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Wie Sie mit einer gut gewählten Werkstückspannung Ausschuss verringern und Produktivität erhöhen

Wenn man von Spanntechnik spricht, meint man das Fixieren eines Werkstücks oder eines Werkzeugs, mit dem man dann wiederum ein Werkstück bearbeiten kann. Die Spannvorrichtung soll das Werkstück starr, also möglichst schwingungsarm spannen, ohne es dabei zu verformen. Die Aufspannung soll eine hohe Wiederholgenauigkeit aufweisen, schnell und einfach zu handhaben sein, vielseitig zu verwenden, leicht auszutauschen und dabei möglichst nicht zu preisintensiv sein. 

Wann erhöht Spanntechnik die Produktivität?

Die optimale Werkstückspannung verkürzt die Rüstzeit und erhöht so die Produktivität. Allein mit einem sehr guten Werkstückhandling beim Spannen und flexiblem Umrüsten der Spanntechnik lassen sich regelmäßig wenigstens 30 Prozent an Produktivität gewinnen, in Einzelfällen bis zu 90 Prozent. Standardisierte Lösungen, die nicht nur genau auf ein einzelnes Werkstück ausgerichtet, sondern vielfältig einsetzbar sind, sparen zudem Beschaffungs- und Lagerkosten ein.

Welche Trends gibt es in der Werkstück-Spanntechnik?

  • zunehmende Bearbeitung von Verbundwerkstoffen, Leichtbauteilen, dünnwandigen und miniaturisierten Bauteilen
  • kleinere Losgrößen durch zunehmende Individualisierung von Werkstücken
  • vollautomatisierbare Fertigungsprozesse und zuverlässige Prozessüberwachung
  • automatisierte Werkstückbestückung
  • Vernetzung und eindeutige Identifizierung von Spanntechnikkomponenten
  • Implementierung von Sensorik zur Datenerfassung und -übertragung
  • Online-Konfiguratoren für Spannkomponenten

Die Be- und Entladung erfolgt in industriellen Anwendungen zunehmend automatisiert, sodass die Werkstückspannung einen entscheidenden Faktor für die Prozesssicherheit darstellt und mit umfassender Sensorik ausgestattet sein muss. Nur so lassen sich Spanndrücke automatisch prüfen und regulieren. Fällt die Spannkraft ab oder kommt es zu Vibrationen, können die Zerspanungsparameter automatisch angepasst werden, um einen sicheren Prozess und eine maximale Effizienz zu gewährleisten. Dafür sind unterschiedliche Abfragemöglichkeiten und eine nahtlose Kommunikation des Spannmittels mit der Werkzeugmaschine nötig. 

Was bringt ein Nullpunktspannsystem?

Durch die Festlegung des Referenzpunktes können die Werkstücke, Vorrichtungen und Spannmittel in einem Gang wiederholgenau gespannt werden. Die Produktivität steigt, wenn weitere Werkstücke außerhalb der Maschine auf dem jeweiligen Spannsystem eingerichtet werden, während die Maschine einen Auftrag abarbeitet. Ist dieser Auftrag fertig, kann das Spannsystem entnommen und das nächste Werkstück im Nullpunktspannsystem platziert werden. Die Maschine kann sofort das nächste Programm fahren und hat dadurch weniger Stillstand.

Auch in modernen Fünfachs-Bearbeitungszentren oder Dreh-Fräsmaschinen soll das Werkstück sicher gespannt sein, ohne den freien Zugang zum Werkstück aus allen Achsen heraus zu behindern. Diese Aufgabe lösen Spanntürme und Spannwürfel besonders effizient. Sie bieten die Möglichkeit, mehrere Werkstücke, die die gleiche Aufspannung benötigen, gleichzeitig zu bearbeiten.

Werden die Spanntürme selbst wieder mit Nullpunkt-Spannbolzen versehen, kann der komplette Turm außerhalb der Maschine gerüstet werden, während die Werkstücke auf einem anderen Turm in der Maschine bearbeitet werden. Anschließend werden die kompletten Türme über das Nullpunktspannsystem in kürzester Zeit ausgetauscht, positioniert und fixiert. Alternativ dazu können die Werkstücke auf Paletten vorgerüstet und dann im Spannturm fixiert werden.

Ein starker Trend ist die Kombination der verschiedenen Spannmethoden. Nullpunktspanntechnik bildet oftmals die Basis und wird durch hydraulische, magnetische oder pneumatische Systeme als flexibles Baukastensystem ergänzt.

Spannturm mit 3 Nullpunktspannsystemen. Auf den Nullpunktspannsystemen sind jeweils verschiedene Schraubstöcke montiert.

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Wie funktionieren die einzelnen Spannsysteme?

Grundsätzlich lassen sich Spannelemente nach ihrer physikalischen Wirkungsweise in mechanische, pneumatische, hydraulische, vakuumgeführte oder magnetische Spannungen einteilen:

Mechanische Spannelemente

Mechanische Spannelemente erfordern zeitaufwändiges und präzises Spannen, bieten aber auch große Spannkräfte mit einer Selbsthemmung der Spannelemente. Mechanische Spannelemente sind Kniehebel-Exzenter oder Kurvenspanner, Maschinenschraubstöcke, Winkelaufspanntische oder Rundschalttische. Kniehebelspanner arbeiten mit drei Gelenken. Wenn diese in einer Flucht liegen, kann der Kniehebel nicht mehr von einer Gegenkraft zurückgedrückt werden – es herrscht Selbsthemmung. Schnellspanner arbeiten nach demselben Prinzip bei geringerem Zeit- und Kraftaufwand. Sie eignen sich für den Einsatz in Schweiß-, Bohr- und Kontrollvorrichtungen. Bei Exzenterspannern liegt der Mittelpunkt der Spannkurve außermittig. Daher sind sie für Dreh- aber weniger für Fräsvorrichtungen geeignet, weil bei der Fräsbearbeitung stärkere Schwingungen auftreten, die die Spannung lösen könnte.

Mechanischer Einfachspanner

Maschinenschraubstöcke dienen zum Spannen kleiner und mittelgroßer Werkstücke in der Einzel- und Kleinserienfertigung. Sie sind im Vergleich zu den anderen Wirksystemen weniger beratungsintensiv, benötigen weniger einzelne Wartungsansätze und sind einfach zu bedienen. Damit sind sie eine gute und preislich attraktive Lösung für viele Standardaufgaben.

Pneumatische Spannelemente

Pneumatische Spannzylinder bieten eine schnelle Schließung und Öffnung der Spannvorrichtung. Wegen des niedrigen zulässigen Betriebsdruckes liefern sie allerdings keine großen Spannkräfte und wegen der Rückfederwirkung von Luft geben sie bei Überlastung nach. Soll das vermieden werden, empfiehlt sich die Kombination mit selbsthemmenden Kniehebelspannern.

Hydraulische Spannelemente

Hydraulische Spannelemente liefern hohe Spannkräfte und können den Spanndruck schnell aufbauen. Sie sind vielseitig und auch bei schwierigen Werkstückformen einsetzbar. Die Aufspannung ist sehr starr, lässt sich automatisch steuern und bietet gleich große Spannkräfte an allen Spannstellen. 

Magnetische Spanneinrichtungen

Magnetische Spanneinrichtungen fixieren das Werkstück auf dauermagnetischen oder elektromagnetischen Spannplatten. Damit lassen sich schwierige Werkstückformen leichter spannen. Elektromagnetische Spannplatten können allerdings während des Betriebes eine Verlustwärme entwickeln, die das Werkstück verformen kann. Um das zu verhindern können beide Magnetarten kombiniert werden. Nach der Bearbeitung müssen die Werkstücke entmagnetisiert werden. Magnetspannplatten und die Magnetspannfutter finden ihre Anwendung beim Fräsen, Drehen, Erodieren und dem Schleifen. Der Vorteil von Magnetspannelementen liegt in der großen, definierbaren, konzentrierten Haltekraft bei vergleichsweise geringem Energieverbrauch und Instandhaltungsaufwand. 

Vakuumspanntechnik

Mit der Vakuumspanntechnik lassen sich auch dünne und elastische Materialien spannen. Diese Spannmittel kommen vor allem in der Holz- und Kunstoffbearbeitung zum Einsatz und bieten sich an, wenn additive Fertigung mit Kunststoffen und spanende (Nach-)Bearbeitung kombiniert werden. Leistungsstarke Vakuum-Spannsysteme werden aber auch in der Metallbearbeitung eingesetzt und sind besonders Werkstückschonend – insbesondere bei der Zerspanung von Aluminium und anderen NE-Metallen.