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Gelöste Übungsaufgaben...

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Fachbereich Maschinenbau, Mikrotechnik, Energie und Wärmetechnik Prof. Dr.-Ing. T. Beck Fertigungsverfahren

Übungsaufgaben Fertigungsverfahren

1. Aufgabe a) Wie lautet der formelmäßige Zusammenhang zwischen der Schnittgeschwindigkeit vc , dem Werkstückdurchmesser dw und der Werkstückdrehzahl nw? Einheiten? Excel?

v c = π ⋅ dw ⋅ n b) Sie möchten ein Bauteil mit einem Durchmesser von dw = 50 mm drehen. Welche Drehzahl müssen Sie an der Maschine einstellen, wenn Sie mit einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 100, 150 bzw. 200 m/min fahren wollen?

vc 100 m / min = = 636,6 min −1 π ⋅ dw π ⋅ 0,05 m vc 150 m / min n= = = 954,9 min −1 π ⋅ dw π ⋅ 0,05 m vc 200 m / min n= = = 1273 min −1 π ⋅ dw π ⋅ 0,05 m n=

c) Stellen Sie den Verlauf der Drehzahl (Y-Achse) über der Schnittgeschwindigkeit (XAchse) graphisch dar! => linear! 2. Aufgabe a) Wie lautet der formelmäßige Zusammenhang zwischen der Werkzeugvorschubgeschwindigkeit vf, der Werkstücklänge lw und der Bearbeitungszeit für ein Werkstück tc? b) Wie lautet der formelmäßige Zusammenhang zwischen der Werkzeugvorschubgeschwindigkeit vf, der Werkstückdrehzahl n und dem Vorschub f? c) Wie lautet der formelmäßige Zusammenhang zwischen der Werkzeugvorschubgeschwindigkeit vf, der Schnittgeschwindigkeit vc , dem Werkstückdurchmesser dw und dem Vorschub f?

vf =

lW f ⋅ vc = f ⋅ n= tc π ⋅ dW

d) Das Werkstück aus Aufgabe 1) habe eine Länge von lw = 150 mm. Für die Bearbeitung des Werkstückes steht eine Bearbeitungszeit von 35,34 s zur Verfügung. Welchen Vorschub f müssen Sie bei den verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten

einstellen? Welche Vorschubgeschwindigkeit vf müssen Sie bei den verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten einstellen?

f =

lw ⋅ π ⋅ dw = 0,4 mm ; 0,2667 mm ; 0,2 mm t c ⋅ vc

3. Aufgabe a) Bei einem Längsdrehprozess ist der Freiwinkel an der Hauptschneide α = 4° und der Spanwinkel γ = 6°. Wie groß ist der Keilwinkel β? => 80° b) Beim Drehprozess aus Aufgabenpunkt a) sei ein Einstellwinkel von κκ = 60° und ein Einstellwinkel an der Nebenschneide von κκn = 30° gegeben. Wie groß ist der Eckenwinkel ε? => 90° 4. Aufgabe: Beim Drehen ermitteln Sie folgende Werte: Schnittleistung 0,48 0,276

0,18

0,105

0,069

Schnittgeschwindigkeit

60

60

60

60

60

[m/min]

Schnittkraft

480

276

180

105

69

[N]

Zustellung

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

[mm]

Vorschub

0,8

0,4

0,2

0,1

0,05

[mm]

Einstellwinkel

75

75

75

75

75

Spanungsdicke

0,773

0,386

0,193

0,0966

0,0483

[mm]

Spanungsbreite

0,311

0,311

0,311

0,311

0,311

[mm]

Spanungsquerschnitt

0,24

0,12

0,06

0,03

0,015

[mm2]

[KW]

[°]

spez. Schnittkraft 2000 2300 3000 3500 4600 [N/mm2] a) Berechnen Sie die fehlenden Werte! b) Bestimmen Sie graphisch die Parameter kc1.1 und mc der Kienzle Gleichung! => k c1.1 = 1800 N/mm2 ; mc = 30 mm / 100 mm = 0,3 c) Warum können Sie die Parameter nicht „einfach“ berechnen? => Bei fünf Punkten ist eine Gleichung mit zwei Unbekannten überbestimmt! Daher Ausgleichsgerade! d) Welche Schnittkraft und welche Leistung erwarten Sie bei einem Vorschub von f = 0,6 mm? (Alle übrigen Werte wie oben!) => 382,1 N; 0,3821 kW

10.000 mc =

Y X

X X

X

Y

X kc1.1

X

X 1.000

0,01

0,1

1,0

5. Aufgabe:

Nennen Sie jeweils vier Verfahren für Zerspanung mit geometrisch bestimmter und Zerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide! geometrisch bestimmt geometrisch unbestimmt Drehen, Bohren, Fräsen, Räumen Schleifen, Honen, Läppen, Polieren 6. Aufgabe:

Die Schnittfläche beim Scherschneiden ist durch eine unregelmäßige Bruchfläche sowie einen deutlichen Grat gekennzeichnet. Nennen Sie zwei Verfahrensvarianten des Scherschneidens, bei dem beide Phänomene deutlich reduziert werden! => Feinschneiden Konterschneiden 7. Aufgabe:

Welche Aussagen zum Trennen sind richtig, welche sind falsch? richtig

falsch

Beim Trennen ist der erforderliche Energieeinsatz meist höher und die Werkstoffausnutzung meist geringer als bei ur- oder umformenden Fertigungsverfahren.

X

฀

Da beim Honen insbesondere die Oberflächenrauheiten verbessert werden sollen, sind die Körnungen immer kleiner als beim Schleifen.

฀

X

Kleine Bohrungen lassen sich beispielsweise durch Drahterodieren erzeugen.

฀

X

Die Zustellung und die Schnittgeschwindigkeit haben beim Drehen kaum Einfluss auf die spezifische Schnittkraft. Diese hängt insbesondere vom Vorschub ab.

X

฀

Beim Räumen gibt es weder Zustell- noch Vorschubbewegung. Es ist

X

฀

lediglich eine meist geradlinige Schnittbewegung erforderlich. Die Maschinen sind daher meist einfach. Beim Bohren ist der Durchmesser der erzeugten Bohrung immer identisch mit dem Durchmesser des Werkzeuges.

฀

Bem.: Beantworten Sie die Fragen durch Ankreuzen. Falsche Kreuze führen allerdings zu Punktabzug. 8. Aufgabe:

a) Bei einem Drehprozess messen Sie eine Schnittkraft von 1179 N, eine Vorschubkraft von 219 N und eine Passivkraft von 353 N. Wie hoch ist die Zerspankraft? Fz = Fc2 + F2f + Fp2 = 1179 2 + 219 2 + 353 2 N = 1250 N b) Welche Antriebsleistung muss die Werkstückspindel bei einer Schnittgeschwindigkeit von 80 m/min haben? P = Fc ⋅ vc = 1179 N ⋅ 80 m / min

== 1,572 kW 9. Aufgabe:

a) Skizzieren Sie den Aufbau einer Honleiste (abrasiver Anteil). Benennen Sie alle drei Bestandteile! => Körner, Poren, Bindung b) Wie erfolgt die Zustellung beim Honen? => kraftgebunden 10. Aufgabe:

Skizzieren Sie eine Aufsicht auf einen Drehprozess. Benennen Sie alle fünf geometrischen Größen (Kennbuchstabe und Name) zur Beschreibung des Spanungsquerschnittes. A: ap : f: b: h:

Spanungsquerschnitt Zustellung Vorschub Spanungsbreite Spanungsdicke

X

11. Aufgabe:

Ihr Standardbauteil hat eine Länge von l w = 100 mm und einen Durchmesser von dw = 60 mm. Dieses Standardbauteil wird immer in Losen zu 25 Stück gedreht. Dabei darf (und soll) die Standzeit des Drehwerkzeuges voll ausgenutzt werden. Für die Standzeit des Drehwerkzeuges gilt T = 250 . vc-0,65 . Zur Erzielung einer geeigneten Spanform und Werkstückoberfläche ist ein Vorschub von f = 0,3 mm erforderlich. a) Bestimmen Sie die Schnittgeschwindigkeit vc zur Bearbeitung der Bauteile! => vc = 190,8 m/min b) Welche Standzeit T hat das Werkstück bei dieser Schnittgeschwindigkeit (berechnet aus der Taylor-Gleichung)? => T = 8,234 min c) Vergleichen Sie die im vorangegangenen Unterpunkt berechnete Standzeit des Werkzeuges mit der aus den Geometriedaten der Bearbeitung berechneten Hauptzeit tges für das gesamte Los! => tges = 8,234 min => Identisch! 12. Aufgabe:

Ein Werksstudent (Maschinenbau, FH Giessen Friedberg, 1. Semester) bedient eine Drehmaschine in der Firma, in der Sie vor zwei Wochen als Jungingenieur Ihre Tätigkeit aufgenommen haben. Seine Aufgabe besteht darin, Rohre an der Planfläche zu bearbeiten. Folgende Parameter sind gegeben: maximale Leistungsaufnahme der Maschine:............... 25 kW Wirkungsgrad der Maschine:........................................ 0,8 mittlerer Rohrdurchmesser: .......................................... 103,5 mm Wandstärke: ................................................................. 3,12 mm Werkstückdrehzahl: ...................................................... 800 min -1 Einstellwinkel des Drehwerkzeugs: .............................. 90° Schneidenbreite:........................................................... 10 mm Bei einem ersten Drehversuch mit einem Vorschub von f = 0,8 mm zeigt die Leistungsanzeige der Maschine exakt 100%, also 25 kW Leistungsaufnahme. Ihr gemeinsamer Chef (Chef von Werksstudent und Jungingenieur), Herr Dr. B, hat angeordnet, dass die Drehmaschine nur bei 80% ihrer Leistung betrieben werden darf. Der Werksstudent reduziert daher den Vorschub auf 80% von f = 0,8 mm und wundert sich beim anschließenden Drehversuch, dass die Leistungsanzeige nicht ebenfalls auf 80% sondern nur auf 83% bzw. 20,77 kW abfällt. Beantworten Sie dem Werksstudenten folgende Fragen: a) Welche Gesetzmäßigkeit hat der Werksstudent missachtet? => 2. Zerspanungsgesetz b) Berechnen Sie die Parameter der Kienzle Gleichung m c und kc1.1! => m c = 0,169; kc1.1 = 1781 N/mm 2 c) Welchen Vorschub f max darf der Werksstudent maximal fahren? => f = 0,611 mm

13. Aufgabe:

Bei einem Drehprozess sind gegeben: κ = 60°; ap = 5 mm und f = 0,4 mm. a) Welchen Querschnitt hat der Span? => 2 mm 2 b) Wie dick ist der Span? => 0,3464 mm c) Wie breit ist der Span? => 5,774 mm 14. Aufgabe:

Bisher wurden von einem Bauteil immer 10 Stück für eine Serie benötigt. Diese Teile wurden mit einer Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min in einer Hauptzeit von 40 Minuten gedreht. Die Standzeit des Werkzeuges wurde dabei exakt ausgenutzt. Durch eine konstruktive Änderung werden in Zukunft nur noch 8 Bauteile pro Serie benötigt. Der Arbeitsablauf erlaubt es, dass auch dabei die Standzeit des Werkzeuges komplett ausgenutzt werden kann. Daher sollen die Bauteile in Zukunft mit höherer Schnittgeschwindigkeit gefertigt werden. Bei einem ersten Versuch mit einer erhöhten Schnittgeschwindigkeit von vc = 220 m/min reduzierte sich die Standzeit des Werkzeuges auf 24 min. Beantworten Sie die folgenden Fragen! Gehen Sie dabei von der vereinfachten Taylor-Gleichung v c = CT ⋅ T 1 / k aus! 1. Wieviele Bauteile lassen sich bei der erhöhten Schnittgeschwindigkeit bearbeiten? Genügt diese Standzeit? 2. Berechnen Sie die Parameter der Taylor Gleichung C T, k und 1/k a. für die Schnittgeschwindigkeit in m/min und die Standzeit in min, b. für die Schnittgeschwindigkeit in m/s und die Standzeit in Sekunden, c. für die Schnittgeschwindigkeit in m/min und den Standweg in m! d. für die Schnittgeschwindigkeit in m/min und den Standmenge in Stück! 3. Wie hoch ist die optimale Schnittgeschwindigkeit zur Ausnutzung der gesamten Werkzeugstandzeit? 4. Welche Zeit wird zur Fertigung der 8 Bauteile bei optimaler Schnittgeschwindigkeit benötigt? 5. Um wie viel Prozent lässt sich die Hauptzeit durch die höhere Schnittgeschwindigkeit pro Los reduzieren? Zusatzfrage: 6. Bei welcher Anzahl an Losen hätten Sie im vorliegenden Fall besser gerechnet? Wann wären Sie besser bei 180 m/min geblieben? 15. Aufgabe:

Beim Drehen mit einer Diamant-Wendeschneidplatte ermitteln Sie folgende Werte für die Abhängigkeit der Standzeit von der Schnittgeschwindigkeit: Schnittgeschwindigkeit

400

800

Standzeit

15

6

a) Ermitteln Sie die Taylorgleichung in der Form T = C v

[m/min] [min]

.

k vc

=> T = 41.306 . v c

-1,322

b) Welche Standzeit ist bei einer Schnittgeschwindigkeit von 600 m/min zu erwarten? => T = 8,776 min 16. Aufgabe:

Kolbenstangen für Hydraulikzylinder sollen spitzenlos im Einstechschleifen (Außenrund-Quer) bearbeitet werden! Die Länge l w der Kolbenstangen beträgt 300 mm und der Durchmesser ist d w = 12 mm. Die Bearbeitungszeit beträgt t c = 15 s je Bauteil. In dieser Zeit wird ein durchmesserbezogenes Aufmaß von 0,3 mm abgetragen. Die Breite der Schleifscheibe ist größer als die Länge der Bauteile. Mehrstufige Prozessführung sowie Sicherheitsaufmaße sollen nicht berücksichtigt werden. a) Berechnen Sie den Vorschub v f der Schleifscheibe! Die Regelscheibe soll dabei als ortsfest angesehen werden. => v f = 1,2 mm/min b) Welche Bearbeitungszeit wäre erforderlich um die Bauteile durch Drehen mit einem Vorschub von f = 0,1 mm bei einer Werkstückdrehzahl von nw = 3.000 1/min zu bearbeiten? => t c = 60 s c) Welches Fertigungsverfahren würden Sie auswählen? Warum ist er hier im Vorteil? Leiten Sie aus diesem Vergleich den typischen Einsatzfall dieses Verfahrens ab! => Spitzenloses Schleifen ist zu bevorzugen, weil schneller => Vorteil bei langen, dünnen Teilen 17. Aufgabe:

Für die Bearbeitung einer ebenen Oberfläche (Breite 70 mm, Länge 150 mm, Aufmaß 10 mm) durch Fräsen stehen ein Stirnfräser und ein Umfangsfräser zur Verfügung. Beide haben einen Durchmesser von 50 mm und eine Länge von 120 mm. Der Stirnfräser erlaubt einen maximalen Vorschub von 8 mm/min, der Umfangsfräser von 5 mm/min. Überläufe sollen vernachlässigt werden. Welchen Fräser würden Sie einsetzen? Begründen Sie! Lösung: Fertigungsmöglichkeit A: Stirnfräser 2 Längsüberläufe: Weg 2 ⋅ 150 mm = = 37,5 min tc = Vorschub 8 mm / min Fertigungsmöglichkeit B: Stirnfräser 3 Querüberläufe: Weg 3 ⋅ 70 mm = = 26,25 min tc = Vorschub 8 mm / min Fertigungsmöglichkeit C: Umfangsfräser 1 Längsüberlauf: Weg 1⋅ 150 mm = = 30 min tc = Vorschub 5 mm / min Fertigungsmöglichkeit D: Umfangsfräser 2 Querüberläufe: Weg 2 ⋅ 70 mm = = 28 min tc = Vorschub 5 mm / min Der Stirnfräser mit 3 Querüberläufen ist am schnellsten. Daher wird der Stirnfräser gewählt.

18. Aufgabe:

Leiten Sie die Kontinuitätsgleichung für das Einstechschleifen von runden Bauteilen Q’ w = a e . vw = π . dw . vf her. Berechnen Sie hierzu jeweils das Volumen, welches bei einer Werkstückumdrehung abgetragen wird! => siehe Vorlesung! 19. Aufgabe:

Erklären Sie beim Gesenkformen den Unterschied zwischen Pressen und Hämmern! => Beim Pressen entsteht das Werkstück durch einen, beim Hämmern durch mehrere Hübe bzw. Schläge! 20. Aufgabe:

Erstellen Sie eine Skizze zur Erklärung der Verfahren Voll-Vorwärts-Fließpressen und Napf-Rückwärts-Fießpressen! Benennen Sie alle beteiligten Bauteile!

links: Napf-Rückwärts-Fließpressen rechts: Voll-Vorwärts- Fließpressen

Stempel, Matrize, Auswerfer, (Werkstück)

21. Aufgabe:

Ein Zylinder (d 1 = 40 mm; h 1 = 20 mm) wird durch Stauchen von Stangenmaterial (d0 = 30 mm) hergestellt. Berechnen Sie die Länge h 0 des Stangenabschnittes! Volumenkonstanz: V0 = V1 π 2 π d0 ⋅ h0 = d21 ⋅ h 1 4 4 2 d h 0 = 12 ⋅ h 1 d0

40 2 ⋅ 20mm 30 2 = 35,56mm

=

22. Aufgabe:

Leiten Sie die Greifbedingung tan α E < µ für das Längs-Flachwalzen anhand einer Skizze her! => siehe Vorlesung 23. Aufgabe:

Der oben dargestellte runde Napf soll durch Drücken erzeugt werden. a) Berechnen Sie den Durchmesser d 0 des Blechzuschnittes sowie das Drückverhältnis β ! b) Es ist für den verwendeten Werkstoff ein β max von 1,7 zulässig. Wie kann das Bauteil trotzdem durch Drücken hergestellt werden? Lösung: a) Oberflächenkonstanz: A 0 = A1 π 2 π 2 d = d1 ++ π d1 h1 4 0 4 d0 =

d21 + 4 d 1 h 1

d0 = 1002 mm2 + 4⋅ 100mm⋅ 75mm d0 = 200 mm

200 100 =2 > 1,7 b) Mehrstufiges Drücken mit Rekristallisationsglühen. β=

24. Aufgabe:

Der dargestellte Bolzen ist durch Vorwärts-Fließpressen herzustellen. Gegeben: η = 0,7; kf0 = 420 N/mm2 ; kf = 1100 . ϕ h0,149 π ⋅ h ⋅ (D 2 + D ⋅ d ++ d 2 ) . Bemerkung: Das Volumen V eines Kegelstumpfes ist V = 12 a) Welche Geometrie muss der Rohling haben? b) Wie groß ist die Umformkraft? c) Wie groß ist die Umformarbeit? Lösung: a) Volumenkonstanz:

V0 = V1

π 2 π 30 mm2 ⋅ h0 = 302 mm2 ⋅ 16 mm 4 4 π + ⋅ 3 mm⋅ (302 mm2 + 30 mm ⋅ 20 mm + 202 mm2 ) 12 π + 20 2mm 2 ⋅ 37 mm 4 = 24.426 mm3 24.426 mm3 ππ 2 30 mm2 4 = 34,6 mm

h0 =

b) Umformkraft:

ϕ = ln

A0 A1

30 2 20 2 = 0,8109 = ln

== 81,09 %

k f 1 = 1100 ⋅⋅ ϕ 0 , 149 = 1100 ⋅ 0 ,8109

0 , 149

= 1066 N / mm 2 k + k f1 k fm = f 0 2 420 + 1066 N / mm2 = 2 = 743 N / mm2 A ⋅⋅ k ⋅⋅ ϕ F = 0 fm η π ⋅⋅⋅ 302 mm2 ⋅ 743 N / mm2 ⋅⋅ 0,8109 = 4 0,7 = 608,4 kN c) Umformarbeit:

W = F⋅ s = 608,4 kN ⋅⋅ (34,6 mm − 16 mm) = 11,31kNm

25. Aufgabe:

Welcher formelmäßige Zusammenhang besteht zwischen der Dehnung ε und dem Umformgrad ϕ? Leiten Sie die Formel her? Lösung: Formel:

ϕ = ln( 1+ ε)

Herleitung:

ε=

h 1 − h 0 ∆∆h == h0 h0 dϕ = dh / h

h1

ϕ=

∫ dh / h

h0

= ln h1 − ln h0 h = ln 1 h0  h ++h 1 −− h 0   = ln 0  h 0    h h −− h 0   = ln 0 + 1  h h 0 0   = ln (1++ ε )...