Werkzeugmaschinen Grundlagen: Lehr- und Übungsbuch

379 Pages·2000·18.388 MB·German

by  Andreas Hirsch (auth.)

Andreas Hirsch
Werkzeugmaschinen
Grundlagen
Aus dem Programm _____________- .......
Grundlagen Maschinenbau
Mathematik fur Ingenieure und
Naturwissenschaftler
Band 1 und 2
von L. Papula
Mathematische Formelsammlung
fur Ingenieure und Naturwissenschaftler
von L. Papula
Ubungen zur Mathematik fur Ingenieure
von L. Papula
Lehrwerk Roloff/Matek Maschinenelemente
von W. Matek, D. Muhs, H. Wittel, M. Becker und D. lannasch
Elemente der Mechanik I
EinfUhrung, Statik
von O. Bruhns und Th. Lehmann
Elemente der Mechanik II
Elastostatik
von O. Bruhns und Th. Lehmann
Berechnungsbibliothek Maschinenbau
Excel-Arbeitsmappen fUr Studium und Praxis
von P. Frohlich (Hrsg.)
Elektrotechnik im Maschinenbau
von H. Kramer
Lehr-und Obungsbuch
der Technischen Mechanik
Band 1: Statik
von H. H. Gloistehn
vievveg _____________________________
~
Andreas Hirsch
Werkzeugmaschinen
Grundlagen
Lehr- und Ubungsbuch
Mit 413 Abbildungen und 27 Tabellen
I I
vleweg
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ISBN 978-3-528-04950-8 ISBN 978-3-322-93837-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-93837-4
v
Vorwort
Ziel des Autors ist es, den Studierenden an Hoch- und Fachhochschulen ein Lern- und
Ubungsbuch in die Hand zu geben, mit dessen Hilfe sie sich in die Materie der Werkzeug
maschinen einarbeiten konnen. Angesprochen werden die Studiengange Maschinenbau und
Wirtschaftsingenieurwesen sowie artfremde Fachrichtungen mit produktionstechnischen
Anteilen. Das Buch eignet sich als Lehrbuch an Berufsakademien und in der Technikeraus
bildung an Fachschulen.
In leicht verstiindlicher Form und mit zahlreichen Beispielen versehen ist das Wissen
dargestellt. Dabei wurden unzulassige Vereinfachungen vermieden. Besonderer Wert wird
auf iibersichtliche Prinzipskizzen, eindeutige diagrammatische Darstellungen und nach
vollziehbare mathematische Beschreibung physikalisch-technischer Zusammenhange gelegt.
Dadurch eignet es sich besonders als Hilfsmittel fUr Maschinenbauer und Fertigungs
techniker.
Gegliedert wurden die Abschnitte des Buches konsequent nach den auf Werkzeugmaschi
nen realisierten Verfahrensgruppen der Fertigungstechnik.
Das erste Kapitel widmet sich der Bestimmung von technischen und wirtschaftlichen Anfor
derungen an Werkzeugmaschinen, die aus dem fertigungstechnischen Einsatz resultieren.
Die Berechnung der Krafte, Momente und Leistungen sowie die Messung genauigkeitsbe
stimmender MaschinenkenngroBen werden dargestellt. Darauf aufbauend sind die Beurtei
lungskriterien sowie ihre Anwendung bei der Maschinenauswahl, wahrend des Maschinen
einsatzes und bei der Maschinenpriifung erlautert.
Die folgenden Kapitel beinhalten jeweils Ausfiihrungen zu spanenden, schneidenden und
umformenden sowie abtragenden Werkzeugmaschinen.
Es werden zuerst
• die heute angewandten Prinzipien funktionsbestimmender Baugruppen (Gestelle, Fiih
rungen, Antriebe, Hauptspindeln) in ihrem Aufbau, ihren Eigenschaften und mit den
werkzeugmaschinenspezifischen Auslegungskriterien dargestellt und darauf folgend
• ausgewahlte Werkzeugmaschinen beziiglich ihres Aufbaus, der Funktion und der Ein-
satzgebiete erlautert.
Diese Gliederung ermoglicht einen iibersichtlichen und schnellen Einblick in spezifische
Problernstellungen. Am Beispiel ausgewahlter Themen werden Details erortert und damit die
wissenschaftliche Tiefe des Fachgebietes verdeutlicht. Es muss darauf hingewiesen werden,
dass AusfUhrungen zur Automatisierung von Werkzeugmaschinen und ihre Steuerung be
wusst ausschlieBlich im Zusammenhang mit den Antrieben und dem Einsatz der Werkzeug
maschinen dargestellt werden.
Fiir das Bereitstellen von Bildmaterial mochte ich mich bei den beteiligten Firmen ausdriick
lich bedanken.
Andreas Hirsch Chemnitz, im Mlirz 2000
VI
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ............................................................................................................ . 1
1.1 Definition und Klassifizierung der Werkzeugmaschinen............................ 1
1.2 Fertigungsverfahren und Werkzeugmaschine ............................................. 5
1.3 Bedeutung der Werkzeugmaschinen-Industrie............................................ 6
2 Anforderungen an und Beurteilung von Werkzeugmaschinen ..................... . 7
2.1 Fertigungsverfahren....................................................... .............................. 8
2.1.1 Spanende Verfahren .......................................... ..... ............ .............. 8
2.1.1.1 Spanende Verfahren mit geometrisch bestimmter
Schneide ............................................... .... ............. ............. 18
2.1.1.2 Spanende Verfahren mit geometrisch unbestimmter
Schneide . ............. ........... ........ ............. ............................... 27
2.1.2 Zerteilende Verfahren ...................................................................... 32
2.1.3 Urnformende Verfahren ................................................................... 34
2.1.3.1 Blechurnformen.................................................................. 35
2.1.3.2 Massivurnformen ............................................................... 37
2.2 Fertigungskosten.......................................................................................... 39
2.3 Beurteilung und Abnahme von Werkzeugmaschinen ................................. 44
2.3.1 Geometrische Genauigkeit und ihre Messung ................................. 45
2.3.2 Statische Steifigkeit und ihre Messung ............................................ 47
2.3.3 Thermisches Verhalten und seine Messung ..................................... 49
2.3.4 Dynamisches Verhalten und seine Messung.................................... 50
2.3.5 Auswirkungen der Maschineneigenschaften auf die
WerksttickqualiHit............................. ................................................ 52
2.3.6 Abnahme von Werkzeugmaschinen................................................. 59
3 Baugruppen spanender Werkzeugmaschinen ................................................. . 63
3.1 Aufbau der Werkzeugmaschinen aus Baugruppen...................................... 63
3.2 Gestellbauteile ............................................................................................. 65
3.2.1 Ausftihrung von Gestellen................................................................ 65
3.2.2 Statisches Verhalten von Gestellbauteilen ....................................... 68
3.2.3 Dynamisches Verhalten von Gestellbauteilen.................................. 72
3.3 Ftihrungen.................................................................................................... 75
3.3.1 Allgemeiner Aufbau ......................................................................... 76
3.3.1.1 GeradfUhrungen ................................................................. 77
3.3.1.2 RundfUhrungen................................................................... 79
3.3.1.3 Ftihrungsbahnschutz........................................................... 80
3.3.2 Funktionsprinzipien zum Trennen der FtihrungsfIachen ................. 80
3.3.2.1 GleitfUhrung mit hydrodynamischer Schmierung.............. 82
Inhaltsverzeichnis VII
3.3.2.2 Gleitftihrung mit hydrostatischer Schmierung................... 92
3.3.2.3 Walzftihrungen .................................................................. 100
3.4 Antriebe....................................................................................................... 109
3.4.1 Einteilung, Aufgaben, Anforderungen............................................. 109
3.4.2 Hauptantriebe zur Erzeugung rotatorischer Bewegungen ............... 112
3.4.2.1 Gestufte rotatorische Hauptantriebe .................................. 113
3.4.2.2 Stufenlos stellbare rotatorische Hauptantriebe .................. 120
3.4.3 Hauptantriebe zur Erzeugung translatorischer Bewegungen........... 138
3.4.4 Nebenantriebe zur Erzeugung translatorischer Bewegungen .......... 143
3.4.4.1 Aufgaben, Anforderungen und Klassifizierung................. 143
3.4.4.2 Nebenantriebe mit Linearmotoren..................................... 144
3.4.4.3 Nebenantriebe mit rotatorischen Motoren......................... 151
3.5 Baugruppe "Hauptspindel"........................... .................... ........................... 160
3.5.1 Allgemeines ..................................................................................... 160
3.5.2 Gestaltung ........................................................................................ 161
3.5.3 Lagerung .......................................................................................... 169
3.5.3.1 Walzlagerungen ................................................................. 170
3.5.3.2 Gleitlagerung mit hydrodynamischer Schmierung............ 177
3.5.3.3 Gleitlagerung mit hydrostatischer Schmierung ................. 180
3.5.3.4 Gleitlagerung mit aerostatischer Schmierung.................... 181
3.5.3.5 Lagerung mit elektromagnetischem Funktionsprinzip ...... 183
4 Ausgefiihrte spanende Werkzeugmaschinen .................................................. . 185
4.1 Bewegungsstruktur spanender Werkzeugmaschinen .................................. 185
4.2 Bohrmaschinen............................................................................................ 192
4.2.1 Standerbohrmaschine ....................................................................... 193
4.2.2 Radialbohrmaschine......................................................................... 195
4.2.3 Tiefbohrmaschine ............................................................................ 197
4.2.4 Koordinatenbohrmaschine (Lehrenbohrwerke) ............................... 199
4.3 Drehmaschinen............................................................................................ 200
4.3.1 Leit- und Zugspindel-Drehmaschine ............................................... 201
4.3.2 NC-Schragbett-Futter-und Stangenteildrehmaschine (Drehzelle). 202
4.3.3 Senkrecht-(Karussell-)Drehmaschine .............................................. 206
4.3.4 Drehautomaten................................................................................. 209
4.3.5 Frontdrehmaschinen und Uberkopf-(Pick-up-)Drehmaschinen ...... 212
4.4 Frasmaschinen............................................................................................. 214
4.4.1 Konsolfrasmaschinen....................................................................... 215
4.4.2 Kreuztisch- und Kreuzbettfrasmaschinen .......... .............................. 217
4.4.3 Bettfrasmaschinen............................................................................ 219
4.4.4 NC-Waagerecht-oder Senkrecht-Bearbeitungszentrum und
Fertigungszellen............................ ................................................... 221
4.5 Spanende Werkzeugmaschinen mit translatorischer Schnittbewegung...... 228
4.5.1 Hobelmaschinen............................................................................... 228
4.5.2 StoBmaschinen ................................................................................. 229
4.5.3 Nutenzieh- und -stoBmaschinen....................................................... 231
VIII Inhaltsverzeichnis
4.5.4 Raummaschinen ............................................................................... 232
4.6 Schleifmaschinen......................................................................................... 233
4.6.1 Universal-AuBen-und Innenrundschleifmaschine........................... 234
4.6.2 CNC-AuBenrundschleifmaschine mit CBN-oder
Diamantscheiben ............ ........ ... ....... .... .......................... .......... ........ 239
4.6.3 Futterteilschleifmaschine ................................................................. 241
4.6.4 Flachschleifmaschine ....................................................................... 242
4.6.5 Spitzenlos-AuBenrundschleifmaschinen .......... ................... ............. 244
4.7 Verzahnungsmaschinen............................................................................... 247
4.7.1 Einteilung und notwendige Bewegungen bei spanenden
Verzahnungsmaschinen.................................................................... 247
4.7.2 WalzstoBmaschinen.......................................................................... 253
4.7.2.1 FUr Zylinderrader ............................................................... 253
4.7.2.2 FUr Kegelrader ................................................................... 259
4.7.3 WaIzfrasmaschinen .......................................................................... 261
4.7.3.1 FUr zylindrische Zahnrader und andere zylindrische
Profile................................................................................. 261
4.7.3.2 FUr Kegelrader ................................................................... 264
4.7.4 Zahnradschabmaschinen .................................................................. 272
4.7.5 Zahnradschleifmaschinen ................................................................. 273
4.7.5.1 FUr zylindrische Stirnrader................................................. 274
4.7.5.2 Walzschleifen von Kegelradern ......................................... 281
4.7.6 Walzhonmaschinen .......................................................................... 282
5 Baugruppen schneidender und umformender Werkzeugmaschinen ........... . 284
5.1 Gestelle schneidender und umformender Werkzeugmaschinen.................. 284
5.2 StoBelfUhrungen........................................................................................... 288
5.3 Antriebe schneidender und umformender Werkzeugmaschinen .............. ... 288
5.3.1 Hauptantriebe weggebunder Maschinen .......................................... 290
5.3.2 Hauptantriebe energiegebundener Maschinen ................................. 298
5.3.3 Hauptantriebe kraftgebundener Maschinen ..................................... 301
5.3.4 Nebenantriebe (Ziehkissen, Niederhalter und AusstoBer) ............... 303
5.4 Handhabeeinrichtungen ............................................................................... 306
5.5 Sicherheitseinrichtungen an schneidenden und urnformenden
Werkzeugmaschinen....................... ............................................................. 311
6 Ausgefiihrte schneidende und umformende Werkzeugmaschinen ............... . 316
6.1 Weggebundene Maschinen.......................................................................... 316
6.1.1 Exzenterpressen................................................................................ 316
6.1.2 Kurbelpressen................................................................................... 318
6.1.3 Kniehebelpressen.. ... ... ... ... .................. ............. ........ ......... .... ... ... ..... 324
6.2 Energiegebundene Maschinen ..... ... .............. ............................. ... ... ... .... ..... 327
6.2.1 Hammer ........... ... ... ... .................... ......... ......... ......... ............. .... ........ 327
6.2.2 Spindelpressen.................................................................................. 330
6.3 Kraftgebundene Maschinen .... ........ ............ ......... ............ ........ ..... ... ... .... ..... 332
Inhaltsverzeichnis IX
6.3.1 Hydraulische Pressen ....................................................................... 332
6.3.2 Hydraulische Gesenkbiegepressen................................................... 334
6.3.3 Hydraulische Scheren....................................................................... 337
6.4 Schneid-und Umformanlagen..................................................................... 339
6.4.1 GroBteil-Transferpresse.................................................................... 339
6.4.2 Hydraulische PressenstraBe fUr die Blechteilefertigung .................. 340
6.4.3 Schneidautomat .............. ...... ...... ............................. ......................... 341
7 Abtragende Werkzeugmaschinen ..................................................................... . 343
7.1 Erodiermaschinen ........................................................................................ 344
7.1.1 Senkerodiermaschinen..................................................................... 344
7.1.2 Schneiderodiermaschinen........ ......................................................... 346
7.2 Laserbearbeitungsmaschinen....................................................................... 349
7.3 Wasserstrahlschneidanlagen........................................................................ 353
Literaturverzeichnis ....... ......... ..................................................................................... 358
Bildquellenverzeichnis ........................... ........ ............................................................. 362
Sachwortverzeichnis..................................................................................................... 365
1 Einleitung
1.1 Definition und Klassifizierung der Werkzeugmaschinen
Werkzeugmaschinen gehoren neben den Betriebsmitteln (Werkzeuge, Vorrichtungen, Mess
und Prtifmittel) zu den Fertigungsmitteln (Bild 1.1). Sie sind notwendig, urn eine Fertigung
im Bereich der Produktionstechnik aufrecht zu erhaIten.
Die Abgrenzung der Werkzeugmaschinen gegentiber anderen produzierenden Maschinen
z. B. Verarbeitungsmaschinen ist nicht ganz eindeutig. Legt man zu Grunde, dass mit einem
Werkzeug ein Werksttick bearbeitet wird, so ist das fUr eine Werkzeugmaschine immer
zutreffend. Aber auch auf anderen Maschinen wird mit Werkzeugen gearbeitet (z. B. Brot
geschnitten) und diese Maschinen sind keine Werkzeugmaschinen. Auch die Einschrankung
auf eine bestimmte Gruppe von Fertigungsverfahren bringt keine eindeutige Aussage. Tren
nende und beschneidende Maschinen gibt es auch zur Buchherstellung. Eine Festlegung, was
man unter einem Werksttick verstehen will, hilft hier weiter. Die auf einer Werkzeug
maschine hergestellten Werkstticke sind keine Halbzeuge (Urformmaschinen) und keine
Verbrauchsgtiter (Verarbeitungsmaschinen) sondern in der Regel Teile von Baugruppen, die
in Maschinen, Werkzeugen und anderen Investitionsgtitern aber auch Automobilen, Flug
zeugen u. A. eingebaut werden.
Vorrichtungen
Werkzeug
Betriebsmittel
maschinen
Mess-und Priifmlttel
Bild 1.1 Fertigungsmittel: Betriebsmittel und Werkzeugmaschinen
Nach DIN 69 651 11.21 ist eine Werkzeugmaschine definiert als:
Mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtung, die durch
relative Bewegung zwischen Werkstiick und Werkzeug eine vorgegebene Form am
Werkstiick oder eine Veranderung einer vorgegebenen Form an einem Werkstiick er
zeugt.
A. Hirsch, Werkzeugmaschinen Grundlagen
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2000