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X1 Version 2

Projekte > Fräsmaschinen Umbau



Im vierten Band meiner Buchreihe "CNC-Fräsen im Modellbau" habe ich erwähnt, dass ich eine neue Version der Sieg X1 mit CNC-Steuerung in Arbeit habe. Dieses Projekt stelle ich hier vor.

Der Umbau der Version 2 unterscheidet sich von der Version 1 durch zwei wesentliche Dinge: Erstens erfolgt der Antrieb der Spindeln der X- und Y-Achse nicht über Zahnriemengetriebe, sondern direkt durch die Schrittmotoren. Zweitens habe ich für die Maschine einstellbare Spindelmuttern konstruiert, durch die das Umkehrspiel auf sehr geringe Werte reduziert werden kann. Diese Spindelmuttern können natürlich in vergrößerter Version auch für größere Maschinen eingesetzt werden und bieten eine günstige Alternative zu Kugelgewindespindeln.

Die Sieg X1 ist wahrscheinlich die kleinste ernstzunehmende Fräsmaschine mit der, wenn auch mit Einschränkungen, Stahl bearbeitet werden kann. Ausgenommen seien hier Schweizer Uhrmacherfräsmaschinen, die sich ein Normalverdiener aber kaum leisten kann.

Nachteile der X1 sind die leichte Konstruktion und der schwache Spindelmotor. Damit sind nur leichte Zerspanungsarbeiten in Buntmetallen oder Stahl möglich. Für die Herstellung größerer Teile ist Geduld erforderlich. Allerdings sollte die Maschine z.B. für den Bau von Modellbahnen bis zum Maßstab 1:22,5 (LGB) ausreichend sein.

Der Originalantrieb nervt leider durch erhebliche Geräuschentwicklung und läßt nur maximale Spindeldrehzahlen bis 2.000 U/min zu. Ich habe deshalb die Maschine auf Riemenantrieb mit BLDC-Motor umgebaut. Damit sind Drehzahlen bis 6.000 U/min. erreichbar. Eine zweite Geschwindigkeitsstufe erlaubt Drehzahlen bis 2.000 U/min. mit erheblich höherem Drehmoment, für größere Fräser und härtere Materialien.

Ein großer Vorteil der X1 ist die MK2-Spindelaufnahme. Dadurch ist die Auswahl an Werkzeugaufnahmen wesentlich größer als z.B. bei einer Proxxon FF 500, die nur eine Proxxon-eigene Spannzangenaufnahme hat.

Die nun folgende Beschreibung des Umbaus ist relativ knapp gehalten, mehr grundsätzliche Informationen finden Sie in meinem Buch "CNC-Fräsen im Modellbau - Fräsmaschinenumbau". Den Zeichnungssatz finden Sie im Downloadbereich.

Doch nun zum eigentlichen Umbau:



Auf dem Bild oben sehen Sie mit wenigen Ausnahmen alle Teile, die ich für den Umbau verwendet habe. Alles andere ist neu angefertigt. Wenn Sie nach meinen Plaänen eine X1 umbauen wollen, brauchen Sie eine zweite, nicht zu kleine Fräsmaschine und eine Drehmaschine. Kenntnisse der Metallbearbeitung wären ebenfalls von Vorteil.

Neue Einstelleisten

Als erstes habe ich mich um die Führungen und die Einstellleisten gekümmert. Die Einstellleisten sind ab Werk leider in einem Zustand, der für die Zukunft nichts Gutes erwarten läßt.



Im Bild oben sehen Sie die Original-Einstellleiste der X-Achse und den aus Messing nachgefertigten Ersatz. Die Anfertigung neuer Einstellleisten scheint kompliziert zu sein, ist aber letzten Endes nicht so schwierig.
Ausgangsmaterial ist Flachmessing von 15 mm Breite. Die Dicke müssen Sie selbst ermitteln, schauen Sie einfach, was in den Spalt in der Führung hineinpasst. Ich habe Material mit 4 mm Dicke verwendet.
Der Trick ist nun, das auf Länge geschnittene Flachmessing in die Führung zu spannen, um die Kanten im richtigen Winkel zu fräsen. Um das Material in der Führung zu halten, verwende ich ein passendes Stück Rundstahl, das mit zwei kleinen Schraubzwingen angepresst wird. Mehr als alle Worte zeigt das Bild unten, wie es gemacht wird.



Hüten Sie sich aber davor, in einem Durchgang die Leiste auf Maß zu fräsen, weil sich das gezogene Material verzieht, sobald Sie an einer Seite etwas abfräsen. Sie müssen das in mehreren Durchgängen machen und das Flachmessing dazu mehrfach wenden.

Dort, wo die Spitzen der Einstellschrauben auf die Leiste drücken, habe ich Vertiefungen eingefräst, damit die Schrauben nicht auf die schräge Fläche der Leiste treffen, das würde das korrekte Einstellen unmöglich machen. Diese Vertiefungen sollten nicht mit einem Bohrer gemacht werden, sondern mit einem Fräser, damit die entstehenden Flächen im rechten Winkel zu den Einstellschrauben stehen. Weil es nicht so lange Fräser gibt, habe ich mir für diese Arbeit eine Fräserverlängerung angefertigt. Wie diese benutzt wird, zeigt das Bild unten.



Um sicher zu sein, dass sich dei Einstelleisten nicht verschieben können, habe ich sie zusätzlich noch verstiftet. Das können Sie auch machen, muss aber nicht unbedingt sein. Wie ich es gemacht habe, zeigt das Bild unten.



Die durchgehende Bohrung rechts unten ist für den Stift, der in der Führung sitzt und den das folgende Bild zeigt.



Rechts sehen Sie den Stift und links die Spitze einer Einstellschraube. Die Einstellschrauben habe ich alle ausgewechselt. Als Ersatz benutze ich Gewindestifte nach DIN 915 mit passender Länge. Die Gewindestifte haben eine zylindrische Spitze, die dünner ist als das Gewinde und die ich leicht abgerundet habe.
Die eingesetzte Einstellleiste der X-Achse sehen Sie im Bild unten.



Dort sehen Sie auch einen Bereich des Sattels, der tiefer gefräst ist. Das dient dazu, mehr Platz für die Spindelmutter zu schaffen. Der Abstand zwischen Sattel und der Unterseite des Tisches ist so gering, dass ich zu allen Tricks greifen musste, um die Spindelmutter unterzubringen.



Wenn Sie das obere Bild mit der Originalmaschine vergleichen wird Ihnen vielleicht auffallen, dass es an der Führung der Y-Achse wesentlich mehr Einstellschrauben gibt. Diese habe ich angebracht, weil sonst das korrekte Einstellen der Y-Führung mit ihrer langen Einstellleiste schwierig ist.

Überarbeiten der Führungen

Ob die Führungen überarbeitet werden müssen, entscheidet sich nach dem Zusammenbau und der sorgfältigen Justage der Einstelleisten. Schmieren Sie dazu die Führungen noch nicht, sondern entfernen Sie alle Schmiermittel.
Läßt sich der Sattel auf dem Tisch und auf dem Sockel spielfrei und ohne Klemmen verschieben, dann ist alles in Ordnung. Finden Sie aber Stellen, wo es klemmt, dann müssen Sie Abhilfe schaffen. Schauen Sie sich die Stellen an, wo es klemmt. Vermutlich werden Sie dort Punkte oder Flächen finden, die stärker glänzen, als die Umgebung. Das sind die hohen Stellen. Entfernen Sie diese vorsichtig mit einem kleinen Schaber oder einer feinen Dreikantfeile. Den Vorgang wiederholen Sie, bis das Klemmen beseitigt ist.
Anschließend (auch wenn die Führungen nicht geklemmt haben) nehmen Sie feine Einschleifpaste, Körnung ca. 360, vermischen diese mit dünnflüssigem Öl und geben davon etwas in die Führung. Dann bewegen Sie die Teile gegeneinander, so lange, bis Sie das Gefühl haben, dass die Fürhrung einwandfrei läuft. Entfernen Sie dann die Schleifpaste restlos und ölen Sie die Führung. Diese sollte jetzt seidenweich laufen. Zuletzt bearbeiten Sie die Führung des Fräskopfes an der Säule nach dem gleichen Verfahren.

Anfertigen der Umbauteile für X- und Y-Achse

Zuerst habe ich die einstellbaren Spindelmuttern für die X- und Y-Achse angefertigt. Das Prinzip der Einstellbarkeit beruht darauf, dass die Mutter aus zwei Teilen besteht, die gegeneinander verdreht und in dieser Stellung fixiert werden können. Wie das funktioniert, können Sie sich ganz leicht klarmachen, indem Sie zwei Muttern auf eine Schraube drehen. Wenn Sie die Muttern fest gegeneinander drehen, sitzt die Schraube darin fest, Sie haben die Muttern gekontert. Kurz vor fest können Sie die Schraube aber noch drehen und das Spiel zwischen den beiden Muttern und der Schraube ist fast komplett verschwunden. So funktioniert auch die einstellbare Spindelmutter.

Unten sehen Sie die Mutter einer Achse. Die zwei Mutternteile werden mit jeweils zwei Imbusschrauben geklemmt, so dass sie sich nicht von selbst verdrehen können. Wichtig ist, dass die Mutternteile zusammen spielfrei in den Mutternhalter passen, jedes Längsspiel würde sich als Umkehrspiel bemerkbar machen.



Die Mutternteile haben jeweils ein Bohrung mit 4 mm, in die zum Einstellen zwei Stifte gesteckt werden. Wie das geht, zeigt das Bild unten.



Pro Mutter habe ich zwei Mutternrohlinge aus Nylatron von Mädler verwendet, die ich auf die entsprechende Maße abgedreht habe. Nylatron läßt sich sehr leicht drehen, fassen Sie aber bloß nicht in die entstehenden langen Späne, die sind messerscharf und reißfest. Den Halter habe ich zunächst komplett aus einem Stück Aluminium gefräst und anschließend mit einem Kreissägeblatt auf einem Dorn die zwei Haltebügel abgeschnitten. Schauen Sie sich auch mal die Zeichnungen dazu an, dann wird vermutlich alles noch klarer. Zu den Muttern müssen auch neue, passende Trapezspindeln von Mädler kaufen. Die Maße sind 12 mm Durchmesser und 3 mm Steigung.

Die Nylatron-Muttern haben zwei wesentliche Vorteile: Erstens ist der Wirkungsgrad um rund den Faktor 2 besser als bei Bronzemuttern, sie brauchen also nur halb so starke Schrittmotoren. Zweitens verschleißen die Muttern die Spindel nicht, weil sie wesentlich weicher sind. Sind die Muttern an der Einstellgrenze, dann können Sie sie einfach ersetzen.

Als nächste habe ich die Lagergehäuse für die Schrittmotoren der X-und Y-Achse angefertigt.



Oben sehen Sie ein Lagergehäuse von der Seite, mit der es an die Maschine geschraubt wird. Innen sehen Sie das doppelreihige Schrägkugellager.



Und hier das Lagergehäuse von der Motorseite. Die große Bohrung dient zur Zentrierung des Motors.



Die Kupplungen bestehen aus zwei Teilen. Der Teil, der auf der Motorwelle sitzt, muss genau zentrisch auf 6,35 mm ausgedreht oder ausgebohrt werden. Der andere Teil erhält ein Gewinde M10 x 1, mit dem er auf die Spindel geschraubt wird. Verbunden wird die Kupplung mit dem roten Kunststoffstern. Das Bild oben zeigt Lagergehäuse und Kupplung einer anderen Maschine, das Prinzip ist aber das gleiche.

Als nächstes habe ich die X- und Y-Spindel bearbeitet. Beide Spindeln müssen an einem Ende einen Ansatz mit 10 mm Durchmesser und ein Gewinde M10 x 1 haben, damit sie in des Lager passen und die Kupplung aufgeschraubt werden kann. Leider sind die Spindeln dafür zu dünn. Ich habe mir deshalb Adapter gedreht, in die die Spindeln stramm hineinpassen und zusätzlich verstiftet sind. Sie sehen ein fertiges Spindelende im Bild unten.



Das andere Ende der Spindel bekommt einen Ansatz mit 8 mm Durchmesser. Weil die recht dünnen Spindeln zum Vibrieren neigen, müssen Sie an beiden Enden gelagert werden. Dazu habe ich für jede Achse einen Lagerflansch angefertigt, der ein Lager Typ 608-2RSR (8 x 22 x 7, beidseitig Lippendichtung) aufnimmt.

Montage der Y-Achse

Zunächst habe Ich in das Lagergehäuse der Y-Achse eine kurze Imbusschraube eingesetzt. Sie dient als Anschlag für die Bewegung des Sattel in Richtung Säule. Anschließend habe ich Spindel und Kupplung eingesetzt und den Motor an das Lagergehäuse geschraubt.





Der Sattel hat hinten eine Gewindebohrung bekommen, in die ich eine Imbus-Senkkopfschraube gedreht habe. Diese dient als Anschlag für die Bewegung des Sattels nach vorn, von der Säule weg.



Hier der Sattel von unten, mit proberweise montiertem Antrieb.
Um den Referenzschalter der Y-Achse anzubringen, musste ich den Sattel provisorisch montieren.



Die beiden Betätiger für den Referenzschalter sind hier am Sattel montiert. Den Schalter mit seinem Gehäuse habe ich nun so angebracht, dass er in beiden Richtungen ca. 2-3 mm vor dem Endanschlag schaltet. Um den Schaltvorgang zu sehen, habe ich den Schalter an eine Stromquelle (12 - 30 V) angeschlossen und zwar den braunen Draht an Plus und den blauen an Minus. Sobald der Schalter schaltet, geht die rote Leuchtdiode an seinem Ende an.



Und das ist der Tisch, ebenfalls mit probeweise montiertem Antrieb. Danach habe ich den Sattel auf den Tisch geschoben und die Spindelmutter der X-Achse daran festgeschraubt. Damit war sie dann auch korrekt ausgerichtet.
Anschließend habe ich den Sattel mit Tisch auf den Sockel geschoben und die Spindelmutter der Y-Achse von unten (Maschine kippen) festgeschraubt.



Hier stelle ich gerade die Spindelmutter der Y-Achse ein. Um die Spindelmutter der X-Achse einzustellen, müssen die Schrauben des Lagergehäuses am Tisch gelöst und der Tisch soweit abgezogen werden, bis die Mutter zugänglich ist.



Hier sehen Sie, wie ich den Referenzschalter der X-Achse vorne auf den Tisch geschraubt habe. Die beiden Betätiger sind kleine Stahlwinkel, die von unten an den Tisch geschraubt sind.



Um den Schalter vor Spänen zu schützen, hat der Tisch vorne eine Abdeckung aus einem Aluwinkel 50 x 15 mm bekommen. Vor dem Schalter ist noch eine Abdeckung aus einem Stück Alublech. Diese schützt die Spindel der Y-Achse vor Spänen, wenn der Sattel ganz hinten ist.



Um die Spindel und die Führungen der Y-Achse hinten zu schützen, habe ich eine Abdeckung aus Gummi angebracht, die in zwei geschlitzte Messingleisten mit Sekundenkleber eingeklebt ist. Die vordere Leiste, die nicht zu sehen ist, habe ich am Sattel befestigt. Die Abdeckung sieht zwar etwas merkwürdig aus, ist aber recht wirkungsvoll und vor allen Dingen leichter sauberzuhalten als ein Faltenbalg.

Damit sind X- und Y-Achse fertiggestellt.

Die Z-Achse

Wie erwähnt, habe ich die Spindel und Spindelmutter der Z-Achse nicht ersetzt. Um den Antrieb zu montieren, habe ich zunächst eine Grundplatte angefertigt.



Diese habe ich auf dei Säule geschraubt, die dazu drei passende Gewindebohrungen bekommen hat.





Hier ist die Grundplatte schon mit der Säule verschraubt und das doppelreihige Schrägkugellager auf die Spindel geschoben.



Das Lager wird von einem gedrehten Flansch gehalten, der wiederum mit der Grundplatte verschraubt ist. Der Ausschnitt ist für den Kopf einer der Befestigunggschrauben.



Hier habe ich den Motorträger auf den Flansch geschraubt und die Haltebolzen für den Motor eingesetzt.



Und hier der Antrieb komplett montiert. Im Vordergrund ist der Referenzschalter der Z-Achse zu sehen. Weil ein induktiver Schalter nur mit großem Aufwand anzubringen war, habe ich einen mechanischen Schalter montiert.



Der Fräskopf mit neuem Antrieb und Notschalter. Der Aufbau des Antriebs ist im Projekt " X1-Version1" beschrieben. Der BLDC-Motor wird allerdings von einem anderen Controller angetrieben. Mehr darüber erfahren Sie beim Projekt " Frässpindel Version 2".

Die Elektrik

Die Elektrik habe ich recht einfach gehalten. Hinten an der Maschine befindet sich ein kleiner Alukasten, in den die Kabel von den drei End-/Referenzschaltern und vom Notschalter hineingeführt sind. Die zwei induktiven Schalter schalten jeweils ein Relais. Die Schließkontakte der Relais sind mit dem mechanischen Schalter an der Z-Achse parallel geschaltet und über ein Kabel zur Steuerung geführt. Über das gleiche Kabel sind der Notschalter und die 12V-Versorgung für die induktiven Schalter angeschlossen.



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