Die folgende Seminararbeit beschäftigt sich mit dem Thema der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Minimalmengenschmierung. Sie wurde im Rahmen des technischen Schwerpunkts Produktionstechnik im 5. Semester des Bachelorstudiengangs Wirtschaftsingenieurwesen verfasst.
Unter Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird die Fertigung unter Verwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten und/oder gleichzeitig großen Vorschubgeschwindigkeiten verstanden. Der Begriff HSC (High Speed Cutting) kommt aus dem Englischen und hat sich als Überbegriff für die gesamte Hochgeschwindigkeitszerspanung im deutschen Sprachraum durchgesetzt. Wesentlicher Vorteil der HSC-Fertigung ist die Produktionszeitverkürzung.
Der andere Fachbegriff aus der Thematik der Arbeit ist die Minimalmengenschmierung. Ein Begriff, welcher seit einigen Jahren oftmals mit HSC in Verbindung gebracht wird. Für die Minimalmengenschmierung gibt es keine DIN Definition. Allgemein ist Minimalmengenschmierung ein Kühlschmierkonzept, welches besagt, dass der Schmiermitteleinsatz bei der Fertigung den Wert von 50ml/h nicht übersteigt. In der Praxis findet häufig der Einsatz eines Druckluft-Öl-Gemisches Anwendung. Der grundlegende Vorteil dieses Schmierkonzeptes ist die Minimierung des Schmiermitteleinsatzes.
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG
2. DIE GESCHICHTLICHE ENTWICKLUNG DER HOCHGESCHWINDIGKEITSBEARBEITUNG
3. DIE FERTIGUNGSVERFAHREN DREHEN, FRÄSEN UND BOHREN
3.1 Drehen
3.1.1 Quer-Plandrehen
3.1.2 Längs-Runddrehen
3.2 Fräsen
3.3 Bohren
4. HOCHGESCHWINDIGKEITSBEARBEITUNG BEIM FRÄSEN, BOHREN, DREHEN UND SCHLEIFEN
4.1 Hochgeschwindigkeitsfräsen
4.1.1 Einsatzgebiete Hochgeschwindigkeitsfräsen
4.1.2 Frässtrategie
4.1.3 Vor- und Nachteile des Hochgeschwindigkeitsfräsens
4.1.4 Wichtige Regeln für das HSC Fräsen
4.2 Hochgeschwindigkeitsbohren (High Speed Drilling HSD)
4.2.2 Vor- und Nachteile des HSD
4.2.3 Kühlschmierung beim HSD
4.2.4 Generelle Voraussetzungen für HSD
4.3 Hochgeschwindigkeitsdrehen
4.3.1 Erreichbare Oberflächenqualitäten
4.3.2 Folgerungen für die praktische Anwendung
4.4 Hochgeschwindigkeitsschleifen / Hochleistungsschleifen
5. DIE HSC-MASCHINE UND IHRE KOMPONENTEN
5.1. Das Maschinengestell
5.2 Motorspindel
5.2.1 Wälzlager
5.2.2 Hydrostatische Lager
5.2.3 Magnetlager
5.2.4 Vergleich der Lager
5.3 Vorschubsysteme
5.4 Steuerung
6. BEARBEITUNG ZWEIER UNTERSCHIEDLICHER WERKSTOFFE AM BEISPIEL DES HSC-FRÄSENS
6.1 Die unterschiedlichen Werkstoffe
6.1.1 Stahl
6.1.2 Freiwinkel, Spanwinkel und Keilwinkel der Schneide
6.1.3 Schnittgeschwindigkeit
6.1.4 Vorschub und Zustellung
6.1.5 Werkstückmaterial und Schneidstoffe
6.1.6 Kühlschmiermitteleinsatz bei Stahl
6.1.7 Oberflächenqualität
6.2 Sonderlegierungen
6.2.1 Freiwinkel, Spanwinkel und Neigungswinkel der Schneide
6.2.2 Schnittgeschwindigkeit
6.2.3 Vorschub und Zustellung
6.2.4 Schneidstoffe
6.2.5 Verschleißverhalten
6.2.6 Kühlschmiermitteleinsatz bei Sonderlegierungen
7. SCHNEIDSTOFFTECHNOLOGIE FÜR HOCHLEISTUNGSZERSPANUNG
8. MINIMALMENGENSCHMIERUNG
8.1 Konzept der Minimalmengenschmierung
8.2 Vor- und Nachteile
8.3 Die verschiedenen Verfahren
8.3.1. Unterschiedliche Bauformen
8.3.2. Unterschiedliche Zufuhr
8.4 Tribologische Systembetrachtung
8.4.1 Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Minimalmengenschmierung
8.4.2 Anforderungen an das Werkzeug
8.5 Anforderungen an die Maschine
8.6 Einsatzmöglichkeiten
8.7 Wirtschaftlichkeitsanalyse
8.8 Zukunftsausblick der Minimalmengenschmierung
9. WIRTSCHAFTLICHKEITSANALYSE UND VERGLEICH HSC-BEARBEITUNG – KONVENTIONELLE BEARBEITUNG
9.1 Vor- und Nachteile der HSC-Technologie
10. ZUKUNFTSAUSBLICK HSC-TECHNOLOGIE
11. FAZIT
13. INTERNETQUELLENVERZEICHNIS
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Potenziale und verfahrenstechnischen Herausforderungen der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) unter besonderer Berücksichtigung der Minimalmengenschmierung. Ziel ist es, ein fundiertes Verständnis für die technologischen Zusammenhänge zwischen Schnittgeschwindigkeit, Maschinenaufbau und Werkzeugstandzeit zu vermitteln und die ökonomische Sinnhaftigkeit dieser Fertigungsmethode im Vergleich zur konventionellen Zerspanung zu bewerten.
- Grundlagen und historische Entwicklung der Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC)
- Technischer Aufbau und kritische Komponenten von HSC-Maschinen (Spindelsysteme, Lagerungen, Vorschubsysteme)
- Vergleichende Analyse der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe (Stahl vs. Sonderlegierungen)
- Anwendungskonzepte und tribologische Betrachtungen der Minimalmengenschmierung (MMS)
- Wirtschaftlichkeitsvergleich zwischen HSC-Technologie und konventionellen Fertigungsverfahren
Auszug aus dem Buch
3.1 Drehen
„Drehen ist ein spanendes Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, rotatorischer Schnittbewegung und einer beliebig dazu quer liegenden translatorischen Vorschubbewegung [DIN8589a]. Zur kinematischen Einordnung wird immer die Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug betrachtet.“11
Gemäß DIN 8589 werden Drehverfahren nach „Form der erzeugten Werkzeugfläche[,] Werkzeugform und Kinematik eingeteilt“.12 Prinzipiell unterscheidet man zwischen zwei Drehverfahren. Dem Längsdrehen, bei welchem der Vorschub stets parallel zur Drehachse bzw. Werkstückachse stattfindet und dem Querdrehen, bei welchem die Vorschubbewegung immer senkrecht zur Werkstückachse stattfindet.13 Im folgenden Abschnitt sollen beispielhaft die Verfahren Quer-Plandrehen sowie Längs-Runddrehen erklärt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINLEITUNG: Einführung in die Thematik der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sowie des Minimalmengenschmierkonzepts und deren Einordnung in die Fertigungstechnik.
2. DIE GESCHICHTLICHE ENTWICKLUNG DER HOCHGESCHWINDIGKEITSBEARBEITUNG: Darstellung der historischen Entwicklung und der wissenschaftlichen Pionierversuche zur Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten.
3. DIE FERTIGUNGSVERFAHREN DREHEN, FRÄSEN UND BOHREN: Definition und Erläuterung der konventionellen spanenden Hauptfertigungsverfahren als Basis für die HSC-Technologie.
4. HOCHGESCHWINDIGKEITSBEARBEITUNG BEIM FRÄSEN, BOHREN, DREHEN UND SCHLEIFEN: Detaillierter Überblick über die Verfahren der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und deren spezifische Prozesscharakteristika.
5. DIE HSC-MASCHINE UND IHRE KOMPONENTEN: Erläuterung der Anforderungen an Maschinengestell, Motorspindel und Vorschubsysteme bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
6. BEARBEITUNG ZWEIER UNTERSCHIEDLICHER WERKSTOFFE AM BEISPIEL DES HSC-FRÄSENS: Vergleich der Bearbeitungsparameter und Herausforderungen bei der Zerspanung von Stahl versus Sonderlegierungen.
7. SCHNEIDSTOFFTECHNOLOGIE FÜR HOCHLEISTUNGSZERSPANUNG: Überblick über moderne Schneidstoffe, Beschichtungstechnologien und deren Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit.
8. MINIMALMENGENSCHMIERUNG: Umfassende Betrachtung der MMS als Kühlschmierkonzept, inklusive Verfahrenstechniken, Vor- und Nachteilen sowie tribologischen Aspekten.
9. WIRTSCHAFTLICHKEITSANALYSE UND VERGLEICH HSC-BEARBEITUNG – KONVENTIONELLE BEARBEITUNG: Ökonomische Bewertung der HSC-Technologie im direkten Vergleich zu traditionellen Bearbeitungsmethoden.
10. ZUKUNFTSAUSBLICK HSC-TECHNOLOGIE: Einschätzung zukünftiger Entwicklungen hinsichtlich Automatisierung, Werkzeugbeschichtung und Prozessintegration.
11. FAZIT: Zusammenfassende Bewertung der technologischen Bedeutung und wirtschaftlichen Anwendbarkeit der HSC- und MMS-Verfahren.
Schlüsselwörter
Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, HSC, Minimalmengenschmierung, MMS, Zerspanung, Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugstandzeit, Fräsen, Bohren, Drehen, Motorspindel, Werkzeugverschleiß, Fertigungstechnik, Oberflächenqualität, Hartbearbeitung
Häufig gestellte Fragen
Was ist das grundlegende Thema dieser Arbeit?
Die Arbeit behandelt die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) in der Produktionstechnik und die Kombination mit dem Kühlschmierkonzept der Minimalmengenschmierung (MMS).
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf den Fertigungsverfahren, dem technischen Aufbau von HSC-Maschinen, der Schneidstofftechnologie sowie der wirtschaftlichen Analyse der HSC-Technologie.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist es, die Potenziale zur Fertigungszeitverkürzung und Qualitätssteigerung durch HSC-Verfahren zu analysieren und deren effiziente Umsetzung mittels Minimalmengenschmierung zu bewerten.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es erfolgt eine fundierte Recherche und Analyse technischer Fachliteratur, die durch Praxisbeispiele, Abbildungen und Vergleiche von Prozessdaten untermauert wird.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit der historischen Entwicklung, den Maschinenkomponenten, dem Vergleich von Werkstoffen, der Schneidstofftechnologie sowie der tribologischen Betrachtung der Minimalmengenschmierung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe sind HSC (High Speed Cutting), Minimalmengenschmierung, Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugstandzeit und Wirtschaftlichkeitsanalyse.
Warum ist das Maschinengestell bei HSC-Maschinen so wichtig?
Das Maschinengestell muss bei HSC-Anwendungen extrem hohen dynamischen und thermischen Belastungen standhalten, weshalb oft Spezialmaterialien wie Reaktionsharze eingesetzt werden.
Welche Rolle spielt die Minimalmengenschmierung bei der Bearbeitung von Sonderlegierungen?
Sie dient als Kompromiss, um die bei harten Sonderlegierungen auftretende thermische Belastung zu minimieren, ohne die bei der Nassbearbeitung häufig auftretenden Probleme wie Thermoschocks oder hohe Entsorgungskosten zu verursachen.
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- Anonym (Author), 2011, Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Minimalmengenschmierung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/285777
