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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufspannen von plattenförmigen Werkstücken entsprechend den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 2, sowie ein Verfahren hierfür.
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Stand der Technik
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Derartige Aufspannvorrichtungen sind bereits in vielfältiger Form und Ausgestaltung bekannt und gebräuchlich. Insbesondere in den letzten Jahren wurde aber der Arbeitsvorgang der Zerspanung, bei dem derartige Aufwandvorrichtungen verwendet werden, durch die Entwicklung hochmoderner Bearbeitungszentren und CAM-Systemen mehrfach revolutioniert, um die Fertigung immer komplexerer Bauteile in kürzerer Bearbeitungszeit zu ermöglichen. Nach wie vor besteht aber ein grundsätzliches Problem, dass nämlich das Verhalten des Werkstücks, wenn dieses bearbeitet wird und der Materialabtrag beginnt, eingefrorene Spannungen des Werkstoffes auflöst. Die Folge davon sind Spannungsunterschiede im Werkstück und damit einhergehend eine Veränderung der Oberflächenform und ein Verzug des Bauteils. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass je grösser die Abmasse vom zu bearbeitenden Bauteil sind, desto mehr absolute Abweichungen in der Form auftreten. Die Hauptverursacher für dieses Verhalten sind vor allem die Eigenschaften des Rohmaterials und die Art des Materialabtrags. Als Beispiel für ein Werkstück wird auf eine Kunststoffplatte aus PEEK (Polyetheretherketon) verwiesen. Dieses ist ein teilkristallines thermoplastisches Polymer und wird in vielen Bereichen benötigt, in welchen hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeiten gefordert sind. Für derartige Platten wird heute als Form- und Lagetoleranz eine Ebenheit von weniger als 0,1 mm gefordert, was bei Platten aus PEEK eine erhebliche Herausforderung darstellt, da diese Platten im Vergleich zu vielen anderen Materialien zu einem besonders starken, nicht vorhersehbaren Verzug neigen.
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Eine Spannvorrichtung der o.g. Art ist aus der
DE 203 18 771 U1 bekannt. Dort wird ein Magnetträger als Spanneinheit benutzt, welcher eine schalenförmige Mulde zur Aufnahme eines Magnethalters ausbildet. Dieser Magnethalter weist in etwa die Form einer Halbkugel auf. Diese Vorrichtung hat sich als sehr wertvoll für das Festlegen von einem zu bearbeitenden Werkstück erwiesen. Für das Bearbeiten von plattenförmigen Werkstücken und insbesondere deren Ebenheit ist die Anordnung als einzelne Spanneinheit weniger geeignet.
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In der
US 4,838,531 ist eine Spanneinrichtung zum Halten eines Werkstücks beschrieben, welches bearbeitet werden soll. Dabei ist ein Tragglied vorgesehen, welches haftend an dem Werkstück angeordnet werden kann.
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Die
DE 601 27 603 T2 beschreibt ein ausrichtbares Greifelement, das so ausgestaltet ist, dass es die Bearbeitung oder den Transport eines Teils mit beliebiger Geometrie ermöglicht. Das Greifelement weist ein Kugelgelenk oder ein offenes Kugelgelenklager auf, in dem sich das Kugelgelenk drehen kann. Ferner ist ein Saugnapf vorgesehen, welcher von dem Kugelgelenk ausserhalb des Kugelgelenklagers getragen wird. Beide können mit einer Vakuumquelle verbunden werden.
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Die
DE 10 2010 003 175 A1 beschreibt eine Spannvorrichtung für Werkstücke. Diese weist eine arretierbare kinematische Verstellmöglichkeit auf, wobei die Arretierung aufgrund eines Kontakts mit dem Werkstück erfolgt, so dass sich eine Arretierung in einer kinematischen Einstellung ergibt, die eine Halterung des Werkstücks ermöglicht. Die Spannvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Stempeln, die federnd gelagert sind. Zur Arretierung einer Auflageplatte, die in Kontakt mit der Unterseite des Werkstücks gebracht wird, ist ein Zugkolben vorgesehen, der einen halbkugelförmigen Abschnitt auf einer Unterseite der Auflageplatte in eine korrespondierende, geformte Aufnahmeschale zieht. Mit dem Zugkolben kommt eine hydraulische oder pneumatische Aktivierung in Verbindung, wobei in Öffnungen der Aufnahmeplatte ein Vakuum erzeugt wird.
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Aus der
DE 31 26 720 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken bekannt, wobei das Spannen mit Hilfe von Unterdruck-Spanneinheiten erfolgt. An diskreten Unterstützungspunkten des Werkstücks werden mit Hilfe der Spanneinheiten Luftkissen erzeugt, auf denen das Werkstück gleitend in seine Bearbeitungsposition geschoben wird, wo es anschliessend durch Unterdruck gespannt wird. Die Spanneinheit besteht aus einem Fussteil, einem in diesem verschieblich gehaltenen Tragzapfen sowie einem am oberen Ende des Tragzapfens angeordneten Kopfteil, in dem ein mit einem kugeligen Sitz versehenes Spannelement pendelnd gelagert ist. Dieses ist mit einem Unterdruck-System pneumatisch verbunden. Dasselbe ist auch in der
US 4,491,306 A gezeigt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der o.g. Art zu entwickeln, mit denen es möglich ist, Werkstücke spannungsfrei zu fixieren und die geforderten Form- und Lagetoleranzen einzuhalten.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale der kennzeichnenden Teile von Anspruch 1 und 2.
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Durch das Vakuum wird das zu bearbeitende Werkstück an der Auflagefläche gehalten, wobei die Stärke des Vakuums bevorzugt einstellbar ist. Hierdurch kann unterschiedlichen Anforderungen eines Werkstücks an die Haltekraft auf der Auflagefläche Rechnung getragen werden.
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Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung soll insbesondere eine sehr hohe Ebenheit des Werkstücks erzielt werden. Teil von geometrischen Produktspezifikationen sind neben den Masstoleranzen sogenannte Form- und Lagetoleranzen, durch welche die erlaubte geometrische Abweichung von Elementen am Bauteil definiert wird. Eine solche Formtoleranz ist die Ebenheit. Bei dieser wird festgelegt, dass sich alle Punkte auf der theoretischen Fläche innerhalb zweier hierzu paralleler Ebenen befinden. Das Mass der Ebenheit ergibt sich aus der Differenz von der Ebene, welche sich auf dem kleinsten gemessenen Wert befindet und der darüber liegenden auf dem grössten gemessenen Wert.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt insbesondere, die Eigenspannung des Materials aufzuheben. Als Eigenspannung werden mechanische Spannungen in Materialien bezeichnet, welche auch dann herrschen, wenn keine Kräfte von aussen am Bauteil angreifen. Sie werden verursacht durch im Bauteil unterschiedlich verteilte Zug- und Druckspannungen, welche, im Falle des Werkstoffs PEEK, hauptsächlich thermisch induziert sind. Nach dem Extrudieren kühlt das Bauteil ab, wobei mit sinkender Temperatur auch das Volumen schwindet. Während des Vorgangs beginnt der Randbereich schon zu erstarren, während in der Bauteilmitte weiterhin Schmelztemperaturen herrschen. Friert die Schmelzen zwischen den erstarrten Randzonen ein, behindern diese ihre Schwindung, und es entstehen Zugspannungen.
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Im Fall des Werkstoffs PEEK ist dies, bedingt durch seine teilkristalline Struktur, besonders ausgeprägt, da sich die teilkristallinen Bereiche dadurch auszeichnen, dass sich dort die Molekülketten beim Abkühlen falten und bündeln und somit eine höhere Dichte erreichen, als die dazwischen liegenden amorphen Bereiche. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Erstarrungsgeschwindigkeit und somit höhere Eigenspannungen.
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Die Grundüberlegung der vorliegenden Erfindung ist, das Werkstück auf einer Mehrzahl von Kugelsegmenten als Teil der Spanneinheiten zu lagern, welche sich selbständig an die Unebenheiten des Werkstücks anpassen können. Die eigentliche Werkstückspannung soll nach dem Prinzip eines Vakuumspannsystems realisiert werden.
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Eine Spanneinheit oder ein Kugelgelenk soll aus zwei Teilen bestehen, nämlich einer das Werkstück tragenden Kugelkalotte oder Kugelsegment und einer Kalottenaufnahme mit einer innen ausgedrehten Kugelform bzw. Mulde. Durch die Baugruppe hindurch soll das Vakuum bis zum Werkstück geführt werden. In dem Augenblick, in welchem das System evakuiert wird, ziehen sich Kalottenaufnahme, Kalotte und Werkstück simultan aneinander fest. Das Kugelsegment wird in der Kalottenaufnahme bewusst nicht spielfrei geführt, aufgrund der nötigen Freiheitsgrade zur Bewegung des Kugelsegments.
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Ein Öffnungswinkel der Kalottenaufnahme wird auf ca. 120° angestrebt, in welchem das Kugelsegment aufliegt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Spannkräfte möglichst im Aussenbereich aufgenommen werden. Zusätzlich liegt die Spannfläche tief in der Kalottenaufnahme, wodurch eine Verringerung der Bauhöhe ermöglicht wird.
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Eine Oberfläche des Kugelsegments dient als Auflagefläche für das Werkstück. Bevorzugt sind in diese Auflagefläche Rinnen in einem Rundraster eingeformt, wobei diese Rinnen zumindest zum Teil konzentrisch um einen Mittelpunkt verlaufen. In diesen Rinnen befindet sich dann auch eine Mehrzahl von Öffnungen von Saugleitungen, welche den Körper des Kugelsegments durchziehen. Bevorzugt sind jeweils zwei Saugleitungen nebeneinander und versetzt um 120° um den Mittelpunkt angeordnet.
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An der Kalottenaufnahme ist seitlich ein Anschlussnippel angeordnet, an den ein Schlauch angesetzt werden kann, der zu einer Vakuumpumpe führt.
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Jetzt muss nur noch eine Auswahl getroffen werden, wie viele dieser Spanneinheiten nötig sind, um ein plattenförmiges Bauteil zu spannen. Eine geometrische Ebene, z.B. die Unterseite eines plattenförmigen, zu spannenden Werkstücks, wird durch mindestens drei Punkte definiert. Daher sind zum Spannen drei solche Spanneinheiten nötig. Eine weitere Spanneinheit, welche an einer derartig fixierten Platte angreift, führt zu einer Überbestimmung beim Spannen. Dadurch werden Kräfte in das Bauteil eingebracht, welche eine Zwängung bewirken und somit mechanische Spannungen in das Material einbringen.
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In einem Ausführungsbeispiel können auf einer entsprechenden Basisplatte, die rechteckig ausgestaltet sein kann, vier derartige Spanneinheiten, beispielsweise im Quadrat angeordnet werden. Dieses System dient dann als Nullpunktsystem, so dass ein Überfräsen der Auflageflächen der vier Spanneinheiten eine bestmögliche Parallelität von Spannfläche zur bearbeitenden Fläche gewährleistet. Verarbeitungsrückstände und Grate auf den Auflageflächen werden durch Überziehen mit einem feinen Feilenbankstein entfernt.
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In einem nächsten Schritt soll vereint werden, dass die Werkstückspannung einerseits die Stabilität von vier Spannstellen ausnutzt und andererseits genug Freiheitsgrade erhalten bleiben sollen. In diesem Fall sind nach Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung zwei von vier Spannstellen über eine Traverse miteinander verbunden, welche selbst auf einem Kugelgelenk gelagert ist. Diese Ausführungsform soll noch kombiniert werden mit einer Spanneinheit in der Mitte. Dies ist ohne Überbestimmtheit möglich, wenn für drei Spanneinheiten die oben erwähnte Traverse angewendet wird, welche über ein Kugelgelenk auf der Basisplatte gelagert ist. Dadurch ist die Auflage auf den drei Spanneinheiten der Traverse zwar voll bestimmt, die Traverse selbst kann aber noch frei um einen Punkt rotieren. Die volle Bestimmung als Gesamtes findet über die Auflage auf den zwei einzeln angeordneten Spanneinheiten statt.
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Auch für die Traverse findet noch eine Optimierung ihres Schwerpunktes statt. Der Masseschwerpunkt soll nämlich im Zentrum des Lagertopfes liegen. Da damit die Achsen der beiden oberen Töpfe nicht mehr exakt über dem Lagertopf liegen, richtet sich das System selbständig an der Ebene des aufgelegten Teils auf.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Aufspannen von plattenförmigen Werkstücken;
- 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Spanneinheit;
- 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemässes Kugelsegment zum Einsetzen in die Spanneinheit gemäss 2;
- 4 einen Längsschnitt durch das Kugelsegment gemäss 3 entlang Linie A-A;
- 5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Anordnung von Spanneinheiten;
- 6 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung von erfindungsgemässen Spanneinheiten.
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Ausführungsbeispiel
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Gemäss 1 sind auf einer Basisplatte 1 vier Träger zum Halten einer Montageplatte 3 vorgesehen. Von den Trägern sind nur drei Träger 2.1 bis 2.3 gezeigt, der dritte Träger ist von der Montageplatte 3 verdeckt. Auf der Montageplatte 3 sind insgesamt fünf Spanneinheiten 4.1 bis 4.5 mit jeweils eingelegten Kugelsegmenten 5.1 bis 5.5 vorgesehen.
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Jede Spanneinheit 4 ist gemäss 2 zylinderförmig ausgebildet und weist in einer Stirnfläche 6 eine kugelförmige Kalottenaufnahme 7 auf. Bevorzugt ist ein Öffnungswinkel dieser kugelförmigen Kalottenaufnahme in etwa 120°.
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In einen Boden der Kalottenaufnahme 7 mündet eine bevorzugt ringförmige Saugleitung 8 ein, die über einen Anschlussnippel 9 mit einer nicht näher gezeigten Vakuumquelle in Verbindung steht.
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Gegenüber der Kalottenaufnahme 7 befindet sich in der Spanneinheit 4 eine Aufnahmebohrung 10 für ein entsprechendes Befestigungselement an der Montageplatte 3.
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Das Kugelsegment 5 ist gemäss den 3 und 4 kalottenartig ausgeformt, wobei die Rundung 11 der Kugel in etwa der Rundung der Kalottenaufnahme 7 entspricht. Eine Auflagefläche 12 dieses Kugelsegments 5 weist dagegen ein Grundraster 13 mit einer Mehrzahl von kreissegmentartigen Rillen 14 auf, welche um einen Mittelpunkt M des Kugelsegments 5 angeordnet sind. Exzentrisch zu diesem Mittelpunkt M erstrecken sich Saugleitungen 15.1 und 15.2 von der Auflagefläche 12 bis zur Rundung 11, wobei im bevorzugten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Saugleitungen 15.1 und 15.2 sternförmig im Abstand von 120° um den Mittelpunkt M vorgesehen sind und mit Öffnungen 22 aus der Auflagefläche 12 ausmünden.
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Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind auf einer rechteckigen Basisplatte 1 in den Eckbereichen vier Spanneinheiten 4.1 - 4.4 vorgesehen. Diese weisen jede einzelne für sich oder gemeinsam über ihren Anschlussnippel 9 einen Anschluss an eine Vakuumquelle auf. Eine zu bearbeitende Platte wird auf diese Spanneinheiten 4 aufgelegt und durch ein angelegtes Vakuum über die Saugleitungen 15.1 und 15.2 an die Auflagefläche 12 angezogen. Dabei nivellieren sich die einzelnen Kugelsegmente 5 in ihren Kalottenaufnahmen 7 und werden dort ebenfalls durch das angelegte Vakuum durch die Saugleitungen 8 festgelegt. Damit wird eine exakte Ausrichtung der Platte erreicht.
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In einem verbesserten Ausführungsbeispiel gemäss 5 sind allerdings die Saugeinrichtungen 4.1 und 4.2 nicht auf der Basisplatte 1 angeordnet, sondern auf einer Traverse 16. Etwa mittig weist diese Traverse 16 eine eingeschraubte Kalotte 17 auf, welche wiederum in einer eigenen Spanneinheit 4.5 aufgenommen ist. Das bedeutet, dass sich die Traverse 16 über diese Kalotte 17 in der Spanneinheit 4.5 bewegen kann. Eine entsprechende ringförmige Saugleitung 8.1 ist in diesem Fall in der Kalotte 17 vorgesehen und weist über entsprechende Querleitungen 18 und 19 Verbindungen mit den Spanneinheiten 4.1 und 4.2 auf. Die Kalotte 17 stützt sich andererseits gegen eine Konterscheibe 20 ab.
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Zu einer weiteren Verbesserung der Stabilität der gesamten Vorrichtung trägt eine Anordnung der Spanneinheiten gemäss 6 bei. Hier sind die Spanneinheiten 4.1, 4.2 und 4.3 im Kreuz angeordnet, wobei an die Traverse 16 etwa mittig ein Querträger 21 anschliesst, auf dem die Spanneinheit 4.3 aufsitzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Basisplatte
- 2
- Träger
- 3
- Montageplatte
- 4
- Spanneinheit
- 5
- Kugelsegment
- 6
- Stirnfläche
- 7
- Kalottenaufnahme
- 8
- Saugleitung
- 9
- Anschlussnippel
- 10
- Aufnahmebohrung
- 11
- Rundung
- 12
- Auflagefläche
- 13
- Rundraster
- 14
- Rillen
- 15
- Saugleitung
- 16
- Traverse
- 17
- Kalotte
- 18
- Querleitung
- 19
- Querleitung
- 20
- Konterscheibe
- 21
- Kreuzstreifen
- 22
- Öffnung
- M
- Mittelpunkt
