Werkzeugmaschinen – Werkstücke mit formgebenden Werkzeugen bearbeiten

Zusammenfassung

Fast jedes Produkt wird direkt oder indirekt durch Werkzeugmaschinen hergestellt. Sei es, dass Produkte direkt durch spanende Bearbeitung oder Umformung gefertigt werden oder dass passende Formen zum Abgießen oder Spritzgussformen für Kunststoff auf Werkzeugmaschinen hergestellt werden. Entsprechend sind in fast jeder Produktion entweder Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Schleifmaschinen oder Umformmaschinen bzw. Spritzgussmaschinen zu finden oder zumindest daran beteiligt. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Vertreter moderner spanender und umformender Maschinen mit den zugehörigen Komponenten und Eigenschaften behandelt. Dies beinhaltet sowohl die detaillierte Darstellung der verschiedenen Ausführungen einzelner Komponenten, als auch die damit verbundenen Vor- und Nachteile. Damit können geeignete Maschinen für die Herstellung eines Produktes ausgewählt und die Prozesse auf den Maschinen ausgelegt werden. Das Kapitel schließt mit der Steuerungstechnik und der NC-Programmierung für spanende Maschinen.

Appendices

Antworten zu den Verständnisfragen

Antwort 31.1

Da ein Pressewerkzeug mit 4 m Länge, 2,5 m Breite und 0,8 m Höhe sehr groß und damit auch schwer ist, kommen für seine Bearbeitung nur Portalfräsmaschinen infrage, bei denen das Werkstück entweder auf einem verfahrbaren Maschinentisch gespannt wird (festes Portal) oder direkt auf dem Boden festgespannt wird und das Portal über dem Presswerkzeug verfährt.

Der Automatisierungsgrad ist bei Einzelwerkstücken gering. Allerdings sollte eine Komplettbearbeitung möglich sein, damit das Werkstück nicht umgespannt werden muss. Daher eignet sich ein Bearbeitungszentrum für diese Aufgabe.

Antwort 31.2

Komponenten einer Fräsmaschine:

obligatorisch	optional
Maschinenbett	Werkzeugmagazin mit automatischem Werkzeugwechsel
Maschinentisch
Hauptantrieb
Einzelantrieb für jede Verfahrachse	2. Maschinentisch zum Werkstückwechsel
Steuerung
Maschinengehäuse

Antwort 31.3

Beim spitzenlosen Schleifen wird das Werkstück schwimmend zwischen der Schleifscheibe und der Regelscheibe auf einer Auflageschiene gelagert. Die Auflageschiene ist leicht abgeschrägt, sodass das Werkstück zur Regelscheibe gedrückt wird. Diese versetzt das Werkstück in Rotation und schiebt es zur Schleifscheibe hin.

Der Vorteil des spitzenlosen Schleifens besteht darin, dass Zentrierbohrungen an den Stirnseiten des Werkstückes entfallen und der Prozess sich leichter automatisieren lässt.

Antwort 31.4

Bei einer Kniehebelpresse wirken die Umformkräfte im Wesentlichen auf ein festes Gegenlager, während bei der Exzenterpresse diese direkt vom Antrieb aufgefangen werden müssen. Dadurch können bei der Kniehebelpresse erheblich größere Umformkräfte erzeugt werden.

Antwort 31.5

Da die Wälzkörper gleichzeitig am Schlitten und der Führungsschiene abrollen, bewegen diese sich nur halb so schnell wie der Schlitten. Ohne Rückführungskanäle würden diese aus dem Bereich des Schlittens herauswandern.

Die Rückführungskanäle sorgen dafür, dass die Wälzkörper wieder zum Anfang des Schlittens geführt werden.

Antwort 31.6

Bei indirekten Messverfahren werden die Positionen aus der Anzahl der Drehungen der Antriebsspindel berechnet. Durch Spindelsteigungsfehler oder elastischen Verspannungen der Spindel kann es passieren, dass die Umrechnung je nach Maschinentischposition ungenau wird. Beim direkten Messverfahren ist dies ausgeschlossen, da der Istwert direkt an einem Maßstab abgelesen wird.

Beim digitalen Messen wird der Messbereich in Inkremente aufgeteilt, die dann abgezählt werden. Dadurch können Zählfehler entstehen. Analoges Messen ist daher weniger fehleranfällig.

Beim inkrementellen Messen, wird die Messstrecke durch Abzählen der Inkremente bestimmt. Dadurch können ebenfalls Zählfehler beispielsweise durch Verschmutzungen entstehen. Beim absoluten Messen ist an jeder Stelle ein fester Messwert vorhanden.

Aufgaben

Im Folgenden finden Sie Aufgaben zu dem im Kapitel besprochenen Thema. Wenn es sich um Rechenaufgaben handelt, ist der Schwierigkeitsgrad angegeben (• leicht, •• mittel, ••• schwer), und eine Ergebniszeile zeigt das zu erwartende Ergebnis.

Die Lösungen zu allen Aufgaben finden Sie auf der Internetseite des Buches.

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•  Was sind die wesentlichen Anforderungen an eine Werkzeugmaschine?

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•  Nennen Sie die wichtigsten Komponenten einer Fräsmaschine.

.3

•  Wie unterscheidet sich ein Bearbeitungszentrum von einer einfachen CNC-Fräsmaschine?

.4

••  Benennen Sie folgende Bauformen von Fräsmaschinen und tragen die Achsbezeichnungen ein.

.5

••  Was ist der Unterschied zwischen einer Flexiblen Fertigungszelle, einem Flexiblen Fertigungssystem und einer Transferstraße?

.6

•  Wie werden Werkzeuge in Fräsmaschinen fixiert und wie erfolgt die Übertragung des Drehmoments auf das Werkzeug?

.7

•  Warum wird für den Werkzeugwechsel eine Doppelgreifzange und nicht ein einfacher Greifer genutzt?

.8

•  Was ist das Kennzeichen einer Karusselldrehmaschine und für welche Werkstücke wird diese verwendet?

.9

•  Nennen Sie die wichtigsten Komponenten einer Drehmaschine.

.10

•  Nennen Sie zwei geometrische Formelemente an einem Werkstück, die angetriebene Werkzeuge benötigen.

.11

••  Kann folgendes Werkstück auf einer Drehmaschine mit einer Z-, einer X-Achse und angetriebenen Werkzeugen hergestellt werden? Begründen Sie Ihre Antwort.

.12

•  Für welche Werkstücke wird eine Lünette benötigt und was bewirkt sie?

.13

•  Wie erfolgt der Antrieb bei angetriebenen Werkzeugen?

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•  Skizzieren Sie den Antriebsstrang einer mechanischen Exzenterpresse.

.15

••  Wozu wird bei mechanischen Pressen eine Schwungmasse benötigt?

.16

•  Warum müssen bei weggebundenen Pressen sowohl die maximale Gestellbelastung als auch die Umformarbeit überprüft werden?

.17

•  Welche Vorteile und Nachteile weist eine hydraulische Presse gegenüber einer mechanischen Presse auf?

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•••  Auf einer Münzpresse sollen 1-Euro-Stücke aus Messing durch Stauchen umgeformt werden. Das Ausgangsmaterial ist Stangenmaterial mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Höhe von 6 mm. Die Münze hat einen Durchmesser von 23,25 mm.

• a) Berechnen Sie die umgeformte Höhe der fertigen Münze (siehe Abschn. 31.3).

• b) Berechnen Sie die Umformkraft F_U, wenn pro Umformung 5 Münzen umgeformt werden.

  Formeln für Umformkraft F_U und Umformgrad ϕ:

  $$\displaystyle F_{\mathrm{U}}=k_{\mathrm{f}}\cdot A_{1}\varphi=\ln\frac{h_{1}}{h_{0}}$$

  

• c) Berechnen Sie die Kurbelstellung bei Prozessbeginn, wenn der Exzenter einen Durchmesser von 400 mm hat.

• d) Bestimmen Sie, ob der Prozess lauffähig ist. Falls nicht, was muss geschehen, damit der Prozess auf der Presse läuft? Verwenden Sie dazu folgendes Diagramm:

  

.19

••  Erläutern Sie den Regenerativeffekt. Wie kann dieser abgestellt werden?

.20

••  Erläutern Sie, wie bei hydrodynamischen Gleitführungen der Schmierfilm entsteht.

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••  Nennen Sie die wichtigsten statischen Belastungen einer Werkzeugmaschine.

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•  Wie kann man als Nutzer das Temperaturverhalten einer Werkzeugmaschine verbessern?

.23

•  Welche Materialien kommen für Werkzeugmaschinengestelle und Betten zum Einsatz? Nennen Sie für jedes Material eine besondere Eigenschaft und einen typischen Anwendungsfall.

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•  Welche Vorteile und Nachteile haben Wälzführungen gegenüber Gleitführungen?

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•  Warum benötigt man bei hydrostatischen oder aerostatischen Führungen einen Untergriff?

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•  Erläutern Sie das Wirkprinzip eines Gleichstrommotors, Synchronmotors und Asynchronmotors.

.27

••  Welche Vorteile hat ein Asynchronmotor gegenüber dem Synchron- oder Gleichstrommotor?

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•  Wie ist eine Motorspindel aufgebaut?

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•  Skizzieren Sie den Aufbau eines Kugelgewindetriebs.

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•  Erläutern Sie die Verarbeitung eines NC-Programms in einer CNC-Steuerung.

.31

•  Erläutern Sie die verschiedenen Möglichkeiten der Befehlsbearbeitung in einer SPS.

.32

•  Skizzieren Sie den Aufbau einer mechanischen Steuerung.

.33

•  Wie sind die Linear- und Rotationsachsen bei der NC-Programmierung definiert.

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••  Wofür wird die Radiuskorrektur benötigt? Wie wird dabei die NC-Bahn programmiert, und was passiert steuerungsintern bei Ecken?

.35

•  Welche Bezugspunkte sind bei der NC-Programmierung zu beachten, und was ist deren Bedeutung?

.36

••  Erstellen Sie für das in Abb. 31.9 dargestellte Werkstück einen Arbeitsplan auf einer Drehmaschine mit angetriebenen Werkzeugen. Beschreiben Sie dabei den Arbeitsgang mit geeignetem Werkzeug. Eine Detailzeichnung finden Sie im Internet.