Wissen: Alles über die 2,2KW Chinaspindel

Viel diskutiert und mindestens genau so oft eingesetzt, die 2,2KW Frässpindel mit ER20 Werkzeugspannung aus chinesischer Produktion, besser bekannt als die „Chinaspindel“. Neben den üblichen Oberfräsmotoren der Herstellers Kress und Suhner ist die HY80-24Z/2.2 vermutlich die am meisten eingesetzte Spindel bei Selbstbaumaschinen.

Aus gegebenem Anlass will ich hier kurz ein paar Informationen zusammen tragen. Immer öfters lesen wir in Foren oder Facebook Gruppen über gefährliches Halbwissen im Umgang mit der Spindel, vor allem wenn es um den Anschluss geht.

Die Informationen in diesem Artikel basieren auf eigenen Erfahrungen, technischen Grundlagen, Normen sowie Diskussionen mit sachkundigen Personen. Alle Angaben sind nach bestem Wissen und Gewissen zusammen gestellt.

Die Chinaspindel

Kommt vom chinesischen Hersteller Huanyang Electrical Co., Ltd und wird dort unter der Bezeichnung HY80-24Z/2.2 hergestellt. Diverse Hersteller und Händler vertreiben die Spindel ebenfalls in leicht abgewandelter Form, z.B. mit anderer Lagerkonfiguration.

Technische Daten

Außendurchmesser 80mm
Gewicht ca. 5Kg
Werkzeugaufnahme ER20-A(B) Spannzangen (max. 13mm)
Material Spindelgehäuse: AISI 304 Edelstahl (V2A) / Deckel: Aluminiumdruckguss
Kühlung Flüssigkeitsgekühlt
Abdichtung Ja / Einfaches Labyrinth
Sperrluft Nein
Drehzahl min/max. 6.000 - 24.000 U/min
Max. Drehmoment bei max. Drehzahl
Antrieb 3 Phasen Asynchronmotor
Max. Leistung 2.200W
Max. zul. Strom 10A
Max. zul. Spannung 220V AC
Frequenz min/max 100- 400Hz
Kühlkreislauf 2x 5/16 Zoll
Selbstschneidende Schlauchklemmen
Elektrisch GX16 4 Polig

Die Angaben müssen entsprechend des Typenschilds der Spindel vor Inbetriebnahme im Frequenzumrichter eingestellt werden. Missachtung dieser Reihenfolge kann zur Zerstörung von Spindel sowie Frequenzumrichter führen.

Anwendungsbereiche

Die Chinaspindel ist ein Schnellläufer (max. 24.000U/min). Erst bei ca. 6.000 U/min entwickelt sie ein nennenswertes Drehmoment. Dadurch ist sie für die Bearbeitung von Holz, Kunststoff sowie NE Metallen (auch härterem Aluminium) geeignet. Stahl kann sie aufgrund ihres niedrigen Drehmoments sowie der Gesamtkonstruktion nur bedingt verarbeiten.

Rundlaufgenauigkeit

Hier gibt es unterschiedliches Feedback. Einige Forennutzer mussten ihre Spindel zurück schicken bzw. den Spannzangenkonus bei einem externen Anbieter schleifen lassen. Bei unserem Exemplar war ein Rundlauffehler mit unseren Messgeräten (Fühlhebelmessgerät Auflösung 0,002mm) fast nicht mehr messbar. Details im eigenen Artikel hier.

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Sicherheit

Vorsicht bei Arbeiten an Anlagen oder Geräten mit Netzspannung. Ohne das nötige Fachwissen sind solche Arbeiten lebensgefährlich und sollten entsprechend nicht selbst durchgeführt werden.

Mechanisch ist die Chinaspindel für die meisten Hobbyanwender mehr als ausreichend aufgestellt. Leider wurde bei der Elektrik nicht ganz zu Ende gedacht…

  • Steckverbinder

    Der Stecker ist für max. 60V 5A zugelassen und muss zwingend getauscht werden. Vermutlich kommt dieser Verbinder aus der Funktechnik. Einen detaillierten Artikel mit Vorschlägen für den Austausch sowie einer Kurzanleitung gibt es hier.

  • Erdung

    Das Gehäuse der Spindel wird werksseitig nur über den Kabelschirm der Anschlussleitung geerdet. Das ist nicht normgerecht und obendrein sehr gefährlich. Gültige Normen sehen vor, dass alle berührbaren leitenden Bauteile an einem Gerät oder einer Anlage zwingend zu erden sind. Der Querschnitt des Erdleiters muss dabei mindestens dem der Phasen entsprechen, um einen möglicherweise auftretenden Fehlerstrom sicher abführen zu können. Details gibt es ebenfalls hier.

  • Fehlerstromschutzschalter (FI)

    Im Fehlerfall treten bei Frequenzumrichtern Gleichfehlerströme mit geringer Restwelligkeit oder hochfrequent pulsierende Fehlerströme auf, welche die regulär verbauten Fehlerstromschutzschalter (FI) nicht erkennen können.
    Nach VDE 0100-530 müssen hier allstromsensitive FI-Schutzschalter (Auch als FI-Schalter Typ B bekannt) verbaut werden, was jedoch Kosten von einigen hundert Euro mit sich bringt.

EMV

Für viele Hobbybauer ein Fremdwort. Zumindest bist zu dem Punkt an dem die Schrittmotorensteuerung Schritte verliert oder die Endschalter plötzlich mitten im Betrieb von selbst auslösen.
EMV steht für Elektromagnetische Verträglichkeit (auch als Funkentstörung bekannt). Da die Spindel in einem Frequenzbereich von 100 bis 400Hz arbeitet können bei unsachgemäßem Einbau empfindliche Störungen an der eigenen Maschine, dem Radioempfang oder anderen elektrischen Geräten auftreten.Im schlimmsten Fall steht irgendwann der Messwagen der Netzaufsicht vor dem Haus und es wird es teuer.

Um dies zu verhindern sind ein paar grundlegende Dinge zu beachten.

  • Schirmung

    Die Leitung vom Frequenzumrichter zur Spindel sollte möglichst kurz gehalten werden. Außerdem ist den Regeln entsprechend nur ein energieketten-taugliches und geschirmtes Kabel zu verwenden (z.B. Lapp Ölflex CY FD). Die Schirmung muss beidseitig erfolgen, d.h. der Kabelschirm muss am Frequenzumrichter sowie an der Spindel auf PE aufgelegt werden. An der Spindel erfolgt dies durch den Stecker, dessen Gehäuse auf PE kontaktiert ist. Auf Seiten des Schaltschranks gibt es hierzu von diversen Herstellern sogenannte Kabelschirmklemmen. Hier gilt: Unmittelbar nach Eintritt in den Schaltschrank sollte der Kabelschirm geerdet werden.

    Generell sollten Sensorleitungen und Leistungsleitungen niemals parallel verlegt werden. Sind unmittelbare Kreuzungen nicht zu vermeiden, sollten diese im 90 Grad Winkel zueinander erfolgen.

  • Netzfilter

    Meistens wir die Chinaspindel zusammen mit dem passenden Frequenzumrichter vertrieben. Dieser kommt in der Regel ebenfalls vom Hersteller Hyria. Leider wurde, wohl aus Kostengründen, auf einen Netzfilter verzichtet.

    Beim Betrieb von Frequenzumrichtern entstehen s.g. Oberschwingungen, dass sind Sinusschwingungen die um ein Vielfaches der Grundfrequenz (50Hz) groß sind und im Versorgungsnetz auftreten. Hierdurch können andere Geräte, z.B. die Maschinensteuerung, der Computer oder aber das Versorgungsnetz in unmittelbarer Nähe (Nachbarn) gestört werden.

    Abhilfe schafft ein Netzfilter. Schaltungen für diesen Zweck basieren meistens auf einer stromkompensierten Drossel, welche die Oberschwingungen innerhalb der Vorgaben des Netzbetreibers halten kann.

    Beim Einsatz von Netzfiltern kann es konstruktionsbedingt zu erhöhten Ableitströmen gegen PE kommen, welche ein Auslösen des Fehlerstromschutzschalters zur Folge haben. Das passiert jedoch meistens nur bei erreichen eines hohen Einschaltstroms (blockierte Spindel) und sollte von einem guten Frequenzumrichter durch die integrierte Motorschutzschaltung abgefangen werden.

  • Einbau des Frequenzumrichters

    Der Frequenzumrichter sollte nach Möglichkeit in einem metallischen Schaltschrank untergebracht werden. Somit ist er vor Spänen / Staub geschützt und kann andere Geräte in der näheren Umgebung nicht stören.
    Sollen Frequenzumrichter und Maschinensteuerung im gleichen Schaltschrank untergebracht werden, ist ein durchgehendes Abschirmblech, welches über die Montageplatte flächig geerdet wird,  ratsam.

Kühlung

Vom Hersteller Hyria gibt es keine Angaben zur Anforderung an den Kühlkreislauf.

Der Kühlkreislauf hat Kontakt mit Aluminium- sowie Kupferbauteilen. Um Korrosion zu vermeiden sollte der Kreislauf daher mit einer Mischung aus destilliertem Wasser und Aluminium-verträglichem Kühlerzusatz (Kühlerfrostschutz vom Auto) befüllt werden. Ein Ausgleichsbehälter ist ratsam um die Ausdehnung der Kühlflüssigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen zu gewährleisten.

Folgende Angaben sind aus dem Handbuch eines Deutschen Anbieters von Frässpindeln. Es liegt die Vermutung nahe, dass diese Firma die Chinaspindel importiert und dann veredelt (neue Lager, Justage, Vermessung, Änderung der Steckverbindung, etc.). Die Angaben lassen sich also sehr wahrscheinlich auch auf die anderen Chinaspindeln anwenden.

Kühlwassertemperatur Vorlauf min. 10 °C
Kühlwassertemperatur Vorlauf max. 30 °C
Max. Druck 2bar
Anschlüsse 2x 5/16 Zoll

Der Austausch der Anschlüsse auf Schnellkupplungen aus der Pneumatik ist aufgrund des 5/16 Zoll Anschlussgewindes nicht ganz einfach. Entsprechende Fittings auf metrische Gewinde sind ziemlich rar gesäht. Es existieren jedoch einige Berichte über die erfolgreiche Verwendung von M8x1 (Feingewinde!), was ziemlich nahe an die Originalgröße heran kommt.

Bei Temperaturen unter 15 °C wird empfohlen den Warmlauf zu verdoppeln. Details siehe „Betrieb“.

Hier ein Beispiel unseres Kühlsystems. Die Wühlkiste hielt noch div. Komponenten aus einer Computer Wasserkühlung bereit… (Hersteller: Aqua Computer).

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Spannzangen

Werden benötigt um Werkzeuge mit unterschiedlichem Schaftdurchmesser zentrisch in die Frässpindel einzuspannen. Dabei wird das Werkzeug auf der gesamten eingeführten Schaftlänge flächig gehalten.

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Für die Chinaspindel ist folgender Typ zu verwenden:

Bezeichnung ER20-A(B)
Typ 428 E
Normen DIN 6499 A   DIN 6499 B   ISO 15488-A
Außendurchmesser 21 mm

Die Spannzangen bestehen in der Regel aus Federstahl und werden je nach Qualität geschliffen und poliert (Rz <1,5µ)

Rundlaufgenauigkeit

Die Rundlaufgenauigkeit beschreibt, wie sauber eine Spannzange das Werkzeug in der Werkzeugspindel zentrisch einspannt. Das Endergebnis muss jedoch immer mit dem Konus der Frässpindel zusammen betrachtet werden, das sich Rundlauffehler addieren sowie subtrahieren können.

Folgen einer schlechten Rundlaufgenauigkeit sind Vibrationen, erhöhter Werkzeugverschleiß oder auch Werkzeugbruch, sowie eine schlechte Oberflächengüte am Werkstück.

Folgende Genauigkeitsklasse werden grundsätzlich unterschieden. Die Angaben sind für die Größen bis etwa 10mm gültig. Darüber hinaus gelten für Klasse II höhere Werte.

DIN 6499B Klasse 0 < 0.005mm / 5µ
DIN 6499B Klasse I < 0.01mm / 10µ
DIN 6499B Klasse II < 0.015mm / 15µ
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Darauf ist beim Kauf zu achten:
  • Der Händler sollte Angaben zur Genauigkeitsklasse machen
  • Die Spannzangen sollten vorne eine s.g. Abzugsnut haben. Diese wird in die Spindelmutter eingeklipst und sorgt beim Lösen dafür
  • dass die Spannzange zerstörungsfrei aus dem Konus gezogen wird.
  • Gute Spannzangen wurden poliert und weisen keinerlei scharfe Kanten oder Drehriefen auf.
  • Spannbereich

    Die meisten Spannzangen können bis zu -1mm Differenz zu ihrer Nenngröße überbrücken. D.h. eine 10mm Spannzange kann auch einen Fräser mit 9mm Schaft spannen. In die andere Richtung funktioniert das natürlich nicht. Hier sollten die Herstellerangaben beachtet werden um eine Zerstörung zu verhindern.
    Hilfreich ist das vor allem bei sehr kleinem Werzeug aus dem Ausland oder Graviersticheln welche oft in 1/8" (3 175mm) angeboten werden. Hier kann man also eine 4mm Spannzange verwenden.
    Je weiter die Spanzange jedoch zusammengedrückt wird desto schlechter ist ihr Rundlauf. Wird also viel mit 1/8" gearbeitet lohnt es sich eine entsprechende Spannzange dafür anzuschaffen.

    Frequenzumrichter

    Meistens wird die Chinaspindel im Set mit einem ebenfalls von Hyria hergestellten HY02D223B Frequenzumrichter angeboten. Das Gerät tut was es soll ist für den Preis in Ordnung aber auch nichts besonderes.

    Alternative Hitachi WJ200

    Mehr Komfort beim einrichten und Betrieb sowie eine sensorlose Vektorregelung bietet etwa das Modell WJ200 von Hitachi. Wir haben uns recht schnell zum Umstieg auf den Hitachi entschieden.
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    • Vektorregelung für erhöhtes Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich
    • Einstellung und Testbetrieb über komfortable USB Software
    • Sehr gute Diagnosefunktionen (ebenfalls via USB)
    • Ausführliche Betriebsanleitung mit Anschlussbeispielen auf Deutsch und Englisch
    • Achtung
      Hyria vertreibt ebenfalls ein Modell mit Vektorsteuerung (SL-222ES). Die Vektorsteuerung funktioniert jedoch nicht in Verbindung mit der Chinaspindel! [/alert-warning]
      Bei beiden Optionen ist darauf zu achten dass ein passender Netzfilter vorgeschaltet wird. Ebenfalls ist ein externer Bremswiderstand ratsam. So kommt die Spindel deutlich schneller zum Halt.

      Betrieb

      Start

      Wie alle Frässpindeln mag auch die Chinaspindel keine Kaltstarts. Sind die Lager nicht auf Betriebstemperatur können die veränderten Toleranzen zu erhöhtem Materialverschleiß führen. Außerdem kann eine kalte Spindel Einfluss auf die Oberflächenqualität des bearbeiteten Werkstücks haben.
      Es ist also ratsam die Spindel langsam auf Betriebstemperatur zu bringen. Unsere Startroutine sieht folgendermaßen aus:
      6.000 U/min 1 Minute
      12.000 U/min 1 Minute
      18.000 U/min 1 Minute
      24.000 U/min 1 Minute

      Den passende GCODE dazu gibt es hier:

      Reinigung

      Die Chinaspindel ist nur durch eine einfache Labyrinthdichtung gegen das Eindringen von Spänen und Staub geschützt. Sperrluft gibt es nicht. Es ist daher sehr wichtig, bei der Reinigung niemals mit der Ausblasspistole in die Unterseite der Spindel zu pusten. Dadurch setzt sich das Labyrinth zu und es wird Staub in die Lager der Spindel gedrückt.

      Stattdessen sollte Schmutz abgesaugt oder mit einem Tuch abgewischt werden.

      Automatischer Werkzeugwechsel

      Irgendwann kommt man an dem Punkt, wo das wechseln des Werkzeugs anfängt zu nerven. Komplexere Programme können da schnell 5 oder mehr Fräswerkzeuge benötigen. Zwar lässt sich der Wechsel im CAM durch Gruppierung der Operationen nach Werkzeugen etwas veringern, doch gerade wenn Programme unüberwacht längere Zeit laufen sollen muss eine automatische Werkzeugwechsel-Funktion her.

      Die Kosten einer „vollwertigen“ Spindel mit WZW sind für den Privatgebrauch nur wenig sinnvoll. Selbst die günstigste Variante aus chinesicher Produktion kostet mindestens 1.800 Euro (3Kw, ISO30).

      Aufsatzwechsler

      Alternativ gibt es auf dem Markt ein Aufsatz-Wechselsystem für die 2,2KW Spindel (sowie ein weiteres für die 1,5KW Spindel). Diese werden anstatt des Werkzeugs in der Chinaspindel eingespannt und somit angetrieben. Der Werkzeugwechsel erfolgt pneumatisch.

      Hersteller Bezeichnung Spannsystem Max. Werkzeugdurchmesser Preis
      Mechatron STC80 ISO10 ER16 bis 12mm ca. 900 Euro

      Vorsatzwechsler besitzen meistens nur eine sehr geringe Einzugskraft (Usovo z.B. 250N / 25Kg). In Verbindung mit dem recht kleinen Kegeldurchmesser muss das Spanvolumen entsprechend angepasst werden um ein ungewolltes Ausziehen der Werkzeugaufnahme aus der Spannung zu verbindern.

      Industrielle Systeme haben z.B. in SK30 ca. 5kN Einzugskraft.

      4 Comments

        • André
      1. Pingback: HSD Frässpindel SK30 – CNC #1 21. Dezember 2017
        • André

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