Fertigungstechnik 2 Zusammenfassung PDF

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Zusammenfassung WS17/18...

Description

Fertigungstechnik 2 Zerspanen Einführung •

Es kann auf 2 verschiedene Arten gespant werden: mit bestimmter und mit unbestimmter Schneide

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Durch spezifische Prozessparameter kann die Oberfläche und die Maßgenauigkeit optimal gewählt werden (Werkzeug, Werkstück, Maschine, Zerspanungsbedingungen)

Grundlagen der Fertigungsverfahren •

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Die Form der Werkzeugschneide ist von Bedeutung o Meißel o Drehmeißel o Fräser Die auftretenden Kräfte und Temperaturen sind zu beachten Die Verschleißfestigkeit der Schneidstoffe ist nicht zu vernachlässigen

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Wichtige Winkel

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Der Freiwinkel bewirkt, dass die Reibung vermindert wird Der Spanwinkel hält die entstehenden Kräfte möglichst klein Der Keilwinkel ist vom zu bearbeitenden Werkstoff abhängig und beschreibt im Wesentlichen den Keil an sich

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Freiflächen sind im Groben gesagt die Flächen, die den entstehenden Schnittflächen zugekehrt sind o Wird diese angefast, dann bezeichnet man sie als Freiflächenfase Spanflächen sind die Flächen, über die der Span abläuft o Wird diese angefast bezeichnet man die als Spanflächenfase

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Beanspruchung der Schneidstoffe • •

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Schneidstoffe sind die Werkstoffe, die den Schneidkeil bilden Sie werden belastet durch: o Reibung, mechanische Abtragung o Druckbelastung o Hohe Temperatur --> Diffusion und Oxidation Fast die ganze Antriebsleistung wird in Wärme umgesetzt o Es muss für die Abfuhr von Wärme gesorgt werden Großteil geht mit dem Span, ein Teil über das Werkzeug und der Rest durch Kühlung 2

Anforderung an Scheidstoffe • • • • •

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Schneidfähigkeit / Härte o Muss härter sein als der zu bearbeitende Werkstoff Verschleißfestigkeit o Widerstand gegen das Abtragen von Stoffteilchen Wärmeharte / Anlassbeständigkeit o Auch unter hohen Temperaturen bleibt der Werkstoff hart Hohe Zähigkeit und Bruchfestigkeit Warmfestigkeit o Der Schneidstoff widersteht mechanischen Beanspruchungen auch bei hohen Temperaturen Temperaturwechselbeständigkeit o Vermeidung der Rissbildung bei hohen Temperaturschwankungen Thermoschockbeständigkeit o Der Schneidstoff übersteht schlagartige Temperaturwechsel ohne Kantenbrüche Chemische Stabilität o Keine Verbindung mit umliegenden Stoffen eingehen (Diffusion) Gute Wärmeleitfähigkeit o Die Wärme / Energie muss den Schneidstoff möglichst schnell verlassen Ökonomische Anforderungen o Hohe Verfügbarkeit o Sichere Versorgung o Günstig Ökologische Anforderungen o Umweltfreundliche Herstellung o Geringe Schadstoffbelastung o Wenig Abfall / einfache Entsorgung

Die Auswahl des Schneidstoffes richtet sich nach den Fertigungsverfahren, dem Werkstück und Wirtschaftlichkeit

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Verschiedene Schneidstoffe • •

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Schneidstoffe unterteilen sich in beschichtete und unbeschichtete Schneidstoffe Werkzeugstahl o Wird in unlegiert und legiert unterschieden (WK) o Schlechte Wärmehärte --> heute kaum noch von Bedeutung Hochlegierte Werkzeugstähle / Schnellarbeitsstähle / HSS o Größte Zähigkeit o Geringe Härte Hartmetall (Verbundwerkstoff, durch Sintern) o Große Wärmehärte o Hohe Verschleißfestigkeit o Schwingungsdämpfend Cermet (Ceramic-Metal); Hartmetall auf Basis von Titancarbid o Hohe Verschleißfestigkeit o Wärmehärte o Stabile Schneidkanten § Hauptsächlich bei der Schlichtbearbeitung eingesetzt Keramische Schneidstoffe, Mischkeramik o Härte o Sehr gute Warmhärte o Druckfestigkeit Oxidische Schneidkeramik (CA); fast reines Aluminiumoxid o Gute Härte bis 2000°C o Empfindlich gegen schnelle Temperaturwechsel und Schnittkräfte § Wird bei gleichmäßigen Schnittbewegungen ohne Kühlung eingesetzt Polykristallines kubisches Bornitrid (BN) o Nach Diamant der Härteste Schneidstoff o Sehr spröde o Warmhärte bis 2000°C o Chemische Beständigkeit Polykristalliner Diamant (DP) o Härtester Schneidstoff o Hohe Verschleißfestigkeit o Nicht sehr temperaturbeständig (600°C) Durch Beschichtungen wird sie Verschleißfestigkeit erhöht

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Kühlschmierstoffe •

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Werden verwendet um der bei der Zerspanung auftretende Wärme entgegenzuwirken, um negative Auswirkungen auf das Werkstück zu verhindern oder zu minimieren Verminderung des Werkzeugverschleißes Gute Maßhaltigkeit (Wärmedehnung verhindern) Gute Oberflächenqualität Unterstützung des Späneabtransports Reduzierung der Wärmebelastung für die Werkzeugmaschine. Korrosionsschutz Ausbildung eines Schmierfilms Beständigkeit erhöhen (Mikroorganismen, Farben, Lacke)

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Die Wahl des Kühlschmierstoffs hängt von: o Den Fertigungsverfahren ab o Dem Werkstoff des Werkstücks ab o Dem Schneidstoff ab o Den Schnittdaten ab

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Es gibt reine und wassermischbare Schneidöle Schneidöl verbessert zerspanende Prozesse o Verringert Reibung o Kühlt o Verhindert Korrosion Wassermischbare Kühlschmiermittel können jedoch Wärme 3x schneller abführen

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Strategien der Kühlschmierung

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Minimalmengenschmierung o KSS wird in sehr kleinen Mengen direkt an der Wirkstelle eingesetzt oder fein zerstäubt (ca. 20ml/h anstatt 12.000l/h bei der konventionellen Nassbearbeitung) o Ziel ist es einen Schmierfilm zu bilden um somit Reibung und Wärmeentwicklung zu minimieren

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Die Zufuhr kann über Gelenkschläuche von außen erfolgen

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Oder die Zufuhr gelangt über innere Kanäle zum Ziel

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Drehen • • •

Als „Drehen“ bezeichnet man die Spanabhebende Herstellung zylindrischer Werksstücke Die Bearbeitung erfolgt mit einem einschneidenden Werkzeug, dem Drehmeißel o Meist führt das Werkstück die drehende Bewegung aus Der Drehmeißel kann von außen oder von innen ansetzten. Das nennt man dann Außen- und Innendrehen

Die verschiedenen Formen

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Beim Runddrehen wird eine zylindrische Fläche erzeugt

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Beim Plandrehen wird eine ebene Fläche senkrecht zur Drehachse des Werkstücks erzeugt

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Beim Gewindedrehen werden schraubenförmige Flächen erzeugt

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Erzeugung von Einstichen mit einer Vorschubbewegung quer oder längs zur Drehachse

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Das Profil des Drehwerkzeuges bildet sich auf dem Werkstück ab

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Durch die Steuerung der Vorschubbewegung wird die Werkstückform erzeugt

Spannungsgrößen • • •

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Die Schnittgeschwindigkeit Vc richtet sich nach der Festigkeit des Werkstücks und der Verschleißfestigkeit des Schneidstoffes Vorschub f ist der Weg, der das Werkzeug bei einer Umdrehung des Werkstückes zurücklegt Die Schnitttiefe ap wird durch die Zustellbewegung eingestellt

Sämtliche Spannungsgrößen lassen sich an diesem Schaubild mit Hilfe von Winkelbeziehungen herleiten

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Kräfte und deren Entstehung •

Zerspanungskräfte entstehen durch den Scherwiderstand des Werkstücks, welcher überwunden werden muss und den Reibungskräften zwischen Werkstoff und Werkstück

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Berücksichtigt man noch zusätzlich die Passivkraft, welche den Drehmeißel zum Werkstück hindrückt ergibt sich folgendes Schaubild

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Als Zerspankraft F wird also die wirkende Gesamtkraft auf den Schneidkeil bezeichnet. In folgendem werden wir uns aber mit dem oberen Schaubild befassen. Die Schnittleistung ergibt sich dann durch die Bildung des Kreuzproduktes von der Schnittkraft und der Schnittgeschwindigkeit (Analog zur Vorschub- und Wirkleistung) Die Zerspanungsleistung aus der Hauptschnittkraft wird wie folgt berechnet:

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In der Praxis muss allerdings noch der Wirkungsgrad der Maschine beachtet werden, sodass am Ende folgende Formel ergibt

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Die theoretische Schnittkraft ist dabei das Produkt aus der spezifischen Schnittkraft kc und dem Spannungsquerschnitt

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A ist kann aber auch gleichermaßen ap x f oder b x h sein kc wird in N/mm2 angegeben Die Veränderung der Spandicke, Spanwinkel, Schnittgeschwindigkeit und die Änderung des Schneidstoffs können jedoch Schwankungen von bis zu 40% bewirken Berücksichtigt man einige Korrekturfaktoren ergibt sich folgende Formel für Fc

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kc1.1 ist hierbei die experimentell bestimmte spezifische Schnittkraft

Schneiden – Geometrien

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Zwischen Haupt- und Nebenschneide befindet sich der Eckenradius o Er sollte möglichst groß sein um die Stabilität und die Wärmezufuhr zu verbessern o Die Größe des Eckenradius und der Vorschub bestimmen die theoretische Rautiefe

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Der Neigungswinkel bestimmt den Kontakt des Werkzeugs mit der Spanfläche o Ist er negativ wird der Span zur Werkstückoberfläche o Ist er positiv führt er von der Oberfläche weg

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Der Einstellwinkel ist der Winkel zwischen der Hauptschneide und der gedrehten Oberfläche o Beeinflusst Spanform, Spanbruch, Schnittkraft und Ratterneigung o Die Größe ist vom Werkzeug und der Werkstückkontur abhängig

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Der Übergang von der Span- zur Freifläche beeinflusst maßgeblich die Standzeit eines Werkzeugs o Also die Zeit, welche das Werkzeug ununterbrochen arbeiten kann ohne zu ermüden o Wird die Standzeit überstritten verschleißt das Werkzeug stärker als normal o Daher gibt es verschiedene Schneidkantenausführungen

Spanbildung • •

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Spanbildung erfolgt bis zur Streckgrenze elastisch, bist zu Schwerfestigkeit plastisch und darüber hinaus kommt es zu Trennung Der Spanumfang hängt vom Spanwinkel ab

Durch die Messung der Schnittkraftkomponenten FN und FR kann man den Spanflächenreibwert berechnen. Dieser gibt die Richtung der Zerspankraft an.

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Die Spanbildung kann in 5 verschiedene Zonen eingeteilt werden o 1: Hier entsteht der eigentliche Span o 2: Hier entstehen Spannungen, welche elastische und plastische Verformungen bewirken o 3+4: Durch Reibung und Druck entstehen hier ebenfalls plastische und elastische Verformungen o 5: Hier erfolgt die eigentliche Trennung durch die Schneidkante

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Spanende Bearbeitung ist nur dann wirtschaftlich und prozesssicher, wenn der Span so entsteht, dass er die weitere Bearbeitung nicht stört Es gibt 4 Arten o Reißspan: spröde Werkstoffe o Scherspan o Lamellenspan o Fließspan: fließt ab der Scherzone kontinuierlich ab Am besten ist kurz aber nicht zu feine Späne Lange Späne kann sich immer um das Werkstück oder das Werkzeug wickeln und dadurch das Werkstück zerkratzen oder den Prozess stören o Je mehr Volumen der Span pro Menge einnimmt desto unbrauchbarer ist er § Am besten: Spiralspäne Spanformen können bedingt beeinflusst werden o Bsp. Durch Einstell- und Spanwinkel o Es gibt allerdings auch Stoffen, die aufgrund ihrer hohen Zähigkeit zu langen Spanformen neigen In der Praxis geschieht das zusätzlich unter Verwendung von eingesinterten Spanleitstufen

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Verschleiß und Standzeit •

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Standzeit ist die Zeit des Werkzeugeingriffs bis zum Erreichen des zulässigen Verschleißes o Hervorgerufen durch mechanisch und thermische Beanspruchung o Wird durch maximal zulässige Verschleißgrenze begrenzt Es gibt 5 verschiedene Mechanismen Adhäsionsverschleiß o Werkstoffpartikel von frisch entstandenen oxidfreien Oberflächen erzeugen an dem Werkstück und an der Spanunterseite Verschweißungen und Verklebungen Diffusionsverschleiß o Der Wirkpartner diffundiert in den anderen o Tritt besonders bei Hartmetallwerkzeugen auf o Äußert sich als Auskolkung an der Spanfläche Oxidationsverschleiß o Durch Auszunderungen des Schneidstoffs o Führt zu Kerben und Rissen o Äußerlich durch Anlauffarben in der Nähe der Kontaktzone Mechanischer Abrieb (Abrasiver Verschleiß) o Abtragen von Schneidstoffpartikeln unter Einfluss äußerer Kräfte o Tritt meist mit anderen Verschleißarten zusammen auf Plastische Verformungen o Bei mechanischer und thermischer Belastung kann es neben plastischen Verformungen auch zu Rissen führen Durch Verschleiß an den Schneidstoffen kann es zu geometrischen Fertigungsfehlern kommen

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Verschleißerscheinungen •

Aufbau einer Aufbauschneide o Durch das Festschweißen kleinster Werkstückstoffteilchen baut sich eine künstliche Schneide auf

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Zu den verschiedenen Verschleißmechanismen gehören noch verschiedene Verschleißarten Freiflächenverschleiß o Wird mit VB gekennzeichnet o Wird mit einem Messmikroskop gemessen o Beeinflusst Maßgenauigkeit und Oberflächengüte Kolkverschleiß o Wird durch Diffusion und mechanischen Abrieb verursacht o Auskolkung führt zu einer größeren Spanverformung § Anstieg der Schnittkräfte Kantenverschleiß o Ausbröckelungen der Schneidkante

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o Wirken sich auf Schnittkräfte und Oberflächengüte aus

Den verschiedenen Verschleißarten kann man wie folgt entgegenwirken:

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Zerspanungstests dienen zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit von verschiedenen Schneidstoffen und Werkzeuggeometrien o Der Vergleich gilt dann aber nur für den getesteten Werkstückstoff o Bei einem anderen Werkstückstoff muss ein anderer Test durchgeführt werden o Ermittlung von Standzeiten o Dienen zur: § Auswahl von Werkstoffen § Auswahl der wirtschaftlichen Schnittgrößen § Entwicklung besserer Werkstoffe und Werkzeuge 16

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Es gibt dabei Kurzzeitversuche: o Geringer Materialaufwand o Nur relative Vergleichswerte o Nur bedingte Schlüsse möglich o Geeignet für Eingangskontrollen und Überwachung Aber auch Langzeitversuche: o Hoher Zeit- und Materialaufwand o Genaue und realistische Standzeitwerte Diese Versuche werden gemacht um Verschleiß besser beurteilen zu können o Schnittgeschwindigkeit hat einen hohen Einfluss auf den Verschleiß o Daher gibt es auch Verschleißkurven in Abhängigkeit zur Schnittgeschwindigkeit

Der gleiche Zusammenhang wurde auch zwischen Standzeit und Schnittgeschwindigkeit

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Drehwerkzeuge – Spannsysteme •

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Es gibt Drehwerkzeuge mit mehreren Schneiden o Diese kann man wenden, daher nennt man sie auch Wendeschneidplatten o Man unterscheidet bei ihrer Ausführung in R (rechtsschneidend), L (linksschneidend) und N (neutral) o Der Eckenwinkel sollte hierbei aus Stabilitätsgründen möglichst groß sein o Wenn er klein ist, ist die Platte allerdings vielseitiger einsetzbar Diese Wendeschneidplatten kann man wie folgt befestigen / einspannen o Hebelspannsystem § Platte wird in ihren Sitz gedrückt • Hohe Positioniergenauigkeit o Schraubspannsystem § Eignet sich bei wenig Platz o Spannfingersystem § Eignet sich für Platten ohne Mittelbohrung

Gewindedrehen • •

Beim Gewindedrehen unterscheidet sich das Werkzeug nicht bei Rechts- und Linksgewinden. Das Werkstück dreht sich einfach andersherum Die Größe des Vorschubs entspricht dann der Steigung des Gewindes

Innenbearbeitung • •

Innendrehen mit Bohrstange Bohrstangen dürfen nur bis zu einer bestimmten Länge aus ihrer Einspannung herausragen

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Einstech- und Abstechdrehen

Hartdrehen • •

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Gehärtete Werkstücke werden fertig bearbeitet Bestimmte Schneidstoffe werden hierbei verwendet o Schneidkeramik o Polykristallines Bornitrid (BN) Kann sogar das Schleifen ersetzen o Kosten sind geringer Werkstück erwärmt sich wenig, da ein Großteil der Zerspanungswärme in Form von glühender Späne abgeführt wird

Spannsysteme • •

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Mit Spannfuttern werden die Werkstücke von außen oder in einer Bohrung gespannt o Spannkraft erfolgt entweder von Hand oder hydraulisch Bei handbetätigten Spannfuttern o Planspirale o Keilstange Fliehkraftausgleich o Wird mit zusätzlichem Umlenkhebel und Fliehgewicht gearbeitet o Fliehkraft wird ausgeglichen, damit die Spannkraft bis zur zulässigen Drehzahl konstant bleibt

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Spannzangen übertragen die Spannkraft fast auf den gesamten Werkstückumfang o Günstig für Drehteiloberflächen und Rundlauf o Für sehr hohe Drehzahlen Zugspannzange o Betätigung über Zugrohr o Geschlitzte Spannzange wird dadurch zugezogen

Die Druckspannzange funktioniert analog zur Zugspannzange, nur das hier die Spannung durch das Druckrohr erzeugt wird

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Fräsen • • • • •

Spanendes Fertigungsverfahren mit meist mehrzahningen Werkzeugen Meist bei kreisförmiger Schnittbewegung Senkrecht oder Schräg zur Drehachse Geometrisch bestimmte Schneide Planfräsen und Rundfräsen

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Schraub- und Walzfräsen

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Profil- und Formfräsen

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Schnittgrößen o Fräsbreite ae o Frästiefe ap o Vorschubgeschwindigkeit vf o Zerspanvolumen Q

Zerspanungsgrößen Umfangsfräsen

Planfräsen

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Eingriffswinkel • • •

Winkel zwischen Fasereintritt und Faseraustritt Bestimmt wie viele Schneiden gleichzeitig im Eingriff sind Vorschub pro Zahn wird fz genannt

Fräswerkzeuge Schaftfräser

Aufsteckfräser

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Mit Wendeschneidplatten

Schneidkantenverlauf

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Bei der Kreuzverzahnung heben sich die entstehenden Axialkräfte auf Bei der wendelgezahnten Variante (Rechtsdrall) ist dafür da um die Späne vom Werkstück wegzuführen

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Fräsposition •

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Beim Fräsen entstehen schlagartige Belastungen für die Schneidkanten o Mechanisch o Thermisch (unterbrochener Schnitt: große Temperaturwechel) Geringe Belastung für die Schneidkanten, wenn die Fräserachse innerhalb des Werkstücks liegt

Verschleiß beim Fräsen •

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Plattenbruch § Zu spröder Schneidstoff § Falscher Spanformer § Ungünstige Schnittbedingung Kantenausbröckelung o Ausbrüche an der Freifläche § Zu Spröder schneidstoff § Zu großer Spanwinkel Starker Freiflächenverschleiß § Zu hohe Schnittgeschwindigkeit § Zu kleiner Vorschub Kerbverschleiß § Kaltverfestigter Werkstoff Aufbauschneidenbildung o Werkstoffaufschweißungen Kammrisse § Wärmewechselbelastung

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Fräseraufnahmen • •

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Schnittstelle zwischen Werkzeug und Maschine o Beeinflussen Maß- und Formgenauigkeit Anforderungen an Fräseraufnahmen o Plan- und Rundlaufgenauigkeit o Wiederholgenauigkeit beim Werkzeugwechsel o Steifigkeit gegen axiale Kräfte und Momente o Eignung für hohe Drehzahlen Für die sichere Spannung von Fräswerkszeugen gibt es eine sehr hohe Anforderung an den Rundlauf und an die Genauigkeit

Polygonspantechnik

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Warmschrumpftechnik o Schrumpfadapter wird aufgenommen und induktiv erwärmt. Dadurch wird er gedehnt o Der aufgesetzte Fräser wird eingeführt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt Spanfutter – Drehzahlen

Wuchtgüte •

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Unwucht o Gibt an wie viel unsymmetrisch verteilte Masse radial von der Rotationsachse abweicht Exzentrizität o Zum Abstand zwischen Rotationszentrum und Gravitationszentrum Unwuchtkraft o Die Unwucht erzeugt eine Zentrifugalkraft Auswuchten o Um die ungewünschten Zentrifugalkräfte auszugleichen, kann Material abge...