Werkzeugmaschinen und Vorrichtungen

Werkzeugmaschinen und Vorrichtungen gehören neben Werkzeugen, Mess- und Prüfmitteln zu den Betriebsmitteln. Sie sind notwendig, um eine Fertigung im Bereich der Produktionstechnik zu realisieren. Im vorliegenden Kapitel erfolgt eine Definition bzw. Abgrenzung der Werkzeugmaschinen gegenüber anderen Maschinen. Darauf aufbauend werden mögliche Klassifizierungen und die Bedeutung dieser Maschinenart erläutert.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Darstellung der Anforderungen an Werkzeugmaschinen und deren Prüfung aus Sicht der Maschinenhersteller und insbesondere aus Sicht der Nutzer in Bezug auf die Abnahme einer Werkzeugmaschine. Vertieft und auf die gesamte Maschine bezogen werden die Eigenschaften geometrische Genauigkeit, statische Steifigkeit, thermisches und dynamisches Verhalten erläutert.

Das Kapitel schließt mit einem Beispiel zur Berechnung der Maß-, Form- und Lageabweichungen an einem gefrästen Werkstück auf Basis bekannter Maschineneigenschaften.

Die Fertigung von Werkstücken ist ohne ihre Aufnahme in Werkzeugmaschinen mit Hilfe von Vorrichtungen nicht effektiv zu realisieren. Dabei haben Vorrichtungen nicht nur Einfluss auf die Produktivität sondern bestimmen wesentlich die gefertigte geometrische Genauigkeit bezüglich der Maße sowie Form- und Lageabweichungen am Werkstück.

Im vorliegenden Kapitel erfolgen Definition und Klassifizierung der Vorrichtungen in der Produktionstechnik und die Beschreibung deren prinzipiell möglicher Ausführung.

Insbesondere die funktionsgerechte Aufnahme der Werkstücke in einer Vorrichtung (Funktion „Bestimmen“) und das sichere Halten der Werkstücke in dieser Position (Funktion „Spannen“) werden detailliert und bezogen auf verschiedene Werkstückformen erläutert. Die dabei in der industriellen Praxis angewandten Baugruppen sind beispielhaft dargestellt.

Die vielfältigen, in einer Werkzeugmaschine zu realisierenden Funktionen führen zu einem komplexen Aufbau derselben. Um den Entwicklungs- und Fertigungsprozess solcher multifunktionalen Einrichtungen zu beherrschen und effektiv zu gestalten, sind Werkzeugmaschinen aus Baugruppen aufgebaut. Mögliche einsetzbare Funktionsprinzipien für Gestelle, Führungen, Antriebe und Hauptspindeln mit ihren Vor- und Nachteilen sowie deren Auslegung werden im Kapitel „Baugruppen spanender Werkzeugmaschinen“ grundlegend dargestellt. Integriert sind beispielhaft für Werkzeugmaschinen spezifische Berechnungen und Hinweise zur Konstruktion.

Zum Verständnis sollte Basiswissen aus den Gebieten Technische Mechanik, Maschinenelemente, Werkstofftechnik und Elektrotechnik vorhanden sein.

Spanende Werkzeugmaschinen sind konzipiert, um die Fertigungsverfahren der Hauptgruppe Trennen mit den Gruppen „Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden“ und „Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden“ nach DIN 8589-0 zu realisieren. Grundsätzlich lassen sie sich aus Sicht ihrer Funktionsweise den Fertigungsverfahren zuordnen. Demzufolge werden die Anforderungen, die aus dem Prozess resultieren, für jede Maschinenklasse hergeleitet sowie ihre typischen Merkmale und Kenngrößen vorgestellt. Einem Überblick zu ausgeführten Bauformen schließt sich jeweils die Beschreibung ausgewählter, repräsentativer Maschinentypen an. Dabei werden Aufbau, Funktionsweise und mitunter spezifische Baugruppen näher betrachtet. Dies geschieht mithilfe von bildhaften und funktionsbeschreibenden Darstellungen. Neuere Entwicklungstrends zielen auf eine vermehrte Verfahrensintegration innerhalb einer Werkzeugmaschine. Diese Maschinen werden dem Hauptbearbeitungsverfahren zugeordnet, für das sie überwiegend konzipiert wurden.

Im Kapitel „Baugruppen schneidender und umformender Werkzeugmaschinen“ werden ausschließlich charakteristische Besonderheiten der Gestaltung von Gestellen, Stößelführungen und Antrieben behandelt, wie sie bei Pressmaschinen (vgl. Abb. 1.5) typisch sind. Um Dopplungen weitestgehend zu vermeiden wurden Inhalte, die im Kapitel 4 „Baugruppen spanender Werkzeugmaschinen“ dargestellt sind, hier nicht wiederholt. Zum Gesamtverständnis ist natürlich die Kenntnis dieser Zusammenhänge in Bezug zu den einzelnen Arten von Werkzeugmaschinen-Baugruppen notwendig.

Die wirtschaftlichen Vorteile schneidender und umformender Verfahren gegenüber spanenden führen zu einem verstärkten Einsatz der entsprechenden Werkzeugmaschinen. Besonders das Überführen der Ausgangsform in eine End- bzw. Zwischenform in kürzester Zeit durch eine kleinstmögliche Anzahl von Arbeitsstufen und dies bei keinem oder geringem Werkstoffverlust sind hervorzuheben. Des Weiteren können Werkstoffverfestigung und Erhaltung des Faserverlaufes im Werkstück zu verbesserten Festigkeitseigenschaften führen.

Im Kapitel „Ausgeführte schneidende und umformende Werkzeugmaschinen“ werden Aufbau, Funktionsweise und Anwendung an ausgewählten mechanischen Exzenter-, Kurbel- und Kniehebelpressen, Hämmern und Spindelpressen sowie an hydraulischen Pressen und Scheren erläutert. Ein spezieller Abschnitt beschäftigt sich mit Schneid- und Umformanlagen und der dabei zur Anwendung kommenden Verkettungstechnik.

Die Leistungsfähigkeit sowohl der spanenden Bearbeitungsverfahren als auch der dazugehörigen, im vierten Kapitel beschriebenen Werkzeugmaschinen ist bei komplizierten geometrischen Formen der Werkstücke begrenzt. Auch stellen die mechanischen Eigenschaften der zu bearbeitenden Werkstoffe eine Einsatzgrenze dar, insbesondere bei hoch vergüteten Stählen, Superlegierungen, Hartmetallen oder Hochleistungskeramiken mit den entsprechenden Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächengüte. Für diese und weitere Anwendungsfälle bieten sich berührungslos arbeitende Fertigungsverfahren an, die in der DIN 8589-0 in der Fertigungsgruppe Abtragen zusammengefasst sind. Dazu zählen das chemische, elektrochemische (ECM) und thermische (EDM, Laserbearbeitung) Abtragen. Das mechanische Abtragen (Wasserstrahlschneiden) wird aufgrund großer Ähnlichkeiten hinsichtlich des Abtragprinzips, der Verfahrenskinematik und des Anlagenaufbaus mit hinzugezählt. Die aufgeführten Verfahren werden beschrieben und daraus die Anforderungen an den Aufbau der abtragenden Werkzeugmaschinen hergeleitet. Jeder Abschnitt endet mit der Beschreibung ausgeführter Anlagen.