Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie Skript zur

Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie
Skript zur Veranstaltung
„Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie“
Martin Binder – Pädagogische Hochschule Weingarten
Inhalt
1
Werkstoff Metall ........................................................................................................ 2
1.1 Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe ............................................................... 2
1.2 Einteilung der Werkstoffe ...................................................................................................... 3
2
Fertigungsverfahren nach DIN 8580 ............................................................................ 8
2.1 Hauptgruppe 1: Urformen ..................................................................................................... 9
2.2 Hauptgruppe 2: Umformen.................................................................................................. 10
2.3 Hauptgruppe 3: Trennen ..................................................................................................... 13
2.4 Hauptgruppe 4: Fügen ......................................................................................................... 25
2.5 Hauptgruppe 5: Stoffeigenschaften ändern .......................................................................... 28
2.6 Fertigungshauptgruppe Beschichten .................................................................................... 30
3
Mess- und Prüftechnik ............................................................................................. 30
3.1 Messgeräte ......................................................................................................................... 30
3.2 Lehren ................................................................................................................................ 30
3.3 Toleranzen .......................................................................................................................... 31
Ein Hinweis zur Zitation: Zahlen in eckigen Klammern beziehen sich auf folgende Literatur:
[1]
König, Wilfried (1984): Fertigungsverfahren. 2. Aufl. Düsseldorf: VDI-Verl.
[2]
Wesling, Volker; Reiter, Rolf (o. A.): Fertigungstechnik I. Technische Universität Clausthal.
Clausthal.
[3]
Haffer, Reiner Becker-Kavan Angelika Brandt Finn (2007): Grundkenntnisse industrielle Metallberufe nach Lernfeldern … 2. Aufl. Hamburg: Verl. Handwerk und Technik.
Stand: 2014-03-28
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Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie
1 Werkstoff Metall
Metalle sind die größte Gruppe chemischer Elemente. Dass Metall als Werkstoff so interessant ist,
liegt an seinen Materialeigenschaften. Besonders bedeutsam sind folgende Eigenschaften unter Beanspruchung: Zerspanbarkeit, Verformbarkeit, Schmiedbarkeit, Löt- und Schweißbarkeit, Gießbarkeit; Verhalten unter Zug-, Druck-, Knick-, Biege-, Torsions- und Schubbeanspruchung (s. u.).
1.1 Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe
Die Eigenschaften von Stoffen werden durch ihren molekularen Aufbau bestimmt, insbesondere
durch die Anzahl der Elektronen in der Außenschale des Atoms.
1.1.1 Molekularer Aufbau von Metallen
Metalle bilden beim Abkühlen aus der Schmelze eine regelmäßige Gitterstruktur, hauptsächlich in
Form von Kuben und Hexagonen. Beim Schmelzen verändern die Atome des Moleküls ihren Platz in
der Gitterstruktur. Wird die Schmelze schockartig abgekühlt, werden sie teilweise an dieser Stelle fixiert und „verspannen“ das Gitter. Kühlt die Schmelze langsam ab, „wandern“ sie an ihren ursprünglichen Ort zurück.
Abbildung 1: Metallgitter: kubisch-flächenzentriert, kubisch-raumzentriert, hexagonal
Beim Abkühlen bilden sich zunächst einzelne Kristallkeime, die sich dann wachsend ausbreiten. Die
Kornstruktur, die so entsteht, wird „Gefüge“ genannt (vgl. Haffer 2007, S. 316). Die Ausbildung des
Gefüges bestimmt wesentlich die mechanischen Eigenschaften des Metalls. Gefüge können durch
Anschleifen und Ätzen der geschliffenen Oberfläche unter dem Mikroskop sichtbar gemacht werden.
Metalle erstarren i. d. R. als Gemisch aus verschiedenen Elementen. Man spricht in diesem Fall von
einer Legierung. In der Werkstofftechnik werden Legierungen gezielt herbeigeführt, um bestimmte
Eigenschaften zu erzielen (z. B. der bekannte Chrom-Vanadium-Stahl).
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1.1.2 Physikalische Eigenschaften von Metallen
Die physikalischen Eigenschaften von Metallen unterscheiden sich teilweise erheblich:
Werkstoff
Dichte
Elastizität
SchmelzElektrische
Wärmeleitfähigkeit Ausdehnung
temperatur
Leitfähigkeit
kg/dm3 kp/mm2
Grd Celsius cal/cm*sec*grd
m/m*grd
m/Ohm*mm2
Aluminium
Blei
Bronze
Grauguss
Kupfer
Messing
Stahl C 15
Stahl C 60
2,70
11,34
8,73
7,20
8,96
8,5
7,85
7,83
6750
1600
11100
8000-13000
12500
9000
20800
20400
660
327
915-1040
1150-1300
1083
910
1510
1470
0,53
0,083
0,16
0,13
0,94
0,22
0,12
0,11
23,8
28,3
17,3
9,0
16,2
19
11,1
11,1
35
4,82
9
1-2
60
16
9,3
7,9
Vanadium
6,0
15000
1735
k.A.
8,5
3,84
Zink
Zinn
7,14
7,3
9400
5500
419
232
0,27
0,16
29,8
20,5
16,9
8,7
Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften ausgewählter Metalle
Extremwerte sind in der Tabelle hervorgehoben. Bei genauer Betrachtung werden sie Merkmale der
Metalle, die Sie aus Ihrem Allgemeinwissen haben, hier wiederfinden (Kupfer als hervorragender
Wärmeleiter  hochwertiges Kochgeschirr).
1.2 Einteilung der Werkstoffe
Der Begriff „Werkstoff“ drückt aus, dass in einem in der Natur vorgefundenen bzw. gezielt hergestellten Stoff seine Eignung für bestimmte Einsatzgebiete in der Fertigung von Gegenständen gesehen
wird. Eine gängige Einteilung der Werkstoffe zeigt folgende Abbildung:
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Werkstoffe
Verbundwerk-
Metalle
Nichtmetalle
stoffe
natürliche
künstliche
Werkstoffe
Werkstoffe
EisenWerkstoffe
EisenGussstoffe
Gusseisen
Kugelgraphit
Temperguss
...
Stähle
Allg. Baustähle
Automatenst.
Vergütungsst.
Schnellarbeitsst.
Federstähle
NE-
faserver-
teilchenver-
schichtver-
stärkte VSt
stärkte VSt
stärkte Vst
Metalle
Schwer-
Leicht-
Edel-
metalle
metalle
metalle
Blei
Kupfer
Alu
Titan
...
Gold
Platin
...
...
Rostfreie Stähle
Abbildung 2: Einteilung der Werkstoffe
Gehärtete Stähle ...
Hier interessiert besonders die Werkstoffgruppe (nicht: chemisch) der Metalle. Sie werden in Eisenund Nichteisenmetalle unterschieden.
1.2.1 Eisenmetalle
Bei der Eisenerzeugung werden zunächst die Eisenanteile aus eisenhaltigem Gestein (Erz) erschmolzen bzw. chemisch reduziert. Das so erzeugte Roheisen wird weiterverarbeitet, um einen Werkstoff
mit homogenem Gefüge und definierten Eigenschaften zu erzeugen.
Gusseisen
Gusseisen enthält zwischen 2 % und 5 % Kohlenstoffanteil. Roheisen, Eisenschwamm und Gussschrott werden mit Koks aufgeschmolzen. Der Koks liefert die Reaktionswärme und den für die erwünschten chemischen Reaktionen erforderlichen Kohlenstoff. Gusseisen hat aufgrund des hohen
Kohlenstoffs einen niedrigen Schmelzpunkt und gute Gießeigenschaften, sodass komplexe Formen
hergestellt werden können (Getriebegehäuse, Gestelle usw.). Der Kohlenstoff führt dazu, dass der
Werkstoff sehr druckfest, aber auch spröde ist. Gusseisen ist daher nicht schmiedbar. Durch Wärmebehandlung (s. u.) kann die Zähigkeit von Gusseisen in Grenzen erhöht werden (Temperguss).
Stahl
Stahl ist ein Eisenwerkstoff mit einem Kohlenstoffanteil (i. d. R.) bis zu 2%. Durch die Reduktion des
Kohlenstoffanteils des Roheisens wird der Werkstoff gut umformbar (z. B. schmiedbar), zerspanbar
und schweißbar. Seine Eigenschaften lassen sich durch Wärmebehandlung gezielt beeinflussen.
In der Stahlherstellung wird dem Roheisen Kohlenstoff entzogen und Legierungselemente gezielt zugegeben:
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Legierungselement Beeinflussung der Eigenschaften
Kohlenstoff
 Festigkeit, Härte  Schweißbarkeit, Schmiedbarkeit
Chrom
Härte  Korrosionsneigung, Dehnung
Nickel
Härte, Dehnung, Zähigkeit  Korrosionsneigung, Zerspanbarkeit
Wolfram
 Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit  Zerspanbarkeit
Molybdän
Härte, Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit  Zerspanbarkeit
Tabelle 2: Legierungselemente und ihr Einfluss auf die Stoffeigenschaften
Aufgrund der guten Bearbeitungseigenschaften können Stähle vielfältig weiterverarbeitet werden,
z. B. durch Gießen, Strangpressen (Endlosprofile), Walzen (Bleche), Ziehen (Drähte).
Stähle werden nach unterschiedlichen Kriterien unterscheiden:
-
Eine Standardeinteilung ist die nach unlegierten Stählen (Beimengungen innerhalb bestimmter Grenzwerte), legierten Stählen (Beimengungen über den Grenzwerten) und nichtrostenden Stählen.
-
Eine andere Variante unterscheidet Edelstähle (geringe Toleranzen bei der Zusammensetzung; lässt sich nur im Elektro-Lichtbogen-Verfahren herstellen, teuer) von Qualitätsstählen
(alle übrigen Stähle; a. a. O., S. 318. Früher wurde hier noch unterschieden zwischen Qualitäts- und Massenstählen).
-
Unterscheidung nach dem späteren Einsatz:
o
Baustähle: Maschinen-, Fahrzeug-, Motorenbau und Konstruktionen im Hochbau. Bsp.:
St 37-2, St 44-3, St 52-3, St 60-2. Baustähle werden gewalzt zu Stäben, Blechen, Bändern,
Profilen oder Rohren.
o
Vergütungsstähle: Durch Wärmebehandlung (Vergüten) wird hohe Festigkeit und Zähigkeit erreicht. Einsatzbereiche: Kurbelwellen, Achsen, Schraubstöcke.
o
Automatenstähle: Besonders gute Zerspaneigenschaften, sie bilden u. a. kurze Späne,
die sich nicht so stark in Spindeln verfangen.
o
Einsatzstähle: Besonders verschleißfeste Oberflächen bei zähem Innenkörper. Dies wird
durch Aufkohlen der Oberfläche mit anschließendem Härten erreicht. Einsatzbereiche:
Wellen, Zahnräder, Nockenwellen, Messwerkzeuge.
o
Nitrierstähle: Besonders harte und verschleißfeste Oberflächen durch Stickstoffverbindungen (Nitride) an der Oberfläche. Einsatzbereiche: Werkzeuge, Feinmessgeräte, Kurbelwellen.
o
Werkzeugstähle: Edelstähle mit besonders guter Beeinflussbarkeit der Eigenschaften
(Härte, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit). Einsatzbereiche: Werkzeuge.
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Bezeichnung von Stählen nach DIN EN 10027-1/-2
Abbildung 3: Beispiel für die Bezeichnung von Stählen [3]
Abbildung 4: Das Bezeichnungssystem nach DIN EN 10027-1 [3]
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Abbildung 5: Das Bezeichnungssystem von Stählen nach DIN EN 10027-2 [3]
1.2.2 Nichteisenmetalle
Eine Ordnung der NE-Metalle kann der Abbildung oben entnommen werden. Wichtige NEMetallwerkstoffe sind u. a.:
Aluminium
Aluminium zeichnet sich durch geringe Dichte, hohe Korrosionsbeständigkeit, gute Festigkeit, Formbarkeit und Zerspanbarkeit und durch gute elektrische und wärmeenergetische Leitfähigkeit aus.
Aluminium wird in der Luft- und Raumfahrttechnik und im Automobilbau (Festigkeit, Formbarkeit,
geringe Dichte), im Hochbau im Außenbereich (Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit) und auch im
Bereich elektrischer Freileitungen eingesetzt.
Aluminiumlegierungen werden eingeteilt in Gusslegierungen und Knetlegierungen. Letztere eignen
sich für das Walzen, Pressen und Ziehen.
Abbildung 6: Bezeichnungssystem für Aluminiumwerkstoffe [3]
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Kupfer
Kupfer zeichnet sich durch hohe Dichte und Korrosionsbeständigkeit, gute Lötbarkeit und Verformbarkeit, gute elektrische und wärmeenergetische Leitfähigkeit, aber durch schlechte Zerspanbarkeit
aus. Da Kupfer und seine Oxidationsformen keine gesundheitliche Gefährdung darstellen und da die
Oxidschichten sehr stabil sind, wird Kupfer für Brauchwasser- und Heizungsleitungen, aber auch in
der Fassadenverkleidung und bei Kochgeschirr verwendet. Außerdem ist es bevorzugter Werkstoff
für elektrische Leitungen.
Häufig eingesetzte Kupferlegierungen sind…
-
Messing: Legierung aus Kupfer und Zink, die noch korrosionsbeständiger ist,
-
Bronze: Legierung aus Kupfer und Zinn, die wiederum korrosionsbeständiger als Messing ist,
-
Rotguss: Legierung aus Kupfer, Zinn und Zink.
Zinn
Zinn hat eine hohe Dichte, ist gut formbar, sehr korrosionsbeständig und hat einen niedrigen
Schmelzpunkt. Es wird als Weichlot eingesetzt, aber auch als Korrosionsschutz in Weißblechen, z. B.
bei Konservendosen.
Zink
Zink hat eine vergleichbare Dichte und ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften wie Zinn,
wirkt aber toxisch. Zink wird als Korrosionsbeschichtung eingesetzt, z. B. bei Leitplanken an Straßen.
Feuerverzinkung ist ein traditionelles Beschichtungsverfahren.
Blei
Blei ist ein hochgiftiges Schwermetall mit hoher Korrosionsbeständigkeit, niedrigem Schmelzpunkt
(Bleigießen über der Kerzenflamme) und wirkt strahlungsabsorbierend (Bleischürzen beim Röntgen).
Es neigt zum Schmieren und ist daher schlecht zerspanbar, wird aber spröden Werkstoffen zugegeben, um deren Zerspanbarkeit zu erhöhen.
Titan
Titan ist ein Leichtmetall mit hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit. Es wird im
Leichtbau eingesetzt, ist aber teuer.
2 Fertigungsverfahren nach DIN 8580
DIN 8580 bietet eine Struktur für die vielfältigen Fertigungsverfahren. Sie werden in die Fertigungshauptgruppen Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern
eingeordnet. Einen Überblick über die Haupt- und Untergruppen finden Sie im Skript „Grundsachverhalte der Technik“.
Hier werden Besonderheiten bei der Bearbeitung von Metallen dargestellt.
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2.1 Hauptgruppe 1: Urformen
Damit sind Verfahren erfasst, bei denen Metalle aus gas- bzw. dampfförmigem (Verchromen), flüssigem bzw. plastischem (Gießen), ionisiertem (Galvanisieren) oder festem (Pressen von körnigem oder
pulverförmigem Stoff) Zustand in eine Form gebracht werden.
2.1.1 Gießen
Gießen wird als Sandformguss, Druckguss oder Präzisionsguss (z. B. Wachsausschmelzverfahren) ausgeführt. Maßgenauigkeit, Wanddicke und Oberflächengüte werden weitgehend von den Rahmenbedingungen bestimmt. Beim Erstarren kommt es durch Volumenänderung und ungleichmäßiger Kristallisation zu Gefügefehlern (Einschlüsse, Poren, Risse). Gusswerkstücke sind im Vergleich zu anders
hergestellten Werkstücken inhomogen.
Bei Gusswerkstoffen werden das Formfüllungsvermögen (Fähigkeit, die Kontur der Gussform wiederzugeben), das Fließvermögen (Fließreichweite bis zum Erstarren) und das Lunkerverhalten (Formwiedergabe nach dem Erstarren) unterschieden (vgl. Wesling und Reiter o. A., S. 35). Für eine hohe Qualität ist eine gussgerechte Gestaltung des Werkstückes notwendig. Das betrifft Ausrundungen, Ausläufe und Fließverläufe. Die Vorgänge im Gusswerkzeug sind komplex und nicht exakt steuerbar.
Abbildung 7: Zweiteiliges Modell und Gussstück [1, S. 41]
Ober- und Unterkasten werden mit Formstoffen gefüllt, die mechanisch verfestigt werden. Zu den
Modellhälften werden eine Eingießöffnung, eine Abgießöffnung und ein Steiger zum Entweichen der
Luft geschaffen.
Gusswerkstoffe sind Eisen, Stahl, Zink und Messing (z. B. Gasarmaturen).
2.1.2 Sintern
Das Herstellen aus pulverförmigen Stoffen hat gegenüber dem Gießen die Vorteile der größeren
Maßgenauigkeit, der Energieeinsparung und der Möglichkeit, Metalle und Nichtmetalle miteinander
zu verbinden. Nachteile sind hohe Kosten, teure Werkzeuge und Pressen (sehr hohe Drücke) und die
Tatsache, dass nur Formen ohne Hinterscheidungen hergestellt werden können.
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Zunächst werden sogenannte „Grünlinge“ gepresst: Nach dem Einfüllen wird das Material durch Vibrieren des Werkzeugs vorverdichtet und anschließend über zwei entgegengerichtete Stempel bis zu
100 kN/cm2 (100 bar) Druck ausgeübt. Dadurch „Verklammern“ sich die Pulverteilchen.
Beim anschließenden Glühen werden die Grünlinge bis knapp unter die Schmelztemperatur des
Stoffbestandteils mit der höchsten Schmelztemperatur erhitzt. Überwiegend durch „Gitterdiffusion“
an den Berührungsstellen der Kristalle entsteht eine Verbindung, die dreifache Zugfestigkeit aufweist.
Gesintert werden Schneiden aus Hartmetall (aufgelötete Schneiden auf Kreissägeblättern oder Bohrern), Gleitlager, Zahnräder und Magnete. Gesinterte Hartmetalle haben eine hohe Härte, Druckfestigkeit und Wärmeverschleißfestigkeit. In diesen Belastungsarten sind sie Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen überlegen.
2.2 Hauptgruppe 2: Umformen
Beim Umformen wird der Werkstoff plastisch umgeformt, ohne die Masse oder den Stoffzusammenhang zu ändern (a. a. O., S. 191). Dabei werden Drücke von wenigen N bis zu 400 MN aufgebaut, was
die Herstellung teuer macht. Vorteile dieses Verfahrens sind kurze Fertigungszeiten, hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte und hohe Festigkeit des Werkstücks.
2.2.1 Varianten des Umformens
Beim Umformen verändert sich der kristalline Aufbau des Werkstoffs. Vor dem Umformen ist er nahezu richtungsunabhängig (isotrop). Beim Umformen werden Gitterbereiche gegeneinander verschoben, sodass sich ein gerichtetes Gefüge ergibt (Faserrichtung).
Beim Strecken (Zug) von Material wird seine Dicke verringert, beim Stauchen (Druck) wird sie vergrößert. Bis zur „Fließgrenze“ kommt es zu proportionalen Formänderungen im Verhältnis zur Kraft. Ist
die „Nennzugfestigkeit“ eines Werkstoffes erreicht, gleiten große Gitterbereiche aneinander vorbei
(Wesling o. A., S. 198), der Zusammenhalt des Gitters wird aufgelöst.
Unterschieden werden Kalt- und Warmumformen, wobei Kaltumformen einen geringeren Energieaufwand benötigt, es dabei zu keiner Schwindung kommt und Maßgenauigkeit und Oberflächengüte
besser sind. Beim Erwärmen wird das Umformvermögen erhöht.
Unterteilt werden…
-
das Druckumformen: Walzen, Frei- und Gesenkschmieden,
-
das Zugdruckumformen: Durchziehen, Tiefziehen, Drücken,
-
das Zugumformen: Längen, Weiten, Tiefen,
-
das Biegeumformen,
-
das Schubumformen: Verschieben, Verdrehen.
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2.2.2 Formen des Druckumformens
Walzen
Walzen ist stetiges oder schrittweises Druckumformen mit drehenden Werkzeugen. Wird über Dorne
gewalzt, können Rohre geformt
werden. Wichtige Kenngrößen sind
die Flächenpressung, die Fließspannung, der Formänderungswiderstand und die Reibung, die erforderlich ist, damit der Werkstoff
Abbildung 8: Formen des Walzens [1]
von den Walzen ergriffen wird.
Freiformen und Gesenkformen
Ein klassisches Beispiel für das Druckumformen ist das
Schmieden. Es kann als Freiformen erfolgen, wenn die
Werkzeuge nicht die zu erzeugende Form „enthalten“
(Schmieden mit Hammer und Amboss). Beim Gesenkschmieden wird das Teil in ein geformtes Werkzeug gedrückt.
Beispiele für das Freiformen sind das Recken, Breiten und
Stauchen, für das Gesenkformen das Formpressen und das
Anstauchen im Gesenk.
Abbildung 9: Gesenkschmiedewerkzeug
und Formteil [1]
Eindrücken
Beim Eindrücken dringt ein Werkzeug in die Oberfläche des Werkstücks ein. Beispiele sind das Körnen, das Prägen von Schrift oder das Walzprägen z. B. von Gewinde.
Durchdrücken
Beim Durchdrücken wird ein Werkstoff durch eine formgebende Werkzeugöffnung gedrückt (Wesling
S. 206). Ein wichtiges Verfahren ist das Strangpressen, mit dem Stäbe, Rohre und Profile gepresst
werden. Werden Einzelteile gepresst, spricht man
vom Fließpressen.
2.2.3 Formen des Zugdruckumformens
Durchziehen
Beim Durchziehen wird der Werkstoff durch eine
formgebende Matrize (mater  Mutterform) geStand: 2014-03-28
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Abbildung 10: Formen des Gleitziehens [2]
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zogen. So werden Stäbe, Drähte, Rohre und Profile gezogen.
Tiefziehen
Beim Tiefziehen wird ein Blech mit einer Patrize (Vaterform) in eine Matrize gezogen, wobei es im
Idealfall zu keiner Änderung der Wanddicke kommt. Karosserien im Fahrzeugbau werden zum Teil
tiefgezogen.
2.2.4 Formen des Zugumformens
Längen
Hauptzweck des Längens ist das Streckrichten verformter Stäbe, Profile, Rohre und Bleche. Eine auch
in der Schule angewandte Form ist das Streckrichten von Kupferadern aus elektrischen Leitungen.
Soll ein Kabel „gerade“ gemacht werden, spannt man das eine Ende ein und zieht am anderen Ende
mit einer Zange. Wenn die Fließgrenze erreicht ist, streckt sich der Draht und wird gerade gerichtet.
Weiten und Tiefen
Dabei werden vorhandene Hohlkörper weiter verformt. Weiten und Tiefen wird bei großen Blechteilen eingesetzt.
2.2.5 Formen des Biegeumformens
Beim Biegen treten nicht nur Form- sonStauchungszone:
gestauchtes Gefüge,
Ausbauchung
dern auch Längenänderungen und Stoffeigenschaftsänderungen auf (fester, härter, spröder). Die Gefahr der Rissbildung
erhöht sich durch die Faktoren Dicke des
Neutrale Zone: keine Gefügeoder Längenänderung
Materials, Biegeradius, Biegewinkel (an
den Außenschenkeln gemessen) und
Verlauf der Biegekante im Vergleich zur
Dehnungszone: gestrecktes
Gefüge, Rissbildung
Walzrichtung (parallel zur Walzrichtung:
erhöhte Rissbildungsgefahr).
Abbildung 11: Biegezonen
Erfahrungswerte für Mindestbiegeradien:
Werkstoff
Blechdicke in mm
1
1,5
2,5
3
4
Stahl bis Rm= 490 N/mm2
1,2
2
3
4
5
AlCuMg-Legierung
2,5
4
6
10
16
CuZn-Legierung
1,6
2,5
4
6
9
Kupfer (weichgeglüht)
1,6
2,5
4
6
8,5
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Bei der Planung eines Biegeteils wird, ausgehend
von der gewünschten Form, ein Abwickelmodell erstellt. Es zeigt die Form des Blechstücks vor dem
Biegen. Die Berechnung der sogenannten „gestreckten Länge“ (Maß vor dem Biegen) erfolgt
durch Addition der geraden Längen und der Längen,
die sich an den Radien der neutralen Zone ergeben.
Am Beispiel der Abbildung:
l = 2 • l1 + 2 •l2 + 2•l3 + l4
Die Werte für l2 und l4 ergeben sich aus der Be-
Abbildung 12: Berechnung der gestreckten Länge [3]
rechnung der Radien.
Ein Problem bilden Ausbauchungen
des Blechs in Ecken. Um Formfehler
zu vermeiden, werden sie mit Ausklinkungen versehen. Das können
Bohrungen sein, aber auch Vielecke
(vgl. Abbildung).
In der Abbildung wurde fertigungsorientiert bemaßt: Die linke Kante
und die Mittellinie dienen jeweils
als Maßbezugslinie. Die Bemaßung
von der Mittellinie aus gewährleis-
Abbildung 13: Ausklinkungen an Blechteilen; Bemaßung von Biegeteilen [3]
tet, dass nach dem Biegen die stehenden Seiten symmetrisch sind.
Beim Biegen von Profilen besteht eine erhöhte Gefahr der Querschnittsveränderung. Gegenmaßnahmen sind bei kantigen Profilen (L, U) Ausklinkungen, bei Rohren der Einsatz von Biegevorrichtungen oder das Füllen mit Sand (Enden abdichten).
2.3 Hauptgruppe 3: Trennen
Die Hauptgruppe Trennen wird weiter unterteilt in Zerteilen, Spanen mit geometrisch bestimmter
und unbestimmter Schneide, Abtragen, Zerlegen und Reinigen.
2.3.1 Formen des Zerteilens
Scherschneiden
Beim Scherschneiden (spanloses Schneiden) wird das Werkstück zunächst durch den Druck des
Stempels (elastisch) gebogen, dann beginnt es in die Form der Schneidplatte zu fließen, anschließend
kommt es zur Rissbildung und Trennung (vgl. folgende Abbildung).
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Abbildung 14: Phasen beim Scherschneiden [2, S. 78]
Niederhalter verhindern das Aufbiegen oder Aufstellen des Bleches und damit ein zu starkes Einfließen des Schnittrandes (Kanteneinzug).
Ein Schnitt weist drei Zonen auf. In Richtung vom Stempel zur Schneidplatte sind das die Zone des
Kanteneinzugs (Grat), die Glattschnittzone und die Bruchzone. Zweiteilige Schneidwerkzeuge beim
offenen und beim geschlossenen Schnitt werden folgendermaßen benannt:
Abbildung 15: Werkzeuge bei offenem und geschlossenem Schnitt [2, 79]
Große Unterschiede ergeben sich danach, ob drückend oder ziehend geschnitten wird. Beim drückenden Schneiden wirkt die Schnittkraft senkrecht zur Schneide, sodass sie auf der ganzen Länge
ansetzt. Hier sind größere Kräfte nötig. Beim ziehenden Schneiden (Handblechschere, Tafelblechschere) setzt die Schneide an der Kante des Blechs an und dringt längs zur Schneide ein.
Es werden Ausschneiden/Lochen, Abschneiden, Einschneiden und Ausklinken unterschieden. Jeweils liegen andere Vorgänge zugrunde, sind
andere Werkzeuge erforderlich und unterscheiden sich die Schneidergebnisse. So ergeben Ausklinkungen durch Einschneiden Überschneidungen in den Ecken. Formgebende Werkzeuge mit drückendem
Schnitt vermeiden das.
Zerlegen
Das Zerlegen (Demontieren, Entleeren, Ablöten, Auflösen von Klebeverbindungen usw.) folgt ebenfalls technischen Richtlinien. Beim Entleeren muss beispielsweise darauf geachtet werden, dass keine
Verschmutzung der Umgebung stattfindet, v. a. bei toxischen Stoffen, dass Druckunterschiede beachtet werden usw. Bei einer Demontage, der anschließend eine Montage folgt, werden i. d. R. Explosionszeichnungen angefertigt ( Skript: Technische Kommunikation – Technisches Zeichnen).
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Abtragende Fertigungsverfahren
Zu diesen Verfahren gehört das thermische (Plasmaschneiden, Schneidbrennen mit Gasen (Acetylen,
Methan, Propan), Funkenerosion, Laserschneiden usw.), das chemische (Ätzen) und das elektrochemische (elektrochemisches Senken bei hochwarmfesten Werkstoffen, z. B. bei Turbomaschinen) Abtragen.
Trennen mit Hochdruckwasserstrahlen
Bei diesem Verfahren wird mit Drücken bis 400MPa gearbeitet. Reines Wasserstrahlschneiden wird
hauptsächlich in der Kunststoff-, Textil- und Lebensmittelbearbeitung eingesetzt. Beim AbrasivWasserstrahlschneiden werden Schleifstoffe zugegeben, damit können auch Glas und Metalle geschnitten werden.
2.3.2 Spanendes Trennen mit geometrisch bestimmten Schneiden
Formen des spanenden Trennens (bei dem Späne abfallen) sind sicher die am häufigsten eingesetzte Verfahrensvariante.
Beim Eindringen des Schneidkeils wird der Werkstückstoff zunächst gestaucht und dann geschert, sodass sich ein Span ablöst. Die Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug werden in die
Schnittbewegung, den Vorschub und die Zustellung
unterteilt ( Skript „Grundsachverhalte der Technik).
Nach der Schneidengeometrie wird Spanen mit geo-
Abbildung 16: Spanentstehung [2, 106]
metrisch bestimmter Schneide (Drehen, Bohren, Fräsen, Räumen, Sägen, Feilen) von Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide (Schleifen, Honen,
Läppen) unterschieden.
Abbildung 17: Technologische Größen des Systems spanende Bearbeitung [2, 110]
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Die Oberflächengüte wird von folgenden Parametern beeinflusst [1, 177]:
Werkstoff des Schneidteils
Ein idealer Werkstoff hätte optimale Ausprägungen in den Bereichen Härte, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Warmhärte, Oxidationsbeständigkeit, Diffusions- und Klebeneigung (a. a. O., S. 112). Nun stehen sich diese Eigenschaften teilweise
entgegen, gegenläufige Eigenschaften sind z. B. Härte und Zähigkeit oder Zähigkeit und Verschleißfestigkeit.
Abbildung 18: Eigenschaften von Schneidstoffen [2]
Aus der Abbildung kann die Kompromissbildung bei der Auswahl von Schneidstoffen im Zusammenhang verschiedener Parameter entnommen werden. Interessanterweise tauchen die Kosten
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nicht auf, woraus man entnehmen kann, dass die Kostenersparnis durch eine optimale Gestaltung
der technologischen Größen die Kosten für das Material schnell aufwiegt. So können bei Hartmetall
50% höhere Schnittgeschwindigkeiten gewählt werden als bei Schnellarbeitsstahl (HSS).
In Deutschland werden bevorzugt Hartmetalle (Marktanteil 50%) und HSS (45%) eingesetzt,
Schneidkeramiken spielen mit 4% eine marginale Rolle.
Werkzeugstahl
Werkzeugstähle haben einen Kohlenstoffanteil
zwischen 0,6 - 1,5%. Ihre Eigenschaften erhalten sie durch gezielte Wärmebehandlung (Härten, Anlassen; s. u.). Die wichtigsten Legierungselemente können dem Bezeichnungssystem der
Abbildung entnommen werden. Diese Elemente
verbessern u. a. die Durchhärtbarkeit deutlich.
Abbildung 19: Bezeichnung von HSS [2, 116]
Hartmetalle
Hartmetalle werden aus Pulvergemischen hergestellt. In eine metallische Bindephase werden harte,
aber spröde Karbide eingebracht, gepresst und gesintert.
Schneidkeramiken
Schneidkeramiken zeichnen sich durch hohe Druckfestigkeit, chemische Beständigkeit und
Schmelztemperatur aus, reagieren aber empfindlich bei Zug-, Biege- und Schlagbeanspruchung.
Hauptsächlich werden Aluminiumoxid (Al2O3) und Siliziumnitrid (Si3N4) eingesetzt.
Diamant und Bornitrid
Diamant ist aufgrund seiner Härte
sehr spröde. Er führt zu Oberflächenrauheiten von nur 0,1m
selbst bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Bohrnitrid ist das
zweithärteste Material und hat
eine deutlich höhere Wärmefestigkeit als Diamant. Es wird zur
Bearbeitung von gehärtetem
Stahl und von hochwarmfesten
Legierungen (Ni, Ko) verwendet.
Zusammenfassung
Die Abbildung zeigt die Eigenschaften im Überblick.
Stand: 2014-03-28
Abbildung 20: Übersicht mechanisch-technologischen Eigenschaften [2,
124]
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Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie
Hilfsmittel und Prozessparameter
Durch Schmierung und Kühlung können das Ergebnis und die
Standzeit der Schneiden positiv beeinflusst werden. Die Abbildung
zeigt die Einteilung der Kühlschmiermittel (vgl. auch Skript
„Grundsachverhalte der Technik“).
Wichtige Prozessparameter sind Schnittgeschwindigkeit, Vorschub
und Zustellung. Beim Schruppen kann die Schnittgeschwindigkeit
um 50 % bis 100 % gegenüber dem Schlichten erhöht werden, bei
Zustellung (Schnitttiefe) und Vorschub können die Werte bis zum
Faktor 10 erhöht werden.
Auch die Auswahl des Fertigungsverfahrens bestimmt das Arbeitsergebnis maßgeblich. Die Abbildung zeigt die erreichbaren
Maßgenauigkeiten und Oberflächengüten.
Abbildung 21: Kühlschmiermittel [2, 125]
Abbildung 23: Maßgenauigkeit und Rautiefen unterschiedlicher Verfahren in m [2, 128]
Werkzeugverschleiß entsteht durch mechanische Beschädigungen,
Abplatzen von Pressschweißstellen bei Aufbauschneiden, Abrieb,
Diffusion und Verzunderung.
Die Standzeit gibt die Zeit in Minuten an, über die die Schneide Ergebnisse nach definierten Bedingungen liefert.
Die Spanformen lassen Rückschlüsse über die Qualität des Ergebnisses zu (Spanraumzahl R: Verhältnis von Transportvolumen zum
Werkstoffvolumen).
Die Zerspankraft addiert sich aus Trenn-, Verformungs- und Reibungskräften beim Schneiden. Sie wird beeinflusst durch Schnittgeschwindigkeit, Spandicke, Werkzeuggeometrie, Werkstoff, Schneidstoff usw. Bei Stählen wirkt sich das Gefüge stark aus. Ferrit neigt
Stand: 2014-03-28
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Abbildung 22: Spanformen [2, 139]
Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie
zum Verkleben und damit zum Bilden von Aufbauschneiden und geringer Oberflächengüte. Zementit
ist zu spröde zum Zerspanen.
Fertigungsverfahren Drehen
Drehen wird eingesetzt für Werkstücke mit zylindrischen Grundformen.
Beim Drehen führt das Werkstück
die Drehbewegung aus, das Werkzeug bewegt sich in Vorschubrichtung. Nicht abgebildet ist das Ge-
Abbildung 24: Drehverfahren [2, 169]
windedrehen.
Fertigungsverfahren Fräsen
Beim Fräsen wird Planfräsen (Verfahren s. Abb. rechts [1, 258],
Schraubfräsen, Wälzfräsen, Formfräsen und Profilfräsen unterschieden.
Das Planfräsen ist das häufigste Einsatzgebiet. Je nach Lage der Werkzeugachse zum Werkstück wird zwischen Umfangfräsen und Stirnfräsen
unterschieden.
Beim Gleichlauffräsen dreht sich das
Werkzeug in Richtung des Vorschubs. Hier „erfolgt keine eindeutige Spanabnahme“ (a. a. O., S. 255),
dafür Reiben und Quetschen. Gleichlauffräsen führt zu größerer Oberflächengüte. Gegenlauffräsen
ist günstig bei harter Oberfläche, allerdings können Bleche von der Aufspannfläche angehoben werden und flattern.
Eine höhere Anzahl an Schneiden verringert die Belastung pro Schneide und führt zu besserer Überlappung der Bahnen. Allerdings sinkt die Größe des Spanraums und steigt die Temperatur am Werkstückstoff.
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Fertigungsverfahren Bohren
Beim Bohren gibt es nur die umlaufende
Schnittbewegung und den Vorschub. Die
verschiedenen Verfahren zeigt die Abbildung.
Werkzeuge
Die Schneidenanordnung von Metallbohrern kann der Abbildung entnommen werden.
Die Hauptschneiden weisen in Vorschubrichtung. Die Querschneide hat einen
negativen Spanwinkel. Sie verformt den
Abbildung 25: Bohrverfahren [2, 164]
Werkstoff und drängt ihn zu den Hauptschneiden. „Form und Steigung der Drallnuten bestimmen die Größe des Spanwinkels“ (a. a. O., S. 291).
Dieser variiert von der Mitte nach außen (s. Abb.).
Abbildung 27: oben: Aufbau eines Universalbohrers;
unten: Drallwinkel [1]
Abbildung 26: Schneidvorgänge an den Hauptschneiden [1,
294]
Universalbohrer haben einen Drallwinkel von 18o bis
30o, Bohrer für harte/spröde Werkstoffe einen kleineren und Bohrer für weiche Werkstoffe einen größeren
Drallwinkel.
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Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie
Beim Zerspanen entstehen große Kräfte und
sehr hohe Temperaturen. Der Abbildung kann
entnommen werden, dass die Schnitttemperatur über 1000oC liegen kann. An der schematischen Darstellung des Gefüges lässt sich
erkennen, dass der Stahl in der Fließzone in
einen flüssigen Zustand kommt. Verfestigt er
sich an der Schneide, kommt es zu einer Aufbauschneide.
Beim Bohren mit großen Durchmessern reduziert man die Kräfte, indem vorgebohrt wird.
Dies erfolgt annäherungsweise mit einem
Durchmesser, der etwas größer ist als die
Querschneide des größeren Bohrers. Dadurch
wird auch verhindert, dass die untere Werkstückschicht vom Bohrer so verformt wird,
dass die Schneiden kurz vor dem Durchbohren nicht greifen können.
Abbildung 28: Bedingungen beim Zerspanen [1, 78]
Technologien
Um die Schnittgeschwindigkeit zu ermitteln, wird zweistufig vorgegangen. Datenblättern zum Werkstückstoff wird die Schnittgeschwindigkeit entnommen.
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Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie
Anschließend kann in
einem vc-d-Nomogramm die Drehgeschwindigkeit abgelesen werden.
Fertigungsverfahren Gewindeschneiden
Innengewinde
Beim Handgewindeschneiden wird i. d. R. mit einem dreiteiligen Gewindebohrersatz gearbeitet. Mit dem Vorschneider werden 55% des Materials
geschnitten, mit dem Mittelschneider 25% und der Fertigschneider nimmt
die letzten 20% weg. Der Kernlochdurchmesser kann über eine Faustformel ermittelt werden: Bohrdurchmesser= 0,8 * Nenndurchmesser. Oder
aber er wird in Tabellen abgelesen:
Gewinde
Außendurchmesser in Steigung
mm
Kerndurchmesser =
Bohrung in mm
M3
M4
M5
M6
M8
M10
3
4
5
6
8
10
2.4
3.2
4.0
4.8
6.4
8.0
0.5
0.7
0.8
1.0
1.25
1.5
Tabelle 3: Bestimmung des Kernlochdurchmessers
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Außengewinde
Rechts sind die Nenngrößen des Gewindes einer Schraube angegeben. Beim
Schneiden wird so vorgegangen: Planfeilen der Stirnseite, anfasen, Schneideisen in Schneideisenhalter einsetzen, schmieren, Werkzeug orthogonal ansetzen, schneiden.
Die Angaben zum Spanbrechen differieren. Häufig wird empfohlen, nach 2-3
Umdrehungen kurz zurückzudrehen, damit die Späne brechen. In der Ausbildung wird das Spanbrechen teilweise für unsaubere Oberflächen der Gewindeflanken verantwortlich gemacht.
Fertigungsverfahren Sägen
Beim Sägen wird die Gesamtkraft am Sägeblatt auf die Anzahl der im Eingriff befindlichen Zähne verteilt: Je mehr Zähne im Eingriff, desto geringer ist die Kraft pro Zahn. Nachteil einer feinen Zahnteilung ist aber der geringe Spanraum. Eine
Teilung von t=0,8 mm (Abstand von Zahnspitze zu Zahnspitze) ist gut für Werkzeugstahl und Stahlguss, t=1,1 mm für Baustahl,
Messing und Gusseisen, t=1,7 mm für Aluminium, Kupfer und Holz. Handsägen haben in der Regel kleinere Spanwinkel, Maschinensägen größere (ca. 10o).
Sägezähne werden wie in der Abbildung
bezeichnet.
Abbildung 29: Freiwinkel, Zahnteilung und Spanraum (Haffer 2007, S. 26)
Um Reibung zwischen Sägeblatt und Werkstück zu vermeiden, wird der Sägeschnitt breiter ausgeführt als das Sägeblatt. Dies wird erreicht durch Schränken der Zähne, durch Wellung des Blattes,
durch einen Hohlschliff unterhalb der Schneiden oder durch aufgelötete, breitere Schneiden.
Typische Handsägen der Metallbearbeitung sind die Handbügelsäge und die Uhrmachersäge. Sägemaschinen sind Hubsäge-, Bandsäge- und Kreissägemaschinen.
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Fertigungsverfahren Hobeln, Stoßen und Räumen
Bei diesen Verfahren werden geradlinige Schnittbewegungen erzeugt. Beim Hobeln führt i. d. R. das
Werkstück die Bewegung aus, beim Stoßen das Werkzeug. Räumen geschieht mit vielschneidigen
Werkzeugen.
Abbildung 30: Werkzeug zum Innenräumen
Fertigungsverfahren Feilen
Feilen gibt es mit unterschiedlichen Querschnitten des Blattes (Flach-, Halbrund-, Rund-, Dreikant-, Vierkantfeile), in unterschiedlichen Blattlängen (Kurz-, Langfeilen), mit unterschiedlichen Hiebformen (Ein-, Kreuz-, Pockenhieb) und
Hiebverläufen (gerade, schräg, gebogen).
Die Schnürung, die sich bei Kreuzhieben ergibt, wirkt als
Spanbrechernuten. Feilen mit gehauenen Zähnen wirken
schabend, solche mit gefrästen Zähnen dagegen schneidend. Bei weichem, schmierendem Werkstoff
werden einhiebige Feilen gewählt. Die Hiebnummer gibt die Anzahl der Hiebe pro Längeneinheit an.
2.3.3 Spanendes Trennen mit geometrisch unbestimmten Schneiden
Die verschiedenen Verfahren (Schleifen, Honen, Läppen) erzeugen jeweils unterschiedliche Oberflächenstrukturen.
Schleifen
Das Schleifmittel wird mit unterschiedlichen Bindemitteln gehalten. Die folgende Tabelle gibt einen
Überblick über eingesetzte Schleifmittel:
Tabelle 4: Eigenschaften ausgewählter Schleifmittel (a. a. O., S. 169)
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Honen
Honen ist ein spanendes Verfahren mit zu Honleisten gebundenen Schleifkörpern.
Durch Honen werden Zylinderlaufbahnen, Ventilstößel, Pleuelstangen und
Bremszylinder bearbeitet.
Läppen
Beim Läppen werden in einer Flüssigkeit oder Paste verteilte Schleifkörner auf ein i. d. R. formübertragendes Werkzeug aufgebracht und dann die Oberfläche bearbeitet. Läppen gehört zur Feinstbearbeitung und führt zu Oberflächengüten von Rz= 0,5 m und zu Maßtoleranzen von weniger als 1 m.
2.4 Hauptgruppe 4: Fügen
Beim Fügen wird unterschieden:
-
Zusammensetzen: Einschieben, Einspreizen,
-
An- und Einpressen: Schrauben, Verkeilen, Verspannen,
-
Fügen durch Umformen: Drahtflechten, Bördeln, Falzen, Nieten,
-
Schweißen: Gasschweißen, Elektroschweißen,
-
Löten: Hartlöten, Weichlöten,
-
Kleben.
Verbindungen können lösbar bzw. unlösbar sein, starr bzw. beweglich, kraftschlüssig bzw. formschlüssig bzw. stoffschlüssig.
2.4.1 Schraubverbindungen
Schraubverbindungen sind lösbar. Bei ihnen wirkt ein Formschluss durch das Ineinandergreifen der
Gewindeflanken von Außen- und Innengewinde und ein Kraftschluss nach dem Anziehen an den Gewindeflanken. Beim Anziehen wird der Schraubenschaft auf Zug belastet und gedehnt.
Mechanische Eigenschaften von Schrauben sind die Zugfestigkeit Rm (Zugspannung bis zum Bruch),
die Streckgrenze Re (Zugbelastung ohne plastische Verformung), die Härte, die Bruchdehnung u. a.
Schrauben werden nach Festigkeitsklassen unterschieden.
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Tabelle 5: Festigkeitsklassen von Schrauben nach DIN EN ISO 898-1
Um Schrauben nicht abzudrehen, können Drehmomentschlüssel zum Einsatz kommen.
Unterschieden werden rechtsdrehende und linksdrehende Gewinde, Normalgewinde und Feingewinde, verschiedene Flankenformen usw. Bleche werden
mit Blechschrauben montiert. In der Abbildung ist eine Verbindung mit Kernloch und Durchgangsloch dargestellt.
Schrauben können mit Klebstoffen („Schrauben-Lock“), die definierte Lösungskräfte aufweisen, vor unbeabsichtigtem Lösen gesichert werden.
Schrauben an Durchgangslöchern werden mit Muttern gesichert. Auch für sie
Abbildung 31: Schraubverbindung von Blechen
gibt es Festigkeitsklassen. Um Bauteile vor Beschädigungen zu schützen und
um die Kraft bei weichen Oberflächen auf eine größere Fläche zu verteilen, werden Muttern mit
Scheiben unterlegt. Besondere Sperrkant- und Keilsicherungsscheiben verhindern ein unbeabsichtigtes Lösen der Mutter.
2.4.2 Formschlussverbindungen
Die Verbindung wird hier durch geeignete
Formgebung hergestellt. Verbindungselemente
werden hauptsächlich auf Abscherung beansprucht. Formschlüssig sind Verbindungen mit
Bolzen (bei zwei um eine Achse beweglichen
Teile), Stiften (Übertragung von Drehmomenten), Nieten (Verbindung von dünnen Formtei-
Abbildung 32: Passfederverbindung
len), Passfedern (radialer Schluss, axiale VerStand: 2014-03-28
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schiebung möglich) usw.
2.4.3 Stoffschlüssige Verbindungen
Zu den stoffschlüssigen Verbindungen von Metallen gehören das Kleben, das Löten und das Schweißen.
Kleben
Beim Kleben wirken Adhäsionskräfte (Anhangskräfte zwischen Kleber und Werkstückoberfläche) und
Kohäsionskräfte (innere Bindungskräfte des Klebers). Beim Kleben werden die Oberflächen mechanisch gesäubert und entfettet, evt. Haftvermittler zugegeben, der Klebefilm aufgetragen, evt. muss
der Klebefilm ablüften, die Teile werden gleichmäßig gepresst bis zum Erreichen der Festigkeit und
am Ende werden überstehende Kleberreste entfernt. Aufgrund der Vielfalt an Klebern müssen die
Nutzungshinweise beachtet werden.
Um die Klebefläche zu erhöhen, können die Kontaktflächen vergrößert werden (Laschung, Überlappung, Schäftung, Gehrung).
Löten
Beim Löten werden Bauteile durch ein im erwärmten Zustand flüssiges Lot verbunden (Weichlöten
unter 450o, Hartlöten darüber). Lot und Metall der Berührungsflächen bilden dabei eine Legierung,
verbinden sich also chemisch miteinander. Die Kontaktflächen müssen fett- und oxidfrei sein. Während des Lötens können die Metalle durch die große Reaktionsenergie mit der Luftfeuchtigkeit oxidieren. Um das zu verhindern, werden Flussmittel zugegeben. Sehr wirkungsvolle Flussmittel müssen
nach dem Löten entfernt werden, da sie den Werkstoff chemisch angreifen.
Weichlot für elektrische Arbeiten, auch für die Arbeit in der Schule, ist eine bleifreie Legierung und
enthält eine Flussmittelader im Kern.
Wichtig ist die Wahl eines geeigneten Lötspalts. Ist er zu klein, kann nicht genügend Lot einfließen. Ist
er richtig dimensioniert, wird das Lot durch Kapillarkräfte in den Spalt gezogen. Ist er zu groß, geschieht dies nicht und die Kontaktfläche zwischen Werkstück und Lot ist zu gering.
-
Weichlot (Bsp.) : EN 29453 S – SN60Pb40
EN 29453  Hinweis auf das Normblatt; S  Weichlot; SN60  60 % Zinn; Pb40  40 % Blei.
-
Hartlot (Bsp.): EN 1044 – B – Cu54Zn – 880/890
EN 1044  Normblatt; B  Hartlot; Cu54Zn  54 % Kupfer, 46 % Zinn; 880/890  obere und
untere Schmelztemperatur.
Abfolge: Werkstücke anpassen, Lotfläche säubern, Flussmittel auftragen, Werkstück fixieren, Lötstelle gleichmäßig erwärmen, Lot einbringen, Werkstück ohne zu bewegen erkalten lassen, Flussmittelreste entfernen, Kontrolle der Lötnaht.
Stand: 2014-03-28
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Schweißen
Beim Schweißen wird der Werkstückstoff an der Kontaktstelle bis in den flüssigen Zustand erwärmt.
Es ergibt sich eine unlösbare Verbindung. Durch günstige Formung der Stöße kann die Schweißnaht
positiv beeinflusst werden.
Unterschieden werden Gasschweißen, Lichtbogenschweißen mit Elektrode, Schutzgasschweißen und
Wolfram-Inertgasschweißen.
2.5 Hauptgruppe 5: Stoffeigenschaften ändern
Grundsätzlich lassen sich die Eigenschaften von Stahl durch Legieren, mechanisches Behandeln oder
Wärmebehandeln ändern, indem Stoffe umgewandelt, ausgesondert oder eingebracht werden.
2.5.1 Umwandeln/
Wärmebehandeln
Dieser Vorgang kann durch Glühen, Härten oder Vergüten geschehen.
In der schematischen Darstellung
des Wärmebehandelns werden
die verschiedenen Phasen und
die Unterschiede zwischen Oberflächen- und Kernerwärmung abgebildet. Die Haltezeiten müssen
Angaben des Herstellers (Daten-
Abbildung 33: Temperaturführen beim Wärmebehandeln (a. a. O., S. 175)
blätter) entnommen werden.
In Abbildung 34 sind Mikroskopaufnahmen der unterschiedlichen Gefüge des Vergütungsstahls Ck 45 nach verschiedenen
Wärmebehandlungen dargestellt. Es können gut die unterschiedlichen Korngrößen und die
variierende Homogenität erkannt werden.
Abbildung 34: Gefüge nach unterschiedlichen Wärmebehandlungen
[1, 193]
Stand: 2014-03-28
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In Abbildung 35 sind die Temperaturbereiche einzelner Wärmebehandlungsarten in
Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und
des Gefüges dargestellt.
In der Folge werden einige Verfahren gesondert vorgestellt.
Diffusionsglühen
Beim Diffusionsglühen kommt es aufgrund
der hohen Temperaturen und der langen
Haltezeit (t= 50 h) zu einem Konzentrationsausgleich in inhomogenen Kristallzonen. Außerdem wird der Stoff grobkörniger. Dadurch wird z. B. die Kerbschlagzähigkeit von Stahlguss deutlich verbessert.
Abbildung 35: Arten der Wärmebehandlung (ebd.)
Normalglühen
Beim Normalisieren entsteht ein gleichförmiges, feinkörniges Gefüge aus Ferrit und Perlit. Dieses hat
optimale Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Das ist besonders bei gegossenen, warmgeformten und geschweißten Bauteilen erforderlich.
Weichglühen
Durch Weichglühen mit Haltezeiten von bis zu 100 h wird Stahl über 0,5 % Kohlenstoffanteil so
weich, dass er sich leichter spanen lässt.
Spannungsarmglühen
Durch Umformen und Spanen entstehen in Werkstoffen Spannungen. Diese können zu Maßänderungen, Rissbildungen, Gewaltbrüchen oder asymmetrischem Rundlaufen von Wellen führen. Durch eine
Erwärmung bis ca. 650o, lange Haltezeiten und langsames Abkühlen werden die Spannungen im Gitter abgebaut.
Rekristallisationsglühen
Durch dieses Verfahren werden Bleche, die beim Kaltformen (z. B. beim Tiefziehen) stark beansprucht wurden, zwischengeglüht. Dabei bekommen sie ihre Verformbarkeit zurück.
Härten
Beim Härten wird Stahl ab 0,2 % Kohlenstoffgehalt in die Gefügeform des Martensit gebracht. Dies
geschieht durch Erwärmen und anschließendes Abschrecken in Öl, Wasser oder Luft. Bei Bauteilen,
die an der Oberfläche hart sein müssen, im Kern aber zäh (z. B. Kurbelwellen, Nockenwellen, Zahnräder), wird lediglich die Randschicht gehärtet.
Vergüten
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Beim Härten wird das Kristallgitter bis in einen glasharten Zustand verspannt. Bei Belastungen bricht
es leicht. Durch anschließendes Anlassen wird dem Stoff ein Teil der Sprödigkeit genommen. Beim
Anlassen ist die Temperaturführung in allen Phasen sehr wichtig.
2.5.2 Einbringen von Stoffteilchen
Durch Erwärmen und Zuführen von Legierungselementen diffundieren diese in das Metallgitter. Beispiele sind das Aufkohlen mit Kohlenstoff, das ein anschließendes Einsatzhärten eines kohlenstoffarmen Stahls ermöglicht, das Carbonitrieren, bei dem Kohlenstoff und Stockstoff eingebracht wird,
was zu einer Erhöhung des Verschleißwiderstandes führt, das Nitrieren mit Stickstoff und Borieren
mit Bor zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes und der Korrosionsbeständigkeit, das Chromieren,
Aluminieren und Silizieren.
2.5.3 Aussondern von Stoffteilchen
Dies ist meist ein ungewollter Vorgang, bei dem Kohlenstoff mit dem Luftsauerstoff reagiert und
entweicht. Die entkohlten Randschichten müssen i. d. R. abgetragen werden.
2.6 Fertigungshauptgruppe Beschichten
Verschiedene Verfahren dienen dem Beschichten von Metallen. Dadurch wird die Oberfläche vor
Korrosion geschützt. Varianten sind das Bemalen, das Spritzen, das Bedrucken, das Tauchen und das
Einbrennen.
3 Mess- und Prüftechnik
3.1 Messgeräte
Messgeräte liefern einen exakten Messwert. Beispiele sind Strichmaßstäbe (Stahlmaß, Metermaß),
Messchieber oder Messchrauben.
3.2 Lehren
Lehren sind Geräte, die keine Messwerte liefern, sondern Aussagen wie „gut“ oder „Ausschuss“. Beispiele sind Winkel, Grenzrachenlehren oder Lochlehren.
Bei Oberflächen können Formabweichungen, Welligkeit, Rauheit (Rillen bzw. Riefen) und das Gefüge
geprüft werden. Hierfür dienen Haarlinieale, Vergrößerungsgeräte oder Abtastnadeln.
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Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie
3.3 Toleranzen
Kein Maß, keine Form und kein Winkel können exakt dem Nennwert entsprechen. Bei der Fertigung
ist immer die Toleranz bekannt, also der Bereich oberhalb und unterhalb des Nennwertes, der noch
als „gut“ bewertet wird. Bei einem Nennmaß von 60 mm erlaubt, wenn keine weiteren Angaben gemacht sind, eine Toleranz von 0,4 mm als unteres Abmaß den Wert 59,8 mm und als oberes Abmaß
60,2 mm. Die Maßangabe in der technischen Zeichnung lautet dann beispielsweise 60±0,2. Eine Toleranz von
0,4 mm kann aber auch bedeuten, dass
Abweichungen nur in einer Richtung
erlaubt sind. Dann würde die Maßangabe lauten: 60+0,4.
Sind in der Zeichnung keine Angaben
zu Toleranzen gemacht, dann gelten
die allgemeinen Toleranzklassen nach
DIN ISO 3302-1 (s. Tabelle)
Stand: 2014-03-28
Tabelle 6: Toleranzklassen nach DIN ISO 3302-1
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