Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen PDF

Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Einteilung der Urformverfahren (Fertigungsverfahren): Das Urformen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem aus einem formenlosen Stoff ein fester Körper mit geometrisch bestimmter Form hergestellt wird. Es gibt un...

Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Einteilung der Urformverfahren (Fertigungsverfahren): Das Urformen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem aus einem formenlosen Stoff ein fester Körper mit geometrisch bestimmter Form hergestellt wird. Es gibt unterschiedliche Urformverfahren, sie werden nach DIN 8580 dem Zustand des formenlosen Ausgangsmaterials unterschieden: ▪ Gießen mit verlorenen Formen bzw. Dauerformen aus flüssigen, breiigen oder pastenförmigem Material ▪ Galvanoplastik aus gas- oder dampfförmigem Material ▪ Pulvermetallurgie aus festem, d.h. körnigem oder pulverigem Material. Beim Urformen wird dem formenlosen Zustand zu verarbeitenden Werkstoff erstmals ein stofflicher Zusammenhalt und damit eine geometrische bestimmte Gestalt gegeben. Vorteile des Urformens: ▪ Es ist der kürzeste Weg vom Rohstoff zum Fertigteil ▪ Die größte Gestaltungsfreiheit, die mit keinem anderen fertigungsverfahren erreicht werden kann ▪ Können Werkstoffe verarbeitet werden, die sich mit anderen Fertigungsverfahren nicht hergestellt werden können Das am häufigste verwendete Urformverfahren ist da Gießen → Gießen mit verlorenen Formen bzw. Dauerformen aus flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Material. → die gegossenen Werkstücke werden Gussstücke genannt. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 1  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Gusswerkstoffe: Die metallischen Gusswerkstoffe lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen: Eisengusswerkstoffe und Nichteisengusswerkstoffe. Eisengusswerkstoffe: Werden nochmal in Gusseisen und Stähle unterschieden. Gusseisen: Kohlenstoffgehalt mehr als 2,06 %. Stahlguss: Kohlenstoffgehalt von 2,06 %. Nichteisengusswerkstoffe: Werden nochmal in Leichtmetalle und Schwermetalle unterschieden. Leichtmetalle: Dichte unter 5 kg/dm3, Aluminium Al, Titan Ti Schwermetalle: Dichte über 5 kg/dm3, Kupfer Cu, Blei Pb Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 2  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Eisengusswerkstoffe: Übersicht über die Eisengusswerkstoffe: Die Zusammensetzung der Schmelze (Legierungselement) und die Abkühlbedingungen beim Erstarren bestimmen die Gefügeausbildung im festen Zustand und damit die mechanischen Eigenschaften des Gusswerkstoffes (Allgemein). Einteilung Eisengusswerkstoffe: Kurzbezeichnung und Eigenschaften der Eisengusswerkstoffe: Die Gusswerkstoffe werden entweder mit Werkstoffnummern oder mit der Kurzbezeichnung angegeben. Die Kurzbezeichnungen setzten sich aus 6 Teilen zusammen, wobei einige Angaben, wie Mikro- oder Makrostruktur, und zusätzliche Angaben nur bei Bedarf angegeben werden. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 3  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Stahlguss: Wird flüssiger Stahl in Formen vergossen, spricht man von Stahlguss. Stahlguss verbindet die Eigenschaften des Stahls, wie hohe Festigkeit und gute Zähigkeit. Abhängig von der verwendeten Stahlsorte und der sich bei Bedarf anschließenden Wärmebehandlung können dem Werkstoff Stahl in weiteren Grenzen variable Eigenschaften verliehen werden. Wird legierter Stahl vergossen= G (Symbol für Guss) Bei den unlegierten Stallgusssorten unterscheidet man den Stahlguss für die allgemeine Verwendung und den vergossenen Maschinenbaustahl: Allgemeiner Stahlguss= GS Gegossener unlegierter maschinenbaustahl= GE Grau Gusseisen: Durch das langsame Abkühlen von Gusseisen scheidet sich der Kohlenstoff in elementare Form als Grafit innerhalb des Gefüges aus. Als Grafit bezeichnet man reinen kristallisierten Kohlenstoff im Gefüge. Durch die Grafiteinlagerung erscheint die Bruchfläche dunkel, woher der Namen graues Gusseisen oder Grauguss stammt. Nach der Form der Grafitbereiche wird Grauguss weiter unterteilt in: Gusseisen mit Lamellengrafit, Gusseisen mit Kugelgrafit und Gusseisen mit Vermiculargrafit. Gusseisen mit Lamellengrafit: ▪ Ist der Preiswerteste Gusswerkstoff ▪ Gute Gießbarkeit ▪ gute Zerspanbarkeit ▪ gute Gleit- und Notlaufeigenschaften. ▪ Die Festigkeit und Bruchdehnung sind nicht hoch Die mechanischen Eigenschaften hängen von den Erstarrungsbedingungen ab. Im Inneren des Werkstoffes sind die Grafitausscheidungen Lamellenförmig ungleichmäßig verteilt. Diese Grafitausscheidungen lassen sich in ihrer Größe und Form durch die Abkühlungsgeschwindigkeit steuern. Sie wirken wie kerben und stören den Verlauf der Kraftflusslinie. Durch die Grafitausscheidung brechen die Bauteile schneller und haben eine geringere Zugfestigkeit, jedoch absorbieren sie Schwingungen. Anwendung: Maschinengrundkörper, Gehäuse Gusseisen mit Kugelgrafit: Die Grafitausscheidungen liegen hier kugelförmig im Inneren des Werkstoffes. Dadurch ist die Kerbwirkung geringer. Sie dämpfen keine Schwingungen, Festigkeitswerte und Bruchdehnung sind deutlich höher. Die Festigkeit hängt von der Wanddicke ab und der Abkühlungsgeschwindigkeit. Eine Wärmebehandlung wie Glühen verbessert die Bruchdehnung. Durch Vergüten können die Festigkeitswerte gesteigert werden. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 4  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Gusseisen mit Vermiculargrafit: Hier erstarrt der Grafit zu langen wurmartigen Ausscheidungen. Weil der Grafit an den Ecken abgerundet sind, verursacht er keine Kerbwirkung. Die Festigkeitswerte sind besser. Anwendung: Thermisch beanspruchte Bauteile. Weißer Gusseisen: Durch das schnelle Abkühlen des Gusseisens scheidet sich der Kohlenstoff in Form von hell schimmerndem Zementit aus. Zementit ist hart und spröde und bedingt höhere festigkeitswerte. Das Gusseisen wird aufgrund seiner Farbe al weißes Gusseisen bezeichnet. Weißer Gusseisen ist hart und spröde und findet Anwendung für spezielle Zwecke. Weißer Gusseisen wir in Hartguss und Temperguss unterteilt. Der Weißer Gusseisen ist schon der Hartguss. Temperguss: Durch eine nachfolgende Glühbehandlung der weißen Gusseisenteile, die als Tempern bezeichnet wird, zerfällt der harte Zementit in Eisen und Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoff als Grafit eingelagert wird. Man bezeichnet dieses Material als Temperrohguss, er ist zäher und besser bearbeitbar. Weißer Temperguss: Wird der Temperrohguss in entkohlender (oxidierender) Atmosphäre geglüht, erhält man Temperguss mit weißem Bruchgefüge, den sogenannten weißen Temperguss. Schwarzer Temperguss: Wird der Temperrohguss in einer neutralen Atmosphäre geglüht, entsteht schwarzer Temperguss, dessen Bruchfläche wegen der zahlreichen Grafiteinschlüsse dunkel (schwarz) erscheint. Sondergusseisen: Hat Durchschnittlich 1 % niedrigeren Kohlenstoffgehalt als weißer Gusseisen oder grauer Gusseisen. Sondergusseisen hat seine besonderen Eigenschaften durch das Legieren mit Silizium, Chrom und Aluminium. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 5  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 6  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Nichteisenmetalle: Alle Nichteisenmetalle (NE-Metalle) bezeichnet man alle reinen Metalle und ihre Legierungen, bei deren Zusammensetzung Eisen nicht den größten Anteil ausmacht. Der Preis von NE-Metallen liegt viel höher als bei Eisenmetallen. NE-Metalle werden nochmal in Leichtmetalle und Schwermetalle unterschieden. Reine NE-Metalle sind zu weich, um als Bauteilwerkstoff verwendet zu werden, deswegen die Legierungen. Auf Basis ihrer Herstellungsverfahren werden NE-Metalle in Knetlegierungen (W) und Gusslegierungen (C) eingeteilt. Anwendung der NE-Metalle und ihrer Legierungselemente: Kupfer: Elektrotechnik Aluminium: Leichtbau und Luftfahrt Nickel: Basislegierungselement Zink: Korrosionsschutz Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 7  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Leitmetalle: Die wichtigsten ;Leichtmetalle sind Aluminium, Magnesium und Titan. Eigenschaften, Allgemein: ▪ Geringes Gewicht ▪ Ausreichende Festigkeit ▪ Gute Korrosionsbeständigkeit Aluminium: Reinaluminium AI wird durch die Legierungen nochmal in Aluminium-Knetlegierung EN-AW (für Halbzeuge) und Aluminium-Gusslegierungen EN-AC unterteilt, diese beiden Gruppen gibt es als aushärtbar und nicht aushärtbar. Das EN steht für die Europäische Norm. Aluminium hat eine natürliche Oxidationsschicht, die sich an der Luft oder in wässrigen Lösungen bildet. Wird diese Schicht beschädigt, bildet sie sich zügig due Oxidation von Aluminium mit dem Sauerstoff der Luft neu. Die Oxidationsschicht schützt das darunterliegende Aluminium. Die Oxidationsschicht kann auf elektrochemischem Weg künstlich erzeugt werden. Durch Eloxieren entstehen gelichmäßige, dichte und glasklare Oberflächenschicht. →Die Oxidbildung muss beim Schweißen verhindert werden (Inertgasschweißen): Aluminium und Aluminium-Legierungen Eigenschaften: ▪ Schweißbar hängt von der Zusammensetzung ab ▪ Dichte ist gering ▪ Hohe Leitfähigkeit elektrische Leitfähigkeit ▪ Hohe Festigkeit ▪ Gute witterungs- und Korrosionsbeständigkeit ▪ Gut umformen Anwendung: ▪ Elektrotechnik ▪ Luft- und Fahrzeugindustrie ▪ Sportgeräte, Campingausrüstung ▪ Fenster, Fassaden Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 8  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Die nicht aushärtbaren Legierungen lassen sich sehr gut kaltumformen und polieren. Hohe Korrosionsbeständigkeit, selbst vor Seewasser. Jedoch ist ihre Festigkeit geringer als bei aushärtbaren Legierungen. Aushärtbare Legierungen lassen sich schlecht zerspanen. Eingesetzt: Fahrzeugbau, Bauwesen wo Korrosionsbeständigkeit und einfache Verarbeitung wichtig sind. Das Aushärten von AI-Legierungen erfolgt durch eine Wärmebehandlung: 1. Lösungsglühen: Das Legierungselement wird geschmolzen und zu der Aluminiumschmelze dazugegeben. Daraus entsteht ein Gefüge aus einheitlichen Mischkristallen. 2. Abschrecken: Die Werkstücke werden sofort durch Eintauchen in Wasser oder durch Abbrausen abgeschreckt, damit sich das Gefüge nicht aufteilt in Aluminium und der Legierung. 3. Auslegen: Es erfolgt die Aushärtung des Werkstücks durch das Kaltauslegen bei Raumtemperatur. Eine Erhöhung der Temperatur beschleunigt diesen Prozess, man nennt das dann Wärmeauslegung. Nach 5 bis 8 Tagen ist der Prozess abgeschlossen. Aluminium-Gusslegierungen: Besitzen eine hohe Festigkeit und sehr gute Gießeigenschaften. Sie eigenen sich für Druckguss D, Sandguss S und Kokillenguss K. Gusslegierungen mit Si+ Mg oder Si+ Cu sind aushärtbar. Werkstücke aus Druckguss sind nicht schweißbar. Werkstücke aus Kokillenguss sind nur bedingt schweißbar. Werkstücke aus Sandguss sind schweißbar. Magnesium: Reines Magnesium Mg wird kaum verwendet, da die Festigkeit zu gering ist. Durch die Legierungsverfahren wird Magnesium nochmal in Magnesium-Knetlegierung und Magnesium-Gusslegierungen unterteilt. Magnesium Eigenschaften: ▪ Hat die geringste Dichte ▪ Sehr reaktionsfreudig ▪ Neigt zur Selbstentzündung → besonderen Schutzmaßnahmen Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 9  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Magnesium-Legierungen Eigenschaften: ▪ Gut zerspanen ▪ Als Gusswerkstoff verwendet ▪ Korrosionsverhalten verbessert als nur reines Magnesium Allerdings ist als Korrosionsschutz eine Beschichtung erforderlich ▪ Schwer umformbar Anwendung von Magnesium-Legierungen: ▪ Als Werkstoff für Guss- und Gesenkschmiedeteile ▪ Als Weiterverarbeitung von stranggepressten Halbzeugen (Stangen) ▪ Als Werkstoff von Motoren- und Getriebegehäuse im Fahrzeugbau und Armaturen ▪ Luft- und Raumfahrtindustrie Titan: Die Verarbeitungs- und Herstellungskosten von reinem Titan sind groß, deswegen sind die Verwendung eingegrenzt. Verwendung reines Titan: Medizintechnik, chemischen Industrie, Apparatebau. Eigenschaften reines Titan: ▪ Geringe Dichte ▪ Gut umformbar ▪ Gute Festigkeitseigenschaften ▪ Gute Korrosionseigenschaften Titan wird durch die Legierungsverfahren in Titan-Knetlegierung und Magnesium- Gusslegierungen unterteilt. Eigenschaften Titan-Legierungen: Anwendung von Titan-Legierungen: ▪ Festigkeiten wie Stahl ▪ Luftfahrttechnik ▪ Chemischen Industrie ▪ Medizintechnik Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 10  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Schwermetalle: Die wichtigsten Schwermetalle sind: Kupfer, Zinn und Zink. Schwermetalle wie Chrom, Nickel und Vanadium dienen vor allem als Legierungselemente von Stählen. Kupfer: Eigenschaften reinem Kupfer: ▪ Elektrische Leitfähigkeiten ▪ Hohe Wärmeleitfähigkeit ▪ Korrosionsbeständigkeit ▪ Plastisch verformen sowie kaltverfestigen und wird durch Glühen wieder weich Anwendung von reinem Kupfer: ▪ Elektrotechnik ▪ Apparatebau Kupfer-Zink-Legierungen (Messing): CuZn Gute Umformbarkeit, hohe Korrosionsbeständigkeiten und Gießbarkeit. Festigkeit und Härte steigen mit dem Zinkgehalt. Anwendung: ▪ Armaturengehäuse ▪ Käfige in Wälzlagern ▪ Kleindrehteile ▪ Druckgussteile ▪ Hochbelastete Lager und Schneckenradkränze. Kupfer-Zinn-Legierung (Zinnbronze): CuSn Anwendung: ▪ Zahnrädern und anderen höher belasteten Bauteilen ▪ Federn, Hülsen, Gleitlager, Lagerschalen, Spindelmuttern ▪ Gleit- oder Führungsbahnen Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 11  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Kupfer-Zinn-Zink-Legierung (Rotguss): Eigenschaften: Anwendung: ▪ Korrosionsbeständigkeit ▪ Pumpen-, Ventil- und ▪ Gieß- und zerspanbar Zählergehäuse ▪ Fittings und als Lagerwerkstoffe Kupfer-Aluminium-Legierung: CuAl Sie sind aushärtbar. Eigenschaften: ▪ Hohe Festigkeit ▪ Korrosionsbeständigkeit gegen Seewasser, Schwefelsäure, Salzlösung Anwendung: ▪ Schiffsbau, Anlagenbau ▪ Für Pumpen ▪ Gleitlager mit hoher Stoßbelastung ▪ Schnecken- und Schraubenräder für höchste Flächenpressung Kupfer-Nickel-Legierungen (Neusilber): CuNi In der Legierung ist ein Rest Zink vorhanden. Anwendung: ▪ Gut umformbar ▪ Korrosionsbeständig ▪ Hohe chemische Beständigkeit wird durch Nickel erreicht ▪ Zink verbessert die Gießbarkeit und Kupfer die gute Verformbarkeit Anwendung: ▪ Elektrotechnik ▪ Optik ▪ Medizintechnik Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 12  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Bauteile durch Gießen herstellen: Um ein Bauteil durch Gießen herzustellen, benötigt man einen fließfähigen Werkstoff, eine Schmelze und eine Form, die als negatives Abbild des zu gießenden Werkstücks bildet. Folgende Gießverfahren werden unterschieden: ▪ Mit verlorenen Formen und Dauermodellen: Die Form wird für jeden Abguss neu angerfertigt. Die Dauermodelle lassen sich mehrfach ein- und ausformen. Sie bestehen aus Holz, Kunstharz oder Metall. ▪ Mit verlorenen Formen und verlorenen Modellen: Die verlorenen Metalle sind aus Wachs oder Schaumstoff und werden beim Gießen vergast bzw. ausgeschmolzen. ▪ Mit Dauerformen Modellherstellung: Gussmodelle bestehen aus einem leicht zu bearbeitenden Werkstoff. Basis der Modellherstellung ist die Fertigungszeichnung des Gussteils, anhand der eine Modellzeichnung des Gussteils angefertigt wird. Hierbei muss das Schwindmaß berücksichtigt werden→ Modell des Gussstücks größer konstruieren als das fertige Gussstück. Das Schwindmaß ist bei jedem Werkstoff unterschiedlich, es kann bis zu 2% betragen. Bei der Modellzeichnung müssen Bearbeitungszugaben an den Flächen vorgesehen werden, an denen nachher eine spanende Bearbeitung vorhergesehen ist. Aushebeschrägen sind erforderlich, damit das Modell leicht aus der Form entnommen werden kann. Das Entformen ist nur möglich, wenn die Form nach oben offen ist. Durch die Teilung von Modell und Gießform wird dies erreicht. Die Teilfuge ist die Teilungsebene von Gießform und Modell. Als Kern bezeichnet man einen Körper, der die Form des Hohlraums im Gussstück besitzt. Gussteil: Modell: Geteilte Gießform mit Kern: Sandkerne werden eigens in sogenannten Kernkästen eingeformt und hergestellt. Kerne werden nach der Entnahme des Modells maßgerecht in die Form eingelegt. Sie dürfen während des Gießvorganges nicht verrutschen, was durch Kernlagerungen und Kernmarken gewährleistet wird. Zur Erkennung werden Kernmarken am Modell schwarz eingefärbt. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 13  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Formenherstellung: Die Gießformen werden in zwei Arten unterschieden: Verfahren mit verlorenen Formen und die Verfahren mit Dauerformen. Verlorenen Formen: Die Gießform bestehen aus Formstoff. Das Formmaterial erhält seine Dichte durch Verdichten (Formsand) oder durch Aushärten (Keramik). Mit dem Ausformen des Gussstücks durch die Form zerstört. Der Formensand wird danach aufbereitet und wieder verwendet. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 14  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Gießverfahren mit verlorenen Formen und Dauermodellen: Die Form besteht aus verdichtetem Formensand. Sie wird nach dem Abguss zerstört, das Modell kann erneut wieder eingeformt werden. Zu diesen Gießverfahren zählen das Handgießen und Maschinenformen, das Maskenform- und das Vakuumformverfahren. Handformen: Toleranzen: ca. 2,5 % bis 5 %, bezogen auf Nennmaß Stückzahl: Einzelteile Formherstellung: 1. Anhand der Zeichnung des Gussteils wird ein Modell (Gussteil) angefertigt und in die zweiteilige Gussform eingeformt. Die beiden Hälften der Gussform bezeichnet man als Ober- und Unterkasten. Sie werden über Kammern fixiert und über Führungsstifte gegeneinander positioniert. 2. Hohlräume werden durch Kerne geschaffen. Die Kerne werden in den Kernlagern mit Kernmarken fixiert. Die Kernmarken dienen auch als Entlüftungsbohrungen. 3. In der Form werden Modelle für Speiser und Einguss (Anguss) angeordnet. Speiser: Dienst dazu, das Material während des Erstarrungsprozesses nachfließen kann, dass keine Lunker entstehen. Kann zur Entlüftung dienen. Einguss: Darüber wird die flüssige Schmelze in die Form gegossen. Alle Modellteile werden angeordnet und das Formmaterial wird eingefüllt und verdichtet, die Ober- und Unterkasten werden miteinander verschraubt. 4. Der Gießvorgang wird als Anguss bezeichnet, die Schmelze wird durch den Einguss in die Form gegossen. Die gute Fließfähigkeit der Schmelze wir durch die Temperatur gewährleistet. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 15  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen 5. Um während des Erstarrungsvorganges die Volumenänderung im Werkstoff auszugleichen, muss zusätzlich Material über den Speiser und den Anschnitt nachfließen können. Eine gelichmäßige und kontrollierte Abkühlung sorgt dafür, dass die Kanäle des Speisers nicht zu früh erkalten und das Material nachfließen kann. Eine ungleichmäßige Erstarrung führt zu Hohlräumen, die Lunker genannt werden. Zudem können durch die unterschiedliche Schwindung beim erstarren Spannungsrisse auftreten. 6. Anschließend werden Speiser, Einguss, Lauf und Anschnitt entfernt. Das Werkstück wird entformt und kann spanend bearbeitet werden. Maschinenformen: Toleranzen: ca. 2,5 % bis 5 %, bezogen auf Nennmaß Stückzahl: kleine bis große Serien Formherstellung: Beim Maschinenformen werden die gleichen Arbeitsschritte wie beim Handformen durchgeführt. Die Arbeitsschritte wie das Verdichten des Formenstoffes und das Herausziehen des Modells aus der Form, werden maschinell ausgeführt. Gleichzeitig können der Anguss und das Entformen auch automatisch ablaufen → wirtschaftlicher. Maskenformverfahren: Toleranzen: ca. 1 % bis 2 %, bezogen auf Nennmaß Stückzahl: mittlere bis große Serien Formherstellung: Beim Maskenverformen we rden die Modellhälften aus Metall z.B. durch Fräsen, hergestellt. Die Modellhälften werden erwärmt und mit Formensand berieselt, der Bindemittel enthält. Durch Aushärten der Bindemittel entsteht eine selbsttragende Form, die Wanddicken liegen zwischen 8 bis 22 mm. Die Formenhälften werden jeweils einzeln hergestellt. Die Formenhälften werden ggf. mit Kernen versehen und miteinander verklebt. Zentrierungen sichern die Lage der beiden Formenhälften. Die Maskenformen werden zum Abgießen in einen Sandbett gestellt, damit sie nicht umkippen. Das Maskenformverfahren wird teil- oder vollautomatisch durchgeführt. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 16  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Vakuumformen: Toleranzen: ca. 0,3 % bis 0,6 %, bezogen auf Nennmaß Stückzahl: kleine bis mittelgroße Serien Formherstellung: Das Vakuumverfahren kann als eine Variante des Maskenverformens betrachtet werden, in dem das Modell durch Luftentzug des Zwischenraumes zwischen zwei flexiblen Folien entsteht. Eine einmal Folie wird über das Modell gelegt und durch Vakuum an das Modell gezogen. In den Kasten wird nun Formsand gefüllt und durch Vibration verdichtet. Mittels einer Deckfolie wird die Form durch Erzeugung von Unterdruck stabilisiert und das Gießmaterial eingefüllt werden, durch den Einguss. Die Folie verdampft beim Einfüllen der Schmelze. Der Unterdruck wird bis zum Erstarren des Werkstückes aufrechterhalten. Gussteil und Formsand fallen ohne zusätzlichen Krafteinwirkungen aus dem Formenkasten. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 17  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Gießen mit verlorener Form und verlorenem Modell: Die Formen und Modelle können nur einmal benutzt werden. Hierzu zählen die Gießverfahren Feingießen und Vollgießen. Feingießen: Toleranzen: ca. ±0,4 % bis ±0,7 % vom Nennmaß Stückzahl: kleine bis große Serien Formherstellung: 1. Das Modell wird auch Wachs oder Kunststoff hergestellt, das Modell entspricht dem anschließend zu gießenden Werkstück. Mehrer Modelle können zu einem großen Modell werden, Modelltaube. 2. Das Modell wird in einer breiigen keramischen Masse getaucht und anschließend mit keramischem Pulver bestreut. 3. Durch das mehrmalige Tauchen und Bestreuen entsteht eine Schalenbildung. Diese ist hochtemperaturbeständig. 4. Das Modell wird durch Aufschmelzen entfernt, übrig bleibt die Gießform, die gebrannt wird, für eine ausreichende Festigkeit. 5. In die Gießform wird nun die schmelze eingegossen und kann aushärten. Der Keramiküberzug wird entfernt und die Gussstücke von der Taube getrennt. Eigenschaften: ▪ Hohe Maßtoleranz und sehr gute Oberflächengüte durch die hohe Formtemperatur ▪ Größtmögliche Gestaltungsmöglichkeit ▪ Werkstücke aus schwer zu zerspanenden Werkstoffen herstellbar ▪ Gratfreies Werkstück Vollformgießen: Toleranzen: ca. 3 % bis 5 % vom Nennmaß Stückzahl: Einzelteile, kleine Serien Dieser Gießverfahren eignet sich gut für große Werkstücke und für Hinterschneidungen. Formherstellung: das Modell wird aus Kunststoff-Hartschaum hergestellt, mit Einguss und Steiger versehen und in Formsand eingeformt. Aus der ungeteilten Form wird das Modell nicht entfernt. Formteilungen, Kerne und Formschrägen sind nicht erforderlich. Durch das Gießen mit der heißen Schmelze von unten verdampft der Schaumstoff und es entsteht der Hohlraum, wo die Schmelze hinfließen kann. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 18  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Gießen in Dauerformen: Beim Gießen in Dauerformen wird kein Modell erstellt, das für jeden Anguss abgeformt werden muss, sondern das Gießmaterial wird in eine meist metallische Dauerform gegossen. Zu diesen Verfahren zählen Kokillengießen un das Druckgießen. Kokillengießen: Toleranzen: ca. ±0,2 bis ±0,3 mm vom Nennmaß Stückzahl: mittlere bis große Serien Formherstellung: Beim Kokillengießen wird die Schmelze in eine metallische Dauerform, die Kokille gegossen. Zur Entnahme des Gussteils sind diese Geißformen zwei oder mehrteilig ausgeführt. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Kokille im Vergleich zum Sandformen erfolgt eine beschleunigte Abkühlung → feineres und dichteres Gefüge und bessere Festigkeitseigenschaften. Zudem entstehen geringere Fehlerhäufigkeit, eine hohe Maßgenauigkeit und eine gute Oberflächenbeschaffenheit. Angewendet: Gas- und flüssigkeitsdichten Armaturen. Druckgießen: Toleranzen: ca. ±0,02 bis ±0,3 mm vom Nennmaß Stückzahl: Serienfertigung Durch Druckgießen lassen sich Werklstücke mit hoher Maßgenauigkeit und sehr guter Oberflächengüte herstellen. Dieses Verfahren ist das wirtschaftslichte Gießverfahren. Formherstellung: Beim Druckgießen wird die Schmelze in einer Druckgussmaschine unter hohem Druck mit relativ hoher Geschwindigkeit in die zweiteilige beheizte Dauerform gedrückt. Durch den hohen Druck gelangt die Schmelze auch in feine Kanäle, sodass sich auch sehr dünnwandige Werkstücke fertigen lassen. Beim Druckgießen wird zwischen Warmkammerverfahren und Klarkammerverfahren unterschieden. Beim Warmkammerverfahren befindet sich die Druckkammer in der Schmelze. Deshalb können nur Werkstoffe vergossen werden, die nicht den Druckkolben und die Druckkammer nicht angreifen. Beim Kaltkammerverfahren wird die Schmelze in die Druckkammer eingefüllt und mithilfe des Stempels in die Form gepresst. In Abhängigkeit von der Lage des Gießkolben wird zwischen horizontale und vertikale Kaltkammerverfahren unterschieden. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 19  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Gestaltung von Gussteilen: Um ein Gussteil funktionell gestalten zu können sind Kenntnisse der physikalischen Eigenschaften des Gusswerkstoffes, Härte, Festigkeit usw. wichtig. Die Werkstoffeigenschaften entscheiden ob es fürs Gießen verwendet werden kann: die Gießbarkeit, die Lunkerbildung, die Seigerungserscheinungen und das Schwinden. Erforderliche Elemente am Werkstück sind Rundungen, Rippen, Formenschrägen usw. Die Festigkeit eines Gussteils nimmt von der Oberfläche zur Mitte ab, weil in der Mitte die Abkühlungsgeschwindigkeit geringer ist und es dort zur Grafitausschneidung kommt. Je dünner die Wand eines Gussstücks ist, umso fester und spröder ist das Material. Nur wenn ein Gussteil eine relativ einheitliche Wanddicke aufweist, hat es überall eine vergleichbare Festigkeit. Die wanddickenabhängige Festigkeit von Gussteilen muss ihrer Gestaltung berücksichtigt werden. → Gussteil: möglichst gleiche Wanddicke Bei der Abkühlung eines Gussteils schwindet dieses, was Lunker und Gussspannungen nach sich ziehen kann. Lunker bildet sich vor allem an den Stellen mit Materialanhäufungen, am Stellen mit starken Querschnittsübergängen und in Bereichen mit unzureichenden Zuflussquerschnitten. Die größte Schwindung tritt bei Stahlguss und Temperguss auf. Gussspannungen zeigen sich durch Verzug oder Rissbildung. Bei unterschiedlichen Wanddicken und Materialanhäufungen an bestimmten Stellen der Gussteile ist eine gleichmäßige Erstarrung nicht gegeben. Daraus resultieren Lunker, Spannungen, Formveränderungen oder Risse. → die Mindestwanddicke nicht überschreiten An dem Gussteil sollten nur Radien und keine Ecken und Kanten sein, da sie nur schwer verwirklichen lassen. → Zu große Innenradien führen zu Materialanhäufungen. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 20  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Um das Modell aus der Form zu entnehmen, müssen Aushebungsschrägen am Modell sein. Die Aushebungsschrägen sind in der DIN EN 12890 genormt und liegen nach Nennmaß zwischen 0,7° und ca. 2°. In der Fertigungszeichnung des Gussteils müssen die Formenschrägen nicht eingetragen werden. Größere Formenschrägen wirken sich positiv auf die Formarbeit aus. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 21  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Die Querschnitte sind entsprechend zu vereinzeln: Hinterschneidungen und geschlossene Formen sind zu vermieden: Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 22  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Fast alle Gussteile müssen nach dem Gießen spanend bearbeitet werden. Schon bei der Konstruktion des Gussteils, ,muss die spanende Bearbeitung berücksichtigt werden. Es muss die Zugänglichkeit, der Auslauf der Zerspanwerkzeuge und die Spannmöglichkeiten beachtet werden. Gestaltungsregeln für Gussteile: ▪ Gleiche Wanddicke ▪ Scharfe Ecken und Stoffanhäufungen vermieden ▪ Allmähliche Übergänge bei Wanddickenunterschiede vorsehen ▪ Auf Aushebeschrägen achten ▪ Auf Abrundungen achten ▪ Eingezogene Formen, Ansteckteile und geschlossene Hohlräume vermeiden ▪ Die Rippenwandstärke immer kleiner als die Bauteilwandstärke wählen ▪ Auf die nachfolgende Spanbearbeitung achten ▪ Hacken oder Schwenkzapfen für den Transport bei großen Gussstücken vorsehen Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 23  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Technische Zeichnungen von Gussteilen: Auf der Basis der Fertigungszeichnung wird im Modellbau das Modell hergestellt- oder zuerst die Modellzeichnung erstellt- je nach Komplexität des Bauteils. Die Technische Zeichnung eines Gussteils stellt also immer den Endzustand des Werkstückes dar. Die technische Zeichnung eines Gussteils (Gussbauteilzeichnung) muss folgende Informationen enthalten: ▪ In der Gussbauteilzeichung wird das Gussteil mit allen Maßen für die Herstellung des unbearbeiteten Gussteils versehen (Fertigungsmaße) ▪ Alle Maße für die Herstellung des zu fertigenden Gussteils einschließlich des Modells, Rippen werden gesondert bemaßt ▪ Oberflächenangaben ▪ Die erforderlichen Formschrägen werden nach DIN EN ISO 13135 gekennzeichnet ▪ Alle erforderlichen Maße für die Spanende Bearbeitung ▪ Toleranzen und Passungen, Form- und Lagetoleranzen ▪ Bezug für die spanende Bearbeitung einem in jeder Hauptachsenrichtung, erfolgt nach DIN 406, Teil 10 ▪ Angabe der Teilebene durch eine dicke Volllinie und weitere Symbole nach DIN EN ISO 13135 Bei der Anordnung der Bemaßung sollte bereits der Aufbau des Modells berücksichtigt werden. Da für Hohlräume Kerne gefertigt werden müssen ist es wichtig zu wissen, welche Hohlräume gegossen werden. Nicht alle Bohrungen werden vorgegossen ´, eine Herstellung von Kernen rechnet sich aus wirtschaftlichen Gründen erst ab einer Mindestgröße, die unterschiedlich ist. Rippen werden in der technischen Zeichnung für den Modellbau in ihrer Größe bemaßt. Ist die Ansicht geschnitten, inklusive der Rippe; wird die Rippe nicht schraffiert, damit die Grundform des Werkstücks erkennbar bleibt. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 24  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Technische Zeichnung eines unbearbeiteten Gussteils: Technische Zeichnung eines Gussteils mit spanender Bearbeitung: Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 25  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Sintern: Sintern ist ein Urformverfahren, bei dem metallische oder keramische Metallpulver mechanisch in Formwerkzeugen verdichtet und anschließend bei hohen Temperaturen zu Fertigteilen verbacken werden. Unter dem Begriff Sintern bezeichnet man einerseits das Fertigungsverfahren „Sinter“, anderseits den Fertigungsschritt „Sintern“ bei der Herstellung von Sinterformteilen. Aufgrund der verwendeten Rohstoffe, der Metallpulver, spricht man von Pulvermetallurgie. Pulverisierte Metalle bzw. deren Legierungen werden mit einem Gleitmittel vermischt. Die Eigenschaften der verwendeten Metalle entsprechen zumeist den Eigenschaften der gesinterten Bauteile. Vorteile des Fertigungsverfahren Sintern: ▪ Massenfertigung ▪ Hohe Werkstoffausnutzung ▪ Maßgenaue Fertigteile ▪ Nur geringe Nacharbeit ▪ Fertigung von Teilen aus Werkstoffkombinationen, die nicht Gießbar sind, wie Gemische aus Metallen und Nichtmetallen ▪ Gut einstellbare Porosität Nachteile des Fertigungsverfahren Sintern: ▪ Presswerkezuge und Pressen erforderlich, Fertigung teurer ▪ Bedingt durch die porösen Bauteile zum Teil reduzierte Festigkeitswerte ▪ Begrenzte Bauteilgrößen ▪ Teures Sintermaterial ▪ Begrenzter Gestaltungsspielraum Sinterwerkstoffe: Zur Herstellung der Metallpulver gibt es mehrere Verfahren. Häufig wird Eisenerz im Ofen reduziert und über mehrere Fertigungsschritte zu Sinterpulver aufbereitet. So entstandenes Sinterpulver nennt man auch Schwammeisenpulver. Weiter Herstellungsmöglichkeiten sind die Verdüsung einer Schmelze durch Wasser oder durch Gas. In diesem Prozess wird geschmolzenes Metall als Metallstrahls durch einem mit hoher Geschwindigkeit auftretenden Gas- oder Flüssigkeitsstrom in kleine Tröpfchen zerteilt und rasch erstarrt, bevor die Schmelztröpfchen in Kontakt miteinander oder mit einer anderen festen Oberfläche kommt. Wasserverdüste Pulver haben ein sehr ungleichmäßige Teilchenform. Gasverdüste Pulver sind kugelförmig, haben ein sehr gutes Fließverhalten und eine hohes Raumausfüllungsvermögen. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 26  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Die Zusammensetzung der Metallpulver wird von den Anforderungen an die zu fertigenden Teile bestimmt. Legierte Pulver können zum Einsatz kommen. Die erforderliche Zusammensetzung kann auch durch Mischen verschiedener Pulver erzielt werden. Beigefügte Gleitmittel erleichtern das Verdichten bei dem sich anschließenden Pressvorgang. Die Kurzkennzeichnung der Sinterwerkstoffe erfolgt nach einem eigenen System. SINT-D10 sinterglatt Fertigung von Sinterformteilen aus Stahl: Die Herstellung von Sinterformteilen erfolgt in mehreren Schritten: 1. Mischen der Pulver: Die Metallpulver werden entsprechend der erforderlichen Zusammensetzung gemischt. Ein zugefügtes Gleitmittel erleichtert das spätere Pressen, weil sich dadurch der Formstoff leichter verdichten lässt. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 27  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen 2. Pressen: Die Pulvermischung wird in ein hochpräzises Presswerkzeug gefüllt. Bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperaturn (unter 200°) erfolgt der Pressvorgang beim Drücken bis zu 1000 bar. Die Pulverteilchen verformen sich dabei, der Porenraum wird geringer. Durch mechanische Verklammerung und Adhäsion (zwischen zwei verschiedenen Teilchen wirken Anziehungskräfte, sie haften aneinander) entsteht ein Zusammenhang zwischen den Teilchen, sodass der sogenannte Grünling, der Sinter- Pressling, entsteht. 3. Sintern: Die Gründlinge werden anschließen in einen Sinterofen gesintert. Benachbarte Pulverteilchen verschweißen miteinander. Es bilden sich Sinterbrücken. Im weiteren Verlauf wachsen die Körner weiter zusammen und die Porosität nimmt ab. Das Bauteil schrumpft und enthält seine Festigkeiten. Das Gefüge des kompakten Sinterformteiles entsteht. Falls erforderlich schließt sich an den Sintervorgang eine Nachbehandlung an. Die kann Kalibrieren (Nachpressen bei Raumtemperatur auf ein genaues Maß und eine hohe Oberflächengüte), Härten bzw. Vergüten (Metallpulver müssen darauf abgestimmt sein) oder Zerspanen sein. Durch Imprägnieren lassen sich selbstschmierend Gleitlager herstellen. Hierbei wird das Gleitlager unter Dtuck mit flüssigem Schmiermittel gefüllt, der poröse Werkstoff nimmt das Schmiermittel gut auf. Eigenschaften der Sinterformteile: Die Eigenschaften der Sinterformteile werden durch die verwendeten Metallpulver, den Pressdruck und die Sintertemperatur bestimmt. ▪ Grob-poröse Sinter-Werkstücke: Eigenen sich gut als Filter und bestehen oftmals aus Bronze, Messing oder nichtrostendem Edelstahl. ▪ Selbstschmierende Gleitlager: Bestehen aus feinporigen Sinterwerkstoffen, deren Poren mit Schmiermittel gefüllt werden können. ▪ Grundtoleranzgrad zwischen IT9 und IT10 Wird es Kalibriert, IT7 und IT8 möglich Verwendung von Sintermetall: ▪ Bauteile werden hegestellt, die kleine bis große Abmessungen haben ▪ Zahnräder, Riemenscheiben ▪ Hebel ▪ Verschlüsse, Nocken Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 28  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Konstruktionshinweise zu Sinterformteilen: Eine mechanische Nachbearbeitung ist möglich, jedoch sollte die Gestaltung aus wirtschaftlichen Gründen so erfolgen, das die Sinterformteile ohne Nachbearbeitung einbaufertig sind. Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 29  Lernfeld 8: Konstruktion von Metallischen Bauteilen für das Fertigungsverfahren Urformen Ersteller: Lena Fuest [Hier eingeben] Seite | 30