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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken, mit wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Spannelementen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind die verschiedensten Vorrichtungen zum Spannen von Werkstücken bekannt. Solche Vorrichtungen können beispielsweise dort verwendet werden, wo mittels verschiedener spanloser oder spanender Umformverfahren, wie z. B. Biegen, Aufweiten, Einziehen, Drücken usw., aus geraden Rohrabschnitten rohrförmige Werkstücke mit unterschiedlichen Formen hergestellt oder Werkstücke transportiert werden. Insbesondere finden solche Werkstücke in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Schienenfahrzeugen, Maschinen und Vorrichtungen oder in der Haustechnik Verwendung.
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Das als Ausgangsmaterial für die Umformung eingesetzte, mittels der Spannvorrichtung zu spannende Werkstück unterliegt Toleranzen, die beim Spannen der Werkstücke nachteilig sind, da insbesondere in den Fällen, in denen sich der Außendurchmesser des Rohrs im Bereich der unteren Toleranz befindet, das Rohr nicht mit der ausreichenden Kraft geklemmt werden kann und somit in der Vorrichtung verrutscht. Dies kann einerseits zu Beschädigungen des Werkstücks und andererseits zu einer ungenauen Verarbeitung bei der Umformung bzw. allgemein bei der Bearbeitung führen. In den Fällen, in denen sich der Außendurchmesser des Werkstücks im Bereich der oberen Toleranz befindet, kann es zu Beschädigungen des Werkstücks durch die Spannelemente kommen.
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Auch bei nicht rohrförmigen Werkstücken, wie beispielsweise Profilen oder Blechen, mit einem beliebigen Querschnitt kommt es häufig zu schwierigen Spannsituationen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken zu schaffen, welche über den gesamten Toleranzbereich des zu spannenden Werkstücks ein sicheres Spannen desselben gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß wenigstens eines der Spannelemente einen elastischen Körper aufweist, und dass an der dem Werkstück zugewandten Oberfläche des elastischen Körpers ein Einsatzteil angeordnet ist, welches zumindest an seiner dem Werkstück zugewandten Seite mit einer aus einem härteren Material als das Werkstück bestehenden Beschichtung versehen ist, wird einerseits mittels des elastischen Körpers eine elastische Nachgiebigkeit der gesamten Spannvorrichtung erzielt, wodurch auch bei erheblichen Größenabweichungen des Werkstücks zum einen eine sichere Spannung des Werkstücks erreicht und zum anderen eine Beschädigung oder eine andersartige schädliche Veränderung der Oberfläche oder der geometrischen Form desselben vermieden wird.
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Andererseits stellt die Beschichtung eine schlupffreie Spannung sicher und verhindert auf diese Weise ein Durchrutschen des zu spannenden Werkstücks, wodurch auch die exakte Positionierung des zu spannenden Werkstücks während seiner Bearbeitung sichergestellt ist. Mit dem Begriff „schlupffrei” ist in diesem Fall also gemeint, dass zwischen dem eingespannten Werkstück und dem Spannelement auch bei Auftreten einer hohen Axialkraft keinerlei Relativbewegung stattfindet.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung können die Spannelemente der Spannvorrichtung beim Spannen der Werkstücke auf ein gewisses Untermaß des Werkstücks zusammengefahren werden, ohne dass bei verhältnismäßig großen, also sich an der oberen Toleranzgrenze befindlichen Werkstücken eine Beschädigung auftritt, wohingegen bei verhältnismäßig kleinen, sich an der unteren Toleranzgrenze befindlichen Werkstücken, im Gegensatz zu bekannten Lösungen dennoch eine Spannung sichergestellt ist.
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Mit dem Begriff „elastischer Körper” ist also ein Körper gemeint, der sich beim Spannen mit sehr hohen Kräften verformt bevor sich das eingespannte Werkstück verformt. Dies hängt selbstverständlich auch vom Material und dem Querschnitt bzw. der geometrischen Form des eingespannten Werkstücks ab.
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Erfindungsgemäß werden also nicht nur die Oberflächen des Werkstücks geschont, sondern es ergibt sich auch eine erheblich verbesserte Maßgenauigkeit der hergestellten Werkstücke, was wiederum zu einer Materialeinsparung und einer erheblich verbesserten Reproduzierbarkeit führt. Hierbei verhindert das mit der Beschichtung versehene Einsatzteil, dass die zur Erhöhung der Reibung gegenüber dem Werkstück vorgesehene Beschichtung in direkten Kontakt mit dem elastischen Körper kommt, wodurch die Beschichtung nicht in den elastischen Körper eindringen kann, was nach einer bestimmten Anzahl an Spannvorgängen dazu führen würde, dass das Material des elastischen Körpers an die dem Werkstück zugerichtete Oberfläche gelangen kann, wodurch die Reibung stark absinken und die Wirkung der Spannvorrichtung stark nachlassen würde. Des weiteren dient das Einsatzteil dazu, die auf die Beschichtung einwirkende Spannkraft gleichmäßig zu verteilen und auf diese Weise die Oberfläche des Werkstücks zusätzlich zu schonen.
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Die erforderliche Spannlänge, über die das zu spannende Werkstück mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gespannt werden muss, kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise erheblich reduziert werden, wobei im Fall von rohrförmigen Bauteilen die Spannlänge beispielsweise bei einer bislang erforderlichen Spannlänge von dem Dreifachen des Rohrdurchmessers auf lediglich den Rohrdurchmesser reduziert werden kann.
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Wenn in einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Beschichtung auf beiden Seiten des Einsatzteils vorgesehen ist, so dringt die Beschichtung auch in den elastischen Körper ein und verbindet damit das Einsatzteil mit dem elastischen Körper, sodass das Einsatzteil nicht verrutschen kann. Dennoch ist bei dieser Ausführungsform, die ein Verkleben oder andersartiges Verbinden des Einsatzteils mit dem elastischen Körper vermeidet, eine einfache Austauschbarkeit des Einsatzteils gegeben.
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Um zu erreichen, dass sich die Beschichtung zu einem gewissen Grad in das zu spannende Werkstück eingräbt, kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung aus einem Kristalle bildenden Material besteht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung über die Oberfläche des Einsatzteils verteilte Diamantpartikel aufweist. Die Verwendung von Diamant als mit dem zu spannenden Werkstück in Kontakt tretendes Material ermöglicht aufgrund der außergewöhnlichen Härte von Diamant ein Eindringen der Diamantpartikel in das zu spannende Werkstück bis zu einem gewissen Grad, sodass eine sehr hohe Reibung gegeben ist und dadurch auch sehr hohe Spannkräfte übertragen werden können. Dadurch wird das Werkstück auch bei höheren bei der Bearbeitung auftretenden Kräften sicher zwischen den Spannelementen gespannt. Dennoch wird die Oberfläche des zu spannenden Werkstücks im Prinzip nicht beschädigt, da die Diamantpartikel nur sehr geringe Spuren auf dem Werkstück hinterlassen. Darüber hinaus führt die Verwendung von Diamantpartikeln für die Beschichtung auch zu einer sehr hohen Verschleißfestigkeit derselben.
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Alternativ zur Verwendung von Diamantpartikeln können, in Abhängigkeit der Materialeigenschaften des zu spannenden Werkstücks, auch Wolframkarbidpartikel oder gegebenenfalls auch andere, harte und verschleißfeste Materialien für die Beschichtung eingesetzt werden.
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Des weiteren kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der elastische Körper in einer Kunststoffmatrix gebundene Feststoffpartikel aufweist. Auf diese Weise wird zwar eine sehr hohe Festigkeit des elastischen Körpers erreicht, dessen Elastizität ist aber durch die Bewegungsmöglichkeit der Feststoffpartikel innerhalb der Kunststoffmatrix gegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem darin eingespannten Werkstück;
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2 eine schematische Draufsicht auf eines der Spannelemente mit dem Einsatzteil und der Beschichtung; und
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3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem darin eingespannten Werkstück.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Spannen eines Werkstücks 2, welche zwei relativ zueinander bewegliche Spannelemente 3 und 4 aufweist. Die Bewegung der beiden Spannelemente 3 und 4 relativ zueinander kann mit an sich bekannten und daher hierin nicht näher beschriebenen Mitteln erfolgen, wobei sowohl vorgesehen sein kann, dass beide Spannelemente 3 und 4 bewegt werden, als auch, dass eines der beiden Spannelemente 3 oder 4 starr ist und lediglich das andere Spannelement 3 oder 4 bewegt wird. Als Material für die beiden Spannelemente 3, 4 kann beispielsweise Werkzeugstahl verwendet werden, es sind jedoch auch andere Materialien vorstellbar.
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Die Vorrichtung 1 ist insbesondere dafür vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel gemäß 1 als rohrförmiges Bauteil ausgebildete Werkstück 2 während einer Biege- oder Umformoperation zu halten. Auch Zieh-, Drück-, Aufweit-, Einzieh- oder ähnliche Bearbeitungen sind denkbar. Die für diese Vorgänge erforderlichen Einrichtungen sind in den Figuren jedoch nicht dargestellt.
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Wie in 1 des weiteren zu erkennen ist, sind die beiden Spannelemente 3 und 4 mit jeweiligen, ungefähr an die geometrische Form des Werkstücks 2 angepassten, im vorliegenden Fall also halbkreisförmigen Ausnehmungen 5 und 6 versehen, in denen das Werkstück 2 aufgenommen wird.
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Die beiden Spannelemente 3 und 4 weisen jeweils einen elastischen Körper 7 und 8 auf, die sich in jeweiligen Ausnehmungen innerhalb der Spannelemente 3 und 4 befinden. Die elastischen Körper 7 und 8 können beispielsweise in einer Kunststoffmatrix gebundene Feststoffpartikel aufweisen, wobei als Feststoffpartikel zum Beispiel Korund, Quarz, Siliziumcarbid, Borkarbid, kubisches Bornitrid und ähnliche Materialien eingesetzt werden können.
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Die beiden elastischen Körper 7 und 8 weisen dadurch eine derartige Elastizität auf, dass es beim Spannen des Werkstücks 2 zwischen den beiden Spannelementen 3 und 4 der Vorrichtung 1 beim Auftreten einer sehr hohen Spannkraft zu einer Verformung des elastischen Körpers 7, 8 und nicht des Werkstücks 2 kommt. Dies ist beispielsweise bei der Spannung eines aus Stahl bestehenden Rohrs als das Werkstück 2 der Fall, wobei selbstverständlich auch der Durchmesser und die Wandstärke des Rohrs eine Rolle spielen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Spannelemente 3 und 4 jeweils mit einem der elastischen Körper 7 und 8 versehen. Prinzipiell wäre es jedoch auch möglich, lediglich an einem der beiden Spannelemente 3 oder 4 einen der elastischen Körper 7 oder 8 vorzusehen.
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An der dem Werkstück 2 zugewandten Oberfläche der elastischen Körper 7 und 8 ist jeweils ein Einsatzteil 9 und 10 vorgesehen, welches zumindest an seiner dem Werkstück 2 zugewandten Seite mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung dient dazu, die Reibung zwischen den Spannelementen 3 und 4 einerseits und dem Werkstück 2 andererseits zu erhöhen. Zu diesem Zweck hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Beschichtung aus einem Material besteht, welches Kristalle bildet. Im Falle der Verwendung von Edelstahl für das Werkstück 2 hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Beschichtung über die Oberfläche des Einsatzteils 9, 10 verteilte Diamantpartikel 11 aufweist, die in 2 sehr schematisch dargestellt sind. Bei anderen Werkstoffen des Werkstücks 2 könnten beispielsweise auch Wolframkarbidpartikel oder andere, Kristalle bildende Materialien geeignet sein.
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Das Material für die Beschichtung sollte also in Abhängigkeit des Materials des Werkstücks 2 ausgewählt werden, wobei es vorteilhaft ist, ein Material zu verwenden, welches bis zu einem gewissen Grad in das Werkstück 2 eindringt. Auf diese Weise wird einerseits die Reibung zwischen dem Werkstück 2 und dem Einsatzteil 9, 10 und somit auch dem Spannelement 3, 4 erhöht, es werden aber andererseits größere Beschädigungen des Werkstücks 2 verhindert.
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Die Beschichtung kann unterschiedliche Körnungen aufweisen, wobei es auch möglich ist, dass ein und dasselbe Einsatzteil 9, 10 über die Fläche verteilt unterschiedliche Körnungen aufweist.
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Vorzugsweise befindet sich die Beschichtung auf beiden Seiten des Einsatzteils 9, 10, wodurch nicht nur eine hohe Reibung zwischen dem Einsatzteil 9, 10 und dem Werkstück 2 erreicht sondern auch sichergestellt wird, dass das Einsatzteil 9, 10 sich nicht gegenüber dem jeweiligen elastischen Körper 7, 8 bewegen kann, da sich die Beschichtung auch in den elastischen Körper 7, 8 eingräbt. Dadurch ist es auch möglich, das Einsatzteil 9, 10 sehr einfach auszutauschen, da zum Entfernen desselben von dem jeweiligen elastischen Körper 7, 8 nur eine verhältnismäßig geringe Kraft notwendig ist.
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Für das Einsatzteil 9, 10 hat sich die Verwendung eines Metalls, insbesondere Stahl, als günstig herausgestellt, da dieser leicht durch an sich bekannte Verfahren mit der Beschichtung versehen werden kann. Darüber hinaus kann durch die Verwendung von Stahl das Einsatzteil 9, 10 auf sehr einfache Weise an die jeweilige Form des elastischen Körpers 7, 8 angepasst werden. Die Einsatzteile 9 und 10 weisen im vorliegenden Fall eine Dicke von ca. 0,5 mm auf, was jedoch als rein beispielhaft anzusehen ist.
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Das mit der Vorrichtung 1 durchgeführte Verfahren zum Spannen des Werkstücks 2 wird vorzugsweise so durchgeführt, dass eines der beiden oder auch beide Spannelemente 3, 4 mittels geeigneter Einrichtungen, die beispielsweise einen Kniehebel umfassen können, aufeinander zu bewegt werden, bis ein bestimmter Weg erreicht ist. Nach Erreichen dieses vorbestimmten Wegs wird dann eine Spannung des Werkstücks 2 erzielt. Prinzipiell wäre auch eine kraftgesteuerte Spannung möglich und es könnten auch andere Mittel zum Bewegen der Spannelemente 3 und 4 eingesetzt werden, wie beispielsweise hydraulische Einrichtungen und dergleichen.
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In 3 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Spannen des Werkstücks 2 dargestellt. Hierbei weist das Werkstück 2 eine andere Form auf, wodurch auch die elastischen Körper 7 und 8 sowie die Einsatzteile 9 und 10 eine entsprechende, an das. Werkstück 2 angepasste Form aufweisen. Prinzipiell können mit der Vorrichtung 1 Werkstücke 2 mit annähernd beliebiger Form gespannt werden, wobei eine entsprechende Anpassung der Spannelemente 3 und 4 mit den elastischen Körpern 7 und 8 sowie der Einsatzteile 9 und 10 möglich ist.
