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Spannblock zum Einspannen von Werkstücken
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auf Schleifmaschinen Die Erfindung betrifft einen Spannblock zum Einspannen
und Halten von Werkstücken während ihrer Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine,
insbesondere einer Schleifmaschine.
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Um mechanische Belastungen und damit verbundene Verformungen während
der Bearbeitung von Werkstücken auf Werkzeugmaschinen, insbesondere von zu schleifenden
Werkstücken auf Schleifmaschinen, nach Möglichkeit zu vermeiden, ist es bekannt,
die Werkstücke in Spannblöcke einzugießen, die als Hilfsmittel beim Aufspannen und
Positionieren der Werkstücke dienen und die Werkstücke während der Bearbeitung weitgehend
belastungsfrei halten. Insbesondere bei Schleifmaschinen zum Produktionsschleifen,
bei denen während des Schleifvorgangs ein hoher Schleifdruck auf den Werkstücken
lastet, ist es für die Genauigkeit der Bearbeitung außerordentlich wichtig, daß
das eingegossene Werkstück von mechanischen Belastungen freigehalten wird.
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Der Spannblock und das in den Spannblock zur Bearbeitung eingegossene
Werkstück bilden zusammen eine Einheit, die hier als Spanneinheit bezeichnet wird.
Zur Herstellung dieser Spanneinheit wird das Werkstück in eine Gußform eingelegt,
die dann mit dem Material des Spannblocks ausgegossen wird. Als Material für die
Herstellung der Spannblöcke wird in der Regel Zink oder eine Zinklegierung verwendet,
deren thermische Ausdehnungskoeffizienten größer sind als die der für die Herstellung
der Werkstücke verwendeten Materialien, so daß der Spannblock beim Abkühlen von
der Gießtemperatur auf Zimmertemperatur fest auf das jeweilige eingebettete Werkstück
aufschrumpft. Das Material des Spannblocks ist also so gewählt, daß sein thermischer
Ausdehnungkoeffizient größer ist als der des Werkstück
materials,
so daß das Werkstück nach dem Abkühlen im Spannblock ohne Spiel festgehalten wird.
Die zu bearbeitenden Flächen des Werkstücks liegen dabei außerhalb des Spannblocks.
Ein typisches Beispiel eines Werkstücks, das auf diese Weise für die Bearbeitung
in einer Schleifmaschine vorbereitet werden kann, ist eine Turbinenschaufel für
Flugzeugturbinen. Als Material für die Turbinenschaufel kommen Nickelbasislegierungen
in Betracht, die die hohen Anforderungen an das Turbinenschaufelmaterial erfüllen.
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Als Material für die Herstellung des die Turbinenschaufel haltenden
Spannblocks werden, wie oben bereits erwähnt, Zink oder Zinklegierungen verwendet.
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Zink oder Zinklegierungen haben den Nachteil, daß ihre Verarbeitung
bei relativ hohen Temperaturen erfolgen muß.
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Zink ist bei ca. 4200 C flüssig, was für die Spritzgußform und die
Spritzgußmaschine relativ hohen Aufwand erfordert.
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Gleichzeitig ergeben sich beim Zinkspritzguß zum kalten bzw. kühleren
Werkstück hin relativ steile Temperaturgradienten, welche einen inhomogenen Einguß
des Zinks in die Spritzgußform und ein ungleichmäßiges Erstarren des Zinks in der
Form zur Folge haben können. Wegen der aus diesem Grunde erforderlichen hohen Eingußgeschwindigkeiten
und der schnellen Erstarrung des Zinks ergeben sich bleibende Lufteinschlüsse, welche
zu einer Porosität des Gußkörpers führen, die die Stabilität der Spannblöcke beeinträchtigen
kann. Außerdem sind an den Spannblöcken in der Regel Bruchsollstellen vorzusehen,
welche das Aufbrechen der Spannblöcke nach dem Bearbeiten ermöglichen, ohne das
eingeschlossene Werkstück zu beschädigen. Insbesondere für die Bearbeitung von Werkstücken
in Produktionsschleifmaschinen, bei der die Werkstücke und die Spannblöcke hohen
mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, ist die Herabsetzung der Stabilität der
Spannblöcke nachteilig, weil
Verformungen des Spannblocks unter
dem Druck der Schleifscheibe nicht auszuschließen sind und zu nicht tolerierbaren
Maßabweichungen der bearbeiteten Werkstücke führen können.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Spannblock
vorzuschlagen, dessen Herstellung mit relativ geringem technischem Aufwand kostengünstig
zu bewerkstelligen ist und der dennoch bei hoher Stabilität exakte Maßhaltigkeit
gewährleistet sowie leicht vom Werkstück zu lösen ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Spannblock
aus einem gefüllten Kunststoff besteht.
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Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Erfindung, nach der
der Spannblock aus einem kalthärtenden Mehrkomponentenkunststoff besteht. Als Material
für die Herstellung des Spannblocks kommen gemäß der Erfindung in erster Linie Styrole,
Epoxydharze, Ester oder Acrylate, jeweils mit einem hohen Füllstoffanteil, infrage.
Als Füllstoffe sind gemäß der Erfindung in erster Linie Sand und/oder keramische
Granulate und/oder Pulver (z. B. Al203) einer Korngröße bis höchstens 0,5 mm vorgesehen.
Der Füllstoffanteil im Kunststoffmaterial kann bis zu 90 % betragen.
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Zur Herstellung des gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Spannblocks
aus Kunststoff eignet sich besonders ein Spritzgußverfahren.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Herstellung
des Spannblocks bei weit niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden kann als die
Herstellung von Spannblöcken aus Zink oder Zinkleqierunqen. Kunststoffe der hier
verwendbaren Art sind normalerweise in Temperaturbereichen um 2000 C hervorragend
verarbeitbar, was den
Aufwand für die Herstellung der Kunststoff-Spannblöcke
in niedrigen Grenzen hält. Der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Spannblock aus
Kunststoff ist also äußerst kostengünstig herzustellen. Gleichzeitig weist der Spannblock
aber auch die für eine exakte und maßhaltige Bearbeitung von Werkstücken erforderliche
Stabilität auf.
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Wegen der niedrigeren Verarbeitungstemperaturen und der einstellbaren
Aushärtzeit ist ein homogener Einguß der Kunststoffmasse in die Gußform erreichbar,
wobei gleichzeitig Lufteinschlüsse vermieden werden können, welche zur Porosität
des gebildeten Gußkörpers führen würden.
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Der hohe Füllstoffanteil des Spannblockmaterials ergibt Festigkeitswerte,
die mit denen von Zinkdruckguß vergleichbar sind, so daß eine hochpräzise Halterung
und Bearbeitung der eingespannten Werkstücke in der Schleifmaschine auch unter hohen
Schleifdrücken möglich ist. Hinzu kommt, daß die gemäß der Erfindung für die Herstellung
des Spannblocks vorgeschlagenen Materialien bei tiefen Temperaturen verspröden,
so daß die Spanneinheit nach der Bearbeitung des Werkstücks durch Abkühlung auf
tiefe Temperaturen aufgesprengt werden kann, was zu einer rückstandsfreien Ablösung
des Spannblocks von dem bearbeiteten Werkstück führt. Da hierfür Sollbruchstellen
nicht erforderlich sind, können die Spannblöcke massiver hergestellt werden, so
daß sich ihre Stabilität zusätzlich weiter erhöht.
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In der Zeichnung ist eine typische Spanneinheit dargestellt, welche
aus einer Turbinenschaufel als Werkstück und einem Spannblock aus Kunststoff besteht.
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Die in der Zeichnung dargestellte Spanneinheit 1 besteht aus einem
Werkstück in Gestalt eines Turbinenschaufelrohlings 2 und einem Spannblock 3. Gemäß
der Erfindung besteht der Spannblock 3 aus einem Kunststoff mit hohem Füllstoffanteil
und ist im Spritzgußverfahren hergestellt.
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Der Spannblock 3 besteht vorzugsweise aus einem kalt aushärtenden
Mehrkomponenten-Kunststoff, der einen Füllstoffanteil von bis zu 90 % enthält. Als
Kunststoffe für die Herstellung dieses Spannblocks 3 kommen beispielsweise Styrole,
Epoxydharze, Ester und Acrylate infrage. Als Füllstoffe sind in erster Linie Sand
(SiO2), keramische Granulate oder Pulver (z. B. Al203) vorgesehen, die eine Korngröße
von höchstens 0,5 mm haben. Werden die Anforderungen an die Maßhaltigkeit des Spannblocks
3 sehr hoch geschraubt, so ist die Korngröße des Füllstoffs kleiner zu wählen. Die
Gestalt des Spannblocks 3, der durch die Material kontraktion beim Abkühlen ohne
Spiel auf das Blatt der Turbinenschaufel 2 aufgeschrumpft ist, ist so gewählt, daß
sich definierte Anschlagflächen für die Positionierung des Werkstücks in der Maschine
ergeben und daß er die für die exakte Bearbeitung des Turbinenschaufelrohlings 2
erforderlichen definierten Meßpunkte aufweist.
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Wie die Zeichnung zeigt, weist der dargestellte Spannblock 3 keine
ausgeprägten Sollbruchstellen auf. Dennoch kann er ohne mechanische oder schädliche
thermische Beanspruchung der Turbinenschaufel rückstandsfrei von der fertig bearbeiteten
Turbinenschaufel entfernt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß
die Spanneinheit 1 nach der Bearbeitung des Werkstücks einem Tiefkühlbad ausgesetzt
wird,
in welchem sie unter die Versprödungstemperatur des Spannblockmaterials abgekühlt
wird. Der Spannblock aus Kunststoff mit hohem Füllstoffgehalt ist unterhalb der
Vesprödungstemperatur des Kunststoffmaterials durch leichte mechanische Beeinflussung
von dem Turbinenschaufelblatt abzusprengen. Rückstände des Spannblockmaterials bleiben
dabei nicht an der Schaufeloberfläche haften. Um die tiefen Versprödungstemperaturen
des Kunststoffmaterials zu erreichen, kann als Tiefkühlbad beispielsweise ein Behälter
mit flüssigem Stickstoff vorgesehen sein. Die Temperatur des flüssigen Stickstoffs
liegt auf jedem Fall unter der Versprödungstemperatur des verwendeten Kunststoffmaterials.
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Die Festigkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannblocks aus
gefülltem Kunststoff mit hohem Füllstoffanteil ist mit der Festigkeit von Spannblöcken
aus Zink oder Zinklegierungen vergleichbar. Auch unter hohen Schleifdrücken, wie
sie beim Produktionsschleifen in der Serienfertigung von Turbinenschaufeln auftreten
könnnen,ist eine die Abmessungen der fertig bearbeiteten Turbinenschaufeln beeinträchtigenden
Verformung des Spannblocks aus gefülltem Kunststoff nicht zu befürchten.
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Um eine zuverlässige, unverrückbare Positionierung des Spannblocks
in der Maschine zu ermöglichen, weist der Spannblock in seinen Auflageflächen 4
Zentriernuten 6 und 6' auf, die mit entsprechenden, nicht gezeigten Zentrierleisten
auf dem Maschinentisch zusammenwirken.
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Die Zentriernuten 6 und 6' verlaufen senkrecht zueinander und legen
die Spanneinheit 1 in Zusammenwirkung mit den erwähnten Zentrierleisten in einer
eindeutigen Position auf dem Tisch fest, so daß durch dieses formschlüssige Positionieren
eine hochgenaue Bearbeitung des Werkstücks
auch unter hohem Schleifdruck
möglich wird. Auch an den oberen Flächen 7des Spannblocks 3 können Zentrierhilfen
vorgesehen sein, die mit nicht gezeigten von oben wirkenden Haltemitteln ein genaues,
formschlüssiges Po-sitionieren der Spanneinheit gewährleisten. In der Zeichnung
sind solche Zentrierhilfen in Gestalt von Zentrierleisten 8 und 8' gestrichelt angedeutet.
Die Größe der Zentrierhilfen ist in der Zeichnung der besonderen Erkennbarkeit halber
unmaßstäblich übertrieben dargestellt.
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