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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen eines eine ringförmige Wandung aufweisenden Werkstückes gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist z. B. aus
CH 347 405 A bekannt. Dabei weist die Spannzangeneinrichtung eine Spannzange mit einer ringförmigen Anordnung von Spannzangenelementen auf zur Anlage an einer Außenwandung des Werkstückes. Mittels einer eine Spannschraube und einer Spreizdorn aufweisenden Betätigungseinrichtung kann die Spannzange betätigt werden.
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Vorrichtungen zum Einspannen von ringförmigen Wandungen eines Werkstückes sind z. B. aus
WO 00/45983 A1 bekannt. Die dort beschriebene Spannvorrichtung ist zum Einspannen eines um eine Drehachse rotierenden Werkstücks, insbesondere eines Werkzeughalters für ein Bohr-, Fräs-, Schleifwerkzeug oder dergleichen vorgesehen und umfasst eine Grundkörpereinheit mit einer zur Drehachse zentrischen Aufnahmeöffnung, in die ein ringförmiger Schaft des Werkstücks von einem Stirnende her axial einsteckbar ist. Der ringförmige Schaft weist eine verhältnismäßig dicke ringförmige Wandung auf, an dem das Werkstück von einem Stirnende her axial einsteckbar ist. In der Aufnahmeöffnung für das Werkstück sitzt eine Spannzange sowie eine relativ zu einer Grundkörpereinheit der Vorrichtung axial verstellbar an dieser geführte Zangenbetätigungseinheit zur Betätigung der Spannzange. Die Zangenbetätigungseinheit ist axial mittels einer Wälzkörperanordnung an der Grundkörpereinheit geführt.
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Darüber hinaus sind auch andere Spannvorrichtungen für Werkstücke mit ringförmigen Wandungen bekannt, bei denen eine sogenannte Dreipunktspannung erfolgt. Dabei wird ein dreieckförmiger Spannrahmen beispielsweise gegen die Innenwandung des ringförmigen Werkstückes gespannt.
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Aus der europäischen Patentschrift
EP 1 101 554 A1 ist ein kraftbetätigtes Spannfutter für Werkzeugmaschinen mit einem an einer drehend antreibbaren Spindel zu befestigenden Futterkörper und einer Spannhülse, die durch zumindest über ihren vorderen Teil verlaufende radiale Schlitze in eine Mehrzahl von Spannsegmenten unterteilt ist, die jeweils mit einer Spannschräge versehen und durch ein mit entsprechenden Gegenflächen versehenes, axial bewegliches Spannelement in radialer Richtung verformbar sind. Des Weiteren sind mindestens zwei, vorzugsweise drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Spannsegmente zentrisch spannend durch einen ausschließlich axial beweglich im Futterkörper geführten Spannkolben und die restlichen Spannsegmente ausreichend spannend durch einen taumelnd beweglich in einem Futterkörper geführten Ausgleichspannkolben betätigbar.
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Die Offenlegungsschrift
DE 1 477 655 beschreibt ein Verfahren zum Festspannen hohler Werkstücke auf einer Drehmaschine wobei das zu spannende Werkstück zunächst zentrisch auf einem Werkstückträger aufgesetzt wird, dann durch eine Vielzahl im Umfangsrichtung verteilt wird, mit gleicher Kraft radial wirkender Spannmittel einer an der Drehmaschine vorgesehenen Spanneinrichtung selbsttätig leicht gespannt wird, durch dieselben Spannmittel dann gegen eine Planseite der Spanneinrichtung gezogen und planlaufend ausgerichtet wird und anschließend durch eine gleichmäßige Erhöhung der Spannkraft dieser Spannmittel unverrückbar festgespannt wird. Des weiteren wird eine hydraulisch oder pneumatisch betätigte Spanneinrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen.
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Die bekannten Spannvorrichtungen sind insbesondere dann problematisch, wenn deformationskritische Werkstücke auf einer rotierenden Maschinenspindel oder einem feststehenden Maschinentisch bearbeitet werden sollen und dafür dort eingespannt werden. Die bekannten Spannvorrichtungen führen nämlich beim Einspannen solcher deformationskritischer Werkstücke, also solcher Werkstücke, die eine sehr dünne und damit leicht verbiegbare ringförmige Innenwandung aufweisen dazu, dass sich das Werkstück und insbesondere die ringförmige Innenwandung in unerwünschter Weise beim Spannvorgang verformt. Besonders problematisch ist dies bei den bekannten Dreipunktspannvorrichtungen, bei denen ein Dreibein gegen die Innenwandung oder Außenwandung des Werkstückes für dessen Arretierung gedrückt wird.
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Mittlerweile ist es aber so, dass in immer größer werdendem Umfang deformationskritische Werkstücke bearbeitet werden müssen. Die Werkstücke werden nämlich immer dünnwandiger, um dem Erfordernis in der Automobilindustrie nachzukommen, dass die einzelnen Komponenten eines Fahrzeuges ein möglichst geringes Gewicht aufweisen. Es liegt auf der Hand, dass dünnwandige Werkstücke sind für diese Anforderungen im Vergleich zu dickwandigeren Werkstücken bestens geeignet sind.
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Die vorliegende Erfindung hat deshalb das Ziel, eine Vorrichtung zum Spannen solcher deformationskritischer Werkstücke anzugeben, wobei ein ungewolltes Verbiegen und Deformieren des Werkstückes beim Zentrier- und Spannvorgang des Werkstückes auf einer Maschinenspindel bzw. einem Maschinentisch in wirksamer Weise vermieden wird, insbesondere diesbezüglich eine zum Stand der Technik alternative oder verbesserte Lösung bereitgestellt. Zudem soll sich die aufzufindende Spannvorrichtung dadurch auszeichnen, dass diese als separate Baueinheit auf einer hierfür vorgesehenen Maschinenspindel bzw. einem hierfür vorgesehenen Maschinentisch montierbar ist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Spannvorrichtung anzugeben.
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Dieses Ziel wird vorrichtungsgemäß durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen dieser Spannvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.
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Eine Lösung für das aufzufindende Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 11.
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Weiterbildungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 12 bis 15 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspannen eines eine ringförmige Wandung aufweisenden Werkstücks sieht im Wesentlichen eine Spannzangeneinrichtung sowie eine Spannzangenbetätigungseinrichtung auf. Dabei weist die Spannzangeneinrichtung eine erste Spannzange und eine zweite Spannzange und die Spannzangenbetätigungseinrichtung eine erste Betätigungseinrichtung zum Betätigen der ersten Spannzange und eine zweite Einrichtung zur Betätigung der zweiten Spannzange auf. Hierbei ist die erste Spannzange mit einer ringförmigen Anordnung von mehreren Spannzangenelementen zur Anlage an einer Außenwandung des Werkstücks und die zweite Spannzange mit einer ringförmigen Anordnung von mehreren Spannzangenelementen zur Anlage an einer Innenwandung des Werkstücks versehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Spannen des deformationskritischen Werkstückes mit seiner verhältnismäßig dünnwandigen, ringförmigen Wandung sieht im Wesentlichen vor, dass sowohl die erste Spannzange, zweite Spannzange und die zugehörenden Betätigungseinrichtungen als separat handhabbare Einheit auf einen stehenden Maschinenträger oder eine rotierende Maschinenspindel 5 befestigt sind und dort unabhängig voneinander gespannt werden können. Dabei wird zunächst vorsichtig eine der Spannzangen gegen die Innenwandung des Werkstücks gespannt und erst anschließend die andere Spannzange gegen die Außenwandung des Werkstückes.
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Weiterbildungen dieses Spann- und Zentrierverfahrens sind in den Ansprüchen 11 bis 17 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspannen eines eine ringförmige Wandung aufweisenden Werkstückes und ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit vier Figuren nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer in Rotation versetzbaren Maschinenspindel, auf die am vorderen Ende die Vorrichtung zum Einspannen des deformationskritischen Werkstückes vorgesehen ist, wobei das Werkstück ebenfalls in Schnittansicht dargestellt, jedoch noch nicht in die Vorrichtung eingespannt ist,
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2 eine Detailansicht von 1 im Bereich der Spannzangenaufnahmen,
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3 das in die Aufnahmeöffnung der Spannzangeneinrichtung von 1 bzw. 2 bereits eingesetzte Werkstück, wobei die zweite Spannzangeneinrichtung bereits gespannt und die erste Spannzangeneinrichtung noch entspannt ist, und
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4 eine ähnliche Darstellung wie 3, wobei jetzt neben der zweiten Spannzangeneinrichtung auch die erste Spannzangeneinrichtung gespannt ist.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dabei davon ausgegangen, dass die Vorrichtung zum Spannen bzw. Einspannen und Zentrieren des Werkstückes stirnseitig auf dem Ende einer Maschinenspindel 5, die in Rotation versetzbar ist, sitzt. Es versteht sich jedoch, dass anstelle der rotierbaren Maschinenspindel 5 auch ein stationär feststehender Maschinentisch zur Aufnahme der nachfolgend im Einzelnen beschriebenen Vorrichtung zum Spannen des Werkstückes vorgesehen sein kann.
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In den 1, 3 und 4 wird ebenfalls beispielhaft als einzuspannendes und später zu bearbeitendes Werkstück 10 ein in der Schnittansicht topfförmig gestaltetes Werkstück 10 mit verhältnismäßig dünner Wandung bereitgestellt. Dieses Werkstück 10 verfügt über eine ringförmige Wandung 11. Das freie Ende des Werkstücks 10 und damit der vordere freie Abschnitt der ringförmigen Wandung 11 ist dafür vorgesehen, in eine ringförmige Aufnahmeöffnung, die mit dem Bezugszeichen 80 versehen ist, der Spannvorrichtung eingefügt und dort verspannt zu werden. Die ringförmige Wandung 11 des Werkstücks 10 verfügt über eine Innenwandung 11a und eine Außenwandung 11b. Der Innendurchmesser des Werkstückes 10 im Bereich der Innenwandung 11a kann beispielsweise zwischen 1 m und 1,5 m groß sein. Andere Innendurchmesser sind selbstverständlich auch möglich.
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In 1 ist das Werkstück 10 noch nicht in die nachfolgend zu erläuternde Spannvorrichtung eingesetzt.
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Die Spannvorrichtung sitzt am vorderen freien Ende der Maschinenspindel 5 umfangsseitig auf und ist dort drehfest und lösbar, z. B. über geeignete Schraubmittel, mit der Maschinenspindel 5 in Verbindung. Hierfür verfügt die Spannvorrichtung über einen Haltering 7, der im Zusammenspiel mit einer umlaufenden Wandung der Maschinenspindel 5 eine ringförmige Öffnung bildet, in die ein Aufnahmering 8 eingesetzt ist. Die Maschinenspindel 5, der Haltering 7 und der darin aufgenommene Aufnahmering 8 sind rotationssymmetrisch zur Mittenachse 15 der gesamten Anordnung platziert. Der Aufnahmering 8 nimmt eine Vielzahl von Komponenten der Spannvorrichtung auf, nämlich eine erste Spannzangeneinrichtung 20 und eine zweite Spannzangeneinrichtung 30, die ebenfalls jeweils rotationssymmetrisch zur Mittenachse 15 ausgebildet sind.
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Zur ersten Spannzangeneinrichtung 20 gehört eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Spannzangenelementen 21, die an einen ringförmigen Bodenflansch 22 vorzugsweise einstückig angeformt sind. Der ringförmige Bodenflansch 22 ist dabei über eine Vielzahl von Schrauben 23, deren Steckrichtungen parallel zur Mittenachse 15 liegen, an dem Aufnahmering 8 festgeschraubt und damit dort feststehend befestigt. Die Vielzahl von Spannzangenelementen 21 erstreckt sich weitgehend parallel zur Mittenachse 15 von dem ringförmigen Bodenflansch 22 weg und kann parallel zu dieser Mittenachse 15 etwas hin und her federn. Die einzelnen Spannzangenelemente 21 sind durch Schlitze voneinander getrennt. Jedes der Spannzangenelemente 21 weist eine weitgehend parallel zur Mittenachse 15 verlaufende Spannfläche 21a auf, die zum Anliegen an die Außenwand 11b der ringförmigen Wandung 11 des Werkstücks 10 vorgesehen ist. Auf der zur Spannfläche 21a gegenüberliegenden Seite des Spannzangenelements 21 verläuft eine schräge Wandung 21b, wodurch sich das Spannzangenelement 21 nach vorne zum freien Ende hin, also weg vom ringförmigen Bodenflansch 22 verjüngt. An dieser sich verjungenden Fläche 21b liegt ein konus- bzw. kegelförmig gestaltetes Blockteil 45 an. In 1 und 2 ist die Ruhestellung dieses Blockteils 45 gezeigt. Idealerweise schmiegt sich im Ruhezustand das Blockteil 45 mit seinem Betätigungskonus 46 vollständig an die schräge Wandung 21b des Spannzangenelements 21 an und fluchtet auch stirnseitig an seinem freien Ende mit dem Spannzangenelement 21. Dieses Blockteil 45 ist parallel zur Mittenachse 15 bewegbar. Hierfür ist das Blockteil 45 über eine Schraubverbindung 44 mit einem ersten Ringkolben 40 feststehend verbunden. Der Ringkolben 40 kann beispielsweise einen Durchmesser von 150 cm aufweisen. Links und rechts vom Ringkolben 40 befinden sich Druckkammern. Zwischen dem Ringkolben 40 und dem Aufnahmering 8 ist eine erste Druckkammer 42 ausgebildet, die sich also auf der rechten der in 1 rechts dargestellten Stirnseite des Ringkolbens 40 befindet. Auf der linken Stirnseite des Ringkolbens 40 befindet sich eine zweite Druckkammer 43, die demzufolge zwischen dem Ringkolben 40 und der Wandung des Halterings 7 sitzt. Geeignete Dichtungen 41 sorgen dafür, dass die beiden Druckkammern 42 und 43 dicht sind. Hierfür sind beispielsweise Dichtungsringe 41 zwischen dem Haltering 7 und dem ersten Ringkolben 40 sowie zwischen dem ersten Ringkolben 40 und dem Aufnahmering 8 angeordnet.
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In ähnlicher Weise ist eine zweite Spannzangeneinrichtung 30 in der zwischen Maschinenspindel 5 und Haltering 7 gebildeten Öffnung platziert. Die zweite Spannzangeneinrichtung 30 weist eine Vielzahl von Spannzangenelementen 31 auf, welche ebenfalls über einen ringförmigen Bodenflansch 32 miteinander verbunden sind. Der ringförmige Bodenflansch 32 ist wiederum mittels Schrauben 33 am Aufnahmering 8 festgelegt. Allerdings sind die Spannzangenelemente 31 im Vergleich zu den Spannzangenelementen 21 um 180° gedreht, so dass die Spannflächen 31a der Spannzangen 31 den Spannflächen 21a der Spannzangen 21 unmittelbar gegenüber liegen. Die schrägen Wandungen 31b der Spannzangen 31 zeigen dagegen in Richtung Mittenachse 15. Diese schrägen Wandungen 31b der Spannzangenelemente 31 werden von den Betätigungskegeln bzw. Betätigungskonusse der Blockteile 55 berührt. Die Blockteile 55 stehen über Schraubverbindungen 54 mit dem Ringkolben 50 in Verbindung. Rechts vom Ringkolben 50 befindet sich wiederum ein erster Druckraum 52 und links vom Ringkolben 50 ein zweiter Druckraum 53. Ebenfalls sind wiederum geeignete Dichtungsringe 51 am Ringkolben 50 angeordnet.
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Das Spannen der Spannzangenelemente 21 bzw. 31 geschieht dadurch, dass der Ringkolben 40 bzw. 50 durch geeignete Druckbeaufschlagung in den Druckkammern 42 und 43 bzw. 52 und 53 nach links bewegt wird, wodurch sich die Blockteile 45 bzw. 55 ebenfalls nach links bewegen. Diese Bewegung der Blockteile 45 und 55 nach links bewirkt, dass sich die Betätigungskonusse 46 bzw. 56 ebenfalls nach links bewegen, und dadurch die vorderen Enden der Spannzangenelemente 21, 31 aufeinander zubewegt werden. Dies bedeutet, dass der Aufnahmeschlitz der Aufnahmeöffnung 80 zwischen den Spannflächen 21a und 31a der Spannzangenelemente 21, 31 verringert wird und eine darin befindliche Wandung 11 des Werkstücks 10 festgeklemmt werden kann.
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Aufgrund der beschriebenen Anordnung ist es möglich, die Spannzangenelemente 21 der ersten Spannzangeneinrichtung 20 unabhängig von den Spannzangenelementen 31 der zweiten Spannzangeneinrichtung zu spannen. Dies wird zum Spannen und Zentrieren von deformationskritischen Werkstücken ausgenutzt.
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Das Verfahren zum Spannen des in 1 gezeigten, topfartigen Werkstückes 10 wird nun erläutert.
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In 1 sind, wie gezeigt, die erste Spannzangeneinrichtung 20 und zweite Spannzangeneinrichtung 30 entspannt. Dies bedeutet, dass sich der erste Ringkolben 40 und der zweite Ringkolben 50 und damit auch die Betätigungseinrichtungen zum Verkippen bzw. Spannen der Spannzangenelemente 21, 31 in Ruhestellung befinden. In dieser Stellung befinden sich die Ringkolben 40, 50 möglichst weit rechts, so dass die Aufnahmeöffnung 80 so weit geöffnet ist, dass die ringförmige Wandung 11 des Werkstücks 10 in die Aufnahmeöffnung 80 eingesetzt werden kann. Die Bewegungseinrichtung zum Einsetzen des Werkstücks 10 in die ringförmige Aufnahmeöffnung 80 ist in 1 durch die Pfeile angedeutet. Beim Einsetzen des Werkstückes 10 in die ringförmige Aufnahmeöffnung 80 kann ein axialer Anschlag für die ringförmige Wandung 11 des Werkstücks 10 in der Spannvorrichtung vorgesehen sein.
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In 3 ist das in die Aufnahmeöffnung 80 eingesetzte Werkstück 10 dargestellt. Es wird zunächst davon ausgegangen, dass die erste Spannzangeneinrichtung 20 mit den in den 1 bis 4 an der Außenwandung 11b des Werkstücks 10 anzulegenden Spannzangenelementen 21 noch entspannt ist. Die zweite Spannzangeneinrichtung 30 startet dagegen mit dem Spannvorgang, indem Hydraulikflüssigkeit (eine pneumatische Betätigung ist ebenfalls möglich) in den ersten Druckraum 52 eingeleitet wird.
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Hierdurch fängt der Ringkolben 50 an, sich nach links zu bewegen, wodurch über die Schraubverbindung 54 das Blockteil 55 ebenfalls nach links mitgenommen wird. Aufgrund des an der schrägen Wandung 31b der Spannzangenelemente 31 liegenden Betätigungskonus 56 fangen die Spannzangenelemente 31 an, sich zur Innenwandung 11a des Werkstückes 10 hinzubewegen. Dieses Spannen erfolgt nur allmählich, bis die einzelnen Spannzangenelemente allesamt an der Innenwandung 11a anliegen. Dieses allmähliche Anlegen der Spannzangenelemente 31 an die Innenwandung 11a führt selbsttätig zu einer Zentrierung des Werkstücks 10 um die Mittenachse 15 sowie zu einer ersten leichten Verspannung und damit auch leichten Halterung.
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Nachdem das Werkstück 10 auf diese Art und Weise vorgespannt und bezogen auf die Mittenachse 50 zentriert wurde, wird das Werkstück 10 endgültig gespannt. Dies erfolgt dadurch, dass der erste Ringkolben 40 ebenfalls nach links bewegt wird, indem Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum 42 strömt. Der Ringkolben 40 bewegt sich unter Mitnahme der Schraubverbindung 44 und des Blockteils 45 hierdurch ebenfalls nach links. Hierdurch bewegt sich auch der Betätigungskonus 46 des Blockteils 45 nach links und spannt die Spannzangenelemente 21 in Richtung auf die Außenwandung 11b des Werkstücks 10. Als Folge legen sich alle Spannzangenelemente 21 an der Außenwandung 11b des Werkstücks 10 an. Dabei ist die zweite Spannzangeneinrichtung 30 mit den Spannzangenelementen 31 weiter gespannt. Anschließend kann sowohl der Druck im ersten Druckraum 42 des Ringkolbens 40 als auch im ersten Druckraum 52 des zweiten Ringkolbens 50 weiter erhöht werden, um das Werkstück 10 sicher zu spannen, so dass eine nachfolgende Bearbeitung des Werkstückes 10 möglich wird.
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Zur Verdeutlichung der Funktion der in den 1 bis 4 dargestellten Spannvorrichtung ist in den 3 und 4 noch schematisch dargestellt, wo welcher Druck auf die ringförmige Wandung 11 des Werkstücks 10 ausgeübt wird. In 3 ist durch Pfeile ein Druck P30 markiert, der durch das Hydraulikaggregat mit dem zweiten Ringkolben 50 und dem Blockteil 55 auf die Spannzangenelemente 31 und damit auf die Innenwandung 11a des Werkstücks ausgeübt wird.
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In 4 ist durch die zusätzlichen Pfeile ein Druck P20 angedeutet, der auf die Außenwandung 11b des Werkstücks 10 wirkt. Dieser Druck P20 wird durch den ersten Ringkolben 40 und das Blockteil 45 auf die Spannzangenelemente 21 bereit gestellt.
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Nachdem das Werkstück 10 bearbeitet ist, erfolgt das Entspannen der Spannvorrichtung. Dies geschieht in umgekehrter Reihenfolge wie zuvor erläutert.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Maschinenspindel
- 7
- Halterung
- 8
- Aufnahmering
- 10
- Werkstück
- 11
- ringförmige Wandung
- 11a
- Innenwand des Werkstücks
- 11b
- Außenwand des Werkstücks
- 15
- Mittenachse
- 20
- erste Spannzangeneinrichtung
- 21
- Spannzangenelement
- 21a
- Spannfläche
- 21b
- schräge Wandung
- 22
- ringförmiger Bodenflansch
- 23
- Schraube
- 30
- zweite Spannzangeneinrichtung
- 31
- Spannzangenelement
- 31a
- Spannfläche
- 31b
- schräge Wandung
- 32
- ringförmiger Bodenflansch
- 40
- erster Ringkolben
- 41
- Dichtungsring
- 42
- erste Druckkammer
- 43
- zweite Druckkammer
- 44
- Schraubverbindung
- 45
- Blockteil
- 46
- Betätigungskonus
- 50
- zweiter Ringkolben
- 51
- Dichtungsring
- 52
- erste Druckkammer
- 53
- zweite Druckkammer
- 54
- Schraubverbindung
- 55
- Blockteil
- 56
- Betätigungskonus
- P20
- Druck von 20
- P30
- Druck von 30
