DE102016109970A1 - Machine tool and method for friction stir welding of metallic workpieces - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken, insbesondere zur Verfahrensintegration in ein Bearbeitungszentrum, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührreibschweißkraft und die in die Werkstücke eingebrachte Energie überlagert geregelt werden derart, dass als Regelgröße der Rührreibschweißkraft die Kraft in Richtung der Werkzeugachse und als Stellgröße die direkte Position des Werkzeugs zu den Bauteilen verarbeitet wird, und dass als Regelgröße für den Energieeintrag die Werkzeugtemperatur, die Leistung des Spindelantriebes, das Drehmoment der Spindel oder der Weg der Kraftregelung und als Stellgröße des Energieeintrages die Vorschubgeschwindigkeit, die Spindeldrehzahl oder die Axialkraft der Spindel verarbeitet wird.The invention relates to a machine tool and a method for Rührreibschweißen of metallic workpieces, in particular for process integration into a machining center, characterized in that the friction stir and the energy introduced into the workpieces are superimposed regulated such that the controlled variable of the friction stir welding force in the direction of the tool axis and as a manipulated variable, the direct position of the tool is processed to the components, and that as a controlled variable for the energy input, the tool temperature, the power of the spindle drive, the torque of the spindle or the force control path and as a control variable of the energy input, the feed rate, the spindle speed or Axial force of the spindle is processed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken nach dem Oberbegriff des ersten und neunten Patentanspruchs. The invention relates to a machine tool and method for Rührreibschweißen of metallic workpieces according to the preamble of the first and ninth patent claim.
Das ca. 1990 entwickelte neue Verfahren des „Reibrührschweißens“ ermöglicht die Verbindung zweier Bauteile ohne Zusatzwerkstoff. In dem
Eine der kritischsten Stellgrößen für erfolgreiche Reibrührschweißungen ist die Position der Werkzeugschulter relativ zur Werkstückoberfläche. Dabei geht der Trend zur prozessbegleitenden Kraft- und Drehmomentmessung für die Datenüberwachung und Parametersteuerung. Insbesondere an Knickarmrobotern, die nicht steif genug sind, um Verformungen zu widerstehen, werden oft Kraftsensoren oder komplizierte Systeme eingesetzt. In rigiden Maschinen kann die Eintauchtiefe des Werkzeuges entweder durch Positions- oder Kraftregelung erfolgen oder durch eine Kombination der beiden Methoden. One of the most critical manipulated variables for successful friction stir welding is the position of the tool shoulder relative to the workpiece surface. The trend is towards process-accompanying force and torque measurement for data monitoring and parameter control. Especially on articulated robots, which are not stiff enough to withstand deformation, force sensors or complicated systems are often used. In rigid machines, the immersion depth of the tool can be done either by position or force control or by a combination of the two methods.
Aus der Druckschrift
Ein Schweißkopf zum Reibrührschweißen, bestehend aus einem Werkzeughalter, einer Krafterzeugungseinrichtung und einer Dreh-Antriebsvorrichtung, die im Betrieb an das angeschlossene Werkzeug eine zyklische Bewegung um die Mittelachse des Werkzeugs und relativ zu dem Objekt zum Schweißen in Verbindung mit dem Schweißkopf angeordnet verleihen können. Die Krafterzeugungseinrichtung ist steuerbar und kann während des Betriebs angepasst werden. Verfahrensgemäß wird die Kraft zwischen den Schultern des Werkzeugs in Abhängigkeit von dem aktuellen Drehmoment zum Drehantrieb gesteuert. A welding head for friction stir welding, comprising a tool holder, a force generator, and a rotary drive device operable to impart cyclical motion to the connected tool about the central axis of the tool and relative to the weld object in connection with the weld head. The force generating device is controllable and can be adjusted during operation. According to the method, the force between the shoulders of the tool is controlled in dependence on the current torque for rotary drive.
Ein oszillierendes Reibungsschweißen wird in der Druckschrift
In der Druckschrift
Diese Lösung wird mittels einer Schweißzange realisiert. This solution is realized by means of welding tongs.
Bei der Anwendung einer Positionsregelung werden Unebenheiten und Abweichungen von der Sollkontur nicht berücksichtigt. Ein weiterer Nachteil besteht in dem Unterschiedlichen Wärmeeintrag auf Grund unterschiedlicher Kraft I Reibkraft zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstück. Negativ wirkt sich auch die unterschiedliche Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück aus, da dadurch eine ungleichmäßige Ausprägung der Wurzel zu verzeichnen ist. Die sich einstellende Druckkraft ist abhängig von den weiteren Prozessparametern wie Vorschub und Spindeldrehzahl. When using a position control, unevenness and deviations from the nominal contour are not taken into account. Another disadvantage is the different heat input due to different force I friction between the rotating tool and the workpiece. Negative also affects the different penetration depth of the tool in the workpiece, as a result of an uneven expression of the root to be recorded. The resulting compressive force depends on the other process parameters such as feed rate and spindle speed.
Eine Kraftregelung findet in speziell entwickelten Rührreibschweißmaschinen Anwendung. Vorteile des Kraftregelkreises im Vergleich zur Positionsregelung bestehen darin, dass sowohl Unebenheiten als auch Abweichungen von der Sollkontur ausgeglichen werden, ein gleichmäßiger Wärmeeintrag auf Grund nahezu konstanter Kraft I Reibkraft zwischen Werkzeug und Werkstück zu verzeichnen ist und eine gleichbleibende Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück die gleichmäßige Ausprägung der Wurzel begünstigt. Nachteilig jedoch ist, dass bei falsch eingestellten Prozessparametern bzw. Änderungen der Prozessbedingungen es zur Zerstörung des Werkstückes kommen kann. A force control is used in specially developed friction stir welding machines. Advantages of the force control loop compared to the position control are that both unevenness and deviations are compensated by the target contour, a uniform heat input due to almost constant force I frictional force between the tool and workpiece is recorded and a constant penetration depth of the tool in the workpiece uniform Expression of the root favors. The disadvantage, however, is that with incorrectly set process parameters or changes in the process conditions, it can lead to the destruction of the workpiece.
Lösungen zum Einsatz des Reibrührschweißens in einem Bearbeitungszentrum, welches auch zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken dient, sind bisher nicht bekannt. Solutions for the use of friction stir welding in a machining center, which also serves for the machining of workpieces, are not yet known.
In Bearbeitungszentren und entsprechenden Werkzeugmaschinen ist es bekannt, den Fertigungsprozess zu überwachen. In der Druckschrift
In der Druckschrift
Die bisher verwendeten Lösungen zur Steuerung des Reibrührschweißens stellen auf speziell dazu ausgelegte Maschine ab und eignen sich nicht für den Einsatz in Bearbeitungszentren. Bekannte Steuerungen von Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungszentren genügen auf der anderen Seite den Anforderungen beim Reibrührschweißen nicht. The previously used solutions for the control of friction stir welding are based on specially designed machines and are not suitable for use in machining centers. Known controls of machine tools or machining centers on the other hand do not meet the requirements for friction stir welding.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Werkzeugmaschine und Verfahren zu entwickeln, mit welchem die technologischen Möglichkeiten eines Bearbeitungszentrums verwendend das Reibrührschweißen metallischer Werkstücke qualitativ verbessert wird und eine Verfahrensintegration in ein Bearbeitungszentrum erfolgen kann. The object of the invention is to develop a machine tool and method, with which the technological possibilities of a machining center using the friction stir welding of metallic workpieces is qualitatively improved and a process integration can be done in a machining center.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und neunten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. This object is achieved with the features of the first and ninth patent claim. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Ein Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken regelt überlagert die Rührreibschweißkraft und die in die Werkstücke eingebrachte Energie. Als Regelgröße für die Rührreibschweißkraft wird die Kraft in Richtung der Werkzeugachse und als Stellgröße die direkte Position des Werkzeugs zu den Bauteilen verarbeitet. Regelgröße des Energieeintrags ist die Werkzeugtemperatur, die Leistung des Spindelantriebs, das Drehmoment der Spindel oder die Geschwindigkeit/ Beschleunigung des Sollweges der Kraftregelung. Als Stellgröße des Energieeintrages wird die Vorschubgeschwindigkeit, die Spindeldrehzahl oder die Axialkraft der Spindel verarbeitet. A method for friction stir welding of metallic workpieces superimposed controls the Rührreibschweißkraft and introduced into the workpieces energy. As a controlled variable for the friction stir welding force, the force in the direction of the tool axis and as a manipulated variable, the direct position of the tool is processed to the components. The controlled variable of the energy input is the tool temperature, the power of the spindle drive, the torque of the spindle or the speed / acceleration of the nominal path of the force control. The feed rate, the spindle speed or the axial force of the spindle are processed as the manipulated variable of the energy input.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Rührreibschweißkraft bestimmt wird, indem die Stromaufnahme des Antriebsmotors der Vorschubachsen gemessen wird. It has proved to be advantageous that the friction stir welding force is determined by the current consumption of the drive motor of the feed axes is measured.
In einer Variante der Erfindung wird die Rührreibschweißkraft gemessen, indem im Werkzeug ein Kraftsensor angeordnet ist. In a variant of the invention, the friction stir welding force is measured by a force sensor is arranged in the tool.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist es, wenn ein Ausgleich der Reibkraft im Rührreibschweißprozess durch Messung der Stromaufnahme der Vorschubachse des Bearbeitungszentrums erfolgt, wobei aus diesen Daten eine Korrektur der Prozesskraft in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit berechnet wird. An advantageous embodiment of the method is when a compensation of the frictional force in the friction stir welding process by measuring the current consumption of the feed axis of the machining center, wherein from this data, a correction of the process force is calculated in dependence on the feed rate.
Das Verfahren gestattet in vorteilhafter Weise, die Kraft in Richtung der Werkzeugachse auf einen Maximalwert zu begrenzen. The method advantageously allows limiting the force in the direction of the tool axis to a maximum value.
Zweckmäßigerweise wird die Stellgröße bei Regelung der Kraft in Richtung der Werkzeugachse in einem frei programmierbaren Fenster überwacht, so dass bei dessen Verlassen ein Fehler generiert wird. Appropriately, the manipulated variable is monitored in regulating the force in the direction of the tool axis in a freely programmable window, so that when it leaves an error is generated.
In einer Variante der Erfindung erfolgt die Regelung des Energieeintrags des Rührreibschweißprozesses als eine Kombination mehrerer Stellgrößen. In a variant of the invention, the regulation of the energy input of the friction stir welding process takes place as a combination of a plurality of manipulated variables.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass das Verfahren sich gut zur Verfahrensintegration in ein Bearbeitungszentrum eignet. Wesentliche Mittel zur Implementierung des Verfahrens sind Bestandteil einer programmierbaren Steuerung eines Bearbeitungszentrums, so dass der Rührreibschweißprozess qualitativ verbessert werden kann durch Nutzung der Hardware und den Programmiermöglichkeiten eines Bearbeitungszentrums. Die hierzu benötigte Hardware ist in Bearbeitungszentren bereits vorhanden und kann durch Programmierung für die Anwendung des Verfahrens benutzt werden. It is a particular advantage of the invention that the method is well suited for process integration into a machining center. Essential means for implementing the method are part of a programmable control of a machining center, so that the friction stir welding process can be qualitatively improved by using the hardware and the programming capabilities of a machining center. The required hardware is in machining centers already exists and can be used by programming for the application of the method.
Darüber hinaus erweitert das Verfahren den Einsatz von Bearbeitungszentren, was dem Hersteller eines solchen den Kundenkreis erweitert. In addition, the process extends the use of machining centers, which extends the manufacturer of such a clientele.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and associated drawings. Show it:
Die zugehörige
Für den Prozess des Reibrührschweißens und seiner Integration in ein Bearbeitungszentrum sind dabei die Motorströme IM1 und IM2 der Antriebe der z-Achse
In der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- z-Achse z-axis
- 1.1 1.1
- erste Führung first guide
- 1.2 1.2
- zweite Führung second leadership
- 3 3
- Werkstück workpiece
- 4 4
- Spindel spindle
- 5 5
- Werkzeug Tool
- 6 6
- Proportionalregler proportional controller
- 7 7
- Proportional-Integralregler Proportional integral control
- 8 8th
- Vorschubmotor feed motor
- 9 9
- Stromregler current regulator
- 10 10
- Motorgeber motor encoder
- 11 11
- Lineargeber linear encoder
- 12 12
- proportional-integral-derivativen Regler proportional-integral-derivative regulator
- 13 13
- Prüfung auf Verletzung des Toleranzfensters Check for violation of the tolerance window
- 14 14
- Lagerregler storage controller
- 15 15
- System Maschine System machine
- 16 16
- Steuerungsschnittstelle NC-OVR Control interface NC-OVR
- K K
- Kraftregelung force control
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102009025167 B3 [0012] DE 102009025167 B3 [0012]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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