Deformationsarm Spannen

>> Bei Ringen, Gehäusen und anderen deformationsempfindlichen Werk- stücken stossen konventionelle 3-Backen-Futter schnell an Grenzen: Sind die Spannkräfte zu gering, fehlt der sichere Halt. Werden sie erhöht, verformen sich die Teile und die Präzision leidet. Ein Vergleich zeigt, welche Alternativen es gibt, worin sie sich unterscheiden und wie Anwender am schnellsten und wirtschaftlichsten ein optimales Ergebnis erreichen.

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Die Auswahl an Spannmitteln zur deformationsarmen Werkstückspannung ist gross. Sie reicht von vergleichsweise günstigen Kunststoffbacken und Pendelbacken über Sonderbacken und pendelnd ausgleichende Mehrbackenfutter bis hin zu selbstzentrierenden Magnetspannfuttern. Wer die optimale Lösung sucht, sollte zunächst definieren, was für die jeweilige Anwendung wichtig ist: Welche Teile sollen in welchen Losgrössen bearbeitet werden? Wird manuell oder automatisiert beladen? Wie flexibel muss die Maschine genutzt werden können? Welche Form- und Lagetoleranzen gilt es einzuhalten? Anhand dieser Kriterien lässt sich dann eine optimale Lösung erarbeiten, die Wirtschaftlichkeit, Präzisions- und Prozessanforderungen miteinander vereint.

Kunststoffbacken: Die preisgünstigste Alternative

Spezialbacken aus glasfaserverstärktem Kunststoff gelten bis heute als ein Geheimtipp im Bereich deformationsarmen Werkstückspannung. Ihr hoher Reibwert von 0.3 bis 0.4 sowie ein grosser Umschlingungswinkel gewährleisten, dass auch bei geringen Spannkräften hohe Bearbeitungskräfte übertragen werden.

Dabei sorgt die Stützstruktur der Aluminium Trägerbacke für Stabilität. Aufgrund des geringen Gewichts der Spannlösung aus Aluminium-Trägerbacke und Kunststoff-Aufsatzbacke entstehen während Drehoperationen nur geringe Backenfliehkräfte.

Auch hohe Drehzahlen bis 6000 1/min machbar

Daher sind Kunststoffbacken auch für hohe Bearbeitungsdrehzahlen bis 6000

1/min gut geeignet. Hinzu kommt, dass sie selbst auf geschliffenen oder oberflächenbehandelten Teilen keinerlei Spannmarken bilden. Wechselbare Spanneinsätze machen die Lösung unter Kostenaspekten zusätzlich attraktiv.

Pendelbacken: Effizient und kostengünstig

Während bei Kunststoffbacken der hohe Reibwert genutzt wird, um Werkstücke deformationsarm zu spannen, macht man sich bei Pendelbacken die Zahl der Spannpunkte zunutze. In der Basisversion besitzen Pendelbacken zwei Spanneinsätze, mit deren Hilfe die Spannpunkte eines 3-Backen-Futters verdoppelt werden. Es gibt sie sowohl für die Innen- als auch für die Aussenspannung.

Sie sind beweglich gelagert und werden wie Aufsatzbacken auf die Grundbacken des 3-Backen-Futters montiert. Die Anlagepunkte sind gleichmässig im Winkel von jeweils 60° am Aussen- beziehungsweise am Innendurchmesser verteilt. Im Handumdrehen und zu vergleichsweise geringen Kosten lässt sich also mit Pendelbacken aus einer konventionellen 3-Punkt-Spannung eine optimal ausgleichende 6-Punkt-Spannung machen.

Bei identischer Spannkraft und einer Verdoppelung der Spannpunkte steigt die erzielbare Rundheitsgenauigkeit rechnerisch um den Faktor 17. Wird beispielsweise ein 50 mm langer Rohrabschnitt aus Aluminium mit einem Aussendurchmesser von 60 mm und einem Innendurchmesser von 50 mm mit einer Spannkraft von 100 kN in einem herkömmlichen 3-Backen-Futter gespannt, so beträgt die rechnerische Deformation 0,497 mm.

Deformation: von 0,497 mm auf nur 0,029 mm

Bei Spannung über ein 6-Punkt-Pendel verbessert sich der Wert auf nur noch 0,029 mm. Aufgrund der Pendelung passen sich die Backen optimal dem Werkstück an und gleichen innerhalb eines gewissen Bereichs auch Formtoleranzen beispielsweise von Gusskörpern aus. Ideal ist es, wenn sich Pendelbacken, zur Fertigbearbeitung oder zum Spannen vorgedrehter Flächen feststellen lassen. Um höhere Drehzahlen zu ermöglichen sollten sie zudem möglichst leicht sein.

Anhand von Berechnungsprogrammen lässt sich ermitteln, welche Pendelung erforderlich ist, um vorgegebene Rundheitstoleranzen einzuhalten. So beträgt die rechnerische Deformation des Werkstücks aus dem obigen Beispiel mit einer 12-Punkt-Pendelung nur noch 0,002 mm – wohl gemerkt ein rein rechnerischer Wert, wie die Spanntechnikexperten betonen.

Extrem kleine Toleranzen fordern Erfahrung

Insbesondere wenn extrem kleine Toleranzen gefordert sind, zahlt sich langjährige Erfahrung bei der Konstruktion von Spannlösungen aus. So können beispielsweise bei langen, konischen Bauteilen, durchaus auch 24-Punkt-Pendelungen nötig sein, um die geforderte Präzision zu erreichen. Das Werkstück wird dann auf zwei Ebenen an jeweils 12 Punkten radial pendelnd gespannt. Beide Spannebenen wiederum sind axial pendelnd angeordnet, so dass alle Spannpunkte am Werkstück anliegen und Formfehler des Bauteils ausgeglichen werden.

Die Beispiele zeigen, dass Anwender gut daran tun, wenn sie bei der Wahl eines Spannsystems auf ein möglichst breites Spektrum an Kombinationsmöglichkeiten und auf eine langjährige Erfahrung des Herstellers achten. So bieten modulare Systembaukästen aus Trägerbacken, Pendelbrücken und Spanneinsätzen beste Voraussetzungen, um Spannlösungen individuell zu konfigurieren und optimal aufs Werkstück abzustimmen.

6-Backen-Futter: Hochpräzise und flexibel

Selbst wenn Pendelbacken oft zum Ziel führen, stossen sie doch an Grenzen, wenn es um besonders hohe Wiederholgenauigkeiten und ums letzte Hundertstel am Werkstück geht. In diesen Fällen, sollten sich Anwender eher für 6-Backen-Futter entscheiden. Im Idealfall sind diese, wie etwa das Rota NCR, pendelnd ausgleichend. Zur Fertigbearbeitung oder zum Spannen von vorgedrehten Flächen sollten sich die Pendel in Mittelstellung klemmen lassen, so dass sich alle sechs Backen konzentrisch bewegen.

Werkstückzentrierung zwischen sechs Berührungspunkten

Am Beispiel des Rota NCR wird die Funktionsweise deutlich: Das Futter besteht aus einem zentralen Futterkolben, der drei unter 120° angeordnete innere Pendel trägt. Jedes Pendel ist mit zwei Grundbacken verbunden. Das Ergebnis ist eine Werkstückzentrierung zwischen sechs Berührungspunkten, die paarweise ausgemittelt werden.

Weil die Spannkräfte auf das Futterzentrum gerichtet sind, ergibt sich auch bei Rohteilen eine optimale Zentrierung ohne Überbestimmung des Werkstücks. Mit seinen pendelnden Backen passt sich das Futter zugleich perfekt ans Rohteil an. Bei konventioneller Backenspannung erlaubt diese Konfiguration eine maximale Rundheit der Werkstücke und sorgt zugleich für deren optimale Zentrierung. Statt aufwändiger Systembacken und Sonderlösungen lassen sich auf der Backenschnittstelle gewöhnliche Standardbacken einsetzen.

Das Spannverfahren spart kosten- und zeitintensive Sonderlösungen und sorgt für eine sehr hohe Flexibilität. Hinzu kommt, dass die Aufsatzbacken deutlich leichter sind als Pendelbacken und damit Fliehkrafteinflüsse minimiert werden. Anders als mit Planscheiben läuft beim Rota NCR der komplette Spannvorgang einfach, schnell und präzise ab.

Werkstücke sind innerhalb kürzester Zeit ausgerichtet. Das reduziert die Rüstkosten und erhöht die Prozesssicherheit. Zum Teil lassen sich aufgrund der hohen Präzision sogar ganze Fertigungsschritte eliminieren, beispielsweise wenn bereits beim Schlichten Toleranzen erreicht werden, die ansonsten nur in aufwändigen Schleifoperationen erzielbar wären.

Magnetspannfutter vollkommen deformationsfrei

Noch effizienter arbeiten Spannfutter mit elektrisch aktivierten Permanentmagneten. Bei Ihnen gewährleisten variable Polverlängerungen eine sichere und zugleich deformationsfreie Werkstückspannung.

Ohne zusätzlichen Rüstaufwand lassen sich auf Magnetspannfuttern unterschiedlich grosse Werkstücke im Wechsel hochpräzise bearbeiten. Idealerweise lassen sich die Teile mit Hilfe einer mehrstufigen Haftkraftregulierung leicht auf dem Futter ausrichten und schliesslich innerhalb von Sekunden deformationsfrei spannen. Magnetspannfutter ermöglichen in einer einzigen Aufspannung die Drehbearbeitung von drei Seiten beziehungsweise die Fräsbearbeitung von fünf Seiten.

Magnetspanntechnik reduziert Rüstzeiten

Vergleichsmessungen bei Anwendern haben gezeigt, dass mit Hilfe der Magnetspanntechnik zwischen 30 und 50 Prozent der Rüstzeiten eingespart werden können. Weil die Stillstandzeit der Maschinen deutlich sinkt und die Werkstückbearbeitung wesentlich effizienter ist, amortisieren sich die Investitionskosten für eine Magnetspannlösung in der Regel schon innerhalb kurzer Zeit. Hinzu kommt, dass die flächige Spannung Vibrationen minimiert und dadurch die Werkzeugschneiden geschont werden. Bei hochwertigen Werkzeugen senkt die Magnetspanntechnik also quasi nebenbei die Werkzeugkosten und verbessert zugleich die Oberflächenqualität. Je nach Anwendung sollten Magnetspannplatten mit automatischer Entmagnetisierung oder mit besonders hohen Magnetkräften eingesetzt werden.

Die Spitze der deformations- armen Werkstückspannung

Die Spitze der deformationsarmen Werkstückspannung schliesslich bilden sogenannte Hybridfutter, bei denen die Technologie eines klassischen 3- oder 6-Backen-Zentrierfutters mit der Technologie einer Radialpolplatte verschmelzen. In diesen Futtern werden Werkstücke automatisch von innen oder von aussen zentriert und in Sekundenschnelle deformationsfrei gespannt. Bei Schleif- und Drehmaschinen mit pneumatischer oder hydraulischer Ansteuerung senken Hybridfutter die Rüstzeiten um bis zu 80 Prozent und bewirken einen deutlichen Produktivitätsschub. <<

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