DE2900205C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reibungs­ verschweißen zweier rotationssymmetrischer Werkstücke, bestehend aus einer ersten, drehfesten Einspanneinrichtung für das erste Werkstück und einer zweiten, drehbaren Einspanneinrichtung für das zweite Werkstück.

Es sind bereits Reibungsschweißmaschinen bekannt, die sich im wesentlichen auf das Zusammenfügen zweier Drehteile beziehen, von denen eines in Rotation versetzt und das andere festgehalten wird. Die beiden Drehteile sind dabei in ge­ eigneten Spannbacken fest eingespannt. Zu Beginn des Arbeits­ ganges werden die beiden zu verbindenden Bauteile unter leichtem Druck in Kontakt gebracht. Die sich dabei er­ gebende Reibungswärme erzeugt in der Verbindungsebene einen Temperaturanstieg. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne wird die Drehung angehalten und beide Bauteile werden kräftig gegeneinander gepreßt, um eine Schmiedekraft zu erzeugen, die ein gutes Verschweißen ergibt.

Diese bekannten Reibungsschweißmaschinen sind jedoch nicht zum Zusammenfügen von Werkstücken geeignet, bei denen zum Beispiel eine Scheibe auf einen Ring aufgeschweißt werden soll, um etwa einen dichten Behälter oder ein aus einer Scheibe und einer Felge bestehendes Rad herzustellen, weil die Spannbacken, mit denen diese Maschinen ausgerüstet sind, vom Konzept her ein Festspannen solcher Bauteile nicht erlaubten, die nicht über die erforderliche Festigkeit zur Übertragung eines zum Schweißen notwendigen Reibungs­ momentes verfügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reibungs­ schweißvorrichtung für Werkstücke der genannten Art zu schaffen, die Einspanneinrichtungen enthält, mit denen die Werkstücke ohne Deformation in solcher Weise einge­ spannt werden können, daß zwischen den beiden Werkstücken eine hinreichend große Einspannkraft erzielt und damit eine große Reibungskraft ausgeübt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste Einspanneinrichtung gegenüber der zweiten Einspanneinrichtung axial bewegbar ist, und daß die zweite Einspanneinrichtung eine von einem Drehantrieb antreibbare, erste Werkstückhalterung sowie eine auf einer axial ver­ stellbaren Lagervorrichtung drehbar gelagerte, zweite Werkstückhalterung aufweist, zwischen denen das zweite Werkstück axial von beiden Seiten und koaxial zum ersten Werkstück einspannbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß hiermit auch kritisch einzuspannende Werkstücke miteinander verschweißt werden können, wie insbesondere bei der Her­ stellung von Kraftfahrzeugrädern oder anderen Bauteilen, die im wesentlichen aus einem Hohlkörper bzw. Ringkörper und einem daran zu befestigenden Boden bzw. einer Scheibe bestehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch zur Herstellung solcher Werkstücke in großer Serie sowie zum Zuführen und Ausstoßen der Werkstücke in schneller Taktfolge geeignet.

Gemäß der Erfindung können vorteilhafterweise Förderein­ richtungen zur Zuführung von vorher zusammengelegten Werk­ stücken (Felge und Scheibe) vorgesehen sein. Die zusammen­ gelegten Werktsücke werden dann vertikal angehoben und das scheibenförmige Werkstück wird zwischen einer oberen Werkstückhalterung und einer angehobenen unteren Werkstück­ halterung eingespannt.

Die obere Werkstückhalterung ist vorzugsweise in einem eine vertikale Achse aufweisenden Bock befestigt, und die Achsen der oberen Werkstückhalterung, deren Ende auf einem Gegenbock abgestützt ist, ist mit einem Mitnehmermechanismus versehen, welcher die obere Werkstückhalterung in Umdrehung versetzen kann. Die untere Werkstückhalterung, die die Scheibe gegen die obere Werkstückhalterung hält, ist eben­ falls auf einem Bock befestigt, der eine freie Drehung der unteren Werkstückhalterung ermöglicht, wenn sie durch die Drehung der Scheibe mitgenommen wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die von der unteren Werkstückhalterung in die Höhe von vier Spannbacken mitgenommene Felge fest eingespannt, und die Anordnung ist so getroffen, daß im Augenblick des Einspannens die Felge leicht vom Lager angehoben wird, mit dem sie angehoben wurde. Eine Führungseinrichtung ermöglicht mittels Hebevorrichtungen, den Tisch anzuheben und Reibungsdruck der Felge gegen die Scheibe auszuüben und am Ende das Schmieden auszuführen.

Es findet daher bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Trennung zwischen den einzelnen Funktionen bei der Durch­ führung des Schweißvorganges statt, wodurch eine genaue Steuerung jeder der Funktionen und eine große Präzision in der Ausrichtung von Scheibe und Felge erzielt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in Verbindung mit Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung;

Fig. 2 eine Teilansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 von links;

Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene A-A der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Funktionsdiagramm zu dem Betriebsablauf; und

Fig. 5a + 5b Beispiele von erfindungsgemäß zusammengesetzten Bauteilen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist im wesentlichen einen Rahmen mit vier Pfosten auf, welcher wie folgt aufgebaut ist:
Im unteren Teil ruht ein mechanisch zusammengeschweißtes rechtwinkliges Fundament 2 mit vier Füßen 3 auf dem Boden. An den Ecken des Fundamentes sind vier Pfosten 4 befestigt, die ihrerseits eine ebenfalls mechanisch zusammengeschweißte Bühne 5 tragen. Diese spezielle Ausführungsform des Gerüstes ist nur als Beispiel hier angegeben; ein Gerüst etwa in der Form eines gegebenenfalls verstärkten C kann die gleichen Zwecke erfüllen.

Das Gerüst hat eine vertikale Achse 6, um die geschweißt wird. Symmetrisch zur Achse 6 trägt das Gerüst zwei in Fig. 2 und 3 erkennbare Ständer 7, die einen weiter unten beschriebenen Backenschlitten 8 führen.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wäre es auch möglich, zwei gegenüberliegende Pfosten 4 zusammenzulegen und als Führung für den Backenschlitten zu gestalten.

Es werden jetzt nacheinander die Ausrüstungen des Fundaments 2 unter der Bühne 5 und des Backenschlittens 8 erläutert. Die Ausrüstung des Fundaments umfaßt im wesentlichen einen Aufzug 9, der mit einer Drehspindel 10 und einer Übergabe­ vorrichtung 11 ausgerüstet ist. Der Aufzug 9 wird von einem Kolben mit vertikaler Achse gebildet, die in der Vertikal­ achse 6 der Maschine liegt. Es kann eine vertikale Auf- und Abwärtsbewegung unter der Wirkung eines Druckmediums aus­ führen. Der Aufzug 9 umfaßt eine Laufbüchse 13, ein beweg­ liches Teil 12 sowie eine innere Rücklaufkammer 14, die mit einer zentralen Kolbenstange 15 zusammenwirken. Die Rotationsachse der Drehspindel liegt ebenfalls in der Achse 6 der Vorrichtung. Ihr drehbar auf Lagern 16 gelagertes Teil trägt eine untere Werkstückhalterung 17 und ist in einer Stellung mittels eines in Fig. 2 erkennbaren Ver­ riegelungsgliedes 18 verriegelbar.

Die Ausrüstung des Fundaments 2 weist eine Übergabevor­ richtung 11 auf, die die zum Schweißen vorgesehenen Werk­ stücke erfaßt, im vorliegenden Fall eine Scheibe 20 und eine dazu in vorbestimmter Position angeordnete Felge 19, und von einer Beschickungsposition 21 bis zu einer Greifposition im Bereich der Achse 6 fördern kann.

Die Übergabevorrichtung 11 umfaßt zwei zueinander parallele, horizontale Schienen 22 und 23 (Fig. 2), auf denen mittels freilaufender Rollen 24 ein aus zwei Stangen und Querstreben 25 gebildeter Wagen läuft. Dieser Wagen ist mit zwei erhöhten Auflagern 26, 27 ausgerüstet, die um einen gleichen Abstand eines Übergabeschlittens auseinanderliegen, d. h. um einen Abstand von der Beschickungsposition 21 bis zur Greifposition.

Ein Getriebemotor 28 wirkt über ein Ritzel 29 auf eine am Wagen befestigte Zahnstange 30 und überträgt auf ihn eine hin- und hergehende Bewegung. Mit dieser Bewegung wird das zum Schweißen vorgesehene Rad von der Beschickungsstation 21 zur Greifstation und das verschweißte Rad zu einer Ent­ nahmeposition 31 gefördert, wo eine Ausheberwippe 32 das fertige Rad aus der Vorrichtung herausgibt.

Die Bühne 5 ist im wesentlichen mit einem Hauptdom 33, einem Antriebsmotor 34 und einer automatischen Indexvor­ richtung 35 ausgerüstet. Der Hauptdom 33 weist eine Haupt­ welle 36 auf, deren Achse in der Achse 6 der Vorrichtung und damit in der Achse der Drehspindel 10 des Aufzugs 9 liegt. Eine Anordnung von Lagern 37 ermöglicht die Drehung und dient zur Aufnahme der auftretenden Schmiedekraft, wie noch weiter unten im Zusammenhang mit der Erläuterung des Betriebsverhaltens ausgeführt werden wird. Auf der Hauptwelle 36 sind eine Kupplung 38 und eine Bremse 39 angeordnet, die entweder eine Verbindung der Hauptwelle mit einer vom dauernd umlaufenden Motor 34 über Riemen 41 angetriebene Antriebsscheibe 40 herstellt oder an einem Bremskörper bremst.

Die Hauptwelle 36 ist außerdem mit einem Gegendruck- Hydraulikzylinder 43 ausgerüstet, welcher eine von oben nach unten gerichtete, 90% der von unten nach oben wirkenden Schweißkraft entsprechende Kraft ausübt, damit sich für die Lager 37 eine im Verhältnis zur Schmiedekraft reduzierte resultierende Belastung ergibt und folglich ihre Lebensdauer verlängert wird.

Das untere Ende der Hauptwelle 36 weist an einer Platte 44 eine obere Werkstückhalterung 45 auf, die mit einem Zahnrad 46 ausgerüstet ist, welches mit einem Ritzel 47 zur Neu­ einstellung der von der Indexvorrichtung 35 bewegten Platte 44 kämmt und nach erfolgtem Schweißvorgang die Rückführung der aus der oberen Werkstückhalterung 45, dem verschweißten Werkstück 19, 20 und der unteren Werkstückhalterung 17 bestehende Anordnung in die Ausgangsstellung gestattet, damit das geschweißte Werkstück bezüglich der Übergabe­ vorrichtung seine ursprüngliche Lage wieder erhält. Die obere Werkstückhalterung 45 ist an die Form der Scheibe 20 (oder allgemeiner dem Boden des nicht dargestellten zu verschweißenden Behälters) angepaßt.

Das obere Gerüst weist schließlich zwei symmetrisch zur Achse 6 angeordnete Hydraulikzylinder 48 auf, die parallel zu dieser Achse arbeiten und deren Kolbenstangen an dem beweglichen Backenschlitten 8 aufgehängt sind. Der Backenschlitten 8 wird von einem rechtwinkligen Rahmen 49 gebildet, der vertikal auf den Ständern 7 mittels der Hydraulikzylinder 48 bewegt wird.

Fig. 3 zeigt die relative Anordnung der Ständer 7 und der Hydraulikzylinder 48 des Backenschlittens. Der Backen­ schlitten 8 weist eine senkrecht zur Achse 6 ausgerichtete Platte 50 und eine zentrale Öffnung 51 auf. Auf der Platte 50 ist eine Einrichtung 52 zum Einspannen der Felge (oder allgemeiner des zum Verschweißen vorgesehenen Hohlkörpers) befestigt und umfaßt konzentrisch auf die Richtung der Achse 6 zulaufende Backenträger 53, deren relative Anordnung zueinander Fig. 3 zeigt.

Die Backenträger 53 werden gleichzeitig durch die von einem Ring 54 getragenen Finger 54 ₁ gesteuert wobei der Ring 54 von einem Stellglied 55 angetrieben wird und die Finger 54 ₁ in schrägen Lauflöchern der Backenträger 53 verschiebt. Jeder Backenträger 53 weist eine Backe 56 auf, deren Form an das zu haltende Werkstück, im vorliegenden Fall die Felge 19, angepaßt ist.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Schiene wird von einer nicht dargestellten, in einem eigenen Schrank unterge­ brachten automatischen Antriebseinrichtung sichergestellt, von der auch die zentrale hydraulische Versorgung der erforderlichen Antriebe gesteuert wird. Die einzelnen funktionellen Betriebsphasen sind im Diagramm der Fig. 4 wiedergegeben.

Die Anordnung der zwei zu verschweißenden vorbereiteten Werkstücke wird an der Beschickungsposition 21 auf die Auflager 26 des Übergabewagens abgesetzt. Der Wagen wird durch den Getriebemotor 28 soweit verschoben, daß die beiden Werkstücke sich in der Greifposition befinden, d. h. im Bereich der Achse 6 der Vorrichtung und unter dem Backen­ schlitten 8. Diese Betriebsphase entspricht dem Abschnitt 57 des Diagramms aus Fig. 4.

Der Aufzug 9 tritt jetzt in Aktion, mit dem die Werkstücke durch die untere Werkstückhalterung 17 zwischen den beiden Stangen der Übergabevorrichtung 11 hindurch, am Backenwagen 8 vorbei, in Schweißhöhe angehoben werden. Das Anheben ist durch den Abschnitt 58 im Diagramm der Fig. 4 dargestellt.

Im weiteren Verlauf legt der Aufzug die Scheibe 20 gegen die obere Werkstückhalterung 45. Die von unten nach oben wirkende Kraft des Aufzugs liefert demzufolge gemäß der Erfindung die für den Antrieb der Scheibe erforderliche Spannfunktion.

Die untere Werkstückhalterung 17 ist so konstruiert, daß zu Beginn des Anhebens der Werkstücke die Scheibe 20 sich geringfügig von der Felge 19 trennt, die auf seitlich vor­ stehenden Tragarmen 67 der unteren Werkstückhalterung 17 ruht.

Nach dem Anheben findet die Betriebsphase 59, d. h. das Einspannen der Felge 19 statt. Bei der Spannbewegung greifen die Backens 56 zuerst mit ihren nach außen geneigten Rändern an der Felge an, um diese von den Tragrahmen 67 anzuheben und eine freie Drehung gegenüber der unteren Werkstück­ halterung zu ermöglichen.

Nach dem Einspannen ist die Scheibe 20 demzufolge gering­ fügig von der Felge 19 entfernt und die Felge 19 weist Abstand auf von den Tragrahmen 67. In der nachfolgenden Betriebsphase 60 setzt die Drehung ein durch Entriegeln der unteren Ebene, Lösen der Bremse und Eingriff der Kupplung. Die sich drehende Hauptwelle 36 nimmt die Drehspindel 10 der unteren Werkstückhalterung 17 mit. In der folgenden Betriebsphase 61 läuft der Backenschlitten 8 in Richtung auf die Scheibe 20 bis zu dem Augenblick, in dem die Werk­ stücke miteinander in Kontakt kommen. Dies ist die Phase 62 des Vorwärmens.

Erfindungsgemäß wird auf Felge und Scheibe nicht sofort die volle Kraft ausgeübt.

Aufgrund von Herstellungs-Toleranzen wirkt die Scheibe zu Beginn nur mit einem kleinen Bereich ihres Umfangs auf die Felge. Eine sofortige Anwendung der vollen Kraft würde große Abrisse hervorrufen, ohne daß damit eine Auf­ heizung verbunden wäre. Daher wird eine progressiv an­ steigende Kraft angewandt, damit die Kontaktzone sich auf­ heizen und zur Peripherie hin ausdehnen kann.

Erfindungsgemäß wird das von dem Antriebsmotor 34 gelieferte Drehmoment gemessen. Wird ein Maximum erreicht, erhält man die Anzeige, daß die Gesamtheit des Umfangs Kontakt hat und die eigentliche Aufheizphase 63 beginnen kann. Eine elektrische Sonde ermöglicht die Feststellung dieses Augenblicks.

Jetzt wird auf dem Backenschlitten 8 mittels der Hydraulik­ zylinder 48 ein bestimmter Druck, der der zur gewünschten Aufheizung erforderlichen Kraft entspricht, ausgeübt. Am Ende des Aufheizens schaltet sich ein Verzögerungsglied ein und die Drehung wird durch aufeinanderfolgendes Be­ tätigen der Kupplung und der Bremse nach einem genauen Ablauf beendet. Jetzt wird die Schmiedekraft während der Phase 64 über eine vorbestimmte und durch ein weiteres Verzögerungsglied gesteuerte Zeitspanne ausgeübt. Am Ende des Schmiedens lösen sich die Backen des Backenschlittens der zur Ruhelage 65 zurückkehren kann.

Während des Schweißens ist die Übergabevorrichtung wieder in ihre Ausgangsstellung zurückgekehrt. Wenn ferner der Aufzug während der Phase 66 sich absenkt, legt er ein geschweißtes Rad auf die Auflager 27 der Übergabevorrichtung, wodurch seine Aufgabe während einer zum nachfolgenden Zyklus gehörenden Phase ermöglicht wird.

Wie oben ausgeführt wurde, ermöglicht die erfindungsgemäße Maschine die Anwendung des Reibungsschweißens auf spezielle Anordnungen. Beispiele dafür sind in Fig. 5 angegeben. Fig. 5a zeigt den Körper eines Dämpfers, dessen Abschluß­ deckel abgeflacht ist und der mittels Reibungsschweißen gemäß der Erfindung mit dem Korpus verbunden werden kann.

Einen ähnlichen Behälterkörper mit dünner Wandung zeigt Fig. 5b, dessen Deckel bogenförmig gewölbt ist und durch eine konventionelle Einspanneinrichtung nicht wirksam eingespannt werden könnte.

Insgesamt wurde eine Vorrichtung zum Verschweißen zweier Werkstücke durch Reibung beschrieben, welche eine erste, drehfeste Einspanneinrichtung zum Einspannen des ersten Werkstückes und eine zweite, drehbare Einspanneinrichtung zum Einspannen des zweiten Werkstückes umfaßt und sich dadurch kennzeichnet, daß die erste Einspanneinrichtung in axialer Richtung beweglich ist und die zweite Einspann­ einrichtung einen Drehantrieb und eine axial bewegliche Drehspindel enthält, wobei das zweite Werkstück zwischen beiden eingespannt und mit einer Unterstützungsvorrichtung zum koaxialen Lagern der beiden Werkstücke ausgerüstet ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Reibungsverschweißen zweier rotations­ symmetrischer Werkstücke, bestehend aus einer ersten, dreh­ festen Einspanneinrichtung für das erste Werkstück und einer zweiten, drehbaren Einspanneinrichtung für das zweite Werk­ stück, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einspanneinrichtung (53, 52, 56) gegenüber der zweiten Einspanneinrichtung (17, 45) axial bewegbar ist, und daß die zweite Einspannein­ richtung (17, 45) eine von einem Drehantrieb (34, 41, 40, 38, 39, 36) antreibbare, erste Werkstückhalterung (45) sowie eine auf einer axial verstellbaren Lagervorrichtung (9, 10, 16) drehbar gelagerte, zweite Werkstückhalterung (17) aufweist, zwischen denen das zweite Werkstück (20) axial von beiden Seiten und koaxial zum ersten Werkstück (19) einspannbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagervorrichtung (9, 10, 16) eine zentrale Werkstückhalterung (17) für das zweite Werkstück (20) sowie seitliche Tragarme (67) zum vorläufigen Halten des ersten Werkstückes (19) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Werkstückhalterung (17) und die seitlichen Tragarme (67) derart zueinander angeordnet sind, daß die durch die Lagervorrichtung (9, 10, 16) axial verschiebbaren Werkstücke (19, 20) in der Ein­ spannstellung zunächst keinen Kontakt miteinander haben.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Werkstück (19) während des Ein­ spannens von den seitlichen Tragarmen (67) durch die erste Einspanneinrichtung (53, 52, 56) abhebbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gegendruckzylinder (43) zum Zusammenwirken mit der ersten Werkstückhalterung (45) der zweiten Einspanneinrichtung (17, 45) zur Erzeugung eines Gegendruckes gegenüber der ersten Einspanneinrichtung (53, 52, 56).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Übergabevorrichtung (11) mit Schienen (22, 23) zur Übergabe von zu schweißenden und geschweißten Werkstücken (19, 20) wobei die Schienen (22, 23) zu beiden Seiten der Lagervorrichtung (9, 10, 16) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus zwei Teilen (2, 5) bestehender, feststehender Rahmen vorgesehen ist, von dem ein Teil (5) den Drehantrieb (34, 41, 40, 38, 39, 36) und die erste Werkstückhalterung (45) der zweiten Ein­ spanneinrichtung (17, 45) und von dem der andere Teil (2) die Lagervorrichtung (9, 10, 16) mit der zweiten Werkstückhalterung (17) der zweiten Einspanneinrichtung (17, 45) trägt, und daß die erste Einspanneinrichtung (53, 52, 56) mittels eines Schlittens (8) und Ständern (7) zwischen den beiden Teilen (2, 5) axial verschiebbar angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Antriebsmotor (34) des Drehantriebes für die erste Einspanneinrichtung (53, 52, 56) ein Detektor für das maximale Drehmoment angeordnet ist und daß das den Druck zwischen der ersten Einspann­ einrichtung (53, 52, 56) und der zweiten Einspannein­ richtung (17, 45) ausübende Stellglied (48) vom Detektor gesteuert ist.