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2.1 Kinematische und geometrische Grundlagen
. Bewegung, Geschwindigkeit:
- Relativbewegung zwischen Werkzeugschneide und Werkstück, bezogen auf ein ruhend
gedachtes Werkstück (z.B. wie beim Bohren, aber: Drehen wird genauso betrachtet)
. Schnittgrößen (einstellbar):
Vorschub f [mm]
Zahn- / Schneidenvorschub fz [mm]; fz = f : (Anzahl der Schneiden)
Vorschubgeschwindigkeit (beschreibt Bewegung des gesamten Werkzeugs relativ zum Werkstück) vf [m/min]
Schnittgeschwindigkeit (beschreibt Bewegung der Schneide) vc [m/min]; vc >> vf
Schnittiefe ap oder a [mm]
. Spanungsgrößen (nicht einstellbar, beschreiben den Spanungsvorgang):
Spanungsbreite b [mm]; b = a : sin
Spanungsdicke h [mm]; h = f * sin
Spanungsquerschnitt A [mm2]; A = ap * fz = b * h
Einstellwinkel
2.2 Physikalische und empirische Grundlagen
2.2.1 Spanbildung
. Werkzeug / Schneidkeil verformt den Werkstoff hauptsächlich durch Druck:
- elastisch (reversibel)
- plastisch (irreversibel) => gewollt
. Spannungszustand führt zum Überschreiten
- der max. zulässigen Schubspannung (Fließgrenze) => Werkstoff beginnt zu fließen
- der Schubbruchspannung (Sprödigkeit)
. Spanarten
- entstehen durch unterschiedliche Verhältnisse zwischen möglicher und auftretender
Verformung (Umformvermögen des Werkstoffes und Umformgrad)
- in erster Linie also werkstoffabhängig, nicht beeinflußbar
Fließspan Scherspan Reißspan
. bei hohem Umform¬vermögen des Werk¬stoffes (zäh)
. lange Späne, schwierige Spanabfuhr
. hohe Oberflächengüte . mittleres Umform¬vemögen
. angestrebt, da Span¬ab¬fuhr gut möglich
. relativ hohe Oberflächen¬güte . bei spröden Werkstoffen (geringes Umform¬vermögen)
. rauhe Oberfläche
. Spanformen
- Form der anfallenden Späne, unabhängig von Spanarten
- z.B. Band-, Wirr-, Spiral-, Bröckelspäne
- beinflußbar durch:
a.) Spanleitung (Werkzeuggeometrie)
b.) Schnittbedingungen (einstellbare Schnittgrößen wie Schnittgeschwindigkeit,
Vorschub etc.)
2.2.2 Kräfte am Schneidkeil
. Aktivkraft Fa = Fc + Ff (leistungsverursachende Kraftkomponente)
. Schnittkraft Fc (groß im Vergleich zur Vorschubkraft Ff)
- größte Kraftkomponente
- abhängig von Werkstoff, Schneidengeometrie, Spanungsbedingungen
- Berechnung:
Fc = A * kc A...Schnittfläche
kc...werkstoffabhängige Größe, spezif. Schnittkraft)
kc = kc1*1 : hmc h...Spanungsdicke
kc1*1...kc bei A = 1 mm2 => Tabellenwert
mc...Spanungsdickenexponent => Tabellenwert
2.2.3 Energiebilanz
. Spanungsarbeit => Wärme
= Scherarbeit (innere Reibung) + Spanflächenreibung + Freiflächenreibung
. Zerspanleistung P = Pc + Pf => P Pc = Fc * vc : 60.000 [kW] (5-10 kW)
. Antriebsleistung PA = Pc : ...Wirkungsgrad (0,7-0,85)
2.2.4 Verschleiß
. Verschleißformen
am Werkzeug am Werkstück am Spanungsvorgang
. VB...Verschlei߬marken¬breite (Freifläche)
. Kolkung K = Kolktiefe KT : Kolk¬mittenabstand KM (Spanfläche) . Formänderungen
. Maßabweichungen
. Oberflächengüte . Spanbildung
. Schnittkraft
. dynamisches System¬verhalten (z.B. Geräusche)
. Verschleißmechanismen
- Abscheren von Preßschweißstellen (hohe Temp. => Verschmelzen von Wz- und WSt-
Partikel => Abscheren), bei höheren Geschwindigkeiten wieder abnehmend
- Verzunderung / Oxidation
- Diffusionsvorgänge zw. Wz und WSt (nur bei sehr hohen Temp. / Geschwindigkeiten)
. Standzeit T
- Wie lange bleibt das Werkzeug unter den gegebenen Standbedingungen (Schnittwerte,
Schneidkeilgeometrie) einsatzfähig ? => wichtigste Standgröße
- T = Cv * vck => in erster Linie von der Schnittgeschwindigkeit vc abhängig (dann
Vorschub, dann Schnittiefe)!
. Verschleißminderung
- Verbesserung der Spanflächen-Oberfläche
- Erhöhung der Spanflächen-Härte
- Einsatz von Kühl- und Schmierstoffen
2.3 Arbeitsgüte
2.3.1 Einflußfaktoren
. Kräfte
. Wärme
. Verschleiß (Maschine, Werkzeug)
. Kosten = f(Fertigungsgenauigkeit) => Fertigungsgenauigkeit immer so grob wie möglich, also so genau wie gerade nötig ist, wählen
2.3.2 Geometrische Fertigungsfehler
. Formfehler
- Abweichung des Werkstücks von einer vorgeschriebenen geometrischen Grundform
- z.B. Geradheit, Ebenheit, Rundheit
. Maßfehler
- Abweichung der Werkstück-/Istmaße vom vorgegebenen Sollmaß (Konstr.-Pläne)
- enstehen durch Verformungen am Werkstück durch hohe Passivkräfte des Werkstoffs
. Lagefehler
- Abweichungen einer Kante, Mantellinie, Achse oder Fläche eines Werkstücks von der
Sollage relativ zu einer Bezugskante, -mantellinie, -achse oder -fläche des Werkstücks
- z.B. Parallelität, Rechtwinkligkeit, Symmetrie
. Fehler der Rauhheit
- Unebenheiten von Werkstückoberflächen bezeichnet man als Rauhheit, die in der sog.
Rauhtiefe gemessen wird
2.4 Spanende Fertigungsverfahren
2.4.1 Drehen
. einschneidiges Werkzeug
. rotatorische Schnittbewegung durch das Werkstück
. Vorschubbewegung durch Werkzeug
. Schnittgeschwindigkeit vc = * d * n : 1.000 [m/min]
. theoretische Rauhtiefe: Rth = f2 : (8*r) f...Vorschub (0,05...1 mm)
r...Eckenrundung des Werkzeugs (0,4...1,6 mm)
. erreichbare Rauhtiefe:
- Schruppdrehen: Rz = 40 m (Hauptziel: hoher Materialabtrag)
- Schlichtdrehen: Rz = 10...40 m (Hauptziel: hohe Oberflächengüte)
- Feinschlichten: Rz = bis 2,5 m
2.4.2 Fräsen
. mehrschneidiges Werkzeug, mitunter Ungleichteilung
. kreisförmige Schnittbewegung durch Werkzeug
. unterbrochener Schnitt durch mehrere Schneiden => höherer E-Aufwand als beim Drehen
2.4.3 Bohren
. Bohrarten:
- Vollbohren (gesamtes Loch wird weggebohrt)
- Kernbohren (nur ein Ring/Mantel wird weggebohrt)
- Aufbohren (ein vorhandenes Loch wird erweitert)
. Schnittkraftberechnung:
- kc vom Drehen (s. Tabelle)
- Fcz = 0,5 * fz * a * kc * sin (f = 0,5 * fz bei zweischneidigem Bohrer)
. traditionell: Spiralform, Wendelgeometrie => Probleme: Verschleiß, Spanbruch
. heute: Kurzlochbohrer mit 2-4 auswechselbaren Schneidplatten und Spanteilernuten
(Beschränkung: l < (3-4) * d , deshalb Kurzloch)
. Tieflochbohren
- Werkzeuge unsymmetrisch mit spezieller KSS-Zufuhr (Kühl- und Schmierstoffe)
und zusätzlicher Führung am Bohrlocheingang
- sehr hohe Oberflächengüte und Geradheit
- Anwendung bei l > (8...20) * d
2.4.4 Schleifen
. geometrisch unbestimmte Schneide => rel. komplizierte Eingriffsverhältnisse:
- schwer bestimmbare Schneidengeometrie
- große Anzahl gleichzeitig eingreifender (sehr kleiner) Schneiden (Körner)
- direkte Beobachtung schwierig
. Selbstschärfungseffekt durch splitternde Körner (spröde)
. mechanische Energie wird in Wärme umgewandelt:
- Freiflächenreibung (hinter Schneidkante)
- plastische Verdrängung des Werkstoffs (innere Reibung)
- Spanflächenreibung
- Spanungs-/ Scherenergie
=> Einsatz von KSS nötig
. spezifische Schnittkraft kc wesentlich höher als bei geometrisch bestimmter Schneide
=> wesentlich höherer E-Einsatz erforderlich
. Verschleiß
- Kornverschleiß (durch extrem hohe Druck- und Temp.-Verhältnisse bzw. Wechsel¬
beanspruchung => Oxidation, Diffusion, Schmelzen der Körner)
- Bindungsverschleiß (durch mechan. u. therm. Überbelastung)
. Werkzeuge
- Kornwerkstoffe: Korund, Siliziumkarbid, Diamant, kubisches Bohrnitrit (bis 2.000 °C)
- Bindemittelwerkstoffe:
a.) anorganisch (keramisch)
b.) organisch (Gummi, Kunstharze => temp.-beständig, aber häufig gesundheitsgef.)
. Werkzeugaufbereitung
- Schärfen und Profilieren (mehrere Kornschichten => Entfernen der äußeren Schicht)
- Auswuchten des Schleifkörpers
. Schleifverfahren
- Umfangsschleifen
a.) Pendelschleifen (schnell und oft, aber weniger tief)
b.) Tiefschleifen (langsamer, meist in einem Durchgang, relativ tief)
- Stirnschleifen
- Außenrundschleifen
- Innenrundschleifen
- Bauchschleifen
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