Aus gegebenem Anlass will ich hier kurz ein paar Informationen zusammen tragen. Häufig wird in Foren oder Facebook Gruppen teils gefährliches Halbwissen im Umgang mit der Spindel geteilt, 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

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.

Sicherheit

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

• Steckverbinder

  Der werkseitig verbaute 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 ableiten zu können. Details gibt es ebenfalls hier.

• Fehlerstromschutzschalter (FI/RCD)

  Im Fehlerfall können bei Frequenzumrichtern Gleichfehlerströme mit geringer Restwelligkeit oder hochfrequent pulsierende Fehlerströme auftreten, welche die regulär in einer Hausinstallation verbauten Fehlerstromschutzschalter (FI Typ A) nicht erkennen. Ebenfalls können die möglichen Gleichstromanteile im Fehlerstrom zu einer Sättigung der im FI eingebauten Spule führen und diesen auch für Wechselströme deutlich unempfindlicher machen.
  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 auf Seiten des Frequenzumrichters sowie an der Spindel auf PE (Masse) 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.

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).

Spannzangen

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

Für die Chinaspindel ist folgender Typ zu verwenden:

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

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.

• 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

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.

Anschluss

Kabel

Beim Kabel gibt es vom Hersteller keine Vorgaben. Nachdem der obligatorische (!) Austausch des Steckers vollzogen wurde stehen einem alle Optionen offen.

In der Vergangenheit haben wir immer wieder Fragen erhalten, welches Baumarktkabel sich zum Anschluss der Spindel eignen würde. So etwas passiert meistens Samstags, der Postbote hat die bestellte Chinaspindel geliefert und man will möglichst schnell starten…

Das “falsche Kabel” ist hier jedoch in mehrerlei Hinsicht eine schlechte Idee.

• Das Spindelkabel wird in den Schleppketten der Maschine einem Biegeradius von 7-20 x seinem Durchmesser ausgesetzt. Auf Dauer führt das bei ungeeigneten Kabeln zum Bruch von Adern. Resultat: Zerstörung der Spindel, des Frequenzumrichters, der Maschinensteuerung und/oder Gefahr für das eigene Leben.
• Spindelkabel müssen geschirmt sein. Bei Frequenzen bis zu 400 Hz treten sonst an Radios oder auch an der Maschinensteuerung Störungen auf

Auslegung
Bei den zu maximal zu erwartenden 2,2 kW verteilt auf zwei Phasen (Damit ist nicht Drehstrom gemeint, sondern die Anazl der Wicklungen/Phasen der Spindel) ist ein Querschnitt von 1,0 mm2 für die üblichen Bedingungen an einer Eigenbaumaschine ausreichend.

Wir haben gleich 2,5 mm2 verlegt um für eine spätere Umrüstung auf eine stärkere Spindel gerüstet zu sein, was dann auch recht zeitnah eingetreten ist. So konnten wir ohne Probleme eine 6 kW Spindel einbauen und mussten kein neues Kabel verlegen.

Kabelwahl
Folgende Anforderungen müssen erfüllt sein:

• Schleppkettentauglich (!)
• Geschirmt
• > 1,0 mm2

Damit ergeben sich folgende Optionen auf dem Markt. Kostenpunkt zwischen 1,6 und 2,30 Euro / m inkl. MWSt.

• LAPP 0026221 Schleppkettenleitung ÖLFLEX® FD CLASSIC 810 CY 4 G
• Igus Chainflex® Steuerleitung CF140.UL (4G1.0)

G steht dabei für “Grün”, also sind 3 Adern nummeriert und eine Ader Gelb/Grün als Schutzleiter vorgesehen. Das passt perfekt zur Chinaspindel.

Am einfachsten sollten die LAPP Kabel zu bekommen sein. Neben Voelkner (Günstigerer Meterpreis als Conrad) gibt es die Kabel oft auch bei eBay oder Händlern wie Elektrotools.de günstig als Meterware.

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:

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.

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.