Force Monitoring System Spannmittel individuell anpassen

Autor / Redakteur: E. Abele, M. Berger, S. Bonerz, M. Dewald, A. Wörn / Andrea Gillhuber

Spannvorrichtungen haben großen Einfluss auf den reibungslosen Ablauf einer Produktion. Um die Bediener- und Maschinensicherheit sowie die Bearbeitungsqualität zu steigern, wurde ein universelles sensorisches Spanneisen entwickelt.

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Fertigung von Gehäusen für Kraftwerkturbinen im Siemens PG-Werk in Mülheim an der Ruhr.
Fertigung von Gehäusen für Kraftwerkturbinen im Siemens PG-Werk in Mülheim an der Ruhr.
(Bild: Siemens)

Ein Werkstückverlust resultiert aus dem Versagen der Vorrichtung oder der Aufspannung. Dessen Klemm- und Schraubverbindungen unterliegen den Einflüssen des Setzens und selbstständigen Lösens. In der Fertigung können die genannten Einflüsse zu Toleranzabweichungen oder Schäden an Maschinen und Werkstücken führen. In der Entwicklung von Vorrichtungen werden in den seltensten Fällen die Geometrie und Strukturänderungen von Roh- und Fertigteil mit berücksichtigt, was zum Aufklingen von Eigenfrequenzen führen kann. Durch deren Anregung kann der Vorgang des Lösens begünstigt werden. Ebenso kann eine Minderung der Spannkraft mit den induzierten Schwingungen (Zahneingriff) einhergehen.

Der Einfluss von Spannelementen

In der maschinellen Fertigung und im Vorrichtungsbau sind Verbindungs- und Spannelemente in einer Vielzahl im Einsatz. Die DIN 6300 zählt diese Vorrichtungen zu den Fertigungsmitteln, welche in Betriebsmitteln eingesetzt werden. Die Aufgabe dieser Vorrichtungen besteht darin, Werkstücke zu positionieren und in dieser Position während des Bearbeitungsvorgangs zu halten [1]. Ein signifikanter Einfluss dieser Spannelemente auf die Fertigung und somit auch auf die Sicherheit der Bediener und Anlage ist die Ungenauigkeit/Unsicherheit der tatsächlich wirkenden Spannkraft. Der Einfluss von Schrauben oder ähnlichen Hilfsmitteln auf die zu erzeugende Spannkraft ist in vielen Fällen signifikant. Der Kraftangriffspunkt und das aus diesem resultierende Anzugsmoment beeinflusst den Hebelarm sowie die aufgebrachte variierende Spannkraft deutlich. Die Summe der genannten Punkte und der eingeschränkte Wirkungsgrad einer Verschraubung führen zu einer stark streuenden Haltekraft bei Klemm- und Spannelementen.

Neue Entwicklung, neue Probleme?

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Bei der Entwicklung zukünftiger Systeme muss daher die Funktionalität gegenüber dem bisherigen System erweitert und eine Verbesserung der Systemqualität sowie eine Vergrößerung des Integrationsgrades in das Gesamtsystem Werkzeugmaschine erzielt werden. Notwendig wird dies durch die stetig steigende Leistungsfähigkeit der Bearbeitungszentren. Neue Technologien sind hier auf dem Vormarsch, welche die Produktion flexibler gestalten aber auch neue Problemstellungen aufwerfen. Moderne Dreh-Fräs-Zentren und 5-Achs-Machinen und Bearbeitungszentren (BAZ) erlauben in einer Aufspannung verschiedenste Bearbeitungsstrategien und ermöglichen eine kundenspezifische Produktanpassung. Teilweise entstehen hierbei hybride Systeme, welche unterschiedliche, spanende Verfahren (wie Drehen, Fräsen und Bohren) kombinieren. Dies bedeutet weiter, dass die Maschinen und deren Komponenten deutlich stärker belastet werden. Die Auswirkungen äußern sich durch Schäden und Ausfälle an Maschinen und Spannvorrichtungen (Bild 1), sowie durch Ausschussteile in der Fertigung [2].

In Fertigungslinien für Kleinserien oder bei einer Losgröße von Eins rücken die Rüstvorgänge zur Änderung der Funktion der Anlage stark in den Fokus. Eine hohe Verfügbarkeit der in der Produktion eingesetzten Maschinen stellt deshalb die Basis für das Erreichen einer hohen Produktivität bei möglichst geringen Kosten dar. Ein schnelles Lösen und anschließend erneutes Herstellen der Verbindung mit definierter Spannkraft zur Vermeidung langer Ausfallzeiten ist gefordert [3]. Im Bereich der Werkzeugmaschinen zeigt Wörn in seiner Arbeit den Zeitaufwand für den Modulwechsel innerhalb einer Maschine (Revolvermagazin) auf [4]. Aus den darin vorgestellten Untersuchungen geht hervor, dass gerade bei der Einstellung der Anzugmomente von Klemmverbindungen und der Vorrichtungserstellung ein hoher Aufwand besteht, welcher das Know-how eines qualifizierten Facharbeiters erfordert.

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