DE2128279C3

DE2128279C3 - Method for fastening an annular body on or in a hollow shaft by means of electron beam welding

Info

Publication number: DE2128279C3
Application number: DE2128279A
Authority: DE
Inventors: William Lionel Bricket Wood Hertfordshire Cook; Henry William Beaconsfield Buckinghamshire May
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-06-12
Filing date: 1971-06-07
Publication date: 1978-03-23
Also published as: FR2104757A2; DE2128279B2; JPS5147934Y2; JPS475U; FR2104757B2; GB1331451A; DE2128279A1

Description

Im Hauptpatent 20 58 021 ist ein Verfahren zum Befestigen eines an einem Radialbund einer Hohlwelle anliegenden Rotationskörpers mittels Elektronenstrahlschweißung unter Schutz gestellt, wobei die zu schweißenden Teile relativ zum Elektronenstrahl gedreht werden und wobei zur Befestigung von Ringkörpern auf oder in Hohlwellen vor den am Wellenbund anliegenden Ringkörper ein auf die Hohlwelle auf- bzw. in diese eingeschobener Haltering vorgesetzt, mit einer zum Wellenbund hin gerichteten Axialkraft beaufschlagt und mit der Hohlwelle verschweißt wird, indem der Elektronenstrahl derart radial zur Hohlwelle eingestellt wird, daß er zuerst die Hohlwelle und dann den Haltering durchdringt.In the main patent 20 58 021 is a method for attaching a to a radial collar of a hollow shaft adjacent body of revolution placed under protection by means of electron beam welding, the to welding parts are rotated relative to the electron beam and being used for fastening Ring bodies on or in hollow shafts in front of the ring body resting on the shaft collar on the Hollow shaft on or in front of this inserted retaining ring, with one directed towards the shaft collar Axial force is applied and welded to the hollow shaft by the electron beam in such a radial manner is set to the hollow shaft that it first penetrates the hollow shaft and then the retaining ring.

Das Schweißen bewirkt infolge der Erwärmung der zu verschweißenden Teile zunächst eine Expansion derselben und anschließend, wenn die Schweißzone infolge der Erwärmung plastisch geworden ist, wegen der Beaufschlagung des Halteringes mit der genannten Axialkraft eine Verschiebung des Halteringes zur Schweißnaht hin, an welche sich bei Wiederabkühlung der Teile unter die Plastizitätsgrenze eine Selbstkontraktion der Verbindung zur Schweißnaht hin anschließt. Die Expansion und Kontraktion der Teile ist jeweils proportional zu der sich ausbreitenden Wärmemenge und demzufolge auch proportional zur Schweißnahtbreite, d. h. zur Abmessung der Schweißnaht in Axialrichtung. Infolge der besonderen radialen Einstellung des Elektronenstrahls derart, daß dieser zuerst die Hohlwelle und dann den Haltering durchdringt, und infolge der Beaufschlagung des Halteringes mit der genannten Axialkraft ergibt sich nach dem Erhalten der Teile eine axiale Einspannung des Ringkörpers auf bzw. in der Hohlwelle, welche die kraftschlüssige Übertragung eines Drehmoments vom Ringkörper auf die Hohlwelle bzw. umgekehrt zuläßt Es handelt sich also bei dieser Art von Schweißverbindung um eine gegen unbeabsichtigtes Lösen absolut sichere, in hohem MaßeThe welding initially causes expansion as a result of the heating of the parts to be welded the same and then, when the welding zone has become plastic as a result of the heating, because of the application of the said axial force to the retaining ring to shift the retaining ring Weld seam to which self-contraction occurs when the parts cool down below the plasticity limit the connection to the weld seam. The expansion and contraction of the parts is in each case proportional to the amount of heat spreading and consequently also proportional to the weld seam width, d. H. for dimensioning the weld seam in the axial direction. As a result of the special radial setting of the electron beam in such a way that it first penetrates the hollow shaft and then the retaining ring, and as a result of the application of the said axial force to the retaining ring, after receiving the Share an axial clamping of the ring body on or in the hollow shaft, which the force-fit transmission of a torque from the ring body to the hollow shaft or vice versa With this type of welded connection, to a high degree it is absolutely secure against unintentional loosening

ίο drehfeste Verbindung des Ringkörpers mit der Hohlwelle. Trotzdem ist diese Verbindung willentlich lösbar, d. h. der Ringkörper kann zwecks Reparatur oder Auswechslung nach Ab- bzw. Audrehen des Halteringes bzw. nach Ab- bzw. Ausschleifen desselben jederzeit ohne Beschädigung der übrigen Teile der Verbindung wieder von der Hohlwelle abgezogen werden, um später erneut in der soeben dargelegten Weise durch Schweißen auf bzw. in der Hohlwelle wieder drehfest befestigt werden zu können. Dieser Umstand stellt einen sehr erheblichen Vorteil des im Haupipatent unter Schutz gestellten Befestigungsverfahrens gegenüber anderen lösbaren Befestigungsarten zwischen einer Hohlwelle und einem darauf bzw. darin zu befestigenden Ringkörper dar.ίο non-rotatable connection of the ring body with the hollow shaft. Nevertheless, this connection is deliberately detachable, ie the ring body can be removed from the hollow shaft for the purpose of repair or replacement after unscrewing or turning the retaining ring or after grinding it off at any time without damaging the other parts of the connection, and later again to be able to be fastened non-rotatably again in the manner just described by welding on or in the hollow shaft. This fact represents a very significant advantage of the fastening method, which is protected in the main patent, compared to other detachable types of fastening between a hollow shaft and an annular body to be fastened on or in it.

Da die mit dem Verfahren nach dem Hauptpatent erzielbare Befestigung eine kraftschlüssipe Verbindung zwischen der Hohlwelle und dem Ringkörper ergibt, hat der Wert des von einem Teil auf das andere Teil übertragbaren Drehmoments selbstverständlich von Fall zu Fall jeweils eine bestimmte obere Grenze.Since the attachment that can be achieved with the method according to the main patent is a force-locking connection between the hollow shaft and the ring body results, has the value of the one part on the other part transmittable torque of course a certain upper limit from case to case.

Durch-die vorliegende Erfindung soll infolgedessen in Verbesserung und Weiterbildung der im Hauptpatent 20 58 021 unter Schutz gestellten Erfindung die Aufgabe gelöst werden, unter Beibehaltung der mit ihrThe present invention is consequently intended in Improvement and further development of the invention placed under protection in the main patent 20 58 021 the task be resolved while keeping up with it

erzielbaren Vorteile — Herstellung einer normalerweise unlösbaren Schweißverbindung, trotzdem jederzeitige Lösbarkeit derselben ohne Beschädigung der miteinander verbundenen Teile durch einfache Maschinenbearbeitung derselben und jederzeitige einfache Neuherstellung der Schweißverbindung zwischen den einzelnen Teilen auf einfache Wsise — das Drehmomentübertragungsvermögen der Schweißverbindung noch weiter steigern zu können.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbesserung und Weiterbildung der im Hauptpatent 20 58 021 unter Schutz gestellten Erfindung dadurch gelöst, daß der Ringkörper einerseits und der Haltering andererseits vor dem Zusammensetzen der Teile jeweils einseitig stirnseitig so bearbeitet werden, daß zwei unter gleichem, kleinem Winkel gegen die achssenkrechte Ebene geneigte ebene Stirnflächen dieser Teile entstehen, die nach dem Auf- bzw. Einschieben des Ringkörpers, entsprechender umfangsmäßiger Ausrichtung der Teile zueinander und Beauf-achievable advantages - production of a normally non-detachable welded connection, nevertheless detachability of the same at any time without damaging the connected parts by simple machining of the same and simple new production of the welded connection between the individual parts at any time - to be able to increase the torque transmission capacity of the welded connection even further.
This object is achieved according to the present invention in an improvement and further development of the invention, which is protected in the main patent 20 58 021, in that the ring body on the one hand and the retaining ring on the other hand are machined on one side before assembling the parts so that two under the same, small Flat end faces of these parts that are inclined at an angle to the plane perpendicular to the axis arise, which after the ring body has been pushed on or in, corresponding circumferential alignment of the parts to one another and

5S schlagung des Halteringes mit der genannten Axialkraft einen die Drehung des Ringkörpers relativ zur Hohlwelle verhindernden und durch die Verschweißung des Halteringes mit der Hohlwelle verstärkten Formschluß bewirken.5S impact of the retaining ring with the stated axial force one preventing the rotation of the ring body relative to the hollow shaft and by welding effect of the retaining ring with the hollow shaft reinforced form fit.

Gegenüber dem im Hauptpatent 20 58 021 unter Schutz gestellten Verfahren bringt das erfindungsgemäße Verfahren den technischen Fortschritt, daß die mit ihm herstellbaren Schweißverbindungen ein praktisch unbegrenztes Drehmomentübertragungsvermögen haben, ohne daß auf ihre Vorteile — »Unlösbarkeit« unter normalen Verhältnissen, trotzdem schnelle Lösbarkeit im Bedarfsfall ohne Beschädigung der Teile, und einfache Wiederherstellbarkeit derselben — verzichtetCompared to the process according to the invention, which is protected in the main patent 20 58 021 Process the technical progress that the welded joints that can be made with it are practical have unlimited torque transmission capacity without losing any of their advantages - "unsolvability" under normal conditions, but can be removed quickly if necessary without damaging the parts, and easy restoration of the same - waived

zu werden braucht.needs to become.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Stirnflächen des Ringlcörpers und des Halteringe; jeweils unter einem Winkel von 2° gegen die achssenkrechte Richtung geneigt.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the end faces are the ring body and the retaining rings; each at an angle of 2 ° to the axis perpendicular Inclined direction.

Am Zustandekommen des Formschlusses der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Befestigung des Ringkörpers auf oder in der Hohlwelle sind sämtliche Venahrensmerkmale wesentlich beteiligt, nämlich einerseits die erfindungsgemäße Bearbeitung der Stirnseiten von Ringkörper und Haltering vor dem Zusammensetzen der Teile und die gegenseitige umfangsmäßigc Ausrichtung derselben nach dem Zusammenbau, zum anderen aber auch die gemäß Hauptpatent nach dem Zusammensetzen der Teile vorgesehene Beaufschlagung des Halteringes mit einer Axialkraft und die besondere Ausrichtung des Elektronenstrahls beim anschließenden Verscr. reißen derart, daß der StrahJ zuerst die Hohlwelle und dann erst den Haltering durchdringt, weil nur durch die letztgenannten Maßnahmen die für einen verstärkten Formschluß maßgebliche Schrumpfung der Verbindung beim Erkalten der Schweißnaht im Sinne einer axialen Einspannung des Ringkörpers zwischen Haltering und Wellenbund im Endzustand erreichbar ist.All the features of the method play a major role in the formation of the positive locking of the fastening of the ring body on or in the hollow shaft that can be achieved with the method according to the invention, namely on the one hand the inventive machining of the end faces of the ring body and retaining ring before the parts are assembled and the mutual circumferential alignment of the same after assembly, on the other hand, according to the main patent after assembling the parts, the application of an axial force to the retaining ring and the special alignment of the electron beam during the subsequent Verscr. tear such that the StrahJ first hollow shaft and only then passes through the retaining ring, because the authoritative for an enhanced form-locking shrinkage of the compound during cooling of the weld seam in the sense of an axial clamping is of the annular body between the retaining ring and a shaft collar in the final state can only be reached by the latter measures .

Das erfindungsgemäße Befestigungsverfa iren kann beispielsweise bei der Herstellung umlaufender Teile von Gasturbinenanlagen Anwendung finden, bei welchen es aus Platzmangel nicht möglich ist, auf einen Gewindeteil einer Welle eine Mutter aufzuschrauben, die einen Lagerring oder einen anderen Ringkörper gegen einen Axialanschlag der Welle drückt.The fastening method according to the invention can be used, for example, in the production of rotating parts of gas turbine systems application, in which it is not possible due to lack of space, to one Threaded part of a shaft to screw on a nut, which is a bearing ring or another ring body presses against an axial stop on the shaft.

Ein Ausführungsbeispiel der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Befestigung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Axialschnitt einer Hohlwelle mit einem auf dieser nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angeschweißten Rollenlager.An embodiment of the fastening produced by the method according to the invention is shown in FIG Drawing shown and is described in more detail below. The drawing shows a schematic Axial section of a hollow shaft with one welded onto it by the method according to the invention Roller bearings.

Die Figur zeigt ein auf eine Hohlwelle 33 aufgeschobenes Rollenlager 32, dessen Inenring 31 an einem als Axialanschlag dienenden, die stirnseitige Begrenzung eines Wellenbundes bildenden Absatz 34 der Hohlwelle anliegt. Ein ebenfalls auf die Hohlwelle 33 aufgesetzter Haltering 39 wird durch eine von außen auf ihn einwirkende Axialkraft, welche durch Pfeile 42 dargestellt ist, gegen den Lagerinnenring 31 gedrückt, so daß dieser wiederum gegen den Wellenabsatz gepreßt wird. Die durch die Pfeile 42 angedeutete Axialkraft kann beispielsweise von einer nicht dargestellten äußeren Druckquelle herrühren und ist jeweils während des Anschweißens des Halteringes 39 aufzubringen.The figure shows a roller bearing 32 pushed onto a hollow shaft 33, the inner ring 31 of which is on an as Axial stop serving, the frontal limitation of a shaft collar forming shoulder 34 of the hollow shaft is applied. A retaining ring 39, which is likewise placed on the hollow shaft 33, is attached to it from the outside by a acting axial force, which is shown by arrows 42, pressed against the bearing inner ring 31, so that this in turn is pressed against the shaft shoulder. The axial force indicated by the arrows 42 can for example originate from an external pressure source, not shown, and is in each case during the Apply welding of the retaining ring 39.

Der Hohlwellenübergang 35 des Absatzes 34 weist einen kleineren Kantenabrundungsradius auf als der angrenzende Innenumfangsrand 36 des Lagerinnenringes 31, so daß die Stirnfläche 37 des Lagerinnenringes satt an der Stirnfläche 38 des Wellenabsatzes 34 anliegt.The hollow shaft transition 35 of the shoulder 34 has a smaller edge rounding radius than that adjacent inner peripheral edge 36 of the bearing inner ring 31, so that the end face 37 of the bearing inner ring rests snugly against the end face 38 of the shaft shoulder 34.

Die aneinander anliegenden Stirnflächen 51, 52 des Lagerinnenringes 31 einerseits und des Halteringes 39 do andererseits sind vor dem Zusammenbau derart geschliffen worden, daß die Ebene ihrer Berührungsfläche, welche durch eine gestrichelte Linie 54 angedeutet ist, mit einer zur Längsachse 44 der Hohlwelle 33 senkrechten Ebene einen Winkel 53 von ungefährt 2° (\s einschließt.The abutting end faces 51, 52 of the bearing inner ring 31 on the one hand and of the retaining ring 39 do on the other hand have been sanded before assembly in such a way that the plane of their contact surface, which is indicated by a dashed line 54, with one to the longitudinal axis 44 of the hollow shaft 33 vertical plane an angle 53 of approximately 2 ° (\ s includes.

Der Haltering 39 wird mittels eines Elektronenstrahls 43 mit der Hohlwelle 33 verschweißt, der mit Bezug auf die Hohlwellenlängsachse 44 im wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet ist. Der Elektronenstrahl wird in eine Umfangsnut 45 in der Bohrung der Hohlwelle 33 gerichtet, wobei während einer relativen Drehung um die Hohlwellenlängsachse 44 ein Verschweißen längs der gesamten Innenumfangsnut 45 bewirkt wird. Der Elektronenstrahl durchdringt die Wandung der Hohlwelle und den Haltering 39 vollständig, wodurch eine im wesentlichen radial durch die Anordnung hindurchverlaufende, ringförmige Schweißnaht 46 gebildet wird, durch welche der Haltering mit der Hohlwelle verschweißt ist. Der Schweißvorgang bewirkt infolge der Erwärmung eine Expansion und nach dem Schweißvorgang eine durch die Abkühlung bedingte Kontraktion der miteinander verschweißten Teile senkrecht zur Schweißrichtung, d. h. parallel zur Hohlwellenlängsachse. Die Expansion und Kontraktion sind proportional zur abgegebenen Wärmemenge und dadurch auch proportional zur Breite der Schweißnaht, d. h. proportional zur Abmessung der Schweißnaht in zur Längsachse 44 der Hohlwelle 33 paralleler Richtung. Die Schweißnaht hat in der Hohlwelle eine größere axiale Breite als in dem !!altering, wodurch die Expansion und Kontraktion des betreffenden We'lenteiles in axialer Richtung größer ist als die Expansion und Kontraktion des Halteringes 39 in axialer Richtung.The retaining ring 39 is welded to the hollow shaft 33 by means of an electron beam 43 which is oriented essentially in the radial direction with respect to the hollow shaft longitudinal axis 44. The electron beam is directed into a circumferential groove 45 in the bore of the hollow shaft 33, welding being effected along the entire inner circumferential groove 45 during a relative rotation about the hollow shaft longitudinal axis 44. The electron beam penetrates the wall of the hollow shaft and the retaining ring 39 completely, as a result of which an annular weld seam 46 is formed which extends essentially radially through the arrangement and through which the retaining ring is welded to the hollow shaft. As a result of the heating, the welding process causes an expansion and, after the welding process, a contraction caused by the cooling of the parts welded together perpendicular to the welding direction, ie parallel to the longitudinal axis of the hollow shaft. The expansion and contraction are proportional to the amount of heat given off and therefore also proportional to the width of the weld seam, ie proportional to the dimensions of the weld seam in the direction parallel to the longitudinal axis 44 of the hollow shaft 33. The weld seam in the hollow shaft has a greater axial width than in the altering, whereby the expansion and contraction of the respective shaft part in the axial direction is greater than the expansion and contraction of the retaining ring 39 in the axial direction.

Dadurch ist bei Abkühlung die Kontraktion der Hohlwelle 33 über die in der Figur angegebenen Länge a hinweg zwischen der Schweißnaht 46 und der Anlagefläche 38 größer als die Kontraktion in dem Haltering 39 und innerhalb des Lagerinnenringes 31 über die gleiche Länge a hinweg, da in der Hohlwelle mehr Wärme frei wird. Auch wenn dann die äußere. durch Pfeile 42 angedeutete Axialkraft von dem Haltering 39 weggenommen wird, verbleibt der Lagerinnenring 31 dauernd zwischen dem Haltering 39 und dem Wellenabsatz 34 eingespannt, wobei diese einspannende Druckkraft mit einer axialen Zugkraft in der Hohlwelle 33 im Gleichgewicht steht.As a result, when cooling, the contraction of the hollow shaft 33 over the length a given in the figure between the weld 46 and the contact surface 38 is greater than the contraction in the retaining ring 39 and within the bearing inner ring 31 over the same length a, as in the hollow shaft more heat is released. Even if the outer one. Axial force indicated by arrows 42 is removed from retaining ring 39, bearing inner ring 31 remains permanently clamped between retaining ring 39 and shaft shoulder 34, this clamping compressive force being in equilibrium with an axial tensile force in hollow shaft 33.

Wenn der Lagerinnenring 31 sich relativ zum Haltering 39 und dadurch auch relativ zur Hohlwelle 33 um die Hohlwellenlängsachse 44 zu drehen versucht, dann wirkt dieser Drehbewegung eine sie verhindernde Kraft entgegen, welche durch die Keilwirkung des Lagerinnenringes zwischen der schrägen Fläche 52 des Halteringes 39 und dem Wellenabsatz 34 erzeugt wird.When the inner bearing ring 31 moves relative to the retaining ring 39 and thereby also relative to the hollow shaft 33 tries to rotate the hollow shaft longitudinal axis 44, then this rotary movement acts to prevent it Counteracting the force caused by the wedge effect of the bearing inner ring between the inclined surface 52 of the Retaining ring 39 and the shaft shoulder 34 is generated.

Fall es erforderlich wird, das Lager 32 durch ein neues zu ersetzen, so ist hierfür lediglich der Haltering 39 durch Bearbeitung zu entfernen, und in der Bohrung der Hohlwelle 33 muß eine neue Nut 45 geschnitten werden. Daraufhin wird auf die Hohlwelle 33 ein neues Rollenlager 32 und ein neuer Haltering 39 aufgesetzt, und der Haltering wird in der oben beschriebenen Weise wiederum mit der Hohlwelle 33 verschweißt.If it becomes necessary, replace the bearing 32 with a new one to replace, then only the retaining ring 39 is to be removed by machining, and in the bore of the Hollow shaft 33, a new groove 45 must be cut. Then a new one is placed on the hollow shaft 33 Roller bearing 32 and a new retaining ring 39 are fitted, and the retaining ring is in the manner described above In turn, welded to the hollow shaft 33.

Gemäß einer in der Zeichnung nicht dargestellten weiteren Ausführungsform der Verbindung ist das Lager in der Bohrung der Hohlwelle untergebracht und es liegt in der Bohrung an einem inneren Bohrungsabsatz an, wobei der Lageraußeni ing durch einen ebenfalls in die Bohrung der Hohlwelle eingefügten Haltering gegen den inneren Hohlwellenabsatz gedrückt wird. Die aneinander anliegenden Flächen des Lageraußenringes u.:d des Halteringes sind derart geschliffen, daß die Trennfläche zwischen diesen beiden Ebenen mit einer zur Hohlwellenlängsachse senkrechten Ebene einen Winkel von ungefähr 2" einschließt. Der Lageraußenrin£ ist derart zwischen den inneren Wellenabsatz und den Haltering eingespannt, daß er sich nicht relativ dazuAccording to a further embodiment of the connection, not shown in the drawing, this is Bearing housed in the bore of the hollow shaft and it is located in the bore on an inner bore shoulder the bearing outer ring by a retaining ring also inserted into the bore of the hollow shaft is pressed against the inner hollow shaft shoulder. The adjacent surfaces of the bearing outer ring u.:d the retaining ring are ground so that the interface between these two levels with a encloses an angle of approximately 2 "to the plane perpendicular to the longitudinal axis of the hollow shaft. The outer bearing ring £ is so clamped between the inner shaft shoulder and the retaining ring that it is not relative to it

dreht, wenn ein Elektronenstrahl in eine äußere Umfangsnut der Hohlwelle gerichtet wird, welcher die Wandung der Hohlwelle und den Haltering im wesentlichen radial von außen nach innen durchdringt und diese beiden Teile derart miteinander verschweißt, j daß der Lageraußenring auch nach Wegnahme der genannten ihn einspannenden Kraft weiterhin eingespannt bleibt.rotates when an electron beam is directed into an outer circumferential groove of the hollow shaft, which the Wall of the hollow shaft and the retaining ring penetrates essentially radially from the outside to the inside and these two parts are welded together in such a way that the bearing outer ring remains even after the called the clamping force remains clamped.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. A method for attaching a body of revolution resting on a radial collar of a hollow shaft by means of electron beam welding, the parts to be welded being rotated relative to the electron beam and wherein, for attaching ring bodies on or in hollow shafts in front of the ring body resting on the shaft collar, an up or down on the hollow shaft inserted into this retaining ring, applied with an axial force directed towards the shaft collar and welded to the hollow shaft by adjusting the electron beam radially to the hollow shaft in such a way that it first penetrates the hollow shaft and then the retaining ring, according to patent 20 58 021, characterized that the annular body (31) on the one hand and the retaining ring (39) on the other hand are machined on one side before the parts are assembled so that two flat end faces (37, 38; 51, 52) inclined at the same, small angle to the plane perpendicular to the axis these parts arise after the on - or inserting the ring body, corresponding circumferential alignment of the parts with one another and applying the said axial force (42) to the retaining ring to prevent the rotation of the ring body relative to the hollow shaft and to increase the positive locking by welding the retaining ring to the hollow shaft.

2. The method according to claim 1, characterized in that the end faces (37,38 or 51,52) of the The ring body (31) and the retaining ring (39) each at an angle of 2 ° to the axis perpendicular Direction are inclined.