Table Of ContentEngelbert Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke
Einführung in die
Fertigungstechnik
4.,überarbeitete Auflage
Mit 211 Abbildungen und11 Tafeln
UnterMitarbeitvonBernhard Gottwald
Im
reubner
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
DieDeutscheBibliothek- CIP-Einheitsaufnahme
EinTiteldatensatzfürdiesePublikationistbei
DerDeutschenBibliothekerhältlich.
Prof.Dr.-Ing.Dr.hc,mult.Dr.-Ing.E.h.Hans-JürgenWarnecke
Geboren 1934inBraunschweig.StudiumdesMaschinenbausanderTHBraunschweigund1963Promo
tionzumDr.-Ing.amInstitutfürWerkzeugmaschinenundFertigungstechnik(lWF).Ab1962Oberingenieur
amgenannten Institut. Ab 1965Industrietätigkeit beidenRollei-Werken Franke & Heidecke, Braun
schweig.AuslandsaufenthalteinSingapurundDenver,USA.Ab1971 o.Prof.anderUniversitätStuttgart
alsLeiterdesLehrstuhlsfürIndustrielleFertigungundFabrikbetrieb(lFF)unddesFraunhofer-Institutsfür
ProduktionstechnikundAutomatisierung(lPA).Seit1993PräsidentderFraunhofer-Gesellschaft,München.
UntervielenPreisenundEhrungenseienhiergenannt:Ehrenprofessor(Prof.E.h.)derJiaoTongUniversität
ShanghaiundderBaotouUniversitätfürEisen-undStahltechnologie,Ehrendoktor(Dr.h.c.)derUniver
sitätenLjubljana,TimisoaraundZilinasowiedenDr.-Ing.E.h.derOtto-von-Guericke-UniversitätMagde
burg.DasGroßeVerdienstkreuzunddasVerdienstkreuzamBandedesVerdienstordensderBundesrepu
blikDeutschland,dasVerdienstkreuzErsterKlassedesNiedersächsischenVerdienstordenssowiedieVer
dienstmedailledesLandesBaden-Württemberg.MitgliedinzahlreichenVorständen,Aufsichtsräten,Beirä
ten,StiftungenundPräsidien.
Prof.Dr.-Ing.Prof.E.h.DrAng.E.h.Dr.h.c.EngelbertWestkamper
Geboren 1946inSchlossNeuhaus.StudiumdesMaschinenbausanderRWTHAachenund1977Promo
tion zum Dr.-Ing. amLaboratorium für Werkzeugmaschinen undBetriebslehre (WZL). Danach Indus
trietätigkeitinderLuftfahrt-undElektronikindustrie.Ab1988o.Prof.anderTUBraunschweigalsLeiter
desInstitutsfürWerkzeugmaschinenundFertigungstechnik(IWF).Seit1995LehrstuhlinhaberundDirek
tordesIFFundInstitutsleiteramIPA. 1994wurdeihmdieEhrendoktorwürde(Dr.h.c.)derTechnischen
UniversitätCluj-Napocaund2000derDr.-Ing.E.h.derOtto-von-Guericke-UniversitätMagdeburgverlie
hen.1999ehrteihndieBaotouUniversitätfürEisen-undStahltechnologiemitdemEhrenprofessor(Prof.
E.h.).
Dipl.-Ing.BernhardGottwald,UniversitätStuttgart,IFF.
4.AuflageApril2001
AlleRechtevorbehalten
© SpringerFachmedienWiesbaden2001
UrsprünglicherschienenbeiB.G.TeubnerGmbH,Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden,2001.
www.teubner.de
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stimmungdesVerlagsunzulässigundstrafbar.DasgiltinsbesonderefürVervielfäl
tigungen,Übersetzungen, Mikroverfilmungen unddieEinspeicherung undVerar
beitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerk
berechtigtauchohnebesondere Kennzeichnung nichtzuderAnnahme,dass solche Namenim
SinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddaher
vonjedermannbenutztwerdendürften.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
Umschlaggestaltung:UlrikeWeigel,www.CorporateDesignGroup.de
ISBN 978-3-519-36323-1 ISBN 978-3-663-09862-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-09862-1
.
Vorwort III
Vorwort
Die Fertigungstechnik beschäftigt sich mit Verfahren und Einrichtungen zur
Herstellung materiellerProdukte, deren Eigenschaften durch die Konstruktion
definiert werden. In einer Zeit, in der die Wettbewerbsfähigkeit von Unter
nehmen maßgeblich durch die Herstellkosten der Produkte, ihre Qualität und
Zuverlässigkeitbeeinflusstwird, kommtes daraufan,die wirtschaftliche Her
stellung bereits in frühen Phasen der Produktentstehung durch eine Be
rücksichtigung der fertigungstechnischen Möglichkeiten und Alternativen zu
sichern. Dies trifft für alle Arten von Produkten und alle Anforderungen der
Märkte und Kunden gleichermaßen zu.
Die Fertigungstechnik umfasst ein breites Feld an Verfahrenstechniken, von
denen viele auch alternativ eingesetzt werden können. Ihre Auswahl im kon
kreten Fall orientiert sich daher anden Anforderungen, andie Qualität undan
den Kosten der Herstellung. Die Kenntnis der Wirkzusammenhänge der
technischen Verfahren ist die Grundlage zur Entwicklung und Optimierung
von Maschinen und Anlagen zur Herstellung von Produkten in kleinen wiein
großen Stückzahlen. Deutschland ist auf diesem Gebiet international führend
undhatden Rufhoher Qualität undInnovationsfähigkeit.
Mit den Veränderungen der Produkttechnologie zu komplexen und intelli
genten Systemen verändern sichauchdie Produktionstechnologien undStruk
turen der industriellen Produktion. In der Zukunft können die Potentiale der
Technologien besser genutzt, die natürlichen Ressourcen geschont und Har
monie zur Umwelt durch innovative Verfahren erreicht werden. Die Ferti
gungstechnik kann im Produktlebenszyklus durch Verfolgung der Gedanken
der Kreislaufwirtschaft und der sauberen Technologien entscheidende Bei
träge liefern.
In den vernetzten und zum Teil globalen Produktionsstrukturen der heutigen
Zeit mit ihren kurzen Wegen und Übergangszeiten kommt es auch daraufan,
die Prozesssicherheit, d.h. die Einhaltung der Toleranzen, zu gewährleisten.
IV Vorwort
Toleranzen leiten sich ausden funktionalenAnforderungen der Produkte, den
fertigungstechnischen Möglichkeiten, aber auch aus den Qualitätsanforder
ungen der jeweiligen Kunden und Märkte ab. Es ist deshalb notwendig,
Toleranzsysteme indieFertigungslehre zuintegrieren.
Das vorliegende Buch wendet sich an die Studierenden der ingenieur
wissenschaftlichen Fachrichtungen und der technisch orientierten Betriebs
wirtschaften von Universitäten und Fachhochschulen, insbesondere aber an
die Studierenden des Maschinenwesens, der Verfahrens- und Elektrotechnik
sowie der Betriebswirtschaftslehre. Es istals einführendes Buch angelegt, um
einen knappen Überblick über das Gebiet der Fertigungstechnik zu ver
mitteln. Es orientiert sich deshalb an den wichtigsten in der industriellen
Produktion eingesetzten Verfahren der Fertigungstechnik. Denjenigen, die
eine Vertiefung im Hinblick auf Wirkzusammenhänge zwischen Werkstoff
und Bauteileigenschaften und den Verfahren einerseits und den Maschinen
und Anlagen andererseits suchen, sei ergänzend die Literatur der einzelnen
Fachgebiete der Fertigungstechnik empfohlen.
Wie auch den bisherigen Auflagen dieses Buches liegt der Gliederung dieser
4., überarbeiteten Auflage die DIN 8580 zugrunde. Eine systematische und
leicht verständliche Darstellungsweise mit zahlreichen Abbildungen und
grundsätzlichen Wirkprinzipien soll die Studierenden schnell in die Ferti
gungslehre einführen. Im Hinblick auf neueAufgabenfelder des Fachgebietes
wurden auch Verfahren zur Bearbeitung keramischerWerkstoffe sowie nicht
metallischer Werkstoffe auf natürlicher Basis wie z.B. Holzwerkstoffe
aufgenommen. Ferner wurde der Miniaturisierung von Produkten und
Komponenten durch die Techniken der Mikrofertigung mehr Bedeutung bei
gemessen. Schließlich wurde der gesamte Produktlebenszyklus mit den As
pekten des Recyclings technischer Produkte betrachtet.
Ich möchte meinem Mitarbeiter, Herrn Dipl.-Ing. Bernhard Gottwald, be
sonders danken, der sich um die Überarbeitung dieses Buches wieder maß
geblich verdient gemacht hat. Er unterstützt mich seit mehreren Jahren auch
bei der Vorlesung "Einführung in die Fertigungslehre" an der Universität
Stuttgart durch die Nutzung multimedialer Techniken. Diese Vorlesung wird
vollständig mit modernen Mitteln der Informationsverarbeitung gehalten und
allen Studierenden über das Internet zugänglich gemacht. Unser Ziel ist es,
den Dialog mitden Studierenden indieserWeise weiterauszubauen.
Vorwort V
Mein Dank gilt ferner den Mitarbeitern des Institutes für Industrielle
Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart sowie des Fraunhofer
Institutes für Produktionstechnik und Automatisierung, die an der Über
arbeitung mitgewirkt haben.
DemTeubner-Verlag, insbesondere den Herren Dipl.-Ing.Ewald Schmitt und
Ingo Busch, danke ich für die gute Zusammenarbeit und die zügige Ver
öffentlichung dieses Buches.
Stuttgart,imMärz 2001 Engelbert Westkämper
Inhaltsverzeichnis VII
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen zur Fertigungstechnik.................................................. 1
1.1 Produktion als Wertschöpfungsprozess......................... 1
1.2 Strategien der Produktion............... 2
1.3 Elementedes Produktionsprozesses............................................ 4
1.4 Einteilungder Fertigungsverfahren 7
2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungenbeider Auswahl von
Fertigungsverfahren. 13
2.1 TechnologischerVariantenvergleich........................................... 14
2.2 Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich.......................... 16
2.2.1 Kostenrechnung und Kalkulation 16
2.2.2 Wirtschaftlichkeitsrechnung........................................... 20
3 Qualitätsmerkmale gefertigterTeile 25
3.1 Maße,Toleranzen und Passungen fürLängenmaße 26
3.1.1 Normzahlen und Normmaße 27
3.1.2 Maße und Abmaße......................................................... 28
3.1.3 Toleranzsysteme............................................................. 30
3.1.4 Passungsarten und Passsysteme 33
3.1.5 Passungsauswahl. 34
3.2 Technische Oberflächen.............................................................. 36
3.2.1 Ordnungssystemfür Gestaltabweichungen..................... 36
3.2.2 Form- und Lagetoleranzen 37
3.2.3 Rauheit und Welligkeitvon Oberflächen 41
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Werkstoffe.......................................................................................... 45
4.1 ArtenchemischerBindungen 45
4.2 KristallineundamorpheFestkörper 47
4.3 MetallischeWerkstoffe 48
4.3.1 Eisenwerkstoffe.............................................................. 54
4.3.2 Nichteisenmetalle.......... 57
4.4 NichtmetallischeWerkstoffe....................................................... 61
4.4.1 Kunststoffe 61
4.4.2 KeramischeWerkstoffe.................................................. 69
4.4.3 Holz......... 72
4.5 Faserverbundwerkstoffe 78
5 Metallbearbeitung 81
5.1 Urformen..................................................................................... 81
5.1.1 UrformenausdemflüssigenZustand............................. 81
5.1.1.1 GießenmitverlorenenFonnen........................ 84
5.1.1.2 GießenmitDauerformen 94
5.1.2 UrformenausdemionisiertenZustand 101
5.1.3 UrformenausdemfestenZustand 102
5.2 Umformen 105
5.2.1 Druckumformen 106
5.2.1.1 Walzen............................................................. 106
5.2.1.2 Gesenkformen.................................................. 111
5.2.1.3 Eindrücken....................................................... 114
5.2.1.4 Durchdrücken................. 114
5.2.2 Zugdruckumformen........................................................ 118
5.2.2.1 Durchziehen.... 118
5.2.2.2 Tiefziehen........................................................ 119
5.2.2.3 Drücken 121
5.2.3 Zugumformen................................................................. 123
5.2.3.1 Streckziehen 123
5.2.3.2 Hohlprägen 124
Inhaltsverzeichnis IX
5.3 Trennen . 124
5.3.1 Zerteilen . 125
5.3.1.1 Einfaches Scherschneiden . 125
5.3.1.2 Sonderverfahrendes Scherschneidens . 128
5.3.2 Spanenmit geometrischbestimmtenSchneiden . 130
5.3.2.1 Drehen . 137
5.3.2.2 Bohren, Senken, Reiben . 139
5.3.2.3 Fräsen . 141
5.3.2.4 Räumen . 144
5.3.3 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden . 147
5.3.3.1 Schleifen . 147
5.3.3.2 Strahlspanen . 150
5.3.4 Abtragen . 153
5.3.4.1 ThermischesAbtragen . 154
5.3.4.2 Abtragen mit Elektronenstrahlen . 159
5.3.4.3 ChemischesAbtragen .. 161
5.3.4.4 Elektrochemisches Abtragen . 161
5.4 Fügen 162
5.4.1 Schweißen . 162
5.4.1.1 Pressschweißen . 165
5.4.1.2 Schmelzschweißen . 171
5.4.2 Löten . 178
5.4.3 Kleben . 180
5.5 Beschichten . 182
5.5.1 Beschichten aus dem flüssigen Zustand . 183
5.5.2 Beschichten aus dem festen Zustand . 197
5.5.3 Beschichten aus dem gas- oder
dampfförmigen Zustand . 199
5.5.4 Beschichten aus dem ionisiertenZustand . 204
5.5.4.1 Anodische Oxidation .. 206
5.5.4.2 ElektrolytischeTauehabscheidung .. 207
5.5.4.3 ChemischeTauehabscheidung
(Reduktionsverfahren) . 208
x Inhaltsverzeichnis
5.6 Stoffeigenschaftändern................................................................ 209
5.6.1 GrundlagenderWärmebehandlung
vonStahlwerkstoffen...................................................... 209
5.6.2 ThermischeWärmebehandlungsverfahren
vonStahlwerkstoffen...................................................... 213
5.6.3 ThermochemischeWärmebehandlungsverfahren
vonStahlwerkstoffen...................................................... 220
5.6.4 WärmebehandlungvonEisen-Gusswerkstoffen............. 222
5.6.5 WärmebehandlungvonNE-Metallen............................. 223
6 Kunststoftbearbeitung..................... 225
6.1 Urformen 226
6.1.1 Extrudieren............................................................ 226
6.1.2 Blasformen 231
6.1.3 Spritzgießen 232
6.1.4 Pressen............ 234
6.1.5 Schäumen 234
6.1.6 UrformenfaserverstärkterFormteile 235
6.2 Umformen 236
6.3 Trennen 238
6.4 Fügen.... 240
6.4.1 Schweißen 240
6.4.2 Kleben................... 242
6.5 Beschichten 243
7 Keramikbearbeitung 245
7.1 Urformen..................................................................................... 245
7.2 Trennen....................................................................................... 254
7.2.1 SpanenmitgeometrischunbestimmtenSchneiden......... 255
7.2.1.1 Schleifen 255
7.2.1.2 Honen 257
7.2.1.3 Läppen 258
7.2.2 ThermischesAbtragen.................................................... 261
