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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Reibrühr-Werkzeug gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, das insbesondere beim Reibrührschweißen sowie
beim sogenannten „Reibrühr-Processing" verwendet wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das
Reibrührschweißen oder „Friction
Stir Welding" (FSW)
wird bekanntlich zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik, in
der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt. Dieses
einfache, saubere und innovative Fügeverfahren zeichnet sich durch
sein hohes Automatisierungspotential sowie dem Wegfall des Erfordernisses
von Nieten aus, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden und
das Gewicht daraus hergestellter Strukturen reduziert wird.
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Beim
Reibrührschweißen, wie
es beispielsweise in WO 93/10935 beschrieben ist, werden bekanntlich
zwei miteinander zu verschweißende
Werkstücke
in Kontakt gebracht und in dieser Position gehalten. In den Verbindungsbereich
der Werkstücke wird
unter drehender Bewegung ein Schweißstift bzw. ein stiftförmiger Vorsprung
eines entsprechenden Werkzeuges eingeführt, bis eine oberhalb des Schweißstiftes
an dem Werkzeug angeordnete Schulter auf der Oberfläche der
Werkstücke
aufliegt. Dabei wird durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug
und Werkstücken
Reibungswärme
generiert, so dass benachbarte Werkstoffbereiche im Verbindungsbereich
einen plastifizierten Zustand einnehmen. Das Werkzeug wird während der
rotierende Schweißstift
in Kontakt mit dem Verbindungsbereich steht, entlang der Verbindungslinie
der Werkstücke vorwärts bewegt,
so dass der sich um den Schweißstift
befindende Werkstoff plastifiziert und anschließend konsolidiert. Bevor das
Material völlig
erhärtet, wird
der Schweißstift
aus dem Verbindungsbereich bzw. den Werkstücken entfernt. Durch die Schulter, die
während
des Schweißens
in Kontakt mit der Werkstückoberfläche ist,
wird zusätzliche
Reibwärme
erzeugt, und ein Entweichen plastifizierten Materials kann verhindert
werden.
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Materialien,
wie beispielsweise Metalle, deren Legierungen, Metallverbundmaterialien
(sogenannte MCCs) oder geeignete Kunststoffmaterialien, können auf
diese Weise als Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß-Verbindung
verschweißt
werden. Selbstverständlich
können
auch Punktverbindungen erzeugt werden, wobei eine Vorwärtsbewegung
des rotierend mit dem Verbindungsbereich in Kontakt stehenden Schweißstiftes
bzw. eine translatorische Relativbewegung zwischen rotierendem Schweißstift und
Werkstücken
entfällt.
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Die
Technik des Reibrührens
findet aber auch beim Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken Anwendung
und wird üblicherweise
als „Reibrühr-Processing" oder „Friction
Stir Processing" bezeichnet.
Dabei wird, wie oben beschrieben, ein stiftförmiger Vorsprung unter drehender
Bewegung in zumindest ein Werkstück
eingeführt
(d.h. es wird im Vollen geschweißt), um das Werkstückmaterial
wenigstens im Kontaktbereich des Schweißstiftes zu modifizieren. Zu
Reparaturzwecke wird der rotierende Schweißstift beispielsweise in einen
Riss eines Werkstückes
eingeführt,
um nur ein Anwendungsbeispiel zu nennen.
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Von
Nachteil sowohl beim Reibrührschweißen als
auch beim Reibrühr-Processing
ist jedoch, dass eine Schweißung
bzw. Bearbeitung von gekrümmten
Bauteilen, insbesondere sphärischen
Bauteilen, bisher ab bestimmten Radien nicht mehr realisiert werden
kann, da sich die Schulter nicht mehr abstützen kann bzw. bei konkaver
Bauteiloberfläche über der
Fügestelle
liegt. Gleiches gilt für
das Herstellen von Orbitalnähten,
wie sie z.B. beim Verbinden von Rohren, Halbschalen bzw. Halbkugeln
erzeugt werden. Ebenso können
bisher Bauteile mit einer andren beliebigen Oberflächen Kontur
(z.B. mit eckigen Aussparungen) nicht verschweißt oder bearbeitet werden.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Reibrühr-Werkzeug zu schaffen, mit
dem auch gekrümmte
Bauteile oder andersartig geformte Bauteile mit hoher Qualität verschweißt bzw.
bearbeitet werden können,
und Orbital-/bzw. Umfangsnähte
auf einfache Weise zuverlässig
hergestellt werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
In den davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Reibrühr-Werkzeug umfasst
einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper, an dessen antriebsabgewandtem
Ende eine Schulter vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem
Ende des Werkzeugkörpers
ein rotierbarer, stiftförmiger
Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter
aufweist, und zeichnet sich dadurch aus, dass die in Richtung Vorsprung
weisende Oberfläche
der Schulter formanpassbar ausgebildet ist. Dabei ist unter „in Richtung
antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers" zu verstehen, dass sich der rotierbare,
stiftförmige
Vorsprung von der Seite der Schulter, die dem Werkzeugkörper gegenüberliegt
bzw. vom Werkzeugkörper
wegweist, erstreckt.
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Der
zentrale Gedanke der Erfindung besteht darin, ein Reibrühr-Werkzeug
mit einer Schulter zu schaffen, deren in Richtung Vorsprung (bzw.
in Richtung Werkstück/e)
weisende Oberfläche
an die Kontur der zu verbindenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücke derart
anpassbar ist, dass sie sich an die Oberfläche der Werkstücke anschmiegt;
d.h. die Form der in Richtung Vorsprung weisenden Schulteroberfläche ist
veränderlich
konturierbar. Diese Eigenschaft soll durch den Begriff „formanpassbar" zum Ausdruck gebracht
werden.
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Zu
diesem Zweck ist die in Richtung Vorsprung weisende Schulteroberfläche derart
flexibel ausgebildet, dass sie sich entweder automatisch, d.h. von
selbst, beim Kontaktieren mit den zu verbindenden bzw. zu bearbeitenden
Werkstücken,
an deren Form anschmiegt, oder aktiv, d.h. durch Einwirken von außen (z.B.
mechanisch, hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch) gezielt verformt
werden kann, um an eine entsprechende Form der Werkstücke, insbesondere
eine gekrümmte
Form, angepasst zu werden.
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Dies
hat den Vorteil, dass die Schulteroberfläche auch beim Verbinden bzw.
Bearbeiten von ein- oder zweidimensional gekrümmten Bauteilen in Bereichen
vor, neben und hinter dem rotierenden, stiftförmigen Vorsprung an der Werkstückoberfläche aufliegt,
um in jeder Richtung axial zur Drehachse des rotierenden, stiftförmigen Vorsprungs
an der Werkstückoberfläche aufzuliegen,
um über
die gesamte Schulteroberfläche
wirksam ein axiales Entweichen von plastifiziertem Material zu verhindern.
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Bevorzugt
ist die in Richtung Vorsprung weisende Schulteroberfläche reversibel
verformbar; d.h., die Schulteroberfläche kehrt auch wieder in ihren,
meist unbelasteten, Ausgangszustand, mit beispielweise ebener, nicht
verformter Oberfläche über. Wird
z.B. der Vorsprung eines erfindungsgemäßen Reibrühr-Werkzeuges in ein Werkstück bzw.
in einen Verbindungsbereich von zwei aneinander liegenden Werkstücken unter
rotierender Bewegung und Krafteinwirkung eingeführt, wird die in Richtung Vorsprung weisende
Schulteroberfläche
zunächst
eine Ausgangsform aufweisen, sich aber, sobald die in Richtung Vorsprung
weisende Schulteroberfläche
in Kontakt mit dem Werkstück
tritt, sich an dessen Form anpassen, so dass sich die Schulteroberfläche an die Form
des Werkstückes
kontinuierlich, d.h. ohne Schlitze, Spalte oder Wellen, anschmiegt.
Wird das Werkzeug bzw. der Vorsprung wieder aus dem Werkstückmaterial
herausgezogen, nimmt die Schulteroberfläche wieder ihre Ausgangsform
an. Wie bereits voranstehend erwähnt,
ist es natürlich
auch möglich, die
in Richtung Vorsprung weisende Schulteroberfläche vor oder während des
in Kontakt bringen mit der Werkstückoberfläche aktiv, d.h. durch externe
Steuerung, gezielt zu verformen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Schulter einen in Richtung Vorsprung zumindest teilweise offenen
Trägerkörper, in
dem zumindest ein Element angeordnet ist, das axial verschiebbar
ist und/oder dessen zumindest in Richtung Vorsprung weisende Seite
nachgiebig ausgebildet ist. Auf diese Weise wird die eingangs beschriebene Formanpassbarkeit
realisiert, wobei unter axialer Verschiebung eine Verschiebung in
Längsrichtung, d.h.
entlang der Drehachse des Reibrühr-Werkzeuges,
zu verstehen ist. Dadurch wird gewährleistet, dass verschiedene
Bereiche der Schulteroberfläche, je
nach Anforderung, unterschiedlich in einer Richtung senkrecht zur
Schulteroberfläche
ausgelenkt werden können.
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Typischerweise
sind die Elemente im Trägerkörper den
stiftförmigen
Vorsprung konzentrisch umgebend angeordnet. Eine rotationssymmetrische
Anordnung bewirkt eine zuverlässige
Anpassbarkeit über
den gesamten Querschnitt der Schulteroberfläche.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten ersten Ausführungsform sind in dem Trägerkörper mehrere, axial
verschiebbare Elemente angeordnet, deren in Richtung Vorsprung weisende
Seiten die in Richtung Vorsprung weisende Schulteroberfläche bilden.
Zur Änderung
der Kontur der Schulteroberfläche
kann somit jedes einzelne Element axial verschoben werden, wobei
die Elemente beispielsweise aus Metall, Keramik oder Verbundwerkstoffmaterial
mit festen, d.h. nicht nachgiebigen Außenkonturen, bestehen. Selbstverständlich ist
es nicht ausgeschlossen, zusätzlich
die in Richtung Vorsprung weisenden Seiten der Elemente nachgiebig
auszubilden. Dies ist jedoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden.
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Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung sind die Elemente typischerweise als stiftförmige Segmente
ausgebildet, deren Längsrichtungen
im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufen. Die Querschnitte
der stiftförmigen
Segmente bilden dabei vorzugsweise den Vorsprung konzentrisch umgebende
Kreisringe, wobei durch die in Richtung Vorsprung weisenden Seiten
der stiftförmigen
Segmente eine quasi kontinuierliche Fläche gebildet ist. Diese quasi
kontinuierliche Fläche
stellt dabei die Schulteroberfläche
dar, wobei sehr gute Formanpassbarkeit gewährleistet, da die Schulteroberfläche an jedem
Punkt der Schulteroberfläche
in axialer Richtung auslenkbar ist.
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Hierzu
ist es vorteilhaft, dass jedes Element einzeln, d.h. individuell,
ansteuerbar ist, um dessen axiale Verschiebung hervorzurufen. Dies
kann mechanisch, hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder auf eine
andere geeignete Weise erfolgen. Bevorzugt ist jedes Element über ein
in axialer Richtung nachgebendes Federelement mit dem Trägerkörper verbunden.
Dadurch wird auf einfache Weise eine passive Formanpassbarkeit der
Schulteroberfläche
gewährleistet,
da jedes einzelne Element, wenn es in Kontakt mit der Werkzeugoberfläche gebracht
wird, in axialer Richtung nachgeben kann, um so die Schulteroberfläche, die
sich aus den einzelnen in Richtung Vorsprung weisenden Seiten der
vorzugsweise stiftförmigen
Elemente zusammensetzt, an die Form der Werkstückoberfläche anzupassen.
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Gemäß einer
alternativen, zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist in dem Trägerkörper zumindest
ein frei formbarer Körper
angeordnet. Der frei formbar Körper
ist insbesondere ein Fluidkissen, kann aber auch ein anderer ballonförmiger Körper oder
ein elastisches bzw. nachgiebiges Material sein, der bzw. das dennoch
gewährleistet,
dass durch die Schulter ein ausreichender Druck auf die zu verbindenden
bzw. zu bearbeitenden Werkstücke
ausgeübt wird,
um während
des FSW-Prozesses eine Spaltbildung zwischen Schulter und Werkstückoberfläche zu verhindern,
so dass kein plastifiziertes Material (z.B. in radialer Richtung)
entweichen kann. Es ist aber auch eine Anordnung möglich, bei
der zwei mit unterschiedlichen Radien ringförmig ausgebildete frei formbare
Körper
konzentrisch um den Vorsprung angeordnet sind. Selbstverständlich sind
auch viele andere Möglichkeiten
denkbar.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
ist es insbesondere zweckmäßig, dass
die in Richtung Vorsprung weisende Seite des zumindest einen frei formbaren
Körpers
die in Richtung Vorsprung weisende Schulteroberfläche bildet.
Durch die Nachgiebigkeit des frei formbaren Körpers, insbesondere dessen
in Richtung Vorsprung weisenden Seite, ist es über die gesamte Fläche der
Schulteroberfläche möglich, deren
Form bzw. Kontur zu verändern.
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Die
zweite Ausführungsform
kann ferner derart modifiziert werden, dass in dem Trägerkörper zwischen
dem zumindest einen frei formbaren Körper und dem offenen Ende des
Trägerkörpers zusätzlich lose
Füllkörper angeordnet
sind, die zumindest in axialer Richtung verschiebbar sind, und durch
die die in Richtung Vorsprung weisende Schulteroberfläche gebildet
wird. Die losen Füllkörper sind
dabei in dem Trägerkörper verschiebbar
angeordnet, so dass sie beim in Kontakt treten mit einem Werkstück sich
an dieses – die
Kontur der Werkstückoberfläche nachbildend – anpassen.
Derartige lose Füllkörper sind
insbesondere Kugeln aus Hartmetall, Keramik oder Kunststoff und
weisen typischerweise einen Durchmesser von 0,1 bis 5 mm auf.
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Ferner
ist es zweckmäßig, sowohl
bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung, das
zumindest teilweise offene Ende des Trägerkörpers durch ein flexibles Material,
beispielsweise ein nachgiebiges Blech, abzuschließen. Dieses
flexible Material kann zusätzlich,
zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung weisenden Seite, mit
einer reibungsmindernden oder einer den Verschleißwiderstand
erhöhenden
Beschichtung versehen sein. Eine solche Beschichtung kann natürlich auch
direkt auf die in Richtung Vorsprung weisenden Seiten der insbesondere
stiftförmigen
Elemente (s. erste Ausführungsform)
sowie auf die zumindest in Richtung Vorsprung weisende Seite des
frei formbaren Körpers
(s. zweite Ausführungsform)
aufgebracht werden.
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Das
erfindungsgemäße Reibrühr-Werkzeug wird
insbesondere beim Reibrührschweißen oder beim
sogenannten Reibrühr-Processing
(d.h. zur Reparatur, Bearbeitung oder Veredelung von Werkstücken) verwendet.
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KURZE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
exemplarischen Beschreibung verschiedener, erfindungsgemäßer Ausführungsformen
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen. Es zeigt:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Reibrühr-Werkzeuges gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
Modifikation des in 1 dargestellten Reibrühr-Werkzeuges;
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3 eine
schematische Schnittansicht eines Reibrühr-Werkzeuges gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung in einem Ausgangszustand;
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4 das
in 3 dargestellte Reibrühr-Werkzeug in einem Schweiß- bzw.
Bearbeitungszustand;
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5 eine
Modifikation des in 4 dargestellten Reibrühr-Werkzeuges;
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6 eine
weitere Modifikation des in 3–5 dargestellten
Reibrühr-Werkzeuges; und
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7 Querschnittsansichten
der in Zusammenhang mit 1 und 2 bzw. 6 beschriebenen
Werkzeugschulter.
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In
den Figuren sind gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern
bezeichnet. Einander entsprechende Komponenten sind mit einer um
einen Faktor 10 erhöhten
Bezugsziffer bezeichnet.
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BESCHREIBUNG
BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Schnittansicht in Längsrichtung
eines rotationssymmetrischen Reibrühr-Werkzeuges 1 gemäß einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung. Das Reibrühr-Werkzeug 1 umfasst
bekanntlich einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper 2,
an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter 3 vorgesehen
ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers 2,
d.h. in Richtung des mit „A" gekennzeichneten
Pfeils, ein rotierbarer, stiftförmiger
Vorsprung 4 erstreckt, der einen kleineren Durchmesser
als die Schulter 3 aufweist. Mit anderen Worten, der stiftförmige Vorsprung 4 erstreckt sich
von der Seite der Schulter 3, die dem Werkzeugkörper 2 gegenüberliegt
bzw. von diesem weg weist.
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Typischerweise
ist der stiftförmige
Vorsprung 4 einstückig
mit dem Werkzeugkörper 2 ausgebildet, und
bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist
die Schulter 3, die als separate Komponente ausgebildet
ist, rotationssymmetrisch um den stiftförmigen Vorsprung 4 angeordnet.
Dadurch ist ein einfacher Zusammenbau des Reibrühr-Werkzeuges 1 möglich, z.B.
durch Aufschieben der Schulter 3 auf den stiftförmigen Vorsprung 4 entgegen
der mit „A" bezeichneten Richtung.
Dies gewährleistet
auch ein einfaches Auswechseln der Schulter 3. Zudem kann die
Schulter 3 separat angesteuert werden, d.h. unabhängig von
der Rotation des Vorsprungs 4 bzw. der Rotation des Werkzeugkörpers 2.
Das erfindungsgemäße Reibrühr-Werkzeug
kann dabei mit stehender Schulter (d.h. Drehzahl n = 0) betrieben
werden oder mit typischen Drehzahlen zwischen 5 und 5000 rpm.
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Die
in 1 dargestellte Schulter 3 ist derart ausgebildet,
dass sich die in Richtung Vorsprung 4 weisende Schulteroberfläche 5,
die in 1 schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt
ist, an die Form, insbesondere an die Oberflächenkontur des Werkstückes 100,
automatisch, d.h. beim in Kontakt bringen von Schulteroberfläche 5 und
Werkstückoberfläche, anpasst.
Zu diesem Zweck ist in einem Trägerkörper 6,
der beispielsweise aus Metall, Keramik, Verbundwerkstoffmaterial
oder ähnlichem besteht,
eine Vielzahl von Elementen 7 angeordnet, wobei jedes einzelne
Element 7 in axialer Richtung, die in 1 durch
einen Doppelpfeil gekennzeichnet ist, verschiebbar ist. Die in Richtung
Vorsprung 4 weisenden Seiten 8 der einzelnen Elemente 7 bilden
dabei die Schulteroberfläche 5.
Die Elemente 7 sollten möglichst dicht nebeneinender
angeordnet sein, so dass quasi ein kontinuierliche, d.h. durchgehende, Schulteroberfläche 5 entsteht.
Wenn zwischen den einzelnen Elementen 7 zu große Spalte
oder Schlitze vorhanden sind, kann ggf. plastifiziertes Material
in diese Spalte und Schlitze entweichen, was von Nachteil ist.
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Vorzugsweise
bestehen die einzelnen Elemente 7 aus festem, d.h. nicht
nachgiebigem oder verformbarem, Material (z.B. Metall, Keramik oder Verbundwerkstoffmaterial).
Die axiale Verschiebbarkeit der einzelnen Elemente 7 wird
auf besonders einfache Weise dadurch realisiert, dass jedes einzelne
Element 7 über
ein in axialer Richtung nachgebendes Federelement 9 an
der oberen, d.h. der in Richtung Werkzeugkörper 2 weisenden Seite
des Trägerkörpers 6 angeordnet
ist. Wenn das Reibrühr-Werkzeug 1 mit
rotierendem Vorsprung 4 in das Werkstück 100 so weit eingeführt wird,
bis Schulteroberfläche 5 und
Werkzeugoberfläche
in Kontakt miteinander sind, wird sich die Schulteroberfläche 5 an
die Form bzw. an die Kontur der Werkzeugoberfläche anpasst, in dem sich jedes
einzelne Element 7 derart in axialer Richtung verschiebt,
dass die in Richtung Vorsprung 4 weisende Seite 8 eines
jeden Elements 7 an der Oberfläche des Werkstückes 100 anliegt,
um eine kontinuierliche, sich an die Werkstückoberfläche 100 anschmiegende
Schulteroberfläche 5 zu
bilden. Dabei verändert
sich die Form der in Richtung Vorsprung 4 weisenden Seiten 8 der
Elemente 7 in der Regel nicht, ist aber nicht grundsätzlich ausgeschlossen.
Eine Modifikation mit nachgiebigen Elementseiten 8 – analog
zur zweiten Ausführungsform – ist prinzipiell
möglich,
jedoch mit Zusatzaufwand verbunden.
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Die
Elemente 7 sind typischerweise als stiftförmige Segmente
ausgebildet, deren Längserstreckungen
im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufen. Wie aus der linken
Abbildung von 7 hervorgeht, die eine Querschnittsansicht
der in 1 dargestellten Schulter 3 zeigt, sind
die Elemente 7 derart konzentrisch um den Vorsprung 4 angeordnet,
dass durch die Querschnitte der Elemente 7 kreisringförmige Segmente
(in 7 durch Schraffur angedeutet) gebildet werden,
die den Vorsprung 4 konzentrisch umgeben.
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Zusätzlich kann
das in Richtung Vorsprung 4 weisende offene Ende des Trägerkörpers 6 durch
ein flexibles Material, beispielsweise ein elastisches, verbiegbares
Blech, abgeschlossen sein. Dies ist in 1 nicht
dargestellt, wird jedoch im Zusammenhang mit 5 nachstehend
noch genauer erläutert. Das
flexible Material kann zusätzlich,
zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung 4 weisenden
Seite mit einem reibungsmindernden oder den Verschleißwiderstand
erhöhenden
Beschichtung versehen sein.
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Die
im Zusammenhang mit 1 erläuterten Elemente 7,
können
selbstverständlich
auch eine andere Gestalt aufweisen bzw. auf andere Art und Weise
axial verschoben werden, beispielsweise durch Druckbeaufschlagung.
Die Druckbeaufschlagung, die in 2 durch
die mit „P" bezeichneten Pfeile
angedeutet ist, kann z.B. elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder
auf eine andere geeignete Art erfolgen. Auch hier ist es vorteilhaft,
jedes einzelne Element 7 getrennt von den anderen Elementen 7 zu
betätigen. Auf
diese Weise kann die Schulteroberfläche 5 aktiv, d.h.
durch äußere Steuerung,
vor oder während
des FSW-Prozesses auf eine bestimmte Form bzw. Kontur eingestellt
werden. Ansonsten ist die Wirkungsweise und Funktion wie im Zusammenhang
mit 1 beschrieben.
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3 zeigt
eine schematische Schnittansicht in Längsrichtung eines Reibrühr-Werkzeuges 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung. In 3 ist ein Ausgangszustand dargestellt, in
dem der stiftförmige
Vorsprung 4 noch nicht in Kontakt mit dem Werkstück 100 ist.
Das Reibrühr-Werkzeug 1 umfasst
einen Werkzeugkörper 2,
an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter vorgesehen ist,
die zur Unterscheidung von der Ausgestaltung gemäß 1, mit Bezugsziffer 30 bezeichnet ist.
Von der Schulter 30 erstreckt sich in Richtung antriebsabgewandtem
Ende des Werkzeugkörpers 2 der
rotierbare, stiftförmige
Vorsprung 4, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter 30 aufweist, wie
es bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform (1 und 2)
erläutert
wurde. Die Wirkungsweise und Funktion der Schulter 30 entspricht
wiederum der des ersten Ausführungsbeispiels.
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Wie 3 zu
entnehmen ist, weist die Schulter 30 einen zumindest teilweise
in Richtung Vorsprung 4 offenen Trägerkörper 60 auf, in dem
zumindest ein frei formbarer Körper 70,
insbesondere ein Fluidkissen, angeordnet ist. Anstelle von Fluidkissen können auch
andere Materialien verwendet werden, die einerseits nachgiebig oder
verformbar sind, andererseits jedoch gewährleisten, dass durch die Schulter 30 ein
ausreichender Anpressdruck auf das Werkstück 100 ausgeübt werden
kann, um ein sicheres Aufliegen der Schulter 30 auf der
Werkstückoberfläche zu gewährleisten.
Das Fluidkissen 70 kann beispielsweise ringförmig ausgebildet
sein und den Vorsprung 4 konzentrisch umgebend angeordnet
sein. Die in Richtung Vorsprung 4 weisende Seite 80 des frei
formbaren Körpers 70 bildet
dabei die Schulteroberfläche 50,
die in 3 wiederum gestrichelt dargestellt ist. Selbstverständlich können auch
mehrere frei formbare Körper
in dem Trägerkörper 60 auf
verschiedene Arten und Weisen angeordnet sein.
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Wird
das Reibrühr-Werkzeug 1 unter
rotierendem Vorsprung 4 in das Werkstück 100 eingeführt, wie
es in 4 dargestellt ist, verformt sich die Schulteroberfläche 50 beim
in Kontakt bringen mit der Werkstückoberfläche. Aufgrund der Nachgiebigkeit
des Fluidkissens 70 verformt sich dieses, insbesondere
dessen in Richtung Vorsprung weisende Seite 80, und schmiegt
sich kontinuierlich an die Oberfläche des Werkstückes 100 an.
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Sofern
keine gesonderte Halterung bzw. Befestigung für das Fluidkissen 70 im
Trägerkörper 60 vorgesehen
ist, kann das nach unten, d.h. das in Richtung Werkstück 100 weisende
Ende des Trägerkörpers 60 auch
durch ein flexibles Material 61, insbesondere ein verformbares
Blech, abgeschlossen sein (s. 5).
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In 6 ist
eine Modifikation der zweiten Ausführungsform dargestellt. In
dem Trägerkörper 60 sind
zusätzlich
lose Füllkörper 71 angeordnet,
die zwischen dem frei formbaren Körper 70 und dem offenen
Ende des Trägerkörpers 60 angeordnet
sind. Derartige lose Füllkörper sind
z.B. Kugeln aus Hartmetall, Keramik oder Kunststoff, die zumindest
in axialer Richtung verschiebbar sind. Dabei wird die Schulteroberfläche 50 durch
die losen Füllkörper 71 gebildet.
Die Anordnung gemäß 6 gewährleistet ebenso,
dass beim Einführen
des rotierenden Vorsprungs 4 sich die Oberfläche 50 der
Schulter 60 automatisch an die Form des Werkstückes 100 anpasst,
und kontinuierlich an der Oberfläche
des Werkstückes 100 anliegt.
Zusätzlich
kann, wie bereits im Zusammenhang mit 5 beschrieben,
das offene Ende des Trägerkörpers 60 mit
einem flexiblen Material abgeschlossen sein, das in 6 jedoch nicht
dargestellt ist.
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7 zeigt
in seiner rechten Abbildung eine Querschnittsansicht einer mit losen
Füllkörpern 71 befüllten Schulter 30.
Vorzugsweise sind losen Kugeln den stiftförmigen Vorsprung 4 konzentrisch
umgebend angeordnet, um so eine optimale Anpassung an gekrümmte Bauteile
zu gewährleisten.
Die losen Füllkörper 71 können dabei
je nach Position unterschiedliche Festigkeiten aufweisen und/oder
mit verschiedenen Drücken
beaufschlagt werden.
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- 1
- Reibrühr-Werkzeug
- 2
- Werkzeugkörper
- 3
- Schulter
- 4
- stiftförmiger Vorsprung
- 5
- Schulteroberfläche
- 6
- Trägerkörper
- 7
- Einzelelement
- 8
- Einzelelement-Oberfläche
- 9
- Federelemente
- 30
- Schulter
- 50
- Schulteroberfläche
- 60
- Trägerkörper
- 61
- fexibles
Material
- 70
- Fluidkissen
- 71
- Füllkörper
- 80
- Fluidkissen-Oberfläche
- 100
- Werkstück