Tief 3 - TU Wien

Tief 3
Herstellung eines Napfs
Gegeben: Der zylindersymmetrische Bauteil (Durchmesser 50 mm, Höhe 85 mm) nach
Abb. 1 soll aus einem Blechzuschnitt durch Tiefziehen hergestellt werden. Ihnen steht
folgender Werkstoff zur Verfügung:
Werkstoff β 1 (Erstzug) β 2 β 3
X5 CrNi 18 10 2,1 1,2 1,2
Abbildung 1: Herzustellendes Werkstück
Gesucht:
1. Geben Sie die Abmessungen der Ronde an.
2. Geben Sie die zur Herstellung des in Abb. 1 dargestellten Bauteils erforderlichen
Verfahrensschritte an. Die beiden letzten Ziehverhältnisse sollten den selben Wert
aufweisen.
3. Skizzieren Sie die auftretenden Ziehstufen und bemaßen Sie die aus den einzelnen
Ziehstufen entstehenden Werkstücke (Durchmesser und Höhe).
Hinweis: Die Oberfläche einer Kugel beträgt A = 4πr 2 = πd 2 . Die verwendeten Stempel
sollen stets halbrund geformt sein. Rechnen Sie hier mit konstanter Fläche.
1

Tief 3 lsg
Lösung
Ronde D2 0 π = d · π · h + π 4 2 d2 →
D 0 = √ 4(d · h + 1 2 d2 ) ≈ 130mm
β ges = D 0
d
≈ 2, 6
d.h. 3 Züge notwendig!
Wähle d 1 = 65mm, → β 1 = 2
β 2 = β 3 = √ β ges
β 1
= 1.14
d 2 = 57mm; d 3 = 50mm
h 1 = D2 0
4d 1
− d 1
2
→
h 1 = 32.5mm;
π
2 d2 i + d i · π · h i = π 2 d2 i+1 + d i+1 · π · h i+1 →
h i+1 =
d2 i
2d i+1
+ d i
d i+1
h i − d i+1
2
h 2 = 45.6mm
h 3 = 60mm
2

Las 2
Schweissen von Aluminium
Gegeben: Ein CO 2 Laser mit einer Ausgangsleistung von 5 kW liefert einen Rohstrahl
mit einem Radius von 19 mm. Dieser Strahl wird durch eine Schweissoptik (Brennweite
F=250 mm) auf die Oberfläche eines Aluminiumblechs mit einer Dicke von 3 mm fokussiert.
Der Radius des Brennflecks w f auf der Oberfläche des Werkstücks beträgt 250
µm.
Gesucht:
1. Welchen k-Faktor hat dieser Laser? Begründen Sie das Ergebnis.
2. Welche Schweissgeschwindigkeit (in m/min) kann hier erreicht werden
(Wärmeleitung in das Werkstück kann vernachlässigt werden, ebenso wie die Bildung
eines Keyholes)?
Schmelztemperatur T m 660 ◦ C
Dichte ρ 2700 kg/m 3
Wärmekapazität c p 900 J/kgK
Schmelzenthalpie H m 3,88*10 5 J/kg
Dicke d 3 mm
Hinweis: Die Schweissnaht habe die doppelte Breite des Brennfleckdurchmessers (also
w=4 w f !). Die Umgebungstemperatur T a soll 25 ◦ C betragen, der Absorptionskoeffizient
α 10%. Die Wellenlänge eines CO 2 Lasers beträgt 10,6 µm.
Verwenden Sie folgende Formeln:
w f (ideal) = 2 π
λF
D
Wobei
w · d · v · ρ · [c p (T m − T a ) + H m ] = α · P
w
d
ρ
c p
T m
T a
H m
α
P
v
Breite der Schweissnaht
Werkstückdicke
Dichte
spezifische Wärmekapazität
Schmelztemperatur
Umgebungstemperatur
Schmelzenthalpie
Absorptionskoeffizient
Laserleistung
Geschwindigkeit
3

Lösung las 2
w f (ideal) = 2 π
= 2 π
λF
D
10.6·10 −6·250
38
≈ 44µm
w f (real) = 1 k w f(ideal)
→ k ≈ 0.18
=
v =
αP
w · d · ρ · [c p (T m − T a ) + H m ]
0.1 · 5000
10 −3 · 3 · 10 −3 · 2700 · [900(660 − 25) + 3.88 · 10 5 ]
≈ 0.064m/s ≈ 3.8m/min
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WALZ 1
Kaltwalzen von Bandstahl Ck 10
Gegeben:
Bandbreite b M
100 mm
Ausgangsdicke h 0
1,5 mm
Enddicke h 1
1,0 mm
Walzenradius R
100 mm
Umformwirkungsgrad (geschätzt) η ≈ 0,7
Gesucht:
Umformkraft F
Antriebsmoment M
Hinweis Setzen Sie den Kraftangriff in der Mitte der gedrückten Länge an. Die gedrückte
Länge ergibt sich zu:
l D =
√
R · |h 0 − h 1 |
l D
R
h i
gedrückte Länge [m]
Walzenradius [m]
Anfangs- bzw. Enddicke [mm]
Die mittlere Fließspannung ergibt sich aus der Fließspannung zu Beginn und am Ende
des Walzvorgangs.
Abbildung 2: Fließkurve (Raumtemperatur) von Ck 10
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WALZ 1 lsg
Kaltwalzen von Bandstahl Ck 10
l d = √ R · ∆h
∆h = h 0 − h 1
φ = ln h 0
h 1
≈ 0, 4
l d = √ 100 · 0, 5 ≈ 7mm
Fläche A F = 100 · 7 = 700mm 2
Fließspannung zu Beginn aus Kurve k f (0) ≈ 200N/mm 2
Fließspannung am Ende k f (0, 4) ≈ 600N/mm 2
k fm ≈ 400N/mm 2
F = k fm · A · 1
η ≈ 400kN
M = 400kN · 3, 5mm = 1400Nm
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EROD 8
Funkenerosion eines Werkstückes aus Stahl
1. Welches Volumen wird durch einen Puls abgetragen und welche Rauhtiefe läßt sich
damit abschätzen?
2. Mit welchem Wirkungsgrad η erfolgt die Verdampfung?
3. Welcher Spitzenstrom ergibt eine Rauhtiefe R z von 50µm, wenn der unter 2. berechnete
Wirkungsgrad zugrundegelegt wird?
Hinweis
Die Prozeßgeschwindigkeit kann über eine Energiebilanz abgeschätzt werden:
V P uls = u e · i e · τ · η
c
V P uls
η
c
pro Puls abgetragenes Volumen
Prozeßwirkungsgrad
Energie zum Verdampfen einer Volumseinheit
Unter der Annahme eines halbkugelförmigen Abtragkraters kann die gemittelte Rauhtiefe
R z aus dem verdampften Volumen des Einzelpulses abgeschätzt werden:
V P uls = 2 · π · R3 z
3
Materialeigenschaften (nur für Studienbetrieb):
Werkstoff ρ [kg/m 3 ] c p [J/kg K] T v [ ◦ C] H v [J/kg]
St 37 7800 540 2900 6, 34 · 10 6
AlMg 3 2620 1013 2500 5, 25 · 10 6
Die Schmelzenthalpie sei vernachlässigt.
Prozeßparameter:
Entladespannung u e
mittl. Entladestrom i e
Pulsdauer τ
Pulsfrequenz f
gemessene Abtragrate A
100 V
80 A
0,3 ms
2000 Hz
180 mm 3 /min
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Lösung
c η V P uls R z i e (50µm)
62 J/mm 2 0,039 0,0015 mm 3 /Puls 0,09 mm 14 A
c = ρ · V · [c p · T v + H v ]
= 7800 · 10 −9 · [540 · 2900 + 6.34 · 10 6 ] ≈ 62J/mm 3
V P uls = ue·ie·τη
c
= 100·80·3·10−4 η
63
= 0.0387η
V ges = V puls · f · 60 = 4644η mm3
min
→ η = 180
4644 ≈ 0.039
→ V puls = 0.0015 mm3
P uls
R z = 3 √ 3·VP uls
2π
≈ 0.0895
R z
R ′ z
→ ie
i ′ e
= 3 √
V P uls
V ′ P uls
= 3 √
i e
i ′ e
= 1.79 3 = 5.73
= 0.0895/0.05 ≈ 1.79
i ′ e = ie
5.73 ≈ 14A 8

THEO 1
Laserschneiden
Leiten Sie mit einer Energiebilanz und einem Prozeßwirkungsgrad η einen Zusammenhang
aus Fokusdurchmesser, Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit für das Laserschneiden
her.
Kann der Prozeßwirkungsgrad η unübliche Werte annehmen, wenn ja, begründen Sie
das bitte.
Skizzieren Sie einen Schneidkopf für das Schneiden mit dem CO 2 -Laser.
THEO 2
Lichtbogen – Glimmentladung
Diskutieren Sie den unterschied zwischen einer Glimmentladung und einem Lichtbogen.
Unterscheiden Sie anhand des Gasdrucks, der Temperatur und des optischen Erscheinungsbildes.
Welche technischen Anwendungen dieser beiden Entladungsarten kennen
Sie?
THEO 3
Trescasche Fließbedingung
Wie lautet die Trescasche Fließbedingung, mit der der Beginn des Fließens eines metallischen
Werkstoffs vorhergesagt werden kann? Geben Sie diese Bedingung für den mehrachsigen
Spannungszustand an und schränken Sie diese daraufhin auf den einachsigen
Spannungszustand ein. Erläutern Sie das bitte auch mit den Mohrschen Spannungskreisen.
THEO 4
Gaußscher Strahl
Diskutieren Sie die Eigenschaften des Gaußschen Strahls. Erläutern Sie die Begriffe
Rayleighlänge und Strahlparameterprodukt und deren Einfluß auf die Fokussierbarkeit
eines Laserstrahls. Erweitern Sie diese Überlegungen auf einen realen Strahl (Strahlqualitätskennzahl
K). Vergleichen Sie Fokussierbarkeit und Rayleighlänge für gleichen
rohstrahldurchmesser und gleiche Optik zwischen realem und idealem strahl.
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THEO 5
CO 2 -Laser
Welche Anregungsmöglichkeiten für CO 2 -Laser werden verwendet? Skizzieren Sie die
verschiedenen Anregungsmöglichkeiten und erläutern Sie die Vor- und Nachteile.
THEO 6
Strahlführung und Strahlformung
Welche Möglichkeiten zur Strahlführung bzw. Strahlformung kennen Sie? Unterscheiden
Sie bitte zwischen den unterschiedlichen Laserarten (CO 2 , Nd:YAG, Diodenlaser)?
THEO 7
Physik
Beschreiben Sie ein Phänomen, das die Wellennatur des Lichts erläutert.
THEO 8
Umformtechnik
Was ist eine Fließkurve? Wie unterscheidet sie sich von einem Spannungs – Dehnungs-
Diagramm? Skizzieren Sie eine Fließkurve für einen Werkstoff bei Raumtemperatur und
einer Temperatur für die Warmformgebung. Welchen Einfluß hat die Umformgeschwindigkeit?
THEO 9
Umformtechnik
Worauf beruht die Verformbarkeit metallischer Werkstoffe? Erläutern Sie die Begriffe
Verfestigung, Rekristallisation und Kaltverfestigung. Worauf beruht die erhöhte Verformbarkeit
erwärmter Werkstoffe? Zählen Sie Vor- und Nachteile der Kalt- bzw. Warmumformung
auf.
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THEO 10
Lasertechnik
Skizzieren Sie den Aufbau eines CO 2 -Lasers. Beschreiben Sie das Pumpschema. Wofür
werden die verschiedenen Gase benötigt?
THEO 11
Umformtechnik
Beschreiben Sie den Aufbau einer Tiefziehanlage. Welche Eigenschaft des Tiefziehens
können Sie zur Berechnung der Größe des Zuschnitts, welcher zur Fertigung eines Bauteils
erforderlich ist, verwenden?
THEO 12
Umformtechnik
Skizzieren Sie das Spannungs- Dehnungsdiagramm für einen spröden und für duktilen
Werkstoff.
THEO 15
Grundlagen
Was ist die ideelle Umformkraft? Wie unterscheidet sie die ideelle Umformkraft von der
tatsächlichen Umformkraft?
THEO 16
Grundlagen
Skizzieren Sie die beim Walzen auftretenden Kräfte. Wie lautet die Einziehbedingung?
THEO 17
Lasertechnik
Warum kann Laserstrahlung in einer Glasfaser transportiert werden?
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