F/A zur Festlagerung: “Ich verstehe die Festlagerung nicht”

Heini Mandl 26. Januar 20171. November 2022

Liebe Leser!

Eine Anfrage, die immer wieder kommt und augenscheinlich bei Einsteigern zu Verwirrung führt, ist jene, wie ein Festlager funktioniert, bzw. was dahinter steckt. Das möchte ich wiedereinmal hier im Blog zum Anlass nehmen, um es zu erklären – vermutlich schon oft, ich weiß es gar nicht mehr, wie oft, sei es per Mail, in Foren, oder auch hier im Blog. Ein Tipp: Es ist noch nie verboten, aber dafür sehr ratsam gewesen, sich bei den Profis einzulesen,

zB. hier: Mixware.de oder hier: Alte, ehemalige Seiten von Hermann Möderls “EMS-Möderl CNC-Shop)

Besonders im Hinblick auf meinen Aufschrei “In eigener Sache” vom 04. Jänner 2017 ist es mir auch ein spezielles Anliegen, Euch allen zu zeigen, wie umfangreich meine Antworten auf Anfragemails sind. Wobei mein Antwortmail hier noch eines von der kleineren Sorte ist :-).

Also los:

Michi aus der Schweiz hat folgende Frage an mich: “Ich kenne mich bei der Festlagerung nicht aus”.
Ich gebe hier meine heutige Antwort per Mail wieder (Dauer: Etwa zweieinhalb Stunden).

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Hallo Michi!

>„Ich glaube das werde ich dann auch machen, aber jetzt muss ich erst noch meinen neuen Fräsenraum fertig ausbauen, bevor ich mit dem Fräsenbau anfagen kann….“

Es hat einige Zeit gedauert, denn bei mir stapeln sich die Arbeiten und momentan habe ich auch noch ein größeres Projekt mit viel Arbeit (CAD-Zeichnen und Einzelteilfertigung von Teilen) am Hals. Da Du mir aber geschrieben hattest, daß Du ohnehin noch nicht in Eile bist, habe ich mir bis heute Zeit gelassen und komme nun endlich dazu, zu antworten. Ich hoffe, dass ich Dein damaliges Problem noch genau im Kopf habe, und die Antwort passend wird.

Also wenn ich das recht verstanden habe, dann kommt jeweils links und rechts der Mutter eine Tellerfeder?

Das ist falsch. Tellerfedern kommen nur auf eine Seite der Mutter, und zwar zwischen der Mutter und dem Kugellager. Zur Anzahl der Tellerfedern: Ich entscheide mich meistens für 2 Stück, manche nehmen aber drei. Tellerfedern werden so )) angeordnet, aber nie so () oder so )(. Wobei dann auch noch zwischen X- und O-Anordnung zu unterscheiden ist, siehe weiter unten. Die Sechskantmutter ziehst Du so fest an, dass die Tellerfedern noch „Arbeit“ haben dürfen, damit meine ich Spiel in beiden Richtungen. Also mache sie bitte nicht vollständig „platt“ (siehe auch weiter unten unter „Ergänzungen)“!

Ohne das jetzt zu zeichnen, kann ich das auch schematisch via Text wie folgt ausdrücken, wobei in diesem Beispiel ganz rechts die Kugelgewindespindel sein soll. Ich nenne das hier, weil ich mich noch mehrfach weiter unten darauf beziehen werde, mal „Versinnbildlichung“:

Wie montierst Du das alles (von rechts nach links):

Du steckst das 1. Schrägkugellager auf das Ende der KGS, und zwar schiebe es derart gut drauf, dass es ganz an das Ende der Wendelung ansteht (bitte beachte, dass Schrägkugellager 2 verschiedene Seiten haben und die Einbaurichtung nicht egal ist, siehe weiter unten).
Die Festlagerschale hat ein Loch fürs 2. Kugellager, aber mit einer Verjüngung auf einer Seite, und zwar soll diese Verjüngung zur äußeren, der Motor-Anschlussplatte zugewandten Seite zeigen. Bei meiner weiter oben fettgeschriebenen „Versinnbildlichung“ zeigt die Verjüngung daher nach rechts. Diese Verjüngung dient dafür, dass das 2. Kugellager nicht durchfallen kann und in der Festlagerschale drinnen bleibt. Du steckst in diese Festlagerschale das 2. Kugellager rein, und zwar so weit, dass es ganz drinnen ist und ansteht (auf dem „Verjüngungsring“ anliegt).
Dann steckst Du die Festlagerschale (gemeinsam mit diesem 2. Kugellager schon drinnen) auf die Kugelgewindespindel, und zwar so, dass die Verjüngung zum bereits aufgesteckten 1. Kugellager, also zur Wendel Deiner KGS zeigt, in meiner „Versinnbildlichung“ zeigt das also ebenfalls nach rechts.
Danach stecke 2 Tellerfedern drauf, und zwar so, dass die Tellerfedern mit deren inneren Ring auf dem inneren Ring des Kugellagers aufliegen und der äußere Ring der Tellerfeder an der Sechskantmutter aufliegt.
Schraube nun die erste (normal dicke) Sechskantmutter auf dieses Konstrukt und ziehe sie, wie ich weiter unten unter „Ergänzungen“ detailliert erkläre, vorsichtig an. Durch das Zuschrauben wird die Sechskantmutter auf die Tellerfeder Druck ausüben (sie „anspannen“) und das bewirkt weiterhin, dass die Tellerfeder den inneren Ring des Kugellagers Richtung Wendelung der KGS drückt. Durch diesen Vorgang ist die Festlagerschale zwischen den beiden Kugellagern fest eingespannt wie in einen Schraubstock und kann axial weder in die eine, noch in die andere Richtung ausweichen. Der KGS geht es genauso. Auf der einen Seite liegt sie mit dem Ende der Wendel am 1. Kugellager an, auf der anderen Seite wird die KGS über die Sechskantmutter gegen das 2. Kugellager gedrückt. Dadurch, dass die Sechskantmutter Druck Richtung der beiden Kugellager ausübt, werden automatisch die beiden Innenringe der zwei Kugellager gegen die Verjüngung gedrückt (Fachbegriff „ gegeneinander gestellt“) und so das Spiel zwischen Kugeln und „Kugellagerringen“ eliminiert. Das nennt man „Vorspannung“. Ohne Verjüngung wäre der Effekt nicht vorhanden (siehe mein Youtube dazu hier).
Jetzt schraube noch die 2., dünne Sechskantmuttern auf die 1. Sechskantmutter als Kontermutter drauf. Wenn Du die äußere, dünnere Mutter gegen die bereits fertig und genau eingestellte Mutter spannst, sitzen beide bombenfest und werden sich später einmal beim Fräsen nicht mehr von selbst lösen können. Achte aber bitte darauf, dass Du dabei nicht irrtümlich die schon genau eingestellte Mutter und damit den Druck auf die Tellerfedern nachträglich wieder veränderst.

Dazu ein Hinweis:

Bei mir ist das Feingewinde der KGS immer gerade lang genug, um eine Mutter mit normaler Dicke und eine dünne Mutter als Kontermutter draufzubekommen. Nicht nur bei mir, sondern bei allen KGS mit China Standard-Endenbearbeitungsmaßen ist das so.

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Fertig ist die ganze Angelegenheit! Ab Punkt 7 ist nur mehr Kosmetik zu machen und das hat mit der Montage des Festlagers auf die KGS nichts mehr zu tun. Das bis Punkt 6 erzeugte Konstrukt ist schon jetzt eine fertig eingestellte „vorgespannte“ Kombination KGS und Festlager. Zugegebenermaßen noch nicht so von großem Wert, weil ja die Montage an die Fräse auch noch folgen muss. Das liest Du ab Punkt 7 hier:

1. Dieses Konstrukt kannst Du schon auf die Anschlussplatte schrauben. Aber bitte noch nicht endfest anziehen, denn dieses Konstrukt wird sich ja später erst dadurch genau ausrichten, indem Du mit dem Portal (zunächst vorsichtig und mit lockerem Kugelmutterngehäuse) hin- und herfährst. Damit sich alles von selbst ausrichten kann, ist es sehr wichtig, dass die 4 Löcher, die in der Festlagerschale sind, grösser als der Durchmesser der Befestigungsschrauben sind. Ich würde da schon „1mm grösser“ empfehlen. Wenn Du Deine Fräse ungenau oder maschinenlos per Handarbeit baust, dann nimm bitte mehr als 1mm Toleranzgröße, oder halt so viel als möglich.

Der letzte Punkt ist dann, die Stepperhalterung zu montieren. Das große Loch in der Stepperhalterung auf der Seite der Motoranschlussplatte muss grösser sein als das 2. Kugellager, über das es gestülpt wird, auch hier wieder, 1mm oder mehr. Warum? Das Steppergehäuse trägt ja den Stepper und dessen Motorwelle muss axial genau über der KGS sein. Damit das so sein kann, muss das Steppergehäuse seitlich variabel sein. Wäre das Loch für das Kugellager grade noch groß genug fürs Darüberstecken, könntest Du seitlich nichts ausrichten.

SO, UND JETZT GEBE ICH ES ZU:
ICH HABE WEGEN DES BESSEREN VERSTÄNDNISSES IM SCHRITT „7“ GELOGEN!

Deswegen, um Dir zu versinnbildlichen, dass das Konstrukt eigentlich schon fertig ist und die Stepper und deren Halterungen bei der genauen Ausrichtung in keiner Weise eine Rolle spielen. Der Haken daran ist aber folgender:

Wenn Du das so machst und die Festlagerschalen/KGS-Kombination schon im Punkt 7 an die Anschlussplatte schraubst, dann bleiben Dir keine Befestigungslöcher mehr für die Stepperhalterung, denn die werden ebenfalls mit diesen Löchern mitgeschraubt. Daher korrigiere ich genauigkeitshalber den Schritt 7 wie folgt:

„ … Das fertige Konstrukt ist nun gemeinsam mit der Stepperhalterung auf die Anschlussplatte zu schrauben. Noch nicht endfest anziehen … usw.

Wichtige Ergänzungen:

Schrägkugellager haben auf einer Seite einen dünneren und auf der anderen Seite einen dickeren Außenring. Beim Verspannen dieser Schrägkugellager ist, wenn man wie bei der „Henriette 2“ vorgeht, immer jene Seite die Äußere, die die breiteren Lager-Außenringe hat. Warum schreibe ich „wenn man wie bei der Henriette 2 vorgeht“?: Ganz einfach, weil ich hier die Methode der O-Anordnung verwende (im Gegensatz zur X-Anordnung, die hier auch, aber wesentlich aufwändiger umsetzbar gewesen wäre). Von einer O-Anordnung spricht man dann, wenn die beiden Innenringe von 2 Schrägkugellagern gegeneinander angestellt sind, also so wie ich es oben erklärt habe.
Die Frage, welche und ob man 1, 2 oder 3 Tellerfedern verwenden soll, ist gar nicht so einfach zu beantworten. Das hängt davon ab, ob man zu den Tellerfedern Datenblätter hat, und ob man weiß, wieviel Kraft die ausüben sollen. Ich sage: Daumen mal Pi genügt! Sind die Tellerfedern zu stark eingestellt, hört man, später im Echtbetrieb, bald die Kugellager klackern, und das besonders erst dann, wenn sie warmgefahren sind. Dann ist es aber schon zu spät, denn dann sind die Kugellager meistens auch schon Schrott. Stellt man die Kraft der Tellerfedern zu locker ein, dann hat die KGS axiales Spiel und das Fräserergebnis ist schlecht. Wichtig ist auch immer, dass die Tellerfedern nicht bis zum Anschlag angeknallt sind. Warum? Bei Erwärmung oder Abkühlung müssen sie in beiden Richtungen nachgeben dürfen. Erfahrungsgemäß ist eine Tellerfeder zu wenig, 2 sind ganz gut, 3 wären besser (das ist eine schlicht unwissenschaftliche Schlussfolgerung, funktioniert aber blendend). 3 Stück passen aber fast nicht mehr auf das Konstrukt, weil das Feingewinde der chinesischen Standard-Endenbearbeitung zu kurz ist. Du könntest Dir damit behelfen, dass Du nicht nur eine, sondern beide gegenseitig gekonterten Sechskantmuttern in der dünnen Ausführung nimmst. Davon, nur eine Mutter zu nehmen und diese mit Schraubensicherungslack zu sichern, rate ich Anfängern ab. Manche verwenden auch selbstsichernde Muttern, damit habe ich aber keine Langzeiterfahrung. Bei Kurzzeittests haben sie bei mir aber funktioniert. Für ganz schlecht halte ich die Methode, die die Chinesen verwenden: Eine Maden- (Wurm-) Schraube radial durch die Sechskantmutter zu jagen, die auf das Feingewinde der KGS drückt. A) hält das ohnehin nicht sehr lange und rutscht bald durch, und B) ist Dein Feingewinde bald keines mehr.
Wie stellt man Festlager richtig ein:

So, wie ich es schon oft im Blog beschrieben habe, mit 2 Fingern und Gefühl. Dazu nimm das Konstrukt aus Punkt „5“, also bitte noch ohne Anschlussplatte und ohne Stepperhalterung. Vorzugsweise spanne die KGS leicht in den Schraubstock, damit Du Deine zwei Hände frei hast. Wenn Du also nach mehrfachem Herumprobieren die KGS mit 2 Fingern gerade noch, aber ohne enorme Kraft, drehen kannst, dann ist es richtig. Wichtig: Arbeite Dich vorsichtig von „zu locker“ hin zu „ideal“. Bitte möglichst nie in den Bereich „hart“, „fest“, „streng“ oder gar „sehr streng“ anziehen, dann sind die Kugelager nämlich schon beleidigt. Lieber anfangs zu locker und erst nach einigen Stunden praktischer Fräserfahrung nachstellen, ist meine Meinung. Denn fast alle Einsteiger, auch ich damals, machen den Fehler, dass sie die Kugellager über die Sechskantmuttern zu stark vorspannen, und zwar so, dass plötzlich bei warmgefahrener Fräse das gehasste Klackern da ist. Du kannst in diesem Moment dann stolz sagen: „Ja, es sind meine 2 Schrägkugellager, die gerade für immer über den Jordan gegangen sind“.
Als Anfänger hört man das unüberhörbar weiß aber vorerst nicht, was es ist. Damals tippte ich auf ein kaputtes Lager im Schrittmotor – gottseidank war es das nicht, sondern das nicht, sondern das chinesische Billigschrägkugellager.

So, ich hoffe, ich habe jetzt nichts vergessen!
Ich wünsche Dir viel Spaß beim Grübeln und bei weiteren Fragen melde Dich einfach

Liebe Grüße, Heini