Fertigungsverfahren 1: Drehen, Fräsen, Bohren

562 Pages·2008·35.19 MB·German

by  Fritz Klocke, Wilfried König (auth.)

Fertigungsverfahren 1
Achte Auflage
Fritz Klocke ⋅ Wilfried König
Fertigungsverfahren 1
Drehen, Fräsen, Bohren
Achte Auflage
123
Professor Dr.-Ing. E. h. Fritz Klocke
Professor em. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Wilfried König †
RWTH Aachen
Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren
Steinbachstr. 19
52074 Aachen
[email protected]

ISBN 978-3-540-23458-6 e-ISBN 978-3-540-35834-3

DOI 10.1007/978-3-540-35834-3

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Vorwort zum Kompendium
„Fertigungsverfahren“
Verfahrensauswahl und Verfahrensgestaltung sind Schlüsselfunktionen für die
wirtschaftliche Herstellung hochqualitativer Produkte, sowohl in der Industrie als
auch im Handwerk. Die Technologie der Fertigungsverfahren gehört zum elemen-
taren Rüstzeug eines jeden Betriebsingenieurs, aber auch Konstrukteure müssen
sich in diesem Bereich orientieren, da bei ihnen eine hohe Verantwortung für die
Herstellkosten liegt.
Der Studierende und der um seine Fortbildung bemühte Praktiker stehen glei-
chermaßen vor einer Fülle von Literatur, die nur schwer zu überschauen ist. Das
vorliegende Kompendium hat die Intention, dem interessierten Leser zu einem
guten Überblick des Gebietes zu verhelfen, und den noch unentschlossenen Stu-
dierenden davon zu begeistern, physikalische Wirkzusammenhänge zu erkennen,
und diese durch den geschickten fertigungstechnischen Einsatz erfolgreich für die
Industrie nutzbar zu machen. In diesem Sinne ist es mein Anliegen, über die Be-
schreibung der einzelnen Verfahrensprinzipien hinaus, vor allem grundsätzliche
Einblicke in die ihnen zu Grunde liegenden Wirkmechanismen zu vermitteln.
Die Aufteilung des umfangreichen Stoffs der spanabhebenden Fertigungsver-
fahren erfolgte auf zwei Bände. Die umformenden Fertigungsverfahren, Massiv-
umformung und Blechumformung, wurden in einem eigenständigen Band zusam-
mengeführt. Den Fertigungsverfahren des Urformens wurde in einem weiteren
Band ein angemessener Umfang eingeräumt, da die Herstellung der Halbzeuge für
alle anderen Verfahren eine wichtige Rolle spielt. Die Aufteilung der Reihe „Fer-
tigungsverfahren“ liegt damit wie folgt vor:
Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren
Band 2: Schleifen, Honen, Läppen
Band 3: Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung
Band 4: Umformen
Band 5: Urformen
In jedem Band werden Verfahrensgruppen mit ähnlichem Wirkprinzip zusam-
mengefasst.
vi Vorwort zum Kompendium „Fertigungsverfahren“
Im ersten Band ist ein verfahrensübergreifender Abschnitt zur Fertigungs-
messtechnik und Werkstückqualität dem weiteren Inhalt vorangestellt. Innerhalb
der einzelnen Bände wurde Wert darauf gelegt, eine enzyklopädische Verfah-
rensauflistung zu vermeiden. Dies gelang durch eine logische Struktur, die sich am
Wirkprinzip orientiert. Besonders aus didaktischen Gründen hat sich diese Vorge-
hensweise in der Hochschulpraxis bestens bewährt. Daran schließt sich die Ablei-
tung der Werkzeugbeanspruchung und deren einsatzgerechte Gestaltungsmög-
lichkeiten an. Abschließend werden die einzelnen Verfahrensvarianten im Detail
vermittelt.
Das Kompendium richtet sich an Ingenieure und Studenten der Ingenieur-
wissenschaften der Bereiche Produktionstechnik, Fertigungstechnik sowie Kon-
struktion und Produktentwicklung. Dem Betriebsingenieur soll das Kompendium
zur Auffrischung und Erweiterung seiner Kenntnisse unterstützend und hilfreich
zur Seite stehen. Ich wünsche den Lesern, dass dieses Buch ihnen Wege bietet, auf
denen sie durch ingenieurmäßiges Denken zu erfolgreichem Handeln geführt wer-
den.
Aachen, Dezember 2007 Fritz Klocke
Vorwort zu Band 1 „Drehen, Fräsen, Bohren“

Der vorliegende Band behandelt das Spanen mit geometrisch bestimmten Schnei-
den. Er wendet sich sowohl an den in der Praxis tätigen Ingenieur als auch an den
Studenten der Ingenieurswissenschaften.
Dieses Buch basiert auf der Vorlesung „Fertigungstechnik I und II“ und den
dazugehörigen Übungen, die an der RWTH Aachen gehalten werden. Zur weiteren
Verbesserung des Verständnisses werden viele aktuelle Anwendungsbeispiele aus
der Praxis herangezogen.
Die vorliegende 8. Auflage wurde vollständig überarbeitet und neu strukturiert.
Ein ausführliches Kapitel über die Zerspanbarkeit der wichtigsten Werkstück-
werkstoffe wie z. B. Stähle und Gusseisen, Leichtmetalllegierungen und hoch-
warmfeste Materialien vermittelt ein breites Wissen über das wechselseitige Zu-
sammenwirken von Werkstoff, Schneidstoff und Verfahrensparametern. In der
achten Auflage wurde das Buch durch neue Kapitel über die Zerspanbarkeit von
Magnesium und nichtmetallischen Werkstoffen sowie über den Einsatz numeri-
scher Methoden für die Simulation in der Zerspantechnik ergänzt.
Für die vollständige Überarbeitung und Neustrukturierung dieser achten Auf-
lage möchte ich mich bei meinen Mitarbeitern, den Herren Dr.-Ing. M. Abourid-
ouane, Dipl.-Ing. E. Bouzakis, Dr.-Ing. I. Essel, Dipl.-Ing. C. Essig, Dipl.-Ing.
R. Fritsch, Dipl.-Ing. P. Frank, Dr.-Ing. K. Gerschwiler, Dr.-Ing. S. Hoppe,
Dipl.-Ing. D. Lung, Dr.-Ing. C. Klöpper, Dipl.-Ing. H. Kratz, Dr.-Ing. K. Risse,
Dipl.-Ing. H. Sangermann, Dipl.-Ing. R. Schlosser, Dipl.-Ing. D. Veselovac, Dipl.-
Ing. H. Willms sowie Frau Dipl.-Ing. S.E Cordes, die auch für die Koordination
der Arbeiten an diesem Buch verantwortlich war, bedanken. Ferner gilt mein Dank
auch den ehemaligen Assistenten, die bei der Erstellung der vorhergehenden
sieben Auflagen mitgewirkt haben und jetzt leitende Positionen in der Industrie
einnehmen.
Aachen, Dezember 2007 Fritz Klocke
Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung................................................................................................ 1
2 Fertigungsmesstechnik und Werkstückqualität................................... 3
2.1 Fertigungsstörungen und Fertigungshistorie................................. 3
2.2 Messen und Prüfen........................................................................ 9
2.2.1 Messfehler........................................................................ 10
2.2.2 Makro- und Mikrogeometrie von Bauteilen..................... 11
2.3 Längenprüfmittel........................................................................... 13
2.3.1 Maßverkörperungen......................................................... 13
2.3.2 Lehren.............................................................................. 14
2.3.3 Anzeigende Messgeräte................................................... 15
2.4 Oberflächenprüfung....................................................................... 23
2.4.1 Oberflächenkenngrößen................................................... 23
2.4.2 Subjektive Oberflächenprüfung....................................... 27
2.4.3 Oberflächenmessung........................................................ 28
2.5 Prüfung der Werkstückrandzone................................................... 32
2.5.1 Oberflächenschichten....................................................... 33
2.5.2 Prüfung der oberflächennahen Randschicht..................... 36
3 Grundlagen der Zerspanung................................................................. 41
3.1 Der Schneidteil – Begriffe und Bezeichnungen............................ 41
3.2 Bezugssysteme.............................................................................. 44
3.3 Grundlegende Verfahrensvarianten............................................... 48
3.4 Spanbildung................................................................................... 50
3.4.1 Der Schnittvorgang.......................................................... 50
3.4.2 Verschiedene Arten der Spanbildung............................... 53
3.5 Kinematische Oberflächenrautiefe................................................ 57
3.6 Mechanische und thermische Beanspruchung des Schneidteils.... 58
3.6.1 Einfluss der Geometrie des Schneidteils.......................... 72
x Inhaltsverzeichnis
3.7 Verschleiß...................................................................................... 75
3.7.1 Verschleißmechanismen.................................................. 75
3.7.2 Verschleißursachen.......................................................... 79
3.7.3 Verschleißformen und -messgrößen................................ 91
3.8 Zerspanungstherorie...................................................................... 93
3.8.1 Die Theorie der Scherebene............................................. 93
3.8.2 Anwendung der Plastizitätslehre bei der Zerspanung...... 99
4 Schneidstoffe und Werkzeuge................................................................ 103
4.1 Schneidstoffübersicht.................................................................... 104
4.1.1 Klassifizierung der harten Schneidstoffe......................... 105
4.2 Werkzeugstähle............................................................................. 108
4.2.1 Kaltarbeitsstähle............................................................... 108
4.2.2 Schnellarbeitsstähle.......................................................... 109
4.3 Hartmetalle.................................................................................... 119
4.3.1 Geschichtliche Entwicklung............................................ 120
4.3.2 Herstellung der Hartmetalle............................................. 121
4.3.3 Komponenten der Hartmetalle und ihre Eigenschaften... 123
4.3.4 Gefügeausbildung............................................................ 125
4.3.5 Einteilung der Hartmetalle............................................... 126
4.3.6 Unbeschichtete Hartmetalle und Cermets........................ 133
4.3.7 Funktionsgradienten-Hartmetalle (FGHM)...................... 133
4.3.8 Beschichtete Hartmetalle und Cermets............................ 137
4.4 Beschichtungen............................................................................. 137
4.4.1 Beschichtungsverfahren................................................... 138
4.4.2 Spezifische Eigenschaften von Hartstoffschichten.......... 163
4.4.3 Substratvorbehandlung.................................................... 175
4.5 Keramische Schneidstoffe............................................................. 176
4.5.1 Schneidkeramiken............................................................ 177
4.5.2 Hochharte nichtmetallische Schneidstoffe....................... 189
4.6 Werkzeugausführungen................................................................. 201
4.6.1 Massiv-Werkzeuge.......................................................... 202
4.6.2 Werkzeuge mit Schneidplatte.......................................... 204
4.7 Aufbereitung von Werkzeugen...................................................... 212
5 Finite Elemente Methode (FEM)........................................................... 215
5.1 Grundlegende Konzepte der FEM................................................. 215
5.2 LAGRANGEsche und EULERsche Betrachtung des Kontinuums..... 217
5.3 Explizite und implizite Lösungsverfahren..................................... 218
5.4 Thermo-mechanisch gekoppelte FEA........................................... 219
5.5 Nichtlinearitäten............................................................................ 219
5.6 Stoffgesetze................................................................................... 220
5.7 Software........................................................................................ 223
5.8 Hardware....................................................................................... 224
Inhaltsverzeichnis xi
5.9 Phasen einer Finite Elemente Analyse (FEA)............................... 225
5.10 Einsatz der FEM in der Zerspantechnik........................................ 226
5.10.1 Simulation des Fließspans................................................ 226
5.10.2 Simulation eines Scherspans............................................ 229
5.10.3 Simulation der Zerspanprozesse...................................... 232
6 Kühlschmierstoffe (KSS)........................................................................ 239
6.1 Aufgaben der Kühlschmierstoffe................................................... 239
6.2 Arten von Kühlschmierstoffen...................................................... 239
6.2.1 Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe....................... 240
6.2.2 Wassergemischte Kühlschmierstoffe............................... 242
6.3 Gebrauchshinweise für Kühlschmieremulsionen.......................... 242
6.4 Auswirkungen der KSS auf den Zerspanprozess........................... 244
6.5 Auswahl von Kühlschmierstoffen................................................. 247
6.6 Kühlschmierstoffeinsatz verringern oder vermeiden..................... 249
6.6.1 Kühlschmierstoffe verringern.......................................... 249
6.6.2 Minimalmengenkühlschmierung (MMKS)...................... 250
6.6.3 Kühlschmierstoffe vermeiden.......................................... 255
7 Standvermögen....................................................................................... 259
7.1 Ermittlung der Standgrößen........................................................... 261
7.2 Zerspanbarkeit............................................................................... 262
7.2.1 Standzeit........................................................................... 262
7.2.2 Zerspankraft..................................................................... 265
7.2.3 Oberflächengüte............................................................... 268
7.2.4 Spanform.......................................................................... 271
7.2.5 Schnittgeschwindigkeit.................................................... 272
7.3 Zerspanbarkeit von Stahlwerkstoffen............................................ 273
7.3.1 Gefügebestandteile........................................................... 273
7.3.2 Kohlenstoffgehalt............................................................. 276
7.3.3 Legierungselemente......................................................... 278
7.3.4 Wärmebehandlungsarten.................................................. 281
7.4 Zerspanbarkeit unterschiedlicher Stahlwerkstoffe......................... 288
7.4.1 Automatenstähle.............................................................. 288
7.4.2 Einsatzstähle.................................................................... 291
7.4.3 Vergütungsstähle.............................................................. 293
7.4.4 Nitrierstähle...................................................................... 294
7.4.5 Werkzeugstähle................................................................ 295
7.4.6 Gehärtete Stähle............................................................... 297
7.4.7 Nichtrostende Stähle........................................................ 300
7.5 Zerspanbarkeit von Gusseisen....................................................... 307
7.5.1 Weißes Gusseisen............................................................ 308
7.5.2 Graues Gusseisen............................................................. 310
xii Inhaltsverzeichnis
7.6 Zerspanbarkeit von Nichteisenmetallen........................................ 319
7.6.1 Aluminiumlegierungen.................................................... 319
7.6.2 Magnesiumlegierungen.................................................... 321
7.6.3 Titanlegierungen.............................................................. 325
7.6.4 Kupferlegierungen........................................................... 341
7.6.5 Nickellegierungen............................................................ 345
7.7 Zerspanbarkeit von Nichtmetallen................................................. 360
7.7.1 Graphit............................................................................. 360
7.7.2 Faserverbundkunststoffe.................................................. 364
8 Prozessauslegung und Prozessüberwachung........................................ 371
8.1 Bestimmung wirtschaftlicher Schnittbedingungen........................ 371
8.1.1 Schnittwertgrenzen.......................................................... 371
8.1.2 Optimierung der Schnittwerte.......................................... 374
8.1.3 Berechnung des Maschinenstundensatzes........................ 383
8.1.4 Planungsmethoden und Hilfsmittel.................................. 384
8.2 Prozessüberwachung..................................................................... 386
8.2.1 Sensoren für die Prozessüberwachung............................. 387
8.2.2 Signalverarbeitung und Überwachungsstrategien............ 405
9 Verfahren mit rotatorischer Hauptbewegung...................................... 417
9.1 Drehen........................................................................................... 417
9.1.1 Plandrehen....................................................................... 419
9.1.2 Runddrehen...................................................................... 420
9.1.3 Schraubdrehen................................................................. 421
9.1.4 Profildrehen..................................................................... 423
9.1.5 Formdrehen...................................................................... 423
9.1.6 Weitere Verfahrensvarianten........................................... 425
9.2 Fräsen............................................................................................ 426
9.2.1 Verfahrensvarianten, spezifische Merkmale
und Werkzeuge................................................................ 430
9.3 Bohren........................................................................................... 452
9.3.1 Profilsenken..................................................................... 453
9.3.2 Rundbohren...................................................................... 454
9.4 Sägen............................................................................................. 477
9.4.1 Bandsägen........................................................................ 478
9.4.2 Hubsägen (Bügelsägen)................................................... 480
9.4.3 Kreissägen........................................................................ 481
10 Verfahren mit translatorischer Hauptbewegung................................. 483
10.1 Räumen.......................................................................................... 483
10.1.1 Plan- und Rundräumen.................................................... 485
10.1.2 Profilräumen.................................................................... 487
10.1.3 Formräumen..................................................................... 490