Werkzeugmaschinen

Kapitel 1: Einführung

1. Wie grenzen sich WZM gegenüber anderen Maschinen ab?

- Abweichend von Norm DIN 69651 sprechen wir nur beim Umformen und Trennen von Werkzeugmaschinen
- Zielstellung einer Werkzeugmaschinen ist das Ändern der geometrischen Form
- Werkzeugmaschinen sind mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtungen, die durch relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkzeugstück eine vorgesehene Form oder eine Formänderung am Werkstück erzeugen.
- Werkzeugmaschinen sind Elemente von Werkzeuganlagen. Sie sind innerhalb der Fertigungsanlage, die Fertigungseinrichtung.

2. Nach welchen Kriterien lassen sich WZM einteilen?

- Nach dem Verfahren, z.B. Drehmaschine
- Nach der Bauform, z.B. Schrägbrettdrehmaschine
- Nach der Größe der Maschine, z.B. Langbettdrehmaschine
- Nach den Leistungsparametern, z.B. Hochpräzisionsdrehmaschine
- Nach den Einzweckmaschinen, z.B. Verzahnungsmaschine
- Nach dem Automatisierungsgrad

3. Wie lassen sich WZM nach ihrem Automatisierungsgrad definieren?

- Eine konventionelle Werkzeugmaschine erzeugt die Schnitt- und die Vorschubbewegung über einen Motor und Getriebe, sowie über Handräder.
- Ein Automat steuert die Vorschubbewegung z. B. über Kurvenscheiben. (unflexibel)
- Eine CNC-Werkzeugmaschine vollführt einen automatischen Arbeitszyklus an einem manuell eingespannten Werkstück. Der Werkzeugwechsel wird meist automatisch durchgeführt.
- Ein Bearbeitungszentrum integriert im Allgemeinen zusätzlich den Werkstückwechsel und das Werkzeugkontrollsystem.
- Die Flexible Fertigungszelle umfasst mehrere Maschinen mit ihren Werkzeugmagazinen, einen größeren Werkstückspeicher und z. T. integrierte Messeinrichtungen.
- Flexible Fertigungssysteme besitzen einen maschinenübergreifenden automatischen Werkstückfluss mit Anbindung einer Fertigungssteuerung bzw. eines ProduktionsPlanungssystems.

Starre Transferstrasse besitzen einen sehr geringen Flexibilitätsgrad. Nur durch aufwendiges Rüsten können kleine Veränderungen in der Produktpalette gefertigt werden. Die starre Transferstrasse folgt dem Linienprinzip und hat in der Regel keine Möglichkeiten, Schleifen oder Gabelungen zu folgen.

4. Welche Nebenfunktionen von WZM sind für eine automatische Fertigung erforderlich?

- Erzeugung der Schnitt- und Vorschubbewegung
- Erzeugung der Prozesskräfte
- Automatische Ablaufsteuerung der Maschinenfunktion
- Automatischer Werkzeugwechsel mit Werkzeugspeicher
- Automatische Werkstücke und Werkzeugfluss für Fertigungssysteme

Kapitel 2: Aufbau von WZM

5. Aus welchen Komponenten sind WZM grundsätzlich aufgebaut?

- Gestell
- Ständer, Fundament
- Schlitten

- Führung
- Geradführungen
- Lagerungen

- Antrieb
- Hauptantrieb
- Nebenantrieb

- Steuerung
- Leistungssteuerung
- Informationssteuerung

Kapitel 3: Gestelle und Gestellbauteil

6. Nennen Sie die Gestellbauformen von Fräsmaschinen unterteilt nach Achsenanzahl.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

7. Nennen Sie die Gestellbauformen von Drehmaschinen.

- Flachbett, Schrägbett
- Frontbett
- Ständer

8. Nennen Sie die Hauptfunktionen eines Gestells.

- Aufnahme von Kräften und Momenten
- Führung der beweglichen Teile
- Sicherung der Anordnung der Elemente
- Bestimmung der Grundform der Maschine

9. Welche Nebenfunktionen müssen vom Gestell realisiert werden?

- Aufnahme von Funktionsbaugruppen (Getriebe, Ventilator, Motor…) Abfluss von Kühlschmierstoffen und Spänen

10. Durch welche Einflüsse können Gestellbauteile verformt werden?

11. Welche Ursachen haben diese Einflüsse?

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

12. Was bedeutet es, wenn die Gestelle nach dem Kriterium „ Festigkeit ” ausgelegt werden?

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Festigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft, die den mechanischen Widerstand beschreibt, den ein Werkstoff einer äußeren Belastung entgegensetzt. Je höher das Kriterium Festigkeit festgelegt wird, desto widerstandsfähiger ist das Gestell gegen äußere Belastung. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden die technisch relevanten Festigkeitskennwerte ermittelt. Je nach Werkstoffzustand, Temperatur, Belastung und Belastungsgeschwindigkeit können unterschiedliche Festigkeiten erreicht werden.

13. Welches Auslegungskriterium muss auß erdem noch unbedingt angewendet werden?

Die Steifigkeit ist eine Größe in der Technischen Mechanik, die den Zusammenhang zwischen der Last, die auf einen Körper einwirkt und dessen Verformung beschreibt. Die Steifigkeit eines Körpers ist von dessen Werkstoff sowie der Geometrie und von der Art, Lage und Richtung der Krafteinleitung abhängig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Je nach Belastungsart unterscheidet man unterschiedliche Steifigkeiten:

Die statische Steifigkeit ergibt sich aus in der Maschine hineinkonstruierten geometrischen Statik und den Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe. Weiter sind besonders Lage, Form und Anzahl von Fugen und Führungen entscheidend.

Die dynamische Steifigkeit setzt sich zusammen aus der statischen Steifigkeit von Maschine, Fundament und Werkstück, sowie der Werkzeuge, der Lage und Verteilung der Massen und ihre Schwingungsmöglichkeiten und die Art, Ausführung und Qualität der Führungen.

Die thermische Steifigkeit einer WZM wird wesentlich von der Einwirkung von Wärmequellen und -senken nach Menge der Wärme und ihrer Lage bzw. Anordnung beeinflusst. Diese können der Prozess der Werkzeugmaschine selbst sein, die Anordnung und Temperierung von Fluiden und die Aufstellung mit einseitig wirkenden Wärmequellen.

14. Durch welche Kräfte werden Gestellbauteile belastet?

Die statischen Belastungen von WZM resultieren aus den Prozesskräften und den Gewichtskräften. Durch die wechselnden Prozessaufgaben verändern sich die Kräfte und Momente in ihrer Größe und Wirkrichtung sowie die Lage der Kraftangriffspunkte.

Außer den statischen Belastungen sind bei WZM die zeitlich veränderlichen, dynamischen Belastungen von Bedeutung. Aufgrund der dynamischen Anregungskräfte kommt es zu Schwingungen des Gesamtsystems,

Für die Verformung von Maschinenstrukturen sind neben den zuvor diskutierten statischen und dynamischen Belastungen auch Wärmebelastungen verantwortlich.

15. Wodurch unterscheiden sich statische und dynamische Kräfte?

Statische Kräfte sind im Zeitablauf konstant. Dynamische Kräfte verändern sich im Zeitablauf.

16. Wie sind Steifigkeit und Nachgiebigkeit definiert?

Die Steifigkeit ist eine Größe in der Technischen Mechanik, die den Zusammenhang zwischen der Last, die auf einen Körper einwirkt und dessen Verformung beschreibt. Die Steifigkeit und Nachgiebigkeit eines Körpers sind von dessen Werkstoff sowie der Geometrie und von der Art, Lage und Richtung der Krafteinleitung abhängig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Die Nachgiebigkeit d ist der Kehrwert der Steifigkeit und somit als Verhältnis der Verformung x zur Kraft F definiert.

17. Durch welche Werkstoffkenngr öß en wird die Steifigkeit besonders beeinflusst?

Bei der Belastung auf Zug/Druck und Biegung hat das E-Model großen Einfluss, bei der Belastung auf Torsion und Schub das G-Modul des Werkstoffes.

18. Welchen Einfluss nimmt die Steifigkeit auf das Maschinenverhalten von spanenden und umformenden WZM?

a) statische Steifigkeit: Durchbiegung der WZM-Baugruppen im elastischen Bereich
b) dynamische Steifigkeit: Schwingungen an WZM-Baugruppen
c) thermische Steifigkeit: Erwärmung der WZM-Baugruppen mit anschließender Ausdehnung

19. Erläutern Sie beispielhaft den Zusammenhang zwischen Dimensionierung, Steifigkeit und Materialaufwand?

Beim Aspekt der Steifigkeit ist die statische als auch die dynamische Steifigkeit zu beachten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Bei einer Erhöhung der Fläche, würde sich die statische Steifigkeit erhöhen, was jedoch zu einer Erhöhung der Masse und zu mehr Materialaufwand führt, wobei die dynamische Steifigkeit sinkt. Das Problem besteht nun darin eine optimale Lösung bei der Dimensionierung zu finden.

20. Was sind Ursachen für Kraftänderungen bei spanenden WZM?

Sofern Kräftänderungen an WZM vorliegen, bedeutet es, dass dynamische Schwingungen vorliegen.

21. Welche Auswirkungen können Kraftänderungen auf die Werkstückgenauigkeit haben?

Kraftänderungen haben negative Auswirkungen auf die Baustruktur der WZM. So führt zum Beispiel Temperaturerhöhung am Werkzeug zu dessen Ausdehnung, so zu einer höheren Schnittkraft und Schnitttiefe.

22. Durch welche Maß nahmen kann die statische Steifigkeit von Gestellen beeinflusst werden?

Es gelten folgende allgemeine Gestaltungsregeln zur Steifigkeitserhöhung:

- Grundsätzlich geschlossene Profile bevorzugen und möglichst große äußere Querschnittsabmessungen wählen.
- Bei geschlossenen Profilen bringt eine Erhöhung der Wandstärke einen wesentlich geringeren Steifigkeitsgewinn als eine Vergrößerung der Querschnittsabmessungen.
- Besonders torsionssteif sind geschlossene runde Hohlquerschnittsformen. Ideal ist der Kreisringquerschnitt.
- Offene Profile sind nur in dem Sonderfall günstig, wenn eine Biegebelastung in Richtung des großen äquatorialen Flächenträgheitsmomentes wirkt.
- Lässt es sich nicht vermeiden, dass auch bei Torsionsbelastung offene Profile verwendet werden müssen, so muss die Wandstärke maximiert werden.
- Bei allen Belastungsarten und Profilformen muss versucht werden, den Bauteilquerschnitt in Bezug auf die erforderliche Bauteillänge groß zu halten.
- Ein hoher Elastizitäts- bzw. Schubmodul wirkt sich ebenfalls in allen Fällen günstig auf die Steifigkeit aus.

23. Warum werden Gestelle verrippt?

- Erhöhung der Biege- und Torsionsfestigkeit:
- Längsrippen verbessern Biegefestigkeit
- Querrippen verbessern Torsionsfestigkeit
- Verbesserung der Steifigkeit
- Verrippung dient der Vergrößerung des Querschnittes

24. Welchen Einfluss nehmen Fugen undöffnungen auf die Gestellsteifigkeit?

Gestellbauteile werden miteinander oder mit dem Fundament durch kraft- und formschlüssige Fügeverbindungen gekoppelt. Die entstehenden Fugen beeinflussen die Gesamtsteifigkeit der Gestelle, da sie in der Regel im Kraftfluss liegen.

Eine senkrecht angreifende Kraft würde die Fügestelle noch zusätzlich auf Schub belasten und im Ständer Biege- und Torsionsverformungen hervorrufen. Vor allem bei den von der Kraftangriffsstelle weiter entfernten Fügestellen ist eine hohe Steifigkeit der Fügeverbindungen erforderlich, da sie aufgrund der ungünstigen Hebelverhältnisse starke Auswirkungen haben.

Fugen und Öffnungen reduzieren also die Gestellsteifigkeit.

25. Wie wirken sich Fugen auf die Dämpfungseigenschaften aus?

Durch Fügestellen sinkt die Wirkung der Dämpfung von Schwingungen. Die Dämpfungseigenschaften verschlechtern sich.

26. Welche Arten von mechanischen Schwingungen können in WZM auftreten?

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Bei der harmonischen Schwingung entspricht im eingeschwungenen Zustand die Schwingungsfrequenz der Erregerfrequenz.

Bei der stoßförmigen Schwingung schwingt das Maschinensystem hauptsächlich mit der dominierenden Eigenfrequenz aus.

Bei selbst erregter Schwingung schwingt das Maschinensystem grundsätzlich mit einer der Eigenfrequenzen, wobei keine äußeren Störkräfte auf das System einwirken.

27. Welcher Unterschied besteht zwischen statischer und dynamischer Steifigkeit?

Die statische Steifigkeit ergibt sich aus in der Maschine hineinkonstruierten geometrischen Statik und den Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe. Weiter sind besonders Lage, Form und Anzahl von Fugen und Führungen entscheidend.

Die dynamische Steifigkeit setzt sich zusammen aus der statischen Steifigkeit von Maschine, Fundament und Werkstück, sowie der Werkzeuge, der Lage und Verteilung der Massen und ihre Schwingungsmöglichkeiten und die Art, Ausführung und Qualität der Führungen.

28. Worin besteht das Optimierungsproblem bei der statischen und dynamischen Gestellauslegung?

Das Optimierungsproblem besteht in der Dimensionierung des Gestells auf Steifigkeit. Beim Aspekt der Steifigkeit ist die statische als auch die dynamische Steifigkeit zu beachten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Bei einer Erhöhung der Fläche, würde sich die statische Steifigkeit erhöhen, was jedoch zu einer Erhöhung der Masse und zu mehr Materialaufwand führt, wobei die dynamische Steifigkeit sinkt. Das Problem besteht nun darin eine optimale Lösung bei der Dimensionierung zu finden.

29. Welche Schwingungserreger können in WZM auftreten?

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

30. Wie kann das Eigenschwingungsverhalten einer WZM experimentell bestimmt werden?

Ein über Rechner gesteuerter Frequenzgang-Analysator erzeugt das elektrische Signal zur Fremdanregung der Maschine; dieses Signal wird über einen

Leistungsverstärker einem elektrodynamischen Erreger zugeführt. Das auf die Maschinenstruktur übertragene Kraftsignal kann beispielsweise durch einen piezoelektrischen Kraftaufnehmer erfasst werden. Über einen Messverstärker werden die Signale dem Frequenzgang-Analysator zugeführt, der daraus die Übertragungsfrequenzgänge zwischen der Stelle der Kraftanregung und den Bewegungsstellen berechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

31. Wie lässt sich die dynamische Steifigkeit von Gestellen beeinflussen?

Erhöhung der dynamischen Steifigkeit durch:

a) Massen und Massenverteilung

Die dynamisch wirksame schwingungsfähige Masse eines Systems bestimmt sowohl die Eigenfrequenz sowohl die Resonanzüberhöhung maßgeblich mit. Eine ungünstige Massenverteilung, d.h. eine große Masse an Stellen großer Schwingungsamplitude, senkt die Eigenfrequenz und verringert die dynamische Steifigkeit.

b) Gezielte Schwächung

Ein im Kraftfluss liegendes statisch weiches Element mit hoher Eigenfrequenz und Dämpfung verschiebt die gesamte Nachgiebigkeitskurve in Richtung der positiven reellen Achse.

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