DE3800696A1 - Verfahren zur herstellung von dehnspannwerkzeugen mit dehnelementen aus faserverbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dehnspannwerkzeugen, mit Dehnelementen aus Faserverbundwerkstoffen, welche zum Spannen und/ oder Zentrieren von Werkzeugen oder Werkstücken verwendet werden können, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es kann sich dabei je nach Konstruk­ tion sowohl um Dehnspanndorne als auch um Dehnspannfutter handeln.

Es ist bekannt, Dehnspannwerkzeuge zur Lösung schwieriger Spannaufgaben einzusetzen. Insbesondere zeichnen sie sich durch den Vorteil einer sehr guten Dauerrundlaufgenauigkeit ( < 2 µm) aus. Dehnspannwerkzeuge sind außerdem einfach zu bedienen und können sowohl von Hand als auch automatisch über ein Druckaggregat mit dem zum sicheren Spannen notwendigen hydrostatischen Druck beaufschlagt werden. Deshalb werden diese Werkzeuge mit Erfolg zur Lösung schwieriger Spann-und Zentrierprobleme in der Automatisierung einge­ setzt.

Nachteilig bei den bisherigen Ausführungen ist jedoch die konstruktionsbe­ dingte nur verhältnismäßig geringe mögliche Durchmesseränderung des Dehn­ elements. Die maximal zulässige Durchmesseränderung, Δ D _max wird durch die noch zulässige maximale Vergleichsspannung bestimmt, die bei einer Ver­ formung Δ D _max infolge des aufgebrachten Spanndruckes entsteht. Üblicher­ weise wird das Dehnelement aus Stahl hergestellt. Um eine möglichst hohe Lebensdauer (Anzahl der Spannungen bis eine Wartung des Dehnspannwerk­ zeuges erforderlich wird) garantieren zu können gilt näherungsweise der Er­ fahrungszusammenhang:

Δ D _max 0.003 D _Spann (1).

Die maximal zulässige Durchmesseränderung des Dehnspannwerkzeugs darf also nur etwa 0.3% des Spanndurchmessers D _Spann betragen. Ein sicheres Spannen kann daher nur erreicht werden, wenn die zu spannenden Werkstücke oder Werkzeuge in hinreichend guter Passungsqualität hergestellt werden. In vielen Fällen ist die Einhaltung dieser Forderung mit erheblichen Mehrkosten verbunden.

Ferner ist es bekannt, Rohre aus Faserverbundwerkstoffen als Dehnelemente bei Dehnspannwerkzeugen einzusetzen. Diese Rohre aus Faserverbundwerkstof­ fen sind als Halbfabrikate erhältlich. Auf die gewünschte Länge gebracht, mit­ tels O-Ringen (Dichtungsringen) abgedichtet und durch einen Metallring auf dem Grundkörper festgeklemmt erhält man damit ein Dehnspannwerkzeug, welches sich durch eine zulässige Durchmesseränderung bis ca. 1% auszeichnet.

Nachteilig bei diesem Aufbau eines Dehnspannwerkzeuges sind jedoch die kon­ struktiv bedingten Dichtungsprobleme, die sehr schlechte Dauerrundlaufgenauig­ keit (< 15 µm), die geringe Steifigkeit des Gesamtsystems, sowie die schlechte Momentenübertragung vom zu spannenden Werkstück oder Werkzeug über das Dehnelement auf den, das erforderliche Drehmoment aufbringenden Grundkör­ per. Diese nachteiligen Eigenschaften stehen bei dem beschriebenen konstruk­ tiven Aufbau in keinem Verhältnis zu den hohen Kosten eines Dehnspannwerk­ zeuges, welches nach diesem Verfahren hergestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Dehnspannwerkzeugen mit Dehnelementen aus Faserverbundwerkstoffen der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die erwähnten Nachteile beseitigt, eine einfache Herstellung garantiert und damit das Spektrum potentieller An­ wendungen von Dehnspannwerkzeugen beträchtlich erweitert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-5 der beigefügten Zeichnungen in ihrem Aufbau, ihrer Wirkung und Anwendung näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen möglichen Prinzipaufbau eines Dehnspanndorns mit Dehnelement aus Faserverbundwerkstoff;

Fig. 2 ein Einsatzbeispiel eines Dehnspannwerkzeugs;

Fig. 3 einen anderen Prinzipaufbau eines Dehnspanndorns mit Dehnelement aus Faserverbundwerkstoff;

Fig. 4 einen weiteren Prinzipaufbau eines Dehnspanndorns mit Dehnelement aus Faserverbundwerkstoff;

Fig. 5 den schichtenartigen Prinzipaufbau eines Dehnelements.

In Fig. 1 ist mit (2) der Grundkörper des Dehnspannwerkzeuges bezeichnet, welcher Nuten für Dichtelemente (7) besitzt. Das Dehnelement (1) ist hier er­ findungsgemäß direkt im Faserwickelverfahren auf den Grundkörper (2) aufge­ bracht. Hierdurch wird ein steifer Aufbau des Dehnspannwerkzeuges möglich. Desweiteren ist nach diesem Verfahren eine gute Dauerrundlaufgenauigkeit gewährleistet. Da die Verfahrenshandhabung einfach ist und ohne weiteres automatisiert werden kann, können kostengünstige Dehnspannwerkzeuge her­ gestellt und neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden.

Das Kammersystem (5) ist bereits vor dem Bewickeln in den Grundkörper (2) eingebracht. Zur Entlüftung des Kammersystems (5) und zur Einstellung der maximal zulässigen Durchmesseränderung ist ein Entlüftungssystem (13) einge­ bracht. Bei diesem Prinzipaufbau ist der Grundkörper (2) beispielhaft aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Es eignen sich insbesondere Stähle, die zur Erhöhung der Steifigkeit des Gesamtsystems eine bestimmte Grundfestigkeit besitzen müssen.

Zur Erhöhung der Standzeit des Dehnspannwerkzeuges ist hier beispielhaft ein Verschleißschutzelement (12) vorgesehen. Dieses ist gemäß Fig. 1 auswechselbar gestaltet und soll in seinem Einführdurchmesser etwas größer ausgeführt sein, als der Durchmesser des Dehnelements (1) im entspannten Zustand beträgt. Damit wird ein wesentlicher Teil des auftretenden abrasiven Verschleißes durch dieses auswechselbare Verschleißschutzelement (12) abgefangen.

Das Dehnspannwerkzeug ist hier beispielhaft mit einer Handspannung versehen. Über eine Spannschraube (6) wird ein Kolben (3) mit Hubbegrenzung betätigt. Das Dichtungselement (4) komprimiert dadurch die Hydraulikflüssigkeit. Infolge des so erzeugten Spanndrucks verändert sich das Dehnelement (1) in seiner Formgebung und kann damit die gewünschte Spannaufgabe lösen.

In Fig. 2 ist ein möglicher Einsatzfall für einen erfindungsgemäßen Dehnspann­ dorn dargestellt. Der Grundkörper (2) des Dehnspanndorns ist mit einem Dehn­ element (1) versehen, welches durch das Kammersystem (5) mit Druck beauf­ schlagt werden kann. Die Druckerzeugung erfolgt hier wieder durch Handspan­ nung über die Spannschraube (6), den Kolben (3) und das Dichtelement (4). Die Bauelemente (3), (4), (6) sind hier radial in den Dehnspanndorn eingebracht.

Der Dehnspanndorn wird hier beispielhaft zum exakt zentrischen Spannen eines Zahnrades (14) verwendet, dessen Zahnflanken mittels des Werkzeuges (13) be­ arbeitet werden. Aus fertigungstechnischen Gründen und um die Herstellungs­ kosten des Zahnrades so klein als möglich zu halten, sind die Toleranzvorga­ ben so groß wie möglich zu wählen, wobei trotzdem eine möglichst gute Zen­ trierung und Spannung des Werkstückes sichergestellt sein muß. Damit ist der Einsatz eines Dehnspanndorns mit Dehnelement aus Faserverbundwerkstoff gegeben.

Fig. 3 zeigt einen anderen Prinzipaufbau eines Dehnspanndorns mit Dehnelement aus Faserverbundwerkstoff. Über den mit Kammersystem (5) und Dichtungs­ elementen (7) versehenen Grundkörper (2) wird zunächst eine Zwischenbüchse (8) aus Kunststoff geschoben. Danach wird im Faserwickelverfahren das Dehn­ element (1) aufgebracht. Durch diesen Aufbau ist eine gute Dichtheit des Dehn­ spannwerkzeuges sichergestellt. Die Betätigung kann wie erwähnt wieder über die Spannschraube (6), den Kolben (3) und das Dichtelement (4) erfolgen. Ent­ lüftung und Einstellung der Dehnrate erfolgt über das Entlüftungssystem (13).

In Fig. 4 ist ein weiterer Prinzipaufbau eines Dehnspanndorns mit Dehnelement aus Faserverbundwerkstoff dargestellt. Je nach Geometrie des Zwischenele­ ments (8) ist eine Beeinflussung der Biegelinie des Dehnelements (1) möglich. Auf das Zwischenelement (8) wird wieder durch direkte Bewickelung das Dehn­ element (1) aufgebracht. Das Kammersystem wird mittels der eingebrachten Dichtelemente (7) abgedichtet.

Ist das Zwischenelement (8) genauso lang wie das Dehnelement (1), entspre­ chend Fig. 3, so ist es möglich, den Grundkörper (2) so zu gestalten, daß Zwischenelement (8) und Dehnelement (1) als eine Einheit nachträglich auf den Grundkörper (2) aufgebracht werden können. Dieses Herstellungsverfahren kann jedoch nur bei geringeren Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit des Dehnspannwerkzeuges gewählt werden.

lst das Zwischenelement (8) kürzer als das Dehnelement (1), entsprechend Fig. 4, so kann ein Formschluß des Dehnelementes (1) mit dem Grundkörper (2) zur besseren Drehmomentübertragung zwischen Werkstück und Dehnelement (2) durch direktes Bewickeln hergestellt werden. Dazu sind Krafteinleitungsbe­ reiche (9) vorgesehen. Es ist zweckmäßig, die Krafteinleitungsbereiche (9) ge­ eignet auszubilden, z.B. durch Rändeln des Grundkörpers (2), in den entspre­ chenden Bereichen.

Das Dehnelement (1) kann im Faserwickelverfahren hergestellt werden. Erfin­ dungsgemäß ist es möglich, das Dehnelement (1) direkt auf den Grundkörper (2), bzw. das Zwischenelement (8), oder separat auf das Zwischenelement (8) aufzubringen und das bewickelte Zwischenelement (8) anschließend auf dem Grundkörper (2) zu befestigen.

In Fig. 3 ist der schichtenartige Prinzipaufbau eines Dehnspannwerkzeuges dargestellt. Die Zwischenbüchse (8) ist durch direkte Bewicklung im Faser­ wickelverfahren mit dem Dehnelement (1) versehen worden. Besonders vorteil­ haft ist eine ausschließliche Bewicklung in Umfangsrichtung. Als Verstärkungs­ faser (10) können alle üblich verwendeten Fasern eingesetzt werden. Besonders gute Ergebnisse lassen sich durch den Einsatz von Glasfasern erreichen, da diese eine hohe Faserdehnung zulassen und gleichzeitig einen hohen Elastizitäts­ modul aufweisen. Die Matrix (11) des Dehnelements kann aus handelsüblichen Kunstharzen bestehen. Auch hier ist eine hohe zulässige Dehnung vorteilhaft.

Um eine längere Lebensdauer des Dehnelements (1) zu erreichen, empfiehlt es sich, das Dehnelement mit einem Verschleißschutz zu versehen. Die gewählte Beschichtungsart muß jedoch neben einer guten Beständigkeit gegenüber abra­ sivem Verschleiß und einer guten Haftung auf dem Faserverbundwerkstoff die geforderte hohe Dehnrate von ca. 1% ohne Beanstandung ermöglichen. Es ist daher zweckmäßig den Verschleißschutz des Dehnelements (1) aus mehreren Schichten, die in ihren Eigenschaften aufeinander abgestimmt sind, aufzubauen.

Durch Umkehrung des Herstellungsverfahrens ist es denkbar und möglich Dehnspannfutter, d.h. Dehnspannwerkzeuge die zur Innenspannung ausgelegt sind herzustellen. Dies soll jedoch hier nicht näher ausgeführt werden.

Ferner ist es selbstverständlich erfindungsgemäß möglich ein Dehnspannwerk­ zeug mit mehreren Dehnelementen (1) zu versehen, die in ihrer Formgebung durchaus unterschiedlich gestaltet sein können.

Die hier beispielhaft aufgezeigte zylindrische Formgebung der Dehnelemente (1) ist ebenfalls keine notwendige Voraussetzung. Kegelförmig gestaltete Dehn­ elemente (1), wie etwa Morsekegel oder andere kegelige Ausführungsformen sind ohne weiteres machbar. Falls erforderlich kann das Dehnelement (1) in seiner Formgebung dem jeweiligen Spannproblem angepaßt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Dehnspannwerkzeugen, mit Dehnelementen aus Faserverbundwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnele­ ment (1) im Faserwickelverfahren direkt auf einen Grundkörper (2) aufge­ bracht wird, wobei die Bewickelung vorwiegend in Umfangsrichtung erfolgt und der Grundkörper (2) Dichtungselemente (7) aufweist, ein Kammersy­ stem (5) zur Verteilung der Hydraulikflüssigkeit und Krafteinleitungsbe­ reiche (9), wobei der zum Spannen-oder Zentrieren notwendige Spanndruck über eine Spannschraube (6), einen Kolben (3) mit Hubbegrenzung und ein Dichtungselement (4) aufgebracht wird, oder über einen Spannzylinder mit Druck-oder Zugstange, oder durch Direktbeaufschlagung mittels eines Druckaggregates, sowie ein Verschleißschutzelement (12), welches auswech­ selbar gestaltet sein kann.

2. Verfahren zur Herstellung von Dehnspannwerkzeugen, mit Dehnelementen aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Dehnelement (1) und Grundkörper (2) ein Zwischenelement (8) eingebracht ist, welches im Faserwickelverfahren direkt bewickelt wird und dessen Geometrie so gestaltet ist, daß beim Aufbringen des Spanndrucks sich eine vorgegebene Biegeline des Dehnelements (1) in axialer Richtung ergibt, wobei die Abdichtung des Kammersystems (5) mittels zwischen Zwischenelement (8) und Grundkörper (2) eingebrachten Dichtungselemen­ ten (4), erfolgt.

3. Verfahren zur Herstellung von Dehnspannwerkzeugen, mit Dehnelementen aus Faserverbundwerkstoffen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dehnelement (1) mit einer Verschleiß vermindernden Be­ schichtung, die aus mehreren verschiedenartigen Schichten besteht, verse­ hen ist.

4. Verfahren zur Herstellung von Dehnspannwerkzeugen, mit Dehnelementen aus Faserverbundwerkstoffen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verfahren durch Umkehrung zur Herstellung von Dehn­ elementen (1), welche in Dehnspannfuttern eingesetzt werden können, ver­ wendet wird.