Definition Was sind Spannmittel?

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FAULHABER Antriebssysteme

GGB Heilbronn GmbH

Mithilfe von Spannmitteln werden Werkstücke für die maschinelle Bearbeitung sicher fixiert. Das Thema Spannmittel in allen Facetten zu beleuchten, würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Daher stehen Spannmittel für Werkstücke in der zerspanenden Bearbeitung im Mittelpunkt dieses Beitrags.

Spannmittel sind in sehr vielen Industriebereichen für die Produktion von Bauteilen und Komponenten unverzichtbar. Allgemein kann zunächst nach der Art des Antriebs eines Spannmittels unterschieden werden:

• manuell

• pneumatisch

• hydraulisch

• elektrisch

Hinzu kommen noch Magnet- und Vakuumspannplatten, die ihre Haltekraft durch einen Magneten bzw. durch die Erzeugung eines Unterdrucks realisieren. Streng genommen handelt es sich hierbei nicht um Spannmittel im engeren Sinne, da keine Spannbacken, sondern Halteplatten eingesetzt werden, die mittels eines Magneten oder eines Vakuums z. B. beim Schleifen eines Bauteils, für einen kraftschlüssigen Seitenhalt von Werkstücken sorgen.

Spanntechnik

Sanfter Halt und volle Flexibilität

Welche Methoden für Werkstück-Aufspannungen gibt es?

Zu den weit verbreiteten Methoden für Werkstück-Aufspannungen gehören u.a.:

• Flachspannen bzw. Linearspannen – Der klassische Schraubstock mit zwei Spannbacken ist in der modernen Zerspanungstechnik weit verbreitet. Man spricht hier auch von Kraftspannblock, weil ein Werkstück durch die formschlüssige Aufspannung für die bei der Zerspanung einwirkenden Kräfte sicher fixiert werden kann.
  Bei einem sogenannten Zentrisch-Spanner bewegen sich beide Spannbacken gleichzeitig aufeinander zu, sodass das Werkstück exakt in der Mitte des Spannmittels gespannt wird.
  Eine andere Form der Linearspannung ist die Fixbackenspannung, bei der eine Spannbacke feststeht und daher unbeweglich ist, während mit der Bewegung der zweiten Spannbacke das Werkstück fixiert wird. Im Bereich der Linearspannung werden zudem u.a. sogenannte Duo-Spanner, also Lösungen mit zwei oder mehr Spannschienen, dafür verwendet, gleich mehrerer Werkstücke in einer Aufnahme zu spannen.

• Rundspannen – Das Rundspannen wird bei Fertigung von rotationssymmetrischen Teilen auf Drehmaschinen oder bei der Fräsbearbeitung von runden Werkstücken auf einem Bearbeitungszentrum eingesetzt. Hier kommen vorwiegend Spannfutter zum Einsatz, deren Bewegung von außen nach innen oder von innen nach außen erfolgen kann. Drei-Backenfutter eignen sich in der Regel für die Aufspannung von rotationssymmetrischen Teilen. Eckige Teile oder Bauteile mit unregelmäßigen Geometrien werden indes zumeist mit Vier-Backenfuttern aufgespannt.
  Bei der Zentrisch-Spannung bewegen sich die Spannbacken von Drei-Backen- und Vier-Backenfuttern wiederum gleichzeitig, damit ein Werkstück symmetrisch um dessen Mitte gespannt wird. Varianten von Vier-Backenfuttern ermöglichen es außerdem, die einzelnen Spannbacken unabhängig voneinander zu bewegen, um auch unsymmetrische Werkstücke zu spannen und hierbei Unwuchten auszugleichen. Darüber hinaus existieren Lösungen, die Werkstücke mit bis zu acht oder 12 Spannbacken fixieren können.

• Spannen-zwischen-Spitzen – Muss ein Werkstück in einer Aufspannung mit hoher Präzision gedreht oder geschliffen werden, bietet sich das Spannen-zwischen-Spitzen an. In Zentrierbohrungen am Werkstück greifen zwei Spitzen, die das Werkzeug in exakter Position halten. Durch diese Form des Spannens wird eine hohe Maßgenauigkeit und Rundlaufgenauigkeit erreicht.

• Planscheiben – Planscheiben ähneln Spannfuttern und sind zumeist bei der Bearbeitung von sehr großen Bauteilen (z. B. Turbinenschaufeln) mit Karusselldrehmaschinen zu finden. Die Spannbacken werden einzeln positioniert, um auch unsymmetrische Teile zu bearbeiten. Zum Ausgleich von Unwuchten werden die Planscheiben mit entsprechenden Gewichten ausgestattet.

• Punktspannen (eher selten) – Punktspannung wird dort angewendet, wo sich Werkstücke aufgrund ihrer Form oder Größe nicht an mehreren Stellen spannen lassen. Anstelle von Spannvorrichtungen oder mehreren Spannbacken wird nur an einem Punkt oder einer kleinen Fläche des Werkstücks Druck ausgeübt, um es zu fixieren.

Pneumatische Spannsysteme – ihre Komponenten und Funktionsweise

Bei pneumatischen Spannsystemen wird ein Kolben bewegt und die Kraft der Druckluft bzw. die lineare Bewegung des Kolbens auf die Spannbacken übertragen. Elektrische Spannsysteme verfügen über einen Motor, der die elektrische Energie über einen Linearantrieb oder eine Gewindespindel auf die Spannbacken umsetzt.

Jedes Spannmittel benötigt einen Grundkörper, in dem die Spannbacken geführt werden. In Grundkörpern von pneumatischen Spannsystemen befindet sich ein Druckluftanschluss, über den ein Kolben bewegt wird, der die Druckluft in eine Bewegung der Spannbacken überträgt. Pneumatische Spannmittel sind in der Regel einfachwirkend, d. h. die Systeme werden ausschließlich zum Schließen der Backen mit Druckluft beaufschlagt. Ist der erzeugte Druck nicht mehr vorhanden, öffnen sich die Spannbacken federgestützt und gelangen so in ihre Ausgangsposition zurück.

Pneumatische Spannsysteme sind hinsichtlich der Spannmethode für Flachspannungen oder Linearspannungen mit zwei Spannbacken und für Rundspannungen mit zumeist Drei- oder Vier-Backenfuttern konzipiert.

Die Energiedichte bei pneumatischen Spannmitteln ist mit einem Druck von bis zu maximal 12 bar wesentlich niedriger als bei hydraulischen Spannsystemen (bis zu 230 bar), die im Grunde bis auf das verwendete Medium in ihrem Aufbau nahezu identisch zu pneumatischen Systemen sind. Dementsprechend lassen sich mit hydraulischen Spannmitteln wesentlich höhere Spannkräfte erzielen als mit pneumatischen Spannsystemen.

Spanntechnik

Die Maschine in der Maschine

Elektrische Spannsysteme – ihre Komponenten und Funktionsweise

Elektrische Spannsysteme sind ebenfalls für Flachspannungen bzw. Linearspannungen als auch für Rundspannungen ausgelegt. Die Hauptkomponenten eines elektrischen Spannsystems bestehen aus einem Motor, der die elektrische Energie in eine lineare oder rotierende Bewegung umsetzt, um die Spannbacken zu bewegen oder zu positionieren. Da die Spannmittel aufgrund ihres mechanischen Aufbaus über eine Selbsthemmung verfügen, muss die Antriebskraft nur während der Bewegung der Spannbacken und beim Öffnen des Spannmittels wirken.

Der Aufbau der Grundkörper zur Aufbringung der Spannkraft auf ein Werkstück ist ansonsten überwiegend identisch mit pneumatischen Spannsystemen.

Grundsätzlich lässt sich die Funktionsweise von elektrischen Spannsystemen unterteilen in Lösungen mit:

• einem autarken Energiespeicher (Batterie oder Akku) oder

• externer Energiezufuhr durch einen entsprechenden elektrischen Anschluss (Kabel oder induktive Schnittstelle).

Bei elektrischen Spannmitteln mit externer Energiezufuhr muss der Anschluss des Grundkörpers durch ein Kabel erfolgen. Das kann die Bewegungsfreiheit der Maschinentischachsen insbesondere bei der 4- oder 5-Achsbearbeitung mit drehendem und/oder schwenkenden Bearbeitungstisch im Gegensatz zu einer autarken Energieversorgung einschränken.

Relativiert wird dieser Nachteil jedoch mittlerweile durch Entwicklungen, die die Entnahme der elektrischen als auch pneumatischen Energie direkt am Maschinentisch ermöglichen. Solche Lösungen können zudem auch Hydraulikanschlüsse sowie Datenschnittstellen integrieren.

Hinsichtlich der Spannkräfte elektrischer Spannmitteln, bewegen sich solche Lösungen im Bereich von hydraulischen Spannmitteln und sind somit um ein Vielfaches höher als bei pneumatischen Spannsystemen.

Worin liegen nun die Vor- und Nachteile von pneumatischen und elektrischen Spannsystemen? Des einen Vorzug ist des anderen Manko und umgekehrt. Etwa so ließen sich die Vor- und Nachteile von pneumatischen sowie elektrischen Spannmitteln einander abwägen. Welche das im Einzelnen sind, wird nachfolgend ohne Anspruch auf Vollständigkeit deutlicher.

Hydrodehnspannfutter

Warum Nachhaltigkeit bei Spannmitteln wichtig ist

Vor- und Nachteile pneumatischer Spannmittel

Die Vorteile pneumatischer Spannmittel sind:

• Einfache Ansteuerung (es wird nur ein Druckluftanschluss und ein Ventil benötigt)

• Keine sensiblen Bauteile (die einzigen bewegten Bauteile sind die Backen und der Kolben)

• Einfacher Aufbau (Baugruppe besteht nur aus wenigen Bauteilen: Grundkörper, Spannbacken, Kolben, Dichtungen)

• Druckluftanschluss befindet sich an jeder Bearbeitungsmaschine

Die Nachteile pneumatischer Spannmittel sind:

• Keine definierte Backenbewegung, da sich Spannbacken stets auf Endanschlag schließen und öffnen (nicht steuerbare Druckluftmenge), daher
  händische oder systembedingte Vorpositionierung der Öffnungsweite notwendig (erschwert Automatisierung)

• Geringere Spannkräfte im Vergleich zu elektrischen Spannsystemen aufgrund geringerer Energiedichte der Druckluft

• Äußere Leitungsverlegung notwendig, wenn keine Druckluftversorgung im Maschinentisch möglich. Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Maschinenachsen (4- oder 5-Achsbearbeitung)

• Höherer Energieverbrauch. Druckluft ist ein teures Medium, da für den Kompressorbetrieb elektrische Energie notwendig ist.

Pneumatik

Pneumatikzylinder – Aufbau, Funktion, Anwendung

Vor- und Nachteile elektrischer Spannmittel

Die Vorteile elektrischer Spannmittel sind:

• Definierte Positionierung durch Integration einer Wegmessung oder Dreh-/Winkelmessung sowie definiertes Öffnen und Schließen der Backen (begünstigt Automatisierung)

• Hohe Flexibilität durch exakte Steuerung der Spannweite und Spannkraft über die Stromstärke des elektrischen Antriebs. Im Vergleich zu pneumatischen Spannsystemen daher flexible Möglichkeiten für die automatisierte Aufspannung verschieden dimensionierter Werkstücke in unterschiedlichen Losgrößen

• Höherer Spannkräfte (ähnlich wie bei hydraulischen Systemen) im Vergleich zu pneumatischen Spannmitteln

• Keine Einschränkung hinsichtlich der Bewegungsfreiheit der Maschinentischachsen bei Akku- bzw. Batteriebetrieb

• Geringerer Energieverbrauch, da elektrische Energie nur für das Schließen und Öffnen der Backen benötigt wird

Die Nachteile elektrischer Spannmittel sind:

• Baugruppe beinhaltet im Vergleich zu pneumatischen Spannsystemen viele Bauteile (z. B. Motor, Steuerung, Messsysteme, etc.). Hierdurch vergleichsweise höhere Investitionskosten.

• Viele sensible Bauteile. Dadurch höhere Anforderungen an Dichtigkeit (z. B. gegenüber Kühl- und Schmierstoffen, Staub, Schmutz, Spänen, etc.) und Auslegung der gesamten Elektronik (z. B. EMV, Vibrations- und Schockbeständigkeit, etc.)

Für welche Einsatzgebiete eignen sich pneumatische oder elektrische Spannsysteme?

Elektrische Spannmittel: Wie bereits an anderer Stelle in diesem Beitrag erwähnt, eignen sich elektrische Spannmittel aufgrund ihrer Flexibilität bevorzugt in einer Automatisierung für die Bearbeitung unterschiedlich dimensionierter Werkstücke auch in kleinen Losgrößen.

Pneumatische SpannmittelDer Einsatz pneumatischer Spannsysteme bieten sich dagegen eher für die Serienfertigung und damit für die Bearbeitung von Werkstücken mit identischen Dimensionen in größeren Losen an.

Kriterien für die Auswahl eines Spannmittels

Bei der Auswahl eines pneumatischen oder elektrischen Spannsystems sollten folgende Kriterien Beachtung finden:

• Müssen Werkstücke mit ständig wechselnden Dimensionen bearbeitet werden?

• Soll das Spannmittel händisch oder automatisiert beladen werden?

• Welche Spannkräfte werden benötigt?
  Elektrische Spannmittel erreichen höhere Spannkräfte und sind daher sowohl für die Leicht- und für die Schwerzerspanung geeignet. Pneumatische Spannmittel erreichen nur leichte bis mittlere Spannkräfte und sind daher nicht für die Schwerzerspanung geeignet

• Ist eine Medienversorgung durch den Tisch (Drehdurchführung) bereits gegeben?

• Patent von DMG Mori, Pfronten: Intelligenter spannen mit smarter Vorrichtung – DMG MORI Deutschland (Pneumatik, Hydraulik, elektrische Leitungs- und Datenschnittstelle)
  Wenn ja, erleichtert dies die Medienversorgung der elektrischen und pneumatischen Spannmittel
  Wenn nein, muss bei pneumatischen Spannmitteln der Druckluftschlauch extern verlegt werden, was wiederum die Bewegungsfreiheit des Bearbeitungstisches und damit die Bearbeitung beschränkt
  Bei elektrischen Spannsystemen kann dieses Problem noch mit Akku-betriebenen Spannmitteln, die ohne externe Stromversorgung arbeiten, umgangen werden.
  Neuentwicklungen können die beiden zuletzt genannten Punkte im Hinblick auf den Anschluss von pneumatischen oder elektrischen Spannsystemen relativieren.

Hinweis: Dieser Beitrag entstand unter freundlicher Mitwirkung von Allmatic Jakob Spannsysteme in Unterthingau.

Anbieter elektrischer und pneumatischer Spannmittel

• Allmatic Jakob Spannsysteme

• Destaco

• Dr. Matzat & Co.

• Hanse Spanntechnik

• Hema

• Imao

• Leschhorn

• M&R

• Norelem

• Ortlieb

• Pascal

• Probst

• Römheld

• SMW-Autoblock

• Stritzelberger

• Univer

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

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