VDI 3106-2004 Determination of permissible speed (rpm) of lathe chucks (jaw chucks).pdf

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1、ICS 25.080.10 VDI-RICHTLINIEN April 2004 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Ermittlung der zulssigen Drehzahl von Drehfuttern (Backenfuttern) Determination of permissible speed (rpm) of lathe chucks (jaw chucks) VDI 3106 Ausg. Deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist

2、 verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. VDI-Gesellschaft Produktionstechnik (ADB) Ausschuss Drehfutter VDI-Handbuch Betriebstechnik, Teil 3 Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zweckeni

3、chtgestattet/Reproductionevenforinternal usenot permittedZubeziehen durch/AvailablefromBeuth Verlag GmbH, 10772 Berlin AlleRechte vorbehalten / Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieure, Dsseldorf 2004 Frhere Ausgabe:07.83, 05.99Entwurf, deutschFormeredition: 07/83; 05/99,draft inGerman onlyInhal

4、t . Seite Contents. Page Einleitung.2 1 Definitionen 2 2 Statische Spannkrfte .3 3 Dynamische Spannkrfte. 10 4 Ermittlung der erforderlichen Ausgangs-spannkraft bei gegebener Drehzahl . 11 5 Ermittlung der zulssigen Drehzahl nzulbei gegebener Ausgangsspannkraft Fsp0. 12 6 Verwendete Symbole und Kurz

5、zeichen 12 Schrifttum . 14 Anhang Berechnungsbeispiele 15 Introduction2 1 Definitions.2 2 Static clamping forces3 3 Dynamic clamping forces .10 4 Determination of the required standstill clamping force for a given speed (rpm) .11 5 Determination of the permissible speed (rpm), nzul, for a given stan

6、dstill clamping force, Fsp012 6 Symbols and abbreviations 12 Bibliography.14 Annex Calculation examples15 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08 2 VDI 3106 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 Einleitung Die fortschreitende Entwicklung im

7、Bereich der Werkzeugmaschinen und der Werkzeuge fhrt zu stndig steigenden Zerspanleistungen. Dabei wer-den an das Spannzeug, dem Bindeglied zwischen Werkzeugmaschine und Werkstck, immer hhere Anforderungen hinsichtlich der erzielbaren Genau-igkeiten und Spannkrfte gestellt. Insbesondere beim Einsatz

8、 von Backenfuttern auf Drehmaschi-nen wirken sich die auftretenden Flieh- und Bear-beitungskrfte negativ auf die wirksamen Spann-krfte aus, d. h. die am Werkstck angreifenden Spannkrfte verndern sich mit der Spindeldreh-zahl und den Bearbeitungsparametern. Aus Grn-den der Arbeitssicherheit ist insbe

9、sondere bei ho-hen Spindeldrehzahlen die Kenntnis ber die wirk-samen Spannkrfte von groer Bedeutung, d. h. die fr die Bearbeitung erforderliche Mindestspann-kraft begrenzt oftmals die zulssige Maximaldreh-zahl des Spannmittels und damit der Drehspindel. Die zulssige Drehzahl ist in erster Linie abhn

10、gig von der notwendigen Spannkraft, die das Futter auf das Werkstck bertragen muss, um die bei der Zerspanung auftretenden Krfte und Momente aufnehmen und eine schlupffreie Mitnahme des Werkstcks sicherstellen zu knnen. Die vorliegende Richtlinie zur Bestimmung zuls-siger Drehzahlen gilt fr hand- un

11、d kraftbettigte Backenfutter fr die Drehbearbeitung. 1 Definitionen Aufsatzbacke (AB) Die Aufsatzbacke ist ein auswechselbares, an der Grundbacke befestigtes Teil zum Einspannen von Werkstcken. Ausgangsspannkraft Fsp0Die Ausgangsspannkraft Fsp0ist die statische Spannkraft vor der Bearbeitung bei sti

12、llstehender Drehspindel. Backenspannkraft FspBDie Backenspannkraft FspBist die an einer Spann-backe wirkende Radialkraft. Die Summe der Ba-ckenspannkrfte ergibt die Spannkraft Fsp. Bettigungskraft Die Bettigungskraft oder auch eingeleitete Kraft wird von einer externen Quelle erzeugt und bet-tigt de

13、n Spannmechanismus des Drehfutters. Fliehkraftausgleich System zum Ausgleich des durch Zentrifugalkrfte verursachten Spannkraftverlustes. Introduction Technical progress in the development of machine tools and tools keeps enhancing cutting perform-ances. The clamping device, which connects the machi

14、ne tool with the workpiece, has to meet ever-increasing requirements concerning the achievable accuracies and clamping forces. Especially in jaw chucks on turning machines, centrifugal and ma-chining forces affect the effective clamping forces, which means that the clamping forces applied to the wor

15、kpiece change with the spindle speed and the machining parameters. For reasons of safety at the workplace, knowing the effective clamping forces is particularly important, especially where spindle speeds are high. This means that the mini-mum clamping force required for the machining task will often

16、 limit the maximum permissible speed of the clamping device, and hence the head spindle. The permissible speed is mainly determined by the required clamping force which the chuck must transmit to the workpiece to take up the forces and torques acting during cutting, and to ensure slip-free locking o

17、f the workpiece. This guideline on the determination of permissible speeds applies to hand- and power-operated jaw chucks for turning. 1 Definitions Top jaw (AB) The top jaw is an interchangeable part mounted on the base jaw, serving to clamp workpieces. Standstill clamping force, Fsp0The standstill

18、 clamping force, Fsp0, is the static clamping force prior to machining, when the head spindle is at rest. Jaw clamping force, FspBThe jaw clamping force, FspB, is the radial force acting on a clamping jaw. The sum of the jaw clamping forces is the clamping force, Fsp. Actuating force The actuating f

19、orce, or applied force, is generated by an external source and actuates the clamping mechanism of the lathe chuck. Centrifugal-force compensation System serving to compensate the loss in clamping force caused by centrifugal forces. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08

20、Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 VDI 3106 3 Grundbacke (GB) Die Grundbacke ist ein radial bettigtes Teil, auf dem die Aufsatzbacken befestigt werden. Spannbacke (Sp) Die Spannbacke ist ein radial im Futterkrper ge-fhrtes Bauteil zum Einspannen von Werkstcken. Wenn

21、die Spannbacke geteilt ist, setzt sie sich aus Aufsatz- und Grundbacke zusammen. Spannkraft FspDie Spannkraft Fspist die arithmetische Summe der radial auf das Werkstck wirkenden Backen-spannkrfte. Umfangskraft FuDie Umfangskraft Fuist die Summe der tangential in den Spannflchen wirkenden Krfte. ber

22、 den Spanndurchmesser ergibt sich aus der Umfangs-kraft und dem Spannbeiwert das wirksame Dreh-moment. Zentrifugalkraft FFlDie Zentrifugalkraft, auch Fliehkraft genannt, ist der Zentripetalkraft entgegengerichtet. Zentripetalkraft Die Zentripetalkraft ist die Kraft, die einen umlau-fenden Krper auf

23、der Kreisbahn hlt. Sie ist stets zum Mittelpunkt der Kreisbahn gerichtet. Solange der Krper auf der Kreisbahn bleibt, steht die Zen-tripetalkraft mit der entgegengesetzt wirkenden Zentrifugalkraft im Gleichgewicht. 2 Statische Spannkrfte Die statische Spannkraft, die ein Drehfutter bei der Drehzahl

24、0 min1aufbringen kann, wird zur ein-deutigen Unterscheidung im Folgenden Ausgangs-spannkraft Fsp0genannt. Sie ist abhngig von der Bauart des Drehfutters (z. B. Keilstangen-, Keilflchen- oder Spiralfutter), der eingebrachten Spannarbeit und dem Wirkungsgrad des Drehfutters. Fr eine sichere Einspannun

25、g von Werkstcken sind hierbei die Gren von Bedeutung, die einer zeitlichen Vernderung unterliegen. Insbesondere der Wirkungsgrad der Drehfutter ist sehr stark abhngig vom Betriebszustand. Die mit Hilfe einer definierten Bettigungskraft erzielbaren Ausgangs-spannkrfte sind von den Herstellern anzugeb

26、en. Sie gelten ausschlielich fr einen einwandfreien Drehfutterzustand, d. h. fr neuwertige, neu ge-schmierte Drehfutter. Mindestwerte fr die Aus- Base jaw (GB) The base jaw is a radially actuated element on which the top jaws are mounted. Clamping jaw (Sp) The clamping jaw serves to clamp the workpi

27、ece. It is guided radially in the chuck body. Clamping jaws of split design consist of top jaw and base jaw. Clamping force, FspThe clamping force, Fsp, is the arithmetic sum of the radial jaw clamping forces acting on the work-piece. Perimeter force, FuThe perimeter force, Fu, is the sum of the tan

28、gen-tial forces acting on the clamping surfaces. Clamp-ing diameter, perimeter force, and clamping coeffi-cient combine to give the effective torque. Centrifugal force, FFlThe centrifugal force, FFl, is directed opposite to the centripetal force. Centripetal force The centripetal force is that force

29、 which holds an orbiting body in its orbit. It is directed towards the centre of the orbit at all times. For a body that is steady in its orbit, the centripetal force is in equi-librium with the centrifugal force which is acting in opposite direction. 2 Static clamping forces For the sake of clarity

30、, the static clamping force which a lathe chuck can generate at 0 rpm will be called standstill clamping force, Fsp0, throughout this text. It is a function of the type of lathe chuck (trapezoid-bar, wedge-type, or spiral chuck), the clamping work applied, and the efficiency of the lathe chuck. Quan

31、tities which are variable in time are relevant to safe clamping of the workpiece. The efficiency of lathe chucks is particularly sensitive to the operating condition. Manufacturers shall declare the standstill clamping forces to be achieved with a specified actuating force. These are only valid for

32、lathe chucks in perfect condition, i. e. for new-value, relubricated chucks. Minimum standstill forces as specified, e. g., in DIN 6386, are far ex-ceeded by modern lathe chucks in such operating B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08 4 VDI 3106 Alle Rechte vorbehalten

33、Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 gangsspannkraft, wie sie beispielsweise in DIN 6386 angegeben sind, werden in diesem Be-triebszustand von modernen Drehfuttern weit ber-troffen und stellen somit nur noch eine absolute Mindestanforderung dar. Damit die Ausgangsspannkraft nicht infolge man-

34、gelhafter Schmierung der Gleitflchen, sowie in-folge von Verschmutzung oder Beschdigungen absinkt und ein unbeabsichtigtes Lsen des Werk-stcks ermglicht, ist die Spannkraft in regelmi-gen Abstnden sowie nach Wartung des Futters mit Hilfe von Spannkraftmesssystemen zu ber-prfen. Die Hhe der erforderl

35、ichen Ausgangsspannkraft wird mageblich durch den Zerspanprozess und die Spannsituation bestimmt. Die fr eine Bearbei-tungsaufgabe erforderliche Ausgangsspannkraft Fsp0ergibt sich aus der fr die Erzeugung des Drehmoments notwendigen Spannkraft Fspzsowie aus der zur Aufnahme der Kippmomente erforder-

36、lichen Spannkraft Fspk: ( )spkspzzsp0spFFSSF += in N (1) Dabei bercksichtigt der Sicherheitsfaktor Szdie Zerspankraftschwankungen des Bearbeitungspro-zesses und der Sicherheitsfaktor Sspdie Spann-kraftschwankungen des Drehfutters. Beide Werte sind mindestens mit 1,5 anzusetzen. Fr die Be-stimmung de

37、r zur Zerspanung erforderlichen Spannkraft ist die Ermittlung der Belastungen in der Spannflche zwischen Werkstck und Spann-backe erforderlich. Die whrend der Drehbearbei-tung auftretenden Krfte sind in Bild 1 dargestellt. condition, and are, therefore, just absolute mini-mum requirements. The clamp

38、ing force shall be checked by means of a clamping-force measuring system at regular inter-vals, and after the chuck has been serviced. This is to ensure that the standstill clamping force is not reduced as a result of insufficient lubrication of the sliding surfaces, of contamination or damage, whic

39、h would allow the workpiece to be released unintentionally. The magnitude of the required standstill clamping force is mainly determined by the cutting process and the clamping situation. The standstill clamping force, Fsp0, required for a specific machining task is obtained from the clamping force,

40、 Fspz, needed to generate the torque and the clamping force, Fspk, needed to compensate the overturning moments: ( )spkspzzsp0spFFSSF += in N (1) where variations in cutting force during the ma-chining process are accounted for by the safety factor Sz, and variations in the clamping force of the lat

41、he chuck are accounted for by the safety factor Ssp. The minimum value to be assumed for both factors shall be 1,5. To determine the clamp-ing force needed for cutting, the loads in the clamping surface between workpiece and clamping jaw must be determined. The forces acting during turning are illus

42、trated in Figure 1. lzlwlsMdaFfaFraFcFpFfFGFa/3dspdzlspZYX Fu/3FspBBild 1. Krfte und Momente am Drehwerkstck (Auenspannung) Fig. 1. Forces and torques acting on workpiece to be turned (external chucking) B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Vere

43、in Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 VDI 3106 5 Die Zerspankraftkomponenten Schnittkraft Fc, Passivkraft Fpund Vorschubkraft Ffbewirken an den Spannstellen Dreh- und Kippmomente, die ber die Spann- und Reibkrfte in den Spannfl-chen aufgenommen werden. Dabei gilt 4: a) Die Summe der radial wirkend

44、en Krfte hat eine sich zeitlich verndernde, radiale Belas-tung der Spannbacken zur Folge, woraus eine radiale Werkstckverschiebung resultiert, so-dass die Drehachse des Futters und die Werk-stckachse nicht mehr bereinstimmen. b) Die Summe der axial wirkenden Krfte kann vernachlssigt werden, wenn das

45、 Werkstck axial anliegt. Andernfalls muss sie durch Rei-bung in den Spannflchen aufgenommen wer-den: fafaFFF += in N (2) c) Die Summe der Drehmomente muss ebenfalls durch Reibung in den Spannflchen aufge-nommen werden. d) Die Summe der Kippmomente muss sowohl ber Reibung in den Spannflchen, als auch

46、 durch radiales Entgegenwirken der Backen auf-genommen werden. In den Punkten b) bis d) werden die Krfte bzw. Momente jeweils unter Beteiligung von Reibkrf-ten aufgenommen. Fr das bertragbare Drehmoment Mdgilt: spspsptd2FdM = in Nm (3) Dabei ist sptder tangentiale Reibwert in der Spannflche zwischen

47、 Spannbacke und Werkstck, auch tangentialer Spannbeiwert genannt. In axialer Richtung gilt fr die bertragbare Axialkraft ent-sprechend: spspaaFF = in N (4) Dabei ist spader axiale Spannbeiwert. Beide Spannbeiwerte werden durch die Oberflche des Werkstcks, Rautiefe der Werkstckoberflche, Hrte des Wer

48、kstcks, Oberflche der Backen, Hrte der Backen, Berhrungsform zwischen Spannbacke und Werkstck und Verwendung von Khlschmierstoffen beeinflusst (Tabelle 1). Der axiale und tangentiale Spannbeiwert unterscheiden sich durch die unterschiedlichen Richtungen von Vorschub- und Schnittbewegung beim Anpasse

49、n des Spanndurchmessers bzw. durch die geometri-sche Gestaltung der Spannflche. The components of the cutting force, namely the cutting force, Fc, passive force, Fp, and feeding force, Ff, generate torques and overturning mo-ments at the clamping locations, which are com-pensated by the clamping and frictional forces at the clamping surfaces. The following statements hold 4: a) The sum of the radial fo