Aufspannfläche

Aufspannfläche

Kurz erklärt

Die Aufspannfläche ist die Fläche, auf der ein Werkstück, ein Spannmittel oder eine Vorrichtung zur Bearbeitung befestigt wird. Sie bildet die mechanische Verbindung zwischen dem zu spannenden Bauteil und der Werkzeugmaschine.

Als Aufspannfläche können unter anderem dienen:

• der Maschinentisch einer Fräsmaschine,
• eine Maschinenpalette,
• eine Grundplatte,
• ein Nullpunktspannsystem,
• die Oberfläche einer Spannvorrichtung,
• die Unterseite eines Maschinenschraubstocks,
• eine vorbereitete Fläche am Werkstück.

Eine saubere, ebene und ausreichend große Aufspannfläche ist eine wichtige Voraussetzung für eine sichere Spannung und eine maßgenaue Bearbeitung.

Aufgaben der Aufspannfläche

Die Aufspannfläche erfüllt mehrere Aufgaben. Sie muss:

• das Werkstück oder Spannmittel sicher tragen,
• die auftretenden Bearbeitungskräfte aufnehmen,
• eine eindeutige Positionierung ermöglichen,
• ein Kippen oder Verschieben verhindern,
• die Wiederholgenauigkeit beim erneuten Spannen unterstützen,
• die Bearbeitungsschwingungen möglichst gering halten.

Die Qualität der Aufspannung hängt deshalb nicht nur von der Spannkraft ab. Ebenso wichtig sind Größe, Ebenheit, Sauberkeit und Lage der Aufspannfläche.

Aufspannfläche der Werkzeugmaschine

Bei Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren wird häufig der Maschinentisch als Aufspannfläche verwendet. Auf ihm werden Schraubstöcke, Spannvorrichtungen, Werkstücke oder Paletten befestigt.

Typische Ausführungen sind:

• Maschinentische mit T-Nuten,
• Rasterplatten mit Gewindebohrungen,
• Lochrasterplatten,
• Vakuumspanntische,
• Magnetspannplatten,
• Nullpunktspannsysteme,
• Maschinenpaletten.

Die Aufspannfläche des Maschinentisches muss eine hohe Ebenheit besitzen und zur Maschinengeometrie ausgerichtet sein.

Beschädigungen oder Verschmutzungen können dazu führen, dass ein Spannmittel schief steht. Dadurch entstehen Winkel-, Lage- oder Maßabweichungen am Werkstück.

Aufspannfläche am Werkstück

Auch die Fläche des Werkstücks, mit der es auf einer Vorrichtung, auf Parallelunterlagen oder auf dem Maschinentisch aufliegt, wird als Aufspannfläche bezeichnet.

Diese Fläche sollte möglichst:

• eben,
• gratfrei,
• sauber,
• ausreichend groß,
• belastbar,
• geometrisch eindeutig sein.

Bei Rohteilen ist die spätere Aufspannfläche häufig noch uneben. Guss-, Schmiede- oder Brennteile können beispielsweise Zunder, Formschrägen, Unebenheiten oder Verzug aufweisen.

In solchen Fällen kann es notwendig sein, zunächst eine geeignete Fläche vorzuarbeiten. Diese dient anschließend als zuverlässige Aufspann- und Bezugsfläche für weitere Bearbeitungsschritte.

Aufspannfläche eines Spannmittels

Ein Maschinenschraubstock, Spannfutter, Teilapparat oder eine Vorrichtung besitzt ebenfalls eine Aufspannfläche. Dabei handelt es sich meist um die Unterseite, mit der das Spannmittel auf dem Maschinentisch oder einer Palette befestigt wird.

Diese Fläche muss:

• sauber und gratfrei sein,
• vollständig oder an vorgesehenen Bereichen anliegen,
• eine hohe Ebenheit besitzen,
• ausreichend steif sein,
• zum Maschinentisch passend ausgerichtet werden können.

Schon ein kleiner Span unter dem Spannmittel kann eine deutliche Schrägstellung verursachen. Je größer das eingespannte Werkstück und je weiter der Bearbeitungspunkt von der Aufspannfläche entfernt ist, desto stärker kann sich der Fehler auswirken.

Anforderungen an eine gute Aufspannfläche

Ebenheit

Die Aufspannfläche sollte möglichst eben sein. Eine unebene Fläche führt zu einer unsicheren oder verspannten Auflage.

Beim Anziehen der Spannmittel kann das Werkstück elastisch verformt werden. Nach dem Lösen der Spannung federt es möglicherweise zurück und weist anschließend Maß- oder Formabweichungen auf.

Sauberkeit

Zwischen Aufspannfläche und Auflage dürfen sich keine Späne, Grate oder anderen Fremdkörper befinden.

Störend wirken beispielsweise:

• Metallspäne,
• Schleifstaub,
• Rostpartikel,
• Kühlschmierstoffrückstände,
• Schmutz,
• Lackreste,
• beschädigte Folien oder Etiketten.

Die Flächen sollten vor dem Aufspannen gereinigt und anschließend mit der Hand beziehungsweise einem geeigneten Prüfmittel auf Grate kontrolliert werden.

Ausreichende Größe

Eine größere Aufspannfläche verteilt die auftretenden Kräfte auf einen größeren Bereich. Dadurch sinkt die Flächenpressung und die Aufspannung wird stabiler.

Eine sehr kleine Aufspannfläche kann dagegen zu folgenden Problemen führen:

• Kippen des Werkstücks,
• hohe örtliche Belastung,
• Eindrücken weicher Werkstoffe,
• instabile Spannung,
• stärkere Schwingungen,
• bleibende Verformung.

Steifigkeit

Die Aufspannfläche und das darunterliegende Bauteil müssen ausreichend steif sein. Dünne oder nachgiebige Bereiche können sich durch die Spannkraft verformen.

Die Spannpunkte sollten möglichst über stabilen Auflagebereichen liegen. Werden dünnwandige Bauteile zwischen weit auseinanderliegenden Auflagen gespannt, kann sich das Werkstück durchbiegen.

Zugänglichkeit

Die Aufspannfläche muss so gewählt werden, dass die vorgesehenen Bearbeitungsflächen erreichbar bleiben.

Dabei ist auf mögliche Kollisionen zu achten zwischen:

• Werkzeug und Spannpratze,
• Werkzeughalter und Schraubstock,
• Spindel und Vorrichtung,
• Messtaster und Spannmittel,
• Werkstück und Maschinenverkleidung.

Eine sichere Spannung ist nur dann sinnvoll, wenn das Werkzeug die Bearbeitungsbereiche ohne Kollisionsgefahr erreichen kann.

Aufspannfläche und Spannkraft

Die notwendige Spannkraft hängt von den zu erwartenden Bearbeitungskräften ab. Die Aufspannfläche überträgt diese Kräfte über Reibung, Formschluss oder eine Kombination beider Wirkprinzipien.

Bei einer reibschlüssigen Spannung gilt vereinfacht:

Fᵣ = μ × Fₙ

Dabei bedeuten:

• Fᵣ = maximal übertragbare Reibkraft,
• μ = Reibungskoeffizient,
• Fₙ = wirkende Normalkraft beziehungsweise Spannkraft.

Die tatsächlich übertragbare Kraft hängt unter anderem von Werkstoff, Oberflächenzustand, Schmierung und Verschmutzung ab.

Eine ölige Aufspannfläche kann den Reibungskoeffizienten verringern. Das Werkstück kann sich dann trotz hoher Spannkraft verschieben.

Bei hohen Bearbeitungskräften sollte deshalb möglichst zusätzlich eine formschlüssige Sicherung vorgesehen werden, beispielsweise durch:

• Anschläge,
• Passstifte,
• Spannbacken,
• Nutensteine,
• Aufnahmen,
• Zentrierungen.

Das 3-2-1-Prinzip

Bei der Vorrichtungskonstruktion wird häufig das 3-2-1-Prinzip angewendet. Es dient dazu, ein Werkstück eindeutig zu positionieren, ohne es unnötig zu überbestimmen.

Die Auflage erfolgt dabei über:

• drei Punkte auf der Hauptauflagefläche,
• zwei Punkte auf einer seitlichen Anlagefläche,
• einen Punkt auf einer weiteren Anlagefläche.

Durch die drei Auflagepunkte der Hauptfläche werden drei Freiheitsgrade eingeschränkt. Die seitlichen Anlagen und der letzte Anschlag legen die verbleibenden Freiheitsgrade fest.

Eine Dreipunktauflage kann auch bei leicht unebenen Werkstücken eine eindeutige Auflage ermöglichen. Vier starre Auflagepunkte können dagegen dazu führen, dass das Werkstück kippelt oder beim Spannen verformt wird.

Aufspannfläche und Bezugssystem

Die Aufspannfläche kann gleichzeitig als Bezugsfläche für die Bearbeitung dienen. In diesem Fall beeinflusst ihre Lage unmittelbar die Werkstückausrichtung und die Festlegung des Werkstücknullpunkts.

Beispielsweise kann die Unterseite eines Werkstücks:

• als Aufspannfläche dienen,
• die Höhenlage des Werkstücks bestimmen,
• als Bezug für Maßangaben verwendet werden,
• die Ausrichtung weiterer Flächen beeinflussen.

Aufspannfläche und Bezugsfläche müssen jedoch nicht identisch sein. Ein Werkstück kann auf einer Fläche gespannt werden, während der Werkstücknullpunkt von einer anderen bearbeiteten Fläche, Bohrung oder Messkante abgeleitet wird.

Unterschied zwischen Aufspannfläche und Anlagefläche

Die Aufspannfläche ist die Fläche, über die ein Werkstück oder Spannmittel auf der Maschine beziehungsweise Vorrichtung befestigt und abgestützt wird.

Eine Anlagefläche dient hauptsächlich der Positionierung und Ausrichtung. Das Werkstück wird gegen sie gelegt oder gedrückt.

Eine Fläche kann beide Funktionen gleichzeitig erfüllen. Beispielsweise kann die feste Backe eines Maschinenschraubstocks als seitliche Anlagefläche dienen, während die Parallelunterlagen die Aufspann- beziehungsweise Auflageebene bilden.

Unterschied zwischen Aufspannfläche und Auflagefläche

Die Begriffe werden in der Praxis teilweise ähnlich verwendet.

Die Auflagefläche bezeichnet allgemein den Bereich, auf dem ein Bauteil aufliegt. Sie muss nicht zwingend Teil einer Aufspannung sein.

Die Aufspannfläche steht dagegen in direktem Zusammenhang mit dem Befestigen eines Werkstücks, Spannmittels oder einer Vorrichtung auf einer Maschine.

Eine Aufspannfläche ist daher meist gleichzeitig eine Auflagefläche. Nicht jede Auflagefläche ist jedoch automatisch eine Aufspannfläche.

Unterschied zwischen Aufspannfläche und Bezugsfläche

Eine Bezugsfläche dient als geometrische Grundlage für Maße, Form- und Lagetoleranzen oder die Ausrichtung des Werkstückkoordinatensystems.

Eine Aufspannfläche dient in erster Linie der Befestigung und Kraftübertragung.

Wenn die Aufspannfläche gleichzeitig als Bezug verwendet wird, muss ihre Qualität besonders sorgfältig geprüft werden. Unebenheiten oder Verunreinigungen verändern dann sowohl die Spannung als auch die geometrische Lage des Werkstücks.

Unterschied zwischen Aufspannfläche und Bearbeitungsfläche

Die Bearbeitungsfläche ist die Fläche, an der Material durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder ein anderes Fertigungsverfahren abgetragen wird.

Die Aufspannfläche bleibt während des betreffenden Arbeitsgangs normalerweise unbearbeitet, weil sie zur Befestigung oder Abstützung benötigt wird.

Soll die bisherige Aufspannfläche ebenfalls bearbeitet werden, ist häufig ein Umspannen des Werkstücks erforderlich.

Aufspannfläche bei Maschinenschraubstöcken

Beim Spannen im Maschinenschraubstock liegt das Werkstück häufig auf Parallelunterlagen auf. Die Oberseiten der Parallelunterlagen bilden dabei die Auflageebene des Werkstücks.

Wichtig ist, dass:

• beide Parallelunterlagen gleich hoch sind,
• die Auflageflächen sauber sind,
• das Werkstück vollständig aufliegt,
• keine Späne unter den Unterlagen liegen,
• das Werkstück beim Spannen nicht hochgezogen wird.

Nach dem Spannen kann durch vorsichtiges Prüfen oder Abklopfen kontrolliert werden, ob das Werkstück sicher auf den Unterlagen sitzt.

Aufspannfläche bei Spannpratzen

Beim direkten Aufspannen auf dem Maschinentisch wird das Werkstück häufig mit Spannpratzen befestigt.

Dabei sollten die Spannkräfte möglichst in Richtung der Aufspannfläche wirken. Die Spannpratze muss das Werkstück sicher nach unten drücken und darf es nicht seitlich verschieben oder anheben.

Zu beachten sind:

• kurze Abstände zwischen Spannstelle und Auflage,
• stabile Unterlagen,
• passende Stufenklötze,
• ausreichende Schraubengröße,
• geeignete T-Nutensteine,
• Schutz der Werkstückoberfläche,
• freie Werkzeugwege.

Die Spannpratze sollte möglichst waagerecht oder auf der Schraubenseite geringfügig höher stehen. Dadurch wird die Spannkraft zuverlässig auf das Werkstück gerichtet.

Aufspannfläche bei Nullpunktspannsystemen

Nullpunktspannsysteme verbinden das Spannmittel oder Werkstück über definierte Einzugselemente mit der Maschine.

Die Aufspannfläche wird dabei häufig durch präzise Kontakt- oder Auflagebereiche ergänzt. Das System ermöglicht:

• kurze Rüstzeiten,
• hohe Wiederholgenauigkeit,
• schnelles Wechseln von Vorrichtungen,
• eindeutige Positionierung,
• automatisierbare Spannvorgänge.

Auch bei einem Nullpunktspannsystem müssen die Kontaktflächen sauber gehalten werden. Späne zwischen den Auflageflächen können die Wiederholgenauigkeit deutlich verschlechtern.

Aufspannfläche bei Vakuumspannung

Bei der Vakuumspannung wird das Werkstück durch einen Unterdruck gegen die Aufspannfläche gezogen.

Die Haltekraft ergibt sich vereinfacht aus:

F = Δp × A

Dabei bedeuten:

• F = theoretische Haltekraft,
• Δp = Druckdifferenz,
• A = wirksame Aufspannfläche.

Je größer die abgedichtete Fläche ist, desto höher kann die Haltekraft ausfallen. Undichte Stellen, Durchbrüche oder eine kleine wirksame Fläche reduzieren die Spannwirkung.

Vakuumspannungen eignen sich besonders für:

• dünne Platten,
• großflächige Werkstücke,
• empfindliche Oberflächen,
• Werkstücke mit geringer Bearbeitungskraft.

Gegen seitliches Verschieben können zusätzliche Anschläge erforderlich sein.

Aufspannfläche bei Magnetspannung

Magnetspannplatten werden zur Spannung ferromagnetischer Werkstoffe eingesetzt. Die Haltekraft hängt unter anderem von der wirksamen Kontaktfläche ab.

Luftspalte, Rost, Zunder oder starke Unebenheiten verringern den magnetischen Kraftfluss und damit die Haltekraft.

Eine gute magnetische Aufspannfläche sollte daher:

• sauber,
• eben,
• ausreichend groß,
• ferromagnetisch,
• möglichst frei von Luftspalten sein.

Typische Fehler an Aufspannflächen

Häufige Fehler sind:

• Späne zwischen den Kontaktflächen,
• nicht entfernte Grate,
• beschädigte Maschinentische,
• unebene Rohteilflächen,
• zu kleine Auflagebereiche,
• zu große Abstände zwischen den Auflagepunkten,
• Aufspannung auf dünnwandigen Bereichen,
• ungleichmäßiges Anziehen der Spannmittel,
• zu hohe Spannkraft,
• fehlende seitliche Anschläge,
• verschlissene Parallelunterlagen,
• verschmutzte Nullpunktspannsysteme.

Diese Fehler können Maßabweichungen, Verformungen, Schwingungen oder ein Verrutschen des Werkstücks verursachen.

Kontrolle der Aufspannfläche

Vor dem Aufspannen sollte die Fläche sorgfältig kontrolliert werden.

Geeignete Prüf- und Hilfsmittel sind:

• Haarlineal,
• Messuhr,
• Fühlerlehre,
• Tuschierfarbe,
• Höhenmessgerät,
• Maschinenmesstaster,
• Präzisionswasserwaage,
• optische Kontrolle,
• Abtasten mit der Hand.

Nach der Montage eines Spannmittels kann seine Ausrichtung beispielsweise mit einer Messuhr kontrolliert werden.

Reinigung und Pflege

Aufspannflächen sollten regelmäßig gereinigt und vor Beschädigungen geschützt werden.

Dazu gehören:

• Späne mit Pinsel oder geeignetem Sauger entfernen,
• Flächen mit einem sauberen Tuch abwischen,
• Grate vorsichtig beseitigen,
• Korrosion verhindern,
• Beschädigungen dokumentieren,
• keine Werkstücke über Präzisionsflächen ziehen,
• Spannmittel vorsichtig aufsetzen,
• nicht mit harten Gegenständen auf den Maschinentisch schlagen.

Druckluft sollte nur kontrolliert eingesetzt werden. Sie kann Späne in Führungen, Dichtungen oder andere empfindliche Maschinenbereiche drücken.

Einfluss auf die Bearbeitungsqualität

Eine fehlerhafte Aufspannfläche kann sich unmittelbar auf das Bearbeitungsergebnis auswirken.

Mögliche Folgen sind:

• Parallelitätsfehler,
• Rechtwinkligkeitsfehler,
• Ebenheitsabweichungen,
• falsche Werkstückhöhe,
• Maßabweichungen,
• Rattermarken,
• schlechte Oberflächenqualität,
• Verzug nach dem Ausspannen,
• ungleichmäßige Bearbeitungszugaben.

Besonders bei engen Form- und Lagetoleranzen muss die Aufspannfläche als Teil der gesamten Prozesskette betrachtet werden.

Sicherheit

Eine unzureichende Aufspannfläche stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Kann das Werkstück die auftretenden Kräfte nicht sicher aufnehmen, kann es sich verschieben oder vollständig aus der Spannung lösen.

Vor Beginn der Bearbeitung ist deshalb zu prüfen:

• Liegt das Werkstück sicher auf?
• Sind alle Kontaktflächen sauber?
• Ist die Spannkraft ausreichend?
• Sind Anschläge vorhanden?
• Sind alle Schrauben korrekt angezogen?
• Bleiben Werkzeug und Halter kollisionsfrei?
• Kann das Werkstück durch die Bearbeitung geschwächt werden?
• Werden tragende Aufspannbereiche während der Bearbeitung entfernt?

Bei großen, schweren oder unsymmetrischen Werkstücken müssen zusätzlich Schwerpunkt und Kippmoment berücksichtigt werden.

Zusammenfassung

Die Aufspannfläche ist die Fläche, über die ein Werkstück, Spannmittel oder eine Vorrichtung auf einer Werkzeugmaschine befestigt und abgestützt wird. Sie überträgt Spann- und Bearbeitungskräfte und beeinflusst die Position, Stabilität und Genauigkeit des Werkstücks.

Eine geeignete Aufspannfläche muss insbesondere:

• sauber,
• eben,
• gratfrei,
• ausreichend groß,
• steif,
• eindeutig positionierbar sein.

Bereits kleine Späne oder Grate können Spannmittel und Werkstücke schief stellen und dadurch deutliche Bearbeitungsfehler verursachen. Eine sorgfältig vorbereitete und kontrollierte Aufspannfläche ist daher eine grundlegende Voraussetzung für eine sichere und präzise CNC-Bearbeitung.