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Die
Erfindung betrifft ein Rotationsreibschweißverfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Rotationsreibschweißanlage
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Bei
der Fertigung von Gasturbinen ist das Reibschweißen ein weitverbreitetes Fügeverfahren. Das
Reibschweißen
gehört
zu den sogenannten Pressschweißverfahren,
wobei man beim Reibschweißen
das sogenannte lineare Reibschweißen vom Rotationsreibschweißen und
dem sogenannten Rührreibschweißen unterscheidet.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft das sogenannte Rotationsreibschweißen, bei
welchem rotationssymmetrische Bauteile durch Reibung aneinander
gefügt
bzw. miteinander verbunden werden. Beim Rotationsreibschweißen rotiert
ein erstes Bauteil, wohingegen das andere Bauteil stillsteht und
mit einer bestimmten Kraft gegen das rotierende Bauteil gedrückt wird. Hierbei
passen sich Fügeflächen der
miteinander zu verbindenden Bauteile durch Warmverschmieden aneinander
an.
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Beim
Verbinden von zwei rotationssymmetrischen Bauteilen mithilfe des
Rotationsreibschweißens
ist es von Bedeutung, dass die beiden miteinander zu verbindenden
Bauteile nach dem Rotationsreibschweißen exakt zueinander ausgerichtet
sind. Hierzu gehört
einerseits, dass die Längsmittelachsen der
beiden miteinander zu verbindenden Bauteile aufeinanderliegen bzw.
zusammenfallen, und dass andererseits in Umfangrichtung der rotationssymmetrischen
Bauteile eine vorgegebene Relativstellung bzw. Winkelstellung zwischen
den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen eingehalten ist.
Das Einhalten der in Umfangsrichtung der rotationssymmetrischen
Bauteile vorgegebenen Winkelstellung zwischen den beiden miteinander
zu verbindenden Bauteilen bezeichnet man auch als Clocking. Handelt es
sich bei den miteinander zu verbindenden, rotationssymmetrischen
Bauteilen um integral beschaufelte Rotorscheiben, um sogenannte
Blisks (bladed disks), so wird die Relativstellung in Umfangsrichtung durch
die gewünschte
relative Schaufelstellung der beiden integral beschaufelten Rotoren
vorgegeben. Gerade bei der Verbindung von integral beschaufelten
Rotorscheiben zur Herstellung von sogenannten Blisktrommeln ist
die Einhaltung der in Umfangsrichtung vorgegebenen Relativstellung
bzw. Winkelstellung von entscheidender Bedeutung.
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Die
US 5,858,142 offenbart ein
Rotationsreibschweißverfahren,
bei welchem die Einhaltung der vorgegebenen Relativstellung bzw.
Winkelstellung in Umfangsrichtung der miteinander zu verbindenden
Bauteilen, also das sogenannte Clocking, durch gezieltes Abbremsen
des rotierenden Bauteils rea lisiert wird. Der Nachteil des Rotationsreibschweißverfahrens
gemäß
US 5,858,142 liegt unter anderem
darin, dass beim Abbremsen des rotierenden Bauteils hohe Momente
wirken, was zu einem Verwinden der gesamten Rotationsreibschweißanlage
und damit zu einer reduzierten Genauigkeit der mithilfe des Rotationsreibschweißens hergestellten Verbindung
führen
kann. Weiterhin ist die Zeit, die zum Abbremsen des rotierenden
Bauteils benötigt wird,
relativ lange, sodass die Unsicherheit im Hinblick auf die einzuhaltende,
vorgegebene Relativstellung in Umfangsrichtung zwischen den miteinander zu
verbindenden, rotationssymmetrischen Bauteilen relativ hoch ist.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartiges Rotationsreibschweißverfahren und eine entsprechende
Rota- tionsreibschweißanlage
zu schaffen.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass das eingangs genannte Rotationsreibschweißverfahren durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß wird eine
Relativstellung in Umfangsrichtung und eine Abstauchung zwischen
den miteinander zu verbinden Bauteilen gemessen, wobei dann, wenn
eine vorgegebene Abstauchung und eine vorgegebene Relativstellung
erreicht ist, das stillstehende Bauteil derart freigegeben wird,
dass es zusammen mit dem drehend bewegten Bauteil rotiert.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach vorgeschlagen,
dass bei Erreichen einer vorgegebenen Abstauchung sowie Relativstellung
in Umfangsrichtung zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen
das stillstehende Bauteil freigegeben wird, sodass es zusammen mit
dem drehenden Bauteil rotieren kann. Hieraus folgt unmittelbar,
dass zum Abbremsen keine Momente abgefangen werden müssen. Hieraus
ergibt sich der Vorteil, dass sich die Rotationsreibschweißanlage
nicht mehr verwindet. Die Genauigkeit der mithilfe des Rotationsreibschweißens hergestellten
Verbindung kann dadurch erhöht
werden. Weiterhin kann im Sinne der hier vorliegenden Erfindung
die sich beim Rotationsreibschweißen einstellende Abstauchung
zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen genau eingestellt
werden. Auch hierdurch erhöht
sich die Qualität
des Rotationsreibschweißens.
Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung ist es möglich, fertig
bearbeitete, integral beschaufelte Rotorscheiben durch Rotationsreibschweißen zu sogenannten
Blisktrommeln miteinander zu verbinden.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt dann, wenn
beide Bauteile miteinander verbunden sind und gemeinsam rotieren,
eine zusätzliche
Abstauchung. Hierzu werden die beiden miteinander verbundenen und
gemeinsam rotierenden Bauteile mit einer bestimmten Kraft aneinander gedrückt.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Er- findung
werden, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
schematisierte Darstellung einer Rotationsreibschweißanlage;
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2 eine
Verbindungsnaht zwischen zwei miteinander verbundenen Bauteilen;
und
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3 ein
schematisiertes Detail aus einer erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage,
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4 dasselbe
Detail wie 3 in einem anderen Betriebszustand.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Rotationsreibschweißanlage 10 zum
Fügen zweier Bauteile 11 und 12,
wobei sich zwischen den Bauteilen 11 und 12 beim
Rotationsreibschweißen
die in 2 vergrößert dargestellte
Verbindungsnaht 13 ausbildet. Die in 1 dargestellte
Rotationsreibschweißanlage 10 nach
dem Stand der Technik verfügt über eine
erste Spindel 14 und eine zweite Spindel 15. Auf
der ersten Spindel 14 ist das Bauteil 11 und auf
der zweiten Spindel das Bauteil 12 der miteinander zu verbindenden
Bauteile 11 und 12 angeordnet bzw. gelagert. Hierzu
sind den Spindeln 14 und 15 jeweils Spanneinrichtungen 16 und 17 zugeordnet.
Mithilfe der Spanneinrichtungen 16 und 17 sind
die miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 auf
der jeweiligen Spindel 14 bzw. 15 befestigbar.
Der ersten Spindel ist mindestens ein Schwungmassenkörper 23 zugeordnet.
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Um
nun die beiden Bauteile 11 und 12 mithilfe des
Rotationsreibschweißens
miteinander zu verbinden, wird das auf der ersten Spindel 14 gelagerte Bauteil 11 im
Sinne des Pfeils 18 drehend bewegt, wobei das auf der zweiten
Spindel 15 gelagerte Bauteil 12 im Sinne des Pfeils 19 mit
einer Kraft gegen das Bauteil 11 gedrückt wird. Die Relativrotation
zwischen den Bauteilen 11 und 12 sowie diese Kraft
erzeugen eine Reibung und damit Erwärmung der beiden Bauteile 11 und 12 an
Kontaktflächen
bzw. Fügeflächen 21, 22 derselben.
Hierbei erfolgt an den Kontaktflächen
bzw. Fügeflächen 21, 22 ein
Warmverschmieden des Werkstoffs der Bauteile 11 und 12. Hierbei
bildet sich die in 2 schematisiert dargestellte
Verbindungswulst 20 aus.
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Bei
Verbindung der beiden Bauteile 11 und 12 ist es
von Bedeutung, dass die Längsachsen
bzw. Längsmittelachsen
der beiden Bauteile 11 und 12 nach dem verbinden
aufeinanderliegen bzw. zusammenfallen und demnach kein Versatz zwischen
den Längsaschen
vorliegt. Weiterhin sind die beiden Bauteile 11 und 12 derart
miteinander zu verbinden, dass in Umfangsrichtung der rotationssymmentrischen Bauteile 11 und 12 eine
vorgegebene Relativstellung bzw. Winkelstellung (ein sogenanntes
Clocking) zwischen den beiden Bauteilen 11 und 12 eingehalten ist.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird in einer ersten Stufe
des Rotationsreibschweißverfahrens
das auf der ersten Spindel 14 positionierte Bauteil 11 drehend
bewegt und das auf der zweiten Spindel 15 positionierte,
nicht-drehende Bauteil 12 wird mit einer vorbestimmten
Kraft gegen das drehende Bauteil 11 gedrückt. Hierbei
passen sich die Fügeflächen 21 und 22 der
miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 aneinander
an, es wird Abstauchung zwischen den miteinander zu verbindenden
Bauteile 11 und 12 realisiert und es bildet sich
eine Verbindungswulst 20 aus.
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Es
liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung einerseits die
Abstauchung und andererseits die Relativstellung in Umfangsrichtung
zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 während des
Rotationsreibschweißens
online zu überwachen.
Wird hierbei festgestellt, dass eine vorgegebene Abstauchung und
eine vorgegebene Relativstellung in Umfangsrichtung zwischen den miteinander
zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 erreicht ist,
so wird in einer zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahrens das
stillstehende Bauteil 12, welches auf der zweiten Spindel 15 angeordnet
ist, derart freigegeben, dass es zusammen mit dem rotierenden Bauteil 11 rotieren kann.
Dies wird dadurch realisiert, dass die zweite Spindel 15 freigegeben
wird und zusammen mit dem Bauteil 11 bzw. der ersten Spindel 14 rotieren
kann.
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Es
liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass dann,
wenn beide miteinander verbundenen Bauteile 11 und 12 gemeinsam
rotieren, ein Nachstauchen mit einer erhöhten Stauchkraft durchgeführt wird.
Hierzu werden die miteinander verbundenen und gemeinsam rotierenden
Bauteile 11 und 12 mit einer bestimmten Kraft
gegeneinander gedrückt.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass unmittelbar nach dem
Freigeben des stillstehenden Bauteils 12 bei Erreichen
einer vorbestimmten Abstauchung sowie Relativstellung zwischen den miteinander
zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 das Bauteil 11 bereits
mit der vollen Drehzahl der ersten Spindel 14 rotiert,
das zuvor stillstehende Bauteil 12 jedoch auf die Drehzahl
des bereits rotierenden Bauteils 11 beschleunigt werden
muss. Bei diesem Beschleunigen des zuvor stillstehenden Bauteils 12 auf
die Drehzahl des rotierenden Bauteils 11 wirken Trägheitskräfte. Aufgrund
dieser Trägheitskräfte unterliegt
die Relativstellung bzw. Winkelstellung in Umfangsrichtung zwischen
den miteinander zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 während der
Beschleunigung des zuvor stillstehenden Bauteils 12 einer Veränderung.
Diese Veränderung
wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung zur Bestimmung des Zeitpunkts,
zu welchem das zuvor stillstehende Bauteil 12 freigegeben
wird, berücksichtigt.
Abhängig von
den Massen der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 sowie
abhängig
von der Drehzahl des drehend bewegten Bauteils 11 wird
die Relativstellung zwischen den beiden Bauteilen 11 und 12 bestimmt,
bei welcher das zuvor stillstehende Bauteil 12 freigegeben
wird. Aus den Massen der miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 und
der Drehzahl des drehend bewegten Bauteils 11 kann auf die
Veränderung
der Relativstellung bzw. Winkelstellung zwischen den miteinander
zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 während der
Beschleunigung des zuvor stillstehenden Bauteils 12 geschlossen werden.
Aus einer vektoriellen Addition der Relativstellung zwischen den
miteinander zu verbindenden Bauteilen bei Freigabe des stillstehenden
Bauteils 12 und der Veränderung
der Relativstellung während der
Beschleunigungsphase des stillstehenden Bauteils 12 ergibt
sich die Relativstellung zwischen den Bauteilen 11 und 12 nach
Beendigung des Rotationsreibschweißens.
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Das
erfindungsgemäße Rotationsreibschweißverfahren
untergliedert sich demnach, wie bereits oben erwähnt, in zwei Stufen. In einer
ersten Stufe wird das Bauteil 11 drehend bewegt und das Bauteil 12 steht
still und wird mit einer vorbestimmten Kraft gegen das drehende
Bauteil 11 gedrückt.
Eine sich hierbei ausbildende Abstauchung sowie Relativstellung
in Umfangsrichtung der miteinander zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 wird
gemessen und überwacht.
Wird hierbei festgestellt, dass eine vorgegebene Abstauchung sowie
vorgegebene Relativstellung zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen
erreicht ist, so wird die zweite Stufe des erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahrens dadurch
eingeleitet, dass das stillstehende Bauteil 12 freigegeben
wird, sodass es zusammen mit dem drehenden Bauteil 11 rotieren
kann. Hierzu muss das zuvor stillstehende Bauteil 12 zuerst
auf die Drehzahl auf des rotierenden Bauteils 11 beschleunigt
werden. Darauffolgend wird ein Nachstauchen der miteinander verbundenen
und gemeinsam rotierenden Bauteile 11 und 12 durchgeführt. Die
Relativstellung bzw. Winkelstellung in Umfangsrichtung der miteinander zu
verbindenden Bauteile unterliegt dann keiner Änderung mehr. Die vorgegebene
Relativstellung bzw. Winkelstellung in Umfangsrich tung, bei welcher
die Freigabe des zuvor stillstehende Bauteils 12 erfolgt, ergibt
sich aus der gewünschten
Relativstellung bzw. Winkelstellung zwischen den beiden miteinander
zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 korrigiert
um den Betrag, um welchen sich die Relativstellung bzw. Winkelstellung
während
der Beschleunigung des zuvor stillstehenden Bauteils 12 auf
die Drehzahl des drehenden Bauteils 11 verändert.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird neben dem Rotationsreibschweißverfahren auch
eine neuartige Rotationsreibschweißanlage vorgeschlagen. Die
wesentlichen Details der erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahrens
liegen darin, dass die zweite Spindel 15, auf welcher das
stillstehende Bauteil 12 gelagert ist, über eine Halteeinrichtung blockiert
ist. Während
der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahrens
blockiert die Halteeinrichtung die zweite Spindel 15 und
hält diese
demnach fest. In der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahrens
hingegen gibt die Halteeinrichtung die zweite Spindel 15 frei,
sodass dieselbe rotieren kann.
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Die
Halteeinrichtung zum Blockieren sowie Lösen der zweiten Spindel 15 kann
zum Beispiel, wie in 3 und 4 dargestellt,
ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel
der 3 und 4 sind der zweiten Spindel 15 Permanentmagneten 24 und 25 zugeordnet.
Die Halteeinrichtung wird von Elektromagneten 26 gebildet,
die umpolbar ausgebildet sind. In der Darstellung der 3 sind
die Elektromagneten 26 derart gepolt, dass die zweite Spindel 15 blockiert
ist. In der Darstellung gemäß 4 hingegen
sind die Elektromagneten 26 umgepolt, sodass die zweite
Spindel 15 im Sinne des Pfeils 27 rotieren kann.
Nach dem Umpolen dient die magnetische Halteeinrichtung als Magnetlager.
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Zur Überwachung
der Abstauchung zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 sowie
zur Überwachung
der Relativstellung in Umfangsrichtung der miteinander zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 sind
der erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage
entsprechende Messeinrichtungen zugeordnet. Die beiden Spindeln 14 und 15 sind
vorzugsweise auf reibungsarmen Axiallagern, insbesondere auf Wälzlagern,
gelagert, sodass in der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahrens,
in welchem beide miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 mit
derselben Drehzahl rotieren, eine Stauchkraft zum Nachstauchen auf
die beiden Bauteile 11 und 12 aufgebracht werden
kann.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahren
sowie der erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage
können
fertig bearbeitete, integral beschaufelte Rotorscheiben mit der
richtigen Winkelorientierung zu Blisktrommeln verbunden werden.
Die Abstauchung zwischen den miteinander zu verbindenden, integral
beschaufelten Rotorscheiben kann dabei sehr genau eingestellt werden.
Die Gefahr einer Verdrehung der Rotationsreibschweißanlage
und damit Beeinträchtigung
der Verbindung zwischen den miteinander zu verbindenden integral
beschaufelten Rotorscheiben durch das Moment, das abgefangen werden
müsste,
wenn das zuvor stillstehende Bauteil nicht freigegeben würde, entfällt. Insgesamt
zeichnet sich demnach das erfindungsgemäße Rotationsreibschweißverfahren
durch eine sehr genaue Verbindung zwischen den miteinander zu verbindenden
Bauteilen und aus.
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- 10
- Rotationsreibschweißanlage
- 11
- Bauteil
- 12
- Bauteil
- 13
- Verbindungsnaht
- 14
- Spindel
- 15
- Spindel
- 16
- Spanneinrichtung
- 17
- Spanneinrichtung
- 18
- Pfeil
- 19
- Pfeil
- 20
- Verbindungswulst
- 21
- Fügefläche
- 22
- Fügefläche
- 23
- Schwungmassenkörper
- 24
- Permanentmagnet
- 25
- Permanentmagnet
- 26
- Elektromagnet
- 27
- Pfeil