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Hermann Moosmeier, Werner Reuschl

Metallbautechnik Lernsituationen, Technologie, Technische Mathematik Lernfelder 7 und 8

3. Auflage

Bestellnummer 74060

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[email protected] www.bildungsverlag1.de Bildungsverlag EINS GmbH Ettore-Bugatti-Straße 6-14, 51149 Köln ISBN 978-3-427-74060-5 © Copyright 2016: Bildungsverlag EINS GmbH, Köln Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu § 52a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen.

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Inhaltsverzeichnis Lernfeld 7: Herstellen von Umformteilen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Umformen.............................................................................................................................................. Kaltumformen ........................................................................................................................................ Biegevorrichtungen ............................................................................................................................... Warmumformen durch Schmieden ....................................................................................................... Schmiedemaschinen ............................................................................................................................. Temperatur ............................................................................................................................................ Wärmemenge ........................................................................................................................................ Längenausdehnung ............................................................................................................................... Volumenausdehnung fester und flüssiger Stoffe .................................................................................. Zugabe und Rohlänge bei Schmiede- und Pressteilen ........................................................................ Hydraulische Presse.............................................................................................................................. Druckwandler ........................................................................................................................................ Härten .................................................................................................................................................... Anlassen ................................................................................................................................................ Glühen und Aushärten von Aluminium.................................................................................................. Werkstoffprüfung in der Werkstatt ........................................................................................................ Werkstoffprüfung mit Maschinen .......................................................................................................... Härteprüfverfahren ................................................................................................................................ Fertigungsaufgabe Schmieden ............................................................................................................. Konfliktmanagement .............................................................................................................................

5 7 9 15 23 29 31 33 35 37 41 43 45 47 49 51 53 55 59 61

Lernfeld 8: Demontieren und Montieren von Baugruppen in der Werkstatt 1 2 3 4 5

Schraub-, Klemm-, Steckverbindungen, Stifte und Spannschlösser ................................................... Berechnungen an Schrauben................................................................................................................ Hebezeuge und Anschlagmittel ............................................................................................................ Entsorgung und Wiederaufbereitung von Abfällen ............................................................................... Fertigungsaufgabe Handbügelsäge ......................................................................................................

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63 75 77 87 89

3

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Metallbautechnik

Datum:

Name:

Klasse:

Herstellen von Umformteilen

Lernfeld 7

7

Wärmemenge

Zum Härten werden 3 kg Stahl von 20 °C auf 800 °C erhitzt. Welche Wärmemenge (in kJ) ist dazu erforderlich? Umrechnungen: 1 J = 1 Ws

Formelzeichen: Q Einheit: Joule Einheitszeichen: J

1 kJ = 1 kWs kJ = 1 kWh kJ = 1 Wh 1 kJ =

Δt = =

Wh

K °C

Jeder Stoff benötigt seine ihm eigene Wärmemenge; sie wird als spezifische Wärmekapazität c bezeichnet: Stoff

c

$kgkJ· K%

Aluminium Beton Blei Gusseisen Kupfer Cu-Zn-Legierung

0,94 0,88 0,13 0,50 0,39 0,39

Stoff

c

Luft Stahl Wasser Ziegelsteine Zink Zinn

$kgkJ· K% 1,00 0,49 4,19 1,05 0,40 0,24

Die spezifische Wärmekapazität c eines Stoffs gibt an, welche Wärmemenge notwendig ist, um Stoffs um

=

kg eines

zu erwärmen.

Geg.: Ges.: 1 kg Stahl um

1 °C

kg Stahl um

1 °C

kg Stahl um

°C

kJ kJ =

kJ

m in

Q=

(kJ)

c in Δt in

=

1. Aufgabe: In einer Werkstatt werden zum Duschen 200 l Wasser (1 l Ⳏ 1 kg) von 10 auf 40 °C aufgeheizt. Wie viel kJ sind dazu an Wärmeenergie notwendig? Rechnen Sie das Ergebnis in kWh um.

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Metallbautechnik

Datum:

Name:

Klasse:

Herstellen von Umformteilen

Lernfeld 7

7

Wärmemenge

2. Aufgabe: Eine Metallwerkstatt hat die Maße 30 x 12 x 3,2 m. Ein Lufterhitzer erwärmt Luft (Dichte = 1,29 kg/m3) am Morgen von 9 °C auf 17 °C. Wie viel kWh werden dazu benötigt?

3. Aufgabe: Für eine Schrumpfverbindung wird ein Messingring (Cu-Zn-Legierung) mit 2,6 kg von 20 auf 350 °C erwärmt. Wie viel kJ Wärmeenergie sind dazu erforderlich?

4. Aufgabe: a) Wie viel kg Wasser können mit 1 kWh von 10 °C auf 60 °C erwärmt werden? b) Um wie viel Grad Celsius können mit 1 kWh Wärmeenergie 17,18 kg Stahl erwärmt werden?

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Metallbautechnik

Datum:

Name:

Klasse:

Berechnen Sie:

Herstellen von Umformteilen

Lernfeld 7

11

Hydraulische Presse

a) den Flüssigkeitsdruck (in N/cm2), b) die Kraft am Arbeitskolben (in N).

Geg.: Ges.: a)

b)

a) p =

b) Der Druck breitet sich in einem geschlossen System aus:

p=

p=

p=

=

=

=

= =

N

1. Aufgabe: Mit einer hydraulischen Presse soll eine Masse von 530 kg gehoben werden. Die Fläche des Arbeitskolbens ist 520 cm2, die des Druckkolbens 20 cm2. Mit welcher Kraft (in N) muss der Druckkolben bewegt werden?

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Metallbautechnik

Datum:

Name:

Klasse:

Herstellen von Umformteilen

Lernfeld 7

11

Hydraulische Presse

2. Aufgabe: Bei einem hydraulischen Rohrbiegeapparat hat der Druckkolben 16 mm, der Arbeitskolben 80 mm Durchmesser. Die Kraft am Druckkolben ist 120 N. Wie viel N beträgt die Kraft am Arbeitskolben?

Beim Rechnen mit der hydraulischen Presse darf man für die Kräfte oder die Flächen jede Benennung verwenden, wichtig ist nur, dass sie

sind.

3. Aufgabe: Der Druckkolben einer hydraulischen Presse hat 20 mm Durchmesser und wird mit der Kraft von 160 N bewegt. Am Arbeitskolben soll eine Kraft von 4 kN erreicht werden. Welchen Durchmesser (in mm) muss der Arbeitskolben haben?

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Metallbautechnik

Datum:

Name:

Klasse:

Herstellen von Umformteilen

Lernfeld 7

14

Anlassen

Härten und Anlassen eines Flachmeißels 1. Geschmiedeter und geschliffener Flachmeißel.

2. Durch das Härten ist der Flachmeißel an der Schneide glashart.

3. Mit dem Abziehstein wird die Meißelschneide blank gemacht.

4. Da im Meißelschaft noch Restwärme vorhanden ist, laufen die Anlassfarben zur blanken Schneide.

5. Richtige Anlassfarbe an der Schneide und endgültiges Abschrecken erbringt die Gebrauchshärte.

Vergüten Durch das Vergüten erhält der Stahl eine hohe Festigkeit. Nennen Sie Beispiele.

Vorgang: Das Vergüten ist ein Härten mit nachfolgendem Anlassen auf hohe Temperaturen. Vergütungsstähle haben 0,2 bis 0,6% C-Gehalt. Werkstoffe

48

Stahlart

Anlasstemperatur

Festigkeit

C45U, C60U

Stähle

530 °C

bis 1 000 N/mm2

34CrMo4

Stähle

670 °C

bis 1 400 N/mm2

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Metallbautechnik

Datum:

Name:

Klasse:

Herstellen von Umformteilen

Lernfeld 7

18

Härteprüfverfahren

Härte ist der Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt.

A. Härteprüfung mit Maschinen 1. Härteprüfung nach Brinell (HB)

d = d 1 + d2 2

Prüfkraft F

Abhängig vom Kugeldurchmesser und vom Prüfwerkstoff. F = 9,8–29420 N senkrecht zur Prüffläche

Gehärtete Stahlkugel (HBS) oder Hartmetall (HBW)

∅ 1, ∅ 2, ∅ 2,5, ∅ 5, ∅ 10 mm Der Durchmesser ist von der Dicke des Prüfstücks abhängig.

Prüffläche

Die Prüffläche muss eben und geschliffen sein.

Prüfwerkstoff

Für weiche und mittelharte Werkstoffe, z. B. ungehärteter Stahl, Gusseisen, NE-Metalle

Prüfzeit (Einwirkdauer) 10–30 Sekunden

Auswertung: Der Eindruckdurchmesser zeigt eine bestimmte Brinellhärte HB (Tabellenwert) an. Normung: Beispiel 120 HBS 5/250/30 120 HB

S

5

250

30

Härtewert nach Brinell

Stahlkugel

Kugeldurchmesser in mm

Prüfkraft 250 kg · 9,81 m/s2 =

Einwirkdauer in s

N Aufgabe: Erkären Sie die folgenden Kurzzeichen: 330 HBW 2,5/62,5/20:

280 HBS 5/125:

250 HBS 10/3000:

2. Härteprüfung nach Vickers (HV)

Prüfkraft F

Dünne Prüfwerkstoffe 1,96 bis 49 N, dicke Prüfwerkstoffe 49 bis 980 N senkrecht zur Prüffläche

Diamantpyramide

Es gibt nur eine Prüfkörpergröße. Spitzenwinkel 136°

Prüffläche

Die Prüffläche muss eben und geschliffen sein.

Prüfwerkstoff

Für harte und weiche Werkstoffe beliebiger Dicke

Prüfzeit (Einwirkdauer)

10–30 Sekunden

d = d 1 + d2 2 Auswertung: Die Eindruckdiagonale zeigt eine bestimmtte Vickershärte HV (Tabellenwert) an.

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Metallbautechnik

Datum:

Name:

Klasse:

Herstellen von Umformteilen

Lernfeld 7

18

Härteprüfverfahren

Normung: Beispiel 210 HV 50/30 210 HV

50

30

Härtewert nach Vickers

Prüfkraft 50 kg · 9,81 m/s2 =

Einwirkdauer in s

N

Aufgabe: Erklären Sie die folgenden Kurzzeichen: 530 HV 30/25:

470 HV 50:

3. Härteprüfung nach Rockwell (HR) – Auswahl

HRC-Prüfung (C=cone=Kegel)

HRB-Prüfung (B=ball=Kugel)

Prüfkörper:

Diamantkegel Kegelwinkel 120°

Prüfkörper: Durchmesser:

Gehärtete Stahlkugel 1/16 Zoll = mm

Prüfkraft:

Vorkraft Zusatzkraft Gesamtprüfkraft

Prüfkraft:

Vorkraft Zusatzkraft Gesamtprüfkraft

Prüfwerkstoff:

Für gehärtete Werkstoffe

Prüfwerkstoff:

Für ungehärtete Werkstoffe

98 N 1 373 N 1 471 N

98 N 883 N 981 N

Messvorgang: Es wird die bleibende Eindringtiefe ermittelt. Der Härtewert kann sofort am Messgerät abgelesen werden. Normung: Beispiele 56 HRC:

45 HRB:

56

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Metallbautechnik

Datum:

Demontieren und Montieren von Baugruppen in der Werkstatt

Lernfeld 8

Name:

Klasse:

Schraub-, Klemm-, Steckverbindungen, Stifte und Spannschlösser

1

A. Schraubverbindungen Mit Schrauben werden lösbare Verbindungen hergestellt. Wir unterscheiden:

1.

3.

2. Schrauben

Schrauben

Für alle Schraubverbindungen

Z. B. Zylinderkopf eines Kompressors. Vorteil:

Z. B. Gewindestift am Türdrücker. Vorteil:

1. Kopfschrauben Nach der Befestigungsart unterscheiden wir:

a)

-Kopfschraube

b)

-Kopfschraube

Kopfformen:

a) Schaftlänge l der Kopfschraube

Schaftlänge =

Schaftlänge =

b) Werkstoffe

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Metallbautechnik

Datum:

Demontieren und Montieren von Baugruppen in der Werkstatt

Lernfeld 8

Name:

Klasse:

Schraub-, Klemm-, Steckverbindungen, Stifte und Spannschlösser

1

c) Korrosionsschutz Welche Verfahren kennen Sie?

d) Einschraublänge le Bestimmen Sie mithilfe des Tabellenbuchs die Zugfestigkeitswerte Rm für die Werkstoffe S235JR und E295. Werkstoff der Bauteile (Auswahl)

Einschraublänge le Schrauben-Festigkeitsklasse (Auswahl) 8.8

10.9

S235JR: Rm ≈

N mm2

1,0 · d

1,4 · d

Rm ≈

N mm2

0,9 · d

1,2 · d

0,8 · d

1,0 · d

E295:

Stahl mit Rm > 800

N mm2

Große Festigkeitsklasse der Schrauben

Große Mindestzugfestigkeit Rm der Bauteile

e) Gewindeüberstand lü Durch einen ausreichenden Gewindeüberstand lü wird die Bruchgefahr in den Gewindegängen verringert. lü muss mindestens 0,5 · d betragen. f) Bohrtiefe e1 Um ein einwandfrei tragendes Gewinde zu erhalten, muss bei Grundbohrungen (Sackbohrungen) die richtige Bohrtiefe beachtet werden. Gewinde-Nenndurchmesser d

M4

M6

M8

M 10

M 12

M 20

Bohrtiefe e1 (mm)

3,8

5,1

6,2

7,3

8,3

11,0

g) Beanspruchung Ordnen Sie zu: M 5, M 12.

M

M

Kleiner Gewinde-Nenndurchmesser Großer Gewinde-Nenndurchmesser Wirkt am Hebelarm eine Kraft, entsteht ein Drehmoment. Drehmoment = Der Metallbauer beurteilt nach Gefühl, ob die Schraubenverbindung fest genug angezogen ist. Weil aber sehr kleine Schrauben erfahrungsgemäß zu fest und sehr große Schrauben nicht genügend fest angezogen werden, ist diese Methode nur für untergeordnete Schraubenverbindungen zulässig. Die Größe des erforderlichen Drehmoments finden Sie im Tabellenbuch. Hilfsmittel:

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Metallbautechnik

Datum:

Demontieren und Montieren von Baugruppen in der Werkstatt

Lernfeld 8

Name:

Klasse:

Schraub-, Klemm-, Steckverbindungen, Stifte und Spannschlösser

1

h) Sechskantschrauben Sechskantschrauben mit Schaft (DIN EN ISO 4014) Handelsüblich ab M1,6 bis M64 Festigkeit

5.6

8.8

10.9

Mindest-Zugfestigkeit Rm in N/mm2 Mindest-Streckgrenze Re in N/mm2 Normbeispiel: Sechskantschraube DIN EN ISO 4014 – M10 x 70 – 8.8 Sechskant-Passschrauben in Stahlkonstruktionen (DIN 609) Übliche Sechskant-Schraubenverbindung Einbauspiel (Passung) Bauteilfixierung Belastbarkeit Verbindungsschluss Mindestzugfestigkeit Sechskant-Passschraubenverbindung Einbauspiel (Passung) Bauteilfixierung Belastbarkeit Verbindungsschluss Mindestzugfestigkeit (8.8) Normbeispiel einer Sechskant-Passschraube mit einem Gewinde M 24, Schaftlänge 65 mm: Sechskant-Passschraube DIN 609 –

2. Muttern a) Mutternarten (Auswahl)

b) Festigkeitsklassen Festigkeitsklasse 9 bedeutet: Mindestzugfestigkeit Rm = Schraube und Mutter müssen die gleiche Festigkeitsklasse aufweisen. c) Normung Normung einer Sechskantmutter nach DIN EN ISO 4033. Verwenden Sie als Normbeispiel die skizzierte Mutter.

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