erfolgt somit nicht auf Anfangsquerschnitt sondern auf den Momentanen Querschnitt:A(u) = A 0 exp(-ε 11 ) k f = σ 11 = F(u)/(A 0 *exp(ε 11 )) Oft ist Verlauf der Fliesskurve nicht Glatt, und werden darum mathematisch approximiert, Ansätze: - Ghosh: k f = A(B+ε v ) n -C - Hocket-Sherby: k f = B-(B-A) exp(- mε n v ) Bestimmung der Anisotropie Anisotropie : Richtungsabhängigkeit der Fliesskurve. Auf Orientierung des Gefüges zurückzuführen. Einfachste Abschätzung : Messung der diversen R- Werte z.b.: Flächenanisotropie ε 22 Rα = ε α: Winkel zur Walzrichtung Einfluss der Anisotropie auf die Form des Fliessortes Ansatz von Hill 49: Behandlung von Versagen Zur Voraussage des Versagens bei Blechumformung werden Grenzformschaubilder(GFS) verwendet: ε maj (ε min )= kritische Dehnung in Funktion der Querdehnung. Nur Anwendbar wenn ε 22 = konst., und Werkstoffe gleich dick sind. ε 11 Voraussage ist bei Massivumformung sehr schwierig (z.b. durch Modelle die von Bildung von Poren Ausgehen möglich) Reibung -Komplexer Mischvorgang aus Festkörperreibung und hydrodynamischer Reibung. Modellierbar mit der Beziehung n. Coulomb τ = µ -Bei Massivumformungen nicht geeignet, weil σ n σ n τ Man Benutzt das Reib-Schubspannungsmodell: τ = m τ krit 2.3. Stoffgesetze Stoffgesetz: Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen. Bei Metallen wird, je nach Anwendung das: - Starr-plastische Stoffgesetz (vernachlässigt elastische Dehnungen). σ 11 σh σ12 σ13 1 s = = ij σij σkkδ ij σ21 σ22 σh σ23 3 σ σ σ σ H 1 mit σh = ( σ11 + σ22 + σ33 ) 3 2 n mit Fliessgesetzen εv = εij und k f = A( B + εv) C 3 - Elasto-plastische Stoffgesetz eingesetzt. 5.3 Blechumformprozesse 3.1. Einleitung nach Verfahren Umformen mit starren Werkzeugen: - Tiefziehen - Streckziehen Umformen mit fluiden Mitteln: - Hydromechanisches Tiefziehen - Aktiv-Hydromec-Verfahren Umform en mit flexiblen Mitteln: - Gummistempel Umformverfahren - Gummimembran Umformverfahren Sind alles Kalt-Umformverfahren, ausser das Super-Plastisch Umformen SPF (Superplastische eigneschaften von Al- und Ti- Legierungen bei hohen Temp...Hohe Kosten) Beispiele für Klassische Tiefziehteile -Blechumformfertigung (Karosserieblech,...) -Food- und Pharma- Verpackungen -Viele Kleinkomponenten 3.3. Wahl des Fertigungssystems Alle Obigen Beispiele erfordern hohe Stückzahlen. Deshalb spielt der Automatisierungsgrad eine grosse Rolle. 5.4 Beispiel Digitale Autofabriken Einzelne Aufgabengebiete werden durch Entwicklung entsprechender Schnittstellen weitgehend Verknüpft. Ziel sind Digitale Fabriken, sie ermöglichen eine virtuelle Prozessoptimierung Möglichkeiten zur digitalen Methodeplanung 33

6 - Special Purpose Methoden-Planungstools. -Ermöglicht schnelle Planung von Ankonstruktionen. -Parametrisierung ermöglicht sinnvolle Variation der den Umformprozess beeinflussenden Blechbereiche. -Ermöglicht rechnerische Werkzeugoptimierung Digitaler Try-out Virtuelle Planung ermöglicht virtuelle Tests. Virtuelle Optimierung der Prozesse ist noch nicht möglich Optimierung durch evolutionäre Algorithmen Die Optimierung der Lösungen erfolgt auf der Basis parametrisierter Modelle: Warmumformung Kaltverfestigung nimmt mit steigender Temperatur immer mehr ab. Bei Warmumformung ( C bei St) nur noch Dehnungsgeschwindigkeitsabhängige Fliessspannung. Werkstoffverhalten bei hohen Temperaturen. Absenkung der Formänderungsfestigkeit und Zunahme des Einflusses der Umformgeschwindigkeit Methoden zur Kontrolle der Robustheit Problematik Teile werden heute so eng toleriert, dass die Einhaltung der Toleranzen Problematisch wird Einsatz Stochastischer Verfahren Funktionieren wie Deterministische Verfahren, lassen jedoch die Eingabeparameter entsprechend realer Wahrscheinlichkeit variieren. Extrem hoher Rechenaufwand: 4.4. Reale Inbetriebnahme Werkzeuge Benötigen Einarbeitung, da kleinste Geometrieänderung bei den WZ ein stark Verändertes Fliessverhalten folgt. Zur Hilfestellung braucht man FEM und Einfahrtsprotokolle ähnlicher WZ. 5.5 Massivumformverfahren -3D Spannungszustand. -Spannungen übertreffen wegen Fliessspannung hydrostatischer. -Hohe Umformungsgrade bewirken hohe Spannungen. -Massnahmen gegen hohe Spannungen: - Erhöhung der Temp. (Halbwarm- /Warmumformung) - Spezielle WZ-Technologie durch Vorgespannte Werkzeuge - Spezielle Pressen -Umf ormkräfte begrenzen Werkstückgrösse Einteilung nach Verfahren DIN-Klassifikation Teilt nach WS-Beanspruchung auf. Aufteilung aus Sicht der Fertigungstechnologie: Wichtigste Verfahren: Walzen, Fliesspressen, Prägen, Eindrücken, Strangpressen 5.2. Einfluss der Temperatur auf die Fliessspannung Kaltumformen, aber auch Halbwarm- und Warmumformen. Höhere Temperaturen bewirken kleinere Fliessspannungen, und daher Niedrigere Umformkräfte. Dazu kommt höhere Umformbarkehit dank Rekristallisation (T > 0.4T S ) Kaltumformung WS mit möglichst hohem Umformgrad und geringer Verfestigung. Hängt bei nicht legierten St von C Gehalt ab Halbwarmumformung (HW) 650 C < T <800 C (ca. 0.5T S ). Fliessspannung mehr als 30% Tiefer als bei Kaltumformung. C Gehalt bis 1%. Experimentelle Datenerfassung Fliessverhalten wird mit Druckversuch gemessen. Fliesskurve in Abhängigkeit von Dehnung und Dehnungsgeschwindigkeit: m ( ( )) σ=c & Q ε exp RT mit C = C 1 exp ( ) 3 o C α ε ε o Verzunderung der Oberfläche: Nachteil Der Warmumformung -Hohe Umformvermögen, jedoch Verzunderung (Oberfl. reagiert mit Luft). -Zunder =>Oberfläche muss Nachbearbeitet werden Kalt-,HW-,Warmumformung: Prozessspezifische Eigenschaften 5.4. Einzelne Massivumformverfahren Druckumformverfahren DIN Aufteilung der Druckumformverfahren: Walzen, Freiformen, Gesenkformen, Eindrücken, Durchdrücken, (Umformstrahlen, Oberflächenveredlungsstrahlen) Walzen von Breitband -Erstellen Halbzeuge. -Unterteilung: Längswalzen, Querwalzen und Schrägwalzen. Nach der WZ- erzeugt Warmband als Vorprodukt zum Kaltwalzen. Geometrie in Flach oder Profilwalzen, Nach WS Geometrie in voll oder hohl. -Warmwalzen -Kaltwalzen erstellt Folien und Bleche bis minimal 0.1mm Dicke. -Kaltwalzen erzeugt gute Oberflächenqualität. -Aufteilung Bleche: Grobbleche(h>4.75mm) Mittelbleche(3.0<h<4.75) Feinbleche (h<3.0mm) Stück-Walzverfahren Stellen Fertigprodukte her. Bsp: Walzen von Rohren, Gewinden, Formteilen. Unterteilung nach: - Kinematik(Längs, Quer, Scrägwalzen) - WZ Geometrie (Flach-, Profilwalzen) - WS Geometrie (Voll- und Hohlkörper) Prägen -Klasse der Eindruckverfahren. -Herstellung von Münzen, Dickblechumformung. -WS wird Zwischen zwei Form-WZ gedrückt Freiformen z.b.: Recken im Flachsattel, Aufteilen eines Ringes über einem Dorn mit einem Flachsattel. WS Fliest in Richtung der Freien Oberflachen ungehindert Gesenkformen Gesenkschmieden -WS Umformung im Warmen Zustand, Wobei der WS in eine Bestimmte Richtung gedrängt wird, und die Form der Gravur im Gesenk annimmt. -Form Allseitig begrenzt.

7 -Durch (Eventuell vorhandenen) Grat kann überflüssiger WS Abgedrängt werden, wodurch eine Überbelastung des WZ verhindert wird Stauchen -Ebenfalls eine Art des Freiformens, ist ein Druckverfahren, bei der die Druckwirkung in der Längsachse des Werkstücks liegt. -Aus draht oder stangenförmigem Abschnitt entstehen Bolzen mit Beliebigem Kopf, oder Massiv WS wie z.b. Kugeln. -Setzen: Stauchen in geschlossenem WZ ohne Grat. -Maximale Stauchgrade WS abhängig: ϕ= Stauchverhältnis: h 0 /d 0 bis 2.3 bei einfachdruckverfahren, 4.5 bei zweifachdruckverfahren, 8.0 bei dreifachdruckverfahren, Sonst: Knickgefahr! -Bei Ausgebauchten Teilen Können Risse infolge Zugspannungen Entstehen. -Versagen wegen: Knicken, Längsrisse durch Tangentiale Zugspannung, Versagen durch Schubrisse Fliesspressen Aufteilung nach Bewegung des WS relativ zum Stempel: Vorwärts-, Rückwärts-, Querfliess-Prozesse. Aufteilung nach WS Form: Voll- Hohl-Fliesspressen. -VVFP Voll-Vorwärts-Fliesspressen Wegen Wandreibung h/d < , ϕ< 1.6, bei komplexen geom: ϕ= HVFP Hohl-Vorwärts-Fliesspressen Gefahr das Dorn Abreist. Weitere: Verjüngen, Abstreckgleitziehen, Querfliesspressen. Oft Werden Verfahren kombiniert. Stadiengang und WZ Beanspruchung -Einschränkungen aufgrund der zulässigen WZ Werkstoffbeanspruchung -Kaltarbeitsstähle N/mm 2 -Schnellarbeitsstähle: Schnellmetallurgisch erzeugt: n/mm 2 Pulvermetallurgisch erzeugt: N/mm 2 2 -Hartmetalle: N/mm -Zudem Werden WZ Armiert und Vorgespannt Fliesspressen im Taumelnden Gesenk Taumeln Nur der Teilbereich der von der Taumelscheibe erreicht wird, wird plastifiziert Strangpressen -Drücken eines Blockes durch eine Formgebende Öffnung. -Unterteilung wie bei Fliespressen. bei schwer Verpressbahren -Rückwärts Strangpressen vor allem Legierungen. 6. TRENNEN Trennen ist das Ändern der Form eines festen Körpers durch lokale Aufhebung des Materialzusammenhangs. Trennende Fertigungsverfahren: -Zerteilen: beim Schneiden eines Bleches entstehen zwei Teile, die gleiche Materialeigenschaften haben und beide Bleche sind. -Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden: stärkste Verformung. -Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden: stärkste Verformung. -Abtragen: Abtragsprozesse sind daher in thermische und chemische / elektrochemische Prozesse gliederbar. -Zerlegen: Zerlegen dient der Demontage. -Reinigen: Reinigen ist der Abtrag von Schichten, die eine gegenüber dem Teil andere chemische Struktur aufweisen. 6.1 Zerteilen Verfahren des Zerteilens Geschlossener und offener Schnitt Aussschneide Im geschlossenen Schnitt läuft die Schnittlinie nach Umrandung der gewünschten Kontur in sich zurück: Im offenen Schnitt hört die Lochen Schnittlinie entweder im Werkstück auf (Einschneiden) oder sie kreuzt die Materialkante: Einschneiden Abtrennen Auslinken Ausklinken Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden: es wird die Geometrie einer Schneide aufgelöst in eine Vielzahl von statistisch angeordneten Stanzen Schneiden mit stochastisch verteilten Geometrien (z:b.: Honen, Lappen...) Beim Stanzen wird ein Blech zwischen Stempel Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden: (z:b.: Drehen, Fräsen,...) und Matrize geschoben, der Stempel durch das Blech in die Matrize gedrückt. Die beiden Schneidkanten des Stempels und der Matrize sind dabei parallel, d.h. an allen Stellen entlang der Schnittlinie setzt der Stempel zur gleichen Zeit auf die Blechoberfläche auf, ist zur gleichen Zeit um den gleichen Betrag in das Werkstück eingedrungen. Lebensdauer des Werkzeugs (L): l n Anzahl der Hübe pro Nachschliff L = n n l N Nutzbare Stempellänge s s Eintauchtiefe Ein gutes Hartmetallwerkzeug, welches z.b. Elektromotorenbleche stanzt, verträgt pro Nachschliff ca. 2 Mio Hübe. Beim Stanzen von Verschleissplatten aus Manganhartstahl für Gleiskettenfahrzeuge ist man mit n = 5000 Hüben schon zufrieden. Schnittfläche Defekten: a)-randeinzug (beim Butzen auf der Unterseite) S A b)-durchbiegung (Tellerfedrigkeit) c) Zipfelbildung (abh. v. Mat.) d)-grat (beim Butzen auf der Oberseite) n G e)-anrisse im Bereich der Bruchfläche f)-unregelmässige und kegelförmige Bruchfläche (beim Butzen auf der Oberseite) Verschleiss der Stanzwerkzeuge: Zunehmende Schneidspalte vergrössern die genannten vier Defekte, kleiner werdende Schneidspa lte führen zu verstärktem Verschleiss (u.a. auch weil durch Führungsspiel Matrizenkante und Stempelkante aufeinander aufsetzen). Der optimale Schneidspalt beträgt: u opt =0,08 0,1s Schnittkraft: Dabei ist c v =1,0 1,6 der Fs = cvlsks s Verschleissfaktor, 1,1 gilt für scharfe Schneidkanten, 1,6 für stark abgerundete. Die Länge l S ist die Länge der Schnittlinie auf dem Blech, s ist die Blechdicke. Scherfestigkeit: (R m = Zugfestigkeit) k s =0,8R m F 2 s = c k 2tanδ s v s della Matrize. Herstellung einer Lochscheibe: Der Neigungswinkel δ wird auf 0,5 bis 3 begrenzt. Il Neigungswinkel è l angolo tra la superficie dello Stempel e Auch der Stanzvorgang erfolgt bei komplizierteren Teilen in Stufen. Zumindest wenn Teile eine Innenkontur und eine Aussenkontur haben, braucht man eine Stufe, die das Loch stanzt, danach wird das Teil im Blechstreifen weitertransportiert in die nächste Stufe. Dort wird die Aussenkontur erzeugt und das Teil ausgestanzt. 6.2 Zerspanung (Esportazione di truciolo) Grundbegriffe (DIN 8589 TO) Spanen: Trennvorgang, bei dem von einem Werkstück mit Hilfe der Schneiden eines Werkzeugs Werkstoffschichten in Form von Spänen zur Veränderung der Werkstückform und (oder) Werkstückoberfläche mechanisch abgetrennt werden. Die Werkstückform entsteht immer durch eine Kombination von Abbildung der Werkzeugform und erzeugenden Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug. b a f c d

8 Vorteilen spannenden Verfahren: höhe Genauigkeit, Oberflächenqualitäten, Energie und Materialaufwand, Gestaltungsfreiheit und Flexibilität, relativ gering Taktzeiten. Wachsende Konkurrenz erwächst dem Zerspanen durch das Kaltumformen, vor allem bei der Fertigung von Massengütern wie z.b. Schrauben. Standardschema Formgebung durch Spanen: Rohteil (Verringerung des Zerspanvolumens: near net schape z.b.: Kaltumformung, Giessen,...) Schruppen (sgrossatura, più passi) thermisch behandeln Schlichten (spianatura, più passi)- Feinstbearbeitung. Werkstück und Werkzeug bilden ein Wirkpaar; sie berühren sich entlang der Wirkfuge. Kinematik des Zerspanvorganges Weiterhin gilt: Als Mass für die Leistungsfähigkeit eines Verfahrens gilt das Zeitspanungsvolumen Q w : Für das Drehen: Schneidkeilgeometrie Freiflächen sind die den am Werkstück entstehenden Schnittflächen zugekehrten Flächen Unterschieden zwischen: Hauptfreiflächen: positive Projektion der Freiflächenn ormale auf die Vorschubrich tung Nebenfreiflä chen: negative Projektion der Freiflächennormalen auf die Vorschubrichtung Spanfläche ist diejenige Fläche, auf welcher der Span abläuft. Schneidkeil ist der Teil des Werkzeugs, an dem durch die Relativbewegung zwischenwerkzeug und Werkstücke der Span entsteht (Eckradius r e ). Geschwindigkeiten [m/min] [m/s]: v f : Vorschubgeschwindigkeit ( velocità di avanzamento) v c : Schnittgeschwindigkeit (velocità di taglio) v e : Wirkgeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit: combinazione di v c e v f ) Bewegungen: Schnittbewegung: Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug, die ohne Vorschubbewegung nur eine einmalige Spanabnahme während einer Umdrehung (giro) oder eines Hubes (corsa) bewirken würde. Vorschubbewegung: Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug, die zusammen mit der Schnittbewegung eine mehrmalige oder stetige Spanabnahme während mehrerer Umdrehungen oder Hübe ermöglicht (Schnittbewegung und Vorschubbewegung spannen die Arbeitsebene auf.). Zustellbewegung: Dicke der in einem Schnitt abzutragenden Schicht. Winkel [rad] [ ]: φ: Vorschubrichtungswinkel η: Wirkrichtungswinkel Werkzeug-Bezugssystem Wirk-Bezugssystem Abstände [mm]: Schnittweg w: Summe der Wegelemente, den der betrachtete Schneidenpkt auf dem Werkstück in Schnittrichtung schneidend zurücklegt. Vorschubweg l: Summe der Wegelemente, den das Werkzeug in Vorschubrichtung zurücklegt. Vorschub s: ist der je Hub oder Umdrehung in Vorschubrichtung zurückgelegte Weg. Zahnvorschub fz: Vorschubweg zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Zahn- bzw. Schneideneingriffen (s = z. fz z Zähnezahl). Beim Drehen ist z=1. Schnittiefe bzw. Schnittbreite a p : ist die Tiefe bzw. Breite des Eingriffs der Hauptschneide senkrecht zur Arbeitsebene. Eingriffsgrösse a e : ist die Grösse des Eingriffs der Schneide, gemessen in der Arbeitsebene und senkrecht zur Vorschubrichtung. Sie entfällt beim Drehen! Spanungsbreite b: ist die Breite des abzunehmenden Spans senkrecht zur Schnittrichtung, gemessen in der Schneidenebene Spanungsdicke h: ist die Dicke des abzunehmenden Spans senkrecht zur Schnittrichtung, gemessen senkrecht zur Schneidenebene. Spanungsquerschnitt A: [mm 2 ] Zeitspanungsvolumen Q w : [m 3 /s] Spanraumzahl: V s : Raumbedarf der Spanmenge R=V s / V V: Zerspantes Werkstoffvolumen Der Spanungsquerschnitt berechnet sich als: Wirk-Bezugssystem: Es bezieht sich auf das Zusammenwirken von Werkzeug und Werkstück; seine Basisrichtung ist die Wirkrichtung, die die Normale der Wirkbezugsebene darstellt. Die im Wirkbezugssystem angegebenen Grössen dienen der Darstellung des Zerspanungsprozesses. Ist Prozessabhängig Werkzeug-Bezugssystem: Es bezieht sich auf das Werkzeug als solches und orientiert sich an leicht zu definierenden Flächen bzw. Richtungen am Werkzeug. Dabei versucht man, die Drehung gegenüber dem Wirk- Bezugssystem klein zu halten. Im Falle des Drehmeissels ist die definierende Ebene die Auflageebene des Meissels oder eine dazu parallele. Das Werkzeugbezugssystem ist massgebend für die Werkzeugherstellung und dessen Instandhaltung. Schneidenebene steht senkrecht zur Bezugsebene und enthält eine Schneide. Keilmessebene steht senkrecht zu den beiden anderen Ebenen. Winkel am Schneidkeil Freiwinkel α: ist der Winkel zwischen der Freifläche und der Schneidenebene, gemessen in der Keilmessebene. Keilwinkel ß: ist der Winkel zwischen der Freifläche und der Spanfläche, gemessen in der Keilmessebene.

9 Spanwinkel γ: ist der Winkel zwischen der Spanfläche und der Bezugsebene, gemessen in der Keilmessebene. Eckenwinkel ε: ist der Winkel zwischen den Schneidenebenen zusammengehörender Haupt- und Nebenschneiden, gemessen in der Bezugsebene. Einstellwinkel κ: ist der Winkel zwischen der Schneidenebene und der Arbeitsebene, gemessen in der Bezugsebene. Neigungswinkel λ: ist der Winkel zwischen der Schneide und der Bezugsebene, gemessen in der Schneidenebene. Stauchfaktor λ: Mass für die Umorientierung des Werkstoffes und somit für die Verformungsenergie pro Volumeneinheit. Der Schnittvorgang Φ = Scherwinkel h = Spanungsdicke h ch = Spandicke 1 = primäre Scherzone 2 = Verformungsvorlaufzone 3 = sekundäre Scherzone: Reibungszone zwischen Werkzeugfreifläche und gefertigter Fläche 4 = sekundäre Scherzone: Reibungszone zwischen Werkzeugspanfläche und Spanunterseite 5 = Trenngebiet Das abzuspanende Material besitzt die Eigenschaften des Grundwerkstoffes, wird in der Scherzone stark umgeformt und fliesst (stark erwärmt und aufgehärtet) als Span ab. Im eng begrenzten Bereich der Scherzone kommt es einer völligen Änderung der Gefügestruktur. Hier wird ein sehr grosser Teil der Schnittleistung in Wärme umgesetzt. Der Ort der eigentlichen Werkstofftrennung kann je nach Werkstoff und Schneidkeilgeometriedirekt an der Werkzeug-Spitze oder in der Scherzone liegen. Spannarten Reissspan Scherpan Lamellenspan Fliessspan Reissspäne: entstehen vorwiegend durch das Abreissen einzelner Spanteile ohne nennenswerte Verformung in der Scherebene. Rauhe Oberfläche. Scherspänen: werden die Spanteile in der Scherebene völlig oder teilweise abgetrennt. Die einzelnen Spanteile können dabei untereinander, aber auch mit der Spanfläche verschweissen. Glatte Oberfläche. Lamellenspäne: entstehen bei ungleichmässigem Gefüge oder wenn Schwingungen zu Schwankungen der Spanungsdicke führen. Fliesspäne: werden durch gleichmässiges Verformen (Fliessen) des Werkstoffs stetig in der Scherebene gebildet, wenn der Werkstoff eine ausreichende Verformfähigkeit hat, das Gefüge im Spanbereich gleichmässig ist, die Verformung keine Versprödungserscheinungen hervorruft und die Spanbildung nicht durch Schwingungen beeinträchtigt wird. Glatte Oberfläche (vom Bearbeitungsergebnis optimal) Aufbauschneiden In der Stauzone durchläuft der Werkstoff eine sehr intensive plastische Verformung. Es bildet sich so ein sehr harter, keilförmiger Aufbau. Die Aufbauschneidenbildung ist ein periodischer Vorgang (~1 khz). Auswirkungen der Aufbauschneide (effetti): - schlechte Werkstück-Oberfläche wegen sich ablösender Aufbauschneiden-Teile - erhöhter Werkzeug-Verschleiss an der Freifläche - Verhinderung der Kolkung auf der Spanfläche (Schutzwirkung) Die Grösse der Stauzone und damit die Neigung zur Bildung von Aufbauschneiden hängt von folgenden Parametern ab: - Verfestigungseigenschaften des Werkstoffes - Temperatur (Schnittbedingungen) - Schneidkantengeometrie - Reibungsverhältnisse Schnittflächenrauhigkeit Die Schnittflächen-Oberfläche ist zunächst das Ergebnis des Trennvorgangs an der Schneide. Je duktiler und "trennfreudiger" der Werkstoff, desto glatter diese Trennfläche. Nun wird das Werkstück durch die Schnittkräfte nicht nur plastisch, sondern auch elastisch verformt. Rt: Theoretische kinematische Rauheit (Drehen, Fräsen) Temperatur Fast die gesamte eingesetzte mechanische Leistung wird in Wärme umgewandelt. Energieumsetzung: Umformarbeit, Trennarbeit, Reibungsarbeit. Ca. 40 bis 75 % der gesamten Zerspanungsleistung wird je nach Duktilität und Festigkeit des Materials in der Scherzone zur Verformung des Werkstoffes aufgebracht. Die Verformung ist über die Spandicke ungleichmässig verteilt (Spanunterseite: grössten Verformungen). Rund zwei Drittel der aufgenommenen elektrischen Leistung wird in Zerspanungswärme umgesetz. Der grösste Teil (bis 85% / 95% der Zerspgleistung) geht in den Span über. Diese Anteil hängt von der Spanungsdicke, der Schnittgeschwindigkeit v c,... ab. Einflussfaktoren Schneidentemperatur: Schnittgeschwindigkeit v c, Spanungsquerschnitt, Duktilität und Festigkeit des zu zerspanenden Werkstoffs, Reibungsbedingungen,KSM (Kühlschmiermittel), Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität. Mechanische Beanspruchung, Zerspankraft F p : Passivkraft F c : Schnittkraft F z : Zerspannkraft s: Vorschub; a p : Schnitttiefe; h,b: Spannungsgrösse; k k c = k c h -z c : Prop.faktor ( [k c ]=[kn/mm 2 ] ; ) (1-z): Anstiegswert der spez. Schnittkraft Verschleissen Verschleissmechanismen: 1. Spröder Bruch des Schneidkeils 2. Plastische Deformation des Schneidkeils 3. Adhäsionsverschleiss 4. Abrasionsverschleiss 5. Diffusionsverschleiss 6. Verzunderung VB Verschleissmarkenbreite [mm] KT Kolktiefe [mm] KM Kolkmittenabstand [mm] KL: Kolklippenbreite [mm] F f : Vorschubkraft F a : Aktivkraft Arbeitsebene F a Aktivkraft: Projektion der Zerspankraft auf die Arbeitsebene F p Passivkraft: Senkrecht auf der Arbeitsebene (es verrichtet keine Arbeit) F f Vorschubktaf: Projektion auf die Vorschubrichtung der F a F c Schnittkraft: Projektion auf die Schnittrichtung der F a (wichtigste) Zerspanleistung : =0 =0 Ansatz von KIENZLE: beim Drehen: φ = 90 (und auch in viele Fällen F c <<F f und v c >>v f ) a) Kolverschleiss b) Freiflächenverschleiss Haupschneide c) Freiflächenverschleiss Nebenschneide

10 K Kolkverhältnis:KT / KM [-] γ 0 : Spanwinkel [rad] α 0 : Freiwinkel [rad] Spröder Bruch und Deformation des Schneidkeils: a) Ausbrüche: Als Ursache kommen zu grosse Schnittkräfte F c ; zu kleiner Keil- (ß) oder Eckenwinkel (ε), zu spröder Schneidenwerkstoff und harte, nichtmetallische Einschlüsse im Werkstück. b) Querrisse: Bei unterbrochenem Schnitt (z. B. Fräsen), aber auch bei anderen Arten von oszillierender Belastung unterliegt die Schneide einer starken Wechselbeanspruchung. c) Kammrisse: es tritt bei hochwarmfesten bzw. warm-spröden Schneidenwerkstoffen, speziell bei Hartmetall, auf. Die Schneiden werden infolge thermischer Beanspruchung beim unterbrochenen Schnitt beschädigt, bei dem die rasch aufeinanderfolgenden Temperaturwechsel zu sogenannten Kammrissen führen (KSM-Einsatz ist meistens schädlich). d) Plastische Deformation der Schneidkante: Wichtig für gute Werkzeuglebensdauer ist das minimale Härteverhältnis von Schneidstoff zu Werkstoff (>1,4) bei Schnittemparatur. Andernfalls, treten plastische Verformungen auf Adhäsionsverschleiss (Verschweissen der Rauhigkeitsspitzen): Der Adhäsionsverschleiss ist von der Zugfestigkeit des Schneidstoffes abhängig. Es ist eng mit Aufbauschneiden verwandt (affine). Auswirkungen: a) spröde Ausbrüche oder Abrisse aus oberen Schneidstoffschichten b) plastische Deformationen, Herausreissen kleiner Teilchen Abrasionsverschleiss (Mechanischer Abrieb): Es wird besonders durch harte Bestandteile im Werkstoff verursacht. Aufbauschneidenbildung bewirken meistens einen Abrasionsverschleiss. Es tritt in erster Linie an der Freifläche in Form des Freiflächenverschleisses in Erscheinung. Diffusionsverschleiss: Es tritt bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, d.h. bei höheren Temp., auf. Die Legierungselemente versuchen, ihre unterschiedliche Konzentration zwischen Schneiden- und Spanwerkstoff durch Wandern im Kristallgitter auszugleichen (Z.B: Diamant als reiner Kohlenstoff hat eine sehr hohe Affinität zu Eisen und löst sich deshalb rasch auf). Oxidationsverschleiss (Verzunderung): Es tritt bei höheren Temp. (daher bei höheren Geschwindigkeit) und insbesondere da auf, wo Sauerstoff freien Zugang zu erhitzten Schneidenteilen hat (Kontaktstellen zwischen Werkzeug und Werkstück). der Auswirkungen: Volumenvergrösserung und Ausbruch Schneidenecke Standzeit (durata dell utensile), Standweg: Standkriterien: - Verschleiss am Werkzeug (wichtig) - Veränderung der Rauheit am Werkstück - Änderung der Zerspankraft. Standgrössen: - Standzeit T (wichtig) Gesamt- - Standweg L = v. c T Verschleiss - Standmenge - Standvolumen. Standzeit: ist die Zeit in Minuten, während der ein Werkzeug vom Anschliff bis zum Unbrauchbarwerden aufgrund eines vorgegebenen Standkriteriums unter bestimmten Zerspanbedingungen Zerspanarbeit leistet. k = Exponent der Steigung c v = Proportionalitätskonstante Standkriterium: - zulässige Verschleissgeometriegrössen (z.b. VB ) - totale Erliegen des Zerspa nprozessed ( Blankbremsung ) Verschleiss ist in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit (v c ) Optimierung der Schnittgeschwindigkeit: Schnitttemperatur Eine Optimierung kann interessant sein bezüglich der Kosten oder der Fertigungszeit in Abhängigkeit von der Standzeit T. Fertigungskosten pro Werkstück K F ("Stückkosten"): K ML : Maschinensatz (inkl. Lohnkosten) pro Zeiteinheit K WT : Werkzeugkosten pro Standzeit Fertigunszeit pro Stück t e : t w : Werkzeugwechselzeit (neues Werkzeug einwechseln) t h : Hauptzeit pro Stück (t h =a/ v c ) n: Während der Standzeit gefertigte zul Anzahl Werkstücke(n = T/t ) T: Standziet (T=c v. vc k ) Stückzeit T ot : k: exp. der Steigung (negativ) Kostenoptimum T : ok Schneidstoffe Anforderungen an Schneidstoffe (esigenze) - Härte und Druckfestigkeit insbesondere im warmen Zustand - Zähigkeit (Biegefestigkeit), Kantenfestigkeit, Warmfestigkeit - innere Bindefestigkeit - Beständigkeit gegen Oxidation - geringe Neigung zum Verkleben und zur Diffusion - Verschleissfestigkeit gegen mechanischen Abrieb - reproduzierbares Verschleissverhalten - Thermische Unempfindlichkeit gegen Wechselbeanspruchung - Mechanische Unempfindlichkeit gegen Wechselbeanspruchung - niedrige Preise und geringe Instandstellungskosten Für das Spanen mit bestimmter Schneidenform werden vor allem Werkzeugstahl, Schnellarbeitsstahl (HSS), Hartmetall, beschichtetes Hartmetall, Keramik, Diamant und polykristallines kubisches Bornitrid (Cubic Cristalline Boron Nitride, CBN) verwendet. Für das Spanen mit unbestimmter Schneidenform sind es insbesondere Aluminiumoxid, Diamant, Siliziumcarbid und polykristallines kubisches Bornitrid. Thermoschockzahl σ B : Biegebruchspannung λ: Wärmeleitfähigkeit α: lin. Wärmeausdehnungskoeff. E: Elastizitätsmodul R > 25 : gute Thermoschockbeständigkeit, Kühlschmiermittel verwendbar Werkzeugstähle Unlegierte und niedriglegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,6..1,3 % Hohe Zähigkeit und Kantenfestigkeit, gut Abriebfestigkeit. Ihre geringe Warmhärte (ca. 250 C) beschränkt sich ihre Verwendung auf Verfahren mit kleinen Schnittgeschwindigkeiten (z.b.:räumen, Handarbeitswerkzeuge). Die Gefahr der Ueberhitzung und Weichhautbildung sehr gross ist. Schnellarbeitsstähle (HSS) Hochlegierte Stähle mit Verschleiss- und wärmebestandigen Bestandteile (wie Wolfram, Molybdän, Vanadium, Kobalt und Chrom). Ihr Grundgefüge besteht aus angelassenem Martensit mit eingelagerten Karbiden dieser Legierungselemente. - Gute Kantenfestigkeit, Zähigkeit - Verwendung für Werkzeuge mit scharfen Schneidkanten - Warmfest bis ca. 600 C - Thermoschockbeständig (Kühlung mit Emulsion) - verhältnismässig hohe Bruchbiegefestigkeit höherem Kohlenstoffgehalt bessere Standzeiten (Vor allem bei hochwarmfesten und austenitischen Werkstoffen) Die Bezeichnung der HSS (z.b. S ) gibt die prozentualen Gehalte an Wolfram, Molybdän, Vanadium und Kobalt an. (6% W, 5% Mo, 2% V, 5% Co und ca. 4% Cr) Steigendem Gehalt an Legierungselementen hohe Leistungsfähigkeit (insichtlich Verschleissfestigkeit und Standzeit), schwierige Bearbeitbarkeit. Wichtigsten Legierungsbestandteile sind Wolfram und Molybdän (beide steigern die Warmhärte und den Verschleisswiderstand. Molybdän fördert speziell die Zähigkeit). Oberflächenbehandlungen (wie Nitrieren, Dampfanlassen oder Verchromen) verbessert die Leistungsfähigkeit. Pulvermetallurgisch HSS (gleichmässige Verteilung besonders kleiner Karbidkörn) haben eine bessere Schleifbarkeit. Hartemetalle (HM) h