Vakuum-Spannvorrichtungen fixieren schnell und sicher

Die Forderungen nach hoher Teilegenauigkeit, schonender Werkstückbehandlung und Automatisierung der Fertigung beeinflussen die Weiterentwicklung der Spanntechnik. Bei der Suche nach schnelleren und...

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ANDREAS MAIER GmbH & Co. KG

AXA Entwicklungs- und Maschinenbau GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Die Forderungen nach hoher Teilegenauigkeit, schonender Werkstückbehandlung und Automatisierung der Fertigung beeinflussen die Weiterentwicklung der Spanntechnik. Bei der Suche nach schnelleren und besseren Fertigungsabläufen rückt der Einsatz von Vakuumspannsystemen in den Vordergrund. Neben Standard-Spannsystemen werden dabei zunehmend werkstückspezifische Vakuum-Spannvorrichtungen verwendet.Eine Vakuum-Spanneinrichtung besteht im Allgemeinen aus einer Spannplatte sowie einer Vakuumpumpe; als weiteres Zubehör stehen unter anderem Flüssigkeitsabscheider, Sicherheitsschaltung, Vakuum-Zusatzspeicher, Drehdurchführung und Mehrfachverteiler zur Verfügung. Die eigentliche Spannkraft entsteht durch den atmosphärischen Luftdruck beziehungsweise durch die Druckdifferenz zwischen Werkstückoberseite und Vorrichtung (Spannplatte) und wird durch die Größe der Aufspannfläche maßgeblich beeinflusst. Für die Anwendung der Vakuum-Spanntechnik gilt der Grundsatz: je größer die Werkstückauflagefläche umso größer die Haltekräfte.Neben den guten Haltekräften gewinnt die Vakuumtechnik durch das werkstoffunabhängige Spannen an Bedeutung. Es können nahezu alle Materialien wie Aluminium, NE-Metalle, alle Kunststoffe, Glas, Keramik, Graphit, Gummi, Holz, Folien, Stahl und zum Teil auch poröse Materialien gehalten werden. Darüber hinaus erhöht die 5-Seiten-Bearbeitung Effektivität und Präzision des Bearbeitungsvorganges. Denn außer der Spannfläche sind bei entsprechender Gestaltung der Vorrichtung sämtliche Werkstückflächen zum Bearbeiten zugänglich, wodurch eine Mehrseitenbearbeitung mit nur einem Spannzyklus möglich ist. Beschädigungen oder Verspannungen der Werkstücke wie beim Halten mit Schraubstöcken oder Spannpratzen sind weitgehend ausgeschlossen. Weil das Spannen und Lösen per Knopfdruck erfolgt, ist die Spannzeit minimal.Die Vakuumspanntechnik kann für zahlreiche Bearbeitungsarten wie Fräsen, Schleifen, Drehen, Prüfen, Messen, Erodieren, Beschichten, Polieren, Bohren, Entgraten sowie zur Montage eingesetzt werden. Dabei ist es unerheblich, ob das zu spannende Werkstück eine ebene Fläche aufweist oder ob es sich um ein 3D-Teil handelt. Grundsätzlich können alle Flächengeometrien - sofern eine ausreichend große Fläche vorhanden ist - mittels Vakuum gehalten werden. Hierbei kann es sich ebenso um Automobilstoßfänger, Bratpfannen, Kochtöpfe, Tiefziehteile handeln wie um Wafer, Scheckkarten, Laptopgehäuse, Frontblenden von Elektronikbauteilen, Leiterplatinen, Druckplatten und Flugzeugteile. Mit einem umfangreichen Standardrepertoire an Vakuumkomponenten können sehr viele Werkstückarten gespannt werden. Werkstückgröße, Materialbeschaffenheit und Bearbeitungsmethode entscheiden über den Einsatz des jeweiligen Spannsystems. Dennoch gibt es Anwendungsfälle, die hinsichtlich Werkstückform und Materialbeschaffenheit besondere Maßnahmen erfordern. Sind Standardsysteme nicht einsetzbar, sorgen Sonderentwicklungen für die werkstückgerechte Vakuumspannung. Dabei wird je nachdem, ob große, kleine, dicke oder dünne Werkstücke zu halten sind, eine Sondervorrichtung unter weitestgehender Verwendung von Standardkomponenten konstruiert. Dazu kommen unterschiedliche Arten von Vakuumspannplatten infrage:- Vakuumplatten mit bestimmter Loch- und Bohrungsanordnung,- Schlitzvakuumplatten,- Rastervakuumplatten,- Vac-Mat-Spannplatten,- Flip-Pod-Spannplatten,- Vakuumspannplatten aus luftdurchlässigem Material.Teile aus Quarzglas sicher spannenDiese Spanntechniken werden bedarfsgerecht ausgewählt und fließen in die Konstruktion der Spezialanfertigungen ein, so dass für jedes Werkstück die passende Vorrichtung entsteht. Diese Lösungen entsprechen den unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Material, Werkstückform und Bearbeitungsbedingungen.Die Bearbeitung von Quarzglas, einem Spezialglas für optische Geräte, Laboratoriumszubehör und Haushaltsgeräte, erfordert schonendes Werkstückhandling. Herkömmliche Spannmethoden verursachten hohe Ausschussquoten, so dass eine werkstückspezifische Vakuumvorrichtung zum Halten des empfindlichen Materials entwickelt wurde. Die Form der rohen, gewölbten Quarzglaskörper mit einem Durchmesser von 450 mm gleicht einer Schüssel. Die Werkstücke werden lagedefiniert mit einer Gesamtkraft von etwa 1100 kg auf der Vakuumvorrichtung gehalten.Zur radialen Ausrichtung der mit großen Toleranzen gefertigten Werkstücke wurde das Spannfutter mit drei schwimmenden Auflagestiften mit zusätzlicher mechanischer Klemmung versehen. Die axiale Ausrichtung erfolgt durch seitlich am Futterkörper angebrachte verstellbare Klemmbacken. Auf diese Weise wird bei gleichzeitiger Lagedefinition ein schonendes Spannen der empfindlichen Glasteile gewährleistet.Diese Vakuumvorrichtung wurde als Adapterfutter konzipiert, das auf einem Hauptfutter aufgesetzt wird. Somit ist zum Halten unterschiedlicher Werkstücke lediglich ein Austausch der Adapter erforderlich.Auf einer weiteren Spezialvorrichtung werden beispielsweise Glasringe mit einer Diamantschleifscheibe bis zur Erreichung des eng tolerierten Durchmessers von innen geschliffen. Die Werkstücke haben einen Durchmesser von 200 mm, die Wanddicke beträgt 5 mm. Es wird bei der Bearbeitung eine Toleranz von weniger als 0,1 mm in Rundlauf, Konizität und Durchmesser erzielt. Ausschuss beim Fertigen fällt nicht an. Bei früheren vergleichbaren Bearbeitungen mit einem Dreibackenfutter lag die Toleranz bei ±0,7mm; die Ausschussquote betrug rund 20 Prozent.Sicheres Fixieren extrem dünner TeileFür die in der Halbleiterindustrie herzustellenden Produkte wurde eine spezielle Vorrichtung entwickelt. Die Vacudisc-Spannvorrichtung wurde vorzugsweise zum Spannen extrem dünner und empfindlicher Teile entwickelt, wie sie in der Mikroprozessorherstellung (zum Beispiel Wafer-Plates für die Computerchipherstellung) zu finden sind. Es handelt sich dabei um Spannplatten aus mikroporöser Keramik, deren Korpus aus Aluminium oder Edelstahl bestehen kann. Vacudiscs aus Aluminium eignen sich insbesondere zum Werkstückhandling auf Bearbeitungsmaschinen. Edelstahlausführungen sind für den eigentlichen Bearbeitungsvorgang konzipiert. Sie eignen sich sowohl für Sonder- als auch Einzelteilbearbeitung, wobei Anpassungen an spezielle Schleifmaschinen möglich sind.Im Spannbereich der mikroporösen Keramik lassen sich Werkstücke von beispielsweise 0,05 mm Dicke planeben und sicher spannen. Die Ebenheit und Parallelität der Vacudisc beträgt 3 µm. Die sehr leichte Vakuum-Spannvorrichtung (Spannbereich: 1,2 bis 2,2 g/cm3) hat eine äußerst harte, nahezu verschleißfreie Oberfläche, die sich ohne Gratbildung schleifen lässt. Bei einer Porösität von etwa 45 Prozent in Verbindung mit einer mittleren Porengröße von beispielsweise 30 µm wird ein schonendes Fixieren mit hohen Haltekräften ermöglicht, weil raue Werkstückauflageflächen die Fixiersicherheit verstärken.Die Vacudisc wurde zum Spannen von Wafer-Plates aus Silizium oder Polyamid entwickelt, kann aber ebenso in der optischen Industrie, der Foliendruckvermessung oder der Messtechnik eingesetzt werden.Für die Bearbeitung von Gold- und Silberbarren wurde eine Vakuumvorrichtung entwickelt, die aufgrund der gleichmäßigen Flächenanpresskraft das Entstehen von Druckstellen auf dem relativ weichen Werkstoff vermeidet. Auf der aus hochfestem Aluminium gefertigten Vorrichtung werden gegossene Gold- und Silberbarren mit einem Gewicht von 15 bis 20 kg gefräst. Auf der Unterseite der Spannplatte befinden sich mehrere Saugbereiche, die getrennt oder zusammen geschaltet werden können.Im Anschluss an die Fräsbearbeitung werden die Platten durch integrierte pneumatische Auswerfer zum Handling angehoben. Auch diese sind so konstruiert, dass an der gefrästen Oberfläche keine Eindrücke entstehen. Die Steuerung kann manuell über ein Schaltpult oder über die Maschinensteuerung erfolgen.Vier Vakuum-Spannsysteme in einer Vorrichtung kombiniertZum Spannen verschiedenartiger, großflächiger Aluminiumplatten und diverser Profile für die mechanische Bearbeitung wurde eine kombinierte Vakuum-Spannvorrichtung konstruiert. Die Wirtschaftlichkeit der Spannmethode war dabei von zentraler Bedeutung. Die 1400 mm x 2500 mm (Höhe 550 mm) große Spezialspannvorrichtung besteht aus vier verschiedenen Vakuumsystemen:- Rastervakuumplatte an der senkrechten Seite,- Flip-Pod Fläche auf dem waagerechten Tisch,- Sondervakuumplatte, die auf der Flip-Pod-Fläche zum Einsatz kommen kann,- Vac-Mat Fläche befindet sich ebenfalls auf dem waagerechten Tisch.Die Vielfalt der Bearbeitungsaufgaben erforderte eine universelle Vorrichtung, mit der nahezu alle Arbeiten ausgeführt werden können. Per Knopfdruck werden die Werkstücke mit Vakuum auf den verschiedenen Spannsystemen schnell und verzugsfrei gespannt.Großflächige Teile werden mit dem Flip-Pod System, kleinere Teile mit dem Vac-Mat-System und Profile mit speziellen Vakuum-Adaptermatten gespannt. Die verschiedenen Vakuumplatten können in beliebiger Kombination auf dem Maschinentisch eines CNC-Bearbeitungszentrums eingesetzt werden. Sind Vakuumfunktionen nicht erforderlich, kann die Rastergrundplatte mit dem Pass- und Gewindebohrungssystem für konventionelle Spannaufgaben verwendet werden.Die zum Spannen von Aluminiumgussteilen entwickelten Vakuumplatten zeichnen sich durch planparallele Anlageflächen und präzise bearbeitete Aussparungen mit engen Fertigungstoleranzen aus. Der Anwender entschied sich in diesem Fall für die Vakuumspanntechnik, um Werkstückdeformationen, wie sie bei mechanischen Haltesystemen auftreten können, auszuschließen.Für die Druckgussteile wurden zwei Vakuumvorrichtungen gefertigt, so dass die Werkstücke beidseitig gespannt und bearbeitet werden können. Aufgrund der Werkstückgeometrie kann sowohl für die Ober- als auch Unterseite der Werkstücke eine exakte Lagebestimmung der unbearbeiteten Teile auf der Vakuumplatte vorgenommen werden. Neben der schonenden, schnellen Fixierung liegen die Vorzüge in der vibrationsfreien Zerspanung sowie der Möglichkeit, mehrere Seiten in einer Aufspannung zu bearbeiten. Trotz der relativ kleinen Spannfläche ist eine sichere Fixierung gewährleistet.Acht Werkstücke gleichzeitig spannenZum Spannen unterschiedlich großer scheibenförmiger Werkstücke wurde eine Adapterplatte mit den Maßen 600 mm x 1200 mm entwickelt. Die Platte wird mit zwei Indexstiften auf der Rastervakuumplatte fixiert. Die werkstückspezifische Adapterplatte ist so konzipiert, dass insgesamt acht scheibenförmige Werkstücke gehalten werden können. Die Vorrichtung ist für drei unterschiedliche Werkstückinnen- und -außendurchmesser ausgelegt. Aus einem Blechzuschnitt (600 mm x 1200 mm x 8 mm) werden acht Werkstücke mit unterschiedlichen Durchmessern an der Außenkontur bearbeitet.Das verbleibende Restmaterial wird ebenfalls mit Vakuum gehalten und somit gesichert. Dieses ist besondere beim Heraustrennen der Werkstücke von Bedeutung, weil dabei häufig das Fräswerkzeug durch das verrutschende Restmaterial beschädigt wird. Insgesamt setzt der Anwender fünf unterschiedliche Adapterplatten ein, um beim Spannen das komplette Werkstücksortiment abzudecken.