Kapitel 1

Werkzeugmaschinen können als technische Systeme definiert werden, die aus Rohteilen durch Anwendung der Fertigungsverfahren Fertigteile herstellen.

Wie bei allen technischen Systemen werden die drei Grundgrößen Energie, Material und Information gewandelt.“

—> Umfasst nicht Maschinen des Urformens (z.B. Spritzgießmaschinen) oder kombinierter Verfahren

Bei Werkzeugmaschinen handelt es sich um mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtungen, die durch relative Bewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück eine vorgegebene Form oder Veränderung am Werkstück erzeugen.“

Werkzeugmaschinen haben sich heute zu komplexen Fertigungssystemen mit hohem Automatisierungsgrad weiterentwickelt, die auch Verfahrensintegration ermöglichen

▪ „Die Werkzeugmaschine (auch als Fertigungsmittel oder Fertigungseinrichtung bezeichnet) dient der Erzeugung von Werkstücken mittels Werkzeugen entsprechend der gegebenen Fertigungsaufgabe. Die Werkzeugmaschine gibt dem Werkstoff durch urformende, umformende, trennende und/oder fügende Verfahren die geforderte geometrische Form und Oberflächengestalt sowie die gewünschten Abmessungen.“

Rechtsdrehendes Koordinatensystem

Rotatorische Achse (A,B,C…) mit positiver Richtung bei Rechtsrotation

▪ Translatorische Achsen (X,Y,Z,…)

- +Z-Achse zeigt vom WS zum WZ und ist parallel zur Hauptrotationsachse der Maschine

− +X-Achse beschreibt horizontal liegende Hauptachse in der Positionierebene

− bei vertikaler Z-Achse zeigt die +X-Achse nach rechts (Blickrichtung frontal auf die Maschine)

− Bei horizontaler Z-Achse zeigt die +X-Achse nach rechts (Blickrichtung in die negative Z-Richtung)

▪ WZ Bewegung : X,Y,Z, bzw. A,B,C

▪ WS Bewegung: XW, YW, ZW, bzw. AW, BW, CW mit entgegengesetztem Vorzeichen

▪ U,V,W bezeichnen translatorische, D,E,F rotatorische Werkzeug-/ Werkstückwechslerachsen

▪ Zusatzachsen mit fortlaufender Zählernummer, z.B. +Z2 für zweite werkzeugtragende Achse in Z-Richtung

• können zu Mehrdeutigkeiten in Bezug auf Pose und Bahnerzeugung am Tool-Center-Point (TCP) führen

• —> “Abhilfe“ oft Begrenzung des Schwenkwinkel

• Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide

• Schleifmaschinen

• Honmaschinen

• Läppmaschine

• Maschinen zum Gleitspanen

• Wasserstrahl-Schneidanlagen

• hohe Temperaturstabilität, geringe Wärmeausdehnung

• hohe Steifigkeit

• hohe Dämpfung

daraus folgt

• Gestelle aus Grauguss oder Mineral-/Reaktionsharzbeton oder Naturgranit

• kleinstmögliche und gut gedämpfte Vorschubbewegungen (< 1µm)

• beim Pendelhubschleifen hohe Vorschubgeschwindigkeiten (Größenordnung 120 m/min) und Beschleunigungen

daraus folgt

• hydrostatisch vorgespannte Führungen für genaue und langsame Vorschubbewegungen, Wälzführungen bei hohen Geschwindigkeiten

• Drehstrommotoren mit Kugelgewindetrieb oder zunehmend auch Lineardirektantriebe

• hohe Rundlaufgenauigkeit

• Wartungs- und Verschleißfreiheit

• Aufnahme von Auswuchteinrichtungen und Körperschallsensoren

daraus folgt

• hochgenaue, vorgespannte Schrägkugellager, Hauptlager in O-Anordnung oder

• hydrodynamische Mehrflächengleitlager

• Hohlspindeln

• Riemen- oder Motorgetrieben

nicht klausurrelevant?

• Trennverfahren isnbesondere für Werkstoffe, die nicht thermisch getrennt werden können

• reines Hochdruckwasserstrahlen (ohne Abrasivstofffe) —> für weiche Materialien wie z.B. Kunststoffe, Vliese, Hartschäume, Textilien, Lebensmittel

• Wasseerabrasivstrahlschneiden (mit Grant oder Koround) —> für harte Materialien wie z.B. metallische Werkstoffe, Glas, Keramiken, Gestein

• kaltes Verfahren (keine thermische Veränderung der Schnittkanten)

• Staubfrei

• hohe Wirtschafltlichkeit

• Urformen Übersicht

• Gießmaschinen für die Herstellung metallischer Bauteile

  • Gießen mit verlorenen Formen

  • Gießen mit Dauerformen

  • Sinteranlagen

  • Werkzeugmaschinen für Thermoplastverarbeitung

  • Additive Fertigung

  • ▪ Prozessarten ▪ Aufbau der Anlagen

Definition Urformen:

Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes; hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstückes bestimmbar in Erscheinung

• Schließeinheit

• Gießeinheit

• Auswerfereinheit

• Kernzugeinheit (nicht abgebildet)

• Spritzeinheit

  • Vorratstrichter / Massetrichter

  • Plastifizierzylinder / Massezylinder

  • Schubschnecke mit axialen und rotativen Schneckenantrieb

  • Antrieb für die Vor- und Rückbewegung der Spritzeinheit

• Schließeinheit

  • Werkzeugaufspannungsplatten inkl. Führungen

  • Bewegungsantrieb zum Öffnen und Schließen

  • Schließkrafterzeugung, Ausstoßeinheit

• Maschinenbett

  • bei hydraulischen Maschinen und Pumpeneinheit

• Schaltschrank und Steuerungseinheit

Plastifizierschnecke

Rückströmungssperre

Düse als Plastifiziereinhiet

Düse:

• Verbindungsstück zwischen Plastifizierzylinder und Werkzeug —> Verhindern von Schmelzaustritt beim Einspritzen

• Radizs des Düsenkopfes in der Regel etwas kleiner als Radius der Ausgussbuchse

Düsenverschlüsse

• verhindert Auslaufen der Schmelze (Leckage) zwischen den Zyklen

• bei hohen Viskositäten kein Verschluss nötig (Offene Düse)—> Verschluss durch kalten Pforpfen

• bei geringer Viskosität der Schmelze Verschluss durch passiv (durch Federn) oder aktiv (pneumatisch/hydraulisch) betätigte Längs- oder Querschieber

▪ Schließbewegung und Schließkraftaufbau

▪ Ausstoßerbewegung

▪ Schneckenrotation

▪ Schneckenvorschub (Einspritzen und Nachdruck)

▪ Bewegung der Spritzeinheit

Zentralhydraulik mit ventilgesteuerter Verteilung

▪ Servomotorische Einzelantriebe (vollelektrische Spritzgießmaschine)

▪ Hybrid-Maschinen

Vorteile:

+ geringer Energiebedarf

+ genauere Stellbewegung durch Servomotoren

+ geringere Lärmemissionen

+ keine Ölerwärmung

+ Einsatz in Reinräumen möglich (Medizintechnik)

Nachteil: komplexere Antriebssysteme → mehr Sensorik

Additive Fertigung (AM, en: additive manufacturing) ist der allgemeine Begriff für Technologien, bei denen Materialien sukzessive miteinander verbunden werden, um physische Objekte nach den Vorgaben von 3-D-Modelldaten herzustellen

• erstes additives Fertigungsverfahren (Stereolithographie) 1986 von Charles Hull in den USA patentiert

• Verwendung eines UV-härtenden Kunststoffs

• schichtweiser Aufbau

• Bahnerzeugung in jeder Schicht aus einem 3D-Computermodell

  → heutzutage viele verschiedene additive Fertigungstechnologien für ein breites Materialspektrum und verschiedene Anwendungen im Einsatz

• Auftragsverfahren

• Erodiermaschine

• elektrochemische Bearbeitungsmaschine

• Laserabtragsmaschine

Fertigen durch Abtrennen von Stoffteilchen von einem festen Körper auf nicht-mechanischem Wege. Das Abtragen bezieht sich sowohl auf das Entfernen von Werkstoffschichten als auch auf das Abtrennen von Werkstückteilen

Definition:

Abtrennen von Werkstoffteilchen in festem, flüssigem oder gasförmigen Zustand durch Wärmevorgänge sowie Entfernen dieser Werkstoffteilchen durch mechanische und/oder elektromagnetische Kräfte.

Definition:

Fertigungsverfahren, bei dem die Werkstoffteilchen dadurch abgetrennt werden, dass sich der Werkstoff des Werkstückes in einer chemischen Reaktion mit dem Wirkmedium zu einer Verbindung umsetzt, die flüchtig ist oder sich leicht entfernen lässt. Mindestens eine der Komponenten (Werkstück oder Wirkmedium) ist elektrisch nichtleitend. Die chemische Umsetzung erfolgt ausschließlich durch direkte Reaktion.

Definition:

Ein Fertigungsverfahren, bei dem metallischer Werkstoff unter Einwirkung eines elektrischen Stromes und einer Elektrolytlösung anodisch aufgelöst wird. Der Stromfluss kann entweder durch Anschluss an eine äußere Stromquelle oder aufgrund von Lokalelementbildung am Werkstück (Ätzen) bewirkt werden.

“Abtragen, bei dem die an der Wirkstelle erforderliche Wärme durch elektrische Funkenentladung auf das Werkstück übertragen wird”

thermisches Abtragen —> Thermisches Abtragen durch elektrische Gasgewinnung -> Funken-> thermisches Abtragen durch elektrischen Funken (Funkenerosives Abtragen)

Anwendung: z.B. Werkzeug- und Formenbau, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Elektronikindustrie, allgemeiner Maschinenbau

Wirkprinzip:

• Anlagen einer pulsierenden Gleichspannung zwischen Werkzeug und Werkstück (Elektroden)

  • Senkerodieren: Werkzeug Anode (+), Werkstück Kathode (-)

  • Drahterodieren: Werkzeugdraht Kathode (-), Werkstück Anode (+)

• Bildung eines Plasmakanals nach Überschreiten der Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikum

• Schmelzen/Verdampfen des Werkstückstoffs durch Energieeintrag

• Ausbildung einer Gasblase

• Auschleudern des teilweise geschmolzenen, teilweise verdampften Materials durch Kollabieren der Gasblase

  
  

Funktionen / Aufgaben:

• Einschnürung des Entladekanals zur Erhöhung der Energiedichte

• Ionisation des Arbeitsspalts

• Isolation zwischen anodischem Werkzeug und Werkstück

• Ausspülen des Arbeitsspaltes

• Abtransport der Abtragpartikel

• Kühlung der Anode und des Werkstückes

Am häufigsten verwendet :

• Kohlenwasserstoffdielektrika (Erodieröle)

• deionisiertes Wasser

• wässrige Lösungen organischer Verbindungen

—> Keine Abtragung der Kathode

Grundprinzip:

• Anlegen einer Gleichspannung zwischen metallischem Werkstück (Anode) und metallischem Werkzeug (Kathode)

• Stromfluss durch wässrige Elektrolytlösung, z.B. Natriumnitrat (NaNO3 ) oder Natriumchlorid (NaCl)

• abzutragender Werkstoff geht unter Abgabe von Elektronen als Metallion in die Elektrolytlösung über (anodische Auflösung)

• Metallionen bleiben entweder gelöst oder reagieren mit Bestandteilen der Elektrolytlösung, z.B. zu nicht löslichen Metallhydroxiden (fallen aus und können abgeschieden werden)

• Laseraktives Medium (z.B. CO2 -Laser oder Nd:YAG-Laser)

• Aggregatszustand des laseraktiven Mediums (z.B. Gas-, Flüssig- und Festkörperlaser)

• Art der (elektrischen oder optischen) Anregung (z.B. gleichstrom- / hochfrequenzangeregte CO2 -Laser oder lampen- / diodengepumpte Festkörperlaser)

• Geometrie des laseraktiven Materials (z.B. Stab-, Slab-, Scheiben- und Faserlaser)

• Betriebsmodus (kontinuierlich (cw) oder gepulst (pw) betriebene Laser

• Umformverfahren

• Einteilung der Umformmaschinen

• Arbeits-/Energiegebundene Maschinen

• Weggebundene Pressen

• Kraftgebundene Pressen

• Biegemaschinen

Prinzip:

• Gesamte Umsetzung der potenziellen Energie bei jeder Umformoperation

  𝑊𝑁 = 𝑊𝑘𝑖𝑛 ∙ 𝜂𝑆 ∙ 𝜂𝐹 = 1 2 ∙ 𝑚 ∙ 𝑣 2 ∙ 𝜂𝑆 ∙ 𝜂𝐹

• Nutzarbeit 𝑊𝑁: für Umformung erforderliche Arbeit

• Kinetische Energie 𝑊𝑘𝑖𝑛 des Bären beim Auftreffen auf das Werkstück

• Fallwirkungsgrad 𝜂𝐹 (0,7 – 0,9): Verluste durch vorzeitige Bärumsteuerung zur Vermeidung von „klebenden Schlägen“ und Reibung in den Führungen

• Schlagwirkungsgrad 𝜂𝑆 (0,2 – 0,6): Dynamische Verluste durch Bärrücksperrung und elastische Verformung der einzelnen Bauteile

schwungrad dreht sich kontnuierlich in einer richtigung -> Antrieb kann kleiner diensioniert werden

unterschied Spiendel ortsfest, Obergesenk wird hoch und runter geschreibt. über kupplung geträtigt

nicht Klausurrelevant

▪ Gestell

▪ Antriebsmotor

▪ Schwungrad

▪ Kupplung

▪ Vorgelege

▪ Antriebswelle (Kurbel / Exzenter)

▪ Pleuel

▪ Stößel

• Anpassung an unterschiedliche Werkzeugeinbauhöhen

• Ausgleich von Nacharbeiten durch Werkzeugverschleiß

• Einstellung der maximalen Umformkraft

• Anpassung an unterschiedliche Blechdicken /-güten

• Ausgleich von Wärmeausdehnungen

• Nennkraft über gesamten Stößelhub abrufbar

• Weg/Kraft über Hub frei einstellbar, aber kleinere Arbeitsgeschwindigkeit als mechanische Pressen

• Komponenten des Stößelantriebs:

  • Elektromotor

  • Hydraulikpumpen

  • Ventilen

  • Leitungen

  • Hydraulikspeicher

  • Zylinder

• überwiegend Einsatz von O-Gestellen (Zweiständerbauart)

  • Mehrere hydraulische Antriebe in einer Maschine möglich (1 -fach bis 3 -fach wirkend)

• Wälz- und Profilfräsen

• Wälzstoßen

• Wälzschälen

• Wälz- und Profilschleifen

• Anfasen udn Entgraten

• Einführung

• Herstellung von Plattenwerkstoffen

• Sägemaschinen

• Hobelmaschinen

• Schleifmaschinen

• CNC-Maschine

erzeugen ebene Flächen

als Kombigerät mit anderer Maschine - Unterschied

1. Kalibrieren

2. Querschleifen

3. Längsschleifen ohne / mit Drucklamellenband

4. (Schwingschleifen & Bürsten)

• Einleitung

• Dynamisches Verhalten

• Akustisches Verhalten

• Thermisches Verhalten

Werkzeugmaschine = schwingfähiges System

Beeinträchtigung:

• Maß- und Formgenauigkeit

• Lebensdauer bei hochbeanspruchten Elementen einer Maschine über deren Dauerfestigkeit

• Mengenleistung durch:

  • unzulässig hohe Amplituden (Ratterschwingungen) bei Überschreiten einer kritischen Grenzauslastung

  • Verringerung der Werkzeugstandzeit durch Schwingungsempfindlichkeit von Schneidstoffen

• Belastung des Bedieners durch emittierte nieder- oder hochfrequente Schwingungen

• Schnittkraft hängt von Schnittgeschwindigkeit ab

• Bei geringer Schnittgeschwindigkeit steigt Schnittkraft auf Maximum an und fällt wieder, bei weiterer Steigerung Schnittkraft nahezu konstant (Ursache: thermische Einflüsse und Reibverhältnisse)

• Wird stationärer Zustand (𝑣0, 𝐹𝑦0) verlassen schwingt Masse m um stationäre Mittellage

• Beim Ausweichen nach unten ist 𝑣𝑐 = 𝑣0 − 𝑦ሶ, also < 𝑣0)

• damit folgt 𝐹𝑦 > 𝐹𝑦0, beim Rückschwingen entsprechend umgekehrt

• Aus Energiebetrachtung: je Schwingungsperiode wird ein Energiequantum ∆𝑊 von der Drehbewegung des Werkstücks in den Schwingungsvorgang eingespeist

• Ist zugeführte Energie größer als durch Dämpfung dissipierte Energie wird die Schwingung angefacht

Kraftverlauf und Energiebetrachtung bei fallender Fc-vc- Charakteristik

1. Approximation der Geometrie der Maschinenstruktur

2. Frequenzgänge messen und modale Paramter identifizieren

3. Darstellung der Schwingmethoden

• der Wirkvorgang

• Motoren

• Getriebe

• Spindellagerungen

• Reibungswärme bei Schlupf von Kupplungen

• Widerstandserwärmung bei elektromagnetischen Elementen

• Hydraulik (Wärme entsteht an Drosselstellen)

• Kühlschmiermittel