Einführung in die Fertigungstechnik PDF
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Engelbert Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke Einführung in die Fertigungstechnik 4.,überarbeitete Auflage Mit 211 Abbildungen und11 Tafeln UnterMitarbeitvonBernhard Gottwald Im reubner Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH DieDeutscheBibliothek- CIP-Einheitsaufnahme EinTiteldatensatzfürdiesePublikationistbei DerDeutschenBibliothekerhältlich. Prof.Dr.-Ing.Dr.hc,mult.Dr.-Ing.E.h.Hans-JürgenWarnecke Geboren 1934inBraunschweig.StudiumdesMaschinenbausanderTHBraunschweigund1963Promo tionzumDr.-Ing.amInstitutfürWerkzeugmaschinenundFertigungstechnik(lWF).Ab1962Oberingenieur amgenannten Institut. Ab 1965Industrietätigkeit beidenRollei-Werken Franke & Heidecke, Braun schweig.AuslandsaufenthalteinSingapurundDenver,USA.Ab1971 o.Prof.anderUniversitätStuttgart alsLeiterdesLehrstuhlsfürIndustrielleFertigungundFabrikbetrieb(lFF)unddesFraunhofer-Institutsfür ProduktionstechnikundAutomatisierung(lPA).Seit1993PräsidentderFraunhofer-Gesellschaft,München. UntervielenPreisenundEhrungenseienhiergenannt:Ehrenprofessor(Prof.E.h.)derJiaoTongUniversität ShanghaiundderBaotouUniversitätfürEisen-undStahltechnologie,Ehrendoktor(Dr.h.c.)derUniver sitätenLjubljana,TimisoaraundZilinasowiedenDr.-Ing.E.h.derOtto-von-Guericke-UniversitätMagde burg.DasGroßeVerdienstkreuzunddasVerdienstkreuzamBandedesVerdienstordensderBundesrepu blikDeutschland,dasVerdienstkreuzErsterKlassedesNiedersächsischenVerdienstordenssowiedieVer dienstmedailledesLandesBaden-Württemberg.MitgliedinzahlreichenVorständen,Aufsichtsräten,Beirä ten,StiftungenundPräsidien. Prof.Dr.-Ing.Prof.E.h.DrAng.E.h.Dr.h.c.EngelbertWestkamper Geboren 1946inSchlossNeuhaus.StudiumdesMaschinenbausanderRWTHAachenund1977Promo tion zum Dr.-Ing. amLaboratorium für Werkzeugmaschinen undBetriebslehre (WZL). Danach Indus trietätigkeitinderLuftfahrt-undElektronikindustrie.Ab1988o.Prof.anderTUBraunschweigalsLeiter desInstitutsfürWerkzeugmaschinenundFertigungstechnik(IWF).Seit1995LehrstuhlinhaberundDirek tordesIFFundInstitutsleiteramIPA. 1994wurdeihmdieEhrendoktorwürde(Dr.h.c.)derTechnischen UniversitätCluj-Napocaund2000derDr.-Ing.E.h.derOtto-von-Guericke-UniversitätMagdeburgverlie hen.1999ehrteihndieBaotouUniversitätfürEisen-undStahltechnologiemitdemEhrenprofessor(Prof. E.h.). Dipl.-Ing.BernhardGottwald,UniversitätStuttgart,IFF. 4.AuflageApril2001 AlleRechtevorbehalten © SpringerFachmedienWiesbaden2001 UrsprünglicherschienenbeiB.G.TeubnerGmbH,Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden,2001. www.teubner.de DasWerkeinschließlichallerseinerTeile isturheberrechtlich geschützt.JedeVer wertung außerhalb derengenGrenzen desUrheberrechtsgesetzes istohneZu stimmungdesVerlagsunzulässigundstrafbar.DasgiltinsbesonderefürVervielfäl tigungen,Übersetzungen, Mikroverfilmungen unddieEinspeicherung undVerar beitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerk berechtigtauchohnebesondere Kennzeichnung nichtzuderAnnahme,dass solche Namenim SinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddaher vonjedermannbenutztwerdendürften. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. Umschlaggestaltung:UlrikeWeigel,www.CorporateDesignGroup.de ISBN 978-3-519-36323-1 ISBN 978-3-663-09862-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-09862-1 . Vorwort III Vorwort Die Fertigungstechnik beschäftigt sich mit Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung materiellerProdukte, deren Eigenschaften durch die Konstruktion definiert werden. In einer Zeit, in der die Wettbewerbsfähigkeit von Unter nehmen maßgeblich durch die Herstellkosten der Produkte, ihre Qualität und Zuverlässigkeitbeeinflusstwird, kommtes daraufan,die wirtschaftliche Her stellung bereits in frühen Phasen der Produktentstehung durch eine Be rücksichtigung der fertigungstechnischen Möglichkeiten und Alternativen zu sichern. Dies trifft für alle Arten von Produkten und alle Anforderungen der Märkte und Kunden gleichermaßen zu. Die Fertigungstechnik umfasst ein breites Feld an Verfahrenstechniken, von denen viele auch alternativ eingesetzt werden können. Ihre Auswahl im kon kreten Fall orientiert sich daher anden Anforderungen, andie Qualität undan den Kosten der Herstellung. Die Kenntnis der Wirkzusammenhänge der technischen Verfahren ist die Grundlage zur Entwicklung und Optimierung von Maschinen und Anlagen zur Herstellung von Produkten in kleinen wiein großen Stückzahlen. Deutschland ist auf diesem Gebiet international führend undhatden Rufhoher Qualität undInnovationsfähigkeit. Mit den Veränderungen der Produkttechnologie zu komplexen und intelli genten Systemen verändern sichauchdie Produktionstechnologien undStruk turen der industriellen Produktion. In der Zukunft können die Potentiale der Technologien besser genutzt, die natürlichen Ressourcen geschont und Har monie zur Umwelt durch innovative Verfahren erreicht werden. Die Ferti gungstechnik kann im Produktlebenszyklus durch Verfolgung der Gedanken der Kreislaufwirtschaft und der sauberen Technologien entscheidende Bei träge liefern. In den vernetzten und zum Teil globalen Produktionsstrukturen der heutigen Zeit mit ihren kurzen Wegen und Übergangszeiten kommt es auch daraufan, die Prozesssicherheit, d.h. die Einhaltung der Toleranzen, zu gewährleisten. IV Vorwort Toleranzen leiten sich ausden funktionalenAnforderungen der Produkte, den fertigungstechnischen Möglichkeiten, aber auch aus den Qualitätsanforder ungen der jeweiligen Kunden und Märkte ab. Es ist deshalb notwendig, Toleranzsysteme indieFertigungslehre zuintegrieren. Das vorliegende Buch wendet sich an die Studierenden der ingenieur wissenschaftlichen Fachrichtungen und der technisch orientierten Betriebs wirtschaften von Universitäten und Fachhochschulen, insbesondere aber an die Studierenden des Maschinenwesens, der Verfahrens- und Elektrotechnik sowie der Betriebswirtschaftslehre. Es istals einführendes Buch angelegt, um einen knappen Überblick über das Gebiet der Fertigungstechnik zu ver mitteln. Es orientiert sich deshalb an den wichtigsten in der industriellen Produktion eingesetzten Verfahren der Fertigungstechnik. Denjenigen, die eine Vertiefung im Hinblick auf Wirkzusammenhänge zwischen Werkstoff und Bauteileigenschaften und den Verfahren einerseits und den Maschinen und Anlagen andererseits suchen, sei ergänzend die Literatur der einzelnen Fachgebiete der Fertigungstechnik empfohlen. Wie auch den bisherigen Auflagen dieses Buches liegt der Gliederung dieser 4., überarbeiteten Auflage die DIN 8580 zugrunde. Eine systematische und leicht verständliche Darstellungsweise mit zahlreichen Abbildungen und grundsätzlichen Wirkprinzipien soll die Studierenden schnell in die Ferti gungslehre einführen. Im Hinblick auf neueAufgabenfelder des Fachgebietes wurden auch Verfahren zur Bearbeitung keramischerWerkstoffe sowie nicht metallischer Werkstoffe auf natürlicher Basis wie z.B. Holzwerkstoffe aufgenommen. Ferner wurde der Miniaturisierung von Produkten und Komponenten durch die Techniken der Mikrofertigung mehr Bedeutung bei gemessen. Schließlich wurde der gesamte Produktlebenszyklus mit den As pekten des Recyclings technischer Produkte betrachtet. Ich möchte meinem Mitarbeiter, Herrn Dipl.-Ing. Bernhard Gottwald, be sonders danken, der sich um die Überarbeitung dieses Buches wieder maß geblich verdient gemacht hat. Er unterstützt mich seit mehreren Jahren auch bei der Vorlesung "Einführung in die Fertigungslehre" an der Universität Stuttgart durch die Nutzung multimedialer Techniken. Diese Vorlesung wird vollständig mit modernen Mitteln der Informationsverarbeitung gehalten und allen Studierenden über das Internet zugänglich gemacht. Unser Ziel ist es, den Dialog mitden Studierenden indieserWeise weiterauszubauen. Vorwort V Mein Dank gilt ferner den Mitarbeitern des Institutes für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart sowie des Fraunhofer Institutes für Produktionstechnik und Automatisierung, die an der Über arbeitung mitgewirkt haben. DemTeubner-Verlag, insbesondere den Herren Dipl.-Ing.Ewald Schmitt und Ingo Busch, danke ich für die gute Zusammenarbeit und die zügige Ver öffentlichung dieses Buches. Stuttgart,imMärz 2001 Engelbert Westkämper Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen zur Fertigungstechnik.................................................. 1 1.1 Produktion als Wertschöpfungsprozess......................... 1 1.2 Strategien der Produktion............... 2 1.3 Elementedes Produktionsprozesses............................................ 4 1.4 Einteilungder Fertigungsverfahren 7 2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungenbeider Auswahl von Fertigungsverfahren. 13 2.1 TechnologischerVariantenvergleich........................................... 14 2.2 Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich.......................... 16 2.2.1 Kostenrechnung und Kalkulation 16 2.2.2 Wirtschaftlichkeitsrechnung........................................... 20 3 Qualitätsmerkmale gefertigterTeile 25 3.1 Maße,Toleranzen und Passungen fürLängenmaße 26 3.1.1 Normzahlen und Normmaße 27 3.1.2 Maße und Abmaße......................................................... 28 3.1.3 Toleranzsysteme............................................................. 30 3.1.4 Passungsarten und Passsysteme 33 3.1.5 Passungsauswahl. 34 3.2 Technische Oberflächen.............................................................. 36 3.2.1 Ordnungssystemfür Gestaltabweichungen..................... 36 3.2.2 Form- und Lagetoleranzen 37 3.2.3 Rauheit und Welligkeitvon Oberflächen 41 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Werkstoffe.......................................................................................... 45 4.1 ArtenchemischerBindungen 45 4.2 KristallineundamorpheFestkörper 47 4.3 MetallischeWerkstoffe 48 4.3.1 Eisenwerkstoffe.............................................................. 54 4.3.2 Nichteisenmetalle.......... 57 4.4 NichtmetallischeWerkstoffe....................................................... 61 4.4.1 Kunststoffe 61 4.4.2 KeramischeWerkstoffe.................................................. 69 4.4.3 Holz......... 72 4.5 Faserverbundwerkstoffe 78 5 Metallbearbeitung 81 5.1 Urformen..................................................................................... 81 5.1.1 UrformenausdemflüssigenZustand............................. 81 5.1.1.1 GießenmitverlorenenFonnen........................ 84 5.1.1.2 GießenmitDauerformen 94 5.1.2 UrformenausdemionisiertenZustand 101 5.1.3 UrformenausdemfestenZustand 102 5.2 Umformen 105 5.2.1 Druckumformen 106 5.2.1.1 Walzen............................................................. 106 5.2.1.2 Gesenkformen.................................................. 111 5.2.1.3 Eindrücken....................................................... 114 5.2.1.4 Durchdrücken................. 114 5.2.2 Zugdruckumformen........................................................ 118 5.2.2.1 Durchziehen.... 118 5.2.2.2 Tiefziehen........................................................ 119 5.2.2.3 Drücken 121 5.2.3 Zugumformen................................................................. 123 5.2.3.1 Streckziehen 123 5.2.3.2 Hohlprägen 124 Inhaltsverzeichnis IX 5.3 Trennen . 124 5.3.1 Zerteilen . 125 5.3.1.1 Einfaches Scherschneiden . 125 5.3.1.2 Sonderverfahrendes Scherschneidens . 128 5.3.2 Spanenmit geometrischbestimmtenSchneiden . 130 5.3.2.1 Drehen . 137 5.3.2.2 Bohren, Senken, Reiben . 139 5.3.2.3 Fräsen . 141 5.3.2.4 Räumen . 144 5.3.3 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden . 147 5.3.3.1 Schleifen . 147 5.3.3.2 Strahlspanen . 150 5.3.4 Abtragen . 153 5.3.4.1 ThermischesAbtragen . 154 5.3.4.2 Abtragen mit Elektronenstrahlen . 159 5.3.4.3 ChemischesAbtragen .. 161 5.3.4.4 Elektrochemisches Abtragen . 161 5.4 Fügen 162 5.4.1 Schweißen . 162 5.4.1.1 Pressschweißen . 165 5.4.1.2 Schmelzschweißen . 171 5.4.2 Löten . 178 5.4.3 Kleben . 180 5.5 Beschichten . 182 5.5.1 Beschichten aus dem flüssigen Zustand . 183 5.5.2 Beschichten aus dem festen Zustand . 197 5.5.3 Beschichten aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand . 199 5.5.4 Beschichten aus dem ionisiertenZustand . 204 5.5.4.1 Anodische Oxidation .. 206 5.5.4.2 ElektrolytischeTauehabscheidung .. 207 5.5.4.3 ChemischeTauehabscheidung (Reduktionsverfahren) . 208 x Inhaltsverzeichnis 5.6 Stoffeigenschaftändern................................................................ 209 5.6.1 GrundlagenderWärmebehandlung vonStahlwerkstoffen...................................................... 209 5.6.2 ThermischeWärmebehandlungsverfahren vonStahlwerkstoffen...................................................... 213 5.6.3 ThermochemischeWärmebehandlungsverfahren vonStahlwerkstoffen...................................................... 220 5.6.4 WärmebehandlungvonEisen-Gusswerkstoffen............. 222 5.6.5 WärmebehandlungvonNE-Metallen............................. 223 6 Kunststoftbearbeitung..................... 225 6.1 Urformen 226 6.1.1 Extrudieren............................................................ 226 6.1.2 Blasformen 231 6.1.3 Spritzgießen 232 6.1.4 Pressen............ 234 6.1.5 Schäumen 234 6.1.6 UrformenfaserverstärkterFormteile 235 6.2 Umformen 236 6.3 Trennen 238 6.4 Fügen.... 240 6.4.1 Schweißen 240 6.4.2 Kleben................... 242 6.5 Beschichten 243 7 Keramikbearbeitung 245 7.1 Urformen..................................................................................... 245 7.2 Trennen....................................................................................... 254 7.2.1 SpanenmitgeometrischunbestimmtenSchneiden......... 255 7.2.1.1 Schleifen 255 7.2.1.2 Honen 257 7.2.1.3 Läppen 258 7.2.2 ThermischesAbtragen.................................................... 261
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