Inhaltsverzeichnis Werkstoff- und Fertigungstechnik 1 ... · 3.3.6 Fräsen 65 3.3.7 Räumen 71...

WSFT-1Jg-2010_schueler Seite 1 ZWET

Inhaltsverzeichnis Werkstoff- und Fertigungstechnik 1.Jahrgang

1 Grundlagen der Prüftechnik 2

1.1 Grundbegriffe der Maßangaben und Toleranzen 5

1.2 Prüfmittel 7

1.2.1 Maßverkörperung (embodiments of measures) 7

1.2.2 Anzeigende Messgeräte (indicating measuring) 9

1.2.3 Lehren 19

2 Grundlagen der Fertigungstechnik 22

2.1 Begriffserklärung 22

2.2 Fertigungsverfahren 22

3 Trennen 25

3.1 Zerteilen 27

3.1.1 Keilschneiden 28

3.1.2 Scherschneiden 29

3.2 Spanen mit geometrisch bestimmter Schneidenform 31

3.2.1 Meißeln 31

3.2.2 Feilen 32

3.2.3 Sägen 34

3.3 Spanende Fertigung mit Werkzeugmaschinen 37

3.3.1 Bohren 42

3.3.2 Senken 50

3.3.3 Reiben 51

3.3.4 Gewinde schneiden 53

3.3.5 Drehen 58

3.3.6 Fräsen 65

3.3.7 Räumen 71

3.3.8 Hobeln und Stoßen 72

3.4 Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneidenform 74

3.4.1 Schleifen 74

3.4.2 Honen 80

3.4.3 Läppen 81

4 Werkstoffe 82

4.1 Einteilung der Werkstoffe 82

4.2 Eigenschaften der Werkstoffe 85

4.2.1 Physikalische Eigenschaften 85

4.2.2 Mechanisch technologische Eigenschaften 86

4.2.3 Chemisch technologische Eigenschaften 87

4.2.4 Fertigungstechnische Eigenschaften 88

4.3 Metallische Werkstoffe 89

4.3.1 Eisenmetalle 89

4.3.2 Nichteisen-Metalle 104


1 Grundlagen der Prüftechnik

Eine wichtige Voraussetzung für die maßgenaue Fertigung von Bauteilen, welche nach der Montage ihre Funktion erfüllen sollen, ist die genaue Prüfung der geforderten Abmessungen. Das Prüfen in der Technik wird unter genau festgelegten Bedingungen durchgeführt.

Vergleich Sollzustand – Istzustand

z.B. Es soll der Reifenluftdruck eines KFZ überprüft werden.

Den vom Reifenhersteller vorgegebene Reifendruck nennt man Sollzustand (z.B. 2 bar).

Den tatsächlichen Reifendruck muss man durch Prüfen ermitteln und wird Istzustand (z.B. 1,8 bar) genannt.

Prüfen heißt feststellen, ob der Werkstoff oder das Werkstück die vorgeschriebenen Bedingungen erfüllt, (z.B. Maß- und Formgenauigkeit, Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Härte).

• Subjektives Prüfen (subjective testing)

erfolgt durch persönliche Sinneswahrnehmung wie Sehen, Fühlen, Tasten, Riechen.

• Objektives Prüfen (objective testing)

erfolgt sachlich mit Hilfe von Prüfmitteln wie Messgeräte und Lehren.


Bei den Prüftätigkeiten ist zu unterscheiden zwischen Messen und Lehren.

• Messen

ist das Vergleichen der zu messenden Größe (z.B. Länge, Winkel, Masse, Gewicht) eines Werkstückes, mit einer physikalischen Grundgröße.

Beispiele von physikalischen Grundgrößen: Länge 1 Meter Strichmaßstab, Messschieber Winkel 1 Grad Winkelmessgerät Masse 1 Gramm Waage Gewicht 1 Newton Kraftmesser, Federwaage

Messen erfolgt mit geeigneten Messgeräten. Das abgelesene Ergebnis ist der Messwert. Er ergibt sich als Produkt aus einem Zahlenwert und einer Einheit.

Beispiele von Messwerten: Länge = 35 mm (35 = Zahlenwert, mm = Einheit) Winkel = 30° 15' Masse = 4,6 kg Gewicht = 20 N

Prüfen

subjektives Prüfen

objektives Prüfen

Sinneswahr-nehmung

Lehren Messen

Gut / Ausschuss

Messwert

mit Maßver-körperung

mit anzeigenden Messgeräten


• Lehren

ist das Vergleichen der Form oder des Maßes eines Werkstückes mit einer Lehre (z.B. Flachwinkel, Radienlehre etc.). Man stellt fest, ob zwischen Werkstück und Lehre eine Abweichung vorhanden ist. Das Ergebnis des Lehrens zeigt an ob das Werkstück gut oder unzulässig ist. Ein Zahlenwert der Abweichung kann dabei nicht festgestellt werden.

Geprüft wird:

• vor der Fertigung d.h. bei Anliefern des Werkstoffes oder der Werkzeuge � Eingangsprüfung

• während der Fertigung � Fertigungsprüfung

• am Ende der Fertigung am fertigen Werkstück � Endprüfung

Allgemeine Arbeitsregeln beim Messen:

• Messwerkzeuge nicht zu lange in der bloßen Hand halten (Ausdehnung � Falschmessung).

• Messungen sollen möglichst bei 20 °C (Bezugstemperatur für Messwerkzeuge und Werkstücke) durchgeführt werden � warm gewordene oder sehr kalte Werkstücke nicht messen.

• Vor dem Messen die zu messenden Flächen säubern und Grate entfernen.

• Messwerkzeuge sorgsam behandeln; immer getrennt von anderen Werkzeugen aufbewahren.


1.1 Grundbegriffe der Maßangaben und Toleranzen

Metrisches Maßsystem

Die Maßeinheit (das Vergleichsmaß) ist der Meter. Vom Meter, als Maßeinheit, sind die anderen Maßgrößen abgeleitet:

1 Meter (m) = 10 Dezimeter (dm) = 100 Zentimeter (cm) = 1000 Millimeter (mm).

Sehr kleine Messgrößen werden in der Technik in Teilen von Millimetern angegeben.

1 Zehntelmillimeter = 1/10 mm = 0,1 mm 1 Hundertstelmillimeter = 1/100 mm = 0,01 mm 1 Tausendstelmillimeter = 1/1000 mm = 0,001 mm = 1 Mikrometer … 1 µm

In allen Werkzeichnungen des Metallgewerbes sind die Maße in Millimetern anzugeben!

Zoll-Maßsystem

Als Maßeinheit dient das Zoll ("), engl.: inch. 1 Zoll = 1" = 25,4 mm. Teile eines Zolls schreibt man als Bruch. z.B. 1/4",

1/2", 3/4", 1

1/4", 11/2".

Sehr kleine Zollwerte werden in 1/1000 Zoll angegeben. 12 Zoll = 1 Fuß, 3 Fuß = 1 Yard

Toleranzen (tolerance)

In der Fertigung ist es unmöglich Werkstücke 100% exakt herzustellen. Daher lässt man bestimmte Abweichungen von den als ideal geforderten Maßen zu. Trotz dieser zulässigen Abweichungen muss gewährleistet sein, dass das Werkstück mit dem Gegenstück zusammenpasst (z.B. Schraube und Mutter).

z.B. der Abstand zwischen zwei parallelen Kanten eines Werkstückes ist in der Fertigungszeichnung angegeben. Vom Konstrukteur wird das ideale Maß (28 mm) für die Fertigung und auch für die Prüfung festgelegt. Dieses Maß bezeichnet man als Nennmaß N (nominal size).


Bei der Fertigung kann das Nennmaß nie genau eingehalten werden. Man legt deshalb in der Regel zulässige Abweichungen fest (zweite Angabe). Die Grenzen der zulässigen Abweichung werden durch das obere Abmaß es (+0,04) und das untere Abmaß ei (-0,02) angegeben.

e ecart Abstand

s superieur oben

i inferieur unten

Der größtmögliche Grenzwert heißt Höchstmaß Go

Go = N + es = 28 + 0,04 = 28,04 mm

der kleinstmögliche Grenzwert Mindestmaß Gu

Gu = N + ei= 28 + (- 0,02) = 27,98 mm

Der Unterschied zwischen Höchstmaß und Mindestmaß heißt Toleranz T.

T = Go - Gu = es – ei = 0,04 – (- 0,02) = 0,06 mm

Die Toleranz hat zwei Grenzwerte (Sollwerte), zwischen denen der Messwert (Istwert) liegen muss, wenn das Werkstück brauchbar sein soll.

Das Nennmaß in der Zeichnung ist 28 mm und der Istwert des ausgeführten Werkstückes darf somit:

nicht größer als der obere Grenzwert von 28,04 mm und nicht kleiner als der untere Grenzwert von 27,98 mm sein.

Wenn der gemessene Istwert größer bzw. kleiner als der jeweilige Grenzwert (Sollwert) ist, liegt ein Fertigungsfehler vor. Das Werkstück ist Ausschuss oder es muss nachgearbeitet werden.

Länge Winkel Nennmaß N 35 mm 30° obere Abmaß es + 0,03 mm + 45’

untere Abmaß ei - 0,04 mm - 20’

Höchstmaß Go 35,03 mm 30°45’

Mindestmaß Gu 34,96 mm 29°40’

Toleranz T 0,07 mm 1°05’


1.2 Prüfmittel

1.2.1 Maßverkörperung (embodiments of measures)

1.2.1.1 Parallelendmaße (slip gauges)

Parallelendmaße sind Blöcke aus gehärtetem Stahl, Hartmetall (höherer Verschleißwiderstand, geringere Wärmedehnung) oder Keramik mit zwei planparallelen Messflächen.

Sie sind die genauesten und wichtigsten Maßverkörperungen zur Längenprüfung. Parallelendmaße dienen für die Anfertigung und Kontrolle sämtlicher Messgeräte und Lehren.

Endmaße werden mit Genauigkeiten bis 0,0002 mm hergestellt.

Die Zusammenstellung der Endmaße erfolgt durch ein leichtes Andrücken, verbunden mit einer Drehbewegung. Nachdem die Messflächen mit Benzin gereinigt wurden, haften sie mit großer Kraft bis 300 N/cm² aneinander. Die Haftwirkung (Adhäsion) beruht auf Molekularkräften.

Parallelendmaße werden in Sätzen zusammengestellt angeboten, mit denen sich das erforderliche Maß leicht bilden lässt. Sie sind nach EN ISO 3650 genormt.

Beim Zusammenstellen von Endmaßkombinationen beginnt man mit der letzten Ziffer des Maßes, d.h. mit dem kleinsten Endmaß.

Satz Parallelendmaße Reihe Endmaß

[mm] Stufung der

Blöcke 1 1,001 . . . 1,009 0,001 2 1,01 . . . 1,09 0,01 3 1,1 . . . 1,9 0,1 4 1 . . . 9 1 5 10 . . . 90 10

Endmaßkombination 1. Endmaß 1,003 mm

2. Endmaß 1,050 mm

3. Endmaß 1,400 mm

4. Endmaß 7,000 mm

5. Endmaß 60,000 mm

Endmaß-kombination

70,453 mm


1.2.1.2 Einfache Längenmesszeuge

Der Strichmaßstab ist das einfachste Messgerät und wird nur bei groben Werkstattmessungen verwendet. Die Ablesegenauigkeit ist mit der Skalenteilung von etwa 0,5 mm begrenzt.

Größere Maße können mit dem Rollmaß

oder dem Bandmaß gemessen werden.

Diese bestehen aus dünnem Bandstahl mit einer Lackbeschichtung und wird aufgerollt.

Die Länge einer Kurvenlinie wird mit

dem Messrädchen durch Abrollen ermittelt.

Spitzzirkel und Taster

dienen zum Auf- und Übertragen eines Maßes vom Werkstück auf das Messzeug (z.B. Maßstab, Messschieber) oder umgekehrt, sowie auch zum Vergleichen der Werkstückabmessungen mit denen eines Muster-Werkstückes. Taster werden als Außentaster und Innentaster ausgeführt.

Tasterausführungen als Federtaster ermöglichen, nach dem Einstellen auf das zu prüfende Maß, ein Zusammendrücken der Tasterschenkel. Vorteil: Nach Herausnehmen des Tasters aus der Bohrung federt dieser wieder auf das zu prüfende Maß auf, z. B. beim Messen einer Innennut.


Unterscheidung direktes und indirektes Messen

Beim direkten oder unmittelbaren Messen wird die Länge des Werkstückes unmittelbar mit der Strichskala des Maßstabes verglichen.

Beim indirekten oder mittelbaren Messen wird der Messwert durch Zwischenschalten eines Messkörpers (z. B. Außentasters, Innentasters) festgestellt. Der Durchmesser eines Werkstückes wird mit dem Außentaster abgenommen und an der Strichskala gemessen.

Allgemeine Arbeitsregeln beim Messen mit Maßstäben und Tastern

• Nullstrich des Maßstabes muss genau mit der Werkzeugkante abschließen.

• Messfehler entstehen durch schiefe Blickrichtung, schräges Halten und abgenutzte Enden des Maßstabes.

• Taster dürfen nicht zu schwer- oder leichtgängig sein.

• Tasterschnäbel müssen bei der Maßabnahme parallel und rechtwinkelig zum Werkstück stehen.

• Taster nicht über die Messflächen drücken oder pressen (möglichst Gleiten durch Eigengewicht).

1.2.2 Anzeigende Messgeräte (indicating measuring)

1.2.2.1 Messschieber (vernier calliper)

Beim Messschieber („Schiebelehre“) wird die Messgröße direkt mit einem Strichmaßstab verglichen. Zur Erhöhung der Ablesegenauigkeit dient ein Hilfsmaßstab (Nonius).


Die Messschieber ermöglichen Messungen mit einer Ablesegenauigkeit von 0,1 mm, 0,05 mm oder 0,02 mm (je nach Ausführung des Nonius).

Außen- und Innenmaße werden mittels der beiden Messschenkel bzw. -schneiden gemessen, Tiefenmaße mit der Tiefenmessstange.

Bei geschlossenem Messschieber muss der Nullstrich des Nonius mit dem Nullstrich der Lineal-Millimeterteilung zusammenfallen.

Aufbau und Teile eines Messschiebers (Universalmessschieber)

• Lineal mit Millimeter-Teilung und dem festen Messschenkel, sowie der festen Messschneide,

• dem Schieber (auf dem Lineal verschiebbar) mit dem zweiten Messschenkel und der zweiten Messschneide. Auf dem Schieber befindet sich eine Hilfsteilung, der Nonius.

• Einer Tiefenmessstange, die im Lineal eingebettet liegt und mit dem Schieber fest verbunden ist.

Nonien-Arten

• Zehntel-Nonius

Der Zehner-Nonius hat eine Länge von 19 mm und ist in 10 gleiche Teile geteilt.

Der Strichabstand der Noniusteilung beträgt: 19 mm / 10 = 1,9 mm. Der Strichabstand auf dem Hauptmaßstab beträgt: 2,0 mm. Die Differenz der beiden Teilungen beträgt: 2,0 mm -1,9 mm = 0,1 mm.

Bei einer Verschiebung des Schiebers um je 0,1 mm nach rechts kommen die Teilstriche des Nonius der Reihe nach mit den darüber stehenden Strichen der Millimeterteilung des Lineals zur Deckung.

• Zwanzigstel-Nonius

Der Nonius hat eine Länge von 39 mm und ist in 20 gleiche Teile geteilt.

Der Strichabstand der Noniusteilung beträgt: 39mm/20=1,95mm. Die Differenz der beiden Teilungen beträgt: 2,0mm-1,95 mm=0,05mm.

Ein deckender Noniusstrich zeigt 0,05 mm an. Dies ergibt beispielsweise am 5. Noniusstrich 5 x 0,05 mm = 0,25 mm.

• Fünfzigstel-Nonius

Der Nonius hat eine Länge von 49 mm und ist in 50 gleiche Teile geteilt.

Der Strichabstand der Noniusteilung beträgt: 49mm/50=0,98mm Der Strichabstand auf dem Hauptmaßstab beträgt: 1,0 mm. Die Differenz der beiden Teilungen beträgt: 1,0mm - 0,98mm=0,02mm.

Ein Noniusteil ist um 1/50 mm = 0,02 mm kleiner als 1 mm. Ein deckender Noniusstrich zeigt 0,02 mm an.


Ablesevorgang

Beim Ablesen betrachtet man den Nullstrich des Nonius als Komma. Links liest man auf der Strichskala die vollen Millimeter ab. Rechts sucht man den Teilstrich vom Nonius aus, der sich mit der Strichskala deckt.

1) Hauptteilung: Der Nullstrich des Nonius liegt zwischen 81 und 82 mm � Ablesung: 81 mm

2) Nonius-Teilung: Der 11. Noniusstrich (der 0-Strich wird nicht mitgezählt) deckt sich mit einem Strich der Hauptteilung � Ablesung = 11/20 mm.

Gesamtergebnis (Messwert) = 81 mm + 0,55 mm = 81,55 mm

Weitere Ausführungen von Messschiebern

• Werkstatt-Messschieber:

ohne und mit Schieber-Feineinstellvorrichtung, vorwiegend für Außenmaße.


• Messschieber mit Rundskala:

Die Schieberbewegung wird in eine Zeigerbewegung übersetzt. Die Ablesung erfolgt schneller und sicherer als beim Nonius.

Grobanzeige am Lineal (mm-Anzeige), Feinanzeige an der Rundskala mit Skalenteilung von 0,1mm, 0,05 mm oder 0,02 mm.

• Messschieber mit elektronischer Ziffernanzeige:

Millimeter, Zehntel- und Hundertstelmillimeter werden digital angezeigt. Ablesefehler sind dadurch kaum möglich.

Die Messwerte können über ein Datenkabel oder über Infrarot zu einem Rechner übertragen werden (zur Messwertdokumentation bzw. -verarbeitung).


• Tiefenmessschieber

Zum Messen der Tiefen von abgesetzten Bohrungen und Nuten dient die Tiefenmessstange der Tiefenlehre.

Der Tiefenmessschieber besitzt keine festen Messschenkel. Die Ablesung erfolgt ebenfalls mit dem Nonius.

1.2.2.2 Messschraube (micrometer)

Messschrauben ermöglichen Messungen mit einer Ablesegenauigkeit von 0,01 mm.

Sie werden für Außen-, Innen- und Tiefenmessungen verwendet.

Außen-Bügelmessschrauben

Aufbau und Teile der Außen-Bügelmessschraube:

Mantelhülse


In einem stabilen Bügel sind der feste Amboss und die Messspindel gelagert. Die Messspindel ist mit einem präzise geschliffenen Feingewinde versehen, dessen Steigung 0,5 mm (oder 1 mm, je nach Ausführung) beträgt und fest mit der Mantelhülse verbunden ist.

Messspindel und Mantelhülse sind der schraubbare (einstellbare) Teil. Spindelmutter, Skalenhülse und Bügel bilden den festen Teil der Messschraube.

Bei jeder ganzen Umdrehung der Mantelhülse schraubt sich die Messspindel um 0,5 mm vor oder zurück. Die feste Skalenhülse ist in der Längsrichtung in volle und halbe Millimeter eingeteilt.

Um beim Messen ein zu starkes Anziehen der Messspindel zu verhindern, ist die Bügelmessschraube mit einer Rutschkupplung ausgestattet. Bei zu starkem Messdruck dreht die Rutschkupplung frei durch und der Anpressdruck bleibt dadurch immer gleich groß.

Gegen Abnutzung sind vielfach die Messflächen mit Hartmetallauflagen versehen.

Skalenteilung der Mantelhülse:

• Bei Spindelsteigung 0,5 mm

Die Kegelfläche der Mantelhülse ist am Umfang in 50 Teile geteilt. Dreht man die Mantelhülse um einen Teilstrich, so verschiebt sich die Messspindel um 1/50 der Steigung, das ist 0,5 mm / 50 = 0,01 mm.

1 Teilstrich der Mantelhülse entspricht daher einem Messwert von 1/100 mm.

• Bei Spindelsteigung 1 mm

Die Mantelhülse ist in 100 Teile geteilt, so dass eine Drehung um einen Teilstrich ebenfalls einem Messwert von 1 mm / 100 = 0,01 mm entspricht.

Die Einteilung der halben Millimeter auf der Skalenhülse entfällt (Vorteil).

Damit die Ablesung auch hier genau durchgeführt werden kann, werden diese Messschrauben mit vergrößerter Mantelhülse ausgestattet.


Ablesevorgang:

Mittels der Kante der Mantelhülse werden auf der Skalenhülse [1] die ganzen und halben Millimeter abgelesen. Die 1/100 mm werden auf der Skala der Mantelhülse [2] abgelesen.

Der Messbereich von Bügelmessschrauben wird durch die Messspindellänge begrenzt. Sie werden daher für verschiedene Messbereiche in 25 mm-Sprünge gebaut:

z.B. 0-25, 25-50, 50-75, 75-100, 100-125 mm usw.

Vor dem Messen soll zuerst die Nullstellung geprüft werden. Dies geschieht mit Prüfmaßen.

Prüfmaße sind Stahlklötze oder zylindrische Messbolzen mit Längen, die dem Messbereich der Messschraube entsprechen.

Sie sind gehärtet, die Messflächen sind genau auf Maß geschliffen und geläppt.

Weitere Ausführungen von Messschrauben:

• Elektronische Messschraube mit digitaler Ziffernanzeige; Möglichkeit der Messwertdokumentation und -verarbeitung.

• Messschrauben mit Sondermesseinsätzen z.B. Gewinde-Messschraube


• Innen-Messschraube mit kugeligen Messflächen

1.2.2.3 Messuhr

Bei diesen Messzeugen tastet ein Messbolzen die Werkstückoberfläche ab. Der Taststift ist im Gehäuse als Zahnstange ausgebildet und überträgt seine Bewegung mechanisch auf ein kleines Zahnrad, das den Zeiger bewegt. Der Zeiger zeigt Maßabweichungen, Werkstückunebenheiten, Rundschläge an.

Durch die große Übersetzung wird jede Bewegung des Messbolzens stark vergrößert angezeigt.

Das Zifferblatt ist drehbar und ermöglicht die Einstellung der Nulllage.

Eine volle Umdrehung des großen Zeigers entspricht 1 mm. Die Strichskala ist in 100 gleiche Teile geteilt � ein Teilstrich bedeutet 0,01 mm.

Die Anzahl der ganzen Umdrehungen wird mit der Umlaufzähleinrichtung (kleine Zeiger) angezeigt.

Verwendung von Messuhren:

• Kontrolle der Ebenheit und Parallelität von Werkstückflächen (durch Abtasten und Feststellen der Abweichung).

• Kontrolle des Rundlaufes von Wellen, Rädern etc.

• Maßkontrolle von Werkstücken durch Vergleichsmessung.


Beispiel Vergleichsmessung

Ein Maß 30 ±0,05 mm ist zu kontrollieren.

Zuerst wird das Messgerät mit einem festen genauen Vergleichsmaß (z. B. Parallelendmaß) auf das Nennmaß (30,000 = Nullstellung) eingestellt.

Die Grenzwerte der zulässigen Toleranz (Größtmaß 30,05 mm, Kleinstmaß 29,95 mm) werden durch Zeigermarken auf der Messskala gut sichtbar eingestellt.

Dann wird das Werkstück mit dem eingestellten Messgerät abgetastet.

Dabei zeigt der Zeigerausschlag die Abweichungen vom Nennmaß - nach oben oder unten - an.

• Beim Werkstück "Gut"

muss das Messergebnis innerhalb der zulässigen Toleranz sein. Das Ist-Maß des Werkstücks kann zwischen 29,95 mm und 30,05 mm liegen � der Bauteil ist verwendbar.

• Beim Werkstück "Ausschuss"

liegen die Abweichungen außerhalb der zulässigen Toleranz � der Bauteil ist unbrauchbar.

Fühlhebelmessgeräte haben statt des Messbolzens einen Fühlhebel.

Durch diesen schwenkbaren Tasthebel sind sie für kleine Unterschiedsmessungen vielseitig einsetzbar, z. B. für Rundlaufprüfungen oder für das Ausrichten und Zentrieren von Werkstücken.


1.2.2.4 Winkelmesser

Als Einheit für Winkelmessungen wird ein Vollkreis in 360 gleiche Teile geteilt � 1 Grad (1°) = 60 Minuten (60´) 1´ = 60 Sekunden (60´´).

Einfache Winkelmesszeuge

Schmiegen haben einstellbare Schenkel und dienen zum Übertragen und zum Vergleichen von Winkeln.

Universalwinkelmesser

Wird für genaue Winkelmessungen verwendet. Er ermöglicht eine Ablesgenauigkeit von 5 Winkelminuten. Der feste Messschenkel ist mit der Vollkreisskale (Hauptskale, Ablesen der Winkelgrade) verbunden. Der verstellbare Messschenkel und die Winkelskale (Winkelnonius, Ablesen der Winkelminuten) sind gemeinsam um den Mittelpunkt der Hauptskale drehbar.


1.2.3 Lehren

Lehren sind Prüfmittel, die ein Maß oder eine Form verkörpern. Lehren ermöglichen die schnelle Prüfung wiederkehrender, gleicher Maße.

Festgestellt wird, ob das Ist-Maß oder die Ist-Form eines Werkstückes vom Soll-Maß oder der Soll-Form abweicht.

Achtung: Genauigkeit hängt von der Abnutzung der Lehren ab.

Bei den Lehren wird unterschieden:

• Maßlehren zum Prüfen von Längen eines Werkstücks wie Außenmaße (z. B. Dicken) und Innenmaße (z. B. Bohrungen, Schlitze, Nuten).

• Formlehren zum Überprüfen der Form eines Werkstückes wie Winkel, Radius und Rundung.

1.2.3.1 Maßlehren

Blechlehren bzw. Drahtlehren dienen für die Dickenmessung von Blechen und Drähten.

Fühllehren sind Stahlblättchen mit Dicken von 0,05 bis etwa 2 mm und meistens in Sätzen zusammengefasst. Sie dienen zum Prüfen des Spiels bei Gleitführungen, Lagern und Ventilen usw. Sie können einzeln oder in Verbindung miteinander verwendet werden.

Grenzlehren verkörpern das zulässige Höchstmaß und Mindestmaß. Grenzlehren für Bohrungen verkörpern neben den Grenzmaßen auch die Form.

Die Grenzmaße von tolerierten Werkstücken können mit entsprechenden Lehrdornen bei Bohrungen oder mit Lehrringen bei Wellen geprüft werden.


Taylorscher Grundsatz:

Die Gutlehre muss so ausgebildet sein, dass Maß und Form eines Werkstückes bei der Paarung mit der Lehre geprüft werden.

Mit der Ausschusslehre sollen nur einzelne Maße geprüft werden, z. B. der Durchmesser.

• Gutlehre verkörpert das Mindestmaß bei Bohrungen oder das Höchstmaß bei Wellen.

• Ausschusslehre verkörpert Höchstmaß von Bohrungen oder das das Mindestmaß von Wellen.

Ein Werkstück, das sich mit der Ausschusslehre paaren lässt, ist daher Ausschuss.

Grenzlehrdorne verwendet man zum Prüfen von Bohrungen und Nuten.

Die Gutseite verkörpert das zulässige Mindestmaß (Kleinstmaß). Die Gutseite muss durch ihr Eigengewicht in die Bohrung gleiten.

Die Ausschussseite hat einen kurzen Prüfzylinder, ist rot gekennzeichnet und mit dem oberen Abmaß beschriftet. Die Ausschussseite darf nur anschnäbeln.

Grenzrachenlehren eignen sich zur Prüfung von Durchmessern und Dicken von Werkstücken.


Die Gutseite verkörpert das zulässige Höchstmaß. Die Lehre muss durch ihr Eigengewicht über die Prüfstelle gleiten.

Die Ausschussseite hat abgeschrägte Prüfbacken, ist rot gekennzeichnet und mit dem unteren Abmaß beschriftet. Die Ausschussseite ist um die Toleranz kleiner und darf nur anschnäbeln.

1.2.3.2 Formenlehren

Radienlehren werden für die Kontrolle von Abrundungen und Hohlkehlen verwendet.

Das Prüfen erfolgt nach der Lichtspaltmethode, welcher zwischen Werkstück und Lehre möglichst klein sein soll.

Winkellehren verkörpern einen festen Winkel (Flachwinkel, Anschlagwinkel) und dienen zur Kontrolle von häufig vorkommenden Winkeln (z.B. 90°, 120°).

Das Prüfen geschieht nach der Lichtspaltmethode. Hält man das Werkstück mit der Winkellehre gegen das Licht, werden Abweichungen sichtbar.

Flachwinkel als Haarwinkel ausgeführt haben zwei keilartige Messkanten am langen Schenkel; sie dienen für feinste Kontrollzwecke.

Gewindeschablonen zur Kontrolle der Gewindesteigung. Gewindeschablone und Gewinde müssen einen möglichst engen Lichtspalt bilden.


2 Grundlagen der Fertigungstechnik

2.1 Begriffserklärung

Alle manuellen und maschinellen Vorgänge, die zur Herstellung von festen Körpern mit gewünschter Form (Rohteile wie auch Fertigteile) dienen, werden als Fertigungs-verfahren bezeichnet. Dazu gehören auch Vorgänge, die zur Änderung der Werkstoffeigenschaften führen (z.B. Härten).

Nach DIN 8580 werden die Fertigungsverfahren systematisch eingeteilt in Verfahren zur:

• Schaffung der Form eines festen Körpers (z.B. Gießen, Sintern)

• Veränderung der Form eines festen Körpers (z.B. Walzen, Schmieden, Drehen)

• Veränderung der Stoffeigenschaften eines Körpers (z.B. Härten)

2.2 Fertigungsverfahren

Die Fertigungsverfahren werden in 6 Hauptgruppen unterteilt:

Schaffen der Form

Ändern der Form Ändern der Stoffeigenschaften

Zusammenhalt schaffen

Zusammenhalt beibehalten

Zusammenhalt vermindern

Zusammenhalt vermehren

Hauptgruppe 1

Urformen

Hauptgruppe 2

Umformen

Hauptgruppe 3

Trennen

Hauptgruppe 4

Fügen

Hauptgruppe 5

Beschichten

Hauptgruppe 6

Stoffeigenschaft ändern

• Urformen: Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen eines Zusammenhalts (z.B. Gießen, Sintern, Extrudieren…).

• Umformen: Fertigen durch plastisches Ändern der Form eines festen Körpers (z.B. Biegen, Schmieden, Walzen, Ziehen …).


• Trennen: Formänderung eines festen Körpers durch örtliches Aufheben des Zusammenhalts. Dazu gehören Zerteilen (z.B. Schneiden mit Scheren) und die „spanende“ Bearbeitung (z.B. Feilen, Drehen, Fräsen, Schleifen …).

• Fügen: ist das Zusammenbringen zweier oder mehrerer Werkstücke (auch mit formlosem Stoff). D.h. Herstellung einer Verbindung der Körper. (z.B. Verschrauben, Schweißen, Löten, Kleben …).

• Beschichten: ist das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff (z.B. Lackieren, Verzinken, Galvanisieren, Pulverbeschichten …).

• Ändern der Stoffeigenschaften: ist das Ändern der Eigenschaften eines Werkstoffes; z.B. durch chemische Reaktion (z.B. Härten, Glühen, Entkohlen, Magnetiesieren …).


Fertigen ist das Herstellen und Bearbeiten von Werkstücken.

Meist erhalten Werkstücke ihre Rohform durch „spanlose“ Fertigung und anschließend ihre Fertigform durch „spanende“ Bearbeitung.

Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 und Zuordnung spanender Verfahren:

Fertigungsverfahren

Hauptgruppe 1

Urformen

Hauptgruppe 2

Umformen

Hauptgruppe 3

Trennen

Gruppe 3.2

Spanen mit geom. best.

Schneidenform

Gruppe 3.1

Zerteilen

Gruppe 3.3

Spanen mit geom. unbest. Schneidenform

Gruppe 3.4

Abtragen

Gruppe 3.5

Zerlegen

Gruppe 3.6

Reinigen

Gruppe 3.7

Evakuieren

Hauptgruppe 4

Fügen

Hauptgruppe 5

Beschichten

Hauptgruppe 6

Stoffeigen-schaft ändern

Dre

hen

Läpp

en

Hone

n

Sch

leife

n

Feile

n

Säg

en

Räum

en

Hobe

ln

Frä

sen

Bohre

n


3 Trennen

Grundlagen der Schneidengeometrie und der Spanbildung

Die Grundform jeder Werkzeugschneide ist der Keil.

Winkel an der Werkzeugschneide

Keilwinkel ββββ (beta):

Ist der Winkel zwischen Freifläche und Spanfläche des Werkzeuges. Er bestimmt das Eindringverhalten in den Werkstoff und die Standfestigkeit der Schneide.

β klein: für weiche Werkstoffe (Aluminium ~45°), geringer Kraftaufwand, das Werkzeug dringt in den Werkstoff leicht ein

β groß: für harte Werkstoffe (harter Stahl ~80°), großer Kraftaufwand, das Werkzeug dringt in den Werkstoff schwer ein

Freiwinkel αααα (alpha):

Ist der Winkel zwischen der Freifläche des Werkzeuges und der neu bearbeitenden Fläche (Schnittfläche). Er vermindert die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück.

α klein (ab 3°): für harte Werkstoffe

α groß (bis 12°): für weiche, plastisch verformbare Werkstoffe (Kunststoff)

Spanwinkel γγγγ (gamma):

Ist der Winkel zwischen der Spanfläche und der senkrecht gedachten Ebene auf die Schnittfläche. � α + β + γ = 90°. Er beeinflusst die Spanbildung und die Spanabfuhr.


γ klein bzw. sogar negativ: für harte und spröde Werkstoffe bei unterbrochenem Schnitt, beim Schruppen

γ groß: für weiche Werkstoffe bei begünstigt den so genannten Fließspan, beim Schlichten

Schnittwinkel δδδδ = αααα + ββββ (Delta):

δ klein bzw. mindestens unter 90°: für weiche Werkstoffe und das Werkzeug hat eine schneidende Wirkung

δ groß (Spanwinkel γ negativ): für harte bzw. spröde Werkstoffe und das Werkzeug hat eine schabende Wirkung

Spanbildung:

Die Spanbildung läuft nach vier Schritten ab:

• Plastische Verformung: der Schneidkeil staucht den Werkstoff.

• Rissbildung: der Schneidkeil dringt weiter in den Werkstoff ein und vor der Schneide entsteht ein voreilender Riss.

• Abscheren: der angestauchte Werkstoff wird vom Werkzeug abgeschert.

• Hochschieben: das Spanteilchen wird hochgeschoben und das nächste schließt sich an.

Spanarten:

Ein Span besteht aus mehreren zusammenhängenden Spanelementen. Die Spanarten sind abhängig von der Härte und Festigkeit des Werkstoffes und Größe des Spanwinkels γ.

• Reißspan (Bruchspan):

entsteht bei kleinem Spanwinkel γ und harten spröden Werkstoffen (hoher Kraftaufwand erforderlich). Der Span wird in kurzen Stücken aus dem Werkstoff heraus gebrochen und es entsteht eine raue Werkstück-Oberfläche. Der Reißspan ist meist unerwünscht.


• Scherspan:

entsteht bei einem Spanwinkel γ von 5° bis 25° und zähen Werkstoffen. Es entstehen meist kurze Spanlocken. Meist glatte Oberfläche, deren Qualität mit steigender Schnittgeschwindigkeit verbessert wird. Diese Spanart ist zu bevorzugen.

• Fließspan:

entsteht bei großem Spanwinkel γ (kleiner Schnittwinkel δ) und weichen Werkstoffen (NE –Metalle, Kupfer, Aluminium) sowie hohen Schnittgeschwindigkeiten (wenig Kraftaufwand erforderlich). Glatte Oberflächen aber endloser spiralförmiger Span � Gefahr von Verletzungen des Menschen bzw. Beschädigungen der Maschine und des Werkstücks.

Spanformen:

3.1 Zerteilen

Zerteilen ist das mechanische Trennen von Werkstoffen. Dabei erhält das Werkstück spanlos seine Form. Es können praktisch alle Werkstoffe wie Metall, Kunststoffe, Papier, Gummi verarbeitet werden.

Beim Zerteilen unterscheidet man zwei Verfahren:

• Keilschneiden ist das Zerteilen mit einer keilförmigen Schneide

• Scherschneiden ist das Zerteilen zwischen zwei Schneiden die sich aneinander vorbei bewegen


3.1.1 Keilschneiden

Beim Keilschneiden dringt der Keil durch Hammerschläge in den Werkstoff ein und drängt die Werkstoffteilchen nach beiden Seiten auseinander.

Schneidvorgang:

• Verformung:

das Werkstück erhält eine Einkerbung und verformt sich durch Wulstbildung.

• Rissbildung:

dringt der Keil weiter in das Werkstück ein, bildet sich ein Riss, der dem Keil vorauseilt.

• Bruch:

der Riss wandert durch das Werkstück weiter, bis durch die Querschnittsschwächung der Bruch eintritt.

Beim Trennen mit dem Meißel wird der Schneidkeil senkrecht in das Werkstück gedrückt und die senkrecht aufgebrachte Kraft F wird in zwei Komponenten normal zu den Keilflächen aufgeteilt. Diese beiden Kräfte FT schieben die Werkstoffteilchen auseinander.

Bei einem kleinen (spitzen) Keilwinkel β ist die Trennkraft FT groß, während bei einer gleich großen Kraft F und großem (stumpfen) Keilwinkel die Trennkraft FT klein ist.

Andererseits ist die Standfestigkeit des Werkzeuges umso größer, je größer der Keilwinkel β ist � für weiche Werkstoffe wie z.B. Aluminium ist β ca. 35° während bei harten Werkstoffen z.B. hochfesten Stahl β ca. 80° ist.

Anwendung: Meißel, Reißzange, Seitenschneider


3.1.2 Scherschneiden

Beim Scherschneiden erfolgt die Trennung durch Abscheren, wobei die beiden Scheren aneinander vorbei gleiten.

Schneidvorgang:

Die Schnittkräfte verlaufen nicht auf einer Linie und das Werkstück wird gekippt. Um das Kippen zu verhindern, muss ein Niederhalter das Werkstück festhalten.

• Eindringen und Verformung:

das Werkzeug dringt wie ein Keil in das Werkstück ein und verdrängt den Werkstoff.

• Schneiden:

dringt der Keil weiter in das Werkstück ein, beginnt der Schneidvorgang � der Werkstoff fließt.

• Bruch:

durch die Querschnittsschwächung tritt der Bruch ein.


Schneidkraft:

Der Schnitt beginnt zunächst mit plastischen Deformationen die mit einer Verfestigung des Materials verbunden sind. Mit weiterem Vordringen des Obermessers nähert sich die Spannung im Werkstoff der Scherfestigkeit τs.

Es treten unter der Wirkung der Abscherspannung τa von beiden Werkstücksseiten Anrisse auf, die schließlich zum vollständigen Durchtrennen führen.

Schneidspalt:

Zwischen den beiden Schneiden muss ein Schneidspalt vorhanden sein. Nur ein richtiger Schneidspalt ergibt eine saubere Schnittkante. Ist der Schneidspalt zu groß, wird das Werkstück zwischen den Schneiden gezogen und es entsteht ein großer Grat.

Die Größe des Schneidspaltes ist abhängig von: Werkstoffeigenschaft des Werkstückes Blechdicke Standzeit des Werkzeuges

Handscheren:

Bei den Handscheren wird die Schneidkraft durch Hebelwirkung übertragen und verstärkt.

Kraft x Hebelabstand = Kraftmoment

F x l = M

Σ M links = Σ M rechts

FS x lS = FH x lH

²]

mm[eS

cherfläch

]N[Scherkraft

nnung

Abscherspa

=²]

mm[A

]N[F

s

qa =τ


3.2 Spanen mit geometrisch bestimmter Schneidenform

3.2.1 Meißeln

Meißeln ist die einfachste Zerspanungstechnik. Der Meißel (chisel) hat nur eine Schneidkante.

Meißelaufbau:

• Meißelkopf:

dient zur Aufnahme der Hammerschläge, ist ballig und weich.

• Schaft:

dient zum Festhalten des Meißels, ist zäh und knickfest.

• Schneide:

geometrisch abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff, sie ist gehärtet.

Meißelarten:

• Flachmeißel:

gerade breite Schneide für Flächenbearbeitung oder Durchtrennen von Stählen.

• Aushaumeißel:

gewölbte breite Schneide zum Aushauen von Blechteilen.

• Kreuzmeißel:

gerade, kurze Schneide zum Aushauen von schmalen Nuten.

• Nutenmeißel:

gewölbte, kurze Schneide für gewölbte Schmiernuten von Lagerschalen.

Werkstoff αααα ββββ γγγγ

Grauguss 8° 80° 2°

Stahl 8° 70° 12°

Aluminium 15° 45° 30°


3.2.2 Feilen

Feile (file) ist das wichtigste Handwerkzeug zur Bearbeitung von Oberflächen. Auf dem Feilenkörper ist eine große Anzahl von Zähnen (geometrisch bestimmter Schneiden) neben- und hintereinander angeordnet. Bei der Anwendung sind stets mehrere Zähne im Eingriff, von denen jeder einzelne nur einen kleinen Span wegnimmt.

Zahnformen:

• gehauene Feilen: mittels eines Aufhaumeißels wird der Feilenwerkstoff vom Zahngrund verdrängt und zur Zahnspitze geschoben. Sie haben einen negativen Spanwinkel γ und dadurch schabende Wirkung und sind für Bearbeitung harter Werkstoffe geeignet.

• gefräste Feilen: Zahnlücken werden herausgefräst. Sie haben einen positiven Spanwinkel γ und somit schneidende Wirkung. Sie werden für weiche Werkstoffe verwendet, weil sie einen großen Spanraum haben.

Hiebarten:

Unter Feilenhieb versteht man die Anordnung der Zähne auf dem Feilenkörper.

• Einhiebige Feilen haben zur Spanabfuhr einen schrägen Hieb (= Feilenzahnreihe). Für sehr weiche Werkstoffe (Kunststoff). Spanbrechernuten erzeugen einen kurzen Span. Durch den schrägen Hieb neigt die Feile zum seitlichen Verlaufen. Vermeidung durch gebogenen Hieb.


• Gebogener Hieb dabei werden die Späne nach beiden Seiten abgeführt.

• Doppel- bzw. Kreuzhiebige Feilen sind gehauene Feilen wobei Oberhieb und Unterhieb unterschiedliche Winkel haben. Kreuzhiebfeilen greifen leichter als einhiebige Feilen.

• Raspelhieb: einzelne spitze Zähne der gehauenen Feile, welche reißend wirken und für Holz und andere weiche Werkstoffe eingesetzt werden.

Hiebteilung:

Hiebteilung ist die Anzahl der Hiebe pro Bezugslänge (10 mm). Feine Hiebteilung ergibt eine glatte Bearbeitungsfläche

Bei langen Feilen (250 mm) ist bei gleicher Hiebnummer die Hiebteilung kleiner als bei einer kurzen Feile (100 mm)

Oberflächenangabe:

Schruppen

Schlichten

Feinschlichten

Hieb-Nr: 1 2 3 4

Hiebteilung bei Feilenlänge 100 mm 17 23 28 34

Hiebteilung bei Feilenlänge 250 mm 8 13 17 21

mm

10/H

iebe

der

Anzahl

gHiebteilun

=


Feilenform:

A Flachfeile (stumpf) B Flachfeile (spitz) C Dreikantfeile D Vierkantfeile E Halbrundfeile F Rundfeile

Feilenbezeichnung:

Werkstattfeile E 250 – 2 DIN 7261

3.2.3 Sägen

ist Spanen mit einem vielzahnigen Werkzeug geringer Schnittbreite und geometrisch bestimmten Schneiden mit kreisförmiger oder gerader Schnittbewegung. Sägen dient zum Trennen von Werkstoffen durch Erzeugen einer Schnittfuge, sowie zum Herstellen von Nuten und Schlitzen.

Auf dem Sägeblatt (saw) ist eine große Anzahl von Zähnen hintereinander angeordnet. Es sind stets mehrere Zähne davon gleichzeitig im Eingriff � großer Spanraum erforderlich.

Zahnformen:

Die Winkel der Schneiden sind abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff (für Metall-sägen siehe Skizze).

Bei Handsägen besteht durch wechselnde Schnittkräfte die Gefahr des Einhackens � der Spanwinkel γ von 0° (schabende Wirkung).

Hiebnummer � Schruppfeile 13 Hiebe / 10 mm

Feilenlänge � 250 mm

Feilenform � Halbrundfeile


Grundsätzlich werden zwei Zahnformen unterschieden:

• Winkelzähne mit ebenen Zahnflächen

• Bogenzähne mit gebogenen Zahnflächen. Sie erreichen eine höhere Schnittleistung und können größere Kräfte aufnehmen.

Spanraum, Zahnteilung:

Die Größe des Spanraums ist abhängig von:

• Zahnform

• Winkeln an der Schneide

• Abstand der Zähne zueinander (=Zahnteilung) je dichter die Zähne, desto kleiner der Spanraum

Zahnteilung ist der Abstand zwischen zwei Zahnspitzen. (Bezugslänge bei Sägen meist 1 inch = 25,4 mm)

Sägeneinteilung:

Einteilung Zähnezahl Zahnteilung Anwendung

grob 16 / inch 25,4 mm/16=1,58 mm für Aluminium, Kupfer, Kunststoffe

mittel 22 / inch 25,4 mm/22=1,15 mm für unlegierter Stahl

fein 32 / inch 25,4 mm/32=0,79 mm für Stahlguss, dünnwandige Rohre, legierte Stähle

Zähnezahl

eBezugsläng

gZahnteilun

=


Freischneiden des Sägeblattes

Beim Sägen erwärmen sich das Sägeblatt und das Werkstück durch die Reibung. Deshalb muss der Sägespalt breiter sein als das Sägeblatt (die Säge muss sich seitlich freischneiden).

• geschränkte Zähne: abwechselnd nach rechts und links ausgebogene Zähne (Bandsägeblätter)

• Wellenschränkung: welliges Sägeblatt; meistens bei Handsägeblättern

• hinterschliffene Zähne: (bei Kreissägeblätter)

• eingesetzte Zähne: aus Hartmetall, welche breiter sind als das Sägeblatt (bei Kreissägeblätter)

Hand- und Maschinensägen:

• Bügelsäge: für Handarbeit

• Maschinenbügelsäge: geradlinige Schnittbewegung für Einzel- und Serienfertigung, jedoch Leerhub bei Rückwärtsbewegung.

• Kreissäge: kreisförmige Schnittbewegung, kein Leerhub � hohe Zerspanleistung; größere Werkstücke benötigen sehr große Sägeblattdurchmesser.

• Bandsäge: geradlinige Schnittbewegung für größere Werkstücke in der Einzelfertigung. Das Werkstück führt die Vorschubbewegung aus; das Sägeband ist endlos und verschweißt.

Sägeblätter werden entweder gefräst oder gestanzt.


3.3 Spanende Fertigung mit Werkzeugmaschinen

Gegenüber dem Spanen von Hand bietet die spanende Fertigung mit Werkzeug-maschinen mehrere Vorteile:

• Herstellungsgenauigkeit erhöht

• billigere und kürzere Bearbeitungszeit

• Arbeitssicherheit erhöht

• reproduzierbar

Bewegungen an Werkzeugmaschinen:

Bewegungen an der Werkzeugmaschine werden in vier Arten unterschieden:

1.) Schnittbewegung (Hauptbewegung) vc

Die Spanabnahme erfolgt durch die Schnittbewegung und kann kreisförmig oder geradlinig sein.

Die Schnittgeschwindigkeit vc ist die Geschwindigkeit mit der der Span vom Werkstück abgetrennt wird.

Bearbeitungs-verfahren

kreisförmige Bewegung ausgeführt vom:

geradlinige Bewegung ausgeführt vom:

Drehen Werkstück

Bohren Werkzeug

Fräsen Werkzeug

Räumen Werkzeug

Hobeln Werkstück

Stossen Werkzeug

Schleifen Werkzeug

geradlinig [m/min; (m/s schleifen)] Zeit

Weg

it

chwindigke

Schnittges

=tsvc =


Die Schnittgeschwindigkeit vc ist abhängig von:

• Werkzeug (Verschleißfestigkeit des Schneidstoffes)

• Werkstück (Festigkeit des Werkstoffes)

• Kühlmittel

2.) Vorschubbewegung vf

Die Vorschubbewegung sorgt für eine stetige (kontinuierliche) oder schrittweise Spanabnahme. (ansonsten nur eine einmalige Spanabnahme).

Je Umdrehung oder Hub wird das Werkzeug bzw. Werkstück weiterbewegt.

• kontinuierlich: Bohren, Drehen, Fräsen

• schrittweise: Hobeln, Stossen

Größe des Vorschubs f [mm/U] kontinuierlich (stetig) [mm/Hub] schrittweise

oder Vorschubbewegung vf [mm/min]

Wirkbewegung

Die Wirkbewegung ist die Resultierende aus Schnitt- und Vorschubbewegung

3.) Zustellbewegung

Die Zustellbewegung bestimmt die Spantiefe, d.h. wie tief das Werkzeug in das Werkstück eindringt. Sie verläuft normal auf die Vorschubbewegung. Die Schnitttiefe ap wird in mm gemessen und ist abhängig von:

• Werkzeug

• Werkstoff des Werkstücks

• Oberflächenanforderungen

• Leistung der Maschine

4.) Anstellbewegung

Vor dem Zerspanvorgang wird das Werkzeug an das Werkstück herangeführt. Wird in der Regel im Eilgang durchgeführt.


4 Einflussgrößen des Zerspanvorgangs

1.) Einflussgröße Bearbeitungsverfahren

Die Form des Werkstückes und die vorhandenen Maschinen bestimmen mit welchem Bearbeitungsverfahren ein Werkstück gefertigt wird.

Wichtigster Faktor bei der Auswahl der Bearbeitungsmaschine ist die Wirtschaftlichkeit.

• Bohren

• Drehen

• Fräsen

• Hobeln

• Schleifen

2.) Einflussgröße Werkzeugmaschinen

Die Werkzeugmaschine wirkt durch unveränderliche und veränderliche Einflussgrößen auf den Zerspanvorgang.

Die unveränderlichen Einflussgrößen sind durch die Konstruktion der Maschine vorgegeben:

• Größe

• Antriebsleistung

• Stabilität der tragenden Teile

• Maßgenauigkeit (Alter)

Die einstellbaren (veränderlichen) Größen sind:

• Schnittgeschwindigkeit vc

• Vorschub f

• Schnitttiefe ap

Sie bestimmen die Oberflächengüte, die Schnittleistung und die Standzeit des Werkzeugs.


Spanungsquerschnitt ist das Produkt aus Schnitttiefe und Vorschub.

• große Schnitttiefe ap, kleiner Vorschub f günstig für die Fertigung:

- schmaler, tiefer Spanquerschnitt - geringer Schnittdruck auf die Schneide - höhere Standzeit des Werkzeuges - geringere Oberflächenrauheit

• geringe Schnitttiefe ap, großer Vorschub f ungünstig für die Fertigung:

- breiter kurzer Spanquerschnitt - größerer Schnittdruck auf die Schneide - Wärme schlechter abgeführt � Standzeit des Werkzeuges kürzer - Oberfläche rauer

Um eine günstige Spanbildung zu erreichen, muss das Verhältnis zwischen Schnitttiefe ap und Vorschub f sein:

Schruppen

Ziel: rasche Annäherung an die Werkstückform � möglichst viel Werkstoff abspanen, erzeugt eine raue Oberfläche

• großer Vorschub

• große Schnitttiefe

• geringe Schnittgeschwindigkeit

Schlichten

Ziel: maßgenaues Herstellen der Werkstückform, erzeugt eine glatte Oberfläche

• kleiner Vorschub

• geringe Schnitttiefe

• hohe Schnittgeschwindigkeit

110

bis

14

fap

=


3.) Einflussgröße Werkzeug

Schneidenwerkstoff

Für Werkzeuge werden unterschiedliche Schneidenwerkstoffe verwendet:

• unlegierter Werkzeugstahl: billig, geringe Standzeit

• Schnellarbeitsstahl (HSS): hochlegierter Werkzeugstahl 2% Wolfram (W), 9% Molybdän (Mo), 1% Vanadium (V), 8% Kobalt (Co)

• Hartmetall (HM): dieser Verbundwerkstoff wird durch Sintern harter Wolframkarbide mit weicheren Bindemittel Kobalt (Co) erzeugt.

• Keramik: wird aus Aluminiumoxid ALO3 (Oxidkeramik) hergestellt.

• Diamant: der polykristalline Diamant ist fast so hart wie der natürliche Diamant, wird unter Druck aus Kohlenstoff erzeugt, teuer, hohe Standzeit

Form und Winkel an der Schneide beeinflussen auch die Zerspanung.

Kühl – und Schmiermittel

Erhöhung der Schnittleistung und Standzeit, da die Wärmeabfuhr verbessert und die Reibung verringert wird.

Unterteilung in:

• reine Schneidöle besitzen hohe Schmierfähigkeit und bringen guten Korrosionsschutz. Durch geringere Wärmeleitfähigkeit ist die Kühlwirkung geringer.

• wassermischbare Kühlschmierstoffe (Emulsion) Kombination der großen Kühlwirkung des Wassers mit der Schmierwirkung des Öls. Muss durch Rühren vermischt werden.

4.) Einflussgröße Werkstück

Die Eigenschaften des Werkstoffs beeinflussen ebenfalls den Zerspanvorgang:

• harter Werkstoff erfordert harten Schneidenwerkstoff und eine höhere Schnittkraft

• weicher Werkstoff erfordert weichen Schneidenwerkstoff und eine niedrigere Schnittkraft

Abmessungen des Werkstücks

Lange Werkstücke neigen zum Federn. Abhilfe durch geeignetes Aufspannen.

Vermeiden des Schwingens durch geringe Schnitttiefe, kleiner Vorschub, kleine Schnittkraft und hohe Schnittgeschwindigkeit.


3.3.1 Bohren

Durch Bohren werden spanend zylindrische Löcher (Bohrungen) hergestellt oder erweitert.

Vollbohren � Herstellen von Bohrungen

Aufbohren � Erweitern von vorhandenen Bohrungen

Bohren ist das Zerspanen mit kreisförmiger Schnittbewegung des Werkzeuges. Die Vorschubbewegung erfolgt ebenfalls durch das Werkzeug und verläuft geradlinig in Richtung der Bohrachse.

Der Spiralbohrer, auch Wendelbohrer genannt, ist das am häufigsten verwendete Werkzeug.

Aufbau des Spiralbohrers:

In einem zylindrischen Rohling z.B. aus Schnellarbeitsstahl (HSS) werden zwei wendelförmige Nuten gefräst. Die Steigung der Nut legt den Drallsteigungswinkel und damit den Spanwinkel γ fest.

Durch Hinterfräsen des genuteten Rohlings werden schmale Führungsfasen mit den Nebenschneiden erzeugt (zur Verringerung der Reibung).

Außerdem führen die Fasen das Werkzeug beim Eindringen in die Bohrung.

Hauptschneiden

Die Hauptschneiden am Bohrer entstehen

durch kegelförmiges Anschleifen des genuteten Rohlings � Spitzenwinkel σ. (sigma)

Freiflächen

Die Freiflächen entstehen durch Hinterschleifen der Hauptschneiden damit diese besser in den Werkstoff eindringen können.

HÜ Skizze


Freiwinkel αααα: die Neigung der Freifläche muss ausreichend groß sein, damit der Bohrer auch bei großen Vorschüben schneidet.

Spitzenwinkel σσσσ: ist der Winkel zwischen den beiden Hauptschneiden

σ groß: Schneidkeile sind stabiler da die Hauptschneiden kürzer sind � dadurch schlechtere Wärmeabfuhr.

σ klein: da die Hauptschneiden länger sind � dadurch bessere Wärmeabfuhr.

Die bei der Spanabfuhr entstehende Wärme wird über:

• Werkstück

• Werkzeug

• Späne

• Kühlschmiermittel abgeführt

Spanwinkel γγγγ: nimmt vom Bohrerumfang zur Bohrermitte hin ab (Wendeltreppen-Effekt). Durch die Änderung des Drallnutenwinkels und damit des Spanwinkels γ ändert sich auch der Keilwinkel β � 3 Spiralbohrertypen.

Bohrertyp Spanwinkel γγγγ Spitzenwinkel σσσσ Werkstoffe

N (normal): 19° bis 40° 118° für weichen Stahl, Grauguss, nichtrostenden Stahl

H (hart): 10° bis 19° 118° für harte und spröde Werkstoffe, z.B. hochfester Stahl, Schichtpressstoffe

W (weich): 27° bis 45° 130° für weiche und zähe Werkstoffe, z.B. Aluminium-, Kupfer-, und Zink-Legierungen


D.h. mit zunehmender Härte des zu bohrenden Werkstoffes wählt man einen Bohrer mit:

• kleinem Drallnutenwinkel

• großem Keilwinkel

Querschneide

Die Querschneide entsteht als Schnittkante der beiden Freiflächen, deren Länge von der Kerndicke k (Seele) des Bohrers und dem Winkel ψ (psi) abhängig ist. ψ ist der Winkel zwischen Hauptschneide und Querschneide (=55°).

D.h. mit zunehmendem Bohrdurchmesser erhöht sich die Länge der Querschneide und die nötige Vorschubkraft. Da die Querschneide eine schabende Wirkung hat, wird bis zu 60% der gesamten Vorschubkraft für das Eindringen der Querschneide in das Werkstück aufgewendet.

Um die Vorschubkraft zu minimieren, wird ab 10 mm Lochdurchmesser (Werkstätte ab Ø6 mm) vorgebohrt, sodass beim anschließenden Aufbohren die Querschneide nicht mehr zum Eingriff kommt. Eine weitere Möglichkeit ist die Verkleinerung der Querschneide durch einen speziellen Anschliff.


Bohrerarten:

• Zentrierbohrer: Festlegen von Bohrungs- bzw. Wellenmitten

• NC-Anbohrer: Festlegen von Bohrungs- bzw. Wellenmitten

• Stufenbohrer: Bohrungen mit verschiedenen Ansätzen in einem Arbeitsgang fertigen z.B. Ansenken und Entgraten.

• Flachformbohrer

• Wendeplattenbohrer: wirtschaftliches Bohren mit Hartmetallplättchen, hohe Zerspanleistung, kein Vorbohren notwendig da keine Querschneide vorhanden.

Schneidwerkstoffe der Bohrer:

Anforderungen an den Bohrerwerkstoff:

• Härte und Verschleißfestigkeit

Der Bohrerwerkstoff muss härter sein als der zu bearbeitende Werkstoff und ohne Abnutzung mehrere Bohrvorgänge aushalten.

• Wärmefestigkeit

Der Bohrer muss bei längeren Arbeiten seine Härte behalten.

• Biegefestigkeit und Zähigkeit

Der Bohrer muss trotz seiner Härte zäh sein und damit Schläge und Verdrehungen aushalten.


Folgende Schneidwerkstoffe erfüllen die Anforderungen:

• Niedrig legierter Werkzeugstahl

weniger als 5% Legierungsmetalle wie z.B. Chrom (Cr), Wolfram (W), Mangan (Mn). Billig für einfache Anwendungen mit geringer Schnitt-geschwindigkeit und kleinem Vorschub, gute Schmierung und Kühlung notwendig.

• HSS (High Speed Steel) Schnellarbeitsstahl

hochlegierter Stahl z.B. Wolfram (W), Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Vanadium (V) heute meistens verwendet, kann höhere Temperaturen ertragen, härter, daher für höhere Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe geeignet.

• HM (Hartmetall)

höhere Wärmefestigkeit als HSS jedoch teurer und schlagempfindlicher. Hartmetalle sind aus Metallkarbiden (Wolfram (W) Titan (Ti), Tantal (Ta), diese sind sehr hart und sehr temperaturbeständig, für hohe Zerspanleistung vc > 100 m /min auch für Gestein, Beton.

• TiN-Beschichtungen:

Die Beschichtungen aus Titannitrid (TiN) wird in einer Stärke von wenigen µm auf das Grundwerkzeug aus HSS aufgetragen. Die Beschichtung dient vor allem der Steigerung der Verschleiß-festigkeit.

1m=1.000.000 µm 1µ=10-6 m

Verschleiß, Anschliff und Schleiffehler beim Spiralbohrer

Bohrer sollen nur mit einer Spiralbohrerspitzenschleifmaschine angeschliffen werden um einen absoluten mittigen spitzen Schliff zu erreichen. Beim Anschliff von Hand ist eine Bohrerschleiflehre zu verwenden mit der sich folgendes nachprüfen lässt:


• Spitzenwinkel σ

• Schneidenlänge L

• Keilwinkel β

• Querschneidenwinkel ψ

Schleiffehler:

• Spitzenwinkel zu groß bzw. zu klein � schlechte Schnittwirkung des Werkzeuges

• Spitzenwinkel ist nicht symmetrisch � kurze Standzeit des Bohrers da immer nur eine Hauptschneide spanend im Eingriff ist

• Spitze liegt außerhalb der Drehachse � Bohrdurchmesser wird aufgrund der Verschiebung größer.

Schnittgeschwindigkeit beim Bohren in m/min

Schnittgeschwindigkeit vc in m/min

Vorschub f in mm

Werkstoff HSS HM HM

Stähle 22 60 0,04 - 0,8

GG 15 - 25 40 - 70 0,05 - 0,6

Werkzeugstahl 5 - 10 20 - 30 0,025 - 0,5

Al-Legierung 35 - 150 100 - 200 0,05 - 1,0

Aufgrund der für den jeweiligen zu bearbeitenden Werkstoff geforderten Schnittgeschwindigkeit vc ergibt sich, dass bei:

• kleineren Bohrdurchmesser eine größere Drehzahl

• größeren Bohrdurchmesser eine kleine Drehzahl eingestellt wird.


Spannen der Bohrer (Werkzeuge)

• Dreibackenfutter (Schnellspannfutter)

Die Kraftübertragung erfolgt bei zylindrischem Schaft kraftschlüssig. Bis zum Bohrerdurchmesser von 10 mm ist der Einspannschaft zylindrisch ausgeführt.

• Reduzierhülse:

Reduzierhülsen mit Morsekegel passen den Bohrer an die jeweilige Bohrspindel an. Bohrer mit kegeligem Schaft übertragen das Drehmoment kraftschlüssig. Mittels Treibkeil wird der Bohrer aus dem Morsekegel geschlagen.

Spannen der Werkstücke

• Maschinenschraubstock

wird bei kleineren Werkstücken verwendet. Er wird wenn notwendig auf dem Maschinentisch befestigt.

• Spanneisen, Spannschrauben

für große Werkstücke die direkt am Maschinentisch gespannt werden.

• Bohrprisma

für runde Werkstücke die mit einem Bügelspanneisen verspannt werden.


Bohrmaschinen

• Handbohrmaschine für nicht ortsgebundene Montagearbeiten. Antrieb elektrisch oder pneumatisch. Für spezielle Materialien (Beton) mit Schlagwerk ausgerüstet.

• Tischbohrmaschine für kleinere Bohrungen an kleineren Werkstücken eingesetzt. Riemenantrieb Der Vorschub wird von Hand ausgeführt.

• Säulenbohrmaschine Gestell aus einem stabilen Rohr. Die Drehzahl kann über Zahnradgetriebe eingestellt werden. Der Vorschub lässt sich von Hand oder über Getriebe (automatisch) betätigen. Maschinentisch ist höhenverstellbar und schwenkbar.

• Ständerbohrmaschine Aufbau ähnlich Säulenbohrmaschine, Gestell ist ein stabiler Kasten mit Schlittenführung an der Vorderseite � für schwerere Werkstücke

• Radial -/Auslegerbohrmaschine Der Bohrkopf befindet sich auf dem Ausleger und ist somit schwenkbar und radial verschiebbar � für Bohrungen bei großen sperrigen Werkstücken

• Mehrspindelbohrmaschine für Großserienfertigung. Der Bohrkopf kann mehrere Werkzeuge aufnehmen die mit unterschiedlichen Drehzahlen gleichzeitig zum Einsatz kommen.

• CNC-Bohr-Bearbeitungszentrum (Computerized Numerical Control): Durch einen Werkzeugsspeicher mit einem Werkzeugwechselsystem sind mehrere Bearbeitungen in rascher Folge möglich. z.B. Bohren, Senken, Reiben Maschinentisch in drei Achsen verfahrbar.


3.3.2 Senken

Entspricht einem Bohrvorgang zur Erzeugung von Zylinder- oder Kegelflächen in Richtung der Bohrachse.

Beim Senken wird unterschieden:

• Plansenken für ebene Auflageflächen

• Profilsenken (kegelig / zylindrisch) für Schraubenköpfe

• Entgraten von Bohrungen

Arten und Verwendung von Senkern

Prinzipiell ist Vorzubohren und mit den verschiedenen Senkern wird nachbearbeitet. Werkstoff der Senker HSS bzw. HM.

• Aufbohren

Mit einem Spiralsenker mit 3 oder mehr Schneiden wird aufgebohrt um die Maß- und Formgenauigkeit sowie die Oberflächengüte der Bohrung zu erhöhen.

• Plansenken

Mit dem Plansenker (Flachsenker) wird am Werkstück eine plane Fläche angesenkt, die als Auflagefläche dient z.B.: bei Sechskant-schrauben oder Muttern. Plansenken mit oder ohne Führungszapfen (dient der Formgenauigkeit).

• Planeinsenken

mit einem Flachsenker wird die zylindrische Einsenkung ausgeführt. z.B. für Zylinderschrauben. Es gibt auswechselbare Führungszapfen.


• Profilsenken

Mit dem Kegelsenker wird die kegelige Profilsenkung durchgeführt. Der Senkwinkel ist abhängig von der Verbindungsart.

z.B.: für Nieten 90° für Senkschrauben 60°, 75°, 90° zum Entgraten 60°.

3.3.3 Reiben

entspricht einem Bohrvorgang mit sehr geringer Spandicke zwecks Erhöhung der Oberflächengüte mit entsprechenden Werkzeugen. Die Bohrungen erhalten durch diese Feinbearbeitung:

• kleine Maßtoleranzen

• kleine Formtoleranzen

• hohe Oberflächengüte

Herstellverfahren erreichbare Rautiefe Rz

Bohren 16.....25 µm

Senken 6,3.....40 µm

Reiben 0,4.....25 µm

Reibwerkzeug: Reibahle

Der Schneidenteil ist der spanende Teil der Reibahle und besteht aus 2 Teilen.

• kegeliger Anschnitt

Zum Einführen in die Bohrung. Hiermit erfolgt die Spanabnahme

• zylindrischer Führungsteil

Hat den Nenndurchmesser der Reibahle, dient zur Führung und glättet die Oberfläche.

HÜ Skizze


Spanabnahme beim Reiben:

Die Spanabnahme erfolgt beim Reiben durch eine drehende Schnittbewegung und eine axiale Vorschubbewegung des Werkzeuges. Die hohe Oberflächengüte wird durch eine niedrige Schnitt-geschwindigkeit und kleinen Vorschub erreicht d.h. ca. ¼ - 1/3 der Werte beim Bohren. Durch die Verwendung von Schmiermittel (Schneidöl) wird eine Verbesserung der Oberflächengüte bei gleichzeitiger Verminderung des Werkzeugverschleißes erzielt.

Nie zurück Drehen sonst verklemmen sich Späne!!

Die Reibahle hat mindestens 6 Schneidkanten. Zur Vermeidung von Rattermarken ist die Anordnung der Schneiden am Umfang (Zahnteilung) ungleich. Durch die unterschiedlichen Winkel erfolgt kein Eingriff der nachfolgenden Schneide an derselben Stelle. Um den gewünschten Durchmesser zu erhalten, stehen sich jeweils 2 Schneiden gegenüber. Die Schneiden sind sehr empfindlich und γ ≤ 0 � schabende Wirkung.

Arten und Verwendung von Reibahlen

• Handreibahlen langer Anschnitt (zur Selbstzentrierung). Schaft zylindrisch mit Vierkant für Winkeleisen. Werkstoff meist HSS.

• Maschinenreibahle kurzer Anschnitt (Führung durch Maschine). Schaft zylindrisch oder mit Morsekegel ins Maschinenfutter. Werkstoff: HSS bzw. Hartmetall.

HÜ Skizze


• unverstellbare Reibahle ist aus einem Stück gefertigt. Kann nur bedingt ohne Durchmesserverlust nachgeschärft werden.

• verstellbare Reibahle als geschlitzte Form oder mit eingesetztem Messer. Vorteil: nachschleifbar und justierbar. Abhängig von der Ausführung einstellbar zwischen 0,01mm...0,1mm (geschlitzte Form) und 1mm...5,5mm (verstellbare Messer für mehrere Durchmesser verwendbar.

• geradgenutete Reibahle einfache Herstellung, geringer Vorschubdruck. Nicht für Bohrungen mit Unterbrechungen geeignet, da sie einhaken würde.

• drallgenutete Reibahle hat immer einen Linksdrall, damit sich die Reibahle nicht in die Bohrung zieht. für Bearbeitung von Bohrungen mit einer Nut.

• zylindrische Reibahle

• kegelige Reibahle

3.3.4 Gewinde schneiden

Ein Gewinde ist eine profilierte Einkerbung, die um einen Zylinder längs einer Schraubenlinie verläuft.


Einteilung der Gewinde nach:

• Lage

Außengewinde

Innengewinde

• Verwendung

Befestigungsgewinde: Schrauben

Bewegungsgewinde: zum Umwandlung von Drehbewegung in Längsbewegung.

• Gangrichtung

rechtsgängig: Normalfall

linksgängig: Bei vorgegebener Drehrichtung, zur Vermeidung von Verwechslungen.

• Steigung

Regelgewinde: grobe Steigung

Feingewinde: bei dünnwandigen Rohren. Bei Erschütterungen schwerer lösbar.

• Gangzahl

eingängig

mehrgängig: mehrere regelmäßige versetzte, parallel verlaufende Gewinde, ermöglichen eine größere Steigung bei unveränderter Gewindetiefe. Bei wenigen Umdrehungen werden große axiale Wege erzielt. � Anwendung bei Bewegungsgewinde.

• Gewindeprofil

Durch die Querschnittsform entsteht das Gewindeprofil:

metrisches ISO – Gewinde: als Regel- / Feingewinde.

Trapezgewinde: bei Bewegungsschrauben

Sägengewinde: für große einseitige axiale Kräfte

Rundgewinde: Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung und Schaden.

Whitworth Rohrgewinde: Angabe in Zoll


• Herstellung

spanlose

spanende

Innengewindeschneiden

Die spanabnehmende Bewegung setzt sich zusammen aus der Drehbewegung des Gewindebohrers (Schnittbewegung) und der Axialbewegung entsprechend der Gewindesteigung (Vorschubbewegung). Gute Schmierung notwendig.

Durch den kegeligen Anschnitt des Gewindebohrers wird der Werkstoff überwiegend spanend bearbeitet. Der Rest des Werkstoffes wird spanlos verdrängt, er staucht auf. Daher muss der Durchmesser des Kernlochbohrers etwas größer sein als der Kerndurchmesser des Gewindebohrers. (0,2 – 0,4 mm).


Schneidwerkzeug: Gewindebohrer

Die Schneidgeometrie ist abhängig von dem zu bearbeiteten Werkstoff:

Werkstoff Spanwinkel γγγγ Schneidengeometrie

weiche Werkstoffe (Al, Cu) 16° - 22° größere Spanbrechernuten

harte Werkstoffe (St, GG) 4° - 6° kleinere Spanbrechernuten

Das Verhältnis zwischen Anschnitt und Schnittlänge beträgt 1 : 2.

• Satzgewindebohrer 2- oder 3- teilig (für Feingewinde), aus HSS, schneidet das Gewinde in zwei oder drei Arbeitsgängen (Vor-, Mittel-, Fertigschneider). Erst der Fertigschneider erzeugt das voll geschnittene Gewinde.

• Muttergewindebohrer für geringe Gewindetiefen, schneidet das Gewinde in einem Arbeitsgang

• Maschinengewindebohrer haben einen kurzen Anschnitt und schneiden das Gewinde in einem Arbeitsgang. linksgedrallt für Durchgangsbohrungen, die Späne werden nach unten abgeführt.

HÜ Skizze


rechtsgedrallt für Grundlöcher, die Späne werden nach oben abgeführt.

Außengewindeschneiden

Wie beim Innengewinde wird beim Spanen mit dem Schneideisen der größte Teil des Gewindeprofils geschnitten. Der Rest des Werkstoffes wird spanlos verdrängt, er staucht auf. Daher muss der Bolzendurchmesser einen kleineren Durchmesser haben als der zu schneidende Gewindedurchmesser. (0,1 - 0,3 mm)

Der Bolzen benötigt zum geraden Aufsetzen des Schneideisens eine Fase.

Schneidwerkzeuge: Gewindeschneideisen

• Gewindeschneideisen Das vollständige Gewinde wird in einem Arbeitsvorgang geschnitten. Bis ca. 16 mm Gewindedurchmesser einsetzbar.

• Gewindeschneidkluppe Hat verstellbare Schneidbacken. Die Spanabnahme erfolgt in mehreren Arbeitsgängen wobei die Schneidbacken verstellt werden. Für größere Gewinde ab 12 mm Durchmesser, sowie bei verschiedenen Gewindedurchmessern mit gleicher Steigung verwendet. Schneidenwerkstoff ist meist HSS bzw. HM.

HÜ Skizze


3.3.5 Drehen

Drehen ist Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung des Werkstückes und der quer zur Schnittrichtung liegenden Vorschubbewegung des Werkzeuges.

Die gefertigten Werkstücke sind zylindrisch, kegelig und kugelförmig.

Durch Drehen können Wellen, Bolzen, Scheiben, Buchsen und Gewinde hergestellt werden.

Unterscheidungen nach der Bewegungsrichtung � nach der Art der erzeugten Fläche:

• Längsdrehen

Vorschubbewegung parallel zur Werkstückachse. Erzeugung zylindrischer Flächen.

• Plandrehen

Vorschubbewegung normal zur Werkstückachse. Erzeugung ebener Flächen senkrecht zur Drehachse.

• Kegeldrehen

Vorschubbewegung schräg zur Werkstückachse. Erzeugung kegeliger Flächen.

• Einstechen

nur Zustellbewegung normal zur Werkstückachse. Kein Vorschub.

Drehmeißel:

Besteht aus dem Schneidkopf mit einer Schneide (Keilspitze) und dem Schaft. Der Drehmeißel wird im Meißelhalter des Oberschlittens festgeklemmt.


Winkel und Flächen von der Hauptschneide:

Winkel des Drehmeißels von der Nebenschneide:

Freiwinkel αααα: verringert die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, zwischen 5° - 12°

Keilwinkel ββββ: wird von der Hauptfreifläche und der Spanfläche gebildet. Die Größe ist vom zu bearbeitenden Werkstoff abhängig, zwischen 70° - 85°

Spanwinkel γγγγ: liegt zwischen der Spanfläche und der Werkzeugbezugs-ebene. Er beeinflusst den Spanfluss.

kleiner, negativer Spanwinkel γ � Reißspan mittlerer Spanwinkel γ 5° - 25° � Scherspan große Spanwinkel γ > 25° � Fließspan

Siehe S. 26


Eckenwinkel εεεε: (Epsilon) entsteht zwischen Hauptschneide und Nebenschneide. Beim Schruppen 90° oder größer.

Spitze ist gerundet um glättere Oberfläche zu erzeugen.

Eckenradius rε

Rauhtiefe Rt

Einstellwinkel χχχχ: (Kappa) zwischen Hauptschneide und Werkstückachse. Beeinflusst die Form des Spanungsquerschnittes und die Größe der Vorschubkraft.

Neigungswinkel λλλλ: (Lamda) bestimmt die Lage der Hauptschneide in Bezug auf das Werkstück und beeinflusst den Spanablauf.

positiver Neigungswinkel λλλλ: Der Anschnitt beginnt bei der Schneidenecke � günstiger Spanablauf.

negativer Neigungswinkel λλλλ: bei unterbrochenem Schnitt (z.B. Welle mit Längsnut), die Schneidenecke kommt zuletzt zum Schnitt und verschleißt deshalb langsamer.


Schneidwerkstoffe der Drehmeißel:

• Niedrig legierter Werkzeugstahl (heute selten)

≤ 5% Legierungsmetalle beigemengt, 0,6 – 1,5% C-Gehalt (Kohlenstoff), Legierungsmetalle (Chrom Cr, Wolfram W, Mangan Mn), Temperaturen bis 200°C, Schnittgeschwindigkeit 20 m/min.

• HSS Schnellarbeitsstahl (verliert auch an Bedeutung)

sind zäh und hart, können nachgeschliffen werden, bis zu 30% Legierungsmetalle (Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Kobalt (Co), Wolfram (W), Vanadium (V)) 1 % Kohlenstoff, geringe Wärmefestigkeit max. Temperaturen bis 600°C, Schnittgeschwindigkeit 60 m/min.

• HM (Hartmetall)

Wendeschneidplatten aus Hartmetall werden auf den Werkzeughalter geklemmt oder die Schneidplättchen werden durch Hartlöten befestigt. Aus den Metallen Titan (Ti) und Tantal (Ta) werden Karbide gebildet und mit Kobalt (Co) als Bindemittel gesintert, Wärmefestigkeit bei Temperaturen bis 900°C, Schnittgeschwindigkeit 120 m/min.

• Oxid-keramische Schneidstoffe

werden als Wendeschneidplatten verwendet und sind aus Aluminiumoxid (AlO3), sind extrem hart und verschleißfest, Temperaturen bis 1300°C, sehr hohe Schnittgeschwindigkeit, äußerst hohe Härte.


Drehmeißelarten:

Spannvorrichtung für das Werkstück

müssen der Form des jeweiligen Werkstücks und der durchzuführenden Dreharbeit entsprechen:

• selbstzentrierende Mehrbackenfutter (Spannfutter)

als 3 oder 4-Backenfutter ausgeführt, Betätigung händisch, hydraulisch oder elektromagnetisch, bei handbetätigten Spannfuttern erfolgt die Bewegung der Spannbacken über eine Planspirale. Die Backen greifen in die Planspirale ein und durch Verdrehen werden alle Backen gleichmäßig in radialer Richtung bewegt � selbstzentrierend


bei Kraftspannfutter wird die Spannkraft pneumatisch oder hydraulisch erzeugt. Durch die Fliehkraft verringert sich die Spannkraft � Fliehkraftausgleich

• Planscheibe

Vier unabhängig einzustellende Spannbacken werden einzeln eingestellt und festgeklemmt. Mit Hilfe radial verlaufender Schlitze können weitere Spannmittel angebracht werden � für nicht rotationssymmetrische Teile.

• Spannen zwischen Spitzen

lange zylindrische Werkstücke werden zwischen den Spitzen von Arbeitsspindel und Reitstock gespannt. Die Übertragung der Drehbewegung erfolgt durch Mitnehmerscheibe und Mitnehmerherz (=Drehherz).

HÜ Skizze

HÜ Skizze


Aufbau der Zug- und Leitspindeldrehmaschine:

• Spindelstock

enthält die gesamte Antriebseinheit (Antriebsmotor, Getriebe für unterschiedliche Spindeldrehzahlen) und Arbeitsspindel mit dem Spannfutter bzw. Körnerspitzen.

• Reitstock

enthält die Pinole mit der Körnerspitze zum Abstützen des Werkstücks (Drehen zwischen Spitzen). In der Pinole können auch andere Werkzeuge (Bohrer, Gewindebohrer) eingesetzt werden. Der Reitstock am Maschinenbett ist verschiebbar.


• Werkzeugschlitten

bestehend aus Bettschlitten, Querschlitten (Planschlitten) und Oberschlitten. Der im Meißelhalter befestigte Drehmeißel kann in Richtung der Drehachse (Vorschub) und senkrecht dazu (Zustellung) bewegt werden.

• Drehmaschinengestell

stabiles Gestell, hohe Steifigkeit, gute Schwingungsdämpfung (oft aus Gusseisen), mit Gleitführungen am Maschinenbett für Reitstock und Werkzeugschlitten.

• Zug- und Leitspindel

glatte Zugspindel für die Vorschubbewegung. Leitspindel mit Gewinde zum Gewindeschneiden.

3.3.6 Fräsen

Fräsen ist Spanen mit einem mehrschneidigen Werkzeug (2-20 Schneiden) und kreisförmiger Schnittbewegung zur Erzeugung beliebiger Werkstückoberflächen (ebene und räumlich gekrümmte Flächen). Schnittbewegung durch das sich drehende Werkzeug Vorschubbewegung meist durch das Werkstück.

Fräswerkzeug:


Beim Fräsen ist jede Schneide pro Umdrehung nur einmal im Eingriff � nur kurzzeitige Schneidenbelastung, geringe Erwärmung, dadurch lange Standzeit; jedoch immer stoßartige Belastung beim Eingreifen einer Schneide; teures Werkzeug

Die Hauptschneiden sind beim Fräser die Umfangsschneiden, welche auf der Mantelfläche des gedachten Zylinders liegen.

Die Nebenschneiden (Stirnschneiden) befinden sich auf der Kreisfläche.

Der Neigungswinkel λ (Drallwinkel) zeigt die Neigung der Schneidkante gegenüber der Fräserachse. Wenn λ ≠ 0 ist, dringt die Schneidkante nicht schlagartig, sondern allmählich in die Oberfläche ein.

Die Schneidenzahl hängt vom Material des Werkstücks ab:

• für weiche Werkstoffe entstehen große Spanmengen � große Zahnlücken und damit kleine Zähnezahl.

• für harte Werkstoffe � kleine Zahnlücken und große Zähnezahl.

Bei den Fräsern wird unterschieden zwischen den Typen:

Typ N ormal: für Stahl und Gusseisen mit normaler Festigkeit

Typ H art: harte oder kurzspanende Werkstoffe

Typ W eich: weiche, zähe oder langspanende Werkstoffe

Schneidenwerkstoffe

• HSS wird meistens verwendet auf Grund des unterbrochenen Schnittes, da er die Zähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit besitzt.

• Hartmetall HM wird für Schneidplatten auf Messerköpfen und als Wendeschneidplatten bei Fräsköpfen verwendet.


Einteilung des Fräsverfahrens nach 2 Gesichtspunkten:

• Nach der Arbeitsweise des Fräsers

• Umfangfräsen (Walzfräsen)

die am Umfang liegenden Hauptschneiden erzeugen die Werkstückoberfläche. Die Fräserachse liegt parallel zur bearbeitenden Fläche. Zähne an der Mantelfläche � z.B. Walzenfräser, Scheibenfräser. Spanbildung: Es entsteht immer ein kommaförmiger Span, starke Schnittkraftschwankungen

• Stirnfräsen

die an der Stirnfläche des Fräsers liegenden Nebenschneiden erzeugen die Werkstückoberfläche. Die Fräserachse liegt normal zur bearbeitenden Oberfläche. Wirtschaftlich zur Bearbeitung großer ebener Flächen (großer Vorschub möglich); Spanbildung: auch kommaförmig, geringerer Dickenunterschied, meist mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff � geringere Schnittkraftschwankung


• Nach der Vorschubrichtung

• Gleichlauffräsen Die Drehrichtung des Fräsers und die Vorschubrichtung des Werkstücks sind im Eingriffsbereich (der Fräserschneiden) gleichgerichtet.

Spanbildung: Spandicke zu Beginn groß, dann auf 0 abnehmend; kein Reiben zu Beginn, jedoch plötzliche große Schnittkraft; glatte Oberfläche, höhere Standzeit bzw. höhere Schnittleistung möglich, Beim Walzfräsen immer starke Schnittkraftschwankungen Fräser drückt Werkstück gegen Unterlage (wichtig bei dünnen Werkstücken);

• Gegenlauffräsen Die Drehrichtung des Fräsers und die Vorschubrichtung des Werkstücks sind im Eingriffsbereich (der Fräserschneiden) gegenläufig. Spanbildung: Span beginnt dünn und endet dick. Zahn gleitet anfangs bevor er greift � Schneiden werden schneller stumpf als beim Gleichlaufräsen � kürzere Standzeit. Am Ende des Spanvorganges ist die Schnittkraft am größten und wird danach schlagartig Null � führt zu Schwingungen und es entstehen Rattermarken � rauere Oberfläche. Fräser hebt dabei das Werkstück an � sichere Festspannung wichtig.


Fräsenarten nach Anordnung der Zähne

• Scheibenfräser Fräser scheibenförmig, Zähnen am Umfang; zum Ausfräsen von schmalen Nuten (verschiedene Querschnittsformen); für eben bzw. gekrümmte Flächen

• Walzenfräser Zähne ebenfalls am Umfang; jedoch breiter � walzenförmig; Drehachse ist parallel zu Werkstücksoberfläche; Anwendung für größere ebene Flächen.

• Walzenstirnfräser sind Walzenfräser mit Zähnen am Umfang und an einer Stirnfläche;

• Stirnfräser Schneidkanten nur an der Stirnfläche; Drehachse normal zur Werkstückoberfläche; ebenfalls für ebene Flächen.

• Schaftfräser haben einen Schaft wie Bohrer oder Reibahle; die Schneiden sind am Umfang und an der Stirnfläche


Fräserarten nach der Zahnform

• spitzgezahnter Fräser

Spanfläche und Freifläche sind ebene Flächen; Nachschleifen mit Topfscheiben an der Freifläche; dadurch wird der Durchmesser kleiner � nur für ebene Flächen; billig in der Herstellung und Ausführung als Walzen-, Scheiben- oder Stirnfräser.

• hinterdrehter Fräser

sind Formfräser für gekrümmte Flächen bzw. Nuten mit bestimmten Profil z.B. bei einem Zahnrad die Zahnlücken � Profil des Fräsers darf sich beim Nachschleifen nicht ändern; die Freiflächen verlaufen nach innen in Form einer logarithmischen Spirale; nachschleifen an der Spanfläche (immer radial); Spanwinkel γ = 0 � Zahnprofil bleibt auch beim Nachschleifen unverändert erhalten.

HÜ Skizze

HÜ Skizze


Fräsmaschinen

Universalfräsmaschinen haben einen schwenkbaren Spindelkopf, mit zwei Spindeln und besitzen einen vielseitig verstellbaren Tisch.

Kühlen und Schmieren

Die Flüssigkeit soll die Schnittstelle reichlich umspülen und die Späne abführen. Kühl- und Schmiermittel bewirken eine Verlängerung der Standzeit und ermöglichen größere Schnittgeschwindigkeiten. Das Schmieren reduziert die Reibungswärme und somit die erforderlichen Schnittkräfte. Es führt auch zur Verbesserung der Oberflächenqualität.

3.3.7 Räumen

Räumen ist Feinstbearbeitung ebener oder profilierter Innenflächen mit einem mehrschneidigen, stangenförmigen Werkzeug. Die Bearbeitung erfolgt in nur einer Hubbewegung. Das Werkzeug hat eine große Anzahl an Schneidkanten, die in fixer Lage zueinander angeordnet sind. Jede nachfolgende Schneide steht etwas weiter vor und schneidet einen Span mit bestimmter Dicke (Anstelle des Vorschubes bei einschnittigen Werkzeug) � hohe Maßgenauigkeit erzielbar.

Unterscheidung der Räumverfahren:

• Innenräumen zur Bearbeitung von Innenflächen (z.B. Bohrung) mit einer Räumnadel; Räumnadel wird nur einmal durch die Bohrung gezogen; Querschnitt entweder rund oder profiliert


• Außenräumen mit Räumbalken zur Bearbeitung von nicht geschlossenen Außenflächen z.B. von exakten Nuten; hat nur auf einer Seite Schneiden, auf der anderen Seite ist er glatt und kann dort abgestützt werden (geführt werden).

Spanbildung:

Durch die erhöhten Schneidkanten erfolgt das Abtrennen von Spänen bestimmter Dicke (0,004 mm – 0,2 mm) ohne, dass ein Vorschub oder eine Zustellbewegung erfolgt. Die Späne sammeln sich in den Spanräumen (=Zahnlücken); Spanwinkel γ zwischen 2° und 15°. Es sind immer mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff; Räumen wird an Stoßmaschinen mit waagrechtem oder senkrechten Werkzeughub durchgeführt; Schnittgeschwindigkeit (= Hubgeschwindigkeit) mit HSS (3 – 6 m/min)

Anwendung nur für Serienfertigung (wegen teurem Werkzeug)

3.3.8 Hobeln und Stoßen

Zur Herstellung ebener Flächen und geradliniger Nuten mit einem einschneidigen Werkzeug (Hobelmeißel) und geradlinige Schnittbewegung (Späne werden streifenweise abgetrennt).

• Hobeln (Langhobeln) Die waagrechte Schnittbewegung wird vom Werkstück ausgeführt, das auf einem hin und hergehenden Tisch gespannt ist (langer Hub). Vorschub und Zustellbewegung werden durch das Werkzeug ausgeführt; Anwendung für Außenflächen (auch Nuten).


• Stoßen (auch Kurzhobeln) Die Schnittbewegung wird vom Werkzeug ausgeführt. Vorschub und Zustellbewegung werden durch das gespannte Werkstück ausgeführt. waagrechte Stoßen: (=Kurzhobeln) für Außen- und Innenflächen senkrecht Stoßen: meist nur für Innenflächen

Schnittbewegung (Hauptbewegung)

Besteht grundsätzlich aus einem Arbeits- und einem Leerhub; Zerspanung erfolgt nur während des Arbeitshubes; beim Leerhub wird das Werkzeug von der Schnittfläche angehoben und gleichzeitig der Vorschub schrittweise durchgeführt; durch das Abbremsen und Wiederbeschleunigen großer Massen sind nur kleine Schnittgeschwindigkeiten möglich; weiters kommt der Hobelmeißel stoßweise in Eingriff; insgesamt geringe Leistung und geringe Standzeit.


3.4 Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneidenform

3.4.1 Schleifen

Schleifen ist ein Zerspanen mit Werkzeugen aus geometrisch unbestimmten Schneiden. Das Schleifwerkzeug besteht aus einer Vielzahl kleiner, sehr harter scharfkantiger Schleifkörner die mit einem Bindemittel festgehalten werden.

Anwendung:

• Feinstbearbeitung Zur Erzeugung von Oberflächen mit sehr kleiner Rautiefe, sowie hoher Maß- und Formgenauigkeit. Die Form des Werkstücks wurde durch andere spanende Fertigungsverfahren hergestellt.

• Nachschleifen von Werkzeugen Dient zur Wiederherstellung der Zerrspanungseigenschaften.

• Entgraten des Werkstückes nach anderen Fertigungsverfahren

Schleifwerkzeug

Die Eigenschaften eines Schleifkörpers werden bestimmt:

• Schleifmittel

Der eigentliche Schneidstoff sind die Körner, welche die Späne abtrennen. Die Spanabnahme erfolgt durch eine große Anzahl unregelmäßig geformter Schneiden dieser Körner. Bei Vergrößerung der Körner kann man die Form eines Schneidkeils erkennen. � viele Schneidkeile mit jeweils unterschiedlichen Winkel α, β, γ. Der Keilwinkel β plus Freiwinkel α sind größer als 90° � Spanwinkel γ ist negativ und schabende Wirkung.


Das Schleifmittel muss wesentlich härter sein als der zu zerspanende Werkstoff. Verwendet werden natürlich vorkommende oder künstlich hergestellte Mineralien:

Schleifmittel chemische Zeichen

Kurzzeichen für Schleifmittel

Wärmebeständig bis

Verwendung

Korund Al2O3 A 2000 C° mittelzähe bis harte Werkstoffe

Siliciumcarbid SiC C 1370 C° Planschleifen von HM, Keramik

Bornitrid BN B 1200 C° HSS-Stahl, Warm- und Kaltarbeitsstähle

Diamant C D 800 C° Präzisionsschleifen von HM, Keramik

• Korngröße

Durch die Korngröße wird die Zerspanleistung und die Oberflächengüte beeinflusst. Die Kennziffer entspricht der Maschenzahl auf 1 inch Länge. z.B. Körnung D150 das sind Diamantkörner, welche gerade noch durch das Sieb mit Maschenzahl 150 fallen, aber auf dem nächsten Sieb liegen bleiben.

Einsatz Körnung Kennziffer der Korngröße Korngröße mm

Rautiefe Rz µm

Schruppen grob 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 24 1 - 4 8 – 20

Schlichten mittel 30, 36, 46, 54, 60 0,3 – 1 1,5 – 8

fein 70, 80, 90, 100, 120, 150, 180, 220 0,08 – 0,3 0,3 – 1,5

Feinschleifen sehr fein 230, 240, 280, 320, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200

0,003 – 0,08 0,2 – 0,3


• Bindung

Das Bindemittel hält die Schleifkörner zusammen. Wenn diese stumpf geworden sind, sollen sie ausbrechen. Brechen sie zu schnell aus, nutzt sich die Schleifscheibe zu rasch ab. Ist die Bindung zu fest, werden die Körner zu stumpf und die Temperaturen zu hoch. Die Härte eines Schleifkörpers ist ein Maß für die Kraft, mit der die Schleifkörner durch das Bindemittel festgehalten werden.

Art der Bindung Kurz-zeichen

Eigenschaften und Anwendung

keramisch V die gebräuchlichste, unempfindlich gegen Wasser, Öl und Wärme; unelastisch und spröde

Gummi R sehr elastisch und zäh, für hohe

Gummi faser-stoffverstärkt

RF Umfangsgeschwindigkeiten, wärmeempfindlich, geeignet für Nassschliff, geringe Leistung

Kunstharz B gebräuchlichste elastische Bindung,

Kunstharz faser-stoffverstärkt

BF hohe Festigkeit, Zähigkeit, für dünne Scheiben und hohe Umfangsgeschwindigkeiten

Metall M hohe Verschleißfestigkeit, wenig stoßempfindlich

• Härtegrad

Der Härtegrad muss bei der Auswahl der Schleifscheibe dem Werkstoff angepasst werden. Bei harten und spröden Werkstoffen stumpfen die Schleifkörner schneller ab, deshalb müssen sie leichter aus der Bindung herausbrechen. Bei weichen und zähen Werkstoffen bleiben die Körner länger scharf. harte Werkstoffe � weiche Schleifscheiben weiche Werkstoffe � harte Schleifscheiben

Härte Kurzzeichen für Härte

Einsatzgebiet

äußerst weich A, B, C, D Tiefschleifen und Seiten-

sehr weich E, F, G schleifen harter Werkstoffe

weich H, I, J, K herkömmliches

mittel L, M, N, O Metallschleifen

hart P, Q, R, S Außenrund-

sehr hart T, U, V, W schleifen

äußerst hart X, Y, Z weicher Werkstoffe


• Gefüge

Die räumliche Verteilung von Schleifkörner, Bindemittel und Poren bilden das Gefüge (Struktur) des Schleifkörpers. Die Auswahl des Gefüges muss die anfallende Spanmenge berücksichtigen. mehr Späne � größere Poren

Gefüge Kennziffer für Gefüge

geschlossenes Gefüge kleine Poren

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6

offenes Gefüge große Poren

7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14

• Form der Schleifkörper

Die Einteilung der Schleifkörper erfolgt nach der geometrischen Grundform und der Art der Einspannung: Schleifscheiben � Bohrung Schleifstifte � Schaft

Form Nr. Gruppe Grundform

1 gerade Schleifscheibe

6 zylindrische Topfscheibe

konische Topfscheibe

12 Tellerschleifscheibe

52 Schleifstift

Am Häufigsten werden gerade Schleifscheiben verwendet, welche auch profiliert sein können.


Bezeichnung der Schleifwerkzeuge:

Die Einteilung und Bezeichnung der Schleifkörper sind auf den Etiketten der Schleifscheiben zu finden � Angaben genormt.

Schleifscheiben besitzen wegen ihrer Struktur eine geringe Zugfestigkeit. Damit sie durch die Fliehkräfte nicht auseinander gerissen werden, muss die Umfangsgeschwindigkeit von Schleifscheiben begrenzt werden.

Auswuchten der Schleifscheiben

Wegen der ungleichmäßigen Verteilung der Massen entstehen Fliehkräfte. Diese Unwucht belastet die Lager der Schleifmaschine, die Qualität der Schleifarbeit und ist ungünstig für den Verschleiß der Schleifscheibe. Auf Auswuchtgeräten wird die Lage der Unwucht festgestellt und Ausgleichsgewichte in der Ringnut des Flansches angebracht.

Farbstreifen blau gelb rot grün

v in m/s 50 63 80 100

ISO-Grundform Schleifkörper Außendurchmesser d1 = 400 mm Scheibenbreite b = 100 mm Bohrungsdurchmesser d2 = 127 mm Schleifmittel A = Korund Körnung 60 = Sieb mit 60 Maschen je Zoll Härtegrad K = weich Gefügekennziffer 8 = mittel Bindung V = keramisch zul. Umfangsgeschwindigkeit = 35 m/s

z.B. 7 400 x 100 x 127 A 60 K 8 V 35


Abrichten der Schleifscheibe

Nach einer gewissen Standzeit werden die Schleifscheiben stumpf und ist wegen ungleichmäßiger Abnutzung nicht mehr kreisförmig � die Schleifscheibe muss abgerichtet werden:

• Profilieren

Die Scheibe besitzt wegen ungleichmäßiger Abnutzung nicht mehr die Form und die Radien und daher muss mit einem Abrichtwerkzeug aus Diamant oder Stahl eine Schicht abgetragen werden.

• Schärfen

durch den Abtrag der Bindung wird der Spanraum vergrößert. Nach dem Profilieren muss mit einem Schärfstein (Korund) die Bindung abgetragen werden.

Schleifverfahren:

• Umfangs-Planschleifen

• Längs-Rundschleifen


3.4.2 Honen

Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen genauer Bohrungen. Wird auch „Ziehschleifen“ genannt (Englisch honing).

Anwendung für genaue Dicht- und Gleitflächen z.B. Pumpenzylinder, Motorzylinder, Lagerschalen mit geringem Spiel (bis 0,05 mm genau).

Ähnlich der Reibahle, jedoch statt Metallschneiden sind vier oder mehr Schleifstäbe (Honsteine) vorhanden; diese bestehen aus Schleifstoffen; die Honahle führt sich selbsttätig in der Bohrung.

Arbeitsablauf Die Honahle führt eine gleichmäßige Drehbewegung aus und gleichzeitig eine Auf- und Abwärtsbewegung (Axialgeschwindigkeit); die Honsteine werden auf die zu bearbeitenden Fläche gedrückt � dabei entstehen sich kreuzende Bearbeitungsriefen (notwendig bei Motorzylinder wegen Ölhaltevermögen).

Wichtig ist gute Schmierung mit reichlich Öl (auch zur Spanabfuhr)


3.4.3 Läppen

Zur Feinstbearbeitung; meist für ebene Flächen; aber auch für Innen- und Außenzylinder. Läppen ist ein Verfahren bei dem mit losen verteilten Körner in einer Flüssigkeit oder Paste feinst bearbeitet wird.

z.B. Planläppen

Arbeitsablauf

Mehrere gleichartige Werkstücke befinden sich zwischen zwei gusseisernen Scheiben (Läppscheiben) welche sich gegenläufig drehen; die Werkstücke liegen in den Ausschnitten einer Käfigscheibe aus Kunststoff die sich exzentrisch (außerhalb der Mitte) dreht � die Werkstücke werden bezüglich der Läppscheibe radial bewegt; Spanabnahme erfolgt durch das Läppmittel

Läppkorn: Siliciumkarbid, Diamantpulver, Korund

Trägermedium: Öl, Petrolium, Benzin, Benzol zum Verteilen des Kornes sowie zur Schmierung und Kühlung

Körner zersplittern unter hohem Druck der Läppscheiben und werden kleiner, abgenutzte Körner werden gemeinsam mit Spänen ausgespült.


4 Werkstoffe

4.1 Einteilung der Werkstoffe

Werkstoffe entstehen aus in der Natur vorkommenden Rohstoffen:

• natürliche Werkstoffe

sind Rohstoffe die bereits als Werkstoffe geeignet sind z.B. Holz, Stein, Lehm, Leder Nachteil: sie besitzen meist unzureichende Eigenschaften für technische Anwendungen � nur bedingt geeignet.

• künstlich hergestellte Werkstoffe

werden aus natürlichen Rohstoffen durch chemische Umwandlung gewonnen. z.B. Metalle aus Erz, Kunststoffe aus Erdöl, Glas aus Quarzsand Die gewonnenen Werkstoffe haben eine andere stoffliche Zusammensetzung als die Rohstoffe, aus denen sie hergestellt sind. Die Eigenschaften können bei den jeweiligen Herstellungsprozessen beeinflusst werden.

Rohstoffe sind nicht unbegrenzt vorhanden � mit Werkstoffen sparsam und überlegt umgehen. Ausgediente Werkstücke sollen nach Möglichkeit als Rohstoff neuer Werkstoffe eingesetzt werden (Recycling). Bereits bei der Werkstoffauswahl ist ihre Umweltverträglichkeit zu beachten (bei der Gewinnung, Verarbeitung, Recycling, Entsorgung).

Um eine Überblick über die Vielfalt der Werkstoffe zu erhalten, ordnet man sie nach ihrer Zusammensetzung oder gemeinsamen Eigenschaften in Gruppen.

Werkstoffe

Metalle Nichtmetalle Verbund-werkstoffe

Eisenmetalle Nichteisen-metalle

Stahl C < 2,06%

Eisenguss C > 2,06%

Leicht-metalle ρ < 5 kg/dm³

Schwer-metalle ρ > 5 kg/dm³

Organische Werkstoffe

Anorganische Werkstoffe

Natur-stoffe

Kunst-stoffe

künstlich hergestellte Stoffe

natürlich vorkomm. Mineralien


• Stähle

C < 2,06%; sind Eisen-Werkstoffe mit großer Festigkeit. Aus ihnen werden vor allem Maschinenteile (Schrauben, Bolzen, Zahnräder, Profile, Wellen) hergestellt, die Kräfte aufnehmen und übertragen müssen. z.B. Baustahl, Werkzeugstahl, Vergütungsstahl

• Eisen-Gusswerkstoffe

C > 2,06%; sind gut vergießbare Werkstoffe. Sie werden zu Bauteilen (Maschinengehäuse) gegossen, deren schwierige Form am besten durch Gießen herstellbar ist. z. B. Grauguss, Temperguss, Stahlguss

• Leichtmetalle

ρ < 5 kg/dm3; Es sind leichte Werkstoffe mit zum Teil hoher Festigkeit. Ihr Hauptanwendungsgebiet sind Leichtbauteile für Pkw und Flugzeuge. z.B. Aluminium, Magnesium, Titan

• Schwermetalle

ρ > 5 kg/dm3; Sie werden meist wegen besonderer werkstofftypischer Eigenschaften verwendet: z. B. Kupfer wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit für Wicklungsdrähte, Chrom und Nickel als Legierungselemente in Stählen, Zink, Blei

• Naturstoffe Dies sind in der Natur vorkommende Stoffe z.B. Holz, Leder und Naturgummi

• Kunststoffe Kunststoffe sind leicht, elektrisch isolierend und in Sorten von gummiartig bis formstabil und hart erhältlich. Ihre Verwendung ist äußerst vielseitig und reicht vom Reifenwerkstoff bis zu Getriebebauteilen. z.B. PVC, Polyesterharz, Polyethylen

• Künstlich hergestellte Stoffe Keramische Werkstoffe werden vor allem wegen ihrer Härte und Verschleißfestigkeit eingesetzt, z.B. als Schneidplatten, Düsen, Gleitringe. z.B. Glas, Keramik

• Natürlich vorkommende Mineralien Verwendung: z. B. Granit als Platte eines Prüftisches. z.B. Marmor, Graphit, Korund


• Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe sind aus mehreren Werkstoffen zusammengesetzt und vereinen die positiven Eigenschaften der Einzelwerkstoffe in einem neuen Werkstoff.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) sind hochfest, zähelastisch und leicht.

Hartmetalle, werden aus Metallpulver erzeugt und als Schneidstoffe verwendet.

Normung der Werkstoffe

Alle technisch wichtigen Werkstoffe sind genormt:

• Werkstoffbezeichnung

• Werkstoffzusammensetzung

• Eigenschaften

Auswahl von Werkstoffen

Eine Maschine besteht aus einer Vielzahl von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen. Jedes Bauteil hat eine bestimmt Aufgabe zu erfüllen und ist aus einem geeigneten Werkstoff gefertigt.

Für jeden Verwendungszweck ist der dafür beste Werkstoff auszusuchen. Maßgebend dafür ist, in welcher Form sie im Handel erhältlich sind:

• Werkstoffeigenschaften (chemisch, mechanisch, physikalisch) z.B. Festigkeit, Verarbeitbarkeit

• Lieferform z.B. als Blech, Profil, Stab, Draht, …

• Lieferabmessungen z.B. Länge, Breite, Höhe, Durchmesser, …

• Lieferzustand z.B. gewalzt, gezogen, Art der Wärmebehandlung, Vergießart, …

• Umweltverträglichkeit z.B. Problem bei Entsorgung


4.2 Eigenschaften der Werkstoffe

4.2.1 Physikalische Eigenschaften

beschreiben den Zustand bzw. eine Zustandsänderungen

• Dichte ρρρρ gibt an, welche Masse [m] ein Werkstoff pro Volumeneinheit [V] besitzt. ρ=m/V [kg/dm³, g/cm³] Wasser 1,0 kg/dm³ Aluminium 2,7 kg/dm³ Eisen 7,87 kg/dm³ Kupfer 8,9 kg/dm³ Blei 11,3 kg/dm³ Wolfram 19,3 kg/dm³

• Schmelzpunkt ist jene Temperatur bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. Zinn 232°C Blei 327°C Aluminium 658°C Kupfer 1083°C Eisen 1536°C Wolfram 3387°C

• thermische Längenausdehnung ist die Längenänderung durch Temperaturänderung an. Längenausdehnunskoeffizient α gibt an: Längenänderung eines 1m langen Körpers bei 1 C° Temperaturveränderung.

• elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Stoffes elektrischen Strom zu leiten. z.B. Silber, Kupfer, Aluminium, Stahl Isolierstoffe: Kunststoffe, Keramik, Glas

• Wärmeleitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Stoffes Wärme zu leiten. z.B. Kupfer, Aluminium, Stahl niedrige Leitfähigkeit: Kunststoffe

• Magnetisierbarkeit liegt bei den meisten Eisenwerkstoffen sowie Nickel und Kobalt vor.


4.2.2 Mechanisch technologische Eigenschaften

beschreiben das Verhalten der Werkstoffe unter der Wirkung mechanischer Kräfte.

• Mit Elastizität bezeichnet man die Fähigkeit eines Werkstoffes nach einer Verformung seine Ausgangsform wieder von selbst einzunehmen. Elastische Werkstoffe federn zurück.

• Plastizität; ein Werkstoff ist plastisch formbar, wenn er seine Form bleibend verändert und nur geringfügig zurückfedert.

Die meisten Werkstoffe haben ein elastisch-plastisches Verformungsverhalten. Bei geringen Kräften verformen sie sich elastisch, bei größeren Kräften zusätzlich auch plastisch.

• Zähigkeit ein Werkstoff ist zäh, wenn er der plastischen Verformung einen großen Widerstand entgegensetzt. Z.B. Baustahl, Edelstahl

• Sprödigkeit; ein Werkstoff ist spröde, wenn er sich nicht verformen lässt und bei schlagartiger Beanspruchung zerspringt. Z.B. Gusseisen, Keramik, Glas

• Härte gibt den Widerstand an, den ein Werkstoff dem Eindrücken eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt. harte Werkstoffe: gehärteter Stahl, Hartmetall weiche Werkstoffe; Aluminium, Kupfer

• Streckgrenze Re ist die Zugspannung die unmittelbar vor Beginn des Streckens wirkt. Die Streckgrenze ist eine Kenngröße für die Belastbarkeit eines Werkstoffes ohne plastische Verformung.

0

ee St

sfläche

Querschnit

FZugkraft

R = [N/mm²]


• Zugfestigkeit Rm größtmögliche Zugspannung, die ein Werkstoff aushalten kann, ohne zu Bruch zu gehen.

• Dehnung εεεε durch die einwirkende Kraft verlängert sich der Probestab. Unter der Zugkraft F dehnt sich der Stab um ∆l.

• Wärmefestigkeit beschreibt die Festigkeit eines Werkstoffes bei erhöhten Temperaturen.

4.2.3 Chemisch technologische Eigenschaften

beschreiben die Werkstoffzusammensetzung und die stoffliche Umwandlung der Werkstoffe.

• Zusammensetzung gibt die in einem Werkstoff enthaltenen Elemente sowie den Gehalt der einzelnen Elemente an.

• Korrosionsbeständigkeit ist der Widerstand eines Werkstoffes gegen die zerstörende Wirkung durch chemische und elektrochemische Reaktionen. korrosionsbeständig: Edelstähle, Aluminium nicht korrosionsbeständig: unlegierte Stähle, niedrig legierte Stähle

• Hitzebeständigkeit; z.B. unlegierte Baustähle sind hitze- und zunderbeständig bis ca. 600°. Bei höheren Temperaturen reagieren sie mit der Luft und verzundern.

• Brennbarkeit spielt bei metallischen Werkstoffen keine Rolle. Kunststoffe wiederum sind leicht brennbar.

0

0

0 lll

länge

Ursprungsl

lng

Verlängeru

−=

∆=ε

0

mm St

sfläche

Querschnit

FZugkraft

R = [N/mm²]


4.2.4 Fertigungstechnische Eigenschaften

beschreiben die Eignung bei der Verarbeitung der Werkstoffe wie Gießen, Umformen, spanende Verarbeitung, Härten.

• Gießbarkeit ist gegeben, wenn der Werkstoff eine dünnflüssige Schmelze bildet (gutes Ausfüllen der Gießform und möglichst geringes Schwindmaß = Schrumpfung beim Erstarren). Bei großem Schwindmaß ergeben sich beim Erstarren innere Spannungen, Verzug und Neigung zur Lunkerbildung (Hohlraum). z.B. Gusseisen, Aluminium, Zink

• Spanbarkeit; die meisten metallischen Werkstoffe sind gut spanbar. Die Spanbarkeit wird durch die erzielbare Oberflächengüte, die Spanbedingungen und die Standzeit der Werkzeuge bewertet. Die Schneidenform muss je nach Härte und Elastizität des Werkstoffes gewählt werden.

• Umformbarkeit: ist die Fähigkeit eines Werkstoffes, sich unter Krafteinwirkung plastisch verformen zu lassen. Warmumformen: Schmieden, Warmwalzen Kaltumformen: Biegen, Tiefziehen gut umformbar: kohlenstoffarme Stähle, Aluminium nicht umformbar: Eisenguss

• Härtbarkeit ist die Eignung durch Wärmebehandlung eine wesentliche Erhöhung der Härte und Festigkeit zu erreichen. Härtbar sind die meisten Stahlsorten.

• Schweißbarkeit ist die Eignung schmelzbare Werkstoffe durch ein Fügeverfahren zu verbinden. Gut schweißbar sind unlegierte und niedrig legierte Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt


4.3 Metallische Werkstoffe

4.3.1 Eisenmetalle

Stahl ist eine Eisen-Kohlenstoff Mischung (Legierung) mit maximal 2,06 % Kohlenstoff C und verschiedenen Metallen um bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Im Allgemeinen ist Stahl zäh und gut verformbar.

4.3.1.1 Herstellung des Roheisens

Roheisen wird aus Eisenerzen (sind Gesteine, in denen Eisenverbindungen enthalten sind) hergestellt. Dabei werden im Hochofen die Eisenverbindungen (Eisenoxide Fe2O3, Fe3O4) mit dem Kohlenstoff aus dem Hochofenbrennstoff (Koks) zu Eisen reduziert.

Im Hochofen laufen folgende Vorgänge ab:

Hochofenanlagen bestehen aus dem bis zu 50 m hohen Hochofen mit Winderhitzern (Cowper) und der Erzaufbereitung. Der Hochofen wird im Gegenstromprinzip betrieben.


• Vorwärmzone

Von oben wird er lagenweise mit Möller (Eisenerz/Zuschläge-Gemisch) und Koks beschickt. Das von unten aufsteigende heiße Gas trocknet im oberen Teil den Möller und entweicht mit 200°C als Gichtgas.

• Reduktionszone

In einer tieferen Zone mit Temperaturen von 500 °C bis 1100 °C erfolgt die Reduktion des Eisenerzes. Es entsteht Eisen in Form eines porösen, festen Eisenschwamms.

• indirekte Reduktion: Aufsteigendes Kohlenstoffmonoxidgas (CO) reagiert mit den Eisenoxiden und entzieht ihnen Sauerstoff � Eisen vermischt mit Unreinheiten.

Fe2O3 + 3CO � 2Fe + 3CO2

Fe3O4 + 4CO � 3Fe + 4CO2

• direkte Reduktion: Glühenden Koks C reagiert mit den Eisenoxiden und entzieht ihnen Sauerstoff.

Fe2O3 + 3C � 2Fe + 3CO

Fe3O4 + 4C � 3Fe + 4CO

• Schmelzzone

Im unteren Teil des Hochofens verbrennt ein Teil des Kokses mit eingeblasener Heißluft zu Kohlenmonoxid (CO) und steigt nach oben. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme heizt den Kernbereich auf 1400°C bis 1800 °C auf. Der in die Schmelzzone absinkende Eisenschwamm schmilzt und fließt in den geschlossenen Boden des Hochofens. Die mit abgesunkenen, erdigen Erzbestandteile und die Zuschläge schmelzen ebenfalls. Sie schwimmen als Schlacke auf dem flüssigen Roheisen. Schlacke und Roheisen werden in periodischen Abständen von einigen Stunden abgelassen (Abstiche). Das flüssige Roheisen wird entweder zu Masseln (Eisenstäbe) vergossen oder flüssig in fahrbaren Roheisenmischern zur Weiterverarbeitung ins Stahlwerk transportiert.


Das Roheisen besteht zu etwa 90 % aus Eisen, 4 % Kohlenstoff, wenigen Prozent Mangan, Silizium und Phosphor sowie geringen Anteilen Schwefel. Je nach der Zusammensetzung des flüssigen Roheisens unterscheidet man:

• Stahlroheisen ist der Ausgangsstoff für die Stahlerzeugung. Kohlenstoff C verbindet sich zu Eisenkarbid Fe3C und seine Bruchfläche ist silberhell (weißes Roheisen). Es hat eine hohen Mangangehalt (größer 1%).

• Gießereiroheisen ist der Ausgangsstoff für Eisen-Gusswerkstoffe. Wegen dem hohen Siliziumgehalt (1,5% - 3%) scheidet sich Kohlenstoff C als Grafit aus � Bruchfläche ist grau (graues Roheisen).

4.3.1.2 Herstellung von Stahl

Das schmelzflüssig anfallende Roheisen hat einen hohen C-Gehalt und noch hohe Gehalte an störenden Eisenbegleitern. Besonders der hohe Kohlenstoffgehalt sowie der Phosphor und Schwefel machen das Roheisen sprödhart und nicht schmiedbar. Es ist technisch nicht verwendbar.

Bei der Stahlherstellung werden Kohlenstoff und andere Elemente vermindert und Verunreinigungen beseitigt.

Die Verminderung der Eisenbegleiter im Roheisen erfolgt durch Verbrennen der Eisenbegleiter mit eingeblasenem Sauerstoff � dieser Vorgang wird Frischen genannt.

Eisenbegleiter Gehalt Roheisen Gehalt Stahl (S235JR)

Kohlenstoff C 3,5 % 0,2 %

Silizium Si 0,4 % 0,4 %

Mangan Mn > 1 % 0,6 %

Phosphor P 2 % 0,05 %

Schwefel S 0,08 % 0,05 %

Verminderung der

Eisenbegleiter Roheisen Stahl


Stahlherstellung mit dem LD-Verfahren

Das LD-Verfahren (Stahlwerke: Linz, Donawitz) wurde 1950 in Österreich entwickelt. Bei diesem Verfahren werden flüssiges Roheisen und Stahlschrott zusammen mit Kalk-Zuschlägen (zur Schlackenbildung) in einen Konverter (Umwandler) gefüllt.

Der Konverter ist ein feuerfest ausgemauerter, nach oben offener, birnenförmiger Großbehälter mit einem Fassungsvermögen von rund 300 t Stahl. Er ist drehbar gelagert, sodass er zum Füllen und Entleeren gekippt werden kann. Nach dem Einfüllen fährt ein wassergekühltes Rohr (Lanze) von oben in den Konverter und bläst Sauerstoff O2 in die Schmelze. Kohlenstoff C und Schwefel S verbrennen zu gasförmigem Kohlendioxid CO2 und Schwefeldioxid SO2. Phosphor P, Mangan Mn und Silizium Si oxidieren zu den festen Oxiden P2O5, MnO2 und SiO2 und werden in die auf der Schmelze schwimmenden Schlacke aufgenommen.

Dieser Blasvorgang dauert ca. 10 – 20 Minuten. Danach wird das Sauerstoff-Blasrohr aus dem Konverter gezogen. Falls erforderlich werden Legierungselemente zugegeben um die gewünschte Stahlzusammensetzung zu erhalten. Dann wird der Konverter gekippt und man gießt den Stahl in fahrbare Pfannenwagen oder Gießbehälter. Der entstandene Stahl kann bereits für Massenstähle verwendet werden (geringe Reinheit).


Stahlherstellung mit dem Elektrostrahlverfahren

Dieses Verfahren dient sowohl zum Schmelzen von Massenstahl aus Stahlschrott als auch zur Herstellung hochlegierter und damit hochschmelzender Stahlsorten.

Der Elektro-Lichtbogenofen hat eine flache Schmelzwanne, in der das Einsatzgut im heißen Lichtbogen der Grafitelektrode aufgeschmolzen wird.

Zu Beginn wird die Schmelzwanne mit Stahlschrott, Gießereiabfällen, Roheisen und schlackebildenden Zuschlägen gefüllt. Dann werden die Grafitelektroden auf die Füllung abgelassen und der Lichtbogen wird gezündet. Er entwickelt Temperaturen bis zu 3000°C und schmilzt die Füllung auf. In der einstündigen Schmelzzeit werden Verunreinigungen wie Phosphor, Schwefel und überschüssiger Kohlenstoff entfernt. Dies geschieht durch Zugabe von Kalk, welcher die unerwünschten Stoffe in die Schlacke bindet.

Mit Hilfe von weiteren Schritten zur Stahlveredelung werden Qualitätsstähle und Edelstähle erzeugt. Dabei werden die Stähle zur Qualitätsverbesserung mit anderen Metallen legiert.


4.3.1.3 Einteilung der Stähle nach folgenden Gesichtspunkten:

Einteilung nach der chemischen Zusammensetzung

• unlegierte Stähle Bei unlegierten Stählen darf kein Legierungselement den Grenzwert aus der Tabelle überschreiten.

• nichtrostende Stähle besitzen einen Chromgehalt von mindestens 10,5% und einen Kohlenstoffgehalt von höchstens 1,2%.

• andere legierte Stähle alle Stähle, die einen Grenzwert (obige Tabelle) überschreiten und keine nichtrostende Stähle sind.

Einteilung nach den Hauptgüteklassen

Die Eigenschaften eines Stahls werden nicht nur durch die Zusammensetzung, sondern auch durch die Herstellung bestimmt.

• Qualitätsstähle sind Stähle (unlegiert oder legiert) mit gewährleisteten Gebrauchseigenschaften. Z.B. Zähigkeit, Korngrenze, Umformbarkeit, Schweißneigung. Sie sind im allgemeinem nicht für Vergüten oder Oberflächenhärten vorgesehen.

• Edelstähle sind Stähle (unlegiert oder legiert), die besonders rein mit genauer Zusammensetzung hergestellt sind. Weitgehend frei von nichtmetallischen Einschlüssen. Sie haben gewährleistete Eigenschaften. Z.B. nach der Wärmebehandlung exakte Festigkeits- und Härtewerte.

Einteilung nach der Verwendung

• Baustähle werden verwendet zur Herstellung für Maschinen und Geräte (Maschinenbau, Stahlbau, Fahrzeugbau, Anlagenbau, …)

• Werkzeugstähle werden verwendet zur Herstellung von Hand- und Maschinenwerkzeugen (Gesenke, Schneidwerkzeuge, Spritzgussformen, diverse Umformwerkzeuge)

Element Grenzwert % Element Grenzwert % Element Grenzwert %

Aluminium Al 0,30 Molybdän Mo 0,08 Silizium 0,60

Bismuth Bi 0,10 Niob Nb 0,06 Tellur Te 0,10

Cobalt Co 0,30 Nickel Ni 0,30 Titan Ti 0,05

Kupfer Cu 0,40 Blei Pb 0,40 Vanadium V 0,10

Mangan Mn 1,65 Selen 0,10 Wolfram W 0,30


4.3.1.4 Bezeichnungssystem für Stähle

Kurznamen von Stählen nach dem Verwendungszweck und den Eigenschaften

Diese Kurznamen geben Hinweis auf den Verwendungszweck und die mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Sie werden aus Haupt- und Zusatzsymbolen ohne Leerstellen aneinander gereiht.

Hauptsymbole bestehen aus Buchstaben und Ziffern für die Stahlgruppe und die mechanischen Eigenschaften.

Hauptsymbol Verwendungszweck

E Stähle für Maschinenbau

S Stähle für Stahlbau

P Stähle für Druckbehälterbau

H Flacherzeugnisse aus höherfesten Stählen

DX Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

T Verpackungsblech und -band

L Stähle für Leitungsrohre

B Betonstähle

Y Spannstähle

M Elektroblech und –band

R Schienenstähle

Die Zusatzsymbole sind in zwei Gruppen geteilt. Wir listen momentan nur die Zusatzsymbole der Gruppe1 auf, welche vom Verwendungszweck der Stähle abhängt:

• Stähle für den Maschinenbau E

E360C Maschinenbaustahl, Re = 360 N/mm2, mit besonderer Kaltumformbarkeit

Zusatzsymbol Kennzeichnung

G1 unberuhigt vergossen

G2 beruhigt vergossen

G3 vollberuhigt vergossen

G4 vollberuhigt vergossen und vorgeschriebener Anlieferungszustand

S235J2G3

Hauptsymbol

Zusatzsymbol


• Stähle für den Stahlbau S

S235J2G3 Stahlbaustahl, Re = 235 N/mm2, Kerbschlagarbeit 27 J bei -20°C, vollberuhigt vergossen

• Stähle für den Druckbehälterbau P

P265NH Druckbehälterstahl, Re = 265 N/mm2, normalgeglüht oder normalisierend umgeformt, für Hochtemperaturen geeignet

• Flacherzeugnisse aus höherfesten Stählen H, HT

H420M kaltgewalztes Flacherzeugnis aus höherfestem Stahl, Re = 420 N/mm2, thermomechanisch gewalzt und kalt gewalzt

Kerbschlagarbeit in Joule

Prüf-temp.

27 J 40 J 60 J C°

JR KR LR + 20

JO KO LO 0

J2 K2 L2 - 20

J3 K3 L3 - 30

J4 K4 L4 - 40

J5 K5 L5 - 50

J6 K6 L6 - 60


M thermomechanisch umgeformt

N normalgeglüht oder normalisierend umgeformt

Q vergütet

B Gasflaschen

S einfache Druckbehälter


M thermomechanisch gewalzt und kalt gewalzt

B Bake hardening

P Phosphor legiert

X Dualphase

Y Interstital free steel (IF Stahl)


• Flacherzeugnisse zum Kaltumformen D, DC, DD, DX

DX52D Flacherzeugnis zum Kaltumformen, ohne Walzvorschrift, Kennzahl 52, für Schmelztauchüberzüge

Bezeichnung von Stählen nach der chemischen Zusammensetzung

Mit diesen Kurznamen werden unlegierte Stähle, die nicht nach ihrer Verwendung bezeichnet sind, die nichtrostenden Stähle und die anderen legierten Stähle bezeichnet. Man unterscheidet vier Gruppen:

• unlegierte Stähle mit einem Mangangehalt < 1%, außer Automatenstahl Der Kurzname setzt sich aus Haupt- und Zusatzsymbolen zusammen.

Hauptsymbol Zusatzsymbol

C Kennzahl für den Kohlenstoffgehalt

Kennzahl = Kohlenstoffgehalt % . 100

E vorgeschriebener max. Schwefel-Gehalt x 100

R vorgeschriebene Bereiche des S-Gehaltes

D zum Drahtziehen

G1…G4 siehe bei Stähle für Maschinenbau

C besondere Kaltumformbarkeit

S für Federn

U für Werkzeuge

W für Schweißdraht

C35E4 unlegierter Stahl mit Mangangehalt < 1%, einem C-Gehalt von 0,35%, vorgeschriebener max. Schwefelgehalt von 0,04%

C45U unlegierter Stahl mit Mangangehalt < 1%, einem C-Gehalt von 0,45%, Verwendung für Werkzeuge


D Schmelztauchüberzüge

EK für konventionelle Emailierung

ED für direkte Emailierung

T für Rohre


• unlegierte Stähle mit einem Mangangehalt > 1 %, unlegierte Automatenstahl, legierte Stähle mit Gehalten der einzelnen Legierungselemente unter 5% Der Kurzname besteht aus: der Kennzahl für den Kohlenstoffgehalt x 100 den chemischen Symbolen der Legierungselemente den Faktoren mit denen die Gehalte der Legierungselemente multipliziert sind

Legierungselement Faktor

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4

Al, Cu, Mo, Pb, Ta, Ti, V 10

C, N, P, S 100

B 1000

28Mn6 unlegierter Stahl mit C-Gehalt 28/100 = 0,28%, Mangangehalt 6/4 = 1,5%

16MnCr5 legierter Einsatzstahl mit C-Gehalt 16/100 = 0,16%, Mangangehalt 5/4 = 1,25%, Chromgehalt ist nicht angegeben

115CrV3 legierter Werkzeugstahl mit C-Gehalt 115/100 = 1,15%, Chromgehalt 3/4 = 0,75%, Vanadiumgehalt ist nicht angegeben

• legierte Stähle mit Gehalten der einzelnen Legierungselemente über 5% Der Kurzname besteht aus: dem Kennbuchstaben X für hochlegierte Stähle der Kennzahl für den Kohlenstoffgehalt x 100 den chemischen Symbolen der Legierungselemente den Gehalt der Legierungselement, die direkt in Prozent angegeben sind.

X10CrNi18-8 legierter Stahl mit C-Gehalt 10/100 = 0,10%, Chromgehalt = 18%, Nickelgehalt = 8%

X210CrW12 legierter Stahl mit C-Gehalt 210/100 = 2,10%, Chromgehalt = 12%, Wolframgehalt ist nicht angegeben, ca. 0,7%

X5CrNi18-10 legierter Stahl mit C-Gehalt 5/100 = 0,05%, Chromgehalt = 18%, Nickelgehalt = 10%


1.02 23(xx)

Werkstoff-Hauptgruppe

1 für Stahl

Zählnummer bei Bedarf erweiterbar

Stahlgruppen-nummer

02 für Baustahl

• Schnellarbeitsstähle Der Kurzname besteht aus: dem Kennbuchstaben HS für Schnellarbeitsstähle den Gehalt der Legierungselement (Reihenfolge: W, Mo, V, Co)

HS6-5-2-5 Schnellarbeitsstahl mit Wolframgehalt = 6%, Molybdängehalt = 5%, Vanadium = 2%, Cobaltgehalt = 5%

HS2-9-1-8 Schnellarbeitsstahl mit Wolframgehalt = 2%, Molybdängehalt = 9%, Vanadium = 1%, Cobaltgehalt = 8%

Alle metallischen Werkstoffe können entweder mit Kurznamen oder mit Werkstoffnummern bezeichnet werden.

Bezeichnung von Stählen mit Werkstoffnummern

Die Werkstoffnummern stellen ein Ordnungssystem für Werkstoffe dar, das für die Datenverarbeitung geeignet ist.

Kennzahl Hauptgruppe

0 Roheisen, Ferrolegierungen, Gusseisen

1 Stahl, Stahlguss

2 Schwermetalle

3 Leichtmetalle

4 – 8 Nichtmetallische Werkstoffe

9 freie Kennzahl für innerbetriebliche Kennzeichnung


Kennzahl Stahlgruppennummer

unlegierte Qualitätsstähle

01, 91 allgemeine Baustähle, Rm < 500 N/mm2

02, 92 sonstige, nicht für eine Wärmebehandlung bestimmte Baustähle mit Rm < 500 N/mm2

03, 93 Stähle mit C < 0,12% oder Rm < 400 N/mm2

04, 94 Stähle mit 0,12% ≤ C < 0,25% oder 400 N/mm2 ≤ Rm < 500 N/mm2

05, 95 Stähle mit C 0,25% ≤ C < 0,55% oder 500 N/mm2 ≤ Rm < 700 N/mm2

06, 96 Stähle mit C ≥ 0,55% oder Rm ≥ 700 N/mm2

07, 97 Stähle mit höherem Phosphor- und Schwefelgehalt

unlegierte Edelstähle

10 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften

11 Bau-, Maschinenbau- und Behälterstähle mit C < 0,5%

12 Maschinenbaustähle mit C ≥ 0,5%

13 Bau-, Maschinenbau- und Behälterstähle mit besonderen Anforderungen

15…18 Unlegierte Werkzeugstähle

legierte Qualitätsstähle

08, 98 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften

09, 99 Stähle für verschiedene Anwendungsbereiche

legierte Edelstähle

20…28 Legierte Werkzeugstähle

32 Schnellarbeitsstähle ohne Cobalt

33 Schnellarbeitsstähle mit Cobalt

35 Wälzlagerstähle

36, 37 Stähle mit besonderen magnetischen Eigenschaften

38, 39 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften

46 Nickellegierungen, chemisch beständig, hochwarmfest

40…45 Nichtrostende Stähle

47, 48 Hitzebeständige Stähle

49 Hochwarmfeste Werkstoffe

85 Nitrierstähle

87…89 Hochfeste schweißgeeignete Stähle

50…84 Bau-, Maschinenbau- und Behälterstähle mit verschiedenen Legierungskombinationen


4.3.1.5 Baustähle

Baustähle müssen je nach Verwendung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen: ausreichende Festigkeit und Zähigkeit, gute Zerspan- und Schweißbarkeit, Korrosions- und Hitzebeständigkeit, gute Umformbarkeit

• Unlegierte Baustähle Unlegierte Baustähle kommen als warmgewalzte oder blankgezogene Stäbe und Profile in den Handel. Für ihre Verwendung sind vor allem die Streckgrenze, die Umformbarkeit und die Eignung zum Schweißen maßgebend. Sie werden für Bauteile im Maschinen- und Stahlbau verwendet, für die keine Wärmebehandlung erforderlich ist. Sie sind nach ÖNORM EN 10025 genormt und werden entweder mit einer Kurzbezeichnung oder Werkstoffnummer benannt.

Kurzbezeichnung alte Bezeichnung

Werkstoff-nummer

Kohlenstoff-gehalt

Streckgrenze Re N/mm²

Zugfestigkeit Rm N/mm²

S185 St 33 1.0035 ~ 175 ~ 290

S235JR St 37-2 1.0037 0,17 195 – 235 330 – 470

S275JR St 44-2 1.0044 0,21 235 – 275 410 – 540

S355J2G3 St 52-3N 1.0570 0,20 315 - 355 490 – 630

Die Festigkeit der Baustähle wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt. Während die Festigkeit mit dem Kohlenstoffgehalt steigt, verschlechtern sich die Verformbarkeit, die Schmiedbarkeit und die Schweißneigung.

• Feinkornbaustähle Für hochbelastete Bauteile (im Kran-, Maschinen- und Fahrzeugbau) kommen bevorzugt die schweißgeeigneten Feinkornbaustähle zum Einsatz. Ihre hohe Festigkeit und Streckgrenze erhalten sie durch erhöhten Mangangehalt (bis 1,7%) und geringe Ni, Cr, Cu und V-Gehalte.

z.B. S420M S275M � Re = 275 N/mm², thermomechanisch gewalzt

• Automatenstähle für die Herstellung von Serienteilen auf automatisierten Zerspanungsmaschinen; gefordert sind dazu kurzbrechende, leicht abzuführende Späne. Automatenstähle sind unlegierte Qualitätsstähle mit erhöhtem Schwefel- und Phosphorgehalt (daher nicht schweißgeeignet und gewissen Festigkeitsverlust).

z.B. 10SPb20 � unlegierter Automatenstahl mit 0,10% C, 20% S

• Einsatzstähle sind unlegierte Qualitätsstähle mit C-Gehalt < 0,2% (aber auch unlegierte und legierte Edelstähle). Aus Einsatzstählen werden Werkstücke gefertigt, die eine verschleißfeste Randschicht erhalten soll.

z.B. 20MoCr4 � legierter Einsatzstahl mit 0,20% C, 1% Mo und etwas Cr


• Nitrierstähle sind legierte Stähle, sie enthalten Nitridbildner (Al, T) die Stähle werden in einer Stickstoff abgebender Atmosphäre erwärmt, dadurch diffundiert Stickstoff in die Oberfläche ein und bildet mit den oben genannten Metallen harte temperaturbeständige Nitride � dünne harte Randschicht (wenige 1/10 mm) und zäher Kern; Verwendung für verschleißfeste Bauteile mit hoher Dauerfestigkeit.

• Vergütungsstähle haben einen C-Gehalt > 0,2 % - 0,6 %, vergüten bedeutet Härten und nachfolgendes Anlassen. Anlassen ist eine Wärmebehandlung bei 400° - 600°C zur Verminderung der Sprödigkeit nach dem Härten. Nach dem Härten hat der Werkstoff ein feines gleichmäßiges Härtegefüge, die Festigkeit ist hoch, der Werkstoff aber sehr spröde. Durch das Anlassen kann der Kohlenstoff aus dem Härtegefüge herauswandern, die Sprödigkeit sinkt dabei, Festigkeit geht leicht zurück, das feine Gefüge und damit hohe Zähigkeit bleibt aber erhalten. Resultat: Werkstoff mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig höherer Zähigkeit als der Ausgangswerkstoff. Verwendung: dynamisch beanspruchte Bauteile mit hoher Dauerfestigkeit.

z.B. 51CrV4 � 0,51 % C, 1% Cr und etwas V

• Federstähle gefordert sind Elastizität und Dauerfestigkeit. Sie sind unlegierte Qualitätsstähle oder legierte / unlegierte Edelstähle

Untergruppe der Baustähle

• Allgemeine Baustähle im Vordergrund stehen Anforderungen für die Festigkeit (Streckgrenze / Zuggrenze); sind für eine Wärmebehandlung nicht vorgesehen.

• Warmfeste und hochwarmfeste Stähle Verwendung von warmfesten Stählen bis zu 350°C, z.B. für Rohrleitungen und Apparatebau, hochwarmfeste Stähle bis zu 700°C

• Kaltzähe Stähle die Zähigkeit der Stähle sinkt mit abnehmender Temperatur, für Einsätze bei tiefern Temperaturen (-20° bis -50°C) benötigt man Stähle mit guten Zähigkeiten � kaltzähe Stähle

Werkzeugstähle


Korrosionsbeständige / nichtrostende Stähle

• Witterungsbeständige Stähle sind unlegierte Baustähle mit erhöhtem Gehalt an Kupfer (Cu), Chrom (Cr) oder Nickel (Ni). Diese Elemente bilden eine direkte Oxidschicht und schützen so vor weiterer Oxidation.

• Rostbeständige Stähle fordern allgemeine Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und verdünnten Säuren. Wesentliches Legierungsmaterial ist Chrom (Mindestgehalt 12 % Chrom bildet dichte Panzerschicht) Stähle sind spröde, schlecht schweißbar, haben aber hohe Festigkeit

• Rost- und Säurebeständige Stähle sind neben Chrom (Cr) mit Nickel (Ni) legiert (Anteil > 18% Nickel, bei < 0,1% Kohlenstoff). Sind zäh, gut schweißbar, geringe Festigkeiten, „NROSTA“ = Handelsname: Besteck, Behälter und in chemischer Industrie.

4.3.1.6 Legierungs- und Begleitelemente bei Stählen

Die Eigenschaften der Stähle hängen weitgehend von ihren Legierungselementen und Begeleitelementen ab

Legierungsmetalle:

• Chrom (Cr) erhöht die Festigkeit, Härte, Härtbarkeit, Zunderbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit vermindert Schweißbarkeit und Dehnung wichtiges Metall für rostbeständige Stähle

• Mangan (Mn) erhöht die Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Härtbarkeit, Schmiedbarkeit im Gusseisen begünstigt Mn die Fe3 C-Bindung (hemmt Graphitbildung)

• Molybdän (Mo) erhöht die Festigkeit, Wärmefestigkeit, Wärmehärte, Dauerfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit


• Nickel (Ni) erhöht Korrosionsbeständigkeit, Verformbarkeit, Schweißbarkeit, Zähigkeit

• Vanadium (V) erhöht die Festigkeit, Zähigkeit. Warmfestigkeit, Anlassbeständigkeit, Dauerfestigkeit

• Wolfram (W) erhöht die Festigkeit, Wärmefestigkeit, Wärmehärte, Anlassbeständigkeit Molybdän und Wolfram sind besonders wichtig in Werkzeugstählen (HSS)

nichtmetallische Begleitelemente:

Silizium (Si) erhöht die Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Elastizität, Korrosionsbeständigkeit vermindert Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit begünstigt die Grafitausscheidung im Gusseisen

4.3.2 Nichteisen-Metalle

Als Nichteisenmetalle bezeichnet man alle Legierungen, bei denen Eisen nicht den größten Anteil besitzt. Sie werden nach ihrer Dichte in Leichtmetalle und Schwermetalle eingeteilt.

4.3.2.1 Leichtmetalle

Durch ihr geringes Gewicht und ihrer guten Festigkeit gewinnen Legierungen der Leichtmetalle an Bedeutung (KFZ-Bau).

• Aluminium, Aluminiumlegierung Eigenschaften: Al ist ein silberhell glänzendes Metall. Es besitzt eine dünne

Nichteisenmetalle

Leichtmetalle Aluminium Al 2,7 g/cm³ Magnesium Mg 1,7 g/cm³ Titan Ti 4,5 g/cm³

Schwermetalle Kupfer Cu 8,9 g/cm³ Zink Zn 7,1 g/cm³ Blei Pb 11,3 g/cm³


Oxidschicht und ist deshalb relativ korrosionsbeständig. Die Dichte ist rund 1/3 des Wertes von Stahl. Verwendung: Wegen seiner geringen Festigkeit ist die Verwendung von reinem Aluminium begrenzt.

• Magnesium

• Titan

4.3.2.2 Schwermetalle

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