Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure

Reinhard Koether, Wolfgang Rau Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure ISBN-10: 3-446-41274-3 ISBN-13: 978-3-446-41274-3 Vorwort Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41274-3 sowie im Buchhandel Vorwort Die Fertigungstechnik beeinflusst die Wettbewerbsfahigkeit des Unternehmens, ¨ denn sie bestimmt den Fertigungsprozess und damit Kosten und Qualitat der Pro- ¨ dukte. Auch aus diesem Grund werden Top-Positionen im Management mit Fer- tigungstechnikern besetzt. Wirtschaftsingenieure werden bevorzugt an Schnittstellen zwischen wirtschaftlichen und technischen Aufgabenstellungen eingesetzt. Dazu gehort auch die Fertigungs- ¨ planung mit der Auslegung der Herstellungsprozesse und der Ablaufplanung fur ¨ konkrete Fertigungsauftrage. Jedoch brauchen nicht nur Fertigungsplaner fer- ¨ tigungstechnisches Wissen. Auch im Einkauf oder im Controlling wird Know-how uber Fertigungsverfahren und Fertigungsparameter benotigt, um z. B. Kosten zu be- ¨ ¨ urteilen oder die Fahigkeit von Lieferanten einzuschatzen. ¨ ¨ Das vorliegende Buch ist aus unseren Vorlesungen am Fachbereich Wirtschaftsinge- nieurwesen an der Fachhochschule Munchen entstanden. Eingeflossen sind auch un- ¨ sere Erfahrungen aus der Berufspraxis und aus Beratungsprojekten. Das Buch will Wirtschaftsingenieuren einen Ûberblick uber die gangigen Fertigungsverfahren zur ¨ ¨ Metallbearbeitung geben und neben den technischen Grundlagen und Ablaufen ¨ auch die wirtschaftlichen Auswirkungen der Technik zeigen. Dabei wendet es sich nicht nur an Wirtschaftsingenieure, sondern an alle, die fertigungsnahe Aufgaben zu losen haben, also auch an Betriebswirte oder Ingenieure, die eine Ûbersicht uber ¨ ¨ Fertigungsverfahren bekommen wollen. Um den Zugang und die Verstandlichkeit¨ zu erleichtern, wurde das Layout so gestaltet, dass Text und Graphiken zu einem Thema moglichst geschlossen auf einer Doppelseite dargestellt werden. ¨ Ein Buch zu erstellen, macht immer mehr Arbeit, als ursprunglich geplant. Wir ¨ mochten deshalb dem Carl Hanser Verlag fur die beharrliche Unterstutzung unse- ¨ ¨ ¨ res Buchprojektes danken. Unser besonderer Dank gilt aber unseren Ehefrauen Ingelore Koether und Ilse Rau, die die besonderen Belastungen bei der Erstellung unseres Buches geduldig mitgetragen haben und durch unzahliges Korrekturlesen ¨ auch aktiv zum Gelingen beigetragen haben. Munchen, im Marz 1999 ¨ ¨ Reinhard Koether Wolfgang Rau Vorwort zur dritten Auflage „Suchen, finden und begreifen – nach diesem Prinzip sind Text und Illustration hier eine schlussige Verbindung eingegangen“ so lobt der Rezensent R. Kampmann die ¨ Fertigungstechnik fur Wirtschaftsingenieure als Praktikerhandbuch. Viele Leser tei- ¨ len diese Einschatzung, denn bereits zwei Jahre nach Veroffentlichung der erweiter- ¨ ¨ ten zweiten Auflage kann die dritte Auflage gedruckt werden. Das bewahrte Kon- ¨ zept der ubersichtlichen Darstellung mit Text und Bildern auf einer Doppelseite ¨ wurde nicht verandert. Auch Aufbau und Inhalte bleiben erhalten, jedoch wurden ¨ Texte und Bilder aktualisiert sowie Fehler beseitigt. Gauting und Aystetten, September 2007 Reinhard Koether Wolfgang Rau

Reinhard Koether, Wolfgang Rau Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure ISBN-10: 3-446-41274-3 ISBN-13: 978-3-446-41274-3 Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41274-3 sowie im Buchhandel Inhalt 1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1 Aufgaben der Fertigungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 . . . . . . . . . . . . 14 1.3 Auswahl von Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4 Wesentliche Eigenschaften der Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Urformende Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1 Gießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.1 Stranggießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.2 Gießen in verlorene Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.3 Gießen in Dauerformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.4 Verfahrensvergleich Sandguss – Kokillenguss . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1.5 Gießerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 Sintern von Metallwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.1 Verfahrensablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.2 Vergleich pulvermetallurgischer Fertigungsverfahren . . . . . . . . . 42 2.2.3 Vorteile, Nachteile und Anwendungsfelder des Sinterns . . . . . . 44 3 Umformende Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1 Grundlagen des Umformens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2 Massivumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.1 Stauchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.2 Gesenkformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.3 Verfahrensvergleich Gesenkformen – Gießen . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2.4 Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.5 Eindrucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 66 3.2.6 Strangpressen und Fließpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.7 Verfahrensvergleich Strangpressen – Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2.8 Gleitziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.2.9 Rundkneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.3 Blech- und Profilumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.1 Biegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.2 Tiefziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3.3 Verfahrensvergleich Tiefziehen – Fließpressen . . . . . . . . . . . . . . 84 3.3.4 Tiefziehen mit elastischen Werkzeugen und Wirkmedien . . . . . 86 3.3.5 Streckziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3.6 Walzprofilieren, Walzziehen, Walzrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.3.7 Drucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 92 3.3.8 Verfahrensvergleich Drucken – Tiefziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 94 3.3.9 Innenhochdruck-Umformen (IHU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Inhalt 7 4 Trennende Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.1 Zerteilen – Spanloses Trennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.1.1 Scherschneiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.1.2 Feinschneiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.1.3 Werkzeuge fur Umform- und Schneidvorgange . . . . . . . . . . . . . . ¨ ¨ 104 4.2 Zerspanungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.1 Bewegungen und Geometrie am Schneidwerkzeug . . . . . . . . . . . 106 4.2.2 Schnitt-, Spanungsgroßen und Spanbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 110 4.2.3 Schnittkraft, Leistungsbedarf und Hauptnutzungszeit . . . . . . . . . 118 4.2.4 Schneidstoffe und Kuhlschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 126 4.2.5 Werkzeugverschleiß und Werkstuckoberflache . . . . . . . . . . . . . . . ¨ ¨ 132 4.2.6 Standzeit eines Werkzeugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.2.7 Optimierung der Zerspanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.2.8 Zerspanbarkeit von Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.2.9 Trends in der spanenden Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.3 Spanende Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden 146 4.3.1 Drehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.3.2 Bohren, Senken und Reiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.3.3 Frasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 154 4.3.4 Raumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 158 4.3.5 Sagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 160 4.4 Spanende Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden 162 4.4.1 Schleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4.4.2 Honen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.4.3 Lappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Reinhard Koether, Wolfgang Rau Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure ISBN-10: 3-446-41274-3 ISBN-13: 978-3-446-41274-3 Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41274-3 sowie im Buchhandel 352 10 Steigerung von Flexibilitat und Produktivitat ¨ ¨ 10.2 Verkurzung der Hauptzeit ¨ Die Gestaltung der Fertigungsprozesse mit minimaler Hauptzeit ist die klassische Kernaufgabe der Fertigungstechnik. Der technische Fortschritt bei Schneidstoffen wird z. B. durch hohere wirtschaftli- ¨ che Schnittgeschwindigkeiten dargestellt, die kurzere Hauptzeiten ermoglichen. ¨ ¨ Maßnahmen zur Verkurzung der Hauptzeit sind: ¨ • „Klassische“ Optimierung durch – Verfahrensauswahl (z. B. Vorbearbeitung durch Schmieden oder Vorbearbei- – tung durch Spanen aus dem Vollen), – Wahl der Verfahrensparameter, z. B. maximale Schnittleistung (vgl. Kap. 4.1), – – Auswahl der Werkzeuge (z. B. Fraserdurchmesser); – ¨ • Formwerkzeuge (Bild 10.3), • Mehrere Werkzeuge gleichzeitig im Eingriff, • Regelsysteme, Adaptive Control – zur Maximierung der Schnittleistung, – – zur Minimierung von Fertigungstoleranzen (Minimierung von Geometriefeh- – lern). Beispiele fur Formwerkzeuge sind: ¨ • Drehen: Formdrehmeißel • Bohren: Stufenbohrer • Blechbearbeitung: Feinschneiden anstatt CNC-Stanzzentrum • Umformen: Gesenkschmieden anstatt Freiformschmieden Beispiele fur Bearbeitungen, bei denen mehrere Werkzeuge gleichzeitig im Eingriff ¨ sind: • Mehrspindelbohrkopf, • Mehrschlittendrehmaschine (Bild 10.4). Regelsysteme zur Maximierung der Schnittleistung konnen die Prozessparameter so ¨ regeln, dass die Belastungen unter einem Grenzwert bleiben. Normalerweise wer- den die Prozessparameter eher vorsichtig gewahlt, weil bei der Berechnung nicht ¨ alle Einflusse berucksichtigt werden. Bei der Berechnung der Schnittkraft werden ¨ ¨ z. B. Verschleiß, Schmierung oder Unregelmaßigkeiten im Werkstoff nicht beruck- ¨ ¨ sichtigt, obwohl sie Einfluss auf die Schnittkraft haben. Mit einem Regelsystem kann der Vorschub so angepasst werden, dass die Schnittkraft maximiert wird, aber unter einem Grenzwert bleibt. Die Zeitersparnis beim Schruppen betragt ca. 20 bis ¨ 30 %. Der dazu notwendige Schnittkraftaufnehmer wird auch als Sensor eingesetzt, um Werkzeugbruch zu erkennen (vgl. Kap. 10.6). 10.2 Verkurzung der Hauptzeit ¨ 353 Bild 10.3: Formwerkzeuge verhelfen Folgeverbundwerkzeugen zu hoher Mengenleistung (Schuler Pfleghar Werkzeugsysteme) Bild 10.4: Bearbeitungsraum einer Mehrschlittendrehmaschine, an der Hauptspindel sind zwei Werkzeuge gleichzeitig im Eingriff; zusatzlich ¨ wird an der Gegenspindel (oben) ein weiteres Werkstuck bearbeitet ¨ (INDEX) 354 10 Steigerung von Flexibilitat und Produktivitat ¨ ¨ Zum Einsatz von Regelsystemen zur Minimierung der Fertigungstoleranz muss das Werkstuck wahrend der Bearbeitung vermessen werden. Der Regler beeinflusst dann ¨ ¨ z. B. die Schnitttiefe, um den Werkzeugverschleiß auszugleichen. Die automatische Verschleißkorrektur vieler CNC-Steuerungen ist kein Regelsystem, sondern korrigiert den verschleißbedingten Schneidenversatz zeitgesteuert ohne Geometriemessung. 10.3 Verkurzung der Nebenzeit ¨ Durch die großen Erfolge bei der Verkurzung der Hauptzeit werden die Neben- ¨ zeitanteile in der Maschinenbelegungszeit relativ hoher. Maßnahmen zur Auto- ¨ matisierung der Nebentatigkeiten verkurzen nicht nur die Nebenzeiten, sondern ¨ ¨ sind Voraussetzungen fur langere Maschinenlaufzeiten ohne Werkereingriff. Sie ¨ ¨ erlauben damit Mehrmaschinenbedienung und steigern so die Produktivitat. ¨ Nebenzeiten fallen wahrend der Bearbeitung jedes Werkstucks an, vorwiegend fur ¨ ¨ ¨ • Werkzeugwechsel, z. B. von spanenden Werkzeugen, • Werkstuckwechsel. ¨ Grundsatzlich bestehen zwei Moglichkeiten, die Nebenzeitanteile der Hauptnut- ¨ ¨ zungszeit te zu verkurzen: ¨ • Nebentatigkeiten wahrend der Hauptzeit ausfuhren (hauptzeitparallel), ¨ ¨ ¨ • Nebenzeiten direkt verkurzen. ¨ 10.3.1 Verkurzung der Werkstuckwechselzeit ¨ ¨ Beim Frasen ermoglichen Spannstationen außerhalb des Bearbeitungsraums, die ¨ ¨ wesentlichen Tatigkeiten zum Werkstuckwechsel hauptzeitparallel auszufuhren. Ein- ¨ ¨ ¨ richtungen dazu sind: • Pendelbearbeitung: Der Aufspanntisch hat Platz fur zwei Werkstucke, die Fras- ¨ ¨ ¨ spindel bearbeitet ein Werkstuck, wahrend das andere gespannt wird. Nach der ¨ ¨ Bearbeitung fuhrt die Spindel zum anderen Werkstuck zur Bearbeitung. Die ¨ ¨ Frasmaschine kann auch große Werkstucke bearbeiten, dann allerdings ohne ¨ ¨ hauptzeitparallele Werkstuckwechsel (Bild 10.5). ¨ • Drehtisch: Anstelle eines Aufspanntisches ist ein Drehtisch mit zwei Spannplat- ¨ zen an die Frasmaschine montiert. Wie bei der Pendelbearbeitung kann ein ¨ Werkstuck gespannt werden, wahrend ein anderes bearbeitet wird. Zum Werk- ¨ ¨ stuckwechsel dreht der Drehtisch um 180 (Bild 10.6). ¨ • Spannpalette: Die Werkstucke werden auf Spannpaletten unabhangig von der ¨ ¨ Maschine an eigens gestalteten Spannplatzen gespannt. Die vorbereiteten Palet- ¨ ten werden in einem Regal oder einem Umlaufspeicher gepuffert und zur Maschi- ne transportiert. Die Palette hat maschinenseitig eine Standardbefestigung, sodass sie schnell und genau im Bearbeitungsraum befestigt werden kann. Der Paletten- wechsel selbst lauft automatisch ab. Durch Spannpaletten lassen sich auch mehre- ¨ re Werkstucke vorbereiten, so dass damit langere bedienerlose Bearbeitungszei- ¨ ¨ ten moglich werden (z. B. Pausendurchlauf oder bedienerlose Nachtschicht). ¨ 10.3 Verkurzung der Nebenzeit ¨ 355 Bild 10.5: Maschinen zur Pendelbearbeitung haben zwei Bearbeitungsraume, die auch verbun- ¨ den werden konnen, um lange Werkstucke zu bearbeiten (Deckel Maho) ¨ ¨ Bild 10.7: Bearbeitungszen- trum mit Drehtisch (Hermle) 356 10 Steigerung von Flexibilitat und Produktivitat ¨ ¨ Maßnahmen zur direkten Beschleunigung des Werkstuckwechsels sind: ¨ • Automatischer Werkstuckwechsel ¨ – Abschneiden der Werkstucke aus einem positionierten Rohteil (z. B. Drehen – ¨ oder Frasen von der Stange (Bild 10.7), Blechbearbeitung mit Folgeverbund- ¨ werkzeug, Blechteile aus einer Blechtafel ausschneiden), – Werkstuckwechsel mit Greifer am Revolver oder Roboter (Bild 10.8) – ¨ – Werkstuckwechsel durch bewegliche Spindel (vgl. Bild 7.47) – ¨ • Verkurzung der Positionierung (Lagebestimmung) durch ¨ – Anschlage, – ¨ – Aufnahme- und Spannvorrichtungen (ggf. aus Vorrichtungsbaukasten) – • Verkurzung und Vereinfachung der Befestigung ¨ – Spannvorrichtung mit zentraler Betatigung (ein Befehl spannt mehrere – ¨ Spannzylinder), z. B. hydraulische Betatigung, ¨ – Schnellspanner, z. B. Kniehebelspanner. – 10.3.