Opspangereedschap: krachtpatser met finesse

Vervorming van het object is uit den boze

Opspansystemen vormen de verbinding tussen het gereedschap en de machine. Kwaliteit is daarbij het sleutelwoord. Opspanmiddelen dienen aan veel eisen te voldoen, waaronder een hoge proceszekerheid, hoge parallelliteit, een grote balanceernauwkeurigheid en een maximale opspankracht. Naar verwachting zal de opspantechniek in toenemende mate worden geïntegreerd in het totale bewerkingsproces, en uiteindelijk een eenheid vormen met de besturing van de CNC-machine.

ONBALANS

Bij elke bewerkingstechniek is het noodzakelijk de objecten op te spannen, zodat deze gedegen en veilig kunnen worden bewerkt. Opspansystemen vormen de verbinding tussen het gereedschap en de machine, dus is een juiste keuze van de opspanmiddelen cruciaal. Deze bepaalt namelijk de efficiëntie van de bewerking en mede daarmee de kwaliteit van het eindproduct.

Een slechte opspanning heeft grote gevolgen voor de nauwkeurigheid. Onbalans kan desastreus uitpakken; niet alleen wat betreft de kwaliteit van het object, ook wat betreft de standtijd van de gereedschappen. 

DRIE-EENHEID

De machine, de gereedschapshouder en het gereedschap moeten kwalitatief gezien altijd een drie-eenheid vormen. Gebruik van de juiste opspangereedschappen biedt diverse voordelen, waaronder maximalisatie van de productiviteit, meer flexibiliteit en zekerheid en het overbodig worden van het aanpassen van de toleranties.

Opspansysteem, gereedschap en machine
vormen kwalitatieve drie-eenheid

Door de partiële (voor)instelling van de werkstukken en de opspantijd te reduceren, kan de bezettingsgraad van de betreffende machine worden verhoogd, op voorwaarde  dat de opspanmiddelen met de grootste zorg worden behandeld. Dat verlengt niet alleen hun levensduur, maar komt ook het betrouwbaar en veilig gebruik van de opspanmiddelen ten goede.

Opspantafel
Een opspantafel wordt gebruikt voor het reproduceerbaar en met grote nauwkeurigheid (kunnen) bewerken van gecompliceerde objecten; dan wel omvangrijke constructies. Het begrip 'tafel' dekt de lading overigens al lang niet meer: het gaat in toenemende mate om multifunctionele, multi-inzetbare systemen. Betrekkelijk nieuw zijn opspantafels waarop driedimensionaal kan worden gewerkt. Met behulp van een dergelijk systeem kunnen constructies snel én met grote nauwkeurigheid worden opgespannen en gepositioneerd, waarna het geheel betrekkelijk eenvoudig maar wel buitengewoon nauwkeurig driedimensionaal kan worden voorbereid, gehecht en afgewerkt.

EISEN

Moderne opspanmiddelen moeten aan een groot aantal eisen voldoen, waaronder een hoge proceszekerheid, hoge parallelliteit, grote balanceernauwkeurigheid en maximale opspankrachten.

Daarbij gelden de volgende voorwaarden:

• het opspanmiddel moet zodanig aan de bewerkingsmachine te koppelen zijn dat de positie aan het begin van de bewerking bekend is;
• de positie van het opspanmiddel dient tijdens de bewerking gehandhaafd te blijven;
• het opspanmiddel mag het object niet vervormen onder invloed van de opspankracht;
• het opspanmiddel moet voldoende klemkracht overbrengen op het product om de bewerkingskrachten te kunnen opvangen.

KEUZE OPSPANGEREEDSCHAP

Criteria

De keuze van het opspangereedschap wordt grotendeels bepaald door drie parameters:

• Vorm en materiaal. Voor een groot, dun object wordt vaak vacuümklemming op een vacuümtafel of een op maat gemaakte vacuümmal gebruikt (zie kaderstuk). Bij metalen voorwerpen zijn de krachten waarmee het verspanen gepaard gaat groot. De klemkracht moet dan dusdanig zijn dat het object niet verschuift.
• Het type machine en de aard van de bewerking. Beide zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden: 5-assig simultaan frezen vergt nu eenmaal een andere benadering dan relatief eenvoudig freeswerk. En welke gereedschappen gebruikt de machine precies? Verder is het van belang of er bijvoorbeeld wordt gewerkt met een cobot.
• Seriegrootte en cyclustijd. Als het gaat om een product dat in 1 minuut klaar is terwijl de opspantijd 2 minuten bedraagt, dan is er niet bepaald sprake van een efficiënte procesvoering. Bij een grote serie met een draaitijd van vele uren en een opspantijd van 2 minuten is dat wel het geval.

Fixatie met behulp van vacuüm
Het fixeren van een object middels vacuüm gebeurt door een vacuümpomp aan te sluiten op de spantafel. De door de pomp gecreëerde onderdruk zuigt het object daarbij als het ware vast. Een alternatieve techniek is die met behulp van een vacuüm­ejector. Dit is een buis met een vernauwing waarin perslucht door een klein gaatje wordt ingebracht, om vervolgens via een grotere buis te worden afgevoerd. Door de hoge snelheid waarmee dit gebeurt, neemt de restlucht zoveel omgevingslucht mee dat er een onderdruk ontstaat (het 'venturiprincipe'). Op die manier kunnen ook kunststof objecten worden vastgezet, wat uiteraard niet mogelijk is met magnetisch opspannen. 

Metaalsector

In de metaalsector zijn een aantal veelgebruikte spanmiddelen op te sommen.

Centreermiddelen of centers worden gebruikt om cilindrische objecten in de draaibank te ondersteunen. Dat kunnen bijvoorbeeld V-blokken zijn en dit gebeurt bij zowel het op- als aanlegvlak. Ook zijn er diverse soorten centers waartussen een cilinder kan worden opgespannen. Voorbeelden daarvan zijn de stilstaande en de meedraaiende center, al dan niet voorzien van losse inzetcenters zoals een uitdrijver, een pijp- of een holcenter. 

Klauwplaten – al dan niet zelfcentrerend – beschikken over verwisselbare bekken voor het in- en uitwendig spannen. Er zijn klauwplaten met twee, drie, vier of zes bekken. Vaak wordt gekozen voor een 3-klauw, aangezien in dat geval geen van de drie klauwen zal onderpresteren ten opzichte van de andere twee.

Machine- of parallelklemmen behoren tot de meest gebruikte spanmiddelen. Een dergelijke klem kan een vaste en een losse bek hebben, maar ook twee beweegbare bekken of een vaste en een losse, instelbare (pendel)bek. Met deze laatste kunnen onregelmatig gevormde objecten worden vastgezet; de bekken staan dan niet langer parallel.

Magnetische opspanplaten worden gebruikt om dunne objecten vast te zetten die niet anders te klemmen zijn. Voorwaarden daarbij: het gebruikte materiaal moet magnetiseerbaar zijn, het oplegvlak moet voldoende groot zijn en de juiste vorm hebben, het object mag niet te hoog zijn en de magnetische houdkracht moet volstaan.

Span- of kikkerplaten worden gebruikt om een object vanaf de bovenkant te klemmen. De spanplaat zorgt voor de klemming door het aandraaien van een moer, waarbij de klemkracht verticaal op het werkstuk dient te staan. Om een goede belasting te krijgen, zijn de moer en de sluitring bol en hol.

Snelspanners leveren tijdwinst op, omdat het aandraaien van moeren niet nodig is. Een snelspanner dient zo te worden afgesteld dat er sprake is van een maximale druk. Er zijn diverse uitvoeringen: met een hefboomstelselprincipe, met een exenterhefboom of op olie- of luchtdruk, waarbij verbonden drukcilinders het object op verschillende plaatsen klemmen.

De spantang en spandoorn maken het mogelijk objecten met een geringe diameter te centreren en vast te zetten: de spantang klemt het object uitwendig, de spandoorn doet dat inwendig. Een spantang en spandoorn verdelen de klemkracht over de omtrek, waardoor minder snel vervorming optreedt dan bijvoorbeeld bij een 3-klauw.

Om het vervormen van objecten door de kracht van de opspanning en de bewerking te voorkomen, is het soms nodig te zorgen voor (extra) ondersteuning in de vorm van een hydraulische bril, een vijzel of opvulstukken.

Meervoudige spansystemen
De modulaire opbouw van een meervoudig opspansysteem maakt het mogelijk meerdere werkstukken tegelijk op te spannen, bijvoorbeeld met behulp van meervoudige machineklemmen. Ook zijn er draaitafels of verdeeltoestellen waarin producten gelijktijdig op verschillende plaatsen in een opspanning kunnen worden bewerkt. Een doorsnee spansysteem omvat getande klembeugels, aanslagen, conische klemeenheden, steunen en een zijaanslag. Dit is een set waarmee objecten van verschillende afmetingen eenvoudig kunnen worden gespannen, ook meerdere tegelijk. Dankzij gedefinieerde nulpunten blijft de ombouwtijd tot een minimum beperkt.

Opspantechniek wordt geïntegreerd onderdeel
van het totale bewerkingsproces

VOORTGANG

Naar verwachting zal de opspantechniek in de toekomst worden geïntegreerd in het totale bewerkingsproces, om uiteindelijk een eenheid te vormen met de besturing van de CNC-machine. Daarnaast zijn er nog enkele ontwikkelingen die in de (nabije) toekomst mogelijk een rol gaan spelen.

Autonomie

Opspangereedschappen worden steeds 'intelligenter'. Nu al registreren sensoren of het object met voldoende kracht is opgespannen. Naar verwachting zal opspangereedschap zich in de toekomst automatisch weten aan te passen aan de uit te voeren bewerking. Dit is zinvol aangezien ruwen bij het opspannen nu eenmaal een andere druk vergt dan bijvoorbeeld nafrezen. De bijpassende druk zal dan automatisch vanuit de besturing worden geregeld via drukventielen.

Digitalisering

Ook de digitalisering rukt op. Industrie 4.0 vraagt om data uit de bewerking. Daarom werken fabrikanten onder meer aan de integratie van sensoren in bijvoorbeeld spantangen die continu de procesparameters meten. Deze data kunnen onder meer worden gebruikt voor kwaliteitsrapportages of voor condition monitoring. Ook temperatuurmeting is mogelijk. Bij zeer nauwkeurige bewerkingen kan een temperatuurstijging dan automatisch door het programma worden gecompenseerd.

Elektrificatie

Elektrificatie is het sleutelbegrip op weg naar een volledig duurzame procesindustrie, maar het langs elektrische weg opspannen van gereedschap heeft nog een lange weg te gaan. Puur omwille van het energieverbruik is de overstap van hydraulisch naar elektrisch klemmen ook niet noodzakelijk, aangezien de hydraulische aggregaten nog altijd aanzienlijk zuiniger kunnen worden gemaakt.

Met medewerking van Hoffmann Group en Leering Hengelo