DE102009060138B4

DE102009060138B4 - Anordnung zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen

Info

Publication number: DE102009060138B4
Application number: DE200910060138
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Goldau Harald; Angela Kretzschmar; Steffen Münch; Christian Wünsch
Original assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL FH; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH)
Current assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL FH; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH)
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: DE102009060138A1

Abstract

Anordnung zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen, mindestens bestehend aus einer CNC-Werkzeugmaschine (2) mit einer in drei translatorischen Bewegungsachsen verfahrbaren Werkzeugaufnahme (1) und einem einen Antrieb zur Erzeugung der Reibdrehbewehung, einen Kraftsensor (11) und eine Werkstückspanneinrichtung (9) aufweisenden Reibschweißkopf (3), dadurch gekennzeichnet, dass • die Werkzeugaufnahme (1) der CNC-Werkzeugmaschine (2) mit einer Genauigkeit ≤ 5 μm positionierbar und mindestens entlang einer translatorischen Bewegungsachse mit einer dynamischen Bewegung > 0,5 g dynamisch bewegbar ist, • die Steuereinheit zur Steuerung der mit einer dynamischen Bewegung > 0,5 g dynamisch bewegbar translatorischen Bewegungsachse (z) als Einheit zur kraftgeregelten Steuerung der translatorischen Bewegung der Werkzeugaufnahme (1) in Richtung dieser Bewegungsachse (z) ausgebildet ist, • der Reibschweißkopf (3) an der Werkzeugaufnahme (1) angeordnet ist, wobei die Drehachse der Reibdrehbewegung in Richtung der translatorischen Bewegungsachse (z) der Werkzeugaufnahme (1) verläuft, die > 0,5 g dynamisch bewegbar ist und deren Steuereinheit zur kraftgeregelten Steuerung der translatorischen Bewegung der Werkzeugaufnahme (1) in Richtung dieser Bewegungsachse (z) ausgebildet ist, • die Steuereinheit der CNC-Werkzeugmaschine (2) zur Steuerung der Reibdrehbewegung des Reibschweißkopfes (3) ausgebildet ist und der Reibschweißkopf (3) Mittel aufweist, die eine Reibdrehzahl ≥ 3000 min–1, bevorzugt ≥ 20000 min–1, bei einer Abbremszeit bis zum Stillstand ≤ 0,5 s ermöglichen, • im Reibschweißkopf (3) im Hauptkraftfluss der Reib-, Stauch- und Haltekraft ein Kraftsensor (11) angeordnet ist und • die Messsignalausgänge des Kraftsensors (11) signaltechnisch mit den Eingängen der Steuereinheit zur Steuerung der translatorischen Bewegung der Werkzeugaufnahme (1) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen, insbesondere kreisrunder Querschnittsflächen mit einem Durchmesser zwischen 0,2 mm bis 3,5 mm, durch Gegeneinanderdrehen der zu verschweißenden Teile bzw. Querschnittsflächen.
Beim Reibschweißen der gattungsgemäßen Art, dem sogenannten Rotationsreibschweißen, werden die zu verschweißenden Bauteile während einer Reibphase mit einer vorbestimmten Kraft, der Vorschubkraft, gegeneinandergedrückt und solange gegeneinandergedreht, bis der Werkstoff in der Berührungszone verdrängt wird. Die Bauteile werden sodann in einer Stauch- und Haltephase mit einer ebenfalls vorbestimmten Kraft, der Stauchkraft, zusammengedrückt und so lange bzw. mit solcher Kraft zusammengedrückt gehalten, dass sich beim Abkühlen eine stoffschlüssige Verbindung beider Teile herausbildet. Die für den Prozeß notwendigen Parameter Vorschubkraft und Reibdrehzahl bestimmen sich aus der für das Umformen der Bauteile in der Berührungszone notwendigen Energie.
Zur Durchführung des Reibschweißens sind in der Praxis Reibschweißmaschinen üblich. Bekannt sind Reibschweißmaschinen sowohl mit horizontal als auch mit vertikal ausgerichteten Rotationsdrehachsen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Reibschweißmaschinen sind jedoch nicht zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen geeignet.
Darüber hinaus sind Reibschweißköpfe bekannt, die als Komponenten an Werkzeugmaschinen angeordnet werden können. Diese Reibschweißköpfe wirken als Funktionsträger des Prozessablaufes Reibschweißen und ermöglichen die Integration des Reibschweißens, beispielsweise in den Prozessablauf einer Fertigungsstraße (RSM400 Reibschweiß-System, Prospekt der Firma Harms & Wende GmbH & Co. KG). Sie verfügen über einen Antrieb zur Erzeugung der für den Reibschweißprozess erforderlichen Drehbewegung sowie Mittel zur Realisierung der Reib-, Stauch- und Haltekraft.
Aus der DE 10 2005 032 170 A1 ist weiterhin ein Rührreibschweißwerkzeug bekannt, das über eine Standardschnittstelle an einer Maschinenspindel eines konventionellen Bearbeitungszentrums montiert werden kann. In diesem Rührreibschweißwerkzeug sind im Wesentlichen Sensoren zur Erfassung der Schwingungen des Rührreibschweißwerkzeuges, der Bearbeitungskräfte sowie der Arbeitstemperaturen an der Schweißstelle angeordnet. Die für den Rührreibschweißprozess erforderlichen Bewegungen und Bearbeitungskräfte werden über die Maschinenspindel des Bearbeitungszentrums bereitgestellt.
Alle aus dem Stand der Technik bekannten Reibschweißmaschinen und Reibschweißköpfe sind jedoch nicht zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen, insbesondere kreisrunder Querschnittsflächen mit einem Durchmesser zwischen 0,2 mm bis 3,5 mm, bereitzustellen. Die Anordnung soll darüber hinaus kostengünstig und flexibel anwendbar sein sowie eine hohe Prozesssicherheit ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung zum Reibschweißen, die mindestens die Merkmale des 1. Anspruches aufweist, gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Anordnung eines besonders ausgebildeten Reibschweißkopfes an einer üblichen CNC-Werkzeugmaschine. Der Reibschweißkopf verfügt über besondere Merkmale für das Reibschweißen kleiner Bauteile. Für die Durchführung des Reibschweißprozesses werden sowohl die an der CNC-Werkzeugmaschine vorhandenen Komponenten zur Bewegung und Steuerung der Werkzeugaufnahme als auch ein im Reibschweißkopf angeordneten Kraftsensor sowie ein im Reibschweißkopf angeordneter Drehzahlsensor benötigt, wobei die Steuerung des Reibschweißprozesses durch die Steuereinheit der CNC-Werkzeugmaschine unter Einbeziehung der Signale des Kraftsensors und des Drehzahlsensors erfolgt. Die Steuerung der Vorschubbewegung für den Reibschweißprozess erfolgt kraftgeregelt durch die Steuereinheit der CNC-Werkzeugmaschine.
Der Reibschweißkopf weist einen für sehr hohe Drehzahlen und sehr kurze Abbremszeiten konzipierten Antrieb zur Erzeugung der Reibdrehbewegung auf. Es werden Reibdrehzahlen ≥ 3000 min^–1, bevorzugt ≥ 20000 min^–1, bei Abbremszeiten bis zum Stillstand der Reibdrehspindel ≤ 0,5 s realisiert.
Durch die Steuerung der CNC-Werkzeugmaschine wird die Vorschubbewegung des Reibschweißkopfes kraftgeregelt gesteuert, wobei zur Durchführung des Reibschweißprozesses Reib-, Stauch- und Haltekräfte zwischen 4 N bis 2500 N realisiert werden. Dazu werden die Signale des im Reibschweißkopf im Hauptkraftfluss der Reib-, Stauch- und Haltekraft angeordneten Kraftsensors der Steuereinheit der CNC-Werkzeugmaschine zugeleitet.
Zur Realisierung sehr kurzer Abbremszeiten umfasst der Reibschweißkopf bevorzugt neben der üblichen Motorbremsung durch Schalten des Antriebsmotors in den Generatorbetrieb eine zusätzliche Bremseinheit, beispielsweise eine servoelektrisch steuerbare Scheibenbremse. Durch das Zusammenwirken der Motorbremse und der zusätzlichen Bremseinheit können auch bei Reibdrehzahlen > 20000 min^–1 Abbremszeiten bis zum Stillstand der Reibdrehspindel ≤ 0,2 s realisiert werden.
Es ist zweckmäßig, am Reibschweißkopf eine Standardschnittstelle anzuordnen, mittels derer der Reibschweißkopf einfach an der Werkzeugaufnahme der CNC-Werkzeugmaschine angeordnet werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Die zugehörige 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung an einer Fünfachsen-CNC-Fräsmaschine.
Die Figur zeigt einen an der Werkzeugaufnahme 1 einer Fünfachsen-CNC-Fräsmaschine 2 angeordneten Reibschweißkopf 3. Die Werkzeugaufnahme 1 ist entlang der drei translatorischen Bewegungsachsen x, y, und z verfahrbar. Die Werkstückaufnahme 4 der Fünfachsen-CNC-Fräsmaschine 2 ist um die beiden rotatorischen Bewegungsachsen A und C drehbar. Die Werkzeugaufnahme 1 ist in Richtung der translatorischen Bewegungsachse z mit einer dynamischen Bewegung > 0,5 g dynamisch bewegbar und gegenüber der Werkstückaufnahme 4 mit einer Genauigkeit von ≤ 3 μm positionierbar. Der Reibschweißkopf 3 ist an der Werkzeugaufnahme 1 mittels einer Standardschnittstelle 5 so angeordnet, dass die Drehachse C₁ der Reibdrehbewegung in Richtung der translatorischen Bewegungsachse z verläuft.
Der Reibschweißkopf 3 verfügt zur Erzeugung der Reibdrehbewegung über einen als Schlankankermotor ausgeführten elektrischen Antrieb 6. Er besitzt eine servoelektrisch steuerbare Scheibenbremse 7, deren Bremsscheibe direkt auf der Welle 8 des Antriebes 6 angeordnet ist. An der Welle 8 des elektrischen Antriebes 6 sind weiterhin direkt eine Werkstückspanneinrichtung 9 sowie ein Drehzahlsensor 10 angeordnet. Im Hauptkraftfluss der Reib-, Stauch- und Haltekraft, also in Richtung der translatorischen Bewegungsachse z, ist im Reibschweißkopf 3 zwischen der Standardschnittstelle 5 und den weiteren Komponenten elektrischer Antrieb 6 und Werkstückspanneinrichtung 9 eine Kraftsensor 11 angeordnet.
Die Steuerung des Reibschweißprozesses erfolgt durch die Steuereinheit der Fünfachsen-CNC-Fräsmaschine 2. Die Steuereinheit der Fünfachsen-CNC-Fräsmaschine 2 ist signaltechnisch mit dem Drehzahlsensor 10 und dem Kraftsensor 11 verbunden. Ihr Steueralgorithmus ist so ausgeführt, dass die translatorische Bewegung der Werkzeugaufnahme 1 in Richtung der z-Achse kraftgeregelt erfolgt.
Zur Erzeugung einer Reibschweißverbindung zwischen dem Schneidteil 12 und dem Schaft 13 eines Mikrokugelfräsers mit einem Durchmesser von 1,3 mm wird folgender Prozessablauf mit folgenden Parameter realisiert.
Der Schneidteil 12 des Mikrokugelfräsers wird in der Werkstückspanneinrichtung 9 des Reibschweißkopfes 3 gespannt. Der Schaft 13 des Mikrokugelfräsers wird in der Werkstückaufnahme 4 der Fünfachsen-CNC-Fräsmaschine 2 gespannt. Beide Teile werden durch translatorisches Verfahren der Werkzeugaufnahme 1 in Richtung der x, y, und z-Achse sowie Drehen der Werkstückaufnahme 4 um die Rotationsachsen A und C zueinander lagegenau, d. h. mit einer Genauigkeit ≤ 5 μm, zueinander positioniert. In Richtung der z-Achse werden beide Teile 12, 13 mit einer Kraft von 4 N gegeneinandergedrückt. Die Querschnittsfläche zur Ausbildung der Reibschweißverbindung beträgt 1,32 mm².
Die Welle 8 des Reibschweißkopfes 3 wird auf die Reibdrehzahl N = 40000 min^–1 beschleunigt. Schneidteil 12 und Schaft 13 des Mikrokugelfräsers werden in Richtung der z-Achse in der zuvor eingestellten x-y-Linear- und A-C-Winkelposition gegeneinandergefahren und mit einer Reibkraft F₁ = 100 N gegeneinandergedrückt. Die entstehende Reibung erwärmt beide Werkstückteile 12, 13 im Bereich der Kontaktstelle. Teile des Werkstoffes beider Werkstückteile 12, 13 im Bereich der Kontaktstelle werden verdrängt. Nach einer Reibzeit t_R zwischen 0,1 s < t_R < 5 s wird die Reibdrehbewegung innerhalb einer Bremszeit t_B < 0,2 s vollständig abgebremst, gleichzeitig werden beide Werkstückteile 12, 13 mit einer Stauchkraft F₂ = 250 N gegeneinandergepresst. Die Stauchkraft F2 wird für eine Zeit t_H > 0,5 s gehalten. Schneidteil 12 und Schaft 13 des Mikrokugelfräsers sind verschweißt und können aus der Werkstückaufnahme 4 sowie der Werkstückspanneinrichtung 9 entnommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeugaufnahme
2: Fünfachsen-CNC-Fräsmaschine
3: Reibschweißkopf
4: Werkstückaufnahme
5: Standardschnittstelle
6: elektrischer Antrieb
7: Scheibenbremse
8: Welle
9: Werkstückspanneinrichtung
10: Drehzahlsensor
11: Kraftsensor
12: Schneidteil eines Mikrokugelfräsers
13: Schaft eines Mikrokugelfräsers
x, y, z: translatorische Bewegungsachsen
A, C: rotatorische Bewegungsachsen

Claims

Anordnung zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen, mindestens bestehend aus einer CNC-Werkzeugmaschine (2) mit einer in drei translatorischen Bewegungsachsen verfahrbaren Werkzeugaufnahme (1) und einem einen Antrieb zur Erzeugung der Reibdrehbewehung, einen Kraftsensor (11) und eine Werkstückspanneinrichtung (9) aufweisenden Reibschweißkopf (3), dadurch gekennzeichnet, dass • die Werkzeugaufnahme (1) der CNC-Werkzeugmaschine (2) mit einer Genauigkeit ≤ 5 μm positionierbar und mindestens entlang einer translatorischen Bewegungsachse mit einer dynamischen Bewegung > 0,5 g dynamisch bewegbar ist, • die Steuereinheit zur Steuerung der mit einer dynamischen Bewegung > 0,5 g dynamisch bewegbar translatorischen Bewegungsachse (z) als Einheit zur kraftgeregelten Steuerung der translatorischen Bewegung der Werkzeugaufnahme (1) in Richtung dieser Bewegungsachse (z) ausgebildet ist, • der Reibschweißkopf (3) an der Werkzeugaufnahme (1) angeordnet ist, wobei die Drehachse der Reibdrehbewegung in Richtung der translatorischen Bewegungsachse (z) der Werkzeugaufnahme (1) verläuft, die > 0,5 g dynamisch bewegbar ist und deren Steuereinheit zur kraftgeregelten Steuerung der translatorischen Bewegung der Werkzeugaufnahme (1) in Richtung dieser Bewegungsachse (z) ausgebildet ist, • die Steuereinheit der CNC-Werkzeugmaschine (2) zur Steuerung der Reibdrehbewegung des Reibschweißkopfes (3) ausgebildet ist und der Reibschweißkopf (3) Mittel aufweist, die eine Reibdrehzahl ≥ 3000 min^–1, bevorzugt ≥ 20000 min^–1, bei einer Abbremszeit bis zum Stillstand ≤ 0,5 s ermöglichen, • im Reibschweißkopf (3) im Hauptkraftfluss der Reib-, Stauch- und Haltekraft ein Kraftsensor (11) angeordnet ist und • die Messsignalausgänge des Kraftsensors (11) signaltechnisch mit den Eingängen der Steuereinheit zur Steuerung der translatorischen Bewegung der Werkzeugaufnahme (1) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (6) im Reibschweißkopf (3) zur Erzeugung der Reibdrehbewegung als Schlankankermotor ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Reibschweißkopf (3) eine Bremseinrichtung, bevorzugt eine servoelektrisch steuerbare Scheibenbremse (7) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass im Reibschweißkopf (3) ein Drehzahlsensor (11) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Reibschweißkopf (3) eine Standardschnittstelle (5) zur Anordnung an der Werkzeugaufnahme (1) aufweist.