EP3875221B1

EP3875221B1 - Verfahren zum spannen von werkstücken sowie prägevorrichtung und spannvorrichtung

Info

Publication number: EP3875221B1
Application number: EP20207248.4A
Authority: EP
Inventors: Günter Lang
Original assignee: Lang Technik GmbH
Current assignee: Lang Technik GmbH
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2025-12-10
Anticipated expiration: 2040-11-12
Also published as: DE102019132276A1; EP3875221A1; US11697188B2; US20210162567A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spannen von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken aus duktilem Material, sowie eine Prägevorrichtung zum Einsatz in diesem Verfahren sowie eine Spannvorrichtung ebenfalls zum Einsatz in diesem Verfahren.
Zur Bearbeitung von Werkstücken in Werkzeugmaschinen, insbesondere zur spanenden Bearbeitung, müssen die Werkstücke auf geeigneten Spannplätzen fest aufgespannt und gehalten werden. Die Aufspannung muss dabei so beschaffen sein, dass bei an dem Werkstück durchzuführenden Bearbeitungsvorgängen auch größere Kräfte aufgenommen werden können, ohne dass sich das Werkstück in der Spannvorrichtung bewegt oder aus dieser löst. Andererseits soll das Werkstück möglichst gut zugänglich sein, um nacheinander möglichst viele Bearbeitungsvorgänge an dem Werkstück mit einer einzigen Aufspannung durchführen zu können.
Dazu schlagen die EP 1 071 542 B1 und die WO 99/52678 , welche den Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt,sowie die DE 10 2016 224517 A1 , welche den Oberbegriff des Anspruchs 7 zeigt, jeweils ein Verfahren zum Spannen von Werkstücken vor, bei dem in einem vorbereitenden Arbeitsschritt an dem Werkstück gleichmäßig beabstandete Vertiefungen angebracht werden, die lediglich als Kupplungselemente beim Spannen mit einer entsprechenden Spannvorrichtung dienen, sonst aber funktionslos sind. Nach diesem vorbereitenden Arbeitsschritt werden die Werkstücke in Spannstöcken aufgenommen, die zum reibschlüssigen Halten an ihren Spannbacken Anlageflächen aufweisen und die zur formschlüssigen Positionierung und Lagesicherung zu den Vertiefungen des Werkstücks komplementäre Formschlusselemente aufweisen. Das Werkstück wird damit gemischt und form- und reibschlüssig gespannt. Dieses Spannverfahren hat sich grundsätzlich bewährt.
Weiter ist aus der DE 10 2009 052 334 A1 ein Spannverfahren bekannt geworden, bei dem das Werkstück in der Nähe seiner Grundfläche mit einer Spannstruktur versehen wird. Zu dieser gehören zwei an den Flanken des Werkstücks vorgesehene Nuten, in die entsprechende leistenartige Vorsprünge zweier Spannbacken eines Spannstocks greifen. Die Nuten werden beispielsweise in einem Fräsvorgang eingebracht und erbringen eine formschlüssige Verbindung zwischen den Spannbacken und dem Werkstück. Die an dem Werkstück verbleibende, die Nut begrenzende Wand muss biege- und bruchfest sein, was eine bestimmte Mindestwandstärke der Nutwand erfordert. Dadurch wird der Platzbedarf der Spannstruktur an dem Werkstück bestimmt.
Bei der Gestaltung von Spannsystemen muss damit gerechnet werden, dass die Anwender ein Spektrum verschiedener Werkstück aus unterschiedlichen Werkstoffen bearbeiten wollen, ohne sich auf einen bestimmten Werkstücktyp und Werkstofftyp festlegen zu wollen. Bei der Konzeption von Spannsystemen ist dies zu berücksichtigen. Die Spannvorrichtung muss einerseits die Werkstücke, auch wenn sie gro-βen Bearbeitungskräften ausgesetzt sind, sicher halten, wobei es andererseits auch nicht zu Beschädigungen der Werkstücke durch die Spannvorrichtung kommen darf, wie z.B. zu unzulässigen Verformungen oder Ausbrüchen.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Spannverfahren anzugeben, mit dem sich ein großes Spektrum von aus verschiedenen Werkstoffen bestehenden Werkstücken sicher spannen lässt, wobei der von der Spannvorrichtung am Werkstück beanspruchte Platz möglichst gering sein soll.
Das erfindungsgemäße Spannverfahren beruht darauf, dass in einem vorbereitenden Arbeitsgang an den zu spannenden Werkstücken in einem definierten Raster Verformungen angebracht werden, beispielsweise in Form einer Reihe von gleichmäßig beabstandeten Vertiefungen. Diese Vertiefungen (oder sonstigen Verformungen) dienen als Positionier- und Kupplungselemente beim Spannen in einer entsprechenden Spannvorrichtung, wobei sie aber sonst an dem Werkstück keine Funktion erfüllen. Zum Spannen der Werkstücke weisen die Spannbacken zum reibschlüssigen Halten des Werkstücks Anlageflächen auf. Zusätzlich sind die Spannbacken mit vorzugsweise an den Anlageflächen angeordneten Formschlusselementen versehen, die zur formschlüssigen Positionierung und zur Lagesicherung des Werkstücks dienen. Das Werkstück wird somit gemischt reib- und formschlüssig gespannt.
Erfindungsgemäß sind die an dem Werkstück angebrachten Verformungen in einem Raster mit einem Mittenabstand von 2,5 mm bis 3,5 mm zueinander angeordnet. Es zeigt sich, dass mit einem solchen Raster ein Optimum hinsichtlich der Haltekraft und der an dem Werkstück zum Halten beanspruchten Fläche zu erzielen ist. Es werden lokale Spannungsspitzen in dem Werkstück auf ein für die meisten Werkstoffe erträgliches Maß reduziert und eine gleichmäßige Haltekraftübertragung zwischen Spannbacke und Werkstück erreicht. Ausbrüche, Rissbildungen am Werkstück oder sonstige Werkstückbeschädigungen werden vermieden. Bei einem Rastermaß von 3 mm ergibt sich ein Optimum des Verhältnisses aus erreichbarer Haltekraft und beanspruchter Fläche, das für die weitaus meisten duktilen Werkstoffe, wie Kunststoffe, insbesondere plastisch verformbare Kunststoffe, Aluminium, Aluminiumlegierungen sowie auch andere Metalllegierungen und Metalle gilt.
Die Vertiefungen sind vorzugsweise in einer Reihe angeordnet, die sich entlang der unteren, der Basisfläche des Werkstücks benachbarten Kante des Werkstücks erstreckt. Vorzugsweise ist die Reihe eine gerade Reihe. Die Vertiefungen können aber auch in zwei oder mehreren vorzugsweise parallel zueinander angeordneten Reihen angeordnet. Die Vertiefungen der beiden Reihen können zueinander paarweise benachbart oder alternativ auch gegeneinander versetzt angeordnet sein. In mindestens einer der beiden (oder mehreren) Reihen, vorzugsweise in allen Reihen ist der Rasterabstand auf einen zwischen 2,5 mm und 3,5 mm liegenden Wert, vorzugsweise auf 3 mm festgelegt.
Die an dem Werkstück anzubringenden Verformungen sind Vertiefungen, die mittels einer Prägevorrichtung durch plastische Verformung in das Werkstück eingebracht werden, indem jede Vertiefung mittels eines Prägezahns durch Materialverdrängung erzeugt wird. Die Vertiefungen sind vorzugsweise in einer geraden Reihe und in konstanten Abständen zueinander angeordnet. Zwischen den Vertiefungen sind nicht vertiefte oder auch leicht erhabene Bereiche ausgebildet, die die einzelnen Vertiefungen voneinander trennen.
Die Vertiefungen weisen vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf, der zum Boden der Vertiefung hin abnimmt. Die rechteckigen Vertiefungen weisen in Richtung der Reihe, in der sie angeordnet sind, vorzugsweise eine Länge auf, die mindestens so groß ist, wie die in gleicher Richtung zu messende Länge der Bereich jeweils zwischen zwei benachbarten Vertiefungen.
Die beim Herstellen der Vertiefungen erfolgende Materialverdrängung führt zu einem Fließen des Materials des Werkstücks, wodurch unter der Vertiefung und um diese herum eine Zone verfestigten Werkstoffs erzeugt werden kann. Insbesondere bei Metallen und Metalllegierungen kann diese Zone eine erhöhte Festigkeit aufweisen, so dass sie sich besonders gut zur Aufnahme und Verteilung von Kräften im Werkstück eignet.
Vorzugsweise wird beim Prägen zwischen benachbarten Prägezähnen ein Abstand zwischen dem Prägewerkzeug und dem Werkstück freigelassen, in den verdrängtes Material eindringen kann. Die vor dem Prägevorgang glatte, beispielsweise zylindrische oder ebene Werkstückfläche erhält dadurch bei dem vorbereitenden Arbeitsgang die gewünschten Verformungen, beispielsweise Vertiefungen. Dabei können sich durch Materialverdrängung zwischen diesen Vertiefungen auch wellige oder erhabene Verformungen der Werkstückfläche bilden. Daraus resultiert eine Werkstückfläche, die nicht nur Vertiefungen zur Aufnahme der Formschlusselemente des Spannbackens aufweist, sondern darüber hinaus mehrfach gekrümmt ist. Mit anderen Worten, die ehemals glatte Werkstückoberfläche kann nach der Ausbildung der Vertiefungen eine gewisse regelmäßige Deformation insbesondere in den Bereichen zwischen den Vertiefungen oder um diese herum aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Spannflächen der Spannbacken beim Spannen des Werkstücks mit der Werkstückfläche vorzugsweise in vollständige Flächenanlage gebracht. Mit anderen Worten, die der Spannfläche des Spannbackens wird an die im vorbereitenden Arbeitsschritt möglicherweise etwas verformte Werkstückfläche stark angepresst. Die Werkstückfläche kann dabei geglättet werden, indem aus der Werkstückfläche heraus gedrängtes Material erneut (elastisch oder plastisch) verformt wird, bis, im Idealfalle, die ebene Spannfläche vollflächig an dem Werkstück anliegt. Dies kann mit einer geringeren weiteren plastischen Verformung des Werkstücks einhergehen, wodurch das Werkstück in der Spannvorrichtung zwischen den Spannbacken besonders sicher gehalten ist.
Die erfindungsgemäße Prägevorrichtung dient der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu der Prägevorrichtung gehört mindestens ein Prägestempel, der eine ein Raster festlegende Prägestruktur aufweist, wobei das Rastermaß zwischen 2,5 mm und 3,5 mm liegt. Der Prägestempel kann ein linear beweglicher Stempel, ein Rollstempel oder dergleichen sein. Die Prägevorrichtung enthält ein Widerlager zur Aufnahme des Werkstücks, wobei das Widerlager dem Prägestempel gegenüber angeordnet ist. Das Widerlager kann dabei selbst als Prägestempel ausgebildet sein, sodass an dem Werkstück an zwei einander gegenüberliegenden voneinander weg weisenden Seiten die gewünschten Positionier- und Kupplungselemente in einem einzigen Arbeitsgang angebracht werden.
Zum Prägen werden der oder die Prägestempel vorzugsweise mittels einer Krafterzeugungseinrichtung an das Werkstück gepresst. Die Krafterzeugungseinrichtung ist vorzugsweise darauf eingerichtet, den oder die Prägestempel mit einer vorbestimmten Kraft auf das Werkstück einwirken zu lassen. Damit wird die Prägetiefe durch die Duktilität des Werkstoffs des Werkstücks bestimmt. Jedenfalls aber wird einer Beschädigung des Werkstücks durch übermäßige Krafteinwirkung verhindert.
Die Vertiefungen werden mittels der Prägevorrichtung vorzugsweise unter Messung der Eindringtiefe der Prägezähne erzeugt. Es kann dadurch sichergestellt werden, dass die Vertiefungen in dem Prägevorgang eine Solltiefe erreichen, eine maximale Tiefe jedoch nicht überschritten wird. Mechanische Mittel zur Begrenzung der Eindringtiefe, wie z.B. an den Prägebacken (zwischen den Prägezähnen) vorgesehene Anschlagzähne sind nicht vorhanden. Vielmehr ist zwischen zwei Prägezähnen jeweils ein Freiraum ausgebildet, dessen Begrenzung mit dem Werkstück nicht in Berührung tritt. Die Eindringtiefe der Prägezähne ist vorzugsweise auf einen Wert festgelegt, der größer ist als die Zahnhöhe der Haltezähne. Dadurch wird eine unkontrollierte Werkstückverformung beim Spannen ebenso verhindert wie eine übermäßige Abnutzung der Haltezähne.
Die Prägevorrichtung weist mehrere Prägezähne auf, deren Mittenabstand mit dem Rastermaß übereinstimmt. Vorzugsweise ist jeder Prägezahn mit mindestens einer, vorzugsweise mit zwei oder mehreren konkav gerundeten Flanken versehen, sodass der Flankenwinkel beim Prägen an der Eindringstelle des Werkstücks mit fortschreitendem Eindringen des Prägezahns immer weiter abnimmt. Auf diese Weise ergeben sich auch bei unterschiedlich duktilen Werkstoffen ähnliche Eindringtiefen, sodass die so geprägten Werkstücke jedenfalls auf die Spannvorrichtung passen. Bei großer Variabilität der Duktilität der verschiedenen Werkstückwerkstoffe wird eine geringe Variabilität der Eindringtiefen der Prägezähne erreicht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Formschlusselemente der Spannvorrichtung unabhängig von dem verwendeten Werkstoff des Werkstücks in die dort angebrachten Vertiefungen passen. Dies gilt zumindest für ein weites Spektrum von Werkstückwerkstoffen.
Wie erwähnt ergeben sich bei verschieden duktilen Werkstoffen zumindest etwas verschiedene Eindringtiefen der Prägezähne und somit etwas unterschiedliche Querschnitte der Vertiefungen. Durch die Kontrolle bzw. Regulierung der Prägekraft kann aber erreicht werden, dass die geprägten Vertiefungen immer eine Tiefe haben, die größer ist, als die Zahnhöhe der Haltezähne.
Die Haltezähne der Spannbacken sind so klein, dass sie jedenfalls in die kleinsten zu erwartenden Vertiefungen passen. Deswegen können sie, wenn das Werkstück aus sehr duktilem Material besteht und die Vertiefungen eher groß sind, mit etwas seitlichen Spiel in die Vertiefungen fassen. Durch die Druckkraft, die die Spannflächen der Spannbacken auf die Werkstückfläche und somit auf die Umgebung jeder Vertiefung ausüben, könne die Vertiefungen jedoch wieder etwas verengt werden, so dass die Haltezähne letztendlich spielfrei in die Vertiefungen fassen.
Die Prägezähne des Prägestempels begrenzen zwischen einander einen Zwischenraum, in den beim Prägevorgang etwas Werkstückmaterial einfließen kann. Der Zwischenraum weist vorzugsweise eine einer Zylinderkontur folgende Begrenzung auf. Außerdem sind die Prägezähen vorzugsweise an einem Leistenvorsprung des Prägestempels ausgebildet. Dies stellt sicher, dass beim Prägevorgang gerade keine ebene Fläche außerhalb der Prägezähne mit der Werkstückfläche in Berührung kommt. Dadurch können die einzelnen Vertiefungen je nach Werkstückduktilität von einer mehr oder minder gro-βen ringförmigen Erhebung umgeben sein. Die Werkstückfläche kann sich außerhalb der Vertiefungen frei verformen. Dies wird erreicht, indem die Prägekraft nur und ausschließlich zwischen den Prägezähnen und dem Werkstück wirkt.
Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung weist mindestens einen, vorzugsweise mehrere Spannbacken auf, deren Werkstückspannfläche mit Formschlusselementen versehen ist, die in dem vorgegebenen Raster der Vertiefungen angeordnet sind, d.h. einen einheitlichen Mittenabstand von 2,5 mm bis 3,5 mm, vorzugsweise 3 mm aufweisen. Die Formschlusselemente sind vorzugsweise Zähne, deren Form der Form der Prägezähne ähnlich ist, wobei die Haltezähne vorzugsweise kleiner sind als die Prägezähne. Deswegen kann bei wenig duktilen Werkstoffen die Größe und Form einer Vertiefung mit der Form und Größe eines Haltezahns übereinstimmen. Bei hoch duktilen Werkstoffen können die von den Prägezähnen erzeugten Vertiefungen durchaus auch größer und tiefer sein, so dass die Haltezähne zunächst mit etwas Spiel in die Vertiefungen fassen. Um eventuell verschiedenen Prägetiefen Rechnung zu tragen sind die Haltezähne (oder sonstige Formschlusselemente) vorzugsweise weniger hoch als die in das Werkstück eingeprägten Vertiefungen tief sind. Beim Spannen des Werkstücks kann jedoch ein Teil des von den Prägezähnen verdrängten Materials rückfließen und letztendlich die Haltezähne der Spannvorrichtung vollständig und vorzugsweise lückenlos umschließen. Außerdem kann eine flächenhafte Anlage zwischen der Werkstückspannfläche und dem Werkstück erreicht werden. So werden der Formschluss und der Reibschluss maximiert.
Es können für verschiedene Werkstückwerkstoffe verschiedene Prägebacken mit verschieden großen Prägezähnen bereitgestellt werden. Zusätzlich oder alternativ könne für verschiedene Werkstückwerkstoffe verschiedene Prägekräfte genutzt werden. Dazu kann die Prägevorrichtung so ausgebildet sein, dass die Prägekraft entsprechend einstellbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann eine Mess- oder Überwachungseinrichtung vorgesehen sein, die zur Messung oder Überwachung der Eindringtiefe der Prägezähne in das Werkstück eingerichtet ist. Es die Prägeeinrichtung kann so ausgebildet sein, dass die den Prägevorgang beendet, wenn die gewünschte Tiefe der Vertiefungen erreicht ist. Bei allen vorgestellten Ausführungsformen beträgt die Tiefe der Vertiefungen zwischen 0,2 mm und 2 mm. Vorzugsweise ist die Tiefe der geprägten Vertiefung 0,02 mm bis 0,05 mm größer als die die Höhe des Haltezahns.
Weitere Einzelheiten und Vorzüge des erfindungsgemäßen Spannsystems ergeben sich aus der Zeichnung und den Ansprüchen. Es zeigen:

Figur 1 ein vorbereitetes Werkstück während des Spannens in einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
Figur 2 ein zu einer Prägevorrichtung gehörigen Prägestempel, in perspektivischer Übersichtsdarstellung,
Figur 3 den Prägestempel beim Prägevorgang in seiner Relation zum Werkstück, in schematisierter Darstellung,
Figur 4 einen Prägezahn beim Prägevorgang während des Eindringens in das Werkstück,
Figur 5 das Werkstück nach Durchführung des vorbereitenden Prägevorgangs, in schematisierter Perspektivdarstellung,
Figur 6 das Werkstück und einen Prägestempel in etwas abweichender Ausführungsform nach dem Prägevorgang, in schematisierter Darstellung,
Figur 7 das Werkstück und einen Spannbacken beim Spannen des Werkstücks, in geschnittener schematisierter Darstellung,
Figur 8 einen Zusammenhang zwischen Rastermaß und normierter Haltekraft als Diagramm,
Figur 9 eine Prägevorrichtung in schematisierter Draufsicht,
Figur 10 eine abgewandelte Ausführungsform eines Prägestempels und eines zugehörigen Werkstücks nach dem Prägevorgang, in schematisierter Seitenansicht,
Figur 11 und 12 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Spannsystems und zugehöriger Werkstücke.

Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren zum Spannen von Werkstücken 10. An dem beispielhaft und schematisch veranschaulichten Werkstück 10 sind in einem vorbereitenden Arbeitsgang Verformungen 11, zum Beispiel in Form einer Reihe von Vertiefungen 12, angebracht worden. Diese dienen als Postionier- und Kupplungselemente beim Spannen in einer entsprechenden Spannvorrichtung 13. Die Spannvorrichtung 13 umfasst mindestens einen beweglichen Spannbacken 14 und ein diesem zugeordnetes Widerlager 15, das ebenfalls als Spannbacken spiegelsymmetrisch zu dem Spannbacken 14 ausgebildet sein kann. Auch andere Widerlager, wie z.B. Spannbacken mit glatten Spannflächen sind möglich.
Die nachfolgende Beschreibung des Spannbackens 14 gilt für das vorliegende und alle weiteren Ausführungsbeispiele, für das als Spannbacken ausgebildete Widerlager 15 oder weitere Spannbacken und Widerlager entsprechend.
Der Spannbacken 14 weist eine Reihe von Formschlusselementen 16 auf, die die Form von Haltezähnen 17 haben können, die in Form, Position und Größe zu den Vertiefungen 12 passen. Die Haltezähne 17 sind beispielsweise in einer geraden Reihe angeordnet, die in einem Abstand zu einer an dem Spannbacken 14 ausgebildeten Auflagefläche 18 angeordnet sind. Die Haltezähne können aber auch in einem abweichenden Muster, beispielsweise in einer Zickzackreihe oder zwei- oder mehrreihig angeordnet sein. Die vorzugsweise ebene Auflagefläche 18 ist rechtwinklig zu einer Spannfläche 19 angeordnet, von der die Haltezähne 17 weg ragen. Die Spannfläche 19 ist vorzugsweise eine ebene Fläche. Vorzugsweise sind die Haltezähne 17 alle einheitlich ausgebildet.
Die Vertiefungen 12 sowie auch die Haltezähne 17 sind in einem übereinstimmenden Raster R angeordnet, das in Figur 1 an dem Werkstück 10 symbolisch markiert ist. Das Raster R legt die Mittenabstände der Vertiefungen 11 sowie auch die Mittenabstände der Haltezähne 17 auf einen einheitlichen Wert fest, der zwischen 2,5 mm und 3,5 mm liegt. Vorzugsweise ist der Mittenabstand der Haltezähne 17 sowie der Vertiefungen 12 in dem Raser R auf 3 mm festgelegt.
Beim Spannen des Werkstücks 10 zwischen den Spannbacken 14, 15 greifen die Haltezähne 17 in die Vertiefungen 12 und die Spannfläche 19 kommt mit der Werkstückfläche 20 in Berührung, die die Vertiefungen 12 umgibt. Dabei übt die Spannfläche 19 eine Druckkraft auf die Werkstückfläche 20 aus. Zugleich liegen die Haltezähne 17 spielfrei in den Vertiefungen 12. Das Werkstück 10 wird dadurch reib- und formschlüssig gespannt. Aufgrund des geringen Rasterabstands von vorzugsweise 3 mm ergibt sich dabei eine quasi kontinuierliche formschlüssige Halterung des Werkstücks 10 mit geringen lokalen Kraftspitzen. Zugleich wird durch das Einrasten der Haltezähne 17 in die Vertiefungen 12 die Werkstückposition parallel zu dem Spannbacken 14, 15 festgelegt.
Figur 2 veranschaulicht einen Teil eines Werkzeugs zur Ausbildung der Vertiefungen 12 an dem Werkstück 10. Die Vertiefungen 12 sind dabei nicht Teil der gewünschten Werkstückgeometrie, sondern dienen lediglich zum Spannen des Werkstücks 10. Sie werden in einem Bereich des Werkstücks 10 angebracht, an dem in der gewählten Aufspannung keine Bearbeitungsvorgänge erforderlich sind.
Figur 9 veranschaulicht eine Prägeeinrichtung 31 zur Erzeugung der Vertiefungen 12 an dem Werkstück 10. Die Prägeeinrichtung 31 weist vorzugsweise zwei Prägestempel 21, 21' auf, die mittels einer Krafterzeugungseinrichtung 30 aufeinander zu bewegbar und spannbar sind. Die Krafterzeugungseinrichtung ist dazu mit den beiden Prägestempeln 21. 21' verbunden und dazu eingerichtet, eine kotrollierte Kraft auf ein zwischen den beiden Prägestempel 21, 21' gehaltenes Werkstück 10 auszuüben. Die beiden Prägestempel 21, 21' sind vorzugsweise gleich ausgebildet zueinander spiegelbildlich angeordnet.
Der in Figur 2 veranschaulichte Prägestempel 21 weist eine Auflagefläche 22 auf, auf die das Werkstück 10 vor Durchführung eines Prägevorgangs aufgesetzt werden kann. Die Auflagefläche 22 kann eine Planfläche oder auch eine mehrfach unterbrochene Fläche sein. Es ist auch möglich, auf eine solche Auflagefläche 22 zu verzichten.
Parallel zu der Auflagefläche 22 ist an dem Prägestempel 21 eine Leiste 23 ausgebildet, die mit vorzugsweise gerundeten Ausnehmungen 24 versehen ist. Diese Ausnehmungen 24 folgen vorzugsweise jeweils einer Zylinderfläche und begrenzen zwischen einander die Prägezähne 25, die in dem Raster R angeordnet sind. Mit anderen Worten, ihre Mittenabstände sind in dem bevorzugten Raster von 2,5 mm bis 3,5 mm festgelegt und betragen beispielsweise einheitlich 3 mm.
Die Leiste 23 kann ansonsten parallelflankig oder auch keilförmig, d.h., zu den Spitzen der Prägezähne 25 hin keilförmig zulaufend ausgebildet sein. Zudem können die Prägezähne auch an diesen Flanken gerundet ausgebildet sein.
Figur 3 veranschaulicht zum ergänzenden Verständnis das Verhältnis der Größe der Prägezähne 25 zu den in dem Werkstück 10 erzeugten Vertiefungen 12. Wie ersichtlich, werden die Prägezähne 25 beim Prägevorgang in das Material des Werkstücks 10 lediglich teilweise eingedrückt, d.h., ihre jeweilige Höhe H (siehe Figur 3) ist größer als die Tiefe T der erzeugten Vertiefungen 12. Die Höhe H der Prägezähne 25 kann dabei ausgehend von einer in Figur 3 gestrichelt dargestellten gedachten Verbindungslinie der tiefsten Stellen der Vertiefungen 24 bis zur Zahnspitze gemessen werden und z.B. 3 mm betragen. Die Tiefe T der Vertiefungen 12 entspricht dann der Eindringtiefe der Zähne.
Bei einem Prägevorgang werden die Prägestempel 21 vorzugsweise kraftbetätigt aufeinander zu bewegt, wobei der Prägevorgang vorzugsweise kraftkontrolliert, wenigstens aber kraftbegrenzt abläuft. Dies bedeutet, dass sich die Tiefe T aus einem Zusammenspiel der Materialduktilität des Werkstücks 10 und der aufgewandten Prägekraft ergibt. Damit wird im Gegensatz zu weggesteuerten Prägevorgängen, die eine definierte Eindringtiefe haben, eine Schädigung des Werkstücks 10 verhindert. Zusätzlich oder alternativ kann während des Prägevorgangs die Eindringtiefe der Prägezähne gemessen werden. Die Eindringtiefe ist der Weg, den die Prägebacken nach der ersten Berührung des Werkstücks mit den Stirnflächen der Prägezähne zurücklegen. Die Prägevorrichtung kann darauf eingerichtet sein, den Prägevorgang zu beenden, wenn die gewünschte Eindringtiefe und damit die gewünschte Tiefe der Vertiefung erreicht ist. Die Tiefe T der Vertiefung 12 ist vorzugsweise wenigstens geringfügig größer als die Höhe eines Haltezahns 17. Der Unterschied kann z.B. 0,02 bis 0,05 mm, gegebenenfalls auch weniger oder mehr betragen.
Figur 4 veranschaulicht den Prägevorgang an einem gut fließfähigen und somit duktilen Material, wie zum Beispiel duktilem Aluminium. Der Prägezahn 25 dringt in die Werkstückfläche 20 lokal ein, wobei das Material des Werkstücks 10 dem Prägezahn 25 ausweicht und sich verformt. Es bildet sich eine beeinflusste Zone 26, in der das Material des Werkstücks 10 verdichtet und durch Verformung auch gehärtet sein kann. Außerdem kann sich um die erzeugte Vertiefung 12 herum eine nicht ebene Verformung der Werkstückfläche 20 bilden, beispielsweise in Form einer wallartigen Aufwölbung oder Erhebung 27 oder in einer anderweitigen leichten Hebung der Werkstückfläche 20 entgegen der Eindringrichtung des Prägezahns 25. Dies ist in Figur 5 und 6 in übertrieben überhöhter Darstellung nochmals veranschaulicht.
Wie Figur 4 auch erkennen lässt, nimmt der Querschnitt des Prägezahns von seiner Stirnfläche 25a ausgehend zu seinem Zahnfuß hin zu. Infolge der vorzugsweise vorhandenen Rundung seiner Flanken 24a, 24b nimmt der Eindringwiderstand des Prägezahns mit zunehmender Eindringtiefe überproportional zu.
Wie Figur 6 zeigt, ist die Werkstückfläche 20 nach dem Eindringen der Vertiefungen 12, auch wenn sie zuvor eben war, insbesondere zwischen den Vertiefungen 12 mehrfach gekrümmt, d.h., sie wölbt sich um verschiedene Krümmungsmittelpunkte und weicht somit von der ebenen Form ebenso ab wie von anderen einfachen geometrischen Formen, wie zum Beispiel der Zylinderform.
Die Prägezähne 25 haben, wie besonders die Figuren 2 und 6 erkennen lassen, vorzugsweise zwei oder auch vier konkav gerundete Flanken 24a, 24b, sodass der Widerstand eines jeden Prägezahns 25 beim Prägevorgang mit zunehmender Eindringtiefe nichtlinear zunimmt. Deswegen werden beim Prägen verschiedener duktiler Materialien Vertiefungen mit einer Tiefe T erreicht, die jedenfalls ausreicht, um die Haltezähne 17 aufzunehmen. Bei duktilerem Material ist die Eindringtiefe noch größer. Die Variabilität der Tiefe T ist aber wesentlich geringer als die Variabilität der Duktilität der verschiedenen Materialien der in Frage kommenden Werkstoffe. Zusätzlich kann die Eindringtiefe beim Prägen überwacht und auf einen Sollwert geregelt sein. Werkstücke 10 können beispielsweise aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, verschiedenen anderen Metallen und Metalllegierungen oder Kunststoff bestehen. Es kann durch die Rundung der Fläche 24 erreicht werden, dass auch bei weichen Materialien ein vollständiges Eindringen des Prägezahns 25 in das Werkstück 10 nicht zu erwarten ist.
Wie bereits erwähnt, werden beim Spannen die Spannfläche 19 und die Werkstückfläche 20 miteinander in Anlage gebracht, während die Haltezähne 17 in die Vertiefungen 12 eingreifen. Wie aus Figur 7 ersichtlich, ist vorzugsweise die in Spannrichtung S gemessene Höhe h eines Haltezahns geringer als die Tiefe T der Vertiefung 12. Beim Spannvorgang wird nun die wallartige Erhebung 27 von der Spannfläche 19 zumindest teilweise eingeebnet, sodass Material des Werkstücks insbesondere der Zone 26 weiter deformiert wird und sich eng um den Haltezahn 17 schmiegt. Es kann dabei erneut zum Fließen des Werkstoffs kommen, sodass sich weitere in Figur 7 in schraffiert dargestellte Verformungsbereiche 28, 29 ergeben. Damit wird ein großer Teil der Spannfläche 20, vorzugsweise die gesamte Spannfläche 20 und die Außenfläche (24a, 24b) der Haltezähne 17 als Haltekraft übertragende Fläche genutzt. Das Material des Werkstücks 10 liegt mit Vorspannung an den Flanken und gegebenenfalls auch an der Stirnfläche der Haltezähne 17 an. Vorzugsweise ist die Tiefe der Vertiefung 12 so groß, dass die Stirnseite des Haltezahns 17 bei gespanntem Werkstück 10 nicht an dem Boden der Vertiefung 12 anliegt (siehe Figur 7).
Durch den vorgegebenen Rasterabstand von vorzugsweise 3 mm wird erreicht, dass sich die beeinflussten Zonen 26 der verschiedenen Prägezähne 25 im Werkstück 10 berühren oder überschneiden. Damit wird eine quasi kontinuierliche Halterung des Werkstücks 10 ermöglicht. Untersuchungen zeigen dabei, dass sowohl größere als auch kleinere Rasterabstände zu geringeren Werkstückhaltekräften führen. Figur 8 veranschaulicht dies in einem Diagramm. An der senkrechen Achse (Ordinate) ist das Verhältnis von erzielbarer Haltekraft F und zur Verfügung stehender Spannfläche A aufgetragen. Um für verschiedene Materialien vergleichbare Kurven zu erhalten, ist die Kraft F auf die maximale Haltekraft ohne Haltezähne normiert.
Auf der horizontalen Achse (Abszisse) ist das Rastermaß des Rasters R abgetragen. Das Rastermaß ist der Mittenabstand der Prägezähne 25 und zugleich der Mittenabstand der Vertiefungen 12 wie auch der Mittenabstand der Haltezähne 17. Es zeigt sich, dass die auf die Fläche A bezogene maximal erzielbare Haltekraft F bei einem Rastermaß von 3 mm ein Maximum erreicht, wobei in dem Bereich zwischen 2,5 mm und 3,5 mm noch gute Haltekraftwerte erzielbar sind. Der Abfall gegenüber der maximalen Haltekraft beträgt innerhalb dieses Bereichs meist weniger als 30%, häufig weniger als 10%. Dies gilt für nahezu alle praktisch vorkommenden wenigstens etwas duktilen und somit prägbaren Werkstoffe.
Die Haltekraft F ist dabei eine Kraft, die senkrecht zu der Auflagefläche 18 wirkt und somit versucht, das zwischen den Spannbacken 14, 15 geklemmte Werkstück 10 aus den Spannbacken 14, 15 herauszuziehen (in Figur 1 vertikal nach oben).
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass das Rastermaß von 2,5 mm bis 3,5 mm für ein weites Spektrum von Werkstücken und Werkstoffen optimal ist, sodass mit dem vorgestellten Spannsystem keine Festlegung auf bestimmte Werkstoffe und Werkstückgeometrien nötig ist. Es kann ein Universalspannsystem angeboten werden, das in der Praxis breite Anwendung findet.
Wie Figur 10 veranschaulicht, sind Abwandlungen möglich. Beispielsweise können die Prägezähne und entsprechend auch die Haltezähne 17 im Wesentlichen ebene Flanken aufweisen, wobei ansonsten die vorige Beschreibung entsprechend gilt.
Außerdem veranschaulicht die Figur 11 eine weitere Abwandlung der vorstehend beschriebenen Erfindung, wonach das Werkstück 10 zwischen vier Backen 14, 15, 14a, 15a gehalten wird, die jeweils Haltezähne 17 aufweisen und für die die Beschreibung des Spannbackens 14 entsprechend gilt. Einander jeweils gegenüber liegende Spannbacken 14, 15, 14a, 15a werden durch Spannantriebe aufeinander zu oder voneinander weg bewegt und können somit das Werkstück 10 vierseitig spannen.
Figur 12 zeigt die Spannung eines Werkstücks 10' an einem zylindrischen Abschnitt desselben mittels entsprechender zylinderschalenförmiger, angepasster Spannbacken 14, 14a, 15, wobei das Werkstück 10' wie auch bei allen anderen Ausführungsformen der Erfindung vor dem Spannen in einem vorbereitenden Arbeitsschritt vorzugsweise durch Prägen mit den nötigen Vertiefungen versehen worden ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Spannverfahren wird ein Werkstück 10 zunächst mit Vertiefungen 12 versehen, wobei diese zum Beispiel in einer Reihe oder in einem Feld in einem Rastermaß mit 3 mm Rasterweite angeordnet sind. Das Rastermaß bemisst sich dabei als Mittenabstand der Vertiefungen 12, deren Tiefe T vorzugsweise geringer ist als die Länge der Vertiefung 12, gemessen in Richtung der Reihe der Vertiefungen 12. Die Abstände zwischen den Vertiefungen 12 entsprechen vorzugsweise ungefähr eben jener Länge der Vertiefungen 12.
Vorzugsweise werden diese Vertiefungen 12 mit Prägewerkzeugen ausgebildet, die Prägezähne 25 mit gerundeten Flanken 24a, 24b aufweisen. Vorzugsweise sind die Flanken 24a, 24b konkav gerundet.
Der Prägevorgang wird vorzugsweise so ausgeführt, dass sich zwischen den Vertiefungen 12 erhabene Bereiche 27 bilden, die beim Spannen des Werkstücks 10 zwischen Spannbacken 14, 15 mit dessen ebener Spannfläche 19 als erstes in Berührung kommen. Eine Verformung dieser erhabenen Bereiche 27 während des Spannvorgangs erhöht die Haltekraft.
Das Rastermaß von 2,5 mm bis 3 mm hat sich für ein großes Spektrum verwendbarer Werkstücke und Werkstoffe als optimal erwiesen.

Bezugszeichen:

10, 10': Werkstück
11: Verformungen
12: Vertiefungen
13: Spannvorrichtung
14: Spannbacken
15: Widerlager
16: Formschlusselemente
17: Haltezähne
18: Auflagefläche
19: Spannfläche
R: Raster
20: Werkstückfläche
21: Prägestempel
22: Auflagefläche
23: Leiste
24: Ausnehmungen
24a, b: Flanken des Prägezahns 25
25: Prägezähne
25a: Stirnfläche eines Prägezahns 25
H: Höhe der Prägezähne 25
T: Tiefe der Vertiefungen 12
26: beeinflusste Zone
27: wallartige Erhebung
S: Spannrichtung
h: Höhe eines Haltezahns 17
F: Haltekraft
A: Flächeninhalt der Spannfläche 20
28, 29: Verformungsbereiche
30: Krafterzeugungseinrichtung

Claims

Verfahren zum Spannen von Werkstücken (10) aus duktilen Werkstoffen,
bei dem in einem vorbereitenden Arbeitsgang an den Werkstücken (10) in einem definierten Raster (R) Verformungen (11) angebracht werden, die lediglich als Positionier- und Kupplungselemente beim Spannen in einer entsprechenden Spannvorrichtung (13) dienen,

bei dem die Werkstücke (10) dann mit Spannbacken (14, 15), die zum reibschlüssigen Halten des Werkstücks (10) Anlageflächen (19) aufweisen und die zur formschlüssigen Positionierung und zur Lagesicherung des Werkstücks (10) zu den Verformungen (11) passende Formschlusselemente (17) aufweisen, gemischt reib- und formschlüssig gespannt werden,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verformungen (11) in dem Raster (R) mit einem Mittenabstand von 2,5 mm bis 3,5 mm zueinander angeordnet sind und

eine Tiefe zwischen 0,2 mm und 2 mm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungen (11) Vertiefungen (12) sind, die mittels einer Prägevorrichtung (21) durch plastische Verformung in das Werkstück (10) eingebracht werden, indem jede Vertiefung (12) mittels eines Prägezahns (25) durch Materialverdrängung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Prägezähnen (25) beim Prägen ein Abstand zu dem Werkstück(10) freigelassen wird, um eine erhabene Verformung (27) der Werkstückoberfläche (20) zuzulassen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (12) an einer Werkstückfläche (20) ausgebildet werden, die zwischen den Vertiefungen (12) mehrfach gekrümmt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ebene, an den Spannbacken (14, 15) vorgesehene Spannflächen (19) beim Spannen des Werkstücks (10) mit der Werkstückfläche (20) in Flächenanlage gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückfläche (20) beim Spannen des Werkstücks (10) in eine ebene Form überführt wird.
Prägevorrichtung zur Vorbereitung des Spannens eines Werkstücks (10) aus duktilem Material und zugehörige Spannvorrichtung (13) zum nachfolgenden Spannen des Werkstücks (10),
wobei die Prägevorrichtung mindestens einen Prägestempel (21) mit einer ein Raster (R) festlegenden Prägestruktur (25) mit einem Rastermaß aufweist wobei die Spannvorrichtung (13) mindestens einen beweglichen Spannbacken (14) und ein diesem zugeordnetes Widerlager (15) umfasst und

wobei der Spannbacken (14) eine Reihe von Formschlusselementen (16) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Rastermaß der Prägestruktur (25) zwischen 2,5 mm und 3,5 mm liegt und

dass die Prägevorrichtung dazu eingerichtet ist, an dem Werkstück (10) Vertiefungen (11) mit einer Tiefe zwischen 0,2 mm und 2 mm zu erzeugen.
Prägevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägevorrichtung (21) ein Widerlager für das Werkstück (10) aufweist, wobei das Widerlager dem Prägestempel (21) gegenüberliegend angeordnet ist.
Prägevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager als weiterer Prägestempel (21) ausgebildet ist.
Prägevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Widerlager (21') und dem Prägestempel (21) eine Krafterzeugungseinrichtung (30) angeordnet ist.
Prägevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägestempel (21) wenigstens zwei, vorzugsweise mehrere Prägezähne (25) aufweist, deren Mittenabstand mit dem Rastermaß (R) übereinstimmt.
Prägevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Prägezahn (25) wenigstens eine konkav gerundete Flanke (14a, 14b) aufweist.
Prägevorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Prägezähnen (25) ein einer Zylinderkontur folgender Zwischenraum (24) festgelegt ist.
Prägevorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägezähne (25) an einem Leistenvorsprung (23) ausgebildet sind.