Maschinenbau Hauptgruppen der Fertigungsverfahren Hauptgruppe 1: Urformen - Fertigen eines festen Körpers aus formlosen Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes Hauptgruppe 2: Umformen - Fertigen durch bildsames Ändern der Form eines festen Körpers Hauptgruppe 3: Trennen - Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers, wobei der Zusammenhalt örtlich aufgehoben wird Hauptgruppe 4: Fügen - auf Dauer angelegte Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken geometrisch bestimmter fester Form o. Von Werkstücken mit formlosem Stoff Hauptgruppe 5: Beschichten - Fertigen durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück Hauptgruppe 6: Stoffeigenschaften ändern - Fertigen durch Verändern der Eigenschaft des Werkstoffes, aus dem ein Werkstoff besteht => durch Veränderungen im submikroskopischen bzw. atomaren Bereich, z.B Diffusion von Atomen, chemische Reaktionen... Grundlagen der Messtechnik Aufgaben der Messtechnik: - Sicherstellen, dass die an ein Produkt gestellten Anforderungen in der Fertigung verwirklicht werden 1 - Abmessungen an Werkstücken und deren Abweichungen von einem vorgegebenen Konstruktionsmaß festzustellen - Vor oder während der Bearbeitung die richtige Einstellung der Werkzeugmaschine bzw. die richtige Zustellung des Werkzeuges zu bestimmen Messen: - Vergleichen einer Messgröße an einem Werkstück mit einer Messgröße der gleichen Art (z.B Länge, Temperatur etc..) eine physikalische Größe gefunden wird. -Ergebnis besteht aus Maßzahl und der Maßeinheit Lehren: - wird festgestellt, ob ein Ist-Maß an einem Werkstück innerhalb bestimmter Grenzmaße liegt -Ergebnis: Gut oder Ausschuss Prüfen: - feststellen, ob Prüfgegenstand eine oder mehrere vereinbarte o. Vorgeschriebene Bedingungen erfüllt - Ergebnis: Ja oder Nein Geometrische Fertigungsfehler: Formfehler: - Abweichung von einer vorgegebenen geometrischen Grundform wie der Geraden, Ebene, Kreis oder Zylinderform Maßfehler: - jede Abweichung von einem vorgeschriebenen Maß Lagefehler: - Abweichungen einer Kante, Mantellinie oder Fläche eines Werkstückes von der Solllage Rauheit: - jeder Gegenstand wird durch eine oder mehrere Flächen begrenzt 2 - es ist nicht möglich ideale Flächen zu fertigen - Oberflächen von Werkstücken mikroskopisch betrachtet mit Unebenheiten versehen = Rauheit: Rautiefe, Glättungstiefe, Mittenrauwert, Einzelrautiefe, gemittelte Rautiefe, maximale Rautiefe Messen von Werkstoffverformungsvermögen Zugversuch: - Standartverfahren der Werkstoffprüfung zur Bestimmung der Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung - Probe wird durch Zugkraft so lange gedehnt bis der Brucheintritt Kerbschlagbiegeversuch - Verfahren der Werkstoffprüfung das relativ einfach und schnell Zähigkeitseigenschaften von Werkstoffen bestimmt. - Versuch: Pendelhammer trifft mit bestimmter kinetischer Energie auf die ungekerbte Rückseite einer Probe trifft - Kerbschlagarbeit in Joule wird gemessen 3 Hauptgruppe 1: Urformen Gießen: - aus flüssigen Metallen und Legierungen werden Gussstücke erzeugt - besonders wirtschaftlich, wenn mit Gießverfahren bessere Werkstückeigenschaften erzielt werden als mit konkurrierenden Formgebungsverfahren wie z.B Pressen, Fügen, Sintern etc. - Werkstücke lassen sich durch gewünschte Eigenschaften und Besonderheiten den verschiedenen Formgebungsverfahren zuordnen - Zuordnung bedingt durch: Maßgenauigkeit Oberflächengüte Wanddicke Stückzahl Stückmasse Kompliziertheit der Gestalt Abmessungen Erstarrung und Kristallisation - wenn sich nach dem Gießen viele Keime gleichmäßig verteilt bilden= gleichförmiges Gefüge aus Globuliten ( Material isotrop) - wenn nach anfänglicher Keimbildung an der Formwand das Kristallwachstum überwiegt= Bevorzugt Stengelkristalle (Eigenschaften richtungsabhängig, anisotrop) - Übergänge zwischen beiden Extremfällen= Stengelkristalle und Globuliten Gießeigenschaften - damit ein Werkstoff durch Gießen in die gewünschte Gestalt gebracht werden kann, sind günstige Gießeigenschaften erwünscht: gute Fließ- und Formfüllungsvermögen gute Speisungseigenschaften geringe Warmrissneigung günstiges Lunkerverhalten 4 wenig zur Gasaufnahme und Oxidation neigen Gießverfahren - Gießen in verlorene Formen mit Dauermodellen - Gießen in verlorene Formen mit verlorenen Modellen - Gießen in Dauerformen ohne Modell Gießen in verlorene Formen mit Dauermodell - für Einzelgusstücke und der größere Tel der Seriengusstücke - Form geht nach jedem Abguss verloren aus dem wiederaufbereiteten Formstoff (z.B Sand) kann neue Form hergestellt werden Gießen in verlorene Formen mit verlorenen Modellen - Feingießen: Gussteile mit höherer Maßgenauigkeit und geringerer Oberflächenrauheit - Typisches Bauteil: Turbinenlaufräder - Modellwerkstoff: Wachs, Polystrol - Abguss: Kompakt- oder Schalenform - Vollformgießen: wesentliche Einsparungen in der Formherstellung - Teile bis über 30t können hergestellt werden - Typisches Bauteil: Maschinenbetten Gießen in Dauerformen ohne Modell - Druckgießen: flüssige oder teigige Druckgusslegierungen unter hohem Druck in metallische Dauerformen pressen 5 - wirtschaftlichste gießtechnische Urformverfahren für Großserien von Gussteilen bei Stückmassen unter 40kg - Kokillenguss: Schmelzen unter dem Einfluss der Schwerkraft oder geringer Drücke in Dauerformen steigend oder fallend vergossen - Unterscheidet zwischen Schwerkraft- und Niederdruckgießen - Stückgewichte bis 100KG - Vorteile: geringere Fehlerhäufigkeit, dichtes Gefüge, hohe Maßhaltigkeit, gute Oberflächenbeschaffenheit - Schleudergießen: Schmelze wird in um die Mittelachs drehende Kokille gegossen - Gusswerkstoff wird gegen Kokillenwand gepresst und erstarrt und nimmt dessen Form an Gusswerkstoffe - unterscheidet zwischen Eisengusswerkstoffen und Nichteisengusswerkstoffen - Eisengusswerkstoffe: Gusseisen, Temperguss, Stahlguss, Sonderguss - Nichteisengusswerkstoffe: Leichtmetalle (Al, Mg, Ti) Schwermetalle (CU, Zn, Sn, Pb) Eisengusswerkstoffe Gusseisen Gusseisen mit Lamellengraphit: - Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Gusslegierung - gute Gießeigenschaften, gute Dämpfungseigenschaften, Gleit- und Notlaufeigenschaften Gusseisen mit Kugelgraphit: - Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Gusslegierung 6 - bessere mechanische Eigenschaften als Gusseisen mit Lamellengraphit Temperguss: - Eisen-Kohlenstoff-Silicium- Gusslegierung mit Stahlgefüge aus Ledeburit Stahlguss: - Stahl, der in Formen gegossen wird - Stahl plastisch verformbar, schweißbar und nichtrostende Stähle herstellbar Pulvermetallurgie- Urformen durch Sintern - Herstellen von metallischen und nichtmetallischen Pulvern sowie Herstellung von Teilen aus den Pulvern durch Formen und Sintern Vorteile gegenüber Gießen, Schneiden oder Kalt- und Warmpressen: - fast 100% Werkstoffausnutzung - endmaßgenaue Sinterfertigteile - Herstellen von Werkstoffen, die schmelzmettallurgisch nicht herstellbar sind - Energieeinsparung bis 40% gegenüber spanend hergestellten Teilen Nachteile: - hoher Preis für Pulver- und gemische - Notwendigkeit großer und hochwertiger Presswekzeuge - gut pressbar sind nur einfache Grundkörper ohne Hinterschneidungen Verfahrensstufen der Pulvermetallurgie:+ 1. Pulvererzeugung 2. Presstechnik 3. Sintern 7 Heißisostatisches Pressen - Pressen und Sintern laufen gleichzeitig ab - höhere Dichte und feineres Gefüge als Werkstücke, die zuerst gepresst und dann gesintert werden - Fräser aus Schnellarbeitsstahl und Schneidplatten aus Hartmettal hergestellt Arbeitsgänge 1. Einkapseln des vorgepressten Rohlings in eine druckdichte Kapsel und evakuieren 2. Sintern unter hohem Druck 3. Entkapseln, d.h Zerstören der Kapsel aus weichem Stahl oder Glas 8 Hauptgruppe 2: Umformen - unterscheidet sich von den anderen Verfahren der Hauptgruppen durch: hohen Kraftaufwand, Einbeziehung gesamten werkstückes, kurze Bearbeitungszeit und hoher Mengenleistung Vorteile: - sehr gute Werkstoffausnutzung - kurze Fertigungszeiten - Verbesserung Werkstückqualität - Erhöhung Maßgenauigkeit - Verbesserung Oberflächengüte - Erhöhung Werkstofffestigkeit - Verringerung Kerbwirkung Einteilung der Umformverfahren: Kaltumformung: Umformen ohne Anwärmen des Rohlings Warmumformung: Umformen mit Anwärmen des Rohlings Vorteile Kaltumformen gegenüber Warmumformung: - kein bzw. geringer Energieaufwand zur Erwärmung - keine Maßfehler durch Schwingung - bessere Oberflächengüte - Festigkeitssteigerung des Bauteils Nachteile: - größerer Kraft- und Arbeitsbedarf - begrenztes Umformvermögen 9 Unterteilung in Gruppen nach den wirksamen Spannungen: Druckumformen: Umformen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im wesentlichen durch eine Druckbeanspruchung herbeigeführt wird. Zugumformen: ………………………. Zugdruckumformen: ………………… Biegeumformen: ………………….. Schubumformen: ……………………. Unterteilung in der Industriellen Produktion nach der geometrischen Rohlingsform: - Massivumformung: Fließpressen, Stauchen, Schmieden - Blechumformung: Tiefziehen, Biegen Druckumformen: - Walzen - Freiformen - Gesenkformen - Eindrücken - Durchdrücken Walzen: - Längswalzen - Querwalzen - Schrägwalzen Freiformen und Gesenkformen: Freiformverfahren: Recken, Rundkneten, Stauchen, Anstauchen Gesenkformverfahren: Reckstauchen, Anstauchen im Gesenk, Formpressen ohne Grat, Formpressen mit Grat, Formstauchen 10 Eindrücken: - Kerben - Einprägen - Walzprägen - Prägerichten - Hohldornen - Einsenken - Gewindefurchen Durchdrücken: Strangpressen: Voll-Vorwärts-Strangpressen, Hohl-Vorwärts-Strangpressen mit Dorn, Voll-Rückwärts- Strangpressen, Hohl-Quer- Strangpressen Fließpressen: Voll-Vorwärts-Fließpressen, Napf-Vorwärts- Fließpressen, N apfRückwärts-Fließpressen, Hohl-Vorwärts- Fließpressen Zugdruckumformen - Durchziehen - Tiefziehen - Drücken - Kragenziehen - Knickbauchen Durchziehen und Tiefziehen: Durchziehen Gleitziehen: Stabziehen, Ziehen über festen Stopfen, Abstreckziehen Walzziehen: Drahtziehen, Ziehen über festen Stopfen Tiefziehen: Tiefziehen und Stülpziehen 11 Drücken, Kragenziehen und Knickbauchen Drücken: Gewindedrücken, Aufweiten durch Drücken, Drücken von Hohlkörpern, Engen durch Drücken Kragenziehen: … Zugumformen Längen: Beseitigung von Verbiegungen und Verwindungen an Stäben, Rohren, Profilen, sowie Beulen an Blechen - Dehnen - Strecken - Streckrichten Biegeumformen Drehende Werkzeugbewegung: - walzrunden - walzprofilieren -walzrichten - wellbiegen - schwenkbiegen - rundbiegen Schubumformen Verschieben, Abschieben, Durchsetzen: - benachbarte Querschnittsflächen des Werkstückes in Kraftrichtung zueinander verlagert Verdrehen, Verwinden, Schränken: - Querschnittsflächen werden zueinander verlagert 12 Innenhochdruckumformen: - Umformen metallischer Rohre oder Hohlkörper im geschlossenen Formwerkzeug mittels Innendruck 13 Hauptgruppe 3: Trennen Spanen: - Fertigungsverfahren, bei dem die gewünschte geometrische Gestalt eines Werkstückes durch mechanisches Abtrennen kleiner Stoffteilchen (Späne) erreicht wird - Zur Erzeugung eines Spanes ist eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug möglich Unterteilt in: - Drehen - Fräsen - Bohren - Feilen Drehen: - Erzeugung von ebenen, kreiszylindrischen Schraub und Wälzflächen Bohren: - spanende Verfahren zur Herstellung und Bearbeitung von rotationssymmetrischen Vertiefungen in Werkstücken Verfahrensvarianten: Rundbohren, Profilbohren, Schraubbohren, Plansenken Fräsen - spanabhebendes Verfahren mit kreisförmiger Schnittbewegung eines Werkzeuges zur Erzeugung beliebiger Werkstückoberflächen Verfahrensvarianten: Planfräsen, Schraubfräsen, Profilfräsen, Rundfräsen, Wälzfräsen, Formfräsen Hobeln und Stoßen: - sind Zerspanverfahren mit vorwiegend feradliniger Schnittbewegung und schrittweiser Vorschub- und Zustellbewegung 14 Hobeln: - Werkstück führt die Schnittbewegung, das Werkzeug die Vorschub- und die Zustellbewegung - hobeln kann man Längen bis zu 30m und mehr Stoßen: - Schnittbewegung liegt im Werkzeug Räumen - Räumen ist ein spanabhebendes Verfahren zur Herstellung von Innen- und Außenprofilen - hohe Oberflächengüte und Formgenauigkeit - Räumwerkzeug sehr teuer= nur bei großen Stückzahlen wirtschaftlich Sägen - Sägen ist Spanen mit rotatorischer oder translatorischer Hauptbewegung mit einem vielzahnigen Werkzeug von geringer Schnittbreite zum Trennen oder Schlitzen von Werkstücken. Gegliedert in: Bandsägen, Bügelsägen, Kreissägen - Sägeblatt und Werkstück erwärmen sich durch Reibung - Säge würde nach kurzer Zeit festklemmen, wenn Sägespalt genauso breit wie das Sägeblatt aufgrund der Wärmeausdehnung und anfallender Späne => Sägespalt muss breiter als das Blatt sein => wird erreicht durch Schränken, Wellen, Hohlschleifen oder Stauchen des Sägeblattes - Abstand von Zahnspitze zu Zahnspitze= Zahnteilung - für weiche Werkstoffe ist Zahnteilung größer als für harte Werkstoffe aufgrund des größeren Spänevolumens je Schnitt Schneidstoffe Anforderungen an Schneidstoffe - eigentliche Schneideteil - werden stark beansprucht, daher sollten sie über folgende Eigenschaften verfügen: 15 - große Härte und Druckfestigkeit - Biegefestigkeit und Zähigkeit - hohe Verschleißfestigkeit - hohe Temperaturbeständigkeit - Oxidationsbeständigkeit Einteilung der Schneidstoffe in der Reihenfolge ihrer Verschleißbarkeit - Werkzeugstähle - Hartmetalle - Schneidkeramiken - hochharte Schneidstoffe wie Diamant etc. - unterteilt in: metallische Schneidstoffe, Verbundschneidstoffe und keramische Schneidstoffe Schleifen - spanendes Fertigungsverfahren zur Bearbeitung von Oberflächen o. zum Trennen von Werkstoffteilchen mit Schleifmitteln - Schleifmittel: Koround und Siliziumkarbid - Einteilung Schleifverfahren richtet sich nach der erzeugten Fläche: z.B Plan-, Rund-, Schraubenfläche, Verzahnung etc. - nach der wirksamen Fläche unterscheidet man: Umfangs- und Stirnschleifen - nach der Art der Vorschubbewegung unterscheidet man: Längs-, Quer- bzw. Einstechschleifen - richtig ausgewählte Schleifscheiben schärfen sich durch das Ausbrechen der Schleifkörper selbst => ansonsten durch Abrichtwerkzeug aus Diamant wird die stumpfe Schicht abgetragen Honen - nach Kinematik des Honwerkzeuges unterscheidet man zwischen: Langhubhonen und Kurzhubhonen - unter dem Gesichtspunkt der erzeugbaren Geometrie lässt sich Honen in: Rund-, Profil- und Planhonen ebener Flächen unterteilen 16 Läppen - spanendes maschinelles Fertigungsverfahren zur Glättung von Oberflächen - je härter der Werkstoff desto härter das Läppkorn -Läppverfahren: Planparallelläppen, Planläppen von Innenflächen, Formläppen, Läppen von Außenzylindern Ultraschallschwingläppen: zur Erzeugung neuer Flächen Abtragende Fertigungsverfahren - Fertigen durch Abtrennen von Stoffteilchen von einem festen Körper auf nichtmechanischem Wege - unterteilt in: Thermisches Abtragen, Chemisches Abtragen, Elektrochemisches Abtragen Thermisches Abtragen - Abtrennen von Werkstoffteilchen im festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand durch Wärmevorgange Verfahren: Plasmaschneiden, Brennschneiden sowie Funkenerosion Brennschneiden durch Gas: - sehr hohe Erwärmung des Wekstücks - Voraussetzungen für das Abtragen von Stahlwerkstoffen sind: - Oxidierbarkeit des Werkstoffs - unterhalb der Schmelztemperatur liegende Zündtemperatur des Werkstoffs - hinreichend große Verbrennungswärme der exothermen Reaktionen Plasmaschneiden: - Basis ist der offene Lichtbogen - Eingesetzt wird das Verfahren zu Bearbeitung von: - hochlegierten Stählen, hochwarmfesten Stählen und Cr-Ni Stählen - Aluminium und Aluminiumlegierungen - Kupfer und Kupferlegierungen 17 - Titan und Titanlegierungen - Zink und Zinklegierungen Funkenerosives Abtragen: - Werkstoff wird durch einen Funken punktförmig geschmolzen oder verdampft 18 Hauptgruppe 4: Fügen Fügen durch Umformen - Sammelbenennung für Verfahren, bei denen Fügeteile oder Hilfsfügeteile örtlich umgeformt werden - Umformkräfte: mechanisch, hydraulisch, elektromagnetisch - bis vor einigen Jahrzehnten war das Fügen durch Nieten das Hauptverbindungsverfahren im Stahl-,Apparate und Behälterbau - modifizierte Nietverfahren werden heute noch im Flugzeugbau eingesetzt Nietsysteme: Unterteilt in: - Verbinden mit Nietelementen - Verbinden mit Funktionsträgern Vorteile: - keine Temperaturbeeinflussung der Fügeteile - Verbinden teilweise bei einseitiger Zugänglichkeit - verfahrensbedingt hohe Klemmkräfte möglich - Verbinden beschichteter Fügeteile möglich - Verbinden teilweise ohne Vorlochen - geringer Investitionsbedarf - einfache Handhabung Vorteile verschiedener Nietsysteme: Blindniet: - einfache Verarbeitung bei hohem Niveau der Verbindungsqualität - Einsatz ohne hohen Investitionsbedarf Blindnietmutter: - hohe Klemmkräfte zwischen den Fügeteilen - dünne Bleche sind hochfest miteinander zu verbinden Stanznieten mit Halbhohniet: - kein Vorlochen der Fügeteile notwendig 19 - hohe quasistatische und dynamische Tragfähigkeiten realisierbar Stanznieten mit Vollstanzniet: - kein Vorlochen der Fügeteile notwendig - beidseitig ebenes Fügeelement Schließringbolzen: - hohe und definierte Vorspannkräfte zwischen den Fügeteilen - Bleche sind hochfest zu verbinden - einfache Verarbeitung Durchsetzfügen- Clinchen - druckknopfartige formschlüssige, nicht lösbare Verbindungen von zwei oder drei Blechlagen durch Kaltumformung hergestellt Vorteile: - keine Temperaturbeeinflussung der Fügeteile - Verbinden beschichteter Fügeteile möglich - Verbinden ohne Hilfsfügeteil - geringer Investitionsbedarf - einfach Handhabung - günstiger als Punktschweißen - für unzählige Materialkombinationen nutzbar - energiesparend, sauber und leise Vorteile einzelner Clinchsysteme: Einstufiges Clinchen ohne Schneideanteil - Verbinden ohne Hilfsfügeteil - gasdichte Verbindungen möglich - gute Korrosionseigenschaften Einstufiges Clinchen mit Schneideanteil - unempfindlich gegen Blechdickenunterschiede 20 - geringe Prozesskräfte Einsatzpotential der einstufigen Clinchtechnik - keine Temperaturbeeinflussung der Fügeteile - Verbinden beschichteter Fügeteile möglich - Verbinden ohne Hilfsfügeteil - geringer Investitionsbedarf - einfach Handhabung Fügen durch Schweißen Schmelzschweißen - Schweißen bei örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne Anwendung von Druck Wärmequellen: - Gas - Lichtbogen - elektrischer Strom - Flüssigkeit - energiereiche Strahlung Pressschweißen - unter Anwendung von Druck Wärmequellen: - elektrischer Widerstand - Lichtbogen - Gas - Reibung - Detonationswellen - Ultraschall 21 22
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