DE102010034393A1

DE102010034393A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Reibschweißen

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Publication number: DE102010034393A1
Application number: DE201010034393
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Weber Christian-Toralf; Dr.-Ing. Goldau Harald; Dipl.-Ing. Behrend Christian
Original assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL FH; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH); INKRAFT INGENIEURGESELLSCHAFT fur KRAFTGEREGELTE ADAPTIVE FERTIGUNGSTECHNIK MBH
Current assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL FH; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH); Inkraft Ingenieurgesellschaft fur Kraftgeregelte Adaptive Fertigungstechnik Mbh
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reibschweißverfahren und eine ReibschweißvDEorrichtung, bei denen die Werkstücke (2, 3) in einer gemeinsamen Fügeebene (8) aufeinanderstoßen, zur Erzeugung von Reibungswärme in zueinander korrespondierenden Reibflächen (2a, 3a) der beiden Werkstücke (2, 3) unter axialem Druck „P” relativ zueinander in besagter Fügeebene (8) bewegt und zum Abschluss des Reibschweißverfahrens zur Erzeugung eines Stoffschlusses zwischen den Werkstücken (2, 3) in einer bestimmten Position, in der ein vorbestimmter Flächenpunkt oder ein Flächenmittelpunkt (9, 10) sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstücks (2, 3) definiert aufeinander zum liegen kommen, zueinander axial zusammengedrückt werden. Im Wesentlichen ist hierbei vorgesehen, dass das erste Werkstück (2) mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder mit seinem Flächenmittelpunkt (9) in Bezug auf das zweite Werkstück (3) innerhalb der Fügeebene (8) auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn (11) bewegt wird, welche ihrerseits ein- oder mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (10) des zweiten Werkstücks (3) berührt oder schneidet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Reibschweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10 der Erfindung.
Seit geraumer Zeit sind Reibschweißverfahren unterschiedlichster Art bekannt. Im Wesentlichen ist dabei vorgesehen, dass zwei Werkstücke in einer gemeinsamen Fügeebene aufeinanderstoßen, zur Erzeugung von Reibungswärme unter axialem Druck relativ zueinander in besagter Fügeebene bewegt und zum Abschluss des Reibschweißverfahrens zur Erzeugung eines Stoffschlusses zwischen den Werkstücken in einer bestimmten Position zueinander axial zusammengedrückt werden.
So beschreibt die DE 198 07 457 A1 ein Verfahren zum Reibschweißen von Eisenbahnschienen und ähnlichen Profilen, wobei ein Zwischenstück zwischen den zu verbindenden Schienenenden linear oder orbital oszillierend, d. h., ellipsenförmig oder kreisförmig schwingend bewegt wird, und wobei parallel dazu die beiden Schienenenden in Schienenlängsrichtung zueinander an das Zwischenstück gepresst werden, um die zum Schweißen notwendige Wärme durch Reibenergie auf beiden Kontaktflächen zwischen je einem der Schienenenden und je einer Schnittfläche des Zwischenstückes aufzubringen.
Die DE 199 38 100 A1 befasst sich ebenfalls mit dem sogenannten Orbitalreibschweißen sowie mit dem Sonderfall des Zirkularreibschweißens von Formteilen in der Gestalt von Profilrahmenabschnitten. Hierbei stoßen die Profilenden zweier durch Reibung miteinander zu verschweißender Profilrahmenabschnitte an einer Fügeebene aneinander und führen relativ zur Fügeebene jeweils phasenverschoben eine ellipsenförmige oder kreisförmige Bewegung aus.
Den vorgenannten Lösungen ist gemein, dass dieselben zum Abschluss des Reibschweißverfahrens einer Zustell- bzw. Rückbewegung des einen zum anderen Werkstück bedürfen, damit dieselben eine vorbestimmte Position zueinander erreichen. Eine derartige Zustell- bzw. Rückstellbewegung kann jedoch in nachteiliger Weise eine unsymmetrische Schweißwulst sowie Eigenspannungen in den gefügten Werkstücken bewirken, welches wiederum zu einer geminderten Standfestigkeit der Fügeverbindung führen kann.
Um diesem nachteiligen Umstand zu begegnen, sind aus der DE 103 32 824 A1 ein Mehrkopf-Reibschweißverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt, welche Achsen von Exzenterwellen von aufeinander ausgerichteten gegeneinander verspannten Formteilen vorsehen, die gegeneinander um einen bestimmten Achsversatz verstellbar sind. Die Phasenvektoren der beiden Reibschweißköpfe treffen sich zumindest am Ende des Reibschweißvorganges in einer gemeinsamen Bahnposition, indem die Exzenterwellen der Reibschweißköpfe von einer im Wesentlichen gleich- oder gegenphasigen Phasenlage, ausgehend zum Ende des Reibschweißvorganges, unter Beibehaltung der Phasendrehrichtung abgebremst werden und die Phasenvektoren der beiden Reibschweißköpfe in einer gemeinsamen Position der Bahnkurven zum Stillstand kommen.
Ungeachtet dessen sind jedoch für alle vorstehend gewürdigten Lösungen relativ große Auslenkungen der auf einer Orbitalbahn bewegten Werkstücke zu verzeichnen. Diese relativ großen Auslenkungen können dazu führen, dass Luft zwischen die Fügeflächen gerät, welches in der Folge zur Bildung von Oxydationsschichten und demgemäß zu unsicheren Reibschweißverbindungen führen kann. Ebenso ist hier der an sich bekannte „Radiereffekt” zu verzeichnen, der ebenfalls zu unsicheren Reibschweißverbindungen führen kann. Ferner wurde in der Praxis gefunden, dass die Überdeckung der zu fügenden Flächen während des Reibschweißvorganges nicht immer ausreichend gewährleistet werden kann. In die Randbereiche der zu fügenden Flächen konnte nicht so effektiv wie in die zentralen Bereiche derselben die notwendige Wärmeenergie eingebracht werden, welches in der Folge in nachteiliger Weise über die Reib- bzw. Kontaktflächen gesehen zu unterschiedlichen Fügeergebnissen und gegebenenfalls unterschiedlichen Gefügeausbildungen im Werkstoff führen kann.
Schließlich ist aus der DE 10 2006 051 627 A1 eine Vorrichtung zum Fügen von Bauteilen durch Reibschweißen bekannt, welche eine Schwingplatte sowie einen Antriebsmotor umfassen, dessen Rotationsenergie über einen Doppelexzenter mit einer Exzenterwelle und einem relativ zur Exzenterwelle bewegbaren Außenexzenter in Bewegung entlang von Bahnkurven der mit einem Bauteil respektive Werkstück verbundenen Schwingplatte umsetzbar ist. Um während des Schweißvorganges Frequenz und Amplitude der Bewegung in weiten Grenzen variieren zu können, wird hier vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Summiergetriebe mit drei Getriebewellen umfasst, wobei Exzenterwelle und Außenexzenter mit einer Eingangswelle und der Abtriebswelle des Summiergetriebes verbunden sind, und eine zweite Eingangswelle des Summiergetriebes mit einer Steuereinrichtung verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der eingangs beschriebenen Nachteile ein weiter verbessertes Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, welches gestattet, zwei Werkstücke kostengünstig, insbesondere mit geringeren Prozesszeiten als herkömmlich, flächendeckend zu fügen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, hierzu eine geeignete Vorrichtung zu schaffen.
Ausgehend von einem Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Reibschweißen, wobei die Werkstücke in einer gemeinsamen Fügeebene aufeinanderstoßen, zur Erzeugung von Reibungswärme in zueinander korrespondierenden Reibflächen der beiden Werkstücke unter axialem Druck „P” relativ zueinander in besagter Fügeebene bewegt und zum Abschluss des Reibschweißverfahrens zur Erzeugung eines Stoffschlusses zwischen den Werkstücken in einer bestimmten Position, in der ein vorbestimmter Flächenpunkt oder ein Flächenmittelpunkt sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstücks definiert aufeinander zum liegen kommen, zueinander axial zusammengedrückt werden, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass das erste Werkstück mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder mit seinem Flächenmittelpunkt in Bezug auf das zweite Werkstück innerhalb der Fügeebene auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn bewegt wird, welche ein- oder mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt des zweiten Werkstücks berührt oder schneidet.
Durch diese Maßnahme ist zum einen eine flächendeckende Reibung und demgemäß ein weitestgehend gleichförmiger Wärmeeintrag in die gesamte Fläche, d. h., einschließlich der Randbereiche der zueinander korrespondierenden Reibflächen der zu fügenden Werkstücke zu verzeichnen. Zum anderen sind Zustell- bzw. Rückstellbewegung des einen zum anderen Werkstück zum Abschluss des Reibschweißverfahrens vorteilhaft vermieden. Die beiden Werkstücke kommen zum Abschluss des Reibschweißverfahrens in ihrer vorbestimmten Position bei Erzielung einer gleichmäßigen respektive symmetrischen Schweißwulst zueinander zur Ruhe. Des Weiteren kann vorteilhaft die Entstehung von nachteiligen Eigenspannungen in den gefügten Werkstücken bzw. im Fügebereich vermieden werden. Überdies sind infolge der im Hinblick auf den Stand der Technik erforderlichen geringeren Auslenkungen und im Ergebnis dessen erzielbaren höheren Relativgeschwindigkeiten ein verminderter „Radiereffekt” und damit eine kleinere Schweißwulst zu verzeichnen. Schlussendlich sind aufgrund der höheren Reibschweißgeschwindigkeiten und des schnelleren Wärmeeintrages in die Reibflächen geringere Prozesszeiten erzielbar.
Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
Danach kann vorteilhaft besagte Zykloidenbahn, auf der das erste Werkstück bewegt wird, durch sich überlagernde geschlossene Bahnkurven bewirkt werden, indem auf einer inneren ersten geschlossenen Bahnkurve, welche den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt des zweiten Werkstücks umschlingt, eine äußere zweite geschlossene Bahnkurve mit ihrem Mittel- oder Drehpunkt periodisch bewegt wird, während das erste Werkstück mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt auf der äußeren geschlossenen Bahnkurve periodisch bewegt wird. Eine derartige Bewegung des ersten Werkstücks ist einfach und kostengünstig mittels eines entsprechend angepassten Getriebes einer das Verfahren durchführenden Reibschweißvorrichtung darstellbar.
Weiter vorteilhaft kann besagte Zykloidenbahn, auf der das erste Werkstück bewegt wird, durch sich überlagernde kreis- und/oder ellipsenförmige Bahnkurven bewirkt werden, wodurch in weiten Grenzen das Verfahren unter Berücksichtigung der aktuell vorhandene Konturen der zu fügenden Werkstücke optimal eingestellt werden kann.
Wie die Erfindung noch vorsieht, kann besagte Zykloidenbahn, auf der das erste Werkstück bewegt wird, durch mehr als zwei sich überlagernde geschlossene Bahnkurven bewirkt werden, wobei der vorbestimmte Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt des ersten Werkstücks dann auf der äußersten geschlossenen Bahnkurve periodisch bewegt wird. Durch diese Maßnahme können bei hoher Schweißqualität äußerst geringe Prozesszeiten realisiert werden.
Als besonders vorteilhaft, insbesondere im Hinblick auf einen weitestgehend gleichförmigen Wärmeeintrag in die gesamte Fläche der Fügeflächen der beiden zu fügenden Werkstücke, hat sich in umfangreichen Versuchen eine Zykloidenbahn bewährt, die mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt des zweiten Werkstücks berührt oder schneidet und insbesondere an einen blütenförmigen Verlauf angelehnt ist.
Der Verlauf der Zykloidenbahn kann vorteilhaft durch die Wahl eines bestimmten Geschwindigkeitsverhältnisses „V₁/V₂” zwischen den beteiligten sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven und/oder durch die Wahl der Radien „R” der sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven in weiten Grenzen eingestellt werden. Hierdurch ist es ebenfalls gestattet, die aktuell vorhandenen Konturen der zu fügenden Werkstücke bestmöglich zu berücksichtigen und die Schweißbedingungen an die Werkstücke und/oder deren Werkstoff anzupassen.
In besagten umfangreichen Versuchen wurden insoweit bei zwei sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven mit gleichen Radien „R₁”, R₂” und bei einem Geschwindigkeitsverhältnis „V₁/V₂” von etwa 10% die besten Schweißergebnisse erzielt, indem der vorbestimmte Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt des ersten Werkstücks mit einer 10-fach höheren Geschwindigkeit auf der äußeren Bahnkurve bewegt wird als der Drehpunkt besagter Bahnkurve auf der inneren Bahnkurve.
Um insbesondere die Prozesszeiten noch weiter zu verringern, können vorteilhaft zusätzlich das erste und/oder das zweite Werkstück in Eigenrotation um eine orthogonal zur Fügeebene angeordnete Drehachse versetzt werden.
Schließlich können aufeinander abgestimmt sowohl das erste als auch das zweite Werkstück relativ zur Fügeebene phasenverschoben jeweils auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn bewegt werden, wodurch bestmögliche Schweißergebnisse bei geringsten Prozesszeiten erzielbar sind.
Die Vorrichtung zum Fügen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Reibschweißen, mit zumindest einem mittels eines Antriebsmotors und eines zugeordneten Getriebes angetriebenen Werkstückhalter, wobei die Werkstücke in einer gemeinsamen Fügeebene aufeinanderstoßen, zur Erzeugung von Reibungswärme in zueinander korrespondierenden Reibflächen unter axialem Druck relativ zueinander in besagter Fügeebene bewegt und zum Abschluss des Reibschweißverfahrens zur Erzeugung eines Stoffschlusses zwischen den Werkstücken in einer bestimmten Position, in der ein vorbestimmter Flächenpunkt oder ein Flächenmittelpunkt sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstücks definiert aufeinander zum liegen kommen, zueinander axial zusammengedrückt werden, zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass das Getriebe des zumindest einen angetriebenen Werkstückhalters derart ausgebildet ist, dass das erste Werkstück mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder mit seinem Flächenmittelpunkt in Bezug auf das zweite Werkstück innerhalb der Fügeebene auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn bewegbar ist oder bewegt wird, welche ein- oder mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder den Flächenmittelpunkt des zweiten Werkstücks berührt oder schneidet. Besagtes Getriebe kann dabei beispielsweise durch eine entsprechend ausgelegte Planetengetriebe- oder Exzentergetriebestruktur, wie eine Zykloidgetriebestruktur, oder durch eine Kombination derartiger Getriebestrukturen gebildet sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 äußerst schematisch eine erfindungsgemäß ausgestattete Vorrichtung zum Fügen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Reibschweißen,
2 äußerst schematisch die Ansicht einer vermittels der Vorrichtung nach 1 bewirkten Bewegung eines vorbestimmten Flächenpunktes oder Flächenmittelpunktes des ersten Werkstücks auf einer Zykloidenbahn gemäß einer ersten möglichen Ausgestaltung,
3 äußerst schematisch die Ansicht zweier sich überlagernder und vermittels der Vorrichtung nach 1 bewirkter Bahnkurven (äußere und innere Bahnkurve) auf denen das erste Werkstück zur Realisierung besagter Zykloidenbahn nach 2 mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder seinem Flächenmittelpunkt in Bezug zum zweiten Werkstück geführt wird,
4 äußerst schematisch die Ansicht einer vermittels der Vorrichtung nach 1 bewirkten Bewegung des vorbestimmten Flächenpunktes oder des Flächenmittelpunktes des ersten Werkstücks auf einer Zykloidenbahn gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung,
5 eine Grafik, welche die relative Geschwindigkeit des vorbestimmten Flächenpunktes oder Flächenmittelpunktes des ersten Werkstücks nach 2 zeigt,
6 eine Grafik, welche die mittlere Bahngeschwindigkeit des vorbestimmten Flächenpunktes oder Flächenmittelpunktes des ersten Werkstücks nach 2 in Abhängigkeit vom Geschwindigkeitsverhältnis zwischen einer gewählten Geschwindigkeit des vorbestimmten Flächenpunktes oder Flächenmittelpunktes des ersten Werkstücks auf der äußeren Bahnkurve und der Geschwindigkeit des Mittelpunktes der äußeren Bahnkurve auf der inneren Bahnkurve zeigt, und
7 eine Grafik, welche den Energieeintrag in die Randbereiche der beiden zu fügenden Werkstücke bei einer Führung des ersten Werkstücks auf der erfindungsgemäßen Zykloidenbahn im Vergleich mit einer Führung eines Werkstücks auf einer herkömmlichen Kreisbahn zeigt.
1 zeigt demnach eine gemäß ihrer Grundstruktur an sich bekannte Vorrichtung 1 zum Fügen eines ersten Werkstücks 2 mit einem zweiten Werkstück 3 durch Reibschweißen. Besagte Reibschweiß-Vorrichtung 1 verfügt im Wesentlichen über einen ersten Werkstückhalter 4, auch als Reibschweißkopf bezeichnet, der seinerseits über ein Getriebe 5 mit einem elektromotorischen Antrieb 6 wirkverbunden ist. Im ersten Werkstückhalter 4 ist das erste Werkstück 2 gehaltert. Dem ersten Werkstückhalter 4 ist bekanntermaßen ein zweiter Werkstückhalter 7 mit dem zweiten Werkstück 3 derart zugeordnet, dass die beiden zu fügenden Werkstücke 2, 3 in einer gemeinsamen Fügeebene 8 aufeinanderstoßen. Vorliegend ist der zweite Werkstückhalter 7 feststehend ausgebildet.
Während des eigentlichen Reibschweißverfahrens werden die beiden zu fügenden Werkstücke 2, 3 zur Erzeugung von Reibungswärme in zueinander korrespondierenden Reibflächen 2a, 3a unter axialem Druck „P” relativ zueinander in besagter Fügeebene 8 bewegt und zum Abschluss des Reibschweißverfahrens zur Erzeugung eines Stoffschlusses zwischen den Werkstücken 2, 3 in einer bestimmten Position, in der ein vorbestimmter Flächenpunkt (bei z. B. nicht rotationssymmetrischen Werkstücken) oder ein Flächenmittelpunkt 9, 10 (bei insbesondere rotationssymmetrischen Werkstücken) sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstücks 2, 3 definiert aufeinander zum Liegen kommen, zueinander axial zusammengedrückt. Vorliegend ist das zweite Werkstück 3 feststehend ausgebildet, wogegen das erste Werkstück 2 vermittels der Vorrichtung 1 bestimmungsgemäß bewegt wird.
Wie bereits einleitend ausgeführt wurde, wird herkömmlich ein erstes Werkstück mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt überwiegend auf einer kreisförmigen oder elliptischen Orbitalbahn sozusagen nach Art einer Kreis- oder Ellipsenschiebung um den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt eines zweiten Werkstücks bewegt, wodurch relativ große Auslenkungen des bewegten Werkstücks mit den oben ebenfalls beschriebenen Nachteilen, wie Eintritt von Luft zwischen die Fügeflächen und Bildung nachteiliger Oxydationsschichten, nachteilige „Radiereffekte”, nicht ausreichende Überdeckung der Fügeflächen während des Reibschweißvorganges, einhergehend mit einem ungenügenden Wärmeeintrag in die Randbereiche der Fügeflächen sowie erhöhte Reibschweißzeiten zu verzeichnen sind.
Um diesen aufgezeigten Problemen nachhaltig begegnen zu können, ist gemäß 2 vorgesehen, dass das erste Werkstück 2 mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder mit seinem Flächenmittelpunkt 9 in Bezug auf das zweite Werkstück 3 respektive dessen vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 10 innerhalb der Fügeebene 8 auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn 11 bewegt wird, welche ihrerseits ein- oder mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 10 des zweiten Werkstücks 3 berührt oder schneidet.
Gemäß 3 resultiert vorliegend eine derartige Zykloidenbahn 11, auf der das erste Werkstück 2 bewegt wird, aus der Überlagerung zweiter geschlossener Bahnkurven 12, 13. Insoweit wird dabei auf einer inneren ersten geschlossenen Bahnkurve 12, welche den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 10 des zweiten Werkstücks 3 umschlingt, eine äußere zweite geschlossenen Bahnkurve 13 mit ihrem Mittel- oder Drehpunkt 14 periodisch bewegt, während das erste Werkstück 2 mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 9 auf der besagten äußeren zweiten geschlossenen Bahnkurve 13 periodisch bewegt wird.
Vorliegend sind beide Bahnkurven 12, 13 kreisförmig ausgebildet. In Abwandlung dessen kann es auch angezeigt sein, und ist demgemäß durch die Erfindung mit erfasst, statt dessen eine der beiden Bahnkurven 12, 13 anderweitig, beispielsweise ellipsenförmig auszubilden oder beide Bahnkurven 12, 13 anderweitig, beispielsweise ellipsenförmig auszubilden (nicht näher dargestellt).
4 zeigt weiter beispielgebend eine bevorzugte Zykloidenbahn 11, die ihrerseits ebenfalls mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 10 des zweiten Werkstücks 3 berührt oder schneidet und an einen blütenförmigen Verlauf angelehnt ist.
Aus der Grafik gemäß 5, deren Kurvenverlauf 15 die relative Geschwindigkeit des vorbestimmten Flächenpunktes oder Flächenmittelpunktes 9 des ersten Werkstücks 2 zeigt, ist ersichtlich, dass bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Vorrichtung 1 ein ständig sich ändernder Geschwindigkeitsvektor zu verzeichnen ist, wobei Geschwindigkeiten in einem Bereich zwischen etwa 280 und etwa 340 mm/s realisiert werden, die ihrerseits vorteilhaft zu verkürzten Prozesszeiten respektive Reibschweißzeiten führen. Ferner sind im Hinblick auf den Stand der Technik höhere Relativgeschwindigkeiten bei verminderter Auslenkung zu verzeichnen.
Vergleichend hierzu liegt die relative Geschwindigkeit im Falle, dass herkömmlich ein erstes Werkstück mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt überwiegend auf einer kreisförmigen oder elliptischen Orbitalbahn sozusagen nach Art einer Kreis- oder Ellipsenschiebung mit großer Auslenkung um den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt eines zweiten Werkstücks bewegt wird, bei etwa konstant 313 mm/s.
Der Verlauf der Zykloidenbahn 11 kann vorteilhaft durch die Wahl eines bestimmten Geschwindigkeitsverhältnisses „V₁/V₂” zwischen den beiden beteiligten sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven 12, 13 und/oder durch die Wahl der Radien „R₁” und „R₂” der sich überlagernden Bahnkurven 12, 13 eingestellt werden (vgl. insbes. 3).
So wurden in umfangreichen Versuchen bei zwei sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven 12, 13 mit gleichen Radien „R₁”, R₂” (vgl. 3) und bei einem Geschwindigkeitsverhältnis „V₁/V₂” von etwa 10% die besten Schweißergebnisse erzielt, indem der vorbestimmte Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 9 des ersten Werkstücks 2 mit einer 10-fach höheren Geschwindigkeit auf der äußeren zweiten geschlossenen Bahnkurve 13 bewegt wird als der Mittel- oder Drehpunkt 14 besagter Bahnkurve 13 auf der inneren ersten geschlossenen Bahnkurve 12.
Im Hinblick darauf ist dem anfänglich steilen Anstieg des Kurvenverlaufes 16 gemäß 6 und dem weiteren nahezu konstanten Verlauf derselben ab einem Geschwindigkeitsverhältnis „V₁/V₂” von 10% zu entnehmen, dass bei besagtem Geschwindigkeitsverhältnis „V₁/V₂” von 10% ein Optimum erreicht ist und ein höheres Geschwindigkeitsverhältnis sich nicht weiter vorteilhaft bezüglich der erzielbaren mittleren Bahngeschwindigkeit auswirkt.
Die Grafik nach 7 zeigt schließlich den Energieeintrag durch Reibung in die Randbereiche der beiden zu fügenden Werkstücke 2, 3 bei einer Führung des ersten Werkstücks 2 auf der erfindungsgemäßen Zykloidenbahn 11 (Kurvenverlauf 17) im Vergleich mit einer Führung eines Werkstücks auf einer herkömmlichen Kreisbahn (Kurvenverlauf 18). Im Wesentlichen ist dem relativ steilen Anstieg des Kurvenverlaufes 17 zu entnehmen, dass aufgrund der besonderen Führung des ersten Werkstücks 2, nämlich auf der erfindungsgemäßen Zykloidenbahn 11, der Wärmeeintrag in insbesondere die kritischen Randbereiche der Werkstücke 2, 3 erheblich verbessert ist als herkömmlich und demgemäß in kürzerer Zeit erfolgen kann.
Vorstehendes Ausführungsbeispiel stellt im Wesentlichen auf eine Zykloidenbahn 11 ab, die ihrerseits durch zwei sich überlagernde geschlossene Bahnkurven 12, 13 (3) bewirkt wird. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Ausführung, sondern erfasst auch eine Zykloidenbahn 11, die durch mehr als zwei sich überlagernde Bahnkurven 12, 13, ... bewirkt wird, wobei der vorbestimmte Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 9 des ersten Werkstücks 2 auf der äußersten geschlossenen Bahnkurve periodisch bewegt wird (nicht näher dargestellt).
Des Weiteren hat es sich in den umfangreichen Versuchen zum Erfindungsgegenstand auch als vorteilhaft erwiesen und ist ebenfalls durch die Erfindung mit erfasst, das erste und/oder das zweite Werkstück 2, 3 zusätzlich in Eigenrotation um eine orthogonal zur Fügeebene 8 angeordnete Drehachse zu versetzen (nicht näher dargestellt). Durch diese Maßnahme können die Prozesszeiten bzw. Reibschweißzeiten noch weiter verringert werden.
Schlussendlich kann es auch angezeigt sein, aufeinander abgestimmt sowohl das erste als auch das zweite Werkstück 2, 3 relativ zur Fügeebene 8, jedoch phasenverschoben jeweils auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn 11 zu bewegen. Die Reibschweiß-Vorrichtung 1 benötigt hierzu einen über ein weiteres Getriebe 19 mit einem weiteren elektromotorischen Antrieb 20 wirkverbundenen und demgemäß angetriebenen zweiten Werkstückhalter 7, welches in 1 durch die gestrichelte Linienführung gekennzeichnet ist.
Bezugszeichenliste

1: Reibschweiß-Vorrichtung
2: erstes Werkstück
2a: Reibfläche
3: zweites Werkstück
3a: Reibfläche
4: erster Werkstückhalter
5: Getriebe
6: Antrieb
7: zweiter Werkstückhalter
8: Fügeebene
9: Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (erstes Werkstück 2)
10: Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (zweites Werkstück 3)
11: Zykloidenbahn
12: innere erste Bahnkurve
13: äußere zweite Bahnkurve
14: Mittel- oder Drehpunkt (Bahnkurve 13)
15: Kurvenverlauf
16: Kurvenverlauf
17: Kurvenverlauf
18: Kurvenverlauf
19: Getriebe
20: Antrieb
„P”: Druck
R₁: Radius Bahnkurve 12
R₂: Radius Bahnkurve 13
V₁: Geschwindigkeit Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt 9
V₂: Geschwindigkeit Mittel- oder Drehpunkt 14

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19807457 A1 [0003]
DE 19938100 A1 [0004]
DE 10332824 A1 [0006]
DE 102006051627 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstücks (2) mit einem zweiten Werkstück (3) durch Reibschweißen, wobei die Werkstücke (2, 3) in einer gemeinsamen Fügeebene (8) aufeinanderstoßen, zur Erzeugung von Reibungswärme in zueinander korrespondierenden Reibflächen (2a, 3a) der beiden Werkstücke (2, 3) unter axialem Druck „P” relativ zueinander in besagter Fügeebene (8) bewegt und zum Abschluss des Reibschweißverfahrens zur Erzeugung eines Stoffschlusses zwischen den Werkstücken (2, 3) in einer bestimmten Position, in der ein vorbestimmter Flächenpunkt oder ein Flächenmittelpunkt (9, 10) sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstücks (2, 3) definiert aufeinander zum liegen kommen, zueinander axial zusammengedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (2) mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder mit seinem Flächenmittelpunkt (9) in Bezug auf das zweite Werkstück (3) innerhalb der Fügeebene (8) auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn (11) bewegt wird, welche ihrerseits ein- oder mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (10) des zweiten Werkstücks (3) berührt oder schneidet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zykloidenbahn (11), auf der das erste Werkstück (2) bewegt wird, durch sich überlagernde geschlossene Bahnkurven (12, 13) bewirkt wird, indem auf einer inneren ersten geschlossenen Bahnkurve (12), welche den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (10) des zweiten Werkstücks (3) umschlingt, eine äußere zweite geschlossene Bahnkurve (13) mit ihrem Mittel- oder Drehpunkt (14) periodisch bewegt wird, während das erste Werkstück (2) mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (9) auf der äußeren zweiten geschlossenen Bahnkurve (13) periodisch bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zykloidenbahn (11), auf der das erste Werkstück (2) bewegt wird, durch sich überlagernde kreis- und/oder ellipsenförmige Bahnkurven (12, 13) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zykloidenbahn (11), auf der das erste Werkstück (2) bewegt wird, durch mehr als zwei sich überlagernde geschlossene Bahnkurven (12, 13, ...) bewirkt wird, wobei der vorbestimmte Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (9) des ersten Werkstücks (2) auf der äußersten geschlossenen Bahnkurve periodisch bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zykloidenbahn (11) bewirkt wird, die mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (10) des zweiten Werkstücks (3) berührt oder schneidet und insbesondere an einen blütenförmigen Verlauf angelehnt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Zykloidenbahn (11) durch die Wahl eines bestimmten Geschwindigkeitsverhältnisses „V₁/V₂” zwischen den beteiligten sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven (12, 13) und/oder durch die Wahl der Radien „R” der sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven (12, 13) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei sich überlagernden geschlossenen Bahnkurven (12, 13) mit gleichen Radien „R₁”, R₂” ein Geschwindigkeitsverhältnis „V₁/V₂ von etwa 10% eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich das erste und/oder das zweite Werkstück (2, 3) in Eigenrotation um eine orthogonal zur Fügeebene (8) angeordnete Drehachse versetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander abgestimmt sowohl das erste als auch das zweite Werkstück (2, 3) relativ zur Fügeebene (8) phasenverschoben jeweils auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn (11) bewegt werden.
Vorrichtung (1) zum Fügen eines ersten Werkstücks (2) mit einem zweiten Werkstück (3) durch Reibschweißen, mit zumindest einem mittels eines Antriebs (6) und eines zugeordneten Getriebes (5) angetriebenen Werkstückhalter (4), wobei die Werkstücke (2, 3) in einer gemeinsamen Fügeebene (8) aufeinanderstoßen, zur Erzeugung von Reibungswärme in zueinander korrespondierenden Reibflächen (2a, 3a) der beiden Werkstücke (2, 3) unter axialem Druck „P” relativ zueinander in besagter Fügeebene (8) bewegt und zum Abschluss des Reibschweißverfahrens zur Erzeugung eines Stoffschlusses zwischen den Werkstücken (2, 3) in einer bestimmten Position, in der ein vorbestimmter Flächenpunkt oder ein Flächenmittelpunkt (9, 10) sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstücks (2, 3) definiert aufeinander zum liegen kommen, zueinander axial zusammengedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) des zumindest einen angetriebenen Werkstückhalters (4) derart ausgebildet ist, dass zumindest das erste Werkstück (2) mit seinem vorbestimmten Flächenpunkt oder mit seinem Flächenmittelpunkt (9) in Bezug auf das zweite Werkstück (3) innerhalb der Fügeebene (8) auf einer in sich geschlossenen Zykloidenbahn (11) bewegbar ist oder bewegt wird, welche ihrerseits ein- oder mehrmals den vorbestimmten Flächenpunkt oder Flächenmittelpunkt (10) des zweiten Werkstücks (3) berührt oder schneidet.