DE1783196B1

DE1783196B1 - Rotationsreibschweissmaschine

Info

Publication number: DE1783196B1
Application number: DE1783196A
Authority: DE
Inventors: Loyd Calvin David; Farmer Charles Gene; Miller Robert Gordon; Oberle Theodore Loring
Original assignee: Production Technology Inc
Current assignee: Production Technology Inc
Priority date: 1966-07-29
Filing date: 1967-07-25
Publication date: 1978-04-06
Also published as: DE1627482A1; US3462826A; JPS5225381B1; DE1783196C2; DE1627482B2; BE702021A; SE334520B; NL6710486A; GB1194876A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationsreibschweißmaschine mit einem aus Pumpe und Motor bestehenden hydrostatischen Drehantrieb, einer hydraulisch betätigten Vorrichtung zum Zusammenpressen der zu verschweißenden Teile und mit Steuerungsmitteln einschließlich während des Schweißvorgangs zeitabhängig ansprechenden, selbsttätigen Schaltmitteln zum Steuern der Drehgeschwindigkeit.

Eine derartige Maschine wird von Giordano in der Zeitschrift »The Tool and Manufacturing Engineer«, Januar 1966, Seite 40—43, insbesondere im Zusammenhang mit den F i g. 4 und 5 als Trägheitsreibschweißmaschine erwähnt, die einen Strömungsmittelmotor und Schwungräder aufweist, die zunächst durch den Motor beschleunigt werden, um während des Schweißvorganges die das eine Werkstück haltende Spindel zu drehen, wobei durch eine Schaltvorrichtung die Verbindung zwischen Spindel und Schwungrad vor Abgabe der gesamten Schwungenergie unterbrochen wird. Die ίο Drehung endet kurz danach, wenn die Drehenergie der vom Schwungrad gelösten Spindel aufgebraucht ist. Obwohl, siehe die Veröffentlichung von Zürn in der Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb«, 1962 Seiten 337—339, Reibschweißvorgänge automatisch mit pneumatischen oder hydraulischen Mitteln gemäß bekannten Verfahren gesteuert werden, um gleichmäßig reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, besteht diese Steuerung bisher im wesentlichen darin, daß von vornherein eine Geschwindigkeit eingestellt und nach einer bestimmten Zeit abgeschaltet oder abgebremst wird. Der Geschwindigkeitsverlauf wird zusätzlich durch den Druck beeinflußt, mit dem die zu verschweißenden Teile λ gegeneinander gepreßt werden. Dabei wird zwischen ™ einem Erwärmungs- und einem Stauchdruckabschnitt unterschieden; im zweiten Abschnitt wird der Druck evtl. erhöht, und die Erhöhung findet gegebenenfalls vor der Spindelabbremsung statt. In dem zitierten Aufsatz wird ferner die Möglichkeit erwähnt, während des ersten Abschnittes den Druck von Null auf den vorgesehenen Höchstwert während einer bestimmten Zeit zu bringen, die gegebenenfalls die gesamte Vorwärmzeit umfassen kann.

Die bisher bekannten Einrichtungen und Steuerungsmittel, die auch Grenzschalter und Vorrichtungen zum Voreinstellen einer bestimmten Geschwindigkeit und eines in einer vorbestimmten Zeit zu erreichenden Druckes umfassen, ermöglichen jeweils nur Arbeitsabläufe, die durch die Voreinstellung eines Geschwindigkeitswertes, eines Druckes, einer auf den Anfahrzeitpunkt bezogenen Zeit zum Abbremsen oder Abschalten des Antriebes festgelegt sind. Abgesehen von diesen vorzugebenden Werten hängt der eigentliche Ablauf von der Eigenart der Maschine ab, z. B. davon, ob der Antrieb unmittelbar mit Elektromotor oder mit Hilfe m von Schwungrädern erfolgt, die vorher auf eine bestimmte Betriebsgeschwindigkeit gebracht worden sind. Diese Maschinen bieten zwar für bestimmte festumrissene Aufgaben günstige Arbeitsbedingungen; Schwierigkeiten können sich jedoch schon aus Material-Umstellungen ergeben, von Abmessungsänderungen der zu verschweißenden Teile ganz abgesehen.

Die Erfindung bezweckt, eine Rotationsreibschweißmaschine zu schaffen, bei der eine über die Einstellung einer bestimmten Geschwindigkeit, der Abbremsung und der Druckanwendung hinausgehende Gestaltung des Schweißvorganges möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Rotationsreibschweißmaschine der eingangs erwähnten Art mit einer die Druckflüssigkeitsverdrängung im Drehantrieb selbsttätig ändernden Steuerungseinrichtung versehen. Vorzugsweise enthält die Steuerungseinrichtung eine Rückkopplungseinrichtung, und gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, einen Funktionsgenerator in Verbindung mit einem Zeitgenerator, welche die die Schaltmittel steuernden Signale abgeben.

Die erfindungsgemäße Maschine gestattet nicht nur, die Arbeitsbedingungen der verschiedenen bisher üblichen Rotationsreibschweißmaschinen zu reprodu-

zieren. Zusätzlich können Schweißungen in der Weise ausgeführt werden, daß während des eigentlichen Schweißvorganges und nicht nur aufgrund der Erwärmung und/oder Schmiedung im Bereich der Berührung zwischen den zu verschweißenden Stücken, oder aufgrund der Druckanwendung, die Geschwindigkeit nach einem bestimmten Programm geändert wird. Die Änderung ist nicht einfach eine An- oder Abschaltung des Antriebs, eine Abbremsung oder die Reaktion auf die unter Druck entstehende Schweißung, sondern eine aktive Änderung der Antriebsbedingungen, und zwar gegebenenfalls gemäß einer bestimmten Funktion. Durch Variation der Geschwindigkeit während des Schweißvorganges über die bisher bekannten, im wesentlichen aus Abschaltung und Bremsung bestehenden Steuerungsmöglichkeiten hinaus ergeben sich für besondere Abmessungen oder Werkstoffe der zu verschweißenden Teile wesentlich günstigere Bedingungen als bisher. So kann die Drehgeschwindigkeit vom Erwärmungsbereich auf den Schmiedebereich und, falls erforderlich, vom Schmiedebereich wieder zurück auf den Erwärmungsbereich unmgestellt werden. Weiter kann bei Arbeiten mit einer erfindungsgemäßgen Maschine die Bearbeitungszeit in den einzelnen Bereichen, Erwärmungs- oder Schmiedebereich, gegebenenfalls verlängert werden.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer mit programmierbarer Steuerung arbeitenden Schweißmaschine nach der Erfindung, wobei einzelne Teile der Anschaulichkeit halber fortgebrochen dargestellt sind,

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 einen hydraulischen Schaltkreis für eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 eine der F i g. 1 ähnliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Schweißmaschine mit zusätzlichem Energiespeicher in Form von Trägheitsgewichten,

F i g. 5 eine vereinfachte Darstellung einer Steuerschaltung für die Maschine nach Fig. 1,

F i g. 6 und 7 schematische Teile der in einer erfindungsgemäßen Maschine zu verwendenden Steuerung,

Fig.8 eine Daten-Zusammenstellung für Schweißvorgänge, die auf einer Maschine nach F i g. 1 ausführbar sind, und

Fig.9—12 typische Drehgeschwindigkeit-Zeit-Kurven einer Maschine nach F i g. 1.

Eine erfindungsgemäß ausgestattete Schweißmaschine 21, siehe Fig. 1, weist einen Rahmen 22 mit Einspannvorrichtungen 23 und 24 für die zwei zu verschweißenden Teile, die Werkstücke WPi und WP 2 auf. Die Einspannvorrichtung 24 ist nicht drehbar an einer Halterung 26 und diese ihrerseits axial bewegbar am Maschinenrahmen 22 angeordnet, wobei sie von einem Belastungszylinder 27 gesteuert wird. Eine eo Druck-Programmierschaltung, siehe F i g. 6, die weiter unten ausführlich erläutert wird, regelt den Druck im Belastungszylinder und bestimmt damit die Kraft, mit welcher die Teile WPl und WP 2 in Berührung gebracht werden. b>

Die Einspannvorrichtung 23 ist drehbar, jedoch in axialer Richtung nicht bewegbar angeordnet, und mit einer Antriebseinrichtung verbunden, die mit veränderbarer Geschwindigkeit arbeiten kann, so daß die Drehgeschwindigkeit der Einspannvorrichtung 23 während eines Schweißvorganges veränderbar ist. Die Antriebseinrichtung weist einen Elektromotor 28, eine hydrostatische Pumpe 29 und einen hydrostatischen Motor 31 auf. Die Pumpe 29 wird durch den Motor 28 angetrieben und führt über einen Verteiler 32 unter Druck stehende Flüssigkeit dem Motor 31 zu, der die drehbare Einspannvorrichtung 23 durch eine Antriebswelle 33 treibt.

Die Drehgeschwindigkeit des Motors 31 wird durch die Winkelstellung eines Nockens 34 im Motor und eines Nockens 36 in der Pumpe bestimmt. Wenn der Nocken 34 so bewegt wird, daß sich die Verdrängung des Motors 31 erhöht, wird bei irgendeinem gegebenen Flüssigkeitsvolumen, das von der Pumpe 29 zugeführt wird, die Drehgeschwindigkeit des Motors 31 und der Welle 33 verringert. Wenn der Nocken 36 verstellt wird, um die Verdrängung der Pumpe 29 zu vergrößern, wird bei irgendeiner gegebenen Stellung des Nockens 34 im Motor 31 die Drehgeschwindigkeit des Motors 31 und der Welle 33 vergrößert.

Die Stellung des Nockens 34 wird durch eine hydraulisch betätigte Verdrängungssteuerung 37 eingestellt, und die Stellung des Nockens 36 durch eine Verdrängungssteuerung 38.

Die Maschine 21 enthält Fühlereinheiten 39 und 41, die bei der Ausführungsform nach F i g. 1 Linearpotentiometer sind. Die Einheiten 39 und 41 nehmen die Stellung der Nocken 34 und 36 wahr und dienen als Teil einer Rückkopplungsanordnung, die im Zusammenhang mit F i g. 5 erläutert wird.

Die Maschine 21 weist einen Tachometergenerator 42 auf, der ein Signal erzeugt, welches der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit der Welle 33 entspricht. Dieses Signal wird in der Rückkopplungsanordnung benutzt; es kann ferner zur Aufzeichnung der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit verwendet werden.

Eine Druck-Programmier-Steuerung 43 der Maschine 21, siehe Fig.6, sorgt für eine automatische Regelung des hydraulischen Flüssigkeitsdrucks, der dem Belastungszylinder 27 nach Beginn des Schweißvorganges zugeführt wird.

Die Steuerung 43 enthält einen Zeitgeber 44, eine Vergleichseinrichtung 46, eine Vorspannungsquelle 47, einstellbare Druckentlastungsventile 48 und 49, Ventile 51 und 52 und Solenoide 53 und 54 zur Steuerung der Stellungen der Ventile 51 und 52.

Die unter Druck stehende Flüssigkeit für den Zylinder 27 wird durch eine Leitung 56 hindurch mittels einer nicht dargestellten Pumpe zugeführt. Eine Rückleitung 57 führt zu einem ebenfalls nicht dargestellten Vorratsbehälter.

Der Zeitgeber ist mit der Vergleichseinrichtung 46 durch eine Leitung 58 und mit dem Solenoid 54 durch eine Leitung 59 verbunden. Die Vergleichseinrichtung ist mit der Vorspannungsquelle 47 durch eine Leitung 61 und mit dem Solenoid 53 durch eine Leitung 62 verbunden.

Das Ventil 51 bewirkt die Änderung des Einlaßflüssigkeitsdruckes zwischen den Niveaus, die durch die einstellbaren Druckentlastungsventile 48 und 49 bestimmt sind, wenn das Ventil 51 zwischen den in F i g. 6 mit 1 und 2 bezeichneten Stellungen verstellt wird. Dadurch wird bewirkt, daß die von dem Belastungszylinder 27 ausgeübte Belastung entsprechend sich ändert.

Im Betrieb wird der Anlaßknopf zur Auslösung des Schweißvorganges gedrückt. Der Zeitgeber 44 bewirkt

dann die Erregung des Solenoids 54, wodurch das Ventil 52 in eine Stellung geschaltet wird, in welcher unter Druck stehende Flüssigkeit aus der Einlaßleitung 56 zum Belastungszylinder 27 geführt wird. Zu dieser Zeit hat das Ventil 51 die Stellung 1, und das einstellbare Druckentlastungsventil 48 steuert das Druckniveau derart, daß der Belastungszylinder 27 dazu gebracht wird, die gewünschte Anfangsbelastung auszuüben.

Der Zeitgeber 44 kann vorgewählt werden, so daß er nach irgendeinem gewünschten Zeitraum eine Spannung auf die Vergleichseinrichtung 46 gibt, welche die Vorspannung aus der Quelle 47 ausgleicht. Wenn dies eintritt, wird durch die Vergleichseinrichtung das Solenoid 53 erregt und das Ventil 51 in die Stellung 2 geschaltet. Die Einlaßleitung 56 wird dann von dem einstellbaren Druckentlastungsventil 48 getrennt und mit dem einstellbaren Druckentlastungsventil 49 verbunden. In den meisten Fällen ist das Ventil 49 für einen höheren Druck als das Ventil 48 eingestellt, so daß die vom Belastungszylinder 27 ausgeübte Belastung sich erhöht.

Wenn die Schweißung fertig ist, wird das Solenoid 54 abgeschaltet und das Ventil 52 in eine neutrale Stellung zurückgeführt. Dadurch wird der Belastungszylinder 27 mit der Rückführleitung 57 verbunden, und die Feder 63 kann den Kolben des Belastungszylinders zurückziehen. Der Belastungszylinder 27 kann auch ein doppelt wirkender Zylinder, und das Ventil 52 so ausgelegt sein, daß es Druckflüssigkeit zum Stangenende des Zylinders leitet, um den Kolben nach Fertigstellung der Schweißung zurückzubewegen.

Die Erregung des Solenoids 53 wird am Ende des Schweißvorganges ebenfalls abgeschaltet, und die Feder 64 stellt das Ventil 51 zurück in die dargestellte Stellung 1.

Die Maschine 21 enthält eine Geschwindigkeitsprogrammiereinrichtung 71, siehe F i g. 5, mit welcher eine vorher festgelegte Änderung der Drehgeschwindigkeit mit der Zeit, das heißt eine gewünschte Beziehung zwischen Drehgeschwindigkeit und Zeit, über die gesamte Schweißperiode gewählt und erzeugt werden kann. Die Einrichtung 71 enthält einen Programmierer

72 und eine Steuerungseinrichtung 73.

Der Programmierer 72 erzeugt ein gewünschtes Geschwindigkeitssignal, und die Steuerungseinrichtung

73 bewirkt, daß die Geschwindigkeit der Welle 33 der programmierten Geschwindigkeit gleicht, indem ein entsprechendes Drehmoment auf die zu verschweißenden Teile ausgeübt wird. In der in F i g. 5 dargestellten Form ist Programmierer 72 elektrisch und enthält einen Diodenfunktionsgenerator und einen Zeitgenerator. Der Diodenfunktionsgenerator nähert die gewünschte Geschwindigkeit-Zeit-Funktion durch eine Reihe von gradlinigen Abschnitten an. Die Anzahl der in der Darstellung zu verwendenden Abschnitte hängt davon ab, wie genau die Kurve angenähert werden muß und welche Anzahl von Abschnitten verfügbar ist. Der Diodenfunktionsgenerator hat veränderbare Verzweigungspunkte mit einstellbarer Steilheit. Der Verzweigungspunkt ist der Schnittpunkt zwischen zwei geraden Linienabschnitten, die einen Teil der Kurve bilden. Durch die Einstellung der Steilheit wird die Neigung jedes der geraden Linienabschnitte bestimmt. Die Summierung der geraden Linienabschnitte nähert dann die gewünschte Funktion an. Der Zeitgenerator kippt den Diodenfunktionsgenerator und liefert die Zeitachse für das Programm. Die Kipp- oder Zeitablenkgeschwindigkeit oder Zeitachse werden während der Rückstellung und des eigentlichen Schweißvorganges des Arbeitsablaufes durch den Rückstell-Kippgeschwindigkeitsanzeiger bzw. Schweiß-Kippgeschwindigkeitsanzeiger gesteuert. Andere Programmiermittel, wie Nockenflächen, Bänder oder Lochkarten können auch zur Erzeugung des gewünschten Geschwindigkeitssignals verwendet werden.

Die Steuerungseinrichtung 73 weist elektrohydraulische Servoventile 74 und 76 auf, welche den Zustrom

ίο von unter Druck stehender Flüssigkeit von einer Pumpe 77 durch eine Leitung 78 zu den Verdrängungssteuerungen 38 und 37 steuern. Die Ventile 74 und 76 können auch den Rückfluß der Flüssigkeit von den Verdrängungssteuerungen 38 und 37 durch eine Leitung 79 zu einem Behälter 81 steuern.

Die Pumpe entwickelt in der Steuerschaltung einen ausreichenden Druck, um für ein schnelles Ansprechen der Verdrängungssteuerungen 37 und 38 auf Änderungen in der gewünschten Geschwindigkeitseinstellung zu sorgen. Das Geschwindigkeitssignal vom Programmierer 72 wird den Servoventilen 74 und 76 durch Leitungen 82 und 83 zugeführt. Der Hydraulikkreis zur Betätigung der Verdrängungssteuerungen 37 und 38 enthält auch ein Rückschlagventil 84 und einen Akkumulator 86 stromab von der Pumpe 77.

Der Hydraulikkreis für die hydrostatische Pumpe 29 und den Motor 31 enthält ein Hochdruckentlastungsventil 87. In einer Ausführungsform der Erfindung war das Hochdruckentlastungsventil 87 so eingestellt, daß der höchste Arbeitsdruck auf 352 kg/cm² begrenzt war, und das Entlastungsventil 88 für den niedrigen Druck war auf 7 kg/cm² eingestellt. Der Hydraulikkreis für die Pumpe 29 und den Motor 31 enthält auch eine Auffüllpumpe 89 und ein Rückschlagventil 91, wodurch irgendwelche Flüssigkeitsverluste des Systems wiederaufgefüllt werden können. Dadurch wird ein Minimum-Einlaßverteilerdruck im Rückführverteiler 32A aufrechterhalten, um Hohlsog in der Pumpe 29 zu vermeiden.

Die Geschwindigkeitsprogrammiereinrichtung 71 bildet ein Wirksystem mit einem geschlossenen Regelkreis und enthält Rückkopplungsmittel, um die tatsächliche Geschwindigkeit mit der programmierten Geschwindigkeit zu vergleichen. Die Rückkopplungsmittel bewirken, daß Unterschiede zwischen den tatsächlichen und den programmierten Geschwindigkeiten ausgeschaltet werden. Diese Rückkopplungsmittel enthalten die Linearpotentiometer 39 und 41, welche die tatsächliche Stellung der Nocken 34 und 36 abtasten. Die Rückkopplungssignale, die dadurch von den Fühlereinheiten 39 und 41 erzeugt werden, werden zurück in den Programmierer über die Leitungen 92 und 93 geführt. Die gewünschte Geschwindigkeit und die tatsächliche Geschwindigkeit werden in dem Programmierer vergli-

5¹) chen und ein entsprechendes Signal dem Servoventil 74 und dem Servoventil 76 zugeführt, falls irgendeine Korrektur erforderlich ist.

Bei Betrieb der vorstehend beschriebenen Maschine 21 wird zunächst die gewünschte Geschwindigkeit-Zeit-

w> Beziehung in den Programmierer 72 eingegeben. Die Geschwindigkeit-Zeit-Kurve könnte zum Beispiel eine Form wie eine der Kurven haben, die in den F i g. 9—12 oder in der letzten senkrechten Spalte der F i g. 8 dargestellt sind. Je nach den Besonderheiten der zu

ι? verschweißenden Teile bzw. Materialien kann die gewünschte Geschwindigkeit-Zeit-Kurve auch irgendeine andere besondere Ausbildung aufweisen, die für die besondere Schweißung am besten geeignet ist. In jedem

Fall würde die Programmiereinrichtung 72 so programmiert werden, daß sie die entsprechende Kurve erzeugt.

Gleichzeitig wird die Druckprogrammiereinrichtung 43 so programmiert, daß sie die gewünschte Druck-Zeit-Beziehung erzeugt, falls mit einem anderen als konstantem Druck gearbeitet werden soll.

Der Elektromotor beschleunigt dann die hydrostatische Pumpe 29 und den Motor 31 auf die gewählte Anfangsgeschwindigkeit, und der Belastungszylinder 27 verschiebt die Halterung 26 und die nicht drehbare Einspannvorrichtung 24 in der Darstellung der F i g. 1 nach links, um die Teile WPl und WP2 in Reibungsberührung zu bringen. In den meisten Fällen tritt, falls die gewünschte Anfangsgeschwindigkeit verhältnismäßig hoch ist, eine geringfügige Anfangsab- t5 weichung der tatsächlichen von der gewünschten Geschwindigkeit auf. Diese geringfügige Abweichung wird schnell berichtigt, so daß während des übrigen nachfolgenden Schweißvorganges die tatsächliche Geschwindigkeit sehr eng der angestrebten Geschwindigkeit entspricht.

»In der Maschine 21 ist die Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Welle 33 zwischen den Verdrängungssteuerungen für den Nocken 34 und den Nocken 36 aufgeteilt. Der dem Motor zugeordnete Nocken wird für einen Geschwindigkeitsbereich zwischen 0 und 1500 Umdrehungen pro Minute (UpM) auf einem größten Winkel gehalten; der Winkel des Pumpennockens 36 wird verändert, um die Geschwindigkeit innerhalb dieses Bereiches zu steuern. Von 1500UpM bis zur vollen Drehgeschwindigkeit, die bei einer im Einsatz ' befindlichen Form der Maschine nach F i g. 1 etwa 3000 UpM beträgt, wird der Winkel des Pumpennokkens 36 konstant gehalten und der Winkel des Motornockens 34 verändert.

Fig.2 zeigt eine Maschine, welche allgemein der Maschine nach F i g. 1 gleicht, mit der Ausnahme, daß die hydrostatische Pumpe 29 und der hydrostatische Motor 31 hintereinander angeordnet worden sind, so daß der längliche Verteiler zur Verbindung der beiden Einheiten überflüssig ist. In der abgewandelten Ausführungsform nach F i g. 2 wird eine größere Pumpe verwendet, so daß nur eine einzige Verdrängungssteuefe rung 38 erforderlich ist, um die Ausgangsgeschwindig-" keit der Welle 33 zu steuern. Der Motor 31 ist ein hydrostatischer Motor mit festgesetzter Verdrängung. Der übrige Teil der Maschine 21, Fig.2 entspricht im wesentlichen der Maschine, die in F i g. 1 dargestellt ist.

Der hydrostatische Motor hat eine verhältnismäßig kleine eigene Trägheit und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit, wodurch er besonders als Antriebseinrichtung für das Verfahren nit programmierter Geschwindigkeit geeignet ist. Die aus hydrostatischer Pumpe und Motor bestehende Kombination kann auch als Bremse verwendet werden, um überschüssige Energie in dem Fall aufzunehmen, daß derart kleine Teile auf der Maschine zu verschweißen sind, daß sogar die geringe Eigenträgheit des hydrostatischen Motors als übermäßig erscheinen würde. In diesem Fall wird die Bremsung dadurch erreicht, daß der Verdrängungsnokken in der Pumpe umgekehrt wird, so daß der Motor als Pumpe und die Pumpe als Motor arbeitet. Die Energiemenge, die in der Transmission oder Übertragungseinrichtung bei dieser Arbeitsweise absorbiert wird, kann dadurch leicht gesteuert werden, indem ein einstellbares Entlastungsventil in derri Antriebschaltkreis vorgesehen wird. Die für die öffnung des Entlastungsventils erforderliche Energie wird durch die Transmission absorbiert und die Energie, welche die zum öffnen des Ventils erforderliche übersteigt, ist an der Schweißgrenzfläche zur Herstellung der Schweißung verfügbar.

F i g. 7 zeigt einen hydraulischen Schaltkreis, der eine gesteuerte Bremsung des Hydraulikmotors ermöglicht. In dem Schaltkreis nach Fig.7 treibt ein Elektromotor 28 die mit veränderlicher Verdrängung arbeitende hydraulische Pumpe 29. Die Pumpe 29 liefert unter Druck stehende Flüssigkeit durch einen Verteiler 32 an den hydraulischen Motor 31. Der hydraulische Motor dreht die Antriebswelle 33 und die Spindel, welche die Einspannvorrichtung 23 enthält. Eine eine Auffüllpumpe und Ventil enthaltende Einheit 89 Hefen Flüssigkeit zum Ausgleich für diejenige, die während der Arbeitsvorgänge aus dem Schaltkreis herausleckt.

Der in F i g. 7 gezeigte Schaltkreis enthält auch ein Schieberventil 90, welches über den Zuleitungsverteiler 32 und den Rückleitungsverteiler 32-4 angeschlossen ist. Das Schieberventil ist auf eine von den dargestellten drei Stellungen mittels einer Handeinstellvorrichtung 100 einstellbar. Der Kreis enthält außerdem ein veränderbares Druckentlastungsventil 95.

Im Betrieb können, wenn das Schieberventil 90 die dargestellte Stellung 1 einnimmt, der Hydraulikmotor 31 und die Spindel durch den Elektromotor 28 und die Hydraulikpumpe 29 mit veränderbarer Verdrängung beschleunigt werden, da die Verbindung zwischen den Verteilern 32 und 32/4 durch das Ventil 90 gesperrt ist. Wenn die Spindel und die Einspannvorrichtung 23 die gewünschte Drehgeschwindigkeit erreichen, kann für die Spindel und die Antriebswelle 33 ein Freilaufen dadurch ermöglicht werden, daß das Ventil 90 auf die Stellung 2 gebracht wird. Damit werden die Verteiler 32 und 32/4 in offene Verbindung gebracht und der Antriebskreis kurz geschlossen. Die Pumpe 29 kann in diesem Zeitpunk auf die Verdrängung 0 eingestellt werden.

Um die Transmission als Bremse zu benutzen, wird das Ventil 90 in die Stellung 3 gebracht. Die Motorauslaßleitung 32/4 ist dann in Verbindung mit der Motoreinlaßleitung über das veränderliche Druckentlastungsventil 95. Die Einstellung des Entlastungsventils bestimmt dann die Energiemenge, die zur Erzeugung von Wärme für die Schweißung verfügbar ist. Das heißt, daß die Energie in der sich drehenden Antriebswelle 33 mit Spindel und Einspannvorrichtung 23, die erforderlich ist, um einen ausreichenden Druck für die öffnung des Entlastungsventils 95 zu erzeugen, in der Transmission absorbiert wird. Die in den sich drehenden Teilen noch übrige Energie, die die Menge übersteigt, welche zur Öffnung des Entlastungsventils erforderlich ist, ist zur Erzeugung von Wärme für die Schweißung verfügbar.

Die Fig.9 —12 zeigen beispielsweise einige Geschwindigkeits-Zeitkurven, mit welchen die hier beschriebene Schweißmaschine programmiert werden kann.

Die allgemein parabolisch geformte Geschwindigkeits-Zeit-Kurve der F i g. 9 ist an sich kennzeichnend für eine Trägheitsschwiißung, für die ein verhältnismäßig großes Schwungrad verwendet wird, das mit einer verhältnismäßig niedrigen Anfangsgeschwindigkeit läuft. Das Ausmaß des Abfallens der Schwungradgeschwindigkeit ist beträchtlich langsamer als in dem Fall, in dem dieselbe Menge gespeicherter Energie in einem kleineren Schwungrad gespeichert wäre, das mit einer hohen Anfangsgeschwindigkeit läuft, siehe F i g. 11.

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ίο

Diese beiden Drehzahl-Zeit-Kurven können leicht mit der hier beschriebenen Geschwindigkeits-Programm-Schweißmaschine erzeugt werden.

Beim Rotationsreibschweißen führt eine Drehung der zu verschweißenden Teile oberhalb von einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich hauptsächlich zur Erwärmung mit geringer plastischer Durcharbeitung oder Schmiedung und eine Drehung der Teile unterhalb eines gewissen Geschwindigkeitsbereiches hauptsächlich zu einer starken plastischen Durcharbeitung oder Schmiedung. Der Geschwindigkeitsbereich, der den Erwärmungsbereich vom Schmiedungsbereich trennt, ändert sich in Abhängigkeit von den Materialien. Auch für irgendwelche bestimmten Teile ist der Bereich wegen des Geschwindigkeitsgradienten über den Radius der sich drehenden Teile nicht scharf definiert. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Teile verringert wird, geht der Teil der Grenzfläche, der näher zur Drehachse liegt, in den Schmiedebereich über, und zwar vor den Abschnitten der Grenzfläche, die weiter von der Drehachse entfernt liegen. Trotzdem gibt es für irgendwelche bestimmten Teile ein Geschwindigkeitsband, unter welchem das Drehmoment sich merklich erhöht, wodurch angezeigt wird, daß die zu verschweißenden Teile in den Schmiedebereich eintreten. Dieses Geschwindigkeitsband ist allgemein durch die gestrichelte Linie CS in F i g. 9 — 12 angedeutet.

Der durch die Linie CSangezeigte Geschwindigkeitsbereich stellt auch den Geschwindigkeitsbereich dar, bei welchem sich eine Schweißung zwischen den drehenden Teilen ausbildet, falls die Grenzfläche bis auf einen plastischen Zustand erwärmt worden ist.

F i g. 9 und 11 zeigen, daß bei einem Arbeitsverlauf entsprechend der flacheren Geschwindigkeitskurve nach F i g. 9 eine längere Periode der Drehung im Schmiedebereich auftritt. In den meisten Fällen ist dies erwünscht und für die Güte der Schweißstruktur förderlich.

Die in F i g. 9 und 11 dargestellten Kurven mit fortlaufend abnehmender Geschwindigkeit brauchen nicht die am besten geeigneten für die Erzeugung der erforderlichen Wärme zu sein. In manchen Fällen ist eine Kurve wie die nach Fig. 10 besser und wirkungsvoller. Dabei werden die Teile mit einer verhältnismäßig konstanten hohen Geschwindigkeit im Erwärmungsbereich gedreht, und die Geschwindigkeit wird dann schnell auf die Geschwindigkeit des Schmiedebereiches herabgesetzt. Das Ausmaß der Schmiedung wird dann durch die Geschwindigkeit und durch die Zeitspanne gesteuert, während der die Teile im Schmiedebereich gedreht werden.

Die in Fig. 12 gezeigte Drehzahl-Zeit-Kurve hat sich als sehr wirksam erwiesen, die Gefahr von Fehlerstellen im Mittelbereich äußerst gering zu halten. Nach dieser Kurve durchlaufen die Teile zunächst eine Periode der Erwärmung, werden dann einer Schmiedung unterzogen und durchlaufen darauf eine zusätzliche Erwärmungsperiode, an die ein letzter Schmiedungsabschnitt anschließt. Das Hin- und Herschalten zwischen den Erwärmungs- und Schmiedungsbereichen erzeugt thermische und mechanische Wirkungen, die zum Schweißen von Teilen mit größerem Durchmesser nützlich sind.

Die Drehzahl-Zeit-Kurve der Fig. 10 entspricht einer Kurve, die mit einem Plantetenschaltgetriebe erzeugt werden kann, das während des Betriebes von einer hohen auf eine niedrigere Drehzahl in einem vorher festgelegten Augenblick des Schweißvorganges umgeschaltet werden kann. Eine derartige Maschine kann natürlich nicht über den vollen Drehzahlbereich arbeiten, der mit der hier beschriebenen hydrostatischen Antriebseinrichtung erzeugt werden kann. In F i g. 8 sind Material- und Arbeitsdaten für Schweißungen angegeben, die mit einer hier beschriebenen Einrichtung ausgeführt worden sind. Zum Beispiel ist das in der sechsten waagerechten Reihe der F i g. 8 angegebene XCO-Material ein sehr hochkohliges, sehr hochlegiertes Röhrenmaterial, das äußerst temperaturfest ist und einen hohen Widerstand gegen Fressen und Schweißen aufweist. Dieses Material ist erfolgreich unter den in F i g. 8 angezeigten Bedingungen geschweißt worden. Dabei wurde ein abgestufter Druckverlauf angewendet, bei welchem der höhere Druck etwa an dem Punkt eingesetzt wurde, der durch die senkrechte Linie in der Geschwindigkeitskurve in Fig.8 angedeutet wird. Dieses Material hatte sich als schwierig mit dem Trägheitsverfahren zu schweißen herausgestellt. Die Spalten für die Gesamtenergie und die durchschnittliche Leistung sind für die XCO-Schweißung freigelassen worden, da diese Größen bei diesem bestimmten Schweißvorgang nicht aufgezeichnet worden sind.

In einigen Fällen kann es erwünscht sein, den Arbeitsbereich einer Schweißmaschine bestimmter Größe über das maximale Ausgangsdrehmoment des hydrostatischen Motors hinaus auszudehen. So kann es sich in einigen Fällen empfehlen, anstelle der Verwendung eines größeren hydrostatischen Motors, der das erforderliche maximale Drehmoment liefert, einen hydrostatischen Motor kleinerer Größe und eine zusätzliche Antriebsanordnung zu benutzen, welche ein Antriebsdrehmoment zusätzlich zu demjenigen liefert, das durch den hydrostatischen Motor verfügbar ist. Fig. 4 zeigt eine gesehwindigkeitsprogrammierte Schweißmaschine mit einem zusätzlichen Schwungrad. Die mit Geschwindigkeitsprogrammierung arbeitende Schweißmaschine nach F i g. 4 gleicht allgemein derjenigen nach F i g. 1 mit Ausnahme des zusätzlich angeordneten Schwungrades 101.

Das Schwungrad 101 ist auf einem Träger 107 und

dieser ist mit Lagern 102 drehbar auf der Welle 33 angeordnet. Das Schwungrad 101 kann durch eine Einwegkupplung 103 mit der Welle 33 verbunden werden.

Ein Kragen 104 ist durch Keilnuten mit der Welle 33 verbunden und dadurch auf dieser verschiebbar. Der Kragen 104 hat eine Reibungsauflage 106. Wenn die Reibungsauflage zur Berührung gegen den Schwungradträger 107 gedrückt wird, drehen sich der Träger und das Schwungrad mit der Welle 33. Ein Hydraulikzylinder 108 verschiebt den mit Keilnuten angeordneten Kragen 104, um die Reibungsauflage gegen den Schwungradträger zu drücken oder von dem Schwungradträger zu lösen.

Im Betrieb wird der Zylinder 108 betätigt, um den Kragen 104 an den Schwungradträger 107 während eines Teiles der Zeit zu kuppeln, in der die Welle 33 auf die gewünschte Anfangsdrehgeschwindigkeit beschleunigt wird, bevor die Teile WP1 und WP 2 in Berührung gebracht werden. Dadurch wird das Schwungrad beschleunigt, und wenn die gewünschte Menge an Trägheitsenergie im Schv/ungrad gespeichert worden ist, wird der Kragen 104 verstellt, um das Schwungrad von der Welle 33 zu lösen. Das Schwungrad läuft dann auf der Welle 33 frei, während die Welle 33 und die Einspannvorrichtung 23 auf die gewünschte Drehzahl

beschleunigt werden, bei welcher die Teile anfänglich in Berührung gebracht werden.

Die Teile WPi und WP2 werden dann in Reibungsberührung gegeneinandergedrückt. Durch richtige Steuerung des Berührungsdruckes kann das maximale Drehmoment im Anfangsstadium des Schweißvorganges sehr gut innerhalb der Leistungsfähigkeit des Hydraulikmotors 31 gehalten werden. Wenn jedoch die Drehzahl in den Schmiedebereich abfällt, werden höhere Drehmomente erzeugt; während dieses Abschnittes des Arbeitsablaufes wird die im Schwungrad gespeicherte Energie verwendet, um das vom Motor gelieferte Drehmoment zu ergänzen. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Welle 33 unter die Drehgeschwindigkeit sinkt, mit welcher das Schwungrad läuft, bringt die Einwegkupplung 103 des Schwungrad in Antriebsverbindung mit der Welle 33. Die im Schwungrad gespeicherte Energie hilft dann der hydrostatischen Antriebsübertragung beim Antrieb der sich drehenden Teile während des Schmiedeabschnittes des Schweißvorganges.

Fig.3 ist eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform für einen Hydraulikantrieb einer mit programmierter Geschwindigkeit arbeitenden Schweißmaschine. In Fig.3 liefert eine mit fester Verdrängung arbeitende Pumpe 111, die durch einen nicht dargestellten Elektromotor oder eine Brennkraftmaschine angetrieben sein kann, unter Druck stehende Flüssigkeit an einen Hydraulikmotor 112 über eine Leitung 113. Der Motor 112 treibt eine Ausgangswelle, die der Ausgangswelle 33 der Maschine nach F i g. 1 entspricht.

Die Drehzahl des Motors 112 wird durch die Menge an Hydraulikflüssigkeit bestimmt, die über ein elektrohydraulisches Servoventil 114 zugeführt wird. Die Stellung des Beeinflussungsventils 114 wird durch einen summierenden Knotenpunkt oder Vereinigungsstelle 116 gesteuert.

Das Signal der gewünschten Drehzahl wird in einem Programmierer 72 erzeugt und dem Summationspunkt 116 über eine Leitung 117 zugeführt. Das Signal der tatsächlichen Geschwindigkeit wird dem Summationspunkt von einem Tachometer 42 über eine Leitung 118 zugeleitet. Eine Differenz zwischen den Signalen der gewünschten und der tatsächlichen Geschwindigkeit wird dem Ventil 114 über eine Leitung 119 zugeführt und verursacht, daß das Ventil sich in der richtigen Richtung bewegt, um den Zustrom der Hydraulikflüssigkeit zum Motor 112 zu erhöhen oder zu verringern.

Unter gewissen Arbeitsbedingungen kann das Ventil 114 in die äußerste rechte Stellung verschoben werden, die verursacht, daß der Motor 112 in umgekehrter Richtung angetrieben wird, so daß der Motor 112 als Bremse wirkt.

Die Leitung 113 enthält auch einen Filter 121, ein Rückschlagventil 122 und einen Akkumulator oder Sammler 123. Der Sammler speichert unter Druck stehende Flüssigkeit für die Betriebsabschnitte, in denen für den Antrieb des Motors mehr Flüssigkeit erforderlich ist, als von der Pumpe 111 geliefert werden kann. Ein Überströmventil 124 bewirkt die Ableitung der überschüssigen Pumpenleistung, wenn der Sammler voll aufgeladen ist und der Motor weniger benötigt, als von der Pumpe an Flüssigkeit abgegeben wird.

Die Antriebsanordnung nach Fig.3 enthält Mittel, um den Antrieb schnell von dem zu drehenden Teil zu trennen. Zu dieser Einrichtung gehört ein durch ein Solenoid betätigtes Entleerungsventil 125. Ein Druckschalter 126 ist betriebsweise mit dem Solenoid verbunden, um Druck abzulassen und um den Strom der Flüssigkeit vom Eingang des Motors 112 abzulenken, wenn der Druck einen vorbestimmten Wert erreicht, der durch den Schalter 126 bestimmt wird. Falls der Druckschalter 126 auf einen ausreichend geringen Druck eingestellt ist, trennt der Schalter den Motor von dem Antriebszug, wenn der zu schweißende Teil an irgendeinem Punkt im Bereich des letzten Drehmomentanstieges nahe dem Ende des Schweißvorganges gedreht wird. Gewöhnlich ist ein derartiger Arbeitsablauf nicht erwünscht, weil dadurch ein großer Teil der Schmiedung wegfällt. In gewissen Anwendungsbereichen dieses Verfahrens kann es jedoch nützlich sein, die Gesamtverfahrensdauer für einen Schweißvorgang auf einen Kleinstwert zu bringen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotationsreibschweißmaschine mit einem aus Pumpe und Motor bestehenden hydrostatischen Drehantrieb, einer hydraulisch betätigten Vorrichtung zum Zusammenpressen der zu verschweißenden Teile und mit Steuerungsmitteln einschließlich während des Schweißvorganges zeitabhängig ansprechenden, selbsttätigen Schaltmitteln zum Steuern der Drehgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch eine die Druckflüssigkeitsverdrängung im Drehantrieb (31, 29) selbsttätig ändernde Steuerungseinrichtung (71).

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (71) eine Rückkopplungseinrichtung (39, 92; 41, 93; 42) enthält.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (71) einen Funktionsgenerator in Verbindung mit einem Zeitgenerator (72) enthält, welche die die Schaltmittel steuernden Signale abgeben.

4. Maschine nach Anspruch 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (71) in einem unteren Drehzahlbereich die Pumpe (29) bei konstanter Verdrängung des Motors (31) und im oberen Drehzahlbereich den Motor bei konstanter Pumpenverdrängung steuert.

5. Maschine nach Anspruch 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung allein die Pumpe (29) steuert (F i g. 2).

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel ein Ventil (90) zur unmittelbaren Verbindung von Pumpenausgang und -eingang enthalten.

7. Maschine nach Anspruch 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel ein Ventil (114) zur Umkehrung der Anschlüsse des Motors (31) umfassen.

8. Maschine nach Anspruch 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel ein Ventil (114) zur Änderung des Druckes der dem Motor (31) zugeführten Flüssigkeit enthalten.

9. Maschine nach Anspruch 1—8, gekennzeichnet durch einen zwischen Pumpe (111) und Motor (112) liegenden Sammler (123) für unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit.

10. Maschine nach Anspruch 1 —9, gekennzeichnet durch Schaltmittel (103,104,106,107) zur zeitweisen Zu- und Abschaltungeines Energiespeichers (101).

11. Maschine nach Anspruch 1 — 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (31) ein Ablaßventil (125) zur Ableitung von unter Druck stehender Flüssigkeit um den Motor herum zugeordnet ist.