Spanarten und Spanformen Laborprotokoll PDF

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Laborprotokoll zu Spanarten/Spanformen aus dem WS 18/19 von Prof. Mattes...

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EXPOSEE

In diesem Laborversuch wurde untersucht, welche Auswirkungen die Wahl des Werkzeugs und seiner Einstellgrößen auf die Spanbildung, die Späne und den Drehprozess haben. Abbildung 1: Drehprozess (SR tech GmbH & Co. KG, 2018)

SPANARTEN/SPANFORMEN Laborprotokoll

Yasmine Kameli, Üntay Kasavar, Michael Knabe Spanende Fertigungsverfahren

Inh Inhalt alt 1.

Einleitung ........................................................................................................................................ 2 1.1 Der Drehprozess ........................................................................................................................... 3 1.2 Die Wendeschneidplatte .............................................................................................................. 6 1.3 Der Werkstoff ............................................................................................................................... 6 1.4 Spanbildung und Spankontrolle ................................................................................................... 6 1.4.1 Transportfähigkeit ................................................................................................................. 7 1.4.2 Gefahr für Mensch und Maschine......................................................................................... 7

2.

Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ................................................................................. 8

3.

Versuchsergebnisse und Interpretation ........................................................................................ 9 3.1 Kinematische Rauheit ................................................................................................................... 9 3.2 Kategorisierung und Beurteilung der Späne .............................................................................. 10 3.3 Schnittaufteilung ........................................................................................................................ 13 3.4 Berechnung des Zeitspanvolumens ........................................................................................... 15 3.5 Vergleich der kinematischen Rauheit 𝑹𝒌𝒊𝒏 und der tatsächlichen Werte 𝑹𝒛 und 𝑹𝒂 ........... 16 3.6 Vergleich der Wendeschneidplatten.......................................................................................... 17

4.

Fazit ............................................................................................................................................... 18

5.

Literaturverzeichnis ...................................................................................................................... 19

6.

Tabellenverzeichnis ...................................................................................................................... 19

7.

Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................. 19

1 Spanarten/Spanformen – Laborprotokoll Yasmine Kameli, Üntay Kasavar, Michael Knabe

Spanende Fertigungsverfahren Prof. Dr.-Ing. Mattes

1. Einle Einleitu itu itung ng Die Automatisierung und Standardisierung von Fertigungsprozessen hat in den letzten Jahrzehnten immer stärker an Bedeutung zugenommen. In der modernen Industrie sind vollautomatisierte Prozesse nicht mehr wegzudenken. Da die hierfür notwendigen Maschinen sehr teuer sind, ist es wirtschaftlich notwendig, die Nebenzeit zu minimieren. Hierbei liegt gerade bei Drehprozessen viel Aufmerksamkeit auf der Spanform und -art. Darüber hinaus können bei ungünstigen Spanarten auch Gefahren für Mensch und Maschine entstehen (Dietrich, 12. Auflage). Im Versuch wurde eine Welle aus 42CrMo4 auf einer Weiler E50 Drehmaschine zerspant. Dabei wurde eine Wendeschneidplatte der Firma Horn verwendet. Es wurden vier unterschiedliche Zustellungen mit jeweils vier unterschiedlichen Vorschüben gefahren. Die entstandenen Späne wurden aufgefangen, kategorisiert und bewertet. Dabei wurden die Angaben der Firma Horn mit den tatsächlichen Ergebnissen verglichen. Insgesamt wurden von drei Laborgruppen Versuche mit einer jeweils anderen Wendeschneidplatte durchgeführt (FP=Fine; FMP=Fine/Medium; MP=Medium). Die unterschiedlichen Ergebnisse sind zu vergleichen und in Beziehung zu setzen.

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Spanende Fertigungsverfahren Prof. Dr.-Ing. Mattes

1.1 Der Dre Drehp hp hprozes rozes rozesss

Abbildung 2: Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 (Mattes, 2018/19)

Das Drehen gehört nach DIN 8580 zu den Spanprozessen mit geometrisch bestimmter Schneide der dritten Hauptgruppe „Trennen“. Beim Drehen werden Rotationssymmetrische Bauteile mit einem stationären Werkzeug hergestellt (Es gibt spezielle Verfahren, z.B. Unrund-Drehen oder Exzenterdrehen, bei denen das nicht zutrifft. Darauf wird im Rahmen dieses Protokolls allerdings nicht eingegangen). Typische Werkstücke für einen Drehprozess sind Wellen oder Achsen. Die Auslegung von Drehprozessen hängt von mehreren Parametern ab.

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Spanende Fertigungsverfahren Prof. Dr.-Ing. Mattes

Abbildung 3: Einflussparameter auf den Drehprozess (Sandvik Deutschland Tooling GmbH, 2017)

In dieser Klassifizierung limitieren die Maschinen- und Werkzeugparameter die Möglichkeiten. Material und Bauteil zusammen ergeben einen Werkstoff und eine daraus herzustellende Form mit bestimmten Anforderungen. In diesem In diesem Dreieck aus Maschinen- und Werkzeugparametern, Werkstoff und Anforderungen an die Form werden die Prozessparameter (Zustellung 𝑎𝑝 , Vorschub 𝑓, Schnittgeschwindigkeit 𝑣𝑐 , etc.) so verändert, dass der Prozess reibungslos abläuft und die Spanform optimal ist.

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Spanende Fertigungsverfahren Prof. Dr.-Ing. Mattes

Abbildung 4: Die verwendete Weiler E50 mit der eingespannten Welle aus 42CrMo4

Die verwendete Drehmaschine ist eine Drehmaschine mit sogenannter Zyklenautomatik. Dabei handelt es sich weder um eine konventionelle, noch um eine CNC-Drehmaschine. Zyklengesteuert bedeutet, dass bestimmte Bearbeitungszyklen über das Bedienpult an der Maschine eingegeben und gespeichert werden können. Dementsprechend hat man die Möglichkeit, Kleinserien von Bauteilen mit einer höheren Wiederholgenauigkeit zu fertigen als an einer konventionellen Maschine und mit weniger Programmierungsaufwand als an einer CNC-Drehmaschine. Die Weiler E50 erzeugt eine maximale Leistung von 11Kilowatt und sowohl die Drehzahl als auch der Vorschub sind über einen elektronisch Antrieb stufenlos regelbar.

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1.2 Die W We ende ndeschn schn schneid eid eidpla pla platte tte Das Werkzeug beim Drehen heißt Drehmeißel. Allerdings findet der

herkömmliche

Drehmeißel

aus

HSS

in

modernen

Fertigungsprozessen keine Anwendung mehr. Geläufig sind sogenannte Klemmhalter mit Wendeschneidplatten. Dabei gibt es

je

nach

Werkstoff

Wendeschneidplatten

und

Anwendung

mit unterschiedlichen

spezielle

Spanformern.

Neben den Bearbeitungsparametern haben diese maßgeblichen Einfluss auf die Spanbildung. Im Versuch wurde eine Abbildung 5: Die verwendete Schneidplatte

Wendeschneidplatte der Firma Horn verwendet. Die CNMG mit eingesinterter Spanleitstufe und 120408 FMP ist laut dem Produktdatenblatt für die Bearbeitung Freiflächenverschleiß durch die Belastung des Laborversuchs

von „Feiner Übergangsgeometrie“ (FMP für Fine/Medium ISO-P) ausgelegt, für Werkstoffe der ISO-Code Kategorie P.

1.3 Der We Werkst rkst rkstoff off Die zerspante Welle besteht aus dem Werkstoff 42CrMo4. Er ist ein ISO-P2-Werkstoff und damit ein niedriglegierter Vergütungsstahl. Seine Hauptlegierungselemente sind: Chrom (0,9 - 1,2%), Mangan (0,6 – 0,9%) und Kohlenstoff (0,38 – 0,45%). Im vergüteten Zustand (42CrMo4+QT) hat er eine Zugfestigkeit von 750 bis 1300 𝑁 ⁄ 2 . Dadurch eignet er sich für Bauteile mit höchsten Ansprüchen 𝑚𝑚 an Festigkeit und Zähigkeit (z.B. Zahnräder, Achsschenkel und Pleuelstangen). Er lässt sich gut bearbeiten und ist bedingt schweißbar und oberflächenhärtbar (Emil Vögelin AG, 2018).

1.4 Span Spanbil bil bildun dun dungg und Spa Spanko nko nkontro ntro ntrolle lle Das gesamte Kapitel 1.4 inklusive der Unterkapitel 1.4.1 und 1.4.2 enthält Informationen aus dem Buch „Praxis der Zerspantechnik , 12. Auflage“ und wurde anhand dieser erstellt. Die Spanform ist abhängig von vier Faktoren: 1. Art und Legierung des Werkstoffs 2. Legierungselemente des Werkstoffs 3. Schnittbedingungen (Zustellung 𝑎𝑝 , Vorschub 𝑓, Schnittgeschwindigkeit 𝑣𝑐 , etc.) 4. Spanwinkel und Spanformen

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Dabei werden die entstandenen Späne anhand der nachfolgenden Kriterien 1.4.1 und 1.4.2 kategorisiert und beurteilt.

1.4. 1.4.1 1 Tr Trans ans anspor por portfähig tfähig tfähigkei kei keitt Je nach Spanraumzahl sind Späne besser oder schlechter transportabel. Dabei ist die Spanraumzahl definiert als: 𝑅=

𝑅𝑎𝑢𝑚𝑏𝑒𝑑𝑎𝑟𝑓 𝑑𝑒𝑟 𝑢𝑛𝑔𝑒𝑜𝑟𝑑𝑛𝑒𝑡𝑒𝑛 𝑆𝑝𝑎𝑛𝑚𝑒𝑛𝑔𝑒 𝑊𝑒𝑟𝑘𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑟 𝑔𝑙𝑒𝑖𝑐ℎ𝑒𝑛 𝑆𝑝𝑎𝑛𝑚𝑒𝑛𝑔𝑒

Späne mit hohen Spanraumzahlen sind zum Beispiel Wirrspäne, Flachwendelspäne oder Zylinderwendelspäne. Kleine Spanraumzahlen ergeben sich bei Spanlocken, kurzen zylindrischen Wendelspänen und Spiralwendelspänen. Späne mit kleinen Spanraumzahlen lassen sich sehr gut in Behältnissen transportieren, wohingegen großvolumige Späne eine Vorbearbeitung in Spanbrechern oder Pressen erfordern, damit sie paketiert transportiert werden können. Umso mehr Späne in einem Prozess entstehen, desto mehr wirken sich ungünstige Spanformen negativ auf den Prozess und die Kosten aus.

1.4. 1.4.2 2 Ge Gefahr fahr fü fürr Men Mensch sch und M Maschin aschin aschine e Sehr lange Wirrspäne können sich in (voll-)automatisierten Prozessen um das Werkzeug wickeln und den Prozess behindern. Außerdem können sie bei der Bildung am Werkstück brechen und dessen Oberfläche zerkratzen. In manuellen Prozessen können sie sich auch um die Hände des Zerspaners wickeln und diesen gefährden. Außerdem sind sie sehr scharfkantig, sodass spätestens beim Abtransport eine Verletzungsgefahr besteht.

Kurze Bröckel- und Reißspäne fliegen nach dem Spanbruch sehr unkontrolliert umher. Bei (voll)automatisierten Prozessen stellen sie eine Gefahr für die Maschine dar. Da sie sehr kompakt sind, können sie sich mit der Zeit unter die Führungsabdeckung der Maschine arbeiten und dort die Führung beschädigen. In manuellen Prozessen stellen sie eine Gefahr für die Augen und unbedeckte Körperpartien des Zerspaners dar.

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2. Versu Versuchsau chsau chsaufb fb fbau au un und dV Vers ers ersuc uc uchsd hsd hsdur ur urchf chf chfü ühru hrung ng

Vor dem an der Drehmaschine stattfindenden Versuchsteil werden zunächst die Rechenaufgaben im Versuchsskript gelöst. Es werden die kinematische Rauheit, Schnittaufteilung und das Zeitspanvolumen errechnet. Im Anschluss wird der eigentliche Versuch an der Drehmaschine durchgeführt.

Abbildung 6: Versuchsaufbau an der Drehmaschine

Die Welle ist in der Drehmaschine zwischen Dreibackenfutter und Reitstock gespannt. Die Wendeschneidplatte wird auf dem Klemmhalter montiert. Über das Bedienpult wird die Drehzahl eingestellt. Dann wird zunächst manuell die Oberfläche der Welle angekratzt und die entsprechende Achse wird genullt. Anschließend werden über das Bedienpult die Zustellung und der Vorschub eingestellt. Nun wird die Schutztür vor den Arbeitsbereich geschoben und die Bearbeitung wird gestartet. Nach einem bestimmten Vorschubweg stoppt die Maschine. Die entstandenen Späne werden aus der Spänefangwanne gesammelt und in eine Dose gelegt, die mit der entsprechenden

Abbildung 7: Beispiel einer Dose mit Beschriftung und erzeugtem Span

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Zustellung und dem Vorschub beschriftet ist. Anschließend wird der nächste Vorschub der jeweiligen Zustellung eingestellt und das Vorgehen wird wiederholt. Ein Gruppenmitglied beobachtet die Kameraübertragung des Drehvorgangs auf dem Fernseher und füllt die Tabelle 2.2 „Während des Versuchs“ im Versuchsskript aus. Die anderen beiden helfen dem Labordozenten dabei, die entstandenen Späne zu sammeln und zu den entsprechenden Dosen zuzuordnen.

3. Versu Versuchser chser chserge ge gebn bn bniss iss isse eu und nd Int Interpre erpre erpretat tat tatio io ion n

Abbildung 8: Die Aufgabenstellung aus dem Laborskript. Oberflächengüte, Maße und Maßtoleranzen gehen daraus hervor (Mattes, 2018/19)

3.1 KKine ine inema ma matisc tisc tische he R Rauhei auhei auheitt Zuerst wurde die kinematische Rauheit rechnerisch ermittelt. Diese errechnet sich zu 𝑅𝑘𝑖𝑛 =

𝑓2 . 8𝑟

Dabei

ist 𝑟 der Eckenradius der Wendeschneidplatte. In unserem Fall haben alle drei verwendeten Wendeschneidplatten den gleichen Eckenradius 𝑟 = 0,8𝑚𝑚. Mit 𝑓 als Vorschub ergibt sich demnach folgende Tabelle: Eckenradius 𝒓

0,8𝑚𝑚

Vorschub 𝒇

0,06𝑚𝑚

0,12𝑚𝑚

0,20𝑚𝑚

0,32𝑚𝑚

Kinematische Rauheit 𝑹𝒌𝒊𝒏

5,6 𝜇𝑚

22,5 𝜇𝑚

62,5 𝜇𝑚

160 𝜇𝑚

Tabelle 1: Kinematische Rauheit

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Beispielrechnung: 𝑅𝑘𝑖𝑛 =

𝑓2 0,06𝑚𝑚2 = 5,63 ∗ 10−3 𝑚𝑚 = 8 ∗ 0,8𝑚𝑚 8𝑟

Aus diesen Ergebnissen geht folgendes hervor: Um den vorgegebenen Rauheitswert von 𝑅𝑧 = 6,3 𝜇𝑚 in der Bearbeitung einzuhalten, eignet sich bei gegebenem Eckenradius von 𝑟 = 0,8𝑚𝑚 lediglich ein

Vorschub

von

𝑓 = 0,06𝑚𝑚

für

den

Schlichtschnitt, denn: 5,63𝜇𝑚 < 6,3𝜇𝑚. Im Labor wurde nun die Schnittaufteilung errechnet. Dies macht in der Praxis allerdings wenig Sinn, da noch

keine

Versuchsreihen

mit

der

Wendeschneidplatte durchgeführt wurden, um die Spanform bei unterschiedlichen Zustellungen und Vorschüben zu ermitteln. Daher wird nun davon ausgegangen,

dass

praxisnah

zunächst

die

Abbildung 9: Kinematische Rauheit (Mattes, 2018/19)

Versuchsreihen durchgeführt wurden

3.2 KKate ate atego go gorisie risie risierun run rungg u und nd Beu Beurte rte rteilun ilun ilungg de derr SSpäne päne Die Späne wurden gesammelt und den Bearbeitungsvariablen in entsprechenden Dosen zugeordnet. Es ergibt sich folgende Tabelle:

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Spanende Fertigungsverfahren Prof. Dr.-Ing. Mattes

Vorschub 𝒇

𝟎, 𝟎𝟔𝒎𝒎

0,12mm 0,2mm Serie 1: Zustelltiefe 𝒂𝒑 = 𝟎, 𝟓𝒎𝒎

0,32mm

Späne

Spanform

Wirrspan

Wirrspan

Wirrspan

Länge der Späne Brauchbarkeit Bemerkungen

Sehr lang

Sehr lang

Sehr lang

Langer zylindrischer Wendelspan Lang

Ungünstig Wickelt sich um das Werkzeug

Ungünstig

Ungünstig

Brauchbar

X

X

X

Vorschub 𝒇

𝟎, 𝟎𝟔𝒎𝒎

0,12mm 0,2mm Serie 2: Zustelltiefe 𝒂𝒑 = 𝟏𝒎𝒎

0,32mm

Späne

Spanform

Wirrspan

Wirrspan

Spanlocken

Sehr lang

Kurze zylindrische Wendelspäne Kurz

Länge der Späne Brauchbarkeit Bemerkungen

Sehr lang Ungünstig

Ungünstig

Gut

Brauchbar

X

X

X

X

Vorschub 𝒇

𝟎, 𝟎𝟔𝒎𝒎

0,12mm 0,2mm Serie 3: Zustelltiefe 𝒂𝒑 = 𝟐𝒎𝒎

Sehr kurz

0,32mm

Späne

Spanform

Länge der Späne Brauchbarkeit Bemerkungen

Langer zylindrischer Wendelspan Sehr lang

Wirrspan

Wirrspan

Spanlocken

Sehr lang

Sehr lang

Sehr kurz

Brauchbar

Ungünstig

Ungünstig

X

X

X

Brauchbar Maschine vibriert wegen der Schnittkräfte

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Spanende Fertigungsverfahren Prof. Dr.-Ing. Mattes

Vorschub 𝒇

𝟎, 𝟎𝟔𝒎𝒎

0,12mm 0,2mm Serie 4: Zustelltiefe 𝒂𝒑 = 𝟑𝒎𝒎

0,32mm

Späne

Spanform

Länge der Späne Brauchbarkeit Bemerkungen

Langer zylindrischer Wendelspan Sehr lang

Wirrspan

Wirrspan

Sehr lang

Brauchbar

Ungünstig

X

X

Sehr lang

Spanlocken/ Bröckelspäne Sehr kurz

Ungünstig Maschine vibriert wegen der Schnittkräfte

Brauchbar Maschine vibriert stark wegen der Schnittkräfte

Tabelle 2: Spanformen, Kategorisierung und Bewertung

Wertet man diese Tabelle aus, ergibt sich folgendes Diagramm: 3,5

Zustelltiefe ap [mm]

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Vorschub f [mm] Abbildung 10: Spanformen, Kategorisierung und Bewertung

In blassblau eingezeichnet ist der vom Hersteller angegebene Soll-Anwendungsbereich der verwendeten Wendeschneidplatte. Wie zu erkennen ist, trifft dieser Anwendungsbereich in unserem Versuch nicht zu. Dies kann an den Bearbeitungsparametern liegen, aber auch am fehlenden Einsatz von Kühlschmierstoff. Es ist nicht Aufgabe des Versuchs, die Herstellerangaben zu verifizieren. 12 Spanarten/Spanformen – Laborprotokoll Yasmine Kameli, Üntay Kasavar, Michael Knabe

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Dennoch zeigt dieses Beispiel eindeutig, dass man sich nicht blind auf vorgegebene SollAnwendungsbereiche verlassen sollte. Wenn es darauf ankommt, optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte man stets eigene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Bearbeitungsparametern durchführen.

3.3 Schn Schnittaufte ittaufte ittaufteilu ilu ilung ng Bei der Schnittaufteilung gilt es grundsätzlich, ein Optimum aus allen Parametern zu finden. Fährt man mit einer großen Zustellung die Schruppschnitte, spart man Zeit in der Bearbeitung. Allerdings muss man aufgrund des höheren Verschleißes das Werkzeug öfter wechseln, was zusätzliche Kosten verursacht. Dies sei der Vollständigkeit halber erwähnt. Im vorliegenden Fall soll der ausschlaggeb...