Nullpunktspannsystem: Bolzenarten, Einzugskraft und Wiederholgenauigkeit

Thema: Spannmittel & Vorrichtungen

Ein Nullpunktspannsystem macht das Einmessen nicht überflüssig, und zusätzliche Zentrierbolzen machen eine Palette nicht genauer. Der Nutzen entsteht beim Wiederholen: Eine einmal eingemessene Palette lässt sich abnehmen, außerhalb der Maschine neu bestücken und an derselben Stelle wieder spannen. Damit das funktioniert, müssen Bolzenarten, Einzugskraft und Sauberkeit zusammenpassen.

Aufbau: Spannmodul, Spannbolzen und Palette

Auf dem Maschinentisch sitzen ein oder mehrere Spannmodule, oft zu einer Spannplatte zusammengefasst. Die Spannbolzen sind an der Unterseite von Palette, Schraubstock oder Vorrichtung verschraubt und werden laut Lang Technik mit hoher Wiederholgenauigkeit nach unten in die Platte gezogen.

Bei den pneumatischen Modulen VERO-S NSE mikro von SCHUNK erzeugt ein Federpaket die Einzugskraft. Die Verriegelung ist formschlüssig und selbsthemmend, geöffnet wird mit 6 bar Druckluft; laut Katalog bleibt die volle Einzugskraft auch bei Druckabfall erhalten. Zimmer beschreibt seine Module im gespannten Zustand ebenfalls als formschlüssig verriegelt, ohne Energieverbrauch. Das Quick-Point-System von Lang arbeitet dagegen mechanisch: Eine seitliche Spannschraube bewegt ein Gestänge in der Platte.

Pneumatische Module brauchen Druckluft bis an den Tisch; Hinweise zu Maßen und Verlegung gibt der Beitrag zum Pneumatikschlauch. Mechanische Systeme kommen ohne Luft aus, verlangen aber bei jedem Wechsel einen Schlüssel.

Zentrier-, Schwert- und Einzugsbolzen

Mit vier spielfreien Bolzen hätte eine Palette auf vier Modulen mehr Führungen als nötig. Zimmer empfiehlt für die Abstände von Spannbolzen und Modulen eine Toleranz von ±0,015 mm, also mehr als die Wiederholgenauigkeit von 0,005 mm; mehrere spielfreie Bolzen würden sich gegeneinander verspannen. Deshalb gibt es drei Bolzenarten, bei SCHUNK Typ A „fixiert“, Typ B „positioniert – Schwertform“ und Typ C „mit Zentrierspiel“.

Der Schwertbolzen stützt Momente um den Zentrierbolzen ab und bleibt nur in Richtung auf ihn frei. Nach Zimmer gleicht diese Anordnung Fertigungstoleranzen und Wärmeausdehnung aus. Bolzen sind systemgebunden: ALLMATIC-Jakob ordnet seinen Schraubstöcken für jedes Fremdsystem eigene Bolzensätze zu.

Wiederholgenauigkeit, Nullpunkt und Rüstzeit

SCHUNK und Lang geben unter 0,005 mm Wiederholgenauigkeit an, Zimmer 0,005 mm. Der Wert beschreibt, wie genau eine Palette beim erneuten Spannen in ihre vorige Lage zurückkehrt, nicht, wo der Werkstücknullpunkt liegt. Dieser wird einmal eingemessen, etwa mit einem Kantentaster, und als Nullpunktverschiebung hinterlegt; die Zusammenhänge erklärt der Beitrag zum Koordinatensystem bei CNC.

Die Angabe betrifft zudem nur die Schnittstelle zwischen Modul und Bolzen. Wie genau das Werkstück auf der Palette liegt, bestimmen Anschläge und Spannfolge wie bei einer Spannvorrichtung mit Anschlag. Zeit spart das System laut Lang Technik vor allem, weil weitere Paletten außerhalb der Maschine gerüstet werden können, während die Maschine läuft. Dieses Verlagern von Rüstschritten ist der Kern von Rüstabläufen nach SMED.

Eigenes Rechenbeispiel: Reicht die Einzugskraft?

Wir nehmen eine kleine Palette auf vier Modulen SCHUNK NSE mikro 49-13 an, die laut Katalog je 400 N einziehen, mit Turbofunktion 1.500 N. Die Modulreihen stehen in Kipprichtung X = 80 mm auseinander. Eine seitliche Bearbeitungskraft F_S = 250 N greift in der Höhe A über der Auflage an, der Sicherheitsfaktor ist S = 2. Außer den Katalogwerten sind alle Zahlen Annahmen.

Vereinfacht kippt die Palette um eine Modulreihe, und die beiden Module der anderen Reihe halten mit dem Hebelarm X dagegen: 2 × F_E × X ≥ S × F_S × A, also F_E ≥ S × F_S × A / (2 × X). Zimmer rechnet im Auslegungsbeispiel mit demselben Momentengleichgewicht, zählt aber den Moduldurchmesser zum Hebelarm; die vereinfachte Form liegt auf der sicheren Seite.

Die Höhe geht linear ein; ohne Turbo reichen die Module hier bis etwa 128 mm Angriffshöhe. Ist die abhebende Kraft größer als die Einzugskraft, kann sich die Palette einseitig von der Auflage lösen, obwohl die Bolzen verriegelt bleiben. Die Haltekraft ist dafür kein Maßstab: Zimmer nennt für Baugröße 138 eine Einzugskraft von 9 kN, für Spannbolzen mit M12-Schraube dagegen 77 kN Haltekraft. Ob Turboluft während der Bearbeitung anliegen muss, regelt die Anleitung; bei Zimmer muss der vergleichbare PLUS-Anschluss während der Spannung beaufschlagt sein.

Typische Fehler und Grenzen

Späne zwischen Palette und Modul verhindern die Plananlage; die Palette liegt dann schief, obwohl alle Bolzen gespannt sind. Lang schreibt vor, bei Mehrfachplatten unbenutzte Aufnahmen zu verschließen, damit sich die Kräfte gleichmäßig verteilen. SCHUNK liefert Abdeckkappen gegen Kühlschmierstoff und Späne. Für automatisierte Abläufe fragt SCHUNK die Schieberstellung über Staudruck ab, Zimmer die Auflage über Durchfluss- oder Staudruckkontrolle.

Ein zweiter Zentrierbolzen anstelle des Schwertbolzens überbestimmt die Palette; je nach Bohrungsabstand setzt sie verspannt oder gar nicht auf. Jede Spannplatte kostet außerdem Bauhöhe, bei Quick-Point laut Lang 27 mm, dazu kommen Palette, Spannmittel und Werkstück. Auf Drehmaschinen lässt Lang sein System nur bis 500 min⁻¹ zu. Das Werkstück braucht auf der Palette weiterhin ein eigenes Spannmittel, etwa einen Maschinenschraubstock oder eine Vakuumspannung.

Prüfliste für Auswahl und Wechsel

• Betätigung passend zur Maschine wählen: mechanisch mit Spannschraube oder pneumatisch mit Luftversorgung bis zum Tisch.
• Je Palette genau ein Zentrierbolzen, ein Schwertbolzen mit freier Richtung zum Zentrierbolzen, alle weiteren als Einzugsbolzen.
• Bohrungsabstände nach Herstellerangabe fertigen; Zimmer empfiehlt ±0,015 mm.
• Nötige Einzugskraft aus Bearbeitungskraft, Angriffshöhe und Modulabstand abschätzen, nicht aus der Haltekraft.
• Bauhöhe von Platte, Palette und Spannmittel gegen Z-Hub und Werkzeuglänge prüfen.
• Planflächen und Aufnahmen vor jedem Wechsel reinigen; unbenutzte Aufnahmen verschließen.
• Nullpunkt einmal einmessen und nach Umbau oder Kollision erneut prüfen.
• Bolzenlage, Module und Werkzeugfreiraum im Spannplan festhalten.