DE60016825T2

DE60016825T2 - Drehende Reibungsschweissanlage

Info

Publication number: DE60016825T2
Application number: DE60016825T
Authority: DE
Inventors: Masaharu Tochigishi Tochigi; Naoyuki Oyamashi Kawata
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: EP1046453A2; EP1046453B1; JP2000301360A; US20010040179A1; EP1046453A3; DE60016825D1; JP3398618B2

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Reibschweißverbindungs-Vorrichtung zum Verbinden eines aneinander anliegenden Bereichs von metallischen Elementen, die verbunden werden sollen und für einen Automobil-Aufhängungsarm und dergleichen verwendet werden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den vergangenen Jahren wurde ein Reibschweißverbindungs-Verfahren, eine Art Festkörper-Verbindungsverfahren, anstelle eines Schmelz-Schweißverfahrens, wie etwa eines TIG-Schweißens (Tungsten-Inert-Gas-Bogen-Schweißen) und eines MIG-Schweißens (Metal-Electrode-Inert-Gas-Schweißen) oder eines Hartlötens entwickelt. In diesem Reibschweiß-Verfahren wird eine rotierende Sonde in einen aneinander anliegenden Bereich von zwei aneinander anliegenden Elementen eingesetzt und entlang des aneinander anliegenden Bereichs vorgeschoben, während der aneinander anliegende Bereich durch Reibungswärme aufgeweicht und vermischt wird. Alternativ werden die aneinander liegenden Elemente bewegt, so dass die Sonde entlang des aneinander anliegenden Bereichs vorgeschoben wird. Gemäß dieses Reibschweißverbindungs-Verfahrens wird, da die Wärmemengenzufuhr in einen Verbindungsbereich hinein sehr klein ist, eine Entstehung von Brüchen aufgrund der Wärme verhindert. Ebenfalls hat der Verbindungsbereich eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit, da der Verbindungsbereich im Material aufgrund der Verschmelzung und Mischung davon gleichmäßig wird und keine Mischungsänderungen auftreten.
Z.B. offenbart die ungeprüfte offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 10-180467 eine konventionelle Reibschweißverbindungs-Vorrichtung zum Verbinden von Elementen, die aneinander anliegen (siehe 5), wie im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Diese Vorrichtung weist Abstützrollen 53, 53, 54 zum Abstützen und Rotieren eines ersten und eines zweiten aneinander anliegenden Rohrelementes 51, 52, Andrückrollen 55, 55 zum Andrücken des ersten und des zweiten aneinander anliegenden Rohrelementes 51, 52 in Richtung der Abstützrollen 53, 53, 54, eine Verbindungsvorrichtung 57 mit einer Sonde 56 zum Erzeugen von Reibungswärme an dem aneinander anliegenden Bereich von dem ersten und dem zweiten aneinander anliegenden Rohrelement 51, 52 und einen Kopf 59 mit einer abnehmbaren Spindel 58 zum Rotieren der Verbindungsvorrichtung 57 auf. Der Kopf 59 und die Andrückrollen 55, 55 sind in der Höhe entsprechend dem Durchmesser des ersten und zweiten aneinander anliegenden Rohrelementes 51, 52 einstellbar.
Das Verbindungsverfahren der Rohrelemente gemäß dieser Vorrichtung wird nun erläutert. Das erste und zweite Rohrelement 51, 52 werden auf den Abstützrollen 53, 53, 54 in einem aneinander anliegenden Zustand platziert. Der aneinander anliegende Bereich von dem ersten und dem zweiten Rohrelement 51, 52 wird so positioniert, dass er zu der Verbindungsvorrichtung 57 ausgerichtet ist. Außerdem drücken die Andrückrolle 55, 55 das erste und das zweite Rohrelement 51, 52 in Richtung der Abstützrollen 53, 53, 54. In diesem Zustand wird die Spitze des drehbaren Senkstiftes 56 der Verbindungsvorrichtung 57 auf den aneinander anliegenden Bereich des ersten und des zweiten Rohrelementes 51, 52 gedrückt, was durch Reibung zwischen dem drehbaren Senkstift 56 und dem aneinander anliegenden Bereich Reibungswärme erzeugt, um den aneinander anliegenden Bereich aufzuweichen.
Dann werden das erste und das zweite Rohrelement 51, 52 durch die Abstützrollen 54 um ihre Achse rotiert, woraus sich eine Vorschubbewegung des Senkstiftes 56 relativ zu den Rohrelementen 51, 52 entlang dem aneinander anliegenden Bereich davon ergibt. Dadurch wird der aneinander anliegende Bereich entlang des Umfangs davon aufgeweicht. Da der Senkstift 56 entlang dem Umfang des aneinander anliegenden Bereichs relativ zu den Rohrelementen 51, 52 vorrückt, wird das aufgeweichte Metall des aneinander anliegenden Bereiches durch die Drehung des Senkstiftes 56 vermischt und bewegt sich hinter den Senkstift 56 her, um durch den schnellen Verlust von Wärme auszuhärten. Damit sind das erste und das zweite Rohrelement 51, 52 an dem aneinander anliegenden Bereich verbunden.
Wie oben erwähnt, wird die Reibverbindung durch Vorrücken des Senkstiftes 56 relativ zu dem aneinander anliegenden Bereich ausgeführt, während das erste und das zweite Rohrelement 51, 52 um ihre Achse durch die Abstützrollen 54 rotiert werden. Damit kann das erste und das zweite Rohrelement 51, 52 verbunden werden.
Jedoch ist in der oben genannten Vorrichtung, obwohl das erste und das zweite Rohrelement 51, 52 durch die Abstützrollen 53, 53, 54 abgestützt werden und durch die Andrückrollen 55, 55 in Richtung der Abstützrollen gedrückt werden, um die Auf- und Abbewegung der Rohrelemente einzuschränken, die axiale Bewegung des ersten und des zweiten Rohrelementes 51, 52 nicht eingeschränkt. Wenn ein Schlupf zwischen der Abstützrolle 54 und zumindest einem von dem ersten und dem zweiten Rohrelement 51, 52 während der Rotation des ersten und des zweiten Rohrelementes 51, 52 durch die Abstützrollen 54 auftritt, tritt dadurch eine Differenz der Rotationsrate zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrelement 51, 52 auf. Sogar wenn das erste und das zweite Rohrelement 51, 52 auf den Abstützrollen 53, 53, 54 so angeordnet sind, dass keine Lücke an dem aneinander anliegenden Bereich gebildet wird, kann ebenfalls eine Lücke an dem aneinander anliegenden Bereich während des Verbindungsprozesses aufgrund der Vibrationen der Abstützrollen 53, 53, 54 und/oder des Druckes des Senkstifts 56 ausgebildet werden. Die oben genannten Probleme treten insbesondere leichter in einem Fall auf, in dem drei oder mehr aneinander anliegende Elemente durch die Vorrichtung verbunden werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Reibschweißverbindungs-Vorrichtung zu schaffen, welche aneinander anliegende Elemente verbinden kann, während die aneinander anliegenden Elemente rotieren, ohne dass eine Differenz in der Rotationsrate zwischen diesen und ohne dass eine Lücke an dem aneinander anliegenden Bereich der Elemente erzeugt wird.
Um die genannten Aufgaben zu lösen, weist eine Reibschweißverbindungs-Vorrichtung zum Verbinden einer Mehrzahl von aneinander anliegenden Elementen auf: drehbare Einspannbereiche zum Einspannen von gegenüberliegenden Enden der aneinander anliegenden Elemente, während die aneinander anliegenden Elemente axial gedrückt werden, eine Abstützrolle zum Abstützen der aneinander anliegenden Elemente, ein Antriebsmotor zum Drehen der aneinander anliegenden Elemente um ihre Achse und eine Verbindungsvorrichtung mit einem drehbaren Senkstift, der benachbart zu einem aneinander anliegenden Bereich der aneinander anliegenden Elemente angeordnet ist, wobei der Senkstift den aneinander anliegenden Bereich aufweicht und verschmelzt, um die aneinander anliegenden Elemente gemäß einer Rotation der aneinander anliegenden Elemente zu verbinden.
Durch diese Vorrichtung wird, da die aneinander anliegenden Elemente um die Achse davon durch die Einspannbereiche gedreht werden, welche axial die aneinander anliegenden Elemente drücken, ein Auftreten eines Unterschieds der Rotationsrate unter/zwischen den aneinander anliegenden Elementen und eine Lücke in dem aneinander anliegenden Bereich der aneinander anliegenden Elemente während des Verbindungsprozesses von den aneinander anliegenden Elementen verhindert.
Zumindest einer der Einspannbereiche kann durch den Antriebsmotor rotiert werden, um die aneinander anliegenden Elemente zu rotieren, die durch die Einspannbereiche um die Achse der aneinander anliegenden Elemente herum eingespannt sind. Mit dieser Struktur wird die Rotation des Antriebsmotors sicher auf die aneinander anliegenden Elemente übertragen, so dass die aneinander anliegenden Elemente um ihre Achse mit jeder gewünschten Rotationsrate rotiert werden. Dadurch können verschiedene aneinander anliegende Elemente, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, durch die Vorrichtung verbunden werden.
Die Abstützrollen können durch den Antriebsmotor rotiert werden, um die aneinander anliegenden Elemente um die Achse der aneinander anliegenden Elemente zu drehen. Mit dieser Struktur wird die Rotation des Antriebsmotors auf die aneinander anliegenden Elemente übertragen, so dass die aneinander anliegenden Elemente um ihre Achse rotiert werden.
Es ist bevorzugt, dass die Abstützrollen in Richtung der Achse der aneinander anliegenden Elemente bewegbar sind. Mit dieser Struktur können die Abstützrollen entsprechend der Länge der aneinander anliegenden Elemente angeordnet werden, um die gesamten aneinander anliegenden Elemente horizontal zu halten.
Es ist bevorzugt, dass die Abstützrollen angehoben und abgesenkt werden können. Mit dieser Struktur können die Abstützrollen in ihrer Höhe gemäß dem Außendurchmesser der aneinander anliegenden Elemente eingestellt werden, so dass die aneinander anliegenden Elemente horizontal abgestützt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Abstützrollen ein Paar von symmetrisch angeordneten Rollen aufweisen, um die aneinander anliegenden Elemente an zwei Punkten drehbar abzustützen, so dass ein vorbestimmter Winkel zwischen dem Paar von Rollen relativ zur Achse der aneinander anliegenden Elemente ausgebildet wird. Mit dieser Struktur werden die aneinander anliegenden Elemente stetig abgestützt.
Es ist bevorzugt, dass ferner eine andere Rolle zum Nach-Unten-Drücken der aneinander anliegenden Elemente bereitgestellt wird. Mit dieser Struktur können die aneinander anliegenden Elemente noch stetiger abgestützt werden.
Eine Stanzvorrichtung mit einem Stempel kann zum Stanzen einer Öffnung in die aneinander anliegenden Elemente zur gleichen Zeit, vor oder nachdem die aneinander anliegenden Elemente verbunden werden bereitgestellt werden. Mit dieser Struktur kann eine Stanzöffnung in den aneinander anliegenden Elementen beim oder vor/nach dem Verbinden der aneinander anliegenden Elemente ausgebildet werden.
Es ist bevorzugt, dass zumindest ein Einspannbereich in Richtung des anderen Einspannbereichs verschiebbar ist, um die aneinander anliegenden Elemente axial zu drücken. Mit dieser Struktur werden die aneinander anliegenden Elemente sicher und leicht in ihre axiale Richtung gedrückt.
Es ist bevorzugt, dass der Antriebsmotor in dem Einspannbereich bereitgestellt wird. Mit dieser Struktur wird die Rotation des Abtriebsmotors unverzüglich auf den Einspannbereich übertragen und ein Installationsraum für den Antriebsmotor kann gespart werden.
Es ist bevorzugt, dass die Verbindungsvorrichtung angehoben und abgesenkt werden kann. Mit dieser Struktur kann der Verbindungsprozess durch Absenken und Anheben der Verbindungsvorrichtung durchgeführt werden.
Die aneinander anliegenden Elemente können zumindest ein Bügelelement und ein Buchsen-Montierelement aufweisen. Mit dieser Struktur kann ein Armelement mit zumindest einem von dem Bügelelement und dem Buchsen-Montierelement, wie etwa ein Automobil-Aufhängungsarmelement hergestellt werden.
Die aneinander anliegenden Elemente können aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein, welches eine Herstellung eines Elementes aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 eine Seitenansicht ist, die eine Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
2 eine Draufsicht der aneinander anliegenden Elemente ist, die auf Abstützrollen platziert sind,
3 eine Schnittansicht des Zentrums von dem Hauptelement ist,
4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des aneinander anliegenden Bereichs von dem Hauptelement und dem Bügelelement ist, und
5 eine Seitenansicht einer konventionellen Reibschweißverbindungs-Vorrichtung ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Eine Reibschweißverbindungs-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 erläutert.
In dieser Ausführungsform wird ein Aufhängungsarmelement 4, das für ein Automobil oder dergleichen verwendet wird, durch Verbinden eines Hauptelementes 1 mit einem Gabelelement 2 und einem Buchsen-Montageelement 3 hergestellt.
Das Hauptelement 1 wird so durch Schneiden eines extrudierten Aluminiumrohres mit einem Hohlbereich 1a hergestellt, dass es eine vorbestimmte Länge in Richtung der Extrusion aufweist. Der äußere Umfang von beiden Enden des Hauptelementes 1 ist so ausgebildet, dass er mit dem Außendurchmesser von dem Gabelelement 2 und dem von dem Buchen-Montageelement 3 übereinstimmt.
Das Gabelelement 2 wird so durch Schneiden eines extrudierten Aluminiumgegenstandes hergestellt, dass es eine vorbestimmte Dicke in Richtung der Extrusion aufweist. Ein Ende des Gabelelementes ist so ausgebildet, dass es einen U-förmigen Querschnitt aufweist, und das andere Ende des Gabelelementes 2 ist so ausgebildet, dass es eine säulenförmigen Form aufweist. In der Mitte der Endfläche, mit welcher das Hauptelement 1 verbunden werden soll, ist ein konvexer Bereich 2a mit etwa dem gleichen Durchmesser wie dem des hohlen Bereiches 1a von dem Hauptelement 1 vorgesehen, um mit Kraft in den hohlen Bereich 1a des Hauptelementes 1 eingepasst zu werden.
Das Buchsen-Montageelement 3 wird so durch Schneiden eines extrudierten Aluminiumgegenstandes hergestellt, dass es eine vorbestimmte Dicke in Richtung der Extrusion aufweist. Das Buchsen-Montageelement 3 weist eine Öffnung 3a mit einem kreisförmigen Querschnitt zum Montieren einer zylindrischen vibrationsisolierenden Buchse (nicht dargestellt) auf. Der Endbereich, mit dem das Hauptelement verbunden werden soll, ist so ausgebildet, dass er eine säulenförmige Form mit einem vorbestimmten Abstand von der Öffnung 3a aufweist. In der Mitte der Endfläche, mit welcher das Hauptelement 1 verbunden werden soll, ist ein konvexer Bereich 3b mit etwa dem gleichen Durchmesser wie dem des hohlen Bereiches 1a von dem Hauptelement 1 vorgesehen, um mit Kraft in den hohlen Bereich 1a des Hauptelementes 1 eingepasst zu werden. Der Grund für das Aufweisen eines vorbestimmten Abstandes zwischen der Öffnung 3a von dem Buchsen-Montageelement 3 und dem Endbereich, der mit dem Hauptelement 1 verbunden werden soll, ist, eine gestanzte Öffnung 3c durch einen Stempel 14 auszubilden.
Als nächstes wird die Reibschweißverbindungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung erläutert.
Wie in 1 dargestellt, bezeichnet das Bezugszeichen 5 ein Basiselement. Auf dem Basiselement 5 sind drei Abstützelemente 6, 7, 8 zum Abstützen von drei aneinander anliegenden Elementen 1, 2, 3 und rechte und linke Rotationsvorrichtungen 9, 10 zum Rotieren der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 um ihre Achse bereitgestellt.
Das mittlere Abstützelement 6, das in der Mitte des Hauptelementes 1 angeordnet ist, ist in der Längsrichtung des Basiselementes 5 bewegbar und kann angehoben und abgesenkt werden und weist einen gegabelten Abstütz-Rollenhalter 6a und ein Paar von Abstützrollen 6b, 6b auf, die drehbar an dem Abstütz-Rollenhalter 6a vorgesehen sind. Wie in 3 dargestellt, sind die Abstützrollen 6b, 6b so angeordnet, dass sie drehbar das Hauptelement 1 an zwei Punkten abstützen, so dass ein vorbestimmter Winkel θ zwischen den Abstützrollen 6b, 6b relativ zur Achse des Hauptelementes 1 ausgebildet wird.
Wie in 1 dargestellt, weist das rechte Abstützelement 7, das an dem aneinander anliegenden Bereich 22 des Hauptelementes 1 und des Gabelelementes 2 angeordnet ist, einen gegabelten Abstütz-Rollenhalter 7a, der in Längsrichtung des Basiselementes 5 bewegbar ist und der angehoben und abgesenkt werden kann, und vier Abstützrollen 7b, 7b auf, die an dem Abstütz-Rollenhalter 7a drehbar vorgesehen sind. Zwei Paare von Abstützrollen 7b, 7b, wie die mittleren Abstützrollen 6b, 6b, sind so angeordnet, dass sie drehbar einen rechten großen Durchmesserbereich 1b des Hauptelementes 1 und des Gabelelementes 2 an zwei Punkten abstützen, sodass ein vorbestimmter Winkel θ zwischen den Abstützrollen relativ zur Achse des Hauptelementes 1 ausgebildet wird. Das rechte Paar von Abstützrollen 7b, 7b und das linke Paar von Abstützrollen 7b, 7b ist in einem vorbestimmten Abstand in Axialrichtung angeordnet, sodass der aneinander anliegende Bereich 22 des Hauptelementes 1 und des Gabelelementes 2 nicht die Abstützrollen 7b, 7b berührt, wenn der aneinander anliegende Bereich 22 verbunden wird, und ist zwischen dem rechten Paar der Abstützrollen 7b, 7b und dem linken Paar der Abstützrollen 7b, 7b angeordnet.
Das linke Abstützelement 8, das an dem aneinanderliegenden Bereich 23 des Hauptelementes 1 und des Buchsen- Montageelementes 3 angeordnet ist, kann angehoben und abgesenkt werden, ist in Längsrichtung des Basiselementes 5 bewegbar und weist einen gegabelten Abstütz-Rollenhalter 8a und vier Abstützrollen 8b, 8b auf, die drehbar an dem Abstütz-Rollenhalter 8a vorgesehen sind. Wie die rechten Abstützrollen 7b, 7b, stützen die linken Abstützrollen 8b, 8b drehbar das Hauptelement 1 und das Buchsen-Montagelement 3 an zwei Punkten. Das Paar von Abstützrollen 8b, 8b auf der Buchsen-Montageelement-Seite sind so ausgebildet, dass sie eine dünne Dicke aufweisen, um einen Stempel 14 zum Zeitpunkt des Ausbildens einer Stanzöffnung 3c in der Mitte des Buchsen-Montageelementes 3 zu meiden.
Wie oben erwähnt, sind das mittlere Abstützelement 6, das rechte Abstützelement 7 und das linke Abstützelement 8 in Längsrichtung des Basiselementes 5 bewegbar, um entsprechend der Länge des Aufhängungsarmelementes 4 angeordnet zu werden, das hergestellt werden soll. Ebenfalls können das mittlere Abstützelement 6, das rechte Abstützelement 7 und das linke Abstützelement 8 angehoben und abgesenkt werden, um das Aufhängungsarmelement 4 horizontal ungeachtet des Formunterschiedes im Durchmesser entlang der Länge davon abzustützen.
Die rechte Rotationsvorrichtung 9 und die linke Rotationsvorrichtung 10 sind an beiden Enden des Basiselementes 5 angeordnet und liegen sich gegenüber, wobei die Abstützelemente 6, 7, 8 dazwischen liegen.
Der Boden 9a der rechten Rotationsvorrichtung 9 ist auf dem Basiselement 5 fixiert. Die rechte Rotationsvorrichtung 9 ist mit einem rechten Einspannarm 11, der drehbar an der oberen linken Seite 9b vorgesehen ist, und einem Antriebsmotor 12 zum Rotieren des rechten Einspannarmes 11 in der rechten Rotationsvorrichtung 9 ausgestattet. Wie in 2 dargestellt, weist der rechte Einspannarm 11 einen konvexen Bereich 11a auf, um in den u-förmigen Endbereich des Gabelelementes 2 zum sicheren Einspannen des Gabelelementes 2 eingepasst zu werden. Entsprechend verursacht ein Rotieren des rechten Einspannarmes 11 durch den Antriebsmotor 12, dass das Gabelelement 2, das durch den rechten Einspannarm 11 eingespannt ist, um seine Achse rotiert.
Die linke Rotationsvorrichtung 10 ist auf dem Basiselement 5 angeordnet, sodass die Vorrichtung 10 in Längsrichtung des Basiselementes 5 bewegbar ist. Die linke Rotationsvorrichtung 10 ist mit einem linken Einspannarm 13 ausgestattet, der drehbar an der oberen rechten Seite 10a der Vorrichtung 10 vorgesehen ist. Der linke Einspannarm 13 weist einen konkaven Bereich 13a korrespondierend zu dem Endbereich des Buchsen-Montageelementes 3 auf, um das Buchsen-Montageelement 3 sicher einzuspannen. Damit verursacht die Bewegung der linken Rotationsvorrichtung 10 in Richtung der rechten Rotationsvorrichtung 9, während das Buchsen-Montageelement 3 durch den linken Einspannarm 13 eingespannt ist, das der konvexe Bereich 3b des Buchsen-Montageelementes 3 und der konvexe Bereich 2b des Gabelelementes 2 mit Kraft in den entsprechenden linken bzw. rechten hohlen Bereiche 1a des Hauptelementes 1 eingepasst werden.
Eine weitere Bewegung der linken Rotationsvorrichtung 10 in Richtung der rechten Rotationsvorrichtung 9 verursacht einen geeigneten unter Druck gesetzten Zustand des aneinander anliegenden Bereiches 22 von dem Hauptelement 1 und dem Gabelelement 2 und dem aneinander anliegenden Bereich 23 des Hauptelementes 2 und des Buchsen-Montagelementes 3. Dadurch verursacht die Rotation des rechten Einspannarmes 11 der rechten Rotationsvorrichtung 9 eine Rotation des Gabelelementes 2, des Hauptelementes 1 und des Buchsen-Montageelementes 3 um ihre Achse sowohl aufgrund der sichergestellten Einpassung davon als auch des Einpassens mit Kraft von den konvexen Bereichen 2b, 3b in dem hohlen Bereich 1a.
Die obere und die untere Wand des linken Einspannarmes 13 sind länger als die Seitenwände des linken Einspannarmes 13 ausgebildet. In der oberen und der unteren Wand des linken Einspannarms 13 sind Stanzlöcher 13b, 13b mit etwa der gleichen Form und dem gleichen Durchmesser wie die von dem Stempel 14 ausgebildet. Über dem Stanzloch 13b ist der Stempel 14 einer Stanzvorrichtung 30 bereitgestellt, der abgesenkt und angehoben werden kann. Damit wird, wenn der Stempel 14 durch die Stanzlöcher 13b, 13b abgesenkt wird, bei durch den linken Einspannarm 13 eingespanntem Buchsen-Montageelement 3, eine rechteckige gestanzte Öffnung 3c in der Mitte des Buchsen-Montageelementes 3 ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt fungiert der linke Einspannarm 13 als eine Matrize.
Über den Abstützelementen 6, 7, 8 wird eine Hebevorrichtung 15 bereitgestellt, welche absenkt und anhebt, während sie den horizontalen Level hält. Die Hebevorrichtung 15 ist mit drei Drückelementen 16, 17, 18 zum Herunterdrücken des Hauptelementes 1 ausgestattet, das durch die Abstützelemente 6, 7, 8 abgestützt wird.
Unter diesen Drückelementen weist das mittlere Drückelement 16, das in der Mitte der Hebevorrichtung 15 angeordnet ist, einen gegabelten Drückrollenhalter 16a auf, der in Längsrichtung der Hebevorrichtung 15 bewegbar ist und der abgesenkt und angehoben werden kann, und eine Andrückrolle 16b ist an dem Drückrollenhalter 16a vorgesehen. Wie in 3 dargestellt, ist die mittlere Drückrolle 16b über der Rotationsachse des Hauptelementes 1 angeordnet, um das Hauptelement 1 an einem Punkt drehbar zu drücken.
Jedes von dem rechten und dem linken Drückelement 17, 18, die an beiden Enden der Hebevorrichtung 15 angeordnet sind, weist einen Drückrollenhalter 17a, 18a auf, der in der Rechts-und-links-Richtung von der Hebevorrichtung 15 bewegbar ist und der abgesenkt und angehoben werden kann, und eine Drückrolle 17b, 18b ist an dem Drückrollenhalter 17a, 18a vorgesehen. Diese Drückrollen 17b, 18b sind über der Rotationsachse von dem Hauptelement 1 angeordnet, um die großen Durchmesserbereiche 1b, 1c des Hauptelementes 1 an einem Punkt zu drücken.
Über dem aneinander anliegenden Bereich 22 des Hauptelementes 1 und des Gabelelements 2 ist eine Verbindungsvorrichtung 19 vorgesehen. Ähnlich ist über dem aneinander anliegenden Bereich 23 des Hauptelementes 1 und des Buchsen-Montageelementes 3 eine Verbindungsvorrichtung 19 vorgesehen. Die Verbindungsvorrichtung 19, wie in 4 dargestellt, weist einen spaltenförmigen Rotor 20 und einen stiftartigen Senkstift 21 mit einem kleineren Durchmesser als der von dem Rotor 20 auf. Der Senkstift 21 ragt von dem Ende des Rotors 20 aus entlang der Achse davon vor. Der Rotor 20 und der Senkstift 21 sind aus einem Material hergestellt, welches härter als das des Hauptelementes 1, des Gabelelementes 2 und des Buchsen-Montageelement 3 ist, und kann die Wärme aushalten, die zum Zeitpunkt des Verbindens erzeugt wird. Auf der äußeren Oberfläche des Senkstiftes 21 sind konvexe und konkave Bereiche (nicht dargestellt) ausgebildet, um das Verschmelzen der Materialien um den aneinander anliegenden Bereich herum zu ermöglichen. Das Bezugszeichen 21a ist ein Schulterbereich des Rotors 20.
Die genannten Verbindungsvorrichtungen 19 sind über den aneinander anliegenden Bereichen 22, 23 des Hauptelementes 1, des Gabelelementes 2 und des Buchsen-Montageelementes 3 mit den Senkstiften 21 nach unten gerichtet angeordnet. Die Verbindungsvorrichtung 19 ist an einer Hebevorrichtung (nicht dargestellt) angebracht, um abgesenkt und angehoben zu werden. Durch Betätigung der Hebevorrichtung wird der Senkstift 21 in den aneinander anliegenden Bereich 22, 23 eingeführt bzw. aus diesem herausgezogen. Da der Senkstift 21 in Richtung der Rotationsachse der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 eingesetzt wird, wird ein Einsetzdruck zum Zeitpunkt des Einsetzens von dem Senkstift 21 und ein Andrückdruck auf die äußere Fläche der aneinander anliegenden Elemente durch den Schulterbereich von dem Rotor 20 in Richtung der Rotationsachse von dem aneinander anliegenden Elementen 1, 2, 3 von der Einsetzposition von dem Senkstiftes 21 aus gerichtet.
Als nächstes wird ein Reibscheißverbindungs-Verfahren unter Verwendung der genannten Reibschweißverbindungs-Vorrichtung erläutert werden.
Zunächst werden die Abstützelemente 6, 7, 8 auf den vorbestimmten Positionen des Basiselementes 5 angeordnet. Genauer werden die Abstützelemente 6, 7, 8 auf den vorbestimmten Positionen des Basiselementes 5 so angeordnet, dass die Mitte des Hauptelementes 1 durch das mittlere Abstützelement 6 abgestützt wird, der aneinander anliegende Bereich 22 von dem Hauptelement 1 und dem Gabelelement 2 zwischen den Abstützrollen 7b, 7b von dem rechten Abstützelement 7 und der aneinander anliegende Bereich 23 von dem Hauptelement und dem Buchsen-Montageelement 3 zwischen den Abstützrollen 8b, 8b von dem Abstützelement 8 angeordnet sind. Zur gleichen Zeit werden die Drückelemente 16, 17, 18 an den vorbestimmten Bereichen der Hebevorrichtung 15 so angeordnet, dass die Drückrollen 16b, 17b, 18b der Drückelemente 16, 17, 18 jeweils über den Abstützrollen 6b von dem Abstützelement 6, den Abstützrollen 7b von dem Abstützelement 7 und der Abstützrolle 8b von dem Abstützelement 8 angeordnet sind.
Das Gabelelement 2 wird durch den rechten Einspannarm 11 von der rechten Rotationsvorrichtung 9 eingespannt und auf der rechten Abstützrolle 7b von dem rechten Abstützelement 7 platziert, um das Gabelelement 2 an der vorbestimmten Position anzuordnen. Um das Hauptelement 1 an der vorbestimmten Position anzuordnen, wird das Hauptelement 1 auf den Abstützrollen 7b, 6b, 8b von dem Abstützelementen 7, 6, 8 platziert. Zu diesem Zeitpunkt wird der konvexe Bereich 2a des Gabelelementes 2 nicht in dem hohlen Bereich 1a von dem Hauptelement 1 eingepasst und das Hauptelement 1 und das Gabelelement 2 sind im Abstand voneinander angeordnet.
Nach Abschluss der Positionierung des Gabelelementes 2 und des Hauptelementes 1 wird das Buchsen-Montageelement 3 durch den linken Einspannarm 13 der linken Rotationsvorrichtung 10 eingespannt. In diesem Zustand wird, da die linke Rotationsvorrichtung 10 in Richtung der rechten Rotationsvorrichtung 9 verschoben wird, der konvexe Bereich 3b von dem Buchsen-Montageelement 3 mit Kraft in den hohlen Bereich 1a von dem Hauptelement 1 und der konvexe Bereich 2a von dem Gabelelement 2 mit Kraft in den hohlen Bereich 1a von dem Hauptelement 1 eingepasst. Da sich die linke Rotationsvorrichtung 10 ferner in Richtung der rechten Rotationsvorrichtung 9 bewegt, werden die aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 axial gepresst, um sicher aneinander zu passen.
Dann werden die Drückelemente 16, 17, 18 durch die Hebevorrichtung 15 abgesenkt, um das Hauptelement 1 durch die Drückrollen 16b, 17b, 18b nach unten zu drücken. Entsprechend wird ein Bewegen des Hauptelementes 1, des Gabelelementes 2 und des Buchsen-Montageelementes 3 in einer Hoch-und-runter-Richtung und einer Rechts-und-links-Richtung durch die Abstützelemente 6, 7, 8, die rechte und die linke Rotationsvorrichtung und die Drückelemente 16, 17, 18 eingeschränkt.
In diesem Zustand wird die Stanzvorrichtung (nicht dargestellt) betätigt. Der Stempel 14, der an der Stanzvorrichtung vorgesehen ist, wird in die Stanzlöcher 13b, 13b eingeführt und dann herausgezogen, die in dem oberen und dem unteren Rand des linken Einspannarms 13 der linken Rotationsvorrichtung 10 ausgebildet sind, was die rechteckige gestanzte Öffnung 3c in dem Mittenbereich des Buchsen-Montageelementes 3 ausbildet, die durch den linken Einspannarm 13 eingespannt ist. Zu diesem Zeitpunkt fungiert der linke Einspannarm 13 als eine Matrize. Die gestanzte Öffnung 3c kann nach dem Verbinden der aneinander anliegenden Elemente ausgebildet werden.
Um die aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 der Elemente 1, 2, 3, die verbunden werden sollen, zu verbinden, werden anschließend die drehbaren Senkstifte 21 der Verbindungsvorrichtungen 19 durch die Hebevorrichtung (nicht dargestellt) abgesenkt, um in die aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 der Elemente 1, 2, 3 eingeführt zu werden. Das Einführen der Senkstifte 21, 21 wird durchgeführt, bis jeder Schulterbereich 20a des Rotors 20 an der Oberfläche der aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 anliegt und diese drückt. Zu diesem Zeitpunkt wird, obwohl eine Last nach unten auf die aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 durch den Einsetzdruck des Senkstifts 21 als auch durch die Druckkraft des Schulterbereichs 20a von dem Rotor 20 wirkt, das Verbiegen der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 durch die Abstützrollen 6b, 7b, 8b der Abstützelemente 6, 7, 8 verhindert. Dadurch weicht die Rotationsachse der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 nicht ab.
In einem Zustand, in dem der Senkstift 21 in die Oberfläche der aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 eingesetzt ist und der Schulterbereich 20a des Rotors 20 auf die Oberfläche gedrückt ist, werden die aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 um ihre Achse durch den Antriebsmotor 12 rotiert, sodass der Senkstift 21 entlang der aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 vorgeschoben wird.
Zu diesem Zeitpunkt verursacht, wie oben erwähnt, da die aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 sicher aneinander durch die Druckkraft der linken Rotationsvorrichtung 10 eingepasst sind, die Rotation des rechten Einspannarms 11 der rechten Rotationsvorrichtung 9 durch den Antriebsmotor 12 eine integrale Rotation des Gabelelementes 2, des Hauptelementes 1 und des Buchsen-Montageelementes 3.
Durch die Reibungswärme, die durch die Rotation des Senkstiftes 21 und des Schulterbereichs 20a von dem Rotor 20 erzeugt wird, werden die aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 in dem Kontaktbereich des Senkstiftes 21 und eines naheliegenden Bereichs davon aufgeweicht und verschmolzen. Gemäß der Rotation der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 wird der aufgeweichte und verschmolzene Bereich plastisch verflüssigt, um die passierende Kerbe des Senkstiftes 21 zu füllen und dann wird der aufgeweichte und verschmolzene Bereich aufgrund des schnellen Verlustes der Reibungswärme abgekühlt und verfestigt. Dieses Phänomen wird gemäß der Rotation der aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 wiederholt, um das Verbinden der aneinander anliegenden Bereiche 23, 23 der Elemente 1, 2, 3 zu verursachen, was ein Aufhängungsarmelement 4 ergibt.
Anschließend wird die Beschränkung des Aufhängungsarmelementes 4 durch die Drückelemente 16, 17, 18, die rechte und die linke Rotationsvorrichtung 9, 10 gelöst, um das Aufhängungsarmelement 4 durch ein Klemmelement (nicht dargestellt) herauszunehmen.
Wie oben beschrieben, da das Gabelelement 2, das Hauptelement 1 und das Buchsen-Montageelement 3 integral um ihre Achse herum aufgrund des axialen Drückens der Elemente durch die rechte und die linke Rotationsvorrichtung 9, 10 rotieren, wird ein Unterschied der Rotationsrate der Elemente und eine Lücke zwischen den Elementen 1, 2, 3 aufgrund des Andrückdruckes auf die aneinander anliegenden Bereiche 22, 23 oder ein Schlupf zwischen den Elementen 1, 2, 3 und den Abstützrollen 6b, 7b, 8b sicher verhindert.
In dieser Ausführungsform, da der rechte Einspannarm 11 durch den Antriebsmotor 12 rotiert wird, wird die Rotation des Antriebsmotors 12 sicher auf die aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 übertragen. Damit können durch Ändern der Rotationsrate des Antriebsmotors 12 die aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 um ihre Achse mit jeder gewünschten Rotationsrate rotiert werden.
In dieser Ausführungsform wird der rechte Einspannarm 11 der rechten Rotationsvorrichtung 9 durch den Antriebsmotor 12 rotiert. Jedoch kann der linke Einspannarm 13 der linken Rotationsvorrichtung 10 durch den Antriebsmotor rotiert werden oder beide Einspannarme 11, 13 können durch den Antriebsmotor rotiert werden. Alternativ kann zumindest eine der Abstützrollen 6b, 7b, 8b der Abstützelemente 6, 7, 8 durch den Antriebsmotor rotiert werden, um die aneinander anliegenden Elemente 1, 2, 3 zu rotieren.
Die Erfindung beansprucht eine Priorität basierend auf einer japanischen Patentanmeldung Nummer Hei 11-112439, die am 20. April 1999 eingereicht wurde und deren Inhalt hierin via Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Die Terme und Beschreibungen in dieser Spezifikation wurden nur zu erläuternden Zwecken verwendet und die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, allerdings können einige Modifikationen und Ersetzungen gemacht werden, ohne sich von dem Umfang der anhängenden Ansprüche zu entfernen.

Claims

Reibschweißverbindungs-Vorrichtung zum Verbinden einer Mehrzahl von aneinander anliegenden Elementen (2, 3, 4), wobei die Reibschweißverbindungs-Vorrichtung aufweist: Abstützrollen (6b, 7b, 8b) zum Abstützen der aneinander anliegenden Elemente, einen Antriebsmotor (12) zum Rotieren der aneinander liegenden Elemente um ihre Achse, und eine Verbindungsvorrichtung (19) mit einem drehbaren Senkstift, der benachbart zu dem Aneinanderliege-Bereich der aneinander liegenden Elemente angeordnet ist, wobei der Senkstift den Aneinanderliege-Bereich aufweicht und agitiert, um die aneinander liegenden Elemente entsprechend einer Rotation der aneinander liegenden Elemente zu verschweißen, gekennzeichnet durch drehbare Einspannbereiche (11, 13) zum Einspannen von gegenüberliegenden Enden der aneinander liegenden Elemente (2, 3), während sie die aneinander liegenden Elemente axial drücken.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Einspannbereiche durch den Antriebsmotor rotiert wird, um die aneinander liegenden Elemente um eine Achse der aneinander liegenden Elemente herum zu drehen.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstützrolle durch den Antriebsmotor gedreht wird, um die aneinander liegenden Elemente um eine Achse der aneinander liegenden Elemente herum zu drehen.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Abstützrolle bewegbar in Richtung der Achse der aneinander liegenden Elemente ist.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Abstützrolle angehoben bzw. abgesenkt werden können.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Abstützrolle ein Paar Rollen aufweist, die symmetrisch angeordnet sind, um die aneinander liegenden Elemente an zwei Punkten drehbar abzustützen, sodass ein vorbestimmter Winkel zwischen dem Paar Rollen relativ zur Achse der aneinander liegenden Elemente ausgebildet wird.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, die ferner eine Andruckrolle zum Herunterdrücken der aneinander liegenden Elemente aufweist.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, die ferner eine Stanzvorrichtung mit einem Stempel zum Ausstanzen einer Öffnung in die aneinander liegenden Elemente aufweist, gleichzeitig, bevor oder nachdem die aneinander liegenden Elemente verbunden sind.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei zumindest einer der Einspannbereiche verschiebbar in Richtung des anderen Einspannbereichs ist, um die aneinander liegenden Elemente axial zu drücken.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Antriebsmotor in dem zumindest einen der Aufspannungsbereiche vorgesehen ist.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verbindungsvorrichtung (19) angehoben bzw. abgesenkt werden kann.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aneinander liegenden Elemente zumindest ein Gabelelement oder ein Hülse-Befestigungselement aufweisen.
Reibschweißverbindungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aneinander liegenden Elemente aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.