DIY Werkzeugwechsler - Cheap ATC

Jeder möchte sich die mühselige Arbeit ersparen ständig die Werkzeuge per Hand zu wechseln. Hierfür wird eine sog. "ATC" Spindel benötigt. Solche Spindeln kosten jedoch mit entsprechender Leistung (min. 3kW) ungefähr 2500€ ohne Einfuhrgebühren!
Eine attraktive Alternative scheint der Einbau einer WZW-Austauschwelle. Es gibt solche, die für den Austausch an einer
WZW-Austauschwelle (Optimum)

  • Optimum BF20 (SK20, für ER16 oder ER20 Spannzangen, Einzugskraft 1500N, 429€) oder einer 
  • Wabeco (SK30 für ER25 Spannzangen, Einzugskraft 2000N, 499€) gedacht sind. 
Die Rundlaufgenauigkeit ist für mich mit 0,02 mm ausreichend. Das Material scheint auch mit 16MnCrMo4 (Optimumvariante) geeignet. Der primäre Vorteil des Umbaus ist, dass im Defekt jedes Teil selbst ausgetauscht werden kann. Würde eine China ATC-Spindel defekt werden, so muss diese eingeschickt werden. In folgender Konstruktion ist der Antrieb getrennt von der WZW-Einrichtung, somit ist der Austausch des Motors sehr einfach und kostengünstig, denn eine China Ersatzspindel kostet mit FU aktuell nur ca. 334 €. In diesem Konzept treibt die Chinaspindel über einen Riemen das Riemenrad, welches an der WZW-Austauschwelle befestigt wird an. Im Inneren der "roten" Welle befindet sich der Auswerferstift, welcher später betätigt werden soll.

Für den Einsatz müssen einige Modifikationen durchgeführt werden:

  • Spiralfeder auf Tellerfedern austauschen (wg. Unwucht)
  • Kerbzahnwelle kürzen
  • Auswerferbetätigung ins Innere verlegen, bisher ist diese durch einen Druckring realisiert
  • Auswerferbetätigung (Hauptteil dieses Blogposts)
  • Riemenspanner entwerfen
Für die Austauschwelle wird ein Gehäuse benötigt. Nachfolgend ist ein Gehäuse konstruiert worden, Tellerfedern eingelegt, ein zweites Kegelrollenlager (gelb) eingefügt worden, eine Feingewindemutter M24x1 und ein Zahnriemenrad.
 Für den Werkzeugauswurf werden 5 mm Weg benötigt. Die Tellerfedern haben nun eine Federkraft von 3500N. Ein Kniehebelspanner würde hier gute Arbeit leisten. Werden am gelben Kolben nun 3500N angelegt, so muss der Pneumatikzylinder ca. 1800N aufbringen.
Dieser Aufbau ist für meine Z-Achse jedoch ungeeignet, da der Pneumatikzylinder zu weit oben stehen würde. Ich möchte auch bei 6 bar noch "sicher" durchdrücken können. Bei 7 Bar würde ein D63 mm Kolben ausreichen.
Ein etwas anders angeordneter Kniehebelspanner, wie auch die Fa. Tünkers diesen baut, kann noch einiges rausholen. Ich habe eine Bewegungssimulation mit 40mm Schenkeln aufgebaut. Bei ca. 5mm lasse ich die 3500N (blauer Pfeil) drauf wirken. Laut Animation werden bei 40 mm Zylinderhub (linker roter Pfeil) nur noch 1200N benötigt.
Leider ist bei mir nun wieder das Problem, dass auch dieser "geniale" Kniehebel nicht gut ist, da nur ein 50er Kolben gedacht wäre bei (F=1240N bei 7bar).
Für mehr Sicherheit muss also ein zweiter Kolben her und ein zweiter Kniehebel. Das ganze wird Spiegelsymmetrisch aufgebaut. Bei 40er Schenkellängen würde eine Zylinderhubkraft von 1000N notwendig werden. Dies würden dann zwei 50er Zylinder schaffen. Sehr gut, dann haben wir doch jetzt eine funktionierende Lösung, denn bei 4bar schafft ein 50er Zylinder F=707N.
Wird nun das ganze so aufgebaut, dass auch die Zylinder platz finden. So werden die 40 mm Schenkellänge ganz schnell zum Platzproblem. In der folgenden GIF-Animation sind nun 2x 50er Zylinder und 20er Schenkel verbaut:
Die Auswerferbetätigung (der Pin) wäre in der Symmetrieebene. Hier wird auch ganz schnell klar, dass eine besondere Anordnung der Kniehebel zueinander erforderlich wäre um den Pin sorgfältig nach unten zu drücken. Nicht wie oben abgebildet, denn da schneiden sich beide drückenden Schenkel. Dies erfordert deutlich mehr Aufwand. Mir war auch nach sorgfältiger Überlegung auch keine gute "Drückplatte" oder ähnliches eingefallen, da auch die Zylinderbewegung synchron ablaufen muss. Die Teile für die Schenkel müssten auch eine Eigenanfertigung sein. Viel zu aufwändig. Eine weitere Alternative dazu ist der Eigenbau-Druckluftzylinder:




Der Zylinder ist eine "Rennbahn" 150x50 und besteht aus 5mm Wandungen und 2x5 mm Druckplatte aus AW6061. Bei 8 Bar hält dieser das problemlos aus, bis auf den Stift in der Mitte. Dieser Eigenbauzylinder erfordert dennoch viel Arbeit und Aufwand. Die resultierende Kraft, die bei 8 Bar erreicht werden könnte liegt bei 5.16kN. Ich habe jedoch bedenken, dass sich der bewegliche Kolben aufgrund der geringen Führungslänge, ohne weitere Konstruktionsmaßnahmen schiefstellen könnte und somit nicht mehr funktionieren würde
Aus vorangehender Recherche kenne ich die "Hochkraftzylinder" oder die sog. "Tandemzylinder". Diese werden bei der Tormach, X2 oder diversen anderen Säulenfräsmaschinen verwendet (Stichwort: "Drawbar CNC"). Nun habe ich einen günstigen, passenden 3-Fach, D63 Festozylinder mit 15mm Hub gefunden: 
Der "FESTO ADVUT- 63-X3-15-P-A. 161142" erreicht bei 6 bar bereits F=5234N und wurde auf ebay.de für nur 50 € erworben. Der ADVUT (bis 2010 gebaut) ist der Vorgänger vom ADNH Zylinder. Ich empfehle einen ADVUT, da älter und deutlich mehr angeboten wird. Auch die CAD Modelle sind bei FESTO noch verfügbar.
Jetzt fehlt nur noch der Riemenspannermechanismus :-)

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