DE3741549A1 - Verfahren zum herstellen eines spannfutters, gemaess dem verfahren gefertigtes spannfutter und gleitstueck fuer dieses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Spannfutters, insbesondere eines Backenfutters; das Verfahren ist jedoch allgemein bei Spannzeugen anwendbar.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problematik soll nachstehend am Bei­ spiel eines Keilhaken-Backenfutters dargestellt werden; der Fachmann kann diese Überlegungen dann ohne weiteres auf andere Anwendungsfälle übertragen, etwa Spannzangen oder Gleitführungen schlechthin.

Bei Backenfuttern, etwa auf Drehmaschinen, geht man davon aus, daß das Futter ein zentralsymmetrisches Werkstück zentrisch spannt, das heißt, daß seine Achse mit der Spindelachse der Maschine zusammenfällt. Dies ist jedoch nur näherungsweise richtig, selbst bei einem nur theoretisch möglichen absolut-genau gearbeiteten Futter: Es verbleibt immer ein Restfehler, wie nachstehend noch im einzelnen darzulegen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Restfehler zu verkleinern. Die Lö­ sung gemäß der Erfindung ergibt sich aus den nebengeordneten Patentan­ sprüchen. Sie beruht auf den folgenden Überlegungen und Feststellungen:

Beim Spannen eines Werkstücks oder Werkzeugs werden die Spannkräfte ma­ nuell oder mittels eines Kraftantriebs auf die Backen des Futters über­ tragen; vgl. Firmendruckschrift 226.01.4D-1/HDD 10.86 Paul Forkardt GmbH & Co. KG, Düsseldorf. Die Futter umfassen gleitbeweglich geführte oder gelagerte Komponenten, und in den Führungen und Lagern treten selbst­ verständlich Reibungsverluste auf. Der Spannantrieb muß daher zusätzlich zur eigentlichen Spannkraft auch die Reibungsverluste decken. Auf den ersten Blick scheint dies die Spanngenauigkeit allerdings nicht zu be­ einträchtigen.

Bei genauerer Betrachtung jedoch zeigt sich, daß die Spanngenauigkeit sehr wohl von den Reibungsverhältnissen abhängt. Wenn die Spannelemente, etwa die Spannbacken, beginnen, sich an das Werkstück oder Werkzeug an­ zulegen, erfolgt eine Änderung der Reibungskoeffizienten, denn anstelle der (niedrigeren) Gleitreibung wirkt die (höhere) Haftreibung, wenn - wovon auszugehen ist - die Reibpartner aus gehärtetem Stahl bestehen. Bei weiterwirkendem Spannantrieb speichern die Übertragungselemente durch ihre elastische Verformung zusätzliche Kraft, bis die Gesamtkraft ausreicht, die Haftreibung zu überwinden und die Backe "loszubrechen". Der Vorgang wiederholt sich dann, bis eine Sollspannkraft erreicht ist. Die Backen durchlaufen also inkrementale Wege; dieses Phänomen ist als "stick-slip-Verhalten" bekannt. Die Größe dieser Inkremente ist bei den zusammenwirkenden Backen mit Sicherheit unterschiedlich, weil die Rei­ bungsverhältnisse ungleich sind; das gilt selbst bei gut geschmierten Futtern, weil bei den sehr hohen Flächenpressungen letztlich Trocken­ reibung vorliegt. Diese unterschiedlich großen Inkremente bestimmen dann den Restfehler. Diese Differenz hängt auch vom Absolutwert der Rei­ bungskoeffizienten ab. Deshalb läßt sich die Zentriergenauigkeit (oder allgemeiner, die Spanngenauigkeit) durch eine geeignete Beschichtung steigern, indem primär der Absolutwert der Reibungskoeffizienten ver­ ringert wird.

Bestimmte Kunststoffe, insbesondere Polytetrafluoräthylen, ergeben in Paarung mit Metall, etwa Grauguß, Reibungskoeffizienten, die mit zu­ nehmender Relativgeschwindigkeit zunehmen; dies wird in der Veröffent­ lichung von Weck/Rinker "Neue Gleitführungsmaterialien im Werkzeug­ maschinenbau", VDI-Z Bd. 128 (1986), Nr. 10-Mai, für den Geschwindig­ keitsbereich zwischen 20 mm/min und 2500 mm/min berichtet. Träfe dies auch für den Übergangsbereich zwischen Stillstand und Bewegung zu, wäre das stick-slip-Problem eliminiert; solche Werkstoffpaarungen sind aber für den Einsatz bei Futtern ungeeignet, weil wegen der hohen Flächen­ pressungen der Kunststoff zerstört würde.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bestimmte Hartstoffbeschich­ tungen in Paarung mit gehärtetem Stahl tatsächlich einen bei Haft- und Gleitreibung gleichen Reibungskoeffizienten aufweisen oder sogar einen niedrigeren Haft- als Gleitreibungskoeffizienten. Diese Beschichtungen sind daher im Rahmen der Erfindung bevorzugt, da sie zugleich sehr niedrige Absolutwerte des Reibungskoeffizienten ergeben.

Gehärtete Stahlteile, selbst oberflächennitrierte, lassen sich ohne oder mit nur harmloser Wärmebelastung mit hochfesten, hinreichend elastischen und nicht zum Abblättern neigenden Hartstoff-Beschichtungen versehen, beispielsweise mit Titannitrid.

Bevorzugt ist jedoch im Rahmen der Erfindung eine diamantartige Kohlen­ stoffbeschichtung, die aus der Gasphase niedergeschlagen werden kann, etwa nach dem plasmagestützten CVD-Verfahren; das Verfahren ist in J. Appl. Phys. 42/1972, S. 2935 ff. erläutert. Die resultierende Schicht ergibt in Paarung mit gehärtetem Stahl oder in Paarung mit einem gleichartig beschichteten Werkstück extrem niedrige Reibungskoeffzien­ ten, und dieser ist bei Haftreibung ebenso groß oder sogar niedriger als bei Gleitreibung. Solche Schichten sind bei Beachtung bestimmter Bedingungen festhaftend und hochverschleißfest selbst dann, wenn sie extrem dünn sind.

Es wurden tribologische Untersuchungen an beschichteten Proben vorge­ nommen. Die Messungen erfolgten bei absolutem Trockenlauf mit Flächen­ pressungen von 40 N/mm² und höher an den Paarungen A/A, A/B und B/B, wobei Reibungspartner A aus gehärtetem, geschliffenem und angeläpptem Stahl bestand, Partner B aus gehärtetem, geschliffenem, geläppten und mit diamantartigem Kohlenstoff beschichtetem Stahl. Dabei wurden die nachstehenden - gemittelten - Reibungskoeffizienten ermittelt:

A/A: größer als 0,3 (bis 0,4)
A/B: kleiner als 0,15
B/B: kleiner als 0,075

Der bei B/B gefundene Wert liegt weit unter den bisher bekanntgewordenen Werten für Trockenreibung an hochbelasteten Führungsflächen von Spann­ futtern bei den für diesen Anwendungsfall infragekommenden Materialien.

Bei der Paarung A/A wurde erwartungsgemäß das bekannte stick-slip-Ver­ halten beobachtet.

Bei den Paarungen A/B und B/B hingegen ergab sich in überraschender Weise beim Übergang von Ruhe zu Relativbewegung ein deutlicher Anstieg des Reibungskoeffizienten, und umgekehrt ein deutlicher Abfall beim Übergang von Relativbewegung zum Stillstand. Das bedeutet, daß bei die­ sen Paarungen der stick-slip-Effekt völlig eliminiert ist. Diese Paar­ ungen haben gegenüber den obenerwähnten bekannten Paarungen mit Poly­ tetrafluoräthylen noch den Vorteil eines deutlich niedrigeren Absolut­ werts des Reibungskoeffizienten und viel höherer zulässiger Flächen­ pressung. Darüber hinaus ist keine Schmierung erforderlich.

Es wurde gefunden, daß die Haftfestigkeit der Beschichtung wesentlich besser ist, wenn das zu beschichtende Werkstück nicht nur geschliffen ist, sondern auch die Rauhtiefe durch einen zusätzlichen Arbeitsgang (z. B. Läppen) verringert wird; dies weicht ab von den bisher bei Hart­ stoffbeschichtungen gemachten Beobachtungen, wonach eine gewisse Min­ destrauhtiefe die Haltbarkeit der Schichten erhöht.

Für den praktischen Einsatz ist ferner die Gestaltung der Enden der Führungen, worauf weiter unten im Detail eingegangen wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht die Grundbacke eines Keilhakenfut­ ters mit einem Teilausschnitt des Futterkörpers.

Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie C-D in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Einzelheit aus Fig. 1, und

Fig. 4 zeigt analog Fig. 3 eine bessere Gestaltung; dabei ist je­ weils diagrammartig der Verlauf der Druckspannungen mit dargestellt, die in den Führungsflächen zwischen Grundbacke und Futterkörper wirken.

In Fig. 1 ist die Grundbacke 100 eines Keilhakenfutters dargestellt. Die Backe weist Führungsstege 102 auf, mittels denen sie in entspre­ chenden komplementären Führungsnuten 104 des Futterkörpers 106 gleitbe­ weglich geführt ist. Auf die Spitzverzahnung 112 können in üblicher Weise Aufsatzbacken gesetzt und mittels Nutsteinen befestigt werden, die in die T-Nut 120 eingesetzt werden (Fig. 2).

Die Spann- bzw. Entspannbewegungen der Backe 100 in Richtung des Pfeiles 122 wird in üblicher Weise dadurch bewirkt, daß der Keilhaken 108 der Backe eine Keilfläche 110 aufweist, die mit einer komplementären Keil­ fläche eines (nicht dargestellten) Futterkolbens zusammenwirkt, der in Richtung des Pfeiles 24 verlagerbar ist. Die Fläche 110 kann die er­ findungsgemäße Beschichtung aufweisen. Sie ist jedoch nur gestrichelt angedeutet, da es bevorzugt ist, in eine Schwalbenschwanz-Nut eine Gleitplatte 114 einzulegen, die mit der Beschichtung versehen ist und in Richtung des Pfeiles 126 (Fig. 2) auswechselbar ist. Die Platte weist dann die beschichtete Gleitfläche 121 auf. Die Vorteile, die Gleitele­ mente auswechselbar zu machen, liegen auf der Hand: Ihre Beschichtung ist billiger, und sie können als Universal-Teile an vielen Stellen ver­ wendet werden, wo Gleitführungen vorliegen, so daß die Lagerhaltung vereinfacht wird. So könnte man auch die Gleitflächen der Führungsstege 102 mit solchen Einsätzen ausstatten; im Ausführungsbeispiel ist jedoch angenommen, daß die gesamten Gleitflächen der Stege 102 direkt be­ schichtet werden.

Der Pfeil 127 in Fig. 1 symbolisiert ein auf die Backe wirkendes Kipp­ moment; dabei werden die Enden 116 und 118 der Führungsflächen durch besonders hohe Flächenpressungen belastet. Deshalb ist es im Rahmen der Erfindung bevorzugt, diese Enden nicht, wie in Fig. 3 vergrößert darge­ stellt, auszubilden, sondern so, wie dies Fig. 4 zeigt, nämlich mit einem stetigen Konturübergang. Unstetige Übergänge führen nämlich zu Druckspannungsspitzen, die weit höhere Werte annehmen, als der rechne­ rischen Flächenpressung - symbolisiert durch Balken 128, entspricht. Dies kann dann zu Beschädigungen der Hartstoffbeschichtung führen, durch Abplatzen und/oder vorzeitigen Verschleiß. Eine Beschädigung auch nur an einem Teil der beschichteten Oberfläche aber kann die Reibungsverhält­ nisse bereits entscheidend verschlechtern.

Darüber hinaus kann eine nur gebrochene Kante durch Schaben an der Ge­ genfläche diese beschädigen.

Der stetige Verlauf gemäß Fig. 4 mit vorzugsweise logarithmischem Ver­ lauf der Kontur 130 führt zu einem allmählichen Anstieg der Druckspan­ nungen, wie angedeutet; dabei ist zumindest auch noch der Abschnitt der Kontur 130 beschichtet, der bei maximaler Flächenpressung in Kontakt mit der Gegenführungsfläche gelangen kann.

Es versteht sich, daß die Anwendung der reibungsarm beschichteten Ein­ satzplatten 114 nicht auf Spannfutter beschränkt ist, vielmehr überall dann vorteilhaft sein kann, wenn die Führung hohen Flächenpressungen unterworfen ist, der Reibpartner aus gehärtetem Stahl besteht, der stick-slip-Effekt stört und Trockenlauf vorkommen kann.

Auch wenn der Reibpartner nicht aus gehärtetem Stahl, sondern beispiels­ weise Baustahl, besteht, kann eine Gleitführung mit Vorteil gemäß der Lehre der Erfindung reibungsmindernd ausgebildet werden. Ein Anwendungs­ fall ist beispielsweise eine Beschichtungsmaschine, in der Spanplatten mit Dekorfolie beschichtet werden oder eine Maschine zur Herstellung von Kunststoffkarten im laminaren Aufbau. Solche Maschinen weisen mindestens ein Stahlband auf, das mit dem Beschichtungsgut oder Laminat umläuft und durch das hindurch von stationären Bauteilen Druck oder/und Wärme auf das Gut übertragen werden. In diesem Falle wäre es zweckmäßig, im Kontaktbe­ reich zwischen den stationären Komponenten und den Stahlbändern gemäß der Lehre der Erfindung beschichtete Gleitbleche anzuordnen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen von Spannfuttern mit gleitbeweglichen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der aufeinander­ gleitenden Flächen reibungsmindernd beschichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hartstoffbe­ schichtung.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schichtung aus der Gasphase niedergeschlagen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine diam­ antartige Kohlenstoffbeschichtung.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu be­ schichtende Fläche nach maschinellem Schleifen einer zusätzlichen, die Rauhtiefe vermindernden Glättungsbehandlung unterworfen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest das führende Ende der zu beschichtenden Fläche mit einer stetigen Übergangskontur versehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der an die Gleitfläche anschließende Teil der Übergangskontur ebenfalls beschichtet wird.

8. Verfahren zum Herstellen von Spannfuttern mit gleitbeweglichen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der aufeinander­ gleitenden Flächen mit einer Beschichtung versehen wird, die gegenüber der anderen Fläche einen Haftreibungskoeffizienten ergibt, der gleich oder kleiner ist als der Gleitreibungskoeffizient.

9. Spannfutter, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der An­ sprüche 1 bis 8.

10. Spannzange, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der An­ sprüche 1 bis 8.

11. Spannfutter nach Anspruch 9 in Form eines Backenfutters, vorzugs­ weise Keilhakenfutters.

12. Spannfutter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die be­ schichtete Gleitfläche auf einer auswechselbaren Einsatzplatte vorgese­ hen ist.

13. Spannfutter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzplatte formschlüssig einfügbar ist.

14. Gleitplatte für Geradführungen mit einem Reibpartner aus gehärte­ tem Stahl, wobei die Geradführung hohen Flächenpressungen ausgesetzt ist, ein niedriger Reibungskoeffizient auch bei Trockenlauf erwünscht ist und der stick-slip-Effekt zumindest stark vermindert sein soll, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gleitplatte auf ihrer Gleitfläche mit ei­ ner diamantartigen Kohlenstoffbeschichtung versehen ist.

15. Gleitblech als Gegenlauf-Gleitpartner von Stahlbändern in Beschich­ tungsmaschinen, in denen platten- oder bandförmiges Beschichtungsgut, beispielsweise Dekorfilm auf Spanplatten, im Durchlaufverfahren beschich­ tet wird, wobei mindestens ein Stahlband mit dem Beschichtungsgut umläuft zur Übertragung von Preß- oder Druckkräften und/oder Wärme von stationären Maschinenteilen auf das Beschichtungsgut, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitblech auf seiner Gleitfläche mit einer diamantartigen Kohlenstoffbe­ schichtung versehen ist.