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  Industrielle prozesse

Einordnung produktionstechnischer Prozesse Ziele, Interessengruppen und Herausforderungen Betrieb: planmäßige organisierte Zusammenfassung mehrerer Produktionsfaktoren (Arbeitskraft, Betriebsmittel, Werkstoff) organisatorische, technische (und örtliche) Einheit Ziel: Produktion von Sachgütern bzw. Erstellen von Dienstleistungen   Unternehmung: rechtliche sowie wirtschaftlich-finanzielle Einheit Teilziele des Produzierens maximale Wirtschaftlichkeit, verschieden realisierbar: marktorientiert (z.B. kurze Lieferzeiten, Termineinhaltung, Qualität) betriebsorientiert (z.B. min.

Durchlaufzeit, max. Auslastung, min. Bestände) weitere (z.B. Flexibilität, Transparenz) Interessengruppen       Produktionsbetrieb                                                     Ressourcenverbraucher Investitionsobjekt Marktteilnehmer Hersteller von Produkten Arbeitgeber ..

......

...   => verschiedene Interessengruppen haben unterschiedliche Interessen am Produktionsprozeß Gegenwärtige Herausforderungen hohe unbeeinflußbare Kosten zunehmende Internationalisierung ökologische Probleme Informationsverarbeitung durchdringt alle Unternehmensfunktionen neue und weiterentwickelte Produktionsverfahren Charakteristische Anforderungen Herstellung und Vertrieb technisch hochwertiger Produkte: - in (meist) kleinen Stückzahlen - mit höchster Qualität - in zahlreichen Varianten - im Rahmen von Systemlösungen - in kurzer Zeit - mit hochgradiger Recyclingfähigkeit Elemente der Produktionstechnik Grundformen der Produktion Urproduktion: Rohstoffgewinnung und -aufbereitung, Einleitung der Gütererzeugung Verfahrenstechnik: Rohstoffe => Gebrauchsstoffe Fertigungstechnik: Gebrauchsstoffe => Gebrauchsformen Gestaltung durch: Produktionstechnik Produktionsorganisation Produktionsinformatik   Die Produktionstechnik beruht auf dem Zusammenwirken von Material-, Energie- und Informationstechnik. Historische Entwicklung Einteilung der Fertigungsverfahren             Teilfertigung Mehrkomponentenfertigung                                 destruktiv formend konstruktiv irreversibel reversibel Schneiden Spanen Abtragen Umformen Urformen generierende Verfahren Schweißen Löten Kleben Nieten Schrauben Stecken Merkmale der Fertigungstechnik Herstellung geometrisch präzise bestimmter Ein- und Mehrkörpersysteme Arbeitsvorgang Ausgangszustand ==========> Endzustand werkstück- bzw. produktorientiert (nicht prozeßorientiert) Wirtschaftlichkeit und andere technologische Gesichtspunkte sind der Wahl eines Fertigungsverfahrens übergeordnet Fertigungssysteme handwerklich mechanisiert automatisiert Energie und Information durch Menschen zugeführt Energieumsetzung durch Maschine Information immer wieder durch Menschen zugeführt maschinelle E-Umsetzung Werkzeugmaschine hat Info-Speicher, der nur einmal vom Menschen gefüllt werden muß Gliederung automatisierter Fertigungssysteme Energiesystem Steuerungssystem Materialflußsystem Transportsystem Lagersystem Handhabungssystem Bearbeitungssystem Energie Material Information                                     Spanungstechnik Kinematische und geometrische Grundlagen Bewegung, Geschwindigkeit: - Relativbewegung zwischen Werkzeugschneide und Werkstück, bezogen auf ein ruhend gedachtes Werkstück (z.

B. wie beim Bohren, aber: Drehen wird genauso betrachtet) Schnittgrößen (einstellbar): Vorschub f [mm] Zahn- / Schneidenvorschub fz [mm]; fz = f : (Anzahl der Schneiden) Vorschubgeschwindigkeit (beschreibt Bewegung des gesamten Werkzeugs relativ zum Werkstück) vf [m/min] Schnittgeschwindigkeit (beschreibt Bewegung der Schneide) vc [m/min]; vc >> vf Schnittiefe ap oder a [mm] Spanungsgrößen (nicht einstellbar, beschreiben den Spanungsvorgang): Spanungsbreite b [mm]; b = a : sin k Spanungsdicke h [mm]; h = f * sin k Spanungsquerschnitt A [mm2]; A = ap * fz = b * h Einstellwinkel k Physikalische und empirische Grundlagen Spanbildung Werkzeug / Schneidkeil verformt den Werkstoff hauptsächlich durch Druck: - elastisch (reversibel) - plastisch (irreversibel) => gewollt Spannungszustand führt zum Überschreiten - der max. zulässigen Schubspannung (Fließgrenze) => Werkstoff beginnt zu fließen - der Schubbruchspannung (Sprödigkeit) Spanarten - entstehen durch unterschiedliche Verhältnisse zwischen möglicher und auftretender Verformung (Umformvermögen des Werkstoffes und Umformgrad) - in erster Linie also werkstoffabhängig, nicht beeinflußbar Fließspan Scherspan Reißspan bei hohem Umformvermögen des Werkstoffes (zäh) lange Späne, schwierige Spanabfuhr hohe Oberflächengüte mittleres Umformvemögen angestrebt, da Spanabfuhr gut möglich relativ hohe Oberflächengüte bei spröden Werkstoffen (geringes Umformvermögen) rauhe Oberfläche Spanformen - Form der anfallenden Späne, unabhängig von Spanarten - z.B. Band-, Wirr-, Spiral-, Bröckelspäne - beinflußbar durch: a.) Spanleitung (Werkzeuggeometrie) b.


) Schnittbedingungen (einstellbare Schnittgrößen wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub etc.) Kräfte am Schneidkeil Aktivkraft Fa = Fc + Ff (leistungsverursachende Kraftkomponente) Schnittkraft Fc (groß im Vergleich zur Vorschubkraft Ff) - größte Kraftkomponente - abhängig von Werkstoff, Schneidengeometrie, Spanungsbedingungen - Berechnung: Fc = A * kc A...Schnittfläche kc..

.werkstoffabhängige Größe, spezif. Schnittkraft) kc = kc1*1 : hmc h...Spanungsdicke kc1*1.

..kc bei A = 1 mm2 => Tabellenwert mc...Spanungsdickenexponent => Tabellenwert Energiebilanz Spanungsarbeit => Wärme = Scherarbeit (innere Reibung) + Spanflächenreibung + Freiflächenreibung Zerspanleistung P = Pc + Pf => P » Pc = Fc * vc : 60.

000 [kW] (5-10 kW) Antriebsleistung PA = Pc : h h...Wirkungsgrad (0,7-0,85) Verschleiß Verschleißformen am Werkzeug am Werkstück am Spanungsvorgang VB...

Verschleißmarkenbreite (Freifläche) Kolkung K = Kolktiefe KT : Kolkmittenabstand KM (Spanfläche) Formänderungen Maßabweichungen Oberflächengüte Spanbildung Schnittkraft dynamisches Systemverhalten (z.B. Geräusche) Verschleißmechanismen - Abscheren von Preßschweißstellen (hohe Temp. => Verschmelzen von Wz- und WSt- Partikeln => Abscheren), bei höheren Geschwindigkeiten wieder abnehmend - Verzunderung / Oxidation - Diffusionsvorgänge zw. Wz und WSt (nur bei sehr hohen Temp. / Geschwindigkeiten) Standzeit T - Wie lange bleibt das Werkzeug unter den gegebenen Standbedingungen (Schnittwerte, Schneidkeilgeometrie) einsatzfähig ? => wichtigste Standgröße - T = Cv * vck => in erster Linie von der Schnittgeschwindigkeit vc abhängig (dann Vorschub, dann Schnittiefe)! Verschleißminderung - Verbesserung der Spanflächen-Oberfläche - Erhöhung der Spanflächen-Härte - Einsatz von Kühl- und Schmierstoffen Arbeitsgüte Einflußfaktoren Kräfte Wärme Verschleiß (Maschine, Werkzeug) Kosten = f(Fertigungsgenauigkeit) => Fertigungsgenauigkeit immer so grob wie möglich, also so genau wie gerade nötig ist, wählen Geometrische Fertigungsfehler Formfehler - Abweichung des Werkstücks von einer vorgeschriebenen geometrischen Grundform - z.

B. Geradheit, Ebenheit, Rundheit Maßfehler - Abweichung der Werkstück-/Istmaße vom vorgegebenen Sollmaß (Konstr.-Pläne) - enstehen durch Verformungen am Werkstück durch hohe Passivkräfte des Werkstoffs Lagefehler - Abweichungen einer Kante, Mantellinie, Achse oder Fläche eines Werkstücks von der Sollage relativ zu einer Bezugskante, -mantellinie, -achse oder -fläche des Werkstücks - z.B. Parallelität, Rechtwinkligkeit, Symmetrie Fehler der Rauhheit - Unebenheiten von Werkstückoberflächen bezeichnet man als Rauhheit, die in der sog. Rauhtiefe gemessen wird Spanende Fertigungsverfahren Drehen einschneidiges Werkzeug rotatorische Schnittbewegung durch das Werkstück Vorschubbewegung durch Werkzeug Schnittgeschwindigkeit vc = p * d * n : 1.

000 [m/min] theoretische Rauhtiefe: Rth = f2 : (8*r) f...Vorschub (0,05...

1 mm) r...Eckenrundung des Werkzeugs (0,4...

1,6 mm) erreichbare Rauhtiefe: - Schruppdrehen: Rz = 40 mm (Hauptziel: hoher Materialabtrag) - Schlichtdrehen: Rz = 10...40 mm (Hauptziel: hohe Oberflächengüte) - Feinschlichten: Rz = bis 2,5 mm Fräsen mehrschneidiges Werkzeug, mitunter Ungleichteilung kreisförmige Schnittbewegung durch Werkzeug unterbrochener Schnitt durch mehrere Schneiden => höherer E-Aufwand als beim Drehen Bohren Bohrarten: - Vollbohren (gesamtes Loch wird weggebohrt) - Kernbohren (nur ein Ring/Mantel wird weggebohrt) - Aufbohren (ein vorhandenes Loch wird erweitert) Schnittkraftberechnung: - kc vom Drehen (s. Tabelle) - Fcz = 0,5 * fz * a * kc * sin k (f = 0,5 * fz bei zweischneidigem Bohrer) traditionell: Spiralform, Wendelgeometrie => Probleme: Verschleiß, Spanbruch heute: Kurzlochbohrer mit 2-4 auswechselbaren Schneidplatten und Spanteilernuten (Beschränkung: l < (3-4) * d , deshalb Kurzloch) Tieflochbohren - Werkzeuge unsymmetrisch mit spezieller KSS-Zufuhr (Kühl- und Schmierstoffe) und zusätzlicher Führung am Bohrlocheingang - sehr hohe Oberflächengüte und Geradheit - Anwendung bei l > (8..

.20) * d Schleifen geometrisch unbestimmte Schneide => rel. komplizierte Eingriffsverhältnisse: - schwer bestimmbare Schneidengeometrie - große Anzahl gleichzeitig eingreifender (sehr kleiner) Schneiden (Körner) - direkte Beobachtung schwierig Selbstschärfungseffekt durch splitternde Körner (spröde) mechanische Energie wird in Wärme umgewandelt: - Freiflächenreibung (hinter Schneidkante) - plastische Verdrängung des Werkstoffs (innere Reibung) - Spanflächenreibung - Spanungs-/ Scherenergie => Einsatz von KSS nötig spezifische Schnittkraft kc wesentlich höher als bei geometrisch bestimmter Schneide => wesentlich höherer E-Einsatz erforderlich Verschleiß - Kornverschleiß (durch extrem hohe Druck- und Temp.-Verhältnisse bzw. Wechsel beanspruchung => Oxidation, Diffusion, Schmelzen der Körner) - Bindungsverschleiß (durch mechan. u.

therm. Überbelastung) Werkzeuge - Kornwerkstoffe: Korund, Siliziumkarbid, Diamant, kubisches Bohrnitrit (bis 2.000 °C) - Bindemittelwerkstoffe: a.) anorganisch (keramisch) b.) organisch (Gummi, Kunstharze => temp.-beständig, aber häufig gesundheitsgef.

) Werkzeugaufbereitung - Schärfen und Profilieren (mehrere Kornschichten => Entfernen der äußeren Schicht) - Auswuchten des Schleifkörpers Schleifverfahren - Umfangsschleifen a.) Pendelschleifen (schnell und oft, aber weniger tief) b.) Tiefschleifen (langsamer, meist in einem Durchgang, relativ tief) - Stirnschleifen - Außenrundschleifen - Innenrundschleifen - Bauchschleifen Numerische Steuerung von Bearbeitungsoperationen Steuerungskonzept keine manuellen Eingriffe in den Bearbeitungsablauf schnell austauschbare, gespeicherte Ablaufprogramme => numerisch exakt definierbare, simultane Bewegungen in mehreren Koordinatenachsen NC: numeric control (“Festverdrahtung”, d.h. spezieller Rechner) CNC: computerized numeric control (Ein- oder Mehrrechnersysteme) DNC: direct numeric control (Zentralrechner steuert bzw. überwacht mehrere NC- oder CNC-Systeme) Steuerinformationen (siehe Kopien) spezielle Symbolik (DIN 66025) selbsthaltende Funktionen (bleiben solange aktiv, bis anderslautende Befehle eintreffen, z.

B. T - Werkzeug, F - vc, S - Spindeldrehzahl) satzweise wirksame Funktionen (z.B. G2 - Kreisinterpolation) ein Satz enthält geometrische (Bahnkurve) und meist auch technologische (Wz-Wechsel) Informationen Einteilung numerischer Steuerungen (siehe Kopien) Punktsteuerung (Bearbeitung nur in Zielpunkten, z.B. Bohrer) Streckensteuerung (2-Achsen, 2-aus-3-Achsen, z.

B. Drehmaschine) Bahnsteuerung (2-Achsen, 3-Achsen, 5-Achsen, z.B. Fräskopf) Interpolation (siehe Kopien) Umsetzung geometrischer Informationen in achsspezifische Bewegungsschritte spezielle Ausrichtung auf die Approximation von Linien und Kreisen zwei Verfahren: - Suchschrittverfahren - Digitale Differntialanalyse Funktionale Glieder einer NC-Maschine  Bahnberechnung Dateninterpretation Lageregelung Dateneingabesteuerung  NC-Programm        Sollwerte Lage-Istwerte Steuereingabe     Lageregelung Wegmeßsysteme SPS - Speicher-Programmierbare Steuerung Urformen Herstellen eines Teils aus flüssigem oder pulverförmigen Stoff entscheidende Forderung: endformendes Urformen (near net shape) => sehr genaue Berechnung und Herstellung der Formen wichtigste Verfahren: - Gießen (Metallteile) - Spritzgießen (Kunststoffteile) - Sintern (Metalle, Gemische) - Laser-Schichtbauverfahren (Rapid Prototyping) Gießen Grundlagen sehr altes Verfahren, trotzdem nur begrenzt beherrscht (Schmelztemperatur) Einflüsse auf Gießbarkeit und Gußqualität: - Fließ- und Formfüllungsvermögen des Werkstoffs - Schwindung und Schrumpfung des Werkstoffs beim Abkühlen - Wärmerißneigung - Gasaufnahme - Seigerungen (Entmischungen) - Penetration (Eindringen des Werkstoffs in die Gußform) entscheidend: - Formteilung - Zahl und Lage der Anschnitte - Kerne und Kernlagerung Gießen mit verlorenen Formen Form geht verloren (wiederverwendbarer Gießereisand) => Modell nötig Anwendungen: - sowohl Einzel- als auch Großfertigung Gießen mit verlorenem Modell - z.B. Vollformgießen: geklebte Hartschaumblöcke als Modell => Verbrennen beim Eingießen Gießen mit Dauermodell - z.

B. Holz- oder Metallmodelle Gießen mit Dauerformen Dauerformen / Kokillen => keine Modelle erforderlich sehr temp.-wechsel-beständig, Lebensdauer ca. 10.000 Abgüsse Sintern feste, meist pulverförmige Stoffe werden unter hohem Druck miteinander verschmolzen Motivation: - ursprünglich waren hochschmelzende Metalle gießtechnisch nicht verarbeitbar - Legierungen, die im flüssigen Zustand nicht mischbar sind, sind ebenfalls nicht gießbar - Ziel war u.a.

die Herstellung von Werkstücken mit definiert poriger Struktur (z.B. Filter) Dreistufiger Prozeß: - Pulvererzeugung - Pressen (bis 60 kN/cm2) => Körner verschmelzen an Korngrenzen - Sintern, also Glühen knapp unterhalb der Schmelzgrenze => Diffusionsvorgänge - Kalibrieren (Nachpressen zur Beseitigung von Formungenauigkeiten) Vorteile: - selten Nachbearbeitung notwendig - gute Werkstoffausnutzung - Mischbarkeit (Legierungen) - keine Verunreinigungen Nachteile: - teure Pulver und Werkzeuge - große Pressen nötig (hohe Energien) - keine Hinterschneidungen möglich, meist nur rotationssymmetrische Körper formbar Laser-Schichtbauverfahren gemeinsames Grundprinzip: - rechnerinternes Modell mit 3D-Geometriedaten - rechnerinterne Zerlegung in dünne Schichten - schichtweiser Aufbau des Körpers in einer Prozeßkammer: a.) Generieren der Schicht (x-y-Ebene) b.) Verbinden mit vorheriger Schicht Fertigung von Metall-, Keramik- und Kunststoffteilen möglich mehrere unterschiedliche physikal. Verfahren: - Verfestigung aus der flüssigen Phase (Polymerisation) - Generieren aus der festen Phase (Verkleben von Granulaten, An- und Aufschmelzen, Ausschneiden von Platten/Bändern) - Abscheiden aus der Gasphase 3 Verfahren der Konturierung (Berechnung) - vektororientiert (Geraden, Kreisbögen) => höchste Qualität, rechenintensiv - rasterorientiert (zeilenweise Generierung) - maskenorientiert (geometrisch ähnliche, aber verkleinerte Maske wird durchleuchtet) Laser-Stereolithographie (siehe Kopien) Anwendung: - Anschauungsmodelle - Urmodelle für Vakuum-, Fein- und Spritzgießen - Funktionsmuster (funktionieren wie das Original, aber nicht unter dessen Bedingungen) Laser-Sintern Prinzip: - selektives Sintern - schichtweiser Auftrag des polymerummantelten Metallpulvers - Laserstrahl scannt Pulverschicht, Polymer schmilzt dabei auf - Absenken der Arbeitsplattform - schichtweise Wiederholung - Vergasung des Polymers (Ofen) - die nun poröse Metallstruktur wird mit Kupfer infiltriert Merkmale: sehr komplizierte Geometrie möglich (scharfe Kanten, Schlitze etc.

) Anwendungen: - Metallformen - Formsand-Sintern für Gießformen - Kunststoffsintern (gebrauchsfertige Teile) LOM-Verfahren laminated object modelling Prinzip: - Laser schneidet Schichten aus Papierband aus (Dicke ca. 0,1 mm) - durch Verkleben (Laminieren) der einzelnen Schichten entsteht ein Papierblock, der das zu modellierende Teil enthält - Aufbauzeit: einige Stunden bis Tage - nicht benötigte Teile der Papierbandschichten werden beim Schneiden gerastert und können nach dem Fertigstellen des Blocks leicht vom Modell gelöst werden Merkmale: sehr bearbeitungsfreundliche Teile (ähnlich Holz) Umformen und Zerteilen Umformen: plastische Formgebung eines vorhandenen Körpers (Verschiebung großer Gitterbereiche) Grundlage: - annähernde Volumenkonstanz: V0 = b0 * l0 * h0 = b1 * l1 * h1 Kenngrößen: - absolute Formänderung Db, Dl, Dh - Formänderungsverhältnis: z.B. lb = b1 : b0 (für jede Dimension einzeln betrachtet) - Umformgrad (log. Formänderungsverhältnis): z.B.

jh = ln (h1 : h0) => wird benötigt für Berechnung von Umformkräften etc. => jb + jl + jh = 0 Druckumformen Walzen Schmieden - Freiformschmieden (“Hammer & Amboß”) - Gesenkschmieden (Hohlform schreibt Form und Fließrichtung vor, Hammer und Amboß sind sozusagen schon mit der Werkstückform versehen) Fließpressen (Drücken eines Werkstoffs durch eine formgebende Öffnung) Strangpressen (“endloses” Fließpressen, Integralbauweise von ICE-Schienenfahrzeugen) Zug-Druck-Umformen Durchziehen Tiefziehen Zug-Umformen (siehe Kopien) Tiefen- bzw. Streckziehen Weiten Längen Biegen zu beachtende Nebeneffekte: - Rückfedern des gebogenen Werkstücks - Längenänderung beim Biegen => Berechnung der gestreckten Länge / Zuschnittlänge des Rohteils nötig (siehe Kopie) => Simulation der Biegestadien Schneiden (siehe Kopie) spanloses Trennen von Blechen Stanzen / Nibbeln Strahlschneiden Brennschneiden therm. Schneiden (örtl. Erhitzung des Werkstücks) hohe Temp. Führt zum Verbrennen Bedingungen: - Entzündungstemp.

< Schmelztemp. - Schmelztemp. der Oxide < Schmelztemp. des Grundwerkstoffes => ermöglicht Ausblasen der flüssigen Oxide zur Vermeidung von Verunreinigungen Schnittflächenqualität gering Anwendung: d = 10 - 30 mm (aber auch bis 3.000 mm) Plasmaschneiden Schnittfuge wird durch Energie des Plasmas (hochionisiertes Gas) erzeugt Werkstück schmilzt/verdampft ( 20.000-30.

000 K) => Schadstoffe, UV-Strahlung Anwendung: d = ca. 150 mm Laserschneiden (siehe Kopie) Wasserstrahlschneiden abrasives Schneiden: Hochdruckwasserstrahl mit winzigen Schleifkörnchen Vorteile: - keine Wärmeeinwirkung - sehr breites Werkstoffspektrum (auch sehr weiche Werkstoffe) - keine Nacharbeit der Schnittflächen Fügen Verfahren: - Schweißen, Kleben, Löten, umformtechnische Fügeverfahren, Schrauben Prinzipien des Schweißens Nahtstruktur Wärmeeinfluß Schrumpfungen und Spannungen Gas-Schmelzschweißen Erwärmung durch Azetylen-Sauerstoff-Gemisch Anwendungsgrenzen durch geringe E-Dichte Lichtbogenschweißen Gas zwischen den Polen (abschmelzende Elektrode + Werkstück) wird ionisiert => Lichtbogen, Energie- und Materialtransport evtl. Ummanteung der Elektrode => Schutzgas (soll Oxidation der Schweißnaht verhindern) Schutzgas-Schweißen Metall-Schutzgas-Schweißen: abschmelzende Elektrode - MIG (Metall-Inert-Gas-Schweißen) inerte Gase: sehr reaktionsträge Gase (z.B. Argon) - MAG (Metall-Aktiv-Gas-Schweißen) Wolfram-Schutzgas-Schweißen: nicht abschmelzende Elektrode, Zusatzwerkstoff nötig (Bsp.: WIG-Schweißen)       Spanungstechnik allgemein:     Vorschub f [mm]   Zahn- / Schneidenvorschub fz [mm] Vorschubgeschwindigkeit vf [m/min]   Schnittgeschwindigkeit vc [m/min] Einstellwinkel k oder kr   Schnittiefe ap oder a [mm]   Spanungsbreite b [mm] Spanungsdicke h [mm] Spanungsquerschnitt A [mm2] Schnittkraft Fc [N] spezifische Schnittkraft kc [N/mm2] => Tabellenwerte (Kopie): kc1x1.

..spezif. Schnittkraft bei A = 1 mm2 mc...

Spanungsdickenexponent Zerspanleistung P » Pc [kW] (= 5-10 kW) Antriebsleistung PA [kW] Wirkungsgrad h (= 0,7-0,85)   Drehen:     Drehzahl n [min-1]   Werkstückdurchmesser d [mm]   Schnittgeschwindigkeit vc [m/min] Eckenrundung des Werkzeugs r [mm] (= 0,4-1,6 mm)   Vorschub f [mm] (= 0,05-1 mm)   Rauhtiefe (theoretisch) Rth [mm] Rauhtiefe (erreichbar) Rz [mm] Bohren:     Schnittkraft (2-schneidiger Bohrer) Fcz [N] Biegen:     gestreckte Länge / Zuschnittlänge L [mm] Schenkellänge l1, l2 [mm]   Biegewinkel a [°]   Biegeradius ri [mm]   Blechdicke s [mm]   Korrekturfaktor (Tabelle auf Kopie) e   Länge des Bogens lb [mm]

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