Fertigungsmittel

1 Fertigungsmittel

Zur Herstellung eines Erzeugnisses sind Fertigungsmittel notwendig. Unter Fertigungsmittel versteht man Werkzeuge, Vorrichtungen, Meß - und Prüfmittel.
Während alle Werkzeuge aktiv an der Fertigung beteiligt sind, ermöglichen die Vorrichtungen einen Arbeitsprozeß in der geforderten Zeit mit der gewünschten Qualität. In anderen Fällen wird die Bearbeitung des Werkstücks erst mit Hilfe von Vorrichtungen möglich.
Sehr viele Fertigungsmittel können unabhängig von der Form des Werkstücks und/oder Werkzeugs sein, manchmal auch unabhängig vom Fertigungsverfahren sein: Universelle Fertigungsmittel. z.B. Maschinenschraubstock, Spannfutter, Spiralbohrer, Drehmeißel, Meßschieber, Endmaße, Rachenlehren,....
Andere Fertigungsmittel, wie z.B. Druckgußformen, Biegewerkzeuge, Bohrvorrichtungen und auch Vorrichtungen, ..., können nur zur Herstellung gleicher oder einer Gruppe von ähnlichen Werkstücken eingesetzt werden ⇒ werkstückgebundene Sonderausführungen: Spezielle Fertigungsmittel



Abbildung 1: Gliederung der speziellen Fertigungsmittel

2 Vorrichtungen

Vorrichtungen sind spezielle Fertigungsmittel. Durch ihre Funktion werden die zu bearbeitenden Werkstücke zum Werkzeug in die erforderliche Lage gebracht. Während der Bearbeitung wird diese Lagefixierung durch die Vorrichtung aufrechterhalten. Bei entsprechender Gestaltung der Vorrichtung kann die Hilfszeit wesentlich gesenkt werden, da das Einlegen, Bestimmen, Spannen und Herausnehmen der Werkstücke schneller ausgeführt werden kann.
Für die Anwendung von Vorrichtungen ist auf Grund der Wirtschaftlichkeit eine Mindeststückanzahl herzustellender Werkstücke erforderlich; um diese zu erreichen werden ähnliche Werkstücke zu Teilefamilien zusammengefaßt. Spezielle Fertigungsmittel finden vor allem in der Serien -, Großserien - und Massenproduktion Anwendung; ihr Einsatz bei der Kleinserien - und Einzelfertigung erfolgt nur bei besonderen Qualitätsanforderungen, sowie zur Arbeitserleichterung oder aus Sicherheitsgründen. Mechanisierte, besonders aber automatisierte, Fertigungsprozesse erfordern immer mehr spezielle Vorrichtungen.
Da Vorrichtungen in der Fertigung erhebliche Kapitalmengen binden, versucht man sie immer universeller zu gestalten. Zur Erreichung dieses Zieles werden die Vorrichtungen standardisiert und nach dem Baukastenprinzip zusammengestellt (innerbetriebliche Maßnahmen).

2.1 Zweck der Vorrichtungen

Werkstück schnell und definiert aufnehmen ( = bestimmen) Werkstück, zur Bearbeitung, in einer bestimmten Lage halten (festspannen) raschen Wechselvorgang zu ermöglichen Werkstücke in arbeitsgerechte Lage zu bringen und/oder nach beendeter Fertigung zu prüfen (Maß, Form, Dichtheit, ...) Werkstück zusammenfügen (Montage) Werkstücke voneinander trennen (z.B. Abziehvorrichtung) Arbeitsgänge zu erleichtern bzw. zu ermöglichen Prüfvorgänge rationell durchführen

Die Mehrzahl der Vorrichtungen wird zum Bestimmen und Spannen verwendet. Mit der werkstückunspezifischen Vorrichtung werden geometrisch einfache Teile gespannt, während für komplizierte Teile werkstückspezifische Vorrichtungen konstruiert werden müssen.
Nicht in jeder Vorrichtung muss gespannt werden, mitunter muss nur das Bestimmen des Werkstücks und das Führen des Werkzeugs erfolgen (Bohrschablone).

2.2 Anforderungen an die Vorrichtungen und Einsatz in der Fertigung

Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks müssen gleichmäßig und in der erforderlichen Güte sein Vermeidung schwerer körperlicher Arbeit durch Umwandlung in solche mit geringerem Kraftaufwand Einsparung von Arbeitsgängen, z.B. Entfall von Anreißen und Körnen beim Bohren, Einrichten beim Schweißen, .... wesentliche Senkung der Nebenzeiten und Werkstück - Wechselzeiten Möglichkeit der Mehrfachbearbeitung von Werkstücken (Senken der Hauptzeit) sowie der Reihenbearbeitung

Durch die Verwendung von Vorrichtungen kann teures Fachpersonal eingespart werden, und durch Arbeitskräfte billigerer Lohnstufen ersetzt werden bzw. ist eine Mehrmaschinenbedienung möglich.
Vorrichtungen sichern den Austauschbau und erhöhen die Wirtschaftlichkeit der Arbeitsgänge, sowie gestalten diese leichter und sicherer, und führen damit zu einer Erhöhung der Produktivität.

Vorrichtungsvarianten

2.3.1 Werkstückspanner und Werkzeugspanner

Werkstückspanner sind Vorrichtungen, bei denen das Werkstück in eine bestimmte Lage gebracht und während der Bearbeitung in dieser Lage gehalten wird.
Bei Werkzeugspannern wird das Werkzeug bestimmt und gehalten.

Für die weitere Unterteilung der Werkstück - und Werkzeugspanner sind zwei Gesichtspunkte maßgebend. Einmal sind es die Fertigungsverfahren, bei denen die Vorrichtungen zum Einsatz kommen, zum anderen ist es die Stückzahl der in einer Vorrichtung aufgenommenen Werkstücke oder Werkzeuge.

Zumeist werden die Vorrichtungen nach dem Fertigungsverfahren, wo sie eingesetzt werden, gegliedert (z.B. Bohr -, Fräs -, Schweißvorrichtung).
Ein zweites Gliederungsmerklmal ist die Anzahl der angenommenen Werkstücke bzw. Werkzeuge in die Vorrichtung (Einfach -, Mehrfachvorrichtungen).

2.3.2 Einrichtungen zur Werkstück - und Werkstückbewegung

Unter Werkstückbewegung verstehen wir alle Bewegungen, die notwendig sind, um die Werkstücke der Bearbeitungsstelle zuzuführen, sie in die erforderliche Lage zu bringen und sie wieder von der Bearbeitungsstelle zu entfernen.
Alle Vorrichtungen, die notwendig sind, um diese Prozesse durchzuführen, werden als Einrichtungen für die Werkstückbewegung bezeichnet.
Analog dazu dienen die Einrichtungen zur Werkzeugbewegung dazu, die Werkstücke in die zur Bearbeitung erforderliche Arbeitsposition zu bringen, nach erfolgtem Einsatz wieder in einen Werkzeugspeicher zurückzustellen, und verschlissene Werkzeuge aus dem Arbeitsprozeß auszuscheiden und neue Werkzeuge aufzunehmen.

Gegenüber den Werkstück - und Werkzeugspannern unterscheiden sich die Einrichtungen zur Werkstückbewegung durch eine Reihe von Steuer - und Regelfunktionen. Da sich ihr Aufbau und Einsatzgebiet wesentlich von dem der Werkstück - und Werkzeugspanner unterscheidet werden sie gesondert behandelt.

2.3.3 Speziallehren

Diese gehören eigentlich nicht zu den Vorrichtungen, weisen aber viele Gemeinsamkeiten mit diesen auf. So wird in vielen Speziallehren das Werkstück in eine bestimmte Lage gebracht, und während des Prüfvorganges in dieser gehalten. Der Unterschied liegt im Verwendungszweck zwischen den Vorrichtungen und den Speziallehren. Beim Einsatz von Vorrichtungen kommen Fertigungsverfahren zur Anwendung, die die Form des Werkstücks (Bearbeitungsborrcihtungen) oder die Eigenschaften des Werkstoffs verändern (Härtevorrichtungen). Das Werkzeug nimmt aktiv am Fertigungsprozeß teil; die Vorrichtung hat eine passive Rolle. Beim Einsatz von Speziallehren werden keine Fertigungsverfahren, sondern Prüfverfahren angewendet. Das Werkstück erfährt keine Formänderung oder stoffliche Eigenschaftsänderung.

2.4 Allgemeiner Aufbau einer Vorrichtung

Abbildung 2: Aufbau einer Vorrichtung (Fräsvorrichtung)
Eine Vorrichtung besteht aus drei Grundelementen:

Grundkörper der Vorrichtung Vorrichtungselemente, die die Lage des Werkstücks bestimmen Vorrichtungselemente, die das Werkstück spannen

Bei allen Vorrichtungen, mit Ausnahme der Schablonen (z.B. Bohrschablone), kann man diese Einteilung finden. Für alle Schablonen ist charakteristisch, dass sie keine Spannelemente haben. Die Spannkraft übt der Bedienende von Hand aus, oder sie wird durch Schraubenzwingen o.ä. aufgebracht.

Neben diesen allgemeinen Bauteilen sind bei vielen Vorrichtungen noch spezielle Bauelemente zu finden, wie:
Bohrbuchsen bei Bohrvorrichtungen
Nutensteine bei Fräsmaschinen (zur Fixierung der Vorrichtung am Maschinentisch)
Teilungsträger und Feststellelemente bei Teilvorrichtungen

2.5 Arbeitsschutz und Unfallverhütung

Bestimmungen über Arbeitsschutz und Unfallverhütung sind den entsprechenden Gesetzen zu entnehmen. Allgemein kommen folgende Punkte zu Geltung:

Aus Platz - und Steifigkeitsgründen wird eine kompakte Bauweise angestrebt, wodurch der Platz zum Bedienen der Vorrichtung oft knapp wird. Es muss zumindest soviel Platz bleiben, um die Vorrichtung einwandfrei bedienen zu können (keine Gefahr von Handverletzungen) und dass genug Platz bleibt um die entsprechenden Kräfte aufbringen zu können (lange Hebelsarme). Die Bedienelemente müssen so angeordnet werden, dass sie nicht in Kontakt mit Kühlflüssigkeit und/oder Schmiermittel kommen. Es dürfen keine Elemente der Vorrichtung wesentlich aus dieser herausragen um Stoßverletzungen und Kollosionen mit anderen Einrichtungen und Bauteilen zu vermeiden. Anfallende Späne dürfen nicht auf Bedienelementen liegenbleiben (Verletzungsgefahr durch scharfe bzw. heiße Späne). Bei Fertigungsverfahren mit großer Wärmeentwicklung (löten, schweißen, großflächiges spanen, ...) sind die Vorrichtungen so auszuführen, dass Bedienelemente nicht unzulässig erwärmt werden und zur Vermeidung der Brandgefahr.

Bestimmen (= Entzug von Freiheitsgraden)

Das Bestimmen ist eine der Hauptaufgaben von Vorrichtungen, es ist das Einordnen des Werkstücks (Werkstückspanner) oder Werkzeugs (Werkzeugspanner) in eine eindeutige, für die Durchführung der Arbeitsverrichtung erforderliche Lage.
Nur richtig bestimmte Werkstücke ermöglichen das Fertigen der Maße innerhalb der festgelegten Toleranzen.

Ein Körper, der sich frei im Raum bewegt (also unbestimmt ist), hat 6 Freiheitsgrade (3 translatorische und 3 rotatorische Freiheitsgrade). Wird der Körper in einer Ebene fixiert, so werden ihm drei Freiheitsgrade entzogen, es bleiben ein rotatorischer und zwei translatorische Freiheitsgrade (Halbbestimmt). Durch Festlegung von zwei Ebenen verbleibt nur noch ein translatorischer Freiheitsgrad (Bestimmt), und durch Festlegung von drei Ebenen des Körpers ist er vollbestimmt - es verbleibt kein Freiheitsgrad.

Beim Bestimmen unterscheidet man zwischen:
Halbbestimmen: Das Werkstück wird nur bezüglich einer Fläche festgelegt
Bestimmen: Das Werkstück wird bezüglich zweier Fläche festgelegt
Vollbestimmen: Das Werkstück wird mit Bezug auf drei Flächen festgelegt



Abbildung 3: a) Halbbestimmt (3 FG) b) Bestimmt (1 FG) c) Vollbestimmt (kein FG)
In der Vorrichtung erfolgt das Bestimmen nicht durch Ebenen sondern durch Flächen, die gegenüber den geometrisch idealen Ebenen stets Abweichungen aufweisen. Dadurch treten Abweichungen der tatsächlichen Bestimmung gegenüber der geometrisch idealen Bestimmung auf.

3.1 Bestimmflächen

Die Bemaßung eines Werkstücks erfolgt von einigen Flächen aus, den s.g. Bezugsflächen. Diese Flächen werden durch die Fertigung oder die spätere Funktion des Werkstücks vorgegeben. Um die Abweichungen am Werkstück gering zu halten ist stets anzustreben, dass Bezugsebene und Bestimmebene zusammenfallen (z.B. Abbildung 6, Abbildung 12)
Bei oft verwendeten Vorrichtungen ist des weiteren auf die Abnützung der Bestimmflächen (durch Spannkräfte) zu achten, und dass die Bestimmflächen der Werkstücke eine entsprechende Oberflächenqualität aufweisen.

Bestimmflächen von Werkstück und Vorrichtung müssen nicht notwendigerweise ident sein, was zumeist bei Werkstücken mit nicht ebenen Begrenzungsflächen, z.B. Wellen, der Fall ist. (Abbildung 10)
Wird ein Werkstück bestimmt, so ist es nicht erforderlich, in jedem Fall alle Freiheitsgrade zu entziehen. Wird beispielsweise nur die Oberfläche eines quaderförmigen Werkstücks gefräst, so genügt die Festlegung einer Bestimmfläche.


Abbildung 4: Notwendige Bestimmebenen a) eine Ebene (Maß a) b) zwei Ebenen (Maße a, b) c) drei Ebenen (Maße a, b, c)

3.2 Ãœberbestimmen

Eine Überbestimmung liegt dann vor, wenn hinsichtlich einer Bezugsebene in einer Richtung mehr als eine Bestimmebene), d.h. ein Werkstück kann niemals auf zwei abgesetzten Flächen gleichzeitig halbbestimmt werden (siehe Abbildung 5 und Abbildung 12). Das Werkstück kann entweder nur auf einer der beiden Flächen aufliegen oder durch 3 Punkte eindeutig halbbestimmt werden, ansonsten ist es überbestimmt.


Abbildung 5: Überbestimmtes Werkstück (3 Werkstück, 4 Bestimmelement, 5 Werkzeug)

3.3 Geometrische Formen der Werkstückbestimmflächen

Allgemein werden ebene Flächen, eben gekrümmte Flächen und räumlich gekrümmte Flächen unterschieden. Ein fehlerfreies Bestimmen nach räumlich gekrümmten Werkstückbestimmflächen ist sehr aufwendig, und sollte möglichst vermieden werden. Wenn eine räumlich gekrümmte Werkstückoberfläche funktionsbedingt ist, so ist sie als letzte zu fertigen. Dadurch ist es nicht erforderlich nach ihr zu bestimmen.

Der wichtigste Sonderfall der eben gekrümmten Flächen sind die zylindrischen Flächen. Neben der geometrischen Form der Werkstückbestimmflächen ist ihre Oberflächen - beschaffenheit von Bedeutung. Geschlichtete (generell spanend bearbeitete) Werkstückbestimmflächen liegen auf oder an der Vorrichtungsbestimmfläche eindeutig an. Bestimmflächen mit geschmiedeter oder gegossener Oberfläche sind, wegen der unebenen Oberfläche, möglichst zu vermeiden

Ebene Werkstückbestimmflächen

Als erste Bestimmebene wird im allgemeinen jene Ebene gewählt, die die Fläche mit den größten Abmessungen ist. Dann folgen die nächst kleineren Flächen wenn das Werkstück bestimmt oder voll bestimmt werden soll. Die Vorrichtungsbestimmfläche wird für die erste Bestimmfläche in drei Punkte aufgegliedert, für die zweite Bestimmfläche in zwei Punkte, und in die letzte Bestimmfläche in einen Punkt. Flächige Auflagen sind wegen der Toleranzen nicht zulässig.


Abbildung 6: a) Festlegung der Bezugsebenen (1 erste Bezugsebene; 2 zweite BE; 3 dritte BE)
b) Bestimmflächen der Vorrichtung (1 erste (größte) Bestimmebene, 3 Pkte; 2 zweite BstE, 2 Pkte;
3 (kleinste) dritte BstE, 1Pkt)
Um die entsprechenden Freiheitsgrade zu entziehen, ist diese Methode eindeutig. Aufgrund der Werkstücksteifigkeit und der Oberflächenbeschaffenheit der Werkstückbestimmfläche muss jedoch in manchen Fällen von dieser eindeutigen Ausbildung der Vorrichtungsbestimmflächen abgegangen werden (z.B. Sind Querschnitte sehr klein, kann es bei der Bearbeitung, durch die wenigen Auflagepunkte zum Durchbiegen des Werkstücks kommen). Von Bedeutung sind in jedem Fall die Steifigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und die auftretenden Spann - und Schnittkräfte (Größe, Angriffspunkt) bei der Bearbeitung des Werkstücks. Für die Bearbeitung weniger steifer Werkstücke ist es notwendig diese auch in mehr als drei Punkten auf einem Tisch aufzustellen. Wenn möglich sollen aber die Flächen möglichst klein gehalten werden (wegen der Unebenheiten der Oberfläche). Zur linienförmigen Unterstützung werden auch s.g. Bestimmleisten verwendet.

Große Schwierigkeiten bereitet die Bearbeitung wenig steifer unbearbeiteter Werkstückbestimmflächen. Die Vorrichtungsbestimmfläche muss hier in drei Punkte aufgegliedert werden, und in den Kraftangriffspunkten muss das Werkstück durch Stützbolzen zusätzlich unterstützt werden. Die Flächen der Auflage - und Stützpunkte muss zumindest so groß sein, dass sie keine Markierungen an der Oberfläche hinterlassen.

3.3.2 Zylindrische Werkstückbestimmflächen - Zentrieren

Es ist wieder das Bestimmen nach ein, zwei oder drei Bezugsebenen zu unterscheiden. Auch hier wird versucht die Bestimmebene und die Bezugsebene zusammenfallen zu lassen. Das Bestimmen eines Werkstückes bezüglich seiner Mittelebenen wird auch als zentrieren bezeichnet.

Dementsprechend wird das Zentrieren unterschieden in:
Halbzentrieren: Das Werkstück wird nur bezüglich einer Mittelebene festgelegt
Zentrieren: Das Werkstück wird bezüglich zweier Mittelebenen festgelegt
Vollzentrieren: Das Werkstück wird bezüglich dreier Mittelebenen festgelegt


Abbildung 7: Bestimmen bezüglich einer Mittelebene a) Bezugsebenen b) Bestimmen mit Prisma
Mit einem einfachem Prisma kann das Bestimmen nach einer Mittelebene erfolgen; weit schwieriger ist das Bestimmen nach zwei Mittelebenen. Die exakteste Bestimmung nach zwei Mittelebenen ist mit dem Spannzangenprinzip möglich. Die Werkstückbestimmfläche (Zylindermantel) wird von der Vorrichtungsbestimmfläche (innerer Zylindermantel einer Kegelhülse) umschlossen. Durch die geschlitzte Kegelhülse werden die Durchmesserunterschiede der Werkstücke ausgeglichen. Die beiden Bezugsebenen kommen mit den jeweiligen Bestimmebenen zur Deckung, so dass eine fehlerfreie Bestimmung möglich ist.



Abbildung 8: Bestimmen nach zwei Mittelebenen a) Bezugsebenen b1) Spannzangenprinzip
b2) Doppelprisma
Bei Werkstücken, die an der Mantelfläche bearbeitet werden (z.B. Fräsen einer Nut) kann das Spannzangenprinzip nicht angewendet werden. Hier wird das Werkstück zwischen Zentrierspitzen oder mit Hilfe eines Doppelprismas bestimmt. Treten keine großen Kräfte auf, so ist das Bestimmen mit Körnerspitzen einfacher und vor allem billiger als das Bestimmen mit Doppelprisma.

3.3.2.1 Bestimmen nach Bohrungen

Sehr oft werden Werkstücke nach Bohrungen bestimmt. Bestimmflächen des Werkstücks sind dabei die Mantelflächen der Bohrungen. Als Vorrichtungsbestimmflächen dienen die Mantelflächen zweier Aufnahmebolzen. Dabei muss ein Aufnahmebolzen stets abgeflacht werden, um ein Überbestimmen zu vermeiden. Werden beide Aufnahmebolzen voll ausgeführt, so sind zwei Bestimmebenen in einer Richtung vorhanden (Zwei Mal senkrechten Mittellinien der Bestimmbolzen)


Abbildung 9: Bestimmen nach zwei Bohrungen a) Bezugsebenen b) Bestimmen mit zwei Bolzen

Einfluß der Toleranzen

In den vorherigen Abschnitten wurde gesagt, dass kein Fehler im herzustellenden Maß des Werkstücks auftritt, wenn die Bezugsebene mit der ihr zugeordneten Bestimmebene fehlerfrei zur Deckung gebracht werden kann. Diese Bedingung stellt den anzustrebenden Idealfall dar, der leider nicht immer erreicht werden kann.

Verlagerungen der Bestimmebene gegenüber der fixen Bezugsebene werden sowohl vom Werkstück als auch vom Bestimmelement durch die jeweiligen Fertigungstoleranzen verursacht. Im wesentlichen bestehen die folgende Fehlerursachen:

Maßabweichungen des Werkstücks innerhalb der Toleranzen Formabweichungen des Werkstücks innerhalb der Toleranzen Maßabweichungen im Abstand zwischen der Bezugs - und der ihr zugeordneten Bestimmebene, wenn die Bestimmebene aus Fertigungsgründen eine andere Lage als die Bezugsebene hat Maß - und Formabweichungen der Bestimmelemente

Um den Einfluß der Maß - und Formabweichungen des Bestimmelements (Pkt. 4) in den Werkstückfehlern vernachlässigbar klein zu halten, gilt als Anhaltswert:
Die Toleranzen des Vorrichtungsbestimmelements sind mit 10% der Werkstücktoleranzen zu wählen.

Weiters gilt bezüglich der Größe der Bestimmflächen:
Das Bestimmen ist so vorzunehmen, dass die Bestimmfehler im zu fertigenden Maß kleiner werden. Zu diesem Zweck müssen die Bestimmpunkte soweit wie möglich voneinander entfernt liegen.
Bestimmungen, bei denen zwischen der Bezugs - und der Bestimmebene ein Abstand auftritt, sind nur zulässig, wenn das Werkstück in keiner normalen Bestimmung (im Idealfall sind Bezugs - und Bestimmebene identisch) gefertigt werden kann. Der Abstand A zwischen der Bezugs - und der Bestimmebene muss toleriert werden. Diese Toleranz darf nur einen Bruchteil der Toleranz des Maßes betragen, dem die Bezugsebene zugeordnet ist.


Abbildung 10: Abweichung der Bestimmebene von der Bezugsebene 1 Bezugsebene (Soll) 2 Lage der Bestimmebene in Abhängigkeit vom Größt - und Kleinstmaß(Ist)


Abbildung 11: Einfluß der Arbeitsgangfolge auf das Bestimmen

3.5 Vermeiden des Ãœberstimmens

Das Überbestimmen verursacht falsch bestimmte Werkstücke. Die Folge sind Fehler am Werkstück. Sehr leicht tritt der Fehler des Überbestimmens auf, wenn:

die Werkstückbestimmflächen parallel oder schräg abgesetzt sind das Werkstück in Bohrungen durch Bolzen bestimmt wird

Die durch das Werkzeug verursachten Kräfte und Drehmomente (Kippkräfte und Kippmomente) auf das Werkstück müssen durch entsprechende Gegenkräfte und Gegenmomente ausgeglichen werden - dies geschieht durch Spannelemente.


Abbildung 12: Vermeidung des Überstimmens a) Bezugsebenen b) überbestimmtes Werkstück
c) richtig bestimmtes Werkstück; 1,2 Bezugsebenen, 3 Werkstück, 4 Bestimmelement, 5 Werkzeug

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