Fertigungsverfahren Überblick PDF

Fertigungsverfahren Überblick Gießen Schmieden Meißeln Verpressen Lackieren Wärmebehandlung Feilen Schneiden-Trennen Schweißen Sägen- Bohren -Reiben Löten Drehen...

Fertigungsverfahren Überblick Gießen Schmieden Meißeln Verpressen Lackieren Wärmebehandlung Feilen Schneiden-Trennen Schweißen Sägen- Bohren -Reiben Löten Drehen Fräsen Schleifen Honen Erodieren Quelle: Fachkunde Metall 22  Fertigungsverfahren Überblick Die wesentlichen spanabhebenden Verfahren sind: Meißeln Sägen Feilen Schaben Bohren Senken Reiben Gewindeschneiden Drehen Hobeln Trennender Keil (links) Fräsen Spanabhebender Keil rechts) Schleifen Allen spanabhebenden Verfahren ist eigen, dass es zu einer Abhebung von Spänen durch den Prozess kommt. Um aber einen Span zu erzeugen, muss das Werkzeug eine keilförmige Schneide besitzen. Jedes Werkzeug besitzt einen sogenannten Keil, der je nach Härte des zu bearbeitenden Werkstoffes (Holz, Stahl, Papier, etc.) unterschiedlich ausgeprägt ist. Die Schneidenflächen eines jeden spanabhebenden Werkzeuges bilden einen Keil Der Werkstoff der getrennt werden muss, setzt dem Werkzeug einen Widerstand entgegen. Daher muss die Härte des Werkzeuges größer sein als die Härte des zu trennenden Werkstückes. 23  Werkzeugmaschine Werkzeugmaschinen dienen der mechanischen Bearbeitung von Bauteilen und ersetzen (unterstützen) den Menschen bei der Erzeugung einer Kontur (Oberfläche). Werkzeugmaschinen sind seit langer Zeit bekannt, früher wurden diese durch Muskelkraft angetrieben (Tier, Pferd), durch die Erfindung der Elektrizität und der Motoren (vor allem E-Motortechnik) gab es eine rasante Entwicklung und stetige Verbesserung der Werkzeug- maschinen. Moderne Werkzeugmaschinen sind hochgenau, stabil aufgestellt, energiesparend, flexibel einsatzfähig, durch Software gesteuert (CNC), gekoppelt (mit einer Zentrale verbunden), leise, vibrationsarm, bedienerfreundlich, etc. Werkzeugmaschinen sind sehr autark, bedürfen aber trotzdem einer bestimmten Bedienung durch den Menschen. So wird die Maschine durch den Menschen gerüstet und der Werkzeugpuffer, in welchem die Werkstücke für die Bearbeitung gelagert sind, durch den Menschen gefüttert. Es kann aber auch direkt an der Werkzeugmaschine zu einer händischen Beladung und Entnahme der Werkstücke in und aus der Vorrichtung kommen. Die Vorrichtung wird dann automatisch in die Werkzeugarbeitsraum gefahren, wo die Bearbeitung erfolgt. Werkzeugmaschinen sind prinzipiell aus einer Bearbeitungseinheit (Werkzeugeinheit), einer Werkzeugspann- einheit, dem Arbeitsraum, der Mess- und Prüfeinheit, der Späne(Staub-)abführeinheit und zumeist einer Automatisierung aufgebaut. Zur schnelleren Bearbeitung können Werkzeugmaschinen verkettet sein, d.h. eine Beladeeinheit (z.B. Schlitten) füttert mehrere Werkzeugmaschinen mit Werkstücken. Des Weiteren können Werkzeugmaschinen in ihrem Arbeitsraum mehrere Werkzeughaltersysteme oder Werkzeugspannsysteme besitzen, durch welche eine simultane Bearbeitung möglich ist. Zerspanende Bearbeitungstechnologien erzeugen Grate, deshalb kann auch ein Entgratwerkzeug in einer Werkzeugmaschine vorhanden sein. 26 Werkzeugmaschinen Quelle: elmag.at Quelle: emco-world.com Quelle: haemmerle.de 26 Z1  Werkzeugbeschichtung Die Standzeit eines Werkzeuges kann durch eine Beschichtung merklich verbessert werden. Die Beschichtung eines Werkzeuges muss auf den Grundwerkstoff ausgerichtet werden, wobei sich die Adhäsion der Beschichtung auch von der Belastung im Einsatz abhängt. Beschichtung müssen vor dem Nachschleifen entfernt werden und nach dem Nachschleifen des Werkzeuges wieder aufgebracht werden. Beschichtungen werden sowohl bei Schnellarbeitsstahl als auch Hartmetall aufgebracht. Werkzeuganforderungen Zäher / harter Substratwerkstoff Verschleißbeständigkeit (Beschichtung: optimale Schichtdicke, Schneidkanten- verrundung) Temperaturwechselbeständigkeit Standzeitvergleich unterschiedlicher Beschichtungen (Fa. BALZERS) 27 Urformen (bspw. Gießen) Allgemein: Komponenten für Fahrzeuge sind sowohl statischen als auch dynamischen stoßartigen Belastungen, Temperaturschwankungen, korrosiven Medien, Oberflächenreibungen, etc., unterworfen. Diese Komponenten müssen daher eine definierte Grundfestigkeit aufweisen. Als Gießen bezeichnet man die Verflüssigung z.B. eines Metalls, sowie deren anschließende Abfüllung in einer Form. Die heiße Gießmasse erstarrt nach entsprechender Zeit, der Gusskörper (erstarrte Masse) kann der Form entnommen werden. Das gegossene Werkstück besitzt aufgrund der Anforderung das Werkstück aus der Form zu entnehmen Entformungsschrägen. Sind gerade Flächen erforderlich, müssen diese durch entsprechende nachfolgende Bearbeitungsverfahren hergestellt werden. Der Vorteil des Gießens liegt in der einfachen und schnellen Erzeugung komplexer Bauteile, was sich positiv auf die Herstellkosten auswirkt. Gegossene Bauteile sind aber aufgrund ihres Gussgefüges zu- meist weniger fest als geschmiedete Bauteile. In der Automobilindustrie sind vor allem Aluminium und Grauguss vorherrschend. Überall wo die Festigkeit aus- reichend ist, wird Aluminium eingesetzt. Der Leichtbau erfordert eine Verbesserung der Werkstoffgüten der eingesetzten Leichtmetalle (Multimaterialverbund). Quelle: MAGNA Powertrain 29 Umformen (bspw. Schmieden) Schmieden bezeichnet den Vorgang des Umformens eines zuvor proportionierten Werkstückes, z.B. ein geschnittenes Stangenmaterial, in zumeist mehrfachen Arbeitsschritten. Diese Umformung erfolgt zumeist im warmen Zustand des Werkstückes (T~1.000°C), in geringerem Umfang a uch im halbwarmen und kalten Zustand. Durch die Umformung entsteht eine starke Verdichtung des Werkstoffgefüges, was die Festigkeit des Werk- stückes wesentlich erhöht. Geschmiedete Werkstücke sind wesentlich schlechter zu bearbeiten, da diese Verfestigung einen starken Einfluss auf die Zerspanbarkeit besitzt. Zudem besitzen geschmiedete Werkstücke eine sogenannte Schmiedehaut an der Oberfläche (Berührzone Schmiedegesenk – Werkstück), welche sehr hart und schroff ist. Große Werkstücke müssen um die Umformgrade in einem angemessenen Rahmen zu halten in mehreren Schritten umgeformt werden. Der umzuformende Werkstoff verträgt nur eine dem Werkstoff inne wohnenden Umformgrad, wird dieser überschritten, kommt es zu einer Trennung (Riss) des Werkstoffes und das Werkstück wird zerstört. Ein anderer Effekt wäre die Zerstörung des Werkzeuges durch einen zu hohen Druck bei der Umformung. Die Werkzeuge zur Fertigung des Schmiedeteiles werden als Gesenke oder Hämmer bezeichnet, handelt es sich um Wellen benötigt man auch noch Dorne. Gießen und Schmieden stellen eine wesentliche Technologie für die Herstellung von Automobilbauteilen dar. Geschmiedeter Zahnradrohling (links) Taumel-Schmiedeprozess Fa. Schmid (rechts) 30 Trennen (bspw. Drehen) Drehen zählt zu den am meisten verbreitetesten technologischen Verfahren und dient zumeist der Bearbeitung von rotatorischen (runden) Bauteilen. Das Werkstück wird dabei in einer Spannvorrichtung festgehalten, das Werkzeug relativ zum Werkstück bewegt (radiale Zustellbewegung, lineare Vorschubbewegung). Damit können kreisrunde Konturen am Werkstück erzeugt werden. Werden Bauteile im weichen Zustand bearbeitet, spricht man von Weichdrehen. Werden Bauteile im harten Zustand bearbeitet, spricht man von Hartdrehen. Weichdrehen wird vor allem bei Aluminiumbauteilen und geschmiedeten Bauteilen angewendet. Gehärtete Bauteile können im Hartdrehverfahren bearbeitet werden, Hartdrehen ist eine Alternative zum Schleifen. Der schroffe Schnitt wird als Schruppen bezeichnet, dies gilt generell für alle mechanischen Bearbeitungs- verfahren. Der Schruppschnitt bedarf einer stabilen Lagerung des Werkzeuges und Werkstückes, die Bearbeitungszugabe ist relativ groß. Die erzeugte Oberfläche ist schroff und mit einer großen Vorschub- markierung versehen. Quelle: Fachkunde Metall Der feine Schnitt wird als Schlichten bezeichnet, dies gilt generell für alle mechanischen Bearbeitungsverfahren. Hartdrehoperation (oben) Der Schlichtschnitt erzeugt eine sehr feine Oberfläche, Geschmiedeter Zahnradrohling (rechts) entsprechend der geforderten Funktion. 31 Werkzeugmaschine für das Drehen Quelle: Fachkunde Metall 32 Trennen (bspw. Fräsen) Kubische (nicht rotatorische) Bauteile werden auf Fräsmaschinen bearbeitet. Das Werkstück ist hier im Gegensatz zum Drehen auf einem Werkstücktisch aufgespannt, zur besseren logistischen Abwicklung verwendet man Vorrichtungen mit Schnellspanneinrichtung. Gängige Maschinen besitzen eine Arbeitstechnologie, bei welcher das Werkzeug zum Werkstück bewegt wird. Das Werkzeug wird dabei entsprechend des benötigten Arbeitsschrittes gewechselt. Die Werkzeugmaschine verfügt über ein umfangreiches Werkzeugmagazin, in welchem die nicht benötigten Werkzeuge gelagert werden. Die Zustellbewegung kann dreidimensional in x-, y- und z-Richtung erfolgen und ermöglicht somit eine Bearbeitung von Kanten und Ecken. Durch Spezialwerkzeug kann auch eine Drehbearbeitung durchgeführt werden. Das Fräsen kennt zwei wesentliche Bearbeitungsverfahren, das Gegenlauffräsen und das Gleichlauffräsen. Beim Gleich- lauffräsen bewegt sich die Schneide im Eingriffspunkt in Richtung des Werstückvorschubes. Beim Gegenlauffräsen bewegt sich die Schneide im Eingriffspunkt gegen die Richt- ung des Werkstückvorschubes. Das Gegenlauffräsen wird bei härten und spröden Werkstoffen verwendet. Beim Gleichlauffräsen entsteht eine sehr saubere Oberfläche. Quelle: MAGNA Powertrain 33 Werkzeugmaschine für das Fräsen Werkzeug Arbeitsraum Vorrichtung Arbeitstisch Quelle: MAGNA Powertrain 34 Werkzeugmaschine für das Fräsen von Kegelrädern HC275 Phoenix®II Column set up of Phoenix®II Key Facts: Max. cutting diameter 275 mm Cutting time / tooth ~ 3,5 sec Cutting speed ~ 260 m/min Quelle: Fa. Gleason 35 Trennen (bspw. Schleifen, Honen, Läppen) Hochgenaue Funktionsoberflächen werden typischerweise nicht durch Drehen oder Fräsen hergestellt. Solche Oberflächen sind z.B. die Zylinderwände von Verbrennungskraftmotoren, die Zahnoberflächen von Zahnrädern, die Oberflächen von Lagersitzen und Gleitlager, etc. Als Feinbearbeitungsverfahren kennt man vor allem Werkzeuge mit geometrisch unbestimmter Geometrie. Bei geometrisch unbestimmter Schneidenform ist die Ausrichtung der Werkzeugwinkel lokal nicht eindeutig festgelegt. Das wichtigste Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneidenform ist das Schleifen. Hier greift eine Schleifscheibe in das Werkstück ein und trägt das Schleifaufmaß aufgrund einer Druck- und Relativbe- wegung ab. Schleifscheiben sind rotationssymmetrische Werkzeuge, welche aus einem gekörten Schleifmittel und einem Bindemittel bestehen. Ein weiteres Feinbearbeitungsverfahren stellt das Läppen dar. Hier wird zwischen zwei relativ zueinander bewegten Bauteilen eine flüssige teigige Masse geschüttet, welches als Schleif- mittel fungiert. Durch die Relativbewegung der beiden Bau- teile entsteht die gewünschte Oberflächencharakteristik. Honen wird vor allem für die Fertigbearbeitung von Zylinderinnen- flächen benutzt. Der Kreuzschliff ist charakteristisch für dieses Verfahren und verbessert die tribologischen Eigenschaften. Bei allen Feinbearbeitungsverfahren sind die Abtragraten im Vergleich zu Drehen und Fräsen gering. Quelle: GLEASON 36 Werkzeugmaschine für Schleifen Spanndorn Stirnrad Schleifscheibe Quelle: MAGNA Powertrain 37 Werkzeugmaschine für das Schleifen von Kegelrädern Schleifscheibe Werkstück Quelle: MAGNA Powertrain 38 Fügen (bspw. Schweißen) Ein Vielzahl von Einzelbauteilen ergeben ein System, ein Modul oder ein Aggregat. Ein Zahnrad alleine kann noch keine Funktion erfüllen und muss mit einer Welle, einem Lager, einem Gehäuse, etc. gepaart werden. Die Auslegung einer Verbindungen erfolgt stark angelehnt an Normen und Standards, heute gibt es eine große Anzahl an Simulationen, welche eine Berechnung mit Hand nicht mehr erforderlich machen, bzw. aufgrund der Komplexität nicht mehr möglich machen würde. Beim Fügen unterscheidet man nach lösbarer und unlösbarer Verbindung. Lösbare Verbindungen haben den Vorteil, dass bei Nacharbeit, Reparatur oder im Servicefall eine Verbindung geöffnet und wieder geschlossen werden können. Lösbare Verbindungen sind vor allem Schraubverbindungen, Steckverbindungen und Schrumpfverbindungen. Nichtlösbare Verbindungen können nur durch Zerstörung der Ver- bindung selbst wieder geöffnet werden. Die wichtigsten Verfahren sind das Schweißen und Löten. Das Schweißen erfolgt bei hoher Temperatur. Die zu verbindenden Werkstücke erschmelzen in der sogenannten Schmelzzone und es kommt zu einer Vermischung der Werkstoffe. Es gibt eine Vielzahl von Schweißverfahren. Beim Löten erfolgt keine Aufschmelzung der zu verbindenden Werkstücke, mittels flüssigem Lot erfolgt hier eine stoffschlüssige Verbindung. Eine andere nicht lösbare Verbindung ist das Nieten, welche eben- falls nur durch Zerstörung geöffnet werden kann. Quelle: MAGNA Powertrain 39 Messen / Prüfen Messen und Prüfen stellen besonders wichtige Prozessschritte dar. Messen ist das Vergleichen einer physikalischen Größe (=quantitativ bestimmbare Eigenschaft eines physikalischen Objektes) mit einem Messgerät. Prüfen ist der Vergleich von vorhandenen Eigenschaften von physikalischen Objekten mit den geforderten Eigenschaften. Der gesamte Fertigungsprozess wird mit einer permanenten Qualitätskontrolle überprüft. Diese beginnt bereits mit der Wareneingangsprüfung der zu bearbeitenden Teile (Halbzeuge) und endet mit einer EOL (end of line) Inspektion des fertig gestellten Aggregates. Werkzeuge unterliegen einem permanenten Ver- schleiß, was sich auf die Qualität der Bearbeitung auswirkt. Moderne Fertigungen haben daher inte- grierte Messstationen zur laufenden Überprüfung geometrisch bestimmter Vorgaben. Zur Erfüllung der Funktion ist es wichtig, dass Ober- flächen eine entsprechende Rauhigkeit besitzen, oder Radien entsprechendem gefertigt werden. Profilatoren und Oberflächenrauheitsmessgeräte werden hierfür zur Qualitätskontrolle verwendet. Die werkstofftechnische Untersuchung bildet eine alles umfassende Klammer. Quelle: MAGNA Powertrain 42  Werkstoffe Die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen lassen sich folgendermaßen einteilen: - Elastizität - Zugfestigkeit, Biegefestigkeit - Zähigkeit - Druckfestigkeit - Bruchfestigkeit - Härte - Verschleißfestigkeit - Wechselfestigkeit (z.B. Biegewechselfestigkeit) - Warmfestigkeit - Kaltzähfestigkeit Neben den mechanischen Eigenschaften sind auch noch die elektrischen, chemischen und sonstigen Eigenschaften von Interesse. Zu den sonstigen Eigenschafen zählen unter anderem die optischen, oder die Oberflächengüte. Die verarbeitungstechnischen Eigenschaften zeichnen sich aus in der Vergießbarkeit, dem Formfüllungsver- mögen, der Schweißbarkeit, der Warmverformbarkeit, der Tiefziehfähigkeit und der Kaltverformbarkeit. Werkstoffe werden prinzipiell in Metalle, Nichtmetalle und Naturstoffe unterteilt. Zu den Metallen zählen Stahl (Eisen) und NE- Metalle, zu den Nichtmetallen Halbleiter, Keramik, Glas und Kunststoffe. Zu den Naturstoffen zählen mineralische und organische Naturstoffe. Verbundwerkstoffe verbinden alle Werkstoffe aus den einzelnen Gruppen, sodass man vier Werkstoffgruppen definiert. 56 Gießprozess (allgemein) Überführung der Gusswerkstoffe in die gießfähige Schmelze (durch Energiezufuhr) ➔ amorphe, homogene Flüssigkeit ohne kristalline Anteile In den Schmelzen pflanzt sich der Gießdruck nach allen Seiten gleichmäßig fort Der Oberkasten sowie der in der Schmelze eintauchende Kern erfährt nach dem Archimedischen Prinzip einen Auftrieb Erstarrende Gussstücke schwinden (schrumpfen) ➔ Modelle müssen um das dem Gießwerkstoff entsprechende Schwindmaß größer ausgeführt werden 6 Gießprozess (allgemein) Abkühlung Zustandsänderung von flüssig (amorph) zu fest (kristallin) unter Abgabe der Kristallisationswärme Eigenschaftsveränderungen teilweise sprunghaft (bei Abkühlung Dichteänderung, Gefahr der Entmischung von Gasen) ➔ diese können zu Fehlern wie Lunker, Warmrissen oder Seigerungen führen Aluminiumschmelze Das Erstarrungsverhalten wird in Abkühlschaubildern veranschaulicht Quelle: Fertigungstechnik, Fritz/Schulze (2010) S.16 7 Gießprozess (allgemein) Konstruktionsregel: Nach Möglichkeit soll man Gussstücke mit annähernd konstanten Wanddicken konstruieren, damit keine stark abweichenden Abkühlbedingungen auftreten! 12 Formverfahren Verlorene Formen Dauerformen Dauermodelle Verlorene Modelle Kokillen Handformen* Feingießen* Druckgießen* Maschinenformen* Vollformgießen* Kokillengießen* Maskenformen Schleudergießen* Keramikformen Stranggießen** Blockgießen** * im Zuge der LV näher behandelt * damit hergestelltes Produkt (Halbzeug) wird zumeist durch bspw. Drehen, Fräsen, Schmieden usw. weiter bearbeitet 15 Typische Arbeitsgänge beim Hand- /Maschinenformen mit Kästen: Verdichten des Formstoffes im Unterkasten Abheben und Wenden des Unterkastens Verdichten des Formstoffes im Oberkasten Abheben des Oberkastens Ggf. Kerneinlegen von Hand in den Unterkasten Zusammensetzen von Ober- und Unterkasten Beschweren und Abgießen Abkühlen der Gussstücke Auspacken des metallischen Werkstückes Einbaufertiges Gussteil / Sandguss, Quelle: https://www.vdg.de/fileadmin/content/03_docu ments/Grundlagen_der_Giessereitechnik_1.pdf 24  Feingießen Wachsmodell durch Spritzgießtechnik (dafür im Vorfeld teures „Urmodell“ aus Stahl oder Messing erforderlich, ebenso die Formen für den Spritzguss) die einteilige, keramische Form sowie das Modell gehen dabei stets verloren höhere Maßgenauigkeit und geringere Oberflächenrauheit als andere Gießverfahren Schematische Fertigungsschritte des Schalenformverfahrens nachfolgend bildlich dargestellt….. 27 Quelle: Fertigungstechnik, Fritz/Schulze (2010) S.63 f Vollformgießen (ebenso Modell und Form „verloren) Gießen der Schmelze in eine ungeteilte Form, in der sich das Modell aus Kunststoff-Hartschaum (Schaumstoff / Polystrol) befindet Modell und das Angusssystem aus Schaumstoff werden nach dem Handformverfahren verarbeitet (Vor)Verbrennen des Formstoffs mit der Gasflamme Eingießen der Schmelze (Rest des Schaumstoffs vergast und verbrennt vollständig) 33 Formverfahren mit Dauerformen Teure Herstellung der Formen ➔ Anwendung bei Seriengussstücken Dauerformen ausschließlich aus Metallen Quelle Druckgießform: https://www.giesserei- (verschleißfeste, hitzebeständige Stähle) praxis.de/giesserei- lexikon/glossar/druckgies swerkzeug ➔ Druckgießen ➔ Kokillengießen ➔ Schleudergießen 35 Druckgießen flüssiges Metall maschinell unter hohem Druck (70 bis 1000 bar) und großer Geschwindigkeit in geteilte metallische Dauerformen gepresst Fülldruck wirkt auch während des Erstarrens auf das Werkstück Druckgussteile können komplizierte Formen beinhalten, relativ dünnwandig ausgeführt sein und weisen eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität auf ➔ spangebende Nachbearbeitung zumeist nur in geringem Umfang erforderlich Je nach Anordnung der Druckkammer zur Metallschmelze ➔ Unterscheidung in Warmkammer- und Kaltkammer- Druckgießmaschinen. 36  Druckgießen Kaltkammergießverfahren Druckkammer räumlich getrennt Warmkammergießverfahren von der Schmelzeinrichtung Druckkammer im Schmelzbad bspw. für Al-Legierungen besonders geeignet bspw. für Zink- und Magnesiumdruckguss 37 Quelle: IFT/ TU Graz Kokillengießen Steigendes oder fallendes Vergießen der Schmelze unter Einfluss der Schwerkraft bzw. geringer Drücke (Kokillenguß) Niederdruckkokillenguß bspw. Überdruck von 0,2-0,4bar auf die Schmelze ➔ langsam steigende Formfüllung Gussgefüge mit ausgezeichneten Gebrauchseigenschaften (Felgen, Kurbelgehäuse) 42 Niederdruckkokillengießen Niederdruckkokille für Pkw-Felgen Quelle: http://cdn-img3.pneus-online.com/produit/ jante/1000/side/MAMFELGEN_MAMA1_115.jpg Quelle: IFT/ TU Graz 43 Schleudergießen Schmelze wird in eine sich drehende Kokille gegossen Zentrifugalkraft ➔ Gusswerkstoff wird an die Außenwand gepresst ➔ Werkstoff nimmt die Innenform der Kokille während des Erstarrungsprozesses an Mindestdrehzahl ist erforderlich – oftmals Drehzahlen bis 4000 U/min angewendet ➔ ausreichende Verdichtung, geringe Lunkerbildungsgefahr Mittig verbleibt zylindrischer Hohlraum 45 Schleudergießen Kokillenanordnung zum Schleudergießen von Gussringen Quelle: IFT/ TU Graz 46  Stranggießen Zur Herstellung von Halbzeugen aus Eisen- und Nichteisenlegierungen Vergossen werden üblicherweise Stahl/ Knetlegierungen*, anstatt der beim Formgießen üblichen Gusseisen/ Gusslegierungen Flüssiges Metall in wassergekühlte Kupferkokille gegossen, die nach unten offen ist ➔ Stahl tritt aus dieser Kokille kontinuierlich in erstarrter Form aus Strang erstarrt bis zur horizontalen Lage auch im Inneren ➔ rechteckige/ quadratische / kreisförmige Brammen entstehen Wird über Führungs- und Triebwalzen als Endlosstrang abgezogen Sehr wirtschaftliches Verfahren ➔ ~90% der Halbzeuge mittels Stranggießen hergestellt * Knetlegierungen weisen ähnliche chem. Zusammensetzungen wie vergleichbare Gusslegierungen auf, allerdings 48 besitzen diese bessere Eigenschaften zur Weiterverarbeitung durch Schmieden, Biegen, Zerspanung etc..  Stranggießen Quelle: https://www.aco-eurobar.com/strangguss Quelle: https://www.baumer.com/de/de/stranggussanlagen- giessbuhne-und-ablangen/a/Ladle-turret/ Quelle: https://www.tec- science.com/de/werkstofft echnik/stahl-erzeugung- herstellung/stahl- halbzeug-strangguss- blockguss-verfahren/ 49 Urformen durch Sintern (Pulvermetallurgie) In DIN 8580 der Hauptgruppe „Stoffeigenschaften ändern“ zugeteilt, in der Praxis und Fachliteratur zumeist dem „Urformen“ zugeordnet Urformen aus feinkörnigem Grundwerkstoff Werkstücke die durch Druck in Form gebracht worden sind Prozesstemperatur unterhalb dem Gesinterte Synchronnaben/ -ringe Quelle:https://www.miba.com/de/p Schmelzpunkt der Hauptkomponente roduktbereiche/sinterformteile/getr iebe-teile 52 Fertigungsablauf 1. Pulvererzeugung mechanische und physikalische/ chemische Verfahren 2. Pressen Einfüllung in die Matrize Vorverdichten und Verdichten Höchstkraft 1-1,5s halten (300-4000kN) Ergebnis: „Grünling“ Quelle: IFT/ TU Graz Grünling muss ausreichende Festigkeit zur sicheren Überführung in nächsten Fertigungsschritt aufweisen Ggf. Nachpressen zur Beseitigung von Volumenänderungen und Verbesserung der Festigkeit und Oberfläche 53 Fertigungsablauf 3. Sintern Erwärmen der Grünlinge auf eine Temperatur von 70 bis 80% der Schmelztemperatur ➔ Festigkeit zwischen den Pulverkörnern steigt durch Oberflächendiffusion an den Berührungsstellen an Verwendung von Pulvergemischen: Tsinter < Tschmelz (höchstschmelzende Komponente) ➔ Temperatur kann so liegen, dass ein Stoff schmilzt und unter schneller Legierungsbildung aufgezehrt wird (bspw. z.B. Wolframkarbid und Kobalt), Restporenvolumen wird dabei stark vermindert Allgemein erfolgt lediglich eine geringe Volumenabnahme im Bereich von 1.5% (bei reinen Pulvern und Pulvermischungen) 54  Schwindung abhängig von: Pulverwerkstoff Dichte des Presslings/ Grünlings Sintertemperatur und Sinterzeit Gesinterte Bremsbeläge Quelle: https://www.tradeinn.com/motardinn/de/brembo- 07gr26sd-gesinterte-bremsbelage-vorne- hinten/138110975/p Beispielhafte Sinter-Fertigteil(e): Sinterzahnrad Quelle: https://www.miba.com/de/news Gesinterte Reibmaterialien Kupplungsbereich Quelle: https://nb-parts.de/fertigung/reibmaterialien- gesintert/ 56 Additive Fertigungsverfahren Schichtweiser Aufbau ohne Einsatz von Formen und (je nach Anwendung) ohne mechanische Bearbeitung Konturierung/ Formgebung erfolgt in der XY-Ebene, Aufbau in der Z-Achse durch das Aufeinanderschichten der Konturen Gebhardt A., Generative Fertigungsverfahren, 2007, 3. Auflage, S. 2 3D-CAD-Modell ➔ Übertragung der Geometriedaten an den 3D- Drucker üblicherweise im STL-Format Verfahrens- und maschinenspezifische Entscheidungen hinsichtlich Aufbaurichtung, Schichtdickenwahl und verfahrensbedingte Ergänzungen (Stützkonstruktionen) erforderlich 58 Fused Deposition Modeling (FDM) Quelle: https://www.prototec.de/3d- druck-fused-deposition- modeling-fdm Extrudierendes Verfahrensprinzip, Quelle: IFT/ TU Graz Quelle: https://www.jellypipe.com/de/blog-news/fdm-additives- fertigungsverfahren-mit-vielen-vorteilen/ 66 Fused Deposition Modeling (FDM) Vorteile: Umsetzung relativ großer Volumenmengen in sehr kurzer Zeit möglich verschiedene Materialkombinationen möglich es wird nur die tatsächlich benötigte Materialmenge eingebracht Nachteile: maximale Genauigkeit abhängig vom Düsendurchmesser äußerlich bleibt Kontur sichtbar FDM-Prozess: https://www.youtube.com/watch?v=B1DOjAYvdJQ&t=77s 67 Selective Laser Melting (SLM) Ausgangspunkt: Pulver Pulverteilchen werden durch Energie des Lasers unter Schutzgasatmosphäre vollständig miteinander verschmolzen (vergleichbar mit dem Laser-Auftragschweißen) ➔ hohe Materialgüte und Dichtheit der Bauteile Evakuierung der Prozesskammer (Schutzgasatmosphäre) ➔ Pulverschicht aufbringen (Beschichtungseinheit mit Abstreifer) ➔ definierte Energieeinbringung durch Laser ➔ Feste 2-dim. Schicht ➔ Plattform um Schichtdicke absenken ➔ neue Pulverschicht aufbringen ➔ … ➔ dreidimensionales Modell entsteht 70 Selective Laser Melting (SLM) Quelle: www.faberlab.org - metal-3d-printing.jpg Verfahrensprinzip SLM, Quelle: IFT/ TU Graz 71 Quelle: www.rapidreadytech.com - EADS.jpg Einteilung der Umformverfahren Fertigungsverfahren Stoffeigen- Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten schaften ändern Massivumformen Blechumformen Quelle: IFT/ TU Graz Freiformschmieden Tiefziehen Gesenkschmieden Drücken Fließpressen Hydro-Umformen Strangpressen Explosions-Umformen Biegen, Abkanten, Walzen Bördeln, Runden Drücken, Stauchen 5  Spannungs-Dehnungs-Diagramm Re…Streckgrenze Rm…Zugfestigkeit 8 Quelle: Fertigungstechnik, Fritz Schulze (2010) S.415 Gefüge nach der Umformung Quelle: Handbuch Umformtechnik, Doege Behrens (2010) S. 497 11 Massivumformen Ein Körper wird in allen drei Koordinatenrichtungen verändert Quelle: Fertigungstechnik, Fritz Schulze (2010) S.414 Quelle: https://kem.industrie.de/werkstoffe/resso urceneffizienz-in-der-massivumformung/ 12 Fließpressen ist das Durchdrücken eines zwischen Werkzeugteilen aufgenommenen Werkstücks mittels Stempel Werkstoff wird durch eine Bohrung in der Matrize, im Stempel oder durch einen Spalt zwischen Matrize und Stempel verdrängt Rohlinge ➔ z.B. Scheiben oder Stangenabschnitte ist ein Massivumformverfahren, bei dem metallische Werkstoffe (meist bei Raumtemperatur) zum Fließen gebracht werden 20 Fließpressen Vorteile gute Werkstoffausnutzung Festigkeitssteigerung Oberflächenqualität kurze Stückzeit (< 500 Stück/min) Nachteile Beschränkung der Werkstückform Werkzeugkosten Rüstzeiten Quelle: IFT/ TU Graz 21 Strangpressen aufgeheizter Block wird in einem Presszylinder (Blockaufnehmer) durch einen Stempel unter hohen Druck gesetzt Werkstoff beginnt zu fließen und tritt durch die Matrizenöffnung als Strang aus Herstellung von Halbzeugen bis zu 20 m Länge ➔ zahlreiche unterschiedliche Profilformen möglich besonders für leicht umformbare Materialien (z.B. Aluminium, Kunststoff) geeignet breite Palette von diversen Profilen (z.B. Portale, Fenster, Gehäuse usw.) zeigt die häufige Anwendung dieses Verfahrens 26 Strangpressen (Voll-Vorwärts) F Presskraft α halber Öffnungswinkel der Matrize, v1 Austrittsgeschwindigkeit des Stranges Quelle: IFT/ TU Graz 27 Strangpressen (Hohl-Vorwärts) Quelle: IFT/ TU Graz 28 Freiformschmieden (exempl. Anwendungen) Freiformschmieden eines Achtkantes. Quelle: SMS Meer Quelle: https://www.dango-dienenthal.de/produkte/anwendungen/freiformschmieden/ Quelle: https://www.simufact.de/freiformschmieden.html 33 Gesenkschmieden (mit/ ohne Gratbildung) Quelle: Handbuch Umformtechnik, Doege Behrens (2010) S.499 37 Blechumformen Die Dicke des Bleches bleibt in erster Näherung erhalten Quelle: https://www.zeller- gmelin.de/zgSite/de/carbody?s=5474F0DFA347665B410CECEF034A4F57E8CB35C5 41  Tiefziehen zählt zu den wichtigsten Verfahren des Blechumformens ist Zugdruckumformen eines Blechzuschnitts zu einem Hohlkörper* ohne gewollte Veränderung der Blechstärke Tiefziehverfahren unterscheiden sich nach der Art der Krafteinleitung Am häufigsten erfolgt das Tiefziehen mit starrem Werkzeug * Anmerkung: Hohlkörper im Sinne von einseitig offenen Hohlkörper 42 Tiefziehen Tiefziehen mit starrem Werkzeug, Quelle: IFT/ TU Graz 43 Biegeumformen (Gesenkbiegen) Gesenkbiegen ➔ Biegeumformen mit geradliniger Arbeitsbewegung durchgeführt (geradlinige Werkzeugbewegung) Gesenk hat zumeist eine V-Form Dabei setzt zunächst das Werkzeug (der Stempel) auf dem Blech auf und verbiegt dieses bei der nachfolgenden Zustellbewegung Beim Freibiegen ist der Umformvorgang beendet, wenn sich die Schenkel des Bleches an die Wand des Gesenkes anlegen Genauere Anpassung an das Gesenk erforderlich ➔ durch Nachformen erreicht (Hier wird die Rückfederung des Bauteiles durch hohe Kräfte unterbunden, wodurch sich das Bauteil besser an die Form des Gesenkes und des Stempels anpasst) Hauptsächlich durchgeführt auf Abkantpressen 55  Biegeumformen (Gesenkbiegen) 56 Quelle: Handbuch Umformtechnik, Doege Behrens (2010) S. 378 Biegeumformen (Schwenkbiegen) Schwenkbiegen ➔ Biegeumformen mit schwenkender Arbeitsbewegung durchgeführt (schwenkende Werkzeugbewegung) Blech wird zunächst zwischen der unteren und der oberen Wange eingespannt ➔ Spannkraft kann hydraulisch, über Spindeln oder Exzenter aufgebracht werden Die Schenkwange führt dann eine schwenkende Bewegung nach oben aus und verbiegt dabei das Blech. Biegewinkel wird durch Schwenkwinkel eingestellt Während des Biegevorganges kommt es durch die Verschiebung des Kontaktpunktes (zwischen Blech und Biegeschiene) zu einem sich ändernden Verlauf der Biegekraft Verwendung z.B. für Regale, elektronische Gehäuse, Trennwände 57 Biegeumformen (Schwenkbiegen) Prinzipieller Aufbau einer Schwenkbiegemaschine Quelle: Siegert, 2015 S. 199 Beispiel einer Schwenkbiegemaschine, Quelle: Doege, et al., 2010 S. 379 58  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Fertigungsverfahren Überblick Einflussfaktoren beim Trennen, Zerspanen: - Form des Werkzeuges, Art der Werkzeugschneide - Zerspanungsparameter - Werkstoff der Werkzeuges, Eigenschaften der Schneidstoffe - Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff - Werkstoff des Werkstückes 4  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Physikalische Grundlage: KEIL Die Stellung des Schneidkeils (keilförmigen Schneide) auf das zu bearbeitende Werkstück bewirkt eine Trennung (senkrechte Stellung des Keils), bzw. eine Zerspanung (schräge Stellung des Keils). Die Höhe der Rückenkraft ist für die Leistung der Bearbeitung verantwortlich. Für eine technisch sinnvolle Anwendung muss die Richtung der Wirkungslinie des Rückendruckes mit der Keilachse übereinstimmen. Keilgrundformen: Ø Trennen Ø Spanabheben Wenn es bei der Bearbeitung eines Werkstückes zu einer Materialtrennung kommt, spricht man von Spanabhebung. Spanabhebung und Spannen sind nicht zu verwechseln! Die nach DIN genormten Winkel sind a, ß, g und δ. Delta wird als Schnittwinkel bezeichnet und definiert die Lage der Keil(Schneid)achse zur Werkstückoberfläche. Bei der Bearbeitung des Werkstückes (Werkstoffes) ist vor allem der Kraftaufwand von Interesse, mit welcher der Formaufwand hervorgerufen wird. Dieser wird beeinflusst von der Schneidengestalt und der Werkstoffhärte, in welcher der Keil eindringen muss. Trennender Keil (oben) 7 Zerspanender Keil (unten)  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Werkzeugschneiden Aufbau Spanwinkel bestimmt: Spanbildung Standzeit Schnittkräfte Keilwinkel bestimmt: Festigkeit Stabilität Freiwinkel bestimmt: Reibung Verschleiß Schnittkräfte Freiwinkel + Keilwinkel + Spanwinkel = 90° Quelle: Fachkunde Metall 10  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Kinematische Begriffe Schnittbewegung = Ergibt ohne Vorschubbewegung nur eine einmalige Spanabnahme. Vorschubbewegung = Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug, sie ermöglicht zusammen mit der Schnittgeschwindigkeit eine stetige Spanabnahme. Zustellbewegung = Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug, sie bestimmt die abzunehmende Schicht (Span). Beim Bohren, Räumen, Einstechdrehen, Sägen gibt es keine Zustellbewegung. Arbeitsebene Pfe = Durch die Schnitt- und Vorschubrichtung erzeugte Ebene. 14 Quelle: Fachkunde Metall  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Kinematische Begriffe Schnittgeschwindigkeit vc [m/min] = Momentane Geschwindigkeit des betrachteten Schneidenpunktes in Schnittrichtung. Vorschubgeschwindigkeit vf [m/min] = Momentane Geschwindigkeit des betrachteten Schneidenpunktes in Vorschubrichtung. Wirkgeschwindigkeit ve [m/min] = Momentane Geschwindigkeit des betrachteten Schneidenpunktes in Wirkrichtung. Vorschubrichtungswinkel j [°] = Winkel zwischen Vorschub- und Schnittrichtung. Wirkrichtungswinkel h [°] = Winkel zwischen Wirk- und Schnittrichtung. 15 Quelle: Fachkunde Metall  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Schneidenverschleiß und Standzeit Verschleiß entsteht durch: Auswirkung des Verschleißes: Reibung Oberflächengüte Ausbrüche Maßgenauigkeit Diffusionsverschleiß Quelle: Fachkunde Metall 20  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Spanformen Reißspäne entstehen: Ø sprödem Werkstoff Ø großen Schnitttiefen Ø niedriger Schnittgeschwindigkeit Ø kleinem Spanwinkel Scherspäne entstehen: Ø zähem Werkstoff Ø niedriger Schnittgeschwindigkeit Ø mittlerer Spanwinkel Fließspäne entstehen: Ø langspanendem Werkstoff Ø hohen Schnittgeschwindigkeit Ø großem Spanwinkel Quelle: Fachkunde Metall 21  Wärmefluss und Temperaturverteilung Quelle: Handbuch Spanen, Heisel/Klocke/Uhlmann/Spur (2014), S. 86. 27 Z3  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Schneidenverschleiß - Kühlschmierstoffe Wassermischbare: Ø bei hoher Wärmebeanspruchung der Scheide Ø bei hohen Schnittgeschwindigkeiten Ø vorwiegend Drehen, Fräsen, Sägen Nichtwassermischbare: Ø bei mechanischer Schneidenbe- anspruchung Ø vorwiegend Tiefbohren, Räumen, Gewindeschneiden Quelle: Fachkunde Metall 28  Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Schienenfahrzeugtechnik Schneidenverschleiß - Kühlschmierstoffe Quelle: Fachkunde Metall 29 Bohrverfahren 6 Bohren Zerspanungsparameter Schnittgeschwindigkeit v [m/min] 9  Reiben Genaue Bohrungsdurchmesser und hohe Oberflächengüten werden durch Reiben nach dem Vorbohren erzeugt ==> bspw. Bohrung d = 12 H7 27  Fahrzeugtechnik/ Automotive Fahrzeugtechnik / Automotive Engineering Engineering Mechanische Technologie Schienenfahrzeugtechnik Spannen der Werkstücke Kurze und stabile Werkstücke : - fliegend im Backenfutter Lange Werkstücke : - zwischen Spitzen - zwischen Spitzen mit Abstützung (Setzstock oder Lünette) - zwischen Backenfutter und Rollkörner Unsymmetrische Werkstücke: - Planscheibe Geringer Æ, Serienfertigung: - Spannzange Die Spannkraft muss der Größe der Zerspanung sowie der Form und Stabilität des Werkstückes angepasst werden. Quelle: Fachkunde Metall 15  Fahrzeugtechnik Fahrzeugtechnik // Automotive Engineering Automotive Engineering Mechanische Technologie Schienenfahrzeugtechnik Fräsverfahren- Einteilung Kennzeichen des Fräsens (!) Arbeitsebene - Mehrere Schneiden am Werkzeug - Unterbrochener Schnitt - Veränderliche Spandicke Schnitttiefe oder Schnittbreite ap (a) Tiefe (Stirnfräsen) oder Breite (Umfangs- fräsen) des Eingriffes der Hauptschneide am Fräserumfang (senkrecht zur Arbeits- ebene) Eingriffsgröße ae (e) Breite (Stirnfräsen) oder Tiefe (Umfangs- fräsen) des Eingriffes der Hauptschneide an der Fräserstirn (senkrecht zum Vor- schub) 5 Quelle: Fachkunde Metall  Fahrzeugtechnik Fahrzeugtechnik // Automotive Engineering Automotive Engineering Mechanische Technologie Schienenfahrzeugtechnik Fräsverfahren - Einteilung Planfräsen Verfahren zur Herstellung einer ebenen Fläche - Umfangs-Planfräsen Die Fräserachse liegt parallel zu erzeugten Fläche. Die Hauptschneiden am Fräserumfang erzeugen die Werkstückoberfläche. - Stirn-Planfräsen Die Fräserachse steht senkrecht zur erzeugten Fläche. Der Fräser spant hauptsächlich mit den Umfangsschneiden, die Stirnschneiden nehmen einen dünnen Span von der Werkstückoberfläche ab. Aufgrund höherer Anzahl von Schneideingriffen, kurzer Werstzeugspannung und gleichmäß- igerer Spanungsdicke gegenüber dem Planfräsen sind höhere Vorschübe und Spanungsvolumen möglich. - Stirn-Umfangs-Planfräsen Gleichzeitige Bearbeitung durch die Stirn- und Umfangsschneiden. Quelle: Fachkunde Metall 8 Räumen Ist Spanen mit einem mehrzahnigen Werkzeug, wobei die Schnittbewegung durch das Werkzeug gerade oder schraubenförmig erfolgt und die Werkstücke keine Bewegung ausführen Ermöglicht die Herstellung komplizierter Werkstückgeometrien in (zumeist) einem Durchgang Verfahren in der Massenfertigung Verfahrensprinzip Räumen, Quelle: IFT/ TU Graz 18 3. Hauptgruppe: Trennen Fertigungsverfahren Stoffeigenschaften Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten ändern mechanisch thermisch Geometrisch bestimmte Schneide Brennen Drehen, Fräsen, Bohren, Stanzen, elektrisch chemisch Schneiden, Sägen, Räumen, Schaben, etc Ätzen Erodieren Geometrisch unbestimmte Elektrolytisch Laserstrahlen Schneide Abtragen Elektronenstrahlen Schleifen, Honen, Läppen Quelle: IFT/ TU Graz 2 Schleifen Schleifen ist…(!) Spanen mit vielschneidigem Werkzeug, aus gebundenem Schleifkorn, mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Schleifen wird…(!) vorwiegend in der Fein- und Fertigbearbeitung von Werkstücken eingesetzt, mit dem Ziel, deren… Formqualität, Maßqualität und Oberflächenqualität … zu verbessern. Schleifen ist …(!) zumeist am Ende der Wertschöpfungskette positioniert. ➔ maßgeblich mitverantwortlich für die Bauteilqualität und –funktionalität! 5 Schleifmittel natürliche Schleifmittel ▪ Ölsandstein ▪ Schmirgel ▪ Naturdiamant künstliche Schleifmittel Im Block- oder Abstichverfahren erschmolzen: ▪ Korund (A): Normal-, Edel-, rubinroter Edelkorund ▪ Zirkonkorund (Z) ▪ Siliziumcarbid (C) In Pressen unter hohem Druck und hoher Temperatur erzeugt: ▪ Diamant (D) ▪ Bornitrid (BN) 10  Schleifmittel Zusammensetzung & Ausbrucharten Schleifkorn Schleifkörner Bindung Poren Totalausbruch Makroausbruch Mikroausbruch Bindung Poren Quellen: links: vgl. Norton Saint-Gobain, Hanser Schleiftagung 2015 Stuttgart-Fellbach 12 rechts: vgl. http://www.elbe-abrasives.com/de/produkte/konventionelle-schleifscheiben/uebersicht-schleifrohstoffe.html  Spanbildung beim Schleifen geometrisch bestimmten vs. geometrisch unbestimmte Schneide 15 Quelle: Spanen Grundlagen, Denkena Tönshoff (2011) S. 263  Schleiffehler Schleifbrand: Oberflächennahe thermische Schädigung des Werkstückwerkstoffs steigende Prozesstemperatur Neuhärtezone / Rissbildung 18 Quelle: vgl. http://www.schleifprofi.com/schleifschaeden/schleifbrand/ Abrichten (=Einsatzvorbereitung für das Schleifen) 21 Quelle: Fertigungsverfahren 2, Klocke, 2005 KSS-Zuführung Kühldüsen Kühldüse (Nadeldüse), Quelle: https://grindaix.de/coolant- product/kuehlmittelduesen Nadeldüsen -kuehlen/ Schuhdüsen 3D-gedruckte Düsen ….. Reinigungsdüsen Freispüldüsen 3D-gedruckte Schuhdüsen – Kühl- & Freispüldüse (Quelle: IFT/ TU Graz) Löschdüsen ….. 28  Rund- und Unrundschleifen (zwischen Spitzen) 31 Quelle: IFT/ TU Graz Honen Honen ist (wie auch Schleifen)…(!) Spanen mit vielschneidigem Werkzeug aus gebundenem Schleifkorn mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Honen wird…(!) vorwiegend im Anschluss an eine Feinbearbeitung (bspw. Schleifen) eingesetzt, um die… Formqualität, Maßqualität und Oberflächenqualität … noch weiter zu verbessern. Es liegt eine ständige Flächenberührung des Werkzeugs vor. ➔ Langhubhonen / Kurzhubhonen 45 Langhubhonen Werkzeughub ist größer als die Länge der bearbeiteten Fläche das Honwerkzeug besteht Quelle: https://www.nagel.com/honen-g-technologie/honen-grundlagen aus leisten- oder segmentförmigen Schleifkörpern, die von einem Halter geführt werden Schleifkörper werden senkrecht gegen die zu bearbeitende Fläche gedrückt und führen gleichzeitig eine rotierende und lineare Bewegung aus gezielte Rauheitsformen mit hohem Traganteil unterbrochen von Öltaschen herstellbar (Plateauhonen) ➔ Derartige Flächenstrukturen werden vor allem bei Gleitflächen (Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren) benötigt! 46 Kurzhubhonen die Hublänge bzw. Schwingamplitude der Schleifkörper (1-5 mm) ist kleiner als die Länge der bearbeiteten Fläche ist ein Standard-Endbearbeitungsverfahren für Wälzkörper für Zylinderrollen- und Nadellager im spitzenlosen Durchlaufverfahren Quelle: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-663-13865-5_8 47 Läppen Werkstoffabtrag erfolgt beim Läppen durch zwei gleichzeitig ablaufende Vorgänge Quelle: Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik, A. Risse (2012) S.195 1. In einem Vorgang drücken sich die Läppkörner jeweils in die Oberfläche der Läppplatte und des Werkstücks. Die Körner werden in der Läppplatte so festgehalten, dass infolge der Relativbewegung zwischen der Platte und der Werkstückoberfläche ein Spanen erfolgt 2. Bei dem anderen Vorgang rollen die Läppkörner zwischen der Platte und dem Werkstück ab. Die Kornspitzen verformen und verfestigen den Werkstoff an der Werkstückoberfläche. Übersteigt der Verformungswiderstand die Trennfestigkeit des Werkstoffes, brechen Werkstoffteilchen aus 52 Läppmaschine Zweischeiben- Läppmaschine Quelle: https://polie-laepp.de/laeppen/ Quelle: Neugebauer, 2012 S. 182 - Peter Wolters 53 Fügetechnik  Definition Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken Zusammenhalt wird örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt Man unterscheidet: lösbare Verbindungen nicht lösbare Verbindungen 2 Fügen durch Schweißen = Thermomechanisches Verfahren ➔ Vereinigen von Werkstücken in der Schweißzone durch Anwendung von Wärme und/oder Kraft mit oder ohne Zusatzmaterial. Zweck der Verbindung Verbindungsschweißen Auftragsschweißen (artgleich oder artfremd) Schweißablauf Quelle: Schmelzschweißen (örtlich begrenzter Schmelzfluss, mit/ohne Zusatz, keine Kraft) https://rime.de/ de/schweissen/ Pressschweißen (Anwendung von Kraft und Energie, mit/ohne Zusatz) Kaltpressschweißen (nur Verformungsarbeit, Verbindung im plastischen Zustand) Fertigung Handschweißen Teil- und Vollmechanisches Schweißen Automatisches Schweißen 9  Fügen durch Schweißen Zusammenspiel von Kraft und/oder Temperatur 10 Quelle: IFT/ TU Graz Einteilung nach dem Schweißablauf 1. Mechanische Energie (Kraft) Explosionsschweißen Kaltpressschweißen 2. Mechanische Energie (Kraft) und Wärme (Temperatur) Pressschweißen 3. Wärme (Temperatur) Schmelzschweißen 11 Quelle: Fertigungstechnik, Fritz, Schulze. (2010) S.117 Auswirkung von physikalischen Größen Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe Elektrischer Widerstand Wärmeleitfähigkeit Wärmeausdehnungskoeffizient Gaslöslichkeit ….. 12 Quelle: Fertigungstechnik, Fritz, Schulze. (2010) S.124 Metall-Lichtbogenschweißen (Lichtbogenhandschweißen) Energiequelle = ein zwischen der abschmelzenden Stabelektrode und dem Grundwerkstoff gezogener Lichtbogen Leistungsdichte des Lichtbogens ist wesentlich größer als die einer Gasflamme. Quelle: IFT/ TU Graz 16 Metall-Lichtbogenschweißen (Lichtbogenhandschweißen) Der Lichtbogen ist eine besondere Form der Gasentladung, in der Energie- und Massentransporte (von der Elektrode übergehende Werkstofftropfen und Ionen) stattfinden. Der Schutz des Schweißbads vor den atmosphärischen Gasen (Sauerstoff und Stickstoff) wird durch einen Schutzgasmantel erreicht, der aus der Quelle: IFT/ TU Graz Elektrodenumhüllung gebildet wird. 17 Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) Zählt gemeinsam mit MIG zu den heute am häufigsten angewendeten Schweißverfahren! Besonders vorteilhaft ist die hohe Produktivität beim MAG (& MIG) - Schweißen. Vollkommener Entfall der Schlackenreinigung Einfaches einseitiges Durchschweißen Tiefer Einbrand Rel. leichte Anwendung in allen Schweißpositionen Manuell, mechanisiert oder robotergestützt Quelle: IFT/ TU Graz möglich 18 Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) MAG (& MIG) - Verfahren = maschinelle Schutzgasschweißung, bei der ein Lichtbogen zwischen der stromführenden Drahtelektrode und dem Werkstück unter Schutzgas (aktives Gas) brennt. Als Elektrode dient der maschinell zugeführte Draht, der im eigenen Lichtbogen abschmilzt. Quelle: IFT/ TU Graz Ab 0,6mm Blechdicke, ebenso dickere Bleche (Mehrlagenschweißung) 19  Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) Anwendungsmöglichkeiten: unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle Als Schutzgas dienen aktive Gase wie Kohlendioxid CO2 oder Mischgase. Quelle: IFT/ TU Graz Beispielvideo: https://www.youtube.com/watch?v=7dmhqW55Ctk 20  Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) Im Gegensatz zu MAG wird das MIG-Verfahren unter Zugabe von inerten* Gasen wie Argon, Helium durchgeführt. Anwendungsmöglichkeiten: Aluminium Kupferwerkstoffen Magnesium Titan Wandstärken typischerweise ab Quelle: IFT/ TU Graz 2mm, für dünnere Materialien sind eine Impulsstromquelle oder die WIG - Verfahren zu empfehlen. *inerte Gase bzw. Edelgase verbinden sich mit keinem Element und verhindern daher 21 auch Reaktionen des geschmolzenen Metalls mit der umgebenden Atmosphäre (!) Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) Beim WIG - Schweißen wird zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück ein Lichtbogen gezogen. Als Schutzgas wird in Europa reines Argon verwendet. Zusatzdraht wird stromlos zugeführt, entweder mit der Hand (Handschweißung) oder maschinell (Automatenschweißung). Es gibt aber auch Schweißarbeiten, die ohne Zusatzwerkstoff auskommen. 25  Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) Quelle: Fertigungstechnik, Fritz, Schulze. (2010) S.158 26 Anmerkung: MSG-Verfahren = Metall-Schutzgas-Verfahren = Sammelbegriff für MAG & MIG Fügen durch Löten Thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen, Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes wird nicht erreicht Verbindung durch wechselseitige Diffusion von Lot- und Grundwerkstoffatomen an der Phasengrenze (Legierungszone 0,5-20 µm) Voraussetzung für die Lötbarkeit eines Werkstoffs ist, dass er vom Lot benetzt wird Varianten: Weichlöten (< 450°C) Hartlöten (> 450°C, ab 900°C ➔ Hochtemperaturlöten) 40  Benetzung von Oberflächen Quelle: IFT/ TU Graz 42 Anmerkung: Benetzung sowohl beim Löten als auch beim Kleben relevant! Fügen durch Löten Quelle Kolbenlöten: https://blog.igus.de/tipps-und-tricks- Ordnungsmerkmal Energieträger: wie-sie-mit-hoher-qualitat-selbst-loeten/ Fester Körper: Kolbenlöten Flüssigkeit: Lötbadlöten Gas: Flammlöten, Ofenlöten Quelle Flammlöten: https://www.pangas.ch/de/processes/cutting_joining_and _heating/autogen/torch_brazing/index.html Elektrischer Strom: Induktionslöten 43 Quelle Induktionslöten: https://www.efd-induction.com/de-de/induction- heating-applications/induction-brazing Festigkeit einer Klebeverbindung Quelle: IFT/ TU Graz Der Haftmechanismus hängt von folgenden Kriterien ab: Klebefestigkeit des Klebstoffs am Werkstück, die so genannte Adhäsion „Van der Waal‘sche Kräfte“ abhängig vom Benetzungsvermögen Oberflächenergie (z.B. PVC 40.10-3Nm/m², Eisen 2030.10-3 Nm/m²) 46 Festigkeit innerhalb des Klebstoffs, die so genannte Kohäsion  Beschichtung  Zweck 3 Quelle: vgl. Grundlagen der Fertigungstechnik, Awiszus et al (2015) S. 286 Beschichtung  Definition Beschichten ist das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück. Einteilung der Beschichtungsverfahren nach dem Aggregatzustand des Schichtwerkstoffes: flüssig (z.B. Lackieren) fest (z.B. elektrostatisches Pulverbeschichten) gas- oder dampfförmig (z.B. Aufdampfen) ionisiert (z.B. Galvanisieren, Eloxalverfahren) 4 Stoffeigenschaften ändern Beispielsweise Wärmebehandeln Glühen Härten Anlassen Vergüten (=Härten+Anlassen) Aushärten Thermomechanisches Behandeln … 15 Leichtbau Werkstoff- bezogener Leichtbau Leichtbau Fertigungs- Konstruktiver Quelle: IFT/ TU Graz basierter Leichtbau Leichtbau Aspekte des Leichtbaus 2 Werkstoffbezogener Leichtbau Werkstoff geringeren spezifischen Gewichts (geringere Dichte): Aluminium Magnesium Metallschäume Polymerwerkstoffe Polymerschäume (Faser-) Verbundwerkstoffe Werkstoffverbunde Werkstoffe höherer Festigkeit: z.B. hoch- und höchstfeste Stähle, hochfeste Legierungen Werkstoffe geringer Dichte und hoher Festigkeit: z.B. Titanlegierungen 3 Konstruktiver Leichtbau Verbundbauweisen - Multi Material Design Rahmen-(Fachwerk-)Konstruktion –bspw. Space-Frame aus Druckgussknoten als Verbindungselemente für Al-(Strangpress-)Profile, Außenbeplankung aus Aluminium- oder Magnesiumblechen Rohrkonstruktionen Hohlwellen anstatt Massivwellen: z.B. gebaute Nockenwelle 4 Fertigungsbasierter Leichtbau Aluminium Strangpressprofile Aluminium und Magnesium Gussteile, besonders dünnwandige Aluminium Druckgussteile IHU- (Innen Hochdruck Umformen) gefertigte Rohre und Bauteile Schaumwerkstoffe Schweißverbindungen, besonders Laserstrahl-Schweißverbindungen, statt Schraub- und Nietverbindungen Laserstrahl-Lötverbindungen Fügen von Blechen mit mechanischen Verfahren – bspw. mittels Clinchen und Stanznieten (Durchsetzfügen) Kleben 5  Messen Was versteht man unter Messen? Vergleichen: Istmaß – Sollmaß = Abweichung Welche Messfehler/ -abweichungen gibt es? Systematische Messabweichungen Zufällige Messabweichungen Parallaxe (bspw. nicht-parallele Ablesung einer Skala) 8 Anmerkung: Siehe auch Folien betr. Messen/Prüfen in Foliensatz TTG_01_Grundlagen.pdf Mechanische Messgeräte Messschieber 11 Mechanische Messgeräte Bügelmessschraube 12 Parallelendmaße sind prismatische oder zylindrische Maßverkörperungen aus gehärtetem Stahl oder Keramik mit zwei planparallelen Messflächen sind die genauesten und wichtigsten Maßverkörperungen zur Längenprüfung die zulässige Abweichung hängt vom Nennmaß und vom Genauigkeitsgrad ab. Quelle: IFT/ TU Graz Quelle: https://zmk- 13 wolfen.de/messgroessen/endmasse/ Parallelendmaße Bspw. auch zur präzisen Winkelmessung angewendet (=Sinuslineal) Quelle: IFT/ TU Graz 14 Weitere Messtechniken/ - möglichkeiten Optische Messung (Mikroskop, Photoelektrische Längenmesssysteme) Koordinatenmessgeräte Rauheitsmessgeräte (taktil, optisch) Rundheitsmessgeräte, Zylindrizitätsprüfungen etc. Profilmessgeräte ….. 15