DIY SK30 Spindel

Fräsmotoren / HF-Spindeln, Frequenzumrichter
Rac
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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von Rac » 06.03.2018, 23:16

Nabend zusammen,

ich habe mir vor einiger Zeit auch mal Gedanken zum Konzept einer Werkzeugwechselspindel gemacht. Dabei hab ich mich stark von Alexoc inspirieren lassen, der auch ohne Härten und Wuchten der Welle eine durchaus gute Spindel hergestellt hat. Wenn ich mich recht erinnere hatte er etwa 2-3 kN Einzugskraft und Drehzahlen über 18k damit erreicht. Es lohnt sich definitiv mal seine Videos und den Thread dazu anzuschauen wenn ihr noch nicht habt: :dh

https://youtu.be/NhHAEFwQcCA
https://cncwerk.de/forum/viewtopic.php? ... lit=alexoc

So nunmal zu meinem Konstrukt:

Als Aufnahme habe ich mich für ISO30 entschieden, da ich keine Möglichkeit hätte die Nut zu fertigen, desweiteren würden Nutensteine nur unnötigen Aufwand für automatischen Werkzeugwechsel bedeuten. Die Festlagerung ist mit zwei 7008 Lagern in O-Anordnung und einem Loslager 7006 realisiert.
Die Einzugskraft würde bei 75% Vorspannung etwa 3,9 kN betragen wenn man mal die Reibung außer acht lässt. Das sollte wohl mehr als genug sein :D
Um den Aufwand fer Fertigung zu verringern sollen nur die Anzugsstange und die dazugehörige Hülse gehärte werden. Bei weiteren Fragen dazu einfach fragen, hier mal eine Schnittansicht zu dem ganzen:

WZW-Spindel.JPG

Gruß Chris

Edit: Die Konstruktion ist bei weitem noch nicht fertig, also nicht zu ernst nehmen :)

Michael B.
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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von Michael B. » 07.03.2018, 00:21

Hi Chris,
danke für deinen Input,
ja Alex Spindel war da schon relativ beeindruckend. Wobei ich sagen muss das ich den Kegel der Spindel auf jeden Fall härten würde. Es passiert selbst bei gehärteten Teilen, das sich Abdrücke bilden, doch bei ungehärteten passiert das noch viel schneller.

Bezüglich der Nutsteine gehen unsere Meinungen da deutlich auseinander. Ja sie sind ein Problem beim Automatischen Werkzeugwechsel. Aber auch dafür gibt es Lösungen.
Beispielsweise:
- AC Servo als Spindelantrieb
- Positioniervorrichtung die die Spindel immer an der selben Stelle anhält und blockiert. Ja das funktioniert, wurde in der CNC Ecke von Markus Müller und Thomas Zietz umgesetzt.

Viel Wichtiger sind die Nutsteine bei höheren Leistungen und bei Anwendungen von viel Drehmoment. Also genau das was ich eigentlich brauche.
Marco ist da wohl auf die selbe Problematik gestoßen. Bei einem Messerkopf kriegst du mal ganz schnell über 10Nm oder mehr zusammen, nur durch die Zustellungsänderung der Tiefe im 1mm Bereich. Eine normale Spindel steht da schon lange. Bei einer HF Spindel mit 10kW aufwärts wirst du da eher einen Durchrutschenden Werkzeugkegel haben.

Auch wenn du jetzt mit Reibwerten argumentierst, bedenke was am Werkzeug zum Kühlen und Schmieren eingesetzt wird. Und wie damit dein theoretischer Reibwert quasi eliminiert wird! Was ich damit sagen will, ist dein Kegel mit Öl oder Fett kontaminiert, was er prinzipiell sein sollte, damit kein Rost auftritt, dann hast du von deiner Reibung vielleicht noch 10-20% übrig. Ohne Nutsteine bist du damit in Alu oder Stahl massiv aufgeschmissen.

Ich werde bei meiner Spindel nun die Kühlung noch einbauen und dann will ich mal die Simulation durchführen.
Als Vergleichswert habe ich mal 270N/µm gefunden. Ich bin mal gespannt wo ich lande.

Gruß Michael

Edit: Ich rechne bei der Steifigkeitssimulation nochmals mit der Wärme drüber. Denn wenn ich eine Kühlung per Flüssigkeit einbauen will, dann ist das ein enormer Aufwand, wegen dem Spalt zwischen den beiden Platten. Wie gesagt ich rechne mal nach. Aber meine Schätzung beläuft sich auf max. 20W Wärmeentwickelung welche abgeleitet werden müssen in 8kg Alu / Stahl.

Rac
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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von Rac » 07.03.2018, 21:48

Michael B. hat geschrieben:
07.03.2018, 00:21
Hi Chris,
danke für deinen Input,
ja Alex Spindel war da schon relativ beeindruckend. Wobei ich sagen muss das ich den Kegel der Spindel auf jeden Fall härten würde. Es passiert selbst bei gehärteten Teilen, das sich Abdrücke bilden, doch bei ungehärteten passiert das noch viel schneller.
Hallo Michael,
das man die Spindeln für die Langlebigkeit härten sollte, gehe ich vollkommen mit dir mit, mein Konstrukt war auch eher für mein kleineres Budget gedacht und damit auch den Fertigungsaufwand möglichst zu verringern. Die reinen Materialkosten würden (wenn ich mich nicht verrechnet und was vergessen habe :D ) auch nur etwa 350 Euro betragen. Hier mal noch nen Auschnitt davon:

kostenberechnung wzw.JPG
Michael B. hat geschrieben:
07.03.2018, 00:21
Viel Wichtiger sind die Nutsteine bei höheren Leistungen und bei Anwendungen von viel Drehmoment. Also genau das was ich eigentlich brauche.
Marco ist da wohl auf die selbe Problematik gestoßen. Bei einem Messerkopf kriegst du mal ganz schnell über 10Nm oder mehr zusammen, nur durch die Zustellungsänderung der Tiefe im 1mm Bereich. Eine normale Spindel steht da schon lange. Bei einer HF Spindel mit 10kW aufwärts wirst du da eher einen Durchrutschenden Werkzeugkegel haben.

Auch wenn du jetzt mit Reibwerten argumentierst, bedenke was am Werkzeug zum Kühlen und Schmieren eingesetzt wird. Und wie damit dein theoretischer Reibwert quasi eliminiert wird! Was ich damit sagen will, ist dein Kegel mit Öl oder Fett kontaminiert, was er prinzipiell sein sollte, damit kein Rost auftritt, dann hast du von deiner Reibung vielleicht noch 10-20% übrig. Ohne Nutsteine bist du damit in Alu oder Stahl massiv aufgeschmissen.
Ja für höhere Drehmomente braucht man definitiv Nutensteine oder man nutzt wirklich sehr große Einzugskräfte. Ich hab mal kurz meine Spindel mittels einem sehr einfachen Online-Tools für Kegelpressverbindungen grob überschlagen. Mit 3 kN Einzugskraft ergibt sich ein übertragbares Drehmoment von ca. 19,2. Mit einem Sicherheitsfaktor für schlagartige Belastung von sagen wir mal 2,5 ergibt sich damit ein übertragbares Drehmoment von ca 7,7 Nm. Womit ich schonmal ziemlich weit kommen würde, damit könnte ich schon fast eine 7,5 kW Hf-Spindel nutzen (für mich natürlich ziemlich überdimensioniert). Das ganze müsste man jedoch mal genauer rechnen, aber das vielleicht ein andern mal :D

Laut Tabellenheft sinkt übrigens die Haftreibung von Stahl/Stahl geschmiert gar nicht so stark ab (0,15 - 0,3 trocken, 0,1 - 0,12 geschmiert), dafür sinkt aber auch durchs Härten des Werkstoffes der Reibungskoeffizient (0,08 - 0,12 Stahl gehärtet - Stahl gehärtet Rz = 4-8 μm). Wenn es jedoch einmal geschmiert durchrutscht, dann rutscht es :D
Michael B. hat geschrieben:
07.03.2018, 00:21

Ich werde bei meiner Spindel nun die Kühlung noch einbauen und dann will ich mal die Simulation durchführen.
Als Vergleichswert habe ich mal 270N/µm gefunden. Ich bin mal gespannt wo ich lande.
An sich klingt ja der Wert schon mal sehr gut, eine halbwegs genaue Simulation finde ich jedoch sehr schwierig hinzubekommen, eher eine Abschätzung. Ich wüsste auf Anhieb nicht wie ich die verschiedenen Vorspannungen in den Lagern und damit ihre verbundene Steifigkeit simulieren sollte. Ist aber auch schon ein paar Semester her das wir Ansys und Simulationen hatten :D

Grüße Chris

Michael B.
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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von Michael B. » 08.03.2018, 00:12

Hi,
ja die Kostenaufstellung muss ich noch machen, wobei ich mir sicher bin das ich höher liegen werde.

So die vorläufigen Simulationsergebnisse sind da:

Simuliert wurde ohne Welle, da es mir mit die Simulation zerschossen hat. Ich werde es die Tage nochmal versuchen, kann aber nix garantieren.
Steifigkeit des vorderen und hinteren Lagersitzes wurde simuliert.
Kraft 1kN
Verschiebung in X: 1,37µm
Verschiebung in Y: 0,77µm
Verschiebung in Z: 1,0µm

Interpretation:
Da die Welle nicht mitsimuliert wurde, kann man davon ausgehen, das wir hier nochmal deutlich höhere Werte sehen werden. Ich denke schlussendlich kommen ich auf 200N/µm mehr kann ich mir nicht vorstellen. Dennoch sind die Werte sehr gut.

Eigenfrequenzen:
Mit den obigen Kraftwerten habe ich die Eigenfrequenzen versucht zu simulieren.
Bei 5 Amplituden ergab es folgende Werte:
1. 848,34Hz
2. 1406Hz
3. 1790Hz
4. 1918Hz
5. 2386Hz

Interpretation:
Ebenfalls ohne Welle, damit würde die Frequenz vermutlich noch etwas höher gehen, aber grob kann man das hier annehmen.
Die tiefste Amplitude ist schlecht, da ich bei 12kUpm und einem 4 Schneider ca 800Hz erreichen kann. Da würde eventuell eine andere Masse oder Geometrie besser sein. Bis 10kUpm ist die Spindel so also ganz ok. Wir sind nicht im Resonanzbereich. Das ist schonmal gut.

Die Kühlung habe ich im vorderen Lagersitz integriert. Das macht aber eine Gummiflachdichtung erforderlich, sodass die Kühlung nicht Wasser verliert.

Ich denke alles in Allem ist das für einen ersten Entwurf ganz gut gelungen.
Leider musste ich während den Simulationen feststellen, das die Lagerschilde und die Flanschplatte besser aus C45 sein sollten. Die Verkleidung der Welle kann aus Aluminium sein, das hat kaum Relevanz. Die Welle muss aus einem Chromstahl werden.
Damit ist die Spindel bei 32kg gelandet.

Zur weiteren Konstruktion:
Ich habe hier ja noch einen 4,2kW AC Servomotor liegen, laut Sourcetronic kann man solche Motoren auch mit ihren FUs betreibten. Da der Servoregler hin ist davon (Nicht von China, war aus einer alten CNC Drehe ausgeschlachtet) habe ich mir jetzt mal einen passenden FU bestellt.
Sourcetronic ST9100A 400V 5,5kW mit passendem Bremswiderstand.

Dann werde ich den Servo die Tage mal anschließen und testen, elektrisch habe ich ihn im Labor bei uns in der Firma schon getestet. Soweit ist noch alles in Ordnung. Laut Datenblatt sollen mit dem Servo 5000Upm möglich sein. Daher währen theoretisch mit einer 1:2 Übersetzung 10.000Upm drin als max. Drehzahl der Spindel. Aber mal abwarten was der Motor technisch sagt, und von der Geräuschkulisse, den neben mehr Leistung und Drehzahl soll die Spindel vor allem leiser werden. Das Geklapper vom Getriebe muss echt weg, es nervt einfach nur noch.

Das Material für die Spindel werde ich im Laufe der nächsten Tage bestellen. Kommt auf die Simulation der Resonanzfrequenzen an.

Gruß Michael

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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von strackfi » 08.03.2018, 06:05

Guten Morgen ,
Das wird ja mal ein richtig geiles Teil.
Hast du schonmal grob kalkuliert was das Material kosten wird ?
Mach weiter so ich bin sehr gespannt auf das Ergebnis
Gruß Finn

Michael B.
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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von Michael B. » 08.03.2018, 07:54

Hi,
Grobe Materialkosten sollten sich auf 600€ belaufen.
Ich habs eben mal schnell durchgerechnet bei Fixmetall.

Alles weiter muss ich dann sehen.

Gruß Michael

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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von strackfi » 08.03.2018, 12:55

Das ist ja recht günstig im Vergleich zu ner JGL.
Hast du auch Nutensteine für die Kraftübertragung im SK30-Konus vorgesehen ?
Meiner Meinung nach kann man die Bohrungen dafür ja machen und wenn man mal richtig Drehmoment übertragen will kann man die
einsetzen und wenn nicht kann man sie ja auch rauslassen.
Der automatische Werkzeugwechsel ist ja bei großen Messerköpfen nicht so wichtig.
Gruß Finn

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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von Alex_s » 08.03.2018, 14:24

strackfi hat geschrieben:
08.03.2018, 12:55
Das ist ja recht günstig im Vergleich zu ner JGL.
Hast du auch Nutensteine für die Kraftübertragung im SK30-Konus vorgesehen ?
Meiner Meinung nach kann man die Bohrungen dafür ja machen und wenn man mal richtig Drehmoment übertragen will kann man die
einsetzen und wenn nicht kann man sie ja auch rauslassen.
Der automatische Werkzeugwechsel ist ja bei großen Messerköpfen nicht so wichtig.
Gruß Finn
da kommt ja noch der Servomotor / Treiber dazu sowie Arbeit :)

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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von strackfi » 08.03.2018, 15:18

Alex_s hat geschrieben:
08.03.2018, 14:24
strackfi hat geschrieben:
08.03.2018, 12:55
Das ist ja recht günstig im Vergleich zu ner JGL.
Hast du auch Nutensteine für die Kraftübertragung im SK30-Konus vorgesehen ?
Meiner Meinung nach kann man die Bohrungen dafür ja machen und wenn man mal richtig Drehmoment übertragen will kann man die
einsetzen und wenn nicht kann man sie ja auch rauslassen.
Der automatische Werkzeugwechsel ist ja bei großen Messerköpfen nicht so wichtig.
Gruß Finn
da kommt ja noch der Servomotor / Treiber dazu sowie Arbeit :)
Das muss man ja nicht sofort kaufen man kann ja mal vorerst ne vorhandene 2.2kW Chinaspindel verwenden :D

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Re: DIY SK30 Spindel

Beitrag von Michael B. » 08.03.2018, 15:56

Hi,
Also Arbeit gibts genug dran, das war der reine Materialpreis.

Ich habe Nutsteine aus 16MnCr5 vorgesehen die angefast wurden um den Werkzeugwechsel zu erleichtern.

Als Motoren kann hier alles angebaut werden was ein Riemenrad aufnehmen kann. In meinem Fall wie gesagt ein Servomotor für den Anfang.

Ich werde sobald sie fertig ist diverse Tests machen auch bezüglich der Steifigkeit sofern ich was messen kann. Und auch Temperaturkontrolle.

Gruß Michael

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