SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Fräsmotoren / HF-Spindeln, Frequenzumrichter
django013
Beiträge: 1706
Registriert: 18.01.2016, 17:12

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von django013 » 10.11.2018, 15:06

Davon mal abgesehen würde ich die von Dir genannte Spindel nicht als Referenz anführen. Von dieser Spindel habe ich dieser Tage noch ein Angebot von ca. 600USD gesehen
Yo, wenn man im Angebot etwas nach unten blättert, sieht man, dass es unterschiedliche Varianten mit unterschiedlichen Lagerqualitäten gibt.
Davon abgesehen kann ich Dir allein anhand der Bilder mindestens drei grobe Konstruktionsfehler dieser Spindel nennen.
Dann mach doch mal. Vielleicht kann ich was bei lernen?
Ich kenn den Alex und er hat seine Sache gut gemacht. Er hat mit seiner Spindel allerdings ein ganz anderes Ziel verfolgt als es diese Spindel tut.
Er hat seine Sache nicht nur gut gemacht. Für mich war es die beste Wechslerspindel von der ich bislang gelesen habe - und ich habe schon von so einigen gelesen. In der Ecke gibt es auch div. Bauberichte von Wechselspindeln.
Welche (anderen?) Ziele kann es geben?
Da Alex allerdings auf höhere Drehzahlen setzt, die nicht mehr in den Betriebsbereich von Zahnriemen fallen, sind in seinem Fall Reibschluss-Riemen die bessere Wahl.
Letztens las ich in der Zerspanungsbude von einem Wechslervorsatz, bei dem pneumatisch die Geschwindigkeit umgeschaltet wurde. Der hatte die gleichen Riemen wie Alex eingesetzt. Kann also so verkehrt nicht sein.

Gruß Reinhard

M.E.
Beiträge: 15
Registriert: 08.11.2018, 22:51

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von M.E. » 10.11.2018, 17:29

django013 hat geschrieben:
10.11.2018, 15:06
Dann mach doch mal. Vielleicht kann ich was bei lernen?
Gerne!
Hier mal die offensichtlichen Sachen, die man anhand der Bilder relativ leicht erkennen kann.
Eine Baugruppenzeichnung dazu würde sicherlich noch mehr zu Tage tragen.

• Die Lager an sich sind nicht abgedichtet, das heißt, dass das Schmiermittel raus und Dreck reinkommen kann. In der Spindel ist aber weder eine Schmiermittelzu-, noch eine -abfuhr integriert. Von einer langen Lagerlaufzeit ist also nicht auszugehen.

• Es scheint, dass die Spannzangen mit O-Ringen zusammengehalten werden. Ist nur eine Frage der Zeit bis die reißen. Selbst wenn es normale Gummis seien, sind hier Wurmfedern angebracht.

• Bei Antriebswellen setzt man eigentlich auf Einsatzstahl, damit man die Randschichten der Wellenoberfläche einhärten kann, aber der Kern weich bleibt. Dadurch ist die Welle außen sehr widerstandsfähig und verschleißfest, hat aber durch den weichen Kern eine erheblich bessere Biege- und Wechsellastfähigkeit sowie Dauerfestigkeit.
Deswegen ist vergüteter (= Härten + Anlassen) Kohlenstoffstahl bei Antriebsteilen eigentlich ein No-Go.
Anhand des Wellenschnittes sieht man aber sofort, dass die Welle auf keinen Fall einsatzgehärtet sind, wahrscheinlich nicht mal gehärtet. Weder im Kegel, noch den Lagersitzen, noch im Spannbereich.

• Unter der sehr wohlwollenden Voraussetzung, dass sie die Lager korrekt festgelegt haben (wovon erfahrungsgemäß nicht immer auszugehen ist), wurde eine angestellte X-Anordnung gewählt. Sollte es doch eine Fest-Los-Lagerung sein, wäre auf Basis der Bilder die Lagerfestlegung falsch (Anschläge und Passscheiben zum Einstellen der Lager fehlen). Darüber hinaus sollten für die Loslagersitze geschliffen sein, sonst kann das Lager klemmen. Das scheint nicht der Fall zu sein.
Aber zurück zur X-Anordnung.
Die ist an dieser Stelle völlig fehl am Platz, da sowohl die Kräfte durch die Verspannung am Riemen, als auch die am Fräser angreifenden Kräfte außerhalb der Lagerung angreifen. Dafür wählt man eine O-Anordnung.

• Außerdem sind die Lagerabstände viel zu gering, die scheinen geringer zu sein als die Höhe der Lagerpaare. Das führt vor allem bei angestellten Lagerungen im Betrieb zu Verpannungen, unerwünschten Biegungen der Welle und allgemein zu hohen Lagerbelastungen.

• Was sich nicht mit Sicherheit sagen lässt, was das für Wellenmuttern sind. Sie haben radiale Gewindestifte, die Frage ist nun, ob diese Gewindestifte das Muttergewinde zerstören oder nicht. Falls dem so ist, wäre das natürlich schlecht.
Bei normalen Anwendungen setzt man bei der axialen Festlegung von Zahnrädern, Zahnrädern, etc. meistens auf eine Wellenmutter mit Sicherungsblech. Die sind bei Werkzeugwechselspindeln aber ungeeignet, da das einerseits Unwucht in die Spindel einbringt, und andererseits die Lagerringe zur Wellenachse hin verkippen kann. Deswegen setzt man da Wellenmuttern mit geschliffenen Planflächen und genauerem Gewinde ein, bei denen die Verknappung einstellbar ist (z.B. SKF KMT oder KMTA Serie).
Die dort eingesetzten Wellenmuttern scheinen aber an den Richtflächen sogar lackiert zu sein.

• Zurück zur Unwucht: Oben wird das Zahnriemenrad nur mit einer einzigen Passfeder gesichert. Erstens ist die Welle dadurch nicht spielfrei mit dem Antrieb verbunden, zweitens nicht sehr wechsellastfähig, drittens hat die Welle dadurch eine Unwucht. Letzteres ist aber nicht allzu tragisch, da die Spindel eh nur bei maximal 8000min-1 betrieben wird und unten an der Welle entsprechende Gewinde für Ausgleichsmadenschrauben zum Auswuchten vorhanden sind. Aber es ist immer besser, gar nicht erst Unwucht zu erzeugen. Das könnte zur Not auch dadurch erreicht werden, indem auf beiden Seiten der Welle eine Nut gefräst wird, das schwächt aber die Welle (unter besonderer Berücksichtigung der Kerbwirkung der Passnuten) nicht unerheblich.

• Die Zugstange und Zughülse sind zweiteilig ausgeführt und höchstwahrscheinlich über ein Gewinde verbunden.
Im Laufe der Zeit kann sich die Hülse aber losdrehen. Deswegen muss von unten immer eine Einstellmöglichkeit vorgesehen werden, die man dort vergeblich sucht. Dadurch kann es passieren, dass die Spindel nach einer Zeit nicht mehr richtig spannt.
Abgesehen davon ist die Spannhülse sehr kurz, das kann zur Selbsthemmung führen, insbesondere wenn die Spannzange ganz nach unten gefahren ist, da die Hülse dann kaum noch Stützbereich hat.

• Ich nehme mal an, die 280kg beziehen sich auf die Nenn-Anzugskraft des Federpakets, das entspräche knapp 2750N, was bei den angegeben Drehzahlen wahrscheinlich, ohne das jetzt explizit nachgerechnet zu haben, nicht für mehr als 3kW reicht. Langfristig ist mir persönlich das neben den geringen Drehzahlen nicht genug.
django013 hat geschrieben:
10.11.2018, 15:06
Er hat seine Sache nicht nur gut gemacht. Für mich war es die beste Wechslerspindel von der ich bislang gelesen habe - und ich habe schon von so einigen gelesen. In der Ecke gibt es auch div. Bauberichte von Wechselspindeln.
Welche (anderen?) Ziele kann es geben?
Niemand hier hat etwas anderes behauptet und ich freu mich ohne Wenn und Aber für Dich und den Alex, wenn Dir seine Spindel so viel Freude bereitet, ich find sie ja auch cool, das hab ich ihm auch schon persönlich gesagt :dh
Die Ziele wurden im ersten Post genannt, und die sollen bestmöglich und kosteneffektiv umgesetzt werden. Aus diesen Anforderungen leitet sich die Konstruktion ab.
django013 hat geschrieben:
10.11.2018, 15:06
Letztens las ich in der Zerspanungsbude von einem Wechslervorsatz, bei dem pneumatisch die Geschwindigkeit umgeschaltet wurde.
Cool, aber Wechselvorsätze sind ja auch nicht für hohe Drehmomente geeignet, sofern sie selbst nicht so groß wie eine Spindel sind (dann trifft aber der Begriff Wechselvorsatz nicht mehr zu). Deshalb ist entweder die zu übertragende Leistung gering oder die Drehzahl sehr hoch. Falls nichts davon zutrifft, wäre ein HTD-Zahnriemen (oder - wie bereits gesagt- ein GT3 Riemen von Gates, die sind noch mal leistungsfähiger) die bessere Wahl.
django013 hat geschrieben:
10.11.2018, 15:06
Kann also so verkehrt nicht sein.
Jeder Riemen hat natürlich, in welchen Bereichen auch immer, seine Daseinsberechtigung. Aber wenn die Anforderungen hohes Drehmoment, geringer Bauraum, kein Schlupf und möglichst spielfrei sind, dann ist bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen ein HTD-/GT3-Riemen nun mal überlegen.
Nicht umsonst setzen auch die großen Werkzeugmaschinenhersteller bei Drehzahlen bis zu 12000min-1 auf Formschluss- und erst darüber auf Reibschluss-Riemen.

Gruß, Yannik

M.E.
Beiträge: 15
Registriert: 08.11.2018, 22:51

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von M.E. » 11.11.2018, 17:10

M.E. hat geschrieben:
10.11.2018, 17:29
• Die Lager an sich sind nicht abgedichtet, das heißt, dass das Schmiermittel raus und Dreck reinkommen kann. In der Spindel ist aber weder eine Schmiermittelzu-, noch eine -abfuhr integriert. Von einer langen Lagerlaufzeit ist also nicht auszugehen.
Kleine Anmerkung. Mit "Lager nicht abgedichtet" ist gemeint, dass weder die Lager an sich abgedichtet sind, also keine Dichtscheiben haben, noch die Lagerstelle über eine ausreichende Dichtung in Form einer Labyrinthdichtung verfügt. Eins von beiden muss aber immer erfüllt sein.
Wenn die Lager, wie in diesem Fall, offen sind, dann reicht eine einfache Spaltdichtung nicht aus. Vor allem muss bei offenen Lagern sichergestellt werden, dass sie ordentlich nachgeschmiert werden, da das Schmiermittel austreten kann und wird.
Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten. Am besten eignet sich hier wohl eine Verlustschmierung, die erfordert aber in jedem Fall eine Schmiermittelzufuhr. Die ist nicht vorhanden.
M.E. hat geschrieben:
10.11.2018, 17:29
• Unter der sehr wohlwollenden Voraussetzung, dass sie die Lager korrekt festgelegt haben (wovon erfahrungsgemäß nicht immer auszugehen ist), wurde eine angestellte X-Anordnung gewählt. Sollte es doch eine Fest-Los-Lagerung sein, wäre auf Basis der Bilder die Lagerfestlegung falsch (Anschläge und Passscheiben zum Einstellen der Lager fehlen). Darüber hinaus sollten für die Loslagersitze geschliffen sein, sonst kann das Lager klemmen. Das scheint nicht der Fall zu sein.
Aber zurück zur X-Anordnung.
Die ist an dieser Stelle völlig fehl am Platz, da sowohl die Kräfte durch die Verspannung am Riemen, als auch die am Fräser angreifenden Kräfte außerhalb der Lagerung angreifen. Dafür wählt man eine O-Anordnung.
Hab nicht richtig hingesehen und muss ich mich an dieser Stelle entschuldigend korrigieren. Die Spindel ist (vermutlich) fest-los-gelagert. Zumindest ist das untere Lager natürlich ein Festlager aus zwei in O angeordneten Schrägkugellagern. Wie es aussieht, wird deren Vorspannung über Distanzhülsen eingestellt, wie es auch durchaus üblich ist. Die beiden Distanzhülsen befinden sich jeweils zwischen den beiden Ringen der zwei Lager und sind verschieden lang. Die innere muss dabei um wenige Mikrometer kürzer sein als die äußere (das ist nicht beliebig, wie viel kürzer entscheidet über die Vorspannung). Anschließend wird die Wellenmutter voll angezogen und die Vorspannung stellt sich aufgrund des Längenunterschieds der beiden Hülsen ein. Allerdings haben die Hülsen sehr enge Toleranzen und Oberflächengüten einzuhalten. Sowohl die Längen-, als auch die Winkelmaße (Planparallelität) müssen im Mikrometerbereich eingestellt werden können, dazu müssen die Hülsen geschliffen werden. Gehärtet ist auch Pflicht. Das ist natürlich alles technisch möglich, inwiefern das dann innerhalb des Verkaufspreises umgesetzt wird, angesichts der Tatsache, dass dort offensichtlich an allen Enden gespart wurde, ist eine andere Sache. Darüberhinaus müssen die Hülsen aber auch geführt werden bzw. brauchen an der Welle und im Gehäuse definierte Auflageflächen. Damit die Hülse nicht über die gesamte Welle bzw. Gehäuse aufliegt, erfordert es Durchmessersprünge in Form von Absätzen, sonst sind die Auflagestellen der Hülse nicht definiert. Die sind aber auch nicht vorhanden.
Außerdem müssen die Außenringe ebenfalls festgelegt werden. Das erfordert zwischen Gehäusedeckel und Lager entweder Passscheiben oder bei der Länge des Gehäusedeckels Toleranzen im Mikrometerbereich, was es natürlich alles zu kontrollieren gilt. Wenn das zu viel wird oder auch einfach nur die Schrauben vom Gehäusedeckel zu fest angezogen werden, kann sich die Bohrung verziehen.

Auf den Bildern sind noch ein paar andere Distanzringe zu sehen, die sich aus der Ferne nicht eindeutig zuordnen lassen. Ich hoffe mal, die dienen zur Festlegung des unteren Festlagers als Platzhalter für ein fünftes Lager und als Distanzhülse zwischen Zahnriemenrad und Loslagerinnenring, aber nicht für Experimente an der Loslagerung, denn hier sollte es ein im Gehäuse verschiebbares Rillenkugellager sein.
Die kleineren Lager auf den Bildern sehen aber aufgrund des Käfigs schon gefährlich nach Schrägkugellager. Bei Rillenkugellagern ist der Käfig i.d.R. deutlich mittiger zwischen den beiden Ringen, hier liegt er aber fast am inneren Ring an und zum Außenring ist ein deutlicher Spalt zu sehen. Aber das lässt sich nicht mit absoluter Sicherheit sagen. Allerdings habe ich beim gleichen Händler eine andere Spindel des gleichen Typs gesehen, bei der eine Skizze gezeigt wird, die aber eine mir unergründliche Lagerung einsetzt. Wahrscheinlich sollen das alles angestellte Lager sein, wobei zwei jeweils ein in O angeordnetes Lagerpaar bilden.

Angenommen, es seien korrekterweise Rillenkugellager, bedeutet das zwangsläufig, dass in der ganzen Spindel von vier Lagern jeweils nur ein einziges die axialen Kräfte aufnimmt. Sowohl im Festlager, als auch im Loslager sind hier jeweils zwei Lager. Über die Sinnhaftigkeit darf man da streiten, denn beide Lagerstellen sind meilenweit auseinanderdimensioniert, wobei das Festlager deutlich zu kurz gekommen ist.

Deshalb ist es wichtig, dass man zuerst festlegt, welche Lagerung eingesetzt werden soll und anschließend die Lagerung vernünftig auslegt, dazu braucht man Mathematik. Einfach alle zur Verfügung stehenden Lager auf die Welle werfen macht hier nicht den Trick. :dh
Die Spindel wird schon irgendwie funktionieren, aber wenn man also alles zusammenrechnet, kann man nicht gerade von einem sehr hochwertigen oder durchdachten Produkt sprechen. Das sollte angesichts 600USD aber auch niemanden verwundern. 🙂

Gruß, Yannik

Immutef
Beiträge: 28
Registriert: 23.09.2017, 17:23

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von Immutef » 13.11.2018, 15:45

Spannendes Projekt Yannik. Die Mathematik fand ich im Video gut und verständlich erklärt. Gerne mehr davon! :-)

M.E.
Beiträge: 15
Registriert: 08.11.2018, 22:51

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von M.E. » 14.11.2018, 07:23

Immutef hat geschrieben:
13.11.2018, 15:45
Spannendes Projekt Yannik. Die Mathematik fand ich im Video gut und verständlich erklärt. Gerne mehr davon! :-)
Freut mich zu hören, danke sehr! 🙂

NCN oder so
Beiträge: 6
Registriert: 16.03.2018, 21:09

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von NCN oder so » 19.01.2019, 18:24

Ich finde es immer schön solche „Projekte“ zu sehen, in denen große Ankündigungen im Starter gemacht werden und dann nach kurzer Zeit einschlafen. Schade auch hier ist es so.

Immutef
Beiträge: 28
Registriert: 23.09.2017, 17:23

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von Immutef » 19.01.2019, 18:57

Das zweite Video kam ja schon. Nach den Rückmeldungen hier hätte ich aber auch keine grosse Lust hier noch zu antworten ;-)

M.E.
Beiträge: 15
Registriert: 08.11.2018, 22:51

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von M.E. » 19.01.2019, 19:38

NCN oder so hat geschrieben:
19.01.2019, 18:24
Ich finde es immer schön solche „Projekte“ zu sehen, in denen große Ankündigungen im Starter gemacht werden und dann nach kurzer Zeit einschlafen. Schade auch hier ist es so.
Dass Du dich da mal nicht täuschst :veral

Die SK30-Spindel wird übersprungen und stattdessen eine HSK50-Spindel gebaut. HSK50 hört sich riesig an, ist aber von der Größe her etwa wie SK40 und bläst die restlichen Dimensionen der Spindel nicht auf, die Einbaumaße bleiben also identisch zu SK30 und wären bei HSK40 auch nicht kleiner. Da es für HSK50 aber mehr Auswahl an Werkzeugen gibt und auch die Fertigung der Hauptwelle und des Spannsatzes einfacher ist, bin ich direkt zu HSK50 übergegangen. HSK32 ist konstruktiv gesehen zu klein für alles, was nicht Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist (also verhältnismäßig geringe Kräfte).

Wäre ich bei SK30 geblieben, wäre die Spindel jetzt schon fertig und alle Videos dazu hochgeladen. Die mir zur Verfügung stehende Zeit habe ich nun stattdessen dafür genutzt, die HSK50-Spindel zu konstruieren. Da der HSK-Spannmechanismus komplizierter ist und ich dafür einige eigene MATLAB-Programme zur Auslegung schreiben musste, hat sich das Projekt verzögert, ist aber keineswegs eingeschlafen. Ich hoffe, dass die neuen Spindelteile Mitte/Ende März in Fertigung gehen und im April fertig sind.

HSK-Schnittstelle ist riskanter, kann also gut sein, dass es in der Fertigung oder mit den Teilen Rückschläge geben wird, aber das würde dann ebenfalls dokumentiert werden.

Ansonsten hat sich noch geändert, dass die Spindel nun über eine integrierte Löseeinheit verfügt, die Spindel damit wahlweise über Riemen oder auch direkt angetrieben werden kann. Das hat auch ein bisschen Zeit verschlungen, da die Zugstange im Inneren der Hauptwelle durch eben diese nach außen geführt werden muss. Großer Vorteil ist, dass man so nicht auf einen in der Drehzahl limitierten Zahnriemen angewiesen ist, um hohe Positioniergenauigkeiten der Wellenachse zu erreichen. Nachteil ist ggf., dass die Löseeinheit beim Lösen hydraulisch arbeitet. Die Rückstellung funktioniert pneumatisch. So braucht man "nur" ein Hydraulikaggregat für einfachwirkende Hydraulikzylinder, die es schon recht günstig zu haben gibt. Eleganter ist aber wohl ein (ebenfalls noch zu konstruierender) Adapter, der den Hydraulikdruck mit Pneumatik erzeugt. Pneumatische 4bar machen dann z.B. hydraulische 40bar.

Davon abgesehen habe ich noch viele andere Dinge um die Ohren, die mitunter eine höhere Priorität als die Spindel haben :)

Ich bitte unter diesen Gesichtspunkten also um etwas Verständnis, dass es länger dauert und das Ende nach wie vor offen ist :dh
Die kommenden Videos gelten aber sowohl für SK, als auch HSK. Wobei zum HSK-Spannmechanismus dann explizit noch ein eigenes Video kommen wird.

Stud54
Beiträge: 831
Registriert: 15.02.2018, 16:19

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von Stud54 » 19.01.2019, 19:56

Welchen Spannsatz wirst du nun nutzen?
Ist ne vernünftige Entscheidung. Das spätere Einrichten auf der Maschine macht sich bei HSK auch viel besser.

Bin gespannt....😋

Sven

M.E.
Beiträge: 15
Registriert: 08.11.2018, 22:51

Re: SK30 Werkzeugwechselspindel: Entwicklung und Konstruktion

Beitrag von M.E. » 19.01.2019, 20:25

Spannsatz wird auch gefertigt, deshalb ist es ja auch riskant :lol: Aber gerade das macht den Reiz aus, sonst wär's bisschen zu langweilig :dance Wobei das alles kein Hexenwerk ist :)
Den fertig zu kaufen, scheint angesichts der restlichen Kosten etwas "überzogen". Der Spannsatz wäre dann wohl so teuer wie der Rest der Spindel.
Bin allerdings noch etwas unentschlossen, ob es ein Schwenkmechanismus oder eine Parallelverschiebung der Zangen werden soll. Habe für beide Mechanismen einen Spannsatz entworfen. Beide haben Vor- und Nachteile. Tendiere aktuell aber zum Schwenkmechanismus, da die Spannsatzführung in der Spindel besser ist.

Gruß,
Yannik

Antworten

Wer ist online?

Mitglieder in diesem Forum: 0 Mitglieder und 14 Gäste