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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Spannen von Werkstücken, insbesondere runden Werkstücken, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorbereitung von Werkstücken zum Spannen.
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Zur Bearbeitung von Werkstücken in Werkzeugmaschinen, insbesondere zur spanenden Bearbeitung, müssen die Werkstücke auf geeigneten Spannplätzen fest aufgespannt und gehalten werden. Dabei dürfen auch größere bei Bearbeitungsvorgängen an dem Werkstück angreifende Kräfte nicht dazu führen, dass sich das Werkstück in der Spannvorrichtung bewegt oder aus dieser löst. Andererseits soll das Werkstück möglichst gut zugänglich sein, um in einer einzigen Aufspannung nacheinander möglichst viele Bearbeitungsvorgänge an dem Werkstück durchführen zu können.
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Die
EP 1 071 542 B1 schlägt ein Spannverfahren vor, bei dem in einem vorbereitenden Arbeitsschritt an dem Werkstück gleichmäßig beabstandete Vertiefungen angebracht werden, die lediglich als Kupplungselemente beim Spannen mit einer entsprechenden Spannvorrichtung dienen, sonst aber funktionslos sind. Nach diesem vorbereitenden Arbeitsschritt werden die Werkstücke in Spannstöcken aufgenommen, die zum reibschlüssigen Halten an ihren Spannbacken Anlageflächen aufweisen und die zur formschlüssigen Positionierung und Lagesicherung zu den Vertiefungen des Werkstücks komplementäre Formschlusselemente aufweisen. Das Werkstück wird damit gemischt und form- und reibschlüssig gespannt. Dieses Spannverfahren hat sich grundsätzlich sowohl für Werkstücke mit geraden Spannflächen als auch für Werkstücke mit gerundeten Spannflächen bewährt.
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Ein wesentliches Element des Spannsystems nach der
EP 1 071 542 B1 ist eine Prägestation, die zur Anbringung einer Reihe von Vertiefungen an dem Werkstück dient. Diese Vertiefungen müssen zu Spannzähnen von Spannstöcken passen, zwischen deren Backen das Werkstück zu spannen ist. Diese Vertiefungen müssen entsprechend maßhaltig sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Vorbereiten eines Werkstücks zum Spannen anzugeben, mit dem sich bei einem großen Spektrum von aus verschiedenen Werkstoffen bestehenden Werkstücken an diesen maßhaltige Vertiefungen erzeugen lassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Spannen von Werkstücken beruht darauf, dass an Werkstücken, insbesondere Werkstücken mit gewölbten Spannflächen wie beispielsweise wenigstens abschnittsweise zylindrischen Spannflächen, Vertiefungen angebracht werden, in die Vorsprünge der Spannbacken beim Spannen des Werkstücks eingreifen. Die Vertiefungen werden insbesondere in einem vorbereitenden Arbeitsgang an dem Werkstück angebracht, in welchen das Werkstück beispielsweise durch Prägen plastisch verformt wird. Dazu wird eine Prägevorrichtung genutzt, die wenigstens einen Backen und ein Widerlager aufweist, deren Abstand zueinander verstellbar ist. Der Backen weist wenigstens einen Sitz für wenigstens einen Einsatzkörper auf, der einen auf das Werkstück hin gerichteten Vorsprung mit einer Kante aufweist. Zur Durchführung eines Prägevorgangs wird der Abstand zwischen den Backen und dem Widerlager verstellt bis der Einsatzkörper mit wenigstens einer Stelle des Vorsprungs das Werkstück berührt. Durch weitere Verringerung des Abstands zwischen dem Widerlager und dem Backen dringt der Einsatzkörper mit seinem Vorsprung um ein gewünschtes Maß in das Werkstück ein und erzeugt so an dieser Stelle eine Vertiefung. Der Einsatzkörper bildet einen Prägezahn, wobei der an dem Einsatzkörper vorgesehene Vorsprung und die sich an seine Kante anschließenden Flächenbereiche als Prägezahn genutzt werden. Es hat sich gezeigt, dass der Einsatzkörper dabei lediglich einer geringen Abnutzung unterliegt und bei verschiedensten Materialien eine hohe Standzeit aufweist. Als Prägezahn kann dabei insbesondere ein speziell geformter Einsatzkörper mit daran vorgesehenem Vorsprung genutzt werden. Der Einsatzkörper kann ein gesondert für diesen Zweck bereitgestellter Körper oder ersatzweise eine Wendeschneidplatte sein.
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Die Verstellung des Abstands zwischen dem Backen und dem Widerlager erfolgt vorzugsweise kraftbegrenzt und/oder weggesteuert. Damit wird sofern eine maximale Kraft nicht überschritten wird, eine vorgegebene Eindringtiefe des Einsatzkörpers in das Werkstück erreicht. Damit haben die an dem Werkstück erzeugten Vertiefungen unabhängig von Materialeigenschaften des Werkstücks eine gewünschte einheitliche Form.
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Das Spannen des Werkstücks erfolgt nachfolgend in einer Spannvorrichtung, beispielsweise in Gestalt eines Spannstocks mit zwei oder mehreren beweglichen Backen oder in Gestalt eines Spannfutters mit beispielsweise drei oder mehreren Backen, die Spannflächen mit daran angebrachten Spannzähnen aufweisen. Die Spannzähne passen in die Vertiefungen und bewirken einen Formschluss. Die Spannflächen legen sich in Nachbarschaft der Vertiefungen an das Werkstück an und spannen dieses ergänzend reibschlüssig. Es wird somit eine sichere Lagerung des Werkstücks in dem Spannmittel bei geringem Platzbedarf erreicht. Der Umfang des Werkstücks ist weitgehend frei zugänglich und kann somit zum Beispiel spanend bearbeitet werden.
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Die erfindungsgemäße Prägevorrichtung, die zur Anbringung plastischer Verformung an einem Werkstück vorgesehen ist, weist mindestens einen ersten Backen mit wenigstens einem Sitz zur Aufnahme eines Einsatzkörpers auf. An dem Sitz ist ein Einsatzkörper angeordnet und daran befestigt. An einem zweiten Backen ist ein dem Einsatzkörper gegenüber liegendes Widerlager vorgesehen. Dieses kann beispielsweise durch eine ebene oder gewölbte Anlagefläche oder durch einen oder mehrere Einsatzkörper gebildet sein, gegen die das Werkstück beim Prägevorgang gedrückt wird. Außerdem ist eine Betätigungseinrichtung vorgesehen, um wenigstens einen der Backen auf den anderen Backen hin und von diesem weg zu bewegen.
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Diese Prägevorrichtung weist mindestens einen als Prägezahn ausgebildeten Vorsprung auf. Der Prägezahn weist insbesondere eine Kante und sich anschließende Flächenbereiche auf, die miteinander einen Keilwinkel einschließen. Dieser liegt vorzugsweise zwischen 45° und 90° und beträgt vorzugsweise 60°. Die Einsatzkörper sind an dem jeweiligen Sitz vorzugsweise lösbar befestigt und können somit bedarfsweise ausgewechselt werden. Der Einsatzkörper ist zum Beispiel polygonal umrandet und weist vorzugsweise eine zwei- oder mehrzähligen Drehsymmetrie auf. Die Einsatzkörper können dadurch in zwei oder mehreren Stellungen an dem Backen befestigt werden. Damit kann der Einsatzkörper nach entsprechendem Verschleiß in einer anderen Position am Sitz befestigt werden, um weiter als Prägezahn zu dient.
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Der Vorsprung des Einsatzkörpers kann eine leistenartige Form aufweisen und sich entlang einer Seitenfläche des Einsatzkörpers erstreckt. Dieser Vorsprung bildet einen Prägezahn, der dazu eingerichtet ist, an dem Werkstück eine Vertiefung mit genau vorbestimmter Form zu erzeugen.
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Der leistenartige Vorsprung ist vorzugsweise parallel zu der Werkstückauflagefläche des Backens orientiert. Damit gelingt eine besonders sichere spätere Befestigung des Werkstücks in einem dazu hergerichteten Spannfutter.
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Der leistenartige Vorsprung weist vorzugsweise einen Dreiecksquerschnitt auf. Dies erleichtert den Prägevorgang. Der Vorsprung ist vorzugsweise gerade ausgebildet und grenzt an zumindest einer seiner beiden Flanken an eine Fläche, die als Werkstückanlagefläche ausgebildet ist. Damit werden Tiefe und Form der geprägten Vertiefung am Werkstück festgelegt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die zur Aufnahme der Einsatzkörper vorgesehenen Sitze als Taschen ausgebildet, aus denen die Einsatzkörper herausragen, wenn sie darin angeordnet sind. Die Backen weisen vorzugsweise eine Werkstückauflagefläche auf, die von den Einsatzkörpern überragt wird. Beim Prägen wird das Werkstück auf die Werkstückauflagefläche jedes Backen aufgesetzt wonach der Prägevorgang durch Verringerung des Abstands zwischen den Backen eingeleitet und durchgeführt wird. Durch diese Konfiguration ist die Axialposition jeder erzeugten Vertiefung bezogen auf die Stirnfläche eines zylindrischen Werkstücks eindeutig festgelegt. Die erfindungsgemäße Prägevorrichtung ist somit robust, dauerhaft und genau.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung. Es zeigen:
- 1 eine Prägestation zum Vorbereiten eines Werkstücks zum Spannen in einem geeigneten Spannfutter, in perspektivischer schematisierter Darstellung,
- 2 die Prägestation nach 1, in Draufsicht,
- 3 die Prägestation, in einer ausschnittsweisen perspektivischen Darstellung,
- 4 einen Einsatzkörper in Draufsicht,
- 5 den Einsatzkörper nach 4 in Seitenansicht,
- 6 eine abgewandelte Ausführungsform eines Einsatzkörpers und eines zugehörigen Werkstücks, in schematisierter Vertikalschnittdarstellung,
- 7 eine weiter abgewandelte Ausführungsform einer Prägestation, in vereinfachter Vertikalschnittdarstellung.
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In 1 ist eine Prägevorrichtung 10 veranschaulicht, die dazu dient, ein Werkstück 11 auf das Spannen in einem dazu eingerichteten Spannfutter vorzubereiten. Das Werkstück 11 ist durch einen Ring symbolisiert. Werkstücke 11 können jedoch auch andere Formen aufweisen, wobei sie lediglich in einer unteren, an die Basisfläche grenzenden Zone 12 ihrer Umfangsfläche wenigstens abschnittsweise einem Zylinder folgen. Das Werkstück 11 kann später in einem drehenden Futter aufgenommen werden, beispielsweise um Drehbearbeitungen, Drehfräsbearbeitungen oder dergleichen vorzunehmen.
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Zu der Prägevorrichtung 10 gehören zwei Backen 13, 14, deren Abstand voneinander mittels einer Betätigungseinrichtung 15 kontrolliert verstellbar ist.
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Die beiden Backen weisen, wie aus den 2 und 3 hervorgeht, an ihrer Oberseite jeweils eine Werkstückauflagefläche 16, 17 auf, die vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene liegend angeordnet sind. Der Backen 14 weist mindestens einen, vorzugsweise mehrere Sitze 18 bis 22 auf, die zum Beispiel als polygonal umrandete Taschen ausgebildet sein können. Ebenso weist der Backen 13 mehrere Sitze 23 bis 27 auf, die vorzugsweise als polygonal begrenzte Taschen ausgebildet sind, die in Form und Größe mit den Sitzen 18 bis 22 vorzugsweise übereinstimmen. In zumindest einem, vorzugsweisen mehreren der Sitze 18 bis 22; 23 bis 27 der beiden Backen 13, 14 sind Einsatzkörper 28, 29, 30, 31 angebracht und jeweils mit einem geeigneten Befestigungsmittel, beispielsweise einer Schraube, gesichert. Dabei dienen die Einsatzkörper 28 bis 31 als Prägezähne bzw. auch als Widerlager für den jeweils gegenüber liegenden Prägezahn.
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Die Einsatzkörper 28 bis 31 sind ebenso wie die Sitze 18 bis 27 untereinander gleich ausgebildet. Der in 4 und 5 veranschaulichte Einsatzkörper 28 und dessen nachfolgende Beschreibung stehen deswegen stellvertretend für alle an der Prägevorrichtung 10 genutzten Einsatzkörper 28 bis 31.
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Der Einsatzkörper 28 weist in Draufsicht beispielsweise einen sechseckigen ungleichseitigen, jedoch dreifach drehsymmetrischen Umriss auf. An den drei kürzeren Kanten dieses Sechseckumrisses sind leistenartige Vorsprünge 32 bis 34 ausgebildet, die radial nach außen vorstehen und Prägezähne bilden.
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Unterhalb seines sechseckigen Kopfes weist der Einsatzkörper 28 gemäß 5 einen polygonalen, beispielsweise sechseckigen Schaft 35 auf, der ebenfalls einen sechseckigen Umriss haben kann und spielarm in die Sitze 18 bis 27 passt. Vorzugsweise weist der sechseckige Schaft 35 einen ungleichseitigen Umriss mit dreifacher Drehsymmetrie auf. Mit anderen Worten, der Schaft 35 kann in drei jeweils um 120° gegeneinander verdrehten Positionen in die betreffende Tasche 19 eingesetzt werden.
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Der leistenartige Vorsprung 32 stimmt mit den leistenartigen Vorsprüngen 33, 34 überein und weist, wie jetzt 5 zeigt, vorzugsweise einen Keilquerschnitt auf, bei dem an eine Eindringkante 36 zwei Keilflächen 37, 38 anschließen. Die Eindringkante 36 ist bezüglich des Werkstücks 11 ebenso wie bezüglich des Einsatzkörpers 28 jeweils in Umfangsrichtung orientiert. Der Rundungsradius der Eindringkante 36 ist vorzugsweise größer als Null, jedoch wiederum vorzugsweise kleiner als ein Zehntel der Länge der Keilfläche 37, gemessen von der Eindringkante 36 bis zu der benachbarten Werkstückanlagefläche 39. Der von den Keilflächen 37, 38 definierte Keilwinkel weist einen Winkelhalbierende auf, die in einer Ebene 40 liegt, die alle Eindringkanten 36 aller leistenartigen Vorsprünge 32 bis 34 enthält und vorzugsweise parallel zu der Werkstückauflagefläche 17 orientiert ist.
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Die Keilfläche 38 geht in eine Seitenfläche des Einsatzkörpers 28 über, die gegenüber der Werkstückanlagefläche 39 zurück versetzt ist.
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Der Eindringkörper 28 kann aus Pulverstahl, einem Hartmetall, Keramik oder einem anderen Hartstoff bestehen.
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Die insoweit beschriebene Prägevorrichtung 10 arbeitet wie folgt:
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In Vorbereitung des späteren Spannens des Werkstücks 11 wird dieses in die Prägevorrichtung 10 eingesetzt. Dazu werden die Backen 13, 14 mittels der Betätigungsvorrichtung 15 zunächst so weit auseinander gefahren, dass das Werkstück 11, wie in 1 und 2 angedeutet, auf die Werkstückauflageflächen 16, 17 aufgesetzt werden kann, ohne die Einsatzkörper 28 bis 31 zu berühren. Im nächsten Schritt wird die Betätigungseinrichtung 15 aktiviert, sodass diese die Backen 13, 14 aufeinander zu bewegt, beispielsweise indem der bewegliche Backen 14 auf den feststehenden Backen 13 zu bewegt wird. Das Werkstück 11 gerät dabei in Berührung mit den leistenartigen Vorsprüngen 32 (d.h. den Prägezähnen) der einzelnen Einsatzkörper 28 bis 31 und zentriert sich zwischen diesen selbsttätig, sodass alsbald alle vier Einsatzkörper 28 bis 31 mit ihren leistenartigen Vorsprüngen 32 an der unteren Zone 12 der Außenumfangsfläche des Werkstücks 11 anliegen. Im weiteren dringen die leistenartigen Vorsprünge 32 unter ständiger Erhöhung der Eindringkraft in das Werkstück 11 ein bis die Eindringkraft infolge der Berührung zwischen der Werkstückanlagefläche 39 und dem Werkstück 11 sprungartig ansteigt. Mit dieser Verfahrensweise wird unabhängig von der Materialbeschaffenheit und den geometrischen Eigenschaften des Werkstücks 11, zum Beispiel seiner Federeigenschaften, eine einheitliche Prägetiefe erreicht. In diesem Fall ist die Betätigungsvorrichtung 15 so ausgelegt, dass sie beim Prägen die Betätigungskraft überwacht und, falls ein Grenzwert der Betätigungskraft oder ein Grenzwert der Kraftänderung überschritten wird, abschaltet und die Backen 13, 14 wieder auseinander fährt, um das Werkstück freizugeben.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand speziell für den Prägevorgang hergerichteter Einsatzkörper 28 bis 31 erläutert. Es ist jedoch auch möglich, anstelle der speziell geformten Einsatzkörper 28 andere Elemente, beispielsweise Hartmetallkörper, wie sie als Wendeschneidplatten in Gebrauch sind, als Einsatzkörper 28' zu nutzen. 6 zeigt dazu ein Beispiel, bei dem die Schneidkante der als Prägezahn genutzten Wendeschneidplatte als Eindringkante 36' genutzt wird.
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Weiter ist es möglich, den Einsatzkörper 28', wie 7 zeigt, an einer Fläche bzw. einem Sitz 19 zu lagern, der gegen die Aufnahmefläche 16 geneigt ist, um so auch mit einem Standardbauelement, wie beispielsweise einer Wendeschneidplatte, in Verwendung als Einsatzkörper 28' eine Vertiefung zu erzielen, die bezüglich einer Horizontalebene (Ebene, die parallel zu der Werkstückauflagefläche 16 ist) symmetrisch ist.
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Eine erfindungsgemäße Prägevorrichtung 10 ist zur Vorbereitung einer gemischt form- und reibschlüssigen Spannung von Werkstücken 11 in einem entsprechenden Spannfutter vorgesehen. Die Prägevorrichtung 10 weist Backen 13, 14 mit Prägezähnen auf, die an Einsatzkörpern 28 bis 31 ausgebildet sind. Die Einsatzkörper 28 weisen jeweils eine Eindringkante 36 auf, mit der sie in die Werkstückoberfläche eindringen, um eine Vertiefung mit festgelegten Abmessungen zu erzeugen. Dazu ist an dem Einsatzkörper 28, vorzugsweise in Nachbarschaft zu dem leistenartigen Vorsprung 32, eine Werkstückanlagefläche 39 ausgebildet, die den Eindringvorgang des leistenartigen Vorsprungs stoppt, sobald die Werkstückanlagefläche 39 bei der Durchführung des Prägevorgangs mit der Werkstückoberfläche in Berührung kommt. Trifft die Werkstückanlagefläche 39 auf das Werkstück 11 steigt die zur Bewegung des Backens 14 erforderliche Kraft steil an, woraus eine Steuereinrichtung ein Abschaltsignal für die Betätigungseinrichtung 15 generiert.
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Eine derartige Steuerung bzw. Kontrolle des Prägevorgangs macht es möglich, Werkstücke 11 verschiedener Geometrien und aus verschiedenen Materialien in einem Prägeverfahren für den späteren Spannvorgang vorzubereiten, ohne dass die Prägevorrichtung 10 jeweils auf die Geometrie oder das Material des Werkstücks 11 hin neu justiert werden müsste.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Prägevorrichtung
- 11
- Werkstück
- 12
- untere Zone der Außenumfangsfläche
- 13, 14
- Backen
- 15
- Betätigungseinrichtung
- 16, 17
- Werkstückauflageflächen
- 18 - 22
- Sitze des Backens 14
- 23 - 27
- Sitze des Backens 13
- 28 - 31
- Einsatzkörper
- 32 - 34
- leistenartige Vorsprünge
- 35
- Schaft
- 36
- Eindringkante
- 37, 38
- Keilflächen
- 39
- Werkstückanlagefläche
- 40
- Ebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1071542 B1 [0003, 0004]
