Rationelles Spannen kubischer Werkstücke

Das Spannen von Werkstücken hat in der Zerspanung einen hohen Stellenwert. Die Bearbeitungszentren werden immer leistungsfähiger durch höhere Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten sowie schnellere...

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ANDREAS MAIER GmbH & Co. KG

AXA Entwicklungs- und Maschinenbau GmbH

Weil Technology GmbH

Das Spannen von Werkstücken hat in der Zerspanung einen hohen Stellenwert. Die Bearbeitungszentren werden immer leistungsfähiger durch höhere Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten sowie schnellere Werkzeugwechselzeiten. Dadurch nimmt auch die Bedeutung der Werkstückwechselzeiten und Rüstzeiten zu. Deshalb müssen Spannmittel optimiert werden. Insgesamt umfasst das Produktprogramm des Spannelemente-Herstellers Römheld etwa 5000 unterschiedliche Spannelemente, mit denen sich unterschiedliche Spannaufgaben lösen lassen. Diese Teilevielfalt mit ihrer unterschiedlichen geometrischen Ausprägung der Werkstücke sowie der stark schwankenden Losgröße stellt an die eigene Fertigung extrem hohe Anforderungen. Zur Realisierung einer wirtschaftlichen Fertigung auf einem Bearbeitungszentrum konnte das Unternehmen auf seine jahrzehntelange Erfahrung in der Spanntechnik und auf die vielfältigen Kernkompetenzen der einzelnen Unternehmen innerhalb der Unternehmensgruppe zurückgreifen.Dieses neue Bearbeitungszentrum ist eine CNC-Fahrständermaschine mit vertikaler Spindelachse, 42 Werkzeugplätzen, einer Span-zu-Span-Zeit von 2,8 s und einer Aufspannfläche von 1600 mm x 430 mm. Die Aufspannfläche ist in zwei Arbeitsbereiche von jeweils 800 mm x 430 mm unterteilt. Der Verfahrweg der X-Achse beträgt jeweils 500 mm. Während im Arbeitsbereich 1 Werkstücke bearbeitet werden, können im Arbeitsbereich 2 hauptzeitparallel die fertig bearbeiteten Werkstücke entnommen und die Vorrichtung mit neuen Teilen bestückt und gespannt werden. Zusätzlich wurde das Bearbeitungszentrum mit einem Hydraulikaggregat ausgerüstet, das die zwei Arbeitsbereiche unabhängig voneinander mit einem Spanndruck von maximal 500 bar versorgt.Eine Spannvorrichtung für unterschiedliche TeileDas zu bearbeitende Teilespektrum ist sehr vielfältig. Vorwiegend sind es rotationssymmetrische oder quaderförmige Teile wie Gehäuse für Schwenkspanner, Blockzylinder und Ventile sowie Montageplatten für die Verkettung von Wegeventilen. Die Durchmesser bei zylindrischen Werkstücken reichen von 27 bis etwa 120 mm, bei quaderförmigen Teilen liegen die Abmessungen zwischen 20 mm x 20 mm x 30 mm und 125 mm x 95 mm x 180 mm. Die zu zerspanenden Werkstoffe sind vorwiegend Aluminium, Automatenstahl und Vergütungsstahl. In der Praxis ließen sich in den ersten sechs Monaten nach Beschaffung des Bearbeitungszentrums bereits 180 unterschiedliche Teile fertigen. Weil sich jedoch im Bereich der hydraulischen Spanntechnik nicht alle Aufspannprobleme mit Standard-Spannelementen lösen lassen, werden auch immer öfter kundenspezifische Sonderlösungen realisiert. Für die Fertigung bedeutet das Losgrößen zwischen 1 und Serien von mehreren hundert Elementen. Das hat zur Folge, dass in einer Schicht das Bearbeitungszentrum bis zu dreimal auf einen anderen Fertigungsauftrag umgerüstet werden muss. Das Spannsystem wurde deshalb so gestaltet, dass die unterschiedlichen Spannvorrichtungen in kürzester Zeit austauschbar sind. Außerdem sind alle Spannvorrichtungen konstruktiv so ausgelegt, dass sich möglichst viele unterschiedliche Teile auf dem Bearbeitungszentrum bearbeiten lassen. Um den Rüstvorgang auf ein Minimum zu verkürzen, wurde das BAZ mit einem Schnellwechselsystem ausgerüstet. Dazu wurden die zwei Arbeitsbereiche des Maschinentisches mit Schnellwechselplatten bestückt. Dies gewährleistet das Wechseln der unterschiedlichen Spannvorrichtungen in wenigen Sekunden. Die Schnellwechselplatten sind mit Einbauzylindern versehen, die mechanisch mit Tellerfedern und einer Zugkraft von 10 kN pro Zylinder die Spannvorrichtungen spannen. Gelöst werden die Einbauzylinder hydraulisch mit 65 bar über das Hydraulikaggregat des Bearbeitungszentrums. Für das Schnellwechselsystem ist ein separater Hydraulikkreis vorhanden. Die Spannvorrichtungen haben an der Unterseite jeweils zwei eingeschraubte Spannbolzen, die die Spannvorrichtungen nach unten auf die Schnellwechselplatte ziehen. Gleichzeitig wird damit auch die exakte Positionierung in X-, Y- und Z-Richtung erreicht. Jede Schnellwechselplatte ist mit sechs Einbauzylindern versehen, so dass maximal drei Spannvorrichtungen separat gespannt werden können. Jeweils zwei Einbauzylinder fixieren dabei eine Spannvorrichtung, die über einen einfach wirkenden Spannkreis angesteuert wird. Durch drei an der Vorderseite der Schnellwechselplatte angeflanschte handbetätigte 3/2-Wegeventile lässt sich der Lösedruck für die Einbauzylinderpaare bequem zu- oder wegschalten. Weil alle verwendeten Spannvorrichtungen eine hydraulische Druckölversorgung benötigen, sind in die Schnellwechselplatten und die Grundplatten der Spannvorrichtungen Einschraubkuppelelemente integriert. Somit wird beim Aufspannen der Spannvorrichtungen auch gleichzeitig die Verbindung zum Hydraulikaggregat hergestellt. Über diese Kuppelelemente lassen sich ohne weiteres Spanndrücke von bis zu 500 bar übertragen.Vorrüsten der Spannvorrichtung an einem RüstplatzZum Vorrüsten der einzelnen Spannvorrichtungen ist neben dem Bearbeitungszentrum ein Rüstplatz installiert. Dieser besteht aus einem stabilen Rahmen, einer integrierten Schnellwechselplatte, die identisch mit der Einrichtung in der Maschine ist, und dem dafür erforderlichen Hydraulikaggregat einschließlich der Ventile. Gerade bei neuen Werkstücken kann man somit an diesem Rüstplatz den Spannvorgang einfach simulieren. Dabei lässt sich beispielsweise schon beim Vorrüsten feststellen, wie groß der optimale Spanndruck sein soll. Das Schnellwechselsystem ermöglicht das hauptzeitparallele Umrüsten in kürzester Zeit. Neue Fertigungsaufträge lassen sich somit ohne nennenswerte Unterbrechung in den Fertigungsprozess integrieren, kostenintensive Stillstandszeiten werden auf ein Minimum reduziert.Ein weiteres großes Rationalisierungspotential liegt in der optimalen Gestaltung der Spannvorrichtungen. Um ein Teilespektrum von etwa 180 unterschiedlichen Werkstücken zu spannen, sind in der Regel eine Vielzahl von Spannvorrichtungen notwendig. Ziel muss es deshalb sein, aus dem Teilespektrum ähnlich geartete Teile anhand von Parametern, wie beispielsweise Größe und geometrische Form, zu Teilefamilien zusammenzufassen und dafür die optimalen Spannvorrichtungen zu entwickeln.Alle Vorrichtungen werden hydraulisch betätigtBis dato sind insgesamt drei unterschiedliche Spannvorrichtungen unter vorgenannten Aspekten konstruiert und gebaut worden, wobei natürlich jede der drei Vorrichtungen in mehrfacher Ausführung (mindestens zweifach) vorhanden ist. Grundsätzlich werden alle Vorrichtungen hydraulisch betätigt, weil die Spannkräfte damit genau dosierbar und reversibel sind. Verformungen der Werkstücke aufgrund zu großer Spannkräfte können somit vermieden werden. Durch direkt an den Spannvorrichtungen angeflanschte, handbetätigte Wegeventile ist das Spannen und Entspannen in etwa einer Sekunde möglich.Die Spannvorrichtung, die das größte Teilespektrum abdeckt, besteht aus einer Grundplatte mit einem Universal-Festanschlag und einem in Langlöchern verschiebbarem Spannzylinder mit direkt angeflanschtem Wegeventil. Über zwei flexible Hochdruckschläuche wird das Öl von der Grundplatte aus zum Ventil und von dort zum Spannzylinder geführt. Der Universal-Festanschlag hat zwei gerade und zwei prismatische Anschlagflächen. Dadurch lassen sich durch einfaches Umsetzen des Anschlages sowohl rechteckige als auch runde Teile problemlos spannen. Die geraden Anschlagseiten sind außerdem mit definiert versetzbaren Zylinderstiften ausgerüstet und dienen als Anschlag in X-Richtung.Es werden vorwiegend hohe Teile in dieser Vorrichtung gespannt. Das Umrüsten auf ein anderes Werkstück kann mit dem Universal-Festanschlag in wenigen Minuten erfolgen. Der verwendete Spannzylinder ist ein Einschraubzylinder aus dem Katalogprogramm, der unter einem Winkel von 3° horizontaler Neigung (Niederzugeffekt) in einem verschiebbaren Spannschlitten eingebaut ist. Drei dieser Vorrichtungen sitzen nebeneinander auf der Schnellwechselplatte, somit werden in einer Aufspannung maximal drei Werkstücke gespannt und bearbeitet. Durch die kurzen Span-zu-Span-Zeiten ist diese Stückzahl das Optimum. Die zweite Spannvorrichtung ist ein auf einer Grundplatte aufgebauter Standard-Spannstock mit hydraulischer Betätigung. Das dazu benötigte Wegeventil sitzt ebenfalls direkt mit auf der Grundplatte. Durch die Verwendung von Standard- und Sonder-Aufsatzbacken werden auf dieser Vorrichtung hauptsächlich flache Teile gespannt, sowohl eckige als auch runde. Auch hier sitzen drei dieser Spannvorrichtungen nebeneinander auf der Schnellwechselplatte.Um runde Werkstücke zentrisch zu spannen, ist die dritte Vorrichtung mit einem stationären 3-Backen-Kraftspannfutter mit einer Spannwiederholgenauigkeit von ±0,005 mm, ebenfalls aus dem eigenen Katalogprogramm, ausgerüstet. Mit unterschiedlichen Aufsatzbacken lassen sich Werkstücke bis zu einem Durchmesser von 120 mm spannen. Grundsätzlich sind alle Spannvorrichtungen mit großen Griffen versehen, um dem Maschinenbediener das Handling beim Rüstvorgang zu erleichtern.Aus dem geschilderten Anwendungsfall wird ersichtlich, dass eine moderne, wirtschaftliche Fertigung nur erreichbar ist, wenn folgende Faktoren berücksichtigt werden: eine konsequente Planung der gesamten Logistik und des Fertigungsablaufs, angefangen von der exakten Definition der Aufgabenstellung über die Beschaffung der dafür geeigneten Maschine bis zum passenden und rationellen Spannsystem.