DE1955523A1

DE1955523A1 - Verfahren zum Ausrichten von reibungsgeschweissten Teilen

Info

Publication number: DE1955523A1
Application number: DE19691955523
Authority: DE
Inventors: Jozef Kiwalle
Original assignee: PRODUCTION JECHNOLOGY Inc
Current assignee: PRODUCTION JECHNOLOGY Inc
Priority date: 1968-11-20
Filing date: 1969-11-05
Publication date: 1970-08-27
Also published as: GB1266600A; FR2023667A1; BE739692A; JPS5031541B1; US3564703A

Description

Priorität 20.-Nov. 1968 USA Ser. No. 777 289

Anmelder:·

Caterpillar !Tractor Go
Peoria, 111., USA

Verfahren zum Ausrichten von reibungsgeschweißten Teilen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum.Reibungsschweißen, bei welchem zwei Werkstücke, die in Reibungsberührung stehen, gegeneinander gedreht werden, um Reibungswärme zu erzeugen, die die Werkstücke auf eine geeignete Schweißtemperatur bringt, worauf die Relativdrehung aufhört und eine Verbindung zwischen den ■-Werkstücken· hergestellt ist. Die Erfindung bezieht sich besonders auf die Reibungsschweißung von zwei Werkstücken wodurch die verbundenen Werkstücke in genauer V/inkelausrichtung zueinander eingestellt sein v;erden.

Viele Teile erfordern wegen ihrer gegenseitigen Stellung oder v/egen ihrer vorgesehenen Anwendung eine genaue Winkelausrichtung im fertigen Schweißstück. Oftmals sind die Hersteller gezwungen, v/eniger leistungsfähige und teurere Verfahren zum Schweißen zu benutzen oder solche Teile in anderer V/eise zu verbinden, da eine

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Winkelausrichtung bei den bekannten Reibungsschweißverfahren und -Einrichtungen weitgehend- nicht überwacht werden kann. Deshalb ist es das Hauptziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Reibungsschweißen zweier Werkstücke zu schaffen, worin der Schweißvorgang genau gesteuert wird und eine Relativdrehung zwischen den' Werkstücken an einer vorherbestimmten Stelle gestoppt wird, um eine genaue Winkelausrichtung zwischen den verbundenen Werkstücken zu ermöglichen.

Weitere Vorzüge und die Merkmale der Erfindung gehen aus den Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Grundgedanken beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Reibungsschweißmaschüie zur Verwendung für die vorliegende Erfindung

Fig. 2: einen Schnitt entlang der Linie II—II der Pig. 1

Fig. 3: eine vereinfachte Darstellung einer abgeänderten erfindungsgemäßen Ausführungsart

In Fig. 1 ist eine Reibungsschweißmaschine, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung verkörpert, allgemein mit 10 bezeichnet. Die Reibungsschweißmaschine 10 enthält einen Rahmen oder ein

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Gestell 12 zum Unterbringen der Maschinenteile und ist mit einer bewegbaren Reitstockeinrichtung 14- versehen, auf der eine nicht drehbare Einspannvorrichtung 16 angeordnet ist.

■Ein Werkstück oder Schweißteil 18, das bzw* der mit einem drehbaren Werkstück 20 zusammengeschweißt werden soll, wirdj· fest in der Einspannvorrichtung 16 gehalten· Das Werkstück 20 wird fest in einer drehbaren Einspannvorrichtung 22 gehalten, die an einem Ende einer drehbaren Spindel 24· angeordnet ist. Die drehbare Spindel 24- wird mittels eines Motors 26 mit hoher Drehzahl einer Kupplungsanordnung 28 und eines Keilriemens 30 gedreht. Die Spindel 24 kann auch nach Wahl mittels einer zweiten Kupplungsanordnung 34- an eine drehbare Masse, wie zum Beispiel Schwungradeinrichtung 32, angekuppelt werden. Der Zweck der Ankupplung der Schwungradeinrichtung 32 an die Spindel 24-wird noch erläutert.

Die Schwungradeinrichtung 32 wird mittels eines Motors 36 ^mi"b gleichbleibender Drehzahl, eines Keilriemens 38 und eines Kupplungssatzes 4-0 gedreht. Ein Drehzahl-Anzeige-Gerät 4-2 verzeichnet die Drehgeschwindigkeit der Spindel 24- und ein gesondertes Drehzahl-Anzeigegeräte verzeichnet die Drehgeschwindigkeit der Schwungradeinrichtung 32. Eine Vorrichtung zur Ausübung eines Druckes, zum Beispiel eine Druckkolbenvorrichtung 4-6, ist zum Bewegen der Reitstockeinrichtung 14- vorgesehen um Erwärmungs- und Schweißdrücke während eines Schwcißablaufes zu liefern.

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Fig. 2 stellt einen Schnitt der Schweißmaschine im Bereich der Spindel 24 und die Art und Weise dar, in der eine Spindel-Abtastvorrichtung 48 zum Abtasten der genauen Lage der Spindel 24 auge-, ordnet ist. Fig. 2 stellt außerdem eine Spindel-Arretiervorrichtung 50 dar, die bei Betätigung in einen Spindelanschlag 52 mittels·eines vorrückbaren Anschlagbolzens 54· eingreift. Die genauen Einzelheiten der Wirkungsweise der Spindel-Abtastvor- ^ richtung 48 und der Spindel-Arretiervorrichtung 50 v/erden weiter

unten ausführlich erklärt.

Die Schweißmaschine 10 kann in der folgenden Art betätigt werden, um zwei Schweißteile miteinander zu verbinden, die genaue Drehwinkelausrichtung mit bezug zueinander erfordern. Zunächst wird das Werkstück 20 in die drehbare Einspanneinrichtung 22 eingesetzt und darin gesichert, wobei besonders die Ausrichtung des Werkstückes 20 in bezug auf den Spindelanschlag 52 berücksichtigt wird, der an der Spindel 24 ausgebildet ist. Dann wird das "Werkstück 18 in die feststehende Einspannvorrichtung 16 eingesetzt und mit bezug auf das Werkstück 20, und somit auf den Spindelanschlag 52, genau ausgerichtet.

Dann wird der Hochleistungsmotor 26 in Tätigkeit gesetzt und die Kupplung 28 eingerückt, um die Spindel 24 mit hoher Drehzahl zu.drehen. Nachdem eine vorbestimmte hohe Drehzahl erreicht ist, wird die Druckvorrichtung 46 betätigt, um die Reitstockeinrichtung 14 gegen das sich drehende Werkstück 20 zu schieben, bis eine

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Berührung zwischen dem sich drehenden Werkstück 20 und dem nicht drehenden Werkstück 18 hergestellt ist. Die Druckvorrichtung 46 bringt einen vorherbestimmten, gleichbleibenden Erwärmungsdruck auf die Berührungsfläche der Werkstücke 18 und 20 auf, so„daß die Reibung zwischen den Werkstücken Wärme an der Berührungsfläche erzeugt und diese auf Schweißtemperatur bringt.

Nachdem die Berührungsfläche zwischen den Werkstücken die Schweißtemperatur erreicht hat, wird die Kupplung 28 ausgerückt und der Hochleistungsmotor 26 abgeschaltet, Nachdem die Kupplung 28 ausgerückt worden ist, verlangsamt sich die Drehung der Spindel 24. An diesem Punkt im Arbeitsgang kann der Druck, der durch die Druckvorrichtung 46 auf die Werkstücke ausgeübt wird, für eine kurze Zeit etwas abgebaut werden, aber es wird an den Werkstücken 18 und 20 genügend Druck aufrechterhalten, um sicher zu gehen, daß sie auf Schweißtemperatür bleiben.

Während der Zeit, in der der Hochleistungsmotor 26 die Spindel 24 antreibt, um die Werkstücke zu erwärmen, wird der Motor angelassen und die Kupplung 40 eingerückt, um eine Drehung der Schwungsradanordnung 32 hervorzurufen. Die Kupplung ^>^LY wird ,jedoch nicht eingerückt, und deshalb besteht keine Verbindung zwischen der drehenden Schwungradvorrichtung 32 und der Spindel 24. Der Motor 36 bringt die Schwungsradvorrichtunp; auf eine niedrige, gleichbleibende Drehzahl in einem ungefähren Bereich

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von beispielsweise 50-400 U/min. Wenn die Spindel 24· auf eine vorherbestimmte Drehzahl verlangsamt ist, die etwas höher als die Drehzahl der Schwungsradvorrichtung ist und durch die Drehzahlanzeigevorrichtung 4-2 bestimmt wird, wird die Kupplung 34- eingerückt und dadurch die Schwungradvorrichtung 32 mit der Spindel 24- verbunden.

Zu dieser. Zeit ist normalerweise die Kupplungsvorrichtung ψ 4-0 ausgerückt, und die Schwungvorrichtung 32 und die Spindel 24-werden als Einheit verlangsamt. Die Schwungradvorrichtung 32 hat die Aufgabe, für die nötige Kraft oder das Drehmoment zu sorgen, um die Spindel 24- in die geeignete Lage zu drehen" und die Drehwinkelausrichtung zwischen den Werkstücken 18 und 20 herzustellen. In manchen Fällen können die Werkstücke 18 und 20 so klein sein, daß sie die Anwendung der Hoch-Drehleistungs-Schwungradvorrichtung 32 nicht erfordern. Jedoch ist in den meisten Fällen diese große Drehleistung notwendig, die Werkstücke \ 18 und 20 auf Schweißtemperatur erwärmt und deshalb im Schweiß- . zustand sind, und eine große Kraft ist erforderlich, um:die ..· ■-'■■-Spindel unter diesen Umständen zu drehen. . · -

Nachdem die Schwungradanordnung 32 und die Spindel 24- auf einfe.-".--;:.-vorherbestimmte Drehzahl verlangsamt worden sind, die^ durch die ■ Drehzahl-Meßvorrichtung 4-2 festgestellt wird, wird die- Spindelabtastvorrichtung 4-9 betätigt. Die Spindel-Abtastvorrichtung',^:--^;

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48 tastet die Lage der Spindel 24 ab, indem sie die Stellung des Spindelanschlages 52 wahrnimmt. Nachdem die Lage-Abtastvorrichtung 48 die Stellung des Spindelanschlages 52 bestimmt •hat, gibt sie der Kupplung 34 ein Signal zum Ausrücken und außerdem der Spindel-Arretiervorrichtung 50 ein Signal zum Eingreifen und Vorschieben des Spindel-Arretierbolzens 5^-. Dadurch greift der Arretierbolzen 5^- in den Spindelanschlag 52 während der Drehung der langsam laufenden Spindel 24, und die Spindel wird an einer genau bestimmten Stelle gestoppt. »

Zur selben Zeit, da die Kupplung 34 ausgerückt und die Spindel-Arretiervorrichtung 50 betätigt wird, kann es erforderlich sein, auf die Werkstücke 18 und 20 mittels der Druckvorrichtung 46 einen Stauchdruck auszuüben.

Da die Spindel an einer genau vorherbestimmten Stelle gestoppt worden ist und die Werkstücke am Anfang mit Bezug auf diese Stellung in die Maschine eingespannt wurden, sind die Werkstücke in genauer Drehwinkelausrichtung zueinander eingestellt. Die Schweißung ist jetzt vollendet, die Einspannvorrichtungen können " gelöst, der Schweißdruck kann entlastet und die geschweißte,Vorrrichtung aus der Schweißmaschine entfernt v/erden. Der Vorgang kann nun .wiederholt werden, indem zwei neue Werkstücke in die sich drehende, und die nicht drehende Einspannvorrichtung eingesetzt werden.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß andere Mittel, wie zum Beispiel ein Hochleistungsmotor, anstelle des mit gleichbleibender Drehzahl laufenden Motors 36 und der Schwungradanordnung 32 für die Aufgabe eingesetzt werden können, die hohe Drehkraft hervorzubringen, die zum Drehen der Spindel bis zu der für die Winke!ausrichtung richtigen Stellung notwendig ist.

Statt der Arretiervorrichtung 50 könnten auch andere Mittel benutzt werden, um die langsam drehende Spindel genau in der Stellung zu stoppen, die zur Winkelausrichtung zwischen den Werkstücken gehört. So könnte eine geeignete Bremsvorrichtung oder eine Kombination einer Arretierbolzen-Einrichtung mit einer Bremsvorrichtung benutzt v/erden, um die Aufgabe, die langsam laufende Spindel an einer genau bestimmten Stelle zu stoppen, zu.erfüllen. Obwohl die in Fig. 1 dargestellte Maschine normalerweise so arbeitet, daß die Kupplungsvorrichtung 40 während des abschließenden Einstellungsvorganges ausgerückt ist, ist es möglich, die Maschine auf eine solche Weise zu betätigen, daß die Kupplung 40 eingerückt bleibt und der Motor 36 weiterhin die Schwungradanordnung und Spindel so lange antreibt, bis die Kupplung 34 ausrückt. ·

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einör abgeänderten erfindungsgemäßen Ausführungsform, in der die Teile, die ähnlichen mit Bezug auf Fig. 1 und 2 beschriebenen Teilen entsprechen, durch dieselbe Zahl mit einem Strichindex (') gekennzeichnet sind.

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Unter der Annahme, daß die Werkstücke 18' und 20' bereits eingespannt und in ihren entsprechenden Einspannvorrichtungen ausgerichtet worden sind, läuft der Schweißvorgang, der die endgültige winkelgleiche Ausrichtung der Werkstücke einschließt, wie folgt ab: Die zentrale Steuerungseinheit 60 gibt ein Signal an die Kupplungsvorrichtung 28' um den eine hohe Drehzahl aufweisenden Motor 26' mit dem Antriebsmittel 30' zu kuppeln. Der Motor 26' wird dann durch die Steuerung 60 eingeschaltet, so daß die Spindel 24- in Drehung versetzt wird,über die Kupplungsanordnung 28' und die Antriebsmittel 30.

Daraufhin wird durch ein Signal der Steuerung* 60 ein Ventil 62 geöffnet und eine vorherbestimmte Druckmenge in die Druckkammer 4-6' eingelassen, um das nicht drehbare Werkstück 18 ' mit dem sich drehenden Werkstück 20' in Berührung zu .bringen. Die durch die Reibung zwischen den zwei Schweißstellen erzeugte Wärme bringt die Werkstücke in einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne auf Schweißtemperatur.

Nachdem die Schweißtemperatur erreicht worden ist, wird durch einen Zeitgeber in der Steuerung 60 ein Signal an die Kupplung 28' zum Ausrücken gegeben und der Motor 26' gestoppt.

Während des oben beschriebenen Arbeitsganges ist der Hochleistungsmotor 64- durch die Steuerung 60 angelassen worden und dreht mit einer niedrigen, gleichbleibenden Umdrehungszahl pro Minute; die Drehgeschwindigkeit des Hochleistungsmotors 64 wird duroli die Abtastvorrichtung 44' überwacht«

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Nachdem die Kupplung 28' ausgerückt worden ist, verlangsamt sich die sich drehende Spindel 24'. Z\tfischen den Werkstücken 18' und 20' wird ein geringer Druck aufrechterhalten, um die Berührungsfläche auf Schweißtemperafcur zu halten . Während dieser Phase im Ablauf wird die Drehgeschwindigkeit der Spindel 24-' durch die Drehgeschwindigkeits-Anzeigevorrichtung 42' genau überwacht.

Dann wird die Spindel-Lageabtastvorrichtung 48' betätigt; sie überwacht die genaue Lage der Spindel 24' . Bei einer vorher festgesetzten und eingestellten niedrigen Drehgeschwindigkeit der Spindel 24' wird die Kupplung 34' durch ein Signal der Drehgeschwindigkeits-Abtastvorrichtung 42' eingerückt und verbindet dadurch den Hochleistungsmotor 64 mit der sich drehenden Spindel 24'.

Zu ungefähr derselben Zeit bekommt die Spindel-ArretiervQr— richtung 50' ein Signal von der Lage-Abtastvorrichtung 48' * um^ denArretierbolzen 54' vorzurücken Der Hochleistungsmotor 64 dreht die Spindel 24' durch die letzte Umdrehung bis zum Anschlag des Spindelanschlages 52' an den Arretierbolzen 5^'· ...

Kurz vor dem tatsächlichen Anschlag des Spindelanschlages- 52' an den Arretierbolzen 5^' rückt die Kupplung 34^f durvh ein Signal der Lage-Abtastvorrichtung 48' aus und trennt die Spindel-24· vom Hochleistungsmotor 64. Zu ungefähr derselben Zeit bekommt das Ventil 62 ein Signal von der Lage-Abtastvorrichtung 48 *■,

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so daß eine große Druckmittelmenge in die Druckkammer 46' hineingelassen und ein honer Axialdruck auf die Werkstücke 18' und 20' ausgeübt.wird. Die Drehung der Spindel 24' hört vollkommen auf, wenn der Spindelanschlag 52' mit dem Arretierbolzen 54' in Berührung kommt.

Die Schweißung ist jetzt beendet, und die Werkstücke 18' und 20' sind in genauer Winkelausricntung zusammengefügt, da sie am Anfang mit Bezug auf den Spindelanschlag 52' ausgerichtet worden waren. Dann wird die Haltevorrichtung 16' gelöst, und die· Steuerung 60 gibt ein Schließsignal an das Ventil 62 und ein Öffnungssignal an das Ventil 66. Durch das Öffnen des Ventils 66 wird eine Druckmittelmenge zum gegenüberliegenden Ende des Druckzylinders 46' befördert und die gesamte Reitstockeinrichtung gezwungen, in ihre Ausgangslage vor dem Schweißen zurückzukehren. Die geschweißte Verbindung kann jetzt aus der Maschine entfernt, und zwei neue Werkstücke können für einen neuen Schweißvorgang eingesetzt werden. ^:

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf das Anschweißen eines einzelnen feststehenden Werkstückes 18 an ein bewegbares Werkstück 20 dargestellt und beschrieben worden. Die Spindel 24 könnte jedoch auch abgeändert werden , um zwei Werkstücke oder ein einzelnens Werkstück zu drehen, die bzw. das an jedem Ende der

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Spindel hervorstehen bzw. hervorsteht. Durch Schaffung einer weiteren ReitStockeinrichtung 14 am anderen Ende einer solchen abgeänderten Spindel könnten mehrere Werkstücke^. in aufeinander bezogener Viinkelausrichtung verbunden werden, wobei die Steuerungsteile, wie der Spindel-Anzeiger, die Spindel-Arretiervorrichtung, der mit hohem Drehmoment arbeitende Antrieb usw. in der erläuterten Weise arbeiten.

PATENTANSPRÜCHE

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Claims

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1.j Verfahren zum Reibungsschweißen" eines ersten Werkstückes an ein zweites Werkstück, wobei die verbundenen Werkstücke in einem aufeinander bezogenen Drehwinkel ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Werkstück (20) in eine Werkstück-Haltevorrichtung eingesetzt und in bezug auf ein der drehbaren Haltevorrichtung zugeordnetes Anzeigemittel ausgerichtet wird, daß ein zweites Werkstück in eine nicht drehbare Haltevorrichtung (16) eingesetzt und mit bezug auf das erste Werkstück ausgerichtet wird, daß die Werkstücke durch eine schnelle Relativdrehung schnell gegeneinander

gedreht und gegeneinander gepreßt werden, um Reibungswärme an ihrer gemeinsamen Berührungsfläche zu erzeugen, und die Berührungsfläche auf Schweißtemperatur zu bringen, daß die sich gegeneinander sich drehenden Werkstücke auf einen vorherbestimmten Wert verlangsamt werden, worauf die Stellung des Anzeigemittels erfaßt wird und auf die Stellung des Anzeigemittels ansprechende Arretiermittel betätigt werden, um die drehbare Haltevorrichtung in ihrer Anfangslage abzustoppen·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine große Drehkraft auf die relativ zueinander drehenden Werkstücke nach deren Verzögerung angelegt und unmittelbar vor Betätigung der Arretiermittel abgeschaltet wird,

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3. Verfahren, nach. Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß die große Drehkraft mittels eines Hochleistungsmotors hervorgerufen wird, der nach Wahl mit dem Haltemittel des drehbaren Werkstückes in oder außer Eingriff gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die . * große Drehkraft mittels eines Motors hervorgerufen wird, der an eine drehbare Masse anschließbar ist, und daß Kupplungs mittel vorgesehen sind, die die drehbare Masse nach Wahl an die Haltevorrichtung ankuppeln oder von dieser abkuppeln.

5. Verfahren nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein hoher Axialdruck beim Fortfall der großen Drehkraft oder ■ unmittelbar danach auf die Werkstücke ausgeübt wird»

6», Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anfängliche Relativdrehung der Werkstücke mit eine,m gesonderten Motor erzeugt wird, die vor Anwendung der großen Drehkraft außer Eingriff gebracht wird, · ' - _

7, Einrichtung zum Reibungsschweißen von zwei Werkstücken in einer aufeinander bezogenen bestimmten Drehwinkelausrichtung mit einer drehbaren und einer nicht drehbaren Haltevorrichtung für die Werkstücke, einem Drehantrieb und einer Vorrichtung zur Ausübung eines Axialdruckes auf die Werkstücke, dadurch

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gekennzeichnet, daß an der drehbaren Haltevorrichtung (22) eine Drehstellungsanzeige-Vorrichtung (52) und eine in Abhängigkeit von dieser Anzeigevorrichtung die Drehung der drehbaren Haltevorrichtung anhaltende Arretiervorrichtung (50,54) angeordnet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32»34; 64, 34¹) zum Anlegen eines großen Drehmomentes im Endabschnitt des Schweißvorganges.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen zusätzlich zum Drehantrieb (26·, 28', 30' ) vorgesehenen Hochleistungsmotor (64), der über eine Kupplung (3V) an die drehbare Halterung (24·) anschließbar ist.

10. Einrichtung naGh Anspruch 8, gekennzeichnet durch an einen Drehantrieb (36) anschließbareSchwungräder (32), die über eine Kupplung (34) mit der drehbaren Halterung (22) verbindbar sind.

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