DE202005019887U1

DE202005019887U1 - Spanneinrichtung

Info

Publication number: DE202005019887U1
Application number: DE200520019887
Authority: DE
Original assignee: HWR SPANNTECHNIK GmbH
Current assignee: HENKE, VOLKER, DE
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2015-12-22

Abstract

Spanneinrichtung (1) insbesondere für Drehmaschinen,
mit einem Spannfutter (2), das einen Grundkörper und wenigstens zwei Spannbacken (3, 4) aufweist, von denen wenigstens einer mittels eines Verstellantriebs (8) in einer Spannrichtung (R) verstellbar gelagert ist, wobei der Spannbacken (3) wenigstens einen in Spannrichtung (R) orientierten Vorsprung (24) aufweist,
mit einem Verstellantrieb (8), der mit dem Spannbacken (3) verbunden ist, um diesen in Spannrichtung (R) in spannendem und in lösendem Richtungssinn zu bewegen,
mit einer Steuereinrichtung (9), die mit dem Verstellantrieb (8) verbunden ist, um diesen derart zu steuern, dass der Spannbacken (3) bei einem Spannvorgang in einer ersten Stufe in spannendem Richtungssinne mit einer hohen, den Vorsprung (24) in das Werkstück (6) einprägenden Spannkraft beaufschlagt ist, dass der Spannbacken (3) bei dem Spannvorgang unmittelbar danach in einer zweiten Stufe in lösendem Richtungssinne mit einer Lösekraft beaufschlagt und von dem Werkstück (6) weg bewegt ist, und dass der Spannbacken...

Description

Die Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung, die insbesondere für Drehmaschinen aber auch für sonstige Werkzeugmaschinen geeignet ist, bei denen ein Werkstück in einem Futter zu spannen ist.
Zum Aufspannen von runden, insbesondere empfindlichen Werkstücken ist aus der DE 198 16 328 C1 ein Verfahren bekannt, im Rahmen dessen an dem Werkstück Einprägungen angebracht werden, die zu entsprechenden Formen von Spann backen passen. Die Spannbacken weisen beispielsweise jeweils eine Reihe einzelner Vorsprünge auf, denen dann entsprechend vorgeformte Einprägungen an dem Werkstück zugeordnet sind. Auf diese Weise können beispielsweise runde Werkstücke gemischt form- und kraftschlüssig gespannt werden. Die radial auf das rotationssymmetrische Werkstück auszuübende Kraft kann im Vergleich zu einer rein kraftschlüssigen, d.h. reibschlüssigen Aufspannung geringer gewählt werden. Jedoch erfordert dieses Verfahren einen gesonderten Arbeitsschritt zur Anbringung der Einprägungen an dem Werkstück.
Des Weiteren ist aus der US-PS 6 302 410 B1 eine Klemmeinrichtung zum Spannen von Bohrerschäften oder dergleichen, insbesondere für Erdbohrmaschinen, bekannt. Die beiden Spannbacken weisen dem Bohrerschaft zugewandte gewölbte Flächen auf, die mit harten Spannspitzen besetzt sind. Beim Spannen dringen diese in die Oberfläche des Bohrerschafts ein.
Während Bohrerschäfte als massive Werkzeuge bekannt sind, bei denen hohe in Radialrichtung wirkende Spannkräfte ausgeübt werden können und eine lokale Verformung nicht stört, gelten für das Aufspannen von Werkstücken andere Anforderungen. Dies insbesondere, wenn es sich um dünnwandige, d.h. leicht verformbare Werkstücke handelt. Werden diese beispielsweise in dem Futter einer Drehmaschine gespannt, kann es durch die radial nach innen gerichtete Kraft der Spannbacken des Drehfutters an dem Werkstück zu einer elastischen Verformung kommen. Wird das Werkstück in diesem Zustand rundgedreht und entspannt es sich nach Herausnahme aus dem Drehfutter zeigt es eine polygonale Verformung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, hier abzuhelfen und eine Spanneinrichtung zu schaffen, mit der sich Werkstücke präzise spannen und bearbeiten lassen.
Diese Aufgabe wird durch die Spanneinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Sie wird im Weiteren durch das Spannverfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
Die erfindungsgemäße Spanneinrichtung weist ein Spannfutter mit Spannbacken, einen Verstellantrieb, der mit dem verstellbaren Spannbacken verbunden ist und eine Steuereinrichtung zur gezielten Ansteuerung des Verstellantriebs auf. Die Steuereinrichtung ist so ausgebildet, dass der Spannvorgang auf mehrere Stufen aufgeteilt wird. In einer ersten Stufe üben die Spannbacken eine so hohe Spannkraft auf das Werkstück aus, dass an dem Spannbacken vorhandene Formschlusselemente in die Oberfläche des Werkstücks eindringen und dabei eine lokale plastische Verformung des Werkstücks bewirken. Die plastische Verformung wird dabei weitgehend auf den Bereich beschränkt, in den der Vorsprung des Spannbackens eindringt. Auf diese Weise werden in Form von Vertiefungen oder Ausnehmungen in dem Werkstück ein Formschlusselement erzeugt, das mit dem Vorsprung des Spannbackens zusammenwirkt. Es kann aber im Übrigen elastisch verformt sein.
Die Steuereinrichtung bewirkt dann in einer weiteren Stufe des Spannvorgangs eine Gegenbewegung des Spannbackens in lösendem Richtungssinne. Die Gegenbewegung wird gezielt eingeleitet, um jeglichen Haftreibungseffekt oder Selbstsperreffekt, der zwischen dem Verstellantrieb und dem Spannbacken wirksam sein könnte, zu überwinden. Wird beispielsweise mit einem Hydraulikzylinder gespannt, wird in dieser zweiten Stufe nicht nur die Spannkraft des Hyd raulikzylinders abgeschaltet sondern der Hydraulikzylinder wird gezielt in Gegenrichtung bewegt; um den Spannbacken wenigstens ein kleines Stück in Löserichtung zu bewegen. Durch diese gezielte Entspannungsbewegung des Spannbackens kann sich das Werkstück entspannen, um seine ursprüngliche runde Form wieder anzunehmen.
Im Weiteren wird der zumindest eine Spannbacken wieder auf das Werkstück zu bewegt, um es zu spannen. Dabei wird die auf das Werkstück ausgeübte Kraft begrenzt, um eine Verformung desselben zu verhindern. Der Vorsprung des Spannbackens greift in die zuvor erzeugte Ausnehmung ein und hält das Werkstück nun formschlüssig. Das Werkstück kann beispielsweise in einem Drehvorgang in einem elastischen, nicht verformten Zustand feinbearbeitet werden. Es behält deshalb, nachdem es von dem Drehfutter freigegeben worden ist, seine im Drehvorgang erzeugte runde Form bei. Sonst insbesondere bei hohl ausgebildeten Werkstücken auftretende Polygonalverformungen werden vermieden. Es ist deshalb ein Spannfutter geschaffen, mit dem sich auch empfindliche Werkstücke einfach, schnell und präzise spannen lassen, wobei eine präzise Werkstückbearbeitung möglich wird.
Das Spannfutter kann im einfachsten Fall lediglich zwei Spannbacken aufweisen, von denen nur einer beweglich gelagert und mit der Verstelleinrichtung verbunden ist. Der andere Spannbacken kann starr angeordnet oder beispielsweise durch eine gesonderte Verstelleinrichtung, wie beispielsweise eine Justiereinrichtung, verstellbar gelagert sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind jedoch mindestens drei Spannbacken vorhanden, die von dem gleichen Verstellantrieb radial nach innen und nach außen bewegbar sind. Die Erfindung kann dabei sowohl für auswärts spannende Spannfutter zur Aufnahme von hohlen Werkstücken als auch für einwärts spannende Spannfutter angewendet werden. Die Spannrichtung ist in beiden Fällen bezüglich der Drehachse des Spannfutters die Radialrichtung.
Die Spannbacken sind vorzugsweise untereinander gleich ausgebildet. Jeder Spannbacken weist eine dem zu spannenden Werkstück zugewandte Spannfläche, beispielsweise in Form einer Planfläche, auf. Sie kann alternativ gewölbt sein und in ihrer Krümmung ungefähr der Oberflächenkrümmung des zu spannenden Werkstücks angepasst sein. Der Spannbacken kann als Stufenbacken ausgebildet sein, um Werkstücke mit unterschiedlichen Durchmessern aufnehmen zu können. Dazu weist der Spannbacken dann mehrere Spannflächen auf, die auf unterschiedlichen Radien bezüglich der Drehachse angeordnet sind.
Jede Spannfläche kann mit zumindest einem Vorsprung versehen sein, der sich beim Spannen des Werkstücks plastisch an diesem abformt. Die Vorsprünge sind vorzugsweise kegelförmig, kegelstumpfförmig, pyramidenförmig, pyramidenstumpfförmig oder leistenförmig ausgebildet. Im letztgenannten Fall erstreckt sich die Längsrichtung des leistenförmigen Vorsprungs vorzugsweise parallel zu der Drehachse des Spannfutters. Die Höhe des Vorsprungs über der Spannfläche beträgt vorzugsweise wenige Zehntel Millimeter, beispielsweise 0,2 oder 0,3 mm.
Die Steuereinrichtung bewegt die Spannbacken bei dem Spannvorgang vorzugsweise kraft- und/oder wegkontrolliert. Bei dem Spannvorgang wird in der ersten Stufe vorzugsweise eine kraftkontrollierte Betätigung durchgeführt. Die Spannbacken werden dabei so lange auf das Werkstück zu bewegt bis eine vorgegebene Spannkraft erreicht ist. Diese Spannkraft ist vorzugsweise so gewählt, dass sie mit Sicherheit ausreicht die Vorsprünge der Spannbacken in das Werkstück eindringen zu lassen und dieses dadurch plastisch zu verformen. Ausgehend von dem bei dem Endzustand der plastischen Verformung erreichten Position werden die Spannbacken dann in der zweiten Stufe des Spannvorgangs vorzugsweise wegkontrolliert für einen definierten Hub in Löserichtung bewegt. Diese Lösehub beträgt beispielsweise 0,15 mm. Vorzugsweise ist er etwas geringer als die Höhe jedes Vorsprungs, so dass das Werkstück auch in der Stufe zwei des Spannvorgangs formschlüssig gehalten bleibt und nicht aus dem Spannfutter herausfällt. Es wird angestrebt, den Lösehub lediglich so klein zu machen, dass er die elastische Verformung des Werkstücks gerade eben überschreitet. Somit wird in der Stufe zwei gestattet, dass das Werkstück seine ursprüngliche runde Form wieder annimmt, ohne dass ein Spiel zwischen dem Werkstück und den Spannbacken erzeugt würde.
In der dritten Stufe erfolgt dann die Spannung des bislang lose gefassten Werkstücks mit geringer Spannkraft wiederum vorzugsweise kraftkontrolliert.
Zur kraftkontrollierten und wegkontrollierten Bewegung des Verstellantriebs und der Spannbacken sind vorzugsweise entsprechende Sensormittel, beispielsweise in Form von Kraft- und Wegsensoren vorgesehen. Bei einem hydraulischen Stellantrieb kann die Spannkraft durch gezielte Beeinflussung des Hydraulikdrucks oder auch durch Festlegung der hydraulisch aktiven Kolbenflächen in Verbindung mit einem vorgegebenen Hydraulikdruck erfolgen. Zur Wegkontrolle können lineare Wegsensoren vorgesehen sein.
Bei elektrischen Verstellantrieben können zur wegkon trollierten Bewegung Winkel- oder Wegsensoren vorgesehen sein, die mit dem elektrischen Antrieb verbunden sind. Zur Kraftkontrolle können Dehnmessstreifen, Kraftsensoren oder auch eine Stromüberwachung des Antriebsmotors dienen.
Es ist des Weiteren möglich, unterschiedliche Spannkräfte zu erzielen, indem der Verstellantrieb zumindest zwei Stellantriebe enthält, die jeweils für unterschiedliche Stellkräfte eingerichtet sind. Diese Lösung bietet sich insbesondere bei druckmittelbetätigten Verstellantrieben, insbesondere bei hydraulischen Stellantrieben an.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Spanneinrichtung in einer aufs Äußerste schematisierten Prinzipdarstellung,
2 die Spanneinrichtung gemäß 1 in einer ausschnittsweisen schematisierten Darstellung beim Einlegen des Werkstücks,
2a eine Spannbacken der Spanneinrichtung nach 2 und das Werkstück in einer Detailansicht,
3 die Spanneinrichtung nach 2 in einer ersten Stufe des Spannvorgangs in schematisierter Ansicht,
3a den Spannbacken der Spanneinrichtung nach 3 und das Werkstück in einer ausschnittsweisen Detailansicht,
4 die Spanneinrichtung nach 2 in einer zweiten Stufe des Spannvorgangs in einer schematisierten Ansicht,
4a den Spannbacken der Spanneinrichtung nach 4 und das Werkzeug in einer Detailansicht,
5 die Spanneinrichtung nach 2 beim Spannen des Werkstücks in einer dritten Stufe des Spannvorgangs in einer schematisierten Ansicht,
5a den Spannbacken der Spanneinrichtung nach 5 und das Werkstück in einer schematisierten Detailansicht,
6 das Werkstück und die Spannbacken bei einer ersten Stufe des Spannvorgangs gemäß 3 in einer überhöhten Prinzipdarstellung,
7 die Spannbacken und das Werkstück in gespanntem Zustand gemäß 5 in Prinzipdarstellung und
8 eine abgewandelte Ausführungsform der Spanneinrichtung gemäß 1 in ausschnittsweiser schematisierter Darstellung.
In 1 ist eine Spanneinrichtung 1 veranschaulicht, die beispielsweise zum Spannen von Werkstücken in einer Drehmaschine dienen kann. Zu der Spanneinrichtung 1 gehören ein Spannfutter 2 mit zumindest zwei Spannbacken 3, 4 sowie gegebenenfalls weiteren Spannbacken, wie beispielsweise dem Spannbacken 5, wie er aus den 6 und 7 ersichtlich ist. Die Spannbacken 3, 4, 5 dienen zum Aufspannen eines Werkstücks 6, wie es in 1 gestrichelt eingezeichnet ist. Das Spannfutter 2 ist durch einen Spindelantrieb 7 bedarfsweise drehend antreibbar. Um das Werkstück 6 zu spannen oder auch freizugeben, ist zumindest der Spannbacken 3 in Radialrichtung R (1) beweglich und verstellbar gelagert. Vorzugsweise sind auch die anderen beiden Spannbacken 4, 5 in der jeweils zur Drehachse D des Spannfutters 2 radialen Richtung verstellbar gelagert. Die Verstellung der Spannbacken 3, 4, 5 erfolgt vorzugsweise synchron über einen gemeinsamen Verstellantrieb 8, der in 1 schematisch angedeutet ist. Der Verstellantrieb 8 ist an eine Steuereinrichtung 9 angeschlossen, die durch eine elektronische, beispielsweise auf einem Mikroprozessor basierende Steuereinheit gebildet sein kann. Bedarfsweise kann die Steuereinrichtung 9 auch den Spindelantrieb 7 steuern.
Es kann sich um eine SPS-Steuerung, eine CNC-Steuerung oder eine sonst geeignete Steuerung handeln. Das von der Steuereinrichtung 9 verwirklichte Steuerkonzept kann in Form von Hardware und/oder Software verwirklicht sein. Letzteres wird bevorzugt, um bedarfsweise die an späterer Stelle erläuterten Parameter des Spannvorgangs einstellen zu können.
2 veranschaulicht auf schematische Weise eine Spanneinrichtung, bei der als Verstellantrieb 8 ein hyd raulischer Linearantrieb 10 vorgesehen ist. Dieser kann zwei unterschiedlich dimensionierte untereinander verbundene Stellantriebe 11, 12 aufweisen, deren Kolben 13, 14 untereinander durch eine gemeinsame Kolbenstange 15 verbunden sind. Diese dient zur Übertragung der Stellbewegung auf die Spannbacken 3, 4 (5) über ein geeignetes, nicht weiter veranschaulichtes Getriebe, beispielsweise in Form eines Keilgetriebes.
Die Kolben 13, 14 sind in entsprechenden unterschiedlich großen Zylindern 16, 17 aufgenommen. Der größere Kolben 14 teilt in seinem Zylinder 17 zumindest zwei Arbeitskammern 18, 19 ab. Der kleinere Kolben 13 teilt in dem Zylinder 16 wenigstens eine Arbeitskammer 20 ab. Die Arbeitskammern 18, 19, 20 und gegebenenfalls eine weitere, von dem kleineren Kolben 13 abgeteilte Arbeitskammer 21, sind über geeignete Leitungsverbindungen und Ventile mit einer Hydraulikdruckquelle verbunden. Die nicht weiter veranschaulichten Ventile werden von der Steuereinrichtung 9 angesteuert. Die Verbindung zwischen den Spannbacken 3, 4, 5 und dem Verstellantrieb 8 ist derart getroffen, dass die Spannbacken 3, 4 radial nach innen bewegt werden, wenn an der Kolbenstange 15 eine Zugkraft ausgeübt wird. Hingegen werden die Spannbacken 3, 4 nach außen bewegt, wenn an der Kolbenstange 15 eine Druckkraft ausgeübt wird. Das Spannfutter 2 weist zur Lagerung der Spannbacken 3, 4 einen Grundkörper 22 auf, der drehfest mit dem Spindelantrieb 7 verbunden ist. Der Verstellantrieb 8 kann von der Drehung des Grundkörpers 22 über eine geeignete Kupplung entkoppelt sein oder mit diesem umlaufen, wenn die Hydraulikzuführungen entsprechend entkoppelt, d.h. drehbar sind.
Die Kolbenstange 15 und/oder die Kolben 13, 14 können mit einem nicht weiter veranschaulichten Wegaufnehmer in Verbindung stehen. Dieser Wegaufnehmer ist vorzugsweise mit der Steuereinrichtung 9 verbunden. Ebenso kann die Steuereinrichtung 9 mit einem Druckregler zur Überwachung des Hydraulikdrucks verbunden sein. Auf Letzteres kann jedoch auch verzichtet werden.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung liegt darin, dass zumindest einer vorzugsweise aber alle Spannbacken 3, 4, 5 mit Formschlussmitteln versehen sind. Dies ist in 2a an dem Spannbacken 3 stellvertretend für alle anderen Spannbacken 4, 5 veranschaulicht. Die nachfolgende Beschreibung gilt deshalb stellvertretend auch für die übrigen Spannbacken.
Der Spannbacken 3 weist eine dem Werkstück 6 zuge wandte Spannfläche 23 auf, die vorzugsweise als Planfläche ausgebildet ist. Alternativ kann die Spannfläche 23 auch einer Zylinderkrümmung folgen, wobei sie dann vorzugsweise eine mit der Krümmung der Außenseite des Werkstücks 6 übereinstimmende Krümmung aufweist. An der Spannfläche 23 ist zumindest ein Vorsprung 24 ausgebildet, der wie ein Zahn radial in Richtung auf das Werkstück 6 zu vorsteht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist er der Außenfläche des Werkstücks 6 zugeordnet und erstreckt sich somit radi al nach innen. Der Vorsprung 24 hat im vorliegenden Aus führungsbeispiel die Form eines Pyramidenstumpfes. Er kann jedoch auch kegelstumpfförmig, kegelförmig, pyramidenför mig oder leistenförmig ausgebildet sein. Er ragt ungefähr 0,2 mm über die Spannfläche 23 hinaus. Er kann jedoch auch höher oder weniger hoch ausgebildet sein. Vorzugsweise liegt die Größe seiner Erhebung über die Spannfläche 23 in einem Bereich von 0,1 bis 1 mm. Die präzise Höhe des Vor sprungs 24 kann auf die Materialeigenschaften des zu span nenden Werkstücks 6 abgestimmt sein. Letzteres kann durch Wahl entsprechender Spannbacken 3, 4, 5 bewerkstelligt werden, wenn diese auswechselbar gestaltet sind. Es ist möglich, hierzu ein entsprechendes Set verschiedener Spannbacken vorzuhalten, die sich lediglich durch die Höhe des jeweiligen Vorsprungs 24 unterscheiden. Auch ist es möglich, Spannbacken vorzuhalten, deren Spannflächen 23 unterschiedliche Krümmungen aufweisen.
Des Weiteren können die Spannfläche 23 und der Vorsprung 24 auch an der Außenseite des Spannbackens 3 (4, 5) vorgesehen sein, d.h. bezüglich auf die Drehachse D radial nach außen weisen. Letzteres hat Bedeutung wenn innen aufzunehmende hohle Werkstücke zu spannen sind.
Der Spannbacken 3 weist an einer vorzugsweise rechtwinklig zu der Spannfläche 24 orientierten Seite eine Anlagefläche 25 für das Werkstück 6 auf. Diese ist vorzugsweise als Planfläche ausgebildet und dient dazu, das Werkstück 6 definiert aufzunehmen solange es noch nicht gespannt ist. Zwischen dem Werkstück 6 und der Anlagefläche 25 kann ein Ringelement 26 angeordnet sein. Dieses besteht vorzugsweise aus einem etwas nachgiebigen Material, beispielsweise Hartgummi. Es kann dazu vorgesehen werden, die Eingriffslänge mit der der Spannbacken 3, 4, 5 mit dem Werkstück 6 in Eingriff steht, auf ein Minimum zu verkürzen, wie aus den 2a, 3a, 4a, 5a hervorgeht.
Die insoweit beschriebene Spanneinrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Soll ein Werkstück 6 in dem Spannfutter 2 gespannt werden, werden die Spannbacken 3, 4, 5 zunächst radial nach außen gefahren bis der freie Durchmesser zwischen den Vorsprüngen 24 größer ist als der Durchmesser des Werk stücks 6. Dies gelingt durch entsprechende Druckbeaufschlagung der Arbeitskammern 18 oder 21 mit Hydraulikfluid. Die Bewegung kann dabei bis zum möglichen Anschlag oder, wie es bevorzugt wird, lediglich bis zu einem gewünschten Punkt, d.h. wegkontrolliert erfolgen. Die Steuereinrichtung 9 gibt dann die Öffnungsweite durch geeignete Wegkontrolleinrichtungen wunschgemäß vor. Es ist möglich, diese Öffnungsweite beispielsweise durch Nutzereingaben über eine entsprechende Bedienschnittstelle festzulegen.
Zur Spannung des Werkstücks 6 läuft nun ein dreistufiger Spannvorgang ab, der in den 3, 4 und 6 veranschaulicht ist. In einer ersten Stufe wird von den Spannbacken 3, 4, 5 eine sehr hohe Spannkraft auf das Werkstück 6 ausgeübt. Dies erfolgt durch Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer 19 des größeren Kolbens 14 mit Hydraulikfluid. Die Steuereinrichtung öffnet dazu das der Arbeitskammer 19 zugeordnete Ventil und druckentlastet die anderen Arbeitskammern 18, 20, 21 durch entsprechende Ventilschaltungen. Bedarfsweise kann zusätzlich die Arbeitskammer 20 druckbeaufschlagt werden, um über den Kolben 13 zusätzlich eine Spannkraft zu erzeugen.
Wie 3a veranschaulicht, wird durch die hohe Spannkraft nicht nur der Spannbacken 3 (wie auch die Spannbacken 4 und 5) an das Werkstück 6 herangefahren sondern es wird der Vorsprung 24 in das Werkstück 6 eingedrückt. Der Vorsprung 24 schafft sich somit eine Ausnehmung, über die der Spannbacken 3 später formschlüssig mit dem Werkstück 6 in Eingriff bleibt. Der Zustand des Werkstücks ist dabei in 6 übertrieben veranschaulicht. Die Spannbacken 3, 4, 5 verformen das Werkstück 6. Es entsteht eine so genannte Polygonalverformung, die hier dreieckig ist. In zwischen den Spannbacken 3, 4, 5 liegenden Zonen 27, 28, 29 ist der Ringquerschnitt des hohlen Werkstücks 6 im Sinne einer Vergrößerung der Krümmung des Werkstücks 6 elastisch verformt. In unter der unmittelbaren Einwirkung der Spannbacken 3, 4, 5 stehenden weiteren Zonen 30, 31, 32 des Werkstücks 6 ist dasselbe im Sinne einer Verringerung seiner Krümmung elastisch verformt. Lediglich in dem unmittelbar in Verbindung mit den Vorsprüngen 24 stehenden Bereichen ist das Werkstück 6 plastisch verformt.
Der in 2 und 2a sowie 6 veranschaulichte Prägeschritt dauert vorzugsweise etwa eine Sekunde. Er kann bedarfsweise jedoch auch kürzer oder etwas länger festgelegt sein. Die Zeitdauer wird von der Steuereinrichtung 9 vorgegeben. Bedarfsweise kann diese Zeitdauer vom Bediener über eine geeignete Schnittstelle vor- oder eingegeben werden. Es ist jedoch auch möglich, die Prägezeit fest vorzugeben und eine Änderung durch den Bediener nicht zuzulassen.
Ist der Prägeschritt gemäß 3, 3a und 6 durchgeführt, gibt die Steuereinrichtung 9 die nächste Stufe des Spannvorgangs vor, der in den 4 und 4a veranschaulicht ist. Dieser Schritt ist durch eine Druckentlastung der Arbeitskammer 19 und 20 gekennzeichnet. Des Weiteren wird zumindest die Arbeitskammer 18 bedarfsweise zusätzlich auch die Arbeitskammer 21 mit Druck beaufschlagt, um die Spannbacken 3, 4, 5 von dem Werkstück 6 zu lösen. Es wird dabei eine kurzhubige, in Löserichtung, d.h. im vorliegenden Fall radial nach außen gerichtete Bewegung der Spannbacken 3, 4, 5 erzeugt. Diese Bewegung dient der Überwindung etwaiger Haftreibung, Selbsthemm- oder Klemmeffekte, die von dem Verstellantrieb 8, von den Spannbacken 3, 4, 5 und/oder von dem zwischen dem Verstellantrieb 8 und den Spannbacken 3, 4, 5 wirksamen Getriebe ausgehen. Die Bewegung der Spannbacken 3, 4, 5 erfolgt vorzugsweise wegkontrolliert. Die Wegkontrolle kann durch Überwachung des Verstellwegs der Kolben 13, 14 oder der Kolbenstange 15 des Verstellantriebs 8 erfolgen. Der Lösehub (Verstellweg) beträgt dabei beispielsweise 0,15 mm. Vorzugsweise ist der Verstellhub so gering, dass die Verstellung der Spannbacken 3, 4, 5 in Löserichtung, wie 4a veranschaulicht, nicht ausreicht, den Vorsprung 24 aus der selbst geschaffenen Vertiefung 33 des Werkstücks 6 austreten zu lassen. Das Werkstück 6 bleibt somit während dieser zweiten Stufe des Spannvorgangs sicher gehalten. Dazu kann auch das Ringelement 26 beitragen, an dem das Werkstück 6 weich anliegt. Der Lösehub der Spannbacken 3, 4, 5 wird dabei aber so groß bemessen, dass sich die elastische Verformung in den Zonen 27 bis 32 des Werkstücks 6 gemäß 6 entspannen kann und das Werkstück 6 in seine Form gemäß 7 zurückkehrt. Vorzugsweise wird für diesen Entspannungsprozess mehr Zeit eingeräumt als für die erste Stufe (Prägeprozess). Vorzugsweise nimmt die Spanneinrichtung den Zustand gemäß 4 und 4a für ungefähr drei Sekunden ein. Längere Zeiten sind möglich und wünschenswert, wenn der Gesamtprozess dies zulässt. Damit können auch Werkstücke, deren Material relativ langsam in die ursprüngliche Ausgangsform zurückkehrt, präzise gespannt werden.
Zum Abschluss des Spannvorgangs wird gemäß 5 und 5a die Arbeitskammer 20 mit Hydraulikdruck beaufschlagt. Aufgrund des geringeren Durchmessers des Kolbens 13 wird dadurch lediglich eine geringe Spannkraft erzeugt, die bewirkt, dass sich die Spannbacken 3, 4, 5 wieder fest an den Außenumfang des Werkstücks 6 anlegen. Allerdings geschieht dies mit einer relativ geringen Kraft, die nicht ausreicht, das Werkstück 6 nennenswert elastisch zu verformen. Es wird der Zustand gemäß 7 erreicht, bei dem das Werkstück 6 gemischt reib- und formschlüssig gespannt ist. Die Drehmomentübertragung zwischen den Spannbacken 3, 4, 5 und dem Werkstück 6 erfolgt vorwiegend formschlüssig. Auf diese Weise können hohe Zerspanungsleistungen an dünnwandigen Werkstücken erreicht werden.
Um die Spannkraft zu regulieren, ist es möglich, den Hydraulikdruck durch gesteuerte Druckregelventile zu beeinflussen. Solche Druckregelventile können von der Steuereinrichtung 9 gesteuert werden. Bei Verwendung solcher Ventile ist es möglich, auf den kleineren Kolben 13 zu verzichten. Die Unterscheidung zwischen Prägestufe (3, 3a) und Haltestufe (5, 5a) erfolgt dann durch unterschiedliche Festlegung der Hydraulikdrücke jeweils durch Beaufschlagung der Arbeitskammer 19.
Es ist des Weiteren möglich, an Stelle hydraulischer Verstellantriebe elektrische Verstellantriebe vorzusehen. Ein solches Ausführungsbeispiel ist schematisch in 9 veranschaulicht. An die Stelle der Kolbenstange 15 tritt hier eine Gewindespindel 34, die zur Verstellung der Spannbacken 3, 4 (5) axial hin und her gehend bewegt wird. Dazu dient eine Gewindemutter 35, die von einem Servomotor 36 gezielt vorwärts oder rückwärts gedreht wird. Der Servomotor weist vorzugsweise einen Winkelgeber auf, der mit der Steuereinrichtung 9 verbunden ist. Außerdem kann er einen Kraft- oder Drehmomentsensor enthalten, um die auf die Spannbacken 3, 4, 5 ausgeübte Kraft zu kontrollieren. An die Stelle der Kraftsensoren kann eine Motorstromüberwachungseinrichtung treten. Der so gebildete Verstellantrieb 8 kann von der Drehung des Spannfutters 2 entkoppelt angeordnet werden, wenn eine entsprechende Kupplung, die nur Axialbewegungen-überträgt, zwischen dem Spannfutter 2 und der Gewindespindel 34 vorgesehen wird. Alternativ kann der Verstellantrieb 8 mit der Arbeitsspindel der Drehmaschine mitdrehend ausgebildet sein, wenn seine Leistungsversorgung beispielsweise über Schleifringe sichergestellt ist.
Die Bearbeitung runder Werkstücke im herkömmlichen kraftschlüssigen Verfahren benötigt hohe Spannkräfte, um eine akzeptable Zerspanungsleistung zu erzielen. Dazu sind aufwendige Spannfutter erforderlich. Außerdem erhält das Werkstück häufig eine Materialzugabe bis zu 25 mm. Dennoch entstehen häufig nicht erwünschte Verformungen an dem Werkstück, die nachfolgend aufwendig korrigiert und beseitigt werden müssen. Hohe Spannkräfte erzeugen Verschleiß an den Spannbacken. Die Erfindung hilft ab, indem eine Spanneinrichtung vorgesehen wird, die Vorsprünge der Spannbacken in einer ersten Stufe des Spannvorgangs in das Werkstück einpresst, danach die Spannbacken ein kleines Stück von dem Werkstück weg bewegt, um das Werkstück zu entspannen, und danach das Werkstück mit verringerter Spannkraft greift.

Claims

Spanneinrichtung (1) insbesondere für Drehmaschinen, mit einem Spannfutter (2), das einen Grundkörper und wenigstens zwei Spannbacken (3, 4) aufweist, von denen wenigstens einer mittels eines Verstellantriebs (8) in einer Spannrichtung (R) verstellbar gelagert ist, wobei der Spannbacken (3) wenigstens einen in Spannrichtung (R) orientierten Vorsprung (24) aufweist, mit einem Verstellantrieb (8), der mit dem Spannbacken (3) verbunden ist, um diesen in Spannrichtung (R) in spannendem und in lösendem Richtungssinn zu bewegen, mit einer Steuereinrichtung (9), die mit dem Verstellantrieb (8) verbunden ist, um diesen derart zu steuern, dass der Spannbacken (3) bei einem Spannvorgang in einer ersten Stufe in spannendem Richtungssinne mit einer hohen, den Vorsprung (24) in das Werkstück (6) einprägenden Spannkraft beaufschlagt ist, dass der Spannbacken (3) bei dem Spannvorgang unmittelbar danach in einer zweiten Stufe in lösendem Richtungssinne mit einer Lösekraft beaufschlagt und von dem Werkstück (6) weg bewegt ist, und dass der Spannbacken (3) bei dem Spannvorgang unmittelbar danach folgend in einer dritten Stufe in spannendem Richtungssinne mit einer niedrigen Spannkraft beaufschlagt ist, um das Werkstück (6) formschlüssig und spielfrei zu halten.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Spannfutter (2) zumindest zwei bewegliche Spannbacken (3, 4) aufweist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbacken (3, 4) jeweils eine im Wesentlichen ebene Spannfläche (23) aufweisen, von denen jeweils der wenigstens eine Vorsprung (24) vorsteht.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Spannbackens (3) in der zweiten Stufe des Spannvorgangs so festgelegt ist, dass der Vorsprung (24) des Spannbackens (3) in formschlüssigen Eingriff mit dem Werkstück (6) befindlich ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Vorsprungs (24) größer ist als die Größe des Lösehubs, den der Spannbacken (3) in der zweiten Stufe des Spannvorgangs durchläuft.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb (8) ein elektrischer Servoantrieb ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb (8) ein selbsthemmendes Getriebe (34, 35) enthält.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb (8) ein Linearantrieb ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb (8) ein druckmittelbetätigter Antrieb ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb (8) wenigstens zwei Stellantriebe (11, 12) enthält, die dazu eingerichtet sind, unterschiedliche Stellkräfte zu erzeugen.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannfutter (2) eine Positionierfläche (25) zur Positionierung des Werkstücks (6) im gespannten und im ungespannten Zustand aufweist.