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Die Erfindung betrifft eine Reibschweißvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe EP-A-290 134).
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Grundsätzlich werden beim Reibschweißen die miteinander zu
verbindenden Bauteile aneinander gerieben, so daß an ihrer
Berührungsfläche genügend Reibungswärme erzeugt wird, um die
Schweißung zu bewirken, und dann wird eine Schweißkraft zur
Anwendung gebracht, um die Bauteile in innigere Berührung
miteinander zu drücken. Ursprünglich wurde das Reibschweißen
nur zum Verbinden von Bauteilen mit Kreissymmetrie
angewendet, beispielsweise Stangen, Rohre, Wellen und Scheiben usw.,
und dabei wird ein Bauteil in einer feststehenden Halterung
gehalten, während das andere in einer Spannzange gehalten und
gedreht wird. Ein typisches solches Verfahren ist
beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung 0 235 879 A1
beschrieben.
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Für Bauteile, die keine Kreissymmetrie haben, war das
Reibschweißen bis vor kurzem nicht anwendbar, bis Maschinen
entwickelt worden sind, die eine nichtdrehende Bewegung eines
der Bauteile relativ zum anderen erzeugen. Diese
nichtdrehende Bewegung kann eine von zwei Formen annehmen. Sie
kann geradlinig sein, wobei in diesem Fall das bewegte
Bauteil während der Reiberwärmungsphase eine im wesentlichen
geradlinige Bahn hin und her beschreibt, oder es kann sich um
eine Umlaufbewegung handeln, bei welcher das bewegte Bauteil
einer Bahn in Form einer geschlossenen Schleife folgt. Die
Erfindung kann auf Verfahren angewendet werden, die eine
dieser beiden Bewegungsformen benutzt.
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Die Europäische Patentanmeldung 0 92 134 A1 beschreibt ein
Verfahren zum nichtdrehenden Reibschweißen eines
Schaufelblatts am Umfang einer Turbinenscheibe. Beim Schweißen einer
Schaufel an eine Scheibe wird das innere Ende des
Schaufelblatts in Berührung mit dem Scheibenumfang gehalten und in
axialer Richtung schwingend bewegt, um das innere Ende des
Schaufelblatts und einen örtlichen Bereich des Scheibenrands
zu erhitzen, bis diese plastisch werden. Sobald sie plastisch
werden, wird die schwingende Bewegung der Schaufel beendet
und die Schaufel radial einwärts gedrückt, um die Schweißung
zu bewirken. Jedoch befaßt sich die Europäische
Patentanmeldung 0 92 134 A1 nicht mit dem Problem, das Schaufelblatt
fest genug zu halten, um die Schweißung zu bewirken, ohne
gleichzeitig möglicherweise empfindliche Bereiche der
Schaufel zu beschädigen.
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Ein Verbindungsverfahren der eben beschriebenen Art macht es
möglich, integrale Baugruppen von recht komplizierten Formen
aufzubauen, die, wenn überhaupt, nur unter Schwierigkeiten
aus dem Vollen gearbeitet werden können. Ein spezielles
Beispiel hierfür ist ein beschaufelter Rotor für ein
Gasturbinentriebwerk. Ein beschaufelter Rotor besteht aus einer
massiven Rotorscheibe mit einer Vielzahl von mit gleichmäßigen
Abständen am Umfang der Scheibe angeordneten
Schaufelblättern. Durch Verbinden der einzeln hergestellten Bauteile auf
diesem Weg kann das jeweilige gesonderte Bauteil ausgewählte
Eigenschaften besitzen oder sogar aus unterschiedlichen
Materialien hergestellt sein, beispielsweise die Scheibe aus
Stahl und die Schaufeln aus einer Nickellegierung. Jedoch muß
noch entschieden werden, auf welcher Stufe des
Fertigungsprozesses die Schaufeln mit der Scheibe zu verbinden sind,
nämlich ob es besser ist, sie auf einer verhältnismäßig frühen
Stufe zu verbinden, bevor sie fertigbearbeitet sind, und dann
den Schaufelherstellungsprozeß an dem zusammengebauten
beschaufelten Rotor fertigzustellen, oder sie erst im
fertigbearbeiteten Zustand zu verbinden. Letztere Möglichkeit wirft
das Problem auf, daß die Schaufelblätter verhältnismäßig
empfindlich sind, und da die Schaufeln ziemlich enge Abstände
haben, bleibt nicht sehr viel Zwischenraum zwischen ihnen, um
den hin- und hergehenden Antriebsarm der Schweißvorrichtung
aufzunehmen. Die Erfindung überwindet dieses Problem.
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In allgemeinster Form schlägt die vorliegende Erfindung vor,
daß bei einem Reibschweißverfahren das bewegte Bauteil in
einem Zwischenhalter gehalten wird, über welchen die
Antriebskräfte auf das Bauteil übertragen werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum
linienförmigen Reibschweißen eines ersten Bauteils an einem
Endteil eines zweiten Bau teils mit einem von diesem Endteil
beabstandeten Flansch vorgesehen, der mit einer zu dem
Endteil geneigten Fläche versehen ist, wobei die Vorrichtung
einen Halter, der zum Halten und teilweisen Aufnehmen des
zweiten Bauteils an einem Ende offen ist, und Mittel zum
nichtdrehenden Antreiben des Halters relativ zum ersten
Bauteil aufweist, und wobei der Halter aufweist:
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Anschlagmittel zur Anlage an dem Flansch und zur Begrenzung
der Einführung des zweiten Bau teils in den Halter, und
druckübertragende Flächen, die für eine Anlage an dem Flansch
derart angeordnet sind, um den zweiten Bauteil nichtdrehende
Antriebskräfte zur Erzeugung von Reibwärme zum Schweißen des
Endteils des zweiten Bauteils an das erste Bauteil
mitzuteilen, und um während der Bindungsphase einen Kontaktdruck
auszuüben, wobei der Halter für das zweite Bauteil außerdem mit
einem lösbaren Klemmorgan versehen ist, das ein Keilelement
mit einer Fläche aufweist, die unter einem zum Neigungswinkel
der geneigten Fläche des Flansches komplementären Winkel zum
zweiten Bauteil geneigt ist und für eine Anlage an der
geneigten Fläche im geklemmten Zustand ausgebildet ist, um
das zweite Bauteil formschlüssig im Halter gegen die
Anschlagmittel zu spannen, so daß der Halter das zweite Bauteil
allein über den Flansch hält.
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Zur Verdeutlichung der praktischen Ausführung der Erfindung
wird nunmehr eine Ausführungsform lediglich beispielsweise
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen betrieben,
in welchen zeigt:
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Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht
eines Schwinghalters, der eine zur
Verbindung mit einem Schaufelrotor
fertige Schaufel enthält,
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Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des
Schwinghalters und einer in den
Schwinghalter einzuführenden
Schaufel,
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Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig.
1, welche die Klemmittel deutlicher
zeigen,
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Fig. 4 eine Draufsicht mit Blick in Fig. 1
nach unten zur Endfläche des
Schwinghalters, und
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Fig. 5 eine perspektifische Ansicht eines
Teils einer
Linearreibschweißmaschine, die zeigt, wie der
Schwinghalter im Schwingkopf montiert wird.
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Um nun auf die Zeichnungen Bezug zu nehmen, die Fig. 1 und 2
zeigen eine Schnittdarstellung bzw. eine perspektivische
Darstellung eines Bauteils und eines Bauteilhalters zur Montage
des Bauteils in einer Linearreibschweißmaschine, wie sie in
Fig. 5 dargestellt ist. In Fig. 1 ist das Bauteil 2, nämlich
ein Rotorschaufelblatt für ein Gasturbinentriebwerk, in den
Bauteilhalter 4 eingesetzt, der im wesentlichen aus einer
etwa rechteckigen Metallhülse besteht. In Fig. 2 ist die
Schaufel 2 vom Schwinghalter 4 getrennt dargestellt, um die
Anordnungen zum Positionieren und Klemmen der Schaufel im
Schwinghalter deutlicher zu zeigen.
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Die Schaufel 2 hat einen Schaufelblattabschnitt 6, von dem
eine Draufsicht in Fig. 4 sichtbar ist, und der an der
Schaufelbasis einstückig mit einer Fußplatte 8 und einem
stummelförmigen Schaufelfuß 10 ausgebildet ist. Die Fußplatte
8 ist in der Draufsicht rechteckig, wie ebenfalls aus Fig. 4
ersichtlich ist, und bildet an vier Seiten eine die Basis des
Schaufelblatts 6 umschließende Schulter.
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Eine vorzugsweise ebene Stirnfläche 12 der Fußplatte 6 ist
zum Schaufelfuß 10 hin abgeschrägt; der Zweck hiervon wird
unten noch mit Bezug auf die vergrößerte Einzelheit in Fig. 3
mehr im einzelnen beschrieben. Die übrigen Seiten der Fuß
platte verlaufen jedenfalls bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander.
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Der Bauteilhalter bzw. Schwinghalter 4 besteht, wie schon
erwähnt, grundsätzlich aus einer etwa rechteckigen Metallhülse.
Er weist zwei verhältnismäßig große rechteckige Seitenplatten
14, 16 auf, deren Außenflächen parallel sind und deren
Dimensionen länger als die Höhe und Länge des
Schaufelblattabschnitts der Schaufel 2 sind, siehe Fig. 1. Die Seitenplatten
sind durch längsverlaufende Seitenabschnitte 18, 20
miteinander verbunden, welche die Breite des Schwinghalters mit
einer Abmessung bestimmen, die ein wenig breiter als die
Breite der Schaufelfußplatte 8 ist, siehe Fig. 4. Der
empfindliche Schaufelblattabschnitt der Schaufel ist also
während des gesamten Verbindungsvorgangs innerhalb der
Schutzhülse des Schwinghalters untergebracht, wodurch die
Beschädigungsgefahr verringert wird.
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Die Außenflächen der Seitenbereiche 18, 20 sind so
konfiguriert, daß sie den Klemmbacken einer
Linearreibschweißmaschine angepaßt sind. Beim vorliegenden Beispiel sind diese
Flächen nicht senkrecht zu den Seitenplatten 14, 16. Sie sind
vielmehr so geformt, daß sie Anlageflächen bilden, die mit
den Klemmbacken zusammenwirken, um eine korrekte Orientierung
des Schwinghalters für den Verbindungsvorgang sicherzustellen
und einen formschlüssigen Eingriff für die Übertragung der
Kräfte während des Verbindungsvorgangs herzustellen.
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Der dargestellte Schwinghalter 4 wurde aus einem massiven
Metallblock gebildet und durch Bohren und Fräsen mit einem
inneren Hohlraum 22 hergestellt, der an beiden Enden offen
ist, um die Schaufel 2 aufzunehmen. Der Hohlraum 22 könnte
auch als Sackloch ausgebildet sein, d.h. nur an einem Ende
offen sein, da es vorgesehen ist, die Schaufel 2 in der
Schwinghalterhülse nur mit einem Ende montiert werden soll.
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Dieses eine Ende ist dasjenige, das in der Darstellung nach
Fig. 2 nach oben zeigt. An diesem Ende ist der Hohlraum in
der Draufsicht rechteckig, und die Hülse ist mit einer
entlang drei Seiten ihres inneren Randes verlaufenden Abstufung
24 versehen. Entlang der beiden Seitenplatten 14, 16 und an
einem kurzen Ende 20 sind rechteckige, nach außen weisende
Abstufungen gebildet. Die Abmessungen zwischen
entgegengesetzten Seiten der Abstufung entsprechen den Außenabmessungen
der Fußplatte 8 der Schaufel, so daß, wenn die Schaufel
eingesetzt wird, die Fußplatte formschlüssig mit der Abstufung
24 in Eingriff kommt, um die Schaufel ohne seitliches Spiel
zu positionieren.
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Am anderen kurzen Ende 18 des Schwinghalters ist anstelle
einer an der vierten Seite gebildeten Abstufung ein
Klemmorgan vorgesehen. Das Klemmorgan weist ein Keilelement 26 an
einem Ende einer langen Spindel 28 auf, die durch eine über
die gesamte Höhe des Schwinghalters zwischen dessen
entgegengesetzten Enden durchgebohrte Bohrung 30 verläuft. Das
entfernte Ende der Spindel 28 ist angebohrt und mit einem
Innengewinde versehen, um eine Klemmschraube 32 aufzunehmen, unter
deren Kopf eine Scheibe 34 eingelegt ist, die an einer durch
Einfräsen einer Ausnehmung in dem Ende des Bereichs 18 des
Schwinghalters gebildeten Gegenfläche 36 anliegt.
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Der Keil 26 weist 3 senkrechte Seiten auf, die einen
Gleitsitz in dem rechteckigen Ende des Schwinghalterhohlraums 17
bilden. Die vierte Seite 38 des Keils, d.h. die der Schaufel
2 zugewandte Seite, ist zum Inneren des Schwinghalters hin
unter einem Winkel abgeschrägt, der komplementär zum
Neigungswinkel der Stirnfläche 12 der Schaufelfußplatte 8 ist.
Diese geneigten Flächen 12 und 38 liegen aneinander an, wenn
die Klemmschraube angezogen wird. Dieser Vorgang hat 2
Wirkungen. Einerseits sucht er die Schaufel 2 weiter in die
Schwinghalterhülse hinein zu drängen, wodurch die
schaufelblattseitige Seite der Fußplatte 8 gegen die nach außen
weisende Fläche der Abstufung 24 gespannt wird, und zweitens
erzeugt sie entgegengesetzte Kräfte, welche die abgelegene
vertikale Stirnseite der Schaufelfußplatte 8 und die
rückwärtige Fläche des Keils 26 in Anlage mit den vertikalen
Stirnwänden der Abstufung 24 spannen. Infolgedessen wird die
Schaufel 2 fest im Klemmhalter 4 eingespannt, wobei Flächen
des Klemmhalters in Anlage mit Flächen der Schaufel liegen,
so daß während der Reib- und Bindungsphasen des
Verbindungsvorgangs in zueinander senkrechten Richtungen ausgeübte
Kräfte auf die Schaufel übertragen werden können.
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Um nun auf Fig. 5 zu kommen, dort ist der Hauptbereich einer
Linearreibschweißmaschine dargestellt, wobei der
Schwinghalter 2 in den Backen 40, 42 der Maschine montiert gezeigt ist.
Die Maschine insgesamt ist in der Zeichnung nicht
dargestellt. Es ist nicht notwendig, den vollständigen Aufbau und
die Arbeitsweise der Maschine zu erklären, um die Erfindung
zu verstehen. Es genügt, zu wissen, daß die Backen 40, 42 an
flexiblen Bändern 44, 46, 48 und 50 für eine schwingende
Bewegung mit zwei Freiheitsgraden in durch Pfeile 52
angedeuteten Längsrichtungen befestigt sind, und auch, daß die Backen
und die Bänder auf einem allgemeine mit dem Bezugszeichen 54
bezeichneten Gleitschlitten abgestützt sind, der in einer
durch den Pfeil 56 bezeichneten Axialrichtung spannbar ist.
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Wie anhand Fig. 5 sichtbar ist, ist der Schwinghalter 5 in
den Backen 40, 42 so gehalten ist, daß die längere Abmessung
der Schaufelfußplatte 8 und des Fußes 10 in Richtung des
Pfeiles 52 verlaufen, wobei die Stirnfläche des Fußes 10 in
Richtung des Pfeiles 56 zeigt. Eine schwingende bzw. nicht
drehende Bewegung der Schaufel wird durch einen Stößel 58
erzeugt.
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Im Betrieb der Maschine nach Fig. 5 bei der Fertigung eines
Schaufelrotors wird zunächst eine Schaufel in einen
Schwinghalter eingesetzt und in dem Backen der Maschine montiert.
Die Schaufel wird im Schwinghalter fest eingespannt, wobei
nur noch der Fußabschnitt 10 über die Begrenzung von
Schwinghalter und Backen hinausragt. Der (nicht dargestellte)
Schaufelrotor wird zu den Backen hingebracht, bis die Stelle, an
welcher die Schaufel zu befestigen ist, in Berührung mit der
freiliegenden Schaufelfußfläche kommt. Die Ruhe- bzw.
Anfangsposition der Schaufel ist ihre mittlere Position. Bei
Beginn des Verbindungsvorgangs, d.h. während der Reibphase,
wird die schwingende bzw. nichtdrehende Bewegung ausgeführt,
während eine nur verhältnismäßig leichte Axialkraft in
Richtung des Pfeiles 56 ausgeübt wird. Wenn im
Grenzflächenbereich der Verbindung an der Berührungsstelle zwischen dem
Schaufelfuß und der Rotorscheibe genügend Hitze erzeugt
worden ist, wird die Bewegung in den Richtungen des Pfeils 52
fortschreitend bis auf Null verringert, wobei die Schaufel
zum Stillstand in ihre Mittelposition zurückkehrt.
Gleichzeitig wird jedoch die Axialkraft in Richtung des Pfeiles 56
für die Bindungsphase wesentlich gesteigert, obwohl auch
während des gesamten Vorgangs eine konstante Kraft ausgeübt
werden kann.
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Aus dieser Kurzbeschreibung des Vorgangs ist einzusehen, daß
Kräfte von mehreren Tonnen in verschiedenen Richtungen
während der aufeinanderfolgenden Phasen auf die Schaufel
ausgeübt werden. Alle diese Kräfte werden über die Anlage der
Abstufung im Schwinghalter mit der Fußplatte der Schaufel auf
die Schaufel übertragen. Die Kräfte, welche die
Schwingungsbewegungen gemäß Pfeil 52 erzeugen, werden zwischen der
Fußplatte und dem Keil 26 über die geneigten Flächen 12 und 38
und den aneinander anstoßenden vertikalen Seitenflächen der
Abstufung des Schwinghalters, der Fußplatte und der
Rückfläche des Keils übertragen. Die Bindungskraft wird über die
andere Fläche der Schwinghalterabstufung übertragen, die in
Berührung mit den schaufelblattseitigen Flächen der
Schaufelfußplatte steht.
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Es ist klar, daß, obwohl die Erfindung mit Bezug auf die
Herstellung eines Schaufelrotors beschrieben worden ist, sie
nicht darauf beschränkt ist und der Schwinghalter im Hinblick
auf andere Bauteile angepaßt werden kann, die ebenfalls
schwierig zu ergreifen und während der Arbeitsvorgänge zu
manipulieren sind, gegen Beschädigungsgefahr geschützt werden
müssen.