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Die vorliegende Neuerung betrifft ein Spannsystem, das einen Zentrierspanner mit zwei Spannbacken und ein darin eingespanntes, zu bearbeitendes Werkstück umfasst.
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Aus der
DE 20 2020 100 356 U1 ist ein Spannsystem bekannt, bei dem zum Spannen eines Werkstücks in einem Maschinenschraubstock bzw. Zentrierspanner ein Grundkörper, wenigstens zwei an dem Grundkörper längsverschieblich gelagert angeordnete und über eine Spannspindel zur Verstellung miteinander beweglich gekoppelte Spannbacken vorgesehen sind. Die Spannbacken sind mit regelmäßig in einer Reihe angeordneten Formschluss- bzw. Eingriffselementen in der Form von Vorsprüngen bzw. Zähnen besetzt, die von entsprechenden Anlageflächen der Spannbacken vorstehen. In einem Vorbereitungsschritt werden an dem in dem zur Bearbeitung einzuspannenden Werkstück komplementäre Ausnehmungen durch Prägen ausgebildet, die nachfolgend als Kupplungselemente dienen, indem Eingriffselemente in diese Ausnehmungen eingreifen. Das Spannsystem bewirkt eine gemischte reib- und formschlüssige Fixierung des Werkstücks, die eine Übertragung großer Haltekräfte mit geringem Flächenbedarf an dem Werkstück und an den Spannelementen ermöglicht. Zusätzlich lehrt die
DE 20 2020 100 356 U1 das Eingriffselement nach Art eines Keils unter Erzeugung einer in dem Werkstück auf eine Auflagefläche des Spannsystems hin gerichteten Kraft in die Ausnehmung eingreifend auszubilden. Durch diese Kraft wird das Werkstück unter Einfluss des Spannsystems auf eine definierte Auflagefläche gedrückt, was ein undefiniertes Anheben verhindert und auch eine Schwingungsneigung des Werkstücks bei einer Bearbeitung mindert.
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Derartige Vorrichtungen haben sich auch im Bereich spanabhebender Bearbeitung von Werkstücken an fünf der prinzipiell sechs vorhandenen Seiten ohne Umspannen des Werkstücks bewährt.
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Die vorliegende Neuerung hat die Aufgabe, ein Spannsystem mit mehr als einem Eingriffselement hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit bei einer spanabhebenden Bearbeitung unter hohen mechanischen Beanspruchungen eines Werkstücks weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass an jedem Spannbacken eine Reihe von Eingriffselementen, die der Lehre der
DE 20 2020 100 356 U1 entsprechend ausgebildet sind, eine weitere Reihe von Eingriffselementen in einem Abstand parallel angeordnet ist.
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Ein Werkstück ist in einem vorgeschalteten Arbeitsschritt in Bereichen, die zum Einspannen im Zuge einer Bearbeitung vorgesehen sind, durch plastische Verformung z.B. in einer Prägevorrichtung mit Prägezähnen mit korrespondierenden Vertiefungen versehen, die gemäß vorliegender Neuerung nun also ebenfalls zweireihig angeordnet sind. Die Prägezähne und die Eingriffselemente des Spannsystems sind so aufeinander relativ zu dem Werkstück abgestimmt positioniert, dass bei form- und kraftschlüssigen Eingreifen der Eingriffselemente z.B. durch einen Höhenversatz der Vertiefungen im Werkstück gegenüber den Eingriffselementen ein Niederzugeffekt hervorgerufen wird, durch den das Werkstück auf eine Unterlage bzw. Auflagefläche gepresst wird. Der Vorteil des neuartigen Spannsystems gegenüber dem gemäß der
DE 20 2020 100 356 U1 liegt darin, dass hier nun ein maximales Moment, wie es im Zuge einer spanabhebenden Bearbeitung hervorgerufen wird, deutlich erhöht ist. Der Grund liegt darin, dass durch die zweite Reihe von Eingriffselementen und deren Abstand zu der ersten Reihe von Eingriffselementen die Hebelverhältnisse am Werkstück verbessert werden, wie nachfolgend noch anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail beschrieben wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. In einer bevorzugten Ausführungsform der Neuerung sind die beiden Reihen von Eingriffselementen gegeneinander ca. 6 mm versetzt angeordnet. Bei Anordnung einer unteren Reihe von Eingriffselementen vorzugsweise ca. 3 mm oberhalb einer Unterkante des eingespannten Werkstücks ergibt sich damit ein Bereich von ca. 10 mm Höhe, der an einem Werkstück für Ausnehmungen benötigt wird, um mit einem vorstehend beschriebenen Zentrierspanner ein kompaktes Spannsystem mit deutlich verbesserten Eigenschaften zu bilden.
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Vorteilhafterweise sind die Eingriffselemente der Reihen in einer Ausführungsform fluchtend zueinander angeordnet.
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Ein vorstehend beschriebener Zentrierspanner kann grundsätzlich auch zur Vorbereitung eines Werkstücks in der Funktion einer Prägevorrichtung vorgesehen sein. Es ist jedoch vorteilhaft, eine separate Prägevorrichtung vorzusehen, die in ihrem Aufbau zwar im Wesentlichen dem besagten Zentrierspanner entspricht, wobei hier jedoch Spannbacken mit zwei parallel zueinander verlaufenden Reihen von Eingriffselementen vorgesehen sind, die gegenüber denen des Zentrierspanners einen Höhenversatz um ca. +1/10 mm gegenüber einer Auflagefläche des Werkstücks aufweisen. Damit ergeben sich an jedem Werkstück nach Einsetzen in dem Zentrierspanner Ausnehmungen, an denen ein neben einer exakten und reproduzierbaren Ausrichtung auch ein Niederzug hervorgerufen wird.
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Vorzugsweise ist zudem die Spannspindel des Zentrierspanners in der Prägevorrichtung durch eine Hydraulik ersetzt. Damit werden in diesem Schritt des Prägens als Teil einer Vorfertigung bequem und schnell hohe Kräfte zum Prägen aufgebracht.
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Es wird weiter bevorzugt, dass die Spannbacken als stark beanspruchte Verschleißteile auswechselbar ausgeführt sind. Das gilt für den Zentrierspanner, wie auch für die Prägevorrichtung.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile neuerungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine dreidimensionale Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Zentrierspanners;
- 2: eine Seitenansicht des Zentrierspanner von 1;
- 3a und 3b:
- eine Einzelheit von 2 sowie eine vergrößerte Darstellung einer Schnittdarstellung um in Ausnehmungen des Werkstücks eingreifende Formschlusselemente der Spannbacken des Zentrierspanners;
- 4: eine Seitenansicht eines Anwendungsfalls des Spannsystems;
- 5: eine teilweise geschnittene Darstellung eines Eingriffs eines Formschlusselements in einer Ausnehmung des Werkstücks unter Andeutung relevanter Kräfte und
- 6: eine dreidimensionale Ansicht eines bekannten Zentrierspanners.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Neuerung wird nachfolgend nur ein Einsatz an bzw. in Form eines Zentrierspanners dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass entsprechend ausgeformte Eingriffselemente auch an einem Spannfutter einer Drehbank oder eines Dreh- und Fräszentrums bei gleicher mechanischer Wirkung zur Erzielung der eingangs genannten Vorteile einsetzbar sind.
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6 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines bekannten Spannsystems 1 mit einem Zentrierspanner 2 gemäß der Lehre der
DE 20 2020 100 356 U1 dar. Zwischen zwei Spannbacken 3, die über eine Spannspindel 4 zur Verstellung miteinander gekoppelt und auf einem Steg 5 eines Grundkörpers 6 verschieblich gelagert sind, ist ein - hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestelltes - Werkstück 7 unter Erzeugung einer auf Auflageflächen 8 hin gerichteten Kräfte A fixiert, wie anhand der Abbildung von
5 im Anschluss noch im Detail erklärt wird. Der Zentrierspanner 2 und das entsprechend durch Prägen von Ausnehmungen 10 vorbereitete Werkstück 7 bilden zusammen das Spannsystem 1, das sich bei der 5-Achs-Bearbeitung mit zerspanenden Materialabtrag gerade bei hohen mechanischen Belastungen grundsätzlich bewährt hat.
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5 zeigt eine Vergrößerung von 6 in einer Schnittdarstellung zur Verdeutlichung der Erzeugung einer auf eine Auflagefläche 8 hin gerichteten Kraft A im Zuge der Fixierung des Werkstücks 7 in dem Zentrierspanner 2. Demnach ist ein Eingriffselement 9 an einem freien Ende eines Spannbackens 3 des Zentrierspanners 2, das der Auflagefläche 8 des Zentrierspanners 2 entgegengesetzt ist, vorgesehen und ragt dort hervor. In dem dargestellten Zustand mit einem in dem Zentrierspanner 2 fixierten Werkstück 7 greift das Eingriffselement 9 an dem Spannbacken 3 in eine Ausnehmung 10 des Werkstücks 7 ein. An dem Eingriffselement 9 und/oder der Ausnehmung 10 ist eine Flanke 11 ausgebildet, die gegenüber einer Kraft F einen Winkel α aufweist, der zwischen 0° und 90°, bevorzugt aber zwischen 30° und 60° liegt. Hier beträgt dieser Winkel α ungefähr 45°. Damit die Kraft F ungestört auf das Werkstück 7 einwirken kann, ist das Eingriffselement 9 in Abstimmung auf die Ausnehmung 10 so ausgebildet, dass es in der dargestellten Situation im Kontakt mit der Ausnehmung 10 des Werkstücks 7 mehrflächige Freisparungen 12 aufweist. In diesen Freisparungen 12 steht das Eingriffselement 9 nicht in Kontakt mit dem Werkstück 7, so dass hier auch keine Kraftübertragung stattfindet. In einem Idealfall steht das Eingriffselement 9 nur über die Flanke 11 in der Ausnehmung 10 in Kontakt mit dem Werkstück 7. Unter der modellhaften Annahme eines einzigen Kraftangriffspunktes für die Kraft F ergibt sich an der Flanke 11 eine in Form eines Kräfteparallelogramms darstellbare vektorielle Zerlegung der über das Eingriffselement 9 auf das Werkstück 7 einwirkenden Teilkräfte: eine zu der Auflagefläche 8 hin gerichtete Kraft A, die den erwünschten Niederzugeffekt dieses Spannsystems 1 hervorruft, und eine in horizontaler Richtung verlaufende Kraft B, die durch eine entgegensetzt gleichgroße Kraft von dem gegenüberliegend auf das Werkstück einwirkenden Spannbacken 3 mit einem entsprechenden Eingriffselement 9 kompensiert wird.
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Die Abbildungen der
1 und
2 zeigen nun eine dreidimensionale Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines neuartigen Zentrierspanners mit einer Seitenansicht, aus der eine zweizeilige Anordnung von Eingriffselementen 9 gemäß der Lehre der
DE 20 2020 100 356 U1 an den spiegelsymmetrisch aufgebauten Spannbacken 3 des Zentrierspanners 2 erkennbar ist. Die Eingriffselemente 9 der beiden Reihen sind fluchtend zueinander angeordnet.
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3a zeigt eine Einzelheit A von 2 unter Angabe einer Bemaßung gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Neuerung. Demnach sind die Reihen von Eingriffselementen 9 an dem Spannbacken 3 parallel zueinander verlaufend in einem Abstand von ca. 6 mm angerordnet. Bezogen auf die Anlagefläche 8 ergibt sich für eine untere Zahnreihe ein Hebel zur Momentenaufnahme von 3 mm, für die zweite bzw. obere Reihe hingegen ein neuer Hebel b von ca. 10 mm.
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Die Abbildung von 3b zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Schnittdarstellung um in Ausnehmungen 10 des Werkstücks 7 eingreifende Eingriffselemente 9 der Spannbacken 3 des Zentrierspanners 2. Durch ein Andrücken der Spannbacken 3 an das Werkstück 7 wird eine Kraft erzeugt, durch die das Werkstück 7 auf die Auflagefläche 8 des Spannbacken 3 niedergedrückt wird, wie bereits zu 5 beschrieben, nun aber unter Verdoppelung der Kraftangriffspunkte der Spannbacken 3 an dem Werkstück 7.
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4 stellt eine Seitenansicht eines entsprechenden Anwendungsfalls des Spannsystems 1 dar, zu dem 3b eine vergrößerte Einzelheit darstellt. Bezogen auf ein spanend zu bearbeitendes Werkstück 7 mit einer Höhe h von 150 mm ergibt sich für eine untere Reihe von Eingriffselementen 9 ein Hebelverhältnis von 1 : 50. Bezogen auf die obere Reihe von Eingriffselementen 9 ergibt sich hingegen ein wesentlich günstigeres Hebelverhältnis von nur noch ca. 1 : 17. Damit können im Zuge einer mechanisch spanabhebenden Bearbeitung deutlich höhere Momente auf das zu bearbeitende Werkstück 7 aufgebracht werden, ohne dass eine sichere und exakte Fixierung zwischen den Spannbacken 3 des Zentrierspanners 2 verloren gehen könnte. Da beide Reihen von Eingriffselementen 9 einen Niederzugeffekt an dem Werkstück 7 hervorrufen, wird das Werkstück 7 zudem stark auf die Auflagefläche 8 gedrückt.
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In der gepunktet eingefassten Zone zeigt 4 einen Fall, in dem ein Werkstück 7 nicht exakt genug vorbereitet worden ist, z.B. durch eine ungenau ausgeführte Prägung der Ausnehmungen 10 im Werkstück 7. Hier liegt das Werkstück 7 auch nach dem Einspannen nicht auf der Auflagefläche 8 auf, wie es z.B. auch bei einem verzogenen Werkstück der Fall sein könnte. Dennoch üben die Eingriffselemente 9 der beiden Reihen über die Ausnehmungen 10 ausreichend hohe Haltekräfte aus, um ein sicheres und genaues Arbeiten auch bei hohen Schnitt- und/oder Vorschubgeschwindigkeiten mit einer entsprechend großen Momenten-Belastung gewährleisten zu können. Auch erfolgt durch die Reihen von Eingriffselementen 9 eine exakte und reproduzierbare Positionierung des mit den vorstehend angedeuteten Genauigkeits- bzw. Qualitätsmängeln behafteten Werkstücks 7 in dem Zentrierspanner 2.
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Zur Vorbereitung eines Werkstücks 7 ist grundsätzlich eine zeichnerisch nicht weiter dargestellte separate Prägevorrichtung vorgesehen. Die Prägevorrichtung entspricht in einem Ausführungsbeispiel in ihrem Aufbau im Wesentlichen dem des Zentrierspanners 2. Also werden auch hier Spannbacken 3 mit zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand von hier ca. 6 mm verlaufenden Reihen von Eingriffselementen 9 versendet. Bei der Prägevorrichtung ist im Unterschied zu den Spannbacken 3 des Zentrierspanners 2 allerdings ein Höhenversatz um ca. +1/10 mm gegenüber einer Auflagefläche des Werkstücks 7 eingestellt. Dieser Höhenversatz dient der Erzeugung der vorstehend beschriebenen Niederzug-Wirkung an beiden Zahnreihen beim Einspannen in dem Zentrierspanner 2. Die Geometrien der Zahnreihen der Spannbacken 3 des Zentrierspanners 2 sowie der Prägevorrichtung sind an sich identisch.
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In einem nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispiel ist zudem die Spannspindel 4 der Abbildungen der 1, 2, 4 durch eine Hydraulik ersetzt. So können in diesem Schritt der Vorfertigung bequem und schnell hohe Kräfte in das Werkstück 7 zum Prägen aufgebracht werden.
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Auch zeichnerisch nicht weiter dargestellt, sind die Spannbacken 3 des Zentrierspanners 2 in einem Ausführungsbeispiel auswechselbar ausgeführt. Gleiches ist auch an entsprechend modifizierten Spann- bzw. Prägebacken der Prägevorrichtung vorgesehen. Da die jeweiligen Eingriffselemente 9 mechanisch stark beansprucht werden, unterliegen sie erhöhtem Verschleiß und müssen damit auch leicht und schnell ersetzbar sein.
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Schließlich zeigen insbesondere die Abbildungen der 1, 2 und 4 einen weiterhin sehr kompakten und niedrig bauenden Zentrierspanner 2. Dieser Zentrierspanner 2 ermöglicht unter genauer und prozesssicher wiederholbarer Positionierung bei geringem Flächenbedarf an einem Werkstück selber eine spanabhebende Bearbeitung auch von Werkstücken maximaler Größe unter Wahrung erforderlicher minimaler Werkzeug-Verfahrwege. Derartigen Spannsystem 1 steht aufgrund der genannten Vorteile in der zerspanenden Produktion ein weites Einsatzfeld offen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannsystem
- 2
- Zentrierspanner
- 3
- Spannbacken
- 4
- Spannspindel
- 5
- Steg
- 6
- Grundkörper des Zentrierspanners 1
- 7
- Werkstück
- 8
- Auflagefläche am Spannbacken 3 oder einem sonstigen entsprechend ausgebildeten Teil des Zentrierspanners 2
- 9
- Eingriffselement
- 10
- Ausnehmung im Werkstück 7
- 11
- Flanke
- 12
- Freistellung / Freisparung
- 13
- Kante
- A
- Kraft, zur Auflagefläche 8 hin gerichtete Niederzugkraft
- b
- Hebel
- B
- Kraft in horizontaler Richtung
- F
- Spannkraft zwischen den Spannblöcken 2
- h
- Höhe des Werkstücks 7
- α
- Winkel zwischen der Flanke 11 und der angreifenden Spannkraft F
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202020100356 U1 [0002, 0005, 0006, 0014, 0016]
