DE69502467T2

DE69502467T2 - Reibschweisswerkzeug

Info

Publication number: DE69502467T2
Application number: DE1995602467
Authority: DE
Inventors: Frederick John Hallgreen Birmingham B20 9Eq Harris
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2015-12-14
Also published as: EP0718069B1; EP0718069A1; DE69502467D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibschweißvorrichtung. Im besonderen bezieht sie sich auf einen Teil der Vorrichtung, die ein Bauteil einspannt, das an ein separat eingespanntes Werkstück anzuschweiben ist.
Bei der Herstellung von BLISK's, nämlich integrierten beschaufelten Rotorscheiben, und BLUMS, nämlich integrierten beschaufelten Rotortrommeln, für Gasturbinentriebwerke ist die Genauigkeit der Positionierung der Schaufel bzw. des Schaufelrohlings von erster Bedeutung. Die Schaufeln können als fertiges Bauteil oder als halbfertiges Bauteil wie beispielsweise als Schaufelrohling zur nachfolgenden Fertigbearbeitung durch mechanische oder chemische Bearbeitungsprozesse durch Reibschweißen mit der Scheibe verbunden werden. In beiden Fällen, wenn die Schaufel (wobei dieser Begriff nachstehend auch einen Rohling umfaßt) in einer Haltekassette eingespannt wird, ist es wichtig, daß sie vor Beginn des Schweißvorgangs in der Kassette genau positioniert wird.
Die Schaufelhaltekassette bzw. das Werkzeug von unmittelbarem Interesse besteht aus einem Kassettenbasisteil und einer abnehmbaren Kappe. Die Kassette wird an ihrem distalen Ende von einem Schwingungsarm getragen, der die reibungserzeugende Bewegung ausführt und mit einem schweißdruckerzeugenden Stößel verbunden ist. Um vor Beginn eines Schweißvorgangs eine frische Schaufel in die Kassette einzusetzen, wird die Kappe abgenommen, die Schaufel eingesetzt und die Kappe wieder aufgesetzt.
Ein Werkzeug mit einer Anordnung dieser Art nach dem dem Stand der Technik betreffenden Teil des nachstehenden Anspruches 1 ist in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP-A-513 669 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt ein Reibschweißwerkzeug, bei welchem ein Bauteil zwischen einem Sockel und einer abnehmbaren Kappe eingespannt wird. Zwischen den einander zugewandten Flächen der Kappe und des Sockels wird ein Spalt aufrechterhalten, der ein "Schweben" der Kappe ermöglicht, so daß die gesamte Klemmkraft auf das Bauteil übertragen werden kann. Irgend eine Fehlfluchtung oder Bewegung der Schaufel beim Wiederaufsetzen der Kappe, das von einem Fehler in der Orientierung der Schaufel herrühren kann, wenn diese angeschweißt wird, wenn die angeschweißt wird, wird dadurch vermieden.
Jedoch kann die positive Positionierung des Bauteils während eines Schweißvorgangs in Folge von Kraftkomponenten gestört werden, die in zur Klemmkraft senkrechte Richtung auftreten. Dies kann immer noch zu Fehlern in der Positionierung des eingespannten Bauteils während des Schweißvorgangs selbst führen. Die vorliegende Erfindung sucht diese Nachteile zu überwinden.
Gemäß der Erfindung ist eine Reibschweißvorrichtung mit Einspannorganen, die für ein genaues Einspannes eines Bauteils ausgebildet sind, das an einem Werkstück anzuschweißen ist, wobei das Einspannorgan einen Grundkörper aufweist, der für eine genaue Positionierung des Bauteils ausgebildet ist, und eine demontierbare Kappe aufweist, die zur genauen Positionierung auf dem Bauteil ausgebildet ist und die am Grundkörper befestigt werden kann, um eine Klemmkraft auf das Bauteil auszuüben, wobei die Kappe und der Grundkörper durch einen ersten Spalt einen gegenseitigen Abstand haben, so daß die gesamte Klemmkraft auf das Bauteil ausgeübt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper und die Kappe außerdem mit Bezugsflächen im Kraftweg zwischen dem Grundkörper und der Kappe ausgebildet sind, wobei die Bezugsflächen einen Abstand voneinander haben und einen zweiten Spalt bilden, und daß im Gebrauch ein Abstandhalter straff in den zweiten Spalt eingeführt wird, um den Kraftweg starr zu machen.
Vorzugsweise sind der Grundkörper und die Kappe mit V-Nuten ausgebildet, die zum Umgreifen der Kanten des Bauteils zur genauen Positionierung ausgebildet sind. Vorzugsweise sind auch die Bezugsflächen nicht parallel, um einen konischen Spalt zu bilden, und der Abstandhalter zum Einführen in den Spalt ist keilförmig.
Die Erfindung und ihre praktische Ausführung werden nun lediglich beispielsweise unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 eine Stirnansicht der Kassette mit einer abnehmbaren Kappe, in Richtung des Pfeils B in Fig. 2 gesehen, und
Fig. 2 eine Seitenansicht der Kassette nach Fig. 1, in Richtung des Pfeils A in dieser Zeichnung gesehen.
Gemäß den Zeichnungen dient die dargestellte Reibschweißkassette im Betrieb als Teil einer Reibschweißvorrichtung, wie sie in unserer parallelen veröffentlichten Patentanmeldung EP-A-719 614 (mit gleichem Prioritätsdatum wie die vorliegende Erfindung) beschrieben und dargestellt ist.
Die Kassette nach den anliegenden Zeichnungen weist einen Kassettengrundkörper 2 mit einer abnehmbaren Kappe 4 auf, die auf dem Grundkörper 2 montiert ist, um eine Klemmkraft auf ein Bauteil 6 auszuüben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 6 ein Schaufelrohling, es kann aber auch eine fertig bearbeitete oder teilfertig bearbeitete Schaufel sein, die durch Reibschweißen mit dem Umfang einer (nicht dargestellten) Scheibe für eine BLISK-Rotorstufe eines Axialverdichters in einem Gasturbinentriebwerk zu verbinden ist. Eine fertigbearbeitete oder teilbearbeitete Schaufel würde eine Schulter oder Platte als wesentliches Merkmal für Einspannzwecke aufweisen. Um dies zu erreichen, ist die Kappe 4 mit Bezug auf den Kassettengrundkörper 2 "schwebend" angeordnet, so daß die gesamte Klemmkraft über die Kappe auf das Bauteil übertragen wird. Der Hauptzweck der Erfindung ist daher das Vorsehen einer solchen schwebenden Kappe und von Mitteln zur Aufnahme der Kräfte, die während verschiedener Phasen des gesamten Schweißvorgangs auftreten.
Wie in der oben erwähnten parallelen Anmeldung mehr im einzelnen beschrieben ist, ist der Kassettengrundkörper 2 am distalen Ende eines Schwingungserzeugerarms 8 montiert, und es wird eine schweißdruckerzeugende Kraft W in Richtung des in Fig. 2 dargestellten Pfeils mittels eines Stößels 9 erzeugt.
Das Bauteil 6 wird zwischen einander zugewandten Flächen des Kassettengrundkörpers 2 und der Kappe 4 eingespannt. Diese einander zugewandten Flächen bestehen aus komplementären Flächenformationen, die in Kombination miteinander die verlangte genaue Positionierung des Bauteils und der Kappe selbst bewirken. Die Fläche am Grundkörper 2 besteht aus zwei parallelen ebenen Flächen 12b und 14b, die durch zwei unter ungleichem Winkel verlaufende Flächen 15b und 16b voneinander beabstandet sind. Zur Anpassung an den Querschnitt des Bauteils, zu dessen Handhabung dieses Werkzeug ausgelegt ist, ist der eingeschlossene Winkel zwischen den Flächen 15b und 16d ein rechter Winkel. Dieser rechte Winkel verläuft über die Breite des Grundkörpers und bildet dadurch eine V-Nut, in welcher eine Kante des Bauteils positioniert ist.
Die den zugewandte Fläche der Kappe ist in ähnlicher Weise ausgebildet, um die entgegengesetzte Seite des Werkstücks zu ergreifen. Diese Fläche weist ebenfalls zwei parallele ebene Flächen 12c und 14c auf, die durch zwei ungleich abgewinkelte Flächen 13c und 14c voneinander beabstandet sind. Wiederum ist der eingeschlossene Winkel zwischen den Flächen 13c und 16c als rechter Winkel ausgebildet, um dem Werkstück zu entsprechen, und verläuft über mindestens einen Teil der Breite der Kappe, so daß in diesem Fall eine V-Nut gebildet ist, die zur Positionierung der Kappe auf dem Bauteil dient. Diese Anordnung ist am besten aus Fig. 1 ersichtlich.
Die Abmessungen dieser Flächen, insbesondere der Nutflächen, von Grundkörper und Kappe sind so gewählt, daß, wenn das Bauteil und die Kappe an Ort und Stelle auf dem Kassettengrund körper angeordnet sind, ein schmaler Spalt zwischen den paralellen Flächen 12b, 12c und 14b, 14c verbleibt. Wenn die Kappe 4 auf den Kassettengrundkörper 2 aufgesetzt ist, wird daher die gesamte Klemmkraft auf das Bauteil, also bei dem Ausführungsbeispiel auf den Schaufelrohling, übertragen, der dadurch fest eingespannt wird. Wenn das Bauteil keinen gleichförmigen Rechteckquerschnitt hat, wie das beispielsweise bei einer teilfertigbearbeiteten oder einer fertigbearbeiteten Schaufel der Fall ist, wird das Bauteil vorzugsweise mit einer Positionierschulter ausgebildet, die von den Nutflächen ergriffen wird. Daher werden alle Kräfte über die Nutflächen und den Schulterteil des Bauteils übertragen. Im Fall einer teilfertigbearbeiteten Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk werden keine Kräfte über dem fertigbearbeiteten Schaufelblatteil übertragen.
Die abnehmbare Kappe 4 wird mittels acht Schraubenbolzen auf den Grundkörper 2 aufgespannt, die jeweils mit 10 bezeichnet sind. Durch die Flanken der Kappe 4 sind acht Spielbohrungen zur Aufnahme der Schrauben 10 gebohrt, siehe Fig. 1. Vorzugsweise weisen die Schrauben 10 Schultern oder Unterlegscheiben zur Anlage an der freiliegenden Kappenfläche auf. Die Spielbohrungen stellen sicher, daß die Schrauben 10 keine seitlichen Kräfte auf die Kappe übertragen. Die Kappe 4 wird durch Anlage an dem Bauteil positioniert, bevor die Klemmkraft durch Anziehen der Schrauben 10 in ihren Spannzustand angelegt wird. Das bevorzugte Verfahren zum Aufsetzen der Kappe besteht darin, diese zuerst gegen die Stützplatte 18 anzulegen, wozu ein Absatz an der benachbarten Kante der Kappe vorgesehen ist, der zwei schwach erhabene Bereiche 19, 19' aufweist, gegen welche die Kappe in Position auf dem Bauteil bzw. der Bauteilschulter gekippt werden kann.
Aus Gründen, die in der parallelen Anmeldung erläutert sind, sind während der Schweiß- und Reiberhitzungsphasen vertikale Kräfte in der Kassette vorhanden, die auch durch die Kappe gehen.
Im Rahmen der Bezugnahme auf die Zeichnungen verläuft die Vertikalrichtung auf dem Zeichnungsblatt von oben nach unten bzw. umgekehrt. Um eine Bewegung der Kappe zu vermeiden und dadurch die positive Positionierung des Bauteils 6 zu stören, ist es daher notwendig, eine Vorkehrung bei der Halterung der Kappe 4 zu treffen, um diese Kräfte aufzunehmen. Da die Kappe schwebend angeordnet ist, folgt daraus, daß in der Vertikalrichtung sie an keinen Teil der Kassette anstößt. Um den verlangten Kraftweg herzustellen, ist der Kassettengrundkörper 2 mit einer Abstufung bzw. Schulter 20 gegenüber einer Oberkante 21 der Kappe versehen. Eine direkte Berührung zwischen der Schulter 20 und der Kante 21 wird durch Vorsehen eines Spalts bei in Position befindlicher Kappe vermieden. Ein Abstandhalter bzw. Schwebekeil 22 wird dann in den Spalt eingeführt und in seiner Position fest eingespannt, um dadurch den Kraftweg herzustellen.
Die Abstufung 20 weist eine untere Fläche 23 auf, die eine Seite des Spalts bildet, und weist eine zweite obere Fläche 24 auf, die gegenüber den Bezugsrichtungen horizontal ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei Spielbohrungen in senkrechter Richtung von der Fläche 24 abwärts gebohrt, die mit spielbehafteten Schlitzen im Keil 22 und mit Gewindebohrungen in der Kappe 4 fluchten. Wenn der Keil 22 in den Spalt eingeführt worden ist, werden die Schrauben 34 durch diese Bohrungen eingeführt und angezogen, um den Keil an Ort und Stelle zu haltern.
Vorzugsweise sind die Bezugsflächen 23, 25 am Grundkörper und an der Kappe nichtparallel angeordnet, um sicherzustellen, daß der Abstandhalter 22 noch eingeführt werden kann, nachdem die Kappe auf das Bauteil 6 aufgespannt worden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform bildet die Fläche 23 am Grundkörper einen rechten Winkel mit der ebenen Fläche 12b. Die Fläche 25 an der Kappe ist jedoch abwärts geneigt, d.h. der innere Winkel zwischen dieser Fläche und der Fläche 12c ist kleiner als ein rechter Winkel. Wenn also die Kappe 4 in ihrer Position festgespannt ist, bilden die Flächen 23, 25 einen sich einwärts verjüngenden Spalt. Der Keil 22 ist mit entsprechenden Keilflächen ausgebildet, um in diesen Spalt zu passen. Zwei Zapfen 26, 28 ragen aus zwei zu deren Aufnahme in die Fläche 12b eingebohrten und mit Gewinde versehenen Bohrungen durch den Spalt nach außen. Der Keil 22 ist im gleichen Abstand mit spielbehafteten Durchgangsbohrungen für die Zapfen versehen. Die äußeren Enden der Zapfen sind ebenfalls mit Gewinde versehen, um selbstsichernde Muttern 30, 32 aufzunehmen, um eine Endkraft beim Einsetzen der Keile auszuüben.
Im Gebrauch umfaßt die Tätigkeitsfolge zum Aufsetzen der Kappe 4 auf den Kassettengrundkörper 2, nachdem die Schaufel eingesetzt worden ist: Zuerst Positionieren der Kappe gegen die Stützplatte 18, als zweites Einsetzen und Anziehen der Schrauben 10, und als drittes das Einsetzen des Keils 20 und der Arretiermuttern 30 und 32. Der Keil wird nach der Kappe zuerst eingesetzt, indem er auf die Zapfen 26, 28 aufgeschoben wird, und dann in den Spalt hineingedrückt wird, indem die selbstsichernden Muttern 30, 32 angezogen werden. Schließlich wird der Keil durch die Halteschrauben 34 fest gehalten.

Claims

1. Reibschweißvorrichtung, die aufweist:

Einspannorgane, die für ein genaues Einspannen eines Bauteils (6) ausgebildet sind, das an einem Werkstück anzuschweißen ist,

wobei das Einspannorgan einen Grundkörper (2) aufweist, der für eine genaue Positionierung des Bauteils (6) ausgebildet ist, und

eine demontierbare Kappe (4), die zur genauen Positionierung des Bauteils (6) ausgebildet ist, und am Grundkörper (2) befestigt werden kann, um eine Klemmkraft auf das Bauteil auszuüben, wobei die Kappe (4) und der.Grundkörper (2) durch einen ersten Spalt einen gegenseitigen Abstand haben, so daß die gesamte Klemmkraft auf das Bauteil (6) ausgeübt werden kann

dadurch gekennzeichnet, daß

der Grundkörper (2) und die Kappe (4) außerdem mit Bezugsflächen (21, 23) im Kraftweg zwischen dem Grundkörper (2) und der Kappe (4) ausgebildet sind, wobei die Bezugsflächen (21, 23) einen Abstand voneinander haben und einen zweiten Spalt bilden, und daß im Gebrauch ein Abstandhalter (22) straff in den zweiten Spalt eingeführt wird, um den Kraftweg starr zu machen.

2. Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (2) und die Kappe (4) mit V-Nuten (15b, 16b; 13c, 16c) ausgebildet sind, die zum Umgreifen der Kanten des Bauteils 6 zur genauen Positionierung ausgebildet sind.

3. Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsflächen (21, 23) nichtparallel sind, um einen konischen Spalt zu bilden, und daß der Abstandhalter (22) keilförmig ist.

4. Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des zweiten Spalts, der durch die Bezugsflächen (21, 23) gebildet ist, mit seiner Tiefe fortschreitend abnimmt.

5. Reibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (26, 28) zum Einführen des Abstandhalters (22) in den konischen Spalt und zum Ausüben einer Vorspannkraft vorgesehen sind.

6. Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel (26, 28) mindestens einen im Grundkörper (2) montierten Zapfen aufweisen, der durch den Spalt hindurchragt, um den Abstandhalter (22) zu Ergreifen und ihn in dem Spalt zu positionieren.

7. Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (34) vorgesehen sind, um eine Klemmkraft zwischen dem Grundkörper (2), der Kappe (4) und dem Keil (22) über dem Keilspalt anzulegen.

8. Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die genannten weiteren Mittel (34) eine Mehrzahl von Bolzen umfassen, die quer durch den Keil (22) hindurchverlaufen.