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Zusammenfassung

Fertigungstechnik 1 Wirtschaftsingenieurwesen

3.947 Wörter / ~10 Seiten sternsternsternsternstern_0.5 Autorin Karina . im Feb. 2010
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Zusammenfassung
Fertigungstechnik

Universität, Schule

HFH Würzburg

Note, Lehrer, Jahr

2009

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Karina . ©
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sternsternsternsternstern_0.5
ID# 1093







Fertigungstechnik 1


Aufgabe und Ziel der Fertigungstechnik ist die wirtschaftliche Herstellung von Einzelteilen und Erzeugnissen des Maschinen-, Apparate-, Geräte- und Fahrzeugbaus sowie der Elektrotechnik und Elektronik. Bei der Fertigung wird ein gewählter Anfangs- oder Rohzustand durch zielgerichtete Veränderung der Form und/oder Stoffeigenschaften in den gewünschten End- oder Fertigzustand überführt.

Dabei bedient man sich der Fertigungsverfahren, die mit Hilfe von Fertigungsmitteln realisiert werden.

Nach den Merkmalen Stoffzusammenhalt und Ziel der Veränderung werden 6 Hauptgruppen von Fertigungsverfahren unterschieden und zwar das Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten, Stoffeigenschaftsändern.

Als Anfangszustand für Metallerzeugnisse wird der sog. formlose Stoff, z.B. Schmelze oder Pulver verstanden. Ausgehend davon können zwei Hauptwege der Fertigung unterschieden werden:

-        Weg I: über die Halbzeugfertigung. Gegenwärtig dominiert Weg I mit einem Anteil von 80%. Er ist dadurch charakterisiert, dass der formlose Stoff zu Vorformen urgeformt wird (Gießen z.B. von Blöcken oder Strängen), aus denen durch nachfolgendes Umformen (Walzen, Strangpressen) in meist mehrere Stufen Halbzeuge hergestellt werden, wie Stab- und Profilstahl, Rohr, Blech oder Band.

Der Weg I führt in der Regel zu besserer Materialökonomie und meist auch zu höherer Produktivität.

-        Weg II: direkte Formteilfertigung aus dem formlosen Stoff. Der kürzere aber nicht immer kostengünstigere Weg I ist dadurch charakterisiert, dass aus dem formlosen Stoff durch Urformen die Grundform des herzustellenden Teiles direkt erzeugt wird.

Die Vorteile sind: Verkürzung des Gesamtprozesses, geringere Materialverluste, geringerer Energiebedarf.

Besondere Bedeutung erlangt Weg II durch die Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung neuer Werkstoffe, z.B. pulvermetallurgische und keramische Hochleistungs- und Verbundwerkstoffe.


1. Urformen


-        1.1 Allgemeines Verfahrenprinzip


Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes, wobei die Stoffeigenschaften bestimmbar in Erscheinung treten.


Prinzipieller Verfahrensablauf

Beispiel

1. Erzeugen des urformfähigen formlosen Stoffes

1. Schmelzen des Metalls

2. Formgebung des formlosen Stoffes

2. Gießen der Schmelze in eine Gießform

3. Schaffen des Stoffzusammenhaltes

3. Abkühlen und Erstarren der Schmelze

4. Entnehmen des Urformteils aus der Form

4. Auspacken des Gussteils

5. Nachbehandeln des Urformteils

5. Putzen des Gussteils; Ausbessern der Gussfehler, Wärmebehandlung des Gussteils

-        1.2 Einteilung der Urformverfahren


  1. Ausgehend vom allgemeinen Verfahrensprinzip wird als erstes Gliederungsmerkmal des Urformens die Art des formlosen Stoffes herangezogen.

Urformen aus dem …

Beispiel

flüssigen Zustand

Gießen

breiigen Zustand

Gießen von Beton

pulverförmigen Zustand

Pressen und Sintern von Metall- oder Keramikpulver

plastischen Zustand

Spritzgießen von erwärmten Kunststoffgranulat

gasförmigen Zustand

Abscheiden aus der Dampfphase

ionisierten Zustand

Elektrolytisches Abscheiden


  1. Ein zweiter Einteilungsgesichtspunkt ist die Art der Formgebung des formlosen Stoffes. Dabei dominieren die mechanischen Prinzipien, nach denen unterschieden wird in:

a)     Urformen durch Schwerkraftwirkung. Der Formhohlraum füllt sich mit formlosem Stoff durch Wirkung der Schwerkraft. Dieses Verfahren erfolgt nach dem aus der Physik bekannten Prinzip der kommunizierenden Röhren und setzt Fließfähigkeit und Formfüllungsvermögen des formlosen Stoffes voraus.

Beispiele hierfür sind das Kokillengießen und das Sandformgießen.

b)     Urformen durch äußeren Druck. Der formlose Stoff wird durch von außen aufgebrachten Druck in den Formhohlraum gepresst. Beispiele hierfür sind Druckgieß.....[Volltext lesen]

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Das führt zum Gusseisen mit Kugelgraphit GGG. GGG vermeidet die Nachteile von GGL, hat etwa gleiches Festigkeitsverhalten wie Stahlguss, aber die guten Gießeigenschaften des Gusseisens.


-        2.2 Nichteisen-Gusswerkstoffe


Man unterscheidet zwischen Schwermetall- und Leichtmetallgusswerkstoffen.

Unter den Leichtmetallgusswerkstoffen dominieren die Aluminiumlegierungen Al-Si, Al-Mg und Al-Cu mit Dichten um 2,7 g/cm3 und Zugfestigkeiten von 200 … 250 N/mm².

Ihnen folgen Magnesiumlegierungen mit Dichten von 1,8 g/cm³.

Leichtmetalle werden vorzugsweise durch Druckgießen verarbeitet, gefolgt vom Kokillengießen und Sandformgießen.

Bei den Schwermetallgusswerkstoffen dominieren die Kupferlegierungen Cu-Zn (Messing),

Cu-Sn (Bronze) und Cu-Sn-Zn (Rotguss) mit Dichten um 8,6 g/cm³ und Zugfestigkeiten von

180 280 N/mm².

Ihnen folgen Zinklegierungen.

Die Kupferlegierungen werden hauptsächlich als Kokillenguss, Schleuderguss, Strangguss und Sandguss verarbeitet, Zinklegierungen ausschließlich als Druckguss.


-        2.3 Erzeugen des flüssigen Gießmetalls


Zur Herstellung der Metallschmelze werden verschiedene Schmelzverfahren bzw. Schmelzöfen benutzt. Man unterscheidet:

a)             Schachtschmelzen im Kupolofen. Das wichtigste Verfahren für Gusseisen und Temperguss. Als Schmelzgut werden Roheisen (ca. 20%), Kreislaufmaterial (Speiser, Gießsystem), Schrott, Koks und Zuschläge eingesetzt. Die Schmelzwärme wird durch Verbrennen von koks erzeugt, der im Wechsel mit dem Schmelzgut schichtweise eingebracht wird.

Im unteren Teil des Schachts wird der Koks durch Zufuhr von Luft oder –was besser ist- von vorgewärmter Luft auf Weißglut gebracht. Dementsprechend wird zwischen Kaltwind- und Heißwind-Kupolofen unterschieden. Durch die Verbrennungswärme und die aufsteigenden Gase wird das Schmelzgut beim kontinuierlichen Nachrutschen nach unten zunehmend erwärmt und schließlich geschmolzen.

Es werden Schmelzmengen von 2 …15 t/h erreicht, die nahezu kontinuierlich abgestochen werden können.

b)             Induktionsschmelzen. Dieses Verfahren findet für alle Gusswerkstoffe Anwendung. Dabei erzeugt ein magnetisches Wechselfeld einen Sekundärstrom im metallischen Einsatzmaterial, durch den das Material aufgeheizt wird. Der metallische Einsatz muss der gewünschten Zusammensetzung der Schmelze nahe kommen, die endgültige Zusammensetzung wird im Tiegel eingestellt.

Das Induktionsschmelzen ermöglicht Schmelzleistungen von 0,2 …10 t/h, wobei diskontinuierlicher Betrieb vorherrscht. Induktionstiegel werden auch zum Auffangen und warm halten der Schmelze au.....

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b)             Durch Aushärten- bzw. Abbindevorgänge im Verfestigungsformverfahren (bei chemisch gebundene Formstoffe)

erreicht.

Zur Erzeugung des Hohlraumes in der Gießform, der später die Schmelze aufnimmt, wird ein Modell benutzt. Das Modell stellt ein Abbild des herzustellenden Gussteils dar. Es muss um das Schwindmaß, d.h. die Wärmeschrumpfung des Gussteils beim Abkühlen von der Erstarrungstemperatur auf Zimmertemperatur, größer ausgeführt sein als das Gussteil. Man unterscheidet zwischen Dauermodelle und verlorene Modelle.

Dauermodelle werden in der Regel geteilt ausgeführt. Verlorene Modelle sind ungeteilt.

Zur Erzeugung von Durchbrüchen, Bohrungen oder anderen Hohlräumen im Gussteil werden an den entsprechenden Stellen Kerne eingelegt, die wie die Form selbst aus silikatischen Formstoffen hergestellt sind. Kerne benötigen sichere Auflageflächen in der Gießform. Diese werden durch entsprechende Ansätze am Modell – die Kernmarken – beim herstellen der Form erzeugt.

Verfahren zur Herstellung verlorener Formen

Wirkprinzip (Formstoff)

Verfahren mit

Dauermodell

Verlorenem Modell

Verdichtungsprinzip


·      Stampfen




·      Rütteln, Pressen



·      Hochdruck



Handformen

-Kastenformen

-Herdformen

-Schablonenformen

Maschinenformen

-Mit Kasten

-Kastenlos

Hochdruckpressen

-Mit Rütteln

-Mit Blasen/Schließen

Vollformgießen

Verfestigungsprinzip


·      Durch Unterdruck

(physikalisch gebundener

Formstoff)

·      Durch Aushärten

(chemisch gebundener

Formstoff).



Vakuumverfahren



Maskenformverfahren

Kaltharzverfahren

Zementsandverfahren



Unterdruck-Vollformgießen



Feingießen

Vollformgießen

-        3.1 Herstellung verlorener Formen nach dem Verdichtungsprinzip


Verdichtungsformverfahren benutzen tongebundene Formstoffe, die überwiegend aus Quarzsand, Wasser und Ton bestehen. Diese werden im Formstoffaufbereitungsprozess im richtigen Verhältnis zusammengesellt und gemischt. Bei der Formherstellung wird das lockere formbare Gemisch mechanisch so verdichtet, dass die notwendige Formfestigkeit entsteht.

a)            Handformen. Der Formkasten ist zweigeteilt. Es besteht aus einem Unter- und einem Oberkasten. Die Formkästen sind unten und oben offen, bilden also nur einen Rahmen. Bei einfachren und großflächigen Teilen in kleinen Stückzahlen kommt auch das einfachere Herdgießen zur Anwendung.

In Kasten- und Herdformen können alle Gusswerkstoffe vergossen werden. Die Abmessungen sind nahezu unbegrenzt. Die zulässigne Freimaßtoleranzen sind relativ groß. Zu bearbeiten Flächen erhalten ein Aufmaß, d.h. eine Bearbeitungszugabe von etwa 2mm (Nennmaß 50) bis etw.....

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Beim Blasen wird der Formstoff mittels Druckluft aufgewirbelt und füllt als Formstoff-Luft-Gemisch den Formkasten bzw. die Formkammer.

Beim Schließen wird der Formstoff durch Druckluft beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit in den Formhohlraum gepresst.

Blasen bzw. Schließen wird beim Hochdruckpressen vorrangig dann eingesetzt, wenn Kerne sowie Formballen für senkrecht geteilte Formen hergestellt werden.

d)            Vollformgießen. Während die bisher behandelten Verdichtungsverfahren mit Dauermodellen arbeiten, wird beim Vollformgießen ein verlorenes Modell aus Hartschaum benutzt. Es ist ungeteilt, erfordert keine Aushebeschränken und kann Hinterschneidungen und Hohlräumen enthalten, so dass Kerne überflüssig werden.

Da Modell und Formkasten ungeteilt sind, können weder Grat noch Versatz am Gussteil auftreten. Im Übrigen entsprechen die Genauigkeiten denen beim konventionellen Kastenformen. Das Verfahren ist besonders für große Teile (bis mehrere Tonnen) und kleine Stückzahlen geeignet.


-        3.2 Formen nach dem Verfestigungsprinzip


Die meisten Verfestigungsformverfahren arbeiten mit chemisch gebundenen Formstoffen, d.h. die Formfestigkeit entsteht durch Aushärten bzw. Abbinden des Formstoffes. Eine Ausnahme bildet das Vakuumformverfahren, bei dem die Verfestigung des Formstoffes durch Unterdruck erfolgt.

a)            Vakuumformverfahren. Analog zum Maschinenformen wird auch beim Vakuumformen mit geteiltem Dauermodell und Formkästen gearbeitet. Als Formstoff wird jedoch trockener, bindefreier Quarzsand eingesetzt, der durch Unterdruck verfestigt wird.

Vorteile des Vakuumformverfahrens sind einfacher Fertigungsablauf, große Maßgenauigkeit und Oberflächengüte und damit geringe Nacharbeit. Als erreichbare Maßtoleranzen werden Werte von ± 0,3% des Nennmaßes angegeben, während beim üblichen Maschinenformen von 1 …3% auftreten. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren für große Gussteile mit projizierten Flächen über 1 .....

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Das Feingießen ermöglicht die Herstellung komplizierter, stark gegliederter Teile mit geringen Wanddicken ab etwa 1 mm. Zudem werden mit einer Rautiefe von 10 …40 μm sehr gute Oberflächen und mit einer Toleranz von etwa 0,3 … 1% des Nennmaßes hohe Maßgenauigkeiten erreicht. Besondere Vorteile ergeben sich beim Vergießen schwer zerspannbarer und nicht umformbarer Werkstoffe, bei Teilen für die Luft- und Raumfahrt, für den Kraftzeugbau, Gerätebau und die Medizintechnik.


-        3.3 Gießen, Erstarren, Gießfehler


Bei allen bisher behandelten Form- und Gießverfahren erfolgt die Formfüllung durch Wirkung der Schwerkraft. Dabei kann der Formfüllraum von oben oder von unten gefüllt werden. Sandformen werden in der Regel von unten gefüllt (steigender Guss), so dass Auswaschungen der Form vermieden werden und Schlacke, Gase und andere Verunreinungen in die über den höchstgelegenen Hohlräumen angeordneten Speiser aufsteigen können.

Während des Abkühlens tritt aufgrund der Wärmedehnung und der Änderung des Aggregatzustandes der Schmelze eine Volumenkontraktion ein. Dieser auch als Schwindung bezeichnet Vorgang ist durch drei Bereiche gekennzeichnet:

a)            Flüssige Schwindung im Bereich zwischen Gieß- und Liquidustemperatur. Sie führt zur Senkung des Flüssigkeitspegels im Speiser und Einguss.

b)            Erstarrungsschrumpfung im Bereich zwischen Liquidus- und Solidustemperatur bei Legierungen bzw. im Erstarrungspunkt bei reinen Metallen. Sie führt zur Absenkung des Flüssigkeitspegels im noch flüssigen Bereich bei gleichzeitigem Anwachsen des erstarrten Randbereiches.

c)            Feste Schwindung beim Abkühlen von Solidus- auf Zimmertemperatur. Sie führt zur allseitigen Verkleinerung der Gussteilabmessungen (kubische Schwindung) und wird durch entsprechende Vergrößerung .....

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4. Gießen in Dauerformen


Beim Gießen in Dauerformen werden meist geteilte metallische Gießformen benutzt, die den thermischen Belastungen durch die Gießtemperatur standhalten müssen. Als Werkstoffe für Dauerformen kommen deshalb vorrangig Warmarbeitsstähle zur Anwendung. Die erreichten Standmengen von Dauerformen reichen von etwa 5.000 Abgüssen bei Eisenwerkstoffen über ca. 100.0000 bei Aluminium – bis zu 500.000 bei Zinkwerkstoffen.

Damit ist das Gießen in Dauerformen besonders für große Fertigungsstückzahlen geeignet.

Die metallische Gießform bewirkt gegenüber silikatischen Formen eine wesentliche schnellere Abkühlung und Erstarrung der Gussteile. Das verkürzt nicht nur die Taktzeit bei der Fertigung, sondern hat auch ein feineres und dichteres Gefüge und höhere Festigkeitswerte der Gussteile zur Folge.


-        4.1 Kokillenguss


Beim Kokillengießen werden die schon beim Sandformgießen her bekannten horizontal oder vertikal geteilte Formen benutzt, deren Formhohlraum durch Schwerkraftwirkung mit Schmelze ausgefüllt wird. Die Hohlräume im Gussteil werden ebenfalls durch Kerne erzeugt. Diese können als metallische Dauerkerne ausgeführt sein, die zum Entnehmen des Gussteils über äußere Schieber aus der Form herausgezogen werden.

Es können aber auch verlorene Kerne aus silikatischen Werkstoffen in die Dauerform eingelegt werden. Man spricht dann von Gemischkokille.

Die Kokille ist nach dem Erstarren und Entnehmen eines Gussteils für das Abgießen des nächsten einsatzbereit.

Die wirtschaftliche Mindeststückzahl für das Kokillengießen liegt zwischen etwa 100 für einfache Teile und etwa 1.000 für komplizierte. Das Kokillengießen wird auch für Stahlguss und Gusseisen, vorrangig aber für N.....

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