1. Einfuehrung in Die Fertigungstechnologie

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  • 1 Elnfhrung in die Fertigungstechnik

    Einfhrung in die Fert igungstechnik(l ntroduction to Production

    1.1 Aufgabe der Fert igungstechnik(Purpose of Production Engineering)

    Aufgabe der Fertigungstechnik ist die Herstellung geometrisch bestimmter fester Kr-per (Werkstcke, Baugruppen, Produkte) mit vorgegebenen Eigenschaften durchAnwendung verschiedener Fertigungsverfahren. Oft besteht die Mglichkeit, das Zielmit unterschiedlichen Fertigungsverfahren zu erreichen.Dann erfolgt die Auswahl eines Verfahrens aufgrund unterschiedlicher Kriterien. Wirt-schaftlichkeit, Produktivitt, Qualitt und Prozesssicherheit kommen dabei die grteBedeutung zu. Aber auch Umweltvertrglichkeit und humane Arbeitsgestaltung sindin die Entscheidung einzubeziehen. Um dem Trend zur Variantenvielfalt gerecht zuwerden, mssen die Fertigungssysteme eine immer hhere Flexibilitt aufweisen.

    Typische Aufgaben im Bereich der Fertigungstechnik sind die Erhhung der Mengen-leistung und der Qualitt sowie die Senkung der Fertigungskosten und die Entwick-lung und Einfhrung neuer Fertigungstechnologien. Die dafr gefundenen Lsungenbeeinflussen den Erfolg eines Unternehmens hufig mageblich.Bereits beim Entwurf und der Konstruktion eines Produktes ist auf eine fertigungsge-rechte Gestaltung zu achten. Der Konstrukteur bestimmt durch seine gestalterischeArbeit den Aufwand, der in Teilefertigung und Montage anfllt. Daher kommt derKenntnis der Fertigungsverfahren im Rahmen der Ingenieurausbildung eine groeBedeutung zu.

    1.2 Geschichtl iche Entwicklung(Historical Development)

    Um 1790 venvendete Prof. Beckmann in Gttingen erstmals das Wort ,,Technolo-gie" fr eine zusammenfassende Beschreibung des Wissens der Herstellverfahren inden verschiedenen Gewerben, den ntzlichen Knsten. In den Jahren zwischen1750 und 1850 entstanden viele technische und organisatorische Neuerungen, dieden bergang von Handarbeit zur Maschinenproduktion kennzeichnen. Der Durch-bruch zur modernen Produktionstechnik erfolgte zuerst in Grobritannien im fhren-

    Engineering)

    Technologie der Fertigungsverfahren I

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    den Zweig der dortigen Wirtschaft, im Textilgewerbe. lm Zuge eines stetigen Wachs-tums kam es hier zu Engpssen in der Rohstoffverarbeitung, die mit der be-stehenden Technik und der Organisationsform der Produktion (Hand- und Hausar-beit) nicht behoben werden konnten. Die Fabrik als neuartige Organisationsform ent-stand. Damit war eine intensive Zerlegung und Kontrolle der Arbeit mglich. Etwagleichzeitig begann die Entwicklung von mechanischen Spinnmaschinen und Ma-schinenwebsthlen.Die Massenproduktion von Textil ien brachte weitere Vernderungen und Aufschwungin vielen Bereichen der Wirtschaft und Technik mit sich. Es kam zu einer Umwlzung,deren Tempo gemessen an der Menge der bis dahin erfolgten technischen Anderun-gen explosiv war; es kam zu der industriellen Revolution. Kennzeichnend fr dieindustrielle Revolution war die zunehmende Substitution von Handarbeit durch Ma-schinenarbeit. Dies fhrte zu einem gesteigerten Energiebedarf, der durch die Ver-besserung der Dampfmaschine durch James Watt (doppelt wirkende Dampfmaschi-ne, um 1776) befriedigt werden konnte.Die Verknappung von Holz als Brenn- und Konstruktionsmaterial fhrte zum Einsatzvon Steinkohle als Energiequelle und Eisen als Werkstoff. Es mussten Verfahren,Maschinen und Werkzeuge entwickelt werden, die der Forderung nach einer wirt-schaftlichen Fertigung und einer grtmglichen Przision der Erzeugnisse geng-ten. Groe Bedeutung bekamen neuentwickelte Drehbnke, Bohrwerke, Hobel- undFrsmaschinen mit durch die Maschine gefhrten Werkzeugen. Auch die Umform-technik profitierte von dem allgemeinen Aufschwung. Es wurden mechanischeSchmiedehmmer und Walzwerke fr die Fertigung von Blechen und Profilen (Ei-senbahnschienen) eingefhrt. Die Maschinen dieser Zeit hatten allerdings noch keineeigenen Antriebe; sie wurden von einer zentralen Kraftmaschine, meist einerDampfmaschine, angetrieben.Die meisten Erfindungen dieser Zeit entstanden ohne den direkten Beitrag der Wis-senschaft. Sie beruhten auf der Arbeit von Erfindern und Konstrukteuren, die sich dienotwendigen theoretischen Kenntnisse meist im Selbststudium erarbeitet haben (2.B.Joseph von Fraunhofer vor 200 Jahren auf dem Gebiet der optischen Przisionsin-strumente). Die akademische Wissenschaft wandte sich nur zgernd der technischenEntwicklungsarbeit zu; es entstanden die Ingenieunryissenschaften.Die Folgen der neuen Technik fr Mensch und Umwelt wurden weitgehend ver-drngt. Kinderarbeit war die Regel. berlange Arbeitszeiten und hohe Arbeitsinten-sitt gepaart mit katastrophalen Lebensbedingungen in den lndustriestdten fhrtenzu einer berdurchschnittl ichen Sterblichkeit unter Fabrikarbeitern, wie eine Volks-zhlung im Jahre 1831 ergab. Diese Bedingungen fhrten zu Auseinandersetzungen,

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    die in harten Arbeitskmpfen endeten. Die zunchst noch rechtlosen Arbeiter schlos-sen sich zusammen: es entstanden die Gewerkschaften.Anfang des 20. Jahrhunderts setzte die Massenproduktion von Gebrauchsgtern(Fahrrder und Nhmaschinen) ein. In den USA begrndete Frederic Winslow Tay-lor die ,,wissenschaftliche Betriebsfhrung". Er wies den Ingenieuren die zentraleRolle im Betrieb zu und erffnete mit seiner Lehre den Ingenieuren neue Perspekti-ven in den Unternehmen. Taylor erkannte, dass eine hohe Produktivitt eine Ausbil-dung der Arbeitskrfte und eine Trennung von geistiger (planender, steuernder) undkrperlicher (ausfhrender) Arbeit verlangt. Darber hinaus fhrte er Arbeits- undZeitstudien ein. Die von Taylor vorgeschlagenen Manahmen zur Arbeitsteilung undArbeitsvereinfachung wurden 1913 von Henry Ford in Detroit in Form der Flie-bandfertigung umgesetzt. Den negativen Folgen (Monotonie, schnelle Ermdung,Verkmmerung nichtgebrauchter Fhigkeiten und soziale lsolation) und der darausfolgenden Fluktuation begegnete er durch die Schaffung von Lohnanreizen.Zunehmend beschftigen sich mehr und mehr Wissenschaftler mit den Folgen derFliebandfertigung und es entstanden Konzepte wie ,,Job Rotation" und ,,Job Enrich-ment". Diese Entwicklung ist heute noch nicht abgeschlossen und fhrt zu neuen Ar-be itsstru ktu ren (G ru ppe na rbe it, Fe rtig u ngszel len ).Weitere entscheidende Schritte in der Produktionstechnik bis zur Gegenwart warendie Dezentralisierung der Antriebe durch die Entwicklung des Elektromotors, dieEntwicklungen der Kommunikationstechnik, die Entwicklungen auf dem Gebiet derSteuerungs- und Regelungstechnik sowie die Entwicklung von elektronischen Da-tenverarbeitungsanlagen. Mit der Entwicklung des Mikroprozessors konnte eine De-zentralisierung der,,lntelligenz" erfolgen, die eine weitere Automatisierung von Ferti-g ungsprozessen ermgl icht.

    1.3 Eintei lung der Fert igungstechnik(Classification of Production Engineering)

    Die industrielle Produktionstechnik lsst sich in die drei Hauptbereiche Energietech-nik, Verfahrenstechnik und Fertigungstechnik unterteilen. Die Energietechnik dientder Energiewandlung und Energieversorgung. Die Verfahrenstechnik beschftigtsich mit der Produktion von Stoffen und dem Wandel ihrer Eigenschaften im formlo-sen Zustand oder als Halbzeug. Die Aufgabe der Fertigungstechnik besteht darin,Werkstcke aus vorgegebenem Werkstoff nach vorgegebenen geometrischen Be-stimmungsgren zu formen und diese zu funktionsfhigen Ezeugnissen zusam-menzusetzen. Hierbei wird eine Wandlung vom Rohzustand in den Fertigzustand

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    vollzogen, der durch Einwirken von Werkzeugen oder Wirkmedien auf das Werkstckerreicht wird. Innerhalb dieser drei Bereiche durchlaufen die Produkte von einemAusgangszustand bis zum Endprodukt verschiedene Zustandsformen.Das Kriterium zur Einteilung der groen Zahl der Fertigungsverfahren ist der Zu-sammenhalt einzelner benachbarter Materialteilchen (Tabelle 1). Dieser muss ersteinmal geschaffen werden (Urformen), er kann beibehalten oder leicht verndertwerden (Umformen, Stoffeigenschaft ndern); er kann vermindert (Trennen) undvermehrt werden (Fgen, Beschichten). Diese Systematik ermglicht die Aufnahmevon neuen Fertigungsverfahren und dient als Basis fr internationale Normung. Sieist in D/N 8580 enthalten. Danach werden alle Fertigungsverfahren in sechs Haupt-gruppen eingeteilt, die in Gruppen und Untergruppen untergliedert werden (Tabelle1 ) .lm Folgenden werden die einzelnen Hauptgruppen nher erlutert:

    Schaffender

    FormAndern der Form

    Andernder Stoffei-genschaften

    Zusammen-halt

    schaffen

    Zusammen-halt beibe-

    halten

    Zusammen-halt vermin-

    dern

    Zusammenhaltvermehren

    Haunfrurne flauptgruppe

    ttt""j::::ff

    Tabelle 1.1: Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN BSA0

    Hauptqruppe 1 - Urformen (Primary Shaping):Urformen ist das Fertigen eines festen Krpers aus formlosem Stoff durch Schaffendes Zusammenhalts. Hierunter versteht man alle Gieverfahren aber auch das Pres-sen und Sintern von Pulver.

    Hauptqruppe 2 - Umformen (Forming):Umformen ist Fertigen durch bildsames (plastisches) Andern der Form eines festenKrpers, wobei sowohl die Masse als auch der Zusammenhalt beibehalten werden.Hierunter versteht man alle Verfahren der Kalt- und Warmumformung, also z.B. dasTiefziehen von Blechen zu Karosserieteilen, das Biegen oder Warmumformverfahrenwie das Schmieden und Strangpressen.

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    Hauptsruppe 3 - Trennen (Separating):Trennen ist das Fertigen durch Andern der Form eines festen Krpers. Dabei wirdder Zusammenhalt rtlich aufgehoben, d.h. im Ganzen vermindert. Die Endform isthierbei in der Ausgangsform enthalten.Untergruppe 1: Zerteilen (2.8. Schneiden, Brechen)Untergruppe 2: Spanen (2.8. Drehen, Bohr