Werkzeugmaschinen (Subject) / Werkzeugmaschinen (Lesson)

Fragenkatalog WIW

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• 1. Wie grenzen sich WZM gegen andere Maschinenarten ab?   è         Eine WZM ist eine Arbeitsmaschine, die eine Relativbewegung zw. WZ und WST unter gegenseitiger Führung erzeugt. Sie übernimmt die WZ- und WSthandhabung und das Aufnehmen, Verarbeiten und Rückführen von Informationen über den Fertigungsvorgang.
• 2. Nach welchen Kriterien lassen sich WZM einteilen? Fertigungshauptgruppen Automatisierungsgrad Mehrmaschine/ Einzelmaschine
• Wie lassen sich WZM nach ihrem Automatisierungsgrad klassifizieren? Maschine: - Erzeugung der Schnitt- und Vorschubbewegungen - Erzeugung der Prozesskräfte Zyklenmaschine: - automatisierte Ablaufsteuerung von Bearbeitungszyklen NC-Maschine (Automat): - automatische Ablaufsteuerung aller Bearbeitungsfunktionen Zentrum: - automatische Werkzeugwechsel mit Werkzeugspeicher Zelle: - automatische Werkstückwechsel mit Werkstückspeicher Fertigungssystem (FFS, Transferstrasse): - automatische Werkstück- und ggf. Werkzeugfluss für das gesamte Fertigungssystem
• 4. Welche Nebenfunktionen von WZM sind für eine automatisierte Fertigung erforderlich? - Messen von geometrischen und anderen physikal. Größen - Überwachung bestimmter Prozessgrößen - automatische Späneabfuhr (Späneförderer) - Werkzeug- und Werkstückbereitstellung
• Aus welchen Komponenten sind WZM grundsätzlich aufgebaut? feststehende Gestellteile (Bett, Ständer, Portal...) bewegl. Gestellteile (Schlitten, Querbalken) Führungen und Lagerungen Antriebe (elektr., hydraulisch, pneum.) Getriebe
• Nennen Sie die Hauptfunktionen eines Gestells! Kräfte und Momente aufnehmen Basis für bewegliche Teile (Führungen) Sicherung der geometrischen Anordnung
• 7. Welche Nebenfunktionen müssen vom Gestell realisiert werden? - Aufnahme und Fixierung von Nebenaggregaten - Führungen von Stoffströmen (z.B.: Späne, Kühlmittel, ...)
• 8. Durch welche Einflüsse können Gestellbauteile Verformt werden? - statische Kräfte                                           - dynamische Kräfte - thermische Einflüsse                                   - Auflösen von Eigenspannungen
• 9. Welche Ursachen haben diese Einflüsse? - Gewichtskräfte, Wirkkräfte, Spannkräfte, Klemmkräfte, Reibungskräfte à statische Kräfte - Unwuchten, Wirkkräfte, Getriebe, Trägheitskräfte à dyn. Kräfte - Lagererwärmung, Erwärmung der Hydr., Wärme in Spänen, ext. Wärmequellen, Getriebeverluste à therm. Einflüsse - Schweißspannung, Gussspannung, Bearbeitungs-Spannung, Härtespannung à Auflösung von Eigenspannungen
• 10. Was bedeutet es, wenn die Gestelle nach dem Kriterium „Festigkeit“ ausgelegt werden? - Gestell darf an keiner Stelle überlastet werden    à keine plastische Verformung    à kein Bruch - sigma tat < sigma zul
• 11. Welches Auslegungskriterium muss außerdem noch unbedingt angewendet werden? - Auslegung auf Steifigkeit    Gestell darf sich in keiner Richtung unzulässig stark elastisch Verformen
• 12. Durch welche Kräfte werden Gestellbauteile belastet? - Prozesskräfte, Schwingungen, Stöße, therm. Dehnungen, Eigenmasse
• 13. Wodurch unterscheiden sich stat. und dyn. Kräfte? Statische: - stetige Belastung mit der gleich bleibender Kraft die in die Gleiche Richtung wirkt (Bsp.: Gewichtskraft)  Dynamisch: - sind zeitlich veränderlich, so dass dadurch nicht vernachlässigbare Beschleunigungen entstehen - bei periodischer Wechselverformung dieser dynam. Kräfte entstehen Schwingungen
• 14. Wie sind Steifigkeit und Nachgiebigkeit definiert?  
• 15. Durch welche Werkstoffkenngrößen wird die Steifigkeit (Federzahl) besonders beeinflusst? - durch die Größe des E-Modul  und durch das Schubmodul (da proportional zum E-Modul)
• 16. Welchen Einfluss nimmt die Steifigkeit auf das Maschinenverhalten von spanenden und umformenden WZM? - je höher die Steifigkeit, desto höher die Fertigungsgenauigkeit (hohe Bahngenauigkeit) - bei hoher Steifigkeit der Maschine geringe elastische Verformung während des Prozesses Bsp.: Umformend: Deformation im elastischen Bereich (nicht unendlich steif); Aufbiegung der Presse Spanend (Schleifen): beim 2. Übergang noch Funken, weil sich die Maschine beim 1. Durchgang verformt hatte (im -Bereich)
• 17. Erläutern Sie beispielhaft den Zusammenhang zwischen Dimensionierung, Steifigkeit und Materialaufwand! - je höher die Steifigkeit, desto höher der Materialaufwand bzw. die Dimensionierung (Materialaufwand senken z.B. durch geeignete Profile)  
• 18. Was sind Ursachen für Kraftänderungen bei spanenden WZM? -unterschiedliche Spanungsquerschnitte      - Verschleiß der Werkzeuge - Inhomogenität des Werkstoffes                  - unterschiedliche Rohteilmaße
• 19. Welche Auswirkungen können Kraftänderungen auf die Werkstückgenauigkeit haben? - Kraftänderungen führen zu Maß- und Formfehlern am Werkstück
• 20. Durch welche Maßnahmen kann die stat. Steifigkeit von Gestellen beeinflusst werden? Formel: - hauptsächlich durch die Konstruktion beeinflussbar (die Fläche A sollte mögl. groß sein à hohe Steifigkeit) - Werkstoffauswahl (E-Modul) - Verrippungen - Masse zum freien Ende hin reduzieren (- unsymmetrische Profile um unterschiedliche Eigenfrequenzen in den Achsrichtungen zu erhalten - leichte Konstruktion mit hohen Steifigkeiten an Stellen der Schwingung mit großer Amplitude)
• 21. Warum werden Gestelle verrippt? - durch die Verrippung des Gestells können mit Öffnung versehene Elemente verstärkt werden, damit lässt sich die Schwächung die durch diese Öffnungen entstehen teilweise oder ganz kompensieren - Erhöhung der Biege- und Torsionssteifigkeit der Gestellbauteile - Gewichtsersparnis à Materialersparnis
• 22. Welchen Einfluss nehmen Fugen- und Öffnungen auf die Gestellsteifigkeit? - Fugen und Öffnungen reduzieren die Gestellsteifigkeit (sie stellen eine „weiche Stelle“ im Gestell dar) - sind in WZM unvermeidbar (- um Minderungen der Steifigkeit zu kompensieren werden Verrippungen und Stege angebracht)
• 23. Wie wirken sich Fugen auf die Dämpfungseigenschaften aus? - Fugen erhöhen die Dämpfung (Schwingungsminderung)
• 24. Welche Arten von mechanischen Schwingungen können in WZM auftreten? fremderregte Schwingung à harmonische, impulsförmige Schwingung selbsterregte Schwingung à Eigenfrequenz freie Schwingung
• 25. Welche Wirkungen haben Schwingungen in arbeitenden WZM? Schwingungen beeinträchtigen: - die Maß- und Formgenauigkeit sowie die Oberflächengüte des Werkstücks - die Lebensdauer bei hochbeanspruchten Teilen der WZM (Dauerfestigkeit) - die Mengenleistung der Bearbeitung (Ratterschwingungen) - die Werkzeugstandzeit - physisch und psychisch die Bedienenden (z.B. Schall)
• 26. Welcher Unterschied besteht zwischen stat. und dyn. Steifigkeit? statische Steifigkeit:                    - hervorgerufen durch statische Kräfte dynamische Steifigkeit:         - hervorgerufen durch dynam. Kräfte
• 27. Worin besteht das Optimierungsproblem bei der stat. und dyn. Gestellauslegung? - die statische Steifigkeit nimmt mit zunehmender Fläche A zu, jedoch steigt durch die Größere Fläche auch die Masse und dies hat einen negativen Einfluss auf die dynamische Steifigkeit
• 28. Welche Schwingungserreger können in WZM auftreten? Schwingungen entstehen durch: - schnell Auf- oder Abbauende Kräfte - Unwuchten bei bewegten Teilen - Schäden und Fehler bei Wälzlagern und Zahnrädern - Hydraulikpumpen und Antriebe in der WZM - den Werkzeugeingriff (Zusammenwirken von Werkzeug und Werkstück, Bsp. unterbrochener Schnitt)
• 29. Wie kann das Eigenschwingungsverhalten einer WZM experimentell bestimmt werden? - Aus der Belastung eines Systems mit einer periodisch veränderlichen Kraft resultiert eine Schwingung, deren Amplitude nicht nur von der Größe und Richtung der angreifenden Kraft sondern auch von der Frequenz der Anregung abhängt. - Zusammenhang lässt sich durch Nachgiebigkeitsfrequenzgang darstellen - hierzu wird an der zu untersuchenden Stelle der WZM die relative dynamische Nachgiebigkeit in allen 3 Koordinatenrichtungen gemessen - Frequenzen bei denen sich im Amplitudengang Überhöhungen zeigen, entsprechen der Eigenfrequenz des Systems - Ausschlaggebend für die Größe der Überhöhung ist die Dämpfung oder - Schwingungsmessgerät an WZM anbringen à WZM zum Schwingen bringen (bsp. Hammerschlag) à Schwingverhalten ermitteln oder - Schwingungsanalyse mit FEM
• 30. Wie lässt sich die dyn. Steifigkeit von Gestellen beeinflussen? - durch Werkstoffauswahl - durch Verwendung von Hilfsmassedämpfern - gezielte Versteifung der WZM; Beseitigung von vorhersehbaren Störungen
• 31. Was versteht man unter Schwanenhalsprinzip? - Masse zum freien Ende hin reduzieren - gezielte Schwächung - Unsymmetrie zur Entkopplung der Eigenfrequenz
• 32. Wann wird eine WZM „unterkritisch“ bzw. „überkritisch“ betrieben? - unterkritisch: Schwingungen unterhalb der Resonanzfrequenz der Maschine - überkritisch: Schwingungen oberhalb der Resonanzfrequenz der Maschine (besser, da ruhigerer Lauf durch Selbstzentrierung)
• 33. Wie lässt sich das Lehr’sche Dämpfungsmaß ermitteln?   Die Ermittlung des Lehr’ schen Dämpfungsmaßes erfolgt aus der Resonanzkurve.
• 34. Welche Werkstoffe werden für die Gestellfertigung verwendet? - Grauguß (am meisten verwendet)  à gute Dämpfungsfähigkeit und Gleiteigenschaften - Stahlguß       à höhere Festigkeit u. Zähigkeit als GG, höheres E-Modul - Stahl             à große Festigkeit, große Dehnungsfähigkeit, hohes E-Modul, gut zerspanbar - Beton            à hohe stat. und dynam. Steifigkeit, hohe Schwingungsdämpfung,      hohe Wärmeträgheit, geringe Eigenschwingungszahl  
• 35. Welche Werkstoffeigenschaften sind von besonderer Bedeutung? Festigkeit spezifisches Gewicht E-Modul Materialdämpfung Reibwerte, Härte Abbau von Eigenspannungen, Krichen, Relaxation thermischer Ausdehnungkoeffizient, spezifische Wärme, Übergangszahl
• 36. Welche Wärmequellen wirken von außen auf die WZM ein? - Hallenklima (Temperaturschwankungen durch Klimaanlagen, Tag/Nacht, Luftströmungen (Gebläse)) - direkter Strahleneinfluss (Sonne, Heizkörper, benachbarte Anlagen) - Wärmesenken (Fundamente, geöffnete Hallentore, Fenster)  
• 36. Welche Wärmequellen wirken von außen auf die WZM ein? - Hallenklima (Temperaturschwankungen durch Klimaanlagen, Tag/Nacht, Luftströmungen (Gebläse)) - direkter Strahleneinfluss (Sonne, Heizkörper, benachbarte Anlagen) - Wärmesenken (Fundamente, geöffnete Hallentore, Fenster)  
• 37. Wie stellt sich die typische thermische Wirkungskette dar?   Wärmequelle => Wärmestrom => Temperaturverteilung => thermische Verformung
• 39. Wie wird die aufgenommene elektr. Leistung bei einer WZM (z.B. Drehmaschine) umgesetzt? - Nutzleistung (ca. 40%)                    - Spindelverluste (ca. 30%) - Motorverluste (ca. 20%)                  - Getriebe- und Keilriemenverluste (ca. 10%) - Umgebung, Werkzeug, Werkstück und Späne (ca. 10%)
• 38. Skizzieren Sie den typischen thermisch bedingten Verformungsverlauf einer WZM über der Betriebszeit. Bild
• 40. Wie lassen sich die Maßnahmen zu Verringerung der therm. Verformung einteilen?
• 41. Wie lassen sich die Maßnahmen realisieren (Beispiele)? - Trennung der Wärmequellen vom Gestell - Stahl- und Keramikbuchsen zur Wärmeisolation - Thermosymmetrische Konstruktion - Kühlung der Maschinenspindel (z.B.: Ölkühlung) - Steuerungskompensation (indirekte Kompensation durch Temperaturmessung oder direkt durch Triangulationssensor )
• 42. Was versteht man unter thermosymmetrischer Konstruktion? - Arbeitsspindeln, Führungen und andere genauigkeitsbestimmende Bauteile sind so angeordnet, dass sich ihre Erwärmung kompensieren oder sich in unkritische Richtungen auswirken
• 43. Beschreiben Sie die thermische Wirkungskette und geben Sie die Eingriffsmöglichkeiten an. Wärmequelle à Wärmestrom à Temperaturverteilung à thermische Verformung Eingriffmöglichkeiten: à elektrische Energie:          - Energetisch günstige Bedingungen schaffen à Wärmestrom:                    - Auslagerung von Wärmequellen                                                - konstruktive Strahlung und Konvektion                                                - Geregelte Ab-/ Zufuhr von Wärme à therm. Verformung:          - thermosymmetrische Konstruktion                                                - günstige Anordnung des Verlagerungsvektors                                                - Kompensation durch Zusatzelemente à Führungssystem:              - Korrektur über Weginformationen  
• 44. Welche thermische Eigenschaften des Polymerbetons ist aus der Sicht der therm. Wirkungskette von besonderer Bedeutung? - geringe Wärmeleitfähigkeit - große Wärmeträgheit, deshalb gegen Temperaturschwankungen unempfindlich
• 45. Wie lassen sich Führungen einteilen und unterscheiden? a) nach der Bewegungsart:               - linienförmig à Geradführungen                                                            - rotatorisch à Drehführungen b) nach Aufgabe od. Funktion:          - Bewegungsführungen                                                            - Vorstellführungen                                                            - Kombination von beiden c) nach der Art der Reibung:             - Gleitreibung                                                            - Rollreibung                                                            - physikalisches Prinzip                                                            - Schmiermittel
• 46. Welche Anforderungen werden an Führungen gestellt? - die Bewegung (nach Lage und Richtung) eines Maschinenteils störungsfrei zu ermöglichen - dabei Bewegung in andere Freiheitsgrade unterbinden   Anforderungen richten sich nach: à Funktion d.h. hohe Arbeitsgenauigkeit + Leistungsvermögen:             - hohe Steifigkeit                    - geringe Reibung                  - geringer Verschleiß             - Spielfreiheit bzw. geringes Spiel - geometrische und kinematische Genauigkeit   à Herstellungskosten:             - kostengünstige, einfache Fertigung            - preisgünstige Werkstoffe   à Betriebskosten:             - Betriebssicherheit                - Belastbarkeit                        - geringe Schmutzempfindlichkeit
• 47. Welche Grundformen sind für Führungsbahnquerschnitte typisch? - Dreieckform ,abgeflachte Dreieckführung – Ausgangsform der Prisma- &   Schwalbenführung - Viereckform ,Rechteckführung – Ausgangsform der Flachführung - Kreisform,Rundführung – meist für Verstellführung; Doppelrundführung - Schwalbenschwanzführung   - Flachführung mit Umgriff - Schwalbenschwanzführung - Prismenführung (V-Führung) - Kombination Flach- Prismenführung - Rundführung
• 48. Welche Werkstoffkombinationen kommen für Gleitführungen zur Anwendung? - Grauguss/ Grauguss                                               - Stahl/ Stahl - Grauguss/ Kunststoff                                              - Stahl/ Grauguss - Stahl/ Bronze                                                          - Stahl/ Kunststoff à Führung des Bettes härter als Schlitten
• 49. Wie wirkt sich die maximale Flächenpressung bei Gleitführungen in Abhängigkeit von der Werkstoffpaarung aus? - bei ungünstigen Werkstoffpaarungen (Bsp. Stahl/Stahl) setzt bei vergleichsweise geringer Flächenpressungen fressen ein, bei günstigeren Werkstoffpaarungen wie zum Beispiel Guss/Kunststoff erst bei deutlich höherer Flächenpressung

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