Design of an adaptive high precision clamping system for flexible bodies

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Vol. 46; no. 4-5; pp. 377 - 386
• Main Authors: Araújo, M., Janousch, C., Schwenk, H., Merkel, M.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.05.2015; WILEY‐VCH Verlag; Wiley Subscription Services, Inc
• Subjects: Adaptive systems; Clamping; Cylindrical bodies; Cylindrical milling; Deformation effects; Elastic deformation; Flexible bodies; Freeform Bodies; Freiformfläche; High Precision Clamping; Machining; Magnetic properties; Manufacturing engineering; Mathematical models; Mechanical properties; Mechanism design; Milling; Milling (machining); Planes; Präzisionsbearbeitung; Rheological properties; Rigid structures; Rigid-body dynamics; Spannsystem; Springback; Stiffness; Stresses
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201500412

In manufacturing engineering, especially in machining process, the definition of a reference plane is the first essential step within the overall process. After the reference plane is applied at the component all other features are processed with reference to this basic plane. During any process the component has to be clamped in order to resist the processing forces. There are several clamping systems available, such as pneumatic, magnetic systems or magneto‐rheological (MR) systems. Depending on its stiffness the component is deformed due to the clamping forces, stresses are introduced. This effect can be neglected for components with a high stiffness and nearly rigid body behaviour. However, the deformation of low stiff components under clamping forces, e.g. sheet metals, is relatively large and is in the same range as the addressed accuracy of machining process. Due to the introduced elastic clamping stresses the component will reconfigure after clamping, this phenomenon is known as springback. The focus of this work is the design of a clamping system for flexible bodies in order to reduce the springback and to enable high precision processing. This clamping system consists in a set of supports, which adjust to the surface of the body without introducing stresses and causing no springback after the machining process. The number and the arrangement of the supports are optimized as a function of the intensity and position of the milling force and the geometrical and mechanical properties of the body as well. The functional unit of the clamping system is a cylindrical bodysliding nearly frictionless within a pipe. Numerical simulation is used for configuration and optimization. The developed clamping systems can also be used to process freeform shaped bodies. In der spanenden Bearbeitung ist die Schaffung einer Referenzfläche, an der sich alle weiteren Bearbeitungen orientieren, der erste wesentliche Schritt. Zur Aufnahme der Bearbeitungskräfte werden Werkstücke üblicherweise gespannt, beispielsweise über pneumatische, magnetische oder magnetorheologische Systeme. Je nach Steifigkeit erfährt das Werkstück dadurch Deformationen, die wiederum Spannungen hervorrufen. Während dieser Effekt für Werkstücke mit hoher Steifigkeit vernachlässigt wird, können die Deformationen bei weniger steifen Werkstücken, wie beispielsweise bei Blechen, in der gleichen Größenordnung wie die geforderte Bearbeitungsgenauigkeit liegen. Die nach der Bearbeitung auftretende Rückfederung macht die angestrebte Bearbeitungsgenauigkeit zunichte. In dieser Arbeit wird ein Spannsystem für deformierbare Werkstücke vorgestellt, das ein spannungsarmes Spannen mit sehr geringer Rückfederung ermöglicht und damit zur Präzisionsbearbeitung geeignet ist. Eine Vielzahl von Stützbolzen schmiegen sich an das Werkstück an, ohne merkliche Deformationen und Spannungen zu erzeugen. Die Anzahl und die Anordnung der Stützbolzen werden unter Berücksichtigung der Größe und Richtung der zu erwarteten Bearbeitungskräfte und der Geometrie und mechanischen Eigenschaften der Werkstücke optimiert. Die Elementarzelle des Spannsystems ist ein Bolzen, der nahezu reibungsfrei in einer Hülse geführt wird. Das Spannsystem kann auch zur Bearbeitung von Freiformflächen eingesetzt werden.