10 Grundlagen der Maschinenkonstruktion II Flashcards
Eigenfrequenz
Die Schwingfrequenz ist nur Funktion des Verhältnis von Stetigkeit zu Masse und wird Eigenfrequenz genannt.
Charakteristische Eigenschwingungsformen von Gestellbauteilen
Starrkörperschwingungen
Relativbewegungen in den Führungen und Fügestellen
- Nicken
- Heben
- Schieben
- Gieren
Biege- und Torsionsschwingungen
Eigenverformungen von Gestellbauteilen
- Biegen
-Tordieren
Wärmekapazität
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
Wärmeausdehnung
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
Invar
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.
Wärmetransportmechanismen
- Strahlung
- Leitung
- Konvektion
Strahlung
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
Leitung
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
Konvektion
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
Ursachen thermoplastischer Verlagerungen von Werkzeugmaschinen
Umgebungseinflüsse
- Hallenklima
- Wärmequellen
- Wärmesenken
Maschineninterne Einflüsse
- Maschinenelemente
- Prozess
- Kühlung
Konstruktionshilfsmittel - Problemstellungen in der Konstruktion (7)
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
CAD - 2D
Einfache Erstellung sauberer und flexibler Zeichnungen
Die Grafiken liegen als Vektorgrafiken vor
Zwischen den einzelnen Linien der Zeichnung gibt es keine Interaktion
CAD - 3D
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
CAM
o Computergestützte Fertigung
o Erstellung von Programmen für NC-Maschinen
o Mit und ohne 2D oder 3D-CAD-Daten
CAM - Funktionsbereiche (5)
Bahnplanung und -optimierung
Simulation
Erstellen von Fertigungsunterlagen
Werkzeug- und Betriebsmitteldatenverwaltung
Distributed Numerical Control (DNC)
Umfang von CAM-Systemen: Anwendungstechnische Sicht (6)
- Planungsart
- Planungsverifikation
- Aufspannplanung
- Maschinen- und Fertigungsmittelauswahl
- Definition von Bearbeitungsoperationen
- NC-Code-Erstellung (Post-Prozessor)
Umfang von CAM-Systemen: Ressourcensicht
- Maschinen (Leistungsdaten, Arbeitsraum, Werkzeugschnittstelle)
- Werkzeuge (Geometrie, Aufbau, Schneidstoff, Schnittwerte)
- Werkzeugmagazine
- (Vorrichtungen)
Umfang von CAM-Systemen: Technologische Sicht
- Werkstück (Geometrie, Qualitätsanforderungen, Werkstoff etc.)
- Fertigungstechnologie (Drehen, Fräsen, Bohren, Wasserstrahlschneiden etc.)
- Strategien
- Schnittaufteilung
Umfang von CAM-Systemen: Systemtechnische Sicht
- Ressourcenmodell
- Rollenverwaltung
- Datenverwaltung
- Graphische Darstellung
- Programmierschnittstelle
FEM - Motivation (5)
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
Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode (Top-Down) (6)
- 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
Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode (Top-Down): “Lastenheft der Simulation”
- Festlegung des Simulationsziels (Verformungen, Spannungen, Eigenmoden)
- Festlegung der Modellierungsstrategie (Volumen-, Schalenmodell)
- Wahl der Elementordnung (linear, parabolisch)
Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode (Top-Down): Berechnung (Programminterne Vorgänge)
- Aufstellung der elementaren Steifigkeitsmatrizen
- Aufbau der globalen Steifigkeitsmatrix
- Berücksichtigung der Randbedingungen
- Lösen des resultierenden linearen Gleichungssystems
- Ableitung von Spannungs- aus Verformungswerten
Typen der Strukturoptimierung
Dimensionierung
Wandstärken, Blechdicken
Querschnitte, Radien
Schichtdicken, Faserwinkel
Formoptimierung
Konturen, Oberflächen
Optimale Außenformen
Kerbspannungsreduktion
Topologieoptimierung
Optimale Materialverteilung/Materialeigenschaften in vordefiniertem Bauraum
Typen der Strukturoptimierung: Topologieoptimierung - Vorgehen (5)
Vernetzung des max. Bauraums
Design + Non-Design Space
Optimierungsziel und Restriktionen
Rechnung
Rückführung Ergebnisstruktur
Typen der Strukturoptimierung: Dimensionierung - Schritte
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
Toleranzen - Arten (4)
- Formtoleranzen
- Lagetoleranzen
- Maßtoleranzen
- Oberflächentoleranzen
Formtoleranzen
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
Lagetoleranzen
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
Maßtoleranzen
o Beschreiben die erlaubte Abweichung einer Länge oder eines Durchmessers
o Sind relativ einfach zu prüfen
o Fertigung ist mit moderatem Aufwand verbunden
Oberflächentoleranzen
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
Kostentreiber zunehmender Toleranzen
- 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
Toleranzen - Optimierung der Gesamtkosten
Qualitativ steigen bei engeren Toleranzen die Herstellkosten aber die Montagekosten sinken
Der optimale Punkt ist der an dem die Gesamtkosten ein Minimum annehmen
Toleranzen - Einzelteil
o Zum Nachweis der geforderten Merkmale werden die Bauteile nach den entsprechenden Fertigungsschritten vermessen
o Eventuell vorhandene Maßabweichungen können umgehend nachgearbeitet werden
Toleranzen - Serienfertigung
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
Relevanz des Konstruktionsprozesses im Hinblick auf die Kosten
- 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
Allgemeintoleranzen nach DIN ISO 2768
Teil 1: Längen- und Winkelmaße
Teil 2: Form- und Lagemaße
Obeflächentoleranzen: Gängige Rauheitsgrößen - Ra
Arithmetischer Mittelwert der Beträge der Ordinatenwerte Z(x) innerhalb der Einzelmessstrecke
Obeflächentoleranzen: Gängige Rauheitsgrößen - Rz
Arithmetischer Mittelwert aus den maximalen Profilhöhen von 5 Einzelmessstrecken
Gestaltabweichungen (Ordnungen)
- Ordnung: Formabweichung
- Ordnung: Welligkeit
- Ordnung: Rauheit (Rillen)
- Ordnung: Rauheit (Riefen, Schuppen, Kuppen)
- Ordnung: Rauheit (Gefügestruktur)
- Ordnung: Gitteraufbau des Werkstoffes
