So wählen Sie ein 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsystem für eine CNC-Fräsmaschine aus

Vor einiger Zeit haben wir mit einem Kunden, der Aluminium und Leichtstahl bearbeiten wollte, ein kundenspezifisches CNC-Fräsmaschinenprojekt besprochen.

Seine Hauptanliegen waren nicht nur der Preis, sondern auch:

• Steifigkeit der Maschine
• Positionierungsgenauigkeit
• Qualität der Vorspannung
• Komponentenkompatibilität
• Langfristige Zuverlässigkeit

Dies kommt bei CNC-Maschinenprojekten tatsächlich sehr häufig vor. Viele Maschinenbauer geben viel Geld für Spindeln und Motoren aus, unterschätzen jedoch die Bedeutung des Linearbewegungssystems.

Tatsächlich hängt die Leistung einer CNC-Maschine oft stark von der Qualität der folgenden Komponenten ab:

• Linearführungsschienen
• Kugelumlaufspindeln
• Stützblöcke
• Anpassung vorab laden
• Montagepräzision

Die Wahl des falschen 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsystems kann zu Folgendem führen:
 

• Vibration beim Schneiden
• Gegenreaktion
• Schlechte Oberflächenbeschaffenheit
• Instabile Genauigkeit
• Übermäßiger Lärm
• Verkürzte Maschinenlebensdauer

In diesem Artikel erklären wir, wie man auf der Grundlage realer technischer Überlegungen ein geeignetes 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsystem für eine CNC-Fräsmaschine auswählt.

Was ist ein 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsystem?

Ein 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsystem bezieht sich normalerweise auf das vollständige lineare Bewegungsübertragungssystem, das auf der X--Achse, der Y--Achse und der Z--Achse einer CNC-Maschine verwendet wird.

Ein typisches CNC-Linearbewegungssystem umfasst: Linearführungsschienen, Lagerblöcke, Kugelumlaufspindeln, Kugelumlaufspindelmuttern, BK/BF-Trägereinheiten, Kupplungen, Schritt- oder Servomotoren, Motormontagehalterungen.

Bei CNC-Fräsmaschinen müssen alle drei Achsen mit hoher Steifigkeit und stabiler Bewegungsführung zusammenarbeiten.

Im Gegensatz zu einfachen Oberfräsen für die Holzbearbeitung stellen Aluminium- und Stahlschneidemaschinen deutlich höhere Anforderungen an die mechanische Struktur.

Warum Steifigkeit bei einer CNC-Fräsmaschine wichtig ist

Viele neue CNC-Konstrukteure konzentrieren sich hauptsächlich auf Geschwindigkeit oder Motorleistung.

Allerdings ist die Steifigkeit oft der eigentliche Faktor, der die Bearbeitungsqualität bestimmt.

Beim Schneiden von Aluminium oder Leichtstahl wirken erhebliche Schnittkräfte auf die Maschine. Wenn es der Linearführung oder dem Kugelumlaufspindelsystem an Steifigkeit mangelt, kann die Maschine unter Folgendem leiden:

• Vibration
• Rattermarken
• Ungenaue Abmessungen
• Instabile Schnitttiefe
• Werkzeugverschleiß

Aus diesem Grund bevorzugen viele CNC-Hersteller: HGR25-Linearführungsschienen oder sogar HGR30-Schienen anstelle kleinerer Größen wie HGR15 oder HGR20 für Hochleistungsanwendungen.

Größere Schienen bieten:

• Bessere Tragfähigkeit
• Höhere strukturelle Steifigkeit
• Verbesserte Stabilität
• Bessere Verformungsbeständigkeit

Für mittelgroße CNC-Fräsmaschinen ist HGR25 eine der am häufigsten verwendeten Optionen.

Auswahl der richtigen Kugelumlaufspindel für jede Achse

Die Auswahl der Kugelumlaufspindel sollte auf folgenden Faktoren basieren: Maschinengröße, Achslast, Verfahrlänge, Bewegungsgeschwindigkeit, Schnittkraft, Motordrehmoment.

Bei den meisten mittelgroßen CNC-Fräsmaschinen werden SFU2005-Kugelumlaufspindeln häufig für die X- und Y-Achsen verwendet.

Warum SFU2005 beliebt ist

Das „2005“ bedeutet:

• 20 mm Schraubendurchmesser
• 5 mm Mine

Diese Kombination bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit, Positioniergenauigkeit, Tragfähigkeit und Geschwindigkeitskontrolle.

Bei der Aluminiumbearbeitung wird oft SFU2005 bevorzugt, da der größere Durchmesser dazu beiträgt, die Durchbiegung über lange Verfahrwege zu reduzieren.

Was ist mit der Z-Achse?

Die Z--Achse weist normalerweise eine geringere Verfahrlänge, aber eine höhere vertikale Lastkonzentration auf.

Viele Hersteller entscheiden sich je nach Spindelgewicht und Maschinendesign für SFU1605 oder SFU2005.

SFU1605 Vorteile:

• Geringeres Gewicht
• Geringere Trägheit
• Einfachere Motorbeschleunigung
• Geeignet für kompakte Z--Achsen-Strukturen

Vorteile von SFU2005

• Höhere Steifigkeit
• Bessere Unterstützung für schwere-Lasten
• Reduzierte Vibration

Für schwerere Spindelaufbauten ist SFU2005 im Allgemeinen die sicherere Wahl.

Warum Vorspannung wichtig ist

Ein Detail, das viele Lieferanten ignorieren, ist die Vorspannung.

Die Vorspannung ist jedoch äußerst wichtig für die Genauigkeit der CNC-Maschine.

Die Vorspannung der Linearführung trägt zur Reduzierung von Spiel, Vibration, Positionierungsfehlern und Bewegungsinstabilität bei.

Viele professionelle CNC-Konstrukteure bevorzugen: G2-Vorspannung oder G3-Vorspannung, da vorgespannte Systeme für eine bessere Steifigkeit beim Schneiden sorgen.

Ohne die richtige Vorspannung kann es bei der Maschine zu Spiel oder Vibrationen kommen, selbst wenn hochwertige Schienen verwendet werden.

Gleichzeitig kann eine übermäßige Vorspannung zunehmen: Reibung, Hitze und Motorbelastung.

Eine ausgewogene Preload-Konfiguration ist wichtig für die langfristige Maschinenleistung.

HGR25 vs. HGR30: Welches sollten Sie wählen?

Viele CNC-Hersteller schwanken zwischen HGR25 und HGR30.

Beides sind gängige Optionen für CNC-Fräsmaschinen, sie erfüllen jedoch unterschiedliche Prioritäten.

Für die meisten Aluminium- und Leichtstahlanwendungen reicht HGR25 in Kombination mit einem stabilen Maschinenrahmen bereits aus.

HGR30 wird attraktiver für: größere Portalmaschinen, aggressives Schneiden, hohe Spindelleistung und industrielle Anwendungen.

Häufige Kompatibilitätsprobleme bei DIY-CNC-Builds

Eines der größten Probleme bei kundenspezifischen CNC-Projekten ist die fehlende Kompatibilität.

Viele Anwender kaufen Komponenten separat von verschiedenen Lieferanten und entdecken später Montageprobleme.

Zu den häufigsten Problemen gehören:

Falsche BK/BF-Unterstützungsübereinstimmung

Die Endbearbeitung der Kugelumlaufspindel passt möglicherweise nicht richtig zu den Stützblöcken.

Nicht übereinstimmende Kupplungsgröße

Motorwellendurchmesser und Kugelumlaufspindelwellendurchmesser stimmen möglicherweise nicht mit der Kupplung überein.

Probleme bei der Ausrichtung des Mutterngehäuses

Schlecht konstruierte Mutterngehäuse können Ausrichtungsfehler und erhöhte Reibung verursachen.

Schienen- und Blockinkompatibilität

Verschiedene Marken verwenden manchmal leicht unterschiedliche Toleranzen oder Abmessungen.

Fehler bei der Position der Motorhalterung

Eine unsachgemäße Halterungskonstruktion kann zu Problemen bei der Motorausrichtung führen.

Aus diesem Grund bevorzugen viele CNC-Hersteller mittlerweile den Kauf eines kompletten CNC-Kugelumlaufspindelsatzes oder einer kompletten Linearbewegungslösung von einem Lieferanten.

Kompletter 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsatz im Vergleich zum separaten Kauf

Der Kauf eines kompletten 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsystems von einem Lieferanten bietet mehrere Vorteile.

Bessere Kompatibilität

Alle Komponenten werden vor dem Versand aufeinander abgestimmt.

Einfachere Installation

Der Montageprozess wird viel einfacher.

Reduziertes Risiko

Geringeres Risiko von Bearbeitungskonflikten oder Maßfehlern.

Vereinfachter Versand

Eine Lieferung ist in der Regel einfacher und günstiger als die Beschaffung bei mehreren Lieferanten.

Technische Unterstützung

Ein Komplettanbieter kann dabei helfen, die Kompatibilität zwischen Folgendem zu überprüfen:

• Linearschienen
• Lineare Blöcke
• Kugelumlaufspindeln
• Unterstützungseinheiten
• Kupplungen
• Motoren
   

Für viele Käufer im Ausland ist dies besonders wichtig, da der Austausch inkompatibler Teile nach dem internationalen Versand sehr kostspielig sein kann.

Sollten Sie gerollte oder geschliffene Kugelumlaufspindeln wählen?

Dies ist eine weitere häufige Frage bei CNC-Maschinenprojekten.

Viele Benutzer verwirren:

• C7 gerollte Kugelumlaufspindeln
• Geschliffene Kugelumlaufspindeln

In Wirklichkeit:

• C7 wird häufig mit gerollten Kugelumlaufspindeln in Verbindung gebracht
• C5 oder C3 sind bei Präzisionsgeschliffenen Schrauben häufiger anzutreffen

Für die meisten Aluminium-CNC-Fräsmaschinen sind hochwertige gewalzte C7-Kugelumlaufspindeln bereits ausreichend.

Geschliffene Kugelumlaufspindeln werden immer wichtiger für:

• Ultra-Hochpräzisionsbearbeitung
• Schleifmaschinen
• Halbleiterausrüstung
• Industrielle Hochgeschwindigkeitsautomatisierung

Die richtige Wahl hängt von den tatsächlichen Bearbeitungsanforderungen und dem Budget ab.

Empfohlene Konfiguration für eine mittlere CNC-Fräsmaschine

Für das Schneiden von Aluminium und Leichtstahl kann eine übliche Konfiguration Folgendes umfassen:

X-Achse

• HGR25-Schienen
• HGW25-Blöcke
• Kugelumlaufspindel SFU2005
• BK/BF-Unterstützungseinheiten
• NEMA23-Motor mit geschlossenem Regelkreis

Y-Achse

• HGR25-Schienen
• SFU2005
• Mittlere Vorspannung
• Starres Kupplungssystem

Z-Achse

• HGR20 oder HGR25
• SFU1605 oder SFU2005
• Kompakte Motorhalterung
• Reduzierte bewegte Masse

Diese Art der Einrichtung bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit, Präzision, Kosten und Zuverlässigkeit.

Zusammenfassung

Eine CNC-Maschine ist nur so stabil wie ihr lineares Bewegungssystem.

Bei der Auswahl des richtigen 3-Achsen-Kugelumlaufspindelsystems geht es nicht nur darum, Schienen und Schrauben einzeln auszuwählen. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, die richtige Kompatibilität, Vorspannung, Steifigkeit und Montagegenauigkeit in der gesamten Maschine sicherzustellen.

Bei der Bearbeitung von Aluminium und Leichtstahl können richtig aufeinander abgestimmte Komponenten Folgendes deutlich verbessern:

• Bearbeitungsqualität
• Schnittstabilität
• Positionierungsgenauigkeit
• Lebensdauer der Maschine

Wenn Sie eine CNC-Fräse, eine Fräsmaschine oder ein Automatisierungssystem bauen und sich nicht sicher sind, wie Sie diese zusammenbringen sollen:

• Linearführungsschienen
• Kugelumlaufspindeln
• Unterstützungseinheiten
• Kupplungen
• Motoren

DLY kann Ihnen dabei helfen, eine vollständig kompatible CNC-Linearbewegungslösung basierend auf Ihrer Maschinenstruktur und Ihren Anwendungsanforderungen bereitzustellen.

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