DE29922424U1 - Friction welding device - Google Patents
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Description
Anmelder: KUKA Schweissanlagen GmbH Applicant: KUKA Schweissanlagen GmbH
Blücherstraße 144 8 6165 AugsburgBlücherstraße 144 8 6165 Augsburg
Vertreter: Patentanwälte Representatives: Patent attorneys
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86153 Augsburg / DE86153 Augsburg / DE
Datum: 21.12.1999Date: 21.12.1999
Akte: 772-925 er/ge File: 772-925 er/ge
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ABl DE-G-299 22 424.4OJ DE-G-299 22 424.4
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibschweißvorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a friction welding device having the features in the preamble of the main claim.
Eine solche Reibschweißvorrichtung ist aus der US-A-5,858,142 bekannt. Sie hat einen steuerbaren permanenten Spindelantrieb, mit der eines der beiden Werkstücke gegenüber dem anderen stationär gehaltenen Werkstück gedreht werden kann. Außerdem beinhaltet sie eine Stauchvorrichtung zur Erzeugung des axialen Stauchhubes zwischen den beiden Werkstücken. Die bekannte Reibschweißvorrichtung hat außerdem eine Steuerung, die prozeßabhängig die Funktionen der Maschine steuert. Der Spindelantrieb ist regelbar und hält die eingestellte Drehzahl während des Reibprozesses konstant, wobei die beiden Werkstücke miteinander in Reibkontakt gehalten und relativ zueinander gedreht werden.Such a friction welding device is known from US-A-5,858,142. It has a controllable permanent spindle drive with which one of the two workpieces can be rotated relative to the other, stationary workpiece. It also contains a compression device for generating the axial compression stroke between the two workpieces. The known friction welding device also has a control system that controls the functions of the machine depending on the process. The spindle drive is adjustable and keeps the set speed constant during the friction process, with the two workpieces being held in frictional contact with one another and rotated relative to one another.
Außerdem sind aus der Praxis noch Reibschweißvorrichtungen mit Schwungsche-ibenantrieb bekannt, bei denen ein Antrieb die Schwungscheibe zunächst auf die gewünschte Drehzahl bringt. Die kinetische Drehenergie für den Reibschweißprozess wird dann von der Schwungmasse zur Verfügung gestellt, die dabei nach Abkoppelung des Drehantriebes ständig an Drehzahl verliert. Hierbei besteht kaum eine Einflussmöglichkeit auf das Drehzahlverhalten während des Prozesses.In addition, friction welding devices with flywheel drives are known from practice, in which a drive initially brings the flywheel to the desired speed. The kinetic rotational energy for the friction welding process is then provided by the flywheel, which constantly loses speed after the rotary drive is disconnected. In this case, there is hardly any possibility of influencing the speed behavior during the process.
Bei der eingangs genannten Reibschweißvorrichtung mit einem permanenten Spindelantrieb ist es gängige Praxis, daß für die Ausführung einer Reibschweiß-Applikation eine dieser Applikation entsprechende, aber dann während des eigentlichen Schweißprozesses konstante DrehzahlIn the friction welding device with a permanent spindle drive mentioned above, it is common practice that for the execution of a friction welding application, a speed corresponding to this application, but then constant during the actual welding process, is used.
eingestellt wird.is set.
Auch die Anreib- bzw. Reibkraft wird über die entsprechende Zeitperiode konstant gehalten. Sie kann ggf.The friction force is also kept constant over the corresponding period of time. It can be
auch wie in der US-Schrift gezeigt in Stufen erhöht werden. Nach Einbringung der notwendigen Wärmeenergie werden die beiden Werkstücke drehzahlabhängig zusammengestaucht. Diese Vorgehensweise ist für die meisten Werkstückarten und Werkstoffpaarungen vollkommen ausreichend und garantiert auch eine gute Verbindungsqualität.can also be increased in stages as shown in the US font. After the necessary heat energy has been introduced, the two workpieces are compressed together depending on the speed. This procedure is completely sufficient for most workpiece types and material pairings and also guarantees a good connection quality.
Probleme grundsätzlicher Art treten dann auf, wenn man mittels dieser herkömmlichen Reibschweißvorrichtung versucht, unübliche oder auch kritische Werkstoffe, wie z.B. globularen Kugelgraphitguss, Titan, Magnesium, aber auch Aluminium, Kupfer oder Stahl untereinander oder in beliebigen Kombinationen zu verbinden. Aufgrund der oft diametral unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften sind dann in der Regel übermäßige Spritzerbildung, lange Prozeßzeiten, ungenügende Qualität und andere ungünstige Erscheinungen im Ergebnis zu verzeichnen. Je länger der Prozess dauert, desto stärker setzen sich die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der beiden Werkstücke bzw. Werkstoffpaarungen durch. Der Reibschweißprozess kann dann plötzlich sehr empfindlich werden, wobei sich seine Beeinflussung durch die herkömmliche Technik als äußerst schwierig bis unmöglich erweist. Die genannten Probleme werden noch gesteigert, wenn sich einer der beiden Reibpartner im Moment der Verbindung in flüssigem Zustand befinden muß. Die Gründe hierfür liegen u. a. in einer nicht berechenbaren Energieentwicklung, da der Reibfaktor sowohl prozessabhängige, als auch prozessunabhängige Eigenschaften aufweist.Fundamental problems arise when one tries to use this conventional friction welding device to join unusual or critical materials, such as globular spheroidal graphite cast iron, titanium, magnesium, but also aluminum, copper or steel, to each other or in any combination. Due to the often diametrically different physical properties, the result is usually excessive spatter, long process times, insufficient quality and other unfavorable phenomena. The longer the process takes, the more the different physical properties of the two workpieces or material pairings become apparent. The friction welding process can then suddenly become very sensitive, and influencing it using conventional technology proves to be extremely difficult or even impossible. The problems mentioned are exacerbated if one of the two friction partners has to be in a liquid state at the moment of connection. The reasons for this include the unpredictable energy development, since the friction factor has both process-dependent and process-independent properties.
Die DD 288 338 lehrt eine Vorrichtung zur Steuerung der Reibzeit von Reibschweißmaschinen, mit der am Ende des Reibprozesses die Antriebsspindel und das rotierende Schweißteil infolge der Eigenbremsung zum Stillstand kommen soll. Hierzu wird die Antriebswelle bei einer axial verschiebbaren Kupplung beaufschlagt, die durch Fliehkraft mittels eines Stellzylinders und eines Stellrings am Ende der hierdurch bestimmten Reibzeit geöffnet wird.DD 288 338 teaches a device for controlling the friction time of friction welding machines, with which the drive spindle and the rotating welding part are to come to a standstill at the end of the friction process as a result of self-braking. To do this, the drive shaft is subjected to an axially displaceable clutch, which is opened by centrifugal force using an actuating cylinder and an adjusting ring at the end of the friction time determined thereby.
Die EP-A 0 893 278 und die EP-A 0 968 788 befassen sich · mit Reibschweißmaschinen, bei denen die Drehzahl auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. Der Reibprozess wird über die Anpresskraft oder den Stauchhub gesteuert, wobei aufgrund der veränderten Reibbedingungen die Drehzahl vom eingestellten Wert abweicht und sich in unkontrollierter Weise verändert.EP-A 0 893 278 and EP-A 0 968 788 deal with friction welding machines in which the speed is set to a predetermined value. The friction process is controlled by the contact force or the compression stroke, whereby the speed deviates from the set value and changes in an uncontrolled manner due to the changed friction conditions.
Aus der DE-C2 32 26 362 ist es bekannt, nach Beendigung des Reibprozesse den Bremsvorgang einzuleiten und hierbei das Werkstück und die drehenden Maschinenteile abzubremsen und die Drehzahl zu verringern. Hierbei wird der Winkelweg in Abhängigkeit von.der Zeit aufgenommen und gespeichert sowie einem Positionsregelsystem zugeführt, welches für eine exakte gegenseitige Winkelpositionierung der reibgeschweißten Bauteile sorgt.From DE-C2 32 26 362 it is known to initiate the braking process after the friction process has ended, thereby slowing down the workpiece and the rotating machine parts and reducing the speed. The angular path is recorded and stored as a function of time and fed to a position control system, which ensures exact mutual angular positioning of the friction-welded components.
Aus der DD 278 925 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Massenträgheitsmomentes rotierender Massen an einer Reibschweißmaschine bekannt. Hierdurch sollen eine bessere Prozesssteuerung und eine geringere Reproduzierunsicherheit der Phasenwinkellage zwischen den verschweißten Teilen erreicht werden. Die DD 219 414 befasst sich mit einer Vorrichtung zum Verschweißen thermoplastischer Formteile, die versetzt zueinander von zwei getrennten Antrieben gegenseitig gedreht werden.DD 278 925 describes a method for determining the mass moment of inertia of rotating masses on a friction welding machine. This is intended to achieve better process control and lower reproducibility uncertainty of the phase angle position between the welded parts. DD 219 414 deals with a device for welding thermoplastic molded parts that are rotated offset from one another by two separate drives.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Reibschweißtechnik aufzuzeigen, die auch mit diesen schwierigen Werkstoffen zurecht kommt.The object of the present invention is to demonstrate an improved friction welding technique that can also cope with these difficult materials.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.The invention solves this problem with the features in the main claim.
Durch das Drehzahlprogramm und die Drehzahlsteuerung ist es möglich, die Antriebsdrehzahl während des Reibprozesses zu verändern. Hierbei ist es insbesondere möglich, das Drehzahlverhalten nach dem Verlauf des Reibfaktors zu steuern und ggf. auch zu regeln. Die Erfindung macht sich dabei den Umstand zu Nutze, daß die Höhe des Reibfaktors u. a. auch von der Drehzahl abhängt. Durch ein angepasstes Drehzahlverhalten während des Reibprozesses kann der Reibfaktor in einer für den Reibschweißprozess günstigen Höhe gehalten werden.The speed program and the speed control make it possible to change the drive speed during the friction process. In particular, it is possible to control and, if necessary, regulate the speed behavior according to the course of the friction factor. The invention makes use of the fact that the level of the friction factor also depends on the speed, among other things. By adjusting the speed behavior during the friction process, the friction factor can be kept at a level that is favorable for the friction welding process.
Dies hat zum einen den Vorteil, daß durch eine positive Beeinflussung des Reibfaktors die Prozeßzeit deutlich verringert werden kann, was sich besonders bei den eingangs erwähnten kritischen Werkstoffen günstig auswirkt, weil der meist zeitabhängige Einfluß der Werkstoffunterschiede nicht mehr so stark ins Gewicht fällt. Die Drehzahlveränderung hält den Reibfaktor möglichst hoch, wodurch deutlich mehr Wärmeenergie als beim Stand der Technik in die Verbindungszone eingebracht werden kann, was letztlich für die Verkürzung der Prozeßzeit sorgt.This has the advantage that the process time can be significantly reduced by positively influencing the friction factor, which is particularly beneficial for the critical materials mentioned at the beginning, because the mostly time-dependent influence of the material differences is no longer as significant. The change in speed keeps the friction factor as high as possible, which means that significantly more heat energy can be introduced into the connection zone than with the current technology, which ultimately ensures that the process time is shortened.
Außerdem erlaubt es die Erfindung, die Anfangsdrehzahl höher zu wählen, als dies normalerweise für die Reibschweißapplikation erforderlich wäre. Hierdurch läßt sich der Reibfaktor bereits zu Beginn des Reibprozesses günstig beeinflussen und in diesem Fall bewußt erniedrigen. Dies hat den Vorteil, daß das Motormoment verringert werden kann. Durch die Verringerung der Momente und Kräfte kann die Reibschweißvorrichtung kleiner gebautIn addition, the invention allows the initial speed to be set higher than would normally be required for the friction welding application. This allows the friction factor to be influenced favorably at the beginning of the friction process and in this case deliberately reduced. This has the advantage that the motor torque can be reduced. By reducing the torques and forces, the friction welding device can be built smaller.
werden und auch mit schwächeren Motoren auskommen. Nach dem ersten Reibkontakt kann anschließend die hohe Anfangsdrehzahl wieder abgesenkt werden, um den Reibfaktor entsprechend anzuheben und seine Größe für die optimale Energieausnutzung hochzuhalten.and can also work with weaker engines. After the first frictional contact, the high initial speed can be reduced again in order to increase the friction factor accordingly and keep its size high for optimal energy utilization.
Für die Steuerung der Antriebsdrehzahl nach dem Verhalten des Reibfaktors ist es günstig, wenn das Drehzahlprogramm prozessabhängige und meist von der Zeit abhängige Drehzahl-Sollwerte vorgibt. Diese können empirisch ermittelt und in einer vom Programm abgefragten Technologiedatenbank hinterlegt sein.To control the drive speed according to the behavior of the friction factor, it is advantageous if the speed program specifies process-dependent and usually time-dependent speed setpoints. These can be determined empirically and stored in a technology database queried by the program.
Die Drehzahl kann während des Reibprozesse je nach Werkstoffpaarung und Reibschweißapplikation in unterschiedlicher Weise verändert werden. Sie kann sowohl gesenkt, wie auch angehoben werden. Diese Veränderungen sind grundsätzlich frei wählbar und je nach Prozesserfordernissen einstellbar. Für die Verschweißung von Gusswerkstoffen, insbesondere von globularem Graphitguß empfiehlt sich eine Drehzahlabsenkung während des Reibprozesses. Diese fällt vorzugsweise, stufenförmig, wobei vom Drehzahlprogramm zeitabhängig Drehzahl-Sollwerte vorgegeben werden, die vorzugsweise rampenförmig angefahren werden und die nach Erreichen von der Drehzahlsteuerung bis zur nächsten Sollwertvorgabe konstant gehalten und geregelt werden. Im Falle einer Verbindung von globularem Graphitguß mit Stahl ist es vorteilhaft, im Moment des Stauchvorgangs das Guß-Werkstück an der gesamten Reibstirnfläche in flüssigen Zustand zu bringen. In diesem Fall wird vor dem Ende des Reibprozesses die Drehzahl gezielt abgesenkt, ohne daß dabei die axiale Reibkraft oder der Anpressdruck erhöht werden muß, sondern unter Umständen sogar verringert werden kann. Dies sorgt einerseits für eine zuverlässige Schmelzenbildung und reduziert andererseits erheblich, das Auftreten von Spritzern. Die Energie kann in derThe speed can be changed in different ways during the friction process depending on the material pairing and friction welding application. It can be both lowered and raised. These changes are generally freely selectable and adjustable depending on the process requirements. For welding cast materials, particularly globular graphite cast, a reduction in speed during the friction process is recommended. This preferably falls in stages, with the speed program specifying time-dependent speed target values that are preferably approached in a ramp-like manner and, once reached, are kept constant and regulated by the speed control until the next target value is specified. When joining globular graphite cast to steel, it is advantageous to bring the cast workpiece into a liquid state over the entire friction face at the moment of the upsetting process. In this case, the speed is deliberately reduced before the end of the friction process without the axial friction force or the contact pressure having to be increased; in fact, it can even be reduced under certain circumstances. This ensures reliable melt formation and significantly reduces the occurrence of splashes. The energy can be stored in the
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Verbindungszone konzentriert werden, was letztendlich eine Senkung der Gesamtenergie zur Folge hat. Auch die Bauteilverkürzung kann dadurch kleiner gehalten werden. Diese Vorteile ergeben sich auch für andere Werkstoffpaarungen in ähnlicher Weise.The energy can be concentrated in the connection zone, which ultimately results in a reduction in the total energy. The component can also be shortened to a smaller extent. These advantages also apply to other material pairings in a similar way.
Ein günstiger Nebeneffekt der während des Reibprozesses abgesenkten Drehzahl besteht in einer Erleichterung der genauen Bauteilpositionierung. Je geringer die Drehzahl kurz vor Beginn des Stauchens ist, desto leichter und genauer können die Werkstücke zueinander in Drehrichtung positioniert werden.A beneficial side effect of the reduced speed during the grinding process is that it makes it easier to position the components precisely. The lower the speed shortly before the start of the compression process, the easier and more precisely the workpieces can be positioned relative to one another in the direction of rotation.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:The invention is illustrated by way of example and schematically in the drawings. In detail:
Figur 1: eine Reibschweißvorrichtung inFigure 1: a friction welding device in
schematischer Seitenansicht,schematic side view,
Figur 2 bis 4: Diagramme für verschiedene Reibschweißprozesse bzw. Reibschweißapplikationen undFigures 2 to 4: Diagrams for different friction welding processes or friction welding applications and
Figur 5: ein Diagramm über den drehzahlabhängigenFigure 5: a diagram of the speed-dependent
Verlauf des Reibfaktors.Course of the friction factor.
Figur 1 zeigt eine Reibschweißvorrichtung (1) in einer schematischen Seitenansicht. Es handelt sich hierbei um eine Reibschweißmaschine mit einem permanenten Spindelantrieb. Die Reibschweißvorrichtung (1) besteht aus einem Gestell (4), an dem ein drehender Antrieb (5), ein sogenannter Spindelantrieb, für eine Spanneinrichtung (6) angeordnet ist, die z. B. als Spannfutter ausgebildet ist und die ein Bauteil (2) aufnimmt. Das Bauteil (2) rotiert um die Drehachse (12). Das zweite Bauteil (3) ist fluchtend mit gleicher Drehachse (12) an einer Halterung (7) befestigt, die mit einer Staucheinrichtung (8) verbunden ist. Das Bauteil (3) wird vorzugsweise drehfest . gehalten und kann von der Staucheinrichtung (8) zur Erzeugung der Anreib- und Reibkraft und der Stauchkraft axial vorwärtsbewegt werden. Der Antrieb (5) besitzt vorzugsweise einen frequenzgesteuerten Drehstrommotor mit einer internen Drehzahlregelung.Figure 1 shows a friction welding device (1) in a schematic side view. This is a friction welding machine with a permanent spindle drive. The friction welding device (1) consists of a frame (4) on which a rotating drive (5), a so-called spindle drive, is arranged for a clamping device (6), which is designed, for example, as a chuck and which holds a component (2). The component (2) rotates about the axis of rotation (12). The second component (3) is attached, in alignment with the same axis of rotation (12), to a holder (7) which is connected to a compression device (8). The component (3) is preferably held in a rotationally fixed manner and can be moved axially forwards by the compression device (8) to generate the rubbing and friction force and the compression force. The drive (5) preferably has a frequency-controlled three-phase motor with an internal speed control.
Die Reibschweißvorrichtung (1) besitzt eine Steuerung (9), die als Maschinen- und Prozeßsteuerung ausgebildet ist.The friction welding device (1) has a control (9) which is designed as a machine and process control.
Die Steuerung (9) beaufschlagt sowohl den Antrieb (5), wie auch die Staucheinrichtung (8). Außerdem beinhaltet sieThe control (9) acts on both the drive (5) and the compression device (8). It also contains
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eine Drehzahlsteuerung (10) und ein Drehzahlprogramm. Sie kann außerdem _eine Technologiedatenbank aufweisen, in der verschiedene empirisch ermittelte prozeßabhängige Sollwerte für die Antriebsdrehzahl gespeichert sind. Die Drehzahlprogramme laufen vorzugsweise zeitgesteuert ab.a speed control (10) and a speed program. It can also have a technology database in which various empirically determined process-dependent setpoint values for the drive speed are stored. The speed programs preferably run in a time-controlled manner.
Sie können aber auch wegabhängig sein oder sich an anderen Vorgabewerten orientieren.However, they can also be path-dependent or based on other specified values.
Der Reibschweißprozeß gliedert sich in mehrere Abschnitte.The friction welding process is divided into several stages.
&iacgr;&ogr; in der Anlaufphase sind die beiden Bauteile (2,3) noch axial voneinander distanziert. Der Antrieb (5) wird eingeschaltet, dreht hoch und bringt das Bauteil (2) auf die prozeßabhängige gewünschte und vom Drehzahlprogramm vorgegebene Drehzahl. Diese Anfangsdrehzahl wird vorzugsweise über die Drehzahlregelung konstant gehalten.Î In the start-up phase, the two components (2,3) are still axially spaced from each other. The drive (5) is switched on, revs up and brings the component (2) to the speed required by the process and specified by the speed program. This initial speed is preferably kept constant by the speed control.
Sobald die Anfangsdrehzahl erreicht ist, werden die Bauteile (2,3) durch die Stauchvorrichtung (8) axial aufeinander zubewegt und kommen an der Reibstirnfläche in Berührungs- und Reibkontakt. Dieser Punkt wird in den Diagrammen von Figur 2 bis 5 als Bauteilberührung bezeichnet.As soon as the initial speed is reached, the components (2, 3) are moved axially towards each other by the compression device (8) and come into contact and frictional contact at the friction face. This point is referred to as component contact in the diagrams from Figures 2 to 5.
Ab der Bauteilberührung beginnt der sogenannte Reibprozeß.The so-called friction process begins when the components come into contact.
Er kann sich in zwei oder mehr Phasen gliedern. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden zwei Phasen angegeben, nämlich die Anreibphase und die Reibphase. Am Ende des Reibprozesses bzw. der Reibphase sind die Bauteile (2,3) im Verbindungsbereich (11) ausreichend erwärmt und plastifiziert. Hier enden der Reibprozeß bzw. die sogenannte Reibphase und die anschließende Stauchphase beginnt. In dieser Phase führt die Staucheinrichtung (8) einen mehr oder weniger schlagartigen Stauchhub aus. Am Ende der Stauchphase sind die Bauteile (2,3) miteinander verbunden. Anschließend kann das Reibschweißteil entnommen werden.It can be divided into two or more phases. In the example shown, two phases are specified, namely the initial rubbing phase and the friction phase. At the end of the rubbing process or the friction phase, the components (2,3) in the connection area (11) are sufficiently heated and plasticized. This is where the rubbing process or the so-called friction phase ends and the subsequent compression phase begins. In this phase, the compression device (8) carries out a more or less sudden compression stroke. At the end of the compression phase, the components (2,3) are connected to one another. The friction-welded part can then be removed.
Über die Drehzahlsteuerung (10) und das Drehzahlprogramm kann das Drehzahlverhalten des Antriebs (5) während des gesamten Reibschweißprozesses und insbesondere während des Reibprozesses und der Anreib- bzw. Reibphase beeinflußt werden.The speed behavior of the drive (5) can be influenced during the entire friction welding process and in particular during the friction process and the initial friction or friction phase via the speed control (10) and the speed program.
Figur 5 verdeutlicht in einem Schemadiagramm den Verlauf des Reibfaktors &mgr;. Die Drehzahlen "nl" und "n2" werden hierbei nach Erreichen der Bauteilberührung konstant gehalten. Wie das Diagramm verdeutlicht, hat die höhere Drehzahl "n2" einen niedrigeren Verlauf des Reibfaktors oder des Reibmomentes zur Folge. Bei der kleineren Drehzahl "nl" sind der Reibfaktor bzw. das Reibmoment höher.Figure 5 shows the course of the friction factor μ in a schematic diagram. The speeds "nl" and "n2" are kept constant after the component contact is reached. As the diagram shows, the higher speed "n2" results in a lower course of the friction factor or the friction torque. At the lower speed "nl", the friction factor or the friction torque are higher.
Die erfindungsgemäße Reibschweißvorrichtung macht sich dieses drehzahlabhängige Verhalten des Reibfaktors &mgr; zunutze und versucht ihn gezielt von seinem Verlauf und in seiner Größe zu beeinflussen. Bestimmend für seine Größe sind die physikalischen Größen, wie Geschwindigkeit, Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit, Werkstoff- und Legierungseigenschaften der Bauteile, die während des Reibschweißprozesses grundsätzlich als zeitabhängig bewertet werden können. Dies bedeutet, daß bei einer Verkürzung der Prozeßzeit die Einflüsse der vorgenannten Größen eingeschränkt werden können. Außerdem kann durch die gegenseitige Abhängigkeit von Reibfaktor &mgr; contra Prozeßzeit auch die Gefügeausbildung positiv beeinflußt werden.The friction welding device according to the invention makes use of this speed-dependent behavior of the friction factor μ and attempts to influence its course and size in a targeted manner. Its size is determined by the physical variables such as speed, temperature, surface quality, material and alloy properties of the components, which can generally be assessed as time-dependent during the friction welding process. This means that the influences of the aforementioned variables can be limited by shortening the process time. In addition, the mutual dependence of the friction factor μ versus the process time can also have a positive effect on the structure formation.
Figur 2 bis 4 zeigen in Diagrammen den Verlauf von Drehzahl "n", axialem Reibdruck "p" und Bauteilverkürzung "s" über der Zeit "t" für unterschiedliche Reibschweißapplikationen. Die Zeit ist dabei unterteilt in die nicht näher, bezeichnete Anlaufphase, die nachfolgende Anreibphase, die Reibphase und die Stauchphase.Figures 2 to 4 show diagrams of the speed "n", axial friction pressure "p" and component shortening "s" over time "t" for different friction welding applications. The time is divided into the unspecified start-up phase, the subsequent friction phase, the friction phase and the compression phase.
Figur 2 zeigt einen Verlauf der Prozeßparameter "n", "p", "s", wie er z. B. zum Reibschweißen von zwei Bauteilen (2,3) aus globularem Graphitguß und Stahl vorteilhaft ist. . Dabei ist das Gußteil (2) im Spannfutter (6) gehalten und wird vom Antrieb (5) gedreht. Das Stahlteil (3) befindet sich im Halter (7) und wird von der Staucheinrichtung (8) axial bewegt. In der Anlaufphase wird das Bauteil (2) beschleunigt und auf eine hohe Anfangsdrehzahl gebracht, die z. B. bei ca. 2000 bis 3000 U/min liegen kann. Sobald diese Anfangsdrehzahl erreicht ist, wird das Bauteil (3) von der Staucheinrichtung (8) axial nach vorn bewegt und in Reibkontakt mit dem drehenden Bauteil (2) gebracht. Die anfängliche Vorschubkraft bzw. der bei der hydraulischen Staucheinrichtung anstehende Hydraulikdruck "p" fällt dabei kurz vor Bauteilberührung etwas ab und steigt anschließend wieder auf einen etwas höheren Wert an. Ab Bauteilberührung werden die Bauteile (2,3) in der Anreibphase mit konstantem Anpreßdruck "p" gedreht. Die Drehzahl "n" wird dabei während der Anreibphase in mehreren Stufen nach und nach abgesenkt.Figure 2 shows a progression of the process parameters "n", "p", "s", which is advantageous, for example, for friction welding two components (2,3) made of globular graphite cast iron and steel. The cast part (2) is held in the chuck (6) and is rotated by the drive (5). The steel part (3) is in the holder (7) and is moved axially by the upsetting device (8). In the start-up phase, the component (2) is accelerated and brought to a high initial speed, which can be, for example, around 2000 to 3000 rpm. As soon as this initial speed is reached, the component (3) is moved axially forwards by the upsetting device (8) and brought into frictional contact with the rotating component (2). The initial feed force or the hydraulic pressure "p" present in the hydraulic upsetting device drops slightly shortly before the component comes into contact and then rises again to a slightly higher value. From the point of component contact, the components (2,3) are rotated in the friction phase with a constant contact pressure "p". The speed "n" is gradually reduced in several stages during the friction phase.
Die Vorgabe- oder Sollwerte für die Drehzahl werden aus dem Drehzahlprogramm über die Drehzahlsteuerung (10) an den Antrieb (5) gegeben. Sobald der Sollwert erreicht ist, bleibt die Drehzahl bis zur nächsten Sollwertänderung konstant. Die Anreibphase ist in diesem Ausführungsbeispiel relativ lang und z.B. etwa drei- bis viermal so lang wie die anschließende Reibphase. In der Reibphase bleibt der Anpreßdruck "p" konstant, wobei die Drehzahl "n" noch einmal kontinuierlich in einer schräg abfallenden Rampe langsam abgesenkt wird. In den vorhergehenden Stufen in der Anreibphase war der Drehzahlabfall demgegenüber steiler. In der Reibphase steigt auch die Bauteilverkürzung deutlich an. Dies geht auf die Verflüssigung des Gußteils (2) an der Verbindungsstelle (11) zurück. Die Schmelze am Gußteil (2) wird hierbei relativ schnell gebildet und durch dieThe default or setpoint values for the speed are sent from the speed program to the drive (5) via the speed control (10). As soon as the setpoint is reached, the speed remains constant until the next setpoint change. The friction phase in this embodiment is relatively long and, for example, about three to four times as long as the subsequent friction phase. In the friction phase, the contact pressure "p" remains constant, with the speed "n" being continuously and slowly reduced again in a sloping ramp. In the previous stages in the friction phase, the speed drop was steeper. In the friction phase, the component shortening also increases significantly. This is due to the liquefaction of the cast part (2) at the connection point (11). The melt on the cast part (2) is formed relatively quickly and is pressed by the
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deutlich verringerte Drehzahl und die kleineren Fliehkräfte an der Verbindungsstelle gehalten. Am Ende der Reibphase wird zum Stauchen der Anpreßdruck "P" schlagartig stark erhöht, wobei gleichzeitig der Antrieb (5) abgeschaltet und ggf. auch durch eine Zusatzbremse abgebremt wird. Die Drehzahl "n" fällt dadurch sehr schnell ab und erreicht noch vor Ende der Stauchphase Stillstand.significantly reduced speed and the smaller centrifugal forces at the connection point. At the end of the friction phase, the contact pressure "P" is suddenly increased to compress, while the drive (5) is simultaneously switched off and, if necessary, also braked by an additional brake. The speed "n" therefore drops very quickly and comes to a standstill before the end of the compressing phase.
Verglichen mit konventionellen Reibschweißprozessen ist der Reibdruck "p" vergleichsweise niedrig. Auch die Drehzahl "n" ist zumindest im hinteren Drittel der Anreibphase und insbesondere in der Reibphase deutlich geringer als bei konventionellen Reibschweißprozessen. Die Bauteilverkürzung "s" ist ebenfalls wegen der an der Verbindungsstelle gehaltenen Schmelze und der wesentlich verringerte Spritzerbildung niedriger als bei konventionellen Prozessen.Compared to conventional friction welding processes, the friction pressure "p" is comparatively low. The speed "n" is also significantly lower than in conventional friction welding processes, at least in the last third of the initial friction phase and especially in the friction phase. The component shortening "s" is also lower than in conventional processes due to the melt being held at the joint and the significantly reduced spatter formation.
In der Prozeßvariante von Figur 3 sind die Anfangswerte für die Drehzahl "n" und den Reibdruck "p" gleich oder ähnlich wie in Figur 2. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist hier allerdings die Anreibphase deutlich kürzer als die Reibphase, wobei die Verhältnisse in etwa umgekehrt wie bei Figur 2 sind. Die Anfangsdrehzahl "n" bleibt in der relativ kurzen Anreibphase weitgehend konstant. Gleiches gilt auch für den Reibdruck "p". Die Bauteilverkürzung "s" steigt relativ gering an. Bei Beginn der Reibphase wird die Drehzahl "n" in einer Rampe stark reduziert, wobei gleichzeitig der Reibdruck "p" deutlich auf einen höheren Wert ansteigt. Er kann dabei ein gewisses Überschwingverhalten zeigen. Der Reibdruck "p" bleibt dann bis zum Ende der Stauchphase konstant. Die Drehzahl "n" wird ebenfalls bis etwa zur Hälfte der Dauer der Reibphase auf den niedrigen Wert konstant gehalten und steigt dann wieder auf einen höheren Wert, der unterhalb derIn the process variant of Figure 3, the initial values for the speed "n" and the friction pressure "p" are the same or similar to those in Figure 2. In contrast to the previous embodiment, however, the initial friction phase is significantly shorter than the friction phase, with the ratios being roughly the opposite of those in Figure 2. The initial speed "n" remains largely constant in the relatively short initial friction phase. The same applies to the friction pressure "p". The component shortening "s" increases relatively slightly. At the start of the friction phase, the speed "n" is greatly reduced in a ramp, while at the same time the friction pressure "p" increases significantly to a higher value. It can show a certain overshoot behavior. The friction pressure "p" then remains constant until the end of the compression phase. The speed "n" is also kept constant at the low value until about half the duration of the friction phase and then increases again to a higher value that is below the
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Anfangsdrehzahl liegen kann. Anschließend bleibt die Drehzahl "n" noch eine Zeitlang konstant und sinkt dann wieder in einer Stufe auf einen Mittelwert zwischen maximaler und minimaler Drehzahl, der bis zum Ende der Reibphase konstant bleibt. Die Bauteilverkürzung "s" steigt über die Dauer der Reibephase weitgehend gleichmäßig an und erhöht sich gegen Ende der Reibphase. In der anschließenden Stauchphase wird der ohnehin schon relativ hohe Reibdruck "p" noch einmal auf den Stauchdruck erhöht. Die Drehzahl "n" fällt in der Stauchphase steil ab, was durch eine Zusatzbremse erreicht wird.initial speed. The speed "n" then remains constant for a while and then drops again in one step to an average value between the maximum and minimum speed, which remains constant until the end of the friction phase. The component shortening "s" increases largely evenly over the duration of the friction phase and increases towards the end of the friction phase. In the subsequent compression phase, the already relatively high friction pressure "p" is increased again to the compression pressure. The speed "n" drops steeply in the compression phase, which is achieved by an additional brake.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Verhalten des Reibdruckes "p" bzw. des Stauchdruckes und auch das Verhalten der Bauteilverkürzung im wesentlichen das gleiche wie in der Ausführungsform von Figur 2 ist. Die Anfangsdrehzahl "n" ist hier niedriger als in Figur 2 und 3. Nach Bauteilberührung bleibt sie jedoch eine kurze Zeit konstant und steigt dann in einer ersten Stufe an. Sie fällt nach kurzer Zeit dann wieder auf einen Wert deutlich unterhalb der Anfangsdrehzahl ab, bleibt dort wiederum .eine Weile konstant und steigt dann etwa in der Mitte der Anreibphase auf einen Wert an, der oberhalb des bisherigen Drehzahlniveaus liegt. Hier bleibt die Drehzahl "n" bis kurz vor Ende der diesmal wiederum längeren Anreibphase konstant. Am Ende der Anreibphase und innerhalb der anschließenden, relativ kurzen Reibphase fällt die Drehzahl "n" wiederum in einer schrägen Rampe deutlich ab und fällt innerhalb der anschließenden Stauchphase in einer schrägen Rampe wie in Figur 2 auf null ab.Figure 4 shows a further embodiment in which the behavior of the friction pressure "p" or the compression pressure and also the behavior of the component shortening is essentially the same as in the embodiment of Figure 2. The initial speed "n" is lower here than in Figures 2 and 3. However, after component contact it remains constant for a short time and then increases in a first stage. After a short time it then drops again to a value significantly below the initial speed, remains constant there again for a while and then increases approximately in the middle of the friction phase to a value that is above the previous speed level. Here the speed "n" remains constant until shortly before the end of the friction phase, which is again longer this time. At the end of the friction phase and within the subsequent, relatively short friction phase, the speed "n" again drops significantly in an inclined ramp and within the subsequent compression phase drops to zero in an inclined ramp as in Figure 2.
Bei den gezeigten drei Ausführungsbeispielen ist die Drehzahl "n" am Ende der Reibphase relativ niedrig und liegt ca. bei 1000 U/min. Die reduzierte Drehzahl erlaubt eine exakte Bestimmung und Einstellung der Drehposition des rotierenden Bauteiles (2) bei Beginn des Stauchens, soIn the three examples shown, the speed "n" at the end of the friction phase is relatively low and is approximately 1000 rpm. The reduced speed allows an exact determination and adjustment of the rotational position of the rotating component (2) at the beginning of the compression, so
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daß am Ende die Bauteile (2,3) die gewünschte Drehstellung am Schweißteil, haben. that at the end the components (2,3) have the desired rotational position on the weld part.
In einer nicht dargestellten Variante ist es auch möglich,. die Drehzahl "n" am Ende der Reibphase und relativ kurz vor der Stauchphase deutlich zu erhöhen. Dies ist z. B. bei Nickel-Basis-Legierungen vorteilhaft, um die kinetische Energie für das Stauchen zu erhöhen.In a variant not shown, it is also possible to significantly increase the speed "n" at the end of the friction phase and relatively shortly before the compression phase. This is advantageous, for example, with nickel-based alloys in order to increase the kinetic energy for compression.
10. Abwandlungen der gezeigten Ausführungsform sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen kann die Reibschweißvorrichtung (1) in beliebig geeigneter Weise konstruktiv variieren. Sie kann eine integrierte Steuerung besitzen, die alle Steueraufgaben für Maschine, Prozeß und Drehzahlen übernimmt. Alternativ können auch Einzelsteuerungen vorhanden sein. Die Bauteile (2,3) können eine beliebige Formgebung besitzen und aus beliebig geeigneten Werkstoffen bestehen. Die gezeigte Reibschweißvorrichtung (1) und die dargestellten Prozesse eignen sich besonders für unterschiedliche Werkstoffpaarungen und für die in der Beschreibungseinleitung genannten besonders kritischen Werkstoffe. Je nach Reibschweißapplikation und Werkstoffpaarung bzw. auch Bauteilpaarung können die.10. The embodiment shown can be modified in various ways. Firstly, the friction welding device (1) can be designed in any suitable way. It can have an integrated control system that takes over all control tasks for the machine, process and speeds. Alternatively, individual controls can also be present. The components (2, 3) can have any shape and be made of any suitable material. The friction welding device (1) shown and the processes shown are particularly suitable for different material pairings and for the particularly critical materials mentioned in the introduction to the description. Depending on the friction welding application and material pairing or component pairing, the...
Verläufe der Prozeßparameterdrehzahl "n" und Reibdruck "p" sowie die daraus sich ergebende Bauteilverkürzung "s" von den gezeigten Beispielen abweichen. Die Drehzahl "n" kann dabei zumindest innerhalb des Reibprozesses bzw. dessen Anreib- und Reibphase beliebig nach oben und unten schwanken. Die Drehzahländerungen können wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen stufenweise erfolgen. Die Drehzahländerungen können aber auch unmittelbar aneinander anschließen. Phasen mit konstanter Drehzahl können vollständig entfallen. Das Drehzahlverhalten kann auch in Form von Schwingungen, wie z. B. zumindest teilweise sinusförmigen Abschnitten vorliegen. Die Drehzahl grundsätzlich beliebigen Funktionen folgen. In weitererCourses of the process parameter speed "n" and friction pressure "p" as well as the resulting component shortening "s" may differ from the examples shown. The speed "n" can fluctuate up and down as desired, at least within the friction process or its initial friction and friction phase. The speed changes can take place in stages as in the examples shown. The speed changes can also follow one another immediately. Phases with a constant speed can be omitted completely. The speed behavior can also be in the form of oscillations, such as at least partially sinusoidal sections. The speed can basically follow any function. In further
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Abwandlung der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann die" Drehzahl "n" a.uch nach geeigneten Führungsgrößen, z. B. den Temperaturverlauf oder dergleichen geregelt werden. Eine Regelung kann auch nach dem Verlauf des Reibfaktors &mgr; oder nach einer diesen Reibwert &mgr; mittelbar repräsentierenden anderen physikalischen Größe erfolgen.As a modification of the described embodiments, the speed "n" can also be controlled according to suitable reference variables, e.g. the temperature profile or the like. Control can also be carried out according to the profile of the friction factor μ or according to another physical variable that indirectly represents this friction value μ.
- 14 BEZÜGSZEICHENLISTE - 14 REFERENCE SYMBOL LIST
1 Reibschweißvorrichtung1 friction welding device
2 Bauteil, Gußteil2 Component, casting
3 Bauteil, Stahlteil3 Component, steel part
4 Gestell4 Frame
5 Antrieb5 Drive
6 Spanneinrichtung6 Clamping device
7 Halterung7 Bracket
8 Staucheinrichtung8 Upsetting device
9 Steuerung Reibschweißvorrichtung9 Friction welding device control
10 Drehzahlsteuerung10 Speed control
11 Verbindungsbereich11 Connection area
12 Drehachse12 Rotation axis
Claims (7)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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