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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen eines eine ringförmige
Wandung aufweisenden Werkstückes gemäß den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum
Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Vorrichtungen
zum Einspannen von ringförmigen Wandungen eines Werkstückes
sind z. B. aus
WO
00/45983 A1 bekannt. Die dort beschriebene Spannvorrichtung
ist zum Einspannen eines um eine Drehachse rotierenden Werkstücks,
insbesondere eines Werkzeughalters für ein Bohr-, Fräs-,
Schleifwerkzeug oder dergleichen vorgesehen und umfasst eine Grundkörpereinheit
mit einer zur Drehachse zentrischen Aufnahmeöffnung, in
die ein ringförmiger Schaft des Werkstücks von
einem Stirnende her axial einsteckbar ist. Der ringförmige
Schaft weist eine verhältnismäßig dicke
ringförmige Wandung auf, an dem das Werkstück
von einem Stirnende her axial einsteckbar ist. In der Aufnahmeöffnung
für das Werkstück sitzt eine Spannzange sowie
eine relativ zu einer Grundkörpereinheit der Vorrichtung
axial verstellbar an dieser geführte Zangenbetätigungseinheit
zur Betätigung der Spannzange. Die Zangenbetätigungseinheit
ist axial mittels einer Wälzkörperanordnung an
der Grundkörpereinheit geführt.
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Darüber
hinaus sind auch andere Spannvorrichtungen für Werkstücke
mit ringförmigen Wandungen bekannt, bei denen eine sogenannte
Dreipunktspannung erfolgt. Dabei wird ein dreieckförmiger Spannrahmen
beispielsweise gegen die Innenwandung des ringförmigen
Werkstückes gespannt.
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Die
bekannten Spannvorrichtungen sind insbesondere dann problematisch,
wenn deformationskritische Werkstücke auf einer rotierenden
Maschinenspindel oder einem feststehenden Maschinentisch bearbeitet
werden sollen und dafür dort eingespannt werden. Die bekannten
Spannvorrichtungen führen nämlich beim Einspannen
solcher deformationskritischer Werkstücke, also solcher
Werkstücke, die eine sehr dünne und damit leicht
verbiegbare ringförmige Innenwandung aufweisen dazu, dass sich
das Werkstück und insbesondere die ringförmige
Innenwandung in unerwünschter Weise beim Spannvorgang verformt.
Besonders problematisch ist dies bei den bekannten Dreipunktspannvorrichtungen,
bei denen ein Dreibein gegen die Innenwandung oder Außenwandung
des Werkstückes für dessen Arretierung gedrückt
wird.
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Mittlerweile
ist es aber so, dass in immer größer werdendem
Umfang deformationskritische Werkstücke bearbeitet werden
müssen. Die Werkstücke werden nämlich
immer dünnwandiger, um dem Erfordernis in der Automobilindustrie
nachzukommen, dass die einzelnen Komponenten eines Fahrzeuges ein
möglichst geringes Gewicht aufweisen. Es liegt auf der
Hand, dass dünnwandige Werkstücke sind für diese
Anforderungen im Vergleich zu dickwandigeren Werkstücken
bestens geeignet sind.
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Die
vorliegende Erfindung hat deshalb das Ziel, eine Vorrichtung zum
Spannen solcher deformationskritischer Werkstücke anzugeben,
wobei ein ungewolltes Verbiegen und Deformieren des Werkstückes
beim Zentrier- und Spannvorgang des Werkstückes auf einer
Maschinenspindel bzw. einem Maschinentisch in wirksamer Weise vermieden
wird. Zudem soll sich die aufzufindende Spannvorrichtung dadurch
auszeichnen, dass diese als separate Baueinheit auf einer hierfür
vorgesehenen Maschinenspindel bzw. einem hierfür vorgesehenen
Maschinentisch montierbar ist.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum
Betreiben einer solchen Spannvorrichtung anzugeben.
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Dieses
Ziel wird vorrichtungsgemäß durch eine Spannvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen
dieser Spannvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche
2 bis 10.
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Eine
Lösung für das aufzufindende Verfahren ist Gegenstand
des Anspruchs 11.
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Weiterbildungen
dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Ansprüchen 12 bis 15 angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspannen eines
eine ringförmige Wandung aufweisenden Werkstücks
sieht im Wesentlichen eine Spannzangeneinrichtung sowie eine Spannzangenbetätigungseinrichtung
auf. Dabei weist die Spannzangeneinrichtung eine erste Spannzange
und eine zweite Spannzange und die Spannzangenbetätigungseinrichtung
eine erste Betätigungseinrichtung zum Betätigen
der ersten Spannzange und eine zweite Einrichtung zur Betätigung
der zweiten Spannzange auf. Hierbei ist die erste Spannzange mit
einer ringförmigen Anordnung von mehreren Spannzangenelementen
zur Anlage an einer Innenwandung des Werkstücks und die
zweite Spannzange mit einer ringförmigen Anordnung von
mehreren Spannzangenelementen zur Anlage an einer Außenwandung
des Werkstücks versehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Spannen des deformationskritischen
Werkstückes mit seiner verhältnismäßig
dünnwandigen, ringförmigen Wandung sieht im Wesentlichen
vor, dass sowohl die erste Spannzange, zweite Spannzange und die
zugehörenden Betätigungseinrichtungen als separat
handhabbare Einheit auf einen stehenden Maschinenträger
oder eine rotierende Maschinenspindel 5 befestigt sind
und dort unabhängig voneinander gespannt werden können.
Dabei wird zunächst vorsichtig eine der Spannzangen gegen
die Innenwandung des Werkstücks gespannt und erst anschließend
die andere Spannzange gegen die Außenwandung des Werkstückes.
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Weiterbildungen
dieses Spann- und Zentrierverfahrens sind in den Ansprüchen
11 bis 17 angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspannen eines
eine ringförmige Wandung aufweisenden Werkstückes
und ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung wird anhand eines
konkreten Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit vier
Figuren nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer in Rotation versetzbaren Maschinenspindel,
auf die am vorderen Ende die Vorrichtung zum Einspannen des deformationskritischen
Werkstückes vorgesehen ist, wobei das Werkstück
ebenfalls in Schnittansicht dargestellt, jedoch noch nicht in die
Vorrichtung eingespannt ist,
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2 eine
Detailansicht von 1 im Bereich der Spannzangenaufnahmen,
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3 das
in die Aufnahmeöffnung der Spannzangeneinrichtung von 1 bzw. 2 bereits
eingesetzte Werkstück, wobei die erste Spannzangeneinrichtung
bereits gespannt und die zweite Spannzangeneinrichtung noch entspannt
ist, und
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4 eine ähnliche
Darstellung wie 3, wobei jetzt neben der ersten
Spannzangeneinrichtung auch die zweite Spannzangeneinrichtung gespannt
ist.
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In
den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben,
gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel wird dabei davon ausgegangen, dass
die Vorrichtung zum Spannen bzw. Einspannen und Zentrieren des Werkstückes stirnseitig
auf dem Ende einer Maschinenspindel 5, die in Rotation
versetzbar ist, sitzt. Es versteht sich jedoch, dass anstelle der
rotierbaren Maschinenspindel 5 auch ein stationär
feststehender Maschinentisch zur Aufnahme der nachfolgend im Einzelnen
beschriebenen Vorrichtung zum Spannen des Werkstückes vorgesehen
sein kann.
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In
den 1, 3 und 4 wird ebenfalls beispielhaft
als einzuspannendes und später zu bearbeitendes Werkstück 10 ein
in der Schnittansicht topfförmig gestaltetes Werkstück 10 mit
verhältnismäßig dünner Wandung
bereitgestellt. Dieses Werkstück 10 verfügt über
eine ringförmige Wandung 11. Das freie Ende des
Werkstücks 10 und damit der vordere freie Abschnitt
der ringförmigen Wandung 11 ist dafür
vorgesehen, in eine ringförmige Aufnahmeöffnung,
die mit dem Bezugszeichen 80 versehen ist, der Spannvorrichtung
eingefügt und dort verspannt zu werden. Die ringförmige
Wandung 11 des Werkstücks 10 verfügt über
eine Innenwandung 11a und eine Außenwandung 11b.
Der Innendurchmesser des Werkstückes 10 im Bereich
der Innenwan dung 11a kann beispielsweise zwischen 1 m und
1,5 m groß sein. Andere Innendurchmesser sind selbstverständlich
auch möglich.
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In 1 ist
das Werkstück 10 noch nicht in die nachfolgend
zu erläuternde Spannvorrichtung eingesetzt.
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Die
Spannvorrichtung sitzt am vorderen freien Ende der Maschinenspindel 5 umfangsseitig
auf und ist dort drehfest und lösbar, z. B. über
geeignete Schraubmittel, mit der Maschinenspindel 5 in
Verbindung. Hierfür verfügt die Spannvorrichtung über
einen Haltering 7, der im Zusammenspiel mit einer umlaufenden
Wandung der Maschinenspindel 5 eine ringförmige Öffnung
bildet, in die ein Aufnahmering 8 eingesetzt ist. Die Maschinenspindel 5,
der Haltering 7 und der darin aufgenommene Aufnahmering 8 sind rotationssymmetrisch
zur Mittenachse 15 der gesamten Anordnung platziert. Der
Aufnahmering 8 nimmt eine Vielzahl von Komponenten der
Spannvorrichtung auf, nämlich eine erste Spannzangeneinrichtung 20 und
eine zweite Spannzangeneinrichtung 30, die ebenfalls jeweils
rotationssymmetrisch zur Mittenachse 15 ausgebildet sind.
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Zur
ersten Spannzangeneinrichtung 20 gehören eine
Vielzahl von ringförmig angeordneten Spannzangenelemente 21,
die an einen ringförmigen Bodenflansch 22 vorzugsweise
einstückig angeformt sind. Der ringförmige Bodenflansch 22 ist
dabei über eine Vielzahl von Schrauben 33, deren
Steckrichtungen parallel zur Mittenachse 15 liegen, an
dem Aufnahmering 8 festgeschraubt und damit dort feststehend
befestigt. Die Vielzahl von Spannzangenelemente 21 erstreckt
sich weitgehend parallel zur Mittenachse 15 von dem ringförmigen
Bodenflansch 22 weg und kann parallel zu dieser Mittenachse 15 etwas
hin und her federn. Die einzelnen Spannzangenelemente 21 sind
durch Schlitze voneinander getrennt. Jedes der Spannzangenelemente 21 weist eine weitgehend
parallel zur Mittenachse 15 verlaufende Spannfläche 21a auf,
die zum Anliegen an die Außenwand 11b der ringförmigen
Wandung 11 des Werkstücks 10 vorgesehen
ist. Auf der zur Spannfläche 21a gegenüberliegenden
Seite des Spannzangenelements 21 verläuft eine
schräge Wandung 21b, wodurch sich das Spannzangenelement 21 nach
vorne zum freien Ende hin, also weg vom ringförmigen Bodenflansch 22 verjüngt.
An dieser sich verjüngenden Fläche 21b liegt
ein konus- bzw. kegelförmig gestaltetes Blockteil 45 an.
In 1 und 2 ist die Ruhestellung dieses
Blockteils 45 gezeigt. Idealerweise schmiegt sich im Ruhezustand
das Blockteil 45 mit seinem Betätigungskonus 46 vollständig
an die schräge Wandung 21b des Spannzangenelements 21 an
und fluchtet auch stirnseitig an seinem freien Ende mit dem Spannzangenelement 21.
Dieses Blockteil 45 ist parallel zur Mittenachse 15 bewegbar. Hierfür
ist das Blockteil 45 über eine Schraubverbindung 44 mit
einem ersten Ringkolben 40 feststehend verbunden. Der Ringkolben 40 kann
beispielsweise einen Durchmesser von 150 cm aufweisen. Links und rechts
vom Ringkolben 40 befinden sich Druckkammern. Zwischen
dem Ringkolben 40 und dem Aufnahmering 8 ist eine
erste Druckkammer 42 ausgebildet, die sich also auf der
rechten der in 1 rechts dargestellten Stirnseite
des Ringkolbens 40 befindet. Auf der linken Stirnseite
des Ringkolbens 40 befindet sich eine zweite Druckkammer 43,
die demzufolge zwischen dem Ringkolben 40 und der Wandung
des Halterings 7 sitzt. Geeignete Dichtungen 41 sorgen dafür,
dass die beiden Druckkammern 42 und 43 dicht sind.
Hierfür sind beispielsweise Dichtungsringe 41 zwischen
dem Haltering 7 und dem ersten Ringkolben 40 sowie
zwischen dem ersten Ringkolben 40 und dem Aufnahmering 8 angeordnet.
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In ähnlicher
Weise ist eine zweite Spannzangeneinrichtung 30 in der
zwischen Maschinenspindel 5 und Haltering 7 gebildeten Öffnung
platziert. Die zweite Spannzangeneinrichtung 30 weist eine
Vielzahl von Spannzangenelemente 31 auf, welche ebenfalls über
einen ringförmigen Bodenflansch 32 miteinander
verbunden sind. Der ringförmige Bodenflansch 32 ist
wiederum mittels Schrauben 23 am Aufnahmering 8 festgelegt.
Allerdings sind die Spannzangenelemente 31 im Vergleich
zu den Spannzangenelementen 21 um 180° gedreht,
so dass die Spannflächen 31a der Spannzangen 31 den Spannflächen 21a der
Spannzangen 21 unmittelbar gegenüber liegen. Die
schrägen Wandungen 31b der Spannzangen 31 zeigen
dagegen in Richtung Mittenachse 15. Diese schrägen
Wandungen 31b der Spannzangenelemente 31 werden
von den Betätigungskegeln bzw. Betätigungskonusse
der Blockteile 55 berührt. Die Blockteile 55 stehen über
Schraubverbindungen 54 mit dem Ringkolben 50 in
Verbindung. Rechts vom Ringkolben 50 befindet sich wiederum
ein erster Druckraum 52 und links vom Ringkolben 50 ein
zweiter Druckraum 53. Ebenfalls sind wiederum geeignete
Dichtungsringe 51 am Ringkolben 50 angeordnet.
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Das
Spannen der Spannzangenelemente 21 bzw. 31 geschieht
dadurch, dass der Ringkolben 40 bzw. 50 durch
geeignete Druckbeaufschlagung in den Druckkammern 42 und 43 bzw. 52 und 53 nach links
bewegt wird, wodurch sich die Blockteile 45 bzw. 55 ebenfalls
nach links bewegen. Diese Bewegung der Blockteile 45 und 55 nach
links bewirkt, dass sich die Betätigungskonusse 46 bzw. 56 ebenfalls
nach links bewegen, und dadurch die vorderen Enden der Spannzangenelemente 21, 31 aufeinander
zubewegt werden. Dies bedeutet, dass der Aufnahmeschlitz der Aufnahmeöffnung 80 zwischen
den Spannflächen 21a und 31a der Spannzangenelemente 21, 31 verringert
wird und eine darin befindliche Wandung 11 des Werkstücks 10 festgeklemmt werden
kann.
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Aufgrund
der beschriebenen Anordnung ist es möglich, die Spannzangenelemente 21 der
ersten Spannzangeneinrichtung 20 unabhängig von
den Spannzangenelementen 31 der zweiten Spannzangeneinrichtung
zu spannen. Dies wird zum Spannen und Zentrieren von deformationskritischen
Werkstücken ausgenutzt.
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Das
Verfahren zum Spannen des in 1 gezeigten,
topfartigen Werkstückes 10 wird nun erläutert.
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In 1 sind,
wie gezeigt, die erste Spannzangeneinrichtung 20 und zweite
Spannzangeneinrichtung 30 entspannt. Dies bedeutet, dass
sich der erste Ringkolben 40 und der zweite Ringkolben 50 und
damit auch die Betätigungseinrichtungen zum Verkippen bzw.
Spannen der Spannzangenelemente 21, 31 in Ruhestellung
befinden. In dieser Stellung befinden sich die Ringkolben 40, 50 möglichst
weit rechts, so dass die Aufnahmeöffnung 80 so
weit geöffnet ist, dass die ringförmige Wandung 11 des Werkstücks 10 in
die Aufnahmeöffnung 80 eingesetzt werden kann.
Die Bewegungseinrichtung zum Einsetzen des Werkstücks 10 in
die ringförmige Aufnahmeöffnung 80 ist
in 1 durch die Pfeile angedeutet. Beim Einsetzen
des Werkstückes 10 in die ringförmige
Aufnahmeöffnung 80 kann ein axialer Anschlag für
die ringförmige Wandung 11 des Werkstücks 10 in
der Spannvorrichtung vorgesehen sein.
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In 3 ist
das in die Aufnahmeöffnung 80 eingesetzte Werkstück 10 dargestellt.
Es wird zunächst davon ausgegangen, dass die erste Spannzangeneinrichtung 20 mit
den in den 1 bis 4 an der
Außenwandung 11a des Werkstücks 10 anzulegenden
Spannzangenelementen 21 noch entspannt ist. Die zweite
Spannzangeneinrichtung 30 startet dagegen mit dem Spannvorgang,
indem Hydraulikflüssigkeit (eine pneumatische Betätigung
ist ebenfalls möglich) in den ersten Druckraum 52 eingeleitet
wird.
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Hierdurch
fängt der Ringkolben 50 an, sich nach links zu
bewegen, wodurch über die Schraubverbindung 54 das
Blockteil 55 ebenfalls nach links mitgenommen wird. Aufgrund
des an der schrägen Wandung 31b der Spannzangenelemente 31 liegenden
Betätigungskonus 56 fangen die Spannzangenelemente 31 an,
sich zur Innenwandung 11b des Werkstückes 10 hinzubewegen.
Dieses Spannen erfolgt nur allmählich, bis die einzelnen
Spannzangenelemente allesamt an der Innenwandung 11b anliegen.
Dieses allmähliche Anlegen der Spannzangenelemente 31 an
die Innenwandung 11b führt selbsttätig
zu einer Zentrierung des Werkstücks 10 um die Mittenachse 15 sowie
zu einer ersten leichten Verspannung und damit auch leichten Halterung.
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Nachdem
das Werkstück 10 auf diese Art und Weise vorgespannt
und bezogen auf die Mittenachse 50 zentriert wurde, wird
das Werkstück 10 endgültig gespannt.
Dies erfolgt dadurch, dass der erste Ringkolben 40 ebenfalls
nach links bewegt wird, indem Hydraulikflüssigkeit in den
ersten Druckraum 42 strömt. Der Ringkolben 40 bewegt
sich unter Mitnahme der Schraubverbindung 44 und des Blockteils 45 hierdurch
ebenfalls nach links. Hierdurch bewegt sich auch der Betätigungskonus 46 des
Blockteils 45 nach links und spannt die Spannzangenelemente 21 in
Richtung auf die Außenwandung 11a des Werkstücks 10.
Als Folge legen sich alle Spannzangenelemente 21 an der
Außenwandung 11a des Werkstücks 10 an.
Dabei ist die zweite Spannzangeneinrichtung 30 mit den
Spannzangenelementen 31 weiter gespannt. Anschließend
kann sowohl der Druck im ersten Druckraum 42 des Ringkolbens 40 als
auch im ersten Druckraum 52 des zweiten Ringkolbens 50 weiter
erhöht werden, um das Werkstück 10 sicher
zu spannen, so dass eine nachfolgende Bearbeitung des Werkstückes 10 möglich
wird.
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Zur
Verdeutlichung der Funktion der in den 1 bis 4 dargestellten
Spannvorrichtung ist in den 3 und 4 noch
schematisch dargestellt, wo welcher Druck auf die ringförmige
Wandung 11 des Werkstücks 10 ausgeübt
wird. In 3 ist durch Pfeile ein Druck
P20 markiert, der durch das Hydraulikaggregat mit dem zweiten Ringkolben 50 und
dem Blockteil 55 auf die Spannzangenelemente 31 und damit
auf die Innenwandung 11b des Werkstücks ausgeübt
wird.
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In 4 ist
durch die zusätzlichen Pfeile ein Druck P30 angedeutet,
der auf die Außenwandung 11a des Werkstücks 10 wirkt.
Dieser Druck P30 wird durch den ersten Ringkolben 40 und
das Blockteil 45 auf die Spannzangenelemente 21 bereit
gestellt.
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Nachdem
das Werkstück 10 bearbeitet ist, erfolgt das Entspannen
der Spannvorrichtung. Dies geschieht in umgekehrter Reihenfolge
wie zuvor erläutert.
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- 5
- Maschinenspindel
- 7
- Halterung
- 8
- Aufnahmering
- 10
- Werkstück
- 11
- ringförmige
Wandung
- 11a
- Innenwand
des Werkstücks
- 11b
- Außenwand
des Werkstücks
- 15
- Mittenachse
- 20
- erste
Spannzangeneinrichtung
- 21
- Spannzangenelement
- 21a
- Spannfläche
- 21b
- schräge
Wandung
- 22
- ringförmiger
Bodenflansch
- 23
- Schraube
- 30
- zweite
Spannzangeneinrichtung
- 31
- Spannzangenelement
- 31a
- Spannfläche
- 31b
- schräge
Wandung
- 32
- ringförmiger
Bodenflansch
- 40
- erster
Ringkolben
- 41
- Dichtungsring
- 42
- erste
Druckkammer
- 43
- zweite
Druckkammer
- 44
- Schraubverbindung
- 45
- Blockteil
- 46
- Betätigungskonus
- 50
- zweiter
Ringkolben
- 51
- Dichtungsring
- 52
- erste
Druckkammer
- 53
- zweite
Druckkammer
- 54
- Schraubverbindung
- 55
- Blockteil
- 56
- Betätigungskonus
- P20
- Druck
von 20
- P30
- Druck
von 30
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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