FET FERTIGUNGSTECHNIKFET 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 52283vku69hvk2g - Werkstoff - die entsprechenden Fertigungskosten zu beachten sind. Durch die technischen, wirtschaftlichen und organisatorischen Veränderungen der Produktionstechnik werden immer höhere Anforderungen an kv283v2569hvvk - Produktivität - Wirtschaftlichkeit - Flexibilität der Fertigungssysteme gestellt. Wertmäßig machen die Wz-Maschinen für die spanende Fertigung ca. 2/3 der Gesamtproduktion aus. 1.2. Geschichtliche Entwicklung der FT ® Faustkeil, Schabe- und Schneide-WZ ® Schnurzug- oder Fiedelbogenantrieb 19.Jhd: Entwicklung der grundlegenden Verfahren der Zerspanungstechnik. 20.Jhd: Qualitätsverbesserung, Erhöhung der Produktion, Verbesserung der Werkstoffe, ... 1.3. 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 Kostenhyperbel:
1.4. Einteilung spanender Fertigungsverfahren /3a/, /3b/, /4a/ bis /4d/ 2. Technische Oberflächen /5/, /6a/, /6b/ /6b/ 1 ... Idealprofil 2 ... Gemessene oder Ist-Profil 3 ... Bezugsprofil 4 ... mittleres Profil 5 ... Grundprofil wirkliches Profil gibt es nicht (Meßfehler) Rauhtiefe: Rt ... Abstand von Bezugs- zu Grundprofil Rt = ymax Glättungstiefe Arithmetischer Mittelrauhigkeitswert Rz ... Mittel aus 5Ra
VT: bessere Tragfähigkeit NT: größere Verscleiß NT: große Kerbwirkung bei dynamischen Belastung
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 g (geringere Schärfe und geringerer WZ-Verschleiß) /7c/, /8/, /9/ 3.2. 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, k, Spanungsbedingungen, ... 1. Fließspan (hohe Schnittgeschwindigkeit, duktiles Material) 2. Lamellenspan 3. Scherspan 4. Reißspan (bei spröden Werkstoffen) /11/ Spanraumzahl günstig: Fließspäne Spanformen: Unter Spanform versteht man jene Form mit der der Span nach Abschluß der Spanbildung die Spanfläche verläßt Abhängigkeiten: ...., Spanbrecher /12/, /13/ /14/ Spangrößen: a ... Schnittiefe s ... Vorschub/Umdr. h ... Spanhöhe b ... Spanbreite
3.3. Thermische Beanspruchung /15/, /16/ 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 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/, /20/ Die Standzeit wird ermittelt mit einem Stand-Dauerversuch. /17/ Einflüsse auf die Standzeit: 1) Werkstoff des WS und WZ 2) Schnittgeschwindigkeit 3) Vorschub 4) Kühlung und Schmierung 5) Form der Schneide 6) Schnittiefe 3.5. Berechnung der Standzeit
C',m,x,y ...Standzeitkonstante C[Rest], m[-], x[-], y[-] T ...Standzeit [min] a ...Schnittiefe [mm] s ...Vorschub pro Umdrehung [mm/Umdr] v ...Schnittgeschwindigkeit [m/min] oder v1.T1m = v2.T2m Faßt man C'/Tm=Co zusammen, so erhält man: /30/ m-Werte für Drehen:
* höhere Werte für beschichtete Hartmetalle C' und m sind abhängig von der Werkzeug/Werkstück-Kombination und den Zerspanungsbedingungen. x und y berücksichtigen die Einflüsse von Schnittiefe und Vorschub (x<1, y<1). Beispiel: Mit Schnellarbeitsstahl wird ein Werkstück aus Stahl gedreht. Es ergaben sich folgende Werte: v1=25 m/min, T1=30 min Wie hoch muß die Schnittgeschwindigkeit v2 sein, wenn eine Standzeit T2=60 min gefordert wird ? 3.6. Aufbauschneide Die Aufbauschneide tritt zumeist beim Drehen und Fräsen auf. Bei kontinuierlicher Spanbildung schweißen sich kleine Partikel an die Schneide bzw. Spanfläche an. Nach Erreichen einer bestimmten Größe bricht die Aufbauschneide wieder ab. Material der Aufbauschneide = Material des Werkstücks, jedoch mit wesentlich höherer Härte. 3.7. Zerspanungskräfte Die Zerspanungskräfte entstehen durch: - Scherwiderstand - Reibungskräfte auf der Frei- und Spanfläche /23/ Zerspanungskräfte FZ ... resultierende Zerspanungskraft FS ... Hauptschnittkraft (Hauptkomponente von FZ, leistungsbestimmende Größe) FV ... Vorschubkraft FP ... Passivkraft 3.7.1. Hauptschnittkraft Kienzle-Gleichung: FS = A . kS A ..... Spanquerschnitt [mm2] kS .... spezifische Schnittkraft [N/mm2] kS = kS1.1 . Kh . Kg. Kv . Kver . KSt kS1.1 ... spezifische Schnittkraft für b=h=1 mm [N/mm2] (vom Werkstoff abhängig) Wird durch Versuche ermittelt. /25/ Kh ...... Korrekturfaktor der Spanungsdicke h Kh = h-z z= 0,2 ... 0,3 abhängig von der Werkzeug/Werkstoff-Kombination Kg ...... Korrekturfaktor für den Spanwinkel Kv ...... Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit v Kver .....Korrekturfaktor für den Verschleiß des Werkzeuges KSt ...... Korrekturfaktor für die Spanstauchung K = Kg . Kv . Kver . KSt /26/ FS = A . kS1.1 . h-z . K = kS1.1 . b . h1-z . K Schnittleistung: PS = FS . v 3.7.2. Ermittlung der Korrekturfaktoren 1. Korrekturfaktor für den Spanwinkel go = 6° für Stahl go = 2° für Guß Bei Verkleinerung von g nimmt die Hauptschnittkraft FS zu. 2. Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit v Kv = 1,03 - 0,0003 . v für Hartmetall-Werkzeuge bei v=80...250 m/min Kv = 1,15 für Schnellarbeitsstahl bei v=25...80 m/min Kv = 1,2 ... 1,25 bei v<25 m/min 3. Korrekturfaktor für die Spanstauchung /24/ 4. Korrekturfaktor für den Verschleiß Für stumpfe Werkzeuge ist mit einem erhöhtem Kraftaufwand zu rechnen. Kver = 1,3 ... 1,5 /29/ Der Gesamtkorrekturfaktor liegt üblicherweise in den Bereichen wie in Bild /26/ angegeben. Weitere Einflußgrößen sind das Spanungsverhältnis G, sowie Kühlung, Schmierung, ... 3.7.3. Vorschub- und Passivkraft Die Zusammensetzung der resultierenden Zerspanungskraft Fz aus den drei Teilkräften zeigt Bild /27/. Fv ~ 0,1 ... 0,4 Fz Fp ~ 0,25 ... 0,4 Fz Vorschubleistung: Pv = Fv . u Fv = FR = FN . m = m .( FS + ms.g ) bzw. Fv ~ 0,3 FS Unter Vernachlässigung der Vorschubleistung folgt:
3.7.4. Rechenbeisspiel /28/ Wie groß ist die erforderliche Leistung der Drehmaschine ?
Vorschubleistung:
Schlitten ms = 1500 kg m=0,1 Pv~0 P=Ps (+Pv) 3.8. Werkzeugmaterialien - Schneidstoffe Als Schneidstoff bezeichnet man den Werkstoff, aus dem der aktive Teil des Werkzeugs - der eigentliche Schneidenteil - besteht. Einteilung der Schneidstoffe: a) Unlegierte und legierte Werkzeugstähle b) Schnellarbeitsstähle c) Gegossene Hartlegierungen d) Gesinterte Hartmetalle e) Schneidkeramik f) Superharte Schneidstoffe (Diamant, Bornitrit) g) Schleifmittel /31/ Übersicht über die Schneidstoffe Die Schneidstoffe unterliegen mechanischen (Zug, Druck, Biegung, Schub), thermischen und chemischen (Oxidation, Diffusion) Belastungen. Anforderungen an Schneidstoffe: - große Härte und Druckfestigkeit (gegen Abtrennen der Werkstückteilchen) - hohe Biegefestigkeit und Zugfestigkeit (unempfindlich gegenüber Stößen) - hohe Verschleißfestigkeit (Kombination von Härte und Zähigkeit für günstige Standzeit) - Kantenfestigkeit - hohe Temperaturbeständigkeit (Wärmehärte, gute Temperaturwechselbeständigkeit) - chemisch inaktiv (geringe Neigung zu Verzunderung, Oxidation und Diffusion) /36/ Wärmehärte der Schneidstoffe 3.8.1. Legierte und unlegierte Werkzeugstähle Die Stähle enthalten geringe C-Anteile (0,6...1,3 % ), die legierten noch zusätzlich geringe Anteile an W, Cr, Co, V,... Werkzeugstähle erhalten ihre Härte durch eine Wärmebehandlung: Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur, Abschrecken und Anlassen. Werkzeugstähle erlauben eine nur geringe Schnittgeschwindigkeit und haben eine geringe Wärmehärte (~ 300 °C); sie werden deshalb in der Metallbearbeitung nur noch für Feilen, Sägeblätter u.a. Handarbeitswerkzeug eingesetzt. Anwendung z.B. in der Holzbearbeitung. 3.8.2. Schnellarbeitsstähle Mit Hilfe verschiedener karbidbildender Legierungszusätze (W, V, Cr, Co) erhalten die Schnellarbeitsstähle eine höhere Wärmehärte, Verschleißfestigkeit und Schnittgeschwindigkeit als Werkzeugstähle. Schnellarbeitsstähle ent- halten bis 20% W, 16% Co, 10% Mo und 5% Cr und V. Angewendet werden Schnellarbeitsstähle hauptsächlich noch bei mehrschneidigen Werkzeugen, wie Spiralbohrer, Senker, Fräser und bei unterbrochenen Schnitten (wegen der Stoßbelastung), wie bei Einstech- und Profil-Dreh- stählen und Hobelstählen. Durch Beschichten, Nitrieren, Karbonitrieren u.a. Verfahren können die Schnellarbeits- stähle verschleißbeständiger gemacht werden. 3.8.3. Hartmetalle Man unterscheidet gegossene und gesinterte Hartmetalle. Die gegossenen Hartlegierungen sind C-haltige Gußlegierungen, die aus einem Grundmetall (Fe, Ni, Co) und zum überwiegenden Teil aus Karbidbildnern (17% W, 25% Cr, 35% Co, 20% Fe) bestehen. Die Formgebung erfolgt durch Gießen; eine Wärmebehandlung ist nicht notwendig. Sie weisen eine höhere Wärmehärte gegenüber den Schnell- arbeitsstählen auf, und sind verschleißfester als diese. Gegeossene Hartmetalle sind aber sehr spröde, und werden daher heute kaum noch angewendet. Heute werden ausschließlich Sinter-Hartmetalle verwendet. Ein Pulvergemisch aus Wolframkarbiden ( WC ), TiC, TaC, MoC, VC wird mit einem Hilfsmetall (im allge- meinen 5-20% Co) in eine Form gepreßt, und bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1600 °C gesintert. Die Nachbehandlung erfolgt durch Schleifen mit extraharten Spezialschleifscheiben (Diamant). Ein entscheidender Härteverlust tritt erst bei Temperaturen oberhalb von ca. 800 °C ein. Die Hartmetalle enthalten kaum Fe (nur ca. 2-3%) . Die Hartmetalle sind spröde und teuer; daher wird nicht das gesamte Werkzeug, sondern nur die tatsächlich wirksame Schneide aus Hartmetall hergestellt ------> ein Plättchen wird auf einem Werkzeug-Halter befestigt (gute Zähigkeit und Dämpfung). Die Hartmetall-Plättchen können durch Löten (veraltet) oder Schrauben oder Klemmen befestigt werden. /32/ Befestigung der Wendeschneidplättchen Es gibt drei Gruppen von Hartmetallen: P für langspanende Werkstoffe M Mehrzwecksorte K für kurzspanende Werkstoffe dazu Kennzahlen: 01, 10, 20, 30, 40, 50 hoher Verschleißwiderstand ----------------------® große Zähigkeit 3.8.4. Schneidkeramik Keramische Werkstoffe basieren hauptsächlich auf Al2O3 (Aluminiumoxid). Schneidkeramik-Schneidstoffe erzielen eine weitere Steigerung der Produktivität. Weitere Vorteile sind die Einsparung an teuren Sintermetallen (W, Co, Cr, ...) und die höhere Härte als die Hartmetalle. Man unterscheidet zwei Arten der Schneidkeramik: - reine Aluminiumoxide (keine oder kaum Legierungszusätze von anderen Metalloxiden und Metallkarbiden) - legierte Schneidkeramik (bis zu 60% Zusätze von Metallkarbiden) Schneidkeramik ist extrem spröde, und daher nicht für Bearbeitungsvorgänge mit stoßartiger Belastung geeignet (Längsdrehen abgesetzter Wellenteile). Eine Vorbearbeitung der Werkstücke ist notwendig. /37/ Eigenschaften der Schneidkeramik 3.8.5. Schneiddiamant Schneiddiamanten (Naturdiamanten oder künstliche Diamanten) verwendet man ausschließlich in der Feinstbearbeitung zur Herstellung von Oberflächen mit - geringsten Maßabweichungen - höchster Oberflächengüte - zumeist beim Drehen. Mit Schneiddiamanten werden alle Metalle mit keinem oder extrem niedrigem C-Gehalt, sowie Kunststoffe und Glas, bearbeitet. Schneiddiamanten sind äußerst hart und spröde, und daher extrem bruchempfindlich. Die Standzeit ist gegenüber Hartmetallen, bei gleichen Zerspanungsbedingungen, 40 bis 50 mal höher. Die Befestigung der Schneiddiamanten auf dem Werkzeug-Träger erfolgt durch Hartlöten, Einsintern oder Kaltfassen. Die Aufnahme des Schneiddiamanten am Werkzeug-Träger soll so gestaltet sein, daß keine zusätzlichen Einspann- bzw. Wärmespannungen (Hartlöten !!) entstehen. /34/ Diamant-Werkzeughalter /35/ Facetten-Diamantwerkzeug (Schneidenlänge < 1mm, Einstellen mit Vergrößerungseinrichtung) Polykristalline Schneidkörper haben einen Grundkörper aus Hartmetall, auf dem viele kleine Diamanten bei hoher Temperatur (ca. 2200 °C) und hohem Druck (ca. 70 kbar) aufkristalliert werden. /33/ Wendeschneidplatten mit polykristallinen Schneidkörpern 3.9. Wendeschneidplatten Wegen der hohen Kosten der hochbeanspruchten Schneidstoffe werden meistens nur die Schneiden aus diesem Werkstoff hergestellt. Wendeschneidplatten aus Hartmetall oder Schneidkeramik sind nach Form, Abmessungen und Genauigkeit genormt. /38/ Genormte Hartmetall-Wendeschneidplatten Die Wendeschneidplatte wird mit dem Werkzeugschaft durch Schrauben oder Klemmen (veraltet: Löten) verbunden. /32/ Befestigung der Wendeschneidplättchen /39/ Halter für Wendeschneidplatten. Vorteile der Wendeschneidplatten: - keine Löt- oder Schleifspannungen durch Nachbearbeitung der Werkzeuge - gleichmäßige Qualität (Standzeit) - kaum Einstellaufwand - kein Nachschleifen - keine Höhenkorrektur - geringe Kosten - schneller Werkzeugwechsel Zumeist werden Vierkant-Wendeschneidplatten angewendet, wegen ihrer höheren Standzeit und geringen Bruch- gefahr. Dreikant-Wendeschneidplatten kommen nur dann zur Anwendung, wenn die Schnittfläche dies erfordert. Es gibt auch beschichtete Hartmetall-Wendeschneidplatten (Beschichtung z.B. mit kubischem Bornitrit), und Hartmetalle mit Multischichtaufbau.
4. Drehen /40/ 4.1. Übersicht über die Drehverfahren Systematischen Einteilung der Drehverfahren nach DIN 8589 Teil 2. Die Einteilung orientiert sich am Kriterium der Oberflächenform und Kinematik der Zerspanungsbedingungen. Längsdrehen: Drehen mit Vorschubbewegung parallel zur WS-Achse. Plandrehen: Drehen mit Vorschubbewegung plan (quer) zur WS-Achse. (Querdrehen) /41/, /42/, /43/, /44/, /44a/, /44b/, /45/, /45a/, /46/, /47/ 4.2. 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 /52/ - Innen- /Außendrehstahl /51/ 4.3. Winkel am Drehstahl a ... Frei-, b ... Keil-, g ... Span-, e ... winkel /54/, /55/, /56/ 4.4. Spannen der Drehmeißel und WS Saubere Oberfläche, mittig, normal zur WS-Achse (k), fest, kurz Schwingungen der WZ-Maschine, WZ u./o. WS werden als Ratterschwingungen bezeichnet. /57/, /58/ 4.4.1. Ratterschwingungen Mögliche Abhilfen für Rattern 4.4.2. Schwingungen von dünnwandigen Werkstücken Mögliche Abhilfen: -) Schnittdaten ändern (® Schwingungsvermeidung) -) WS- bzw. WZ-Dämpfung erhöhen (® Schwingungsdämpfung) /59/-/62/ 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/, /62/ 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 Rt gilt (s>0,1mm) Rt ... Rauhtiefe [mm] s ... Vorschub [mm] r ... Spitzenradius [mm]
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 v=konst. /72/ Gewindedrehen mit einschneidigem WZ: Der Vorschub erfolgt entsprechend der Gewindesteigung. Die Zustellbewegung kann auf 4 Arten erfolgen. Es werden bis zu 10 Schnitte durchgeführt. /64/ 4.6. Berechnungsverfahren 4.6.1. Zerspankraftkomponenten und Zerspanleistung Schnittgeschwindigkeit: v=d.p.n Vorschubgeschwindigkeit: u=s.n Wirkgeschwindigkeit: Die flächenhaft, auf den Schneidenkeil, wirkenden verteilten Schnittlasten werden durch die s.g. Zerspankraft Fz, und ihre Komponenten ersetzt.
Hauptschnittkraft: Vorschubkraft: Passivkraft: Zerspanleistung:
Pv kann gegenüber Ps vernachlässigt werden: Pz~Ps
Der Gesamtwirkungsgrad der Drehmaschine verschlechtert sich bei Teillast und hohen Drehzahlen. Grenzen für die Wahl der Schnittleistung: /69/
1.) Grenzen durch die WZ-Maschine: - Leistungsaufnahme - Stabilität der Maschine - Rattern (abh. von der Steifigkeit und Dämpfung des Systems) 2.) Grenzen durch das WZ: - Standzeit - Werkstoff - Schneidkeilgeometrie - Temperaturbeständigkeit, Wärmezufuhr 3.) Grenzen durch das WS: - Stabilität (z.B. Fliehkräfte, geringe Wandstärke, ...) - Oberflächengüte - Werkstoff 4.6.2. Berechnung der Hauptzeit Die Hauptzeit tH besteht aus der Summe aller Zeiten in denen die gewünschte Veränderung am WS durch das WZ ausgeführt wird. Bei konst. Zeitspanungsvolumen gilt:
Ist das Zeitspanvolumen nicht konstat, so muß die Hauptzeit aus den mit der Vorschubgeschwindigkeit zurückgelegten Wegen ermittelt werden.
Längsdrehen:
L ... Gesamt-Drehlänge Gewindedrehen: Gleich wie Längsdrehen, der Vorschub s entspricht der Steigung P. g ... Gangzahl i ... Anzahl der Schnitte
Plandrehen: Unterscheidung zwischen Drehmaschinen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit und konstanter Drehzahl. a) Konstante Drehzahl Lineare Veränderung der Drehzahl mit dem Durchmesser
Gesamt-Drehlänge: b) Stufenlose Drehzahlregelung (v=konst.) VT: Wirtschaftlicher (bessere Leistungsausrüstung der Drehmaschine) bessere Oberflächengüte, geringere Hauptzeit
Berechnung der Hauptzeit:
Berechnung Fräser: Stirnfräser: Geg: Schnittiefe a = 5mm Werkstückbreite B = 200mm WS-Material Ck 35 ks1.1 = 1860N/mm² z = 0,2 WZ-Maschine Vertikale Fräsmaschine Elektr. Anschlußleistung Pel. = 20kW Gesamtwirkungsgrad h = 0,75 k = 60° HM-bestückter Fräser mit g = 6° FräserÆ D = 320mm Messerkopf z = 15 Vorschub sz = 0,1mm/Schneide v = 120m/min Standzeit T = 150min für v = 80m/min Ges: Reicht die Leistung der Fräsmaschine für diese Bearbeitung aus? Überprüfung des FräserÆ: E ~ 3A ü D ~ 1H ... 1,6B = 280 - 320min ü
Zähne im Eingriff:
Berechnung der Standzeit:
Erforderliche Drehzahl:
5. Bohren, Reiben, Senken 5.1 Allgemeines, Übersicht der Bohrverfahren Bohrverfahren sind nach DIN 8589 spanende Verfahren mit kreisförmiger Schnittbewegung. Das Werkzeug führt hierbei eine Vorschubbewegung nur in Richtung der Drehachse aus. Die Drehachse ist werkstück- und werkzeugfest. /73/ Die Bohrverfahren werden unterschieden in Bohren, Aufbohren, Senken und Reiben. Es dient der Herstellung von Löchern, bzw. zur Veränderung dieser. Gewindebohrer dienen der Herstellung von Innengewinden. Die Bearbeitung mit Spiralbohrern stellt eine Schruppzerspanung dar, mit oft ungenügender Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Mit Reibwerkzeugen wird die Schlichtbearbeitung durchgeführt. /74/ Plansenken Bohrverfahren zur Erzeugung ebener oder kegeliger Flächen senkrecht zur Drehachse. - Planansenken /75/ (für überstehende Flächen) - Planeinsenken /76/ (für vertiefte Flächen) Rundbohren Bohrverfahren zur Erzeugung kreiszylindrischer Innenflächen, die axial zur Drehachse liegen. - Bohren ins Volle (mit Hauptschneidenführung) /77/ - Kernbohren /78/ - Aufbohren (Vergrößerung eines bereits vorhandenen Loches; Aufbohren mit Hauptschneidenführung) /79/ - Reiben (Aufbohren mit geringer Spanungsdicke zur Erzeugung von maß- und formgenauen kreiszylindrischen Innenflächen mit hoher Oberflächengüte) /80/ Schraub- bzw. Gewindebohren Bohrverfahren zur Erzeugung von Innenschraubflächen in ein vorhandenes Loch. /81/ Profilbohren Mit einem Profilwerkzeug durchgeführtes Bohrverfahren zur Erzeugung von rotationssymetrischen Innenflächen, die durch das Hauptschneidenprofil des Werkzeugs bestimmt sind. - Profilsenken (mit Profilsenker) /76/ - Profilbohren ins Volle (z.B. Zentrierbohren) /82/ - Profilaufbohren (Aufbohren bereits profilierter Löcher) /83/ - Profilreiben (Reiben mit Profilwerkzeug) /84/ Unrundbohren Handbohren 5.2 Bohrwerkzeuge 5.2.1 Spiral- oder Wendelbohrer Häufigst verwendetes Bohrwerkzeug, Schruppwerkzeug; Erreichbare Toleranzen von IT11 bis IT13, abhängig vom Werkstoff dse Werkstücks, der Werkzeug-Steifigkeit, Werkzeug-Führung, Kühlung, Schmierung, Spanabfuhr, Stabilität der Maschine, ... Beim Spiralbohrer sind die Schneidkanten wendelförmig um die Drehachse angeordnet /9, 85/ : - gleichbleibender Durchmesser beim Nachschleifen - gute Führung durch die Führungsfase - gute Spanabfuhr - lange Nutzungsdauer (öfteres Nachschleifen möglich) Der vom Schaft zur Spitze hin konisch verlaufende Kern des Bohrers (= Seele des Bohrers) gibt die notwendige Stabilität. An der Bohrerspitze entspricht die Kerndicke der Breite der Querschneide. Ausspitzen
Durch das Ausspitzen wird die Querschneidenlänge verringert (etwa um die Hälfte), um die Vorschubkraft (=Drücken der Schneide) zu verringern, und den Spanraum an der Bohrerspitze zu vergrößern. Der Durchmesser zum Vorbohren muß immer größer, oder zumindest gleich groß, wie der Durchmesser der Querschneide des folgenden Bohrers sein. Bohrerschaft Bohrer mit Zylinder- und Kegelschaft werden verwendet. /85, 86/ Der Zylinderschaft wird bei kleineren Durchmessern (bis ca. 10 mm) und geringeren Kräften verwendet. Für größere Durchmesser und Kräfte ist, zur Übertragung des Drehmomentes (durch Reibung) ein Kegelschaft notwendig. Der Kegellappen am Ende des Schaftes dienz zum Lösen der Verbindung mit einem Keil. Winkel an der Bohrerschneide Die Lage der Winkel a, b und g ist aus /87/ ersichtlich. Angaben über die Größe des Spanwinkels g gibt /89/. Die Lage des Spitzenwinkels j und dessen Größe zeigt /88/. Querschneide und Hauptschneide sollen einen Winkel von y=55° einschließen. /90/ Werkstoffe Für Bohrer aller Art werden zumeist Werkzeugstahl (billig, hohe Elastizität, geringe Härte) und Schnell-arbeitsstahl (höhere Härte und Verschleißwiderstand) verwendet. Für hohe Belastungen und zur Bearbeitung großer Durchmesser werden auch mit Hartmetall, Schneidkeramik oder Schneiddiamant bestückte Bohrer verwendet. /91/ 5.2.2 Spitzbohrer Der Spitz- oder Drillbohrer ist der Vorläufer des Spiralbohrers. Heute findet der Spitzbohrer nur noch beim Bohren kleiner Durchmesser (Handbearbeitung), in der Holzbearbeitung und für Spezialaufgaben Anwendung. /92/ 5.2.3 Zentrierbohrer Zentrierbohrer dienen zur Herstellung der Aufnahmebohrungen an Drehteilen. /93/ zeigt die häufigsten Ausführungen der Zentrierbohrer. 5.2.4 Kernbohrer Sie dienen zur Herstellung großer Durchmesser ohne Zerspanung des gesamten Kernes ® geringere Leistungsaufnahme der Maschine. Der Kernbohrer entspricht einem Rohr, das an der Stirnseite mit Wende-schneidplättchen aus Hartmetall, Schneidkeramik oder Schneiddiamant bestückt ist. Der Kernbohrer findet Anwendung zur Leistungseinsparung, und wenn man am Bohrkern interessiert ist; z.B. bei Gesteinsproben und Proben von Schnee und Eis. /78/ 5.2.5 Bohrstange Die Bearbeitung mit einer Bohrstange ist ähnlich dem Innendrehen, jedoch mit umlaufendem Werkzeug. Wichtig ist eine stabile Verbindung der Bohrstange mit der Maschinenspindel. Zur Herstellung langer Bohrungen wird die Bohrstange auch beidseitig geführt (in s.g. Bohrbuchsen). Für größere Durchmesser werden auf der Bohrstange Bohrköpfe mit zwei, drei oder vier Bohrmeißeln aufgespannt. /94/ 5.3 Senkwerkzeuge Während mit Aufbohren eine bereits vorhandene Bohrung erweitert wird, handelt es sich beim Senken um ein Profilbohren mit umlaufendem Werkzeug, wobei der Vorschub in Richtung der Drehachse erfolgt. Werkzeuge mit stirnseitigen Schneiden, die bis zur Werkzeugachse verlaufen, werden als Bohrwerkzeuge eingegliedert; z.B. Zentrierbohrer, Mehrfasen-Stufenbohrer, ... Senkwerkzeuge /95/
5.4 Reibahlen, Reibwerkzeuge Durch das Feinbearbeitungsverfahren Reiben erhält die Bohrung hohe Paßgenauigkeit (bis IT7) und Oberflächen-güte. Wichtig ist eine gute Vorarbeit (Vor- oder Aufbohern einwandfrei durchgeführt), ausreichende Zugabe und Schmierung. Reibahlen sind in ihren Toleranzen genormt. Reibahlen bestehen aus dem Schneidenteil und dem Schaft. Der vordere Teil der Reibahle heißt Anschnitt, ist kegelig ausgeführt, und dient der Zerspanung des Werkstoffs. Der zylindrische Teil übernimmt die Führung der Reibahle in der Bohrung und glättet die Lochwandung. /96/ Reibahlen werden in Hand- und Maschinenreibahlen unterschieden. Maschinenereibahlen haben einen kurzen Anschnitt, während der Anschnittkegel bei Handreibahlen ca. 1/4 der gesamten Schneidenlänge ausmacht. /97/ Weiters werden Reibahlen unterschieden in: /98/ - Reibahlen mit geradem Schneidenverlauf (veraltet, billig, neigen zur Bildung von Rattermarken an der Bohrungswand) - Spiralgenutete Reibahlen Sie besitzen einen Drall entgegen der Schnittrichtung. Sie zeichnen sich durch gleichmäßigere Schneidwirkung und Vorschub, sowie durch die Vermeidung von Rattermarken, aus.
Da beim Reiben nur geringe Werkstoffmengen zerspant werden, sind die Winkel an der Schneide so gewählt, daß die Reibahle nur schabt: g = 0° Reibahlen haben stets gerade Schneidenzahlen, damit der Durchmesser des Werkzeuges genau gemessen werden kann. Die Teilungen sind ungleich, um Unebenheiten und Rattermarken zu vermeiden. /99/ /100/ zeigt verschiedene Ausführungsformen von Reibahlen. 5.5 Berechnungsverfahren 5.5.1 Kinematik Vorschub pro Schneide: Beim Bohren sind gewöhnlich z=2 Schneiden vorhanden: Einstellwinkel: Aus /101/ folgt:
Az ... Spanungsquerschnitt je Schneide 5.5.2 Zerspanungskräfte und Schnittleistung /101/ Berechnung nach Kienzle: Fs = Fs1 + Fs2 = 2.Fsz Fsz ... Schnittkraft je Schneide Analog gilt: Fv = Fv1 + Fv2 = 2.Fvz und Fp = Fp1 + Fp2 = 2.Fpz Allgemein gilt: Fsz = Az.ks = b.h1-z.ks1.1.K b.h ks1.1.h-z.K K = Kv.KSt.Kver Bohren ins Volle: Aufbohren:
Die Schnittkraft läßt sich beim Bohren nicht direkt messen; sie kann nur mit Hilfe des Drehmomentes rückgerechnet werden. Der Abstand x zwischen den Schnittkräften Fs1 und Fs2 kann näherungsweise mit x~0,4 ... 0,5 . D angenommen werden. /102/ Für 2 Schneiden gilt: MT = Fsz . x Berechnung der Vorschubkraft beim Bohren ins Volle: Werte für y, z, ks1.1, kv1.1 aus /103/. Schnittleistung: Ps = MT . w Zeitspanungsvolumen: 5.5.3 Hauptzeit beim Bohren Allgemein gilt: Nach /104/ gilt: L = l + La + Lu mit Lu = 2 mm für Durchgangsbohrungen Lu = 0 mm für Sacklöcher 5.6 Tiefbohren Zur Herstellung von langen Bohrungen (l > 5d ) und Bohrungen mit erhöhter Genauigkeit (IT7 bis IT10), exakter Rundheit und besserer Fluchtung. Anforderungen an Tiefbohrer: - starr, schwingungsfrei - gute zentrische Führung - Kühlmittelzufuhr bis zur Schneide gewährleistet - günstige Schneidengeometrie zur Erzeugung kurzer Späne - ausreichender Spanraum und Späneabfuhr - großer Standweg des Schneidenmaterials
Spiralbohrer mit Ölkanälen Einlippenbohrer BTA-System Ejectorbohrer Spiralbohrer mit Ölkanälen (veraltet) Es handelt sich um einen Spiralbohrer mit, in der Längsrichtung gebohrten, Schmierlöchern. Wegen des begrenzten Spanraumes ist ein periodischer Rückzug des Bohrers notwendig. Der Bohrer erreicht nur geringe Zerspanleistungen, außerdem wird die Lochoberfläche durch die Späne und die Bewegung des Bohrers beschädigt. Einlippenbohrer Beim Einlippen-Tiefbohren wird das Kühlschmiermittel durch den rohrförmigen Werkzeugschaft der Schneide zugeführt, und, zusammen mit den Spänen, außen in der Spannut zurückgeführt. Für das Bohren ins Volle beträgt der Bohrbereich 2 - 300 mm; die erreichbaren Bohrtiefen liegen bei 100-200x d. Der Einlippenbohrer erreicht eine bessere Zerspanleistung als der Spiralbohrer mit Ölkanälen, jedoch wird auch hier die Lochoberfläche durch die äußere Spanabfuhr beschädigt. BTA-System Bei diesem Bohrsystem (entwickelt von Boring & Treppanning Ass.) wird das Kühlschmiermittel zwischen dem Werkzeugschaft und der Bohrung außen zur Schneide gefördert. Die Späneabfuhr erfolgt mit dem Kühlmittel zentral im rohrförmigen Werkzeugschaft zum Späneauslauf am Bohrspindelende. Ejectorbohrer Beim Ejector-Verfahren wird das Kühlschmiermittel über einen Kühlmittelzuführapparat an der Bohrspindelnase zwischen innerem und äußerem Werkzeugschaft zur Schneide gefördert. Die Späne werden mit dem Kühlschmiermittel im inneren Werkzeugschaft zum Späneauslauf am Spindelende transportiert. Das Verfahren arbeitet mit einer inneren Kühlflüssigkeitszufuhr und inneren Späneabfuhr. Ein Teil der Flüssigkeit wird durch die, ringförmig in der Bohrkrone angebrachten, Bohrungen gefördert, und kühlt bzw. schmiert die Schneiden und die Führungsleisten. Der restliche Teil des Kühlschmiermittels wird durch eine Ringdüse im Innenrohr direkt zurückgepreßt. Dadurch entsteht ein Unterdruck, durch den die Flüssigkeit samt den Spänen abgesaugt wird (Ejectoreffekt). Dieses Verfahren ist sehr wirtschaftlich und erreicht höchste Zerspanleistungen bei großer Oberflächengüte. Allgemeines zum Tiefbohren Die Tiefbohr-Werkzeuge sind ausschließlich mit Wendeschneidplättchen bestückt. Durch die gleichmäßige Kühlung und Schmierung von Schneide und Führungsleiste sind hohe Schnittgeschwindigkeiten möglich, sowie Einsparung von Nacharbeiten. /105/ Die eingesetzte Werkzeugmaschine muß eine ausreichende Stabilität und Leistung aufweisen. Die Kühlflüssigkeitsdrücke bewegen sich bei ca. 20-30 bar. Die Drehbewegung macht meistens das Werkstück, wogegen das Werkzeug die Vorschubbewegung ausführt. Berechnung der Schnittkräfte beim Tiefbohren Die, an der Schneide verteilt angreifende, Schnittkraft wird durch die, als Einzelkraft wirkende, Hauptschnittkraft Fs ersetzt. Das Antriebsmoment wirkt gegen das Kräftemoment der beiden Hauptschnittkräfte. Die Passivkraft Fp wird durch die zweite Führungsleiste aufgenommen.
6. Fräsen 6.1. Allgemeines Fräsen ist ein Zerspanungsverfahren mit kreisförmiger Schnittbewegung und beliebiger, quer zur Drehachse liegender, Vorschubbewegung. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkstück, unabhängig von der Vorschubbewegung, bei. Das Fräsen erfolgt mit mehrschneidigen Werkzeugen, und ist gekennzeichnet durch eine diskontinuierliche Spanabnahme (rythmisch wiederkehrende Spanunterbrechungen und Schnittkraftschwankungen). Die rotierende Hauptbewegung wird vom Werkzeug ausgeführt. Erreichbare Oberflächengüten: IT8 bis IT10 6.2. Übersicht der Fräsverfahren Im allgemeinen werden die Fräsverfahren, wie folgt, benannt: 1) Fräsverfahren, die nach der Arbeitsweise des Fräsers benannt sind: - Walzfräsen - Stirnfräsen - Formfräsen 2) Fräsverfahren, die nach der Form des Werkstücks benannt sind: DIN 8589 in /107/ 3) Fräsverfahren, die nach der Vorschubrichtung des Fräsers benannt sind: - Gegenlauffräsen - Gleichlauffräsen 6.2.1. Verfahren, die nach der Arbeitsweise des Fräsers benannt sind Walzenfräsen: Fräserachse ist parallel zur Bearbeitungsfläche Stirnfräsen: Fräserachse steht senkrecht zur Bearbeitungsfläche Formfräsen: Fräsen von Sonderformen (Nuten, Gewinde, Spezialanwendungen, ...) A) Walzfräsen Beim Walzfräsen liegt die Fräserachse parallel zur bearbeitenden Fläche des Werkstücks. Der Fräser arbeitet nur mit den Umfangsschneiden. Durch den ungleichmäßigen Span ist die Belastung von Werkzeug und Maschine ebenfalls ungleichmäßig. Je nach Vorschubrichtung wird in Gegenlauf- und Gleichlauffräsen unterschieden. /108/ Wegen der ungünstigen Schnittverhältnisse erreicht man nur geringe Oberflächengüten ® Schruppverfahren. B) Stirnfräsen Beim Stirnfräsen steht die Fräserachse senkrecht zur bearbeiteten Fläche des Werkstücks. Die Schneiden des Fräsers befinden sich sowohl am Umfang, als auch auf der Stirnseite des Werkzeugs. Der Fräser zerspant den Werkstoff nur mit den Umfangsschneiden, während die Stirnschneiden die bearbeitete Fläche glattschaben. Das Stirnfräsen wird zur Erzeugung ebener Flächen eingesetzt. /109, 110/ Beim Stirnfräsen kommt es zum gleichzeitigen Gegen- und Gleichlauffräsen. Bei Werkzeug-Maschinene, die nicht zum Gleichlauffräsen geeignet sind, muß der Gleichlaufwinkel a kleiner als der Gegenlaufwinkel b sein. C) Formfräsen Verfahren zur Herstellung spezieller Oberflächen, soferne sie nicht unter 6.2.2. fallen. - Satzfräsen zur gleichzeitigen Bearbeitung des Werkstücks an mehreren Flächen (wirtschaftliches Verfahren). /111/ - Profilfräsen zur Herstellung spezieller Profile (z.B. Führungen, ...). /119/ - Nutenfräsen: a) Tauchfräsen mit Schaftfräser (nur bei geringer Nuttiefe; ungenau, keine exakt gerade Nut). /112/ b) Schrittfräsen mit Schaftfräser (seitlich stufenförmige Oberfläche). /113/ c) Walzenfräsen mit Scheibenfräser. /114/ - Drehfräsen: Keine aufwendige Steuerung notwendig; geeignet für robuste Werkzeug-Maschinen. Nach einer Werk- stückumdrehung fertig; wirtschaftliches Verfahren. 6.2.2. Verfahren, die nach der Form des Werkstücks benannt sind Erzeugen ebener Flächen /115/ Erzeugen kreiszylindrischer Flächen /116/ Beim Innen-Rundfräsen kann eine bessere Oberflächengüte erreicht werden, da sich der Fräser besser an die Werkstück-oberfläche anschmiegt. Erzeugen von Schraubflächen Die Schraubfläche wird durch gleichzeitige Dreh- und Längsvorschubbewegung des Werkstücks erzeugt. /117/ Für die Erzeugung von Lang- oder Kurzgewinden können ein- oder mehrschneidige Fräser verwendet werden. /118/ Erzeugen beliebiger, durch ein Profilwerkzeug bestimmter, Flächen /119/ Beim Profil-Außenfräsen ( /119B/ ) kann anstatt des außenverzahnten Scheibenfräsers auch ein innenverzahnter Ringfräser benützt werden (bessere Oberflächengüte). Nachformfräsen - Kopierfräsen Außer einem zylindrischen Werkzeug kann auch ein profiliertes Werkzeug verwendet werden. Wichtig ist, daß der Durchmesser des Nachformfühlers dem mittleren Arbeitsdurchmessers des Werkzeugs entspricht. /120/ Erzeugen von Wälzflächen Zur Herstellung von Zahnrädern und Keilwellen. /121/ Der Fräser dreht sich einmal, während das Werkstück sich um einen Zahn weiterdreht. Zähnezahl des Werkstücks: i .... Anzahl der Gänge des Werkzeuges 6.3. Fräswerkzeuge Nach der Vielseitigkeit der Fräsverfahren ist eine Vielzahl von Werkzeugen entwickelt worden. Die Fräswerkzeuge unterscheiden sich im wesentlichen durch ihren Anwendungszweck. Mögliche Einteilungen: 1) Nach der Anordnung der Zähne: Mantelschneiden, Stirnschneiden 2) Nach der Form der Zähne: Spi |