Was bisher geschah

• Teil 1 – Start des Umbaus, mit CAD Modellen
• Teil 2 – mit den Aluteilen von André aus der Nähe von Bremen
• Teil 2 1/2 – Herstellung der Spindelhalter
• Teil 3 – Zwischenstand und Herstellung der Lagerblöcke
• Teil 4 – Herstellung der Drehteile

Das Bauteil

… stammt wie immer aus der Feder aus dem CAD von Fabian und wird später die Kugelumlaufspindeln an der Frontseite der Maschine halten. Da wir die X-Achse beidseitig antreiben muss auch das Bauteil zweimal hergestellt werden, allerdings gespiegelt.

Die Bearbeitung in der Zusammenfassung

• 3 x 9 mm Durchgangsbohrungen mit Flachsenkung
• 3 x 5 mm Durchgangsbohrungen
• 1 x 8,5 mm Durchgangsbohrung mit Flachsenkung und M10 Gewinde
• Eine Passung 20 mm H7
• Einen Sägeschnitt für die Klemmung der Spindel
• Ein Absatz zur Ausrichtung an der Maschine
• 4 Radien an den Kanten

Für einen geübten Zerspaner ist das sicherlich nicht all zu wild, doch für mich als „berufsfremden“ ein kleines Abenteuer. Schließlich soll nachher alles zusammen passen.

Die Bearbeitung

Wie bei fast allen Werkstücken startet die Bearbeitung an der Bandsäge. Ich hatte Glück und die Maschine hat sich benommen – an anderen Tagen spuckt sie öfters mal das Sägeblatt aus, weswegen mittlerweile kein Rückblech mehr montiert ist. Wir vermuten, dass es an der Lagerung der Lauf- oder Führungsrollen liegt.

Vorbereitung Material

Weiter geht’s mit dem Messerkopf. Seite für Seite wird das Werkstück auf Endmaß gebracht. Irgendwie ist mir dieses Werkzeug besonders ans Herz gewachsen…

Auch die Grundform des Bauteils wird mit der Bandsäge hergestellt. Sägen ist hier der effektivste Weg und dank automatischer Absenkung hat man nebenbei noch Zeit für andere Dinge.

Kontur und Absatz werden mit einem 20 mm Dreischneider hergestellt.

Schlitz fräsen

Spannung! Einen Scheibenfräser habe ich zu Anfang meiner „Zerspanerkarriere“ aus Unachtsamkeit schon klein bekommen… Diesmal ist dank Tabellenbuch alles gut gegangen.

Passung reiben

Zur Herstellung der der Passungen mit Durchmesser 20 mm und Toleranz H7 musste erstmal „Spezialwerkzeug“ her. Das Tabellenbuch schmeißt als Aufmaß bei diesem Druchmesser in Aluminium 0,3 bis 0,4 mm aus. Der 18er Bohrer ist also zu klein und der 20er zu groß. Etwas dazwischen haben wir nicht… Da wir ohnehin nicht wirklich zufrieden mit unserem billigen MK-Spiralbohrerset von eBay waren musste der 20er am Schleifblock ein paar Zehntel einbüßen.

Zwischendurch kurze „Anprobe“. Die Spindel geht saugend in die geriebene Passung. Hier auf dem Foto auch bereits gut zu erkennen: Der mit dem Viertelkreisfräser hergestellte Radius. Irgendwie habe ich es versäumt davon Fotos zu machen.

Das Ergebnis

Fertig! Im Vergleich zum CAD Modell habe ich einige kleinere Details, wie etwa Radien, rationalisiert.

Die Oberfläche wurde zum Schluss noch mit dem Exzenterschleifer und 320er Schleifpapier bearbeitet. Was auf den Fotos wie ein Fehler im Schliff wirkt sind in Wirklichkeit nur fettige Fingerabdrücke.

Zum Abschluss noch ein paar kleine Nacharbeiten an den Teilen die Fabian letzten Sonntag gedreht hat. Ich hatte den einfacheren Part – ein paar Löcher bohren und Gewinde schneiden.

So geht es weiter

Alle Teile sind fertig und bereit zum Einbau! Hier die erste lose Passprobe.

Seit kurzem haben wir uns angewöhnt jedes Projekt in eine eigene Eurobox zu packen. Das spart uns viel Sucherei und lässt sich dank genormten Größen in unterschiedlichen Maßen sehr platzsparend übereinander ins Regal verfrachten.

Zur Erinnerung: Bevor wir die Drehteile für den Umbau herstellen konnten musste zunächst einmal unsere (damals) neu erworbene Cazeneuve HBX 360 Drehmaschine hergerichtet werden.

Was bisher geschah…

• Teil 1 – Start des Umbaus, mit CAD Modellen
• Teil 2 – mit den Aluteilen von André aus der Nähe von Bremen
• Teil 2 1/2 – Herstellung der Spindelhalter
• Teil 3 – Zwischenstand und Herstellung der Lagerblöcke

Vorbereitung

Bevor das Werkstattwochenende beginnen konnte mussten erst die Arbeiten an der Unterverteilung der Werkstatt abgeschlossen werden. Bis dato gab es nur eine einzige 16 A CEE Dose und wir hatten vor parallel zu arbeiten.

Insgesamt gibt es künftig 7 16A CEE Dosen und 1 32 A CEE Dose verteilt auf 5 unabhängige Stromkreise. Mehr passte nicht in den Unterputz-Verteilerkasten…

Näheres zur Strom- und Medienversorgung in Kürze in einem separaten Artikel. Dann tauschen wir auch den RCD noch gegen ein anderes Modell aus.

Lagerblock

André hat den zweiten Lagerblock nochmal neu machen dürfen gemacht. Einmal beim Ausspindeln kurz nicht aufgepasst und die Passung war hinüber. Der Vorschlag das Lager mit Lehrenband zu zentrieren wurde abgelehnt… Und so musste nochmal neues Material her, was gar nicht so einfach ist. Nur wenige Onlinehändler bieten 100 x 100 mm Zuschnitt an.

Nach der Bearbeitung wurden die blanken Teile aus Automatenstahl noch kaltbrüniert und anschließend geölt. Leider ist das Oberflächenfinish etwas fleckig geworden – allerdings nur auf den bearbeiteten Flächen. Dabei wurden alle Flächen gleichermaßen gründlich mit reichlich Aceton entfettet.

Hier die Teile vor der Brünierung. Die Stirnseiten wurden überfräst, die anderen Seiten nur leicht mit dem Bandschleifer bearbeitet.

Drehteile

Zeitgleich entstanden auf der Cazeneuve die noch benötigten Drehteile.

Beim Werkzeugwechsel hat sich dann gezeigt, dass beim Zusammenbau des Reitstocks ein paar Schrauben vergessen wurden und sich das Werkzeug nicht austreiben ließ…

Damit das Bauteil auch bei der Bearbeitung der zweiten Seite exakt gespannt werden kann wurden weiche Backen eingesetzt. Diese werden mit einem leicht geringerem Durchmesser vorgespannt und dann mit der Bohrstange ausgedreht.

Das Ergebnis: Eine saubere Oberfläche und absolute Maßhaltigkeit.

Die Cazeneuve hat sich bei den ersten „richtigen“ Drehteilen von ihrer besten Seite gezeigt.

Nicht so zufrieden waren wir mit der Gewindeschneidfunktion. Diese rastet nicht immer sauber ein oder überspringt einen Gang. Besonders ärgerlich, wenn das Verhalten bei einem der letzten Durchgänge auftritt… Hier müssen wir unbedingt nochmal nacharbeiten.

Übersicht

Links das CAD Modell, rechts das fertige Bauteil. Die Bauteile wirken im Modell sowie auf dem Foto recht unscheinbar, sind jedoch ganz schön mächtig.

Somit hätten wir alles für den Umbau zusammen! Hier nochmal alle Komponenten im Überblick. Von links nach rechts:

• Riemengehäuse mit Motorträger und Motor.
• Deckel für Riemengehäuse
• Lagerblock mit Lagern und Montageadapter
• Hülse mit aufgesetztem Riemenrad
• Einzelne Hülse mit Hutmutter, Lager und Zahnriemenrad

So geht es weiter

Jetzt fehlen nur noch zwei recht simple Bauteile zur Befestigung der Kugelgewindespindeln an der Maschine. Das Material liegt bereit, bald können wir mit dem Einbau der Komponenten beginnen.

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Hintergrund

Aufgrund der Größe der Maschine (>2.000mm Verfahrweg auf der X Achse), hatten wir uns am Anfang des Projekts für einen Zahnstangenantrieb entschieden.

Mit steigendem Gewicht des verfahrenden Portals hatten wir jedoch mit Positionierungsproblemen und Vibrationen zu Kämpfen. Der Antriebsstrang erweist sich wegen seiner durch Riemen erreichte Vorspannung als zu elastisch und kann die auftretenden Kräfte bei aggressiveren Schnitten in z.B. Aluminium nicht hinreichend aufnehmen.

Unsere Komponenten kommen dabei leider nicht an die in der Industrie bei sehr großen CNC Maschinen eingesetzten Zahnstangenantriebe ran. Diese sind hochpräzise geschliffen, schrägverzahnt und werden elektronisch über einen weiteren Motor vorgespannt, sowie durch ein Absolutwegmesssystem dynamisch nachgeregelt.

Abhilfe schafft in unserem Fall der beidseitige Antrieb mit Kugelgewindetrieben, welche wir in Kürze nachrüsten werden. Der vorhandene Zahnstangenantrieb wird dann eventuell später in einem anderen Projekt Platz finden (z.B. CNC Plasmaschneider… An dieser Stelle bald vielleicht ein neues Projekt ;-)).

Wegen der hohen Nachfrage in unserer Umfrage nach mehr Detailberichten und Bildern, werden wir dieses Thema ein wenig detaillierter dokumentieren.

Angetriebene Muttern

Bei unseren Y- und Z-Achsen (sowie bei den meisten kleineren CNC Maschinen auf sämtliche Achsen) wird die Kugelumlaufspindel selbst angetrieben. Aufgrund des großen Verfahrweges der X-Achse macht es bei uns jedoch mehr Sinn stattdessen die Mutter anzutreiben. Somit kann der Durchmesser der Spindeln reduziert werden, was wiederum die Kosten senkt und für eine höhere maximale Verfahrgeschwindigkeit sorgt.

Komponenten

• 2×2.300mm Kugelumlaufspindeln 25 oder 32mm, Steigung 10mm/U) mit beidseitigen Gewinden zum Vorspannen.
• 4 Schrägkugellager
• Satz HTD Riemenantriebe
• Div. Fräs- und Drehteile aus Aluminium
• Eine Hand voll M5 Zylinderkopfschrauben  in div. Längen

Fertige Einheiten gibt es sowohl bei den meisten Herstellern von Kugelgewindetrieben (Sehr teuer, da zumeist ZKLF Axial Schrägkugellager verbaut sind) oder von Drittanbietern (Um die 500 bis 600 Euro je Einheit). Fabian hat sich für eine Eigenentwicklung entschieden, hier sein Modell:

Aufbau v.L.n.R.

• Grau: Riemenrad Profil HTD
• Blau: Hülse, welche die KUS Mutter trägt.
• Braun: Gehäuse aus Aluminium
• Grau: 2 Schrägkugellager Typ 7010 2RS
• Gelb: Nutmutter (feststellbar) zum Vorspannen der Lager
• Hellgrau: Runde Kugelumlaufmutter (HiWin SES)
• Grau: Gehäuse zum Schutz der Lager. Hier wird eventuell noch ein äußerer Abstreifer angebracht.

Damit der Antriebsriemen gespannt werden kann, wird der Motor auf einem Schlitten montiert (Weiß). Durch das seitlich angebrachte Loch lässt sich die Vorspannung mittels einer Imbusschraube einstellen.

Ansicht von vorne, mit abgenommenem Decke. Der ganze Riemenantrieb läuft geschützt in einem Aluminiumgehäuse.

Im Querschnitt mit Spindel wird die Einheit dann folgendermaßen aussehen (ohne Deckel vorne/hinten).

Update 30.09.2016

Fabian hat das Modell noch einmal überarbeitet, größen-optimiert und ihm den letzten Schliff verliehen. Unter anderem sind nun alle maßgeblichen Größen parametrisiert, so dass eine Anpassung auf andere Kugelumlaufspindel Größen problemlos möglich ist.

Schnittmodell mit geschlossenem Deckel (Grün) und angebautem Hybridservo Baugröße NEMA34 (Dunkelgrau). Abbildung ohne Spindelmutter.

Montiert an der Maschine trägt der neue Antrieb nicht mehr als die bisherige Lösung mit Zahnstangen auf. Es sind keine größeren Veränderungen nötig. Vergleich: Links mit Kugelumlauftrieb, Rechts mit bisherigem Zahnstangenantrieb.

Hier noch einmal eine aktuelle Übersicht der ganzen Maschine, frisch aus Fabian’s CAD Schmiede. Die neue Frässpindel mit Werkzeugwechselfunktion sowie die automatische Werkstückantastung sind bereits mit an Bord.

Update 02.10.2016

Hier noch einige Details zur Klemmung der Spindel.

Beim traditionellen Betrieb, d.h. Antrieb der Spindel, wird diese zwischen einer fest- und einer Loslagerseite befestigt. Bei einer angetriebenen Mutter wird die Spindel hingegen eingeklemmt. Da bei dieser Länge jedoch mit thermischer Ausdehnung zu rechnen ist, wird nur eine Seite fest geklemmt, auf der anderen Seite sorgt eine Tellerfeder für eine gleichbleibende Vorspannung.

Durch Drehung des Antriebsmoduls um 90 Grad konnte die vordere Spindelposition um fast 20mm nach oben verlagert werden. Somit ergibt sich ein kleinerer Hebel bei der Konstruktion der Klemmung.

Hintere Klemmung von hinten, aus 25mm Aluminium
Hellgrau: Tellerfeder mit Mutter, über welche die Vorspannung des Systems eingestellt.

Hintere Klemmung von vorne
Pink: In X Richtung beweglicher Bolzen zur Aufnahme des Drehmoments der Spindel.

Unterstützung

Bei X max. und X min. hängen jeweils mehr als 80 Prozent der Spindel ohne Unterstütztung frei in der Luft. Hierdurch wirken große Kräfte auf die angetriebene Mutter sowie den Spannblock. Um diese Durchbiegung zu verhindern werden in der Industrie mitlaufende Unterstützungen eingesetzt.

Fabian hat berechnet, dass die 25mm Spindel im Extremfall sowie ohne Vorspannung ca. 3,5mm durchhängen wird. Da wir jedoch planen die Spindel über Tellerfedern mit einigen hundert Newton Vorspannung einzubauen, sollte sich dieser Wert drastisch verbessern. Auch eine technisch aufwendige Unterstützung wollen wir erst mal verzichten.

Nächster Schritt

In den kommenden Wochen werden die Teile geordert. Fräs und Drehteile gehen in externe Fertigung, da uns aktuell die nötigen Maschinen fehlen.

Update 10.10.2016

Die Bestellung für die Kugelumlaufspindeln ist raus. Wir haben uns aufgrund der positiven Erfahrung mit den No-Name Spindeln aus China wieder für den gleichen Lieferanten entschieden.

Diese Spindeln werden gerollt, gehärtet und dann poliert.  Das reicht für Qualitätsstufe C7, was eine mittlere Wegabweichung von 52 µm/300 mm Verfahrweg bedeutet. Für die meisten Anwendungen im Hobbybereich ist das ausreichend, da alleine thermische Veränderungen bei unseren großen Verfahrwegen für einiges an Abweichung sorgen können. Ohne entsprechend genau Wegmeßsysteme mit Anbindung an die Steuerung lässt sich so etwas nur schwer kompensieren.
Nach dem Einbau werden wir die Spindeln vermessen und ein nicht-lineares Korrekturprofil in der Steuerung anlegen.

Auch bei den zu fertigenden Teilen hat sich wieder etwas bewegt. Fabian hat aus dem CAD Modell für jedes Bauteil eine Zeichnung abgeleitet und so kann auch schon bald die Fertigung beginnen.