Modular High End Audio Amplifier Universal ChassisModularer High End Audio Verstärker Universalgehäuse

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AbstractEinleitung

In this article I share my experiance machining the universal chassis for my modular audio amplifier.

In diesem Artikel teile ich meine Erfahrungen mit der Berabeitung des Universalgehäuses für meinen modularen Audioverstärker.

Raw materialRohmaterial

Ich recherchierte einige Zeit um eine geeignete Grundlage für mein Gehäuse zu finden. Meine Marktanalyse zu Verstärkergehäusen teile ich in einem extra Artikel. Ich entschied mich für das Gehäuse Typ "WA68", welches in China hergestellt und auf Aliexpress angeboten wird.

CADKonstruktion

Leider sind Produkte, welche auf Aliexpress angeboten werden, nur sehr ungenau spezifiziert und selbst auf Nachfrage gibt es keine technischen Zeichnungen. Also kaufte ich ein Gehäuse und erstellte eine CAD Zeichnung in FreeCAD anhand dieses Musters. Anhand dieser Konstruktion plante ich dann die Integration der Module und erstellte Fertigungszeichnungen zur Bearbeitung des Gehäuses.

Milling and drilling the chassisFräsen und Bohren des Chassis

Das Gehäuse ist aus sehr weichem Aluminium gefertigt. Das ist gut zum Eloxieren aber etwas schwierig spanend zu bearbeiten da es strak schmiert und extrem langspahnig ist. Ein Freund ermöglichte mir, an einer NC Fräsmaschine arbeiten, was die Bearbeitung sehr vereinfachte. Theoretisch könnte man die Positionen der Bohrungen auch anreißen, körnen und auf einer Bohrmaschine bohren aber das ist aufwändiger und hinterlässt unschöne Spuren auf den Oberflächen.

Das Arbeiten an der Fräsmaschine war ein riesen Spaß. Das wollte ich schon immer mal machen. Der Umfang der mechanischen Ausbildung, die ich vor rund 25 Jahren erhielt, war sehr eingeschränkt und umfasste nur einen kleinen Umfang an Tätigkeiten, die dafür aber leider sehr ausführlich vertieft wurden.

Eine interessante Erkenntnis war, wie man auf einer Fräsmaschine Referenzen erzeugt: Zum einen gibt es die Möglichkeit, am Frästisch einen Anschlag anzubringen um daran das Werkstück parallel anlegen zu können. Zum anderen kann über Kantentaster die relative Position der Spindel zum Werkstück ermittelt werden. Ich wunderte mich schon immer, wie das funktioniert. Vorab eignete ich mir schon mal etwas Theorie an und erhielt vor Ort noch eine gute praktische Einweisung.

ToolsWerkzeuge

Alle Löcher wurden zuerst auf der Fräsmaschine mit einem Zentrierbohrer nach DIN 332 angebohrt und später auf der Bohrmaschine entsprechend auf- und tiefer gebohrt. Das führt zwar zu guter Präzision aber ist aufwändig da für ein Durchgangsloch mit 90° Senkung drei Arbeitsschritte plus Entgraten erforderlich sind. Ich besorgte mir inzwischen einen Kurzstufenbohrer nach DIN 1897, der die Anzahl der Arbeitsschritte auf nur einen plus Entgraten reduziert. Bei der Auswahl der Bohrer ist die kurze Bauform für hohe Präzision empfehlenswert. Kurzstufenbohrer gibt es auch in passendem Durchmesser für Gewindekernlöcher um auch hier einen Arbeitsschritt einzusparen.

Tapping the threadsGewinde schneiden

Grundlage für die hohe Vielseitigkeit des Gehäuses sind hunderte Löcher und Gewinde zur Befestigung von allerlei unterschiedlichen Modulen im Inneren. In beiden Kühlkörpern sind insgesamt 338 Gewinde zu schneiden. Ich besorgte mir einen dreiteiligen Satz Handgewindeschneider, einen Fertigschneider und einen Gewindeformer (nach DIN 371) um auszuprobieren, was letzlich am besten funktioniert. Die Kernlöcher bohrte ich mit 2,5 mm Durchmesser passend zum konventionellen Gewindeschneiden. Zudem kaufte ich eine Führungsvorrichtung für die Gewindebohrer für einen absolut rechtwinkligen Anschnitt sowie Gewindeschneidpaste.

Zuerst probierte ich aus, ob ich mit dem Fertigschneider in einem Arbeitsschritt das Gewinde fertigstellen kann. Das geht nur schlecht und fühlt sich nicht gut an. Die Torsionskraft ist hier gefühlt zu hoch und die Wahrscheinlichkeit eines Bohrerbruchs ziemlich hoch.

Mit dem Vorschneider aus dem dreiteiligen Handgewindeschneidersatz hatte ich ebenso keinen Erfolg. Dieser rutscht nach dem Schneiden einiger Gewindegänge durch da er nicht genügend Halt in den bisher geschnittenen Gewindegängen findet. Übrig bleibt nur ein größeres Loch. Die so beschädigten Löcher ließen sich durch den Gewindeformer retten und durch den Mittelschneider fertigstellen.

Letztlich war die erfolgreiche Methode, mit dem Mittelschneider aus dem dreiteiligen Handgewindeschneidersatz die Gewinde in einem Durchgang zu schneiden. Der Fertigschneider aus dem Satz erzeugt keinen nennenswerten Materialabtrag oder verbessere Gewindeeigenschaften mehr. Das resultierende Gewinde hat erstaunlich viel Spiel. Zu erwarten wäre, dass die Schraube in dem eigentlich nicht fertig geschnittenem Gewinde eher eng passt. Ich hoffe, dass die Belasbarkeit der Gewinde zur Montage von Leistungstransistoren ausreicht. Immerhin bohrte und schnitt ich die Gewinde sehr tief. Die 10mm Materialstärke des Kühlkörpers sichern nicht nur exzellente Wärmeleitung sondern auch genügend Material für tiefe Gewinde und erleichtern die Auswahl der Schraubenlänge.

Ich probierte auch den Gewindeformer der Marke "Format" aus. Gewindeformer können sehr teuer sein und dieser ist mit 10€ sehr günstig. Gewindeformer sind üblicherweise nicht als Handwerkzeug konzipiert, dieser funktioniert aber in Verbindung mit der Führungshülse wunderbar. Das Problem ist jedoch, dass die Kernlöcher für dieses Verfahren zu klein gebohrt waren. Laut Hersteller des Gewindeformers soll das Kernloch 2,8 mm Durchmesser haben. Für dieses weiche Aluminium würde ich es versuchsweise etwas kleiner wählen, vielleicht 2,7 mm Durchmesser. Bedingt durch das zu kleine Kernloch war die erreichbare Tiefe des Gewindes beschränkt. Das entstandene Gewinde zeigt ein deutlich kleineres Kernloch als die mit dem Mittelschneider hergestellten Gewinde und macht einen wesentlich belastbareren Eindruck. Für weiches Material wie Aluminium ist Gewindeformen das beste Verfahren. Ich erinnere mich an Probleme mit der Belastbarkeit von geschnittenen M3 Gewinden in 2mm starken Aluminiumblechteilen vor 15 Jahren. Schrauben drehten oftmals schon bei sehr geringem Anzugsmoment durch. Der Zulieferer der Blechteile stellte das Verfahren auf Gewindeformen um und die Probleme mit den Gewinden waren gelöst.

Zwischenzeitlich zog ich gewindefurchende Schrauben nach DIN 7500-1 in Betracht. Das wäre eine Option um nicht alle Gewinde schneiden zu müssen da bei Bedarf an gewünschter Stelle ein Gewinde durch die Schraube entstehen würde. Da ich aber keine gewindefurchenden Abstandsbolzen fand, verwarf ich diese Idee wieder. Für gewindefurchende Schrauben wäre ein Kernloch von 2,7 mm Durchmesser erforderlich. Eine weitere Problematik bei der Montage von Halbleitern mittels gewindefurchender Schrauben ist das Anzugsmoment. Ich vermute, dass die Schrauben schon einiges an Drehmoment zum Gewindefurchen benötigen und das nicht einfach vom tatsächlichen Anzugsmoment der Schrauben zu unterscheiden ist. Halbleitergehäuse aus Kunststoff sind empfindlich und bei der Montage sollte ein Drehmomentschlüssel verwendet werden um Beschädigung durch zu hohen Anzugsmoment zu vermeiden.

Die Gewindebohrer Führungshülse von GSR war eine sehr große Hilfe bei der Arbeit. Ein kostengünstiges Teil, welches Gewindeschneiden super einfach macht. Dieses Hilfsmittel sollte Bestandteil jedes Handgewindeschneidersatzes sein. In großen Mengen sind diese Führungshülsen für ein paar Cent pro Stück herzustellen.

Ebenso begeisterte mich das Gewindeschneidmittel auf Seifenbasis von GSR. Ich überlegte erst ob ich Maschinenöl, Waffenöl oder Speiseöl verwenden soll aber fand die Idee eines ölfreien, wasserlöslichen Schneidmittels attraktiv. Das Schneidmittel funktioniert super und lässt sich anschließend leicht abwaschen.

Nicht so begeistert war ich von dem kleinen Kunststoff-"Windeisen". Dies mag super sein für sehr feine Gewinde aber hatte für mich zwei Nachteile: Erstens ist es schwierig, damit genügend Kraft aufzuwenden. Schon nach den ersten Gewinden war mir klar, dass mir bald die Haut von den Fingern fallen würde wenn ich damit weiterarbeite. Zweitens ist der Kunststoff zu elastisch wodurch das Erfühlen des Zustands des Gewindebohrers unmöglich wird. Das klassische Windeisen war hier die bessere Wahl um einfach Kraft aufzubringen und ganz direkt zu fühlen, wie es dem Gewindebohrer geht. Damit habe ich alle Gewinde mühelos und schnell geschnitten. In Verbindung mit der super Führungshülse ist das ein sicheres Verfahren: Die Führungshülse erzwingt die korrekte Ausrichtung des Werkzeugs und über das Windeisen kann nur noch Torsionskraft ausgeübt werden da die Führungshülse alle anderen unerwünschten Kräfte minimiert. Ich habe bald gar nicht mehr hingesehen sondern nur nach Gefühl gearbeitet.