Werkzeugmaschinen - Einführung 1. Was ist eine Werkzeugmaschine? 2. 3. Woraus besteht eine Werkzeugmaschine? 4. Wie verhält sich eine Werkzeugmaschine und was sind die Aufgaben des Konstrukteurs? Werkzeugmaschinen - Einführung 1
Werkzeugmaschinen - Einführung Was ist eine Werkzeugmaschine? Bedeutung und Wesen der Werkzeugmaschinen Einordnung und Historie Definition nach DIN 69651 und Charakterisik Funktion und Komponenten Automatisierung Werkzeugmaschinen - Einführung 2
Institut für Werkzeugmaschinen Historische Entwicklung der Werkzeugmaschinen Fräsmaschine, England um 1850 Werkzeugmaschine Geschützbohrmaschine, Pfalz 1496 Was ist eine Werkzeugmaschine? Veränd derung Werksstücck W Werkkzeug W g Ägyptischer Fiedelbohrer, um 2650 v.chr. Be ewe egun ng Neolithische Steinsäge um 4000 v.chr. Walzendrehbank, Deutschland um 1900 Vollautomatische FertigungsTaktstraße, Junkers 1944 3
Historie am Beispiel der Drehmaschine Drehmaschine Handbetrieb Quelle: Spur91 4
Historie am Beispiel der Drehmaschine Quelle: Pri06 5
Drehmaschine (MAUDSLAY) Drehmaschine Stand um 1840 Walzendrehbank, Deutschland um 1900 6
Quelle: Spur91 Karusselldrehbank 1938 Walzendrehmaschine 1960 Quelle: Pri06 CNC-Drehmaschine 2013 Quelle: de.dmgmori.com 7
Definition der Werkzeugmaschine DIN 69 651: Werkzeugmaschinen werden definiert als... mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtungen, die durch relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück eine vorgegebene Form oder Veränderung am Werkstück k erzeugen. Werkzeug Werkzeug Werkstück Werkstück Was ist eine Werkzeugmaschine? 8
Einordnung der Werkzeugmaschinen Bewegungsgeführte (stationäre) Maschinen Produktionsmaschinen Arbeitsmaschinen Werkzeugmaschinen Holz-, Papier-, Kunststoff-, Textil-,... -Maschinen Maschinen Transportmaschinen Energie wandelnde Maschinen Mobile Arbeitsmaschinen Verarbeitungs-, Verpackungs-,... -Maschinen Land-, Forst-,... -Maschinen Baumaschinen Stapel-, Hebe-, Förder-,... -Maschinen Straßen-, Wasser-, Luft-,... -Fahrzeuge Verbrennungs-, Elektro-, Dampf-, Gas-, Wasser-, Wind-,... -Kraftmaschinen Informationsverarbeitende und Kommunikationsmaschinen Daten speichern, sammeln, aufbereiten, verteilen rechnen steuern, regeln Die Werkzeugmaschine ist die Mutter aller Maschinen. Was ist eine Werkzeugmaschine? 9
beweglich her, schne eller, gena auer n uigkeit,...) rderungen keit, Genau ungsanfor eschwindigk Bewegu eitsgrad, Ge (Freihe Institut für Werkzeugmaschinen Charakteristik bewegungsgeführter Maschinen Sortieren Schrauben Nieten Beschichten Hobeln Walzen Roboter Strahlbearbeitungsmaschinen Montageeinrichtungen Positioniereinrichtungen Laserschneiden spanenende Werkzeugmaschinen Wasserstrahlschneiden Bohren Drehen Abkanten Prozessanforderungen Werkzeugmaschinen (WZM) Fräsen Tiefziehen (Werkzeuge, Beanspruchungen, Produktivität, Qualität,...) umformende Werkzeugmaschinen flexibler, stabiler, stärker, produktiver Was ist eine Werkzeugmaschine? 10
Institut für Werkzeugmaschinen Charakteristik von Werkzeugmaschinen - Beispiele Dynamik Kraft / Moment / Leistung SYNCHRONO (Fa. Prima): 3,3 3 3 m/s; 6 g Beschleunigung Arbeitsraum VMT 12 (Fa. Schiess): 20 x 12 x 4m Arbeitsraum Was ist eine Werkzeugmaschine? Planscheibe (Fa. Schiess): bis Ø12m;; 500t Belastung; g; 550 kw Antriebsleistung Genauigkeit MICROMASTER3 (Fa. Kugler): +/- 0,5µm absolute Genauigkeit +/- 0,3µm Wiederholbarkeit 11
Handhabung Prozess Institut für Werkzeugmaschinen Funktion und Komponenten der Werkzeugmaschinen Werkstück Werkzeug Prozess- Sensorik Bearbeitung Antriebssysteme (ELEKTRIK/HYDRAULIK) Bewegungseinrichtung (MECHANIK) Bewegungs- Sensorik Bewegungs- Modelle Antriebs- Modelle Prozess- Modelle Steuerung (INFORMATIK) Was ist eine Werkzeugmaschine? 12
Automatisierung von Werkzeugmaschinen Grundmaschine+ NC-Steuerung = NC-Maschine+ Werkzeugwechsel = Bearbeitungszentrum + Werkstückwechsel + Werkzeug- und Werkstückfluss + Maschinenverkettung = Fertigungssystem = Fertigungszelle Was ist eine Werkzeugmaschine? 13
Werkzeugmaschinen - Einführung 1. Was ist eine Werkzeugmaschine? 2. 3. Woraus besteht eine Werkzeugmaschine? 4. Wie verhält sich eine Werkzeugmaschine? Werkzeugmaschinen - Einführung 14
Werkzeugmaschinen - Einführung Umformende Werkzeugmaschinen Trennende Werkzeugmaschinen Maschinen für die generative Fertigung Einteilung, Grundfunktionen und -aufbau Beispiele Werkzeugmaschinen - Einführung 15
Einteilung der Werkzeugmaschinen Holzbearbeitung Fertigungssysteme zur Metallbearbeitung Bearbeitung anderer Werkstoffe entsprechend Fertigungsverfahren nach DIN 8580 Umformen Fügen Stoffeigenschaften ändern Urformen Trennen Beschichten Werkzeugmaschinen nach DIN 69 651 zum Umformen zum Fügen Mehrmaschinen- systeme zum Trennen für mehrere Verfahren Generative Verfahren z.b. Tiefziehen von Blech z.b. Bohren, Drehen, Fräsen z.b. Laserschneiden, (umformende WZM) (spanende WZM) Wasserstrahlschneiden Was ist eine Werkzeugmaschine? 16
Einteilung der Werkzeugmaschinen zum Umformen UMFORMMASCHINEN (DIN 69 651) HÄMMER WALZMASCHINEN ZIEHMASCHINEN PRESSEN BIEGEMASCHINEN MIT WIRKMEDIEN Fallhammer Spindelpressen Längswalzmaschinen Gesenkbiegepressen Gleitziehmaschinen......... Mechanische... Pressen Querwalz- maschinen Rollbiege- maschinen Walzzieh- maschinen Pneumatische Pressen Schrägwalzmaschinen Walzbiegemaschinen Streckrichtmaschinen Hydraulische Pressen........................ 17
Antriebsprinzipien von Pressen Oberdruckhammer Spindelpresse Hydraulische Presse Fallhammer Gegenschlaghammer energiegebunden kraftgebunden Modifizierte Kniehebelpresse Kurbelpresse Exzenterpresse Kniehebelpresse weggebunden 18
Weggebundene Pressen: Exzenterpresse = R / l UT z Stößelweg z = R 1-cos ) - /4 + /4 sin2 19
Weggebundene Pressen: Exzenterpresse Beispiel: 2-Stößell-Transferpresse Quelle: UT Erfurt Beispiel: Großteil-Transferpresse Quelle: Schuler Beispiel: Pressenstraße für Karosserieteile Quelle: Weingarten 20
Kraftgebundene Pressen: Hydraulische Presse Kraftgeregelter hydraulischer Stößelantrieb Weggeregelter hydraulischer Parallelantrieb aaea eb Kraftgeregelter hydraulischer h Ziehkissenantrieb i Stößelkraft F St = A p 21
Kraftgebundene Pressen: Hydraulische Presse Kopfstück Hydraulikzylinder Stößel Seitenständer Stößelführung Tisch Beispiel: Hydraulische Vierpunkt-Presse 22
Einsatz von Pressen - Beispiele Tiefziehen von Edelstahlblech auf einer hydraulischen Pressenanlage Stößelkinematik einer Vierpunkt-Exzenter-Presse 23
Einteilung der Werkzeugmaschinen zum Trennen WERKZEUGMASCHINEN zum Trennen (DIN 69 651) Zerteilende WZM SPANENDE WERKZEUGMASCHINEN Abtragende WZM mit geometrisch bestimmter Schneide mit geometrisch unbestimmter Schneide Scheren Schneidpressen Laserschneid- maschinen Wasserstrahlschneidmaschinen... Drehmaschinen Bohrmaschinen Fräsmaschinen Hobelmaschinen Räummaschinen... Flach-, Rund-, Band-, Werkzeug-, Profilschleifmaschinen Honmaschinen Läppmaschinen... Erodiermaschinen... 24
Grundaufgabe von spanenden Werkzeugmaschinen Die Grundaufgabe einer spanenden Werkzeugmaschine besteht in der Realisierung einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeugschneide mit definierter Geschwindigkeit auf definierten räumlichen Bahnen, mit dem Ziel, durch das Abtrennen des auf der Bewegungsbahn der Werkzeugschneide befindlichen Werkstückmaterials eine vorgegebene geometrische Gestalt des Werkstückes zu erzeugen. ww C Zz xx Y y a p : Schnitttiefe f : Vorschub b : Spanungsbreite h : Spanungsdicke k : Einstellwinkel v c : Schnittgeschwindigkeit Fräsmaschine 25
Zusammenhänge und Größenordnungen der Bewegungsgrößen an span. WZM Für rotierende Schnittbewegung: ( Drehen, Bohren, Fräsen ) Schnittgeschwindigkeit v c = D n D : Wirkdurchmesser n : Drehzahl Zulässige Werte sind abhängig von Schneidwerkstoff, Werkstückwerkstoff, Kühlung und Schmierung = z f Z n Vorschubgeschwindigkeit v f z: Sh Schneidenanzahl hl f Z : Vorschub pro Schneide n : Drehzahl hl Im Zusammenhang mit der Schnitttiefe von Einfluss auf Oberflächenqualität und Spanbildung Größenordnungen für Bearbeitung von Stahl: Kohlenstoffstahl 15 m/min Schnellarbeitsstahl 60 m/min Hartmetall 300 m/min Keramik 1100 m/min Größenordnungen für Drehen von Stahl: f = z f Z = 0.05... 1.5 mm/u, d.h. für n = 300 U/min : v f = 0,015...0,450 m/min n = 3000 U/min : v f = 0,150...4,500 m/min n = 30000U/min : v f = 1,500...45,00 m/min Für translatorische Eilgangbewegung: ( Positionieren, Werkzeugwechsel,... ) < v(a M,x,n M,t,...) Eilganggeschwindigkeit v E a M : Grenzbeschleunigung x: Beschleunigungsweg n M : Grenzdrehzahl t : Beschleunigungszeit v = a t, x = a t²/2 v = 2 a x t = 2 x/a/ Größenordnungen für konventionelle und für HSC-Maschinen: a M = 1 m/s² a M = 10 m/s² v E = 30 m/min v E = 120 m/min 26
Zusammenhänge und Größenordnungen der Belastungsgrößen an span. WZM F c,f,p = k c,f,p1.1 b h 1- m c,f,p k c,f,p1.1 : spezifische Zerspankräfte 1 m c,f,p : Anstiegswert der Zerspankräfte Orientierungswerte W für die Größenordnung der Zerspanungskräfte Z an einer kleinen bis mittleren Bohr- und Fräsmaschine: X Y F = 10 kn cx F = 10 kn cy F = 10 kn cz Zerspankräfte F c,f,p (nach Kienzle) Kenngrößen der Zerspanung mit geometrisch bestimmten Schneiden Werkstoff GG 30 St 70-2 CK 45 42 Cr Mo 4 G-AL Mg 5 Spezifische Anstiegswert Vorschubkraft wert Vorschubkraft wert Spezifische Anstiegs- Spezifische Anstiegs- Schnittkraft k c1.1 1 - m c k f1.1 1 - m f k p1.1 1 - m p N/mm² N/mm² N/mm² 897 0.6308 156 0.2806 124 0.2901 1601 0.8262 268 0.3120 247 0.6066 1320 0.7224 302 0.3534 209 0.4926 1547 0.6983 454 0.3835 311 0.5067 574 0.7635 159 0.4224 120 0.5065 Schneidgeometrie und technologische Daten Freiwinkel Spanwinkel : 5 : 6 Eckwinkel Radius r : 90 : 0,8 mm Neigungswinkel : 0 Schnittgeschwindigkeit v = 200 m/min (Schnittkraft beim Fräsen in x-richtung) Einstellwinkel : 70 F f (Schnittkraft beim Fräsen in y- Zerspankraftkennwerte für metallische Werkstoffe (König) Richtung) F (Schnittkraft beim Bohren in z- c Richtung) Schnittmoment M c (Hauptspindel) Moment am Vorschubmotor M M F p M c = F c D / 2 F c : Schnittkraft D : Wirkdurchmesser Schnittleistung P c (Hauptantrieb) P c = 2 M c n M c : Schnittmoment n : Drehzahl M M = (F f h) / (2 i) h : KGT-Steigung i : Getriebeübersetzung Größenordnungen für Momente und Leistung: für F c =10kN, D=100mm : M c = 500 Nm für F f =10kN, h=10mm/u, i=1: M M = 16 Nm für M c =500Nm, n=3000u/min: P c = 25 kw 27
Eigenschaften von spanenden Werkzeugmaschinen genau produktiv beweglich dynamisch 28
Eigenschaften von spanenden Werkzeugmaschinen automatisch flexibel intelligent t 29
Konventionelle Universalbzw. Werkstattdrehmaschinen als Flachbettmaschine Institut für Werkzeugmaschinen Beispiele für Drehmaschinen: Waagerecht-Drehmaschinen Größenordnungen : D =... 0,7 m ; L =... 3 m ; M =... 2000 Nm ; P =... 40 kw NC-Drehmaschinen als Schrägbettmaschine NC-Drehmaschinen als Mehrspindler Quelle: INDEX Quelle: Boehringer Unrund- Drehen Quelle: DMG 30
Beispiele für Drehmaschinen: Senkrecht-Drehmaschinen Größenordnungen : D =... 0,3 m ; L =... 0,4 m ; M =... 400 Nm ; P =... 30 kw Pick-up-Maschine als Parallelkinematik Pick-up-Maschine als Doppelspindler Hauptspindel mit Parallelkinematik in x,y,z bewegt Hauptspindel bewegt (oben) Hauptspindel fest (unten) Werkstück im Pick-up gehandelt Werkzeuge Werkstückzuführung Werkzeuge in festen Positionen zur Komplettbearbeitung im Revolverkopf 31
Beispiele für Drehmaschinen: Großdrehmaschinen Größenordnungen : D =... 10m; L =... 5m; M =... 350000 Nm ; P =... 300 kw Senkrecht-Großdrehmaschinen als Karusselldrehmaschine Größenordnungen : D =... 3,5 m ; L =... 20 m ; M =... 200000 Nm ; P =... 300 kw Waagerecht-Großdrehmaschinen als Walzendrehmaschine 32
Beispiele für Schleifmaschinen: Planschleifmaschinen Größenordnungen : x=... 15m; 1,5 y=... 05m; 0,5 M =... 1000 Nm ; P =... 50 kw Flachschleifmaschine als konventionelle Werkstattmaschine Größenordnungen : x=... 5m; y=... 20m; M =... 1000 Nm ; P =... 50 kw Führungsbahnschleifmaschine als Portalmaschine 33
Beispiele für Schleifmaschinen: Rundschleifmaschinen Größenordnungen : D =... 0,3 m ; L =... 2 m ; M =... 1000 Nm ; P =... 30 kw Konventionelle Außenrundschleifmaschine Außenrundschleifautomat für spitzenloses Außenrundschleifen NC-Außen- und Innen- Rundschleifmaschine Werkstück Schleifscheibe Spindelantrieb für Werkstückrotation Schleifschlitten für Werkstücktranslation Schleifscheibe Regelscheibe Werkstück Auflageschiene Außenschleifen mit Scheibe Werkstück (Lagerring) Innenschleifen mit Dorn 34
Beispiele für Schleifmaschinen: Profilschleifmaschinen Größenordnungen : D = 0,2... 0,5 (... 4) m ; L = 0,2... 0,5 (... 2) m Wälzschleifmaschine beim Schleifen einer Außenverzahnung Wälzschleifmaschine beim Schleifen einer Innenverzahnung 35
Institut für Werkzeugmaschinen Weitere Werkzeugmaschinen WERKZEUGMASCHINEN zum Trennen T (DIN 69 651) Zerteilende WZM Größenordnungen : L =... 12 m B =... 3 m; vf = 3,3 m/s a = 6g; FProzess 0 Wasserstrahl Wasserstrahlschneidmaschinen Laserschneidmaschinen Maschinen zum Generieren ( 3D-Drucker ) 36
Weitere Werkzeugmaschinen Hochdynamisches Laserschneiden Generative Fertigung g 37
Beispiele für Fräsmaschinen: Waagerecht-Fräsmaschinen Größenordnungen : x =... 3 m ; v =... 20 m/min ; n =... 5000 U/min ; M =... 2000 Nm ; P =... 40 kw 3-Achs-NC- Fräsmaschine als Fahrständer- maschine 3-Achs-NC-Fräsmaschine als Fräszelle HSC-Bearbeitung Werkzeugwechsel mit Scheibenmagazin Werkstückwechsel mit Paletten-Doppelgreifer 38
Beispiele für Fräsmaschinen: Senkrecht-Fräsmaschinen Größenordnungen : x =... 5 m ; v =... 50 m/min ; n =... 5000 U/min ; M =... 1000 Nm ; P =... 40 kw 5-Achs- NC-Fräsmaschine 3-Achs- NC-Fräsmaschine als Gantry-Maschine mit Dreh- und Schwenktisch Quelle: Hermle HSC-Bearbeitung 39
Beispiele für Fräsmaschinen: Parallelkinematiken Größenordnungen : x =... 0,6 m ; v =... 100 m/min ; n =... 20000 U/min ; M =... 100 Nm ; P =... 25 kw 6-Achs-Parallelkinematik 5-Achs-Hybridkinematik als Hexapod als Tricept mit längenveränderlichen ä li Stabachsen mit Dreh- und dschwenkkopf 40
Hauptspindel Bewegte Plattform (Endeffektor) Vorschubachse mit Linearführung Vorschubmotor Werkzeug Steuerung Gelenke Parallel- kinematik- Demonstrator LEGO- Hexapod Gestell 41
und nächste Woche: (Donnerstag, 14.11.2013, 6.DS, HSZ/03/H) Wirtschaftliche Bedeutung von WZM Komponenten von WZM Verhalten und Verhaltensanalyse von WZM Werkzeuge des WZM-Entwicklers Werkzeugmaschinen - Einführung 42
Fachbücher: Weck, M.; Brecher, Ch.: Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme t Band 1: Maschinenarten und Anwendungsbereiche. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2005 Weck, M.; Brecher, Ch.: Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme Band 2: Konstruktion und Berechnung. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2006 Weck, M.; Brecher, Ch.: Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme Band 3: Mechatronische Systeme: Vorschubantriebe und Prozessdiagnose. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2006 Weck, M.; Brecher, Ch.: Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme Band 4: Automatisierung von Maschinen und Anlagen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2006 Weck, M.; Brecher, Ch.: Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme Band 5: Messtechnische Untersuchung und Beurteilung. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2006 Werkzeugmaschinen - Einführung Literatur Spur, G.: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag München Wien, 1991 Pritschow, G.: Einführung in die Steuerungstechnik. Carl Hanser Verlag München Wien, 2006 Lehrbücher: Lange, K.: Umformtechnik Handbuch für Industrie und Wissenschaft Bd.1: Grundlagen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1984 Tönshoff, H. K.: Werkzeugmaschinen Grundlagen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1995 Milberg, J.: Werkzeugmaschinen Grundlagen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1992 Tschätsch, H.; Charchut, W.: Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag München Wien, 1991 Holzweißig, F.; Dresig, H.: Lehrbuch der Maschinendynamik. Fachbuchverlag Leipzig, 1979 43