Werkstück-Spannvorrichtungen machen Fertigungsprozesse robust
Spannelemente

Spannvorrichtungen

Produktionsstraßen werden immer komplexer, doch prinzipiell lässt sich der Prozess herunterbrechen auf die Schritte Spannen – Fertigen – Transportieren. Gefragt sind automatisierte Spannvorrichtungen für Werkstücke, die den Ansprüchen der künftigen Industrie-4.0-Welt genügen. Standardkomponenten für Spannelemente und Greifer aus dem Baukasten senken den Engineering-Aufwand.

Entstanden in Zusammenarbeit mit der TÜNKERS Maschinenbau GmbH

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Was früher Schraubstock und Spannpratzen waren, gehört heute in Form von Spannzangen und Spannelementen zum Bestandteil der meisten Fertigungsprozesse. Robust und wiederholgenau arbeitende Spannvorrichtungen sind auch heute noch angesichts komplexer werdender Produktionsstraßen grundlegend für eine produktive und vor allem unterbrechungsfreie Fertigung. Nicht zuletzt gewinnen automatisierte Spannprozesse mit Blick auf die Umsetzung von Industrie-4.0-Prozessen eine immer größere Bedeutung – auch hinsichtlich der oft zitierten ‚Losgröße 1‘, der kundenindividuellen Fertigung.
Letztlich lässt sich die Aufgabe von Spannvorrichtungen auf die Schritte ‚Spannen zum Positionieren – Fixieren für die Fertigung – Lösen zum Weitertransport‘ herunterbrechen. Dass diese Folge inzwischen automatisiert abläuft, ist in der heutigen Industrieumgebung nicht selten, wozu auch die Spanntechnik mit entsprechenden Schnittstellen zur Steuerung ausgestattet sein muss. So weiß beispielsweise der Roboter genau, wann das Werkstück losgelassen worden ist und von ihm aufgenommen werden kann.

Differenzierung nach Einsatzzweck und -gebiet
Unterschieden werden Spannvorrichtungen nach Form und Antrieb – händisch, pneumatisch, hydraulisch und immer mehr auch elektromechanisch. Zudem können Spannvorrichtungen sowohl sehr große Bauteile in Roboterfertigungsstraßen spannen (etwa im Karosseriebau) als auch sehr kleine in der Präzisionsteilefertigung. Insbesondere in Bearbeitungszentren, in denen mehrere Bearbeitungsschritte nacheinander oder gleichzeitig ausgeführt werden können, müssen die Spannvorrichtungen extrem flexibel sein. Zudem muss in Zeiten von immer kleineren Losgrößen auch die Spanntechnik immer flexibler werden, weshalb Schnellwechsler und Nullpunktspannsysteme als Schnittstelle zwischen Spanntechnik und Werkzeugmaschine von vielen Spanntechnikherstellern immer breiter angeboten werden. Der Vorteil: Es muss lediglich der Schnellwechsler auf der Maschine ausgerichtet werden, alle anderen Spannsysteme, die darauf montiert werden, sind automatisch ausgerichtet, was die Rüstzeit verkürzt. Schnellwechsler wie etwa von Hainbuch übertragen dabei natürlich auch die Signale der Automation.
Die Spanntechnik wandelt sich auf diese Weise aktuell von einem reinen Hilfssystem zum wichtigen Datenlieferanten für Industrie-4.0-Anwendungen. Bisher wurden Sicherheitssysteme, die die Überlastung der Werkzeugmaschine kontrollieren, datentechnisch nur von deren eigenen Sensoren versorgt, etwa aus der Spindel. Hersteller wie Roemheld arbeiten aber inzwischen an Spannvorrichtungen, die ebenfalls die auf sie ausgeübte Kraft messen können. Intelligente Maschinen bekommen so eine zusätzliche Datenquelle und können so sicherer arbeiten, zudem lassen sich auch ältere Maschinen via Retrofit modernisieren – neue Spanntechnik ist hier wesentlich einfacher zu installieren als eine neue Spindel. Intelligenz im Spannsystem kann zudem denn Messvorgang überflüssig machen: Ist entsprechende Technik direkt im Spannmittel integriert, müssen künftig nur noch Gutteile bearbeitet werden.

Abgrenzung der Systeme
Häufig werden auch Werkzeugaufnahmen als Teil der Spanntechnik genannt, dieser Artikel behandelt jedoch nur Systeme zum Spannen von Werkstücken. Zudem ist in manchen Produktionszweigen der Übergang zur Greiftechnik fließend: In der Platinenfertigung reicht auch die Kraft des Robotergreifers aus, er hält das Werkstück während der Bearbeitung. Nach Definition ist das eigentlich ein Spannvorgang, der hier aber von einem Greifer ausgeführt wird. Greifsysteme sind meist aber nur darauf ausgelegt, ein Werkstück zu transportieren und dabei sein Gewicht tragen zu können. Die zusätzlichen Kräfte während der Bearbeitung, etwa beim Fräsen, könnten sie nicht kompensieren. Sind die Kräfte allerdings entsprechend klein, geht es doch.

  • Punktspannung:
    Der klassische Spannpratzen mit Gewindestange und Nutenstein wird in der Serienfertigung nur noch selten zu finden sein. Punktuelle Spannung wird aber auch in hochautomatisierten Umgebungen wie etwa der Automobilindustrie noch benötigt, um geformte Blechteile auf Vorrichtungen zu fixieren und anschließend zu verschweißen. Hier ist vor allem Flexibilität wichtig, da die Teile mit mehreren Millimetern Toleranz aus der Presse kommen. Diese muss das Spannsystem überwinden, die Kraft muss also schon vor dem eigentlichen Haltepunkt sehr hoch sein. Tünkers Maschinenbau löst das beispielsweise durch eine spezielle Kniehebeltechnik.
    Aber auch in der spanenden Fertigung werden unförmige Bauteile, die den Backen eines Schraubstocks nicht genügend Auflagefläche bieten können, an einzelnen Punkten gespannt. Hier werden auf sogenannten Paletten verschiedene Spannelemente und Positionierhilfen wie Anschläge oder Zentrierspitzen auf die Werkstückform eingestellt und montiert. So entsteht ein individuelles Spannmittel.
  • Flachspannen:
    Der klassische Schraubstock kommt in der modernen Spanntechnik in vielfältiger Varianz zum Einsatz und wird dabei auch als Kraftspannblock bezeichnet. Beim Zentrischspanner etwa bewegen sich beide Backen aufeinander zu, das Werkstück wird exakt in der Mitte gespannt, aber auch die klassische feste Backe kommt nach wie vor zum Einsatz.
  • Rundspannen:
    Überall wo es rund zugeht, kommen Spannfutter zum Einsatz: Egal, ob das kantige Werkstück rund werden soll, wie etwa per Vierbackenfutter auf einer Drehmaschine, oder ob runde Werkstücke gespannt und mehrseitig auf einem Bearbeitungszentrum gefräst werden sollen, läuft es häufig auf ein Spannfutter hinaus. Seine Backen bewegen sich synchron, die Spannung kann dabei nach innen und nach außen erfolgen. Runde Werkstücke werden meist in Dreibackenfuttern gespannt, für vierkantige oder unförmige Geometrien eignen sich Vierbackenfutter. Diese spannen in speziellen Varianten auch unsymmetrische Werkstücke zentrisch wiederholgenau auf, indem sie einzelne Backen separat positionieren. Futter sind die am stärksten verbreiteten Spannmittel an Drehmaschinen – solange es die Toleranz auf der Zeichnung zulässt. Zwar werden etwa im Werkzeugschleifbereich schon Rundlauf- und Spannwiederholgenauigkeiten von 0,005 mm erreicht, für hochgenaue Passungen reicht das aber noch nicht.
    Womit wir bei den Spannzangen wären. Sie führen Rohmaterial oder Halbzeug mikrometergenau, dafür benötigt aber jeder Durchmesser eine eigene Spannzange, was mit einer großen Vorratshaltung im Werkzeugbereich und längeren Rüstzeiten einhergeht. Gespannt wird das Werkstück in der passgenauen Bohrung durch die Kegelform an der Außenseite der Spannzange, entweder durch eine Überwurfmutter oder durch Zug an einem Gewinde von hinten in der Maschine. Soll ein rundes Bauteil auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum gespannt werden, um etwa einen Absatz zu fräsen, kommt die Technik der Spannzangen in einem sogenannten Spannstock zu Einsatz.
    Eine Variante zwischen Spannfutter und Spannzange ist das Hydrospannfutter: Hier werden die Flanken durch Öldruck in seitlichen Kanälen um das eingesetzte Werkstück gespannt. Durch Adapterbüchsen muss nicht für jeden Durchmesser ein neues Hydrospannfutter eingesetzt werden. Hier werden Rundlauf und Wechselwiederholgenauigkeit von unter 0,003 mm erreicht. Das Negativ bildet hier der Spanndorn: Auf ihm findet alles Platz, was über die Innenflanken einer Bohrung gespannt werden muss. Hier kann zudem die Außenfläche komplett bearbeitet werden, Rundlaufgenauigkeiten von wenigen Mikrometer sind inzwischen möglich.
  • Spannen-zwischen-Spitzen:
    Ist es nötig, ein Bauteil in einer Aufspannung noch genauer zu drehen oder rundzuschleifen – oder wenn keine Hohlbohrung vorhanden ist – kommt das Spannen-zwischen-Spitzen zum Einsatz. Hier werden während des ersten Bearbeitungsschrittes an beiden Bauteilenden Zentrierbohrungen angebracht. In diese greifen zwei Spitzen und halten das Werkstück auf Position – ohne, dass es seitlich gehalten werden muss wie bei Spannfutter oder Spannzange üblich. Die komplette Bearbeitung kann in einer Spannung erfolgen, was Abweichungen durch Umspannen eliminiert und so zu einer höheren Qualität führt. Das Spannen-zwischen-Spitzen sorgt zudem für eine hohe Rundlauf-Wiederholgenauigkeit zwischen verschiedenen Schritten, etwa Drehen und Schleifen.
  • Planscheiben:
    Größere Bauteile werden häufig stehend auf Karusselldrehmaschinen bearbeitet, etwa Turbinen- oder Pumpenräder. Hier kommen Planscheiben zum Einsatz, die dem Spannfutter ähneln – es wird aber immer nur ein Backen einzeln verstellt. So können auch unsymmetrische Teile bearbeitet werden. Um entsprechende Unwuchten auszugleichen, werde zusätzlich Gewichte mit auf der Planscheibe verschraubt. Sind die Teile so unförmig, dass sie nicht mehr auf einer Scheibe gespannt werden können, werden Klauenkästen verwendet. Diese einzelnen Spannelemente können in Nuten so verschoben werden, dass beinahe jede Form individuell gespannt werden kann. Auch individuell für eine Werkstückform angefertigte Klauenkästen sind nicht selten.

Magnet und Vakuum
Ohne formschlüssigen Seitenhalt kommen Spannplatten aus, die ihre Haltekraft über Magneten realisieren. Vorteilhaft etwa bei Bauteilen, die selbst durch geringen seitlichen Druck verformt würden, etwa dünne Bleche beim Gravieren. Voraussetzungen sind eine möglichst große, ebene Spannfläche. Die Oberflächengüte kann ebenfalls die mögliche Spannkraft beeinflussen. Eingesetzt werden diese Systeme häufig bei Schleif oder Erodierarbeiten, aber auch an Fräs- und Drehmaschinen. Permanent-Magnetspannplatten werden manuell betätigt und benötigen keinen elektrischen Anschluss, sie erzeugen zudem nur ein relativ schwaches elektrisches Feld. Elektro-Magnetspannplatten benötigen dagegen eine dauerhafte Stromzufuhr, erzeugen dafür aber stabilere Haltekräfte, die auch verstellt werden können. Zudem ist ihre Entmagnetisierqualität gut. Eine Kombination aus beiden Systemen erzeugt sehr starke Haltekräfte, die Elektro-Permanent-Magnetspannplatten benötigen lediglich einen Stromimpuls und können ohne weiteren Stromverbrauch autark eingesetzt werden. Bei nichtmagnetischen Werkstoffen wie Aluminium und Kunststoffen – aber auch Holz und Glas – können Vakuumspannplatten eingesetzt werden. Soll das Werkzeug nicht parallel zur Spannfläche bearbeitet werden, kommen schwenkbare Sinus-Spanntische zum Einsatz.

Antriebe
Spanntechnik wird in modernen Produktionsanlagen nur noch selten mechanisch von Hand betätig. Pneumatik und Hydraulik decken die meisten Bereiche ab. Erstere ist leichter zu installieren und im Service- und Fehlerfall sauberer, die Hydraulik dafür aber wesentlich leistungsstärker. Durch eine ergänzende Mechanik kann die Kraft vervielfacht werden, was auch pneumatische Spannsysteme nicht grundsätzlich von Anwendungsfällen mit hohen Haltekräften ausschließt. Elektrische Antriebe sind auch hier immer stärker im Kommen. Der Trend zur Elektrifizierung begründet sich wie in vielen anderen Bereichen in der einfachen Ausführung, der vielseitigeren Ansteuerung und damit der einfacheren Möglichkeit zur Automatisierung. Zudem können elektrische Antriebe häufig selbsthemmend ausgeführt werden und benötigen lediglich zum Öffnen, Schließen oder Ändern der Spannkraft elektrische Energie – zum Halten wird dagegen keine Energie benötigt, was sich positiv auf die Betriebskosten auswirken kann.

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