DE102006006093B3

DE102006006093B3 - Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102006006093B3
Application number: DE200610006093
Authority: DE
Inventors: Wilfried Michel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkstücks (1), mit zumindest einer Schwenkbacke (13), die in einer Kulisse (19) um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist und beim Einspannen des Werkstücks (1) gegen eine entsprechende Kulissenfläche (21, 23) gepresst ist. Erfindungsgemäß ist die Schwenkbacke (13) im Querschnitt keilförmig mit zumindest einer Keilfläche (15) ausgebildet, die bei gespanntem Werkstück (1) gegen eine entsprechend ausgebildete Kulissenfläche (21) gepresst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkstücks, mit zumindest einem Pendel-Segment bzw. einer Schwenkbacke, die in einer Kulisse schwenkbar gelagert ist und beim Spannvorgang gegen das Werkstück gepresst ist.
Für die Bearbeitung eines vorgefertigten Werkstücks ist dieses mittels einer Spannvorrichtung zu bestimmen bzw. einzuspannen. Anschließend kann eine Bohr- und/oder Fräsbearbeitung des eingespannten Werkstücks in einem Bearbeitungszentrum oder in einer Transferstraße stattfinden.

Bei einer Vorfertigung eines solchen Werkstücks, etwa als eine Schweißgruppe mit gegenüberliegenden Seitenplatten, können sich herstellungsbedingt Lageabweichungen zwischen den zusammengeschweißten Einzelteilen der Schweißgruppe ergeben. So können die beiden gegenüberliegenden Seitenplatten zueinander einen mehr oder weniger großen Verschränkungswinkel aufweisen. Bei einem Spannen eines solchen Werkstücks gegen starre Werkstück-Auflagen würden die zueinander verschränkten Seitenplatten des Werkstücks zwangsläufig unter einer elastischen Verformung zueinander ausgerichtet und entsprechend einer Bohrbearbeitung unterworfen werden. Bei einem nachfolgenden Entspannen würden die Seitenplatten in ihre Ruhelage zurückfedern, so dass die Bohrlöcher der Seitenplatten in Axialrichtung sich nicht überdecken, sondern zueinander verschränkt sind. Die bearbeiteten Sei tenplatten weisen daher keine identischen Bohrbilder auf, wodurch das bearbeitete Werkstück im Fahrzeugbau nicht mehr einsetzbar werden kann.

Daher ist aus dem Stand der Technik bekannt, ein solches Werkstück zunächst mit seiner einen Seitenplatte einseitig zu bestimmen bzw. zu spannen. Die gegenüberliegende Seitenplatte des Werkstücks kann dann über Pendelsegmente oder Schwenkbacken „schwimmend" gespannt werden. D. h., dass sich die schwenkbar gelagerten Schwenkbacken selbsttätig an eine Lageabweichung der gegenüberliegenden Seitenplatte des Werkstücks anpassen. Damit ist eine elastische Verformung des Werkstücks beim Spannvorgang verhindert.

Aus der GB 2 273 896 A ist eine solche Spannvorrichtung mit Pendelsegmenten bekannt. Die Pendelsegmente sind in ihrer Ruhelage in einer Kulisse eingebettet, in der sie um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert sind. Bei einem Spannvorgang werden die Pendelsegmente mit einer Spannkraft gegen die entsprechenden Kulissenflächen der Kulisse gepresst. Eine weitere Spannvorrichtung ist aus der DE 199 18 770 A1 bekannt, die einen linear geführten Haltekolben mit einer keilförmigen Führungsnut aufweist, die sich in einer schiefen Ebene erstreckt. In der keilförmigen Führungsnut der Haltekolben ist mit entsprechenden Keilflächen ein Haltekolben gelagert.

Aus der DE 135 972 C ist eine gattungsgemäße Spannvorrichtung mit beweglichen Einsatzbacken bekannt. Die Einsatzbacken sind mit abgeschrägten Rückenflächen versehen und greifen mit Führungsleisten in entsprechende Längsnuten eines Backenträgers ein. Außerdem sind die Einsatzbacken senkrecht zu einer Auflagefläche federnd gelagert. Dadurch werden die Einsatzbacken beim Verschieben sicher geführt und pressen diese das eingespannte Werkstück auf die Auflagefläche des Schraubstockes. Aus der EP 0 238 734 A1 ist eine weitere Spannvorrichtung bekannt, bei der zumindest eine Schwenkbacke mit einer abgeschrägten Keilfläche an einer entsprechend keilförmig ausgebildeten Kulissenfläche gelagert ist. Aus der EP 0 104 286 A1 und der US 530 733 sind weitere Spannvorrichtungen mit Schwenkbacken bekannt, die in gleicher Weise mit abgeschrägten Rückenflächen gegen keilförmig gebildete Kulissenflächen von Backenträgern gelagert sind.

Konkret liegt bei eingespanntem Werkstück eine Flächenreibung zwischen einer Zylinderaußenfläche des jeweiligen Pendelsegments bzw. der Schwenkbacke mit der entsprechend ausgestalteten Kulissenfläche der Kulisse vor. Diese Flächenreibung reicht jedoch nicht aus, um etwa bei der Fräsbearbeitung das Werkstück derart fest zu spannen, dass Werkstückvibrationen verhindert sind. Somit können durch das Fräsen Rattermarken auf der Werkstückoberfläche entstehen, wodurch das Werkstück unbrauchbar werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Spannvorrichtung bereitzustellen, bei der einerseits die Schwenkbacken in einfacher Weise sich einer Lageabweichung des Werkstücks anpassen und andererseits Werkstückvibrationen bei der Bearbeitung des Werkstücks zuverlässig verhindert sind.

Die Aufgabe ist durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist die erfindungsgemäße Schwenkbacke im Querschnitt keilförmig mit zumindest einer Keilfläche ausgebildet, die bei gespanntem Werkstück gegen eine entsprechende Kulissenfläche gepresst ist. Aufgrund der Keilform der Schwenkbacke und der Kulisse erzeugt die auf die jeweiligen Kulissenflächen wirkende Normalkraft als Reibungskraft nicht nur eine erste Tangentialkraft an einer Auflagefläche, wie dies beispielsweise bei einem Zylinder der Fall ist. Vielmehr entsteht durch die Keilform an einer weiteren Reibwirkfläche eine zusätzliche zweite Tangentialkraft, die eine Haftreibung zwischen der Schwenkbacke und der Kulisse verstärkt. In diesem Fall ergibt sich durch die gesteigerte Flächenreibung eine besonders „fest beißende" Spannung des Werkstücks. Bearbeitungsbedingte Vibrationen des Werkstücks werden daher durch die starre Verbindung zwischen der Schwenkbacke und der Kulisse verhindert.

Erfindungsgemäß kann daher die Schwenkbacke zu Beginn des Spannvorgangs leicht gleitend „schwimmen", und anschließend bei sich aufbauender Spannkraft „zubeißen".

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Schwenkbacke als ein Kegelstumpf-Segment ausgebildet ist. Die Kegelmantelfläche des Kegelstumpf-Segments kann in diesem Fall die erfindungsgemäße Keilfläche ausbilden. Ein zwischen der Kegelmantelfläche und einem Kegelboden eingeschlossener Keilwinkel ist dabei um ein vielfaches größer ausgestaltet als ein, eine Selbsthemmung zulassender Reibungswinkel. Eine solche Selbsthemmung liegt vor, wenn nach dem Spannvorgang aufgrund einer hohen Flächenreibung zwischen der Schwenkbacke und den entsprechenden Kulissenflächen sich die Schwenkbacke nicht mehr selbsttätig aus der Kulisse lösen kann. Zweckmäßigerweise wird ein Keilwinkel von 45° gewählt. Dadurch ist ein Abheben der Schwenkbacke aus der Kulisse jederzeit gewährleistet.

Vorzugsweise kann die Schwenkbacke mit einer der Keilfläche gegenüberliegenden Fläche, insbesondere die Kegelbodenfläche, ausgebildet sein, der eine Kulissenfläche zugeordnet ist. Diese weitere Fläche wirkt im eingespannten Zustand als zusätzliche Reibwirkfläche. Für eine leicht gleitend „schwimmende" Spannung ist es von Vorteil, wenn die weitere Fläche, d. h. die Kegelbodenfläche senkrecht in der Kulisse angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist ein Keilwinkel der Schwenkbacke um einen Spaltwinkel größer als ein Winkel, der zwischen den zugeordneten Kulissenflächen ein geschlossen ist. Dadurch ist bei unbelasteter Schwenkbacke die Keilfläche bzw. die Kegelmantelfläche über den Spaltwinkel von der zugeordneten Kulissenfläche beabstandet und lediglich in einem Punktkontakt mit der Kulisse. Ein Flächenkontakt zwischen der Keilfläche und der zugeordneten Kulissenfläche ergibt sich erst bei einer entsprechend großen, auf die Schwenkbacke wirkenden Spannkraft, die die Keilfläche in Anlage mit ihrer Kulissenfläche drückt. In diesem Fall würde sich die Kulisse geringfügig aufbiegen. Durch das Aufbiegen der Kulisse reduziert sich der Spaltwinkel bis die Keilfläche in großflächigem Kontakt mit der Kulissenfläche ist.

Ein solches Aufbiegen der Kulisse kann durch einen sich in der Kulisse erstreckenden Entlastungsschlitz unterstützt werden. Der Entlastungsschlitz kann die Kulisse in einen ersten und einen zweiten Kulissenblock aufteilen. Die Kulissenblöcke können über eine bodenseitigen, materialstarken Steg material einheitlich und einstückig miteinander verbunden sein. Dadurch ist einerseits ein definiertes Aufbiegen der Kulisse gewährleistet. Andererseits sind die Kulissenblöcke ausreichend starr über den Steg miteinander verbunden.

Von Vorteil ist es, wenn die Schwenkbacke umfangsseitig über einen Zwischenraum oder einen Ringspalt von der Kulisse beabstandet ist. In diesen Zwischenraum kann die Schwenkbacke beim Spannvorgang hineinrücken. Mit dieser Bewegung in den Zwischenraum erfolgt zugleich auch das geringfügige Aufbiegen der Kulisse. Dadurch kann die Keilfläche der Schwenkbacke – ausgehend vom Punktkontakt – großflächig in Reibkontakt mit der keilförmigen Kulissenfläche gelangen.

Der oben genannte Spaltwinkel kann in einem Bereich von 5–10 Winkelminuten liegen. Dies würde bei einer Auflagelänge von 40mm eine Spaltweite von 0,081 mm bedeuten. Um diese Spaltweite müsste sich daher die Kulisse aufbiegen, damit die Schwenkbacke vollflächig in Kontakt mit der Kulissenfläche kommt.

Bevorzugt ist es, wenn die Schwenkbacke bzw. das Kegelstumpf-Segment umfangsseitig eine Zylindermantelfläche aufweist. Die Zylindermantelfläche der Schwenkbacke kann sowohl bei eingespanntem Werkstück als auch im unbelasteten Zustand über einen Zwischenraum oder einen Ringspalt von der Kulisse beabstandet sein. In diesem Fall kann ein Rückstellelement, dass die Schwenkbacke im unbelasteten Zustand in ihre Ausgangslage rückstellt bzw. geringfügig von der Kulisse beabstandet, in dem freien Ringspalt zwischen der Schwenkbacke und der Kulisse angeordnet werden. Ein solches Rückstellelement kann vorteilhaft eine Rückstellfeder sein, die sich einerseits am Boden des Ringspalts abstützt und andererseits in eine Sackbohrung der Schwenkbacke eingesetzt ist.

Zur Erhöhung der Keilwirkung kann es bevorzugt sein, die Schwenkbacke im Querschnitt nicht nur mit einer Keilfläche zu versehen, sondern diese doppelkeilförmig mit beidseitig ausgebildeten Keilflächen auszugestalten.

Das zwischen der Kulisse und der Schwenkbacke angeordnete Rückstellelement kann die Schwenkbacke gegen einen kulissenseitigen Höhenanschlag drücken. Dieser Höhenanschlag kann bevorzugt in einer Ausnehmung angeordnet sein, die oberseitig auf der Spannbacke mittig entlang einer Kegelstumpf-Rotationsachse ausgebildet ist.

Bevorzugt ist es, wenn die Schwenkbacke bzw. das Kegelstumpf-Segment mit seiner Bodenfläche und gleichzeitig mit seiner Kegelmantelfläche zumindest bei eingespanntem Werkstück in einem Reibkontakt mit den entsprechenden Kulissenflächen sind.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1 in einer grob schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung mit eingespanntem Werkstück;
2 das Werkstück in einer Seitenansicht;
3 in einer vergrößerten Teilseitenansicht eine in der 1 mit X gekennzeichnete Schwenkbacke;
4 in perspektivischer Ansicht die Schwenkbacke aus der 3;
5 in einer Querschnittsansicht in Pfeilrichtung I-I aus der 4 die Schwenkbacke im unbelasteten Zustand;
6 in grob schematischer Darstellung die Schwenkbacke bei eingespanntem Werkstück sowie mit zugehörigem Kräfteplan;
7 in vergrößerter Teilseitenansicht in Pfeilrichtung II aus der 3; und
8 in vergrößerter Teilseitenansicht die Schwenkbacke in Pfeilrichtung III aus der 3.
In der 1 ist eine Spannvorrichtung gezeigt, in der ein Werkstück eingespannt ist. Das Werkstück ist hier beispielhaft ein als Schweißgruppe vorgefertigtes Rohrteil 1, an dessen Rohrenden jeweils eine flanschartige Seitenplatte 3 geschweißt ist. Wie aus der 2 hervorgeht, sind die Seitenplatten 3 des Rohrteils 1 als Achteckprofile ausgebildet, die sich fertigungsbedingt in Axialrichtung nicht vollständig überdecken, sondern mit einem Verschränkungswinkel α von wenigen Winkelgraden zueinander verschränkt sind.
Gemäß der 1 liegt das Rohrteil 1 mit seinen beiden Seitenplatten 3 jeweils auf Werkstück-Auflagen 4 der Spannvorrichtung und ist mittels oberseitiger Spannkolben 5 gegen diese Auflagen 4 gespannt. Zusätzlich weist die Spannvorrichtung einen Axial-Anschlag 6 auf, der gemäß der 1 die rechte Seitenplatte 3 des Rohrteils 1 in Axialrichtung festlegt. In den 1 ist das Rohrteil 1 bereits nach seiner Bearbeitung mit stirnseitig gefrästen, kreisrunden Ausnehmungen 7 in den Seitenplatten 3 gezeigt, in denen jeweils drei gleichwinklig beabstandete Bohrungen 9 ausgebildet sind.
Die oberseitigen Spannkolben 5 sind in bekannter Weise mit hydraulisch verstellbaren Kolbenstangen 11 gekoppelt und über einen Hubweg h verstellbar.
Die Spannkolben 5 drücken mittels Schwenkbacken 13 gegen die Seitenplatten 3 des Rohrteils 1.
Wie aus den weiteren Figuren hervorgeht, sind die Schwenkbacken 13 nicht starr an den Spannkolben 5 gehaltert. Vielmehr können diese sich in einer begrenzten Schwenkbewegung bzw. Wippbewegung der Geometrie der Seitenplatten 3 anpassen. Eine solche Schwenkbacke 13 ist auch als, in der 1 links dargestellte Werkstück-Auflage 4 eingesetzt. Die in der 1 rechts gezeigte Werkstück-Auflage 4 ist dagegen starr ausgebildet.
Aufgrund seiner um den Winkel α verschränkten Seitenplatten 3 besteht für das Rohrteil 1 die Gefahr, dass es beim Spannvorgang mit einer Torsionskraft belastet wird. Ein solches Verspannen des Rohrteils 1 wird durch den folgenden Spannvorgang vermieden. Zunächst wird der in der 1 rechte Spannkolben 5 mit seiner Schwenkbacke 13 gegen die, auf der starren Werkstückauflage 4 liegende rechte Seitenplatte 3 des Rohrteils 1 gedrückt. Die Schwenkbacke 13 passt sich dabei über eine geringfügige Wippbewegung dem Profil der Seitenplatte 3 an. Dadurch ist deren geometrische Ort festgelegt. Beim Spannen der rechten Seitenplatte 3 befindet sich der in der 1 gezeigte linke Spannkolben 5 noch in seinem unbelasteten Zustand.
Nach dem Spannen der rechten Seitenplatte 3 wird der in der 1 links gezeigte Spannkolben 5 mit einer Spannkraft gegen die linke Seitenplatte 3 des Rohrteils 1 gedrückt. Dabei können zu Beginn dieses Spannvorgangs die beweglich gelagerten Schwenkbacken 13 der Werkstück-Auflage 4 und des Spannkolbens 5 leicht gleitend „schwimmen" und sich so der geometrischen Lage der linken Seitenplatte 3 anpassen. Bei sich zusehends aufbauender Spannkraft „beißen" sich dann die Schwenkbacken 13 in ihrer Schwenklage fest. Die zueinander verschränkten Seitenplatten 3 werden aufgrund dieser „schwimmenden" Spannung nicht gegeneinander verspannt.
Bei dem derart gespannten Rohrteil 1 ist daher eine Bohrbearbeitung möglich, bei der die Bohrbilder der beiden Seitenplatten 3 auch nach dem Lösen der Spannung zueinander identisch bleiben.
Die 3 bis 8 beziehen sich auf die in der 1 mit X gekennzeichnete Schwenkbacke 13. Der Aufbau und die Funktionsweise der weiteren, oberseitig an den Spannkolben 5 gehalterten Schwenkbacken 13 ist identisch mit der Schwenkbacke 13 der Werkstück-Auflage 4.
Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, ist die Schwenkbacke 13 als eine Kegelstumpf-Hälfte bzw. ein Kegelstumpf-Segment mit einer Rotationsachse 14 ausgebildet. Das Kegelstumpf-Segment ist in einer Kulisse 19 eingebettet, in der es sich mit seiner Kegelmantelfläche 15 und seiner Kegelbodenfläche 17 gegen Kulissenflächen 21 und 23 abstützt. Weiterhin ist das Kegelstumpf-Segment 13 zwischen der Kegelmantelfläche 15 und der Kegelbodenfläche 17 mit einer Zylindermantelfläche 25 ausgebildet.
Auf seiner dem Werkstück zugewandten Seite weist das Kegelstumpf-Segment eine Spannbackenverzahnung 27 auf, die in der 3 mit einer Wellenlinie angedeutet ist. Ebenfalls oberseitig ist eine hohlzylindrische Ausnehmung 29 in die Segmentseite eingearbeitet, die sich entlang der Rotationsachse 14 koaxial erstreckt. In diese Ausnehmung 29 ragt als ein erster Endanschlag ein Schenkel 31 eines an der Kulisse 19 verschraubten Winkel stücks 33. Der erste Endanschlag ist dabei von der, der Kegelbodenfläche 17 gegenüberliegenden Kegelstirnfläche 30 in die hohlzylindrische Ausnehmung 29 eingesetzt.
Der erste Endanschlag begrenzt eine Höhenbewegung des Kegelstumpf-Segments aus der Kulisse 19 heraus. Außerdem legt der erste Endanschlag aufgrund seiner zur Rotationsachse 14 koaxialen Lage eine Schwenk- oder Wippachse fest, um die das Kegelstumpf-Segment in der Kulisse 19 schwenken kann. Eine solche Wippbewegung wird durch den in den 4 und 5 gezeigten Schraubbolzen 35 als zweiten Endanschlag begrenzt. Der Schraubbolzen 35 ragt gemäß der 5 rückseitig in eine entsprechende Ausnehmung 37 in der Kegelbodenfläche 17 des Kegelstumpf-Segments. Wie aus der Detailansicht gemäß der 8 hervorgeht, erstreckt sich die Ausnehmung 37 entlang einer zur Rotationsachse 14 koaxialen Kreislinie, so dass die Seitenränder 38 der Ausnehmung 37 jeweils als Schwenkanschläge für das Kegelstumpf-Segment dienen.
In den beiden Schnittdarstellungen der 5 und 6 sind die Schnitt-Schraffuren an den einzelnen Bauteilen aus Gründen der Übersichtlichkeit weitgehend weggelassen. Wie die beiden Figuren zeigen, ist die Kulisse 19 zwischen den Kulissenflächen 21 und 23 mit einer umlaufenden Ringnut 39 ausgebildet. Deren Nutboden ist über einen Ringspalt 41 von der Zylindermantelfläche 25 des Kegelstumpf-Segments beabstandet. Auf den Nutboden der Ringnut 39 stützt sich gemäß der 5 eine Rückstellfeder 43 ab. Diese ist in einem Sackloch 45 des Kegelstumpf-Segments geführt und drückt das Kegelstumpf-Segment gegen den ersten und/oder zweiten Endanschlag in seine Ausgangslage gemäß der 5.
Darüber hinaus ist in der Kulisse 19 ein Entlastungsschlitz 47 ausgebildet, der gemäß der 3 und 4 die Kulisse 19 in zwei Kulissenblöcke 49 und 51 aufteilt, von denen jedem Kulissenblock 49, 51 jeweils eine Kulissenfläche 21 und 23 zugeordnet ist. Die beiden Kulissenblöcke 49 und 51 sind über einen materialstarken bodenseitigen Steg 53 materialeinheitlich und einstückig verbunden. Auf diese Weise ist erreicht, dass sich die beiden Kulissenblöcke 49 und 51 bei eingespanntem Werkstück geringfügig definiert aufbiegen können und dennoch ausreichend starr über den Steg 53 miteinander verbunden sind.
Wie bereits erwähnt, ist in der 5 das Kegelstumpf-Segment in seiner Ausgangslage oder Ruhelage gezeigt. Demzufolge drückt die Rückstellfeder 43 das Kegelstumpf-Segment geringfügig aus der Kulisse 19 heraus gegen den Schenkel 31 des Winkelstücks 33. In diesem Zustand ist in der 5 erkennbar, dass der von der Kegelmantelfläche 15 und der Kegelbodenfläche 17 eingeschlossene Keilwinkel β₁ um einen Spaltwinkel γ größer ist als ein entsprechender Keilwinkel β₂ zwischen den beiden Kulissenflächen 21 und 23. Der Spaltwinkel γ liegt in einem Bereich von 5 bis 10 Winkelminuten. Auf diese Weise stellt sich in der Ausgangslage ein in der 5 gezeigter keilförmiger Spalt zwischen der Kegelmantelfläche 15 und der entsprechenden Kulissenfläche 21 ein. Die Spaltweite des Spalts beträgt bei einer Auflagenlänge von 40mm und einem Spaltwinkel γ von 7 Winkelminuten ca. 0,081 mm.
Das Kegelstumpf-Segment liegt daher in der 5 lediglich punkförmig auf einer Seitenkante 54 der Kulissenfläche 21. Die Seitenkante 54 begrenzt dabei gemäß der 7 halbkreislinienförmig die Kulissenfläche 21. In diesem Zustand finden daher Ausgleichsbewegungen des Kegelstumpf-Segments zur Anpassung an die Geometrie des Werkstücks nahezu reibungsfrei statt.
Der in der 5 gezeigte Keilwinkel β₁ des Kegelstumpf-Segments liegt in einem Bereich von 45°. Der Keilwinkel β₁ ist damit um ein vielfaches größer als ein Reibungswinkel, bei dem eine Selbsthemmung des Kegelstumpf-Segments in der Kulisse 19 stattfinden würde.
In der 6 ist in grob schematischer Darstellung ein Spannzustand des Kegelstumpf-Segments dargestellt, bei welchem ein nicht gezeigtes Werkstück mit einer Spannkraft F_sp auf das Kegelstumpf-Segment einwirkt. In Abhängigkeit von der Größe der Spannkraft F_sp ergeben sich an den Kulissenflächen 21 und 23 dazu senkrecht ausgerichtete Normalkräfte F_N1 und F_N2, wie es aus dem Kräfteplan der 6 hervorgeht.
Das kraftbeaufschlagte Kegelstumpf-Segment drückt in der 6 die beiden Kulissenblöcke 49 und 51 mit ihren Kulissenflächen 21 und 23 geringfügig auseinander, wodurch das Kegelstumpf-Segment mit seiner Zylindermantelfläche 25 in den kulissenseitigen Ringspalt 41 rückt. Der zwischen den Kulissenflächen 21 und 23 eingeschlossene Keilwinkel β₂ vergrößert sich daher geringfügig. Der anfängliche Punktkontakt zwischen dem Kegelstumpf-Segment und der Kulissen-Seitenkante 54 verändert sich daher nach der Theorie der Hertz'schen Flächenpressung ellipsoidartig in einen Flächenkontakt mit entsprechend großer Flächenreibung zwischen der Kulissenfläche 21 und der Kegelmantelfläche 15.
Wie aus der 6 hervorgeht, bildet sich zwischen der senkrechten Kegelbodenfläche 17 und der zugehörigen Kulissenfläche 23 ebenfalls ein Reibkontakt, dessen Haftreibungskraft von der zugehörigen Normalkraft F_N2 proportional abhängig ist. Auf diese Weise erhält man mit den beiden Kulissenflächen 21 und 23 zwei Reibungswirkflächen, die mit einer zu den Normalkräften F_N1 und F_N2 proportionalen Reibungskraft einer Ausgleichsbewegung des Kegelstumpf-Segments entgegen wirken. Die Wirkrichtungen der jeweiligen Reibungskräfte ergeben sich gemäß der 6 aus den, rotationssymmetrisch zur Normalkraft F_N1 und F_N2 angedeuteten „Reibungskegeln" 55, deren halber Kegelwinkel einem Reibungswinkel ρ₀ entspricht. Der Reibungswinkel ρ₀ berechnet sich aus ρ₀ = arctan μ₀, wobei die Haftreibungszahl μ₀ bei einer Auflage von Stahl auf Stahl ca. 0,1 beträgt. Durch die beidseitig auf das Kegelstumpf-Segment wirkenden Reibungskräfte wird das Kegelstumpf-Segment derart starr in der Kulisse 19 „festgebissen", dass selbst bearbeitungsbedingte Werkstück-Vibrationen, etwa beim Fräsen, zuverlässig verhindert sind. Rattermarken auf der Werkstücksoberfläche aufgrund von Mikrobewegungen des Werkstücks sind somit verhindert.

Claims

Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkstücks, mit zumindest einer Schwenkbacke (13), die in einer Kulisse (19) um eine Rotationsachse (14) schwenkbar gelagert und beim Einspannen des Werkstücks gegen Kulissenflächen (21, 23) gepresst ist, wobei die Schwenkbacke (13) im Querschnitt keilförmig mit zumindest einer Keilfläche ausgebildet ist, die bei gespanntem Werkstück gegen eine entsprechend keilförmig ausgebildete Kulissenfläche (21) gepresst ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei unbelasteter Schwenkbacke (13) ein Keilwinkel (β₁) der Schwenkbacke (13) um einen Spaltwinkel (γ) größer ist als der von zugeordneten Kulissenflächen (21, 23) eingeschlossene Winkel (β₂), und dass bei einer entsprechend großen, auf die Schwenkbacke (13) wirkenden Spannkraft unter Aufbiegung der Kulisse (19) sich der Spaltwinkel (γ) reduziert, bis die Keilfläche in großflächigem Kontakt mit der Kulissenfläche (21) ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltwinkel (γ) in einem Bereich von 5 bis 10, insbesondere 7 Winkelminuten liegt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbacke (13) ein Kegelstumpf-Segment ist, Kegelmantelfläche (15) die Keilfläche bildet.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbacke (13) mit einer weiteren, der Keilfläche gegenüberliegenden Fläche, vorzugsweise einer Kegelbodenfläche (17), ausgebildet ist, der eine entsprechende Kulissenfläche (23) zugeordnet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der Keilfläche gegenüberliegende weitere Fläche, vorzugsweise die Kegelbodenfläche (17) der Schwenkbacke (13), senkrecht in der Kulisse (19) angeordnet ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (19) mit einem Entlastungsschlitz (47) ausgebildet ist, der sich vorzugsweise zwischen den Reibungswirkflächen bereitstellenden Kulissenflächen (21, 23) erstreckt, und beim Spannvorgang ein geringfügiges, definiertes Aufbiegen der Kulisse (19) zulässt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsschlitz (47) die Kulisse (19) in zwei voneinander getrennte Kulissenblöcke (49, 51) teilt, die bodenseitig über einen Steg (53) verbunden sind.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbacke (13), über einen Zwischenraum oder einen Ringspalt (41) gegenüber dem Nutboden einer zwischen den Kulissenflächen (21, 23) ausgebildeten Ringnut (39) umfangsseitig von der Kulisse (19) beabstandet ist, in welchen Zwischenraum oder Ringspalt (41) die Schwenkbacke (13) mit einer an ihr umfangsseitig ausgebildeten Zylindermantelfläche (25), die zwischen der Kegelmantelfläche (15) und der Kegelbodenfläche (17) angeordnet ist, beim Spannvorgang hineinrückt.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkbacke (13) ein Rückstellelement zugeordnet ist, das die Schwenkbacke (13) im unbelasteten Zustand in ihre Ausgangslage rückstellt bzw. geringfügig von der Kulisse (19) beabstandet.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbacke (13) im Querschnitt doppelkeilförmig mit beidseitig ausgebildeten Keilflächen ausgebildet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (19) mit einem Höhenanschlag ausgebildet ist, gegen den das Rückstellelement die Schwenkbacke (13) drückt.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement, insbesondere eine Rückstellfeder (43), in dem Zwischenraum oder Ringspalt (41) zwischen der Schwenkbacke (13) und der Kulisse (19) angeordnet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Stirnseiten der Schwenkbacke (13), insbesondere eine gegenüber der Kegelbodenfläche (17) liegende Kegelstirnfläche (30) des Kegelstumpf-Segments, außer Anlage mit der Kulisse (19) ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbacke (13) auf ihrer dem Werkstück zugewandten Seite eine sich mittig, entlang der Rotationsachse (14) der Schwenkbacke (13) erstreckende Ausnehmung (29) aufweist, in der der Höhenanschlag angeordnet ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (19) mit einem Drehanschlag ausgebildet ist, der eine Schwenkbewegung der Schwenkbacke (13) um die Rotationsachse (14) begrenzt.