Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Formspannbacken für eine Spannvorrichtung mit einem Grundkörper und einer am Grundkörper angeordneten, an die Oberflächenkontur ei¬ nes Werkstücks angepaßten Spannfläche sowie ein Verfah¬ ren zum Einspannen von Werkstücken mittels eines Form- spannbackens der vorstehenden Art.

Spannbacken sind Bestandteile von Spannvorrichtungen, wie sie beispielsweise in Schraubstöcken, Werkzeugma¬ schinen oder Bearbeitungszentren zum Festhalten von Werkstücken benötigt werden. Zum Spannen von Profilstä¬ ben insbesondere für den Fenster-, Türen- oder Fassa¬ denbau werden bisher Formspannbacken verwendet, die in ihrer Oberflächenkontur der Kontur des einzuspannenden Werkstücks angepaßt sind. Für jeden Werkstücktypus wird also ein spezieller Formspannbacken hergestellt, der im Falle eines Wechsels des zu bearbeitenden Werkstücks in der betreffenden Spannvorrichtung ausgetauscht werden muß. Die bekannten Formspannbacken sind daher wegen der hohen U rüstzeiten nur in der Serienfertigung bei mitt¬ leren und größeren Losgrößen von mindestens 200 Stück, nicht jedoch in der Einzel- oder Kleinserienfertigung wirtschaftlich einsetzbar. Dies gilt besonders für den Einsatz bei großen Reihenbohr- und Fräsmaschinen, in denen eine Vielzahl Spannvorrichtungen mit Formspann¬ backen zum Einsatz kommen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu-

gründe, einen Formspannbacken sowie ein Verfahren zum Einspannen von Werkstücken zu entwickeln, womit in ein¬ facher Weise eine Anpassung an unterschiedliche Werk¬ stückkonturen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentan¬ sprüchen 1 bzw. 20 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den ab¬ hängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Prinzip zugrun¬ de, daß die Spannfläche durch Verschieben des Grundkör- pers gegen das Werkstück bis zum Erreichen einer Spann- stellung verformbar und dabei selbsttätig an die Kontur der Werkstückoberflache anpaßbar ist. Dieses Prinzip kann vorteilhafterweise dadurch verwirklicht werden, daß die Spannfläche aus einer Vielzahl von relativ zum Grundkörper unabhängig voneinander verschiebbaren und an diesem in einer Spannstellung arretierbaren Druck¬ stücken zusammengesetzt ist. Die Druckstücke sind dabei zweckmäßig in Spannrichtung des Formspannbackens am Grundkörper hin- und herverschiebbar und gemeinsam am Grundkörper arretierbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Druckstücke entgegen der Kraft einer Feder in Richtung Grundkörper verschiebbar sind, so daß sie beim Verschieben des Grundkörpers gegen das einzuspan¬ nende Werkstück unter der Einwirkung der Werkstückober-

fläche entgegen der Federkraft in Richtung Grundkörper verschoben und in der Spannstellung arretiert werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß jedes Druckstück mit einem Spannstößel in einer Schubführung des Grundkörpers geführt ist. Der Verschiebeweg des Spannstößels ist in Spannrichtung zweckmäßig durch einen die Ausgangsstellung der Druck¬ stücke definierenden vorderen Endanschlag begrenzt und in jeder Verschiebelage mittels eines Sperrglieds am Grundkörper arretierbar. Die Sperrglieder der Spann¬ stößel sind dabei zweckmäßig gemeinsam mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbar. Zur Betätigung der Sperrglieder sind zweckmäßig Schaltorgane vorgese¬ hen, die beim Verschieben der Spannstößel vorzugsweise in der Nähe ihrer rückwärtigen Endstellung auslösbar sind.

Die Sperrglieder sind beispielsweise als über einen re¬ lativ zum Spannstößel verschiebbaren Druckkolben betä- tigbares, zwischen Spannstößel und einer Zylinderwand des Grundkörpers einspannbares Form- oder Spreizele¬ ment, und dabei insbesondere als Spannhülse, Ringspann- scheibe oder Ringformfeder, ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Sperrglieder als zwischen Grundkörper und Spannstößel angeordnete Klemmsperre auszubilden.

Um eine Beschädigung der Werkstückoberfläche zu vermei-

den, können die Druckstücke aus elastomerem Material bestehen oder mit einem Überzug aus elastomerem Mate¬ rial versehen werden. Eine weitere Verbesserung in die¬ ser Hinsicht kann dadurch erzielt werden, daß die Druck¬ stücke stirnseitig mit einer die Spannfläche bildenden geschlossenen Membran aus gummielastischem Material überzogen sind. Dadurch erhält man eine geschlossene Spannfläche, mit der eine Verschmutzung des Zwischenbe¬ reichs zwischen den Druckstücken vermieden werden kann.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Spannstößel je einen in einen Stößel- zylinder des Grundkörpers eingreifenden Stößelkolben tragen und daß die Stößelzylinder über einen gemeinsa¬ men Hydraulikverteiler in Spannrichtung mit Hydraulik¬ flüssigkeit beaufschlagbar sind. Die Stößelkolben sind dabei auf ihrer dem Hydraulikverteiler gegenüberliegen¬ den Kolbenfläche vorzugsweise mit Atmosphärendruck aus der Umgebungsluft beaufschlagt. Jeder Stößelkolben kann durch ein zwischen dem Hydraulikverteiler und dem zu¬ gehörigen Stößelzylinder angeordnetes, hydraulisch be¬ tätigbares Absperrventil hindurch mit der Hydraulik¬ flüssigkeit beaufschlagt werden. Die die Funktion des Absperrorgans aufweisenden Absperrventile weisen zu diesem Zweck vorteilhafterweise einen zweiseitig mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbaren, in einem Steuer¬ zylinder angeordneten Steuerkolben auf. Die eine, vor¬ zugsweise absperrventilseitige Kolbenfläche der Steuer¬ kolben und die Stößelkolben werden dazu zweckmäßig mit Hydraulikflüssigkeit aus dem gleichen Hydraulikvertei-

ler beaufschlagt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die einander zugeordneten Stößelzylinder und die Steuerzylinder koaxial zueinander ausgerichtet, so daß die Absperrventile über ihre Steuerkolben axial zu den Stößelzylindern betätigt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß die Hydrozylinder in einem gemeinsamen Zylinderblock angeordnet sind, während die Absperrventile in einer gemeinsamen, mit dem Zylinderblock verbundenen, vor¬ zugsweise mit diesem verschraubten Ventilplatte ange¬ ordnet sind. Die Steuerzylinder können ihrerseits in einer gemeinsamen, mit der Ventilplatte verbundenen, vorzugsweise verschraubten, auf der der Ventilplatte gegenüberliegenden Seite durch eine Grundplatte ver¬ schlossenen Zylinderplatte angeordnet sein. Auf diese Weise ist es mit einfachen baulichen Mitteln möglich, den Hydraulikverteiler durch einen zwischen Ventilplat¬ te und Zylinderplatte angeordneten freien Zwischenraum auszubilden, während zwischen Ventilplatte und Grund¬ platte zusätzlich ein zweiter, mit dem Steuerzylinder kommunizierender Hydraulikverteiler als freier Zwi¬ schenraum angeordnet werden kann. Auf der der Grund¬ platte gegenüberliegenden Seite kann eine den Zylinder¬ block verschließende, die Schubführung bildende Durch¬ brüche für den Durchgriff der Spannstößel aufweisende Deckplatte vorgesehen werden, wobei zwischen Deckplatte und Zylinderblock ein mit den Stößelzylindern verbünde-

ner, vorzugsweise mit der Atmosphäre kommunizierender freier Zwischenraum ausgespart werden kann.

Die erfindungsgemäßen Formspannbacken werden mit beson¬ derem Vorteil in Spannvorrichtungen eingesetzt, die ei¬ nen an einem Maschinengestell in Spannrichtung auf ei¬ nen vorzugsweise über eine Zentralsteuerung nach Maßga¬ be der Größe eines einzuspannenden Werkstücks einstell¬ baren Blockanschlag verfahrbaren Blockschlitten und ei¬ nen auf dem Blockschlitten in Spannrichtung verfahrba¬ ren, den Formspannbacken tragenden Form- und Spann¬ schlitten aufweisen. Grundsätzlich ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Formspannbacken auch an einem herkömmlichen Schraubstock möglich. Dazu muß lediglich der Grundkörper des Formspannbackens am Spannbacken des Schraubstocks befestigt werden.

Das Einspannen von Werkstücken erfolgt mit dem erfin¬ dungsgemäßen Formspannbacken dadurch, daß zunächst der Grundkörper gegen das Werkstück verschoben und dabei die Spannfläche unter selbsttätiger Anpassung an die Kontur der Werkstückoberfläche verformt wird, und daß die Spannfläche nach Erreichen einer Spannstellung re¬ lativ zum Grundkörper unverformbar gestellt und unter Einspannen des Werkstücks mit einer vorgegebenen Halte¬ kraft gegen dessen Oberfläche gedrückt wird. Damit wird erreicht, daß Werkstücke mit weitgehend beliebigen, auch komplizierten Oberflächenkonturen unter automati¬ schem Toleranzausgleich mit großflächiger Anlage bei vollautomatischer Handhabung kraft- und formschlüssig

erfaßt werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeich¬ nung in schematischer Weise dargestellten Ausführungs¬ beispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Spannvorrichtung mit vier kreuzweise angeordneten Formspannbacken;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines mit Formspannbacken bestückten Schraubstocks;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Schraubstock nach Fig. 3;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Formspannbacken in gegenüber Fig. 1 bis 4 vergrößerter Darstel¬ lung;

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Formspannbacken mit hydraulisch betätigbaren Spannstößeln;

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Formspannbackens nach Fig. 6;

Fig. 8 einen Ausschnitt aus Fig. 7 in vergrößerter Darstellung.

Die in der Zeichnung dargestellten Formspannbacken 10 bestehen im wesentlichen aus einem Grundkörper 12 und einer Spannfläche 14, die aus einer Vielzahl von unab¬ hängig voneinander relativ zum Grundkörper 12 um eine Hubstrecke h verschiebbaren Druckstücken aus elastome¬ rem Material zusammengesetzt ist. Die Druckstücke 16 sind am einen Ende je eines Spannstößels 18 angeordnet, der in einer Schubführung 20 des Grundkörpers 12 in Hubrichtung verschiebbar gelagert ist.

Im Falle der Fig. 5 durchgreifen die Spannstößel 18 in¬ nerhalb des Grundkorpers 12 jeweils eine zylindrische Ausnehmung 22 und werden dort von einer zwischen dem Zylinderboden 24 und einem am Spannstößel 18 befestig¬ ten, einen Bund 25 aufweisenden Stellring 26 einge¬ spannten Druckfeder 28 mit einer in Richtung des Pfeils 30 gerichteten Kraft beaufschlagt. Die Druckstücke 16 nehmen dadurch in ihrer entspannten Ruhelage die in Fig. 5 in strichpunktierten Linien eingezeichnete Aus- gangslage 16' ein, in der der Spannstößel 18 mit seinem Stellring 26 unter der Einwirkung der Druckfeder 28 gegen den Endanschlag 32 anliegt. Die Spannstößel 18 durchgreifen innerhalb des Grundkörpers 12 außerdem ein Sperrglied 34, das bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausfüh¬ rungsbeispiel einen im Grundkörper 16 angeordneten, vom Spannstößel 18 durchgriffenen Zylinderraum 36 sowie zwei im Zylinderraum 36 angeordnete, beispielsweise als Ringspannscheiben oder Ringformfedern ausgebildete Formelemente 38 und einen den Spannstößel 18 umgebenden

Ringkolben 40 umfaßt. Die Formelemente 38 des Sperr- glieds 34 können in jeder Verschiebelage des Spann- stößels 18 in ihre sich sowohl an der Innenwand des Zylinderraums 36 als auch an der Stößeloberfläche ab¬ stützende Sperrstellung gebracht werden, und zwar da¬ durch, daß der Ringkolben 40 über den Anschlußstutzen 42 und den Ringraum 44 bodenseitig mit hydraulischen oder pneumatischen Mitteln mit Druck beaufschlagt wird. Der Stutzen 42 ist mit den Ringräumen 44 sämtlicher Sperrglieder 34 verbunden, so daß die Sperrung aller Spannstößel 18 innerhalb des Grundkörpers 12 gleichzei¬ tig erfolgt. Eine innerhalb des Ringraums 44 angeordne¬ te Hilfsfeder 46 sorgt dafür, daß der zweiteilige Ring¬ kolben 40 sich auch im entspannten Zustand immer in einer definierten Ausgangslage befindet, während die Dichtringe 48 den Grundkörper gegen über- und austre¬ tendes Druckfluid abdichten. Die Betätigung der Sperr¬ glieder erfolgt über Schaltorgane 52, die über die Spannstößel 18 in ihrer rückwärtigen Endlage auslösbar sind.

Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, ist der Grundkörper 12 aus mehreren scheibenförmigen Bauteilen zusammenge¬ setzt, die durch mehrere, über den Umfang verteilt an¬ geordnete Spannschraubenpaare 50 miteinander verbunden sind.

Bei dem in Fig. 6 bis 8 gezeigten Formspannbacken wer¬ den die Spannstößel 18 mit ihren Druckstücken 16 hy¬ draulisch in ihre in Fig. 7 gezeigte Ausgangslage ver-

schoben und mit einem hydraulisch betätigbaren Absperr¬ ventil 70 in ihrer Spannstellung arretiert. Zu diesem Zweck greifen die Stößel 18 mit einem an ihrem rückwär¬ tigen Ende angeordneten Stößelkolben 72 in einen Stößelzylinder 74 innerhalb des Grundkörpers 12 ein, der bodenseitig über einen Hydraulikverteiler 76 und die durch den konischen Sitz 78 des Absperrventils 70 begrenzte Ventilöffnung 80 mit Hydraulikflüssigkeit be- aufschlagbar ist. An ihrem stangenseitigen Ende kommu¬ nizieren die Stößelzylinder 74 über einen Verteilerraum 82 und die Öffnung 84 mit der Umgebungsluft. Die Ven¬ tilnadel 84 des Absperrventils 70 wird über einen in einem SteuerZylinder 86 geführten, zweiseitig mit Hy¬ draulikflüssigkeit aus den Verteiler ammern 76 und 88 beaufschlagbaren Steuerkolben 90 betätigt. Wie insbe¬ sondere aus Fig. 8 zu ersehen ist, ist der Grundkörper 12 auch in diesem Falle aus mehreren, block- oder scheibenförmigen Bauteilen zusammengesetzt, die durch mehrere, über den Umfang verteilt angeordnete Spann¬ schrauben 50 miteinander verbunden sind. Die Spannzy¬ linder 74 befinden sich dabei in einem gemeinsamen Zy¬ linderblock 92, der stangenseitig durch eine die Schub¬ führungen 20 für die Stößel 18 enthaltende Deckplatte 94 und eine den Anschluß 84 und den Verteilerraum 82 enthaltende Zwischenplatte 96 verschlossen ist. An der bodenseitigen Breitseitenfläche des Zylinderblocks 92 befindet sich eine Ventilplatte 98 mit den Ventilsitzen 78, den Ventilöffnungen 80 und einem zum Verteilerraum 76 führenden Hydraulikanschluß 100. Auf der dem Zylin¬ derblock gegenüberliegenden Seite der Ventilplatte 98

befindet sich eine Zylinderplatte 102 mit den Steuerzy¬ lindern 86 zur Aufnahme der Steuerkolben 90, die zu¬ sätzlich mit stirnseitigen Ausnehmungen zur Bildung der Hydraulikverteiler 76,88 sowie einem zum Hydraulikver¬ teiler 88 führenden Anschluß 104 versehen und außensei¬ tig durch eine Grundplatte 106 verschlossen ist.

Die Funktion des hydraulischen Formspannbackens nach Fig. 6 bis 8 ist wie folgt: Zum Ausfahren der Spann¬ stößel 18 in ihre in Fig. 7 gezeigte Ausgangslage wird der Verteilerraum 76 über den Anschluß 100 mit Drucköl beaufschlagt, während der Verteilerraum 88 mit dem Tank verbunden wird. Dadurch bewegen sich die Steuerkolben 90 mit den Ventilnadeln 84 von ihrer in Fig. 8 gezeig¬ ten Sperrstellung in die Durchlaßstellung gemäß Fig. 7. In dieser Stellung gelangt Drucköl aus dem Verteiler¬ raum 76 in die Stößelzylinder 74 und treibt die Stößel 18 in ihre in Fig. 7 gezeigte Ausgangsstellung. Bei ei¬ nem Spannvorgang wird der Formspannbacken 10 mit seinen Druckstücken 16 gegen eine einzuspannende Oberfläche bewegt, wobei der Verteilerraum 76 bei geöffneten Ven¬ tilen 70 zum Tank oder gegen einen elastischen Druck¬ speicher so geöffnet ist, daß Hydraulikflüssigkeit aus den Spannzylindern 74 verdrängt werden kann. Nach Er¬ reichen der Spannstellung wird der Verteilerraum 88 über den Anschluß 104 mit Drucköl beaufschlagt und da¬ durch die Ventile 70 in ihre Sperrstellung gebracht. Um Leckströme aus den Spannzylindern zu vermeiden, kann auch im Verteilerraum 76 noch ein gewisser Hydraulik¬ druck aufrechterhalten werden.

Bei dem in Fig. 1 und 2 ausschnittsweise dargestellten Ausführungsbeispiel einer Spannvorrichtung sind vier Formspannbacken 10 vorgesehen, zwischen deren Spannflä¬ chen 14 ein als Profilschiene ausgebildetes Werkstück 54 mit komplizierter Oberflächenkontur eingespannt ist. Die Anpassung der Spannfläche 14 an die Oberflächenkon¬ tur erfolgt dadurch, daß die Grundkörper 12 zunächst mit unverspannten Spannstößeln 18 gegen den jeweiligen Oberflächenteil bis zum Anschlag der in ihrer Ausgangs¬ lage befindlichen Druckstücke 16 verschoben werden. Im Zuge des weiteren Verschiebens werden sodann die unver¬ spannten Spannstößel 18 unter der Einwirkung der Werk¬ stückoberfläche entgegen der Kraft der Druckfedern 28 in den Grundkörper hineingeschoben, bis der am weite¬ sten verschobene Spannstößel über das zugehörige Schalt¬ organ 52 die Sperrung der Spannstößel 18 innerhalb des Grundkorpers 12 in der oben beschriebenen Weise auslöst. Bei geeigneter Anpassung des Hubs h an die Abmessungen der überstehenden Teile 56 des Werkstücks liegen in diesem Falle sämtliche Druckstücke 16 konturgerecht ge¬ gen die Werkstückoberflache an, so daß die am Werkstück angreifenden Haltekräfte über die gesamte Spannfläche 14 der Formspannbacken verteilt werden. Das Einspannen der Werkstücke zwischen den Formspannbacken einschlie߬ lich der Anpassung der Spannfläche 14 an die Oberflä¬ chenkontur kann in geeigneten Spannvorrichtungen voll¬ automatisch erfolgen.

Wie aus Fig. 3 und 4 zu ersehen ist, ist es möglich,

die beschriebenen Formspannbacken auch an einem handbe¬ triebenen Schraubstock 60 anzuordnen. Dazu müssen le¬ diglich die Grundkörper 12 der Formspannbacken 10 an den Spannbacken 58 des Schraubstocks 60 befestigt, vor¬ zugsweise angeschraubt werden. Das Einspannen des Werk¬ stücks 54 unter Anpassung an die Werkstückoberfläche erfolgt dann in der oben beschriebenen Weise mit dem einen Unterschied, daß der Schraubstock 60 mit den Form¬ spannbacken 10 über den Kurbelzapfen 62 sowie die Sper¬ rung der Spannstößel 18 nach Anpassung der Spannfläche 14 an die Oberflächenkontur jeweils von Hand durchge¬ führt wird.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin¬ dung bezieht sich auf einen Formspannbacken für eine Spannvorrichtung mit einem Grundkörper 12 und einer am Grundkörper angeordneten, an die Oberflächenkontur ei¬ nes Werkstücks 54 anpaßbaren Spannfläche 14. Um mit einfachen Mitteln eine Anpassung der Spannflä¬ che 14 des Formspannbackens 10 an die Oberflächenkontur des Werkstücks 54 zu ermöglichen, ist die Spannfläche 14 aus einer Vielzahl von relativ zum Grundkörper 12 ver¬ schiebbaren und an diesem in einer Spannstellung arre¬ tierbaren Druckstücken zusammengesetzt.