Vorbereitungsfragen Praktikum Spanende CNC Bearbeitung for Lukas

Praktikum „Spanende CNC-Bearbeitung“
Herstellung einer Torsionsfeder sowie Zerspankraft- und Leistungsmessung
Vorbereitungsfragen:
Komplex 1: Berechnung einer Torsionsfeder
a) Torsionsträgheitsmoment bei Stäben mit Kreisquerschnitt: ∙
b) Federrate einer Torsionsfeder (Drehstabfeder): | |
| |
c) Gesamtfederrate bei Parallelschaltung: ! " ! ⋯ ! $
∙
Gesamtfederrate bei Reihenschaltung: % ! % ! ⋯ ! % (
d) Torsionswinkel: ) &
∙
∙
e) Drillung (Verdrehwinkel pro Längeneinheit): *+ f)
Maximal Torsionsschubspannung: - ./, 0 1
'
,
,
∙
,
0 ∙2 3
∙2∙*
∙
g) Energie einer Torsionsfeder: 4 5 6 ) ∙ ) " 6 ./, ∙ … 4 "∙∙
&
h) Reduziertes Massenträgheitsmoment: 4 " ∙ ∙ ) " ":
;< :
=.
8 0 ∙
"∙∙9 Komplex 2: NC-Technik
a) Aufbau einer CNC: - Bedieneinheit und Bildschirm (Datenein- und –ausgabe)
- CNC-Einheit (Programmverarbeitung, Ablaufsteuerung)
- NC-Modul (Wegesteuerung, Interpolation, Lageregelung)
- SPS (Anpassung, Schaltsignale)
b) Funktionsweise einer Lageregelung:
- Rechner liest NC Satz (Start- und Zielkoordinaten, Art der zu verfahrenden Bahn
[Gerade, Kreis, …], Bahngeschwindigkeit)
- Computer berechnet Zwischenpunkte (Stützpunkte) und Vorschubgeschwindigkeiten
der einzelnen NC-Achsen
c) Festlegung numerischer Achsen nach DIN 66217
- Z-Achse: parallel/axial zur Hauptspindel, positive Richtung vom Wst. zum WZ
- X-Achse: verläuft wenn mögl. Horizontal; bei rotierendem Wst. radial zur
Werkstückachse – positive Richtung von Wst-Achse zum WZ-Träger
- Y-Achse: ergibt sich aus rechtshändigem, rechtwinkligen Koordinatensystem
- Lineare Zusatzachsen: U, V, W; P, Q, R; Hauptdrehbewegungen: A, B, C
d) Wichtige Bezugspunkte einer CNC-Maschine (Festlegung und Funktion)
- Maschinennullpunkt M: Ursprung des Maschinenkoordinatensystems
unveränderlich, vom Hersteller festgelegt
- Werkstücknullpunkt W: Ursprung des Werkstückkoordinatensystems
Achsbezeichung und -richtung stimmen mit Maschinenkoordinatensystem überein,
vom Programmierer festgelegt
- Programmnullpunkt: werkstückbezogen, meist identisch mit Werkstücknullpunkt,
vom Programmierer festgelegt
Referenzpunkt: wird nach Anschalten der Maschine angefahren (Eilgang), um die
inkrementell arbeitenden Wegmesssysteme einzumessen; Abstand Referenzpunkt –
Maschinennullpunkt ist in Steuerung festgelegt, vom Hersteller festgelegt
e) Steuerungsarten
- Punktsteuerung: Positionieren im Eilgang, WZ dabei NICHT im Eingriff, keine
Interpolation,
Anwendung: einfache Maschinen (Bohr-, Stanz-, Punktschweißmaschine)
- Streckensteuerung: Positionieren im Eilgang (achsparallel Verfahrwege), WZ dabei
im Eingriff, keine Interpolation
Anwendung: nur in Ausnahmefällen, z.B. für einfache Bearbeitungen
(Zylinderdrehen, Umrissfräsen)
- Bahnsteuerung: mind. 2 Achsen verfahren in exaktem Verhältnis zueinander,
Interpolation - Koordination der Bewegung erfolgt durch Interpolator
2D-~: interpolieren 2 Achsen miteinander, evtl. 3. Achse als Zustellachse
(Drehmaschinen, Wasserstrahlschneidanlagen, einfache Fräsmaschinen)
2>@?D-~: -~: interpolieren 2 Achsen miteinander, Ebene auswählbar
(selten: Fräsmaschine)
3D-~: interpolieren 3 Achsen miteinander (Fräsmaschine)
5D-~: interpolieren 5 Achsen miteinander (Fräsmaschinen mit Dreh- und
Schwenktisch)
- Programmvorspann (Programmname, Bemerkungen, …)
f) Aufbau CNC Programm:
- Programmanfang (meist % bzw. O+Programmnumer)
- Hauptprogramm (geometrische und technolog. Befehle)
- Programmende (%, vorher meist M30)
-
g) Befehle:
- G0: Verfahren im Eilgang (keine Interpolation)
- G1: Linearpolation
- G2: Kreisinterpolation in Uhrzeigerrichtung
- G3: Kreisinterpolation entgegen Uhrzeigerrichtung
- M30: Programmende mit Rücksetzen
h) Definition Vorschub (F) und Spindeldrehzahl (S)
i) Möglichkeiten der NC-Programmerstellung
i) manuelle Programmierung: - direkt an Maschine oder mit Editor am PC für
einfache und kurze Programme
ii) maschinelle Programmierung:
Werkstattorientierte Programmierung (WOP): zur Erstellung eines maschinenund steuerungsabhängigen Programms direkt an der Maschine (steuerungsintegriert) oder mit Programmiersystem am PC, Simulation der Bearbeitung
möglich, für geringe Stückzahlen geeignet
Programmerstellung mittels CAD-System (universelles Programmiersystem) zur
Erstellung eines maschinenneutralen NC-Programms, das anschließend in ein
maschinenspezifisches Programm übersetzt wird, Simulation der Bearbeitung
möglich, für komplizierte Werkstücke
Komplex 3: Zerspanungstechnik
a) Einteilung spanende Fertigungsverfahren nach:
a. Geometrische Art der Schneide (geometrisch (un)bestimmt)
b. Schnittbewegung (rotatorisch [Drehen, Fräsen, Bohren], translatorisch [Räumen,
Hobeln])
c. Art der zu erzeugenden Fläche (Plan-, Zylinder-, Profil-, Form-, Schraub- und
Wälzfläche)
d. Lage der zu erzeugenden Fläche (Innen-, Außenbearbeitung)
e. Materialabtrag/Bearbeitungsstufe (Vor-, End-, (Ultra)Präzisionsbearbeitung)
f. Einsatz von Kühlschmiermittel (Nass-/Trockenbearbeitung,
Minimalmengenschmierung)
g. Aufheben des Zusammenhalts von Körpern (teilweises Aufheben [Bohren,
Fräsen, Räumen], vollständiges Aufheben [Sägen, Abstechdrehen]
b) Spanarten: Reißspan, Scherspan, Fließspan
ungünstig: Bandspan, Wirrspan, Schrägwendelspan
Spanformen:
befriedigend: Bröckelspan, zylindrischer Schraubenspan
gut: Spiralspan, Spanlocken, Schraubenspanstücke
c) Verbesserung Spanbrechung durch:
- Verringerung Schnittgeschwindigkeit ( Verringerung Zeitspanvolumen)
- Verringerung Schnitttiefe (Verringerung Zeitspanvolumen)
- Verringerung Spanwinkel ( Spanbildung wird erschwert)
- Erhöhung Vorschub ( Verschlechterung Rauheit)
- Verwendung von Automatenstählen (Spanbrecher zulegiert) und Werkzeugen mit
prozessangepassten Spanleitstufen
d) Geometrische Größen an Drehmeißel, Bohrer und Einfluss bei Veränderung dieser
Siehe Übung 1
e) Spanungsquerschnitt = Fläche des abzunehmenden Spans: A BC ∙ D E ∙ F
f) Schnittgeschwindigkeit: G: H ∙ I J ∙ ∙ I
Vorschubgeschwindigkeit: GK D ∙ I
g) Schnittleistung: allg.: L: M: ∙ G: rot.: L: 6: ∙ ; 2 ∙ 6: ∙ J ∙ I
Vorschubleistung: LK MK ∙ GK
h) Verschleißformen und Verschleißursachen und entgegenwirkende Maßnahmen:
- Ausbrüche – mechanische Überbeanspruchung höhere Festigkeit der Schneide
- Freiflächenverschleiß – Abrasion höhere Härte
- Aufbauschneidenbildung – Adhäsion geringe Adhäsionsneigung zum bearb. WS
- Kolkverschleiß – Diffusion (+Abrasion) Diffusionsbeständigkeit (chem. Stabilit.)
- Kerbverschleiß – Oxidation (+Abrasion) Oxidationsbeständ. (chem. Stabilität)
- Plastische Verform. – mechan./therm. Überbeanspr. hohe Härte/Druckfestigkeit
- Querrisse – zu hohe mechan. Wechselbeanspruch. Zähigkeit
- Kammrisse – therm. Wechselbeanspruchung Thermoschockbeständigkeit
i) Typische Eigenschaften und Anwendungen von Schneidstoffen
- Werkzeugstähle: hohe Härte, verschleißbeständig, zäh
- Kaltarbeitsstähle: Härte/Zähigkeit über Kohlenstoffanteil einstellbar
Für Handarbeitswerkzeuge (Feilen, WZ zum Gewindeschneiden, Sägeblätter)
- Schnellarbeitsstähle HSS: hohe Warmhärte/Anlassbeständigk. Gute Duktilität
j)
Bohrer, Reibahlen, Fräser, Kreissägeblätter, Räumwerkzeuge
- WC-basierte Hartmetalle: höhere Warmhärte/Verschleißbeständigk., aber spröder
Erhöhung Karbidanteil (TiC, NbC) führt zur Reduzierung des Diffusionsverschleißes
Erhöhung Kobaltanteil führt zur Verbesserung der Kantenstabilität
Wendeschneidplatten, Bohrer, Reibahlen, Kreissägeblätter, Gewindeschneid-WZ
- Cermets: höhere Härte, Verschleißfest., Temp-/Oxidationsbeständ. als Hartmetalle
durch Beschichten (PVD) Verbesserung der Zähigkeit/Duktilität
Wendeschneidplatten/Fräser zum Schlichten v. Stählen, Schruppbearbeitung
- Schneidkeramiken (Oxid-, Misch-, whiskerverstärkte-, nichtoxidische Keramik): sehr
hohe Härte, hohe Verschleiß-/Temperatur- und chem. Beständigkeit, sprödbruchanf.
Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschw. (Stahl-/Gusswerkstoffe in Serie)
- Kubisches Bornitrid (CBN): zweithärtester, sehr hohe Temp.best./chem. Beständ.
Bearbeitung gehärteter Stähle, Hartguss, Gusseisen, Hartstoffschichten
- Diamant (PKD, CVD, MKD, Naturdiamant): härtester Werkstoff, sehr gute
Wärmeleitfähigkeit, geringe Reibwerte, starke Affinität zu Eisen
Bearbeitung härtester Werkstoffe (Nichteisenmetalllegierungen), abrasiv
wirkender WS, Kunststoffe und Holzwerkstoffe
ZerspankraftM : ist die bei einem Zerspanvorgang von einem Schneidteil auf das
Werkstück wirkende Gesamtkraft. Sie setzt sich zusammen aus:
-
Aktivkraft M/ (in Arbeitsebene), Zerlegung in: M/ =M: " ! MK "
o
o
-
Schnittkraft M: (in Schnittrichtung)
Vorschubkraft MK (in Vorschubrichtung)
Drangkraft M (senkrecht zur Schnittfläche), Zerlegung in: : M
=MC " ! MK "
o Passivkraft MC (senkrecht zur Arbeitsebene) und Vorschubkraft MK
Stützkraft MO (nur beim Fräsen) (in Arbeitsebene senkrecht zur Vorschubrichtung)
M =M/ " ! MC " PM: " ! M
"
=M: " ! MK " ! MC "
k) Schnittkraft: M: A ∙ : E ∙ F ∙ : BC ∙ D ∙ : mit : :
.
S
.V
∙ R ST U
∙ ∏X
l) Zerspanungsarbeit/-energie: 4: M: ∙ Y: Y: … Schnittweg
m) Spezifischer Energieeinsatz: bezogene Größe, aufstellen einer Energiebilanz (für eine
Maschine) differenziert nach verschiedenen Größen, z.B. thermischer und elektrischer
Energie
Komplex 4: Messtechnik
a) Piezoelektrische Sensoren: Messung von Druck, Beschleunigung, Spannung oder Kraft
Funktionsweise: bei Krafteinwirkung entstehen an der Piezokeramik elektrische
Ladungen, diese werden über hochisolierende Kabel zum Ladungsverstärker transportiert
b) Der Ladungsverstärker wandelt die Ladungen in eine proportionale Spannung um, die
dann durch Mess-Hardware/-Software ausgewertet wird (z.B. Umrechnung der
Spannungen in Kräfte)
c) Wheatstonische Brückenschaltung:
Brückenschaltung besteht aus jeweils 2
parallel geschalteten Widerständen,
Widerstände die einen Spannungsteiler
bilden. Zuerst muss die Brücke abgeglichen werden, indem man
die Widerstandwerte so ändert, dass die Diagonalspannung
U5=0 wird, dann gilt:
]&
]
]
]
. Auf diese Weise kann der Wert
eines unbekannten Widerstandes ermittelt werden. Wird heute nur noch für
Präzisionsmessungen verwendet
d) Komponenten eines Werkzeugmaschinenantriebs (Haupt- Vorschub-- und Nebenatriebe):
- Elektromotor / Linearmotoren / Motorspindel (Direktantrieb)
- Sicherheitskupplung
kupplung oder Riementrieb
- Getriebe für Drehzahlwandlung
- Rotation oder Translation ausführende Baugruppen (Hauptspindel
Hauptspindel, Schlitten)
e) Frequenzumrichter:: wandelt aus einem Wechselstrom (Dreiphasennetz mit bestimmter
Frequenz f=50Hz) mittels eines Gleichrichters eine Gleichspannung, die wiederum mittels
Leistungselektronik in eine Frequenz und Amplituden veränderbare dreiphasige
Versorgungsspannung
pannung umgewandelt wird.
Durch diese Frequenzerhöhung ist es möglich an Asynchronmotoren (mit Käfigläufer)
K
^<∙K
höhere Drehzahlen zu erreichen.
erreichen I C p…Polpaarzahl
f)
Messtechnische Erfassung von Spannung und Stromstärke
mittels digitalem Multimeter
g) Berechnung der elektrischen Energie in GleichGleich und Wechselstromnetzen
Gleichstromleistung L _ ∙ bzw. mit Ohmschen Gesetz: L ` ∙ " , L Gleichstromleistung:
Wechselstromleistung
Wechselstromleistung:
Wirkleistung: L _ ∙ ∙ cos ) [P]=W
Blindleistung: a _ ∙ ∙ sin )
[Q
Q]=var
Scheinleistung: d _ ∙ [S]=VA
e
g
]
cos ) O … Leistungsfaktor (Verhältnis Wirk- zu Scheinleistung)
Drehstrom (dreiphasiger Wechselstrom) L _ ∙ ∙ cos ) ∙ √3
√