Fertigungsverfahren – der Weg zum Werkstück

Zusammenfassung

Die Verfahren des Urformens, Umformens, trennende Verfahren, Verfahren des Fügens, Beschichtens und das Änderns von Stoffeigenschaften stehen im Mittelpunkt dieses Kapitels. Welche mechanischen Prozesse sind damit verbunden sind, nach welchen Kriterien werden die Prozesse ausgewählt und wie sind die wichtigsten Prozessparameter zu bestimmen?

Appendices

Antworten zu den Verständnisfragen

Antwort 30.1

Die Kernmarken dienen zur Positionierung und Fixierung der Kerne, die nach der Entnahme des Modells in die Form eingelegt werden.

Die Speiser dienen zum:

• Nachführung von Schmelze während des Abkühlvorgangs (Ausgleich der Erstarrungsschrumpfung),

• Entlüftung der Gießform während des Abgusses,

• Steuerung der Abkühlung und Erstarrung durch Wärmespeicherung.

Handformen: manuelles Erstellen einer verlorenen Gießform aus Sand (Einzel- und Kleinserienfertigung).

Maschinenformen: teilweise oder vollständig maschinelles Erstellen einer verlorenen Gießform aus Sand (kleinere bis große Serien).

Disamatic-Verfahren: vollautomatisiertes Pressen von kastenlosen Gießformen aus Sand (mittlere bis große Serien).

Antwort 30.2

Zur Erhöhung der Stückzahl und damit der Wirtschaftlichkeit.

Auch beim Vollformgießen können Modelle zu Trauben zusammengesetzt und eingeformt werden.

Antwort 30.3

KK: in erster Linie Aluminium- und Kupfer-Legierungen sowie ausgewählte Magnesium-Legierungen.

WK: Zn-, Mg-, Sn- und Pb-Legierungen

Bei dickwandigen und größeren Bauteilen (Stückgewicht > 40 kg) sowie bei Werkstücken aus Gusseisen.

Problematisch sind dünnwandige Bauteile, da diese speziell beim Schwerkraftkokillengießen u. U. nicht vollständig befüllt werden können. Darüber hinaus ist Kokillengießen nicht so wirtschaftlich wie das Druckgießen.

Niedrige Taktrate und nur rotationssymmetrische Bauteile.

Antwort 30.4

Bei unterschiedlichen Wandstärken des Fertigteils sind unterschiedliche Füllhöhen zur Erzielung einer gleichen Enddichte erforderlich. Somit sind die Stempelwege verschieden groß, was geteilte Stempel erfordert.

Damit kann eine höhere Dichte erzielt werden, da sich die Hohlräume zwischen den größeren Teilchen mit kleineren Teilchen ausfüllen können.

Das Problem ist die fehlende Verformbarkeit der Glaspartikel des Pulvers. Eine Kaltverformung und Adhäsion wie bei Metallen ist daher nicht oder nur eingeschränkt möglich. Allerdings besteht die Möglichkeit sogenannte gelgebundene Kieselsäure bei ca. 1500 ${}^{\circ}$C zu sintern. Des Weiteren gibt es ein als Sinterglas bezeichnetes Produkt, das aber durch Einmischen von Salzpartikeln in eine Glasschmelze und Auswaschen des Salzes nach dem Aushärten hergestellt wird. Dieses Sinterglas kann als Filtermedium eingesetzt werden.

Antwort 30.5

Durch das Schweißen (lokale Erwärmung auf die Schmelztemperatur) würde sich das kaltverfestigte Gefüge verändern und die erhöhte Festigkeit verloren gehen (dies entspricht einem lokalen Weichglühen).

Antwort 30.6

Aus $\varphi_{1}=ln\left(\frac{h_{1}}{h_{0}}\right)$ folgt $h_{1}=e^{\varphi}h_{0}$ und somit:

$$\displaystyle h_{1}=e^{-0{,}95}\cdot 30\,\mathrm{mm}=16{,}42\,\mathrm{mm}$$

Weiterhin bleibt das Volumen konstant und somit gilt $A_{0}\cdot h_{0}=A_{1}\cdot h_{1}$. Somit ist bei einem zylindrischen Bauteil $d_{1}^{2}=d_{0}^{2}\cdot\frac{h_{0}}{h_{1}}$. Daraus folgt $d_{1}=46{,}8\,\mathrm{mm}$.

Antwort 30.7

Aus dem Walzendurchmesser d sowie den Ein- und Auslaufhöhen h₀ und h₁ ergibt sich der Winkel $\alpha=25{,}84^{\circ}$. Somit ist $\tan\alpha=0{,}48$ und $\tan\alpha/2=0{,}23$. Somit ist die Einzugsbedingung nicht erfüllt, die Durchzugsbedingung jedoch ist erfüllt.

Antwort 30.8

Der Niederhalter lässt den Blechwerkstoff kontrolliert nachfließen und verhindert die Faltenbildung.

Anisotropie des Ausgangsbleches (unterschiedliche r-Werte in Längs- und Querrichtung).

Antwort 30.9

Dann würde der Niederhalter sein Funktion verlieren, und ein kontrollierter Materialfluss wäre nicht mehr gegeben.

Antwort 30.10

Durch die im Inneren des Werkstückes nach der Umformung noch vorhandenen und bleibenden elastischen Zug- und Druckspannungen. Die Rückfederung wird duch ein Überbiegen kompensiert.

Überlagerte Zug- und Druckspannungen. Die Zugspannungen resultieren aus dem Innendruck, die überlagerten Druckspannungen aus dem Nachschieben mittels der Axialstempel. Dadurch lassen sich sehr hohe Umformgrade erzielen.

Antwort 30.11

Die Hauptschneide weist in Richtung des Vorschubs und trennt den Span in der Breite ab.

Der Spanwinkel ist der Winkel zwischen der Spanfläche und der Werkzeugbezugsebene. Wenn der Winkel zwischen der Werkzeugbezugsebene und der Schnittrichtung kleiner als 90${}^{\circ}$ ist, dann wird der Spanwinkel negativ. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Schneidenstabilität, was vorteilhaft bei unterbrochenem Schnitt ist.

Null.

Antwort 30.12

Gegenlauffräsen: Vorschubrichtungswinkel $\phi<90^{\circ}$

Gleichlauffräsen: Vorschubrichtungswinkel $\phi> 90^{\circ}$

Da beim Fräsen kommaförmige Späne entstehen und somit die Spanungsdicke h nicht konstant ist.

Diffusion: Stoff- bzw. Teilchentransport in die Gitterstruktur des Schneidstoffes (bei hohen Schnitttemperaturen).

Adhäsion: Anhaften eines Werkstoffes an Vertiefungen und Poren des Schneidstoffes (bei niedrigen Schnitttemperaturen).

Durch zu hohe Zerspankräfte oder durch mechanische Wechselbelastung.

Antwort 30.13

Bei Formwerkzeugen, bei unterbrochenem Schnitt, bei kleinen Werkzeugdurchmessern.

P-Gruppe: hohe Warmfestigkeit, Anwendung: für langspanende Werkstoffe,

M-Gruppe: gute Warmverschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit, Anwendung: rost-, säure- und hitzebeständige Stähle sowie Grauguss,

K-Gruppe: geringere Warmfestigkeit, hohe Abriebfestigkeit, Anwendung: für kurzspanende Werkstoffe, Gusseisen, Nichteisen- und Nichtmetalle.

Leichtmetall-Legierungen – wegen der Gefahr der Diffusion von Aluminiumatomen in die Al₂O₃-Matrix der Keramik.

Höhere Verschleißbeständigkeit.

Antwort 30.14

Schleifen mit rotierendem Werkzeug, Bandschleifen, Hubschleifen, Honen, Läppen, Strahlspanen, Gleitspanen.

Kühlen und Schmieren sowie Spantransport, Korrosionsschutz, Humanverträglichkeit, Alterungsbeständigkeit und biologische Abbaubarkeit.

Antwort 30.15

Wolfram Inertgasschweißen (WIG), Wolfram Plasmaschweißen (WP), Laserschweißen (La), Elektronenstrahlschweißen (EB).

Elektronenstrahlschweißen (EB), teilweise Reibschweißen.

Genau steuerbare und nur lokale Erwärmung, kein Zusatzstoff erforderlich.

Siehe Abb. 30.197 Prinzip MIG/MAG Schweißen.

Antwort 30.16

Die CVD-Beschichtung erfolgt bei Temperaturen von 500 ${}^{\circ}$C bis 1100 ${}^{\circ}$C. Dabei würde die durch die Kaltumformung erhöhte Festigkeit der Schrauben durch Rekristallisation wieder verloren gehen.

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.

.1

••  Folgendes Bauteil aus Gusseisen (ρ = 7200 kg/m³) soll im Handformverfahren hergestellt werden. Das Gewicht des Oberkastens beträgt 3500 N. Skizzieren Sie die fertige Gießform im Querschnitt (mit Teilungsebene) und berechnen Sie die Deckelkraft F_D sowie das erforderliche Belastungsgewicht F_B. Die schematisch dargestellten Speiser/Einguss sind dabei zu vernachlässigen.

Resultat:

$F_{\mathrm{D}}=6893\,\mathrm{N}$

$F_{\mathrm{D}}=6893\,\mathrm{N}$

.2

•  Folgende Bauteile aus Gusseisen (GJS) mit einem Stückgewicht von 490 kg (Rahmen) und 1700 kg (Gehäuse) sollen mit einer Stückzahl von 100 gegossen werden. Diskutieren Sie die geeigneten Verfahren mit verlorener Form.

Resultat:

Beide Werkstücke sind relativ unkompliziert aufgebaut, haben keine Hinterschneidungen und benötigen nur wenige Kerne. Bei einer Stückzahl von 100 ist das Handformverfahren prädestiniert. Das Maschinenformen ist für die geringe Stückzahl u. U. weniger wirtschaftlich, aber ebenso geeignet. Das Maskenformen ist aufgrund des Bauteilgewichtes nicht geeignet. Das Keramikformen wäre für den Rahmen noch geeignet, die erzielbare höhere Genauigkeit und bessere Oberflächengüte ist aber nicht erforderlich. Das Vakuumformen wäre ebenso für den Rahmen einsetzbar, hat eine höhere Genauigkeit und kann eine wirtschaftliche Alternative darstellen. Das Vollformgießen wäre für beide Werkstücke ebenso verwendbar, wobei jedoch die Stückzahl von 100 für eine händische Modellherstellung relativ hoch und für eine automatisierte Modellherstellung zu gering ist.

.3

••  Folgende Bauteile aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung (Deckel, Übergangsstück) sowie aus Kunststoff (Aufputzdose) sollen in großer Stückzahl produziert werden (siehe Abbildungen).

Diskutieren Sie geeignete Gießverfahren mit Dauerformen und zu erwartende Probleme.

Wie sind die entsprechenden Dauerformen zu gestalten und wie verlaufen die Teilungsebenen?

Gehäusedeckel aus Aluminium

Übergangsstück aus Aluminium

Aufputzdose aus Kunststoff

Resultat:

Das Druckgussverfahren ist sowohl für den Deckel als auch für das Übergangsstück einsetzbar. Beide Bauteile weisen gleichmäßige, nicht zu große Wandstärken auf und sind auch von den Abmessungen dafür geeignet. Das Übergangsstück könnte auch im Kokillenguss hergestellt werden (siehe Abbildung). Es ist jedoch von der Formgestaltung aufwendiger und erfordert eine dreiteilige Außenform mit drei obenliegenden Schiebern und einem Bodenstück.

Die Aufputzdose aus Kunststoff ist ein klassisches Spritzgussteil, das aufgrund seiner Größe in einer Form mit mehreren Nestern hergestellt wird.

Geteilte Kokillengussform mit drei Schiebern für das Übergangsstück aus Aluminium

.4

•  Ein zylindrisches Bauteil aus Ck15 mit einem Durchmesser von 40 mm wird von ursprünglich 40 mm Höhe auf 30 mm gestaucht.

• 1. Wie groß ist die erforderliche Umformkraft ohne Reibung?

• 2. Wie groß ist die Formänderungsarbeit?

• 3. Wie hoch sind die Umformkraft und die Formänderungsarbeit bei C35 mit Reibung ($\eta_{\mathrm{F}}=0{,}7$)?

Hinweis:

Rechnen Sie bei b) mit der bezogenen Formänderungsarbeit

Resultat:

$F_{\mathrm{id}}=871.000\,\mathrm{N}$,

$W_{\mathrm{id}}=V\cdot a=5026\,\mathrm{N\,m}$,

$F=1723\,\mathrm{kN}$,

$W=11.489\,\mathrm{N\,m}$.

.5

••  Ein Stahlblech soll durch Warmwalzen in einem Stich von $h_{0}=100$ mm auf $h_{1}=50$ mm gewalzt werden. Der Walzendurchmesser beträgt d = 250 mm, die Drehzahl ist n = 150 U/min.

Mit welcher Geschwindigkeit wird das Blech eingezogen, mit welcher Geschwindigkeit verlässt es das Walzgerüst?

Resultat:

$v=1{,}45$ m/s und $v_{1}=2{,}9$ m/s.

.6

••  Aus dem skizzierten Rohteil aus Ck10 soll durch Rückwärtsfließpressen der dargestellte Napf geformt werden ($\mu=0{,}1$).

• 1. Berechnen Sie die Höhe des fertigen Napfes.

• 2. Berechnen Sie die Umformkraft.

Resultat:

$H=19{,}7\,\mathrm{mm}$

$F=1.160.873\,\mathrm{N}$

.7

•••  Folgendes Bauteil aus Ck15 soll mittels Vorwärtsfließpressen hergestellt werden ($\mu=0{,}1$).

• 1. Berechnen Sie die Umformkraft und zeichnen Sie den Verlauf in ein Kraft-Weg-Diagramm ein (die konischen Bereiche sind bei der Berechnung zu vernachlässigen).

• 2. Berechnen Sie die gesamte Arbeit, die über den Umformweg aufgebracht werden muss.

Resultat:

$F_{1}=584.945\,\mathrm{N}$,

$F_{2}=566.849\,\mathrm{N}$

$F_{3}=745.485\,\mathrm{N}$

$F_{\mathrm{ges}}=F_{2}+F_{3}=1.312.334\,\mathrm{N}$.

Verlauf der Umformkraft:

$W=27.107\,\mathrm{N\,m}$.

.8

• Eine Welle aus 16 MnCr5 soll mit einer Zustellung von a = 5 mm und einem Vorschub von $f=0{,}2$ mm bearbeitet werden. Der Einstellwinkel beträgt 45${}^{\circ}$. Bestimmen Sie die Schnittkraft nach Victor-Kienzle. Wie verändert sich die Kraft, wenn

• 1. die Zustellung,

• 2. der Vorschub halbiert wird?

Resultat:

$F_{\mathrm{c}}=2512\,\mathrm{N}$

.9

• Bestimmen Sie für die Welle aus der vorherigen Aufgabe die Zerspanleistung bei einer Schnittgeschwindigkeit von $v_{\mathrm{c}}=300$ m/min. Welche Antriebsleistung ist bei einem Gesamtwirkungsgrad von $\eta=70\,{\%}$ zu installieren?

Resultat:

Die Zerspanleistung ergibt sich aus $P_{\mathrm{c}}=F_{\mathrm{c}}\cdot v_{\mathrm{c}}$.

$P_{\mathrm{c}}=2512\,\mathrm{N}\cdot 300\,\mathrm{m/min}/60\,\mathrm{s/min}=12.560\,\mathrm{W}$.

Bei einem Wirkungsgrad von 70 % beträgt die zu installierende Leistung $P=P_{\mathrm{c}}/0{,}7=17{,}9\,\text{kW}$.

.10

•• Ein Bauteil aus C 60 wird mit einem Stirnfräser (D = 30 mm, acht Schneiden) bearbeitet. Dabei taucht der Fräser axial 15 mm und radial 5 mm tief in das Material ein. Berechnen Sie die theoretische Spindelleistung bei einer Fräserdrehzahl von n = 2650 U/min und einem Vorschub $f=0{,}3$ mm/U.

Resultat:

Die theoretische Spindelleistung beträgt somit $P_{\mathrm{c}}=F_{\mathrm{c}}\cdot v_{\mathrm{c}}=4253\,\mathrm{W}$.

.11

• Bestimmen Sie für die spanende Bearbeitung folgender Werkstoffe die dafür geeigneten Schneidstoffe (geometrisch bestimmte Schneiden):

• 1. Drehen von E 295 (St 50-2) mit unterbrochenem Schnitt.

• 2. Stirnfräsen mit einem Messerkopf von EN-GJS-400-15 (GGG 40).

• 3. Trockene Drehbearbeitung von gehärtetem Stahl (55 HRC).

• 4. Schlichtfräsen eines Schnittwerkzeuges aus X210Cr12 (60 HRC).

• 5. Bohren von 2000 Löchern (Durchmesser 3mm, Tiefe 15 mm) in eine Bronze-Legierung.

Resultat:

• 1. Schnellarbeitsstahl – HS10-4-3-10.

• 2. Hartmetall der K-Gruppe.

• 3. Keramischer Schneidstoff.

• 4. Kubisches Bornitrid.

• 5. TiC- oder TiN-beschichteter HM-Bohrer.