Fertigungstechnik Trennen (1)

Transkript

1 , Professur Formgebende Fertigungsverfahren & Professur Fügetechnik und Montage Fertigungstechnik Trennen (1) Prof. Dr.-Ing. habil. U. Füssel Prof. Dr.-Ing. A. Brosius 1. Dezember 2014

2 Einteilung der Fertigungsverfahren (DIN 8580) Fertigungsverfahren nach DIN 8580 Form schaffen Zusammenhalt schaffen Zusammenhalt beibehalten Zusammenhalt vermindern Form ändern Zusammenhalt vermehren Stoffeigenschaft ändern Hauptgruppe 1 Urformen Hauptgruppe 2 Umformen Hauptgruppe 3 Trennen Hauptgruppe 4 Fügen Hauptgruppe 5 Beschichten Hauptgruppe 6 Trennen: Formänderung unter örtlicher Aufhebung des Stoffzusammenhalts. Abtrennen erfolgt in Form Metallteilchen / Spänen, die Abfall darstellen (Quelle: DIN 8580) Fertigungstechnik Trennen 1-3-

3 HSC Fräsen von Integralteilen (High Speed Cutting) (Quelle: EADS) Fertigungstechnik Trennen 1-4-

4 Hauptgruppe 3 Trennen Gruppe 3.1 Zerteilen DIN 8588 Gruppe 3.2 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden DIN 8589 Teil 0 Gruppe 3.3 Spanen mit geometrische bestimmten Schneiden DIN 8589 Teil 0 Gruppe 3.4 Abtragen DIN 8590 Gruppe 3.5 Zerlegen DIN 8591 Gruppe 3.6 Reinigen DIN 8592 Einteilung der Hauptgruppe Trennen (DIN 8580)

5 Zerspan- und Abtragtechnik Einsatzgründe Innovationstreiber Erzielung höchster Maßgenauigkeit und Oberflächengüte Bearbeitung Vielzahl von Werkstoffen Zerspanwerkzeuge sind relativ einfach und meistens werkstückunabhängig hoher Entwicklungstand leistungsfähige Werkzeuge und Werkzeugmaschinen Produktivität und Wirtschaftlichkeit auch bei geringen Stückzahlen Steigende Anforderungen an die Bauteile Zunehmender Anteil schwer bearbeitbarer metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe Zunehmender Anteile komplizierter räumlicher Werkstückformen Miniaturisierung der Bauteile Zielstellung der Produktionstechnik Zerspan- und Abtragtechnik

6 0,04 0,04 0,06 0,06 0,1 0,1 0,16 0,16 0,25 0,25 0,4 0,4 0,63 0,63 1,0 1,0 1,6 1,6 2,5 2,5 4,0 4,0 6,3 6, Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik Fertigungsverfahren Erreichbare gemitteltet Rauhtiefe R z in µm Hauptgruppe Urformen Umformen Benennung Sandformgießen Formmaskengießen Kokillengießen Druckgießen Feingießen Gesenkschmieden Glattwalzen Tiefziehen (Blech) Fließpressen, Strangpressen Prägen Walzen von Formteilen Fertigungsverfahren im Qualitätsvergleich (R z ) nach DIN

7 Einschub: R a und R z Fertigungstechnik Trennen 1-8-

8 0,04 0,04 0,06 0,06 0,1 0,1 0,16 0,16 0,25 0,25 0,4 0,4 0,63 0,63 1,0 1,0 1,6 1,6 2,5 2,5 4,0 4, Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik Fertigungsverfahren Erreichbare gemitteltet Rauhtiefe R z in µm Hauptgruppe Trennen Benennung Schneiden Längsdrehen Hobeln Schaben Bohren Reiben Umfangfräsen Räumen Rund- Längsschleifen Flach-Umfangsschleifen Polierschleifen Langhubhonen Flachläppen Polierläppen 6,3 6, Fertigungsverfahren im Qualitätsvergleich (R z ) nach DIN

9 z.b. - Hobelmeißel - Sägezahn - Fräserzahn - Schleifkorn -... Wirkprinzip des Spanens und Verfahrenssystematik

10 Spanen mit geometrischen bestimmten Schneiden mit geometrischen unbestimmten Schneiden einschneidig mehrschneidig gebundenes Korn loses Korn Drehen Hobeln Stoßen Schaben Reiben Bohren Fräsen Räumen Reiben Sägen Schleifen Bandschleifen Honen Läppen Abrasivwasserstrahltrennen Verfahrensgruppen des Spanens

11 Schneidwerkstoffe Schnellarbeitsstahl Hartmetall Schneidkeramik Kubisches Bornitrid CBN Polykristalliner Diamant PKD Werkstück Verfahren: Drehen, Bohren, Senken, Reiben, Fräsen, Hobeln Stoßen, Räumen, Sägen, Schaben... Beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden sind - Schneidenanzahl, - Geometrie der Schneidkeile und - Lage der Schneiden zum Werkstück bestimmt. Geometrisch bestimmte Schneide

12 Schneidfähigkeit Schneidhaltigkeit λ h ch h = > h 1 Zerspanbarkeit (h ch > h) h h ch λ h Φ V c A α, A γ α 0, β 0, γ 0 Spanungsdicke Spandicke Spandickenstauchung Scherwinkel Schnittgeschwindigkeit Frei- und Spanfläche Orthogonal-, Frei-, Keil- und Spanwinkel Wirkprinzip Spanen

13 Beispiel Radsatzdrehen Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik Quelle: Niles-Simmons, Hegenscheidt)

14 Verfahren: Schleifen Schleifwerkzeug = Schleifmittel + Bindemittel + Poren (Schleifkorn) Schleifscheiben Schleifstifte Schleifsegmente Korund ( Basis Al 2 O 3 ) Siliziumkarbid Diamant Bornitrid CBN Keramik Kunstharz Gummi Bronze Geometrisch unbestimmte Schneide gebundenes Korn

15 Bearbeitungsbeispiels Schleifen Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik (Quelle: Junker)

16 Verfahren: Läppen Läppgemisch = Schleifmittel + Trägermedium (Schleifkörner sehr geringer Größe) Korund ( Basis Al 2 O 3 ) Siliziumkarbid Diamant Bornitrid CBN Öl Petroleum Wasser Paste Geometrisch unbestimmte Schneide loses Korn

17 Ultraschallläppen als Beispiel für Spanen mit unbestimmter Scheide, losem Korn Ultraschallläppen Quelle: ISAF, TU Clausthal (Quelle: ISAF, TU Clausthal) Fertigungstechnik Trennen 1-18-

18 Stahl NE- Metalle Gusseisen gehärteter Stahl faserverstärkte nichtmetallische Werkstoffe Hauptanwendung HSS HM geeignet Cermet 1) nicht geeignet Schneidkeramik 2) CBN PKD 3) 1) Cermet: überwiegend für Schlichtbearbeitung von Stahl mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und kleinen Spannungsquerschnitten 2) Schneidkeramik: Al 2 O 3 -Schneidkeramik ist für die Bearbeitung von Al-,Mg- und Ti-Legierungen ungeeignet (chemische Reaktionen und Aufbauschneidenbildung) 3) PKD: Bearbeitung von Eisen- und Stahlwerkstoffen ist wegen der Affinität des Eisens zum Diamantkohlenstoff nicht möglich. Bei Temperaturen > 700 bis 800 C erfolgt Umwandlung des Diamanten zu Graphit und Reaktion mit dem Eisen Auswahl/Anwendungseignung von Schneidwerkstoffen

19 Schematische Einordnung PKD 1 unter Berücksichtigung der Härte 2 unter Berücksichtigung der Härte und Temperatur Eigenschaften verschiedener Schneidwerkstoffe (nach Kolaska,König)

20 Darstellung der verschiedenen Bohrverfahren

21 Darstellung von Reibahlen

22 ebene Fläche kreiszylindrische Fläche Plandrehen Planfräsen Runddrehen Schraubflächen Abbilden mit Werkzeugprofil Profilflächen Form implizit im Werkzeug Profilwerkzeug Gewindestrehlen Profildrehen Einfache Grundkinematik

23 S p a n f o r m Klasse Benennung Sinnbild Schüttdichte t/m 2 Beurteilung der Spannform 1 Bandspan 0,09 ungünstig 2 Wirrspan 3 Schraubenspan 0,15 befriedigend 4 Schraubenbruchspan 0,32 5 Spiralbruchspan 0,95 günstig 6 Spiralspanstücke 7 Spanbruchstücke 2,5 befriedigend 8 Spanbruchstückverschweißungen Klassifizierung der Spanformen

24 Verfahrensunabhängige Grundlagen Beispiel für die Haupteinflussgröße WZ-Orthogonal-Spanwinkel γ O auf Spanarten: Spur P r - γ o Spur P r + γ o Spur P r + γ o v c v c v c Schaben üblicher Bereich Metallbearbeitung -10 < γ o < +10 A γ Schälen Reißspan Scherspan Fließspan rauhe WST-Oberfläche glatte WST-Oberfläche Fertigungstechnik Trennen 1-25-

25 3 Verfahrensunabhängige Grundlagen (2) Arbeitsebene P fe : wird von Vektoren F c bzw. v c und F f bzw. v f aufgespannt F c, F f und F a wirken in der Arbeitsebene sind mit Bewegungen verbunden, unterliegen Geschwindigkeit, verursachen Leistung aktiv F p steht senkrecht auf der Arbeitsebene F f verursacht keine Leistung passiv F a = F c + F f F p P fe F = F c + F f + F p F c F a F Fertigungstechnik Trennen 1-26-

26 Richtung der Schnitt-, Vorschub- und Wirkbewegung beim Drehen beim Bohren Bewegung zwischen Werkzeugschneide und Werkstück

27 Runddrehen Plandrehen Abstechdrehen f a p A Vorschub Schnitttiefe bzw. breite Spanungsquerschnitt Schnittbreite und Schnitttiefe

28 Richtung der Schnitt-, Vorschub- und Wirkbewegung beim Gegenlauffräsen beim Umfangsschleifen Bewegung zwischen Werkzeugschneide und Werkstück

29 Räumen als Beispiel für Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide (Quelle: designinsite) (Quelle: TAMOP) Fertigungstechnik Trennen 1-30-

30 Anwendung Räumen Tannenschaufelprofilen -31- Räumen von Tannenschaufel- profilen (Quelle: SG) Fertigungstechnik Trennen 1

31 B a s i s g r ö ß e n Z e r s p a n t e c h n i k Bewegungen/ Richtungsvektoren direkt indirekt Spanungsgrößen A b h Vorschubgrößen Werkzeugsystem Wirkbezugssystem f f z Hilfsgrößen Arbeitsebene P fe Vorschubrichtungswinkel ϕ Wirkrichtungswinkel η α Eingriffsgrößen Wirkpaarung Werkzeug- Werkstück a p a f a e Geometrie Schneide Schneidkeil Spanfläche, Freifläche, Schneide Winkel β γ κ ε Geschwindigkeit v c v f v e Basisgrößen der Zerspantechnik

32 Abtragtechnik Abtrennen von Stoffteilchen auf nichtmetallischem Wege DIN 8590 Thermisches Abtragen Chemisches Abtragen Elektrochemisches Abtragen Senkerodieren Bahngesteuertes Senkerodieren Drahterodieren Ultraschallüberlagertes Erodieren (Hybridprozess) Laser-, Elektronen- und lonenstrahl Plasma Wasserstrahlgeführter Laserstrahl (Hybridprozess) Ätzen, Tiefätzen Entgraten Chemisch-mechanisches Schleifen, Läppen, Polieren (Hybridprozess) Elektrochemisches Senken Elektrochemisches Bad- und Formentgraten Elektrochemisches Metallätzen, Polieren Elektrochemisches Schleifen (Hybridprozess) Erodieren -> EC-Senken HSC-Fräsen -> EC-Senken Laserformabtragen -> EC- Senken Abtragtechnik - Fertigungstechnik

33 Funkenerodieren Laserstrahlbearbeitung Elektrochemisches Senken Chemisches Abtragen (Ätzen, Tiefätzen) Thermische, chemische und elektrochemische Materialbearbeitung bei der Abtragtechnik

34 Vergleich zwischen Glühlampenstrahl und Laserstrahl

35 Strahlungsquelle Leistungsdichte W/cm 2 Sonne/Brennglas 10 2 Schweißflamme 10 4 Lichtbogen (WIG-Brenner) 10 5 Plasmabrenner Elektronenstrahl, cw bis 10 7 Elektronenstrahl, gepulst bis 10 8 Laser, cw bis 10 8 Laser, gepulst bis 10 9 Laser, Riesenimpuls bis Leistungsdichten von Strahlungs/ Energiequellen

36 Schematischer Aufbau eines Lasers

37 Laser Wirkungsgrad HeNe 0,1 Ar + 1 Cu/Al - Dampf 1 Excimer 1 Nd: YAG 1-3 CO Halbleiter 50 Wirkungsgrad verschiedener Laser

38 Laser CO - Laser 2 gradlinig über Spiegel Nd: YAG - Laser Lichtleiterfaser über Spiegel selten typische Faserlänge: 15m Laser Lichtübertragung CO 2 -und Nd: YAG -Laser