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V Vorwort Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gehört heute zu einer der Schlüsseltechnolo- gien der modernen Fertigungstechnik. Unter Beachtung der ganzheitlichen Aspekte des Wechselspieles zwischen Prozeß, Maschine, Werkzeug und Werkstück ist es Anliegen dieses Buches, die besondere Bedeutung sowie Vorteile und Risiken der Nutzung von HSC-Werkzeugen in der modernen Fertigung zu behandeln. Schwerpunkte sind dabei die Prozeßmodellierung, meßtechnische Methoden zur Werkzeugcharakterisierung und Prozeßverfolgung, die Werkzeugdimensionierung, Werkzeugwerkstoffe und Schichtsysteme, neue Erkenntnisse aus Forschung und Entwicklung zu weitverbreiteten Bearbeitungsprozessen, zur Betriebsmittelverwal- tung und zu Parallelkinematiken sowie sicherheitstechnische Fragen. Unberücksich- tigt mußten vorerst die Thematiken „Werkzeug als Sensor“ und „Kühl-Schmier- Stoffe bzw. Trockenbearbeitung“ bleiben. Das Buch soll sowohl in der täglichen Praxis wirkende Ingenieure als auch in For- schung und Entwicklung tätige Fachkollegen und Studenten ansprechen. Zu diesem Zweck wurden ausgewählte Softwaretools, Datenbanken bzw. Berechnungshilfen beigefügt. Es war Absicht, die auf verschiedensten Gebieten rund um das HSC-Werkzeug täti- gen Spezialisten unterschiedlicher Schulen für die Mitarbeit an diesem Buch zu gewinnen. Es ist mir an dieser Stelle deshalb ein besonderes Bedürfnis, allen Auto- ren für die konstruktive, kreative und disziplinierte Zusammenarbeit zu danken, ebenso meinen Kollegen und besonders meiner Frau für die umfangreichen redak- tionellen Arbeiten. Der Leser wird sicher erkennen, daß die hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse ihren Ursprung in einer Vielzahl von Forschungsprojekten haben, wobei mit den eigenen Grundlagenuntersuchungen bereits vor 25 Jahren begonnen wurde. Unsere Zusammenarbeit mit vielen Betrieben der Werkzeugindustrie, des Werkzeugma- schinenbaus sowie der verschiedensten Werkzeuganwender hat schließlich den Anstoß gegeben, dieses Werk anzugehen. Möge die Anregung aus dem genannten Kreis der Anwender, Entwickler, Forscher und Studenten auch zur guten Aufnahme des Buches führen. Mai 1999 Jürgen Leopold VII Inhalt 1 Einleitung...................................................................................................................1 1.1 Literatur............................................................................................................3 2 Neue Technologien der Fertigung.............................................................................5 2.1 Einführung........................................................................................................5 2.2 Produzieren im Grenzbereich von Leistung und Präzision..............................5 2.2.1 Steigerung des Zeitspanvolumens durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit..........................................................................8 2.2.2 Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit...............................................9 2.3 Adaptive und Lernfähige Maschinen...............................................................9 2.3.1 Einsatz von Sensorik zur Prozeßüberwachung und prozeßnahen Qualitätsprüfung.............................................................10 2.3.2 Präventive Optimierung durch Prozeßsimulation................................12 2.4 Tendenzen neuer Fertigungstechnologien......................................................13 2.5 Zusammenfassung..........................................................................................15 2.6 Literatur..........................................................................................................15 3 Grundlagen..............................................................................................................17 3.1 Modellierung des Hochgeschwindigkeitsspanens..........................................17 3.1.1 Einleitung.............................................................................................17 3.1.2 Kontinuumsmechanische Grundlagen.................................................19 3.1.3 Geometrische und analytische Modelle der Spanbildung....................25 3.1.4 Finite-Elemente-Modellierung des Spanbildungsvorganges...............29 3.1.5 FEM-Modellierung des Hochgeschwindigkeitsspanens......................33 3.1.6 Zusammenfassung................................................................................46 3.1.7 Literatur................................................................................................47 3.2 Berechnung und Dimensionierung von HSC-Werkzeugen...........................51 3.2.1 Belastungen von HSC-Werkzeugen.....................................................51 3.2.2 Berechnungsmethoden.........................................................................52 3.2.3 CAD-FEM-Kopplung..........................................................................67 VIII Inhalt 3.2.4 Anwendungen......................................................................................68 3.2.5 Zusammenfassung................................................................................82 3.2.6 Literatur................................................................................................82 3.3 Prüfung von HSC-Werkzeugen......................................................................84 3.3.1 Grundlagen...........................................................................................84 3.3.2 Relevante Meßgrößen..........................................................................88 3.3.3 Meßverfahren.......................................................................................98 3.3.4 Beispiele für Messungen....................................................................106 3.3.5 Literatur..............................................................................................117 3.4 Sensing for High Speed Machining.............................................................119 3.4.1 Introduction: The Need for In-Process Monitoring...........................119 3.4.2 Sensor Requirements for High Speed Machining.............................120 3.4.3 Overview of Sensor Technology.......................................................123 3.4.4 Acoustic emission sensing.................................................................128 3.4.5 Signal Processing and Sensor Fusion................................................129 3.4.6 Summary............................................................................................133 3.4.7 References..........................................................................................133 3.4.8 Deutsche Zusammenfassung..............................................................137 4 HSC-Werkzeuge....................................................................................................141 4.1 Werkzeuge für den Formen- und Gesenkbau..............................................141 4.1.1 Einleitung...........................................................................................141 4.1.2 Schneidstoffe......................................................................................141 4.1.3 Werkzeugaufbau................................................................................145 4.1.4 Schneidengeometrie...........................................................................151 4.1.5 Strategien...........................................................................................153 4.1.6 Literatur..............................................................................................157 4.2 Aspekte der HSC-Bohrungsbearbeitung......................................................159 4.2.1 Einleitung...........................................................................................159 4.2.2 Hochgeschwindigkeitsbohren von Stahl mit Wendeschneidplatten-Bohrern...........................................................160 4.2.3 Reiben................................................................................................167 Inhalt IX 4.2.4 Gewindeherstellung............................................................................179 4.2.5 Literatur..............................................................................................184 4.3 Schleifwerkzeuge für das Schleifen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten...185 4.3.1 Einführung..........................................................................................185 4.3.2 Das Hochgeschwindigkeitsschleifen..................................................185 4.3.3 Schleifwerkzeuge...............................................................................188 4.3.4 Die Werkzeugaufbereitung................................................................193 4.3.5 Sicherheitsanforderungen für Schleifkörper und Schleifwerkzeuge.197 4.3.6 Zusammenfassung..............................................................................201 4.3.7 Literatur..............................................................................................201 5 Schneidstoffe und Schichtsysteme für die HSC-Bearbeitung...............................203 5.1 Schneidstoffe für die HSC-Bearbeitung.......................................................203 5.1.1 Einleitung...........................................................................................203 5.1.2 Schneidstoffe......................................................................................204 5.1.3 Beschichtung......................................................................................211 5.1.4 HSC-Werkzeuge und Anwendungen.................................................213 5.1.5 Ausblick.............................................................................................217 5.1.6 Literatur..............................................................................................218 5.2 Schichtsysteme für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.........................219 5.2.1 Einleitung...........................................................................................219 5.2.2 Industriell verfügbare Schichtsysteme...............................................222 5.2.3 Schichtsysteme in der Entwicklung...................................................230 5.2.4 Zusammenfassung..............................................................................237 5.2.5 Literatur..............................................................................................237 6 Betriebsmittelverwaltung für die HSC-Bearbeitung.............................................241 6.1 Organisatorische Einordung im Unternehmen.............................................241 6.2 Funktionen der Betriebsmittelverwaltung....................................................243 6.2.1 Strategische Funktionen.....................................................................244 6.2.2 Taktische Funktionen.........................................................................245 6.2.3 Operative Funktionen.........................................................................245 6.3 Klassifizierung..............................................................................................246 6.4 Informationstechnik......................................................................................247 X Inhalt 6.5 Auswahl eines Betriebsmittelverwaltungssystems......................................249 6.5.1 Einsatzschwerpunkt...........................................................................250 6.5.2 Verwaltete Objekte............................................................................250 6.5.3 Verfügbare Funktionen......................................................................250 6.5.4 Realisierte Anbindungen / Unterstützte Schnittstellen......................251 6.5.5 Hard- und Softwarevoraussetzungen.................................................251 6.6 Einführung eines Betriebsmittelverwaltungssystems..................................252 6.6.1 Potentialaufdeckung...........................................................................253 6.6.2 Ist-Analyse.........................................................................................254 6.6.3 Vorbereitende Installationsmaßnahmen............................................254 6.6.4 Installation..........................................................................................255 6.6.5 Nutzungsstufen..................................................................................255 6.7 Kennzahlen zur Bewertung..........................................................................256 6.8 Literatur........................................................................................................258 7 Chancen für die HSC-Bearbeitung durch Parallelkinematiken.................................261 7.1 Parallelkinematik-Werkzeugmaschinen.......................................................261 7.1.1 Prinzip................................................................................................261 7.1.2 Einteilung...........................................................................................262 7.1.3 Ausführungen.....................................................................................263 7.1.4 Hybridkinematiken............................................................................265 7.2 Komponenten von PKM-Werkzeugmaschinen...........................................265 7.2.1 Steuerung...........................................................................................265 7.2.2 Streben und Gelenke..........................................................................269 7.3 Anwendungsbeispiel Werkzeug- und Formenbau.......................................270 7.3.1 Anforderungen...................................................................................270 7.3.2 Hexapod-Werkzeugmaschine Mikromat 6X.....................................272 7.4 Entwicklungspotential..................................................................................283 7.5 Literatur........................................................................................................284 8 Softwaretools, Werkzeug-Datenbanken und Berechnungshilfen.........................287 8.1 Arbeit mit der beigefügten Demo-CD..........................................................287 8.2 Berechnung von HSC-Werkzeugen mittels FEM........................................288 8.2.1 Beispiel 1: MAULSCHLÜSSEL.......................................................288