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Vorwort
Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gehört heute zu einer der Schlüsseltechnolo-
gien der modernen Fertigungstechnik. Unter Beachtung der ganzheitlichen Aspekte
des Wechselspieles zwischen Prozeß, Maschine, Werkzeug und Werkstück ist es
Anliegen dieses Buches, die besondere Bedeutung sowie Vorteile und Risiken der
Nutzung von HSC-Werkzeugen in der modernen Fertigung zu behandeln.
Schwerpunkte sind dabei die Prozeßmodellierung, meßtechnische Methoden zur
Werkzeugcharakterisierung und Prozeßverfolgung, die Werkzeugdimensionierung,
Werkzeugwerkstoffe und Schichtsysteme, neue Erkenntnisse aus Forschung und
Entwicklung zu weitverbreiteten Bearbeitungsprozessen, zur Betriebsmittelverwal-
tung und zu Parallelkinematiken sowie sicherheitstechnische Fragen. Unberücksich-
tigt mußten vorerst die Thematiken „Werkzeug als Sensor“ und „Kühl-Schmier-
Stoffe bzw. Trockenbearbeitung“ bleiben.
Das Buch soll sowohl in der täglichen Praxis wirkende Ingenieure als auch in For-
schung und Entwicklung tätige Fachkollegen und Studenten ansprechen. Zu diesem
Zweck wurden ausgewählte Softwaretools, Datenbanken bzw. Berechnungshilfen
beigefügt.
Es war Absicht, die auf verschiedensten Gebieten rund um das HSC-Werkzeug täti-
gen Spezialisten unterschiedlicher Schulen für die Mitarbeit an diesem Buch zu
gewinnen. Es ist mir an dieser Stelle deshalb ein besonderes Bedürfnis, allen Auto-
ren für die konstruktive, kreative und disziplinierte Zusammenarbeit zu danken,
ebenso meinen Kollegen und besonders meiner Frau für die umfangreichen redak-
tionellen Arbeiten.
Der Leser wird sicher erkennen, daß die hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse
ihren Ursprung in einer Vielzahl von Forschungsprojekten haben, wobei mit den
eigenen Grundlagenuntersuchungen bereits vor 25 Jahren begonnen wurde. Unsere
Zusammenarbeit mit vielen Betrieben der Werkzeugindustrie, des Werkzeugma-
schinenbaus sowie der verschiedensten Werkzeuganwender hat schließlich den
Anstoß gegeben, dieses Werk anzugehen. Möge die Anregung aus dem genannten
Kreis der Anwender, Entwickler, Forscher und Studenten auch zur guten Aufnahme
des Buches führen.
Mai 1999 Jürgen Leopold
VII
Inhalt
1 Einleitung...................................................................................................................1
1.1 Literatur............................................................................................................3
2 Neue Technologien der Fertigung.............................................................................5
2.1 Einführung........................................................................................................5
2.2 Produzieren im Grenzbereich von Leistung und Präzision..............................5
2.2.1 Steigerung des Zeitspanvolumens durch Erhöhung der
Schnittgeschwindigkeit..........................................................................8
2.2.2 Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit...............................................9
2.3 Adaptive und Lernfähige Maschinen...............................................................9
2.3.1 Einsatz von Sensorik zur Prozeßüberwachung und
prozeßnahen Qualitätsprüfung.............................................................10
2.3.2 Präventive Optimierung durch Prozeßsimulation................................12
2.4 Tendenzen neuer Fertigungstechnologien......................................................13
2.5 Zusammenfassung..........................................................................................15
2.6 Literatur..........................................................................................................15
3 Grundlagen..............................................................................................................17
3.1 Modellierung des Hochgeschwindigkeitsspanens..........................................17
3.1.1 Einleitung.............................................................................................17
3.1.2 Kontinuumsmechanische Grundlagen.................................................19
3.1.3 Geometrische und analytische Modelle der Spanbildung....................25
3.1.4 Finite-Elemente-Modellierung des Spanbildungsvorganges...............29
3.1.5 FEM-Modellierung des Hochgeschwindigkeitsspanens......................33
3.1.6 Zusammenfassung................................................................................46
3.1.7 Literatur................................................................................................47
3.2 Berechnung und Dimensionierung von HSC-Werkzeugen...........................51
3.2.1 Belastungen von HSC-Werkzeugen.....................................................51
3.2.2 Berechnungsmethoden.........................................................................52
3.2.3 CAD-FEM-Kopplung..........................................................................67
VIII Inhalt
3.2.4 Anwendungen......................................................................................68
3.2.5 Zusammenfassung................................................................................82
3.2.6 Literatur................................................................................................82
3.3 Prüfung von HSC-Werkzeugen......................................................................84
3.3.1 Grundlagen...........................................................................................84
3.3.2 Relevante Meßgrößen..........................................................................88
3.3.3 Meßverfahren.......................................................................................98
3.3.4 Beispiele für Messungen....................................................................106
3.3.5 Literatur..............................................................................................117
3.4 Sensing for High Speed Machining.............................................................119
3.4.1 Introduction: The Need for In-Process Monitoring...........................119
3.4.2 Sensor Requirements for High Speed Machining.............................120
3.4.3 Overview of Sensor Technology.......................................................123
3.4.4 Acoustic emission sensing.................................................................128
3.4.5 Signal Processing and Sensor Fusion................................................129
3.4.6 Summary............................................................................................133
3.4.7 References..........................................................................................133
3.4.8 Deutsche Zusammenfassung..............................................................137
4 HSC-Werkzeuge....................................................................................................141
4.1 Werkzeuge für den Formen- und Gesenkbau..............................................141
4.1.1 Einleitung...........................................................................................141
4.1.2 Schneidstoffe......................................................................................141
4.1.3 Werkzeugaufbau................................................................................145
4.1.4 Schneidengeometrie...........................................................................151
4.1.5 Strategien...........................................................................................153
4.1.6 Literatur..............................................................................................157
4.2 Aspekte der HSC-Bohrungsbearbeitung......................................................159
4.2.1 Einleitung...........................................................................................159
4.2.2 Hochgeschwindigkeitsbohren von Stahl mit
Wendeschneidplatten-Bohrern...........................................................160
4.2.3 Reiben................................................................................................167
Inhalt IX
4.2.4 Gewindeherstellung............................................................................179
4.2.5 Literatur..............................................................................................184
4.3 Schleifwerkzeuge für das Schleifen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten...185
4.3.1 Einführung..........................................................................................185
4.3.2 Das Hochgeschwindigkeitsschleifen..................................................185
4.3.3 Schleifwerkzeuge...............................................................................188
4.3.4 Die Werkzeugaufbereitung................................................................193
4.3.5 Sicherheitsanforderungen für Schleifkörper und Schleifwerkzeuge.197
4.3.6 Zusammenfassung..............................................................................201
4.3.7 Literatur..............................................................................................201
5 Schneidstoffe und Schichtsysteme für die HSC-Bearbeitung...............................203
5.1 Schneidstoffe für die HSC-Bearbeitung.......................................................203
5.1.1 Einleitung...........................................................................................203
5.1.2 Schneidstoffe......................................................................................204
5.1.3 Beschichtung......................................................................................211
5.1.4 HSC-Werkzeuge und Anwendungen.................................................213
5.1.5 Ausblick.............................................................................................217
5.1.6 Literatur..............................................................................................218
5.2 Schichtsysteme für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.........................219
5.2.1 Einleitung...........................................................................................219
5.2.2 Industriell verfügbare Schichtsysteme...............................................222
5.2.3 Schichtsysteme in der Entwicklung...................................................230
5.2.4 Zusammenfassung..............................................................................237
5.2.5 Literatur..............................................................................................237
6 Betriebsmittelverwaltung für die HSC-Bearbeitung.............................................241
6.1 Organisatorische Einordung im Unternehmen.............................................241
6.2 Funktionen der Betriebsmittelverwaltung....................................................243
6.2.1 Strategische Funktionen.....................................................................244
6.2.2 Taktische Funktionen.........................................................................245
6.2.3 Operative Funktionen.........................................................................245
6.3 Klassifizierung..............................................................................................246
6.4 Informationstechnik......................................................................................247
X Inhalt
6.5 Auswahl eines Betriebsmittelverwaltungssystems......................................249
6.5.1 Einsatzschwerpunkt...........................................................................250
6.5.2 Verwaltete Objekte............................................................................250
6.5.3 Verfügbare Funktionen......................................................................250
6.5.4 Realisierte Anbindungen / Unterstützte Schnittstellen......................251
6.5.5 Hard- und Softwarevoraussetzungen.................................................251
6.6 Einführung eines Betriebsmittelverwaltungssystems..................................252
6.6.1 Potentialaufdeckung...........................................................................253
6.6.2 Ist-Analyse.........................................................................................254
6.6.3 Vorbereitende Installationsmaßnahmen............................................254
6.6.4 Installation..........................................................................................255
6.6.5 Nutzungsstufen..................................................................................255
6.7 Kennzahlen zur Bewertung..........................................................................256
6.8 Literatur........................................................................................................258
7 Chancen für die HSC-Bearbeitung durch Parallelkinematiken.................................261
7.1 Parallelkinematik-Werkzeugmaschinen.......................................................261
7.1.1 Prinzip................................................................................................261
7.1.2 Einteilung...........................................................................................262
7.1.3 Ausführungen.....................................................................................263
7.1.4 Hybridkinematiken............................................................................265
7.2 Komponenten von PKM-Werkzeugmaschinen...........................................265
7.2.1 Steuerung...........................................................................................265
7.2.2 Streben und Gelenke..........................................................................269
7.3 Anwendungsbeispiel Werkzeug- und Formenbau.......................................270
7.3.1 Anforderungen...................................................................................270
7.3.2 Hexapod-Werkzeugmaschine Mikromat 6X.....................................272
7.4 Entwicklungspotential..................................................................................283
7.5 Literatur........................................................................................................284
8 Softwaretools, Werkzeug-Datenbanken und Berechnungshilfen.........................287
8.1 Arbeit mit der beigefügten Demo-CD..........................................................287
8.2 Berechnung von HSC-Werkzeugen mittels FEM........................................288
8.2.1 Beispiel 1: MAULSCHLÜSSEL.......................................................288
