Dreibackenfutter an der Drehmaschine – Aufbau, Funktion und Wartung
Das Dreibackenfutter ist das am häufigsten verwendete Spannmittel an konventionellen Drehmaschinen. Es dient dazu, Werkstücke sicher und zentrisch in der Maschine zu spannen, damit sie beim Drehen bearbeitet werden können. Wie der Name sagt, besitzt es drei Spannbacken, die sich gemeinsam auf einen Mittelpunkt zu oder von ihm weg bewegen. Dadurch wird das Werkstück selbstzentrierend aufgenommen.
Im Inneren des Dreibackenfutters sorgt ein Spannmechanismus aus Planscheibe, Spiralring und Führungen dafür, dass sich alle drei Backen gleichzeitig bewegen. Über einen Spannschlüssel oder eine Kraftspannvorrichtung wird ein Drehmoment auf das Futter übertragen, das sich in eine Spannkraft auf die Backen umsetzt. Diese Spannkraft muss hoch genug sein, damit das Werkstück beim Zerspanen nicht verrutscht oder aus dem Futter gezogen wird.
Dreibackenfutter gibt es in unterschiedlichen Baugrößen, Genauigkeitsklassen und Ausführungen. Man unterscheidet zum Beispiel manuell betätigte Futter mit Spannschlüssel und kraftbetätigte Futter (hydraulisch, pneumatisch). Außerdem gibt es verschiedene Backenformen, etwa Stufenbacken, Spitzbacken, weich drehbare Backen oder harte Standardbacken. Die Auswahl richtet sich nach Werkstückform, Material, Bearbeitung und geforderter Rundlaufgenauigkeit.
Für einen sicheren Betrieb ist nicht nur der richtige Einsatz wichtig, sondern auch eine regelmäßige Wartung. Späne, Kühlschmierstoff und Schmutz können in das Futter eindringen, die Beweglichkeit der Backen beeinträchtigen und die Spannkraft verringern. Durch Reinigen, Schmieren und das Prüfen des Rundlaufs lassen sich Verschleiß und Fehler frühzeitig erkennen und vermeiden.
Das Dreibackenfutter ist ein scheinbar einfaches Bauteil, das jedoch sicherheits- und qualitätskritisch ist. Fehler bei der Bedienung oder Vernachlässigung der Wartung können zu Werkstückverlust, Maschinenbeschädigung oder Personenschäden führen. Daher ist ein gutes Verständnis von Aufbau, Funktion und Wartung für alle, die an der Drehmaschine arbeiten, unverzichtbar.
In dieser Lerneinheit werden der Aufbau des Dreibackenfutters, seine Funktionsweise beim Spannen von Werkstücken sowie die wichtigsten Wartungs- und Sicherheitsmaßnahmen ausführlich erklärt.
Das Dreibackenfutter spannt Werkstücke selbstzentrierend mit drei Backen. Nur ein sauberes, geschmiertes und korrekt bedientes Futter kann Werkstücke sicher und rundlaufgenau halten.
Aufbau und Bauteile eines Dreibackenfutters
Ein Dreibackenfutter besteht im Wesentlichen aus dem Futterkörper, dem Spannmechanismus, den Spannbacken und der Schnittstelle zur Drehmaschine (Spannflansch oder direkte Aufnahme). Der Futterkörper ist eine massive, kreisförmige Grundplatte, die die Kräfte aufnimmt und die innere Mechanik schützt. Auf seiner Rückseite befindet sich die Aufnahme für den Spindelstock, zum Beispiel eine Flanschaufnahme oder ein Schnellwechsel-System.
Im Inneren des Futterkörpers sitzt der Spiralring (Schneckenrad / Planspirale). Er hat eine spiralförmige Nut, in die die Verzahnungen oder Stege der drei Spannbacken eingreifen. Dreht man den Spiralring, werden alle Backen gleichzeitig nach innen oder außen geführt. Diese Selbstzentrierung ist der wichtigste Unterschied zu unabhängig verstellbaren Vierbackenfuttern.
Die Spannbacken laufen in radialen Führungen, die im Futterkörper genau ausgearbeitet sind. Man unterscheidet meist zwei Sätze: Innen- und Außenbacken. Innenbacken spannen außen am Werkstück (Außenspannung), Außenbacken spannen innen in Bohrungen (Innenspannung). Viele Dreibackenfutter besitzen Stufenbacken mit mehreren Spannstufen, um unterschiedliche Durchmesser aufzunehmen.
Die Betätigung erfolgt bei manuellen Futtern über ein oder mehrere Vierkantlöcher für den Spannschlüssel. Beim Einstecken und Drehen des Schlüssels wird ein Kegelrad oder Schneckengetriebe bewegt, das den Spiralring verdreht. Bei kraftbetätigten Futtern sitzt an der Rückseite ein Kolben- oder Hebelmechanismus, der durch Zugstange, Hydraulik oder Pneumatik betätigt wird.
Weitere Bauteile sind Zentrierstifte oder Passfedern für die Ausrichtung zum Spindelflansch, Sicherungsschrauben zur Befestigung, Abdeckdeckel sowie Schmierstellen (Schmiernippel oder Bohrungen). Viele Futter besitzen Markierungen am Umfang, die die Bezeichnung der Backenposition anzeigen (Backe 1, 2, 3). Beim Ein- und Umbauen der Backen muss diese Reihenfolge eingehalten werden, damit die Selbstzentrierung funktioniert.
Je nach Genauigkeitsanforderung werden Futtersysteme in unterschiedliche Rundlaufklassen eingeteilt. Hochgenaue Präzisionsfutter haben fein bearbeitete Führungen und Spiralringe und werden teilweise auf der Maschine eingemessen und nachgedreht. Standardfutter für allgemeine Arbeiten sind robuster, aber weniger rundlaufgenau.
Zusammengefasst besteht der Aufbau eines Dreibackenfutters aus einem robusten Grundkörper, in dem ein präziser, selbstzentrierender Spannmechanismus untergebracht ist. Die richtige Kombination aus Backensätzen, Aufnahme und Betätigung macht das Futter zu einem universell einsetzbaren Spannmittel.
Für den Aufbau selbst sind nur wenige Rechenformeln nötig, aber einige Grundgrößen sind wichtig:
Futterdurchmesser DF: Außendurchmesser des Futters in Millimetern. Er beeinflusst die maximal zulässige Drehzahl, da Fliehkräfte mit zunehmendem Durchmesser stark ansteigen.
Spannbereich dmin … dmax: Bereich der Werkstückdurchmesser, die mit einem bestimmten Backensatz gespannt werden können. Er wird vom Hersteller angegeben und hängt von der Stufenform der Backen und der Stellung des Spiralrings ab.
Oft werden auf dem Futter maximale Drehzahlen nmax angegeben. Sie hängen u. a. vom Futterdurchmesser und der Spannkraft ab. Grundsätzlich gilt: Größeres Futter → geringere zulässige Drehzahl, um Fliehkräfte und Spannbackenbelastung zu begrenzen.
Viele Dreibackenfutter besitzen austauschbare Zwischenplatten oder Adapterflansche. Dadurch kann dasselbe Futter auf verschiedenen Maschinen eingesetzt werden, sofern der passende Flansch montiert wird. Beim Wechsel muss das Futter neu ausgerichtet und die Befestigungsschrauben mit dem vorgeschriebenen Drehmoment angezogen werden.
Bei Präzisionsarbeiten kommen oft weiche Backen zum Einsatz, die auf das jeweilige Werkstück im Futter ausgedreht werden. So entsteht eine formschlüssige Anlagefläche mit hoher Rundlaufgenauigkeit. Die Grundbacken bleiben dabei im Futter, auf ihnen werden die weichen Aufsatzbacken befestigt.
Die Verbindung zwischen Dreibackenfutter und Spindelstock muss absolut sicher sein. Lose Befestigungsschrauben oder beschädigte Flansche können dazu führen, dass sich das Futter bei hoher Drehzahl löst – mit extrem hohem Unfallrisiko. Nach jedem Futterwechsel müssen alle Schrauben kontrolliert werden.
Backen dürfen nur in der richtigen Reihenfolge (1–2–3) eingesetzt werden. Falsch eingesetzte Backen können die Selbstzentrierung zerstören und zu starkem Rundlauf- und Unwuchtfehler führen. Im schlimmsten Fall rutscht das Werkstück aus dem Futter.
Defekte oder rissige Futterbauteile (z. B. Spiralring, Backen, Flansch) dürfen nicht repariert oder „geflickt“, sondern müssen durch Originalteile ersetzt werden. Eigenmächtige Änderungen können die Tragfähigkeit und Sicherheit massiv verringern.
Nennen Sie vier wesentliche Bauteile eines Dreibackenfutters und beschreiben Sie kurz deren Aufgabe.
Mögliche Lösung:
1. Futterkörper: Trägt alle Bauteile, nimmt Kräfte auf und verbindet das Futter mit der Maschinenspindel.
2. Spiralring (Planspirale): Über einen spiralförmigen Schlitz bewegt er alle drei Backen gleichzeitig nach innen oder außen und sorgt für die Selbstzentrierung.
3. Spannbacken: Berühren und halten das Werkstück, können je nach Bauart Innen- oder Außenspannung ermöglichen.
4. Betätigungsmechanismus (Spannschlüssel mit Vierkantaufnahme bzw. Kraftspannmechanik): Wandelt das Anziehdrehmoment in eine Bewegung und Spannkraft der Backen um.
Weitere mögliche Bauteile: Spannflansch, Schmierstellen, Markierungen für Backennummern.
Funktion, Spannarten und Betriebsparameter
Das Dreibackenfutter arbeitet grundsätzlich selbstzentrierend. Werden die Backen über den Spiralring bewegt, laufen sie symmetrisch auf die Drehachse der Maschine zu. Dadurch wird ein runder oder annähernd runder Werkstückquerschnitt zentrisch zur Spindel aufgenommen. Dies ist ideal für runde Vollmaterialien, Rohre, Drehteile oder Scheiben.
Man unterscheidet beim Spannen die Außenspannung und die Innenspannung. Bei der Außenspannung greifen die Backen von außen auf den Werkstückdurchmesser. Diese Spannart ist am häufigsten und eignet sich für Vollmaterial und Rohrenden. Bei der Innenspannung greifen die Backen in eine Bohrung hinein und drücken das Werkstück nach außen. Sie wird häufig bei Flanschen oder Ringen verwendet.
Die Drehbewegung des Spannschlüssels erzeugt ein Anziehdrehmoment. Über den Getriebemechanismus im Futter führt dieses zu einer radialen Spannkraft der Backen. Je höher das Anziehdrehmoment, desto größer wird in der Regel die Spannkraft – allerdings nur bis zu einer sicheren Grenze. Die Spannkraft muss ausreichen, um die Schnittkräfte aufzunehmen, darf aber das Werkstück nicht plastisch verformen.
Ein wichtiger Betriebsparameter an der Drehmaschine ist die Schnittgeschwindigkeit vc. Sie beschreibt, wie schnell sich die Werkstückoberfläche relativ zum Werkzeug bewegt. Sie hängt von Drehzahl n und Werkstückdurchmesser d ab. Die Auswahl geeigneter Schnittgeschwindigkeiten und Drehzahlen ist Voraussetzung für wirtschaftliche und prozesssichere Bearbeitung.
Neben der Schnittgeschwindigkeit ist die zulässige maximale Drehzahl nmax des Futters zu beachten. Bei steigender Drehzahl wachsen die Fliehkräfte auf Spannbacken, Schrauben und Futterkörper stark an. Überschreitet man nmax, können Spannbacken aus dem Futter gerissen oder Futterbauteile überlastet werden. Deshalb ist nmax deutlich sichtbar am Futter aufgeprägt.
Auch die Werkstückform beeinflusst die Funktion: Unausgewogene Rohteile, lange überstehende Werkstücke oder große Flächen erzeugen Unwuchten und Biegebelastungen. In solchen Fällen muss die Drehzahl reduziert, das Werkstück näher am Futter abgestützt oder ein anderes Spannmittel (z. B. Planscheibe, Vierbackenfutter) gewählt werden.
Rundlaufgenauigkeit ist ein weiteres Qualitätsmerkmal. Sie beschreibt, wie stark der gespannte Durchmesser bei einer Umdrehung schlägt. Ursachen für schlechten Rundlauf können verschmutzte Spannflächen, verschlissene Backen, verzogene Flansche oder Fehler beim Umbauen der Backen sein.
Die Schnittgeschwindigkeit vc (in m/min) beim Drehen hängt von Drehzahl n (in 1/min) und Werkstückdurchmesser d (in mm) ab:
vc = (π · d · n) / 1000
Umgekehrt ergibt sich für die erforderliche Drehzahl bei gegebener Schnittgeschwindigkeit:
n = (1000 · vc) / (π · d)
Die Fliehkraft FF der Spannbacken wächst mit dem Quadrat der Drehzahl. Vereinfacht:
FF ∼ m · r · n²
Je größer Masse m der Backe, Radius r und Drehzahl n, desto stärker wirkt die Fliehkraft der Spannkraft entgegen. Deshalb sinkt die wirksame Spannkraft bei hohen Drehzahlen. Aus diesem Grund begrenzen Hersteller die Drehzahl nmax für jedes Futter.
In Betriebsanleitungen der Spannfutterhersteller findet man oft Tabellen, in denen empfohlene Spannkräfte und Drehzahlen für verschiedene Werkstückdurchmesser und Materialien angegeben sind. Für kraftbetätigte Futter werden Spannkraft und Kolbendruck manchmal automatisch überwacht.
Für dünnwandige Rohre oder empfindliche Werkstoffe werden spezielle Spannbacken oder Spannliner verwendet, um die Spannkraft auf eine größere Fläche zu verteilen. So werden Verformungen reduziert und der Rundlauf verbessert.
Der Spannschlüssel darf niemals im Futter stecken bleiben. Bereits bei niedriger Drehzahl kann der mitrotierende Schlüssel wie ein Schlaghammer wirken und schwere Verletzungen verursachen. Nach jedem Spannen muss der Schlüssel sofort herausgenommen und an einem festen Platz abgelegt werden.
Die maximale Drehzahl nmax des Futters darf nicht überschritten werden. Besonders bei großen Futterdurchmessern und schweren Werkstücken ist eine Reduzierung der Drehzahl notwendig. Angaben an der Maschine gelten nur, wenn das eingesetzte Futter dafür zugelassen ist.
Unwuchtige oder sehr lange Werkstücke müssen zusätzlich abgestützt werden (z. B. mit Reitstock oder Lünette). Sonst kann sich das Werkstück aufbiegen oder aus dem Futter gezogen werden. Im Zweifel ist die Drehzahl zu reduzieren oder ein anderes Spannmittel zu wählen.
Ein Rundmaterial mit Durchmesser d = 60 mm wird im Dreibackenfutter gespannt. Es soll mit einer Schnittgeschwindigkeit vc = 150 m/min bearbeitet werden. Berechne die erforderliche Drehzahl n (in 1/min). (Formel: vc = π · d · n / 1000).
Gegeben: d = 60 mm, vc = 150 m/min.
Gesucht: n.
Formel umstellen:
n = (1000 · vc) / (π · d)
Einsetzen:
n = (1000 · 150 m/min) / (π · 60 mm)
= 150 000 / (π · 60)
= 150 000 / 188,5 ≈ 796 1/min.
Ergebnis: Die Drehzahl sollte etwa n ≈ 800 1/min betragen, sofern das Futter für diese Drehzahl zugelassen ist.
Wartung, Pflege und Prüfen des Dreibackenfutters
Damit ein Dreibackenfutter dauerhaft sicher und präzise arbeitet, ist regelmäßige Wartung zwingend erforderlich. Bei jedem Einsatz dringen Späne, Abrieb und Kühlschmierstoff in die Backenführungen und den Spiralring ein. Ohne Reinigung und Schmierung steigt der Verschleiß, die Backen laufen schwergängig, und die Spannkraft nimmt ab.
Zur täglichen Pflege gehört das grobe Reinigen der Spannbacken und Spannflächen. Nach dem Abschalten der Maschine werden Späne mit Pinsel oder Luft (nur mit reduzierter, sicherer Blasluft) entfernt. Anschließend können die Spannflächen leicht geölt werden, um Korrosion zu verhindern. Ein zu starker Ölfilm sollte vermieden werden, damit das Werkstück nicht rutscht.
In größeren Intervallen – je nach Einsatzhäufigkeit zum Beispiel wöchentlich oder monatlich – sollte das Futter teilweise demontiert werden. Dazu werden die Backen vollständig herausgekurbelt, gereinigt und auf Verschleiß oder Beschädigungen geprüft. Der Futterkörper wird innen gereinigt, der Spiralring von Spänen befreit und die Führungen mit einem geeigneten Schmierstoff behandelt.
Viele Hersteller geben in ihren Anleitungen bestimmte Schmierstellen und Schmierintervalle an. Häufig werden Mehrzweckfette oder spezielle Futterfette verwendet, die auch bei höheren Drehzahlen nicht aus der Mechanik geschleudert werden. Schmiernippel erleichtern das Einpressen von Fett mit einer Fettpresse.
Zur Wartung gehört auch das Prüfen des Rundlaufs. Dazu wird ein Prüfdorn oder ein sauber gedrehtes Referenzwerkstück im Futter gespannt. Mit einer Messuhr an der Drehmaschine kann der Rundlauf an einem definierten Durchmesser gemessen werden. Abweichungen über den zulässigen Werten deuten auf verschlissene Backen, verschmutzte Spannflächen oder eine verzogene Futteraufnahme hin.
Bei schweren Verschleißerscheinungen – zum Beispiel deutlich eingelaufenen Spannflächen, großem Spiels der Backen oder Rastpunkten im Spannmechanismus – ist eine Überholung durch einen Fachbetrieb oder der Austausch des Futters nötig. Auf keinen Fall dürfen Backen „abgeschliffen“ oder unkontrolliert bearbeitet werden, ohne dass das gesamte System danach neu eingestellt wird.
Auch die Befestigung des Futters an der Maschine ist regelmäßig zu kontrollieren. Befestigungsschrauben können sich durch Schwingungen lösen, Korrosion kann an Spannflächen auftreten. Ein lockeres Futter gefährdet sowohl Rundlauf als auch Sicherheit.
Für die Wartung selbst gibt es keine festen Rechenformeln, aber Messgrößen, die bewertet werden:
Rundlauffehler Δr: Differenz zwischen größtem und kleinstem Messwert der Messuhr bei einer Umdrehung. Beispiel: Messwerte 0,02 mm bis 0,08 mm → Δr = 0,06 mm.
Viele Hersteller geben zulässige Rundlaufwerte an, z. B. Δr ≤ 0,03 mm für Präzisionsfutter. Wird der Wert überschritten, sind Reinigung, Überprüfung der Backen oder eine Futterüberholung notwendig.
Auch die Laufzeit bis zur nächsten Wartung kann geplant werden. Beispiel: Ist ein Futter für einen Wartungsintervall von 40 Betriebsstunden ausgelegt, lässt sich der Zeitpunkt der nächsten Wartung über die täglich erfasste Betriebszeit bestimmen.
In vielen Werkstätten wird ein Wartungsplan geführt, in dem Tätigkeiten wie „Futter reinigen“, „Futter fetten“, „Rundlauf prüfen“ mit Datum und Unterschrift dokumentiert werden. So ist jederzeit nachvollziehbar, wann das Spannmittel zuletzt gewartet wurde.
Für Prüfzwecke gibt es spezielle Prüfdorne mit definiertem Durchmesser und hoher Formgenauigkeit. Sie ermöglichen eine reproduzierbare Rundlaufmessung, unabhängig von Werkstückfehlern. Prüfdorne sollten nur für Messzwecke verwendet und vor Beschädigungen geschützt werden.
Wartungsarbeiten am Futter dürfen nur bei stillstehender Maschine und ausgeschaltetem Hauptschalter erfolgen. Schlüssel im Hauptschalter oder Verriegelungen verhindern ein unbeabsichtigtes Anlaufen der Maschine während der Wartung.
Beim Einsatz von Druckluft zur Reinigung besteht Gefahr, dass Späne als Geschosse weggeschleudert werden. Blasluft darf nur mit Schutzbrille und moderatem Druck verwendet werden, und niemals direkt auf Personen gerichtet sein.
Beim Abbauen des Futters vom Spindelstock ist das hohe Gewicht zu beachten. Futter können mehrere zehn Kilogramm wiegen. Falsches Handling führt schnell zu Quetschungen oder Rückenschäden. Geeignete Hebehilfen oder zwei Personen sind oft notwendig.
Bei einer Rundlaufprüfung wird ein Prüfdorn im Dreibackenfutter gespannt. Die Messuhr zeigt bei einer Umdrehung Werte zwischen 0,01 mm und 0,07 mm an. Berechne den Rundlauffehler Δr und beurteile, ob bei einem zulässigen Wert von 0,03 mm Handlungsbedarf besteht.
Gegeben: Messuhrwerte 0,01 mm bis 0,07 mm.
Rundlauffehler:
Δr = größter Messwert − kleinster Messwert = 0,07 mm − 0,01 mm = 0,06 mm.
Zulässiger Wert: Δrzul = 0,03 mm.
Beurteilung: Δr = 0,06 mm > 0,03 mm → der zulässige Rundlauf wird deutlich überschritten.
Ergebnis: Es besteht Handlungsbedarf. Zunächst sollten Futter gründlich gereinigt und die Spannflächen kontrolliert werden. Bleibt der Wert zu hoch, sind weitere Maßnahmen (Überholung oder Austausch) erforderlich.
Aufgaben zu Dreibackenfutter – Aufbau, Funktion und Wartung
Hinweis: Pro Aufgabe können eine oder mehrere Antworten korrekt sein.