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Kategorie: CNC

Projekt Frässpindel SK30 mit automatischem Werkzeugwechsler

 

Das Projekt befindet sich schon lange in Planung und wird aktuell umgesetzt.

Hier wird dann von Zeit zu Zeit der aktuelle Baustatus gezeigt. 

Spindeleinschleifen auf Rundlaufgenauigkeit von 1/100 mm:

Das Innenrundschleifen des SK30-Kegels im Einbauzustand mit laufendem Antrieb sorgt für extrem genauen Rundlauf. Geschliffen wurde mit 30 Schleifdurchgängen mit 80er Körnung Edelkorund. Hierbei wurden Zustellungen von jeweils 1/300 mm bei einem Vorschub von 1000 mm/min, Drehzahl (Werkzeug) 25.000 1/min, Drehzahl (Spindel) 10.000 1/min. Um eine Oberfläche von Rz 0,6 zu erreichen wurde zum Abschluss mit einem Schleifstift Körnung 120 mit Gummibindung noch einige Ausfeuerschnitte (Werkzeug entfernt nur noch Rauheit) durchgeführt. Das Messergebnis der Rundlaufgenauigkeit liegt bei 0,007 mm. Nach dem Schleifen wurde leider der Werkzeugkegel nicht mehr ausreichend angezogen. Hier musste die Innenkontur an der Stelle des Spannsatzes um knapp 1 mm tiefer gedreht werden, da der Werkzeugkegel bei Prüfmaß lt. DIN (31,75 mm / am Ende des Innenkegels der Spindel, bzw. 1,6 +- 0,2 mm vor Werkzeugnocke der SK-Werkzeuge) tiefer eingezogen wird. Dieser Prozess ist sehr aufwändig, aber sehr lohnenswert in Bezug auf Rundlauf und Oberflächengenauigkeit.

Elektrischer Antrieb. 

Der AC-Motor 2,2 kW wird von einem escodrives Frequenzumrichter gesteuert. Die Parametrierung des FU's ist recht einfach und schnell erledigt. Für den Testbetrieb wurde noch ein Bopla-Gehäuse mit Umschalter (2 Schließer) für die Drehrichtung (M3/M4) und einem Potentiometer 5-10kOhm für die Drehzahlsteuerung aufgebaut. Später erfolgt die Steuerung direkt über die CNC-Elektronik. Wie gewünscht läuft das System bei 100 Hz, also E-Motordrehzahl 6000 1/min ruhig und ohne spürbare Motorunruhe oder Lautstärke. Mehr Drehfrequenz wollte ich nicht testen. Sicher geht da noch mehr, jedoch wird man sich dabei vorsichtig in den Grenzbereich bewegen müssen. Bei 100 Hz erreicht das System Lastfrei im Einbauzustand an der Spindel eine Drehzahl 2890 x 100/50 x 2,65 = 15317 1/min. Dabei lag der gemessene Strom gerade mal bei 3 A. Unter Last wird der Strom selbstverständlich bis zum zulässigen Maximalstrom von rund 10 A ansteigen (bei doppelter Nennfrequenz mit Anstieg der Leistung).

Spindelkopf mechanisch fertig aufgebaut. Im nächsten Prozess wird der Elektromotor angeflanscht und dann der Rundlauf des Spindelkegels eingeschliffen.

Video von der Spannfunktion der Spindel

Der 80 mm Pneumatikzylinder öffnet bei 4 bar mit einer Kraft von 2 kN den Spannsatz. Das Tellerfederpaket spannt den SK30-Kegel sobald der Zylinder drucklos ist mit 1,53 kN. Damit ist ein sicherer Halt im Innenkegel der Spindel bis zu 3,5 kW ohne Mitnehmersteine möglich. Das war mir aufgrund der einfachen Integration eines automatischen Werkzeugwechslers wichtig. Das Innendrehen der Spindelwelle war eine Herausforderung auf einer sehr kleinen Proxon-Drehmaschine. Hierzu musste noch eine spezielle Lünette gefräst werden, damit die Welle gut und vor allem mit präzisem Rundlauf gedreht werden konnte. Erste Messung des Rundlaufes ergab eine Rundlaufgenauigkeit von 0,01 mm (vor Innenschliff des Kegels). 

Spindelwelle in der Entstehung

Spindelwelle aus 1.7131 - 16MnCr5.

Zwei Schragkugellager 7008B (40x68x15),

Gewinde M40x1,5 mit KMK-Nutmutter,

HTD5-Riemrad 40Z, Einstich für Sicherungsring DIN 471,

Passfedernut DIN 6885 - A - 6 x 6 x 25,

Loslager oben Rillenkugellager 6006

  Spindelwelle mit Lagern und Riemenrad

Schaltgetriebe

Zweistufiges Schaltgetriebe mit Klauenkupplung

Unterseite des Spindelgehäuses mit angeflanschtem

unteren Spindellager und LED-Leuchtring

Oberseite des Spindelgehäuses mit

Kurzhubpneumatikzylinder

Gehäusebauteile sind noch nicht verschraubt. Auf

der Unterseite befindet sich ein Drehflansch, der das

Schwenken um 180° ermöglicht.

 

 

 

Der Spindelkopf mit eingesetzter SK30-ER32 Aufnahme und eloxiertem LED-Ring. Die Platine ist mit 6 Cree-LEDs je 5W und Abstrahlwinkel von 115° bestückt. Der Ring wird noch mit transparentem Epoxid vergossen und wird über 4 M5-Innensechskantschrauben befestigt. Die Rückseite ist als Oberschale zur Labyrinthdichtung ausgelegt worden. Die Rückseite der Lagerschale wurde mit Kühlwasserkanälen ausgestattet, um auch bei hohen Drehzahlen die Lagerkühlung zu gewährleisten.

 

 

 

 

Funktion des Greifers im Probedruck (3D-Druck-Prototyp) der geplanten SK30-Spindel, die dann aus Werkzeugstahl gefertigt wird.

Berechnung zur Einpresskraft durch den Einzugbolzen.

Kopfplatte zur Aufnahme des AC-Motors Typ 90L, Passung für Loslager der Spindel (30x55x15) und Getriebewelle (Flanged 10x19x7). Die Abstandsbolzen (E355) dienen dazu Kopf- und Fußplatte miteinander zu verbinden.

Als Material wurde AW2007 gewählt. Beide Flächen wurden plan geschliffen. Die vier Bohrungen um die Loslagerseite der Spindel dienen zur Aufnahme des Pneumatikkurzhubzylinders, der den Anzugbolzen ausdrückt. Die vier Bohrungen um den Motorflansch dienen zum Befestigen des AC-Motors. Die Kreistasche in der Mitte dient zum Verschieben der Zahnräder per Klaue. Dadurch erhält die Spindel zwei schaltbare Zahnradgetriebestufen, das mit dem frequenzgesteuerten AC-Motor hohe Drehmomente bei Drehzahlen von 0 bis 15000 1/min ermöglicht.