Teil 3 Grundlagen der technischen Mechanik, Werkstoff …hans.axelsoft.at/Fachbereich/grundlagen_d_mechanik_Fachbereich... · Arbeitsregeln beim Gewindeschneiden ... Unfallverhütung

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Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08

Teil 3Grundlagen dertechnischen Mechanik, Werkstoff-undFertigungstechnik

PTS

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InhaltsverzeichnisTeilgebiete der Mechanik...........................................................................6

Statik..................................................................................................6Grundbegriffe der Statik (Gleichgewichtslehre)......................................6

Kraft (F)........................................................................................6Gr��en und Einheiten der Mechanik bzw. in der Physik.......................6Vielfache und Teile der SI-Einheiten (Vorsilben)..................................7

Kr�fte, welche auf paralleln Wirkungslinien wirken.................................8Zwei gleich gerichtete Kr�fte ...........................................................8Das Kraftmoment (M).....................................................................9Hebelgesetz.................................................................................10Hebelwirkung bei Auflagerkr�ften...................................................11

Freiheitsgrade eines K�rpers.............................................................16Bewegung in der Ebene.................................................................16Bewegung im Raum......................................................................16Gleichgewichtsbedingung...............................................................16Tr�gheitsgesetz............................................................................16

Freimachen von Bauteilen....................................................................20Regeln f�r das Freimachen ...............................................................21

Regel 1:......................................................................................21Regel 2........................................................................................21Regel 3........................................................................................22Regel 4........................................................................................24Regel 5........................................................................................24Regel 6........................................................................................24Regel 7........................................................................................26Arbeitsschritte beim Freimachen.....................................................26

Reibung � schiefe Ebene � Physik.............................................................27Schiefe Ebene + Reibung....................................................................29

Werkstofftechnik.....................................................................................33Einteilung der Werkstoffe.....................................................................33

Eigenschaften der Metalle.................................................................33Eisenmetalle und ihre Eigenschaften:..............................................34Stahlarten....................................................................................34Nichteisenmetalle:........................................................................34Eigenschaften der Schwermetalle...................................................34Eigenschaften der Leichtmetalle.....................................................34

Hilfsstoffe:................................................................................35Eigenschaften der Werkstoffe......................................................35

Physikalische Eigenschaften.....................................................35Dichte (�): Unter Dichte bezeichnet man die Masse proVolumseinheit:...................................................................36Schmelzpunkt.....................................................................36Elastizit�t:.........................................................................36Plastisch:...........................................................................36


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Sprödigkeit:.......................................................................36Elektrische-und Wärmeleitfähigkeit.......................................36

Technologische Eigenschaften..................................................37Umformbarkeit:..................................................................37Trennbarkeit:.....................................................................37Fügbarkeit eines Werkstoffes:..............................................37Kristalline Struktur der Metalle.............................................38Stahl.................................................................................39

Stahlverfahren................................................................39Stahlarten......................................................................39Behandlung von Stählen...................................................40Vergüten........................................................................40

Nichteisenmetalle...............................................................41Leichtmetalle.....................................................................41

Übersicht der Leichtmetalle...............................................41Schwermetalle....................................................................42

Übersicht der Schwermetalle.............................................42Überprüfen Sie Ihr Wissen:...............................................43

Hartmetalle:.......................................................................43Sinterwerkstoffe:................................................................43

Keramische Werkstoffe ..........................................................44Oxid-keramische Werkstoffe ................................................44Nichtoxidische keramische Werkstoffe ..................................44

Bezeichnung von Werkstoffen.....................................................44Stahlnormen..........................................................................45

Stahlbau:...........................................................................46Maschinenbaustahl..............................................................46Unlegierte Stähle................................................................46Unlegierte Stähle................................................................47Legierte Stähle...................................................................48

Kunststoffe (Plaste)..........................................................................48Einteilung der Kunststoffe..............................................................48Erzeugung...................................................................................49

Polymerisation..........................................................................49Polykondensation......................................................................50Anwendung..............................................................................50Thermoplaste............................................................................50Duroplaste................................................................................50Elastomere...............................................................................51

Fragen..................................................................................51Fertigungstechnik...................................................................................51

Anreißen............................................................................................52Anreißwerkzeuge.............................................................................52

Sägen................................................................................................52Anwendung.....................................................................................53

Der Keil.......................................................................................53


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Sägearten....................................................................................54Feilen.............................................................................................54

Zahnformen.................................................................................55Gehauene Feilen........................................................................55Gefräste Feilen..........................................................................55

Hieb – Hiebarten..........................................................................55Hiebarten:................................................................................55

Hiebzahl................................................................................56Feilarten...............................................................................56Unfallverhütung.....................................................................57Übungsfragen........................................................................57

Bohren...........................................................................................57Spiralbohrer.................................................................................57

Spanwinkel...............................................................................58Spitzenwinkel............................................................................58Freiwinkel.................................................................................58Keilwinkel.................................................................................58Bohrertypen und Werkstoffe ......................................................58Schnittgeschwindigkeit und Vorschub ..........................................58

Drehfrequenz.........................................................................59Unfallverhütung.....................................................................59

Senken........................................................................................59Anwendung..............................................................................59Senkverfahren..........................................................................60Unfallverhütung........................................................................60

Reiben.........................................................................................60Arten.......................................................................................60

Zu beachten:.........................................................................60Gewindeschneiden...........................................................................60

Anwendung..................................................................................61Arten...........................................................................................61Werkzeug ...................................................................................61Arbeitsweise beim Gewindeschneiden..............................................62Werkstoff der Gewindebohrer ........................................................62Arbeitsregeln beim Gewindeschneiden.............................................62

Innengewinde...........................................................................62Arbeitsauftrag..............................................................................63

Scheren..........................................................................................63Unfallverhütung und Sicherheitsmaßnahmen beim Scheren...............64

Umformen.......................................................................................64Techniken der Umformung.............................................................64

Biegen.....................................................................................64Beachte................................................................................65

Prüfen – Messen..................................................................................65Prüfen............................................................................................65Messen...........................................................................................66


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Definition Meter (m)......................................................................66Messgeräte..................................................................................66

Messchieber..............................................................................66Teile.....................................................................................66Messvorgang.........................................................................67

Messschraube...........................................................................67Teile.....................................................................................67Messvorgang.........................................................................67

Messuhren................................................................................68Winkelmessung.........................................................................68

Winkellehren.........................................................................69Toleranzen und Passungen.............................................................69

Toleranzen................................................................................69Passungen................................................................................70

Arten von Passungen..............................................................70Lehren............................................................................................70

Arten...........................................................................................71Drehen...............................................................................................71

Bewegungen...................................................................................71Arten..............................................................................................71Drehwerkzeuge................................................................................71Drehmaschinen................................................................................71Unfallschutz....................................................................................72

Fräsen...............................................................................................72Fügen................................................................................................72

Verbindungsarten.............................................................................72Sicherheitsrichtlinien beim Schweißen ............................................73

Literaturliste..........................................................................................73


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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 PhysikDie Größen und Einheiten sind im so genannten SI-System (Système d'Unités) festgelegt. Mit ihrerHilfe werden physikalische Eigenschaften, Zustände und Vorgänge in der Natur und in derMechanik angegeben und auch gemessen.

Man unterscheidet bei der Berechnung mechanischer Vorgänge unterscheidet man:

Physikalische Größe = Zahlenwert . EinheitZeit (t) = 10 . 1s = 10 SekundenLänge (l) = 3 . 1m = 3 MeterMasse (m) = 4 . 1 kg = 4 Kilogramm


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Stromstärke (A) = 6 . 1 A = 6 AmpereThermodynamischeTemperatur (K) = 7 . 1 K = 7 KelvinStoffmenge (mol) = 8 . 1 mol = 8 mol (Mol)Lichtstärke (cd) = 9 . 1 cd = 9 cd (Candela)Kraft (F) = 5 . 1 N = 5 N (Newton)Kraftmoment (M) = 4 . 1 Nm = 4 Nm (Newtonmeter)

Vielfache und Teile der SI-Einheiten (Vorsilben)

Vorsilben Vorsilbenzeichen Faktor PotenzTera T Billionenfache 1012

Giga G Milliardenfache 109

Vie

lfach

e 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

Teile 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 3Bestimmungsstücke 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 Bezugsachse3. Richtungssinn (Winkel) – Die Pfeilspitze bestimmt den Richtungssinn..


Betrag

Richtungssinn

Wirklinie

Bauteil mit Kraftwirkung

8

Kräfte sind demnach gerichtete Größen. Wie Sie aus der Skizze entnehmen können, wirkt auf denBauteil 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 starrenKörper handelt.(Statik der starren Körper) Weiters erkennen wir, dass die wirkende Kraft auf ihrerWirkungslinie 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. DieseErsatzkraft bezeichnet man resultierende Kraft (Fr).

Wenn man eine genauere Angabe über die Wirkung von Kräften auf einen Körper tätigen, mussman deren resultierende Kraft konstruieren (zeichnen). Sie ist eine gedachte Ersatzkraft mehrererEinzelkräfte und entspricht der geometrischen Addition von Pfeilen. In obiger Skizze würde dieKraft F2 mit ihrem Anfangspunkt an den Endpunkt (Pfeilspitze) der Kraft F1 gesetzt werden. DieErgebniskraft dieser geometrischen Addition würde daher vom Anfangspunkt der Kraft F1 bist zumEndpunkt 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.

Wir wollen nun die Resultierende grafisch bestimmen. Wie ist hier vorzugehen. In der Statikwendet man das so genannte Seileckverfahren an.


F1

F2 Fr Wirklinie von Fr

F1 F2

A B

9

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 undgegensinnig 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 einSchnittpunkt 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 unddem Wirkabstand (Hebelarm) l von einem beliebigen Bezugspunkt (Drehpunkt D). Hebelarm un dwirkende Kraft bilden einen rechten Winkel (900).M = F.l


F1 F2

A B

F1

F2

Hilfskraft 0

Hilfskraft 1

Hilfskraft 2

I

II0

1

2

S

Fr

WL

von

Frl 1

l 2

Pol

10

Das Kraftmoment M wird in Nm (Newtonmeter) angegeben. Der Drehsinn wird durch dasmathematische Vorzeichen bestimmt.Das Drehmoment einer Kraft wird durch ein Kräftepaar (2 parallel entgegengesetzt gerichteteKräfte ) gebildet. Wenn der Körper frei beweglich ist, wird er dadurch gedreht.

Die Resultierende ist Null. Fr = 0.Beachten Sie nochmals die Drehrichtung:+ = Linksdrehung- = Rechtsdrehung

HebelgesetzDas Hebelgesetz besagt, wenn mindestens 2 Kräfte wirken, dass die Summe aller loinksdrehendenMomente gleich der Summe aller rechtsdrehenden Momente ist. Wenn dies der Fall ist, ist dasmechanische 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


D

F

WL von F

Drehsinnmath. negativ (-)Uhrzeigersinn

l

F

Drehsinnmath. negativ (-)Uhrzeigersinn

Wirkabstand l

F

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Summe aller Drehmomente in einem mechanischen System, wenn Gleichgewicht herrschen soll,Null ist.

SM = 0Weiter vereinfacht F1 . l1 – F2.l2 = 0

Hebelwirkung bei Auflagerkräften(Zerlegen einer Kraft in zwei parallele Kräfte F1 und F2)

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 +(– MR) = 0

Wir legen einen Drehpunkt (Bezugspunkt) fest.(Angriffspunkt einer Kraft – entweder F1 oder F2).Dieses Kraftmoment ist dann Null (0).

a) M1 = F1.(l1 + l2) und M2 = F2 .0 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:


F1 F2

F

l 1

l 2

Lagerdruck auf die Radachsen eines PKW

Drehpunkt (D)

F1

2

F

l1

l2 (l0)

Drehpunkt (D)

F2

2

F

l2

l1(l0)

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Auf einen Körper wirken 4 parallele Kräfte, wobei jeweils 2 entgegen gesetzt gerichtet sind.

l1 = 0,5 ml2 = 0,3 ml3 = 0,2 ml4 = 0 m (weil auf der WL von F4 der Momentendrehpunkt (D) angenommen wird)

F1 = 15 NF2 = 40 NF3 = 10 NF4 = 20 N

F1 und F2 zeigen nach unten also in die negative Richtung ----> -F1 und -F2. F3 zeigt in die positiveRichtung ---> +F3 und F4 wiederum in die negative -----> -F4.

SFnx = 0SFny = 0Mr = SM = 0

Alle vier Kräfte zeigen keinen x-Anteil, sondern nur einen y-Anteil -----> SFny = 0SFny = -F1 + (-F2) + (+F3) + (-F4)SFny = -15 N + (-40 N) + (+10 N) + (-20 N) -----> wir lösen die Klammer auf.SFny = -15 N – 40 N + 10 N – 20 N


F4

-y

+y

Dreh

punk

t beli

ebig

ange

nommen

l1l2

l3

F1 F2 F3

13

SFny = - 65 N

Wir ersehen aus dem Vorzeichen, dass die resultierende Kraft Fr nach unten, also in negativerRichtung wirkt. (math. Negativ = Uhrzeigersinn).

Die x-Werte der Kräfte sind 0 . Der Betrag einer Kraft (Anwendung des Pythagoras) errechnet sichfolgendermaßen: � Fx2�Fy2 = Fr wir setzen ein.

Fr = � 02��65�2

Fr = �0�4225Fr = �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 dasKraftmnoment der Kraft F4 Null 0. M4 = F4 . 0 = 0 l4 = 0.

Die Vorzeichen der Momente kennzeichnen nur den Drehsinn der Kraftmomente aber nicht denRichtungssinn 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.


-y

+y

Dreh

punk

t beli

ebig

ange

nommen

l1l2

l3

F1 F2 F3 F4

Fr

l0 (Hebelarm von Fr)

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+65N.l0 = +7,5 Nm + 12 Nm – 2 Nm + 0 Nm65 N.l0 = 17,5 Nml0 = 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 beieiner Tretkurbel.

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 allenStellungen der Kurbel wirkt die Kraft F1 nach unten.F2 tritt als Folge der Kraftwirkung von F1 auf und ist gleich groß und wirkt entgegengesetztWie verändert sich nun das Drehmoment mit fortlaufender Kurbeldrehung?Wir erkennen sofort, dass die Drehmomente M1, M2 und M3 Rechtssinn haben. Sie erhalten daherein negatives Vorzeichen.F1 = 150 Nl1 = 200 mml2 = 80 mml3 = 0 mm

M1 = -F1.l1 = -150N . 0,2m = -30 NmM2 = -F1.l2 = - 150N . 0,08m = -12 NmM3 = -F1.l3 = - 150N . 0 mm = 0 Nm ------> kein Drehmoment.

Beachten Sie nochmals, dass der Hebelarm (Wirkabstand) und die wirkende Kraft zueinander imrechten Winkel (900) stehen.

Wie sieht das nun aus, wenn die Kraft F1 im Winkel von 450 auf die Tretkurbel wirkt?


F1

F2

l 1

l 2

l 3

F1

F1

D

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Wie groß ist jetzt das Drehmoment, wenn die Kraft unter einem Winkel von 450 auf die Tretkurbelwirkt.?

F1 = 150 Nl1 = 200 mma = 450

Wichtig ist, dass der Wirkabstand zur wirkenden Kraft im rechten Winkel (900) steht. Hier sind dieWinkelfunktionen im rechtwinkeligen Dreieck gefragt.Erinnern wir uns an die Mathematik:

sin a = GegenkatheteHypothenuse Wir erkennen, dass die gerichtete Größe F1, der normale Wirkabstand l2

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 = l 2

l1---> daraus kann man den normalen Wirkabstand l2 ermitteln ----> umformen.

l2 = sin a . l1

l2 = sin 450 . 0,2 ml2 = 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 mM = 21,21 Nm


F1

F2

l1

l2

45, 00°

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Freiheitsgrade eines KörpersEin wesentliches Faktum der Statik ist zu wissen, wie sich Körper in der Ebene und im Raumbewegen. Diese Forderung bezeichnet die Statik „Freiheitsgrade“.

Bewegung in der EbeneEin 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). DerKörper besitzt in der Ebene 3 Freiheitsgrade.

Bewegung im RaumIm 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). Demnachbesitzt der Körper im Raum 6 Freiheitsgrade.

Bei einer Translation (Verschiebung) eines Körpers muss auf ihn eine Kraft F wirken. Wenn ergedreht wird, wirkt ein Kraftmoment M auf ihn.Wir er verschoben und gedreht, wirken beide auf ihn, Kraft und Kraftmoment.

GleichgewichtsbedingungDiese Erkenntnis hat für das Gleichgewicht (Statik) eine wesentliche Bedeutung.Ein Körper ist dann im Gleichgewichtszustand, wenn die Summe aller Kräfte in der x-Richtung (x-Achse) Null ist, die Summe aller Kräfte in der y-Richtung (y-Achse) Null ist und die Summe allerKraftmomente um die z-Achse Null ist. Der Körper bewegt sich nicht.

SFx = 0SFy = 0SM = 0

TrägheitsgesetzJeder Körper ist bestrebt, den Zustand, den er in diesem Moment einnimmt, beizubehalten. DieseErkenntnis 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


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Zeichnerisch ist die Resultierende durch eine Vektoraddition leicht festzustellen.

Rechnerische Lösung:

a) F1 (2/0) Koordinaten F1 = � F1x

2 �� F1y2 F1y = sin a. F1 F1x = cos a . F1

F1 = �22�02 F1y = sin 00 . 2000 N F1x = cos 00 . 2000 NF1 = �4 F1y = 0 . 2000 N F1x = 1 . 2000 NF1 = 2 kN F1y = 0 N F1x = 2000 N = 2 kN

F1x = 2 kNF1y = 0 kNb) F2 Koordinaten sind derzeit nicht bekannt – bekannt ist aber der Winkel.

Um die Koordinaten berechnen zu können, bedarf es der Anwendung der Winkelfunktionen.


x

yKM: 1cm = 1kN

F1

F2

120 ,00°

x

yKM: 1cm = 1kN

F1

F2

120,00°Fr

79,74°

F2

60,00°F2y

F2x

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F2 = 3 kNa = 600 (1800 – 1200)

sin a = GegenkatheteHypothenuse

sin a = F2y

F 2-----> umformen und nach F2y lösen.

F2y = sin a . F2

F2y = sin 600 . 3 000 NF2y = 0,8660 . 3000 NF2y = 2598,076 N = 2,6 kN

Jetzt kann noch die fehlende x-Komponente berechnet werden

cos a = AnkatheteHypothenuse

cos a = F2x

F 2

F2x = cos a . F2

F2x = cos 600 . 3000 NF2x = 0,5 . 3000 NF2x = 1500 N = 1,5 kN

Nun müssen alle Fx und Fy zusammengezählt werden: (Summenbildung)

SFx = F1x + (-F2x )SFx = 2000 N - 1500 NSFx = 500 N

SFy = F1y + F2y

SFy = 0 N + 2598,076 NSFy = 2598,076 N = 2,6 kN

Jetzt wenden wir den Pythagoras an:

Fr = � Fx2�Fy2

Fr = � 5002�2598,0762

Fr = � 250000�6749998,902Fr = � 6999998,902Fr = 2645,75 N = 2,65 kN

Kürzer wäre der Kosinussatz.


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Ein weiteres Beispiel

Eine Getriebewelle wird im Punkt A gelagert. Für das Lager wurde vermittels derGleichgewichtsbedingungen (statischen) die Stützkraftkomponenten FAx = 5000 N und FAy = 470 Nberechnet.Es soll die Lagerkraft FA berechnet werden, damit die Lagerabmessungen bestimmt werden können.Skizze:

Lösung:Mit Hilfe des Verschiebungssatzes (Längsverschiebungssatz) verschiebt man die beiden Kräfte inein rechtwinkeliges Koordinatensystem, wobei der Punkt A der Koordinatenursprung ist.

Der Betrag der Kraft wird durch die Anwendung des Pythagoras bestimmt.

FA = � Fax2�Fay2

FA = �50002�4702

FA = � 25000000�220900

FA = �25220900

FA = 5022,04 N

Auch der Richtungswinkel ist von Bedeutung:


A

FF

Ax

Ay

z

y

x

x

y

FA

FFAy

FAx

�

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a = arctan = F Ay

F ax

a = arctan = 470N5000N

a = arctan = 0,09 (im Bogenmaß arcus (lat) der Bogen) Auf dem Taschenrechner muss man daherTan-1 einstellen um ins Gradmaß zu gelangen

a = 5,140

Freimachen von BauteilenEine wesentliche Aufgabe der Statik ist das Freimachen von Bauteilen, an denen Kräfte wirksamsind.

Der Bauteil 1 wirkt auf die Oberfläche des Bauteils 2 und umgekehrt.

A: Oberfläche der Bauteile (Berührungsfläche)M: Mittelpunkt des Bauteils 2

Der Bauteil 1wirkt auf die angrenzende Berührungsfläche mit Oberflächenkräften, die sich imMittelpunkt der Berührungsfläche A denkt.. Die Oberflächenkräfte werden auch Außenkräftebezeichnet.Auf die Oberfläche des Körpers 1 wirkt die Oberflächenkraft des Körpers 2 (F21). Ebenso wirkt dieOberflächenkraft des Körpers 1 auf den Körper 2 (F12). Das Prinzip Actio est Reactio (GaleleosGaliei) kommt hier zum Tragen.

Ein wesentliche Kraft ist auch die Volumskraft, welche als Gewichtskraft (FG) wirkt. Die Ursachedieser Kraft ist das Schwerefeld der Erde (Feldkraft bezeichnet).Die Aufgabe der Statik ist es, alle angreifenden Kräfte richtig zu erfassen. Der Prozess des


1

2

1

2M

F

F2auf1

1 auf 2A

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Erfassens aller angreifenden Kräfte wird als „Freimachen“ bezeichnet.Freimachen bedeutet daher, dass der freizumachende Körper stückweise von den Nachbarbauteilenbefreit wird. An den Berührungsstellen werden diejenigen Kräfte eingezeichnet, die vomweggenommenen 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. Siekönnen auch Zugkräfte aufnehmen.

Die benachbarten Teile bezogen auf den Haken sind das Seil und Gewicht, welches am Hakenhängt.Beim Freimachen des Hakens müssen daher das Seil und dann der Haken weggenommen, also derHaken wird frei gemacht, werden. An den Berührungsstellen werden dann nur mehr ihre Kraftpfeileeingezeichnet.

Mit beweglichen Bauteilen kann man keine Druckkraft auf andere Körper ausüben.Zuerst wird das Gewicht weggenommen und an dessen Berührungspunkt der Kraftpfeil derGewichtskraft FG gezeichnet. Danach nimmt wird das Seil weggenommen und an dem Berührungspunkt der Kraftpfeil derZugkraft FZ gezeichnet. Damit Gleichgewicht herrscht, müssen die Zugkraft und die Gewichtskraftgleich sein (Achtio est Reactio) FZ = FG.

Regel 2An Stäben, die an zwei Stellen (Anfang, Ende) ein Gelenk besitzen, können Zug-oder Druckkräftewirken. Sie heißen Zweigelenkstäbe. Sie dürfen an keinen anderen Stellen Kräfte aufnehmen,sondern nur an den Gelenkspunkten, welche die Kraftangriffspunkte sind. Gleichgewicht herrschtdann vor, wenn sie eine gemeinsame Wirklinie haben und durch die beiden Gelenkspunkte


Gewicht

Seil

Haken

Seilkraft

Gewichtskraft

freigemachter Haken

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(Angriffspunkt der Kraft) verlaufen.

Zuerst die Platte wegnehmen und an den Berührungspunkten die Druck bzw. Zugkraft einzeichnen.Die Gelenke wegnehmen (wegschneiden) und auch hier an den Berührungspunkten (Angriffspunkteder Kräfte) die Kraftpfeile zeichnen.

Regel 3An ebenen Stützflächen können Normalkräfte sowie Tangentialkräfte aufgenommen werden.

Der Körper übt eine Kraft (FG) auf die Berührungsfläche aus und umgekehrt an derBerührungsfläche wird einen gleichgroße (Gleichgewicht) Kraft die Normalkraft (FN ) auf denKörper ausgeübt.Wenn sich die Berührungsfläche neigt bzw. auf den Körper eine Kraft ausgeübt wird, dann wirdauch eine so genannte Tangentialkraft aufgenommen.


Zweigelenksstab

Befestigungsplatte

Gelenk

Gelenk

Zugkraft

Druckkraft

Zugkraft

Druckkraft

Wi rkl inie

F

FN

G

Berührungsfläche

23

Wir sehen ganz deutlich, dass die Gewichtskraft (FG) und die Normalkraft (FN) nicht imGleichgewicht 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. DieTangentialkraft wirkt der Bewegung entgegen.Wie sieht das Problem aus, wenn auf dem Körper, der sich auf einer ebenen Fläche, die nicht schiefist, eine Kraft ausgeübt wird, die ihn verschiebt.?

Der Körper wird auf seiner Unterlage mit einer bestimmten Geschwindigkeit (v) bewegt. DieUrsache ist die Verschiebekraft F. Wir erkennen, dass sich zwei Bauteiel auf ihrer Berührungsflächegegeneinander bewegen (gleiten). Es wirkt dabei immer eine Tangentialkraft (FT) , die gleich derReinungskraft (TR) ist.Durch Freimachen erkennt man die Kräftesituation wesentlich besser.

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, wieoben erwähnt, ist die Ursache eines Kraftmomentes (M). In diesem Fall rechtsdrehendesKraftmoment (MR). Die Normalkraft (FN) und die Gewichtskraft (FG) bilden ebenfalls einKräftepaar und drehen den Körper nach links. Sie erzeugen ein linksdrehendes Kraftmoment (ML).Damit, im Sinne der Statik, Gleichgewichtszustand herrscht, muss das rechts drehendeKraftmoment gleich dem links drehenden Kraftmoment sein. MR = ML ----> MR + (-ML) = 0.(Hebelgesetz). Die Summe aller Momente muss Null sein SM = 0. Im Regelfall ist das Bauteil,welches langsamer bewegt wird, ein ruhender Teil gegenüber dem schneller bewegten.


F

FN

G

Berührungsfläche

FTschiefe Ebene

F

v

F

F

F F = FN

G

R T

FF = F NR T

24

Regel 4Kräfte auf Rollkörper, aslo gewölbte Stützflächen nehmen immer Radial-und Tangentialkräfte,deren Wirklinie durch den Berührungspunkt und den Mittelpunbkt des Rollkörpers verläuft. DieRadialkräfte wirken stets auf den Berührungspunkt am freigemachten Körper.

Jetzt machen wir den Körper frei. Die Unterlage entfernen wir.

Wir sehen, dass die Radialkraft FR genausao wie die Normalkraft wirkt. Daher sind die beidenBegriffe gleichwertig zu betrachten.Tangentialkräfte treten auf ruhenden Rollkörpern unter den gleichen Bedingungen wie aufBerührungsflächen auf. (Regel 3). Die Tangentialkräfte (FT) stehen demnach rechtwinkelig zu denRadialkräften.

Regel 5Einwertige Lager (Loslager)

Einwertige Lager können nur eine Kraft, die Normalkraft FN aufnehmen. Die Normalkraft wirkt aufden freigemachten Lagerpunkt zu.

Bewegbar in 2 richtungen – Die Wirklinie der Lagerkraft ist bekannt, wobei der Betrag nichtbekannt ist. 1 Freiheitsgrad ist gesperrt, daher einwertiges Lager.

Regel 6Zweiwertige Lager (Festlager)

Bei zweiwertige Lager sind 2 Freiheitsgrade gesperrt. Die Lagerkraft ist in 2 Komponenten


Berührungspunkt

FR

bewegbar

F FN N

25

aufgeteilt, in eine x-Komponente (horizontal) Fh bzw. Fx und in eine y-Komponente (senkrecht) Fv

bzw. Fy.

Lager B ist ein einwertiges Lager und Lager A ein zweiwertigesFreimachen des Systems

Auf das Lager B wirkt die Normalkraft FN (Bewegungsprobe – welche Freiheitsgrade sindgesperrt?)Die Lagerkraft FA ist in zwei Kraftkomponenten Fx und Fy geteilt. (Bewegungsprobe – welcheFreiheitsgrade sind gesperrt?)Jene Freiheitsgrade, die gesperrt sind – nehmen die Kräfte auf. Bei Lager B ist ein Freiheitsgradgesperrt, daher wird eine Kraft, die Normalkraft FN aufgenommen. Bei Lager A sind 2Freiheitsgrade 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 derBerechnung ergibt sich durch das Vorzeichen der Richtungssinn.Bewegungsprobe:Beim zweiwertigen Lager bewegt sich das gelagerte Bauteil mit, hingegen beim einwertigen bleibtes in Ruhe.In der Technik werden Träger, Wellen,.....die auf zwei Stützen gelagert sind, immer mit einemFestlager versehen, um Längsverschiebungen zu verhindern.Zweiwertige Lager können Kräfte aus jeder beliebigen Richtung aufnehmen. Beim Freimachen istdaher die Wirklinie nicht immer eindeutig feststellbar. Gelöst wird dieses Problem in den meistenFällen, dass man (Parallelogrammsatz anwenden) zwei rechtwinkelig aufeinander stehendeWirklinien der beiden Komponenten zeichnet.


A

FB

F

F

F

FBx

y

Angriffpunkt

Angriffspunkt

FA

26

Regel 7Dreiwertige Lager

Bei dreiwertige Lager sind alle drei Freiheitsgrade (in der Ebene ) gesperrt. Daher können sie 3Kräfte aufnehmen, wobei die Festlager eben 2 Kraftkomponenten aufnehmen können. Die dritteKraftkomponente ist das so genannte Kraftmoment (Drehmoment)

Freimachen: Alle benachbarten Bauteile entfernen – hier die Mauer.

Hier treten drei Unbekannte auf: Wirklinie und Betrag der Lagerkraft, Betrag des Kraftmoments(Einspannmoment).

Arbeitsschritte beim FreimachenRichtiges Freimachen ist die Voraussetzung für die richtige zeichnerische und rechnerische Lösungin der Statik.

� Lagerskizze des freizumachenden Bauteils� Kraftangriffspunkte (Berührungspunkte mit den Nachbarbauteilen)� Wirklinien der wirkenden Kräfte – Regeln beachten� Richtungssinn für alle Kraftpfeile festlegen.


F

Wand

fest eingespannter Träger

l

F

l

A B F

F

x

y

F

F

Ax

Ay

=

=

F

F

x

y

M = Fy l

Kraftmoment (Drehmoment)

27

Reibung – schiefe Ebene – PhysikEin Körper drückt mit seiner Gewichtskraft FG auf eine horizontale Fläche, wobei eine gleichgroßeGegenkraft, 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.

Wir machen den Körper frei: (Alle benachbarten Körper entfernen – nur die Angriffspunkte derKräfte zeichen FK = Freikörper)

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 Kippproblembeachten wir jetzt nicht.

Wenn der Körper verschoben wird, muss die Reibkraft FR überwunden werden. Sie wirkt stetstangential.

Nun zeichnen wir das Kraftdreieck (Kräfteplan)

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 Winkelfunktionenanwenden.Das Seitenverhältnis FR : FN (FR zu FN) heißt Tangens des Winkels a .


Fv

FG

v

FFG

FNFR

(Reibkraft)

FNFG

FR

F

Resultierende (Ersatzkraft)

�

28

tan a = F R

F N-----> daraus kann man nun FR berechnen. Wir lösen die Gleichung nach FR auf..

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 aReibkraft FR = Normalkraft FN . Reibzahl �

Die Reibzahl wird durch Versuche ermittelt.

Krafteck zeichnen

Gegenwinkel sind immer gleich groß

sin a = F R

FG= Gegenkathete

Hypothenuse -----> FR = FG . sin a


F

FFG

N

R

�

�

�

�

FN

FR

FGFR = FG . sin �

FN = FG . cos �

29

cos a = F N

F G= Ankathete

Hypothenuse -----> FN = FG . cos a

F R

F N= tan a = µ

Schiefe Ebene + ReibungNochmals wiederholt: FR = FN . Reibzahl µ

Nun zum Beispiel lt. Blatt:1c) Eine Straße der Länge 100m hat einen Neigungswinkel 120. Welche Kraft kann einen Wagenvon 1,65t Masse in konstanter Geschwindigkeit aufwärts bewegen, wenn die Reibzahl µ=0,6beträgt?Welche Gesamtarbeit ist dazu nötig?

Trigonometrische Lösung:

1.Schritt: Lageskizze zeichnen

FG = m . g Ich habe g gerundet auf 10 m.s-2. (9,81)m = 1,65t = 1650 kgFG = 1650 . 10 = 16500 N

2.Schritt: Krafteck zeichnen:


90,00°

F

FF

FR G

N

30

Zwischen FN und der Ersatzkraft Fe liegt immer der Reibwinkel. Zuerst zeichnet man die Normalkraft FN in Normalrichtung zur schiefen Ebene und schließtrechtwinkelig 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 derschiefen Ebene liegt.(a) Hier bei unserem Beispiel 120.

Betrachten wir nun diese Skizze:

Wenn der Körper mit einer konstanten Geschwindigkeit hinauf bewegt wird, zerlegt sich dieGewichtskraft 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 dieHangabtriebskraft 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


F

FF

FF

G

NR

e

�

F

FFF

N

Gh

h

l

31

senkrechten Heben erforderliche Hubarbeit.

Grundformel:

F . l = FG .h ---- daraus kann die erforderliche Zugkraft F errechnet werden.

F = FG . hl

hl = sin �

l = L�nge der schiefen Ebene (Kraftweg)

Jetzt mit Reibung:

F ZugkraftFR ReibkraftFH HangabtriebskraftFN NormalkraftFG Gewichtskraft = 1650 kg. 10 ms-2 = 16500 N� Reinzahl = 0,6� Neigungswinkel = 120

Aufwärtsbewegung

F = ? (Zugkraft)F = FG . (� . cos � + sin �)

F = 16,5 kN (0,6 + � pi.120�1800 ) Bogenma�

F = 16,5 kN .(0,6 + 0,21)F = 16,5 kN . 0,81F = 13,365 kN = 13 365 N

Arbeit = Kraft * KraftwegW = F . lW = 13 365N . 100mW = 1336500 Nm


F

FFF

N

GH

h

l

FR

�

32

W = 1,34 MNm

Auch mit den normalen Gleichgewichtsbedingungen ist es möglich, die Zugkraft F zu ermitteln:

a – Ebenenwinkel – ReibwinkelFR - ReibkraftFG – GewichtskraftFN – NormalkraftF - Zugkraft - parallel zur schiefen Ebene

I: SFx = 0II: SFy = 0

Anwendung der Winkelfunktionen (Trigonometrischen Funktionen)

sin a = x

FG=

GegenkatheteHypothenuse ----> x = FG . sin a

cos a = y

FG= Ankathete

Hypothenuse -----> y = FG . cos a

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: SFx = 0 = F + (-x) + (- FR)I: SFx = 0 = F + (- FG . sin a) + (-FN . µ)


�

�

F

x

F

F

y

G

N

x-Achse

y-Achse

FR

�

33

I: SFx = 0 = F + (- FG . sin a) + (-FG . cos a . µ) -----> Klammer auflösenI: SFx = 0 = F - FG . sin a -FG . cos a . µ------------------------------------------------------------

II: SFy = 0 = FN + (-y) II: SFy = 0 = FG . cos a + (- FG . cos a)

-----------------------------------------------------------

Gleichung I nach F auflösen:

I: 0 = F - FG . sin a -FG . cos a . µI: FG . sin a + FG . cos a . µ = F -------------> FG heraus hebenI: 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 dertrigonometrischen Vorgangsweise.

Werkstofftechnik

Einteilung der Werkstoffe

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


Werkstoffe

Metalle Nichtmetalle

Eisenmetalle(Fe)

Nichteisenmetalle Kunststoffe NaturstoffeKeramik

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� 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:

Eigenschaften der Schwermetalle� Hohe Dichte > 4,6g/cm3

Eigenschaften der Leichtmetalle� Geringere Dichte < 4,6 g/cm3


Schwermetalle Leichtmetalle

Kupfer (Cu)Blei (Pb)Zinn (Sn)Zink (Zn)Gold (Au)Silber (Ag)Platin (Pt)

Aluminium (Al)Magnesium (Mg)Titan (Ti)

Nichtmetalle

KeramikGlas

NaturstoffeHolzSteinLederGummi

KunststoffeThermoplasteDuroplasteElastomere

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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 �nderung eine physikalische, weilder 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 (�)


36

� Schmelzpunkt� Elastizit�t� Plastisch� Spr�de

Dichte (�): Unter Dichte bezeichnet man die Masse pro Volumseinheit:

� = Masse

Volumseinheit = mV

[�] = [m ][V ]

in g

cm3 oder kgdm3

Schmelzpunkt

Der �bergang vom festen in den fl�ssigen Zustand wird als Schmelzen bezeichnet. Der Punkt, andem 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 einenTemperaturbereich, in dem sie weich werden bzw. schmelzen.

� Messing (Cu-Zn-Legierung) Zn-Zink: 9000 C � 10000 C.

Elastizit�t:

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 inden Ausgangszustand zur�ck.

Spr�digkeit:

Unter Krafteinwirkung brechen die Werkstoffe, ohne sich entscheidend zu verformen.

Elektrische-und W�rmeleitf�higkeit

Eine wesentliche physikalische Eigenschaft ist bei Metallen die:� Elektrische und die� W�rmeleitf�higkeit


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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 derTechnik 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 zuverändern.

Trennbarkeit:

Beim Trennen veränder sich die Form des festen Werkstückes, wobei hier spanende Verfahrenangewendet 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. Imflüssigen 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


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� 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 Naturhat 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 einenWürfelstruktur (Kubus):

� Eisen (Fe) bei 9110 C� Eisen (Fe) über 13930 C� Chrom (Cr)� Wolfram� Vanadium

Kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter:Hier sind die Atome in der jeweiligen Seitenflächemitte und an allen Eckpunkten des Würfelsangeordnet:

� Eisen (Fe) oberhalb 9110 C� Kupfer (Cu)� Nickel (Ni)� Aluminium (Al)

Hexagonales Kristallgitter:Die Atome bilden hier ein sechseckiges Prisma, ein Hexagon, wobei ein Atom in der Grundflächeund eines in der Deckfläche, sowie drei Atome innerhalb des Prismas sich befinden.


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Die kristalline Struktur der Metalle sind wesentlich für die physikalischen und technologischenEigenschaften der Metalle verantwortlich, wie beispielsweise Härte, Festigkeit,Magnetisierbarkeit ,Zerspanbarkeit und Umformbarkeit.

Beim Schmelzen von Metallen zerbricht bei einer bestimmten Temperatur die Kristallstruktur, dieAtome lösen sich aus dem Kristallgitter heraus. Die Kristallstruktur baut sich wieder beim Erstarrenauf.In der Technik eignen sich die Eigenschaften reiner Metalle nicht sehr gut. Daher schmilzt manverschiedene Metalle zusammen. Solche Stoffgemische bezeichnet man Legierungen. Legierungensind 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 vonSchwefel, Mangan, Sauerstoff verunreinigt. Daher muss es zuerst gereinigt werden und von denEisenbegleitern reduziert werden. Die Reduktion ist ein chemischer Vorgang, der im Hochofenpassiert. Daraus entsteht das so genannte Roheisen:

� weißes und� graues Roheisen.

Dieses Roheisen ist aber in der Technik eher ungeeignet, weil es einen sehr hohenKohlenstoffgehalt hat. Das weiße Roheisen wird zur Stahlerzeugung und das graue Roheisen zurGusserzeugung (Eisen-Gusswerkstoffe) verwendet.Der Kohlenstoffgehalt bestimmt weitgehend die Werkstoffeigenschaften des Stahls. Stahl istdemnach eine Verbindung von Eisen und Kohlenstoff, der jedoch nur bis ca. 2% reichen darf. Da istauch 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.


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Behandlung von Stählen

Durch die Wärmebehandlung und nachfolgende rasche Abkühlung (abschrecken) ändert der Stahlseine 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 langsamabgekühlt. Die Glühtemperatur und die Zeit, welche den Stahl auf dieser Temperaturstufe hält,bestimmt die Eigenschaften des Stahls.Beim Glühen unterscheidet man noch zusätzlich:

� Weichglühen (mehrer Stunden im Ofen bei 720 C, damit ergibt sich eine guteZerspanbarkeit)

� Normalglühen (Temperaturbereich 7200 C – 10000 C – man erreicht dadurch eine Festigkeit– feinkörniges Gefüge).

Beim Härten wird der Stahl erwärmt und danach abgeschreckt. Es ist aber dabei ein C-Gehalt vonmindestens 0,3% erforderlich. Beim Abschrecken verändert sich das Kristallgitter so, dass es zuVerspannungen 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 � Lufthärter (Abkühlung auf Raumtemperatur 200 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 bis2500 C. Danach kühlt man langsam ab. Dadurch werden die Kristalgitterspannungen sehrvermindert und sogar beseitigt. Diesen Vorgang nennt man „Anlassen“. Es gibt daher, um dieTemperatur bestimmen zu können, so genannte Anlassfarben.

Vergüten

Wenn der Stahl gehärtet und angelassen wird, wobei man erwärmt auf 4000 C bis 7000 C, sprichtman von Vergüten. Durch diesen Prozess verbessert man die Zähigkeit, Zugfestigkeit undElastizität des Stahls. Diese Eigenschft wird meist bei Kurbelwellen und Achsschenkelbolzen vonKFZ gefordert. Auch einige Bauteile, wie Schrauben von CNC-Maschinen erfordern dieseEigenschaften.

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 Stahlverfahren5. Welche Erze gibt es?


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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 undSchwefel 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

Metall Chem. Symbol Dichte in g/cm3 Schmelzpunkt in Celsiusgrade Zugfestigkeit in N/mm2

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 „LesBaux“ in Frankreich.Neben Stahl ist Aluminium der meist verwendetste Werkstoff in der Metalltechnik. Es besitzt guteelektrische und thermische Leitfähigkeit und ist vor allem korrosionsbeständig. Da es relativ weichist, 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 undHärte 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. BrennendeMagnesiumspäne sollen niemals mit Wasser gelöscht werden. Man sollte dazu Sand oder


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Graugusssp�ne zum L�schen verwenden.

Titan wird wegen seiner guten K�rpervertr�glichkeit in der medizinischen Technik als Implantateverwendet. Durch Beimengung (legieren) von Aluminium, Vanadium, Kupfer und Eisen k�nnen diemechanischen Eigenschaften verbessert werden. Dadurch kann es auch in der Luftfahrt-undRaumfahrttechnik (Strahlentriebwerke und Rotoren) eingesetzt werden.

Schwermetalle

Schwermetalle zeichnen sich durch eine h�here Dichte aus (� > 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 thermischeLeitf�higkeit. Dadurch ist es gut verformbar. Sehr vom Vorteil in der Technik ist dieKorrosionsbest�ndigkeit.Der spezifische Widerstand (�) von Kupfer betr�gt 0,0178 �mm2/m. Darunter versteht man, dassein Kupferdraht von 1m L�nge mit 1mm2 Querschnittsfl�che einen Widerstand von 0,0178 � bei200 C hat. Meist wird in der Elektrotechnik der Kehrwert, den man Leitf�higkeit (�) bezeichnet,verwendet.

� = 1�

� = m

�0,0178��mm2�= 56,18

m��mm2��

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, Schraubenund Zahnr�der verwendet.

Zinn (Sn) ist heute schon sehr selten geworden. Es ist sehr gut gie�bar und wird haupts�chlich imKunsthandwerk verwendet. Zinnbronze wird heute durch die Aluminiumbronze ersetzt, weil Zinnsehr selten geworden ist.Zinn-Blei-Legierungen werden in der Technik oft als so genanntes Weichlot verwendet. (S-Sn 60 Pb40 � 60% Zinn, 40% Blei � geeignet f�r elektronische Schaltungen)

Zink ist korrosionsbest�ndig. Da es korrosionsbest�ndig ist, wird es als Korrosionsschutz vonEisenwerkstoffen (verzinken) verwendet. Gut formbar ist es bei Temperaturen zwischen 1000 C und


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1500 C.Wenn man Zink mit Aluminium und Kupfer legiert, verbessern sich die mechanischenEigenschaften. 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 Oberflächenschutzvon 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. Nennen Sie wichtige Nichteisenmetalle2. Was bedeutet Cu-Zn 37?3. Worin unterscheiden sich die Leicht- von den Schwermetallen?4. Was versteht man unter Legierung?5. Wo wird Zink angewendet?

Hartmetalle:

Gesinterte Hartmetalle sind hochfest und verschleißfest. Sie bestehen aus Metallkarbiden oderMetalloxide.

� 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 entstehendenWerkstoffe bezeichnet man Sinterwerkstoffe.Eigenschaften:

� Hohe Festigkeit� hohe Wärmebeständigkeit


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 tausendeJahren 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 WerkstoffenWerkstoffbezeichnungen informieren über Eigenschaften des Werkstoffes. EinwesentlicherBestandteil der Ewerkstoffbezeichnung ist die Werkstoffnummer, die aus 7 Zahlen getrennt durch 2Punkte besteht.x.xxxx.xx


Anhängezahl

Sortennummer

Werkstoff-Hauptgruppe

45

Ziffern der Werkstoff-Hauptgruppe:

0: Roheisen und Gußeisen1: Stahl

2: Schwermetalle (kein Eisen)3: Leichtmetalle

4-8: nichtmetallische Werkstoffe 9: freie Kennzahl

Die Sortennummer informiert über die chemische Zusammensetzung des WerkstoffesDie Anhängezahl gibt Aufschluss über besondere Herstellungsverfahren und Werkstoffzustände.Meist ist die Werkstoffbezeichnung aus dem Tabellenbuch zu entnehmen.

Einige Beispiele:Werkstoffnummer: 1.0112Bedeutung:1 steht für Stahl Sortenklasse ist 01 und bedeutet BaustahlZählnummer 12 bedeutet S 235 JR

Werkstoffnummer: 3.0275.203 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

KerbschlagarbeitWärmebehandlungVerwendung

Mindeststreckgrenze R

ein N/mm2

Kennbuchstabe für Stahl

Kennbuchstabe für Guss

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Meist werden die Stähle in Stahlbau (S) und jene für den Maschinenbau (E) eingeteilt.

Stahlbau:

S 355 J2 G3 N:

Maschinenbaustahl

E 295 C

Es werden die Stähle weiter noch genormt. Diese Normung bezieht sich auf die chemischenEigenschaften der Stähle, wobei man in:

� legierte und� unlegierte Stähle einteilt.

Beispiele:

Unlegierte Stähle

C 45 E


Normalgeglüht

Re= 355 N/mm2

Stahlbau

Kerbschlagarbeit 27 Joule

Der Baustahl St 37-2 führt nach der Euro-Norm die Bezeichnung S 235 JR

Besondere Kaltformbarkeit

Re= 295 N/mm2

Maschinenbau

Die frühere Bezeichnung war für diesen Stahl St 50-2.

Schwefelgehalt, der festgesetzt ist

Kohlenstoffgehalt 45/100 = 0,45%

Kennbuchstabe

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Unlegierte Stähle

50 Cr Mo 4

Um ganze Zahlen zu erreichen, gibt es so genannte Faktoren für die einzelnen Elemente

Faktor Element4 Cr, Co, Mn, Ni, Si, W10 Al, Cu, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr

100 C, N, P, S

Chemische Symbole:

Cr: ChromCo: KobaltMn: ManganNi: NickelSi: SiliziumW: WismutAl: Aluminium Cu: Kupfer Mo: MolybdänNb: NiobTa: TantalTi: TitanV: VanadiumZr: ZirkonC: Kohlenstoff N: StickstoffP: PhosphorS: Schwefel


4/4 ->1% Chrom

Molybdän

Chrom

Kohlenstoffgehalt 50/100 -> 0,5%

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Legierte Stähle

X 5 Cr Ni 18 10

Kunststoffe (Plaste)Kunststoffe werden meust durch chemische Vorgänge erzeugt. Ausgangsstoff aller Kunststoffe istErdöl, 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


10% Ni (Nickel)

18% Cr (Chrom)

Nickel

Chrom

Kohlenstoffgehalt 5/100 -> 0,05%

hochlegiert

Zu der Gruppe der hochlegierten Stähle (Kennbuchstabe „X“) zählt man auch Kalt-und Warmarbeitsstähle (Schneidwerkzeuge, Druckgießformen,.....)

Auch nichtrostende Stähle mit einem Chromanteil von >13% werden zu dieser Gruppe gezählt.

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Erzeugung� Polymerisation� Polykondensation

PolymerisationDies 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. Kohlenstoffist 4-wertig (Periodensystem der chemischen Elemente).

Man sieht, dass an einem Kohlenstoffatom 4 einwertige, 2 zweiwertige, 1 dreiwertiges und ein 1einwertiges Atom angehängt sein kann

Ethylen:

Polyethylen – chemischer Prozess

Die Doppelbindung wird aufgerissen – aus einem Monomer entsteht ein Polymer – Diesen Vorgangbezeichnet man Polymerisation.

Polymer:


C Bindungsarm

Strukturformel

C Ethan

C C

Doppelbindung

C C C C C C C Cn

Grundmolekül

...............

[C2H

4]

n Polyethylen n – Anzahl der Monomere

Öffnen der Doppelbindung = Polymerisation

50

PolykondensationDurch Wasser (H2O)-Entzug wird ein Polymer:Beispielsweise bei Nylon, welches ein Polykondensat ist.

Nylon:

Hexamethylendiamin+Adipinsäure -----> Nylon

Nach den selben Prinzip entstehen Polyester.

Anwendung� Elektroindustrie� Elektronik� KFZ-Bau� Maschinenbau � Flugzeugbau

ThermoplasteDie langen fadenförmigen Makromoleküle liegen unverbunden im Gefüge. Thermoplaste sindthermoinstabil.

Anwendung:� Nylon� Plexiglas� Polystyrol� Teflon

DuroplasteDurch chemische Bindungen verbinden sich die fadenförmigen Makromoleküle an ihrenBerührungsstellen ----> vernetzte Kunststoffe


Polykondensation - Wasserentzug

- H2O

HN (CH2) NH

H HHOC (CH 2 ) COH46

+

O O

-N (CH2) N

H H6

C (CH 2 ) C-4O O

Peptidbindung

Nylon

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Eigenschaften� fester� härter� formbeständiger� nicht schmelzbar� nicht schweißbar� halten höhere Temperaturen aus

Anwendung:� Bakelit� Moltopren� Resopal� Diolen� Ultramid

ElastomereSie stehen zwischen den Thermo- und den Duroplasten. Weitmaschiger vernetzt und daherdehnbarer.

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!

FertigungstechnikArbeitsvorgänge in der Fertigung werden auch heute noch manuell durchgeführt:

� Anreißen� Körnen


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� Feilen� Entgraten� Reiben� Sägen

AnreißenBevor ein Werkstück gefertigt wird, muss es geplant und gezeichnet werden. Das Ausgangsstück istdas 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 aberheute 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

SägenSägen ist ein spanender Fertigungsprozess.


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Anwendung� Abl�ngen� Trennen von Werkst�cken

Der Keil

a = Freiwinkelb = Keilwinkelg = Spanwinkel

a b g+ + = 900

F�r alle spanabhebenden Werkzeuge ist die Grundform der Keil. Der Spanwinkel ist f�r dieSpanbildung 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 - harte und spr�de Werkstoffe � Scherspan - leicht spr�de Werkstoffe � Spanwinkel = 100.� Flie�span - 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. DieZahnteilung wird durch den zu bearbeitenden Werkstoff bestimmt.Weiche Werkstoffe erfordern eine grobe Zahnteilung. Bei harten nicht so grob, weil ja gr��ereSp�ne entstehen.


90��

�

Keil

54

Zahnteilung Z�hne/1Zoll Anwendung Werkstoff � � �grob 14-16 Lange Schnittfugen Cu, Al, Sn, 400 450 50

mittel 22 Normaler Einsatz Cu-Zn,Baustahl,Legierungen

400 450-500 00-50

fein 32 D�nnwandige Rohre StahlgussWerkzeugstahl

400 500 00

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

FeilenFeilen ist ein spanabhebender Vorgang. Auch hier ist der Keil die spnaabhebende Grundform.

Die hintereinanderliegenden Z�hne (Schneiden), Hieb genannt, erzielen die spanabhebendeWirkung.


Feilenlänge

Feilenblatt

Angel

FeilenheftHieb

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ZahnformenNach der Herstellung unterscheidet man:

� gehauene und� gefräste Feile

Gehauene FeilenDie Zähne arbeiten schabend. Mit einem Meißel werden die Zähne (Hieb) in das Blatteingeschlagen. 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 einenFreiwinkel von ca. 350. Daraus ergibt sich eine spanende Wirkung, wodurch große Spanmengenabgetragen werden können.

Eigenschaften:� gerundete Spanlücken� spanende Wirkung � große Spanmengen

Anwendung:� weiche Werkstoffe (Aluminium, Blei,.....)

Hieb – HiebartenHieb bezeichnet man die in Reihe hintereinander angeordneten Zähne einer Feile.

Hiebarten:� Einhiebige

� gerader Hieb� schräger Hieb� bogenförmiger Hieb

� zweihiebige – Kreuzhieb


Schräger Hieb (einhiebig)

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Oberhieb hat 700 und der Unterhieb 500. Durch Ober-und Unterhieb sind die Zähne versetzthintereinander. Dadurch wird eine Riefenbildung vermieden.

Hiebzahl

Sie legt die Art der zu verrichteten Arbeit fest, grob oder Feinarbeit. Feilen mit grobem Hiebebesitzen eine kleine Hiebzahl, wogegen mit feinem Hieb eine große Hiebzahl.

Feilarten

Feilart Hiebzahl HiebnummerSchruppfeile 5,3 – 16 1Schlichtfeile 10 – 25

14 – 3523

Feinschlichtfeile 25 – 50 4


Gerader Hieb

Bogenförmiger HiebHier werden die Späne nach beiden Seiten abgeleitet.

Oberhieb

UnterhiebKreuzhieb

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� 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?

BohrenIn der Fertigungstechnik erfordern Arbeitsvorgänge bei Werkzeugen oft eine exakt festgelegteSchneidenform 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 genannteBohrungen gefertigt.Schnittbewegung, die der Bohrer ausführt (kreisförmig), und Vorschubbewegung fallen zusammen.

Spiralbohrer


Freiwinkel

KeilwinkelSeitenspanwinkel

Spitzenwinkel

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SpanwinkelSpanwinkel – Seitenspanwinkel – Beim Bohren harter Werkstoffe sollte der Spanwinkel kleingehalten werden.

SpitzenwinkelBeide Hauptschneiden bilden den Spitzenwinkel, der die Länge der Hauptschneiden festlegt. Er hatgroßen Einfluss auf die Schneidenstabilität und den Wärmeabfluss. Wenn der Spitzenwinkel kleinist, entsteht eine lange Hauptschneide, welche die Wärme, die beim Bohren entsteht, gut ableitet.Gut geeignet zum Zerspanen harter Werkstoffe.

FreiwinkelWenn man die Freiflächen hinterschleift, entsteht der Freiwinkel. Die Norm ist ca. 60 – 90. Wenn derFreiwinkel zu klein ist, können die Hauptschneiden nicht in den Werkstoff eindringen, was zu einenerhöhten Vorschubdruck führt, den Bohrer zu stark erwärmt und dadurch beschädigt.

KeilwinkelZwischen der Keilfläche und der Freifläche befindet sich der Keilwinkel. Mit dem Freiwinkel unddem Spanwinkel bildet er einen Normalwinkel (900).

Bohrertypen und Werkstoffe

Werkstoff Spitzenwinkel TypHartguss, Stahl > 1200N/mm2

ZugfestigkeitCu-Zn-Legierung (weich)Duroplaste, Hartgummi

1400

1180

800

H

Nichtrostender Stahl Stahl und Stahlguss 700 –1200N/mm2 ZugfestigkeitGusseisen, Temperguss, Stahlund Stahlguss bis 700 N/mm2

Zugfestigkeit

1400

1300

1180

N (normaler Werkstoff)

Cu bis 30 mmBohrdurchmesserZn-LegierungenThermoplaste

1400

1180

800

W (weicher Werkstoff

Schnittgeschwindigkeit und Vorschub Die Schnittgeschwindigkeit (vc) ist jene, mit der die Spanabnahme erfolgt. Der Weg, den dieScheidenecke des Bohres bei seiner Drehbewegung zurücklegt (s) ist d.p. Bei x-Umdrehungen wäreder zurückgelegte Weg s = dpx. Die Anzahl der Umdrehungen wird pro Minute aufgefasst. Manbezeichnet dann diese Auffassung als Drehfrequenz „n“.Aus diesen Überlegungen heraus ergibt sich die Schnittgeschwindigkeit vc = dpn.


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Ein Beispiel soll diesen Zusammenhang veranschaulichen:

Ein Bohrer mit dem Durchmesser von 10 mm hat eine Drehfrfequenz n von .650 . 1

min

Berechnen Sie die Schnittgeschwindigkeit in m

minLösung:vc = dpn10 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 mmin

vc = 20,41 mmin

Drehfrequenz

vc = dpn -----> Gleichung nach n auflösen (Äquivalenzumformung – siehe Mathematik)

n = vc

�d.��Die Drehfrequenz, die man an der Bohrmaschine einstellen kann, lässt sich aus Bohrerdurchmesserund festgelegter Schnittgeschwindigkeit ermitteln. Meist sind die Werte aus Tabellenbüchernabzulesen und dann an der Bohrmaschine einzustellen.

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

SenkenNach 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


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� entgraten von Bohrungen

Senkverfahren� Plansenken – Herstellen einer ebenen Fläche

� Aufsenken – Erweitern von vorgegossenen oder vorgebohrten Bohrungen� Profilsenken – kegelige Prifsenker – zum Entgraten

UnfallverhütungHier gelten dieselben Sicherheitsmaßnahmen wie beim Bohren.

ReibenWenn man bei einer Bohrung eine hohe Oberflächengüte erzielen will, muss man die Bohrung miteiner Reibahle weiter bearbeiten. Mit Spiralbohrern kann man die geforderte Oberflächengüte nichterzielen.Mit so genannten Reibahlen wird diese Fertigungstechnik durchgeführt. In der Regel besitzenReibahlen 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 dieBohrungswandung 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.

GewindeschneidenMathematisch-physikalisch ist ein Gewinde eine schiefe Ebene, bei der die herkömmlichen Regelnder Physik (siehe technischen Mechanik) gelten. Den Abstand zwischen zwei Gewindegängen, diebeide auf einer Schraubenlinie liegen, bezeichnet man Gewindesteigung. Das Gewinde-schneiden


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ist ein zerspanender Prozess.Hier findet die schiefe Ebene ihre Anwendung. Die Gewindelinie (Schraubenlinie) bildet sich durchdas Aufwickeln der schiefen Ebene auf einen Zylinder. Dabei ergeben sich folgende Kräfte, die manaber sparen kann.FHand . sHand = FDruck Gewindespindel . Steigung des Gewindes.Der Weg der Kurbel des Schraubstockes ist beispielsweise der Handweg.

F1.2rp = F2.PF1 = Handkraft (FH) F2 = Druckkraft der Gewindespindelr = 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 einerLänge 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.

F2 = �F 1 .2 r��

P

F2 =�50N.2.0,3 m.3 ,14�

�0,006m�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


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Windeisens aufgebracht.

Arbeitsweise beim GewindeschneidenDer Gewindebohrer führt eine Drehbewegung aus. Die Gewindesteigung ist verantwortlich für denVorschub. Dabei wird ein Großteil des Werkstoffes (im Kernloch) zerspant, wobei ein kleiner Teilzerquetscht wird. Die entstehenden Späne finde Platz im Hohlraum, welcher durch denGewindebohrer und dem Werkstück gebildet wird. Diesen Vorgang bezeichnet man„Aufschneiden“. Die Art und Beschaffenheit des Werkstoffes bestimmt die Verwendung einesbestimmten Gewindebohrersatzes:

� dreiteilig� vierteilig

Weiters auch:� Muttergewindebohrer (Einschneider)� Maschinengewindebohrer.

Werkstoff der Gewindebohrer � HSS (HochleistungsSchnellarbeitsStahl)

Arbeitsregeln beim Gewindeschneiden

InnengewindeEin metrisches Gewinde wird mit seinem Gewinde-Nenndurchmesser und einem Buchstaben davorangegeben: M 10 – bedeutet : Metrisches Gewinde mit einem Gewinde-Nenndurchmesser von 10mm.Die Bohrung muss daher etwas kleiner im Durchmesser sein. Man spricht daher vomKerndurchmesser. Als Faustregel ergibt sich der Kerndurchmesser aus dem Produkt von0,85.Gewinde-Nenndurchmesser. In unserem Beispiel:

Gewinde-Nenndurchmesser = 10 mmKerndurchmesser: 0,85 . NenndurchmesserKerndurchmesser = 0,85 . 10 mmKerndurchmesser = 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 sollein 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


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Bohrtiefe:� Mindestbohrtiefe: Gewindetiefe + 0,7 . Nenndurchmesser� Mindestbohrtiefe: 20 mm + 0,7.8� Mindestbohrtiefe: 20 mm + 5,6 mm� Mindestbohrtiefe : 25,6 mm

ArbeitsauftragErstellen sie nach der Skizze diese Platte mit den Ma�en 50 x 45 x 10. Die Bohrungen sind

durchgehend und die Bohrungen mit einem Durchmesser ��mm m�ssen aufgerieben werden.Die Schnittgeschwindigkeit der Bohrmaschine vc soll 20 m/min sein. Die Schneidplatte ist aus S355 J2 G3 NErstellen Sie dazu ein Arbeitsprotokoll:

ScherenScheren ist ein Trennlvorgang, bei dem zwei gegen�berliegende Schneidkeile mit geringemAbstand sich vorbei bewegen.


50,00 mm

20,00 mm

40,00 mm

ø5,

00m

m ø9 ,4

0m

mø 5,20 mm

25,00 mm

M 1 0

16,0

0m

m7,00

mm

40,0

0m

m

45,0

0m

m

� �

�

� �

�

64

�:Freiwinkel ca. 20

�:Keilwinkel ca. 800

�:Kerbwinkel ca 60

Die Schneidkeilen dringen gleichzeitig in den Werkstoff ein. Das Werkstoffgef�ge verdichtet sichund auf beiden Seiten bilden sich an der Oberfl�che eine Vertiefung.Wenn die Schneidkraft zunimmt, wird der Widerstand des Werkst�ckes gegen eine weitereVerformung gro�. Die Scherfestigkeit wird �berschritten, wobei die Werkstoffteilchengegeneinander verschoben werden. Jetzt startet die eigentliche Schnittphase.Wenn also die Schneidkr�fte immer gr��er werden, nimmt die Zusammenhaltkraft derWerkstoffteilchen ab und es kommt zum Bruch des Werkst�ckes. Die Bruchfl�che ist k�rnig undrauh.

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

UmformenBeim Umformen erh�lt das Werkst�ck eine andere Form, wobei aber die Masse erhalten bleibt. Mitsteigender Temperatur nehmen die Koh�sionskr�fte ab und das Werkst�ck l�sst sich leichterumformen bzw. bearbeiten.

Techniken der Umformung

� Biegen� Walzen� Dr�cken� Ziehen (Tiefziehen)� Schmieden (Kaltschmieden)� Drehen

BiegenDie Kristalle (�u�ere Seite des Werkst�ckes) werden gestreckt und die innere gestaucht. Es tretenZug-und Druckspannungen auf. Die Zugspannung an der �u�eren und die Druckspannung an derinneren Seite.


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FZ: ZugspannungenFD: Druckspannungen

An der neutralen Schicht, die Übergangszone, gibt es weder Zug-noch Druckspannungen. Es ist dieÜbergangszone 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, dassdas 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

PrüfenPrüfen ist ein Vorgang, bei dem festzustellen ist, ob das Werkstück (Prüfgegenstand) dengeforderten Bedingungen entspricht.


FZ

FD

Neutrale Schicht

Prüfen

Subjektivität – Sinneswahrnehmung – tasten, sehen

Objektivität

Messen Lehren

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MessenMessen ist ein Vergleichen. Man vergleicht das zu messende Werkst�ck oder die zu messendeGr��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:

� MessergebnisDie L�ngenmessung ist in der Metalltechnik (Fertigungstechnik) das am h�ufigsten verwendeteMessverfahren, 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

exakt 1

299792458 Sekunden. Wenn das erfolgt spricht man von einem Meter.

� 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 Cherrschen sollte.

Messchieber

Teile

� Lineal� bewegliche Schieber mit den Nonien.

Die Nullmarkierung der Nonien steht genau �ber der Nullmarkierung des Lineals, wenn derMessschieber geschlossen ist.


Zahlenwert

Einheit

35 . 1mm

Zahlenwert Einheit

67

Die Skalierung der Nonien ist so aufgebaut, dass 9 mm in 10 Teile (9

10 ) geteilt sind. Dadurch

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 ersteTeilstrich genau über einen Teilstrich des Lineals.

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

100 = 0,01 mm. Es gibt auch

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 ihrerLängsrichtung 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 Erwärmungausdehnen (Ausdehnungskoeffizient beachten).

� Ganze Millimeter (Spindelsteigung 1 mm bzw. 0,5 mm) auf der Hauptteilung der Messhülseablesen

� hundertstel mm auf der Messtrommel ablesen und zu den gnazen Millimetern addieren.


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Beispiel � Ganze Millimeter : 25 mm� Messtrommel: 0,65 mm� Messergebnis: 25 mm + 0,65 mm = 25,65 mm

Zu besseren Messergebnissen führen so genannte digitale Messgeräte.

MessuhrenBei Messuhren erfolgt die Längenmessung die Übertragung der Längsbewegung des Messbolzensdurch eine Zahnstange oder auch Hebel über ein Zahnradgetriebe auf einen Zeiger. Auch hier gibtes schon digitale Anzeigegeräte.

WinkelmessungBei der Winkelmessung muss man den zu messenden Winkel auf die Längeneinheit Meterzurückführen. Dazu wird die Bogemmaßeinheit 1 Radiant (rad) eingeführt. (Arcusfunktion)1 Vollkreis mit dem Radius 1 (Einheitskreis) hat 3600 . Dies entspricht einer Länge der Kreislinievon 2rp ---> r = 1 -----> 2p rad

arcus (lat.) = Bogen

arc 3600 = 2parc 1800 = p

arc 10 = �2��360

arc 10 = �

180

arc a 0 = ��180


bR = 1

a

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Interessant ist der Winkel a bei einer Bogenlänge von 1. Die Formel muss nach a umgeformtwerden. (Äquivalenzumformung)

b = arc a 0 = 1arc a 0 . 1800 = a.p

1.180 = a.p

a = �1.180��

a = 57,2950

Das heißt, das bei diesem Winkel der Bogen im Einheitskreis 1 Längeneinheit hat.Diesen Winkelbezeichnet man als 1 Radiant. Im Vollkreis ergibt (2p) dann :

57,9250 – 1 rad3600 - ? rad

57,9250 : 3600 = 1rad : x radx rad . 57,9250 = 3600 . 1rad

x rad = �3600 .1 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 dergegenwärtige Winkel (Istwinkel) vom geforderten abweicht.

Toleranzen und Passungen

ToleranzenDie Vorgaben der technischen Zeichnung müssen in die Praxis umgesetzt werden, um einWerkstück nach diesen Forderungen (Vorgaben) herstellen zu können. Da eine exakteMaßgenauigkeit nie zu100% erfüllt werden kann, müssen so genannte Toleranzen berücksichtigtwerden. 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.


Proportion lösen

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Aus dem Nennmaß und den beiden Grenzabmaßen kann man dann das größte bzw. kleinstezugelassene Maß errechnen. Größte zugelassene Höchstmaß (GH) = 16 mm + 0,3 mm = 16,3 mm Überschritten darf dieses Maßnicht.Kleinste zugelassene Maß (Mindestmaß) (KM) = 16 mm – 0,1 mm = 15,9 mm Unterschritten darfdieses 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 mmT = 0,4 mm

PassungenAls Passung bezeichnet man die Differenz zwischen einer Welle und der Bohrung, in welche dieWelle 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:

LehrenOb vorgegebene Maße und Grenzen eingehalten werden, ermittelt das Lehren. In derFertigungstechnik kann man oft auf das Messen verzichten, wenn man nur feststellen will, ob dieGrenzen (Höchst – Mindest) eingehalten werden.Lehren sind so genannte Prüfgeräte.


16 +0,3

-0,1

Nennmaß

Oberes Grenzabmaß

Unteres Grenzabmaß

16 H7

d9

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Arten� Grenzrachenlehre� Winkellehre � Haarlineal� Grenzlehrdorne� Blattlehren (Prüfen Ventilspiel in der KFZ-Technik)� Bohrlehren

DrehenDrehen ist ein spanabhebender Vorgang, bei dem das sich das Werkstück dreht und auch dieSchnittbewegung 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.


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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

FräsenFräsen ist ein spanabhebender Vorgang. Polytechnische Schulen sollten eine Werkstatt aufsuchen,wo das Fräsen den Schülern gezeigt wird.

FügenEs 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 Trennungder 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 werdenWärme und Kraft eventuell Zusatzstoffe angewendet.Arten:� Gasschmelzscheißen – Atogenschweißen

Als Brenngas wird Acetylen (C2H2 --->Dreifach-Bindung). Diese wird mit reinem


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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

� SchutzgasschweißenBeim Lichtbogenschweißen (Schmelzschweißen) wird zwischen den Fügeteilen undder Elektrode ein elektrischer Lichtbogen (Spannungsquelle) erzeugt, der eineTemperatur von ca. 40000 C erreicht. An der Schweißstelle wird ein so genanntesSchmelzbad erzeugt. Wobei zur gleichen Zeit die Elekgtrode (Zusatzstoff) verflüssigtwird. Anschluss: Die Elektrode wird an den Minuspol (Kathode) und das Fügeteil an denPluspol (Anode) angeschlossen.Stromquelle:Schweißtrafo – Die Netzspannung (230 V AC bzw. 400 V AC) wird auf ca. 70 Vtranformiert. Damit erreicht man einen sehr hohen Schweißstrom (Trafogesetz : I1 : I2 = U2 : U1). Dem Trafo ist ein Gleichrichter nachgeschaltet, weil nicht alleElektroden mit AC verschweißt werden können. Der Schweißgenerator wird voneinem Drehstrommotor betrieben, welcher dann Gleichstrom mit einer Spannungvon 100 V DC liefert.

� KunststoffschweißenDuroplaste können nicht verschweißt werden. Hingegen können Thermoplaste unterbestimmten Bedingungen (bildsam – formbar) schweißbar sein. Beim Warmgasschweißen wird erwärmte Luft (2000 C – 3500 C) über die zuschweißende 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.


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LiteraturlisteMechatronik 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 3-8348-0115-1ISBN-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 3-7002-1126-0Technisches Seminar Metall; Ing. Adolf Frischherz, Dr. Franz Neufingerl, Verlag Jugend & Volk

ISBN 3-7002-1332-8Tabellenbuch 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


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Teil 3 Grundlagen der technischen Mechanik, Werkstoff …hans.axelsoft.at/Fachbereich/grundlagen_d_mechanik_Fachbereich... · Arbeitsregeln beim Gewindeschneiden ... Unfallverhütung