FET FERTIGUNGSTECHNIK

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1 FET FERTIGUNGSTECHNIK 1. Grundlagen der Fertigungstechnik 1.1. Aufgaben der Fertigungstechnik Die FT befaßt sich mit der gezielten Formgebung von Werkstücken (WS) mit Hilfe geeigneter Verfahren, wobei als technologischer Kriterien - Mengenleistung - Fertigungsgenauigkeit - Werkstoff - die entsprechenden Fertigungskosten zu beachten sind. Durch die technischen, wirtschaftlichen und organisatorischen Veränderungen der Produktionstechnik werden immer höhere Anforderungen an - Produktivität - Wirtschaftlichkeit - Flexibilität der Fertigungssysteme gestellt. Wertmäßig machen die Wz-Maschinen für die spanende Fertigung ca. /3 der Gesamtproduktion aus. 1.. Geschichtliche Entwicklung der FT Faustkeil, Schabe- und Schneide-WZ Schnurzug- oder Fiedelbogenantrieb 19.Jhd: Entwicklung der grundlegenden Verfahren der Zerspanungstechnik. 0.Jhd: Qualitätsverbesserung, Erhöhung der Produktion, Verbesserung der Werkstoffe, Stand und Entwicklungstendenzen in der Produktionstechnik Auch heute noch beinhalten die Produktionstechniken noch beträchtliche Reserven: - Energieeinsparung - Vollautomatische Fertigung - Standortauswahl - Bearbeitungsziel verkürzen Diese Entwicklungstendenzen zielen auf eine Ausschöpfung des obengenannten Entwicklungspotentials hin, zur Erreichung folgender Ziele: - Erhöhung der Qualität - Vollautomatisierung - Einsatz von Industrierobotern - Erhöhung der Flexibilität - Erhöhung der Produktion - Geringe Herstellungskosten - Standort verlegen - keine Überstunden - flexible Fertigungssysteme - Lohnkürzung

2 Kostenhyperbel: 1.4. Einteilung spanender Fertigungsverfahren /3a/, /3b/, /4a/ bis /4d/. Technische Oberflächen /5/, /6a/, /6b/ /6b/ 1... Idealprofil... Gemessene oder Ist-Profil 3... Bezugsprofil 4... mittleres Profil 5... Grundprofil wirkliches Profil gibt es nicht (Meßfehler) Rauhtiefe: R t... Abstand von Bezugs- zu Grundprofil Glättungstiefe R R t p y max! x l 1 yi dx l x 0 Arithmetischer Mittelrauhigkeitswert R a! x l 1 hi dx l x 0 R z... Mittel aus 5R a Rz R R 5 a1 a5 VT: bessere Tragfähigkeit NT: große Kerbwirkung bei dynamischen Belastung NT: größere Verschleiß

3 3. Zerspanungstechnik 3.1. Geometrie und Kinematik Flächen, Schneiden und Ecken am Schneidkeil: Der Teil des Werkzeugs (WZ), an dem der Span entsteht, wird Schneidkeil genannt (Die Schnittlinien der den Keil begrenzenden Flächen sind die Schneiden). /7a/, /7b/ Bei harten Werkstoffen negativer Spanwinkel γ (geringere Schärfe und geringerer WZ-Verschleiß) /7c/, /8/, /9/ 3.. Spanbildung Die Spanbildung ist ein annähernd plastischer Vorgang, der durch den Schneidenkeil hervorgerufen wird. Der Werkstoff wird dabei gestaucht, bis die Stauchkraft so groß ist, um die Scherung entlang der Scherebene zu bewirken. /10/ Spanarten: abhängig von der WS/WZ-Kombination, Schnittgeschwindigkeit, κ, Spanungsbedingungen, Fließspan (hohe Schnittgeschwindigkeit, duktiles Material). Lamellenspan 3. Scherspan 4. Reißspan (bei spröden Werkstoffen) /11/ Spanraumzahl R V SP V günstig: R Fließspäne R Spanformen: Unter Spanform versteht man jene Form mit der der Span nach Abschluß der Spanbildung die Spanfläche verläßt Abhängigkeiten:..., Spanbrecher /1/, /13/ /14/ Spangrößen: a... Schnittiefe s... Vorschub/Umdr. h... Spanhöhe b... Spanbreite b h a sin κ s sin κ As b h a s

4 3.3. Thermische Beanspruchung Zerspanarbeit /15/, /16/ Verformungsarbeit Reibungsarbeit Scherarbeit Trennarbeit Freiflächenreibung Spanflächenreibung 3.4. Verschleiß und Standzeitbegriffe Verschleiß Abnutzung der unter Schnitt stehenden Schneide des WZ durch mechanische und thermische Belastung. z.b.: Drehmeisel mit Verschleißgrößen: KB... Kolkbreite KL... Kolklippe KVF... Kantenversatz an der Freifläche KVS... Kantenversatz an der Spanfläche VB... Verschleißmarkenbreite KT... Kolktiefe 1 Freiflächenverschleiß Spanflächenverschleiß 3 Kolkverschleiß 4 Abstumpfung durch Wärme (z.b.: bei SS über 600 C) Standgrößen: Geben das Standvermögen des WZ an. - Standzeit ist jene Zeit, die ein WZ zwischen zwei Anschliffen einsatzbereit bleibt. - Standweg (Bohrungen) - Standmenge (Massenfertigung) Standkriterien: Grenze einer unerwünschten Veränderung am WZ. Absolute und relative Standkriterien absolute Standkriterien: gebrochenes WZ (Blankbremsen des WZ) relative Standkriterien: bis eine vorgegebene Standgröße erreicht wird z.b.: bestimmte Verschleißmarkenbreite /18/, /19/, /0/ Die Standzeit wird ermittelt mit einem Stand-Dauerversuch. /17/ Einflüsse auf die Standzeit: 1) Werkstoff des WS und WZ ) Schnittgeschwindigkeit 3) Vorschub 4) Kühlung und Schmierung 5) Form der Schneide 6) Schnittiefe

5 Rechenbeisspiel /8/ Wie groß ist die erforderliche Leistung der Drehmaschine? 0,8 Ah.ba.s 4 mm² a 5 mm 5 a 5 b 577, mm h s.sin κ 069, mm sinκ sin60 0,75 1- F s k s.b.h.k 11,36 kn N/mm² 5,77 0,69 1,3 400 m m v r ω 005, π, 09 s 15, 66 min 60 Ps Fs v 11, 36, 09 3, 8kW Vorschubleistung: Vorschubgeschwindigkeit P v F v.u 607,5.0, ,9 kw mm m u s n 0, min 0, 0053 s Fv µ " Fs+ ms g#607, 5N Schlitten m s 1500 kg µ0,1 P v ~0 PP s (+P v ) Ps PAntr. η PAntr. Pel. ηel. mech $ & '& % Pel. η Ps η mech. el. 8, kw

6 4. Drehen /40/ 4.1. Übersicht über die Drehverfahren Systematischen Einteilung der Drehverfahren nach DIN 8589 Teil. Die Einteilung orientiert sich am Kriterium der Oberflächenform und Kinematik der Zerspanungsbedingungen. Längsdrehen: Plandrehen: (Querdrehen) Drehen mit Vorschubbewegung parallel zur WS-Achse. Drehen mit Vorschubbewegung plan (quer) zur WS-Achse. /41/, /4/, /43/, /44/, /44a/, /44b/, /45/, /45a/, /46/, /47/ 4.. Werkzeuge beim Drehen Ein Drehmeißel besteht grundsätzlich aus Schneidenteil und Schaft (kreisrunder oder rechteckiger Querschnitt 1:1 oder 1:1,6). /48/, /49/ Weitere Arten von Drehstählen: - Schlicht- und Schruppstahl /50/ - Links- und Rechtsstahl /53/ - Gerader, gebogener & abgesetzter Drehstahl /5/ - Innen- /Außendrehstahl /51/ 4.3. Winkel am Drehstahl α... Frei-, β... Keil-, γ... Span-, ε... Eckenwinkel /54/, /55/, /56/ 4.4. Spannen der Drehmeißel und WS Saubere Oberfläche, mittig, normal zur WS-Achse (κ), fest, kurz Schwingungen der WZ-Maschine, WZ u./o. WS werden als Ratterschwingungen bezeichnet. /57/, /58/ Ratterschwingungen Mögliche Abhilfen für Rattern Schwingungen von dünnwandigen Werkstücken Mögliche Abhilfen: -) Schnittdaten ändern ( Schwingungsvermeidung) -) WS- bzw. WZ-Dämpfung erhöhen ( Schwingungsdämpfung) /59/-/6/

7 4.5. Maßhaltigkeit beim Drehen Einhaltung von genauen Durchmessermaßen Mögliche Probleme bei Schnittiefen unter 0,1mm Verringerung durch: -) Hohe Stabilität der WZ-Maschine (Schwingungsvermeidung) -) Scharfes WZ (kleiner Eckenradius) -) großer Spanwinkel /61/, /6/ Erreichbare Genauigkeiten beim Drehen: IT7... IT8... üblich IT5... Schneiddiamanten- und Schneidkeramik-WZ Oberflächenrauhigkeit: Die theoretische Oberflächenrauhigkeit ist abhängig vom Spitzenradius r und dem Vorschub s. Für R t gilt (s>0,1mm) Rt s r... Rauhtiefe [mm]... Vorschub [mm]... Spitzenradius [mm] R t s 15 r Die tatsächliche Rauhtiefe weicht allerdings vom theoretischen Wert ab, wegen: -) Laufruhe der Maschine (Schwingungen) -) Verschleiß der Schneide Durch eine Vorschubverkleinerung und eine Vergrößerung des Eckenradius würde man theoretisch immer eine Verbesserung der Oberflächengüte erzielen. In der Praxis tritt allerdings nur bis zu einem bestimmten Wert eine Verbesserung der Oberflächengüte ein Mindest-Spandicke. Mindestspandicke: Jener Wert bis zu dem noch einwandfrei geschnitten werden kann. Plangedrehte Oberfläche ist ungenügend: In einem bestimmten Durchmesserbereich ist dieoberfläche aufgerauht. Infolge Schnittgeschwindigkeitsänderung entsteht im ungünstigen Bereich Aufbauschneide. /63/ Abhilfe: Regelung auf vkonst. /7/ Gewindedrehen mit einschneidigem WZ:

8 Der Vorschub erfolgt entsprechend der Gewindesteigung. Die Zustellbewegung kann auf 4 Arten erfolgen. Es werden bis zu 10 Schnitte durchgeführt. /64/ 4.6. Berechnungsverfahren Zerspankraftkomponenten und Zerspanleistung Schnittgeschwindigkeit: Vorschubgeschwindigkeit: Wirkgeschwindigkeit: vd.π.n us.n v ve v+ u Die flächenhaft, auf den Schneidenkeil, wirkenden verteilten Schnittlasten werden durch die s.g. Zerspankraft F z, und ihre Komponenten ersetzt. v v v v Fz Fs+ Fv+ Fp 100% 30% 10% f. Drehen (% v. Fs) 75% 0% 5% (% vf. z) Hauptschnittkraft: Fs b h ks K 1. 1 Vorschubkraft: Fv b h kv 1. 1 K Passivkraft: Fp b h kp1. 1 K Zerspanleistung: Pz Ps+ Pv Fs v Fv u Pz PAntr. ηmech. PAntr. Pz Pel. ηel ηel η.. mech. P v kann gegenüber P s vernachlässigt werden: P z ~P s Der Gesamtwirkungsgrad der Drehmaschine verschlechtert sich bei Teillast und hohen Drehzahlen. Grenzen für die Wahl der Schnittleistung: /69/ Ps Fs v A ks v 1.) Grenzen durch die WZ-Maschine: - Leistungsaufnahme - Stabilität der Maschine - Rattern (abh. von der Steifigkeit und Dämpfung des Systems).) Grenzen durch das WZ: - Standzeit - Werkstoff - Schneidkeilgeometrie - Temperaturbeständigkeit, Wärmezufuhr 3.) Grenzen durch das WS: - Stabilität (z.b. Fliehkräfte, geringe Wandstärke,...) - Oberflächengüte - Werkstoff Berechnung der Hauptzeit

9 Die Hauptzeit t H besteht aus der Summe aller Zeiten in denen die gewünschte Veränderung am WS durch das WZ ausgeführt wird. Bei konst. Zeitspanungsvolumen Z mm 3 s gilt: t H, Ges V z... Vz z zerspantes Volumen mm 3 Ist das Zeitspanvolumen nicht konstat, so muß die Hauptzeit aus den mit der Vorschubgeschwindigkeit zurückgelegten Wegen ermittelt werden. Längsdrehen: th L L µ sn n H, Ges th, i i 1 t L... Gesamt-Drehlänge Aufmaße Ll+la κ +z 1+z Fertigteillänge Anlaufweg des WZ Gewindedrehen: Gleich wie Längsdrehen, der Vorschub s entspricht der Steigung P. g... Gangzahl hg i... Anzahl der Schnitte i hs t H L P n ig Plandrehen: Unterscheidung zwischen Drehmaschinen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit und konstanter Drehzahl. a) Konstante Drehzahl Lineare Veränderung der Drehzahl mit dem Durchmesser v d π n va Da π n t H L L Da π sn s va Gesamt-Drehlänge: L D D a i + laκ + z 1 b) Stufenlose Drehzahlregelung (vkonst.) VT: Wirtschaftlicher (bessere Leistungsausrüstung der Drehmaschine) bessere Oberflächengüte, geringere Hauptzeit

10 Bereich II : D D max min v n min π v n max π Berechnung der Hauptzeit: v u u( r) s n s rπ v dπn rπn! ri ri ri dr r th ur vs dr! rdr ( ) vs! π π ra ra ra t H v r i r ri π π π π ( ra ri ) ( Da Di ) ra ra v s v s v s 4vs Mit Da D max und Di D min!! Mit den Bereichen I und III erfolgen die Berechnungen nach: Berechnung Fräser: Stirnfräser: Geg: Schnittiefe a 5mm Werkstückbreite B 00mm WS-Material Ck 35 k s N/mm² z 0, WZ-Maschine Vertikale Fräsmaschine Elektr. Anschlußleistung Pel. 0kW Gesamtwirkungsgrad η 0,75 κ 60 HM-bestückter Fräser mit γ 6 Fräser D 30mm Messerkopf z 15 Vorschub s z 0,1mm/Schneide v 10m/min Standzeit T 150min für v 80m/min

11 ϕ ϕ Ges: Reicht die Leistung der Fräsmaschine für diese Bearbeitung aus? Überprüfung des Fräser : E ~ 3A ( D ~ 1H... 1,6B 80-30min ( $ 130 sin ϕs1 a ϕs1 54, %& ϕs ϕs1 ϕs 80, 70 sin ϕs ϕs 5, '& + a 144, 6 B hm s sinκ ϕs D h M B1 0, 1 sin 60 0, 0743 mm ϕs1 D h M h + h M1 M h M 0, , B 0, 1 sin 60 0, 0838 mm ϕs D 0, 0791mm Fmz b hm 1 z) ks K N a 5 b 577, mm sin κ sin 60 K Kϕ KSt Kv Kver 144, Zähne im Eingriff: z ze ze 334, , Fz ze Fmz 3, N M F D z Nm

12 Pz Fz v W P el. Pz 13, 57 18, 1kW < 0kW!! P Masch. ausreichend η 075, Berechnung der Standzeit: m v T v T T m m ) v 0 T 45 * +, v1- min Erforderliche Drehzahl: MF Nm Pz kw n min Pz 13, 57 n MF 1086 U min