DE1966187C3 - Verfahren und Maschine zum Reibungsschweißen eines Werkstückpaares mittels RotationsreibungsschweiBmaschine mit Schwungrad - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Maschine zum Reibungsschweißen eines Werkstückpaares mittels Rotationsreibungsschweißmaschine tnit Schwungrad, wobei die beiden Werkstückteile eine aus Relativdrehung der Teile und reversierender ReIativverschiebung der Teileachsen bestehende Relativbewegung unterworfen und gegeneinandergedrückt werden.

Bei einer bekannten Vorrichtung (DT-PS 1 224 590) verbleiben die Werkstückteile während ihrer freien Relativdrehung zueinander in ihrer koaxilen Lage, so daß keine unmittelbare Erhitzung und Reinigung aller Teile der Berührungsfläche zwischen den beiden Werkstükken durch Reibung erfolgt, da in der Drehachse die Relativgeschwindigkeit Null herrscht. Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere, wenn ein schnelles Verschweißen gewünscht ist, erfolgt im Bereich der Dreh ₍achse keine ausreichende Erwärmung bis in den plastisehen Zustand des Werkstoffes, so daß eine vollständige Verschweißung über die gesamte Berührungsfläche nicht möglich ist.

Bei eine»· anderen bekannten Bauart (FR-PS 1 497 229) erfolgt für die Erwärmung eine Relativver-Schiebung durch eine lineare reversierende Bewegung der beiden Werkstückteile zueinander, die nach Erreichen der Schweißtemperatur in der gewünschten Zuordnung der beiden Werkstückteile zueinander angehalten wird. Durch die Umkehr der Relativbewegung ergeben sich periodische Beschleunigungen und Verzögerungen, die der gleichmäßigen Erwärmung abträglieh sind.

Bekannt ist ferner (DTPS 807 848). entsprechend A_em eingangs genannten Verfahren zum Reibungs-Sw«32von Kunststoff dem einen Werkstückt«! eine Schwin^ewegung5»«te*«^JJ^ J^ «*- re Werkstückteü fe tgehaitcn *.rd um du. in Anlage gegeneinandergehaltenen Werkstucktede auf die Schweißtemperatur /uerhu/en wonach den, bisher festgelegten Werkstuckte.1 gestat te, wrd. d e Schwing, bewegung des anderen Werkstückes m.tzumachen. Die h.erzu erforderiuAe Abstimmung der Bewegung beider Werkstückteile bed.ng« einen erheblichen bau«,-chen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das emgangs erwähnte Verfahren so «1 rühren daß eine ausreichende Relativbewegung und damit unmittelbare Lrwärmung und Reinigung durch Reibung m allen m.teinander zu verbindenden Bereichen der Werkstückteile erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch d.e Kombination folgender. beim Reibungsschweißen aus der DT-PS [224 590 und der FR-PS 1 497 229 an sich bekannier MaBnahmen gelost, nämlich

a) die Relativdrehung erfolgt durch freie Drehung um die Werkstückachse;

b) die Relativverschiebung erfolg! durch eine lineare Bewegung der Teileachsen gegeneinander

Im allgemeinen genügt eine Bewegung der koaxial zueinander eingespannten Werkstückteile in die Stellung mit zueinander versetzten Teileachscn. in der die Erhitzung durch Reibung beginnt, während der die Werkstückteile in die koaxiale Stellung zuruckbewegt werden, die bei Erreichen der Schweißtemperatur erreicht wird. Die Erwärmung erfolgt hierbei von einer anfänglich größeren erfaßten Fläche unier kontinuierlieher Verringerung auf die zu verschweißende Fläche, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung einschließlich des zentralen Bereichs gewährleistet ist. Durch die Konzentration der Reibungswärme auf die Schweißfläehe wird der Energiebedarf wie auch die Erwärmungszeit verringert sowie die Güte der Schweißung verbessen. Gegenüber der ersterwähnten aus der DT-PS 1 224 590 bekannten Verfahrensweise wird auch der zentrale Bereich der Werkstückteile ausreichend unmittelbar erwärmt. Gegenüber der zweiterwähnten Verfahrensweise nach der FR-PS 1 497 229 ergibt sich eine gleichförmigere Bewegung der Werkstückteile zueinander. Gegenüber der letzterwähnten aus der DTPS 807 848 bekannten Verfahrensweise ist ein einfacherer Aufbau bei besserer Erwärmung erzielt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen von Rotationsrei· bungsschweißmaschinen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprächen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Rei bungsschweißmaschinen nach der Erfindung darge stellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer Reibungsschweißma schine.

Fig.2 einen Längsschnitt durch einen Teil dei F i g. 1,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in F i g. 2,

F i g. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 3,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht eines Werkstük kes, das aus zwei Teilen mit der Maschine gemäl F i g. 1 verschweißt wird und

F i g. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Bau form einer Reibungsschweißmaschine.

Die in F i g. 1 dargestellte Reibungsschweißmaschim

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>esteht aus einem Spindelkopf 10 und einem Reitstock 12. die auf einem gemeinsamen Bett 13 koaxial zueindn ler ausgerichtet befestigt sind. Sie weisen an ihren ein mder gegenüberliegenden Stirnseiten Werkstückhalter luf, um aufgenommene Werkstücke relativ zueinander αϊ drehen, wobei zugleich eine axiale Kraft ausgeübt wird. Die zum Verschweißen der Werkstücke erforderliche Wärme wird durch die relative Gleitbewegung der gegeneinanderliegenden Flächen der Werkstücke erzeugt. Die Winkelgeschwindigkeit der relativen in Drehbewegung und die axiale Kraft werden so eingestellt, daß eine ausreichende Reibungswärme an der ge meinsamen Berührungsfläche entsteht, so daß bei Beenden der Relativdrehung der beiden Werkstücke zueinander die Schweißung vollzogen ist.

Auf der einen Seite ist neben dem Spindelkopf 10 ein Antriebsgehäuse 14 angeordnet, an dem hydraulische Motoren befestigt sind, die über nicht dargestellte Antriebe mit einer Spindel 16 wahlweise kuppelbare · Schwungräder antreiben. ao

Die Spindel 36 ist über eine Kupplung 56 mit einer zweiten Spindel 54 verbunden, die sich durch ein zweites Gehäuse 58 erstreckt (Fig. 1 und 2) und in diesem über Kugellager drehbar gelagert ist. Die Spindel 54 trägt an ihrem freien Ende einen großen ringförmigen aj Flansch 60. an den ein Werkstückhalter 62 mittels Schrauben befestigt ist.

Der Werkstückhalter (F i g. i) besteht aus einer Grundplatte 64. einer /wischenpbüe 66 und einer Deckplatte, die miteinander verbunden sind. Die Deck platte enthalt eine Schwalbenschwanznut, in der ein Schlitten 74 verschieblich ist. Der Schlitten 74 trägt ein ander gegenüberliegende Spannbacken 76. die an den Außenflächen des Schlittens um Zapfen 78 schwenkbar sind. Die Spannbacken 76 sind durch Schraubenfedern in die Spannlage vorbelastet, um einen rechteckigen Flansch eines metallischen Werkstückes 86 (F i g. 5) zu greifen. Die äußeren Enden der Spannbacken 76 sind entsprechend abgeschrägt, so daß das Werkstück 86 in Längsrichtung aus dem Werkstückhalter entnommen werden kann.

Um eine reversierende Relativverschiebung des Schlittens zum übrigen Teil des Werkstückhalters zu bewirken, ist ein Kolben 94 (F i g. 2) vorgesehen, der eine begrenzte axiale Bewegung innerhalb des stärkeren Endes der Spindel 54 ausführen kann.

Mit dem Kolben 94 ist eine Kolbenstange % verbunden, die sich durch die Grundplatte 64 und die Zwischenplatte 66 hindurch in eine öffnung 98 (F i g. 3) im Schlitten 74 erstreckt. Die Kolbenstange 96 hat einen seitlichen Ansatz 100, an dem ein erster Lenker 102 eines Kniegelenks befestigt ist. Ein zweiter Lenker 104, der aus /wei parallel zueinander liegenden Armen besteht, ist mit dem anderen Ende des Lenkers 102 gelenkig verbunden und an seinem anderen Ende über einen Zapfen 106 mit der Zwischenplatte 66 verbunden. Der zweite Lenker 104 hat ferner einen Kopf 107, der eng in eine Ausnehmung 108 an der Unterseite des Schlittens 74 greift.

Der Kolben 94 wird hydraulisch betätigt. Hierzu ist eine Druckflüssigkeitsleitung 110 (F i g. 2) vorgesehen, die mit einem axialen Kanal 112 in der Spindel 54 verbunden ist, der zu einer Steuerkammer 114 auf der linken Seite des Kolbens 94 führt. Eine zweite Druckflüssigkeitsleitung 116 ist mit einem zweiten axialen Kanal 118 in der Spindel 54 verbunden, der zu einer Steuerkammcr 120 auf der rechten Seite des Kolbens 94 führt. Wird der ersten Steuerkammer 114 Druckflüssigkeit zugeleitet, während die zweite Steuerkammer 120 druckentlastet ist, so bewegt sich der Kolben 94 nach rechts in F i g. 2 bis 4 gesehen, um den Schlitten 74 in eine vorgegebene Stellung entsprechend dem Hub des Kolbens zu bewegen. Wird der zweiten Steuerkammer 120 Druckflüssigkeit zugeleitet, während die Steuerkammer 114 entlastet wird, so erfolgt eine Rückbewegung des Kolbens 94 und damit eine Rückbewegung des Schlittens 74 in die Stellung, in der die Teile des Werkstücks in der endgültigen Lage zueinander ausgerichtet sind.

In dem Werkstückhalter ist ein nicht dargestelltes Gegengewicht angeordnet so daß der Werkstückhalter in allen Stellungen des Schlittens dynamisch ausgewuchtet ist und unabhängig von der jeweiligen Lage des Schlittens der Gewichtsschwerpunkt des Werkstückhalters in der Drehachse verbleibt.

Der Reitstock 12 weist eine Grundplatte 130 auf. auf der in Führungen ein Support 132 längsverschieblich ist. Der Support 132 trägt einen hydraulischen Motor 142. der über ein nicht dargestelltes Schneckengetriebe ein Wellenstück 154 antreibt. Am äußeren Ende des Wellenstücks 154 ist ein zweiter Werkstückhalter in Form einer Spannbüchse 156 zur Aufnahme eines zweiten Werkstückes 162. beispielsweise einer länglichen zylindrischen Stange, vorgesehen. Das /weite Werkstück 162 wird gegen das erste Werkstück 86 in axialer Richtung in bekannter Weise gedruckt.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Maschine ist folgende: Der Metallflansch des ersten Werkstückes 86 wird in den Schlitten 74 eingesetzt und festgespannt. Während des Einsetzens des Werkstückes 86 in den Schlitten 74 ist der Reitstock 12 zurückgezogen, befindet sich also rechts in Fig. 1. Das zweite Werkstück 162 ist in den Reitstock eingeführt und in den von diesem getragenen Werkstückhalter 156 festgehalten.

Es wird sodann der Reitstock 12 in die Arbeitsstellung bewegt, in welcher sich die Stirnfläche des zweiten Werkstückes 162 dicht neben dem Werkstück 86 befin det. ohne dieses jedoch zu berühren. Der Motor 142 treibt /u dieser Zeit das zweite Werkstück 162 mit einer vorgegebenen Drehzahl, beispielsweise 200 U/min an.

Während des Einspannens des zweiten Werkstückes 162 in den Reitstock und während dessen Bewegung in die Arbeitsstellung treibt der hydraulische Motor das im Antriebsgehäuse 14 befindliche Schwungrad an und beschleunigt dieses auf eine Drehzahl, bei der ein vorgegebenes Schwungmoment gespeichert ist. das zum Verschweißen der Werkstücke 86 und 162 ausreicht, wenn diese gegeneinandergedrückt werden. Nachdem das Schwungrad die vorgegebene Drehzahl erreicht hat, wird das erste Werkstück 86 angekuppelt und läuft mit einer vorgegebenen Drehzahl von beispielsweise 2500 U/min um. Der Antrieb beider Werkstücke 86 und 162 erfolgt hierbei in gleicher Richtung.

Sobald das erste Werkstück 86 mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben wird, erfolgt eine axiale Verschiebung des Reitstockes mit dem Wellenstück 154 durch die die beiden Werkstücke mit einer vorgegebenen Kraft gegeneinandergedrückt werden. Unter diesen Betriebsbedingungen ergibt sich eine gleitende Reibung an der Trennfläche zwischen den beiden Werk stücken, die den größten Teil der Berührungsfläche un mittelbar erhitzt. Im mittleren Teil der Berührungsflä ehe ist die Geschwindigkeit jedoch gering und in dei Drehachse selbst herrscht die Geschwindigkeit Null Die Erhitzung dieses mittleren Bereichs hängt daher in

wesentlichen allein von der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes des Werkstückes ab. Diese Erhitzung durch Wärmeleitung reicht häufig nicht aus, um eine hochwertige Schweißung im mittleren Bereich der Berührungsfläche zu erzielen. Um über den gesamten Bereich der Berührungsfläche eine einwandfreie Schweißung zu erhalten, ist die erfindungsgemäße Relalivverschiebung der Achsen der Werkslücke vorgesehen. Zu diesem Zweck wird der Kolben % betätigt, um den Schlitten 74 um einen kleinen Weg, der etwa der Hälfte des Radius des zweiten Werkstückes 162 entspricht, in Querrichtung zu bewegen. Die in der Drehachse liegenden Teile werden daher aus dieser fortbewegt, so daß auch in diesem Bereich eine relative Drehbewegung eintreten kann. Die Bewegungsverhältnisse sind in F i g. 5 dargestellt. Auch die Berührungsflächen nahe der Drehachse werden durch die erfindungsgemäße Ausbildung mit größerer Geschwindigkeit gegeneinander bewegt, so daß dort eine entsprechende unmittelbare Erhitzung durch Reibung eintritt. Die Verschiebung in Querrichtung unterstützt im übrigen auch das Reinigen der Berührungsflächen durch mechanisches Reiben.

Nachdem eine ausreichende Erwärmung der Werkstücke 86 und 162 in dieser Weise erfolgt ist. wird der Schlitten zurückbewegt, bis die Werkstücke in der Drehachse ausgerichtet zueinander liegen. Da alle Teile der Berührungsfläche gereinigt sind und genügend erwärmt sind, verschweißen die gleichmäßig erhitzten Teile unter Bildung einer hochwertigen Schweißverbindung. Durch die gleichmäßigere Erzeugung der Reibungswärme über die ganze Berührungsfläche ergibt sich eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung. Bei der Relativquerbewegung, bei der die axiale Kraft aufrechterhalten bleibt, bildet sich in Querrichtung ein Grat durch fortgequetschten Werkstoff. Dieser Grat enthält die Verunreinigungen, die aus der Berührungsfläche fortbewegt werden. Nach der Rückbewegung des Schlittens verzögert sich die Drehzahl des Schwungrades weiter, bis sie die des zweiten Werkstükkes 162 erreicht. Während dieser Zeit erfolgt eine intensive statische Beanspruchung der Schweißung, wodurch eine Verfeinerung des Korns der Schweißverbindung erzielt wird. Das Abbremsen der Relativdrehbewegung erfolgt über die durch die Schweißnaht verbundenen Werkstücke und bei beenden der Rclativdrehung ist die Schweißung vollzogen, worauf das Werkstück aus der Maschine entfernt werden kann.

In F i g. 6 ist eine andere Ausführungsform einer Reibungsschweißmaschine dargestellt, die im Grundaufbau ίο mil der ersten Bauform zum Teil gleich ausgebildet ist. Bei dieser Maschine ist der Spindelkopf 10 im wesentlichen in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet. )edoch wird nicht der Schlitten zum Werkstückhalter in Querrichtung reversierbar bewegt, sondern der gesamte Spindelkopf, so daß eine große Zone starker Erhitzung im Bereich der Berührungsfläche der beiden Werkstücke erzielt wird.

F i g. 6 zeigt nur einen Teil des Spindelkopfes 10 und des Reitstocks 12, da die Einzelteile im wesentlichen ao der ersten Ausführungsform gleich sind. Der Spindelkopf 10 enthält eine Spindel 54, die über zwei Motore und zwei Schwungräder, die in dem Antriebsgehäuse enthalten sind, angetrieben wird. Die Spindel 54 erstreckt sich durch ein Gehäuse 58 und dient dem Anas trieb eines Werkslückhalters 62, der das eine Werkstück aufnimmt. Der Spindelkopf 10 zusammen mit dem Gehäuse 58 hat Seitenplatten 123, die auf der Grundplatte längs Führungen 122 quer zur Drehachse des Spindelkopfes verschieblich sind. Diese Querbewegung während des Erhitzungsvorganges wird durch einen hydraulischen Motor 124 bewirkt, der an der Grundplatte befestigt ist und die Seitenplatten 123 über einen Kolben antreibt. Das nicht dargestellte Antriebsgehäuse ist durch einen ähnlichen Antrieb ebenfalls reversierbar verschiebbar. Eine geeignete Steuerung bewirkt die Rückbewegung des Spindelkopfes nach einer ausreichenden Zeit, um den Spindelkopf 10 zum Reitstock 12 axial ausgerichtet zu bringen. Der Reitstock 12 zur Aufnahme des zweiten Werkstückes 162 ist in gleieher Weise ausgebildet wie in der Maschine gemäO Fig.1.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. nspruche: —J

   Patentanspruche:

   J. Verfahren zum Reibungsschweißen eines WericstOckpaares mittels Rotationsreibungs- S schweißmaschine mit Schwungrad, wobei die beiden Werkstückteile eine aus Relativdrehung der Trie und reversierender Relativverschiebung der Teileachsen bestehende Relativbewegung unterworfen und gegeneinandergedrückt werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, beim Reibungsschweißen an sich bekannter Maßnahmen:

   a) die Relativdrehung erfolgt durch freie Drehung um die Werkstückachse; «

   b) die Relativverschiebung erfolgt durch eine Iineare Bewegung der Teileachsen gegeneinander
2. 2. Rotationsreibungsschweißmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit um *> seine Achse drehbarem Werkstückhalter, gekennzeichnet durch einen von einem der Werkstückhai ter (10) getragenen, antreibbaren Schlitten (74). der seinerseits das Werkstückteil trägt und senkrecht zur Drehachse geführt ist. »5
3. 3. Rotationsreibungsschweißmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit um seine Achse drehbarem Werkstückhalter, gekennzeichnet durch einen motorischen Antrieb (124) zur Bewegung des einen Werkstückhalters (62) längs Führungen (122) quer zur Drehachse der Werk Stückhalter.