www.hanser-fachbuch.de

€ 29,99 [D] | € 30,90 [A]

ISBN 978-3-446-44779-0

Grun

dlag

en d

er F

ertig

ungs

tech

nik

Awis

zus

· Bas

tDü

rr ·

May

r

Awiszus · Bast · Dürr · Mayr (Hrsg.)

Grundlagen der Fertigungstechnik

Das vorliegende Lehrbuch vermittelt die wesentlichen Grundlagen moderner Verfahren und Prozesse der Fertigungstechnik zur Herstellung geometrisch bestimmter fester Körper aus verschiedenartigen Werkstoffen bzw. Werkstoffkombinationen und mit unterschiedlicher Qualität.

Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Verfahrenshauptgruppen unter Einbeziehung der neuesten Erkenntnisse in den einzelnen Gebieten. Es werden die technischen, technologischen, wirtschaftlichen und organisatorischen Zusammenhänge, die Fertigungseinrichtungen sowie zugehörige Systembau-steine dargestellt. Dadurch wird es dem Leser ermöglicht, eigenständig eine Analyse fertigungstech-nischer Sachverhalte vorzunehmen und moderne Fertigungsprozesse zu bewerten und zu gestalten.

Weiterhin vermittelt das Buch, das auch als Nachschlagewerk verwendet werden kann, grundlegende Fachkenntnisse zur Anwendung der Fertigungsverfahren in den verschiedenen Industriezweigen aus der Sicht von Produktivität, Flexibilität, Automatisierung und Umweltverträglichkeit.

Viele praxisorientierte Beispiele sowie zahlreiche anschauliche Bilder und Tabellen präzisieren den Text, wesentliche Defi nitionen und Merksätze sind optisch hervorgehoben.

Inhalt:■ Urformen■ Umformen■ Trennen■ Fügen

Leserkreis:Studierende in den Fachrichtungen Maschinenbau, Produktionstechnik und Wirtschaftsingenieurwesen an Universitäten, Hochschulen und Berufsakademien, Ingenieure im Beruf (Konstrukteure, Fertigungs-technologen, Fertigungsplaner)

Birgit AwiszusJürgen BastHolger DürrPeter Mayr (Hrsg.)

Grundlagen der Fertigungs-technik

6., aktualisierte Auflage

■ Beschichten■ Stoffeigenschaftsändern durch Wärmebehandlung■ Rapid Prototyping■ Leitlinien zur Gestaltung von Fertigungsprozessen

44779_Awiszus_165x240_RZ.indd 1 09.02.16 10:55

QZKPXMPTOSPNTLVRRTWSyr^YVZTa[RSZ TSY

`SYWPRVZRXWSUQZPb

Herausgeber:Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Math. Birgit Awiszus, TU ChemnitzProf. Dr.-Ing. habil. Jürgen Bast, FreibergProf. Dr.-Ing. habil. Holger Dürr, ChemnitzProf. Dr.-Ing. Dr.-techn. Peter Mayr, TU Chemnitz

Autoren:Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Math. Birgit Awiszus, TU ChemnitzProf. Dr.-Ing. habil. Jürgen Bast, FreibergProf. Dr.-Ing. habil. Holger Dürr, ChemnitzProf. Dr.-Ing. Ulrich Göpfert, Fachhochschule Vorarlberg DornbirnDr.-Ing. Günter Herold, ChemnitzDr.-Ing. Siegfried Herrbach, ChemnitzProf. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. Horst Kleinert, TU DresdenProf. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes,Dr. rer. nat. Rolf Pilz, TU ChemnitzDr.-Ing. Frank Rommel, ChemnitzDr.-Ing. Werner Schneider,Prof. Dr.-Ing. Enrico Seliga,Dipl.-Ing. Ulrich Thieme, ChemnitzDr.-Ing. Werner Voigt, ChemnitzDr.-Ing. Karl-Heinz Weichbrodt, Chemnitz

Meerane

ZwickauWests hsische Hochschuleäc Zwickau

Birgit Awiszus / Jürgen Bast /Holger Dürr / Peter Mayr (Hrsg.)

Grundlagen derFertigungstechnikMit 347 Bildern und 55 Tabellen

aktualisierte Auflage

Fachbuchverlag Leipzigim Carl Hanser Verlag

6.,

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

DieDeutscheNationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in derDeutschen Nationalbiblio-grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN 978-3-446-44779-0

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesemWerk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solcheNamen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachtenwären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buchesoder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigungdes Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auchnicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektroni-scher Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag© 20 rl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.deLektorat: Ute EckardtHerstellung: Katrin WulstSatz: Monique Brucke, ChemnitzZeichnungen: Brigitte Schmiedel, ChemnitzDruck und Bindung: Pustet, RegensburgPrinted in Germany

Einbandbild: Bosch (Simulierter Fräsprozess)

16 Ca

E-Book-ISBN 978-3-446-44821-6

Vorwort

Dieses Buch entstand aus der Vorlesungsreihe „Fertigungslehre“ an der Technischen UniversitätChemnitz, die gemeinsam durch die Lehrstühle „Fertigungslehre“, „Fertigungstechnik / Umform-verfahren“ und „Schweißtechnik“ der TU Chemnitz sowie durch den Lehrstuhl „Hütten-, Gießerei-und Urformmaschinen“ der Technischen Universität Bergakademie Freiberg getragen wird.

Hauptanliegen der Herausgeber ist es, den Studentinnen und Studenten im Bachelor der Fach-richtungen Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen sowie der integralen Studiengänge so-lides Basiswissen der Teilefertigung in der Einheit von Theorie der Fertigungsverfahren und Fer-tigungsprozessgestaltung zu vermitteln.

Das Lehrbuch behandelt die wesentlichen Grundlagen der Verfahrenshauptklassen Urformen, Um-formen, Trennen, Fügen und Beschichten und schließt mit einem Leitfaden zur Fertigungsprozess-gestaltung ab. Die Behandlung aller Verfahrensmodifikationen ist nicht Gegenstand dieses Lehr-buches.

Die Autoren haben sich bemüht, sich auf solche Wissensfelder zu beschränken, die bei der stän-digen Weiterentwicklung der Fertigungsverfahren und Fertigungsmethoden als wissenschaftlicheGrundlage längerfristig Bestand haben.

Die Autoren danken besonders Frau Ute Eckardt und Frau Katrin Wulst vom Carl Hanser Verlagfür die Anregungen und kooperative Zusammenarbeit.

Birgit AwiszusJürgen Bast

Holger DürrPeter Mayr

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 15

2 Urformen 172.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1 Einordnung des Urformens in die Fertigungstechnik . . . . . . . . . . . . 172.1.2 Einordnung in den Einzelteilfertigungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.3 Blockgießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.4 Stranggießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.5 Formgießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.1.6 Gussabnehmer und statistische Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Verfahrensprinzipien beim Urformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.2 Gieß- bzw. Formverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.3 Gussteilherstellung in Formen für den einmaligen Gebrauch . . . . . . . . 22

2.2.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.3.2 Handformerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.3.3 Maschinenformerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.3.4 Spezialformverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.4 Gussteilherstellung in Formen für den mehrmaligen Gebrauch (Dauerfor-men) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.4.2 Schwerkraftkokillengießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 342.2.4.3 Druckgießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.2.4.4 Arten von Druckgießmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2.4.5 Verfahrensablauf beim Druckgießen . . . . . . . . . . . . . . . 352.2.4.6 Thixogießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.4.7 Niederdruckgießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.2.4.8 Schleudergießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3 Gusswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3.2 Kennzeichnende Kenngrößen der Gusswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3.2.1 Niedrige Gießtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.2.2 Fließ- und Formfüllungsvermögen . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.2.3 Volumenänderung beim Schmelzen und Erstarren . . . . . . . . 42

2.3.3 Arten von Gusswerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.3.3.1 Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.3.3.2 Stahlguss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3.3.3 Aluminium- und Magnesiumgusswerkstoffe . . . . . . . . . . . 442.3.3.4 Kupfergusswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3.3.5 Mechanische Kennwerte wichtiger Gusswerkstoffe . . . . . . . 44

8 Inhaltsverzeichnis

2.4 Gussteilgestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3 Umformen 493.1 Begriffe, Ordnungsgesichtspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.1.1 Definitionen und Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.2 Einordnungsgesichtspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.2 Stellung und Bedeutung der Umformverfahren im Rahmen der Fertigungstechnik . 513.2.1 Historische Entwicklung der Metallerzeugung und der mechanischen Me-

tallbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2.2 Vergleich der Umformverfahren mit anderen „mechanischen Formge-

bungsverfahren“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.3 Typische Einsatzgebiete der Umform- und Zerteiltechnik . . . . . . . . . . 533.2.4 Besonderheiten und Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3 Ausgewählte Grundlagen der Umformtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.4 Typische Prozesse und Verfahren der umformenden Halbzeugfertigung . . . . . . . 68

3.4.1 Wichtige Prozessketten der Halbzeugfertigung . . . . . . . . . . . . . . . 683.4.2 Ausgewählte Umformverfahren zur Halbzeugfertigung . . . . . . . . . . . 70

3.4.2.1 Verfahrensübersicht Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.4.2.2 Verfahrensübersicht Freiformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.4.2.3 Verfahrensübersicht Durchdrücken – Strangpressen . . . . . . . 743.4.2.4 Verfahrensübersicht Durchziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.4.2.5 Verfahrensübersicht Biegeumformen . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.5 Ausgewählte Teilefertigungsverfahren der Massivumformung . . . . . . . . . . . . 783.5.1 Stauchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.5.1.1 Verfahrensübersicht Stauchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.5.1.2 Bedeutung und Besonderheiten des Stauchens . . . . . . . . . . 79

3.5.2 Freiformschmieden und Rundkneten (Feinschmieden, Rundhämmern) . . . 813.5.2.1 Verfahrensübersicht Freiformschmieden . . . . . . . . . . . . . 813.5.2.2 Bedeutung und Besonderheiten des Freiformschmiedens . . . . . 823.5.2.3 Verfahrensübersicht Rundkneten . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.5.2.4 Bedeutung und Besonderheiten des Rundknetens . . . . . . . . . 83

3.5.3 Gesenkschmieden und Warmpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.5.3.1 Verfahrensübersicht Gesenkschmieden und Warmpressen mit Grat 843.5.3.2 Verfahrensübersicht Gesenkschmieden und Warmpressen ohne

Grat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.5.3.3 Verfahrensübersicht zur Herstellung der Anfangsformen und

Massenverteilungs-Zwischenformen für das Gesenkschmiedenund Warmpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.5.3.4 Bedeutung und Besonderheiten des Gesenkschmiedens undWarmpressens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.5.4 Kaltfließpressen und Kaltschmieden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.5.4.1 Verfahrensübersicht Kaltfließpressen und Kaltschmieden . . . . 933.5.4.2 Bedeutung und Besonderheiten des Kaltfließpressens und Kalt-

schmiedens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.5.5 Walzverfahren der Teilefertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.5.5.1 Verfahrensübersicht Walzverfahren zur Erzeugung bzw. Verän-derung von Werkstückgrundformen . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Inhaltsverzeichnis 9

3.5.5.2 Verfahrensübersicht Walzverfahren zur Erzeugung von Neben-formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.5.5.3 Verfahrensübersicht Walzverfahren zur Feinbearbeitung vonOberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.6 Ausgewählte Teilefertigungsverfahren der Blechumformung . . . . . . . . . . . . 1063.6.1 Verfahren zur Herstellung ebener Blechformteile durch Trennverfahren . . 106

3.6.1.1 Verfahrensübersicht Zerteilverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 1063.6.1.2 Bedeutung und Besonderheiten des Scherschneidens . . . . . . . 108

3.6.2 Verfahren zur Herstellung räumlicher Blechformteile . . . . . . . . . . . . 1103.6.2.1 Verfahrensübersicht Zug-Druck-Umformverfahren zur Erzeu-

gung bzw. Veränderung räumlicher Blechformteile . . . . . . . . 1103.6.2.2 Verfahrensübersicht Druck-Umformverfahren zur Erzeugung

bzw. Veränderung räumlicher Blechformteile . . . . . . . . . . . 1133.6.2.3 Verfahrensübersicht Zug-Umformverfahren zur Erzeugung bzw.

Veränderung räumlicher Blechformteile . . . . . . . . . . . . . 1143.6.2.4 Verfahrensübersicht Biege-Umformverfahren zur Erzeugung

bzw. Veränderung räumlicher Blechformteile . . . . . . . . . . . 1153.6.3 Technologischer Ablauf bei der Herstellung von Blechformteilen . . . . . 117

3.7 Werkzeuge der Umform- und Schneidtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193.8 Einflussfaktoren auf die Fertigungsgenauigkeit von Umformteilen . . . . . . . . . 120

4 Trennen 1234.1 Systematisierung der Verfahrenshauptgruppe Trennen . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.2 Trennen durch Spanen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.2.1 Wirtschaftliche Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.2.2 Grundlagen der spanenden Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.2.2.1 Klassifizierung im Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.2.2.2 Basisgrößen der Zerspantechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.2.2.3 Bewegungsvorgänge und Geschwindigkeiten bei der Spanab-

nahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.2.2.4 Hilfsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1294.2.2.5 Flächen und Vorschubgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1304.2.2.6 Eingriffsgrößen des Werkzeuges . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.2.2.7 Spanungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.2.2.8 Werkzeuggeometrie für das Spanen mit geometrisch bestimmter

Schneide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1334.2.2.9 Werkzeugverschleiß / Standbegriffe und Spanbildung . . . . . . 1374.2.2.10 Schneidstoffe (geometrisch bestimmte Schneide) . . . . . . . . . 1404.2.2.11 Kühlschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.2.2.12 Schnittkraftberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.3 Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1464.3.1 Drehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

4.3.1.1 Spanungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1464.3.1.2 Drehverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1464.3.1.3 Drehwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1484.3.1.4 Zeitspanvolumen und Schnittzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

4.3.2 Fräsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

10 Inhaltsverzeichnis

4.3.2.1 Spanungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.3.2.2 Fräsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514.3.2.3 Fräswerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1554.3.2.4 Zeitspanvolumen und Schnittzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

4.3.3 Bohren, Senken, Reiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574.3.3.1 Spanungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574.3.3.2 Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1584.3.3.3 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1584.3.3.4 Zeitspanvolumen und Schnittzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4.3.4 Hobeln und Stoßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1604.3.5 Räumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

4.3.5.1 Räumverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614.3.5.2 Räumwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1624.3.5.3 Zeitspanvolumen und Schnittzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.4 Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1634.4.1 Spanungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1634.4.2 Schleifverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1644.4.3 Schleifwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

4.4.3.1 Bezeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1684.4.3.2 Form der Schleifwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1684.4.3.3 Zusammensetzung der Schleifwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . 169

4.4.4 Schleifscheibenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1754.4.4.1 Auswuchten der Schleifscheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . 1754.4.4.2 Abrichten der Schleifscheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

4.4.5 Kenngrößen des Schleifprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1784.4.5.1 Außenrund-Einstechschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1784.4.5.2 Geschwindigkeitsquotient q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1794.4.5.3 Verschleißquotient G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

4.4.6 Honen und Läppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1794.4.6.1 Honen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1794.4.6.2 Läppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

4.5 Trennen durch Abtragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1804.5.1 Funkenerosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

4.5.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1834.5.1.2 Anlagentechnik zum funkenerosiven Schneiden . . . . . . . . . 1854.5.1.3 Anlagentechnik zum funkenerosiven Senken . . . . . . . . . . . 186

4.5.2 Wasserstrahltechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1924.5.2.1 Verfahrensgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1934.5.2.2 Anlagentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1954.5.2.3 Verfahrensmerkmale (Kerbtiefe, Schnittfläche, Schnittfuge) . . . 1994.5.2.4 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1994.5.2.5 Zusammenfassung der Vor- und Nachteile des Verfahrens . . . . 200

4.5.3 Laserstrahltechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2014.5.3.1 Grundlagen zum Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2014.5.3.2 Entstehung und Besonderheiten von Laserlicht . . . . . . . . . . 2014.5.3.3 Lasertypen zur Materialbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . 2024.5.3.4 Nd:YAG-Festkörperlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Inhaltsverzeichnis 11

4.5.3.5 CO2-Gaslaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2044.5.3.6 Diodenlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2054.5.3.7 Excimerlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2064.5.3.8 Vorteile des Werkzeuges Laserstrahl . . . . . . . . . . . . . . . 2064.5.3.9 Verfahren der Lasermaterialbearbeitung . . . . . . . . . . . . . 207

5 Fügen 2115.1 Einführung in die Fügetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

5.1.1 Einteilung der Fügeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2115.1.1.1 Schweißbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

5.2 Schweißen mit Lichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2245.2.1 Grundlagen der Lichtbogentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2245.2.2 Lichtbogenhandschweißen (E-Hand) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

5.2.2.1 Prinzipskizze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2275.2.3 Schutzgasschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

5.2.3.1 Übersicht und Gemeinsamkeiten der Verfahren . . . . . . . . . . 2295.2.3.2 Metall-Schutzgasschweißen (MSG) . . . . . . . . . . . . . . . . 2315.2.3.3 Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) . . . . . . . . . . . . . . . 2345.2.3.4 Plasmaschweißen (WPL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

5.2.4 Unterpulverschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2385.2.4.1 Verfahrensprinzip und Schweißausrüstung . . . . . . . . . . . . 2385.2.4.2 Anwendung des UP-Verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

5.3 Widerstandspressschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2395.3.1 Physikalische Grundlagen des Widerstandspressschweißens . . . . . . . . 2395.3.2 Punktschweißen (RP-Schweißen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

5.3.2.1 Verfahrensprinzip/-beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2395.3.2.2 Einsatzmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2415.3.2.3 Besonderheiten des Verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2415.3.2.4 Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2415.3.2.5 Schweißpunkteinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2425.3.2.6 Fertigungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

5.3.3 Rollennahtschweißen (RR-Schweißen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2455.3.3.1 Verfahrensprinzip/-beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2455.3.3.2 Einsatzmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2455.3.3.3 Besonderheiten des Verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2465.3.3.4 Einrichtungen zum Rollennahtschweißen . . . . . . . . . . . . . 2465.3.3.5 Schweißstromart und Stromtaktprogramme . . . . . . . . . . . . 2475.3.3.6 Fertigungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

5.3.4 Buckelschweißen (RB-Schweißen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2485.3.4.1 Verfahrensprinzip/-beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2485.3.4.2 Einsatzmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2485.3.4.3 Besonderheiten des Verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2495.3.4.4 Elektroden zum Buckelschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . 2495.3.4.5 Buckel zum Widerstandsschweißen (auszugsweise) . . . . . . . 2505.3.4.6 Einrichtungen zum Buckelschweißen . . . . . . . . . . . . . . . 2505.3.4.7 Fertigungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

5.3.5 Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen) . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

12 Inhaltsverzeichnis

5.3.5.1 Verfahrensprinzip/-beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2515.3.5.2 Einsatzmöglichkeiten (auszugsweise) . . . . . . . . . . . . . . . 2525.3.5.3 Besonderheiten des Verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2535.3.5.4 Einrichtungen zum Abbrennstumpfschweißen . . . . . . . . . . 2535.3.5.5 Fertigungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

5.4 Schweißen durch Bewegungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2545.4.1 Grundlagen zur schweißtechnischen Nutzung kinetischer Energie . . . . . 2545.4.2 Reibschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

5.4.2.1 Verfahrensprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2545.4.2.2 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2555.4.2.3 Zusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2575.4.2.4 Konstruktive Gestaltung und Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . 2575.4.2.5 Fertigungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

5.5 Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2595.5.1 Physikalisch-chemische Grundlagen des Lötens . . . . . . . . . . . . . . . 2595.5.2 Oberflächenaktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2615.5.3 Lötverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2635.5.4 Lote und Grundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2695.5.5 Gestaltung von Lötverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2715.5.6 Allgemeine Anforderungen an Lötverbindungen . . . . . . . . . . . . . . 272

5.6 Kleben – adhäsives Verbinden von Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2735.6.1 Kann man sich auf geklebte Erzeugnisse verlassen? . . . . . . . . . . . . . 2735.6.2 Warum ist eine Oberflächenbehandlung erforderlich? . . . . . . . . . . . . 2735.6.3 Der Klebstoff: erst flüssig, dann fest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2755.6.4 Verarbeitung von Klebstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2765.6.5 Gestaltung von Klebverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2765.6.6 Qualitätssicherung in der Klebtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

5.7 Fügen durch Umformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2785.7.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2785.7.2 Durchsetzfügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

5.7.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2795.7.2.2 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2805.7.2.3 Ausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2805.7.2.4 Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

5.7.3 Stanznieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2825.7.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2825.7.3.2 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2835.7.3.3 Ausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2835.7.3.4 Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

6 Beschichten 2856.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2856.2 Verfahrensübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2866.3 Beschichten aus dem flüssigen oder plastischen Zustand . . . . . . . . . . . . . . . 286

6.3.1 Emaillieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2866.3.2 Lackieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2866.3.3 Schmelztauchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

Inhaltsverzeichnis 13

6.4 Beschichten aus dem festen Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2876.4.1 Thermisches Spritzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2876.4.2 Auftragschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2946.4.3 Auftraglöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2966.4.4 Wirbelsintern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

6.5 Beschichten aus dem gasförmigen, dampfförmigen oder ionisierten Zustand . . . . 2986.5.1 PVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2986.5.2 CVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2986.5.3 Elektrolytisches Abscheiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2996.5.4 Chemisches Abscheiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

7 Stoffeigenschaftsändern durch Wärmebehandlung 3017.1 Definitionen, Ziele, metallkundliche Effekte und Abgrenzung . . . . . . . . . . . . 3017.2 Wärmebehandlungsprozesse für Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

7.2.1 Thermische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3047.2.2 Thermochemische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3117.2.3 Thermomechanische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

7.3 Bemerkungen zur fertigungstechnischen Realisierung . . . . . . . . . . . . . . . . 3187.4 Stellung der Wärmebehandlung im Fertigungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . 319

8 Rapid Prototyping 3218.1 Prototypen in der Produktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3218.2 Das Grundprinzip des Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3228.3 Die Rapid Prototyping-Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

8.3.1 3D-CAD-Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3238.3.2 STL-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3248.3.3 Rapid Prototyping-Datenaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3258.3.4 Rapid Prototyping-Bauprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3268.3.5 Finishbearbeitung und Folgeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

8.4 Industrielle Rapid Prototyping-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3288.4.1 Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3288.4.2 Laser-Sintern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3308.4.3 Laminate-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3318.4.4 Extrusionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3338.4.5 3D-Drucken (Three Dimensional Printing – 3DP) . . . . . . . . . . . . . . 335

8.5 Folgetechniken und Rapid Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3368.6 Tendenzen der Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

9 Leitlinie zur Gestaltung von Fertigungsprozessen 3399.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

9.1.1 Aufgaben und Ziele der Fertigungsprozessgestaltung . . . . . . . . . . . . 3399.1.2 Einflussgrößen auf den Planungsaufwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

9.2 Grundlagen und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3439.2.1 Gliederung der Fertigungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

9.2.1.1 Prozesselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3439.2.1.2 Mengenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3439.2.1.3 Organisationsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

14 Inhaltsverzeichnis

9.2.2 Funktionelle Flächeneinteilung am Einzelteil . . . . . . . . . . . . . . . . 3479.2.3 Bestimmflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

9.3 Ausarbeiten von Fertigungsprozessen der Teilefertigung . . . . . . . . . . . . . . 3519.3.1 Prüfen der konstruktiven / funktionellen Anforderungen . . . . . . . . . . 3519.3.2 Auswahl der Planungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3519.3.3 Generierendes Ausarbeiten des Fertigungsprozesses . . . . . . . . . . . . 352

9.3.3.1 Tätigkeiten zur Entscheidungsfindung . . . . . . . . . . . . . . 3529.3.3.2 Ermittlung der technischen Elemente (Bearbeitungselemente)

und des Rohteiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3539.3.3.3 Prozessgrobentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3549.3.3.4 Prozessdetaillierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

9.4 Vergleich technologischer Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3619.4.1 Entscheidungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3619.4.2 Methoden zur Berechnung vergleichbarer Kosten . . . . . . . . . . . . . . 363

9.4.2.1 Kostenschema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3639.4.2.2 Zuschlagskalkulationsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3639.4.2.3 Einzelkostenkalkulationsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . 3649.4.2.4 Berechnung technologischer Einzelkosten pro Stück . . . . . . . 3669.4.2.5 Stundenkostenkalkulationsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . 369

9.4.3 Methodeneinschätzung für Variantenvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . 371

10 Literaturverzeichnis 373

1 EinleitungProf. Dr.-Ing. habil. H. Dürr

Die Fertigungslehre vermittelt die theoretischen Grundlagen zur Fertigungstechnik und zur Ge-staltung von Fertigungsprozessen der Teilefertigung (vgl. Bild 1.1).

Bild 1.1: Abgrenzung der Fertigungslehre / Fertigungstechnik

Schwerpunkt der sich anschließenden Kapitel ist die Abbildung des Basiswissens zur Herstellunggeometrisch bestimmter fester Körper aus verschiedenartigen Werkstoffen und mit unterschiedli-cher Qualität sowie die Darstellung eines Leitfadens zur Gestaltung von Fertigungsprozessen.

Unter dem Begriff „Fertigungstechnik“ werden vor allem die materiell-technischen Elemente desFertigungsprozesses verstanden. Dazu gehören u. a.

• Fertigungsverfahren,• Fertigungsmittel und

• Fertigungseinrichtungen,• Fertigungsstoffe.

, hemnitzC

16 Einleitung

Aufgabe der Fertigungsprozessgestaltung ist es, die wirtschaftliche Herstellung oder Veränderungeines durch den Konstrukteur vorgegebenen Einzelteils vorzubereiten. Sie beinhaltet u. a. die

• Analyse der Werkstoffbearbeitung und -verarbeitung,• Anwendung und Entwicklung von Fertigungsverfahren,• Verfahrens- und Werkstoffsubstitution,• Einflussnahme auf die fertigungsgerechte Konstruktion von Einzelteilen und Baugruppen,• Einflussnahme auf die optimale Wahl und Gestaltung von Fertigungsmitteln sowie Werkzeugen

und• Vorausbestimmung der notwendigen Kennwerte für den wirtschaftlich technologischen Prozess.

Die Vielzahl bekannter und zukünftiger Fertigungsverfahren zwingt zur Einordnung der einzelnenBereiche in ein überschaubares und widerspruchsfreies System. Verbindliche Festlegungen zursystematischen Einteilung der Fertigungsverfahren sind mit der Norm DIN 8580 gegeben. DieseOrdnungsprinzipien sind im Bild 1.2 dargestellt. Ausgehend vom Fertigungsziel, Teile mit

• dem geforderten Gebrauchswert,• einer möglichst geringen Anzahl von Prozessstufen (near net shape) und• möglichst geringem Aufwand an Zeit und Kosten

herzustellen, werden die wichtigsten industriellen Verfahren theoretisch und in ihrer Anwendungdargestellt. In den Ausführungen werden je nach Verfahrenshauptklasse auch neuere Entwicklun-gen und Tendenzen in der Fertigungstechnik behandelt, wie z. B.:

• Rapid Prototyping• Wasserstrahlbearbeitung• Innenhochdruckumformen• Laserschweißen

• Komplettbearbeitung auf einer Maschine• Kombination verschiedener physikalischer

Prinzipien• Umweltverträglichkeit / Trockenbearbeitung

Das Lehrbuch schließt mit einem Leitfaden zur Gestaltung von Fertigungsprozessen ab.

Bild 1.2: Systematik der Fertigungsverfahren

2 UrformenProf. Dr.-Ing. habil. J. Bast

2.1 Einführung

2.1.1 Einordnung des Urformens in die Fertigungstechnik

In Übereinstimmung mit der DIN 8580 wird das Urformen als eines der sechs möglichen Ferti-gungsverfahren eingeordnet.

Tabelle 2.1: Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580Änderungder

Zusammenhaltschaffen

Zusammenhaltbeibehalten

Zusammenhaltvermindern

Zusammenhalt vermehren

Form Hauptgruppe 1 Hauptgruppe 2Umformen

Hauptgruppe 3Trennen

Hauptgruppe 4Fügen

Hauptgruppe 5

Stoff- Urformen Hauptgruppe 6 Beschichteneigen- (Formschaffen) Stoffeigenschaftsändern durchschaft Umlagern Aussondern Einbringen

von Stoffteilchen

Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers aus einem formlosen Stoff durch Schaffen desZusammenhalts. Hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstoffes bestimmbar in Erschei-nung. Als formloser Stoff werden Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Fasern, Späne und Granulat be-zeichnet.

Die meisten urgeformten Bauteile werden aus dem flüssigen Zustand heraus erzeugt. Aus diesemGrund wird im vorliegenden Buch auch nur dieses Verfahren vorgestellt werden.

2.1.2 Einordnung in den Einzelteilfertigungsprozess

Im technologischen Prozess der Einzelteilfertigung stellt das Urformen (Gießen) die Ausgangsstu-fe aller metallischer Einzelteile dar. Dabei lässt sich das im Bild 2.1 gezeigte Schema aufstellen.

Unter Berücksichtigung der Hauptgruppen der Fertigungsverfahren ergibt sich folgender Prozess-ablauf (Bild 2.2). Dabei unterscheidet man im Wesentlichen zwei Prozessvarianten. In Abhängig-keit von der Vergießart der Schmelze führen diese Prozessvarianten zu unterschiedlichen nachfol-genden Vorgängen, um aus dem Urformprodukt ein Fertigteil herzustellen.

, Freiberg

18 2 Urformen

Bild 2.1: Urformen im technologischen Prozess der Fertigteilfertigung

2.1.3 Blockgießen

Beim Blockgießen wird das flüssige Metall (insbesondere Stahl) in metallische Dauerformen (so-genannte Kokillen) gegossen. Durch Wärmeabfuhr erstarrt die Schmelze, und es entstehen Blöckeoder Brammen, die sogenannte Halbzeuge darstellen und die durch andere Hauptgruppenverfahrenweiter verarbeitet werden müssen.

2.1.4 Stranggießen

Aufgrund der aufwändigen Vorbereitung der Blockgießkokillen, ihrer Einschränkung in den Ab-messungen und des hohen Anteiles an erforderlichem Speisermaterial zur Kompensation der Lun-kererscheinungen wurde das Stranggießverfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren wird das flüs-sige Metall in eine beidseitig offene (nur zu Beginn des Prozesses) am Boden verschlossene, was-sergekühlte Kokille aus Kupfer gegossen. Der zu Prozessbeginn die Kokille verschließende, soge-nannte Anfahrblock gewährleistet das Füllen der Kokille mit dem flüssigen Metall.

Durch die Wärmeabfuhr erstarrt die Schmelze von Rand und Boden her, so dass beim anschließen-den Absenken des Anfahrblocks ein Strang aus der Kokille gezogen werden kann, der im Innerennoch flüssiges Metall enthält. Durch ein kontinuierliches Nachgießen der Schmelze in die Kopf-seite der Kokille und dem darauf abgestimmten Absenken entsteht ein endloser Strang.

Erzgewinnung

Metallgewinnung

Metallurgie Schmelze Gießereiindustrie

Formgießen

TrennenFERTIGTEIL

Umformen

Trennen

StranggießenBlockgießen

2.1 Einführung 19

Bild 2.2: Prozessabläufe zur Herstellung von Fertigteilen (stark vereinfacht)

Zur Unterstützung des Abkühlprozesses wird der abgezogene Strang in einer Sekundärkühlzonemit Kühlwasser besprüht. In Übereinstimmung mit der zu fertigenden Länge wird der Strang aufdas entsprechende Maß zerteilt. Unter der Voraussetzung einer akzeptablen Strangoberfläche kannder Strang nach dem Durchlaufen eines Ofens direkt in das Walzwerk eingeleitet werden, so dassein vollständig kontinuierlicher Prozess bis zur Erzeugung eines Vorproduktes für ein Einzelteilentsteht. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Verminderung der Gießmetallverluste, imhöheren Ausbringen, in der höheren Produktivität und in der besseren Anpassung der nachge-schalteten Verarbeitungsprozesse (Umformen).

Der Hauptanteil des geschmolzenen Stahls wird mit diesem Verfahren verarbeitet.

20 2 Urformen

Bild 2.3: Stranggießanlage und Anfahrblock

a) 1 Gießpfanne, 2 Tundish, 3 Kristallisator, 4 Sekundärkühlung, 5 Zugwalzen, 6 Schneidgerätb) 1 Kristallisator, 2 Sekundärkühlung, 3 Strang, 4 Anfahrblock

2.1.5 Formgießen

Die zweite Prozessvariante, um zu einem Fertigteil zu kommen, stellt das sogenannte Formgie-ßen dar, mit dessen Hilfe die meisten Gussteile gefertigt werden. Bei dieser Prozessvariante wirddas flüssige Metall in Formen gegossen, in denen das herzustellende Gebilde als Hohlraum ein-gearbeitet ist. Die Formen können dabei aus nichtmetallischen (überwiegend Quarzsand) oder ausmetallischen (überwiegend Eisenlegierungen) Werkstoffen bestehen.

Nach dem Erstarren des flüssigen Metalls wird bei den nichtmetallischen Werkstoffen die Formzerstört und das Gussteil entnommen, während bei den metallischen Formen ein Öffnen die Ent-nahme des Gussteils ermöglicht. Beim Formgießen strebt man eine weitgehende Annäherung andas Fertigteil an, was zur Entwicklung endabmessungsnaher Gießverfahren geführt hat. In Bild 2.4und Bild 2.5 sind die Gießform aus nichtmetallischen Werkstoffen und das in ihr erzeugte Gussteilmit dem zum Füllen der Form notwendigen Gießsystem und den sogenannten Speisern dargestellt.

2.1.6 Gussabnehmer und statistische Zahlen

Die wichtigsten Partner der Gießereiindustrie sind Fahrzeugbau, Maschinenbau, Bauindustrie, Me-dizin, Schiffbau, Schienenverkehr, Energietechnik sowie Luft- und Raumfahrt und Kunst. DerHauptabnehmer ist die Kraftfahrzeugindustrie mit 40 % Eisenguss und 80 % Aluminiumguss. Ineinem Pkw sind mehr als 100 Gussteile eingebaut. Die Mehrzahl der technischen Gebilde ist ohneGussteile undenkbar. Die Masse der Gussteile liegt in einem Bereich von 1 Gramm bis 250 Tonnen.

Mit Hilfe des Formgießens stellen die deutschen Gießereien aus den unterschiedlichen Werkstoff-gruppen Gussteile her.

2.2 Verfahrensprinzipien beim Urformen 21

Bild 2.4: Gießform mit Kern undAnschnittsystem

Bild 2.5: Abgegossenes Gussteil mitGießsystem

1 Kranzapfen, 2 Kern, 3 Gießsystem, 4 Speiser, 5 Formkasten

2.2 Verfahrensprinzipien beim Urformen

2.2.1 Einleitung

Im Allgemeinen sind die Urformverfahren durch folgenden technologische Fertigungsschrittegekennzeichnet:

• Bereitstellung des formlosen Werkstoffs als Ausgangsmaterial• Erzeugung des urformfähigen Werkstoffzustandes• Füllen des Urformwerkzeugs mit dem urformfähigen Werkstoff• Übergang des Werkstoffes in den formbaren Zustand im Urformwerkzeug• Entnahme des geformten Erzeugnisses aus dem Urformwerkzeug.

Die Umsetzung dieser Fertigungsschritte beim Gießen verdeutlicht das Bild 2.6.

2.2.2 Gieß- bzw. Formverfahren

Diese das Fertigungsverfahren „Urformen-Gießen“ kennzeichnenden Grundprozesse werden inAbhängigkeit vom jeweils konkreten Fertigungsprozess durch zusätzliche Operationen erweitert,wobei in Übereinstimmung mit den „Geburtsvorgängen“ des Gussteils (Vergießen und Erstarren inder Form) die unterschiedlichsten Gussherstellungsverfahren entwickelt worden sind. Diese wer-den in Abhängigkeit davon, ob die Formherstellung oder der Gießvorgang bei der Erzeugung desGussteils die dominierende Rolle spielt, im allgemeinen Sprachgebrauch im ersten Falle als Form-verfahren und im zweiten Falle als Gießverfahren bezeichnet. Hinsichtlich der Verwendung derForm lässt sich das Fertigungsverfahren „Gießen“ wie folgt unterteilen.

22 2 Urformen

Bild 2.6: Fertigungsschritte des Urformverfahrens „Gießen“

Bild 2.7: Einteilung der Gieß- bzw. Formverfahren

2.2.3 Gussteilherstellung in Formen für den einmaligen Gebrauch

2.2.3.1 Einleitung

Der gesamte Zyklus der Gusserzeugung in Formen für den einmaligen Gebrauch besteht aus ei-ner Reihe von Haupt- und Hilfsoperationen, die sowohl parallel als auch nacheinander folgend inden unterschiedlichen Abteilungen einer Gießerei durchgeführt werden. Das Bild 2.8 enthält dieeinzelnen Abteilungen und die in ihnen durchzuführenden Arbeiten. Bei der Darstellung wurdedie Verwendung von tongebundenen Formstoffmischungen vorausgesetzt, wobei es sowohl für dieHand- als auch für die Maschinenformerei Gültigkeit besitzt.

2.2 Verfahrensprinzipien beim Urformen 23

Bild 2.8: Fertigungsabteilungen und Fertigungsschritte

24 2 Urformen

2.2.3.2 Handformerei

In Bild 2.9 ist der Verfahrensablauf zur Herstellung eines Rohrstutzens ausgehend von der Werk-stückzeichnung dargestellt. Zunächst werden ein zweigeteiltes Modell, das die Kopie des tatsächli-chen Werkstücks widerspiegelt, und ein Kernkasten hergestellt. Das Modell dient zur Schaffungdes Formhohlraumes in der Form, während der Kernkasten dazu genutzt wird, einen Kern zu erzeu-gen. Dieser wird in die Form eingelegt. Er dient zur Bildung eines inneren Hohlraumes im Gussteil.Zur Fixierung des Kerns in der Form muss das Modell um die Kernmarke erweitert werden. Mitder einen Modellhälfte wird zuerst der Formstoff im Unterkasten verdichtet. Anschließend wirder gewendet und der Oberkasten mit Führungsstiften auf ihn aufgesetzt. Nach dem Auflegen derzweiten Modellhälfte und dem Einbringen des Gießsystems (Einguss, Lauf und Anschnitt) kannder Formstoff im Oberkasten verdichtet werden. Durch das Gießsystem gelangt das flüssige Metallin den Formhohlraum.

Zur Kompensation der Volumenabnahme des Gussteils beim Erstarren und Abkühlen werden Spei-ser angebracht, in die sich das Volumendefizit verlagern soll, damit das Gussteil frei von Lunkernund Porositäten ist. Nach dem Verdichten des Formstoffs im Oberkasten wird dieser abgehobenund werden die Modellteile aus den Formkastenhälften entfernt. Sie hinterlassen im Formstoff denNegativabdruck des herzustellenden Gussteils. In die Abdrücke der Kernmarken wird der Kerneingelegt. Die beiden Formkastenhälften werden zugelegt und mit einer Klammer gesichert, umden Auftrieb des flüssigen Metalls beim Gießvorgang abzufangen. Die fertige Form wird mit demflüssigen Metall gefüllt. Dieses kühlt in ihr ab und erstarrt. Danach wird die Form zerstört und derKern aus dem Gussteil entfernt. Durch Putzen wird die Gussteiloberfläche verbessert.

Bild 2.9: Verfahrensablauf der Gussteilfertigung mittels Handformerei

2.2 Verfahrensprinzipien beim Urformen 25

Modell

Das Modell kann aus Holz, Kunststoff, Gips oder Metall gefertigt sein. Es dient zur Schaffungdes Formhohlraums, besitzt aber selbst keine Hohlräume. Bei der Herstellung müssen weitereForderungen eingehalten werden: Anbringen eines Schwindmaßes in Abhängigkeit vom zu ver-gießenden Metall, Kernmarken zur Lagefixierung des später einzulegenden Kerns, Teilungsebenezum leichteren Einformen des Modells, Bearbeitungszugaben an später zu bearbeitenden Funkti-onsflächen, Aushebschrägen zur besseren Entnahme des Modells aus dem Formstoff, Farbanstrichzum Schutz des Modells vor Feuchtigkeit.

Kern

Der Kern ist ein notwendiger Bestandteil der Form, wenn das zu gießende Teil Hohlräume enthält.Der Kern verkörpert den herzustellenden Hohlraum im Gussstück. Er besteht aus einer Kernform-stoffmischung.

Kernformstoff- und Formstoffmischung

Um einen qualitätsgerechten Formhohlraum zu schaffen, sind an die Formstoffe bestimmte Anfor-derungen zu stellen: gute Festigkeit, gute Bildsamkeit, gute Gasdurchlässigkeit, gute Feuerfestig-keit und Langlebigkeit.

Diese Eigenschaften lassen sich durch ein Gemisch aus Quarzsand (SiO2) sowie Ton und Was-ser als Bindemittel (oder andere Binder z. B. Zement, Wasserglas oder Harze) gezielt einstellen.Außerdem werden in der Formstoffaufbereitung noch Zusatzstoffe (Graphit) zugegeben, die dieunmittelbare Reaktion des flüssigen Metalls mit der Sandoberfläche einschränken. Da die Kernegrößeren Belastungen ausgesetzt sind, werden sie in der Regel nicht aus tongebundenen Form-stoffmischungen, sondern aus Mischungen bestehend aus Quarzsand und speziellen Bindemitteln(Erstarrungsölen, Wasserglas oder Harzen) gefertigt.

2.2.3.3 Maschinenformerei

Mit der Entwicklung der Modellplatte (Bild 2.10) wurde es möglich, die beiden Formhälften einerGießform getrennt herzustellen. Dazu wurden auf einer Modellplatte die Modellhälfte für die Bil-dung des Unterkastenformhohlraums und auf einer anderen Modellplatte die Modellhälfte für dieBildung des Oberkastenformhohlraumes befestigt. Neben den Modellen wurden gleichzeitig dasGießsystem mit Einguss, Lauf und Anschnitt installiert. Um der unterschiedlichen Anzahl der zufertigenden Gussteile gerecht zu werden, wurden sogenannte Segmentmodellplatten entwickelt.

Die Schaffung der Modellplatte war die Voraussetzung für die maschinelle Formherstellung. DieHauptoperationen, die dabei von der Maschine vollzogen werden sollen, sind:

• Verdichten des Formstoffes und• Trennen des Formkastens von der Modellplatte.

In Abhängigkeit von der Verdichtungsart des Formstoffs sind dabei unterschiedliche Maschinenty-pen entstanden: Rüttelformmaschinen, Pressformmaschinen, Membranpressformmaschinen, Viel-stempelpressformmaschinen, Blasformmaschinen, Schießformmaschinen, Luftstrompressform-maschinen, Impulsformmaschinen, Schleuderformmaschinen (Slinger) und Formmaschinen unterKombination der genannten Verdichtungsverfahren.

26 2 Urformen

Bild 2.10: Segmentmodellplatte

Bis auf die Blas- und Schießformmaschinen werden die oben genannten Typen hauptsächlich fürdas Verdichten von tongebundenen Formstoffmischungen eingesetzt und dienen damit in ersterLinie zur Herstellung von Formen.

An Stelle des Ton-Wasser-Gemisches als Bindemittel sind im Laufe der Zeit andere Binder einge-setzt worden, die durch entsprechende chemische Reaktionen zu einer Verfestigung der Formstoff-mischung führen. In diesem Zusammenhang unterscheidet man die Verfestigungsverfahren: Harz-Härter-Formverfahren, Zementsandformverfahren, Wasserglas-CO2-Formverfahren, Gefrierform-verfahren, Vakuumformverfahren, Präzisionsformverfahren, Maskenformverfahren, Vollformver-fahren, Direct Croning Formverfahren.

2.2.3.4 Spezialformverfahren

Hinsichtlich des technologischen Ablaufes unterscheiden sich die ersten vier genannten Formver-fahren nicht wesentlich von denen der Verdichtungsverfahren und zwar nur mit dem Unterschied,dass der Quarzsand nicht mit dem Ton-Wasser-Gemisch sondern entsprechend mit Harz und Här-ter, Zement und Wasser, Wasserglas und Kohlendioxid sowie mit Wasser und einem Kältemittelverfestigt wird und somit keine Verdichtung erforderlich ist.

Die nächstgenannten Formverfahren stellen Fertigungsprozesse dar, die spezielle Besonderheitenaufweisen und die für die Fertigung von maßgenaueren, komplizierteren Bauteilen mit erhöhterOberflächengüte zunehmend an Bedeutung gewinnen.

a) Vakuumformverfahren

Bei diesem Verfahren (Bild 2.11) erfolgt die Verfestigung des Formsandes durch Anlegen einesUnterdrucks. Damit dieser aufgebracht werden kann, wird die Modellkontur mit einer Folie über-zogen, auf diese wird danach der rieselfähige, binderfreie Formsand aufgeschüttet und der Kastenmit einer weiteren Folie abgedeckt. Der Unterdruck bewirkt das Entstehen von Reibungskräftenzwischen den Sandkörnern, so dass eine Verfestigung zwischen ihnen eintritt.

2.2 Verfahrensprinzipien beim Urformen 27

Bild 2.11: Verfahrensablauf beim Vakuumformverfahren

1 Modell, 2 Modellplatte, 3 Vakuumkasten, 4 Heizspirale, 5 Folie, 6 Kastenhälfte, 7 Saugrohr,8 Luftkanal

Die Plastfolie (0,05 . . . 0,1 mm Dicke) wird wenige Sekunden erhitzt, wodurch sie plastisch ver-formbar wird. Anschließend wird sie von oben über die Modellplattenhälfte gezogen. Ein leichterUnterdruck (0,5 bar) genügt, um die thermoplastische Folie konturentreu und dicht an das Modellanzulegen. Der Formkasten mit einer Absaugeinrichtung wird auf die folienüberzogene Modell-platte abgesetzt. Die Formkastenhälfte wird mit trockenem, binderfreiem Quarzsand gefüllt. Da-nach erfolgen das Ausformen des Eingusstümpels und das Abstreifen der Formhälfte sowie dasAbdecken mit Plastfolie und die Verdichtung des Quarzsandes durch Anlegen des Unterdrucks

28 2 Urformen

(0,5 bar). Beim Abhebvorgang wird das Vakuum des Modellplattenträgers abgeschaltet, so dassdie unter Druck stehende Formkastenhälfte mit anhaftender Plastfolie leicht abgehoben werdenkann. Unter- und Oberkasten werden in gleicher Weise hergestellt und können nach dem Zule-gen sofort abgegossen werden. Der Unterdruck wird vom Abgießen bis zum Ende der Erstarrungaufrechterhalten. Nach dem Abkühlen des Gussstücks wird das Vakuum abgeschaltet. Der loseQuarzsand ist wiederverwendbar.

b) Präzisionsformverfahren

Das Präzisionsformverfahren ist ein Formverfahren zur Herstellung von Gussstücken mit höchsterMaßgenauigkeit und bester Oberflächenqualität unter Verwendung verlorener Modelle (Wachsmo-delle, deshalb auch als Wachsausschmelzverfahren bezeichnet). Seine Anwendung ist vorwiegendauf Gussstücke mit geringer Masse und Abmessungen beschränkt, die aufgrund der hohen Abbil-dungsgüte als einbaufertige Teile ausgeliefert werden können. Der im Bild 2.12 gezeigte Verfah-rensablauf lässt sich wie folgt beschreiben:

Bild 2.12: Verfahrensablauf beim Präzisionsformverfahren

Zunächst erfolgt die Herstellung der Wachsmodelle in speziellen formspeichernden Metallformen(Matrizen) durch Spritzen oder Pressen (a). Danach werden die Modelle zu einer Modelltraubemontiert (b). Diese (mit Gießsystem) werden in eine Bindersuspension (keramische Masse zur

2.2 Verfahrensprinzipien beim Urformen 29

Herstellung einer Maske aus einer entsprechenden Formstoffmischung aus feinem Quarzsand alsFormgrundstoff und Ethylsilikat als Bindemittel) getaucht (c). Auf diese Schichten wird ein kör-niges, feuerfestes Materials (trockener Quarzsand) in einer Wirbelschicht oder durch Berieselnaufgebracht.

Nach einem Trockenprozess der Trauben erfolgt ihr Hinterfüllen mit trockenem Quarzsand alsFüllstoff in einem Kasten (d). Zum Ausschmelzen der Wachsmodelle bei etwa 150 ◦C dienen Aus-schmelzöfen (e), während das Brennen der Formen in Brennöfen bei etwa 900 . . . 1200 ◦C vor-genommen wird (f). Nach dem Abgießen der Formen und dem Erstarren der Schmelze in derForm erfolgt das Trennen der Feingussstücke mittels Trennscheibe, Vibration oder Säge (g) undihr Strahlen mit metallischem Strahlmittel (h).

b) Maskenformverfahren

Das Maskenformverfahren ist ein Formverfahren zur Herstellung schalen- (masken)artiger Formen(Bild 2.13). Es arbeitet mit einem Dauermodell. Zur Formherstellung wird eine Formstoffmischungverwendet, deren Quarzsandkörner mit einem Kunstharz umgeben sind.

Im Verarbeitungszustand ist diese Mischung trocken und rieselfähig, so dass zur Erzeugung derFormhohlraumkontur nur die Schwerkraft erforderlich ist. Die Formstoffmischung wird auf dieerhitzte metallische Modellplatte (200 . . . 300 ◦C) aufgestreut und 20 . . . 30 s gehalten. In dieserZeit härtet das Harz aus, und es entsteht die feste Maske, die eine Dicke von 5 . . . 8 mm aufweist(a). Die nicht ausgehärtete Mischung kann von der Modellplatte abgekippt werden (b). In einemauf 300 . . . 350 ◦C aufgeheizten Ofen wird die Maske vollständig ausgehärtet (c).

Mit Hilfe von Ausstoßerstiften wird die Maske von der erhitzten Modellplatte abgehoben (d). Diebeiden Formhälften werden zusammengeklebt (e) und zum Abgießen in einen Behälter gestellt,in dem sie mit Quarzsand oder Stahlkies hinterfüllt werden (f). Auf diese Weise wird die Stabi-lität der Masken erhöht. Das Abgießen, Erstarren, Ausleeren und Putzen der Gussteile erfolgt inAnalogie zu den anderen Verfahren. Mit diesem Verfahren lassen sich Gussteile mit hoher Ober-flächengüte erzeugen. Außerdem sinken der Produktionszyklus und der Ausschussanteil, währenddas Ausbringen steigt.

c) Vollformverfahren

Beim Vollformverfahren besitzt die Gießform im Gegensatz zu den anderen Formherstellungs-verfahren keinen Hohlraum, sondern sie ist mit einem Modell gefüllt, das aus einem vergasbarenMedium (Polystyrolschaumstoff) besteht. Dieses wird entweder durch mechanische Bearbeitungs-verfahren aus Schaumstoffblöcken herausgearbeitet oder durch Einblasen von Polystyrolschaum-stoffperlen in Schäumformen aufgeschäumt (Bild 2.14 a). Dabei werden in der Regel nicht sofortdas gesamte Modell sondern nur Modellbereiche gefertigt, die anschließend durch Kleben mitein-ander verbunden werden.

Die Modellherstellung durch spangebende Bearbeitungsverfahren wird bevorzugt für die Herstel-lung großer Teilen in Einzelfertigung benutzt, wobei das Einformen der Modelle einschließlichdes Gießsystems in harzgebundene Formstoffmischungen und unter Verwendung von Formkästenerfolgt. Die Modellherstellung mittels Schäumen nutzt man zur Fertigung kleiner Teilen in großenSerien. Mit dem Gießsystem werden die Modelle zu Trauben verklebt (Bild 2.14 b). Anschließendwerden sie mit einer Schlichtenschicht überzogen (Bild 2.14 c), die beim Gießen einen direktenKontakt des flüssigen Metalls mit dem Quarzsand verhindert und die den Seitenwänden des sichzwischen dem vergasenden Modell und der nachströmenden Schmelze bildenden Spalts eine ge-wisse Stabilität verleiht, so dass der ungebundene Quarzsand nicht in diesen Hohlraum kollabiert.