10 Grundlagen der Maschinenkonstruktion II

Question 1

Eigenfrequenz

Answer 1

Die Schwingfrequenz ist nur Funktion des Verhältnis von Stetigkeit zu Masse und wird Eigenfrequenz genannt.

Question 2

Charakteristische Eigenschwingungsformen von Gestellbauteilen

Answer 2

Starrkörperschwingungen
Relativbewegungen in den Führungen und Fügestellen
- Nicken
- Heben
- Schieben
- Gieren

Biege- und Torsionsschwingungen
Eigenverformungen von Gestellbauteilen
- Biegen
-Tordieren

Question 3

Wärmekapazität

Answer 3

Menge der thermischen Energie Q, welche ein Körper bezogen auf eine Termperaturänderung auf- oder abgibt
C=lim┬(∆T→0)⁡〖Q/∆T〗 -> spezifisch: C=C/m

Bei Feststoffen ist eine Unterscheidung wie bei Gasen und Flüssigkeiten in cp (konstanter Druck) und cv (konstantes Volumen) technisch weniger relevant, da die Volumenausdehnung sehr gering ist

Question 4

Wärmeausdehnung

Answer 4

Änderung der Geometrie eines Körpers aufgrund von Temperaturgradienten
- Längen-, Flächen- oder Volumenänderung
- Thermische Expansion bei steigender Temperatur
- Thermische Kontraktion bei sinkender Temperatur

-> Längenänderung mit Längenausdehnungskoeffizient α: ∆l=l_0α∆T
Volumenänderung mit Volumenausdehnungekoeffizient γ: ∆V=V_0γ∆T

Question 5

Invar

Answer 5

o Eisen-Nickel-Legierung mit einer Zusammensetzung von 36% Ni und 64% Fe
o Annähernde Invarianz der Wärmedehnung gegenüber Temperaturänderungen
o Vorteil ist die hohe Stabilität der Abmessungen eines Körpers unter Temperaturschwankungen
 Durch den Einsatz von FVK oder Invar kann man die thermischen Spannungen in der Praxis drastisch senken.

Question 6

Wärmetransportmechanismen

Answer 6

• Strahlung
• Leitung
• Konvektion

Question 7

Strahlung

Answer 7

Temperaturausgleich über die Aussendung von elektromagnetischen Wellen
o Übertragung von Wärme ohne Mitwirkung eines Stoffes
o Die Strahlungsmenge, welche absorbiert oder reflektiert wird, variiert je nach Oberflächenbeschaffenheit und Farbe des Körpers
o Im Vakuum möglich

Question 8

Leitung

Answer 8

Temperaturgefälle wird innerhalb eines Körpers ausgeglichen, wobei die Wärme von einem Areal höherer Temperaturen zu einem niederer Temperaturen transportiert wird
o Energie wird ohne Materialtransport zwischen den einzelnen benachbarten Atomen überführt
o Nur in Verbindung mit Materie möglich

Question 9

Konvektion

Answer 9

Wärmeaustausch zwischen einem Festkörper und einem strömenden Fluid
o Die Wärmeenergie wird von dem überströmenden Fluid mitgeführt
o Unterscheidung zwischen freiem und erzwungenem Wäremeübergang
o Freie (natürliche) Konvektionsströmung entsteht durch Gravitationskräfte oder Dichtegradienten
o Erzwungene Konvektionsströmung entsteht durch externe mechanische Einwirkung auf das Fluid
o Nur in Verbindung mit Materie möglich

Question 10

Ursachen thermoplastischer Verlagerungen von Werkzeugmaschinen

Answer 10

Umgebungseinflüsse
- Hallenklima
- Wärmequellen
- Wärmesenken

Maschineninterne Einflüsse
- Maschinenelemente
- Prozess
- Kühlung

Question 11

Konstruktionshilfsmittel - Problemstellungen in der Konstruktion (7)

Answer 11

Steigende Komplexität der Berechnungsaufgaben

o Berechnung von Einzelproblemen
o Berechnung einfacher Maschinenelemente
o Auswahl von Maschinenelementen
o Auslegung von Maschinenelementen
o Auslegung von Baugruppen
o Komplexe Steifigkeitsberechnung
o Detaillierte Strukturanalyse

Question 12

CAD - 2D

Answer 12

 Einfache Erstellung sauberer und flexibler Zeichnungen
 Die Grafiken liegen als Vektorgrafiken vor
 Zwischen den einzelnen Linien der Zeichnung gibt es keine Interaktion

Question 13

CAD - 3D

Answer 13

 3D-Objekt mit sämtlichen Informationen des Modells
 Modell kann exportiert und für FEM-Simulation verwendet werden
 „Feature Basierte Methode“: Modell ist aus einzelnen Elementen oder Schritten zusammengesetzt, welche voneinander abhängen
1. Extrusion
2. Rotation
3. Ausformen
4. Austragen
5. Wandlungen
6. Fasen/Rundungen

Question 14

CAM

Answer 14

o Computergestützte Fertigung
o Erstellung von Programmen für NC-Maschinen
o Mit und ohne 2D oder 3D-CAD-Daten

Question 15

CAM - Funktionsbereiche (5)

Answer 15

 Bahnplanung und -optimierung
 Simulation
 Erstellen von Fertigungsunterlagen
 Werkzeug- und Betriebsmitteldatenverwaltung
 Distributed Numerical Control (DNC)

Question 16

Umfang von CAM-Systemen: Anwendungstechnische Sicht (6)

Answer 16

1. Planungsart
2. Planungsverifikation
3. Aufspannplanung
4. Maschinen- und Fertigungsmittelauswahl
5. Definition von Bearbeitungsoperationen
6. NC-Code-Erstellung (Post-Prozessor)

Question 17

Umfang von CAM-Systemen: Ressourcensicht

Answer 17

1. Maschinen (Leistungsdaten, Arbeitsraum, Werkzeugschnittstelle)
2. Werkzeuge (Geometrie, Aufbau, Schneidstoff, Schnittwerte)
3. Werkzeugmagazine
4. (Vorrichtungen)

Question 18

Umfang von CAM-Systemen: Technologische Sicht

Answer 18

1. Werkstück (Geometrie, Qualitätsanforderungen, Werkstoff etc.)
2. Fertigungstechnologie (Drehen, Fräsen, Bohren, Wasserstrahlschneiden etc.)
3. Strategien
4. Schnittaufteilung

Question 19

Umfang von CAM-Systemen: Systemtechnische Sicht

Answer 19

1. Ressourcenmodell
2. Rollenverwaltung
3. Datenverwaltung
4. Graphische Darstellung
5. Programmierschnittstelle

Question 20

FEM - Motivation (5)

Answer 20

 Ursprung: Lösen von Gleichungen aus der Elastizitätslehre
 Auslegung, Optimierungen und Verbesserungen von Maschinen, Maschinenkomponenten, Strukturbauteilen usw.
 Untersuchung und Optimierung von schwer beobachtbaren und messbaren Prozessen für die Grundlagenforschung
 Teure und gefährliche Versuche durch Simulationen ersetzen
 Visualisierung von nicht sichtbaren Effekten, Eigenschaften, Vorgängen

Question 21

Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode (Top-Down) (6)

Answer 21

• CAD-Modell der Maschine
• “Lastenheft der Simulation”
• Abstrahiertes Modell zur FE-Modellerstellung
• Vernetzung der Einzelkomponenten, Abstraktion der Maschinenelemente
• Zusammenstellung des Gesamtmodells, Definition von Randbedingungen und Fesselungen
• Berechnung

Question 22

Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode (Top-Down): “Lastenheft der Simulation”

Answer 22

1. Festlegung des Simulationsziels (Verformungen, Spannungen, Eigenmoden)
2. Festlegung der Modellierungsstrategie (Volumen-, Schalenmodell)
3. Wahl der Elementordnung (linear, parabolisch)

Question 23

Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode (Top-Down): Berechnung (Programminterne Vorgänge)

Answer 23

1. Aufstellung der elementaren Steifigkeitsmatrizen
2. Aufbau der globalen Steifigkeitsmatrix
3. Berücksichtigung der Randbedingungen
4. Lösen des resultierenden linearen Gleichungssystems
5. Ableitung von Spannungs- aus Verformungswerten

Question 24

Typen der Strukturoptimierung

Answer 24

Dimensionierung
 Wandstärken, Blechdicken
 Querschnitte, Radien
 Schichtdicken, Faserwinkel

Formoptimierung
 Konturen, Oberflächen
 Optimale Außenformen
 Kerbspannungsreduktion

Topologieoptimierung
 Optimale Materialverteilung/Materialeigenschaften in vordefiniertem Bauraum

Question 25

Typen der Strukturoptimierung: Topologieoptimierung - Vorgehen (5)

Answer 25

 Vernetzung des max. Bauraums
 Design + Non-Design Space
 Optimierungsziel und Restriktionen
 Rechnung
 Rückführung Ergebnisstruktur

Question 26

Typen der Strukturoptimierung: Dimensionierung - Schritte

Answer 26

Erster Schritt
 Optimierungsparameter festlegen und parametrisches FE-Modell erzeugen
 Lasten und Randbedingungen definieren
 Optimierungsziel und Restriktionen festlegen

Zweiter Schritt
 Optimierung
 Verfahren: z.B. genetische Algorithmen

Dritter Schritt
 Rückführung der Ergebnisse in das CAD Modell unter Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen

Question 27

Toleranzen - Arten (4)

Answer 27

• Formtoleranzen
• Lagetoleranzen
• Maßtoleranzen
• Oberflächentoleranzen

Question 28

Formtoleranzen

Answer 28

o Beschreiben die erlaubte Abweichung eines Merkmals von einer idealen Form
o Werden in der Regel mit speziellen Messgeräten geprüft
o Die Maschinen- und Werkzeuggenauigkeit hat entscheidenden Einfluss auf die Einhaltung der Toleranzen

Question 29

Lagetoleranzen

Answer 29

o Beschreiben die erlaubte geometrische Abweichung zweier Merkmale zueinander
o Prüfung muss durch spezielle Vorrichtung erfolgen
o Die Einhaltung dieser Toleranzart erfordert eine genaue Ausrichtung des Werkstücks

Question 30

Maßtoleranzen

Answer 30

o Beschreiben die erlaubte Abweichung einer Länge oder eines Durchmessers
o Sind relativ einfach zu prüfen
o Fertigung ist mit moderatem Aufwand verbunden

Question 31

Oberflächentoleranzen

Answer 31

o Beschreiben die erlaubte Beschaffenheit der Mikrogeometrie des Bauteils
o Müssen mit speziellen Messgeräten geprüft werden
o Die Einhaltung der Vorgaben ist von der Kinematik des gewählten Verfahrens abhängig

Question 32

Kostentreiber zunehmender Toleranzen

Answer 32

• Bei höheren Toleranzen müssen evtl. zusätzliche Schritte in die Fertigungsabfolge eingefügt werden, um die Toleranzen zu garantieren
• Zusätzliche Fertigungsschritte führen zu einer erhöhten logistischen Komplexität in der Produktion
  o Bei verketteten Anlagen müssen diese an die veränderte Fertigungsfolge angepasst werden
  o Bei nicht verketteten Anlagen muss Lagerraum für die Halbfertigteile zur Verfügung gestellt werden
• Die Komplexität der Fertigungsplanung steigt
• Das gebundene Kapital erhöht sich

Question 33

Toleranzen - Optimierung der Gesamtkosten

Answer 33

 Qualitativ steigen bei engeren Toleranzen die Herstellkosten aber die Montagekosten sinken
 Der optimale Punkt ist der an dem die Gesamtkosten ein Minimum annehmen

Question 34

Toleranzen - Einzelteil

Answer 34

o Zum Nachweis der geforderten Merkmale werden die Bauteile nach den entsprechenden Fertigungsschritten vermessen
o Eventuell vorhandene Maßabweichungen können umgehend nachgearbeitet werden

Question 35

Toleranzen - Serienfertigung

Answer 35

o Fertigungsstraßen werden anhand des Bauteilspektrums aufgebaut, entsprechend den Bauteilmerkmalen müssen zusätzliche Fertigungsmaschinen beschafft werden
o Um Bauteilmerkmale zu überprüfen müssen zusätzliche Mess- und Prüfstationen in die Fertigungskette integriert werden
o Zusätzliche Prozessschritte haben logistischen Aufwand zur Folge
o Die Prozessfähigkeit muss anhand der cP und cPk-Werte nachgewiesen werden können

Question 36

Relevanz des Konstruktionsprozesses im Hinblick auf die Kosten

Answer 36

• Die Konstruktionsphase bietet das größte Potential zur Kosteneinsparung, da die Kosten in hohem Maße durch das Lösungsprinzip festliegen
• Die durch Fehler bedingten Kosten steigen über den Produktlebenslauf
• In der Konstruktion werden bis zu 70% der Kosten festgelegt
• Enge Kooperation zwischen Mitarbeitern aus verschiedenen Bereichen erforderlich
  o Produktmanagement/Vertrieb
  o Konstrukteure
  o Fertigungsverantwortliche
  o Qualitätsmanagement

Question 37

Allgemeintoleranzen nach DIN ISO 2768

Answer 37

Teil 1: Längen- und Winkelmaße
Teil 2: Form- und Lagemaße

Question 38

Obeflächentoleranzen: Gängige Rauheitsgrößen - Ra

Answer 38

Arithmetischer Mittelwert der Beträge der Ordinatenwerte Z(x) innerhalb der Einzelmessstrecke

Question 39

Obeflächentoleranzen: Gängige Rauheitsgrößen - Rz

Answer 39

Arithmetischer Mittelwert aus den maximalen Profilhöhen von 5 Einzelmessstrecken

Question 40

Gestaltabweichungen (Ordnungen)

Answer 40

1. Ordnung: Formabweichung
2. Ordnung: Welligkeit
3. Ordnung: Rauheit (Rillen)
4. Ordnung: Rauheit (Riefen, Schuppen, Kuppen)
5. Ordnung: Rauheit (Gefügestruktur)
6. Ordnung: Gitteraufbau des Werkstoffes