Spannen von Werkstücken

ALS ERGäNZUNG ZU DIESER AUSARBEITUNG (BETRIFFT VOR ALLEM ABBILDUNGEN), KANN DAS KAPITEL SPANNEN (SEITEN 1 - 17) DER
FET - LERNUNTERLAGEN DES 5. JAHRGANGS VON DI KLUWIK VERWENDET WERDEN.

1 SPANNEN

Spannen ist das sichere Festhalten der bereits bestimmten Werkstücke oder Werkzeuge während der Fertigung.
Die während der Bearbeitung vom Werkzeug auf das Werkstück wirkenden Kräfte dürfen das Werkstück nicht aus seiner Lage verdrängen, verbiegen oder in Schwingungen versetzen, damit Werkzeug und Maschine geschont, die Güte des Werkstücks (Oberflächengüte) gesichert und Unfälle vermieden werden.
Die Bauelemente, mit denen gespannt wird, heißen Spannelemente. Man unterscheidet Haupt - und Hilfsspannen.


Abbildung 1: Hilfsspannen mit Feder: 1 Spannschraube, 2 Vorrichtungsgrundkörper, 3 Blattfeder als Hilfsspannelement, 4 Bestimmelement, 5 Werkstück
Das Hilfsspannen wird zur Sicherung der Lagebestimmung der Werkstücke vor dem Hauptspanne durchgeführt. Es dient zur Lagesicherung beim Bestimmprozeß; daher werden meist elastische Spannelemente, z.B. Federn, benützt (Abbildung 1). Bei sehr schweren Werkstücken, z.B. Drehmaschinenbette, würden Federn das Werkstück nicht bestimmen; deshalb werden hier steife Spannelemente (z.B. Schrauben) notwendig. Diese Schrauben dienen primär zum Bestimmen und nur sekundär zum Spannen, wenn auf Grund der Masse das Werkstücks überhaupt Spannkräfte notwendig werden.

2 Spannkräfte

Bei der Fertigung werden durch die Werkzeuge Schnittkräfte auf das Werkstück und damit auf die Vorrichtung übertragen, die wieder zur Maschine zu leiten sind.
Je nach dem Fertigungsverfahren sind die Hauptschnittkräfte, Vorschubkräfte und ihre Auswirkungen (Schwingungen, Drehmomente) Belastungen die die Spannelemente übertragen müssen.
Die Hauptschnittkräfte F_H (z.B. beim Fräsen, Hobeln, Schleifen, ...), die Vorschubkräfte F_V (z.B. beim Bohren, ...) und die Drehmomente M_D (z.B. beim Drehen, ...) versuchen, das Werkstück aus seiner Lage zu drängen. Daher müssen Kräfte wirksam werden, die so groß sind, dass das Werkstück seine Lage nicht verändern kann; diese Kräfte nennt man Spannkräfte F_Sp (Abbildung 2).


Abbildung 2: Spann - und Schnittkräfte an einem Werkstück, dem fünf Freiheitsgrade entzogen wurden
Die Kraft F_Ers ist eine Größe, in der die Hauptschnittkraft F_H die Hauptkenngröße ist:
F_Ers = c₁.c₂.F_H
Die Größe c₁ ist die Stoßzahl, die nach Erfahrungswerten bestimmt wird und die erhöhten Kräfte beim Anschneiden des Werkzeugs am Werkstück berücksichtigt (schwellwende Schnittkräfte), und vom Fertigungsverfahren abhängt.

Fertigungsverfahren	Stoßzahl c1
Drehen, Bohren	1.2
Fräsen, Schleifen	1.4
Hobeln	1.6
Stoßen	1.8

Der Sicherheitsfaktor c₂ kann frei gewählt werden (zumeist c₂=2) und wird eingesetzt, wenn die Werkstücke kraftschlüssig gespannt werden und die Reibungskraft F_R gegen die Ersatzkraft F_Ers gerichtet ist. Abbildung 2 zeigt, dass F_R und F_Ers nicht in einer Ebene liegen. Die dadurch auftretende Kippgefahr wird durch den Sicherheitsfaktor ausgeschlossen.



Abbildung 3: Kräfte, wenn mehrere Spannkräfte wirken: a) unabhängige Spannkräfte: 1 Spannspirale, 2 Spannelementträger; b) abhängige Spannkräfte: 1 Winkelspanneisen
2b=3a Spannschraube, 3b=4a Vorrichtungsgrundkörper, 4b=5a Bestimmelement, 5b=6a Werkstück
Aus Abbildung 3 ist ersichtlich, dass ein Werkstück mit einer oder zwei Kräften gespannt werden kann. Es ist zu unterscheiden, ob diese Kräfte unabhängig (Abbildung 3a) oder abhängig voneinander (Abbildung 3b) sind. Unabhängige Spannelemente sollen nur in Ausnahmefällen angewendet werden, da sie höhere Hilfszeiten erfordern.

3 Mechanische Spannelemente

Zu den mechanischen Spannelementen zählen Keile, Schrauben, Exzenter, Spannspiralen und Kniehebel. Keile und Schrauben beruhen auf dem Prinzip des Keiltriebs.

3.1 Spannkeile

Die Keilspanner untergliedern sich je nach der Art der Kraftaufbringung in Schlagkeile und indirekte Keilspanner.

3.1.1 Schlagkeile

Abbildung 4: Schlagkeilspanner: 1 vorderes Keillager, 2 Schlagkeil, 3 hinteres Keillager,
4 Vorrichtungsgrundkörper, 5 Bestimmelement
Schlagkeile werden in Vorrichtungen untergeordneter Bedeutung (z.B. einfachen Bohr - und Schweißvorrichtungen) verwendet, da bei diesen Vorrichtungen die Größe der Spannkraft eine unwesentliche Rolle spielt. Es sollen die zu bearbeitenden Teile während der Fertigung ihre vorgeschriebene Lage nicht verändern. Da die Energie eines Hammerschlages von Hand nicht genau ermittelt werden kann, ist die Größe der Spannkraft sehr ungenau. Sie kann aber auch so groß werden, dass nach dem Lösen des Schlagkeils - wider durch Hammerschlag - sichtbare Spuren des Spannelements zurückbleiben (s.g. Spannmarken). Jede Spannmarke beeinträchtigt die Oberflächengüte des Werkstücks. Vorrichtungen mit Schlagkeilen als Spannelemente werden nur eingesetzt, wenn die Werkstücke unbearbeitet bleiben oder die Oberfläche in den folgenden Fertigungsvorgängen bearbeitet wird. Durch den einfachen Aufbau einer solche Vorrichtung liegen die Kosten für Konstruktion und Herstellung niedrig.

Die Keile sollen vor allem selbsthemmend sein. Selbsthemmung liegt vor, wenn gilt:
tanα
tanρ
μ
Bsp.: Ist μ = 0,1 ergibt sich ein Steigungswinkel α von
5,6°.

In der Praxis werden nur Keile mit genormten Steigungen, wie 1:10, 1:12, 1:15 und 1:20, verwendet.
Es ist zu beachten, dass die Schlagkeile lose Teile sind, und daher am Vorrichtungsgrundkörper befestigt werden müssen.

3.1.2 Indirekter Keilspanner

Abbildung 5: indirekter Keilspanner und Kräfteplan
Bei der Anwendung der indirekten Keilspanner wird die Spannkraft durch eine Spannschraube oder durch ein anderes Spannelement erzeugt (F_erz) und durch Keile übersetzt und umgelenkt.
Der Kräfteplan zeigt, dass die Spannkraft F_Sp gegenüber der erzeugenden Kraft F_erz nur verändert werden kann, wenn die Keilwinkel verändert werden, da die Reibungswinkel konstant bleiben.






Abbildung 6: Vorrichtungskonstruktionen bei Keiltrieben
Im Abbildung 6 a - e sind die möglichen Fälle der im Vorrichtungsbau verwendeten Keiltriebe dargestellt. ;Mit Hilfe von Diagrammen lässt sich bei bekanntem Keilwinkel das Über - oder Untersetzungsverhältnis F_Sp/F_erz ablesen.
Die Anwendbarkeit beschränkt sich dabei auf die folgenden Fälle:

gleichwinkeliger Schubkeil, Abbildung 6c einseitiger Schubkeil, Abbildung 6d Zentralkeil, Abbildung 6e

Während beim Schlagkeil unbedingte Selbsthemmung gefordert war, ist bei den indirekten Keilspannern die Selbsthemmung nicht erwünscht, weil sonst eine zusätzliche Kraft zum Lösen des Keils benötigt würde. Selbsthemmende indirekte Keilspanner werden nur dann verwendet, wenn besonders große Übersetzungen F_Sp/F_erz erforderlich sind.

3.2 Spannschrauben

Für Spannschrauben kommen grundsätzlich nur metrische Regel - und Feingewinde, und in Spezialfällen auch Trapezgewinde zur Anwendung. Als Werkstoff wird üblicherweise 8.8 verwendet. Die Berechnung der Spannkraft von Spannschrauben wird vom Keil hergeleitet.

Es werden vier Formen von Zapfen, und damit auch vier verschiedene Größen von Zapfenreibungen unterschieden.

Bei der punktförmigen Spannkraftübertragung ist das Zapfendrehmoment (kein Abstand ⇒ kein Drehmoiment) zur Beschreibung der Zapfenreibungsverluste gleich null. Auf Grund der punktförmigen Kraftübertragung besteht die Gefahr der Bildung von Spannmarken, dadurch wird diese Zapfenausbildung nur bei unbearbeiteten Werkstückoberflächen angewandt. In Abbildung 7 ist eine Zapfenform dargestellt, bei der die Berührstelle eine Kreisfläche ist. Da die Zapfendurchmesser abgerundet sind geht nicht der volle Zapfendurchmesser in die Rechnung ein, sondern nur d_z’ = 0,8 d_z

Abbildung 7: Spannschraube mit kreisförmiger Spannkraftübertragung

Zapfenform, bei der die Berührstelle eine Kreislinie ist. Zapfenform, bei der die Berührstelle kreisringförmig ist.

Die Spannkraft der Schraube ist nicht nur von ihren eigenen Maßen und von der Zapfenform abhängig, sondern auch von der Handkraft F_H und von der wirksamen Hebellänge l_wirk (Abbildung 7).

Die Spannkräfte sollen aus ergonomischen und arbeitsphysiologischen Gründen die folgenden Maximalwerte nicht überschreiten:

Arbeitskraft	Zeit zwischen zwei Spannvorgängen [min]	Handkraft FH [N]
Männlich	>1	180
	<1	120
Weiblich	>1	100
	<1	<80

Spannexzenter

Abbildung 8: Kräfte und Maße am Spannexzenter
1 Kugelgriff, 2 Handhebel, 3 Exzenterscheibe, 4 Lagerbolzen
Der Spannexzenter ist ein Spannelement mit geringen Herstellungskosten. Alle Größen sind nicht standardisiert, lassen sich aber ohne großen Aufwand schnell und einfach herstellen. Die Nachteile liegen in seinem geringen Schwenkwinkel ϕ und damit in einer geringen Hubhöhe H, sowie den ungleichen Spannkräften F_Sp in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel ϕ. In jedem Fall muss der Spannexzenter selbsthemmend sein. Es werden Druck - und Zugexzenter verwendet; als Werkstoffe finden C15 (einsatzgehärtet) bis C60 (oberflächengehärtet) Verwendung.
Da bei direkter Berührung des Spannexzenters mit dem Werkstück oft Spannmarken entstehen, dürfen entweder nur unbearbeitete Werkstückoberllächen gespannt werden, oder es müssen Druckstücke und Spanneisen eingesetzt werden. Der Lagerzapfen ist auf Biegung und Flächenpressung nachzurechnen.

3.4 Spannspirale

Abbildung 9: Hand - und Spannkräfte an der Spannspirale
1 Kugelgriff, 2 Handhebel, 3 Spiralscheibe, 4 Lagerbolzen
Die Spannspirale hat nicht die Nachteile des Spannexzenters (geringer Schwenkwinkel ϕ, geringe Hubhöhe H und nicht konstante Spannkraft F_Sp). Allerdings sind die Herstellungskosten von Spannspiralen auf Grund des kostenintensiven Nachformfräsens ungleich höher. Als Ausweg bietet sich hier Spannspiralformstahl aus gezogenem Material 16MnCr5 an. Nach dem Abschneiden in der gewünschten Breite werden die Spannspiralen nach der mechanischen Bearbeitung einsatzgehärtet.
Die Spannspirale hat einen konstanten Steigungswinkel α und dadurch eine konstante Spannkraft bei gleicher Handkraft unabhängig vom Schwenkwinkel ϕ. Bei nicht zu großem Steigungswinkel α < 10° sind die Spannspiralen selbsthemmend. Die Einsatzmöglichkeiten sind größer als beim Spannexzenter, weil ein praktischer Schwenkwinkel ϕ von 180° (meist zwischen 30° und 210°) ausgenutzt werden kann; dadurch ist auch die erreichbare Hubhöhe H größer.
Am Umfang der Spannspirale darf keine Abplattung entstehen, daher wird sie auf plastische Verformung nachgerechnet. Es empfiehlt sich, beim direkten Spannen zur Vermeidung von Spannmarken nur unbearbeitete Werkstückoberflächen zu spannen oder zwischen Spannspirale und Werkstück ein Druckstück zu setzen oder die Spannspirale mit einem Spanneisen zu verwenden. Der Lagerzapfen ist auf Biegung und Fiächenpressung nachzurechnen.

3.5 Kniehebelspanner

Abbildung 10: Kniehebelspanner
Kniehebelspanner werden sowohl in Form standardisierter Spannelemente als auch in nicht standardisierter Form eingesetzt; sie können handbetätigt oder von einer externen Kraftquelle betätigt werden. Kniehebelspanner sind waagrecht oder senkrecht einsetzbar. Als Betätigung der Kniehebelspanner kann auch Druckluft oder Hydraulikflüssigkeiten verwendet werden.


Abbildung 11: a) b) ganze Kniehebelsysteme, c) d) halbe Kniehebelsysteme
Man unterscheidet zwischen halben und ganzen Kniehebelsystemen (Abbildung 11); bei halben Kniehebelsystemen ist ein Punkt des Hebelarms in einem Festpunkt gelagert.
Die Berechnung des Gelenkbolzens erfolgt auf Biegung und Flächenpressung und der Kniehebel muss auf Knickung berechnet werden.

3.6 Zusammenfassung mechanische Spannelemente

Die Spannkräfte bei mechanischen Spannelementen weichen stark voneinander ab, da die Handkräfte F_H nicht konstant bleiben und die Kraftübertragung über das Spannelement nicht konstant bleibt (z.B. Spannexzenter).
Zur Vermeidung von Spannmarken können Druckstücke (Beilagleisten) verwendet werden. Kleine Spannwege werden durch Keile, Kreisexzenter und Spannspiralen schnell überwunden. Größere Spannwege überwindet nur Kniehebel schnell, Spannschrauben können zwar auch große Spannwege überwinden, benötigen dafür aber große Spannzeiten (in Abhängigkeit vom Steigungswinkel des Gewindes).
Werkstoffe für Spannelemente müssen an der Oberfläche verschleißfest im Kerm aber zäh sein; dafür eignen sich besonders einsatzhärtbare Werkstoffe. Für Spannschrauben sollen nur Festigkeitsklasse von 8.8 oder größer verwendet werden.
Beim Einsatz von Spannelementen sind standardisierte Vorrichtungsbauelemente zu bevorzugen.
Besonders in der Großserien - und Massenfertigung ist besonderes Augenmerk auf die Spannzeiten zu legen, da diese erheblichen Einfluß auf die Fertigungskosten haben. Spannelemente, die in den Spannzeiten mit den Druckluftspannern übereinstimmen oder nur geringfügig abweichen, bezeichnet man auch als Schnellspanner.

Spannen mit Druckübertragungsmedien

Die Wirkungsweise und den prinzipiellen Aufbau von Vorrichtungen, die mit Druckübertragungsmedien arbeiten, sind aus Abbildung 12 ersichtlich. Wasser, Öl und plastisch formbare Massen (selten Luft) werden als Druckübertragungsmedien verwendet. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des jeweils zur Verwendung kommenden Mediums müssen in der speziellen Vor - richtungskonstruktion berücksichtigt werden.
Die folgenden Vorteile lassen sich erzielen:

Erzeugung hoher Kräfte einfache Kraftübertragung einfache Umlenkung der Kraftrichtung Ausbildung als Einzel - oder Mehrfachspannzylinder Schaltung mehrerer Spannzylinder von einem Bedienelement aus einstellbare konstante Spannkraft, die durch Anzeigeeinrichtung kontrolliert werden kann bei Mehrfachspannung ausgleichendes Spannverhalten hohe Lebensdauer, da keine Überlastung auftritt das Bedienpersonal hat nur Überwach - und Bedienfunktion Einsparung von Hilfs - und Nebenzeiten Möglichkeit der Automation von Arbeitsvorgängen

Abbildung 12: schematische Darstellung der hydraulischen Druckübertragung: 1 Werkstück
Für die Berechnung der Kräfte gilt das Druckausbreitungsgesetz von Pascal: Wird eine Flüssigkeit einem äußeren, nur in einer Richtung wirkenden Druck ausgesetzt, so pflanzt sich dieser auf alle Teile nach allen Richtungen hin unverändert fort.
Das Flächenverhältnis A₂/A₁ wird auch als Kraftübersetzungsverhältnis bezeichnet. Je größer dieses Verhältnis ausgeführt wird, desto höher wird die Kraftübertragung sein.
Für die Berechnung der Spannwege gilt das Kontinuitätsgesetz, wobei angenommen wird, dass die Flüssigkeiten inkompressibel sind (gilt nicht für Luft!).
Die Masse bzw. das Volumen (bei konstanter Dichte) bleibt konstant.

4.1 Plastische Medien

Plastische Medien sind solche, deren Aggregatzustand bei Raumtemperatur zwischen fest und flüssig (= teigig oder breiig) liegt, z.B. Ekalit 10 auf Polyplastbasis.
Ihr innerer Widerstand gegen Verformung darf nur sehr klein sein, damit nur geringe Verformungsarbeit erforderlich ist. Sie sollen sich ähnlich wie Flüssigkeiten verhalten, damit sie unterschiedliche Querschnitte in den Vorrichtungen gut durchfließen können.
Um störungsfreies Arbeiten zu gewährleisten, darf das Medium nicht zu Lufteinschlüssen neigen. Luft ist kompressibel und kann durch Spalte zwischen Kolben und Zylinder eindringen bzw. entweichen; dies führt zu Druckabfall und kann zum Lösen der Werkstückspannung führen.
Außerdem ist es wichtig, dass das Medium bei Temperaturschwankungen zwischen 5 und 60°C seine Eigenschaften nicht ändert.
Das Medium darf Metalle und Dichtungswerkstoffe chemisch und physikalisch nicht angreifen.

In den Spalten zwischen Kolben und Zylinder können Leckverluste auftreten. Diese Leckverluste sind um so geringer, je kleiner das vorhandene Spiel und der wirkende spezifische Druck sind, je größer die Kohäsion des Mediums und je kleiner seine Adhäsion gegenüber Metallen ist.
Mit Drucköl und Druckluft kann man im Prinzip die gleichen Spannaufgaben lösen, wie mit plastischen Medien. Der Vorteil der plastischen Medien liegt in der Unabhängigkeit von Druckerzeugungsanlagen, wie Ölpumpe oder Verdichter, außerdem lassen sich Luft nur geringe Spannkräfte erzeugen.

4.1.1 Konstruktionsrichtlinien

Das Druckgehäuse ist aus einem Stück zu fertigen. Bei geschraubten und geschweißten Grundkörpern treten auf Grund der hohen Drücke leicht Leckvertuste auf. Wichtig ist, dass die Luft beim Füllvorgang aus den Kanälen restlos entweichen kann (ev. Entlüftungslöcher vorsehen).
Für hohe Drücke sind engere Passungen und bessere Oberflächenqualitäten erforderlich. Hohe Oberflächenqualitäten können nur durch Läppen oder Schleifen erreicht werden. Deshalb ist es zweckmäßig, bei höheren Drücken Dichtmanschetten zu verwenden.
Die Kosten der Dichtungen werden durch geringere Herstellungskosten der Passungen ausgeglichen.
Da sich Leckverluste nicht ganz vermeiden lassen, tritt bei jedem Spannvorgang eine geringe Volumenverringerung des plastischen Mediums ein. Werden sehr viel Spannvorgänge ausgeführt, so reicht nach einer gewissen Zeit das vorhandene Volumen nicht mehr aus, um den erforderlichen Spannhub auszuführen. In einem solchen Fall muss das verlorengegangene Medium wieder aufgefüllt werden. Die Zeiten zwischen den einzelnen Nachfüllvorgängen lässt sich verlängern durch eine Verlängerung von Druckkolben und Druckspindeln und/oder durch die Anordnung von Distanzbuchsen zwischen Verschlußschraube und Dichtung, die bei Bedarf entfernt werden.

4.1.2 Aufbau von Ausgleichsspannern mit Druckübertragungsmedien

Die Ausgleichspannung mit plastischen Medien kann sehr vielseitig angewendet werden. Sie ist gegen - über mechanischen System viel einfacher im Aufbau. Es werden alle Werkstücke mit der gleichen Spannkraft gespannt. Fertigungstoleranzen im Werkstück, in den Bestimmelementen und in der Vorrichtung werden ausgeglichen. Die gesamte auf das System wirkende Kraft teilt sich in n Teile auf, wenn n Spannstellen vorhanden sind. Der mechanische Ausgleichspanner ist nur funktionstüchtig wenn alle Führungen und Gelenke einwandfrei hergestellt und gewartet werden.



Abbildung 13:plastischer Ausgleichspanner Abbildung 14: mechanischer Ausgleichspanner

4.1.3 Mehrfachspannvorrichtungen mit plastischen Medium

Abbildung 15: Mehrfachspannvorichtung: 1 Druck - , 2 Spannkolben, 3 Rückdruckfeder,
4 Federhalteblech, 5, 7 Dichtung, 6 Verschluß - , 8 Entlüftungs - und Verschlußschraube
Die dargestellte Mehrfachspannvorrichtung (Abbildung 15) genügt in ihrer Funktion den meisten Ansprüchen. Die Kolben 1 und 2 sollen eine Führungslänge von 1,5 bis 3 d haben. Da die plastischen Medien nicht selbst zurückfließen, sind Schraubenfedern 3 zur Rückführung der Kolben anzuordnen. Das Stützblech 4 ist gleichzeitig ein Schutz gegen Verschmutzung. Bei der Konstruktion ist auf einen möglichst einfachen Füllvorgang zu achten. Die Dichtungen 5 und 7 müssen unbedingt verwendet werden. Die VerschluS - schraube wurde mit einem zusätzlichen Gewindeloch versehen, aus dem zuviel eingefülltes Medium austreten kann. Je größer der Schraubendurchmesser ausgeführt wird, desto leichter kann man den Volumenschwund des Mediums beim Abkühlen ausgleichen. Die Schraube 8 drückt das im Gewindeloch vorhandene Medium in den Vorrichtungskörper hinein und schiebt den Kolben 2 etwas heraus. Dadurch wird eine Vorspannung in den Federn 3 erzeugt, die die Kolben in die Ausgangslage zurückführen.
Die zum Zurückführen der Kolben erforderlichen Kräfte betragen etwa 20 - 100 N/cm’ Kolbenfläche. Die Rückholkraft ist abhängig von der Passung, der Verzweigung der Kanäle und der Plastizität des Mediums.



Abbildung 16: Mehrfachspannvorrichtung mit Meßeinrichtung: 1 Meßkolben, 2 Tellerfeder, 3 Zeiger,
4 Rückholfeder
Der erreichte Spanndruck kann ohne Meßeinrichtung nicht kontrolliert werden und ist in einem solchen Fall vom Gefühl des Bedienenden abhängig. Sehr leicht kann durch Verschmutzen oder Verklemmen ein schwerer Gang der Gewindespindel hervorgerufen und eine Spannkraft vorgetäuscht werden, die in Wirklichkeit nicht vorhanden ist. Die erreichte Spannkraft kann mit einem Meßkolben 1 und entsprechender Feder 2 (als gegen Druck) oder mit einem Manometer gemessen werden. Beim Einsatz eines Manometers mit eine Doppelkolben eingesetzt werden, da das plastische Medium im Druckmeßgerät einen zu großen widerstand bieten würde (kleine Querschnitte).

Spannen mit Flüssigkeiten

Zur hydrostatischen Druckerzeugung wird heute hauptsächlich Hydrauliköl benutzt. Sehr viele Bauelemente der Ölhydraulik sind standardisiert und stehen dem Anwender als erprobte und betriebssichere Bauelemente zur Verfügung. Mit Hilfe der Ölhydraulik lassen sich Drücke bis 320 bar mit Standardgeräten verwirklichen. Man kann auf Grund der hohen Drücke mit kleinen Spannzylindern große Spannkräfte erzeugen.
Als Nachteil werden die erforderlichen Leitungen und Pumpen angesehen - die Spannstellen lassen sich nicht so dicht anordnen wie bei den Vorrichtungen mit plastischen Medien. Da sich der Ölstrom gut steuern lässt, sind Aufgaben, bei denen Werkstücke oder Werkzeuge zeit - und wegabhängig gespannt, gelöst, gegriffen, bewegt, übergeben und transportiert werden müssen, mit Hilfe der Hydraulik leichter lösbar.
Der Aufbau des Hydraulikteils einer Spannvorrichtung lässt sich in Pumpe (Druckstromerzeuger), Leitungen und Verteiler, Steuerorgane (Ventile) und (Spannzylinder) Druckstromverbraucher untergliedern.

4.2.1 Pumpen, Leitungen, Steuerorgane, Spannzylinder

Man unterscheidet Konstantpumpen (z.B. Zahnradpumpen - liefern einen konstanten Förderstrom), Verstellpumpen (veränderbarer Förderstrom), Handpumpen (speziell für Vorrichtungen konstruiert) und pneumohydraulische Druckübersetzer.
Handpumpen werden dort eingesetzt, wo zwischen Spannen und Entspannen größere Zeiträume liegen (> 3 min) und wo Zeit für den manuellen Pumpvorgang vorhanden ist. Der technische Aufwand ist gegenüber den Konstantpumpen wesentlich geringer. Es entfallen die Lecköl - und Rückflußleitungen sowie alle Ventile, da nur mit einfach wirkenden Spannzylindern gearbeitet wird. Beim Einsatz von Handpumpen und pneumohydraulischen Pumpen ist zu beachten, dass sie nur eine begrenzte Ölmenge enthalten und somit nicht beliebig viele Spannzylinder angeschlossen werden können.
Als Leitungen werden nahtlose Rohre oder Schläuche verwendet. Für Rohrverbindungen werden Rohrverschraubungen verwendet. Bei Schläuchen besteht die Möglichkeit, lösbare Verbindungen in Form von Schlauchkupplungen zu verwenden.
Steuerventile werden nur für Konstantförderpumpen und Verstellpumpen benötigt. Bei Verwendung von Handpumpen und Pneumodruckübersetzern entfallen die Steuerventile für den Hydraulikteil.
Die speziell für Vorrichtungen bestimmte Spannzylinder (Druckstromverbraucher) sind einfach wirkende Zylinder, d.h. die Rückführung der Kolben in die Ausgangsstellung erfolgt durch Federkräfte.

4.3 Pneumatikspanner

Druckluft eignet sich zur Kleinmechanisierung und zur Automatisierung ganzer Produktionsprozesse. Im Bereich von 0,1 bis 1,2 bar Überdruck wird sie in der Meß0 - , Rechen - , Steuer - und Regelungstechnik angewendet; von 2 bis 10 bar Überdruck zur Mechanisierung und Automatisierung von Maschinen, Werkzeugen, Vorrichtungen und Fahrzeugen. Durch den hohen Standardisierungsgrad der Bauelemente ist eine vielseitige Anwendung möglich. Darüber hinaus ist die Herstellung von Pneumatikzylindem so einfach, dass sie ohne Probleme in jedem Werkzeugbau ausgeführt werden kann.

Vorteile:

hohe Betriebssicherheit einfache Wartung einfache Führung der Druckluft (Schläuche, Rohre) keine Rückführleitungen zentrale Erzeugung der Druckluft geringer Platzbedarf bei zentraler Erzeugung geringe Kosten für Druckluftnetz explosions - und kurzschlußsicher großer Kraft - und Geschwindigkeitseinstellbereich Überlastbarkeit ohne Folgen für die Pneumatikteile

Nachteile:

Bewegung lastabhängig (Luft ist kompressibel) bei großen Kräften sind Arbeitszylinder mit großem Durchmesser erforderlich Halten von Lasten in Zwischenstellungen des Kolbens ist nicht möglich

4.3.1 Aufbau einer pneumatischen Vorrichtung

Der Aufbau einer pneumatisch betätigten Vorrichtung erfordert die folgenden Bauteile: Leitungen, Luftreiniger mit Wasserabscheider, Druckminderventil, Druckluftnebelöler, Steuerventil, Rückschlagventil, Manometer, Arbeitszylinder, ...

4.3.1.1 Leitungen, Reiniger, Wasserabscheider, Druckminderventil, Rückschlagventil, Nebelöler

Die Zuführung der Druckluft erfolgt durch Rohrleitungen und Schläuche. Jede Abzweigung von der Drucklufthauptleitung muss mit einem Absperrventil versehen sein, um die Vorrichtung außer Betrieb setzen zu können.
Durch Temperaturschwankungen der Druckluft kommt es zur Kondensatbildung in der Druckleitung. Dieses Kondensat verschmutzt bei längerem Einsatz die Pneumatikaggregate und führt zu Korrosion und Funktionsstörungen. Deshalb ist der Einsatz von Luftreinigern mit Wasserabscheidern notwendig.
Die Luft in den Hauptleitungen ist häufig Druckschwankungen unterworfen, die durch unterschiedliche Druckluftentnahmen hervorgerufen werden. Soll eine Vorrichtung mit konstantem Luftdruck arbeiten, so ist der Einbau eines Druckminderventils erforderlich. Es arbeitet so, dass bei unterschiedlichem Eingangsdruck stets ein konstanter Ausgangsdruck vorhanden ist.
Im Steuerventil, Rückschlagventil und im Arbeitszylinder gleiten metallische Teile aufeinander, die eine Schmierung erfordern. Das Schmieren wird von einem Druckluftnebelöler vorgenommen, der in die Druckleitung eingebaut wird und Öl in die Druckluft sprüht.
Für die Betriebssicherheit der Vorrichtung ist der Einbau eines Rückschlagventils erforderlich. Es verhindert bei Druckabfall in der Leitung ein Entweichen der Druckluft aus dem Arbeitszylinder und so z.B. das Lockern der Werkstückspannung.

4.3.1.2 Arbeitszylinder

Abbildung 17: einfachwirkender Zyl. Abbildung 18: doppeltwirkender Zyl. mit Endlagenbremsung
Bei den Arbeitszylindern unterscheidet man zwischen einfach und doppelt wirkenden - mit und ohne Bremsung. Einfach wirkende Arbeitszylinder werden nur von einer Seite mit Druckluft beaufschlagt. Man spart bei ihrem Einsatz die Leitungen und Ventile für die zweite Seite. Werden die Federn für das Zurückführen des Kolbens verwendet, so sind die Federkräfte bei der Berechnung der Spannkraft zu berücksichtigen, außerdem müssen auch die Reibunskräfte berücksichtigt werden.
Die Rückholfedern sind mit Vorspannung einzubauen, deren Größe sich nach der Arbeitslage richtet. Einfach wirkende Arbeitszylinder eignen sich nicht für große Kolbenwege, weil die Rückholfedern zuviel Platz einnehmen und somit die Baulänge erhebIich vergrößern. Bei doppeltwirkenden Arbeitszylindern mit Bremsung wird die Bremsung durch die abgesetzte Bauweise des Kolbens und durch die einstellbare Drosselschraube erreicht.

4.3.2 Pneumatikspanneinheiten

Abbildung 19: Kraftübersetzung mit Arbeitszylinder und Hebel (=Spanneisen)
Pneumatikhubböcke können universell verwendet werden, z.B. in Verbindung mit Spanneisen. Ein direktes Spannen mit der Kolbenstange ist ebenfalls möglich. Werden mehrere Hubböcke in einer Vorrichtung verwendet, so können sie von einem Wegeventil manuell oder mechanisch gesteuert werden. Die verfügbare Spannkraft an der Kolbenstange beträgt je nach Baugröße etwa 200 - 7000 N.

4.3.3 Luftgelagerte Platten

Diese sind in den Größen von 160 mm x 320 mm bis 280 mm x 630 mm erhältlich und können mit 2700 bis 5000 N belastet werden. Wird dem Luftdruck der Weg in die luftgelagerte Platte freigegeben, so tritt die Luft durch Kanäle unterhalb der Platte aus und bildet einen Luftpolster. Dadurch ist man in der Lage, schwere Werkstücke mit der Vorrichtung auf dem Maschinentisch zu bewegen, weil nur die Luftreibung zu überwinden ist. Die Anwendung dieser luftgelagerten Platten hat den Vorteil, dass man Werkstücke, die sonst auf schwenkbaren Säulenbohrmaschinen oder Bohrwerken bearbeiten müsste, auf Ständerbohrmaschinen bearbeiten kann. Zu beachten ist, dass durch den Luftstrom die Späne fortgeblasen werden, und mit einer erhöhten Staubbelastung zu rechnen ist.

4.3.4 Schläuche und Luftsäcke

Diese einfachen Bauelemente werden vorteilhaft zum Anpressen von Bändern und Platten an gewölbte Flächen benutzt, um Kleb - oder Schweißverbindungen herzustellen, oder um Festhalteaufgaben zu erfüllen.

4.3.5 Saugluftspanner

Abbildung 20: Saugluftspanner: 1 Befestigung, 2 Vakuumanschluß, 3 Gummidichtung, 4 Werkstück
Bei Saugluftspannern entsteht die Anpreßkraft durch den äußeren Luftdruck gegenüber dem Saugnapf (Unterdruck). Für den Einsatz ist eine Vakuumpumpe erforderlich, die den Luftdruck im Saugnapf stark vermindert. Die Saugnäpfe sollen möglichst flach ausgebildet werden, um Vakuumpumpen mit kleiner Förderleistung verwenden zu können. Die Anpreßkraft ist nur von der Größe der Berührungsfläche abhängig, nicht vom Volumen. Im Handel befindliche Vakuumpumpen erzeugen etwa 90% Vakuum (Anpreßdruck 9 N/cm²). Ihr Einsatz ist überall dort von Vorteil, wo Magnetspanner, wie z.B. bei Werkstücken aus Kunststoff, Papier, Gummi und Holz und z.B. beim Entstapeln von Blechplatten,

1125 Worte in "deutsch"  als "hilfreich"  bewertet