Download - Vorlesung Fertigungstechnik 4. Fügen
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VorlesungVorlesungFertigungstechnikFertigungstechnik
4. Fügen4. Fügen
J. Evers AprilJ. Evers April 2010
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Fügen - Übersicht
Fügen ist das Verbinden von mehreren Werkstücken durch Verbindungselementeoder durch einen formlosen Stoff zum Vermehren des Stoffzusammenhalts.
Der Zusammenhalt erfolgt je nach Kraftübertragung form-, kraft- oder stoffschlüssig.Die Verbindungen können lösbar oder unlösbar (beweglich oder starr) sein.
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Fügen - Formschluss
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Fügen – formschluss - Stiftverbindung
Stifte werden als Verbindungselement zur Lagesicherung eingesetzt.Man unterscheidet Zylinder-, Kegel- und Kerbstifte.
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Fügen – formschluss - Stiftverbindung
Fp
A
Werden Stifte hoch belastet, müssen der gefährdete Querschnitt auf Abscherungund die Bohrungen auf die zulässige Flächenpressung hin untersucht werden.
Die Scherspannung errechnet sich aus der am Querschnitt wirkenden Kraft, dividiert durch den Querschnitt. Die zulässige Scherspannung erhält man aus Tabellen.
Die Flächenpressung in der Aufnahmebohrung wird berechnet aus der Kraft, dividiert durch die projizierte Fläche.
a
F
S
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Fügen – formschluss - Paßfederverbindung
Paßfederverbindungen dienen der Drehmomentübertragung. Die parallelen Seitenflächen liegen in der Wellen und Nabennut an. Zwischen dem Passfederrücken und dem Nabennut-Grund ist ein Spiel vorhanden.
Man unterscheidet Form A, B und C.
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Fügen – formschluss – Keil/Zahn/Polygonwellenverbindung
Man unterscheit Keil/Zahnwellen und Polygonwellenverbindungen. Diese Elemente lassen sich axial verschieben.
Zahnwellen haben eine feinere Zahnung als Keilwellen und schwächen daher die Welle-Nabe Verbindung weniger.
Polygonwellen haben keine Kerbwirkung und können größere Momente übertragen.
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Fügen – kraftschluss
Beim kraftschlüssigen Fügen werden Kräfte und Drehmomente durch Reibungskräfte übertragen, die durch das Aufeinanderpressen von
Bauteilen entstehen.
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Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung
Das Gewinde:Eine Schraubenlinie entsteht, wenn man den zurückgelegten Weg entlang des Gewindes nach einer Umdrehung abwickelt.
Bezeichnungen am Gewinde:AussendurchmesserFlankendurchmesserKerndurchmesserGewindeprofilSteigungFlankenwinkel
Das Lösen der Schraube wird durch den kleinen Steigungswinkel und den großen Flankenwinkel verhindert. (Reibung hoch)Reibung hängt von Oberfläche, Werkstoff,Schmierzustand und von der Art ab.
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Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung
Gewindearten:Das Spitzgewinde (Metrische ISO-Gewinde) wird in Fein und
Regelgewinde unterteilt.Daneben existieren noch das Trapez- und Sägengewinde.
Nach dem Drehsinn unterscheidet man Rechts- und Linksgewinde.
SägengewindeSpitzgewinde Trapezgewinde
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Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung
Schraubenverbindungen können als DurchsteckschraubeEinziehschraube undStiftschraube ausgeführt werden.
Sie dürfen nicht auf Abscherung oder Biegung beansprucht werden
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Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung
Einteilung nach der Kopfform Einteilung nach der Schaftform
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Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung
Einteilung nach der Mutterform
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Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung
Festigkeitsklassen bei Schrauben und Muttern:Zugfestigkeit=1. Zahl mal 100, hier 1000 N/mm20,2%-Dehngrenze=1. Zahl mal 2. Zahl mal 10, hier 900 N/mm2
Mutter Schraube
6
8
10
12
6.8
8.8
10.9
12.9
Schrauben werden nach ISO, DIN oder DIN EN ISO genormt:Sechskantschraube ISO 4017 – M12x80 – 12.9
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Fügen – kraftschluss - Schraubenverbindung
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Fügen – kraftschluss - SchraubenverbindungAnziehen von Schraubenverbindungen:
Die Sicherheit einer Verbindung ist von der beim Anziehen erreichten Vorspannkraft abhängig. Auf die Mutter oder den Schraubenkopf wirkt ein Drehmoment. Durch die
Gewindesteigung entsteht im Schraubenschaft eine Zugkraft. Die Schraube wird gedehnt, die Bauteile gestaucht. Die Schraube verformt sich elastisch, kann aber bei
zu großer Vorspannkraft auch plastisch verformt werden oder sogar brechen. Drehmoment und Vorspannkraft entnimmt man Tabellen.
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Fügen - stoffschluss
Beim stoffschlüssigen Fügen werden Bauteile durch einen formlosen Stoff verbunden.
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Fügen – stoffschluss - Schweißen
Beim Schweißen werden zwei Teile stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei wird der Werkstoff an der Fügestelle durch Wärme oder Reibung in flüssigen oder
plastischen Zustand gebracht.
Vorteile Nachteile
• vielfältige Formgebung
• Festigkeit der Schweißnaht
• dichte Verbindung
• Gefügeveränderung
• Verzug/Schrumpfung
• Schweißeignung ist begrenzt
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Fügen – stoffschluss - Schweißen
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Fügen – stoffschluss - SchweißenLichtbogenhandschweißen:
Hier schließt der Lichtbogen zwischen Stabelektrode und Werkstück den Stromkreis (Gleichstrom). Durch die hohen Temperaturen schmelzen an der
Schweißstelle sowohl die Kanten der Fügestelle als auch die von Hand zugeführte Stabelektrode. Die Schmelze bildet nach dem Abkühlen die Schweißnaht. Die Umhüllung entwickelt Gase, die den Lichtbogen stabilisieren, die Luft abschirmen und eine schnelle
Abkühlung verhindert. Geeignet für Allgemeine Baustähle.
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Fügen – stoffschluss - Schweißen
Schutzgasschweißen:Hier wird der Lichtbogen und das Schmelzbad durch ein Schutzgas gegen die
Atmosphäre abgeschirmt. Man unterteilt in Verfahren mit abschmelzender Metallelektrode (MIG/MAG) und nicht abschmelzender Wolframelektrode (WIG). Als
Schutzgase verwendet man inerte Gase (Ar, He) für NE-Metalle oder aktive Gase(CO2) für Stähle. Das WIG Schweißen eignet sich zum Fügen von dünnen
Blechen aus hochlegierten Stählen und AL-Legierungen.
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Fügen – stoffschluss - Schweißen
Gasschmelzschweißen/Autogenschweißen:Das Schmelzen erfolgt durch eine Brenngas-
Sauerstoffflamme, Acetylen und Sauerstoff, wird aber nur selten eingesetzt.
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Fügen – stoffschluss - Schweißen
Laserstrahlschweißen:Gebündelte, energiereiche Lichtstrahlen werden durch ein Linsensystem auf eine sehr kleine Fläche fokussiert.Durch die hohe Energiedichte schmilzt der Werkstoff und bildet beimErstarren die Schweißnaht. Diese ist so dünn, dass meist kein Zusatzwerkstoff benötig wird.
Vorteile Nachteile
• hohe Vorschubgeschwindigkeit
• oxidfreie Schweißnaht
• geringer Verzug
• gut automatisierbar
• hochfeste Schweißverbindung
• fast alle Werkstoffe fügbar
• hohe Investitionskosten
• gute Abschirmung notwendig
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Fügen – stoffschluss - Schweißen
Punktschweißen:Das Schmelzen erfolgt durch den hohen
elektrischen Widerstand in der Kontaktzone. Bleche werden zwischen zwei Kupferelektroden
zusammengedrückt und durch den hohen kurzfristigen Strom werden die Kontaktflächen
geschmolzen.
Reibschweißen:Die Wärme entsteht durch Reibung, sobald der Werkstoff plastisch ist,
wird das drehende Teil gestoppt. Mit einer zusätzlichen Staukraft werden
die Teile zusammengedrückt. Geeignet für Rotationssymmetrische
Teile.
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Fügen – stoffschluss - Schweißen
Vergleich der Schweißverfahren nach den Anwendungsgebieten und schweißbaren Werkstoffen.
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Fügen – stoffschluss - Löten
Löten ist ein stoffschlüssiges Fügen von (unterschiedlichen) Werkstoffen mithilfe eines geschmolzenen Zusatzmetalls, dem Lot.Die Schmelztemperatur des Lotes liegt dabei unterhalb der zu verbindenden Grundwerkstoffe. Die Werkstoffe werden vom Lot benetzt, ohne aufgeschmolzen zu werden.Nach dem Energieträger zum Erwärmen unterscheidet man:Löten durch Gas, durch feste Körper, durch Flüssigkeiten, durch Strahlen und durch den elektrischen Strom.
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Fügen – stoffschluss - Löten
Benetzungsvorgang:Das Lot dringt ein wenig in den Grundwerkstoff ein und bildet eine Legierung, diesen Vorgang nennen wir Diffusion.Das Flussmittel löst die Oxide und verhindert weitere Oxidation.
Der Abstand der beiden Fügeflächen ist entscheidend. Aufgrund der Kapillarwirkung sollte die Lötfuge/Lötspalt zwischen 0,05 und 0,2 mm betragen.
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Fügen – stoffschluss - Löten
Reine Metalle und Legierungen mit eutektischer Zusammensetzung haben einen festen Schmelzpunkt,andere einen Schmelzbereich.
Man unterscheidet nach der TemperaturWeich- Hart- und Hochtemperaturlöten.
Weichlote sind Zinnlegierungen mit Blei, Kupfer oder Silber.Hartlote sind Kupferlote oder silberhaltige Lote.
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Fügen – stoffschluss - Kleben
Beim Kleben werden gleiche oder verschiedene Stoffe durch eine aushärtende Zwischenschicht miteinander verbunden, um Bauteile zu
Verbinden, Schrauben zu sichern oder Fügeflächen abzudichten.
Vorteile Nachteile
•Keine Gefügeänderung
•Kombinationsmöglichkeiten
•dichte Verbindung
•wenig Passarbeit nötig
•große Fügefläche nötig
•geringe Dauerfestigkeit
•geringe Warmfestigkeit
•lange Aushärtung
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Fügen – stoffschluss - KlebenDie Haltbarkeit einer Klebverbindung hängt von der Adhäsionskraft des Klebstoffes an den Fügeflächen und der Kohäsionskraft im Inneren des Klebstoffes ab.Eine hohe Adhäsionskraft lässt sich nur erzeugen, wenn die Fügeflächen sauber, trocken und rau sind. Nach dem Aushärten entsteht dann ein fester Kunststoff.
Die Belastbarkeit einer Klebverbindung hängt nicht nur von der Größe der Fügeflächen, sondern auch wesentlich auch von der Art der Beanspruchung ab. Es sollte auf Abscherung und nur im geringen Maß auf Zug beansprucht wird.
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Fügen – stoffschluss - KlebenKlebstoffarten:• Nassklebstoffe härten durch Verdunsten des Lösungsmittels• Schmelzklebstoffe erstarren rein physikalisch durch Abkühlung • Reaktionsklebstoffe härten durch eine chemische Reaktion ausMan unterscheidet Warm-Kaltkleber und Ein- und Zwei-Komponentenkleber
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Fügen – stoffschluss - Kleben
Vorbehandlung der Oberflächen:Sandstrahlen oder Schleifen mit Schmirgelpapier. Anschließend das Entfetten. Anstelle der mechanischen Vorbehandlung kann eine chemische Behandlung durch Beizen erfolgen. Sie ist die wirkungsvollste Art, weil die Oberfläche gleichzeitig gereinigt und aufgeraut wird. Nach dem Beizen oder Entfetten muss sorgfältig getrocknet werden.
Klebstoffverarbeitung:Komponentenkleber müssen im richtigen Mischungsverhältnis vor dem Auftragen gemischt werden. Je nach Lieferform wird der Kleber mit Pistole, Pinsel oder Spachtel aufgetragen.
Aushärten:Bei Aushärtungsbeginn müssen die Fügeteile gegen Verrutschen gesichert und teilweise gepresst werden. Zeit und Temperatur richten sich nasch der Klebstoffart.