Mechanik
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1 PTS Teil 3 Grundlagen der technischen Mechanik, Werkstoff-und Fertigungstechnik Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 2 Inhaltsverzeichnis Teilgebiete der Mechanik...........................................................................6 Statik..................................................................................................6 Grundbegriffe der Statik (Gleichgewichtslehre)......................................6 Kraft (F)........................................................................................6 Gr€•en und Einheiten der Mechanik bzw. in der Physik.......................6 Vielfache und Teile der SI-Einheiten (Vorsilben)..................................7 Kr‚fte, welche auf paralleln Wirkungslinien wirken.................................8 Zwei gleich gerichtete Kr‚fte ...........................................................8 Das Kraftmoment (M).....................................................................9 Hebelgesetz.................................................................................10 Hebelwirkung bei Auflagerkr‚ften...................................................11 Freiheitsgrade eines K€rpers.............................................................16 Bewegung in der Ebene.................................................................16 Bewegung im Raum......................................................................16 Gleichgewichtsbedingung...............................................................16 Tr‚gheitsgesetz............................................................................16 Freimachen von Bauteilen....................................................................20 Regeln fƒr das Freimachen ...............................................................21 Regel 1:......................................................................................21 Regel 2........................................................................................21 Regel 3........................................................................................22 Regel 4........................................................................................24 Regel 5........................................................................................24 Regel 6........................................................................................24 Regel 7........................................................................................26 Arbeitsschritte beim Freimachen.....................................................26 Reibung „ schiefe Ebene „ Physik.............................................................27 Schiefe Ebene + Reibung....................................................................29 Werkstofftechnik.....................................................................................33 Einteilung der Werkstoffe.....................................................................33 Eigenschaften der Metalle.................................................................33 Eisenmetalle und ihre Eigenschaften:..............................................34 Stahlarten....................................................................................34 Nichteisenmetalle:........................................................................34 Eigenschaften der Schwermetalle...................................................34 Eigenschaften der Leichtmetalle.....................................................34 Hilfsstoffe:................................................................................35 Eigenschaften der Werkstoffe......................................................35 Physikalische Eigenschaften.....................................................35 Dichte (…): Unter Dichte bezeichnet man die Masse pro Volumseinheit:...................................................................36 Schmelzpunkt.....................................................................36 Elastizit‚t:.........................................................................36 Plastisch:...........................................................................36 Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 3 Sprödigkeit:.......................................................................36 Elektrische-und Wärmeleitfähigkeit.......................................36 Technologische Eigenschaften..................................................37 Umformbarkeit:..................................................................37 Trennbarkeit:.....................................................................37 Fügbarkeit eines Werkstoffes:..............................................37 Kristalline Struktur der Metalle.............................................38 Stahl.................................................................................39 Stahlverfahren................................................................39 Stahlarten......................................................................39 Behandlung von Stählen...................................................40 Vergüten........................................................................40 Nichteisenmetalle...............................................................41 Leichtmetalle.....................................................................41 Übersicht der Leichtmetalle...............................................41 Schwermetalle....................................................................42 Übersicht der Schwermetalle.............................................42 Überprüfen Sie Ihr Wissen:...............................................43 Hartmetalle:.......................................................................43 Sinterwerkstoffe:................................................................43 Keramische Werkstoffe ..........................................................44 Oxid-keramische Werkstoffe ................................................44 Nichtoxidische keramische Werkstoffe ..................................44 Bezeichnung von Werkstoffen.....................................................44 Stahlnormen..........................................................................45 Stahlbau:...........................................................................46 Maschinenbaustahl..............................................................46 Unlegierte Stähle................................................................46 Unlegierte Stähle................................................................47 Legierte Stähle...................................................................48 Kunststoffe (Plaste)..........................................................................48 Einteilung der Kunststoffe..............................................................48 Erzeugung...................................................................................49 Polymerisation..........................................................................49 Polykondensation......................................................................50 Anwendung..............................................................................50 Thermoplaste............................................................................50 Duroplaste................................................................................50 Elastomere...............................................................................51 Fragen..................................................................................51 Fertigungstechnik...................................................................................51 Anreißen............................................................................................52 Anreißwerkzeuge.............................................................................52 Sägen................................................................................................52 Anwendung.....................................................................................53 Der Keil.......................................................................................53 Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 4 Sägearten....................................................................................54 Feilen.............................................................................................54 Zahnformen.................................................................................55 Gehauene Feilen........................................................................55 Gefräste Feilen..........................................................................55 Hieb – Hiebarten..........................................................................55 Hiebarten:................................................................................55 Hiebzahl................................................................................56 Feilarten...............................................................................56 Unfallverhütung.....................................................................57 Übungsfragen........................................................................57 Bohren...........................................................................................57 Spiralbohrer.................................................................................57 Spanwinkel...............................................................................58 Spitzenwinkel............................................................................58 Freiwinkel.................................................................................58 Keilwinkel.................................................................................58 Bohrertypen und Werkstoffe ......................................................58 Schnittgeschwindigkeit und Vorschub ..........................................58 Drehfrequenz.........................................................................59 Unfallverhütung.....................................................................59 Senken........................................................................................59 Anwendung..............................................................................59 Senkverfahren..........................................................................60 Unfallverhütung........................................................................60 Reiben.........................................................................................60 Arten.......................................................................................60 Zu beachten:.........................................................................60 Gewindeschneiden...........................................................................60 Anwendung..................................................................................61 Arten...........................................................................................61 Werkzeug ...................................................................................61 Arbeitsweise beim Gewindeschneiden..............................................62 Werkstoff der Gewindebohrer ........................................................62 Arbeitsregeln beim Gewindeschneiden.............................................62 Innengewinde...........................................................................62 Arbeitsauftrag..............................................................................63 Scheren..........................................................................................63 Unfallverhütung und Sicherheitsmaßnahmen beim Scheren...............64 Umformen.......................................................................................64 Techniken der Umformung.............................................................64 Biegen.....................................................................................64 Beachte................................................................................65 Prüfen – Messen..................................................................................65 Prüfen............................................................................................65 Messen...........................................................................................66 Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 5 Definition Meter (m)......................................................................66 Messgeräte..................................................................................66 Messchieber..............................................................................66 Teile.....................................................................................66 Messvorgang.........................................................................67 Messschraube...........................................................................67 Teile.....................................................................................67 Messvorgang.........................................................................67 Messuhren................................................................................68 Winkelmessung.........................................................................68 Winkellehren.........................................................................69 Toleranzen und Passungen.............................................................69 Toleranzen................................................................................69 Passungen................................................................................70 Arten von Passungen..............................................................70 Lehren............................................................................................70 Arten...........................................................................................71 Drehen...............................................................................................71 Bewegungen...................................................................................71 Arten..............................................................................................71 Drehwerkzeuge................................................................................71 Drehmaschinen................................................................................71 Unfallschutz....................................................................................72 Fräsen...............................................................................................72 Fügen................................................................................................72 Verbindungsarten.............................................................................72 Sicherheitsrichtlinien beim Schweißen ............................................73 Literaturliste..........................................................................................73 Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 6 Teilgebiete der Mechanik Statik Dynamik € Fluidmechanik € Festigkeitslehre € Pneumatik € Hydraulik € Festigkeitslehre € Energieumformungen und ihre Umwandlung Die Ergebnisse der Statik bilden die Grundlage für die Festigkeitsrechnung. € € Statik Grundbegriffe der Statik (Gleichgewichtslehre) Kraft (F) Kraft spielt in der Natur eine wesentliche Rolle. Kräfte können statisch (Hoch-und Tiefbau, Brückenbau,......) oder auch dynamisch (Kraftfahrzeuge,.....) wirken. Auftreten können sie als: € Einzelkraft € Kräftepaar € € Wirken können sie € in mehreren Richtungen € gleichgerichtet € entgegen gesetzt gerichtet € verschiedenen Winkel Dargestellt als € Pfeil bzw € Vektor Größen und Einheiten der Mechanik bzw. in der Physik Die Größen und Einheiten sind im so genannten SI-System (Système d'Unités) festgelegt. Mit ihrer Hilfe werden physikalische Eigenschaften, Zustände und Vorgänge in der Natur und in der Mechanik angegeben und auch gemessen. Man unterscheidet bei der Berechnung mechanischer Vorgänge unterscheidet man: Physikalische Größe Zeit (t) Länge (l) Masse (m) = = = = Zahlenwert . Einheit 10 . 1s = 10 Sekunden 3 . 1m = 3 Meter 4 . 1 kg = 4 Kilogramm Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 7 Stromstärke (A) Thermodynamische Temperatur (K) Stoffmenge (mol) Lichtstärke (cd) Kraft (F) Kraftmoment (M) = 6 . 1 A = 6 Ampere = = = = = 7 8 9 5 4 . . . . . 1 K = 7 Kelvin 1 mol = 8 mol (Mol) 1 cd = 9 cd (Candela) 1 N = 5 N (Newton) 1 Nm = 4 Nm (Newtonmeter) Teile Vielfache Vielfache und Teile der SI-Einheiten (Vorsilben) Vorsilben Vorsilbenzeichen Faktor Potenz Tera T Billionenfache 1012 Giga G Milliardenfache 109 Mega M Millionenfache 106 Kilo k Tausenfache 103 Hekto h Hunderfache 102 Deka da Zehnfache 101 Dezi d Zehntel 10-1 Zenti c Hundertset 10-2 Milli m Tausendstel 10-3 Mikro µ Millionstel 10-6 Nano n Millirdstel 10-9 Piko p Billionstel 10-12 Weitere Einheiten des SI-Systems: Kelvin (K) – 00 C entspricht 273,15 K – 0 K bezeichnet den absoluten Nullpunkt (-273,150 C) Kräfte wirken auf einen Körper. Die Kraft kann man als Vektor (Pfeil) darstellen. Dabei müssen 3 Bestimmungsstücke gegeben sein: 1. Betrag der Kraft (Länge des Pfeils – Kräftemaßstab KM) 2. Wirklinie (WL) – wor die Kraft und in welchem Winkel sie wirkt bez. einer Bezugsachse 3. Richtungssinn (Winkel) – Die Pfeilspitze bestimmt den Richtungssinn.. Bauteil mit Kraftwirkung Betrag Richtungssinn Wirklinie Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 8 Kräfte sind demnach gerichtete Größen. Wie Sie aus der Skizze entnehmen können, wirkt auf den Bauteil eine Kraft von links oben nach rechts unten. Der Körper wird in diese Richtung (Pfeilspitze) bewegt. Wir berücksichtigen dabei keine Verformung. Wir nehmen an, dass es sich um einen starren Körper handelt.(Statik der starren Körper) Weiters erkennen wir, dass die wirkende Kraft auf ihrer Wirkungslinie verschoben werden kann, ohne dass sich ihr Betrag und der Richtungssinn ändert. Die Wirkung bleibt immer gleich (Längsverschiebungssatz). Skalare sind nicht gerichtete Größen. Hier genügt zur eindeutigen Bestimmung nur eine Angabe, beispielsweise der Betrag. (Wärme, Temperatur. Masse, Arbeit,.....) Zwei Kräfte (mehrere) können durch eine Kraft, mit derselben Wirkung ersetzt werden. Diese Ersatzkraft bezeichnet man resultierende Kraft (Fr). F2 Fr Wirklinie von Fr F1 Wenn man eine genauere Angabe über die Wirkung von Kräften auf einen Körper tätigen, muss man deren resultierende Kraft konstruieren (zeichnen). Sie ist eine gedachte Ersatzkraft mehrerer Einzelkräfte und entspricht der geometrischen Addition von Pfeilen. In obiger Skizze würde die Kraft F2 mit ihrem Anfangspunkt an den Endpunkt (Pfeilspitze) der Kraft F1 gesetzt werden. Die Ergebniskraft dieser geometrischen Addition würde daher vom Anfangspunkt der Kraft F1 bist zum Endpunkt der Kraft F2 reichen und entspricht der Diogonale der Parallelogramms (Krafteck) Beachten Sie aber: Entweder es wirken die Teilkräfte oder die Resultierende. Gleichzeitig wirken diese Kräfte nie. Kräfte, welche auf paralleln Wirkungslinien wirken Zwei gleich gerichtete Kräfte Betrachten Sie folgendes mechanisches System. A F1 B F2 Wir wollen nun die Resultierende grafisch bestimmen. Wie ist hier vorzugehen. In der Statik wendet man das so genannte Seileckverfahren an. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 WL von Fr 9 l1 B A l2 F1 I F2 1 II 0 2 F1 Hilfskraft 0 S Fr Hilfskraft 1 Pol F2 Hilfskraft 2 Man zerlegt die Kraft F1 in die Hilfskraft 0 und die Hilfskraft 1 (Hilfskraft1 + Hilfskraft 2 = F1) Genauso verfährt man mit F2. Hilfskraft -1 + Hilfskraft 2 = F2. Da die Hilfskräfte gleich groß und gegensinnig sind, heben sie sich auf und es bleibt die Anfangs- und Endhilfskraft 0 und 1 übrig, wobei diese die Teilkomponenten von Fr sind. Der Schnittpunkt der Wirklinien 0 und 2 (S) muss ein Schnittpunkt der Resultierenden sein. I und II bezeichnet man Seilstrahlschnittpunkte. Das Kraftmoment (M) Es wir auch Drehmoment einer Kraft bezeichnet und ist das Produkt aus einer Einzelkraft F und dem Wirkabstand (Hebelarm) l von einem beliebigen Bezugspunkt (Drehpunkt D). Hebelarm un d wirkende Kraft bilden einen rechten Winkel (900). M = F.l Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 10 WL von F D Drehsinn math. negativ (-) Uhrzeigersinn l F Das Kraftmoment M wird in Nm (Newtonmeter) angegeben. Der Drehsinn wird durch das mathematische Vorzeichen bestimmt. Das Drehmoment einer Kraft wird durch ein Kräftepaar (2 parallel entgegengesetzt gerichtete Kräfte ) gebildet. Wenn der Körper frei beweglich ist, wird er dadurch gedreht. F Wirkabstand Drehsinn math. negativ Uhrzeigersinn l (-) F Die Resultierende ist Null. Fr = 0. Beachten Sie nochmals die Drehrichtung: + = Linksdrehung - = Rechtsdrehung Hebelgesetz Das Hebelgesetz besagt, wenn mindestens 2 Kräfte wirken, dass die Summe aller loinksdrehenden Momente gleich der Summe aller rechtsdrehenden Momente ist. Wenn dies der Fall ist, ist das mechanische System im Gleichgewicht. (Lehre vom Gleichgewicht = Statik). ML = MR Wenn wir die Gleichung so umformen, dass ML – (+MR) = 0 entsteht, so bedeutet das, dass die Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 11 Summe aller Drehmomente in einem mechanischen System, wenn Gleichgewicht herrschen soll, Null ist. SM = 0 Weiter vereinfacht F1 . l1 – F2.l2 = 0 Hebelwirkung bei Auflagerkräften (Zerlegen einer Kraft in zwei parallele Kräfte F1 und F2) F F1 F2 l1 l2 Lagerdruck auf die Radachsen eines PKW Lagerung in zwei Punkten. Man ersetzt einen Auflagepunkt durch den Bezugspunkt (Drehpunkt). Man erhält dadurch einen Hebel. Man kann hier die Momentengleichung anwenden. Mr = M1 + M2 + M3 + ..... SM = 0 ML = MR -----> ML +(– M R) = 0 Wir legen einen Drehpunkt (Bezugspunkt) fest.(Angriffspunkt einer Kraft – entweder F1 oder F2). Dieses Kraftmoment ist dann Null (0). l2 (l0) l2 F F Drehpunkt (D) 2 Drehpunkt (D) 2 F1 l1 a) M1 = F1.(l1 + l2) und M2 = F2 .0 l1(l0) F2 b) M2 = F2 . (l2 + l1) und M2 = F1 . 0 Daraus resultiert die Beziehungen F1.(l1 + l2) = F . l2 und F2 . (l2 + l1) = F . l1 Aus diesen beiden Beziehungen lassen sich die beiden Lagerdrücke F1 und F2 bestimmen. Ein umfangreiches Beispiel soll dies erläutern: Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 12 Auf einen Körper wirken 4 parallele Kräfte, wobei jeweils 2 entgegen gesetzt gerichtet sind. an ge no m m en +y D re hp un kt be lie bi g l3 l1 l2 F1 F2 F3 F4 -y l1 = 0,5 m l2 = 0,3 m l3 = 0,2 m l4 = 0 m (weil auf der WL von F4 der Momentendrehpunkt (D) angenommen wird) F1 = 15 N F2 = 40 N F3 = 10 N F4 = 20 N F1 und F2 zeigen nach unten also in die negative Richtung ----> -F1 und -F2. F3 zeigt in die positive Richtung ---> +F3 und F4 wiederum in die negative -----> -F4. S Fnx = 0 S Fny = 0 Mr = S M = 0 Alle vier Kräfte zeigen keinen x-Anteil, sondern nur einen y-Anteil -----> SFny = 0 S Fny = -F1 + (-F2) + (+F3) + (-F4) S Fny = -15 N + (-40 N) + (+10 N) + (-20 N) -----> wir lösen die Klammer auf. S Fny = -15 N – 40 N + 10 N – 20 N Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 13 S Fny = - 65 N Wir ersehen aus dem Vorzeichen, dass die resultierende Kraft Fr nach unten, also in negativer Richtung wirkt. (math. Negativ = Uhrzeigersinn). +y an ge no m m en l0 (Hebelarm von Fr) D re hp un kt be lie bi g l3 l1 l2 F1 F2 F3 F4 Fr -y Die x-Werte der Kräfte sind 0 . Der Betrag einer Kraft (Anwendung des Pythagoras) errechnet sich folgendermaßen: • Fx 2‚Fy 2 = Fr wir setzen ein. Fr = Fr = Fr = • 0 ‚ƒ„65… 2 2 • 0‚4225 • 4225 = 65 ---> da die Kraft nach unten zeigt ist sie negativ -65 N Der Hebelarm l0 gibt die tatsächliche Lage der resultierenden Fr an. Wie errechnet man nun l0? Aus dem Momentensatz lässt sich l0 bestimmen. Da der Momentendrehpunkt (willürlich bestimmt) auf der Wirklinie der Kraft F4 ist, ist das Kraftmnoment der Kraft F4 Null 0. M4 = F4 . 0 = 0 l4 = 0. Die Vorzeichen der Momente kennzeichnen nur den Drehsinn der Kraftmomente aber nicht den Richtungssinn der Kräfte. +Mr = +M1 + M2 – M3 +/- M4 +Frl0 = +F1l1 + F2l2 +(-F3l3) +/- F4l4 +Frl0 = 15N.0,5m + 40N.0,3m +(-10N.0,2m) +/- 0Nm ----> Klammer auflösen und nach l0 lösen. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 14 +65N.l0 = +7,5 Nm + 12 Nm – 2 Nm + 0 Nm 65 N.l0 = 17,5 Nm l0 = 0,2692 m Bei negativem Wert würde die Wirklinie auf der anderen Seite des Momentenbezugspunkt liegen. Ein weiteres Beispiel zur rechnerischen Bestimmung von Drehmomenten, wie beispielsweise bei einer Tretkurbel. D F1 l 2 F2 F1 F1 l 1 l 3 An einer Tretkurbel wirk die Kraft F1 jeweils in drei verschiedenen Stellungen, l1, l2 und l3. Der Momentenbezugspunkt (Drehpunkt) wird im Mittelpunkt der Achse angenommen. In allen Stellungen der Kurbel wirkt die Kraft F1 nach unten. F2 tritt als Folge der Kraftwirkung von F1 auf und ist gleich groß und wirkt entgegengesetzt Wie verändert sich nun das Drehmoment mit fortlaufender Kurbeldrehung? Wir erkennen sofort, dass die Drehmomente M1, M2 und M3 Rechtssinn haben. Sie erhalten daher ein negatives Vorzeichen. F1 = 150 N l1 = 200 mm l2 = 80 mm l3 = 0 mm M1 = -F1.l1 = -150N . 0,2m = -30 Nm M2 = -F1.l2 = - 150N . 0,08m = -12 Nm M3 = -F1.l3 = - 150N . 0 mm = 0 Nm ------> kein Drehmoment. Beachten Sie nochmals, dass der Hebelarm (Wirkabstand) und die wirkende Kraft zueinander im rechten Winkel (900) stehen. Wie sieht das nun aus, wenn die Kraft F1 im Winkel von 450 auf die Tretkurbel wirkt? Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 15 l2 F1 45, 00° F2 l1 Wie groß ist jetzt das Drehmoment, wenn die Kraft unter einem Winkel von 450 auf die Tretkurbel wirkt.? F1 = 150 N l1 = 200 mm a = 450 Wichtig ist, dass der Wirkabstand zur wirkenden Kraft im rechten Winkel (900) steht. Hier sind die Winkelfunktionen im rechtwinkeligen Dreieck gefragt. Erinnern wir uns an die Mathematik: Gegenkathete Wir erkennen, dass die gerichtete Größe F1, der normale Wirkabstand l2 Hypothenuse und l1 ein rechtwinkeliges Dreieck bilde, bei dem l1 die Hypothenuse ist. Die beiden Katheten sind l2 und F1, wobei l2 die Gegenkathete zum Winkel von 450 ist. Somit ist es möglich, die Winkelfunktionsgleichung aufzustellen: sin a = sin a = l2 ---> daraus kann man den normalen Wirkabstand l2 ermitteln ----> umformen. l1 l2 = sin a . l1 l2 = sin 450 . 0,2 m l2 = 0,14 m Erst jetzt kann das Drehmoment bestimmt werden: M = F1 . l2 Professionell würde die Gleichung so aussehen: M = F1 . sin a . l1 M = 150 N . 0,14 m M = 21,21 Nm Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 16 Freiheitsgrade eines Körpers Ein wesentliches Faktum der Statik ist zu wissen, wie sich Körper in der Ebene und im Raum bewegen. Diese Forderung bezeichnet die Statik „Freiheitsgrade“. Bewegung in der Ebene Ein Körper kann sich in der Ebene in Richtung der x-Achse und z-Achse bewegen, verschieben. Wir sprechen von einer Translation. Um die y-Achse kann sich der Körper drehen (Rotation). Der Körper besitzt in der Ebene 3 Freiheitsgrade. Bewegung im Raum Im Raum kann sich der Körper in die x,z und y-Richtung (Koordinatensystem) bewegen (verschieben – Translation) und auch um die drei Achsen (x, y, z) drehen (Rotation). Demnach besitzt der Körper im Raum 6 Freiheitsgrade. Bei einer Translation (Verschiebung) eines Körpers muss auf ihn eine Kraft F wirken. Wenn er gedreht wird, wirkt ein Kraftmoment M auf ihn. Wir er verschoben und gedreht, wirken beide auf ihn, Kraft und Kraftmoment. Gleichgewichtsbedingung Diese Erkenntnis hat für das Gleichgewicht (Statik) eine wesentliche Bedeutung. Ein Körper ist dann im Gleichgewichtszustand, wenn die Summe aller Kräfte in der x-Richtung (xAchse) Null ist, die Summe aller Kräfte in der y-Richtung (y-Achse) Null ist und die Summe aller Kraftmomente um die z-Achse Null ist. Der Körper bewegt sich nicht. SFx = 0 SFy = 0 SM = 0 Trägheitsgesetz Jeder Körper ist bestrebt, den Zustand, den er in diesem Moment einnimmt, beizubehalten. Diese Erkenntnis formierte der italienische Physiker Galileo Galilei (1564 – 1642). Ein weiteres Beispiel zum Krafteck – Gleichgewichtszustand. Zwei Kräfte F1 und F2 wirken im Angriffspunkt unter einen Winkel von 1200. a) Berechnen Sie die Resultirende Fr und (Summenkraft) b) den Winkel der Resultierenden Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 17 y KM: 1cm = 1kN F2 1 2 0 ,0 0 ° x F1 Zeichnerisch ist die Resultierende durch eine Vektoraddition leicht festzustellen. KM: 1cm = 1kN y F2 120,00° Fr x F1 79,74° Rechnerische Lösung: a) F1 (2/0) Koordinaten 2 2 F1 = • F 1x F1y = sin a. F1 F1x = cos a . F1 ‚• F 1y 2 2 0 F1 = • 2 ‚0 F1y = sin 0 . 2000 N F1x = cos 00 . 2000 N F1y = 0 . 2000 N F1x = 1 . 2000 N F1 = • 4 F1 = 2 kN F1y = 0 N F1x = 2000 N = 2 kN F1x = 2 kN F1y = 0 kN b) F2 Koordinaten sind derzeit nicht bekannt – bekannt ist aber der Winkel. F2 F2y 60,00° F2x Um die Koordinaten berechnen zu können, bedarf es der Anwendung der Winkelfunktionen. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 18 F2 = 3 kN a = 600 (1800 – 1200) sin a = Gegenkathete Hypothenuse sin a = F 2y -----> umformen und nach F2y lösen. F2 F2y = sin a . F2 F2y = sin 600 . 3 000 N F2y = 0,8660 . 3000 N F2y = 2598,076 N = 2,6 kN Jetzt kann noch die fehlende x-Komponente berechnet werden cos a = Ankathete Hypothenuse cos a = F 2x F2 F2x = cos a . F2 F2x = cos 600 . 3000 N F2x = 0,5 . 3000 N F2x = 1500 N = 1,5 kN Nun müssen alle Fx und Fy zusammengezählt werden: (Summenbildung) SFx = F1x + (-F2x ) S Fx = 2000 N - 1500 N SFx = 500 N SFy = F1y + F2y S Fy = 0 N + 2598,076 N S Fy = 2598,076 N = 2,6 kN Jetzt wenden wir den Pythagoras an: Fr = • Fx 2‚Fy 2 Fr = • 5002 ‚2598,076 2 Fr = • 250000‚6749998,902 Fr = • 6999998,902 Fr = 2645,75 N = 2,65 kN Kürzer wäre der Kosinussatz. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 19 Ein weiteres Beispiel Eine Getriebewelle wird im Punkt A gelagert. Für das Lager wurde vermittels der Gleichgewichtsbedingungen (statischen) die Stützkraftkomponenten FAx = 5000 N und FAy = 470 N berechnet. Es soll die Lagerkraft FA berechnet werden, damit die Lagerabmessungen bestimmt werden können. Skizze: y x A FAx FAy z Lösung: Mit Hilfe des Verschiebungssatzes (Längsverschiebungssatz) verschiebt man die beiden Kräfte in ein rechtwinkeliges Koordinatensystem, wobei der Punkt A der Koordinatenursprung ist. y FA FFAy € FAx x Der Betrag der Kraft wird durch die Anwendung des Pythagoras bestimmt. FA = • Fax 2‚Fay 2 FA = • 50002 ‚470 2 FA = • 25000000‚220900 FA = • 25220900 FA = 5022,04 N Auch der Richtungswinkel ist von Bedeutung: Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 20 a = arctan = F Ay F ax a = arctan = 470N 5000N a = arctan = 0,09 (im Bogenmaß arcus (lat) der Bogen) Auf dem Taschenrechner muss man daher Tan-1 einstellen um ins Gradmaß zu gelangen a = 5,140 Freimachen von Bauteilen Eine wesentliche Aufgabe der Statik ist das Freimachen von Bauteilen, an denen Kräfte wirksam sind. 1 2 Der Bauteil 1 wirkt auf die Oberfläche des Bauteils 2 und umgekehrt. 1 F2auf1 A F1 auf 2 M 2 A: Oberfläche der Bauteile (Berührungsfläche) M: Mittelpunkt des Bauteils 2 Der Bauteil 1wirkt auf die angrenzende Berührungsfläche mit Oberflächenkräften, die sich im Mittelpunkt der Berührungsfläche A denkt.. Die Oberflächenkräfte werden auch Außenkräfte bezeichnet. Auf die Oberfläche des Körpers 1 wirkt die Oberflächenkraft des Körpers 2 (F21). Ebenso wirkt die Oberflächenkraft des Körpers 1 auf den Körper 2 (F12). Das Prinzip Actio est Reactio (Galeleos Galiei) kommt hier zum Tragen. Ein wesentliche Kraft ist auch die Volumskraft, welche als Gewichtskraft (FG) wirkt. Die Ursache dieser Kraft ist das Schwerefeld der Erde (Feldkraft bezeichnet). Die Aufgabe der Statik ist es, alle angreifenden Kräfte richtig zu erfassen. Der Prozess des Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 21 Erfassens aller angreifenden Kräfte wird als „Freimachen“ bezeichnet. Freimachen bedeutet daher, dass der freizumachende Körper stückweise von den Nachbarbauteilen befreit wird. An den Berührungsstellen werden diejenigen Kräfte eingezeichnet, die vom weggenommenen Körper auf den freigemachten Körper wirken. Man bezeichnet auch diesen Vorgang als „Freischneiden“. Regeln für das Freimachen Regel 1: An Seilen aund anderen beweglichen Körpern treten nur Zugkräfte in der Seilrichtung auf. Sie können auch Zugkräfte aufnehmen. Seil Haken Gewicht Die benachbarten Teile bezogen auf den Haken sind das Seil und Gewicht, welches am Haken hängt. Beim Freimachen des Hakens müssen daher das Seil und dann der Haken weggenommen, also der Haken wird frei gemacht, werden. An den Berührungsstellen werden dann nur mehr ihre Kraftpfeile eingezeichnet. Seilkraft freigemachter Haken Gewichtskraft Mit beweglichen Bauteilen kann man keine Druckkraft auf andere Körper ausüben. Zuerst wird das Gewicht weggenommen und an dessen Berührungspunkt der Kraftpfeil der Gewichtskraft FG gezeichnet. Danach nimmt wird das Seil weggenommen und an dem Berührungspunkt der Kraftpfeil der Zugkraft FZ gezeichnet. Damit Gleichgewicht herrscht, müssen die Zugkraft und die Gewichtskraft gleich sein (Achtio est Reactio) FZ = FG. Regel 2 An Stäben, die an zwei Stellen (Anfang, Ende) ein Gelenk besitzen, können Zug-oder Druckkräfte wirken. Sie heißen Zweigelenkstäbe. Sie dürfen an keinen anderen Stellen Kräfte aufnehmen, sondern nur an den Gelenkspunkten, welche die Kraftangriffspunkte sind. Gleichgewicht herrscht dann vor, wenn sie eine gemeinsame Wirklinie haben und durch die beiden Gelenkspunkte Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 22 (Angriffspunkt der Kraft) verlaufen. Befestigungsplatte Gelenk Zweigelenksstab Gelenk Zuerst die Platte wegnehmen und an den Berührungspunkten die Druck bzw. Zugkraft einzeichnen. Die Gelenke wegnehmen (wegschneiden) und auch hier an den Berührungspunkten (Angriffspunkte der Kräfte) die Kraftpfeile zeichnen. Wi r kl i ni e Zugkr af t Dr uckkr af t Dr uckkr af t Zugkr af t Regel 3 An ebenen Stützflächen können Normalkräfte sowie Tangentialkräfte aufgenommen werden. FG Berührungsfläche FN Der Körper übt eine Kraft (FG) auf die Berührungsfläche aus und umgekehrt an der Berührungsfläche wird einen gleichgroße (Gleichgewicht) Kraft die Normalkraft (FN ) auf den Körper ausgeübt. Wenn sich die Berührungsfläche neigt bzw. auf den Körper eine Kraft ausgeübt wird, dann wird auch eine so genannte Tangentialkraft aufgenommen. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 23 n Berühru FG e gsfläch schiefe Ebene FT FN Wir sehen ganz deutlich, dass die Gewichtskraft (FG) und die Normalkraft (FN) nicht im Gleichgewicht sind (nicht auf derselben Wirkungslinie). Der Körper würde abwärts rutschen, wenn ihn nicht die Tangentialkraft (FT) daran hindern würde. Die Tangentialkraft wird durch die Reibung (Reibungskraft FR) verursacht. FT = FR. Die Tangentialkraft wirkt der Bewegung entgegen. Wie sieht das Problem aus, wenn auf dem Körper, der sich auf einer ebenen Fläche, die nicht schief ist, eine Kraft ausgeübt wird, die ihn verschiebt.? v F Der Körper wird auf seiner Unterlage mit einer bestimmten Geschwindigkeit (v) bewegt. Die Ursache ist die Verschiebekraft F. Wir erkennen, dass sich zwei Bauteiel auf ihrer Berührungsfläche gegeneinander bewegen (gleiten). Es wirkt dabei immer eine Tangentialkraft (FT) , die gleich der Reinungskraft (TR) ist. Durch Freimachen erkennt man die Kräftesituation wesentlich besser. F FN FR = FT FR = FT FN FG Durch das Einwirken der Verschiebekraft haben die Normalkraft (FN) und die Gewichtskraft (FG) nicht mehr die selbe Wirklinie. Die Verschiebekraft (F) und die Tangentialkraft und Reibekrafct (FR = FT) bilden ein Kräftepaar und drehen den Körper nach rechts (Rechtssinn). Ein Kräftepaar, wie oben erwähnt, ist die Ursache eines Kraftmomentes (M). In diesem Fall rechtsdrehendes Kraftmoment (MR). Die Normalkraft (FN) und die Gewichtskraft (FG) bilden ebenfalls ein Kräftepaar und drehen den Körper nach links. Sie erzeugen ein linksdrehendes Kraftmoment (ML). Damit, im Sinne der Statik, Gleichgewichtszustand herrscht, muss das rechts drehende Kraftmoment gleich dem links drehenden Kraftmoment sein. MR = ML ----> MR + (-ML) = 0. (Hebelgesetz). Die Summe aller Momente muss Null sein S M = 0. Im Regelfall ist das Bauteil, welches langsamer bewegt wird, ein ruhender Teil gegenüber dem schneller bewegten. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 24 Regel 4 Kräfte auf Rollkörper, aslo gewölbte Stützflächen nehmen immer Radial-und Tangentialkräfte, deren Wirklinie durch den Berührungspunkt und den Mittelpunbkt des Rollkörpers verläuft. Die Radialkräfte wirken stets auf den Berührungspunkt am freigemachten Körper. Jetzt machen wir den Körper frei. Die Unterlage entfernen wir. Berührungspunkt FR Wir sehen, dass die Radialkraft FR genausao wie die Normalkraft wirkt. Daher sind die beiden Begriffe gleichwertig zu betrachten. Tangentialkräfte treten auf ruhenden Rollkörpern unter den gleichen Bedingungen wie auf Berührungsflächen auf. (Regel 3). Die Tangentialkräfte (FT) stehen demnach rechtwinkelig zu den Radialkräften. Regel 5 Einwertige Lager (Loslager) Einwertige Lager können nur eine Kraft, die Normalkraft FN aufnehmen. Die Normalkraft wirkt auf den freigemachten Lagerpunkt zu. bewegbar FN FN Bewegbar in 2 richtungen – Die Wirklinie der Lagerkraft ist bekannt, wobei der Betrag nicht bekannt ist. 1 Freiheitsgrad ist gesperrt, daher einwertiges Lager. Regel 6 Zweiwertige Lager (Festlager) Bei zweiwertige Lager sind 2 Freiheitsgrade gesperrt. Die Lagerkraft ist in 2 Komponenten Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 25 aufgeteilt, in eine x-Komponente (horizontal) Fh bzw. Fx und in eine y-Komponente (senkrecht) Fv bzw. Fy. B F A Lager B ist ein einwertiges Lager und Lager A ein zweiwertiges Freimachen des Systems Angriffpunkt FB F Angriffspunkt Fx FA Fy Auf das Lager B wirkt die Normalkraft FN (Bewegungsprobe – welche Freiheitsgrade sind gesperrt?) Die Lagerkraft FA ist in zwei Kraftkomponenten Fx und Fy geteilt. (Bewegungsprobe – welche Freiheitsgrade sind gesperrt?) Jene Freiheitsgrade, die gesperrt sind – nehmen die Kräfte auf. Bei Lager B ist ein Freiheitsgrad gesperrt, daher wird eine Kraft, die Normalkraft FN aufgenommen. Bei Lager A sind 2 Freiheitsgrade gesperrt, daher werden 2 Kraftkomponenten der Lager Kraft A, also Fx und Fy aufgenommen. Die Lagerkraft FA wird in zwei rechtwinkelige Kraftkomponenten ersetzt, Fx und Fy. Den Richtungssinn Lagerkraftkomponenten Fx und Fy nimmt man einmal an. Erst bei der Berechnung ergibt sich durch das Vorzeichen der Richtungssinn. Bewegungsprobe: Beim zweiwertigen Lager bewegt sich das gelagerte Bauteil mit, hingegen beim einwertigen bleibt es in Ruhe. In der Technik werden Träger, Wellen,.....die auf zwei Stützen gelagert sind, immer mit einem Festlager versehen, um Längsverschiebungen zu verhindern. Zweiwertige Lager können Kräfte aus jeder beliebigen Richtung aufnehmen. Beim Freimachen ist daher die Wirklinie nicht immer eindeutig feststellbar. Gelöst wird dieses Problem in den meisten Fällen, dass man (Parallelogrammsatz anwenden) zwei rechtwinkelig aufeinander stehende Wirklinien der beiden Komponenten zeichnet. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 26 Regel 7 Dreiwertige Lager Bei dreiwertige Lager sind alle drei Freiheitsgrade (in der Ebene ) gesperrt. Daher können sie 3 Kräfte aufnehmen, wobei die Festlager eben 2 Kraftkomponenten aufnehmen können. Die dritte Kraftkomponente ist das so genannte Kraftmoment (Drehmoment) Wand fest eingespannter Träger F l Freimachen: Alle benachbarten Bauteile entfernen – hier die Mauer. Kraftmoment (Drehmoment) FAx = Fx A M= Fy l FAy= Fy B F x l Fy F Hier treten drei Unbekannte auf: Wirklinie und Betrag der Lagerkraft, Betrag des Kraftmoments (Einspannmoment). Arbeitsschritte beim Freimachen Richtiges Freimachen ist die Voraussetzung für die richtige zeichnerische und rechnerische Lösung in der Statik. € Lagerskizze des freizumachenden Bauteils € Kraftangriffspunkte (Berührungspunkte mit den Nachbarbauteilen) € Wirklinien der wirkenden Kräfte – Regeln beachten € Richtungssinn für alle Kraftpfeile festlegen. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 27 Reibung – schiefe Ebene – Physik Ein Körper drückt mit seiner Gewichtskraft FG auf eine horizontale Fläche, wobei eine gleichgroße Gegenkraft, die Normalkraft FN von der Unterlage gegen den Körper wirkt (Prinzip der Statik Gleichgewicht). Der Körper wird durch eine Kraft F mit konstanter Geschwindigkeit v bewegt. Wenn eine Kraft F längs eines Weges s wirkt, wird Arbeit W verrichtet. v FG F Wir machen den Körper frei: (Alle benachbarten Körper entfernen – nur die Angriffspunkte der Kräfte zeichen FK = Freikörper) v FG FR (Reibkraft) F FN Wir sehen, dass FG und FN ein Kräftepaar bilden; auch F und FR bilden ein Kräftepaar. Wir wissen, dass Kräftepaare den Körper drehen wollen (sie erzeugen ein Kraftmoment). Das Kippproblem beachten wir jetzt nicht. Wenn der Körper verschoben wird, muss die Reibkraft FR überwunden werden. Sie wirkt stets tangential. Nun zeichnen wir das Kraftdreieck (Kräfteplan) FR FG Resultierende (Ersatzkraft) FN € F Der Kräfteplan zeigt uns die 4 im Gleichgewicht stehenden Kräfte. Wenn man die Reibkraft FR verändert, so ändert sich auch der Winkel zwischen FN und der Ersatzkraft (Resultierenden). FR und FN bilden ein rechtwinkeliges Dreieck. In diesem kann man die Winkelfunktionen anwenden. Das Seitenverhältnis FR : FN (FR zu FN) heißt Tangens des Winkels a. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 28 tan a = FR -----> daraus kann man nun FR berechnen. Wir lösen die Gleichung nach FR auf.. FN Die Reibkraft FR ist der Tangensfunktion dieses Winkels proportional (Je größer – desto größer) Seine Tangensfunktion wird als Reibzahl µ bezeichnet und ist immer kleiner als 1. Reibzahl • = tan a Die Reibkraft FR ist immer ein Bruchteil der Normalkraft FN. FR = FN . tan a Reibkraft FR = Normalkraft FN . Reibzahl • Die Reibzahl wird durch Versuche ermittelt. FR € FN FG € Krafteck zeichnen € FR FN = FG . cos € FN FG FR = F G . sin € € Gegenwinkel sind immer gleich groß sin a = FR = FG Gegenkathete -----> FR = FG . sin a Hypothenuse Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 29 cos a = FN = FG Ankathete -----> FN = FG . cos a Hypothenuse FR = tan a = µ FN Schiefe Ebene + Reibung Nochmals wiederholt: FR = FN . Reibzahl µ Nun zum Beispiel lt. Blatt: 1c) Eine Straße der Länge 100m hat einen Neigungswinkel 120. Welche Kraft kann einen Wagen von 1,65t Masse in konstanter Geschwindigkeit aufwärts bewegen, wenn die Reibzahl µ=0,6 beträgt? Welche Gesamtarbeit ist dazu nötig? Trigonometrische Lösung: 1.Schritt: Lageskizze zeichnen F FN FR FG 90,00° FG = m . g Ich habe g gerundet auf 10 m.s-2 . (9,81) m = 1,65t = 1650 kg FG = 1650 . 10 = 16500 N 2.Schritt: Krafteck zeichnen: Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 30 F FR FN € Fe FG Zwischen FN und der Ersatzkraft Fe liegt immer der Reibwinkel. Zuerst zeichnet man die Normalkraft FN in Normalrichtung zur schiefen Ebene und schließt rechtwinkelig die Reibkraft FR in beliebiger Länge an. Beide werden dann zur Ersatzkraft Fe zusammen gefasst. Beachte aber dass zwischen der FN und der FG immer der Ebenenwinkel, also der Winkel der schiefen Ebene liegt.(a) Hier bei unserem Beispiel 120. Betrachten wir nun diese Skizze: F h FN Fh FG l Wenn der Körper mit einer konstanten Geschwindigkeit hinauf bewegt wird, zerlegt sich die Gewichtskraft FG in zwei Teilkräfte. Die parallel und rechtwinkelig zur geneigten Ebene wirken. Wir setzen jetzt einmal voraus, dass die Reibung nicht berücksichtigt wird. Es muss daher nur die Hangabtriebskraft Fh =F längs des Weges l überwunden werden. Die aufgewendete Arbeit W1 = F.l. Es wird dabei der Körper aber um die Höhe h gehoben – Hubarbeit W2 = FG . h. Aufgewendete Arbeit = gewonnene Arbeit (Hubarbeit) W1 = W2. Die längs der geneigten Ebene (schiefe Ebene) verrichtete Arbeit ist gleich groß wie die zum Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 31 senkrechten Heben erforderliche Hubarbeit. Grundformel: F . l = FG .h ---- daraus kann die erforderliche Zugkraft F errechnet werden. F = FG . h l h = sin € l l = L•nge der schiefen Ebene (Kraftweg) Jetzt mit Reibung: F FR € l F FR FH FN FG ‚ ƒ Zugkraft Reibkraft Hangabtriebskraft Normalkraft Gewichtskraft Reinzahl Neigungswinkel FH h FN FG = 1650 kg. 10 ms-2 = 16500 N = 0,6 = 120 Aufwärtsbewegung F = ? (Zugkraft) F = FG . (‚ . cos € + sin €) ƒ pi.120 … F = 16,5 kN (0,6 + ) Bogenma„ 180 0 F = 16,5 kN .(0,6 + 0,21) F = 16,5 kN . 0,81 F = 13,365 kN = 13 365 N Arbeit = Kraft * Kraftweg W=F.l W = 13 365N . 100m W = 1336500 Nm Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 32 W = 1,34 MNm Auch mit den normalen Gleichgewichtsbedingungen ist es möglich, die Zugkraft F zu ermitteln: x-Achse F y-Achse € x FR FN y € € FG a – Ebenenwinkel – Reibwinkel FR - Reibkraft FG – Gewichtskraft FN – Normalkraft F - Zugkraft - parallel zur schiefen Ebene I: II: SFx = 0 SFy = 0 Anwendung der Winkelfunktionen (Trigonometrischen Funktionen) sin a = x = FG Gegenkathete ----> x = FG . sin a Hypothenuse cos a = y = FG Ankathete -----> y = FG . cos a Hypothenuse FR = FN . µ FN = FG . cos a FR = FG . cos a . µ Einsetzen der Beziehungen in die beiden Gleichungen I und II: (Richtungssinn beachten Vorzeichen) I: I: SFx = 0 = F + (-x) + (- FR) SFx = 0 = F + (- FG . sin a) + (-FN . µ) Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 33 I: SFx = 0 = F + (- FG . sin a) + (-FG . cos a . µ) -----> Klammer auflösen I: SFx = 0 = F - FG . sin a -FG . cos a . µ -----------------------------------------------------------II: II: SFy = 0 = FN + (-y) SFy = 0 = FG . cos a + (- FG . cos a) ----------------------------------------------------------- Gleichung I nach F auflösen: I: I: I: 0 = F - FG . sin a -FG . cos a . µ FG . sin a + FG . cos a . µ = F -------------> FG heraus heben FG ( sin a + cos a.µ) = F a – Winkel der schiefen Ebvene (Ebenenwinkel) µ – Reibzahl Wie man sieht, kommt man auch auf diesem Weg zum selben Ergebnis wie bei der trigonometrischen Vorgangsweise. Werkstofftechnik Einteilung der Werkstoffe Werkstoffe Nichtmetalle Metalle Eisenmetalle (Fe) Nichteisenmetalle Kunststoffe Naturstoffe Keramik Eigenschaften der Metalle € € € € Bei 200 C Raumtemperatur fester Aggregatzustand, wobei Quecksilber (Hg) eine Ausnahmen bildet. Hohe Festigkeit und Zähigkeit gute Elektrizitätsleiter und Wärmeleiter Glänzende Struktur und Reflexionsvermögen ------> hohe Dichte Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 34 € Kristalline Struktur Eisenmetalle und ihre Eigenschaften: € € Eisenanteil (Fe Ferrum) Kohlenstoffgehalt (C – Carboneum) Stahl ist Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 2% Stahlarten € € Baustahl Werkzeugstahl Nichteisenmetalle: Leichtmetalle Schwermetalle Kupfer (Cu) Blei (Pb) Zinn (Sn) Zink (Zn) Gold (Au) Silber (Ag) Platin (Pt) Aluminium (Al) Magnesium (Mg) Titan (Ti) Eigenschaften der Schwermetalle € Hohe Dichte > 4,6g/cm3 Eigenschaften der Leichtmetalle € Geringere Dichte < 4,6 g/cm3 Nichtmetalle Keramik Glas Naturstoffe Holz Stein Leder Gummi Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk Kunststoffe Thermoplaste Duroplaste Elastomere 2007/08 35 Hilfsstoffe: € Betreibsstoffe: † Brennstoffe: ‡ Erd…l ‡ Erdgas ‡ Kophle † Treibstoffe: ‡ Benzin ‡ Gas…l /Diesel… ‡ Kerosin € Schmierstoffe: † †le † Fette Reinigungsmittel: † Wasser † Sand † Beize † Seife Schleifmittel: † Schmirgel (Schmirgelpapier) † Korund (Korundscheiben) † Diamant (Kohlenstoff) L…tmittel: † L…twasser † L…tfett † Borax Gase: † Schwei„gas (autogenes Schwei„en) † Schutzgas K‡hlschmiermittel: † Schneid…le † Emulsionen € € € € € Eigenschaften der Werkstoffe € Physikalische € chemische € technologische Physikalische Eigenschaften Wenn ein Werkstoff seinen Zustand •ndert, bezeichnet man diese ˆnderung eine physikalische, weil der Stoff gleich bleibt. Es •ndert sich nur sein Zustand. Auch die Beschreibung des Zustandes z•hlt man zu den physikalischen Eigenschaften. Aus dieser ‰berlegung k…nnen genaue Messwerte erfasst und beschrieben werden: € Dichte (Š) Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 36 € € € € Schmelzpunkt Elastizit•t Plastisch Spr…de Dichte (‚): Unter Dichte bezeichnet man die Masse pro Volumseinheit: Masse m = Volumseinheit V g kg [m] in [Š] = 3 oder [V ] cm dm3 Š= Schmelzpunkt Der ‰bergang vom festen in den fl‡ssigen Zustand wird als Schmelzen bezeichnet. Der Punkt, an dem das geschieht hei„t Schmelzpunkt. Man aber beachten, dass reine Stoffe einen exakten Schmelzpunkt haben. Schmelzpunkt einiger Stoffe: € Eisen (Fe): 15360 C € Aluminium (Al): 6590 C € Kupfer (Cu): 10830 C Bei Stoffgemischen, wie beispielsweise Legierungen darstellen gibt es nur einen Temperaturbereich, in dem sie weich werden bzw. schmelzen. € Messing (Cu-Zn-Legierung) Zn-Zink: 9000 C ‹ 10000 C. Elastizitƒt: Nach der Verformung nimmt der Werkstoff seinen Ausgangszustand wieder ein. Plastisch: Unter Krafteinwirkung verformt sich der Werkstoff und beh•lt seine Form bei. Er geht nicht mehr in den Ausgangszustand zur‡ck. Spr„digkeit: Unter Krafteinwirkung brechen die Werkstoffe, ohne sich entscheidend zu verformen. Elektrische-und Wƒrmeleitfƒhigkeit Eine wesentliche physikalische Eigenschaft ist bei Metallen die: € Elektrische und die € W•rmeleitf•higkeit Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 37 Spezielle Metalle besitzen auch eine Magnetisierbarkeit. Ein enorm wichtiges Faktum bei der Beurteilung von Werkstoffen ist die Festigkeit: € € € € € Zugfestigkeit Druckfestigkeit Scherfestigkeit Torsion (Festigkeit gegen Verdrehen in Richtung der Längsachse) Biegefestigkeit Auch die Härte eines Werkstoffes gibt Aufschluss über die Beschaffenheit. Dabei wurden in der Technik eigene Prüfverfahren entwickelt, die Werkstoffprüfung: € Härteprüfung € Festigkeitsprüfung Technologische Eigenschaften € € € Umformbarkeit Trennbarkeit Fügbarkeit Umformbarkeit: Weder durch Biegen, Ziehen, Walzen, Schmieden oder Pressen ist die Form des Werkstoffes zu verändern. Trennbarkeit: Beim Trennen veränder sich die Form des festen Werkstückes, wobei hier spanende Verfahren angewendet werden. Unter Spanen versteht man das Abtrennen von Stoffteilchen, was beispielsweise beim Sägen, Bohren, Drehen (Drehbank), Fräsen (Fräsmaschine) oder Schleifen geschieht. Gutspanende Werkstoffe sind meist unlegierte und auch niedriglegierte Stähle. Eine Legierung ist ein Metall, welches aus mehreren Werkstoffen im flüssigen Zustand besteht. Im flüssigen Zustand werden verschiedene Metalle verbunden (Messing = Cu-Zn) Fügbarkeit eines Werkstoffes: Unter Fügen versteht die Verbindung von midestens zwei Werkstoffen miteinander: € Löten € Schweißen € Kleben € Nieten € Falzen Schweißbare Werkstoffe sollten folgende Eigenschaften besitzen: € gut schmelzbar Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 38 € € € geringe Wärmeleitfähigkeit geringe Oxidationsschichtbildung keine Rissbildung durch Wärmespannungen Dazu zählt man: € € unlegierte und legierte Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt Kupferlegierungen Kristalline Struktur der Metalle Alle Metallen besitzen in ihrem Atomaufbau kristalline Struktur. Sie siend so genannte Kristalle. Bei einem Kristall sind die Atome nach geometrischen Gesetzmäßigkeiten aufgebaut. In der Natur hat man derzeit 6 Kristallsysteme festgestellt: € € € € € € kubische rhombische trigonale hexagonale monokline trikline Die Metalle besitzen in der Regel : € ein kubisch-raumzentriertes und € ein kubisch-flächenzentriertes Kristallsystem € hexagonales Kristallgitter Kubisch-raumzentriertes Kristallgitter: Die Atome sind an den Eckpunkten und in der Raummitte sehr eng angeordnet. Sie bilden einen Würfelstruktur (Kubus): 0 € Eisen (Fe) bei 911 C 0 € Eisen (Fe) über 1393 C € Chrom (Cr) € Wolfram € Vanadium Kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter: Hier sind die Atome in der jeweiligen Seitenflächemitte und an allen Eckpunkten des Würfels angeordnet: 0 € Eisen (Fe) oberhalb 911 C € Kupfer (Cu) € Nickel (Ni) € Aluminium (Al) Hexagonales Kristallgitter: Die Atome bilden hier ein sechseckiges Prisma, ein Hexagon, wobei ein Atom in der Grundfläche und eines in der Deckfläche, sowie drei Atome innerhalb des Prismas sich befinden. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 39 Die kristalline Struktur der Metalle sind wesentlich für die physikalischen und technologischen Eigenschaften der Metalle verantwortlich, wie beispielsweise Härte, Festigkeit, Magnetisierbarkeit ,Zerspanbarkeit und Umformbarkeit. Beim Schmelzen von Metallen zerbricht bei einer bestimmten Temperatur die Kristallstruktur, die Atome lösen sich aus dem Kristallgitter heraus. Die Kristallstruktur baut sich wieder beim Erstarren auf. In der Technik eignen sich die Eigenschaften reiner Metalle nicht sehr gut. Daher schmilzt man verschiedene Metalle zusammen. Solche Stoffgemische bezeichnet man Legierungen. Legierungen sind Stoffgemische, die aus zwei oder mehreren Metallen bestehen können. Sie entstehen aus einer gemeinsamen Schmelze, in der alle Ausgangsstoffe gelöst sind. Stahl Ausgangsstoff aller Eisenmetalle ist das Eisenerz. Erze sind metallhältige Mineralien. Man unterscheidet: € oxidische, € sulfidische und € carbonatische Erze. Das Eisenerz kommt in der Erdrinde nicht in reiner Form vor. Meist ist es durch Einlagerungen von Schwefel, Mangan, Sauerstoff verunreinigt. Daher muss es zuerst gereinigt werden und von den Eisenbegleitern reduziert werden. Die Reduktion ist ein chemischer Vorgang, der im Hochofen passiert. Daraus entsteht das so genannte Roheisen: € weißes und € graues Roheisen. Dieses Roheisen ist aber in der Technik eher ungeeignet, weil es einen sehr hohen Kohlenstoffgehalt hat. Das weiße Roheisen wird zur Stahlerzeugung und das graue Roheisen zur Gusserzeugung (Eisen-Gusswerkstoffe) verwendet. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt weitgehend die Werkstoffeigenschaften des Stahls. Stahl ist demnach eine Verbindung von Eisen und Kohlenstoff, der jedoch nur bis ca. 2% reichen darf. Da ist auch dieser Werkstoff schmiedbar und scheißbar. Stahlverfahren € € € LD-Verfahren – Sauerstoffblasverfahren (LD steht für Linz-Donawitz) Siemens-Martin-Verfahren (Elektroverfahren) Thomas-Bessemer-Verfahren. Stahlarten € € € Baustahl C-Gehalt von 0,1% - 0,6% eingesetzt im Maschinen-, KFZ-, Brückenbau. Werkzeugstahl C-Gehalt ca. ab 0,5% - 1,4%. Verwendet meist für Werkzeuge. Einsatz-und Vergütungsstahl – eingesetzt für spezielle Anforderungen, wie Kern weich und Oberfläche hart, wie bei Eiesenbahnschienen. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 40 Behandlung von Stählen Durch die Wärmebehandlung und nachfolgende rasche Abkühlung (abschrecken) ändert der Stahl seine Eigenschaften, wobei die Form der Werkstücke erhalten bleibt. Man unterscheidet: € Glühen € Vergüten und € Härten. Beim Glühen wird der Stahl auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, gehalten und dann langsam abgekühlt. Die Glühtemperatur und die Zeit, welche den Stahl auf dieser Temperaturstufe hält, bestimmt die Eigenschaften des Stahls. Beim Glühen unterscheidet man noch zusätzlich: 0 € Weichglühen (mehrer Stunden im Ofen bei 72 C, damit ergibt sich eine gute Zerspanbarkeit) 0 0 € Normalglühen (Temperaturbereich 720 C – 1000 C – man erreicht dadurch eine Festigkeit – feinkörniges Gefüge). Beim Härten wird der Stahl erwärmt und danach abgeschreckt. Es ist aber dabei ein C-Gehalt von mindestens 0,3% erforderlich. Beim Abschrecken verändert sich das Kristallgitter so, dass es zu Verspannungen kommt. Dadurch erzielt man aber eine große Härte des Werkstoffes. Weiters ist auch die Temperatur beim Härten vom C-Anteil abhängig. Abgeschreckt wird meist in Wasser oder Öl: € Wasserhärter (hohe Verspannungen - Reissgefahr) € Ölhärter und 0 € Lufthärter (Abkühlung auf Raumtemperatur 20 C – eingesetzt für hochlegierte Stähle) Weil beim Wasserhärten (Abschrecken im Wasser) hohe Verspannung im Kristallgitter entstehen (Reißen des Werkstückes), erwärmt mam den Stahl nochmals auf eine Temperatur von ca. 1500C bis 2500 C. Danach kühlt man langsam ab. Dadurch werden die Kristalgitterspannungen sehr vermindert und sogar beseitigt. Diesen Vorgang nennt man „Anlassen“. Es gibt daher, um die Temperatur bestimmen zu können, so genannte Anlassfarben. Vergüten Wenn der Stahl gehärtet und angelassen wird, wobei man erwärmt auf 4000 C bis 7000 C, spricht man von Vergüten. Durch diesen Prozess verbessert man die Zähigkeit, Zugfestigkeit und Elastizität des Stahls. Diese Eigenschft wird meist bei Kurbelwellen und Achsschenkelbolzen von KFZ gefordert. Auch einige Bauteile, wie Schrauben von CNC-Maschinen erfordern diese Eigenschaften. Prüfe Dich selbst: 1. Wekche kristalline Struktur besitzen die Metalle? 2. Was passiert im Inneren der Metalle beim Schmelzen? 3. Was versteht man unter Legierung? 4. Nennen Sie die wesentlichsten Stahlverfahren 5. Welche Erze gibt es? Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 41 Nichteisenmetalle Nichteisenmetalle, die in der Natur in reiner Formen vorkommen, sind: € Gold (Au – aurum) € Platin (Pt) € Silber (Ag – agentum) Alle anderen kommen als Erze in der Natur vor. Meist sind sie mit Sauerstoff, Phosphor und Schwefel verunreinigt und im Gestein und Erde gebunden. Leichtmetalle Wesentliche Eigenschaft der Leichtmetalle ist ihre Dichte, die unter 4,5 g/cm3 ist: € Aluminium (Al) € Magnesium (Mg) € Titan (Ti) Übersicht der Leichtmetalle Dichte in g/cm3 Schmelzpunkt in Celsiusgrade Zugfestigkeit in N/mm2 Metall Chem. Symbol Aluminium Al 2,7 659 65 ....230 Magnesium Mg 1,75 650 100....245 Titan Ti 4,5 1670 300....750 Aluminium ist ein silberweißes Metall, das in der Erdkruste als SiAl-Schicht gebunden ist. Wichtigster Rohstoff für die Aluminiumgewinnung ist Bauxit, benannt nach dem Fundort „Les Baux“ in Frankreich. Neben Stahl ist Aluminium der meist verwendetste Werkstoff in der Metalltechnik. Es besitzt gute elektrische und thermische Leitfähigkeit und ist vor allem korrosionsbeständig. Da es relativ weich ist, lässt es sich auch gut verformen, gießen (Aluminiumguss) und zerspanen. Eingesetzt werden Aluminiumlegierungen meist im: € Flugzeugbau € KFZ-Bau (Motorblöcke) € Bauwesen (Türen, Fenster und Fassaden) € Verpackungswesen (Tuben, Dosen, Folien) € Elektro-und Elektronikbereich (Kabel, Leitungen,...) € Haushalt (Geschirr) Magnesium ist das leichtest Metall, welches industriell eingesetzt wird. Um die Festigkeit und Härte zu erhöhen, wird es meist mit Zink, Aluminium und Silizium (Si) legiert. Häufig verwendet wird es: € Getriebegehäuse im KFZ-Bau € Felgen € Computer € Büromaschinen und € Spiezeug Einen Sicherheitshinweis sollte man bei der Verwendung von Magnesium beachten. Brennende Magnesiumspäne sollen niemals mit Wasser gelöscht werden. Man sollte dazu Sand oder Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 42 Graugusssp•ne zum L…schen verwenden. Titan wird wegen seiner guten K…rpervertr•glichkeit in der medizinischen Technik als Implantate verwendet. Durch Beimengung (legieren) von Aluminium, Vanadium, Kupfer und Eisen k…nnen die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Dadurch kann es auch in der Luftfahrt-und Raumfahrttechnik (Strahlentriebwerke und Rotoren) eingesetzt werden. Schwermetalle Schwermetalle zeichnen sich durch eine h…here Dichte aus (Š > 4,5 g/cm3). Übersicht der Schwermetalle Metall Chem. Symbol Dichte in g/cm3 Schmelzpunkt in Celsiusgrade Zugfestigkeit in N/mm2 Kupfer Cu(cuprum) 8,96 1083 200...300 Zinn Sn (stannum) 7,3 232 40...50 Zink Zn 7,13 419 30...110 Nickel Ni 8,9 1455 400...800 Reines Kupfer ist ein weiches Metall und besitzt eine gute elektrische und thermische Leitf•higkeit. Dadurch ist es gut verformbar. Sehr vom Vorteil in der Technik ist die Korrosionsbest•ndigkeit. Der spezifische Widerstand (Š) von Kupfer betr•gt 0,0178 Œmm2/m. Darunter versteht man, dass ein Kupferdraht von 1m L•nge mit 1mm2 Querschnittsfl•che einen Widerstand von 0,0178 Œ bei 200 C hat. Meist wird in der Elektrotechnik der Kehrwert, den man Leitf•higkeit (•) bezeichnet, verwendet. 1 •= ˆ •= m = 56,18 ƒ0,0178ƒ‰… mm2 … m ƒƒ‰…ƒmm 2 …… Dieser Wert ist f‡r den Techniker aussagekr•ftiger, weil er die Leitf•higkeit besser veranschaulicht. Meist wird Kupfer mit anderen Metallen legiert, weil seine Festigkeit relativ gering ist. € Kupfer-Zink-Legierung (Cu Zn 38 - Messing) ‹ als Knetlegierung bis 38% Zn € Kupfer-Zinn (Cu Sn 8) Bronze bezeichnet man Cu-Sn-Legierungen mit ca. 60% Cu-Anteil. € Kupfer-Aluminium-Legierungen nennt man auch Aluminiumbronze (Cu Al) Cu Al 9 Mn 2 bedeutet 9% Aluminium und 2% Mangan ‹ sehr h•ufig f‡r Bolzen, Schrauben und Zahnr•der verwendet. Zinn (Sn) ist heute schon sehr selten geworden. Es ist sehr gut gie„bar und wird haupts•chlich im Kunsthandwerk verwendet. Zinnbronze wird heute durch die Aluminiumbronze ersetzt, weil Zinn sehr selten geworden ist. Zinn-Blei-Legierungen werden in der Technik oft als so genanntes Weichlot verwendet. (S-Sn 60 Pb 40 ‹ 60% Zinn, 40% Blei ‹ geeignet f‡r elektronische Schaltungen) Zink ist korrosionsbest•ndig. Da es korrosionsbest•ndig ist, wird es als Korrosionsschutz von Eisenwerkstoffen (verzinken) verwendet. Gut formbar ist es bei Temperaturen zwischen 1000 C und Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 43 1500 C. Wenn man Zink mit Aluminium und Kupfer legiert, verbessern sich die mechanischen Eigenschaften. Verwendung findet es beim Druckgießen. GD-Zn Al 4 Cu 1_ Zink-Druckgusslegierung mit 4% Aluminium und 1% Kupferanteil. Nickel ist wie Zink sehr korrosionsbeständig und eigent sich auch sehr gut zum Oberflächenschutz von Eisenwerkstoffen (vernickeln). Weitere Eigenschaften sind: € gut schweißbar € lötbar € zerspanbar Anwendung: € Legierungsmaterial (galvanische Überzüge) für Federn € Thermoelöemente € Leitungen € Apparate Ni Cu 30 Fe: Nickel-Kupfer-Eisen-Legierung mit 30% Kupferanteil. Überprüfen Sie Ihr Wissen: 1. 2. 3. 4. 5. Nennen Sie wichtige Nichteisenmetalle Was bedeutet Cu-Zn 37? Worin unterscheiden sich die Leicht- von den Schwermetallen? Was versteht man unter Legierung? Wo wird Zink angewendet? Hartmetalle: Gesinterte Hartmetalle sind hochfest und verschleißfest. Sie bestehen aus Metallkarbiden oder Metalloxide. € Aluminiumoxide € Wolframkarbide € Tantalkarbide € Titankarbide Alle besitzen eine große Festigkeit, Härte und Wärmebeständigkeit. Ihr Schmelzpunkt nliegt bei ca. 20000 C. Sinterwerkstoffe: Unter „Sintern“ versteht man das Glühen von gepressten Metallpulvern. Die daraus entstehenden Werkstoffe bezeichnet man Sinterwerkstoffe. Eigenschaften: € Hohe Festigkeit € hohe Wärmebeständigkeit Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 44 € hohe Verschleißfestigkeit Anwendung: € Lager-und Filtertechnik € Umform-Zerspantechnik (Sint-A20 für ein Gleitlager) Keramische Werkstoffe Keramik ist schon ein sehr alter Werkstoff. Den Menschen ist dieser Werkstoff schon vor tausende Jahren bekannt. Damit wurden Gefäße, Vasen,..... hergestellt. Keramik ist eine Verbindung von Sauerstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff. Man unterscheidet: € Oxidkeramische und € Nichtoxidische keramische Werkstoffe Oxid-keramische Werkstoffe Oxidkeramische Werkstoffe sind Sinterwerkstoffe mit Aluminiumoxid (Al2O3) Eigenschaften: € wärmefest € verschleißfest € geringe Zähigkeit Verwendung: € Schneidstoff in der Zerspantechnik (Schneidkeramik) € Schlicht-und Feinbearbeitung Nichtoxidische keramische Werkstoffe Dazu zählt man Siliziumkarbid (SiC), Borkarbid (B4C) und kubisches Bornitrid (BN). Karbide sind Verbindungen mit Kohlenstoff. Anwednungen: € Schleifmittel – zum Bearbeiten harter Werkstoffe € Härtemäßig steht nur mehr der Diamant darüber. Bezeichnung von Werkstoffen Werkstoffbezeichnungen informieren über Eigenschaften des Werkstoffes. Einwesentlicher Bestandteil der Ewerkstoffbezeichnung ist die Werkstoffnummer, die aus 7 Zahlen getrennt durch 2 Punkte besteht. x.xxxx.xx Anhängezahl Sortennummer WerkstoffHauptgruppe Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 45 Ziffern der Werkstoff-Hauptgruppe: 0: Roheisen und Gußeisen 1: Stahl 2: Schwermetalle (kein Eisen) 3: Leichtmetalle 4-8: nichtmetallische Werkstoffe 9: freie Kennzahl Die Sortennummer informiert über die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes Die Anhängezahl gibt Aufschluss über besondere Herstellungsverfahren und Werkstoffzustände. Meist ist die Werkstoffbezeichnung aus dem Tabellenbuch zu entnehmen. Einige Beispiele: Werkstoffnummer: 1.0112 Bedeutung: 1 steht für Stahl Sortenklasse ist 01 und bedeutet Baustahl Zählnummer 12 bedeutet S 235 JR Werkstoffnummer: 3.0275.20 3 steht für Leichtmetall Sortenklasse ist 0275 und bedeutet Reinaluminium 99,8% Anhängezahl 20 heißt kaltverfestigt, gewalzt/gezogen Diese Angaben stammen aus dem Tabellenbuch Stahlnormen Einheitlich in Europa werden für Stähle Kurznamen verwendet Beispiele: G S 255 JO W Besondere Eigenschaften Kerbschlagarbeit Wärmebehandlung Verwendung Mindeststreckgrenze Re in N/mm2 Kennbuchstabe für Stahl Kennbuchstabe für Guss Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 46 Meist werden die Stähle in Stahlbau (S) und jene für den Maschinenbau (E) eingeteilt. Stahlbau: S 355 J2 G3 N: Normalgeglüht Der Baustahl St 37-2 führt nach der Euro-Norm die Bezeichnung S 235 JR Kerbschlagarbeit 27 Joule Re = 355 N/mm 2 Stahlbau Maschinenbaustahl E 295 C Besondere Kaltformbarkeit Die frühere Bezeichnung war für diesen Stahl St 50-2. Re = 295 N/mm2 Maschinenbau Es werden die Stähle weiter noch genormt. Diese Normung bezieht sich auf die chemischen Eigenschaften der Stähle, wobei man in: € legierte und € unlegierte Stähle einteilt. Beispiele: Unlegierte Stähle C 45 E Schwefelgehalt, der festgesetzt ist Kohlenstoffgehalt 45/100 = 0,45% Kennbuchstabe Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 47 Unlegierte Stähle 50 Cr Mo 4 4/4 ->1% Chrom Molybdän Chrom Kohlenstoffgehalt 50/100 -> 0,5% Um ganze Zahlen zu erreichen, gibt es so genannte Faktoren für die einzelnen Elemente Faktor Element 4 Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 10 Al, Cu, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr 100 C, N, P, S Chemische Symbole: Cr: Co: Mn: Ni: Si: W: Al: Cu: Mo: Nb: Ta: Ti: V: Zr: C: N: P: S: Chrom Kobalt Mangan Nickel Silizium Wismut Aluminium Kupfer Molybdän Niob Tantal Titan Vanadium Zirkon Kohlenstoff Stickstoff Phosphor Schwefel Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 48 Legierte Stähle X 5 Cr Ni 18 10 10% Ni (Nickel) 18% Cr (Chrom) Zu der Gruppe der hochlegierten Stähle (Kennbuchstabe „X“) zählt man auch Kalt-und Warmarbeitsstähle (Schneidwerkzeuge, Druckgießformen,.....) Nickel Chrom Auch nichtrostende Stähle mit einem Chromanteil von >13% werden zu dieser Gruppe gezählt. Kohlenstoffgehalt 5/100 -> 0,05% hochlegiert Kunststoffe (Plaste) Kunststoffe werden meust durch chemische Vorgänge erzeugt. Ausgangsstoff aller Kunststoffe ist Erdöl, Kohle, Erdgas, Kalk, Luft und Wasser. Sie dienen als Ersatzstoffe der Naturstoffe: Alle Kunststoffe sind so genannte Kohlenwasserstoffe. € Holz, € Wolle (Textilfaser – Naturfaser) € Gummi Eigenschaften: € geringe Dichte € leiten den elektrischen Strom nicht (Isolatoren) € leiten die Wärme schlecht (gute Wärmeisolation) € beständig gegenüber Säuren und Laugen € können von der Natur nicht abgebaut werden. Nachteilig wirken sich folgende Eigenschaften aus: € halten keine große Wärme aus € gute Wärmedehnung € nicht beständig gegenüber organische Lösungsmittel Einteilung der Kunststoffe € € € Thermoplaste Duroplaste Elastomere Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 49 Erzeugung € € Polymerisation Polykondensation Polymerisation Dies ist ein chemischer Prozess, bei dem aus einem Mer (Monomer – Molekül) viele Teilchen (Makromolekül - Polymer) werden. Am Beispiel von Ethylen sei dieser Vorgang gezeigt. Grundelement ist der Kohlenstoff. Kohlenstoff ist 4-wertig (Periodensystem der chemischen Elemente). C Bindungsarm Strukturformel Man sieht, dass an einem Kohlenstoffatom 4 einwertige, 2 zweiwertige, 1 dreiwertiges und ein 1 einwertiges Atom angehängt sein kann C Ethan C C Ethylen: Doppelbindung Polyethylen – chemischer Prozess Die Doppelbindung wird aufgerissen – aus einem Monomer entsteht ein Polymer – Diesen Vorgang bezeichnet man Polymerisation. Polymer: Öffnen der Doppelbindung = Polymerisation C C C C C C C C ............... n Grundmolekül [C2H4]n Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk Polyethylen n – Anzahl der Monomere 2007/08 50 Polykondensation Durch Wasser (H2O)-Entzug wird ein Polymer: Beispielsweise bei Nylon, welches ein Polykondensat ist. Polykondensation - Wasserentzug Nylon: Hexamethylendiamin+Adipinsäure -----> Nylon - H2 O HN H -N H (CH )6 NH + HOC (CH 2 )4 COH 2 H O O (CH 2)6 N C (CH 2 )4 CO HO Nylon Peptidbindung Nach den selben Prinzip entstehen Polyester. Anwendung € € € € € Elektroindustrie Elektronik KFZ-Bau Maschinenbau Flugzeugbau Thermoplaste Die langen fadenförmigen Makromoleküle liegen unverbunden im Gefüge. Thermoplaste sind thermoinstabil. Anwendung: € Nylon € Plexiglas € Polystyrol € Teflon Duroplaste Durch chemische Bindungen verbinden sich die fadenförmigen Makromoleküle an ihren Berührungsstellen ----> vernetzte Kunststoffe Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 51 Eigenschaften € fester € härter € formbeständiger € nicht schmelzbar € nicht schweißbar € halten höhere Temperaturen aus Anwendung: € Bakelit € Moltopren € Resopal € Diolen € Ultramid Elastomere Sie stehen zwischen den Thermo- und den Duroplasten. Weitmaschiger vernetzt und daher dehnbarer. Eigenschaften: € Nehmen nach der Verformung wieder die Ausgangsposition ein (elastisch) € dehnbar € weitmaschig vernetzt € durch Erwärmen nicht verformbar € nicht schweißbar Anwendung: € Buna € Hypalon € Mipalon € Neopren € Silikon € Vinoflex Fragen € € € € Nennen Sie die zwei Verfahren, durch die Kunststoffe hergestellt werden Nennen Sie die Ausgangsstoffe für Kunststoffe Was bedeutet Legierung? Erklären Sie den Begriff Stahl! Fertigungstechnik Arbeitsvorgänge in der Fertigung werden auch heute noch manuell durchgeführt: € Anreißen € Körnen Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 52 € € € € Feilen Entgraten Reiben Sägen Anreißen Bevor ein Werkstück gefertigt wird, muss es geplant und gezeichnet werden. Das Ausgangsstück ist das Rohteil, welches nach Form und Werkstoff festgelegt werden muss. Danach werden die Fertigungsverfahren und der Ablauf bestimmt. € Übertragen von Zeichnungsmaßen auf das Werkstück € Anweisungen zur Fertigung Das Übertragen von Zeichnungsmaßen auf das Werkstück bezeichnet man „Anreißen“, das aber heute nur mehr in der Einzelanfertigung Anwendung findet. Mit Hilfe eines Körners markiert man die Anrisspunkte oder Anrisslinien. Folgende Forderungen sind an das Anreißen gestellt: € Anrisse dürfen das Werkstück nicht beschädigen € Sie müssen eine Genauigkeit besitzen und € gut sichtbar und dauerhaft sein. Wie erfolgt das richtige Anreißen? € Das Werkstück muss vorhanden sein € Auf Sauberkeit und Winkeligkeit prüfen € Anreißwerkzeuge müssen vorhanden sein € Hilfsmittel bereit stellen € Maßbezugsebene und Maßbezugslinien festlegen € waagrechte Linien beziehen sich auf die waagrechte Bezugsebene oder Bezugslinie € senkrechte Linien beziehen sich auf die senkrechte Bezugsebene oder Bezugslinie € Bohrungs-und Radienmittelpunkte sind zu körnen € Kreisbögen sollen angerissen werden Anreißwerkzeuge € € € € € € € Anreißplatte Reißnadel Höhen-und Parallelreißer Spitzzirkel Zentrierwinkel Anreißprisma Anreißschablone Sägen Sägen ist ein spanender Fertigungsprozess. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 53 Anwendung € € Abl•ngen Trennen von Werkst‡cken Der Keil Ž • Keil 90 € a = Freiwinkel b = Keilwinkel g = Spanwinkel a+b+g= 900 F‡r alle spanabhebenden Werkzeuge ist die Grundform der Keil. Der Spanwinkel ist f‡r die Spanbildung von entscheidender Bedeutung. Auch der Werkstoff spielt eine gro„e Rolle. Bei schabender Wirkung ist die Summe aus Frei-und Keilwinkel >900 ----> negativer Spanwinkel. Spanarten: € Rei„span € Scherspan € Flie„span - harte und spr…de Werkstoffe - leicht spr…de Werkstoffe ‹ Spanwinkel = 100. - weiche Werkstoffe ‹ gro„er Spanwinkel Genau bei S•gen finden wir den Keil. Die S•gez•hne haben die Form des Keils. Die Zahnteilung bestimmt die Anwendung. Sie ist der Abstand von Zahnspitze zu Zahnspitze. Die Zahnteilung wird durch den zu bearbeitenden Werkstoff bestimmt. Weiche Werkstoffe erfordern eine grobe Zahnteilung. Bei harten nicht so grob, weil ja gr…„ere Sp•ne entstehen. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 54 Zahnteilung Z•hne/1Zoll grob 14-16 mittel 22 fein 32 Anwendung Lange Schnittfugen Normaler Einsatz Werkstoff ƒ Ž • Cu, Al, Sn, 40 45 50 Cu-Zn, Baustahl, Legierungen 400 450-500 00-50 400 500 00 D‡nnwandige Rohre Stahlguss Werkzeugstahl 0 0 Sägearten € € € € € Hands•ge Einstreichs•ge B‡gels•ge Maschinens•ge Bands•ge Beachten Sie aber: € S•genbl•tter stets fest einspannen € Das Werkst‡ck nahe an der Schnittstelle einspannen € Schnittdruck nicht unn…tig erh…hen € Bei Hands•gen gegen Ende des Schnittes den Druck vermindern ‹ Verletzungsgefahr beim Durchs•gen Feilen Feilen ist ein spanabhebender Vorgang. Auch hier ist der Keil die spnaabhebende Grundform. Feilenlänge Angel Feilenheft Feilenblatt Hieb Die hintereinanderliegenden Z•hne (Schneiden), Hieb genannt, erzielen die spanabhebende Wirkung. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 55 Zahnformen Nach der Herstellung unterscheidet man: € gehauene und € gefräste Feile Gehauene Feilen Die Zähne arbeiten schabend. Mit einem Meißel werden die Zähne (Hieb) in das Blatt eingeschlagen. Gehauene Feilen haben einen großen Keilwinkel (ca. 700), negativen Spanwinkel (ca. -150) und einen Freiwinkel von ca. 300. Anwendung:: € harte Werkstoffe (Stahl, Messing oder Grauguss) Gefräste Feilen Gefräste Feilen haben einen positiven Spanwinkel (ca. 50), einen Keilwinkel von ca. 500 und einen Freiwinkel von ca. 350. Daraus ergibt sich eine spanende Wirkung, wodurch große Spanmengen abgetragen werden können. Eigenschaften: € gerundete Spanlücken € spanende Wirkung € große Spanmengen Anwendung: € weiche Werkstoffe (Aluminium, Blei,.....) Hieb – Hiebarten Hieb bezeichnet man die in Reihe hintereinander angeordneten Zähne einer Feile. Hiebarten: € € Einhiebige † gerader Hieb † schräger Hieb † bogenförmiger Hieb zweihiebige – Kreuzhieb Schräger Hieb (einhiebig) Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 56 Gerader Hieb Bogenförmiger Hieb Hier werden die Späne nach beiden Seiten abgeleitet. Kreuzhieb Unterhieb Oberhieb Oberhieb hat 700 und der Unterhieb 500. Durch Ober-und Unterhieb sind die Zähne versetzt hintereinander. Dadurch wird eine Riefenbildung vermieden. Hiebzahl Sie legt die Art der zu verrichteten Arbeit fest, grob oder Feinarbeit. Feilen mit grobem Hiebe besitzen eine kleine Hiebzahl, wogegen mit feinem Hieb eine große Hiebzahl. Feilarten Feilart Hiebzahl Hiebnummer Schruppfeile 5,3 – 16 1 Schlichtfeile 10 – 25 14 – 35 2 3 Feinschlichtfeile 25 – 50 4 Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 57 € € € € € € Flachfeile Vierkantfeile Rundfeile Halbrundfeile Dreikantfeile Messerfeile Unfallverhütung € € € € € Niemals ohne Feilengriff arbeiten Überprüfen, ob der Feilengriff fest auf der Angel sitzt Beim Vorschub mehr Druck ausüben als beim Zurückziehen, weil sonst die Zähne stumpf werden Die zu feilende Fläche nicht mit der Hand berühren. (Fett, Schweiß – Feile greift nicht) Feile mit einer Feilenbürste reinigen – Riefenbildung vermeiden Übungsfragen € € € € € Welche Spanarten kennen Sie? Erklären Sie den Begriff Zahnteilung Definieren Sie den Unterschied zwischen gehauenen und gefrästen Zähnen Nennen Sie drei wesentliche Feilarten Wie ist die Feile aufgebaut? Bohren In der Fertigungstechnik erfordern Arbeitsvorgänge bei Werkzeugen oft eine exakt festgelegte Schneidenform und einen genauen Schneidenwinkel. Dies wird beim Bohren, Senken, Reiben, Drehen und Fräsen gefordert. Boren ist eine spanabhebende Fertigungstechnik. Es werden dabei zylindrische Löcher so genannte Bohrungen gefertigt. Schnittbewegung, die der Bohrer ausführt (kreisförmig), und Vorschubbewegung fallen zusammen. Spiralbohrer Spitzenwinkel Freiwinkel Keilwinkel Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk Seitenspanwinkel 2007/08 58 Spanwinkel Spanwinkel – Seitenspanwinkel – Beim Bohren harter Werkstoffe sollte der Spanwinkel klein gehalten werden. Spitzenwinkel Beide Hauptschneiden bilden den Spitzenwinkel, der die Länge der Hauptschneiden festlegt. Er hat großen Einfluss auf die Schneidenstabilität und den Wärmeabfluss. Wenn der Spitzenwinkel klein ist, entsteht eine lange Hauptschneide, welche die Wärme, die beim Bohren entsteht, gut ableitet. Gut geeignet zum Zerspanen harter Werkstoffe. Freiwinkel Wenn man die Freiflächen hinterschleift, entsteht der Freiwinkel. Die Norm ist ca. 60 – 90. Wenn der Freiwinkel zu klein ist, können die Hauptschneiden nicht in den Werkstoff eindringen, was zu einen erhöhten Vorschubdruck führt, den Bohrer zu stark erwärmt und dadurch beschädigt. Keilwinkel Zwischen der Keilfläche und der Freifläche befindet sich der Keilwinkel. Mit dem Freiwinkel und dem Spanwinkel bildet er einen Normalwinkel (900). Bohrertypen und Werkstoffe Werkstoff Spitzenwinkel Typ Hartguss, Stahl > 1200N/mm2 Zugfestigkeit Cu-Zn-Legierung (weich) Duroplaste, Hartgummi 1400 H Nichtrostender Stahl Stahl und Stahlguss 700 – 1200N/mm2 Zugfestigkeit Gusseisen, Temperguss, Stahl und Stahlguss bis 700 N/mm2 Zugfestigkeit Cu bis 30 mm Bohrdurchmesser Zn-Legierungen Thermoplaste 1180 800 1400 N (normaler Werkstoff) 1300 1180 1400 W (weicher Werkstoff 1180 800 Schnittgeschwindigkeit und Vorschub Die Schnittgeschwindigkeit (vc) ist jene, mit der die Spanabnahme erfolgt. Der Weg, den die Scheidenecke des Bohres bei seiner Drehbewegung zurücklegt (s) ist d.p. Bei x-Umdrehungen wäre der zurückgelegte Weg s = dpx. Die Anzahl der Umdrehungen wird pro Minute aufgefasst. Man bezeichnet dann diese Auffassung als Drehfrequenz „n“. Aus diesen Überlegungen heraus ergibt sich die Schnittgeschwindigkeit vc = dpn. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 59 Ein Beispiel soll diesen Zusammenhang veranschaulichen: Ein Bohrer mit dem Durchmesser von 10 mm hat eine Drehfrfequenz n von .650 . Berechnen Sie die Schnittgeschwindigkeit in 1 min m min Lösung: vc = dpn 10 mm = 10.10-3 m vc = 10.10-3 . 3,14 . 650 1 min vc = 31,4 . 10-3 m .650 1 min vc = 20410 . 10-3 vc = 20,41 m min m min Drehfrequenz vc = dpn -----> Gleichung nach n auflösen (Äquivalenzumformung – siehe Mathematik) vc ƒd. Š… Die Drehfrequenz, die man an der Bohrmaschine einstellen kann, lässt sich aus Bohrerdurchmesser und festgelegter Schnittgeschwindigkeit ermitteln. Meist sind die Werte aus Tabellenbüchern abzulesen und dann an der Bohrmaschine einzustellen. n= Unfallverhütung € € € € € € € € Keine flatternde Kleidung tragen Bei langen Haaren haarnetz tragen Schutzbrille verwenden Werkstück fest und sicher einspannen (Schraubstock) Bohrer fest im Bohrfutter einspannen Bohrspäne mit Pinsel entfernen Elektrischen Anschluss prüfen Bohrungen entgraten Senken Nach dem Bohrvorgang erfolgt meist das Senken, wobei die Spanung durch ein-bzw. Mehrschneidige Werkzeuge, so genannte Senker, erfolgt. Anwendung € € € Auflageflächen für Schraubenköpfe vorgebohrte Löcher zylindrische bzw. kegelige Vertiefungen Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 60 € entgraten von Bohrungen Senkverfahren € Plansenken – Herstellen einer ebenen Fläche € Aufsenken – Erweitern von vorgegossenen oder vorgebohrten Bohrungen € Profilsenken – kegelige Prifsenker – zum Entgraten Unfallverhütung Hier gelten dieselben Sicherheitsmaßnahmen wie beim Bohren. Reiben Wenn man bei einer Bohrung eine hohe Oberflächengüte erzielen will, muss man die Bohrung mit einer Reibahle weiter bearbeiten. Mit Spiralbohrern kann man die geforderte Oberflächengüte nicht erzielen. Mit so genannten Reibahlen wird diese Fertigungstechnik durchgeführt. In der Regel besitzen Reibahlen eine gerade Schneidenzahl, da immer zwei Schneiden genau gegenüber liegen. Arten € Geradegenutete Reibahle – nachschleifbar, für Bohrungen mit langer Längsnut € Drallgenutete Reibahle – spiralförmig verlaufende Schneiden – Führung durch die Bohrungswandung bleibt erhalten. € € Handreibahlen Maschinenreibahlen Kegekreibahlen € Die Reibahlen sind aus HSS-Stahl (HochleistungsschnellarbeitsStahl) gefertigt. Zu beachten: € € € € € Bei Bohrungen sind Richtwerte (kleinere Vorbohrung) zu beachten Schneidöl verwenden (Reibung – Wärme) Nie entgegengesetzt der Schnittrichtung verwenden – Bruch Keinen Druck ausüben – langsam drehen Am Ende in Schnittrichtung fertig drehen und aus dem Bohrloch heraus heben. Gewindeschneiden Mathematisch-physikalisch ist ein Gewinde eine schiefe Ebene, bei der die herkömmlichen Regeln der Physik (siehe technischen Mechanik) gelten. Den Abstand zwischen zwei Gewindegängen, die beide auf einer Schraubenlinie liegen, bezeichnet man Gewindesteigung. Das Gewinde-schneiden Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 61 ist ein zerspanender Prozess. Hier findet die schiefe Ebene ihre Anwendung. Die Gewindelinie (Schraubenlinie) bildet sich durch das Aufwickeln der schiefen Ebene auf einen Zylinder. Dabei ergeben sich folgende Kräfte, die man aber sparen kann. FHand . sHand = FDruck Gewindespindel . Steigung des Gewindes. Der Weg der Kurbel des Schraubstockes ist beispielsweise der Handweg. F1.2rp = F2.P F1 = Handkraft (FH) F2 = Druckkraft der Gewindespindel r = Hebelarm (wirksam) P = Steigung des Gewindes (Lastweg) Handweg = Umfang des Kreises 2rp Beispiel: Die Gewindespindel eines Schraubstockes hat die Steigung von P = 6mm, einen Hebelarm mit einer Länge von r = 300mm und wird mit einer Handkraft F1 = 50N gedreht. Wie groß ist die aufzuwendende Druckkraft F2 der Presse in N? F1.2rp = F2.P ---->Gleichung nach F2 umformen. ƒ F 1 .2 r Š… F2 = P ƒ50N.2.0,3 m.3 ,14… F2 = ƒ 0,006 m… F2 = 1570N = 1,57 kN Die Druckkraft entspricht 1,57 kN. Anwendung € € € Verbinden zweier Werkstücke Befestigen zweier Werkstücke bzw. Bauteile Bewegung von Bauteilen (Spindel eines Schraubstockes,....) Arten € € € Innengewinde Außengewinde Nach Form: † Withworthgewinde (Rohrgewinde – geringe Gewindetiefe) † Metrisches Gewinde † Trapezgewinde † Feingewinde Werkzeug € € Für Außengewinde: Schneideisen – Der Bolzendurchmesser muss kleiner als der Gewindedurchmesser sein, weil auch hier der Werkstoff aufschneidet. Für Innengewinde: Windeisen + Gewindebohrersatz – Die Schnittkraft wird mit Hilfe des Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 62 Windeisens aufgebracht. Arbeitsweise beim Gewindeschneiden Der Gewindebohrer führt eine Drehbewegung aus. Die Gewindesteigung ist verantwortlich für den Vorschub. Dabei wird ein Großteil des Werkstoffes (im Kernloch) zerspant, wobei ein kleiner Teil zerquetscht wird. Die entstehenden Späne finde Platz im Hohlraum, welcher durch den Gewindebohrer und dem Werkstück gebildet wird. Diesen Vorgang bezeichnet man „Aufschneiden“. Die Art und Beschaffenheit des Werkstoffes bestimmt die Verwendung eines bestimmten Gewindebohrersatzes: € dreiteilig € vierteilig Weiters auch: € Muttergewindebohrer (Einschneider) € Maschinengewindebohrer. Werkstoff der Gewindebohrer € HSS (HochleistungsSchnellarbeitsStahl) Arbeitsregeln beim Gewindeschneiden Innengewinde Ein metrisches Gewinde wird mit seinem Gewinde-Nenndurchmesser und einem Buchstaben davor angegeben: M 10 – bedeutet : Metrisches Gewinde mit einem Gewinde-Nenndurchmesser von 10 mm. Die Bohrung muss daher etwas kleiner im Durchmesser sein. Man spricht daher vom Kerndurchmesser. Als Faustregel ergibt sich der Kerndurchmesser aus dem Produkt von 0,85.Gewinde-Nenndurchmesser. In unserem Beispiel: Gewinde-Nenndurchmesser = 10 mm Kerndurchmesser: 0,85 . Nenndurchmesser Kerndurchmesser = 0,85 . 10 mm Kerndurchmesser = 8, 5 mm Das bedeutet, dass die Bohrung 8,5 mm Durchmesser haben sollte. Auch die Bohrlochtiefe richtet sich nach dem Gewinde-Nenndurchmesser. Nehmen wir an, es soll ein Innengewinde M8 mit einer Bohrlochtiefe von 20 mm erzeugt werden. Wie tief soll die Bohrung sein und welcher Kerndurchmesser muss gewählt werden? € Nenndurchmesser : 8 mm € Kerndurchmesser: 0,85 . Nenndurchmesser € Kerndurchmesser: 0,85 . 8 mm € Kerndurchmesser: 6,8 mm Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 63 Bohrtiefe: € Mindestbohrtiefe: Gewindetiefe + 0,7 . Nenndurchmesser € Mindestbohrtiefe: 20 mm + 0,7.8 € Mindestbohrtiefe: 20 mm + 5,6 mm € Mindestbohrtiefe : 25,6 mm Arbeitsauftrag Erstellen sie nach der Skizze diese Platte mit den Ma„en 50 x 45 x 10. Die Bohrungen sind 25,00 mm 50,00 mm 10 ø 5,20 mm 45,00 mm ø ø 5,00 mm 16,00 mm 40,00 mm 7,00 mm 9, 40 m m M 20,00 mm 40,00 mm durchgehend und die Bohrungen mit einem Durchmesser €•‚ƒmm m‡ssen aufgerieben werden. Die Schnittgeschwindigkeit der Bohrmaschine vc soll 20 m/min sein. Die Schneidplatte ist aus S 355 J2 G3 N Erstellen Sie dazu ein Arbeitsprotokoll: Scheren Scheren ist ein Trennlvorgang, bei dem zwei gegen‡berliegende Schneidkeile mit geringem Abstand sich vorbei bewegen. Ž ƒ • • Ž ƒ Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 64 ƒ:Freiwinkel ca. 20 Ž:Keilwinkel ca. 800 •:Kerbwinkel ca 60 Die Schneidkeilen dringen gleichzeitig in den Werkstoff ein. Das Werkstoffgef‡ge verdichtet sich und auf beiden Seiten bilden sich an der Oberfl•che eine Vertiefung. Wenn die Schneidkraft zunimmt, wird der Widerstand des Werkst‡ckes gegen eine weitere Verformung gro„. Die Scherfestigkeit wird ‡berschritten, wobei die Werkstoffteilchen gegeneinander verschoben werden. Jetzt startet die eigentliche Schnittphase. Wenn also die Schneidkr•fte immer gr…„er werden, nimmt die Zusammenhaltkraft der Werkstoffteilchen ab und es kommt zum Bruch des Werkst‡ckes. Die Bruchfl•che ist k…rnig und rauh. Unfallverhütung und Sicherheitsmaßnahmen beim Scheren € € € € € € € € Handschuhe tragen wegen scharfen Kanten (Verletzungsgefahr) Scheren…ffnung vom K…rper weg halten Finger nicht in den Schneidbereich halten Werkst‡ck gut befestigen Hebelarm bei Hebelscheren nach Benutzung immer hochstellen und arretieren. Zul•ssige Blechdicke nicht ‡berschreiten Das richtige Drehmoment beachten ‹ Verl•ngerung des Hebelarmes Blechabf•lle sofort beseitigen Umformen Beim Umformen erh•lt das Werkst‡ck eine andere Form, wobei aber die Masse erhalten bleibt. Mit steigender Temperatur nehmen die Koh•sionskr•fte ab und das Werkst‡ck l•sst sich leichter umformen bzw. bearbeiten. Techniken der Umformung € € € € € € Biegen Walzen Dr‡cken Ziehen (Tiefziehen) Schmieden (Kaltschmieden) Drehen Biegen Die Kristalle (•u„ere Seite des Werkst‡ckes) werden gestreckt und die innere gestaucht. Es treten Zug-und Druckspannungen auf. Die Zugspannung an der •u„eren und die Druckspannung an der inneren Seite. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 65 FZ FD Neutrale Schicht FZ: Zugspannungen FD: Druckspannungen An der neutralen Schicht, die Übergangszone, gibt es weder Zug-noch Druckspannungen. Es ist die Übergangszone zwischen Strcken und Stauchen. Die Spannungen heben sich auf. Bei großen Biegeradien liegt die neutrale Linie (Schicht ) ca in der Mitte. Beachte Bleche quer zur Walzrichtung biegen --> es können Quetschfalten (Innenseite) und Risse (Außenseite) entstehen. € Bei rechten Winkeln sollte die Walzrichtung des Bleches möglichst so gewählt werden, dass das Werkstück 450 zur Walzrichtung liegt. € Die gestreckte Länge eines Werkstückes ist gleich der Länge der Schwerpunktlinie. € Der Innenradius des gebogenen Werkstückes ist der Biegeradius. Mindestbiegeradien € Stahl – Biegeradius = 1 . Blechdicke € Kupfer – Biegeradius = 1,5 . Blechdicke € Aluminium – Biegeradius = 2 . Blechdicke € Prüfen – Messen Prüfen Prüfen ist ein Vorgang, bei dem festzustellen ist, ob das Werkstück (Prüfgegenstand) den geforderten Bedingungen entspricht. Prüfen Objektivität Subjektivität – Sinneswahrnehmung – tasten, sehen Messen Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk Lehren 2007/08 66 Messen Messen ist ein Vergleichen. Man vergleicht das zu messende Werkst‡ck oder die zu messende Gr…„e mit einem Ma„stab. Man unterscheidet beim Messen: € Messgr…„e (physikalische Gr…„e wie L•nge, Zeit, Temperatur,......) € Messwert ‹ Wert der zu ermitteln ist: Zahlenwert Einheit 35 . 1mm Zahlenwert Einheit € Messergebnis Die L•ngenmessung ist in der Metalltechnik (Fertigungstechnik) das am h•ufigsten verwendete Messverfahren, wobei die SI-Basisgr…„e (einer der 7 Basisgr…„en) das Meter (m) ist. Definition Meter (m) € € € Herk…mmliche Definition: 1 m ist der 40-millionste Teil eines Erdmeridians (Erdumfang) Technische Definition: Das Licht ben…tigt im Vakuum f‡r eine bestimmte genormte Strecke 1 exakt Sekunden. Wenn das erfolgt spricht man von einem Meter. 299792458 Eine weitere Definition ist das Vielfache der Wellenl•nge (•) des orange-farbenen Lichtes. Messgeräte Rollma„band Gliederma„stab € Stahlma„stab € Messschieber € Messschraube € Messuhr Man beachte, dass bei allen Messungen, wenn sie genau sein sollen, eine Temperatur von 200 C herrschen sollte. € € Messchieber Teile Lineal € bewegliche Schieber mit den Nonien. Die Nullmarkierung der Nonien steht genau ‡ber der Nullmarkierung des Lineals, wenn der Messschieber geschlossen ist. € Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 67 9 ) geteilt sind. Dadurch 10 ergibt sich eine Skalenstrichteilung von 0,9 mm. Die Teilungsdifferenz (1 mm – 0,9 mm = 0,1 mm) ist somit 0,1 mm. Der erste Teilungsstrich des Nonius (Hilfsteilung) ist 0,1 mm, der zweite 0,2 usw. angeordnet. Wenn der bewegliche Schenkel (Schieber) um 0,1 mm nach rechts verschoben wird, steht der erste Teilstrich genau über einen Teilstrich des Lineals. Die Skalierung der Nonien ist so aufgebaut, dass 9 mm in 10 Teile ( Messvorgang Ganze Millimeter auf der Hauptteilung (Lineal) feststellen Vom Noniusnullpunkt jenen Teilstrich der Noniusskala ermitteln, der mit einem Teilstrich des Lineals zusammenfällt. € Die Anzahl der ermittelten Teilstriche (der Noniusskala) bis zu jenem, der mit einem Teilstrich des Lineals zusammenfällt mit 0,1 multiplizieren. € Ganze Millimeter und das Produkt der Noniusteilstriche addieren ----> Messergebnis. Beispiel: € Ganze Millimeter : 40 mm € 6 Teilstriche – der sechste Teilstrich der Noniusskala fällt mit einem Teilstrich des Lineals zusammen. € 6 . 0,1 m = 0,6 mm € Messergebnis: 40 mm + 0,6 mm = 40,6 mm € € Messschraube Messschrauben (Mikrometer) haben eine Genauigkeit von 1 = 0,01 mm. Es gibt auch 100 Messschrauben mit einer Gebauigkeit von 0,001 mm. Teile € € € Messspindel mit Gewinde von einer Steigung von 0,5 mm Messtrommel Messhülse mit Hauptteilung Die Messspindel dient zur Maßveranschaulichung. Messvorgang Bei jeder Umdrehung der Messspindel – Messtrommel wird je nach Steigung die Spindel in ihrer Längsrichtung um diesen Wert verschoben ( Steigung 0,5 mm ---> verschieben um 0,5 mm). Messfehler können entstehen durch die Hnadwärme, da sich fast alle Werkstoffe bei Erwärmung ausdehnen (Ausdehnungskoeffizient beachten). € € Ganze Millimeter (Spindelsteigung 1 mm bzw. 0,5 mm) auf der Hauptteilung der Messhülse ablesen hundertstel mm auf der Messtrommel ablesen und zu den gnazen Millimetern addieren. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 68 Beispiel € Ganze Millimeter : € Messtrommel: € Messergebnis: 25 mm 0,65 mm 25 mm + 0,65 mm = 25,65 mm Zu besseren Messergebnissen führen so genannte digitale Messgeräte. Messuhren Bei Messuhren erfolgt die Längenmessung die Übertragung der Längsbewegung des Messbolzens durch eine Zahnstange oder auch Hebel über ein Zahnradgetriebe auf einen Zeiger. Auch hier gibt es schon digitale Anzeigegeräte. Winkelmessung Bei der Winkelmessung muss man den zu messenden Winkel auf die Längeneinheit Meter zurückführen. Dazu wird die Bogemmaßeinheit 1 Radiant (rad) eingeführt. (Arcusfunktion) 1 Vollkreis mit dem Radius 1 (Einheitskreis) hat 3600 . Dies entspricht einer Länge der Kreislinie von 2rp ---> r = 1 -----> 2p rad R = b 1 a arcus (lat.) = Bogen arc 3600 = 2p arc 1800 = p ƒ2 Š… arc 10 = 360 Š arc 10 = 180 ƒ‹ Š… arc a 0 = 180 Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 69 Interessant ist der Winkel a bei einer Bogenlänge von 1. Die Formel muss nach a umgeformt werden. (Äquivalenzumformung) b = arc a 0 = 1 arc a 0 . 1800 = a.p 1.180 = a.p ƒ1.180… a= Š a = 57,2950 Das heißt, das bei diesem Winkel der Bogen im Einheitskreis 1 Längeneinheit hat.Diesen Winkel bezeichnet man als 1 Radiant. Im Vollkreis ergibt (2p) dann : 57,9250 – 1 rad 3600 - ? rad Proportion lösen 57,9250 : 3600 = 1rad : x rad x rad . 57,9250 = 3600 . 1rad ƒ3600 .1 rad … x rad = 57,9250 x rad = 6,2149 rad Das heißt, dass 3600 = 2p rad 6,2149 rad entsprechen Winkellehren Winkellehren sind Flachwinkel, mit denen man Winkel prüfen kann. Man prüft, ob der gegenwärtige Winkel (Istwinkel) vom geforderten abweicht. Toleranzen und Passungen Toleranzen Die Vorgaben der technischen Zeichnung müssen in die Praxis umgesetzt werden, um ein Werkstück nach diesen Forderungen (Vorgaben) herstellen zu können. Da eine exakte Maßgenauigkeit nie zu100% erfüllt werden kann, müssen so genannte Toleranzen berücksichtigt werden. Diese zulässigen Abweichungen vom Nennmaß (gefordert) bezeichnet man Abmaße. Man unterscheidet: € oberes Grenzabmaß (größte zulässige Abweichung vom Nennmaß) € unteres Grenzabmaß (kleinste zulässige Abweichung vom Nennmaß). Diese Grenzmaße werden dem Nennmaß hoch-bzw. Tief gestellt. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 70 16 +0,3 -0,1 Oberes Grenzabmaß Unteres Grenzabmaß Nennmaß Aus dem Nennmaß und den beiden Grenzabmaßen kann man dann das größte bzw. kleinste zugelassene Maß errechnen. Größte zugelassene Höchstmaß (GH) = 16 mm + 0,3 mm = 16,3 mm Überschritten darf dieses Maß nicht. Kleinste zugelassene Maß (Mindestmaß) (KM) = 16 mm – 0,1 mm = 15,9 mm Unterschritten darf dieses Maß nicht. Die Toleranz errechnet sich dann aus der Differenz dieser beiden Maße: Toleranz (T) = Höchstmaß (GH) – Mindestmaß (KM) T = 16,3 mm – 15,9 mm T = 0,4 mm Passungen Als Passung bezeichnet man die Differenz zwischen einer Welle und der Bohrung, in welche die Welle eingepasst wird. Bohrung und Welle müssen aber dasselbe Nennmaß haben. Arten von Passungen € € Spielpassung – Maßunterschied ist positiv (Gleitsitz) Übermaßpassung – Maßunterschied ist negativ (Presspassung) Die Differenz legt fest, ob sich ein Mindest- bzw. Höchstspiel oder ein Mindesübermaß-bzw. Höchstübermaß ergibt. Passungen werden nach dem ISO – System (in Passungstabellen zusammengefasst) angegeben: 16 H7 d9 Lehren Ob vorgegebene Maße und Grenzen eingehalten werden, ermittelt das Lehren. In der Fertigungstechnik kann man oft auf das Messen verzichten, wenn man nur feststellen will, ob die Grenzen (Höchst – Mindest) eingehalten werden. Lehren sind so genannte Prüfgeräte. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 71 Arten € € € € € € Grenzrachenlehre Winkellehre Haarlineal Grenzlehrdorne Blattlehren (Prüfen Ventilspiel in der KFZ-Technik) Bohrlehren Drehen Drehen ist ein spanabhebender Vorgang, bei dem das sich das Werkstück dreht und auch die Schnittbewegung durchführt. Das Werkstück ist in einem Futter (Amerikaner) fest eingespannt. Spananfuhr und Spanform spielen eine wesentliche Rolle. Bewegungen € € € Vorschub Schnittbewegung Zustellbewegung (Drehmeißel) Arten € € € € € € € Plandrehen Runddrehen Profildrehen Längsdrehen Freiformdrehen Gewindedrehen Innendrehen Drehwerkzeuge € € € € Drehmeißel Drehling Gebogener Drehmeißel Stechdrehmeißel Drehmaschinen € € € Leit-Zugspindeldrehmaschine CNC – Drehmaschine (Computer Numeric Control) Numerische Steuerung – alle Bedienungsvorgänge werden über ein spezielles Programm gesteuert. Drehautomat – Das Werkstück wird an mehreren Stellen gleichzeitig bearbeitet. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 72 Unfallschutz € € € € € € Lange Haare – Haarnetz tragen Weite Kleidung – Ringe – Armbanduhr bergen eine gewisse Gefahr ---> drehende Teile können weghängende Kleidung erfassen Schutzbrille tragen Hebel – Schaltelemente vor unbeabsichtiges Einschalten schützen Vorschriftsmäßiges Einspannen der Werkstücke Spannschlüssel nach dem Spannen entfernen Fräsen Fräsen ist ein spanabhebender Vorgang. Polytechnische Schulen sollten eine Werkstatt aufsuchen, wo das Fräsen den Schülern gezeigt wird. Fügen Es werden zwei oder mehrere Werkstücke dauerhaft zusammen gefügt. Verbindungsarten € € € € € Lösbare Unlösbare Fügen durch Formschluss – verhindert eine Trennung unter Belastung Fügen durch Kraftschluss – die Anpresskräfte bestimmen die übertragbaren Kräfte der Verbindung -: † Fügen durch Schrauben – Gewinde: ‡ Metrische ‡ Metrische Feingewinde ‡ Withworth-Gewinde ‡ Withworth-Rohrgewinde Fügen durch Stoffschluss – verhindert eine Vermischung der Fügewerkstoffe und Trennung der Verbindung unter Belastung: † Löten Ablauf eines Lötvorganges ist: Benetzen – Fließen (Lot) - Legieren ‡ Weichlöten – Fügen mit flüssigem, metallischem Zusatzwerkstoff, das Lot – Schmelztemperatur ca. 4500 C. ‡ Hartlöten – Fügen mit flüssigem, metallischem Zusatzwerkstoff (Lot) – Schmelztemperatur ca. 4500 C. † Kleben † Schweißen Ist ein Fügen durch Vereinigung der Werkstoffe in der Schweizone. Dabei werden Wärme und Kraft eventuell Zusatzstoffe angewendet. Arten: ‡ Gasschmelzscheißen – Atogenschweißen Als Brenngas wird Acetylen (C2H2 --->Dreifach-Bindung). Diese wird mit reinem Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 73 ‡ ‡ € Sauerstoff in der Injektordüse 1:1 gemischt. Die Verbrennungstemperatur beträgt ca. 32000 C. Sicherheitshinweis im Umgang mit Acetyn-Sauerstoff-Flaschen: Die Anschlüsse vor Fett und Öl schützen ---> Explosionsgefahr Schutzgasschweißen Beim Lichtbogenschweißen (Schmelzschweißen) wird zwischen den Fügeteilen und der Elektrode ein elektrischer Lichtbogen (Spannungsquelle) erzeugt, der eine Temperatur von ca. 40000 C erreicht. An der Schweißstelle wird ein so genanntes Schmelzbad erzeugt. Wobei zur gleichen Zeit die Elekgtrode (Zusatzstoff) verflüssigt wird. Anschluss: Die Elektrode wird an den Minuspol (Kathode) und das Fügeteil an den Pluspol (Anode) angeschlossen. Stromquelle: Schweißtrafo – Die Netzspannung (230 V AC bzw. 400 V AC) wird auf ca. 70 V tranformiert. Damit erreicht man einen sehr hohen Schweißstrom (Trafogesetz : I1 : I2 = U2 : U1). Dem Trafo ist ein Gleichrichter nachgeschaltet, weil nicht alle Elektroden mit AC verschweißt werden können. Der Schweißgenerator wird von einem Drehstrommotor betrieben, welcher dann Gleichstrom mit einer Spannung von 100 V DC liefert. Kunststoffschweißen Duroplaste können nicht verschweißt werden. Hingegen können Thermoplaste unter bestimmten Bedingungen (bildsam – formbar) schweißbar sein. Beim Warmgasschweißen wird erwärmte Luft (2000 C – 3500 C) über die zu schweißende Fuge und dem Zusatzstoff geleitet. Gut schweißbar sind: € PVC - Polyvinylchlorid € PP – Polypropylen € PE – Polyethylen ----------> Polymerisate – Polymerisation Fügen mit Stiften: † Zylinderstifte † Kerbstifte † Kegelstifte † Spannstifte Sicherheitsrichtlinien beim Schweißen € € € € Entzündliche Stoffe entfernen Feuerfeste Abdeckungen anbringen Löschwasser oder Feuerlöscher bereitstellen (Griffnähe) Brandwache nach dem Schweißen einrichten. Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08 74 Literaturliste Mechatronik Grundstufe; Bildungsverlag Eins ISBN 3-8242-2080-6; Sieglarer Straße 2, 53842 Troisdorf; Elpers, Meyer, Meyer, Marquart, Nebbefeld, Skornitzke, Willner, Ruwe. Keine Panik vor Mechanik, DI Oliver Romberg, DI Nikolaus Hirnrichs; 6. Auflage, Verlag Vieweg; ISBN: 978-3-8348-0396-2, 2000 Technische Mechanik, Alfred Böge, 27. Auflage, Verlag Vieweg; ISBN-10 3-8348-0115-1 ISBN-13 978-3-8348-0115-9 BMUK, Abt. I/9 Materialien f. d. Lehrerfortbildung, Mechanik an der PTS; Ing. Michael Winkler; Innsbruck 1999 Fachkunde Metall ; Helmut Ecker, Verlag Jugend & Volk Wien; ISBN 3-7002-1126-0 Technisches Seminar Metall; Ing. Adolf Frischherz, Dr. Franz Neufingerl, Verlag Jugend & Volk ISBN 3-7002-1332-8 Tabellenbuch Metallberufe; Petra Boehm, Hilmar Engelmann, Claus Günther, Renate Herold, Dieter Kähnert, Werner Kulke, Verlag Dr. Max Gehlen – Bad Hom,burg vor der Höhe, ISBN 3-441-91339-6 Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08
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