DD222231A1 - Verfahren zur erweiterung des anwendungsgebietes von reibschweissmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Durchfuehrung thermischer oder chemisch-thermischer Verfahren der Waermebehandlung von Werkstuecken unter Verwendung von Reibschweissmaschinen. Die Erfindung dient zur Erweiterung des Anwendungsgebietes von Reibschweissmaschinen und ermoeglicht eine Waermebehandlung definierter Werkstueckabschnitte mit hohem energetischem Wirkungsgrad, ohne die Werkstueckoberflaeche einer Heizflamme aussetzen zu muessen. Dies wird erreicht, indem die Reibschweissmaschine zur Waermebehandlung mittels Reibungswaerme verwendet wird. Die Reibungswaerme entsteht bei der von der Reibschweissmaschine erzeugten Relativbewegung zwischen dem Werkstueck und einer der Werkstueckgeometrie angepassten Reibflaeche eines Reibwerkzeuges.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung thermischer oder chemisch-thermischer Verfahren der . Wärmebehandlung, wie z. B. Härten, Anlassen und Einsatzhärten, von Werkstücken unter Verwendung von . _;

Reibschweißmaschinen, die gegebenenfalls entsprechend dem neuen Anwendungsgebiet geeignet modifiziert sind. Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar zur Wärmebehandlung definierter Abschnitte rotationssymmetrischer Werkstücke. Ein spezieller Anwendungsfall besteht in der Wärmebehandlung der Fügezone reibgeschweißter Teile. Die Erfindung stellt damit die Erweiterung der Anwendungsmöglichkeit von Reibschweißmaschinen dar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, deren Ziel darin besteht, das Anwendungsgebiet von Reibschweißmaschinen zu erweitern. Derartige bekannte Verfahren betreffen vor allem Lösungen, um die Parameter des Schweißprozesses, entsprechend den Werkstoffeigenschaften der zu verschweißenden Werkstücke, optimal zu steuern, um ein Reibschweißen von Werkstücken mit komplizierten Geometrien oder um ein Reibschweißen mit Winkelpositionierung der Werkstücke zu ermöglichen. Entsprechende Lösungen sind z.B. in der DE-AS 1783196, DE-OS 2742788, DE-AS 2820613 und DE-OS 1956572 beschrieben. Diese Verfahren betreffen jedoch alle nur bestimmte Modifizierungen des beim Reibschweißen realisierten Grundprinzips. Vereinzelt sind auch Verfahren bekannt, bei denen der Reibschweißprozeß mit dem Entgratungsprozeß kombiniert wird, um mit geringem Fertigungsaufwand den durch den Stauchdruck erzeugten Schweißgrat zu entfernen (DE-AS 1752911). Bei diesem Verfahren übernimmt die Reibschweißmaschine zugleich auch die Funktion einer Drehmaschine. Ungeachtet der zahlreichen neuen Entwicklungen auf dem Gebiet der Reibschweißtechnik stellen jedoch Reibschweißmaschinen immer noch sehr spezialisierte Einrichtungen mit einem relativ beschränkten Anwendungsgebiet dar, die zumeist nur in der Großserien-Fertigung rentabel einsetzbar sind. Dieser Zustand ist vor allem deshalb so unbefriedigend, weil moderne Reibschweißmaschinen mit relativ universellen Werkstückspanneinrichtungen, Antriebsaggregaten und weitgehend automatisierten Steuer- und Meßeinrichtungen, z. B. zur Bestimmung der Werkstücktemperatur in der Schweißzone, ausgerüstet sind und teilweise für einen numerisch gesteuerten Fertigungsprozeß konzipiert sind.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, Reibschweißmaschinen unter Anwendung von Zusatzeinrichtungen für andere Fertigungsverfahren zu verwenden, um derartige Maschinen auch bei unzureichender Auslastung produktiv einzusetzen.

-2-258 414 3

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unter Einsatz von gegebenenfalls geeignet modifizierten Reibschweißmaschineri durchführbares Fertigungsverfahren zu finden, bei dem die für Reibschweißmaschinen typischen hohen Antriebsleistungen, ..die.bei Schwungradantrieb zumindest kurzzeitig verfügbar sind, effektiv genutzt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

•^ die Reibschweißmaschine, die vorzugsweise über einen Schwungradantrieb verfügt, unverändert oder mindestens unter ·', Verwendung ihrer wesentlichen Hauptfunktionsgruppen, wie z.B. Antriebssystem, Spannfutter u.a., zur Durchführung thermischer oder chemisch-thermischer Verfahren der Wärmebehandlung, wie z. B. Oberflächenhärten, Anlassen u.a., eines oder mehrerer definierter Abschnitte eines Werkstücks, z. B. den Lagerstellen einer Welle, mittels Reibungswärme verwendet wird, die bei der von der Reibschweißmaschine erzeugten Relativbewegung zwischen dem insbesondere abschnittsweise rotationssymmetrischen Werkstück und einer der Werkstückgeometrie angepaßten Reibfläche eines Reibwerkzeuges entsteht,

— der zur Erzeugung der Reibungswärme erforderliche Reibdruck in Abhängigkeit von der erforderlichen. Behandlungstemperatur, Erwärmungstiefe und Temperatur-Haltezeit nach einem vorgegebenen Zeitprogramrh, z. B. zur Erzeugung eines zeitlich pulsierenden Reibdruckes, gesteuert wird,.

— ein Verschweißen von Werkstück und Reibwerkzeug durch Verwendung geeigneter Werkstoffe, z.B. warmfeste Stähle, Sintermetalle, keramische Werkstoffe, für die Reibflächen des Reibwerkzeugs und/oder Zuführung geeigneter pulverisierter Feststoffe zwischen Werkstückoberfäche und Reibfläche vermieden wird,

— erforderlichenfalls an sich bekannte Aufkohlungs-, Nitrier- oder Karbonitriermittel vorzugsweise während der Relativbewegung auf die erwärmte Werkstückoberfläche aufgebracht werden, '

— zum Abschluß der Wärmebehandlung erforderliche Abkühlmittel vorzugsweise über im Reibwerkzeug angeordnete Zuführkanäle auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht vor allem darin, daß die Wärmebehandlung unter Nutzung vorhandener Anlagen weitgehend automatisiert und nach vorgegebenen Zeitprogrammen an definierten Werkstückabschnitten durchgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher auch z. B. im Anschluß an die Herstellung einer Reibschweißverbindung zur Wärmebehandlung der Fügezone und ihrer Umgebung angewendet werden. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß infolge der großen verfügbaren Antriebsleistung der Reibschweißmaschine zumindest kurzzeitig eine sehr hohe Wärmeleistung mit hohem energetischen Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann, ohne die Werkstückoberfläche einer Brenngas-Sauerstoff- bzw. Brenngas-Luft-Flamme auszusetzen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das Erzeugen der Reibwärme zwangsläufig mit einer mechanischen Bearbeitung der Werkstückoberfläche verbunden ist, was zumindest zur Glättung der Werkstückoberfläche beiträgt.

Das Erzeugen des Reibdruckes kann hydraulisch, pneumatisch, elektromagnetisch sowie mechanisch oder durch Kombination der genannten Möglichkeiten erfolgen. * .

Um den Energieaufwand so klein wie möglich zu halten, wird mit einer dem Werkstück und der Arbeitsaufgabe angepaßten Schwungmasse gearbeitet. Die Schwungmasse wird von einem Motor kleiner Leistung auf eine durch Werkstück und . Arbeitsaufgabe vorbestimmte Drehzahl gebracht. Nach dem Erreichen der vorbestimmten Drehzahl wird.der Motor abgekuppelt und das Werkstück eingekuppelt sowie der Reibdruck aufgegeben. Ist die vorbestimmte Erwärmungstiefe erreicht, dann wird das Werkstück abgekuppelt und der Motor wieder mit der Schwungmasse verbunden. Während des Werkstückwechsels bringt der Motor die Schwungmasse wieder auf die vorbestimmte Drehzahl. Bei nicht rotationssymmetrischen Werkstücken erfolgt die Erzeugung der Reibwärme durch eine oszillierende Relativbewegung zwischen Werkstück und Reibwerkzeug. Dabei kann sowohl das Reibwerkzeug als auch das Werkstück feststehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden. So kann es z.B. zweckmäßig sein, daß die Wärmebehandlung mittels Reibungswärme mit dem während der Relativbewegung erfolgenden Aufbringen von Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten kombiniert wird. Vorzugsweise erfolgt dies z. B. durch Diffusionsmetallisieren unter Verwendung z. B. chromhaltiger Substanzen, die mittels des Reibwerkzeugs unter Druck mit der behandelten Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht werden. Dieser Vorgang sowie die Wärmebehandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können in einer Druckkammer mit kontrollierter Gaszusammensetzung erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, einen unkontrollierten Zutritt der Umgebungsluft und/oder anderer Gase während der Behandlung zu vermeiden bzw. die Behandlung in einer geregelten Atmosphäre durchzuführen. Dies erfolgt, indem die zu behandelnde Werkstückoberfläche weitgehend vom Reibwerkzeug umschlossen wird und/oder ein geeignetes Gas, z. B. das Nitriergas selbst, der Werkstückoberfläche zugeführt wird. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Aufkohlungs-, Nitrier- oder Karbonitriermittel als Gas unter Drück zwischen der Werkstückoberfläche urid der vorzugsweise profilierten Reibfläche des Reibwerkzeugs eingeleitet. Es kann jedoch auch ein geeignete Gas unter Druck durch die als poröser Sinterwerkstoff ausgebildete Reibfläche zugeführt werden und/oder der Werkstoff der Reibfläche mit kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltigen Mitteln versetzt werden.

Eine besonders effektive Ausführungsform der Erfindung kann bei Werkstücken angewendet werden, deren Abweichung vom Sollprofii und/oder deren Rauhtiefe außerhalb der zulässigen Toleranzgrenze liegt. Bei derartigen Werkstücken erfolgt vor der Wärmebehandlung eine mechanische und/oder elektroerosive Bearbeitung vorzugsweise unter Verwendung eines entsprechend modifizierten Reibwerkzeugs, das z. B. mit justierbaren Reibflächen, Schleifkörpern und/oder Elektroden versehen ist. Im einfachsten Fall erfolgt dabei die mechanische Bearbeitung durch Abreiben.

-3- 258 414 3

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine modifizierte Reibschweißmaschine zur Realisierung des Verfahrens in Gesamtansicht.

Mit dem Ständer 1 fest verbunden ist der Motor 2. Die auswechselbare und versteilbare Schwungmasse 3 ruht auf dem Axiallager 14. Sie ist mit dem Flansch 11 verschraubt und mit dem Motor 2 mit Kupplung 6 verbunden. Über die Hohlwelle 15 und der Kupplung 7 ist sie mit dem Spannfutter 5 verbunden. Das in der Höhe verstellbare, auswechselbare und mit pulsierendem Reibdruck belastbare Reibwerkzeug 4 ist ebenfalls mit dem Ständer 1 verbunden. Die Vorrichtung zum Aufbringen des pulsierenden Reibdruckes ist in der zugehörigen Zeichnung nicht dargestellt. Die Absenkvorrichtung 9 dient zum Einlegen des Werkstückes 10 in das Spannfutter 5 und in die Hohlwelle 15 sowie zum Absenken des erwärmten Werkstückes in den das Abkühlmedium enthaltenden Behälter 8

Arbeitsweise der Anlage:

Während des Einlegens des Werkstückes 10 in das Reibwerkzeug 4, das Spannfutters und die Hohlwelle 15 ist das Spannfutter 5 von der Schwungmasse 3 abgekuppelt, aber die Schwungmasse 3 ist über die Kupplung 6 mit dem Motor 2 verbunden. Während des Werkstückeinlegens wird die Schwungmasse 3 auf die maximale Drehzahl gebracht. Ist das Einlegen des Werkstückes beendet und hat die Schwungmasse die maximale Drehzahl erreicht, dann wird die Schwungmasse über die Kupplung 6 vom Motor abgekuppelt und die Schwungmasse über die Kupplung 7 mit dem Spannfutter 5 verbunden. Dadurch wird das Werkstück 10 in Rotation versetzt und es entsteht an der Stelle des definiert angebrachten, pulsierend belasteten Reibwerkzeugs 4 die für die Wärmebehandlung notwendige vorbestimmte Temperatur und Erwärmungstiefe. Nach Erreichen der vorbestimmten Temperatur und Erwärmungstiefe wird das Spannfutter 5 von der Schwungmasse 3 abgekuppelt, die Schwungmasse über die Kupplung 6 wieder mit dem Motor verbunden und von neuem auf die maximale Drehzahl gebracht. Während dessen wird das Spannfutter gelöst, das erwärmte Werkstück in den Behälter mit dem Abkühlmedium abgesenkt und anschließend ein neues Werkstück eingelegt.

Die Schwungmasse 3 ist auswechselbar. Sie wird so bemessen, daß mit einem Zyklus die vorbestimmte Temperatur und Erwärmungstiefe erreicht wird. Aber auch mehrere Zyklen sind möglich. Sollen besonders harte, verschleißfeste dünne Oberflächenschichten erreicht werden, dann erfolgt die Zufuhr eines nicht schmierenden Härtemittels über das Reibwerkzeug 4 zu den aktivierten Oberflächen.

Claims (7)

1. -τ- 258 414 3

   Erfindungsansprüche:

   1. Verfahren zur Erweiterung des Anwendungsgebietes von Reibschweißmaschinen, gekennzeichnet dadurch, daß

   — die Reibschweißmaschine, die vorzugsweise über einen Schwungradantrieb verfügt, unverändert oder mindestens unter Verwendung ihrer wesentlichen Hauptfunktionsgruppen, wie z. B. Antriebssystem, Spannfutter u.a., zur Durchführung thermischer oder chemisch-thermischer Verfahren der Wärmebehandlung, wie z. B. Oberflächenhärten, Anlassen u. a., eines oder mehrerer definierter Abschnitte eines Werkstücks, z. B. den Lagerstellen einer Welle, mittels Reibungswärme verwendet wird, die bei der von der Reibschweißmaschine erzeugten Relativbewegung zwischen dem insbesondere abschnittsweise rotationssymmetrischen Werkstück und einer der Werkstückgeometrie angepaßten Reibfläche eines Reibwerkzeuges entsteht.

   — der zur Erzeugung der Reibungswärme erforderliche Reibdruck in Abhängigkeit von der erforderlichen Behandlungstemperatur, Erwärmungstiefe und Temperatur-Haltezeit nach einem vorgegebenen Zeitprogramm, z.B. zur Erzeugung eines zeitlich pulsierenden Reibdruckes gesteuert wird,

   — ein Verschweißen von Werkstück und Reibwerkzeug durch Verwendung geeigneter Werkstoffe, z. B. warmfeste Stähle, Sintermetalle, keramische Werkstoffe, für die Reibflächen des Reibwerkzeugs und/oder Zuführung geeigneter pulverisierter Feststoffe zwischen Werkstückoberfläche und Reibfläche vermieden wird,

   — erforderlichenfalls an sich bekannte Aufkohlungs-, Nitrier-oder Karbonitriermittel vorzugsweise während der Relativbewegung auf die erwärmte Werkstückoberfläche aufgebracht werden,

   — zum Abschluß der Wärmebehandlung erforderliche Abkühlmittel vorzugsweise über im Reibwerkzeug angeordnete Zuführkanäle auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmebehandlung mittels Reibungswärme mit dem während der Relativbewegung erfolgenden Aufbringen von Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten kombiniert wird, vorzugsweise z. B. durch Diffusionsmetallisieren unter Verwendung z. B. chromhaltiger Substanzen, die mittels des Reibwerkzeugs unter Druck mit der behandelten Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht werden.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmebehandlung in einer Druckkammer mit kontrollierter Gaszusammensetzung erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein unkontrollierter Zutritt der Umgebungsluft oder anderer Gase während der Behandlung vermieden wird bzw. die Behandlung in einer geregelten Atmosphäre erfolgt, indem die behandelte Werkstückoberfläche weitgehend vom Reibwerkzeug umschlossen wird und/oder ein geeignetes Gas, z. B. das Nitriergas selbst, der Werkstückoberfläche zugeführt wird. ⁽
5. 5. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Aufkohlungs-, Nitrier- oder Karbonitriermittel als Gas unter Druck zwischen Werkstückoberfläche und der vorzugsweise profilierten Reibfläche des Reibwerkzeugs eingeleitet wird, unter Druck durch die als poröser Sinterwerkstoff ausgebildete Reibfläche zugeführt wird und/oder der Werkstoff der Reibfläche mit kohlenstoff-und/oder stickstoffhaltigen Mitteln versetzt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmebehandlung bei Werkstücken, deren Abweichung vdm Sollprofil und/oder deren Rauhtiefe außerhalb der zulässigen Toleranzgrenze liegt, eine mechanische und/oder elektroerosive Bearbeitung vorzugsweise unter Verwendung eines entsprechend modifizierten Reibwerkzeugs, das z. B. mit justierbaren Reibflächen, Schleifkörpern und/oder Elektroden versehen ist, vorausgeht.
7. 7. Verfahren nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß die mechanische Bearbeitung durch Abreiben erfolgt.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung .....'