Eine CNC-Fräse entsteht

[Steffel]

Um mit Emulsion arbeiten zu können musste die Wanne dicht sein. Konstruktiv war nun zu klären wie ich den Maschinenfuß an den Unterbau (Schrank) angeschlossen bekomme so dass es absolut dicht ist und sich auch mal wieder lösen lässt.
Als Lösung kam für mich nur eine Zwischenplatte in Frage. Diese hat Gewindebohrungen mit Grund von unten um mit dem Unterbau verschraubt zu werden und Rundringe zur Abdichtung. Von oben sind ebenfalls Gewindebohrungen welche den Maschinenfuß zur Befestigung dienen.

Fu_1 (Steffel)


Fu_2 (Steffel)


Die Zwischenplatte ist 300x235x30 abzüglich der überfräsen Fläche oben und unten. Auch den Maschinenfuß habe ich auf der Aufstandsfläche nochmal plan gefräst.
Hier musste ich auch dazulernen, das Planfräsen in mehreren Schnitten nebeneinander selbst mit nur 0,1mm Zustellung im letzten Span mit 60mm Messerkopf, allein für den Werkzeugmaschinenbau, nicht ausreichend ist.
Wenn ich beide Komponenten gefügt habe kippelte der Fuß leicht. Mit der Messuhr waren 0,05mm Kippeln sichtbar. Beim festziehen der Fußschrauben verzog es den Fuß und damit die Führung von y. Das konnte ich so nicht lassen. Da mir Schleifwerkzeuge oder Bohrwerk in der Größe, das man in einem Schnitt über die Fläche gehen könnte, nicht zugänglich ist, habe ich beide Flächen Gussfuß und Stahlplatte eben geschabt.
Bei der Stahlplatte habe ich ziemlich lange gebraucht da einfach der Werkstoff recht zäh ist für das Schaben. Darum sieht man auf einigen Bildern das die Platte noch blau lackiert ist und später blank mit dem Schabmuster. Am Ende muss ich sagen, hat sich der Aufwand gelohnt. Der Fuß sitzt satt auf und kann ohne Angst vor Verspannung festgezogen werden. Durch die zusätzliche Massenkopplung werden ggf. auch Resonanzen unterbunden und die Steifigkeit nimmt etwas zu.
Ich habe zwischen die Flächen etwas Öl gegeben um Korrosionen vorzubeugen. Der Maschinenfuß hat seitlich die typisch halboffenen Bohrungen um eine seitliche Verschiebbarkeit zu gewähren. Leider sammelen sich in diesen immer die Späne etc.. Darum habe ich abgewinkelte Bleche unter die Schrauben eingebaut um dem vorzubeugen.


Eine weitere Abdichtproblematik ereilte mich zum Thema Kabeleinführung und Kühlemulsionszuführung in den abgedichteten Arbeitsraum.
Da ich nicht von außen über die Einhausung hinweg und dann von oben an die Fräse die Medien ranführen wollte, was mir optisch nicht gefallen hätte, blieb nur von unten durch die Wanne gehen und diesen Anschluss dicht zu gestalten.
Da ich sowieso mit einer Medienkette vom feststehenden Teil zum beweglichen Fräskopf übergehen wollte brauchte die Kette einen Festpunkt am Grundkörper.
Da baulich nichts vorhanden war stellte ich eine Kabelsäule neben die Maschine aus 40x80x4 Kastenprofil. Mit einer dicht verschweißten Stirnplatte und einer Gegenbrille verschraubte ich diese gegen den Unterbau. Der obere Flansch ist gegen die Wanne mit Getriebedichtmittel abgedichtet, da ein zukünftiges lösen eher unwahrscheinlich ist. Die Kabelsäule ist so hoch das Kühlemulsion eher zur Tür hinausläuft bevor diese in die Kabelsäule von oben hineinlaufen kann.
Später habe ich mich etwas geärgert. Statt die Kabelsäule auf dem Wannenblech aufzusetzen hätte ich die Grundplatte in dem Bereich auskragen lassen sollen, mit einem Durchbruch um die Kabelsäule mit auf die große Grundplatte stellen zu können.
Denn durch die getrennten Komponenten und der kleinen Aufstandsfläche steht die Kabelsäule schnell schief zur Maschine und es muss mit Gegenmaßnahmen beigegangen werden, dies wäre bei einer Montage auf der großen Grundplatte nicht passiert.

Kabel_1 (Steffel)



Kabel_2 (Steffel)



An der Kabeläule konnte ich sehr gut die Energiekette befestigend und die zugehörigen Medien in Ihr nach oben führen und verteilen. Auch der Vorlauf der Kühlemulsion führt in dieser lang und geht bei der Energiekette in einem Schlauch weiter.
Hier offenbarte sich bei der Montage ein Konstruktionsfehler.
Ich habe die Energiekette bei IGUS bezogen. Diese bitten ein sehr schönes Baukastensystem an. Ich habe mir, die nach meinem Verständnis passende Kette, herausgesucht das 3D-Modell dazu und in mein Gesamtmodell hineinprojiziert. Soweit hat alles gepasst. Was ich missachtet habe ist die Rückstellkraft des Kühlemulsionsschläuche und der Kabel wenn diese nahe den Mindestbiegeradien sind. Die kleine Kette ist nicht steif genug um diese Kräfte aufzunehmen und verformt sich entsprechend. Ich musste daher einen sehr weichen Kühlmittelschlauch nehmen sonst hätte ich nochmal alles umbauen müssen. Sollte ich nochmal in die konstruktive Situation geraden würde ich den größtmöglichen Radius, den der Bauraum hergibt, verwenden.
Die Kühlmittelpumpe steht im Unterschrank und fördert über eine Steigleitung die Kühlemulsion nach oben. Zum Drosseln ist ein Kugelhahn eingebaut, da dieser an der Rückwand des Schrankes ist musste ich die Betätigung mittels Stange nach vorn verlängern. Somit kann ich von außen den Kühlmittelstrom regeln.

Die Praxis zeigt aber das bei längern laufen lassen der Motor sehr heiß wird. Ich muss mal schauen ob ich den Emulsionsvorlauf mittels Kühlschlangen um den Motor gewunden bekomme oder Kühlrippen welche mit Emulsion durchflossen werden können.
Ggf. tausche ich auch einfach die Pumpe gegen ein Produkt was eine Einschaltdauer von 100% hat.


Kuehlung_Pumpe (Steffel)


Kuehlung_hinten (Steffel)

Der Kühlmittelablauf ist relativ einfach. Hier habe ich in das Wannenblech kleine Löcher gebohrt (Sieb) und von unten einen Sammler gegengeschraubt. Mittels Rundging dichtet dieser gegen das Wannenblech ab. Ein Rohr mit Verschraubung führt dann zurück zum Kühlmittelbehälter im Unterschrank.

K_hlung_Ablauf (Steffel)


Die Kabelsäule dient auch um die Kabelführung der Maschine zu ordnen. Mir war es wichtig das keine Kabel von Schrittmotoren oder Sensoren in der Wanne rumliegen, dort beschädigt werden bzw. beim Reinigen im weg sind. Darum habe ich versucht alle Kabel im/unter dem Maschinenfuß zu verlegen. Die große Grundplatte habe ich mit einer größeren Nut versehen um unter dem Fuß der Maschine hindurchtauchen zu können.


Kabel_5 (Steffel)


Kabel_4 (Steffel)


Alle Kabel sind in Metallschutzschläuchen von HellermannTyton verlegt, die Metallschutzschläuche kann man mit Verschraubungen versehen so dass man mit Mutter oder direkt mit Gewindebohrungen die Anschlüsse gestalten kann.
Vor der Montage empfiehlt es sich einen Fädelstrick zu montieren um später die Kabel durchzuziehen.
An der Z-Säule und der Kabelsäule sind die Metallschutzschläuche mit eigens gefertigten Aluklemmen sauber befestigt. Das schaut ordentliche aus und verhindert Scheuerstellen.

Kabel_6 (Steffel)


Kabel_7 (Steffel)



An der Y und Z Achse sind als Endschalter Induktive Näherungssensoren. Diese sind in Metallkästen von Hammond Electronics. Entweder werden die Kabel von hinten eingeführt und mit Rundringen abgedichtet oder per Verschraubung direkt in die Gehäuse.

Besonders knifflig war die Kabelführung zu dem Endschalter der X-Achse.
Der Übergang vom festen zu beweglichen Teil war nicht ohne weil Platz für eine Energiekette etc. nicht reichte.

Kabel_8 (Steffel)


Letztlich habe ich das Metallschutzrohr selbst als kleine Energiekette genutzt. Im Kreuzsupport wurde dann eine Querborhung eingebracht um das Kabel des Sensors aufzunehmen.

Kabel_9 (Steffel)


Ich habe für die Endlagenabfrage der X und Y Achse immer einem Sensor und zwei Fahnen. Bei Y – sind dies einfach gekantet Blechfahnen mit einem großen Langloch und einer Deckscheibe um große Einstellbarkeit zu gewährleisten.
Bei der Z-Achse ist es nur eine Fahne Begrenzung nach oben.
Bei der X – Achse war der beenget Bauraum ein riesen Problem.
Letztlich habe ich in den Frästisch von unten Nuten gefertigt und verschiebbare Endschalterfahnen montiert. Da nur 2-3 mm Schaltabstand sind muss es auch genau zugehen. Zusätzlich habe ich den Sensor auf eine Grundplatte montiert welche in der Tiefe verstellbar ist um den Schaltabstand einstellen zu können. Da die Fahnen den Sensor queren würde bei einer Kollision es den Sensor abscheren.

Fraestisch_1 (Steffel)


Fraestisch_2 (Steffel)


Damit wären erstmal alle Konstruktiven Merkmale der Maschine vorgestellte.

[Steffel]

Einen kurzen konstruktiven Nachtrag möchte ich noch machen.
Den Bildschirm habe ich in eine Blechverkleidung gepackt welche ich mir habe kanten lassen. Die Verkleidung ist notwendig da der Bildschirm ein integriertes Netzteil hat und damit 230V bis an den Bildschirm ran geführt werden. Darum musste ein Schutz her um den Schutzgrad (größer IP67 von hinten) gegen eindringende Feuchtigkeit (Kühlemulsion) zu erhöhen. Das Sub-D Kabel habe ich geschnitten, nach durchziehen durch alle Kabelverschraubungen, wieder verbunden/isoliert.
Bildschirm_1 (Steffel)


Die Unterbringung der Tastatur ergab zum Schluss nochmal eine Herausforderung. Ursprünglich wollte ich diese im Schubladen des Unterbauschrankes integrieren, durch herausziehen des Schubladen wäre die Tastatur verfügbar gewesen. Durch die seitliche Verlagerung des Bedienfeldes und des Bildschirms habe ich dies jedoch verworfen. Auch hat mir die Höhe nicht gefallen.

Also musste die Tastatur direkt vor das Bedienfeld, brachte aber neue Probleme mit sich da die Eingangstür (Werkstatt) bzw. der Durchgang durch die Tür eingeschränkt wäre. Weiter war auch die schon vorhandene Standardtastatur zu breit für den neuen Einsatzort und für ein separates Mousepad war gar kein Platz. Daher habe ich kurzerhand eine neue Tastatur mit integrierten Mousepad und WLAN Verbindung besorgt und eine Konsole gebaut. Die Konsole ist zum einhängen. Hierfür habe ich zwei Messingknäufe montiert mit einem Einstich. Die Praxis zeigt, funktional und gut zu handhaben bei Auf-Abbau.

Tastatur_1 (Steffel)


Tastatur_2 (Steffel)



An verschiedenen Stellen habe ich es schon geschrieben dass ich einige Flächen geschabt habe. Insgesamt habe ich an die 50 Flächen geschabt und alles mit der Hand.
Alleine je Achse, am Schwalbenschwanz waren es jedes Mal 10.

Durch die Fräsarbeiten an den Schlitten und insbesondere am Frästisch haben sich Spannungen in den Randzonen abgebaut bzw. neue sind hinzugekommen. Das hatte zur Folge das besonders der Frästisch und die Schlitten nicht mehr gerade waren. Besonders am Frästisch zeigte sich dies, da ich diesen beidseitig gekürzt habe und durch die Nuten an der Unterseite sowie konstruktiv bedingtes wegfräsen von Stegen, war die Ebenheit dahin.

Natürlich musste ich zusätzlich bedenken das die Maschine für die händische Bedienung gedacht war. Bedeutet die Führungen sind nicht angedacht durch vorspannen der Keilleisten absolute Spielfreiheit herzustellen. Dies wird durch die Klemmung der einzelnen Achsen welche nicht gerade benötigt werden umgesetzt. So handhabe ich das bei meiner großen Fräse, und habe damit immer die erforderliche Genauigkeit am Werkstück.
Durch vollautomatische Beweglichkeit der CNC Fräse war ein klemmen mit Hand der nicht benötigten Achse undenkbar. Es muss also durch die Keilleisten so vorgespannt werden das absolute Spielfreiheit ohne zu große Schwergängigkeit vorherrscht.

Tragfläche Frästisch Vorher:
Tisch_schaben_1 (Steffel)


Tragfläche der Führung vom Frästisch Fertig:

Tisch_schaben_2 (Steffel)


Noch ein Stück bis zum Ende:

Tisch_schaben_3 (Steffel)


Frästisch fast fertig:

Tisch_schaben_4 (Steffel)


An der Frästischoberfläche habe ich über zwei Tage geschabt.


Z-Schlitten Vorher:
Z_schlitten_schaben_1 (Steffel)


Z-Schlitten fast fertig:

Z_schlitten_schaben_2 (Steffel)


Durch die Verlängerung der Y-Achse in der Führung war ich gezwungen auch die komplette Führung am Fuß neu zu schaben. Hier kam mir entgegen das ich die Aufstandsfläche des Fußes schon geschabt hatte. So war es leichter auf Ebenheit und Lage zu schaben da ich die fertige Fußfläche als Referenzfläche auf der Tuschierplatte aufgestellt habe.
Damit war aber auch die gesamte Lage (Rechtwinkligkeit) der Z-Achse weg da die Anlagefläche der Z-Säule nun nicht mehr zur Lage der Y-Achse passte. Somit schabte ich die Anlagefläche am Fuß für die Z-Achse neu auf Ebenheit und Lage zur y-Achse ein.

Z_Saeule_schaben_1 (Steffel)


Im Gegenzug schabte ich auch die Anlagefläche der Z-Säule neu ein auf Ebenheit und Lage. Die Lage habe ich dann mit einem rechten Winkel in der Maschine mit fertig eingeschabten Z-Schlitten vermessen und solange korrigiert bis es passte (kippen um die x-Achse).
Im Bild unten ist die seitliche Einstellung der Z-Achse zu sehen mit kippen um die y-Achse. Der gleiche Aufbau mit nur um 90° Grad in der waagerechten gedrehten Winkel funktioniert für das kippen um die X-Achse.

Einstellen_Z_Achse (Steffel)



Schaben kannte ich bis zum Bau der CNC nur aus der Literatur und Erzählung älterer Kollegen.
Ich habe mir die Sachen alle selbst angeeignet und musste mir auch viel Zubehör wie Tuschierplatte aus Granit, Präzisionswinkel, größere Bügelmesschrauben und Prüfstifte für die Parallelität für die Schwalbenschwänze, ein großes Haarlineal, Feinzeiger etc. beschaffen. Dafür sind ungefähr 600-700 Euro alleine angefallen.
Am wichtigsten war ein Richtlineal um die Führungen zu schaben, hier wollte ich keines kaufen. Also hatte ich die famose Idee eines selber zu bauen.
Also ein Stück GG25 gekauft und Richtlineal mit dreieckigen Querschnitt (Winkel) kleiner wie der von den Führungen herausgefräst. Die Reste brauchte ich für drei Mal neue Keilleisten da die Originalen durch mein nachschaben alle zu weit in den Führungen lagen.
Durch die mechanische Bearbeitung waren natürlich Spannungen im Lineal welche ich durch zwischen dem abtuschieren mittels Holzhämmerchen vorsichtige entgegentrat. Am Ende habe ich dann eine ebene Fläche hinbekommen und konnte alle Führungen Schaben.

Richtlineal (Steffel)


Ich habe mich bewusst gegen zwei geschabte Flächen entschieden. Mir gefiel die Variante die fertigen Schlitten als Meister für die Winkel zu nehmen, besser. In Kombination mit Schlitten, Richtlineal, Haarlineal konnte ich Ergebnisse erzielen die mich zufrieden stimmten. Die Profis welche das Jahrelang gemacht haben hätten sicherlich bessere Ergebnisse erzielt. Die Praxis bez. die Fräsergebnisse zeigen die gewünschten Ergebnisse mit welchen ich sehr zufrieden bin.
Das schöne am Schaben ist, es geht langsam, sprich wenn man in die falsche Richtung schabt ist das Werkstück nicht gleich Schrott. Beim Fräsen um 1mm zuviel zugestellt bedeutet meist Schrotttonne. Gleichzeitig kostet es eben auch Zeit, dafür überzeugte mich die Genauigkeit in der Ebene und der Lage so sehr, dass ich angefangen habe so ziemlich jede Fügefläche wo es darauf angekommen ist, einzuschaben.

Darum habe ich auch die Anlageflächen vom Fräskopf zur Achse der Fräspindel parallel neu eingeschabt und die Vorderseite des Z- Schlittens parallel zur Führung. Damit stand dann alles genau senkrecht und bei festziehen liegt alles schön satt an.
Selbst die Fügeflächen der jeweiligen Lagerschilde an Frästisch, Z-Säule und Y-Achse sind alle auf Lage zu den Führungen und eben eingeschabt.

Am Ende habe ich viel dazugelernt und ca. nur ein ¾ Jahr geschabt und die nötigen zuarbeiten für das Schaben gemacht. Zum Beispiel müssen bei den meisten Schlitten und Führungen in den Schwalbenschanzgrund die Freigängigkeit erweitert werden (Nut) damit das Richtlineal sauber nur auf der zu schabenden Fläche aufliegt.
Am Anfang hatte ich auch die Idee mir selbst einen Schaber zu bauen mit HSS Aufsatz zum klemmen. Das bauen hat auch funktioniert auch das Schaben, nur musste ich nach zwei bis drei Durchgängen das Werkzeug nachschleifen. Also habe ich mir dann doch einen Schaber mit Hartmetall als Wendeplatt geholt um festzustellen dass ich es hätte gleich machen sollen.

[jc94]

außergewöhnlich

[Steffel]

Hallo jc94, viele Dank.



Als letzte technische Komponente will kurz noch die E-Technik vorstellen und umreisen.
Die E-Technik steckt zum größten Teil in dem Schaltschrank welcher seitlich am Unterbauschrank angebracht ist.
Anfangs hatte ich einen Stahlblechschrank 600x360x200 geplant und gekauft, leider musste ich feststellen dass dieser zu klein war.
Darum habe ich beim zweiten Anlauf vorher per Aufriss und den Komponenten den genauen Platzbedarf ermittelt.


E_Technik_1 (Steffel)


E_Technik_2 (Steffel)


Daher musste ich auf einen Schaltschrank 700x500x250 zurückgreifen. Dieser war gerade so ausreichend.
Als CNC Steuerungskarte verwende ich die Arduino Club Karte -> ArduinoClub ESTLCAM für Mega 2560, als Steuerungssoftware ESTELCAM.

Für den Fräsmotor habe ich den mit der Maschine mitgelieferten Frequenzumrichter sowie den ableitarmen Netzfilter wieder verwendet. Der Anschluss am Motor ist über ein geschirmtes Kabel erfolgt.
Als Treiber habe ich DM860 von ACT Motor im Einsatz. Zugehörig habe ich habe ich jeder Endstufe ein eigenes 48V Netzteil gegönnt mit bis zu 12,5 A Ausgangsstrom. Dies ergab sich daraus das ein Einzelnetzteil mit der summierten Leistung wesentlich teurer war wie die drei einzelnen zusammen. Einzig der Platzbedarf stieg.

Für die Bremse der Z-Achse habe ich ein DC-DC Wandler RSD-30L-24 DC/DC-Wandler, 30 W, +18 bis +72 Vin, 24 Vout, 1,25 A von Mean Well in Verwendung. Dieser hängt parallel zu dem Treiber von der Z-Achse am Ausgang des großen Netzteils. Fällt das Netzteil aus geht automatisch die Bremse mit rein.
Als Versorgung der verschiedenen Spannungsebenen +5V, +12v und +24V, habe ich ein weiteres Netzteil vom Typ: MW RT-65D, 65 W, 5/24/12 V, 4/1,5/1 A auch von Mean Well im Einsatz.

Das letzte Netzteil versorgt den eigenen Mini-PC. Damit sind insgesamt fünf Netzteile untergebracht.
Der PC ist ein gebraucht/überholter mit WIN10 Lizenz und verrichtet bestens seine Dienste. Den Eintaster habe ich nach außen verlegt so dass über einen Taster am Schaltschrank der PC gestartet wird. Die USB Anschlüsse für Tastatur, Maus und Datenträger habe ich ebenfalls nach extern verlegt.
Um den Rechner unterbringen zu können habe ich eine Konsole gebaut und alles über den Treibern montiert.

Die Relais für Funktion wie Licht, Kühlmittelpumpe und Fräsmotor laufen über Solid-State-Relais vom Typ: RM1A23D25, 25A 230VAC von der Fa. Carlo Gavazzi. Ich hatte hier erst andere im Einsatz welche keine Selbstlöschung haben wenn der Nulldurchgang erfolgt. Das Ergebnis war das die Geräte mit Induktive Lasten weiter liefen, also habe ich die Relais mit Nullspannungs-/Momentanschalter verwendet so wie es Estelcam auch empfiehlt.

Das Schütz was zu sehen ist, fungiert als Nothaltschütz in Selbsthaltung welches durch den Nothalt unterbrochen wird. Bei Betätigung des Not-Halt werden alle Treiber und der Frequenzumrichter und damit der Fräsmotor von der Spannung getrennt.
Wenn das Schütz schaltet gibt es die typischen Störungen auf die Kommunikation zwischen Rechner und CNC-Karte, was aber in dem Fall dann nicht mehr so ins Gewicht fällt.

Als Sensoren für die Endlagenabfrage an den X, Y, Z – Achsen verwende ich Induktive Näherungssensoren vom Typ:

X-Achse: IS5001 - IS-3002-BPKG, PNP, von ifm electronic
Y-Z-Achse: AM6/AP-1A, PNP vonM.D. Micro Detectors
Alle Sensoren arbeiten vorzugsweise mit 24V da die CNC Karte aber nur 5V verarbeitet habe ich Pegelwandler vom Typ: TOS 24-48 0,5A, NO, 5 - 48 V DC / 24 V DC, 0,5 A von Weidmüller verwendet. Die Kopplung funktioniert sehr gut und ohne Probleme.

Die Klemmenreihe dient als Eingangsklemmen der Kabel und der Durchverdrahtung und ist von Phoenix Contact die UT 2,5 Serie mit grauen Reihenklemmen sowie PE und N Klemmen. Diese sind alle einzeln bei Reichelt erhältlich.
Bei den Kabeln habe ich vorwiegend Lappkabel ÖLFLEX® CLASSIC verwendet, da dies Öl- und Torsionsbeständig ist.
Die Kabeldurchfürhung sind alle mit Verschraubungen aus Kunststoff ausgeführt und dienen gleichzeitig der Zugentlastung und Abdichtung. Im Schaltschrank selbst habe ich einen Lüfter und Lüfterfilter nachgerüstet da durch die Endstufen und vielen Netzteile doch einiges an Wärme anfällt.

Die Verdrahtung im fortgeschrittenen Station.
E_Technik_3 (Steffel)


Fertige E-Technik.

E_Technik_4 (Steffel)

E_Technik_5 (Steffel)


Damit wäre die E-Technik abschließend vorgestellt.

[Steffel]

Ich will noch kurz was zu den Kosten aufzeigen.

Anfänglich war ich im dem Glauben das zusätzlich zum Kauf der Maschine noch 2500 bis 3000 hinzukommen. So das insgesamt 4000- 4500 Euro der gesamte Vorgang kosten würde.
Am Ende habe ich 8.067,29€ ausgegeben.
Hier muss erwähnt werden das sicherlich alleine 1000€ für Fehlkäufe (wie Schaltschrank etc.) und Messzubehör ausgegeben wurden. Daher schätze ich den Umbau netto auf 7000€ was immer noch deutlich über der Eingangsschätzung liegt.


Zum Schluss möchte ich noch etwas zu den Kugelgewindeumlaufspindeln mit Mutter erörtern.

Ich habe mir die üblichen Kugelgewindespindeln mit abgeflachter Flanschmutter welche es in den vielen CNC-Shops gibt, beschafft und eingebaut. Bei der Inbetriebnahme zeigte sich das die Spindeln ein Umkehrspiel von bis zu 0,04mm haben.

Da Estelcam keine Umkehrspielkompensation hat war die Ernüchterung erstmal groß. Und es ging an die Ursachenforschung.

Wenn ich eine Kraft mit wechselnder Richtung auf die Schlitten gegeben habe, zeigte die Messuhr keinen Ausschlag, Fazit die Steifigkeit der Verlagerung der Achse war in Ordnung.
Es musste also im Gewindetrieb selbst, das Problem liegen. Ich habe dann eine höherwertige Spindel gekauft welche ebenfalls gerollte ist und gotisches Profil hat. Es stellte sich dieselbe Sachlage nur mit kleinerem Umkehrspiel heraus.

Ich habe dann die Spindeln Ausgebaut und diese in die Drehbank gespannt und mit der Spitze gegengehalten. Mit dem Werkzeughalter habe ich dann wechselseitig gegen die Muttern gedrückt und auch hier zeigte die Mesuhr keinen Ausschlag.

Dann habe ich im selben Aufbau die Mutter gegen drehen am Werkzeughalter abgestützt und die Messuhr wieder axial an der Mutter angelegt. Nun drehte ich das Backenfutter mit der Spindel.
Ergebnis erst nach ca. 2,5° Drehung zeigte die Messuhr einen Ausschlag. Der Versuch offenbarte dasselbe Umkehrspiel wie in der CNC-Fräse.

Auch bei der höherwertigeren Spindel ergab sich das selbe Bild. Eine tiefere Recherche bei dem direkten Hersteller offenabarte das ein Umkehrspiel von 0 bis 0,04mm möglich ist.

Spindeln mit Umkehrspiel 0 oder Vorspannung waren wesentlich Kostenintensiver, aber immer noch gerollte Spindeln.

Bei allen hier besprochenen Spindeln handelt es sich um Spindeln mit dem Durchmesser 16 und einer Steigung von 5mm weiter sind alle Muttern mit vier Kugelkreisen ausgestattet wobei jeweils zwei durch Steigungsversatz gegeneinander verspannt sind.

Ich habe mich dann weiter in das Thema Spindeln über Hersteller, Foren etc. eingelesen. Es wird sehr viel und meist Gleiches geschrieben aber ich habe nichts gefunden wo richtig in die Tiefe gegangen wird. Verständlicherweise werden die Hersteller ab bestimmten Bereichen ihr Wissen für sich behalten.

Natürlich bin auch ich auf den Sachverhalt durch Umkugeln größere Vorspannungen aufzubauen zu können, gestoßen. Ich habe mich dann um verschiedene Kugelgrößen bemüht und eine Spindelmutter umgekugelt.
Das Ergebnis war ernüchternd, es war wieder Umkehrspiel, zwar etwas kleiner, aber es war weiter vorhanden. Und die Spindel ging natürlich schwerer was Drehmoment vom Schrittmotor verbraucht und im schlechtesten Fall Schrittverluste bedeuten könnte wenn der Zerspanprozess mal zu schwerer geht.

Auch der Versuch zwei Muttern auf einer Spindel gegeneinander zu verspannen brachte nichts, auch dies ergab wieder Umkehrspiel.

Die Ursache musste irgendwo in der Geometrie zu suchen sein. Nicht umsonst gibt es verschiedene Fertigungsverfahren und Profilformen, letzterer ging ich tiefer nach.

Geschliffene Spindeln sind in der Genauigkeit über längere Fahrwege von Bedeutung. Mein Problem lag auf der Stelle von wenigen mm.

Daher legte ich den Fokus auf das Profil, die herkömmlichen Spindeln welche im Heimgebrauch erhältlich sind und wenig kosten haben meist ein gotisches Profil. Dies hat den Vorteil das man mit verschiedenen Kugelgrößen arbeiten kann und damit die Vorspannung des Triebes, ohne die Spindel zu wechseln, einstellen kann. Bzw. Man kann in einer Mutter ohne diese teilen zu müssen eine Vorspannung erzeugen.


Bis hier hin sind die Herstellerbroschüren recht gute Informationsquellen, was nun folgt ist alles meine Erkentnis und muss nicht unbedingt stimmen ich habe nur keine bessere Idee. Vielleicht weiß es ein Leser besser dann bitte ich um Rückinfo und ich korrigiere meine Darstellung.

Was bedeutet an sich Vorspannung? Vorspannung bedingt nicht immer geleichzeitig Spielfreiheit bei Drehrichtungswechsel, so meiner Erkenntnis.

Die Vorspannung im Trieb sorgt dafür das bei Lastrichtungswechsel in axialer Richtung sich bei den Kugeln in der Mutter kein Spalt zur Anlagestelle einstellt und dann beim Drehen es zu größeren Ungenauigkeiten kommt. Bzw. der Trieb in sich nicht zu "atmen" beginnt.

Bei den kleinen Schnittlasten welche ich bei der Fräse habe sind die Vorspannungen so groß das sich diese nie aufheben werden.
Daher war auch das Verspannen der beiden Muttern gegeneinander zwecklos um das Umkehrspiel zu kompensieren, dies nützte einem ganz anderen Sachverhalt.
Wo war nun das Umkehrspiel zu suchen und wie konnte ich dem begegnen.

Ich zeichnete erst mal das das Profi des Gewindetriebes schematisch nach. Dabei gilt als Grundvoraussetzung das es einen zweiten Kugelkreis gibt welcher gegen den hier dargestellten mechanisch verspannt ist. Darum bleibt auch die Lastachse immer gleich egal von welcher Seite die Betriebskräfte auf die Einheit wirken.

KG_1 (Steffel)



Im zweiten Bild sieht man wie durch drehen der Spindel die Kugel einen 3-Punktkontakt herstellt.

KG_2 (Steffel)



Im dritten Bild sieht man was passiert wenn die Drehrichtung umgekehrt wird. Die Kugel wandert im Profil und stellt wieder einen 3-Punktkontakt wobei der Anlagepunkt nun unten ist.

KG_3 (Steffel)



Im vierten Bild habe ich die Kugelradien gezeichnet, damit meine ich die Bahn des Kugelmittelspunktes parallel zum gotischen Profil der linken (blau) und der rechten (rot) Flanke wo die Kugel immer anliegt.

KG_4 (Steffel)




Schaut man sich das herausgezogene Detail Z genauer an sieht man, da wo sich die beiden Kreise schneiden entsteht eine Linse, in desem Bereich kann die Kugel wandern.

Gleichzeitig zeigt sich das durch die Linse ein Axialspiel entstehen kann. Durch die Drehrichtunsgänderung ändet sich der Drall der Kugel und damit wandert sie im Bereich der Linse jeweils bis zum Anlagepunkt.

Das Wandern bedingt jeweils ein Durchschreiten der Linse was auch kurz ein Spiel mit sich bringt. Einzige Lösung ist statt Zweipunkt- der Vierpunktkontakt. Das erklärt auch warum einige Hersteller den Kugelkreis durch verspannen der Ausenhülle bzw. warum andere Hersteller auf größere Kugeldurchmesser gehen, damit der Vierpunktkontakt entsteht und das Wandern unterbunden wird.

Mit der Theorie würde sich auch erklären lassen warum der Gewindetrieb wenn er sich nicht bewegt, kein axiales Spiel hat. Sprich mit meiner Anordnung in der Drehbank jeweils beidseitig belastet keinerlei Spiel aufzeigte (da die Kugel in einer jeweiligen Endposition), sehr wohl aber beim drehen der Spindel.


KG_5 (Steffel)



Meine Erkenntnis ist das man für ein Umkehrspiel von gleich Null, Spindeltriebe mit Vierpunktkontakt benötigt. Das Umkugeln meiner Muttern würde funktionieren aber ich müsste herausfinden welche Kugelkreise geometrisch versetzt sind und dies nicht mit Kugeln füllen, da sonst die Vorspannung unter den Kreisen so groß wird dass der Trieb sehr schwer geht.

Weiter find ich nicht die passenden Kugeln in der nötigen Abstufungen. Daher habe ich dieses Vorgehen aufgegeben.

Ich habe einen Hersteller gefunden welcher gerollte Spindeln mit Vierpunktkontakt durch umkugeln anbietet bzw. angibt mit Null Umkehrspiel zu liefern. Die Preise liegen bei 400 bis 600 Euro je nach Länge der Triebe. Ich habe nur Befürchtung das eben auch die Vorspannung und damit das aufzuwendende Moment mit steigt und es zu einer Fehlinvestition kommt.

Meine technische Anfrage ist leider verloren gegangen, parallel hatte ich den Gedanken einer Neubeschaffung dann ganz verlegt, was die Motivation einer weiteren Nachfrage vorerst verhindert hat. Denn immerhin würden dann die Kosten des gesmaten CNC Umbaus bei über 9000€ liegen da ich nur die x und y Spindel tauschen würde.

Ich habe mir gesagt ich probiere es jetzt erst mal so, Passungen sind natürlich nicht möglich zu fräsen. Hier wird die Position fix angefahren und dann alle Arbeitsgänge an dieser Stelle durchgeführt.

Dies hat bisher super funktioniert auch waren die bisherigen Ergebnisse sehr zufriedenstellend. Aber: wenn man soviel Aufwand mit Führungen etc. betrieben hat will man auch umkehrspielfreie Spindeln :0)

Mal schauen was die Zukunft bringt, so wie ich mich kenne wird es da nochmal eine Verbesserung geben.

Damit bin ich mit dem Baubericht soweit fertig und hoffe das er Mitstreitern welche Ähnliches vorhaben, eine Hilfe ist.

Beste Grüße
Stephan

[mf-pur]

Hallo Stephan,
ich gehe mal davon aus, dass Du schon überprüft hast, ob die Lagerung der Spindel etwas zum Umkehrspiel beiträgt.
Mein Tipp zu besseren Werten ist der Übergang auf Präzisionsspindeln. Bosch Rexroth wäre sicher erste Wahl, aber es gibt sicher auch andere. ( Such Dir einen Hersteller, der Dir Deine Wunschwerte garantiert. )
Zur Lagerung:
2 Schrägkugellager in O-Anordnung sind schon mal nicht schlecht, diese gibt es auch in gepaarter Ausführung als Spindellager.

Problematisch sind immer Fluchtungsfehler und Biegemomente auf der Spindel.
Wenn Du diese nicht mit Sicherheit ausschließen kannst, wäre eine kardanische Lagerung sowohl von Kugellager, als auch Kugelumlaufmutter sinnvoll.

Viele Grüße
Michael

[Steffel]

Hallo Michael,

danke für die Rückmeldung. Die Lagerung habe ich überprüft, an dieser liegt es nicht. Auch Fluchtungsfehler schließe ich aus da alle Flächen rechtwinklig zu den Spindeln bzw. die Spindeln rechtwinklig zu den Flächen eingerichtet wurden.
Da das Problem auch in der Drehbank nachvollziehbar ist, ohne die Lagerung/Einbau in der Maschine, habe ich das Problem in den Spindelmuttern gesucht.
Ich denke auch der Griff zu Präzisionsspindeln der entsprechenden Hersteller wird der richtige Weg sein. Das wird nochmal teuer wird aber den gewünschten Efekt erziehlen.

Beste Grüße
Stephan

[Dampfrudi]

Hallo Stephan!

Auch bei den Präzisionsspindeln wird Spielfreiheit unter Last nur durch zwei gegeneinander verspannte Muttern erzielt. Wenn Du eine zweite Mutter mit passendem Kugelsatz bekommst, könntest Du das Dir sogar selbst einrichten-

Gruß, Dampfrudi

[mf-pur]

Hallo Dampfrudi,

ich kenne keine Werkzeugmaschine, die 2 Spindelmuttern auf einer Spindel hat.
Da hätte ich doch gerne mal den Nachweis.
Die Spielfreiheit ergibt sich durch ausreichende Dimensionierung und präziser Fertigung
von Spindel und Spindelmutter.
Es gibt übrigens auch geschliffene Spindeln und selbstnachstellende Spindelmuttern.
Deren Preise sind aber jenseits von gut und böse.

Gruß
Michael

[Steffel]

Hallo Dampfrudi, hallo Michael,

den Vorschlag habe ich probiert, ähnlich wie bei Trapetzspindeln über eine Verspannung von zwei Muttern das Umkehrspiel zu minimieren.

Ich habe mir zwei seperate Muttern beschafft jede der Muttern hat vier Kugelkreise.
Ich habe beide Muttern auf eine Spindel montiert und gegeneinander verspannt. Diesen Spindeltrieb habe ich dann wieder in die Drehbank gespannt, Spindelende 1 in das Futter, Spindelende 2 die Spitze dagegen. Die Muttern habe ich am Werkzueghalter fxiert so das diese sich nicht radial drehen können aber axial wandern.

Die Messuhr lege ich immer gegen die Muttern an. Durch drehen am Backenfutter kann ich dann sehen ob bei der kleinsten Bewegung am Backenfutter, die Muttern sich axial bewegen.

Leider wurden meine Hoffnungen zerschlagen. Auch der obige Aufbau zeigte Umkehrspiel. Da die beiden Muttern (wie auch die anderen welche ich einsetze) mit Steigungsversatz arbeiten und intern gegeneinander verspannt sind, dachte ich mir; ich nehme je Mutter zwei Kugelkreise heraus so das keine Verspannung "in" der Mutter erfolgt sondern zwischen den beiden Muttern. -> Leider wieder Umkehrspiel. Dann habe ich in beiden Muttern nur noch einen Kugelkreis belassen und wieder alles miteinander verspannt -> wieder Umkehrspiel.

Den Steigunsgversatz in den Muttern mit vier Kugelkreisen merkt man, so glaube ich, daran wenn man die Mutter auf die Spindel montiert gehen die ersten beiden Kugelkreise sehr leicht, wird der Dritte und Vierte montiert drehen die Muttern etwas schwerer.

Anmerkung: montieren der Muttern bedeutet bei mir, ich bestreiche die Muttern mit Fett, setze alle Kugelkreise ein und drehe dann mit hilfe einer Hülse die Mutter auf die Spindel.
Dabei merkt man bei dem "Draufdrehen" dass es ab dem dritten Kugelkreis schwerer geht.
Im Prinzip sind das schon zwei verspannte Muttern gegeneinander. Allerdings stellt sich durch diese Konstellation ein Zweipunktkontakt ein.

Ich glaube solange die Kugeln je Kugelkreis keinen Vierpunktkontakt haben kann die Kugel bezüglich ihrer Anlagepunkte wandern.
Ich habe auch das Umkugeln versucht; die Triebe sind in sich viel steifer und das Umkehrspiel ist auch geringer geworden. Ich hatte schon größere Kugeln drin, dann ging ab dem dritten Kugelkreis (durch die interne Verspannung) der Trieb so schwer das ich wieder auf eine kleinere Kugel gegangen bin.

Es wird am Ende so sein das ich auf geschliffene Spindeln mit halbrunden Laufprofil gehen müsste wo von vornherein ein Vierpunktkontakt vorliegt, bzw. das Wandern der Kugeln unterbunden ist.

Es gibt Hersteller welche ihre Muttern so schlitzen, dass durch die Verstellung der Kugelkreis vereingt wird bis kein Umkehrspiel mehr vorhanden ist. Ich glaube man versucht dadurch den Vierpunktkontakt herzustellen.

Leider hat die Recherche ergeben das ich diese in meine Mutternhalter nicht unterbringen kann.


Gruß Stephan