Bücher von Herwart Opitz

Flächenverlaufes bis zu einem gewissen Grade festgelegt ist. Eine zusätzliche vierte Gruppe ergibt sich, wenn zwei tolerierte Flächen mit einer bestimmten Genauigkeit zueinander liegen müssen: d) Lagetoleranzen.

Die Zuordnung von Werkstück und Werkzeugmaschine bestimmt weitgehend die Höhe der Fertigungskosten, weil sowohl die erforderliche Bearbeitungszeit als auch der in der Kalkulation zu berücksichtigende Kostensatz für das Produktions­ mittel fast ausschließlich von der Wahl der verwendeten Maschine abhängig sind. Da die Werkstücke durch das Fertigungsprogramm eines Betriebes festliegen, kann die Zuordnung im wesentlichen nur durch die Anpassung der Werkzeug­ maschinen an die Fertigungsaufgabe erfolgen. Diese Anpassung wird am weitesten in der Massenfertigung durchgeführt, bei der nicht nur die Einzelmaschine auf bestimmte Fertigungsaufgaben angepaßt ist, sondern bei der auch die Aufstellung mehrerer Maschinen gemäß der Kombination mehrerer Fertigungsaufgaben an einem Werkstück erfolgt. Hierdurch lassen sich einmal Kosten bei der Einzeloperation einsparen, zum anderen gewinnt man die Vorteile der Fertigung nach dem Fließprinzip, wie geringere Transportkosten und bessere Übersicht bei der Fertigungssteuerung. Bisher fand man in den Betrieben der Einzelfertigung weitgehend Universalmaschinen, von denen erwartet wird, daß sie möglichst vielseitig einzusetzen sind. Wie weit das Spektrum der Anforderungen seitens der Werkstücke an den gesamten Maschinenpark sich ausdehnt, haben die Untersuchungen ergeben, die unter der Bezeichnung Werk­ stücksystematik durchgeführt worden sind und die die Werkstücke in der Einzel­ und Kleinserienfertigung erfaßten. Die Werkstücke bzw. die durch die Bearbeitung bestimmte Fertigungsaufgabe werden durch eine Reihe von Einzelmerkmalen beschrieben. Unter Fertigungs­ aufgaben werden die Anforderungen seitens der Werkstücke an die Werkzeug­ maschine verstanden. Ein Werkstück, das auf mehreren Maschinen bearbeitet wird,stellt demnach mehrere Fertigungsaufgaben.

Härtezone und der Ober­ flächenhärte in der Zahnfußausrundung, von Verzahnungsfehlern und auch von der Ausbildung der Zahnfußausrundung und des Zahngrundes bestimmt.

Die augenblickliche Entwicklung im Bau von Zahnradgetrieben ist im wesent­ lichen durch vier Forderungen gekennzeichnet: Laufruhe, hohe Leistung bei geringem Bauvolumen, lange Lebensdauer, genaue Winkelübertragung. Die Rangfolge richtet sich dabei nach dem jeweiligen Anwendungsbereich eines Getriebes. So werden zum Beispiel bei Getrieben für astronomische Geräte hohe Ansprüche an die Winkeltreue, bei Schitfsgetrieben dagegen hohe Anfor­ derungen an die Laufruhe und Lebensdauer gestellt. Geräusch, VerschleiB und Winkelübertragungsfehler eines Getriebes sind auBer von den Abmessungen, Materialien und Ausführungsformen erheblich von der geometrischen Genauigkeit sowie der Fertigungs- und Montagegenauigkeit sämtlicher Getriebeelemente abhängig. Die Abb. 1 und 2 geben ein Beispiel dafür, in welchem MaBe sich durch Stei­ gerung der Verzahnungsgenauigkeit die Tragfähigkeit ungehärteter Stirnräder erhöhen und der von den Rädern erzeugte Schalldruckpegel verringern läBt. R, "'" 1 fLm fu = 2 fLm fr = 2,5 fLm l,o~ig~f!~~§il~~fm ~ O,8~ R, "'" 4 fLm . ; O,61-+~-++F!Ioooo::I--+=:l::+,L,:,---'-:-:-:-''-;-!--t-t fu = 5 fLm f = 6 fLm r ] O,41-+-+-+++-I-'-+T"t­ ·ä O,31-+. :'aIood-++-1f-+-+++-+-+-t-t-I 110 fLm ~ ;; O,21-+-+-+++---"1~=-'t"T-r---"-r--;-++i ~ R, "'" 7 fLm 0,1 L,--L---L. LLl:--L---LLl:L:::-. . L. . . . . ::-L-~~ fu = 12 fLm 7 10' 10. 10 fr = 13 fLm Anzahl der Lastwechsel Zahnraddaten: mn = 2 mm; z, = 48; Zo = 77; Ilo = 10' ; b = 70mm Getriebeöl 6,5' E/SO' C; 7 I/min Abb. 1 EinfluB der Verzahnungsfehler auf die Tragfähigkeit ungehärteter Stirnräder (n.

Eine entscheidende Voraussetzung für die Festlegung zweckmäßiger Bearbeitungs­ bedingungen bei der spanenden Formgebung ist u. a. die Kenntnis des Standzeit­ verhaltens der Werkzeuge. Die Bedeutung und Problematik dieser Frage wurde schon frühzeitig erkannt und kommt in zahlreichen Veröffentlichungen zum Aus­ druck [1,2,3,4]. Mit zunehmendem Umfang der Serien- und Massenfertigung bei gleichzeitig erhöhten Anforderungen an die Genauigkeit des Fertigproduktes ist die Bedeu­ tung dieser Frage ständig gewachsen. Die Ausnutzung automatisierter Anlagen hängt weitgehend von einer gesicherten Standzeit aller im Einsatz stehenden Werkzeuge ab. Die wirtschaftliche Seite dieser Frage wird durch die Ergebnisse funktioneller Kostenanalysen unterstrichen, die zeigen, daß das Minimum der Fertigungskosten nur bei einer ganz bestimmten Abstimmung der Werkzeug­ kosten mit allen anderen bei der Fertigung auftretenden Kostenfaktoren zu er­ reichen ist [5]. Seit etwa 60 Jahren werden Zerspanungsuntersuchungen durchgeführt, um für die Praxis Richtwerte für eine zweckmäßige und wirtschaftliche Bearbeitung der verschiedenen Werkstoffe zu erstellen. Voraussetzung für derartige Richtwert­ untersuchungen ist die Forderung nach einer Normung der Werkstoffe und Werkzeugstoffe und die damit verbundene Beschränkung der Stahl-und Werk­ zeugsorten.

Der Bericht schließt an die Forschungsberichte Nr. 426 und 928 des landes Nordrhein-Westfalen an und enthält die Ergebnisse systematischer Untersuchun­ gen über den Einfluß des Werkstoffes und der Werkst~ffoorbehandlung auf die Ober­ flächengiite beim Räumen. 7 2. Einleitung und AufgabensteIlung Das Räumen hat in den Betrieben der Massen- und Großserienfertigung eine weite Verbreitung gefunden und erschließt zur Zeit durch Erhöhung der Zug­ kratt und der Schnittgeschwindigkeitsbereiche der Räummaschinen weitere An­ wendungsgebiete. Die zunehmende Bedeutung des Räumens innerhalb der Ferti­ gungsverfahren führte in den letzten Jahren zu grundlegenden Untersuchungen des Räumvorganges. Von den auf Grund praktischer Erfordernisse aufgestellten Bewertungspunkten für den Räumvorgang wird in dem vorliegenden Forschungsbericht die Ober­ flächengüte als das entscheidende Merkmal betrachtet. Diese Fesdegung erfolgte deshalb, weil gerade beim Räumen als Endbearbeitungsverfahren die Oberflächen­ güte nach dem Zerspanvorgang von überwiegender Bedeutung ist. Von den ver­ schiedenen Einflußgrößen auf die Oberflächengüte eines geräumten Werkstückes wird die Schneidengeometrie der Werkzeuge außer Betracht gelassen. Die Unter­ suchungen beschränken sich auf den Werkstückstoff und die Schnittbedingungen und zeigen Möglichkeiten auf, einmal durch eine Wärmebehandlung und zum anderen durch Veränderung der Schnittbedingungen das Räumergebnis zu be­ einflussen. Außerdem sind Richtwertblätter für das Räumen mehrerer Werkstoffe aufgestellt worden, denen die erreichbare Oberflächengüte und die auftretenden Schnittkräfte unter verschiedenen Schnittbedingungen zu entnehmen sind.

Im modernen Zahnradgetriebe bau besteht die Tendenz, hohe Leistungen bei ge­ ringstem Bauvolumen zu übertragen. Das läßt sich durch hohe Drehzahlen bzw. Drehmomente erreichen. Für Großgetriebe, insbesondere Schiffs-und Walzwerksgetriebe, tritt neben der übertragbaren Leistung noch die Lebensdauer als wichtiger Faktor zur Beurtei­ lung eines Getriebes hinzu. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen soll ein Schiffs-oder Kraftwerksgetriebe die Lebensdauer der gesamten Anlage erreichen, die im allge­ meinen mehr als 20 Jahre beträgt. Es werden also bei der Veranschlagung der Lebensdauer derartiger Anlagen wesentlich längere Zeiträume zugrunde gelegt als z. B. bei den im Vergleich hierzu relativ kurzlebigen PKW-Schaltgetrieben. Um die Lebensdauer eines Zahnrades bestimmen zu können, muß die Dauerwälz­ festigkeit der Zahnflanken bekannt sein. Sie stellt eine Werkstoffkenngröße dar, die in entscheidendem Maße durch die Verzahnungsgeometrie und die Verzah­ nungsgenauigkeit beeinflußt wird. Sie steht insbesondere auch in engem Zu­ sammenhang mit einer weiteren Werkstoffkenngröße, der Zahnfußfestigkeit, die für die Dimensionierung einer Verzahnung im Hinblick auf die zu übertragende Leistung entscheidend ist. 2 Bei gehärteten Zahnrädern mit Brinellhärten größer als 600 kpjmm ist im allge­ meinen die Zahnfußfestigkeit, bei ungehärteten die Flankenfestigkeit als Be­ lastungsgrenze maßgebend. In Getrieben großer Leistung, z. B. Schiffs-und Walzwerksgetrieben verwendet man wegen der großen Abmessungen vorwiegend ungehärtete Räder. Für die Auslegung von Groß getrieben ist daher die Kenntnis der Flankenfestigkeit gegen Pittingbildung entscheidend.

die wichtigsten Einflußgrößen wie Rauh­ tiefen, Kräfte und Standzeiten gegeben wird.

allgemeingülti­ ger Richtlinien aufzeigen, die sich anregend und richtungweisend auf die deutschen Untersuchungen auswirkten.

Zerspanungsforschung war es, allgemeine Gesetzmäßigkeiten aufzufinden.

An die Fertigungsgenauigkeit moderner Stirnradgetriebe werden immer höhere Anforderungen gestellt. Als Grund dafür ist das Bestreben zu nennen, höhere Drehzahlen bei gleich­ zeitiger Zunahme von Laufruhe und Lebensdauer zu erzielen; ferner muß in diesem Zusammenhang der Bedarf an präzisen Getrieben zur Winkelübertragung für Steuerungen, zum Beispiel in der Raketen- und Radartechnik, genannt werden. Untersuchungen über die Zusammenhänge zwischen Fertigungsgenauigkeit und Funktionsfähigkeit von Stirnrädern [1, 2, 3] ließen einen erheblichen Einfluß der Fertigungsfehler auf die Lebensdauer und das Laufgeräusch der Räder erkennen. Derartige Untersuchungen interessieren vor allem für das Wälzfräsen, weil die meisten Stirnräder nach diesem besonders wirtschaftlichen Fertigungsverfahren erstellt werden und weil durch Steigerung der Arbeitsgenauigkeit der Wälz­ fräsmaschinen Zahnräder erzeugt werden können, die in ihren Laufeigenschaften mit geschabten und geschliffenen Rädern konkurrieren können, obwohl letztere nach aufwendigeren Verfahren gefertigt werden. Soll die Arbeitsgenauigkeit einer Maschine gesteigert werden, so müssen ihre Fehlerquellen und deren Einfluß auf die Qualität der erzeugten Räder bekannt sein. Die beim Wälzfräsen wirksamen Fehlerquellen lassen sich nach ihrem Entstehungsort in Werkzeugeigenfehler, Werkzeug-und Werkradaufspannfehler sowie maschinenbedingte Fehler einteilen. Im folgenden bleiben die Aufspann­ und Werkzeugeigenfehler unberücksichtigt, weil ihre Ermittlung einfach und ihre Auswirkung auf die Verzahnung leicht zu übersehen ist. Bei den maschinenbedingten Fehlern unterscheidet man Verlagerungen einzelner Maschinenelemente unter dem Einfluß von Kräften 'und kinematische Fehler, das sind Fertigungs- oderMontagefehler der zur Bewegungsübertragung ein­ gesetzten Elemente. Im vorliegenden Bericht wird die Bestimmung der kinematischen Fehler von Wälzfräsmaschinen und die Auswirkung dieser Fehler auf die Flankenform, die Zahnrichtung und die Funktionsfähigkeit der Räder behandelt.

Die Erhöhung der Produktivität und der Genauigkeit der Erzeugnisse des Maschinenbaues stellen neben der Wirtschaftlichkeit die wichtigsten Anforderun­ gen in der spanabhebenden Fertigung dar. Diesen beiden Aufgaben steht aber die Tatsache entgegen, daß der Mangel an Arbeitskräften beachtliche Ausmaße angenommen hat, und die Lage auf dem Arbeitsmarkt immer gespannter wird. In der Entwicklung der metallverarbeitenden Industrie zeichnet sich in den letzten 15 Jahren ein stärkeres Bestreben ab, die Fertigungsvorgänge in wirt­ schaftlich vertretbarem Umfang zu automatisieren. Dadurch erhofft man, die Forderungen nach der Erhöhung der Produktivität und der Fertigungsgenauig­ keit zu erfüllen. Das Gebiet der Automatisierung der spanabhebenden Fertigung ist sehr breit und vielfältig. Eine große Anzahl von Fertigungsvorgängen und Hilfsoperationen lassen sich vollkommen oder teilweise automatisch durchführen. Grundsätzlich kann man das gesamte Gebiet in folgende Bereiche einteilen: 1. Positionieren - das Werkzeug oder das Werkstück wird in eine vorgegebene Lage gebracht. Anschließend erfolgt der Arbeitsvorgang, z. B. Ausbohren einer Bohrung, Fräsen einer Fläche usw. 2. Stetigbahngesteuerte Bearbeitung - die Form des Werkstückes wird in ihren laufenden Koordinaten auf einem Programm­ träger (Lochband, Tonband) gespeichert. Das Werkzeug bewegt sich so, daß die gewünschte Werkstückform im Zerspanungsvorgang erzeugt wird. 3. Kopieren­ die Werkstückform wird in eine Schablone oder Zeichnung gelegt. Mit Hilfe von hydraulischen oder elektrischen Kopiersteuerungen werden die Formen auf das Werkstück übertragen. 4. Meßgesteuerte Bearbeitung - die Werkstücke mit elementaren Formen werden in ihren Abmessungen während oder nach der Bearbeitung gemessen undnach dem Meßergebnis wird die Maschine entspre­ chend gesteuert.

liegt wahrscheinlich darin, daß erst in letzter Zeit geeignete Meßverfahren bekannt wurden, mit denen sich diese Zusammenhänge mit vertretbarem Aufwand untersuchen lassen.

Versuchs­ durchfUhrung und der hohen Kosten fUr Werkzeuge, Maschinen und Zahnr?der werden dabei meist nur wenige EinfluBgroBen erfaBt.

Der Bericht schließt an die Forschungsberichte Nr. 426, 928 und 1356 des Landes Nordrhein-Westfalen an und enthält die Ergebnisse systematischer Untersu­ chungen der Haupteinflußgrößen für das Räumen mit erhöhter Schnittgeschwin­ digkeit. 1. 1 Einführung Die Entwicklung im Werkzeugmaschinenbau ist darauf gerichtet, die Aus­ bringung zu erhöhen und die Qualität der Werkstücke zu verbessern. Weiterhin werden kurze Bearbeitungszeiten im Hinblick auf niedrige Lohn-und Maschinen­ kosten angestrebt. Bei den Maschinen für die spanabhebende Formgebung kann dies im allgemeinen durch höhere Schnittgeschwindigkeiten oder durch größere Spanungsquerschnitte erreicht werden. Die erhöhten Schnittgeschwin­ digkeiten haben den Nachteil, daß die Standzeit der Werkzeuge je nach dem Geschwindigkeitsbereich sehr stark absinkt. Das Optimum der Bearbeitungs­ kosten muß in jedem Falle besonders berechnet werden. Sowohl die Qualität der durch Räumen bearbeiteten Werkstücke als auch die Wirtschaftlichkeit ihrer Herstellung haben es mit sich gebracht, daß dieses Ar­ beitsverfahren in den letzten Jahren in starkem Maße in den Produktionsbetrieben eingesetzt wird. Wenn beim Räumen die Leistung des Verfahrens und die Qualität der Werkstücke gesteigert werden sollen, so muß auch hier an eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit gedacht werden. Vorversuche haben gezeigt, daß bei Schnittgeschwindigkeiten oberhalb des heute noch beim Räumen angewendeten Bereiches je nach Werkstoff oder Werkstoffvorbehandlung zum Teil erhebliche Verbesserungen der Oberflächengüte erzielt werden können. Dabei ist bisher bei all diesen Untersuchungen die Frage offen geblieben, welche Ursache die unterschiedliche Ausbildung von geräumten Oberflächen verschiedener Werk­ stoffe beider Anwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten hat und wie sich das Räumwerkzeug bei diesen Geschwindigkeiten verhält.

Fällen ist eine unterschiedliche Erwärmung der einzelnen Maschi­ nenteile während des Betriebes die Ursache thermisch bedingter Verformungen.

Grad der Ähn­ lichkeit zwischen den beiden Systemen abhängt.

Die Gestaltung eines Spindel-Lager-Systems hinsichtlich eines gunstigen statischen und dynamischen Verhaltens setzt voraus, daB bereits beim Entwurf die Zusammenhange zwischen den unter statischer oder dynamischer Belastung auftretenden Verformungen einerseits und den SystemgroBen wie z. B. Kraglange, Lagerabstand, Lagersteifigkeit usw. andererseits bekannt sind. Neben dem statischen und dynamischen Verhalten des Spindel-Lager-Systems ist fur die erzielbare Arbeitsgenauigkeit an der Maschine auch das Temperaturverhalten der Lagerung wegen der auftretenden Verformungen infolge Warmespannungen von Be­ deutung. Zudem wird die maximale Spindeldrehzahl in den meisten Fallen durch die Lauftemperaturen der Lager bestimmt. 2. Experimentelle und rechnerische Methoden zur Ermittlung des statischen und dynamischen Verhaltens von Spindel-Lager-Systemen Das statische und dynamische Verhalten von Spindel-Lager-Systemen ist grundsatzlich durch Messungen an ausgefuhrten Konstruktionen zu ermitteln. Verschiedene System­ groBen konnen dabei in gewissen Grenzen variiert (wie z. B. die Kraglange durch die Werkstucklange oder die Lagersteifigkeit durch Veranderung des Radialspieles) und ihr EinfluB auf die Verlagerung bzw. die Schwingamplitude am Werkstuck ermittelt werden.

Für die Steuerung des Durchflußstromes und die Änderung der Durchfluß­ richtung gibt es in der Ölhydraulik zwei Möglichkeiten. Man kann einerseits Pumpen benutzen, deren Fördermenge und -richtung veränderlich sind. Hierbei muß das Verdrängvolumen der Pumpe verändert werden, wozu relativ große Kräfte über längere Wege erforderlich sind. Die entsprechenden Steuerzeiten sind daher groß. Eine andere Steuerungsmöglichkeit stellt das Steuerventil dar, bei dem die Dosierung des durch eine Pumpe mit konstanter Fördermenge gelieferten Durchflußstromes durch Drosselung geschieht. Diese Steuerung ist zwar stark verlustbehaftet, hat jedoch das günstigste Zeitverhalten aller bisher bekannten Steuerungen gleicher Leistung [1]. Von dieser Steuerungsart wird daher überall dort Gebrauch gemacht, wo es auf kurze Steuerzeiten ankommt. Wird eine solche hydraulische Steuerung (Abb. 1) über eine äußere Rückführung zu einem Kreis geschlossen, so kann dieses System wie jeder Regelkreis instabil I I I I I I I __ ...J L __ __ -.J Abb.l Hydraulische Steuerung mit verschiedenen inneren Rückführungen werden, wenn die entsprechenden Stabilitätskriterien nicht erfüllt sind. Die Fragen der Instabilität solcher Kreise sind häufig behandelt worden [1]. Besonders häufig tritt dieses Problem bei hydraulischen Folgeregelungen von Nachformsystemen an Werkzeugmaschinen auf, da zur Erreichung der geforderten Genauigkeiten hohe Systemkonstanten notwendig sind [1], [2]. Es kommt aber oft vor, daß der offene hydraulische Kreis instabil ist.

¿ S. 5 1.1 Die Feinbearbeitung in der Fertigung · . . s. 5 1.2 Anforderungen an feinbearbeitete Werkstücke. · . . s. 6 1.21 Bedeutung der Formfehler an feinbe- beiteten Werkstücken · . s. 6 1.22 Definition der Form- und Lagefehler ¿ ¿ S. 8 Ermittlung der Formfehler 12 1 .23 . . . . . . . . S ¿ · · · · · Formfehler und Funktionstüchtigkeit 1.24 der Werkstücke S ¿ . 11 · AufgabensteIlung . . . . . . . S. 20 1.3 · · · · 2. Innen-Feindrehen . . . . . . . . s. 21 · · 2.1 Begriffsbestimmung des Verfahrens ¿¿ ¿ ¿ S. 21 2.2 Gestaltung des Drehwerkzeuges ¿ ¿ S. 23 2.3 Form, Maß und Oberflächengüte beim Innen- Feindrehen · . . . . . . . S. . 27 2.31 Einfluß der Zerspanbedingungen auf die Oberflächengüte · . . . . . s. . 21 2.32 Einfluß der Zerspanbedingungen auf die Maßgenauigkeit ¿¿¿¿¿¿¿¿ s. 31 · · 2.33 Ursachen der Formfehler beim Innen-Feindrehen S. 31 · s. 2.331 Der Zylindrizitätsfehler 31 · · s. 2.332 Der Kreisformfehler 48 2.4 Fertigungskosten beim Innen-Feindrehen S. 50 · 3. Außenrund-Einstechschleifen ¿¿¿ s. 55 · · s.

Schleifbedingungen bestimmt.

den Verschleiß auf Span- und Freifläche nach Größe und Form an­ zugeben.