DE60305141T2

DE60305141T2 - Modulare Metallbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60305141T2
Application number: DE60305141T
Authority: DE
Inventors: Larisa Alexandra Swampscott Elman; Robert Allan Hillsborough Ahti; Christian West Chester Dupuis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: EP1435276A1; US20050152758A1; JP2004232631A; EP1435276B1; US20040124573A1; DE60305141D1; JP4575662B2; CA2453916A1; CA2453916C

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Aufspannung und Systeme zur Metallbearbeitung.
Die Entwicklung von Metallbearbeitungsmaschinen war einer der Schlüsselfaktoren in der industriellen Revolution, die etwa an der Wende des 19. Jahrhunderts begann. Dieses war eine Klasse von Maschinen, die nahezu alles ausführen konnten, einschließlich sich selbst zu reproduzieren. Forscher auf dem Gebiet von Fertigungsprozessen erkannten bald, dass effizientere Metallbearbeitungsmaschinen die Fertigungskosten sämtlicher herzustellender Produkte reduzieren. Somit wurde dem Verständnis der verschiedenen Metallbearbeitungsprozesse großer Aufwand gewidmet, um die Metallzerspanungsgeschwindigkeiten und dergleichen zu erhöhen. Bessere Zerspannungswerkzeuge wurden entwickelt. Leistungsfähigere Metallbearbeitungsmaschinen wurden entwickelt. Fertigungsingenieure kamen zu der Erkenntnis, dass die effizientesten Metallzerspanungsoperationen diejenigen sind, in welcher die Spanwerkzeuge in einer überraschend kurzen Zeit verschlissen werden; Spanwerkzeuge wurden in den Kosten einer Fertigungsoperation zu Wegwerfartikeln.
Als eine Folge der den Metallzerspanungsoperationen gewidmeten erheblichen Forschung wurde die für derartige Operationen erforderliche Zeit stetig reduziert. Obwohl weitere Anstrengungen in dieser Richtung zweifellos die Fertigungszeit reduzieren werden, kann man darüber nachdenken, ob der Punkt abnehmender Erträge bereits erreicht wurde. Forscher in der Fertigungstechnik begannen sich mit dieser Materie bereits vor Jahren zu befassen. Ein Forscher fand heraus, dass Metallzerspanen weniger als 20% der Zeit ausmachte, die ein Teil in einer Fertigungsanlage verbrachte. Der größte Teil der restlichen Zeit wurde mit Warten auf die nächste Fertigungsoperation verbraucht. Diese Erkenntnis führte zu der Entwicklung einer speziellen Aufspanntechnik, die für die Herstellung lediglich eines Teiletyps, dafür jedoch mit reduzierter Zeit für den Wechsel der Werkstücke genutzt wird. Sie führte auch zu durchdachteren Fabrikanlagen, so dass die Teile eine Fabrik in einer logischen Weise durchliefen. Zellularfertigung wurde entwickelt. Unter diesem Konzept werden mehrere unterschiedliche Fertigungsmaschinen zusammen mit notwendigen Hilfsgeräten in einem Bereich einer Fabrik zusammengefasst. Somit konnte ein Teilelos vom ankommenden Rohmaterial bis zu praktisch fertigen Teilen mit wenig, wenn überhaupt welchen Ausflügen zu anderen Stellen, in welchen Fertigungsoperationen durchgeführt wurden, durchlaufen. Die für den Transport eines Teileloses in der Anlage erforderliche Zeit wurde erheblich reduziert. Die bei dem Versuch verbrauchte Zeit, während des fabrikinternen Transportes verloren gegangene Teile wieder zu finden, wurde ebenfalls reduziert.
Die Manager von Fertigungsunternehmen begannen den Arbeitsablauf zu verfolgen und die erhebliche Investition zu erkennen, die der Arbeitsablauf darstellt. Diese Anstrengungen führten zu der Verringerung der für anschließende Fertigungs- oder Montageoperationen auf Lager gehaltenen Komponenten und zu der Verringerung der Lagerung auf den Versand wartender fertiger Produkte. Die bevorzugte Größe von Teilelosen wurde kleiner. Obwohl derartige Trends eine Reduzierung der Gesamtfertigungskosten darstellen, üben solche Trends auch einen Druck auf Fertigungsoperationen aus, das Aufspannwerkzeug zwischen unterschiedlichen Ferti gungsprozessen schneller zu wechseln. Die Kombination einer kleineren Losgröße und eines breiter gestreuten Einsatzes von Fertigungszellen haben die Notwendigkeit zur Reduzierung der für den Wechsel des Aufspannwerkzeugs erforderlichen Zeit verstärkt.
Metallbearbeitung beinhaltet oft die Präzisionsbearbeitung von Werkstücken innerhalb von Toleranzen einiger weniger mils (ein mil ist 0,001 inch oder 25 μm). Eine der wesentlichen Voraussetzungen einer Präzisionsbearbeitung ist eine starre Lagerung des Werkstückes. In der herkömmlichen Metallbearbeitungspraxis wird ein spezielles Aufspannwerkzeug zum Festhalten eines spezifischen Werkstücks für die Metallbearbeitung bereitgestellt. Ein derartiges spezielles Aufspannwerkzeug muss eine starre Unterstützung für das Werkstück bereitstellen.
Eine Metallbearbeitung kann die Bearbeitung von Familien von Werkstücken mit derselben allgemeinen, proportionalen Form jedoch unterschiedlich in Größe und Abmessungen beinhalten. Typischerweise ist eine Familie spezieller Haltevorrichtungen für eine Familie von Werkstückelementen erforderlich. Obwohl einige Teile in einer Werkstückfamilie sehr klein sein können und das zugeordnete spezielle Aufspannwerkzeug von Hand manipuliert und getragen werden kann, können andere Werkstücke und deren spezielles Aufspannwerkzeug wesentlich größer sein, was eine mechanische Unterstützung (z.B. einen Kran) zum Anheben, Transportieren und Positionieren der speziellen Aufspannwerkzeugvorrichtungen erfordert.
Spezielles Aufspannwerkzeug ist so ausgelegt, dass es ein Werkstückfamilienelement in einer genauen Stellung und Position für den Metallbearbeitungsvorgang hält. Die Einstellung des speziellen Aufspannwerkzeugs und des Werkstückes, das es an der Metallbearbeitungsmaschine festhält, muss genau sein und erfordert oft eine erhebliche Rüstzeit, um eine korrekte Einstellung zu der Metallbearbeitungsmaschine sicherzustellen. Das Erreichen einer derartigen Einstellung ist oft ein Probierverfahren, das im Allgemeinen wiederholte Klopfschritte auf das Aufspannwerkzeug um dieses über eine kleine Strecke zu bewegen, ein Anziehen der zum Befestigen in seiner Stellung verwendeten Schrauben und dann ein Prüfen der Einstellung unter Verwendung von Messuhren oder dergleichen beinhaltet. Die kritische Art dieses Vorgangs erfordert typischerweise die Aufmerksamkeit der am besten ausgebildeten Arbeiter in der Fertigungsanlage. Oft müssen Versuchsteile des Werkstückes mit winzigen Anpassungen des speziellen Aufspannwerkzeugs zu dem Werktisch bearbeitet werden, um sicherzustellen, dass die Metallbearbeitung das Werkstück korrekt bearbeitet.
Wenn eine Metallbearbeitungseinrichtung eine Vielzahl von Elementen einer Werkstückfamilie bearbeiten muss, können erhebliche Mengen an Produktionszeit mit dem Wechsel des Aufspannwerkzeugs, dem Ausbau des bei dem ersten Werkstück verwendeten Aufspannwerkzeugs, der Beiholung des speziellen Aufspannwerkzeugs für das nächste Werkstück und dann des Einbaus und der Einstellung des beigeholten speziellen Aufspannwerkzeugs usw. verloren gehen. Der Wechsel des Aufspannwerkzeugs von dem für das eine Werkstück benötigten zu dem für ein anderes ähnliches Werkstück benötigten ist häufig ein Hauptfaktor in den Kosten für den Betrieb einer Metallbearbeitungseinrichtung, insbesondere wenn die Geschäftsbedingungen in der Industrie kleine Produktionslosgrößen erfordern können.
Zusätzlich müssen zum Bearbeiten einer Familie von Werkstücken, die ähnlich in der Größe jedoch unterschiedlich im Detail sind, äquivalente Familien spezieller Aufspannwerkzeuge hergestellt werden. Da jeder Satz spezieller Aufspannwerkzeuge das Werkstück im Wesentlichen an zwei oder mehr Stellen für eine korrekte Positionierung und Einstellung aufnehmen und feststellen muss, können diese speziellen Aufspannwerkzeuge komplex und teuer sein. Die US 4,445,678 offenbart einen genau ausgerichteten geteilten V-Block zum Festhalten eines Werkstückes während einer Fräsoperation mit einem erweiterbaren Rahmen, um die Aufnahme verschieden großer Werkstücke zu ermöglichen.
Die EP-A-0 924 032 offenbart eine Halterung, die einen Rohling mit wenigstens zwei voneinander in Abstand angeordneten Positionierungsstellen sicher festhält. Die Halterung besitzt eine Basis mit in Abstand angeordneten Endwänden. Erhebliche Einsparungen in den Fertigungskosten können durch Vereinfachen des Wechselvorgangs des Aufspannwerkzeugs erzielt werden.
Die hierin vorstehend diskutierten Probleme sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Metallbearbeitungstechnik und in der Fertigungstechnik bekannt und werden in "Manufacturing Engineering and Technology" (Fourth Edition) by Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid beschrieben.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt eine modulare Aufspannvorrichtung gemäß Anspruch 1 bereit. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt ein Verfahren zur Durchführung einer Metallbearbeitung an einem Werkstück gemäß Anspruch 8 bereit.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Aufspanneinsatzes und einer damit verwendeten Basis darstellt.
2 eine schematische Darstellung der modularen Aufspannvorrichtung darstellt, die aus dem in 1 dargestellten Einsatz eingebaut in die Basis besteht, welche ebenfalls in 2 dargestellt ist. Eine Feststelleinrichtung ist im Vordergrund der Figur dargestellt. Ein Werkstück ist in dem oberen rechten Abschnitt der Figur dargestellt.
3 eine schematische Darstellung eines Werkstückes in der modularen Aufspannvorrichtung darstellt, die veranschaulicht, wie das Werkstück in der Vorrichtung festgestellt werden kann.
4 eine Draufsicht auf die in 3 gezeigte Feststelleinrichtung darstellt.
5 eine teilschematische Ansicht des in 1 dargestellten Einsatzes zeigt, die veranschaulicht, wie das Werkstück in dem Einsatz festgestellt werden kann.
6 eine schematische Darstellung eines Werkstückes in der modularen Aufspannvorrichtung nach dem Abschluss der Metallbearbeitung darstellt, und veranschaulicht, wie das Werkstück in der Vorrichtung mit einem verstellbaren Einsatz der Erfindung festgestellt werden kann.
7 eine schematische Darstellung eines verstellbaren Aufspanneinsatzes und dessen zugeordneter Aussparung auf einem verstellbaren Element der Basis zeigt.
8 eine schematische Darstellung des verstellbaren Aufspanneinsatzes von 7, eingesetzt in die zugeordnete Aussparung des verstellbaren Elementes zeigt, das ebenfalls in 7 dargestellt ist.
9 eine schematische Darstellung einer weiteren modularen Aufspannvorrichtung zum Bearbeiten eines ersten Werkstückes zeigt, das einen ersten Aufspanneinsatz zugeordnet zu seiner Aussparung und einen zweiten Aufspanneinsatz zur Zuordnung zu einer Aussparung darstellt, und eine in der zweiten Aussparung eingebaute Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung.
10 eine schematische Darstellung der modularen Aufspannvorrichtung in 9 mit dem in der Basis eingebauten zweiten Aufspanneinsatz zeigt. In dieser Figur ist die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in ihrer Arretierungsstellung dargestellt.
11 eine Querschnittsansicht durch die in 10 dargestellte modulare Aufspannvorrichtung zeigt. In dieser Figur ist der zweite Einsatz in Strichlinien dargestellt.
12 eine schematische Darstellung des ersten Werkstückes in der modularen Aufspannvorrichtung von 10 zeigt, welche veranschaulicht, wie das erste Werkstück in der Vorrichtung festgestellt werden kann.
13 eine schematische Darstellung des ersten Werkstückes in der modularen Aufspannvorrichtung von 12 nach dem Abschluss der Metallbearbeitung zeigt.
14 eine schematische Darstellung noch einer weiteren Aufspannvorrichtung zur Bearbeitung eines zweiten Werkstückes zeigt, die einen zweiten Satz in die Basis eingebauter erster und zweiter Einsätze aufweist.
15 eine schematische Darstellung des zweiten Werkstückes in der modularen Aufspannvorrichtung von 14 zeigt, welche veranschaulicht, wie das zweite Werkstück in der Vorrichtung festgestellt werden kann.
16 eine schematische Darstellung des zweiten Werkstückes in der modularen Aufspannvorrichtung von 14 nach dem Abschluss der Metallbearbeitungsoperation zeigt:
17 eine schematische Darstellung einer weiteren modularen Aufspannvorrichtung mit einer unterschiedlichen Kombination von Einsätzen und Feststelleinrichtungen zeigt.
18 eine schematische Darstellung eines Werkstückes zeigt, das auf einer modularen Aufspannvorrichtung der Erfindung bearbeitet werden kann.
19 eine schematische Darstellung einer modularen Aufspannvorrichtung mit mehreren Einsätzen zeigt, die zu entsprechenden Aussparungen in der Basis zugeordnet sind, um das in 18 dargestellte Werkstück zu unterstützen.
20 eine schematische Darstellung des Werkstückes von 18, positioniert auf der in 19 dargestellten Aufspannvorrichtung mittels Einsätzen, die zur Unterstützung der charakteristischen Merkmale des Werkstückes konfiguriert sind, zeigt.
Definitionen:
So wie hierin verwendet bezieht sich die Bezeichnung "Metallbearbeitungsmaschine" auf jede Maschine zum Zerspanen, Formen, Verbinden oder anderweitigem Verarbeiten eines metallischen Werkstückes. Der Begriff kann eine Fräsmaschine, eine Hobelmaschine, eine Stoßmaschine, eine Säulenbohrmaschine, Karusselldrehmaschine, Schleifmaschine, EDM- und ECM-Maschinen, eine Räummaschine, eine Biegemaschine, eine Stanzpresse und eine Schweißvorrichtung beinhalten, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In einem breiten Zusammenhang der Begriff auch solche unterschiedlichen Geräteformen wie z.B. eine Drehbank oder eine Formgießmaschine beinhalten.
So wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff "Aufspannwerkzeug" auf eine Vorrichtung zum Festhalten und Unterstützen eines Werkstückes, wenn es zerspant, geformt, verbunden oder anderweitig mittels einer Metallbearbeitungsmaschine bearbeitet wird.
So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Werkzeug" auf eine Vorrichtung, die von einer Metallbearbeitungsmaschine verwendet wird, um ein Werkstück zu zerspanen, zu formen, zu verbinden oder anderweitig zu bearbeiten.
So wie hierin verwendet, ist ein "Satz" von Einsätzen eine Vielzahl von Einsätzen, die dafür konfiguriert sind, zusammenwirkend ein einzelnes Werkstück in einer modularen Aufspannvorrichtung zu unterstützen. Im Allgemeinen ist ein Satz von Aussparungen auf einer Basis vorhanden, der dem Satz von Einsätzen entspricht.
So wie hierin verwendet, ist eine "Familie" eine Vielzahl verwandter Elemente. Eine "Familie" von Werkstücken ist eine Vielzahl von Werkstücken, die im Wesentlichen dieselbe Form und Merkmale haben, obwohl die Werkstücke in Größe oder Proportion unterschiedlich sind, und somit verwandt, aber im Detail verschieden sind. Eine "Familie" von Einsätzen ist eine Vielzahl von Einsätzen oder von Sätzen von Einsätzen, die dafür konfiguriert sind, Elemente einer entsprechenden Familie von Werkstücken in derselben Stellung auf dem Werkstück festzuhalten und zu unterstützen, und somit verwandt, aber im Detail unterschiedlich sind.
So wie hierin verwendet, bezieht sich "entsprechend" oder eine ähnliche Wortform auf einen Einsatz A, der einer Aussparung A zugeordnet ist und in diese passt, einen Einsatz B in der Aussparung B usw. Der Begriff kann sich auch auf einen Einsatz A beziehen, der einem Werkstück A zugeordnet ist und dieses unterstützt, einen Einsatz B, der einem Werkstück B zugeordnet ist und dieses unterstützt, usw.
So wie hierin verwendet, ist ein "Positionierurgsmerkmal" eine Fläche oder eine Kombination von Flächen auf einem Element, das dafür konfiguriert ist, eine aktive Positionierung und/oder Ausrichtung an einer Position in Bezug auf die Basis und in Bezug auf die Metallbearbeitung mit einem hohen Grad an Genauigkeit und Wiederholbarkeit sicherzustellen.
So wie hierin verwendet, ist eine "Stellung" eines Werkstückunterstützungsmerkmals eine genaue Position (im x, y, z Raum) und Ausrichtung (in Bezug auf x, y und z-Achsen) in Bezug auf die Basis. Eine "Stellung" eines Werkstückes, das durch ein oder mehrere Werkstückunterstützungsmerkmale in seiner Position gehalten wird, ist dessen entsprechende genaue Position (im x, y, z Raum) und Ausrichtung (in Bezug auf die x, y und z Achsen) in Bezug auf die Metallbearbeitung.
So wie hierin verwendet, umfasst der Begriff "Späne" alle Formen von Partikeln, die in einer Metallbearbeitung erzeugt werden einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Späne, Schleifschmant, Metallpartikel, die in EDM-, ECM- und Laserschneideoperationen erzeugt werden, Schweißperlen und Flussmittelpartikel und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung in dem Metallbearbeitungs-Aufspannwerkzeug dar, das zum Unterstützen von Metallwerkstücken in einer Metallbearbeitung eingesetzt wird. Das verbesserte Metallbearbeitungs-Aufspannwekzeug umfasst eine modulare Aufspannvorrichtung zum Durchführen einer Metallbearbeitung an einem Werkstück oder einer Familie von Werkstücken. Die modulare Aufspannvorrichtung besteht aus einer Basis mit einer oder mehreren Befestigungsflächen und einem oder mehreren Einsätzen, die teilpermanent an der Befestigungsfläche befestigt werden können. Die Befestigungsfläche ist typischerweise eine Aussparung in der Oberfläche der Basis. Der Einsatz weist ein Werkstückunterstützungsmerkmal auf, das das Werkstück in der korrekten Position und Ausrichtung zur Bearbeitung unterstützen oder feststellen kann. Die Basis, die Aussparungen und Einsätze sind so konfiguriert, dass sie eine cha rakteristische Position und Ausrichtung für das Werkstück in Bezug auf die Basis und die Metallbearbeitungsmaschine bereitstellen. Die modulare Aufspannvorrichtung ermöglicht die Bearbeitung einer Familie von Werkstückelementen, die in der Form verwandt, jedoch im Detail unterschiedlich sind, indem ein Einsatzelement aus der Familie der Einsätze eingesetzt wird, um das entsprechende Werkstückelement ohne Notwendigkeit eines Wechsels, einer Trennung oder Versetzung der Basisaufspanneinrichtung zu positionieren und auszurichten.
Die Basis der Erfindung umfasst eine Befestigungsfläche, welcher ein Einsatz zugeordnet werden kann. Typischerweise ist der Einsatz der Befestigungsfläche durch einen mechanischen Eingriff zugeordnet, der zumindest teilweise und kurzzeitig den Einsatz an der Basis feststellt.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den 1 und 2 dargestellt. 1 stellt eine modulare Aufspannvorrichtung 10 dar, die eine Basis 20 mit einer Befestigungsfläche, die als Aussparung 30 dargestellt ist, und einen von der Basis 20 getrennten Einsatz 50 aufweist. Die Basis 20 ist für eine teilpermanente Befestigung an einer (nicht dargestellten) Metallbearbeitungsmaschine konfiguriert. Der Kopf der T-Nutenschraube 23 ist in einem T-Schlitz in einem Tisch 8 der Metallbearbeitungsmaschine festgestellt. Der Schaft der T-Nutenschraube verläuft durch einen Schlitz 24 in der Basis, und die T-Nutenschraube ist mit einer Sechskantmutter 25 abgedeckt, die, wenn sie gedreht wird, die Oberseite oder die Basis 20 nach unten drückt, um die Basis auf dem Tisch 8 festzustellen. Mehrere T-Nutenschrauben werden üblicherweise gemäß allgemeiner Praxis in der Metallbearbeitungstechnik verwendet. Die Basis kann auf dem Tisch auch mittels anderer allgemein im Fachgebiet bekannter Einrichtungen festgestellt werden. Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten T-Nutenschrauben kann die Basis auf dem Tisch festgestellt werden mit: einer durch einen Schlitz in der Basis eingeführten normalen Gewindeschraube, die in eine T-Mutter in einem Schlitz in dem Tisch eingreift, einer Gewindestange mit einer T-Mutter am Boden und einer normalen Sechskantmutter auf der Oberseite; und einer Schraubzwinge, welche eine Oberseite der Basis mit der Unterseite des Tisches verklemmt; einer Gewindeschraube, die in ein Gewindeloch in dem Tisch eingreift; einen speziell bearbeiteten Tisch, in welchem die Basis gleitend festgestellt wird; und eine Nockenwirkungsklemme mit einem T-Kopfstange in dem T-Schlitz in dem Tisch, wodurch eine Betätigung der Nocke einen Abwärtsdruck gegen die Aufspannbasis bewirkt, indem sie nach oben gegen die T-Kopfstange gezogen wird. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Metallbearbeitungstechnik wird diese und alternative Einrichtungen für die Befestigung der Basis 20 an der Metallbearbeitungsmaschine kennen. Die Befestigung der Basis an dem Tisch beinhaltet den Schritt der Ausrichtung und Positionierung der Basis, wodurch ein Bezugspunkt auf der Basis mit einem Bezugspunkt auf der Metallbearbeitungsmaschine zusammenwirkt, um eine Position der Basis in Bezug auf die Metallbearbeitungsmaschine zu definieren. Der festgelegte Bezugspunkt kann einen oder mehrere Punkte auf der Basis beinhalten. Die festen Bezugspunkte beinhalten typischerweise eine sphärische Vorrichtung, die an der Basis 20 befestigt ist, und ein entfernbares elektronisches Anzeigesystem, das kurzzeitig an der Spindel der (nicht dargestellten) Metallbearbeitungsmaschine angebracht wird. Alternativ kann ein manuelles Verfahren zur Ausrichtung und Positionierung der Basis angewendet werden. Das auf dem Ge biet der Bearbeitungstechnik allgemein bekannte manuelle Verfahren beruht auf einer Messuhr, die vorübergehend an einem festen Merkmal der Metallbearbeitungsmaschine angebracht wird, wobei der Messuhrarm auf einem geeigneten geraden oder ebenen Merkmal der Basis aufliegt. Der Tisch wird dann so verstellt, dass mehrere Messwerte von verschiedenen Stellen des linearen oder ebenen Merkmals in Bezug auf das fixierte Merkmal erhalten werden. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Metalltechnik wird diese und alternative Einrichtungen zum Liefern einer Anzeige ihrer Stellung an ein Steuersystem kennen, das für den Betrieb der Maschine verwendet werden kann.
Die Basis 20 kann so aufgebaut sein, dass sie mehrere Elemente enthält, die teilpermanent miteinander verbunden sind. Die Elemente bestehen typischerweise aus nichtverstellbaren Elementen und verstellbaren Elementen. Nichtverstellbare Elemente aus können eine Reihe einzelner laminarer Platten bestehen, die durch Verschrauben untereinander ausgerichtet und aneinander befestigt sind. Das verstellbare Element kann eine oder mehrere von einer Vielzahl von Platten, Hardware und Vorrichtungen aufweisen, welche das Laden und die Unterstützung des Werkstückes und das Entladen des bearbeiteten Werkstückes aus der modularen Aufspannvorrichtung unterstützen. Ein Beispiel eines verstellbaren Elementes umfasst, ist jedoch nicht darauf beschränkt, eine Krafteinrichtung, wie z.B. eine hydraulische oder pneumatische Klemmeinrichtung, eine manuelle Knebelklemme, ein fixiertes Werkstückunterstützungselement, und einen pneumatischer oder hydraulischen Auswerfer. Eine auf der Basis befindliche Aussparung kann einem verstellbaren Element oder einer Platte der Basis oder einem nicht verstellbaren Element der Basis, wie es hierin nachstehend beschrieben wird, zugeordnet sein.
Die Befestigungsfläche der Basis weist typischerweise eine Aussparung auf. Eine Aussparung kann eine Vertiefung in der Oberfläche der Basis sein, die für die Aufnahme eines zugeordneten Elementes eines Einsatzes konfiguriert ist. Die in 1 dargestellte Aussparung 30 besitzt eine Rückwand 35, eine hintere Seitenwand 34, eine gegenüberliegende vordere Seitenwand und einen Boden 33. Die Seitenwände sind typischerweise parallel zueinander und senkrecht zu der Rückwand. Jede Wand ist typischerweise senkrecht zu dem Boden 33. Die vorderen und hinteren Seitenwände besitzen überhängende Absätze 37 bzw. 38 mit einem Freiraumrücksprung darunter.
Die Aussparung 30 weist ein Positionierungsmerkmal auf, das mehrere Positionierungselemente umfasst, die durch den Boden 33, die Seitenwand 34 und die Rückwand 35 definiert werden. Diese drei ebenen Positionierungsmerkmale wirken zusammen, um einen charakteristischen Positionierungspunkt 31 zu identifizieren.
Der Einsatz 50 besitzt einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt 56. Der untere Abschnitt 56 des Einsatzes besitzt eine Vorderwand 57, eine Rückwand 55, einen hinteren Absatz 59 mit einer hinteren Seitenwand 54, einen vorderen Absatz 58 mit einer vorderen Seitenwand und einen Boden 53. Diese Merkmale sind speziell konfiguriert und ausgerichtet, um sie zu entsprechenden Merkmalen der Aussparung 30 zuzuordnen.
Der Einsatz 50 ist der Aussparung 30 zugeordnet, indem der untere Abschnitt 56 durch die Öffnung 36 der Aussparung 40 geschoben wird. Der Einsatz ist so konfiguriert, dass er aus der Aussparung von Hand, ohne Verwendung eines mechanischen Werkzeuges, wie z.B. eines Schraubenschlüssels oder Schraubendrehers, entfernt wird. Der Einsatz 50 hat ein Positionierungsmerkmal, welches mehrere Positionierungselemente aufweist, die durch den Boden 53, die Seitenwand 54 und die Rückwand 55 des unteren Abschnittes 56 definiert sind. Diese drei ebenen Positionierungsmerkmale arbeiten zur Identifizierung eines charakteristischen Einsatzpositionierungspunktes 51 zusammen. Der Einsatz kann mehrere Positionierungspunkte haben, die durch das Zusammenwirken von einem oder mehreren Positionierungsmerkmalen, welche Flächen, Kanten und Punkte auf der Oberfläche des Einsatzes enthalten, definiert sein können.
Der obere Abschnitt 50 weist ein Werkstückunterstützungsmerkmal auf seiner Oberseite auf. Das Werkstückunterstützungsmerkmal umfasst mehrere Werkstückunterstützungselemente, die durch gegenüberliegende geneigte Ebenen 71, 72 und die in 5 dargestellten Kugelgelenkhalterungen 73 gebildet werden. Diese Unterstützungsflächen unterstützten entsprechende Flächen auf dem Werkstück 98 gemäß Darstellung in 4. Der Einsatz 50 ist dafür konfiguriert, eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals in Bezug auf den Einsatzpositionierungspunkt 51 zu definieren. Die Werkstückunterstützungselemente 71, 72 und 73 sind genau bearbeitet, um eine charakteristische Position (in dem x, y und z Koordinatenraum) des Werkstückunterstützungsmerkmals in Bezug auf den Einsatzpositionierungspunkt 51 bereitzustellen.
Das Ausmaß, bis zu welchem der Einsatz 50 gegen eine Versetzung in Bezug auf die Basis 20 gehindert ist, wird durch drei Faktoren beschränkt: (1) Die bei der Fertigung der zugehörigen Teile aufgewendete Präzision, (2) die Fähigkeit, den Einsatz in der Aussparung zu platzieren und daraus zu entfernen und (3) die Fähigkeit, den Einsatz gegen eine Bewegung in der +x Richtung festzuhalten.
Der untere Abschnitt 56 ist so konfiguriert, dass er genau in die Aussparung 30 passt, wodurch das Positionierungsmerkmal des Einsatzes und das entsprechende Positionierungsmerkmal der Aussparung zusammenwirken, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals bezüglich der Basis 20 zu definieren. Die Funktionalität der Einsatz- und Aussparungsanordnung besteht darin, dass der Einsatz in die Aussparung gleitet, um eine genaue räumliche Beziehung dazu aufzubauen. Somit ist die Beziehung zwischen entsprechenden Merkmalen, wenn der Einsatz in die Aussparung eingesetzt ist, einander gegenüberliegend. Jedoch ist während der Entnahme und Einführung des Einsatzes die Beziehung in Bezug auf die Aussparung zwischen den entsprechenden Merkmalen gleitend. Die gleitende Beziehung ist insbesondere in Bezug auf die Aussparungsseitenwände und die Absatzseitenwand des Einsatzes zu dem Freiraumrücksprung unter den Absätzen der Aussparung und den Absätzen des Einsatzes und zu dem Boden der Aussparung und den Boden des Einsatzes offensichtlich. Der untere Abschnitt 56 des Einsatzes 50 muss sorgfältig so aufgebaut sein, dass dessen Abmessungen eine gleitende Beziehung zu der Aussparung, jedoch mit einer minimalen Bewegung des Einsatzes innerhalb der Aussparung ermöglichen. Für Einsätze mit charakteristischen Abmessungen in der Größenordnung von einigen cm (wenigen Inches) ist der Raum zwischen entsprechenden Merkmalen typischerweise etwa 1 mil (1 mil = 0,001 inch oder 25 m). Der Freiraum zwischen entsprechenden vertikalen Flächen ist typischerweise kleiner als etwa 0,001 inch pro Seite pro 1 inch (1 μm pro Seite pro 1 mm) der linearen Abmessungen dieser Fläche. In der Auslegung und dem Aufbau des Einsatzes und der Aussparung kann man einen Kompromiss zwischen der freien Bewegung und der starren Positionierung des Einsatzes eingehen, um dadurch vernünftigerweise beide Anforderungen zu erfüllen. Für derartige Zwischenräume geeignete Dimensionstoleranzen können durch verschiedene Schleifoperationen oder durch Aufreiben eines Loches oder durch Schneiden einer konturierten Oberfläche durch elektroerosive Bearbeitung (EDM) unter Verwendung eines verstellbaren Drahtes als Schneideelektrode (Draht-EDM) erreicht werden.
Dimensionstoleranzen der Aussparung 30 können schwieriger als die Dimensionstoleranzen der Einsätze erreichbar sein. Ferner ist eine genaue Bearbeitung der Innenecken zwischen den vorderen oder hinteren Oberflächen und benachbarter Seitenflächen besonders schwierig. Eine typische Lösung beinhaltet die Verwendung von geschliffenen Platten für die Seitenoberfläche der Aussparung und eines oder mehrerer geschliffener Abstandsblöcke für die Vorder-, Rück- und Bodenflächen der Aussparung. In einer einfachen Form wird die Basis aus drei Platten aufgebaut, die miteinander verstiftet und verschraubt sind, und nur für die Wartung der modularen Aufspannvorrichtung getrennt werden. Ein typisches Material sowohl für die Basis als auch einen Einsatz ist gehärteter Werkzeugstahl, welcher vielen Montageverfahren wie z.B. Schweißen widersteht. Der Einsatz wird dann passend zur Aussparung geschliffen, was die vorstehend beschriebenen Freiraumabmessungen erlaubt.
2 stellt die modulare Aufspannvorrichtung 1 mit dem in die Aussparung 30 eingeführten und ihr zugeordneten Einsatz 50 dar. Der Einsatz 50 wird an einer Bewegung innerhalb der Aussparung in mehreren Richtungen, nämlich in beiden z Richtungen, beiden y Richtungen und in der –x Richtung gehindert. Somit wird der Einsatz durch die Aussparungen in allen Richtungen mit Ausnahme der restlichen Richtung, der +x Richtung, aus welcher der Einsatz 50 eingeführt wurde, beschränkt.
Die Positionierungsebenen 33, 34 und 35 der Aussparung 30 stehen in gegenüberliegendem Kontakt mit entsprechenden Positionierungsebenen 53, 54, und 55 des eingeführten unteren Abschnittes 56. Unter der Voraussetzung, dass diese Merkmale genau ausgelegt und bearbeitet sind, werden die Positionierungspunkte 31 der Aussparung und 51 des Einsatzes im Wesentlichen an gleicher Stelle positioniert. Die Positionierung der Positionierungspunkte an gleicher Stelle definiert dadurch die charakteristische Positionierung des Werkstückunterstützungsmerkmals in Bezug auf den Bezugspunkt der Basis 20.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Feststellungseinrichtung 90 der modularen Aufspannvorrichtung zugeordnet, um den Einsatz in der Tasche trennbar festzustellen. Die Feststelleinrichtung 90 umfasst ein Drehgelenk 91 und einen Körper 92, der schwenkbar aus einer ersten Position, in welcher der Einsatz eingeführt und aus der Aussparung entnommen werden kann, und einer, in 3 dargestellt, zweiten Position, in welcher die Feststelleinrichtung eine Bewegung des Einsatzes innerhalb der Tasche in der +x Richtung, verhindert, verstellt werden kann. 3 und 4 stellen dar, dass der Feststel lungskörper 92 ein Vorspannungselement aufweisen kann, das ein lang gestrecktes Vorspannelement 93 aufweist, das sich von der Wand des Körpers 92 weg und daran entlang gegenüber dem Einsatz erstreckt. In der ersten (nicht festgestellten) Position ragt das Vorspannelement 93 in die Ebene der vorderen Wand 57 des Einsatzes. Wenn sich die Feststelleinrichtung in der zweiten Position befindet, wird das Vorspannelement 93 gezwungen, sich nach innen zu dem Feststellkörper 92 zu biegen. Aufgrund der Nachgiebigkeit gegenüber Biegung seines Materials (typischerweise Werkzeugstahl) übt das Vorspannelement 93 eine Vorspannkraft gegen die Vorderwand 57 aus, um den Einsatz in der Position festzustellen. Die Feststelleinrichtung ist mit einem Handgriff 94 versehen, um die Bewegung des Körpers zwischen den Positionen zu unterstützen. Typischerweise ist die Feststelleinrichtung 90 so konfiguriert, dass sie zwischen ihren ersten und zweiten Positionen ohne die Verwendung eines mechanischen Werkzeugs betätigt werden kann.
Der Einsatz 50 weist auch ein Aussparungsausrichtungsmerkmal auf, so dass der Einsatz 50 der Aussparung nur in einer Einstellung zugeordnet werden kann. Das Aussparungsausrichtungsmerkmal weist einen hinteren Absatz 59 mit einer Höhe auf, die höher als die des vorderen Absatzes 58 ist. Gemäß Darstellung in 2 kann der hintere Absatz 59 des unteren Abschnittes 56 in die Aussparung innerhalb des entsprechenden Freiraums der Öffnung 36 unter dem hinteren Absatz 38 eintreten. Wenn der Einsatz um 180° gedreht wird, verhindert die Höhe desselben hinteren Absatzes 59 die Einführung in den kleineren Freiraum der Öffnung unter dem vorderen Absatz 37. Dieses Merkmal hindert einen Benutzer der Vorrichtung daran, den Einsatz 50 in die Aussparung 30 einzuführen.
Der Einsatz 50 kann ein Werkstückausrichtungsmerkmal in der Weise aufweisen, dass ein Werkstück 98 nur eine Ausrichtung haben kann, wenn es dem Werkstückunterstützungsmerkmal des korrekt eingesetzten Einsatzes 50 zugeordnet ist. In 2 weist das Werkstückausrichtungsmerkmal eine Schulter 106 auf, die sich von der Unterstützungsfläche nach oben erstreckt, die das Werkstückunterstützungselement 92 aufweist. Die Schulter 106 ist so konfiguriert, dass sie zu einer Abflachung 611 eines Werkstückes 98 ausgerichtet ist, die entlang der Kante 615 nur des Werkstückkörpers bearbeitet wurde. Die Schulter 106 ist ferner dafür konfiguriert, eine Platzierung des Werkstückes auf den Unterstützungselementen 71 und 72 zu verhindern, wenn das Werkstück in die Vorrichtung in einer von den anderen drei Ausrichtungen eingelegt wird, in welcher die Körperkanten 613, 614 oder 616 der Schulter 106 gegenüberliegen.
2 stellt ein von dem Einsatz 50 getrenntes Werkstück 98 dar. Das Werkstück 98 weist einen geradlinigen Körper 601 mit einem quadratischen Querschnitt und einem an einem ersten Ende des Körpers befestigten Kugelgelenk 602 auf. Das Kugelgelenk 602 weist einen sphärischen Kopf 603 auf, der mit dem Körper 601 über einen zylindrischen Hals 604 verbunden ist. Der Kopf 603 und der Hals 604 sind zu der Mittellinie 610 des Werkstückes ausgerichtet. Das Werkstück besitzt eine Abflachung 611 mit einer Fläche 612, die in einer vorausgegangenen Metallbearbeitung entlang einem Abschnitt der Kante 615 des Körpers 601 eingearbeitet wurde. Die Fläche 612 ist eine ebene Fläche, die parallel zu einer Fläche liegt, die durch die Werkstückkanten 613 und 614 verlaufen. Ein derartiges Werkstück kann bequem aus ei nem quadratischen Stangenmaterial in einer Drehoperation hergestellt werden.
4 stellt die modulare Aufspannvorrichtung mit dem auf dem Werkstückunterstützungsmerkmal des Einsatzes 50 positionierten Werkstück 98 vor der Metallbearbeitung dar. Das Werkstück 98 wird auf der modularen Aufspannvorrichtung positioniert, indem der Hals 604 des Kugelgelenks 602 nach unten durch den Schlitz 620 des Einsatzes 50 geführt wird, bis der Körper mit der nach unten gedrehten Kante 614 auf den Werkstückunterstützungselementen 71 und 72 aufliegt. In dieser Position hat, wie es in 5 zu sehen ist, der Kopf 603 die Unterkante 622 von jeder der oberen Kopfführungen 621 des Einsatzes freigegeben, und kann sich innerhalb der Vertiefung 624 jeder der unteren Kopfführungen 623 nach vorne bewegen. Wenn das Werkstück (in der +y Richtung) nach vorne gedrückt wird, berührt der Kopf 603 die Kugelgelenkbegrenzungen 73 und das Werkstück ist korrekt positioniert.
Die Position des damit zusammenarbeitenden Werkstückunterstützungsmerkmals des Einsatzes 50 (die Werkstückunterstützungselemente 71, 72 und 73) definiert eine Position des Werkstückes 98 in Bezug auf die Basis 20. Die Position des Werkstückes stellt eine charakteristische Lage eines Bezugspunktes des Werkstückes im x, y und z Raums und eine charakteristische Ausrichtung des Werkstückes (in einer Schräg-, Rotations- und Gierstellung) um seine x, y und z Achsen. Unter den Fräsmaschinen einer Metallbearbeitung ausgeübter Kräfte neigt das Werkstück zu einer Bewegung, Verschiebung und Schwingung. Um eine Bewegung des Werkstückes während der Metallbearbeitung zu verhindern, wird das Werkstück typischerweise festgestellt, um eine Bewegung und/oder Schwingung während der Bearbeitung zu verhindern. Typischerweise wird ein Einsatz in einer Aussparung festgestellt, wodurch nur eine Richtung durch die Aussparung selbst nicht festgestellt ist (d.h., die Richtung, in welcher der Einsatz in die Aussparung eingeführt wurde). Die Aussparungs- und Einsatzkonfigurationen sind so ausgewählt, dass sie die Wirkung von Kräften aus der Metallbearbeitung auf den Einsatz in dieser einen Richtung vermeiden. Typischerweise werden kein Einsatz und keine Aussparung konfiguriert, durch welche die Kraft aus der Metallbearbeitung eine Kraft auf den Einsatz in der Richtung der Einsatzeinführung oder Entnahme ausübt. Ein Einsatz wird typischerweise mehr so konfiguriert, dass, wenn eine Metallbearbeitung eine Kraft auf das Werkstück 98 ausübt, das Werkstück eine resultierende Kraft auf den Einsatz ausübt, der zur Feststellung des Einsatzes in der Aussparung beiträgt. D.h., die Kraft der Metallbearbeitung auf das Werkstück unterstützt die Feststellung des Einsatzes an der Basis. Eine zweite Überlegung bei der Auslegung der modularen Aufspannvorrichtung ist die Minimierung des Ausmaßes von Kräften bezüglich der Einklemmung eines Werkstückes, die in der einen Richtung wirken, die der Platzierung des Einsatzes in dessen entsprechender Aussparung zugeordnet ist.
Die durch eine Metallbearbeitungsmaschine auf ein Werkstück ausgeübten Kräfte können eine oder mehrere Krafteinrichtungen zum Feststellen des Werkstückes erfordern. Jede Verschiebung, Verstellung, Biegung oder Schwingung des Werkstückes während einer Metallbearbeitung kann zu einer fehlerhaften Bearbeitung des Werkstückes führen. Ein Einsatz der vorliegenden Erfindung kann zum Positionieren des Werkstückes in der korrekten Position für die Metallbearbeitung verwendet werden, und kann auch zum Feststellen des Werkstückes verwendet werden, indem er einer Verstellung aufgrund seiner starren Befestigung an der Basis und dem Tisch widersteht, oder indem er eine Kraft auf das Werkstück ausübt. Die modulare Aufspannvorrichtung der Erfindung kann eine oder mehrere Einrichtungen zum Ausüben einer Festhaltekraft auf das Werkstück verwenden. Die Festhaltekrafteinrichtung ist insbesondere wichtig, wenn das Werkstück flexibel oder biegbar ist. Typischerweise wird die Festhaltekraft auf das Werkstück so nahe wie praktisch möglich an dem Pfad der Metallbearbeitungsmaschine ausgeübt, um die Starrheit des Werkstückes während der Metallbearbeitungsoperation sicherzustellen.
Typischerweise übt die Feststellungskraft, die auf das Werkstück ausgeübt wird, über das Werkstück eine Kraft auf einen Einsatz aus, der das Werkstück feststellt oder unterstützt. Eine Feststellungskraft wird typisch so konfiguriert, dass die Kraft auf den Einsatz in einer Richtung vorliegt, die zur Feststellung des Einsatzes in der Aussparung beiträgt.
Ein erste Krafteinrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie eine Kraft auf den Kopf 603 des Werkstückes 98 ausübt, um das Werkstück 98 gegenüber den Kugelgelenkhalterungen 73 festzustellen. Die Richtung der Kraft der ersten Krafteinrichtung ist in 5 dargestellt. Eine im Fachgebiet allgemein bekannte Einrichtung kann zum Ausüben der Kraft A auf den Kopf 603 verwendet werden, einschließlich eines pneumatischen oder hydraulischen Kolbens oder einer manuellen Knebelklemme, wie sie in "Manufacturing Engineering and Technology" (Fourth Edition) bei Serope, Kalpakjian und Steven R. Schmid beschrieben wird. Der Handknebel kann eine Spindelspitze aufweisen, die so geformt ist, dass sie sicher an den Kopf 603 angreift. Typischerweise greift die Krafteinrichtung an den Kopf des Werkstückes 603 schnell (d.h., innerhalb weniger Sekunden) an und stellt diesen fest (und löst sich davon) und benötigt kein mechanisches Werkzeug, um an den Kopf 603 anzugreifen oder sich davon zu lösen. Typischerweise ist die Krafteinrichtung ein Element, das permanent oder teilpermanent an der Basis 20 befestigt ist und so konfiguriert und positioniert ist, dass die Kraft A genau auf den Kopf 603 ausgeübt wird.
Eine zweite Krafteinrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie eine Kraft auf die Oberseite des Körpers 601 entlang der Kante 613 ausübt, um das Werkstück gegen die Werkstückunterstützungselemente 71 und 72 festzustellen. Die Richtung der zweiten Kraft ist in 6 als Kraft B dargestellt. Eine im Fachgebiet allgemein bekannte Einrichtung kann zum Ausüben einer Kraft auf den Körper 601 einschließlich einer Knebelklemme mit einer geeignet geformten Spindelspitzenoberfläche zur Anpassung an die Oberfläche des Körpers entlang der Kante 613 gemäß vorstehender Beschreibung verwendet werden. Eine weitere Krafteinrichtung zum Aufbringen einer Kraft ist eine hydraulisch betätigte schwenkende Klemmvorrichtung 700 gemäß Darstellung in 6 mit einem vertikal eingestellten hydraulischen Zylinder 701 mit einem Arm 705, der an dem oberen Ende 702 des hydraulischen Zylinders befestigt ist und sich nach außen erstreckt. Der hydraulische Zylinder ist typischerweise auf der Basis positioniert und daran befestigt. Der Arm kann um die Achse 703 des hydraulischen Zylinders schwenken und ist typischerweise dafür konfiguriert, zwischen einer Feststellungsposition gemäß Darstellung in 6 und einer zweiten Position außerhalb des Werkstückes zu schwenken. Das zweite Ende des Arms hat eine daran aufgehängte Klemme 710. Die Klemmenoberfläche hat eine Form die so konfiguriert ist, dass sie mit der Oberflächenform des Körpers 601 übereinstimmt, wenn sie darauf positioniert ist. Nachdem ein Werkstück 98 in dem Einsatz 50 auf den Werkstückunterstützungselementen 71 und 72 abgelegt und gegenüber dem Kugelgelenkhalterungen 73 mit der Kraft A festgestellt wurde, wird der Klemmarm 705 geschwenkt und in der Feststellungsposition über dem Körper 601 arretiert und der Hydraulikzylinder 701 aktiviert, um die Klemme 701 für einen Eingriff mit der Oberseite des Körpers 601 abzusenken. Der Hydraulikzylinder 701 kann eine nach unten gerichtete Kraft auf die Klemme 710 ausüben, welche wiederum eine Kraft B auf das Werkstück 198 ausübt, um es in seiner Lage gegenüber den Werkstückunterstützungsmerkmalen 71 und 72 des Einsatzes 50 festzustellen.
Typischerweise kann die Klemme 710 einen weiteren, in 7 dargestellten, Einsatz 650, enthalten, welcher in Kombination mit der zweiten Kraft B verwendet werden kann, um das Werkstück festzustellen. Ein Einsatz 650 wird typischerweise verwendet, wenn die Oberflächenmerkmale eines Werkstückes, auf welches eine Feststellungskraft B aufzubringen ist, für das Werkstück charakteristisch sind. Ein charakteristisches Werkstück kann erfordern, dass die Kontur der Oberfläche des Werkstückunterstützungsmerkmals des Einsatzes 650 genau bearbeitet ist, um der gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstückes zu entsprechen oder mit dieser überein zu stimmen. Im Gegensatz zu dem Einsatz 50 ist der Einsatz 650 in Bezug auf die Basis verstellbar, wenn er innerhalb der Aussparung festgestellt ist. Gemäß Darstellung in 7 hat der Schwenkarm 705 eine Aussparung 630. Die Aussparung 630 hat eine Öffnung 636 und mehrere verbundene Seitenwände, die einen Durchtritt mit einer charakte ristischen Querschnittsform entlang ihrer Länge haben. Die Aussparung 630 hat ein Positionierungsmerkmal, das mehrere Positionierungselemente aufweist, die durch die inneren Seitenwände 633 und 634 und durch eine Eingriffsfläche 635 auf der Rückseite des Anschlags 637 definiert werden. Diese drei Positionierungselemente wirken zusammen, um einen charakteristischen Positionierungspunkt 631 der Aussparung 630 zu identifizieren. Der Positionierungspunkt ist auf den Positionierungspunkt der Basis durch die Konfiguration und Positionierung des Hydraulikzylinders und des Schwenkarms bezogen.
Der Einsatz 650 ist der Aussparung 630 durch einen Gleitstift 656 durch die Öffnung 636 der Aussparung 630 zugeordnet. Der Stift 656 weist einen langgestreckten Schaft mit einer Form auf, die zur Zuordnung zu den Seitenwänden der Aussparung 630 konfiguriert ist, um einen verschiebbar gegenüberliegenden Kontakt zwischen dem Stift und dem Schaft mit den genauen räumlichen Beziehungen bereitzustellen, die für die Ausführungsform der Aussparung 30 und des Einsatzes 50 hierin vorstehend beschrieben wurden. Der Einsatz 650 besitzt ein Positionierungsmerkmal, das mehrere Positionierungselemente aufweist, die durch die Seiten 653 und 654 des Stiftes 656 und durch die Eingriffsoberfläche 655 des Hakens 658 definiert werden. Diese drei Positionierungsmerkmale wirken zusammen, um einen charakteristischen Positionierungspunkt 651 des Einsatzes 650 zu definieren. Wie bei dem Einsatz 50 kann der verstellbare Einsatz 650 mehrere Positionierungspunkte 651 besitzen, die durch das Zusammenwirken von einem oder mehreren Positionierungsmerkmalen definiert werden, welche Oberflächen, Kanten und Punkte auf der Oberfläche des Einsatzes beinhalten.
Der Einsatz 650 hat eine Feststelleinrichtung, die einen Kniehebel 659 mit einem Haken 658 aufweist, welcher zu einem Anschlag 637 der Aussparung ausgerichtet ist und daran angreift, wenn der Stift 656 vollständig in den Durchtritt der Aussparung 630 eingesetzt ist. Der Kniehebel besitzt eine Vorspannungseinrichtung, wie z.B. eine (nicht dargestellte) Feder, um das Hakenende in der festgestellten Position mit dem Anschlag 637 vorzuspannen. Der Einsatz 650 kann gelöst und aus der Aussparung durch Drücken eines Auslösers 690 des Kniehebels 659 entfernt werden, was den Haken 658 aus dem Anschlag 637 zurückzieht und löst. Der Einsatz ist für eine Trennung aus der Aussparung von Hand ohne die Verwendung eines mechanischen Werkzeugs konfiguriert.
Der Einsatz 650 hat ein Werkstückunterstützungsmerkmal auf einer Fläche davon. Das Werkstückunterstützungsmerkmal weist mehrere Werkstückunterstützungselemente auf, die durch die ebene Oberfläche 671 und 672 definiert sind. Diese Unterstützungsflächen unterstützen entsprechende Flächen des Werkstückes 98 gemäß Darstellung in 6. Die Werkstückunterstützungsflächen 671 und 672 sind so bearbeitet, dass sie mit der gegenüberliegenden unterstützten Fläche des Werkstückes übereinstimmen.
Wenn der Stift 656 in die Aussparung gemäß Darstellung in 8 eingeführt ist, wirken das Positionierungsmerkmal des Einsatzes und das entsprechende Positionierungsmerkmal der Aussparung zusammen, um eine Positionierung des Werkstückunterstützungsmerkmals in Bezug auf die Basis 20 zu definieren, wenn der verstellbare Einsatz 650 gegenüber dem Werkstück 98 positioniert wird. Wenn der Haken 658 auf dem vorgespannten Kniehebel 659 in den Anschlag 637 auf der Seite der Aussparung eingreift, liegt die Eingriffsfläche 635 des Stiftes 656 der Eingriffsfläche 655 des Hakens 658 gegenüber. Die Positionierungspunkte 631 und 651 der Aussparung und des Einsatzes werden zu einer Position. Wenn sich der verstellbare Einsatz in einer Unterstützungsposition gegenüber dem Werkstück 98 befindet, nimmt das durch die Flächen 671 und 672 definierte Werkstückunterstützungsmerkmal, eine charakteristische Position in Bezug auf den Bezugspunkt der Basis 20 an.
Der Einsatz 650 kann optional ein Aussparungsausrichtungsmerkmal besitzen. Ein in 7 dargestelltes Ausrichtungsmerkmal weist eine Sperreinrichtung entlang der Seite des Stiftes 656 auf, welche eine charakteristische Form bereitstellt, die mit der Form der Öffnung 636 der Aussparung 630 zusammenwirkt. Der Einsatz 650 kann der Aussparung 630 nur in einer Ausrichtung zugeordnet sein. In dieser Ausführungsform ist die charakteristische Form eine "L"-Form, obwohl weitere Formen und andere Einrichtungen für die Ausrichtung des Einsatzes in der Aussparung in nur einer Weise in Betracht gezogen werden.
Das eingebaute und festgestellte Werkstück ist für die Bearbeitung bereit. Das Werkstückunterstützungsmerkmal des Einsatzes 50 positioniert das Werkstück 98 in der korrekten Position und Ausrichtung für die Metallbearbeitung (das Bohrschneiden und Fräsen). Das Werkstück wird in der korrekten Position und Ausrichtung mit der Feststellungskraft A und der Feststellungskraft B festgestellt.
6 stellt ein fertig gestelltes Werkstück 98 nach der Metallbearbeitung dar, die das Bohren eines Loches 606 in die gegenüberliegende Fläche 605 und das Fräsen einer zweiten Abflachungsfläche 607 umfasste. Die Bohrung 606 ist mit einem definierten Durchmesser und einer Tiefe in einer definierten Position auf der Endfläche 605 gebohrt. Die Abflachungsfläche 607 ist entlang einer Ebene parallel zu einer Ebene ausgebildet, die durch die Kanten 615 und 616 verläuft und von der Mittellinie 610 in einem definierten Abstand zur Kante 613 hin versetzt ist, und ist auf eine definierte Tiefe von der Fläche 605 zu dem ersten Ende des Körpers hin gefräst.
Nach der Bearbeitung des Werkstückes 98 wird das bearbeitete Werkstück aus den Einsätzen und Unterstützungen (wie z.B. allen Krafteinrichtungen in Bezug auf die Kraft A und B einschließlich aller verstellbaren Einsätze) gelöst und aus der Vorrichtung entfernt. Das bearbeitete Werkstück kann von Hand entfernt werden, wird jedoch typischerweise durch eine im Fachgebiet bekannte automatisierte Einrichtung, wie z.B. einem pneumatischen Auswerfer, entfernt. Für den automatisierten Auswurf des Werkstückes ist es typisch, den Einsatz und die Werkstückunterstützungsmerkmale für das Laden des Werkstückes von einer Seite der Vorrichtung her zu konfigurieren, so dass das bearbeitete Werkstück von der Vorrichtung ausgestoßen und davon entfernt werden kann. Nach dem Ausstoß eines bearbeiteten Werkstückes kann ein nachfolgendes identisches Werkstück 98 in die Vorrichtung geladen und zur Bearbeitung festgestellt werden, wodurch das Werkstückunterstützungsmerkmal des fixierten Einsatzes teilpermanent in der Position zwischen den Metallbearbeitungen bei aufeinander folgenden Werkstücken 98 bleibt. Das nachfolgende Werkstück 98 befindet sich in der korrekten Position und Ausrichtung für die maschinelle Erzeugung der Bohrung 605 und der Abflachungsfläche 607.
Eine Ausführungsform der Erfindung kann auch eine Basis mit einem fixierten Werkstückunterstützungselement bereitstellen, das permanent an der Basis befestigt ist. Ein Werkstück kann eine Unterstützung sowohl von dem Einsatz als auch einer weiteren Fläche erfordern. Ein Werkstückunterstützungselement kann so konfiguriert sein, dass es mit dem Werkstücksunterstützungsmerkmal des Einsatzes 50 zusammenarbeitet, um ein derartiges Werkstück zu positionieren und auszurichten. Das fixierte Werkstückunterstützungselement wäre nicht entfernbar.
In einem typischen Verfahren zum Durchführen einer Metallbearbeitung an einem Werkstück wird eine gemeinsame Basis bereitgestellt und auf dem Tisch positioniert. Die Basis hat wenigstens eine Befestigungsfläche, die typischerweise wie eine hierin vorstehend beschriebene Aussparung konfiguriert ist. Ein erster Einsatz wird der Befestigungsfläche zugeordnet und festgestellt. Der Einsatz ist typischerweise dafür konfiguriert, dass er der Befestigungsfläche gemäß vorstehender Beschreibung zugeordnet ist, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals in Bezug auf die gemeinsame Basis zu definieren. Nach der Einstellung der gemeinsamen Basis zu der Metallbearbeitungsmaschine wird die gemeinsame Basis auf dem Tisch durch eine teilpermanente Befestigungseinrichtung festgestellt, die es ermöglicht, dass die Basis gelöst, neu eingestellt, wieder gelöst und von dem Tisch entfernt werden kann. Ein bereitgestelltes erstes Werkstück wird auf dem Werkstückunterstützungsmerkmal des Einsatzes wie hierin vorstehend beschrieben positioniert und festgestellt, wobei das Werkstück eine charakteristische Position und Ausrichtung in Bezug auf die Metallbearbeitungsmaschine annimmt. Die charakteristische Position des Werkstückes ist so, dass die Bearbeitung des Werkstückes akzeptabel abgeschlossen wird. Die Bearbeitung des Werkstückes entfernt oder modifiziert das Material des Werkstückes so, dass das Werkstück die gewünschten Eigenschaften und die Konfiguration aus der Metallbearbeitung hat. Nach dem Bearbeiten des Werkstückes werden alle Haltekräfte oder Feststelleinrichtungen entfernt, um das Werkstück aus dem Werkstückunterstützungsmerkmal des ersten Einsatzes zu lösen.
Eine Metallbearbeitung unter Verwendung einer modularen Aufspannvorrichtung, die nur einen Einsatz hat, kann an einem nachfolgenden Werkstückelement einer Familie von Werkstücken, die in der Konfiguration verwandt, aber im Detail verschieden sind, durchgeführt werden. Es kann eine Familie von Einsätzen konfiguriert werden, wodurch jedes Einsatzelement dafür konfiguriert ist, dass es teilpermanent einer gemeinsamen Befestigungsfläche (hier einer Aussparung) zugeordnet ist. Die aufeinander folgenden Elemente der Familie von Einsätzen besitzen Werkstückunterstützungsmerkmale, die dafür konfiguriert sind, ihre entsprechenden Werkstückelemente in einer Stellung und Einstellung zu positionieren und auszurichten, die die Bearbeitung des Werkstückes ohne Veränderung der Aufspannbasis oder der Durchführung irgendeiner Einstellung in der Position oder Einstellung der Basis 20 auf der Metallbearbeitungsmaschine ermöglicht. Eine ganze Familie von Werkstücken kann auf einer modularen Aufspannvorrichtung unter Verwendung einer gemeinsamen Basis und einer entsprechenden Familie von Einsätzen bearbeitet werden.
Nachdem das letzte von bearbeiteten ersten Werkstücken aus dem Werkstückunterstützungsmerkmal entfernt worden ist, wird der erste Einsatz aus der Basis entfernt. Ein bereit gestellter zweiter Einsatz, der aus einem zweiten Element der Familie von Einsätzen besteht, wird mit der Befestigungsfläche der Basis verbunden und daran festgestellt, in welcher ein Positionierungsmerkmal in Zuordnung zu dem Positionierungsmerkmal der Befestigungsfläche konfiguriert ist, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals des zweiten Einsatzes in Bezug auf die Basis zu definieren. Ein zweites Element der Familie der Werkstücke wird dann auf dem Werkstückunterstützungsmerkmal des zweiten Einsatzes positioniert und festgestellt. Das zweite Werkstück nimmt eine charakteristische Position und Ausrichtung in Bezug auf die Metallbearbeitungsmaschine zur Bearbeitung des Werkstückes an. Nach der Bearbeitung des zweiten Werkstückes wird das bearbeitete Werkstück aus dem Werkstückunterstützungsmerkmal des zweiten Einsatzes entfernt.
Die Ersetzung des ersten Einsatzes durch die zweiten Einsätze ermöglicht die Bearbeitung eines zweiten Werkstückes nach der Bearbeitung eines ersten Werkstückes ohne einen Zwischenschritt einer Neueinstellung der gemeinsamen Basis zu der Metallbearbeitungsmaschine zu erfordern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den 9–12 dargestellt. 9 stellt eine Basis 20 mit einer ersten Befestigungsfläche mit einer Aussparung 30, einer zweiten Befestigungsfläche mit einer Aussparung 40, einem ersten Einsatz 50, und einem von seiner Aussparung 40 zweiten getrennten Einsatz 60 dar. Die Basis verwendet die zwei Einsätze 50 und 60, um eine Unterstützung und Positionierung für die Bearbeitung eines Werkstückes 198 bereitzustellen. Die zwei Einsätze besitzen jeweils Werkstückunterstützungsmerkmale, welche zusammenwirken, um eine Stellung der Werkstückunterstützungsmerkmale in Bezug auf die Basis bereitzustellen. Die entsprechenden Werkstückunterstützungsmerkmale unterstützen zusammengenommen und zusammenwirkend das Werkstück 198 und definieren eine Stellung des Werkstückes 198 in Bezug auf die Basis und relativ zur Metallbearbeitungsmaschine.
Die Aussparung 30 und der Einsatz 50 sind so wie hierin vorstehend beschrieben.
Die Aussparung 40 wird durch eine Vorderwand 70, Rückwand 45, Seitenwände 44 und Boden 43 definiert. Die Seitenwände 44 sind typischerweise parallel zueinander wie auch die Vorderwand 47 und die Rückwand 45. Jede von diesen Wänden ist typischerweise senkrecht zu dem Boden 43. Die Rückwand 45 ist mit einer überhängenden Lippe 46 mit einer Freiraumrücksprung 48 darunter versehen.
Der Einsatz 60 ist mit Merkmalen versehen, die den Merkmalen der Aussparung 40 entsprechen. Der untere Abschnitt 66 des Einsatzes 60 wird durch eine Vorderseitenfläche 67, eine Rückseitenfläche 65, Seitenflächen 64 und eine Bodenfläche 63 definiert. Diese Merkmale sind besonders konfiguriert und ausgerichtet, dass sie entsprechenden Merkmalen der Tasche 40 zugeordnet sind. Die Entsprechung zwischen den Merkmalen der Aussparung 40 und des Einsatzes 60 wird durch eine gemeinsame dritte Ziffer der entsprechenden Identifizierungszahlen angezeigt; beispielsweise entspricht die Rückwand 45 der Aussparung der Rückseite 65 des Einsatzes. Zusätzlich ist der untere Abschnitt mit einer Oberseitenfläche 62, einem Absatz 68 mit einer oberen Haltefläche 66 darauf und Freigabekrümmungen 69 versehen.
Die Funktionalität des Einsatzes und der Aussparungsanordnung besteht darin, dass der Einsatz in die Aussparung gleitet und eine genaue räumliche Beziehung damit aufbaut. Somit ist die Beziehung zwischen den entsprechenden Merkmalen, wenn der Einsatz in der Aussparung sitzt, gegenüberliegend. Jedoch ist während der Entnahme/Einführung des Einsatzes in Bezug auf die Aussparung die Beziehung zwischen den entsprechenden Merkmalen gleitend. Die gleitende Beziehung ist insbesondere in Bezug auf die Vorderwand 47 und die vordere Fläche 67, die Seitenwände 44 und die Seitenflächen 64 und die Unterseite der überhängenden Lippe 46 und die obere Haltefläche 66 sichtbar. Es tritt ein gewisses Gleiten zwischen dem Boden 43 und der Unterseite 63 auf, wenn der Absatz 68 an dem Freiraumrücksprung 48 angreift.
Eine bestimmte Halteeinrichtung des Einsatzes gegen eine Bewegung in der +z Richtung (nach oben) wird insbesondere an der Vorderseite des Einsatzes als angemessen betrachtet. Um diese Festhalteaktion zu erreichen, ist eine Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung 370 vorgesehen. Die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung ist schwenkbar in einem Schlitz 328 in der Basis 20 angeordnet. Die Breite des Schlitzes ist in den 9 und 10 übertrieben, um die Funktionalität der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung besser darzustellen. Ein Schwenkstift 326 ist in (nicht dargestellten) koaxialen Löchern in der Basis und ein Schwenkloch 379 in der (in 11 dargestellten) Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung 370 angeordnet. Wenn die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in ihre erste oder arretierte Position gedreht wird, gleitet ein Haltearm 371 über die Oberseite 62 des Einsatzes 60. Diese Position ist in Strichlinien in 11 dargestellt. Ein Handgriff 372 der Entnahme/Arretierungs- Vorrichtung ermöglicht deren bequeme Bedienung durch einen den Einsatz 60 in der Aussparung 40 einbauenden Techniker ohne die Notwendigkeit eines mechanischen Werkzeuges, wie z.B. eines Schraubenschlüssels oder Schraubendrehers. Die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung ermöglicht eine leichte Entfernung eines Einsatzes, wenn der obere Abschnitt nicht die geeigneten Oberflächen für einen Techniker bereitstellt, um ihn manuell zu erfassen. Die kombinierte Wirkung des Haltearms 371 und der überhängenden Lippe 46 hält den Einsatz 60 vollständig gegenüber einer Bewegung in der +z Richtung fest.
Eine Sperreinrichtung ist zum Festhalten der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in ihrer ersten Position vorgesehen. In einer typischen Ausführungsform der Sperreinrichtung ist eine Haltestift 375 verschiebbar in einem Loch durch eine Vorderansicht der Basis 20 angeordnet, und gegenüber der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung so vorgespannt, dass er in ein Positionierungsloch 376 in der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung einschnappt, wenn die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in ihre erstes Position bewegt wird. Die Sperreinrichtung drückt übt ein Zwang auf die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung so aus, dass sie in ihrer ersten Position bleibt. Ein Knopf oder eine geriffelte Oberfläche auf dem freiliegenden Ende des Haltestiftes erleichtert dessen leichte Lösung aus dem Loch in der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung.
Die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung stellt eine zusätzliche Funktion bereit, nämlich die Möglichkeit der Entnahme des Einsatzes aus der Aussparung 40. Typischerweise kann eine Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung verwendet werden, wenn ein Einsatz 60 keinen geeigneten Erfassungshand griff für einen Techniker enthält, um den Einsatz aus der Aussparung zu erfassen. Die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung weist typischerweise ein Entnahmemerkmal auf, das so konfiguriert ist, dass es gegen eine Oberfläche des unteren Abschnittes 66 des Einsatzes 60 drückt, sobald die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in ihre zweite Position geschwenkt wird. Sobald die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung 370 in ihre zweite oder Entnahmeposition geschwenkt wird, übt ein Absatz 374 eine Aufwärtskraft auf die Unterseite 63 des Einsatzes 60 aus, um dadurch die Vorder- und Rückseitenoberflächen des Einsatzes ausreichend freizugeben, dass ein Techniker den Einsatz erfassen kann. Die zweite Position der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung ist in 11 mittels durchgezogener Linien dargestellt.
Die Aussparung 40 besitzt ein entsprechendes Positionierungsmerkmal, das mehrere Positionierungselemente aufweist, die durch den Boden 43, die hintere Seitenwand 44 und die Rückwand 45 definiert sind. Diese drei ebenen Positionierungsmerkmale wirken zusammen, um einen charakteristischen Positionierungspunkt 41 der Aussparung 40 zu identifizieren.
Der entsprechende Einsatz 60 hat ein Positionierungsmerkmal, welches mehrere Positionierungselemente aufweist, die durch den Boden 63, die Rückseitenwand 64 und die Rückwand 65 definiert sind. Diese drei ebenen Positionierungsmerkmale wirken zusammen, um einen charakteristischen Positionierungspunkt 61 des Einsatzes 60 zu definieren.
Der Einsatz 60 hat ein Werkstückunterstützungsmerkmal auf seiner Oberfläche. Wenn der Einsatz 60 in die Aussparung 40 eingesetzt ist, kommen die Positionierungspunkte 41 der Aussparung und 61 des Einsatzes an einem Ort zusammen. Das Zusammenkommen der Positionierungspunkte definiert dadurch die charakteristische Position des Werkstückunterstützungsmerkmals des Einsatzes in Bezug auf den Bezugspunkt der Basis 20. Das Werkstückunterstützungsmerkmal weist mehrere Werkstückunterstützungselemente auf, die durch gegenüberliegende geneigte Ebenen 76 und 77 definiert sind. Diese Unterstützungsflächen unterstützen entsprechende Flächen des Werkstückes gemäß Darstellung in 12. Die Werkstückunterstützungselemente 76 und 77 sind genau bearbeitet, um die charakteristische Positionierung (in dem x, y und z Koordinatenraum) des Werkstückunterstützungsmerkmals bezüglich des Einsatzpositionierungspunktes 61 bereitzustellen.
Der Einsatz 60 weist auch ein Aussparungsausrichtungsmerkmal auf, um den Einsatz der Aussparung 40 in nur einer Ausrichtung zuzuordnen. Das Aussparungsausrichtungsmerkmal umfasst einen Absatz 68 des Einsatzes und dessen Zuordnung zu dem Freiraumrücksprung 48. Wenn der Einsatz um 180° um seine (nicht dargestellte) z Achse gedreht wird, kann er nicht in die Aussparung eingesetzt werden. Dieses Merkmal hindert einen Nutzer daran, den Einsatz 60 falsch einzusetzen.
Der Einsatz 60 weist ferner ein Werkstückausrichtungsmerkmal auf, so dass das Werkstück 198 nur eine Ausrichtung haben kann, wenn es dem Werkstückunterstützungsmerkmal des korrekt eingesetzten Einsatzes 60 zugeordnet ist. Das Werkstückunterstützungsmerkmal weist eine Schulter 106 auf, die sich von der ein Werkstückunterstützungselement 77 aufweisenden Unterstützungsfläche nach oben erstreckt. Die Schulter 106 ist so konfiguriert, dass sie zu der Abflachung 811 des Werkstückes 198 (dargestellt in 12), die entlang einer Kante 815 des Werkstückkörpers bearbeitet wurde, ausgerichtet ist. Die Schulter 106 verhindert die Platzierung des Werkstückes auf den Unterstützungselementen 76 und 77, wenn das Werkstück in der Vorrichtung in irgendeiner von den anderen drei Ausrichtungen platziert wird, in welchen die Körperkanten 813, 814 oder 816 der Schulter 106 gegenüberliegen.
12 stellt die modulare Aufspannvorrichtung mit einem Werkstück 198 dar, das auf den Werkstückunterstützungsmerkmalen der Einsätze 50 und 60 positioniert ist. Das Werkstück 198 ist vor den unter Verwendung der modularen Aufspannvorrichtung auszuführenden Metallbearbeitungsoperationen dargestellt. Das Werkstück weist einen geradlinigen Körper 801 mit einem quadratischen Querschnitt und ein Kugelgelenk 802 auf, das an einem ersten Ende des Körpers befestigt ist. Das Kugelgelenk 802 weist einen sphärischen Kopf 803 auf, der mit dem Körper 801 über einen zylindrischen Hals 804 verbunden ist. Der Kopf 803 und Hals 804 sind zu der Mittellinie 810 des Werkstückes ausgerichtet. Das Werkstück besitzt auch eine Abflachung 58 in der Mitte des Körpers 801 mit einer Fläche 852, die in einer vorhergehenden Metallbearbeitungsoperation entlang der Länge der Kante 815 des Körpers 801 erzeugt wurde. Die Fläche 852 ist eine ebene Fläche, die parallel zu einer Ebene liegt, die durch die Werkstückkanten 813 und 814 verläuft. Die Stellung der zusammenwirkenden Werkstückunterstützungsmerkmale des Einsatzes 50 (Werkstückunterstützungselemente 71, 72 und 73) und des Einsatzes 60 (Werkstückunterstützungselemente 76 und 77) definieren eine Stellung des Werkstückes 198 in Bezug auf die Basis 20. Die Position des Werkstückes stellte eine charakteristische Position eines Bezugspunktes des Werkstückes im x, y und z Raum bereit und eine charakteristische Ausrichtung des Werkstückes (in dessen Schräg-, Retations- und Gierstellung) um seine x, y und z Achsen.
Das Werkstück 198 hat (vor der Metallbearbeitungsoperation) mehrere Merkmale mit identischer Konfiguration und Abmessungen wie das Werkstück 98 von 3 einschließlich des Kugelgelenkes 803, der Abflachung 811 und der Querschnittsgröße des Körpers 801. Der Einsatz von 3 stellt dar, dass ein Einsatz der vorliegenden Erfindung eine Werkstückunterstützung für zwei ähnliche Werkstücke (Werkstück 98 in 3 und Werkstück 198 in 12) bereitstellen kann, die ein oder mehrere identische Merkmale mit identischen Werkstückunterstützungsanforderungen haben.
In einem weiteren typischen Verfahren zur Durchführung einer Metallbearbeitungsoperation an einem Werkstück verwendet die Basis wenigstens zwei entsprechende ersten und zweiten Befestigungsflächen zugeordnete Einsätze. Der erste Einsatz ist ein erstes Element einer ersten Familie von Einsätzen und ist der ersten Befestigungsfläche zugeordnet. Der zweite Einsatz ist ein erstes Element einer zweiten Familie von Einsätzen und ist der zweiten Befestigungsfläche zugeordnet. Ein bereitgestelltes erstes Werkstück wird auf den Werkstückunterstützungsmerkmalen der zwei Einsätze positioniert und festgestellt, wie es hierin vorstehend beschrieben wurde, wobei das Werkstück eine charakteristische Position und Ausrichtung in Bezug auf die Metallbearbeitungsmaschine annimmt. Die charakteristische Position des Werkstückes ist so, dass die Bearbeitung des Werkstückes akzeptabel abgeschlossen wird. Die Bearbeitung des Werkstückes entfernt oder modifiziert das Material des Werkstücks so, dass das bearbeitete Werkstück die aus der Metallbear beitungsoperation gewünschten Eigenschaften und Konfiguration hat. Nach der Bearbeitung des Werkstückes wird jede Haltekraft entfernt, um das Werkstück zur Entfernung aus den Werkstückunterstützungsmerkmalen der ersten und zweiten Einsätze freizugeben.
Die Metallbearbeitung enthält optional auch einen Schritt einer Bewertung des bearbeiteten Werkstückes, um sicherzustellen, dass die Bearbeitungsoperation akzeptabel durchgeführt worden ist. Eine Bewertung kann durch eine visuelle oder mechanische Inspektion und durch im Fachgebiet bekannte Einrichtungen erfolgen. Wenn ein bearbeitetes Werkstück akzeptabel bearbeitet wurde, ist die modulare Aufspannvorrichtung korrekt zu der Metallbearbeitungsmaschine für die Durchführung von Metallbearbeitungen an nachfolgenden Werkstücken ausgerichtet. Wenn das bearbeitete Werkstück nicht akzeptabel bearbeitet wurde, können die Basis oder die modulare Aufspannvorrichtung zu der Metallbearbeitungsmaschine vor der Bearbeitung eines anschließenden Werkstückes, neu eingestellt werden.
13 stellt das fertig gestellte Werkstück 198 nach der Metallbearbeitung dar, die das Bohren eines Loches 806 in die gegenüberliegende Fläche 805 und das Schrägfräsen gegenüberliegender Flächen 807 und 808 beinhaltet. Die Bohrung 806 wird mit definiertem Durchmesser und definierter Tiefe entlang der Mittellinie 810 gebohrt. Die abgeschrägte Fläche 807 ist eine Ebene, die in 45° zur Mittellinie ausgerichtet ist, die durch die Fläche 805 an dem Umfang der Bohrung 806 (mit einem Abstand des Radius der Bohrung von der Mittellinie zu der Körperkante 813), und von der Mittellinie zu der Körperkante 813 ausgerichtet ist. Die abgeschrägte Fläche 808 ist eine Ebene, die in 45° zur Mittel linie ausgerichtet ist, die durch die Fläche 805 an dem Umfang der Bohrung 806 (mit einem Abstand des Radius der Bohrung von der Mittellinie zu der Körperkante 814), und von der Mittellinie zu der Körperkante 814 ausgerichtet ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 14 dargestellt, die eine modulare Aufspannvorrichtung mit einer Basis 20, mit Aussparungen 30 und 40 und einem zweiten Satz von Einsätzen 150 bzw. 160 zugeordnet dazu darstellt. Die Basis 20 mit den Aussparungen 30 und 40 sind die dieselbe Basis und die Aussparungen, die vorstehend für die 9 und 10 diskutiert wurden. Die Einsätze 150 und 160 sind so konfiguriert, dass sie niedrigere Abschnitte mit derselben Konfiguration wie die niedrigeren Abschnitte 56 bzw. 66 haben, um sie den Aussparungen 30 und 40 zuzuordnen. Das Werkstückunterstützungsmerkmal des oberen Abschnittes des Einsatzes 150 ist in der Konfiguration mit dem Werkstückunterstützungsmerkmal des Einsatzes 50 verwandt, jedoch im Detail unterschiedlich. Ebenso ist das Werkstückunterstützungsmerkmal des oberen Abschnittes des Einsatzes 160 in der Konfiguration mit dem Werkstückunterstützungsmerkmal des Einsatzes 60 verwandt, jedoch im Detail unterschiedlich. Die Werkstückunterstützungsmerkmale der Einsätze 150, 160 wirken zusammen, um ein Werkstück 298 gemäß Darstellung in 15 zu unterstützen, welches in der Konfiguration verwandt, jedoch im Detail zu dem Werkstück 198 unterschiedlich ist. Die Werkstücke 198 und 298 können unter Bezugnahme auf die 12 und 15 verglichen werden. Die Werkstücke haben dieselbe Gesamtkörperkonfiguration und mehrere identische Merkmale einschließlich der Kugelgelenke, der Abflachungen 811 und 911 am ersten Ende und der Abflachungen 851 und 951 in der Mitte des Körpers. Die Werkstücke unterscheiden sich jedoch in einem bestimm ten Detail. Die Körperlänge und die Querschnittsgröße des Werkstückes 198 sind größer als diejenigen des Werkstückes 298.
Nachdem das letzte von den bearbeiteten ersten Werkstücken aus dem Werkstückunterstützungsmerkmal entnommen worden ist, werden der erste Einsatz und der zweite Einsatz aus der Basis entnommen. Ein bereitgestellter dritter Einsatz, bestehend aus einem zweiten Element der ersten. Familie von Einsätzen, wird der ersten Befestigungsfläche der Basis zugeordnet und festgestellt, wobei dessen Positionierungsmerkmal so konfiguriert ist, dass es zu dem Positionierungsmerkmal der ersten Befestigungsfläche zugeordnet ist, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals des dritten Einsatzes in Bezug auf die Basis zu definieren. Ein bereitgestellter vierter Einsatz, bestehend aus einem zweiten Element der zweiten Familie von Einsätzen wird der zweiten Befestigungsoberfläche der Basis zugeordnet und festgestellt, wobei dessen Positionierungsmerkmal so konfiguriert ist, dass es zu dem Positionierungsmerkmal der zweiten Befestigungsfläche zugeordnet ist, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals des vierten Einsatzes in Bezug auf die Basis zu definieren. Ein zweites Element der Familie von Werkstücken wird dann auf den Werkstückunterstützungsmerkmalen der dritten und vierten Einsätze positioniert und festgestellt. Das zweite Werkstück nimmt eine charakteristische Position und Ausrichtung in Bezug auf die Metallbearbeitungsmaschine für die Bearbeitung des Werkstückes an. Nach der Bearbeitung des zweiten Werkstückes wird das bearbeitete Werkstück aus den Werkstückunterstützungsmerkmalen der dritten und vierten Einrichtungen entnommen.
Die Ersetzung des ersten Satzes von Einsätzen (der ersten Elemente der ersten und zweiten Familie von Einsätzen) durch den zweiten Satz von Einsätzen (den zweiten Elementen der ersten und zweiten Familie von Einsätzen) ermöglicht die Bearbeitung eines zweiten Werkstückes nach der Bearbeitung eines ersten Werkstückes ohne einen Zwischenschritt einer Einstellung der gemeinsamen Basis zu der Metallbearbeitungsmaschine. Jedes Element des zweiten Satzes von Einsätzen ist in Bezug auf das entsprechende Element des ersten Satzes von Einsätzen so konfiguriert, dass es bezüglich der Dimensionsdifferenzen zwischen den entsprechenden ersten und zweiten Werkstückelementen angepasst ist. Die Konfigurationsdifferenzen zwischen den entsprechenden Einsätzen der ersten und zweiten Sätze ermöglichen der modularen Aufspannvorrichtung das entsprechende Werkstück in der korrekten Position und Ausrichtung zur Bearbeitung durch die Metallbearbeitungsmaschine zu positionieren.
Wenn in einer Metallbearbeitung die Produktion einen Wechsel von der Bearbeitung des Werkstückes 198 zum Werkstück 298 erfordert, entfernt der Techniker die in 10 dargestellten Einsätze 50 und 60 und baut die Einsätze 150 und 160 ein. Das Werkstück 298 wird dann in die Werkstückunterstützungen der Einsätze 150 und 160 eingesetzt. Gemäß Vergleich der 12 und 15 befindet sich die Position der Flächen 805 des Werkstückes 198 und 905 des Werkstückes 298 in derselben Stellung und Ausrichtung. Beide Flächen 805 und 905 haben ihre Mittelpunkte genau an derselben Stelle in Bezug auf die Basis. Demzufolge kann die Metallbearbeitung der Bohrung und der Abschrägungen in dem Werkstück 298 ohne Einstellung in der Position oder in der Ausrichtung der zum Bearbeiten des Werkstückes 198 verwendeten Maschine ausgeführt werden.
Die Ähnlichkeit in der Konfiguration der Werkstückunterstützungsmerkmale des zweiten Einsatzsatzes 150 und 160 mit denen des ersten Einsatzsatzes 50 und 60 ermöglicht einen raschen Wechsel von einem ersten Werkstück 198 auf ein zweites Werkstück 298, welches in der Konfiguration verwandt, aber im Detail entsprechend unterschiedlich ist. Die aufeinander folgenden Metallbearbeitungen an dem ersten Werkstück 198 und dem zweiten Werkstück 298 erfordern keine Neueinstellung der Basis 20. Die Verwendung der modularen Aufspannvorrichtung der Erfindung mit einer Familie von Einsätzen 50 und 60, 150 und 160 von Einsatzsätzen ermöglicht eine Bearbeitung einer Familie von Werkstücken 198, 298, ohne Änderung der Basisaufspanneinrichtung, um dadurch Schritte zu vermeiden, die normalerweise erforderlich sind, die Basisaufspannvorrichtung auszutauschen, einschließlich der Einstellung der Basis zu der Metallbearbeitungsmaschine. Wenn identische Metallbearbeitungen an beiden Werkstücken 198 und 298 erforderlich sind, kann die Konfiguration der Werkstückunterstützungsmerkmale des zweiten Satzes der Einsätze 150, 160 so konfiguriert werden, dass er das Werkstück 298 in einer Stellung zur Bearbeitung positioniert, die keine Änderung in der Positionierung sowohl der Basis als auch der Metallbearbeitungsmaschine erfordert. Gemäß Darstellung in 12 und 15 können aufeinander folgende Werkstücke 198 und 298, welche in der Konfiguration verwandt, aber im Detail unterschiedlich sind, mit identischen Werkstückoperationen (Bohrung und die abgeschrägten Flächen) bearbeitet werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat eine modulare Aufspannvorrichtung 10 eine Basis und in 17 dargestellte Einsätze 250 und 260. In dieser Aus führungsform sind die auf den oberen Abschnitten der Einsätze 250 und 260 konfigurierten Werkstückunterstützungsmerkmale im Wesentlichen dieselben wie die in 10 für die Einsätze 50 und 60 dargestellten. Die Einsätze 250 und 260 können dasselbe Werkstück 198 wie die Einsätze 50 und 60 unterstützen. Jedoch wurden die unteren Abschnitte der Einsätze 250 und 260 sowie die Aussparungen und die Feststelleinrichtungen für die Einsätze in den Aussparungen gegenüber den mit den in 10 verwendeten Einsätzen 150 und 160 ausgetauscht. Die Konfiguration des Einsatzes und die Auswahl einer Feststelleinrichtung für den Einsatz können durch den Typ der erforderlichen Bearbeitung (z.B. Bohren, Fräsen, usw.) und die Bearbeitungsstellung auf dem Werkstück angezeigt sein. In 17 ist der Einsatz 260 so konfiguriert, dass er einer Bewegung widersteht, und fester in seiner Aussparung durch Kräfte festgestellt wird, die entweder in der +z (Abwärts) Richtung oder in den Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen (entlang der y Achse) ausgeübt werden. Der Einsatz 250 ist dafür konfiguriert, einer Bewegung durch Kräfte zu widerstehen, die auf den Einsatz entweder in der -z (Abwärts) Richtung oder von den Seitenrichtungen (entlang der x Achse) ausgeübt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat ein in 18 dargestelltes Werkstück 398 eine charakteristische Konfiguration. Das Werkstück ist für eine Kompressorlaufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk typisch. In einer typischen Metallbearbeitung auf der Kompressorlaufschaufel wird das Ende 399 der Laufschaufel auf genaue Abmessungen bezüglich ihres (in der Figur als ein Kugelgelenk 303 dargestellten Schwalbenschwanz beschnitten. Der relativ dünne Querschnitt des Schaufelblattes entlang seiner Länge lässt es für eine Bewegung und Schwingung in ei ner typischen Fräsoperation, die das Ende des Schaufelblattes beschneidet, anfällig sein.
19 stellt eine modulare Aufspannvorrichtung zum Fräsen des Endes der Kompressorlaufschaufel 398 dar. Die Vorrichtung weist eine Basis mit einer ersten Aussparung 330 auf der Fläche 339 der Basis und eine zweite Aussparung 340 auf. Die Vorrichtung besitzt auch einen ersten Einsatz 350, der von seiner zugeordneten Aussparung 330 getrennt dargestellt ist, und einen zweiten Einsatz 360, der von seiner zugeordneten Aussparung 340 getrennt dargestellt ist. Die Vorrichtung besitzt auch einen dritten Einsatz 750, welcher in seine Aussparung 630 eingesetzt dargestellt ist. Der erste Einsatz 350 wird zum Positionieren und Feststellen des Schwalbenschwanzes 303 der Laufschaufel verwendet. Der zweite Einsatz 360 unterstützt die Unterseite des Schaufelblattes 397 an einer Position in der Nähe des Endes der Laufschaufel. Der dritte Einsatz 750 unterstützt die Oberseite des Schaufelblattes 397 gegenüber dem zweiten Einsatz 360. Eine Knebelklemme erzeugt eine in 20 dargestellte Kraft A entlang der y Achse des Werkstückes gegen das Kugelgelenk in der +y Richtung. Ein (nicht dargestellter) hydraulischer Zylinder hat einen Arm 705 mit einer Aussparung 630, in welcher ein Einsatz 750 ähnlich zu dem in 8 dargestellten Arm 705 und der Aussparung 630 befestigt ist. Der Zylinder stellt eine abwärts gerichtete Kraft B auf den verstellbaren dritten Einsatz 750 nach der Positionierung über dem Schaufelblatt bereit, um den Schaufelabschnitt gegen eine Bewegung zu sichern, indem er sie gegen den zweiten Einsatz 360 gemäß Darstellung in 20 drückt. Die Kombination und das Zusammenwirken der Einsätze 350, 360 und 750 erzeugt eine genaue Positionierung und Feststellung des Werkstückes während der Beschneideoperation des Endes.
Der Einsatz 350 besitzt einen unteren Abschnitt mit einer Konfiguration ähnlich der des auf der rechten Seite von 9 dargestellten Einsatzes 60. Der Einsatz 350 enthält einen unteren Abschnitt mit einem Absatz 368 mit einer oberen Haltefläche 366, einer Oberseite 363 und Freigabekrümmungen 369. Der Einsatz besitzt einen oberen Abschnitt mit mehreren Werkstückunterstützungsmerkmalen, welche aus Schwalbenschwanzhalterungen 30 und Unterstützungselementen 377 und 378 bestehen. Die Schwalbenschwanzhalterungen sind so konfiguriert, dass sie mit der Kraft A (dargestellt in 20) zusammenwirken, um den Schwalbenschwanz 303 zu befestigen und an einer Bewegung in jeder Richtung zu hindern. Die Unterstützungselemente 377 und 378 sind so konfiguriert, dass sie die Laufschaufelbasis 396 dazwischen positionieren.
Die Aussparung 330 ist so konfiguriert, dass sie den Einsatz 350 der Basis zuordnet und feststellt. Die Aussparung 330 ist auf der Basisfläche 339 der Basis positioniert und in einem Winkel von etwa 45° zu der Basis ausgerichtet. Der Einsatz 350 wird in die Aussparung eingeführt und darin mit einer in 20 dargestellten Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung 370 in der Entnahmeposition festgestellt. Die Ausrichtung des Einsatzes stellt einen günstigen Winkel zum Einführen und Entfernen des Werkstückes bereit.
Die Einführung des Werkstückes in die Vorrichtung erfolgt typischerweise von Hand. Das Werkstück wird nach der Bearbeitung typischerweise durch eine im Fachgebiet bekannte Ausstoßeinrichtung entfernt. Die Fläche 339 kann mit ei nem Durchtritt 347 konfiguriert sein, durch welche ein pneumatisch betätigter (nicht dargestellter) Auswurfstift aus dem Inneren der Basis geschoben werden kann. Nach dem Bearbeiten des Werkstückes wird der Auswurfstift betätigt, um durch eine Öffnung 367 in der Fläche 377 des Einsatzes 350 zu treten. Der Auswurfstift berührt die Laufschaufelbasis 396, und wirft das Werkstück aus der Anordnung aus.
Der Einsatz 360 weist einen unteren Abschnitt auf, der ähnlich zu dem in 1 dargestellten Einsatz 50 ist, obwohl er in der y Richtung ausgerichtet ist. Der Einsatz 360 ist der Aussparung 340 zugeordnet, welcher ebenso ähnlich wie die in 1 dargestellte Aussparung 40 konfiguriert ist. Der Einsatz 360 hat ein aus einer Werkstückunterstützungsfläche 731 bestehendes Werkstückunterstützungsmerkmal, das genau auf eine Kontur bearbeitet ist, die mit der Kontur der Unterseite des Schaufelblattes 397 an dessen Unterstützungsort übereinstimmt. Der Einsatz 750 hat ein aus einer Werkstückunterstützungsfläche 732 bestehendes Werkstückunterstützungsmerkmal, das genau auf eine Kontur bearbeitet ist, die mit der Kontur der Oberseite des Schaufelblattes 397 an dessen Unterstützungsort übereinstimmt Der Schwalbenschwanz 303 des Werkstückes wird zuerst in dem Einsatz 350 positioniert und mit seinem Schaufelblatt durch den Einsatz 360 unterstützt. Der verstellbare Einsatz 750 wird so positioniert, dass er mit der Oberseite des Schaufelblattes übereinstimmt. Sobald alle Einsätze positioniert und Feststellungskräfte A und B (auf den Schwalbenschwanz bzw. den verstellbaren Einsatz 750) aufgebracht sind, ist das Werkstück festgestellt und für die Bearbeitung bereit.
Die vorliegende Erfindung ist als ein Verfahren zur Durchführung einer Metallbearbeitung an einer Familie von Kompressorlaufschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk nützlich. Wenn die Produktion einen Wechsel von der Bearbeitung einer Laufschaufel 398 auf ein nächst größeres Kompressorlaufschaufelelement derselben Familie erfordert, entfernt der Techniker den Satz der in 20 dargestellten Einsätze 350, 360 und 750, und baut einen Satz von Mitgliedseinsätzen (aus der Familie der Einsätze) mit der nächsten Größe ein und befestigt diesen, der der Kompressorlaufschaufel mit der nächsten Größe entspricht. Die Kompressorlaufschaufel mit der nächsten Größe wird dann in die Werkstückunterstützungen des Satzes von Einsätzen mit der nächsten Größe eingesetzt. Die Einsätze des Satzes der nächsten Größe sind so konfiguriert, dass sie die Kompressorlaufschaufel der nächsten Größe in einer Position und Ausrichtung positionieren, die ein Fräsen von deren Ende ohne Änderung der Aufspannbasis oder Durchführung irgendeiner Anpassung in der Position oder Ausrichtung der Basis auf der Metallbearbeitungsmaschinen ermöglicht. Eine ganze Familie von Kompressorlaufschaufeln kann auf einer modularen Aufspannvorrichtung unter Verwendung einer gemeinsamen Basis und einer entsprechenden Familie von Einsatzsätzen bearbeitet werden.
Wie vorstehend angegeben, kann die Basis der vorliegenden Erfindung aus einer Reihe einzelner laminarer Platten aufgebaut sein, die zueinander ausgerichtet und aneinander befestigt sind. Derartige laminare Platten können ausgerichtet werden, indem Passlöcher durch zwei oder mehr derartiger Platten gebohrt und aufgerieben werden, und dann Passstifte durch die Passlöcher eingepresst werden. Alternativ können Keilnuten in aneinander grenzende Oberflächen benachbarter Platten geschnitten werden und rechteckige Keile darin eingesetzt werden. Jede weitere Einrichtung zum genauen Einstellen einer Platte in Bezug auf eine benachbarte Platte könnte ebenso eingesetzt werden. Die laminaren Platten können vorteilhaft durch Verschrauben aneinander befestigt werden. Verschrauben bietet den Vorteil, dass die zusammengebaute Basis zerlegt werden kann, um eine der laminaren Platten zu reparieren oder zu ersetzen, die im Betrieb verschlissen oder beschädigt wurden. Weitere Einrichtungen zum Befestigen der Platten aneinander, wie z.B. durch Umgeben der Platten mit einem Rahmen und Einführen eines Paares von Keilen zwischen den Platten und dem Rahmen würden ebenfalls genügen.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bietet eine laminare Basis eine vorteilhafte Einrichtung zum Aufbau einer Aussparung mit genauen Abmessungen und genauen parallelen Seiten darin. Der in 9 dargestellte, eine Aussparung 40 aufweisende Abschnitt, der Basis 20 veranschaulicht diesen Aspekt der Erfindung. Um einen Einsatz 60 genau in der Aussparung 40 aufzunehmen, sind die Seitenwände 44 typischerweise parallel zueinander und über einen genauen Abstand, der geringfügig größer als der Abstand zwischen den Seitenflächen 64 des Einsatzes ist, getrennt. Ebenso ist der Schlitz 328 in der Basis typischerweise in der Breite etwas größer als die Dicke der in 11 dargestellten Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung 370. Somit kann der Abschnitt der Basis 20, der die Aussparung 40 enthält, aus fünf laminaren Platten hergestellt werden, die in einer vertikalen Position von den Abschnitten unten links zu den oben rechts von 9 ausgerichtet sind. Die fünf Platten sind eine den Schlitz 328 aufweisende erste Platte, die zwei Seitenwände aufweisende zweite und dritte Platten, und den Schlitz von der benachbarten Seitenwand in Abstand hal tende vierte und fünfte Platten. In diesem Beispiel wird die erste Platte auf eine spezifizierte Dicke geschliffen und die Kontur der Aussparung für die Aufnahme der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung herausgearbeitet. Die vierten und fünften Platten werden auf ihre entsprechenden Dicken geschliffen. Die zweiten und dritten Platten werden ebenfalls auf ihre entsprechenden Dicken geschliffen. Die fünf Platten werden dann, während Einstellungs- und Verschraubungslöcher durch alle fünf Platten gebohrt werden, zusammengeklemmt. Die ersten, vierten und fünften Platten werden vorübergehend miteinander verklemmt, während die Konturen der Vorder- und Rückwände 47 bzw. 45, des Bodens 43 und der überhängenden Lippe 46 und der Freiraumrücksprung 48 bearbeitet werden. Eine Draht-EDNI-Bearbeitungsoperation kann die erforderliche Genauigkeit in der Bearbeitung der Kontur dieser Flächen bereitstellen und sicherstellen, dass jede von diesen Flächen zu den Flächen der Platten senkrecht ist. Jeder weitere Bearbeitungsprozess kann verwendet werden, obwohl das Erzielen der erforderlichen Genauigkeit schwierig sein kann. Die fünf Platten würden dann teilpermanent miteinander verbunden werden.
Ein Einsatz kann auch aus einer Reihe bestimmter laminarer Platten hergestellt werden. Beispielsweise kann der Einsatz 350 in 19 und 20 in einer Weise analog zu der gerade eben für die Erzeugung der Basis beschriebenen hergestellt werden. Es wird auch in Betracht gezogen, dass eine gesamte Aufspannvorrichtung, unabhängig davon, ob diese Aufspannvorrichtung die modularen Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält oder nicht, aus einer Reihe diskreter laminarer Platten hergestellt werden kann. Umstände, die ein Aufspannwerkzeug begünstigen, das mit laminaren Platten hergestellt wird, umfassen die Notwendigkeit eines genau dimensionierten Hohlraums auf einer Oberfläche des Spannwerkzeuges, eine Notwendigkeit genau paralleler Oberflächen auf dem Aufspannwerkzeug oder eine Notwendigkeit zur Zerlegung des Aufspannwerkzeuges zur Reparatur.
Die Erfindung wurde in Form einer Basis mit einer Aussparung beschrieben und dargestellt, in welche ein Einsatz mit einem zusammenwirkenden unteren Abschnitt eingeführt wird. Es wird jedoch in der vorliegenden Erfindung auch in Betracht gezogen, den Einsatz der Basis mittels anderer Einrichtungen zuzuordnen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Befestigungsoberfläche aus einer hochstehenden Fläche auf der Basis bestehen, welche dem unteren Abschnitt eines Einsatzes, wie z.B. den unteren Abschnitt 56 des Einsatzes 50 wie in 1 beschrieben und dargestellt, ähneln kann. Die hochstehende Fläche der Basis kann so konfiguriert sein, dass sie einem Einsatz zugeordnet ist, der eine entsprechend konfigurierte Aussparung aufweist, wie z.B. die Aussparung 30, wie sie in 1 beschrieben und dargestellt wurde.

Claims

Modulare Aufspannvorrichtung zum Durchführen einer Metallbearbeitung an einem Werkstück (198), wobei die Vorrichtung aufweist: (a) eine für eine teilpermanente Befestigung an einem Tisch einer Metallbearbeitungsmaschine konfigurierte Basis (20), wobei die Basis eine Befestigungsfläche (33, 43) mit einer Aussparung (30, 40) aufweist; (b) einen entfernbaren Einsatz (50, 60) der der Befestigungsfläche (33, 43) durch Einsetzen zugeordnet ist, wodurch der Einsatz durch die Befestigungsfläche selbst nur in einer Richtung, aus welcher der Einsatz der Aussparung zugeordnet wird, nicht festgestellt ist, und mit einem Werkstückunterstützungsmerkmal (71, 72, 77, 76) auf der Fläche des Einsatzes; und gekennzeichnet durch: (c) die Befestigungsfläche (33, 43) und den Einsatz (50, 60), die jeweils ein Positionierungsmerkmal (31, 41) aufweisen; und (d) eine Feststelleinrichtung (90, 370) mit einer ersten Anordnung, in welcher der Einsatz an der Befestigungsfläche festgestellt ist, wodurch das Positionierungsmerkmal des Einsatzes dem Positionierungsmerkmal der Befestigungsfläche zugeordnet ist, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals in Bezug auf die Basis zu definieren, und mit einer zweiten Anordnung, in welcher der Einsatz wenigs tens teilweise aus der Befestigungsfläche entnommen werden kann.
Modulare Aufspannvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Feststelleinrichtung (90, 370) zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung verstellbar ist.
Modulare Aufspannvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Feststelleinrichtung eine Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung (370) aufweist, mit: (a) einer Einrichtung (372) zum Schwenken der Vorrichtung zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung; (b) einem Arretierungsmerkmal (371), das dafür konfiguriert ist, an dem Einsatz anzugreifen und diesen in der Aussparung festzustellen, sobald die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in die erste Anordnung geschwenkt ist; und (c) einem Entnahmemerkmal (374), das dafür konfiguriert ist, wenigstens teilweise den Einsatz aus der Aussparung zu entnehmen, sobald die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung aus der ersten Position in die zweite Position geschwenkt ist.
Modulare Aufspannvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: (a) die Aussparung (40) mehrere Flächen (43; 44, 45) aufweist, die zusammen das Positionierungsmerkmal (41) der Aussparung definieren; (b) der Einsatz (60) eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, die mehrere Flächen (57, 55, 59, 54) aufweist, wobei wenigstens zwei davon zusammen den Positionierungspunkt (61) des Einsatzes definieren; (c) der Einsatz so konfiguriert ist, dass er sanft in die Aussparung gleitet; (d) das Arretierungsmerkmal (371) der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung so konfiguriert ist, dass es an der Oberseite des Einsatzes angreift, wenn die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in ihrer ersten Position angeordnet ist, um dadurch den Einsatz in der Aussparung festzustellen; und (e) das Entnahmemerkmal (374) der Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung so konfiguriert ist, dass es gegen die Oberseite des unteren Abschnittes des Einsatzes drückt, sobald die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung in ihre zweite Position geschwenkt ist, um dadurch wenigstens teilweise den Einsatz aus der Aussparung zu entnehmen.
Modulare Aufspannvorrichtung nach Anspruch 3, welche fernerein eine Sperreinrichtung (376) aufweist, um die Entnahme/Arretierungs-Vorrichtung zu veranlassen, in ihrer ersten Position zu bleiben.
Modulare Aufspannvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Einsatz (60) ferner einen Vorsprung (68) aufweist, der angrenzend an eine erste Seite des unteren Abschnittes gegenüber der Oberseite der Aussparung angeordnet ist, wobei der Vorsprung eine Haltefläche aufweist, und wobei die Aussparung ferner eine überhängende Lippe (46) angrenzend an und über einer Vorderseite der Aussparung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie an der Haltefläche des Vorsprungs angreift und die erste Seite des Einsatzes in der Aussparung feststellt.
Modulare Aufspannvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Aussparung (30, 40) ferner ein Aussparungsausrichtunasmerkmal so aufweist, dass der Einsatz (50, 60) der Aussparung nur in einer Ausrichtung zugeordnet werden kann.
Verfahren zum Durchführen einer Metallbearbeitungan einem Werkstück (198), bevorzugt einer Kompressorlaufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk unter Verwendung einer modularen Einspannvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: (a) Bereitstellen einer modularen Aufspannvorrichtung mit einer gemeinsamen Basis (20), wobei die gemeinsame Basis wenigstens eine Befestigungsfläche (30) mit einem Positionierungsmerkmal (33) hat, und mit einem ersten Einsatz (50) mit einem Positionierungsmerkmal (53), der auf einer Fläche ein Werkstückunterstützungsmerkmal (71) enthält; (b) Positionieren der gemeinsamen Basis auf einem Tisch (8) einer Metallbearbeitungsmaschine; (c) Ausrichten der gemeinsamen Basis zu der Metallbearbeitungsmaschine; (d) halbpermanentes Feststellen der ausgerichteten gemeinsamen Basis an dem Tisch; (e) Bereitstellen eines ersten Werkstückes (198); (f) Positionieren und Befestigen des ersten Werkstückes auf dem Werkstückunterstützungsmerkmal des ersten Einsatzes, wobei das erste Werkstück eine charakteristische Position und Ausrichtung in Bezug auf die Metallbearbeitungsmaschine für die Bearbeitung des Werkstückes einnimmt; (g) Bearbeiten des ersten Werkstückes mit der Metallbearbeitungsmaschine; (h) Entfernen des bearbeiteten ersten Werkstückes aus dem ersten Einsatz, und gekennzeichnet durch: (i) Zuordnen und Feststellen des ersten Einsatzes zu der Befestigungsfläche, wobei das Positionierungsmerkmal des ersten Einsatzes so konfiguriert ist, das es dem Positionierungsmerkmal der Befestigungsfläche zugeordnet ist, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals des ersten Einsatzes in Bezug auf die gemeinsame Basis zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt (a) ferner die Bereitstellung eines zweiten Einsatzes (60) mit einem Positionierungsmerkmal (63) und einem Werkstückunterstützungsmerkmal auf einer Fläche davon aufweist, und wobei die gemeinsame Basis eine zweite Befestigungsfläche (40) mit einem Positionierungsmerkmal (43) aufweist; wobei der Schritt (i) ferner ein Zuordnen und Feststellen des zweiten Einsatzes an der zweiten Befestigungsfläche mit dem Positionierungsmerkmal der zweiten Befestigungsfläche aufweist, um eine Position des Werkstückunterstützungsmerkmals des zweiten Einsatzes in Bezug auf die gemeinsame Basis zu definieren; und wobei der Schritt (f) das Positionieren und Feststellen des ersten Werkstückes auf dem ersten Werkstückunterstützungsmerkmal des ersten Einsatzes und dem Werkstückunterstützungsmerkmal des zweiten Einsatzes aufweist, wobei das erste Werkstück eine charakteristische Position und Ausrichtung in Bezug auf die Metallbearbeitungsmaschine für die Bearbeitung des Werkstückes einnimmt, und wobei bevorzugt in dem Verfahren der Schritt von (j) ferner die Bewertung des bearbeiteten ersten Werkstückes aufweist, um festzustellen, ob das bearbeitete Werkstück akzeptabel bearbeitet ist; wobei, wenn ein bearbeitetes Werkstück nicht akzeptabel bearbeitet ist, die Schritte (d) bis (i) für die Bearbeitung nachfolgender erster Werkstücke (198) wiederholt werden, und wobei, wenn ein bearbeitetes Werkstück akzeptabel bearbeitet ist, die Schritte (f) bis (i) für die Bearbeitung nachfolgender erster Werkstücke (198) wiederholt werden.