WO2018024718A1 - Kombiniertes reibschweissen und abscheren des schweisswulstes - Google Patents

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WO2018024718A1
WO2018024718A1 PCT/EP2017/069421 EP2017069421W WO2018024718A1 WO 2018024718 A1 WO2018024718 A1 WO 2018024718A1 EP 2017069421 W EP2017069421 W EP 2017069421W WO 2018024718 A1 WO2018024718 A1 WO 2018024718A1
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WO
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workpiece
clamping elements
shearing
clamping
friction welding
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Application number
PCT/EP2017/069421
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English (en)
French (fr)
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Sebastien DRULHON
Harald Meyer
Johann BÖCK
Michael Rode
Original Assignee
Kuka Industries Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/26—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups

Definitions

  • the present invention relates to a tension
  • Friction welding machines are basically known in practice. They serve to set two workpieces to be joined relative to each other in a rotational movement, wherein the material of the workpieces melts in the contact area by heating. The two workpieces are pressed together, with some of the liquefied material can escape to the sides.
  • Friction welding machines are particularly preferred for
  • Step requires and on the other hand in the removal of the weld bead on the workpieces
  • spaced clamping of the workpieces would indeed provide space for the supply of a shear agent. But in the range of the free path between the weld and the point of the clamping elements then a temperature or load-dependent delay would arise, which leads to inadmissible manufacturing dimensions.
  • Friction welding machine show, with a particularly dimensionally accurate and fast production of
  • Friction welds with combined removal of the weld bead is made possible. Furthermore, a
  • Disclosure includes a set of first clamping elements for receiving a shaft body of a first workpiece. At the shank end of the first workpiece is the
  • the tensioning and shearing tool comprises
  • Shearing means is in an inactive position in front of the
  • Welding bead can be arranged. It can continue after the
  • the first clamping elements have a clamping area which tapers in the direction of the shank end in the circumference.
  • the shearing means has a pointing to the first clamping elements ring section with a recess.
  • the tapered clamping regions and the recess are preferably substantially complementary to each other shaped.
  • the recess widens in the axial direction to the first clamping elements in the periphery, so that the tapered clamping region of the first clamping elements in the recess can be arranged.
  • the shearing means can be slid over the tapered clamping portions so that a distance between the shearing means and the clamping members can be reduced to a minimum.
  • Clamping elements is arranged, which can be
  • tapered clamping ranges extend very far in the direction of the shaft end, so that only a minimum of free length of the shaft portion between the clamping elements and the weld remains.
  • This free length can be chosen so small that deformations, in particular deviations from straightness, parallelism or
  • Axial flight and changes in position on the shaft body of the first workpiece are almost or completely excluded.
  • the forces occurring at a shearing edge during separation of the welding bead can be well supported and guided in a moderately curved load path to an outer support, so that a long service life of the shearing means and thus a permanently high cutting quality can be achieved.
  • Shear tool It is preferably designed to be a To carry out a joining method for the combined production of a friction-welded connection and removal of the welding bead.
  • the joining method preferably includes the following steps.
  • the first workpiece will be between the first
  • the shear means is thus in the axial direction of the
  • a friction welding connection is made between the first workpiece and a second workpiece to form a weld bead. Subsequently, the
  • Welding bead is separated by the shear means.
  • Figure 1 a schematic representation of a
  • Figure 2 is a sectional view of two workpieces held by first clamping elements and second clamping elements and through
  • Friction welding can be connected as well
  • FIG. 3 an oblique view of the
  • FIG. 1 shows a friction welding machine (10) in FIG.
  • the friction welding machine (10) comprises a rotor (11) and a stator (12), which are arranged according to a common welding axis (13). In the example of Figure 1 are on the stator (12) the
  • a first workpiece (50) is attached to the stator (12)
  • the friction welding machine is adapted to the two workpieces (50, 60) relative to each other around the
  • Shank body (51) of the first workpiece (50) and any existing shaft portion (61) on the second workpiece (60) are preferably parallel and in
  • Figure 2 shows an enlarged view of the clamping and shearing tool according to the present disclosure in a sectional view.
  • the first workpiece (50) is here exemplified as a valve closure body. It has a shaft body (51) with an in
  • Workpiece (50) prevents at least in the area which is received during the welding operation between the clamping elements (21, 22).
  • the second workpiece (60) is exemplified here as a valve rod. It also has one
  • Shank region (61) preferably also has a rotationally symmetrical, here at least partially cylindrical shape.
  • the second workpiece (60) and in particular the shaft portion (61) has a longitudinal axis parallel and coaxial with the
  • Shaft body (51) is aligned and positioned.
  • FIG. 2 a state before the start of the friction welding operation is shown by solid lines, and a state at the end of the friction welding operation is shown by dashed lines.
  • the dashed lines are an example of a compressed position of the first clamping elements (21, 22) and the second clamping elements (25, 26) again.
  • the weld (14) i. at the point of contact between the shaft ends (52)
  • the first workpiece (50) is formed, arranged and positioned on the first workpiece (50).
  • the first workpiece (50) is formed, arranged and positioned on the first workpiece (50).
  • a shearing edge (35) is arranged (compare Figures 4 and 5). The shearing edge (35) limits the punching means (30) in the axial direction (X) to the
  • the shearing edge (35) is when shearing in
  • the load path (P) is preferably used with as steady a progression as possible, i. with the least possible curvature, over the ring section (31) to the outside
  • the radial inner contour of the ring portion (31, 31 a) increases in the periphery to the side of the first clamping elements (21, 22). As a result, on the ring portion (31, 31 a) to the first clamping elements (21, 22) facing recess (32) formed in
  • tapered clamping portions (23,24) which are preferably formed in the shape complementary to the recess (32).
  • the contours illustrated in FIGS. 2 to 5 can be provided, namely, on the one hand, a conically tapered contour on the clamping regions (23, 24) and one correspondingly conically widening
  • FIG. 3 shows a movement (B) of the tensioning means (30) for separating the welding bead (15) after
  • the first workpiece (50) and the second workpiece (60), in particular the shaft body (51) and the shaft portion (61), are parallel and coaxially aligned
  • the shearing means (30) is along the (common) longitudinal axis (X) of
  • the shear means (30) may be integrally formed according to a first preferred embodiment as an annular punching disc (33) with an annularly closed
  • FIGS. 2 to 4. A one-piece punching disc (33) can be made particularly narrow, which is advantageous for a close engagement of the first clamping elements (21, 22) at the weld (14). Furthermore, an uninterrupted load path is possible, which reduces the material stress and has a positive effect on the service life of the
  • the shear means (30a) may be formed in several parts.
  • it may have a separate punching disc (33a) which comprises the inner opening (34) and the shearing edge (35).
  • the punching disc (33a) can preferably be supported on the rear side by a physically separate support section (31a) on the multi-part shearing means (30a) with respect to the direction of action.
  • the ring portion (31) of the shearing means (30a) as a physically separate
  • Support portion (31 a) may be formed in
  • the separate punching disc (33 a) is arranged.
  • the separate punching disc (33a) can be manufactured with particularly simple means and at low cost. It can be replaced when worn.
  • the other parts of the multi-part shearing means (30a) can be a contrast higher life
  • the tensioning and shearing tool (10) can preferably a set of second clamping elements (25, 26) for receiving the second workpiece (16).
  • These second clamping elements (25, 26) are preferably designed to receive the second workpiece (61) and in the axial direction (X) of the shaft body (51) adjacent to
  • Clamping elements (25,26) can be designed arbitrarily.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment, in which additional tensioners (25a, 26a) are provided, which may be provided in addition to the tensioning elements (25, 26). These additional tensioners (25a, 26a) may be separate elements or components of the second tension elements (25, 26).
  • Shank region (61) in the region of the weld (14) can be achieved if, on the one hand, the workpieces (50, 60) are as close as possible to the weld (14) or to the expected maximum extent of the weld bead (15) in the axial direction (FIG. X) are stretched, and on the other hand, during the separation of the Sch spawulstes (15) as close as possible clamping of the first and the second workpiece (50, 60) is present, but space for the movement of the shear means (30) and the separated Sch spawulstes (15 ) leaves.
  • the second workpiece (60) is completely released from the second clamping elements (25, 25a, 26, 26a) only after the welding bead (15) has been shorn off.
  • the second clamping elements (25, 26) and likewise the additional clamps (25a, 26a) can receive the second workpiece (60) in particular before and during the friction welding process, wherein in particular the additional clamps (25a, 26a) in the axial direction (X) between the second clamping elements (25, 26) and the welding point or the shaft end (52) are arranged.
  • the arrangement is preferably such that the additional tensioners (25a, 26a) directly next to
  • Additional tensioner (25a, 26a) are removed from the second workpiece (60) while the second clamping elements (25, 26) remain engaged. By removing the additional tensioner (25a, 26a) is a movement space for the
  • the width of the auxiliary tensioners (25a, 26a) in the axial direction (X) may preferably correspond to the minimum movement length required for shearing for the shearing means (30).
  • no additional tensioner (25a, 26a) may be provided and the second
  • Clamping elements (25, 26) may release the second workpiece (60) prior to shearing off the weld bead (15).
  • the shear forces are supported as tensile forces on the first workpiece (50) and the first clamping elements (21, 22) as tensile forces.
  • the second clamping elements (25, 26) for carrying out the friction welding process as close to the
  • Shearing means (one-piece mold) a Shearing means (multi-piece mold)

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  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft Spann- und Scherwerkzeug (20) für eine Reibschweißmaschine (10), die mit dem Spann- und Scherwerkzeug ausgestattete Reibschweißmaschine (10) sowie ein Herstellungsverfahren zum kombinierten Herstellen einer Reibschweißverbindung (14) und zum Entfernen eines dabei erzeugten Schweißwulstes (15). Das Spann- und Scherwerkzeug (20) umfassend einen Satz von ersten Spannelementen (21, 22) zur Aufnahme eines Schaftkörpers (51) eines ersten Werkstücks (50), an dessen Schaftende (2) eine Reibschweißverbindung (14) zu einem zweiten Werkstück (60) anzubringen ist, und ein Schermittel (30, 30a) zur Entfernung eines Schweißwulstes (15) nach einem Reibschweißvorgang. Das Schermittel (30, 30a) ist in einer inaktiven Stellung (A) vor dem Reibschweißvorgang zwischen dem Schaftende (52) und den ersten Spannelementen (21, 22) positionierbar und nach dem Reibschweißvorgang unter Abscherung des Schweißwulstes (15) in Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) über das Schaftende (52) bewegbar (B). Die ersten Spannelemente (21, 22) weisen einen sich in Richtung des Schaftendes (52) im Umfang verjüngenden Spannbereich (23, 24) auf. Das Schermittel (30, 30a) weist einen zu den ersten Spannelementen (21, 22) weisenden Ring-Abschnitt (31, 31a) mit einer zu den Spannelementen komplementär geformten Ausnehmung (32) auf.

Description

KOMBINIERTES REIBSCHWEISSEN UND ABSCHEREN DES
SCHWEISSWULSTES
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spann- und
Scherwerkzeug für eine Reibschweißmaschine sowie eine mit einem solchen Werkzeug ausgestattete Reibschweißmaschine gemäß dem Oberbegriff der eigenständigen Ansprüche. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verbindungsverfahren zum kombinierten Herstellen einer Reibschweißverbindung und Entfernen des dabei erzeugten Schweißwulstes. Reibschweißmaschinen sind in der Praxis grundsätzlich bekannt. Sie dienen dazu, zwei zu verbindende Werkstücke relativ zueinander in eine Drehbewegung zu versetzen, wobei das Material der Werkstücke im Kontaktbereich durch Erwärmung aufschmilzt. Die beiden Werkstücke werden aufeinander gepresst, wobei ein Teil des verflüssigten Materials zu den Seiten hin austreten kann. Die
Werkstücke werden nach dem Stauchen in einer
vordefinierten Relativlage gehalten, bis das
aufgeschmolzene Material erstarrt und sich die
Reibschweißverbindung ausbildet. Das zu den Seiten ausgetretene Material bildet einen Schweißwulst, der häufig nach dem Reibschweißvorgang entfernt wird.
Reibschweißmaschinen werden besonders bevorzugt zum
Verbinden von Werkstücken mit im Wesentlichen
rotationssymmetrischen und zueinander in der Formgebung korrespondierenden Schaftbereichen verwendet. Um eine besonders hohe Fertigungsgenauigkeit hinsichtlich der Parallelität und Flucht der Schaftachsen und hinsichtlich der Geradheit der Schaftbereiche zu ermöglichen, müssen die Werkstücke durch geeignete Spannelemente möglichst nahe an der vorgesehenen Schweißstelle gespannt werden. Dies führt in der Regel dazu, dass ein Scherwerkzeug zum Entfernen des Schweißwulstes erst nach dem Abschluss eines Schweißvorgangs und nach der Freigabe zumindest eines der Werkstücke aus den jeweiligen Spannelementen von außen her zugeführt werden kann. Als Schermittel werden beispielsweise Drehmeißel verwendet. Nachteilig hieran ist, dass einerseits das Entfernen des
Schweißwulstes einen relativ aufwendigen separaten
Arbeitsschritt erfordert und andererseits die bei der Entfernung des Schweißwulstes auf die Werkstücke
eingebrachten Kräfte zu einer unerwünschten Verformung führen können. Eine weiter von der Schweißstelle
beabstandete Einspannung der Werkstücke würde zwar Raum für die Zuführung eines Schermittels bieten. Aber im Bereich der freien Weglänge zwischen der Schweißstelle und dem Angriffspunkt der Spannelemente würde dann ein temperatur- oder lastabhängiger Verzug entstehen, der zu unzulässigen Fertigungsmaßen führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
(kombiniertes) Spann- und Scherwerkzeug für eine
Reibschweißmaschine aufzuzeigen, mit dem eine besonders maßhaltige und schnelle Herstellung von
Reibschweißverbindungen mit kombinierter Entfernung des Schweißwulstes ermöglicht wird. Ferner soll eine
zugehörige Reibschweißmaschine aufgezeigt werden, mit der ein optimiertes Reibschweißverfahren durchführbar ist, sowie ein kombiniertes Verbindungsverfahren zum Herstellen einer Reibschweißverbindung und zum Entfernen des dabei erzeugten Schweißwulstes.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der eigenständigen Ansprüche. Das Spann- und Scherwerkzeug gemäß der vorliegenden
Offenbarung umfasst einen Satz von ersten Spannelementen zur Aufnahme eines Schaftkörpers eines ersten Werkstücks. Am Schaftende des ersten Werkstücks ist die
Reibschweißverbindung zu einem zweiten Werkstück
anzubringen. Das Spann- und Scherwerkzeug umfasst
weiterhin ein Schermittel zur Entfernung des
Schweißwulstes nach einem Reibschweißvorgang. Das
Schermittel ist in einer inaktiven Stellung vor dem
Reibschweißvorgang in einer Axialrichtung des
Schaftkörpers zwischen dem Schaftende und den ersten Spannelementen positionierbar, wobei es bevorzugt als ringförmiges Schermittel den Schaftbereich umgreift. Das Schermittel ist also bereits vor dem Reibschweißvorgang in einer Position direkt neben dem entstehenden
Schweißwulst anordenbar. Es kann weiterhin nach dem
Reibschweißvorgang unter Abscherung des Schweißwulstes in Axialrichtung des Schaftkörpers über das Schaftende hinweg bewegt werden.
Die ersten Spannelemente weisen einen sich in Richtung des Schaftendes im Umfang verjüngenden Spannbereich auf. Das Schermittel weist einen zu den ersten Spannelementen weisenden Ring-Abschnitt mit einer Ausnehmung auf. Die sich verjüngenden Spannbereiche und die Ausnehmung sind bevorzugt zueinander im Wesentlichen komplementär geformt. Insbesondere erweitert sich die Ausnehmung in der Axialrichtung zu den ersten Spannelementen hin im Umfang, sodass der sich verjüngende Spannbereich der ersten Spannelemente in der Ausnehmung anordenbar ist. Mit anderen Worten kann das Schermittel über die sich verjüngenden Spannbereiche geschoben werden, sodass ein Abstand zwischen dem Schermittel und den Spannelementen auf einem Minimum reduzierbar ist.
Obwohl das Schermittel zwischen dem Schaftende, wo sich der Schweißwulst ausbilden wird, und den ersten
Spannelementen angeordnet ist, können die sich
verjüngenden Spannbereiche sehr weit in Richtung des Schaftendes reichen, sodass nur ein Minimum an freier Länge des Schaftbereichs zwischen den Spannelementen und der Schweißstelle verbleibt. Diese freie Länge kann so gering gewählt werden, dass Verformungen, insbesondere Abweichungen von der Geradheit, Parallelität oder
Achsenflucht sowie Lageänderungen an dem Schaftkörper des ersten Werkstücks nahezu oder vollständig ausgeschlossen werden.
Durch den Ring-Abschnitt an dem Schermittel können die an einer Scherkante beim Abtrennen des Schweißwulstes auftretenden Kräfte gut abgestützt und in einem gemäßigt gekrümmten Lastpfad zu einer äußeren Abstützung geleitet werden, sodass eine lange Standzeit des Schermittels und damit eine dauerhaft hohe Schnittgüte erreichbar sind.
Die Reibschweißmaschine gemäß der vorliegenden
Offenbarung umfasst das (kombinierte) Spann- und
Scherwerkzeug. Sie ist bevorzugt dazu ausgebildet, ein Verbindungsverfahren zum kombinierten Herstellen einer Reibschweißverbindung und Entfernen des Schweißwulstes auszuführen. Das Verbindungsverfahren umfasst bevorzugt die folgenden Schritte. Das erste Werkstück wird zwischen den ersten
Spannelementen aufgenommen, wobei die sich verjüngenden Spannbereiche in der Axialrichtung des Schaftkörpers (direkt) neben bzw. maximal nahe an der vorgesehenen Schweißstelle angeordnet werden. Die Anordnung kann bevorzugt so nahe an der Schweißstelle erfolgen, dass zwischen der maximal erwartenden Ausdehnung des
Schweißwulstes und den Spannelementen gerade genug Platz für die Anordnung des Schermittels verbleibt.
Das Schermittel wird also in Axialrichtung des
Schaftkörpers zwischen den ersten Spannelementen und der vorgesehenen Schweißstelle positioniert, wobei die sich verjüngenden Spannbereiche in die sich erweiternde
Ausnehmung an dem Schermittel eingreifen.
Es wird eine Reibschweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück unter Bildung eines Schweißwulstes hergestellt. Anschließend wird das
Schermittel in der Axialrichtung des Schaftkörpers über die Schweißstelle hinwegbewegt, d.h. in der Axialrichtung von den ersten Spannelementen weg bewegt, wobei der
Schweißwulst durch das Schermittel abgetrennt wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, den Unteransprüchen sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben. Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer
Reibschweißmaschine mit dem Spann- und Scherwerkzeug gemäß der vorliegenden
Offenbarung;
Figur 2: eine Schnittansicht auf zwei Werkstücke, die durch erste Spannelemente und zweite Spannelemente gehalten und durch
Reibschweißen verbunden werden sowie ein
Schermittel in einer inaktiven Position vor bzw. während des
Reibschweißvorgangs ;
Figur 3: Eine Schrägbilddarstellung der
verbundenen Werkstücke aus Figur 2, wobei der Schweißwulst durch eine
Bewegung des Schermittels abgetrennt wird;
Figuren 4 und 5: bevorzugte Ausführungsvarianten eines
Schermittels.
Figur 1 zeigt eine Reibschweißmaschine (10) in
Seitenansicht. Die Reibschweißmaschine (10) umfasst einen Rotor (11) und einen Stator (12), die gemäß einer gemeinsamen Schweißachse (13) angeordnet sind. In dem Bespiel von Figur 1 sind an dem Stator (12) das
kombinierte Spann- und Scherwerkzeug (20) gemäß der vorliegenden Offenbarung und an dem Rotor (11) ein Satz von zweiten Spannelementen (25, 26) angeordnet.
Alternativ kann die Anordnung vertauscht sein.
Ein erstes Werkstück (50) ist an dem Stator (12)
eingespannt und ein zweites Werkstück (60) ist koaxial zu dem ersten Werkstück (50) an dem Rotor (11) eingespannt. Die Reibschweißmaschine ist dazu ausgebildet, die beiden Werkstücke (50, 60) relativ zueinander um die
Schweißachse (13) zu drehen und aneinander zu pressen, um eine Reibschweißverbindung (14) zwischen den Werkstücken (50, 60) herzustellen. Die Längsachsen (X) des
Schaftkörpers (51) des ersten Werkstücks (50) und eines etwaig vorhandenen Schaftbereichs (61) an dem zweiten Werkstück (60) sind bevorzugt parallel und in
Achsenflucht (koaxial) zu der Schweißachse (13)
positioniert.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Spann- und Scherwerkzeugs gemäß der vorliegenden Offenbarung in einer Schnittansicht. Das erste Werkstück (50) ist hier beispielhaft als ein Ventilverschlusskörper ausgebildet. Es weist einen Schaftkörper (51) mit einer im
Wesentlichen zylindrischen Außenkontur auf. Es wird angestrebt, dass der Schaftkörper (51) des ersten
Werkstücks (50) durch die ersten Spannelemente (21, 22) möglichst nahe an der vorgesehen Schweißstelle (14), d.h. möglichst nahe an dem Schaftende (52) gegriffen und gespannt wird. Durch das Einspannen des Schaftkörpers (51) wird eine Verformung des Materials des ersten
Werkstücks (50) zumindest in dem Bereich verhindert, der während des Schweißvorgangs zwischen den Spannelementen (21, 22) aufgenommen ist. Das zweite Werkstück (60) ist hier beispielhaft als Ventilstab ausgebildet. Es weist ebenfalls einen
Schaftbereich (61) auf und wird durch einen Satz von zweiten Spannelementen (25, 26) aufgenommen und relativ zu dem ersten Werkstück (50) positioniert. Der
Schaftbereich (61) weist bevorzugt ebenfalls eine rotationssymmetrische, hier zumindest abschnittsweise zylindrische Form auf. Mit anderen Worten hat das zweite Werkstück (60) und insbesondere der Schaftbereich (61) eine Längsachse, die parallel und koaxial zu der
Längsachse (X) des ersten Werkstücks bzw. des
Schaftkörpers (51) ausgerichtet und positioniert ist.
In Figur 2 ist mit durchgezogenen Linien ein Zustand vor Beginn des Reibschweißvorgangs und mit gestrichelten Linien ein Zustand am Ende des Reibschweißvorgangs dargestellt. Die gestrichelten Linien geben beispielhaft eine gestauchte Lage der ersten Spannelemente (21, 22) und der zweiten Spannelemente (25, 26) wieder. Während der Stauchung wird an der Schweißstelle (14), d.h. im Berührungspunkt zwischen den Schaftenden (52), ein
Schweißwulst (15) gebildet.
Vor Beginn des Reibschweißvorgangs wird ein Schermittel (30), das bevorzugt als ringförmige Stanzscheibe
ausgebildet ist, an dem ersten Werkstück (50) angeordnet und positioniert. Dabei kann insbesondere der
Schaftbereich (51) durch eine Innen-Öffnung (34) des Schermittels (30) geführt sein. Mit anderen Worten umgreift die ringförmige Stanzscheibe (33) den
Schaftkörper (51) ersten Werkstücks (50). An dem Stanzmittel (30) und insbesondere der ringförmigen Stanzscheibe (33) ist eine Scherkante (35) angeordnet (vgl. Figuren 4 und 5) . Die Scherkante (35) begrenzt das Stanzmittel (30) in der Axialrichtung (X) zu dem
Schaftende (52) bzw. dem sich bildenden Schweißwulst (15) hin. Die Scherkante (35) wird beim Abscheren in
körperlichen Kontakt mit dem aufgeschmolzenen Material gebracht und sollte den geringsten Innendurchmesser des Schermittels (30) vorgeben. Während eines Trennvorgangs werden hohe Scherkräfte (F) im Wesentlichen parallel zu der Axialrichtung (X) in das Schermittel (30) und
insbesondere die Stanzscheibe (33) eingebracht. Innerhalb des Stanzmittels (30) werden diese Kräfte über einen Lastpfad (P) zumindest in Umfangsrichtung nach außen zu einem Angriffspunkt übertragen, an dem das Schermittel
(30) durch eine Bewegungsvorrichtung (nicht dargestellt) abgestützt ist. Der Lastpfad (P) wird bevorzugt mit einem möglichst stetigen Verlauf, d.h. mit möglichst geringer Krümmung, über den Ring-Abschnitt (31) nach außen
geführt, damit lokale Spannungsspitzen in dem
Schwermittel (30, 30a) reduziert werden.
Die radiale Innenkontur des Ring-Abschnitts (31, 31a) vergrößert sich zu der Seite der ersten Spannelemente (21, 22) im Umfang. Hierdurch ist an dem Ring-Abschnitt (31, 31a) eine zu den ersten Spannelementen (21, 22) weisende Ausnehmung (32) gebildet, die sich in
Axialrichtung (X) zu den ersten Spannelementen (21, 22) im Umfang erweitert. Diese Ausnehmung gewährt Raum für eine möglichst nahe Platzierung der sich verjüngenden Spannbereiche (23, 24) an der Schweißstelle (14) bzw. am Schaftende ( 52 ) . An den Spannelementen (21,22) sind die sich in
Axialrichtung (X) verjüngenden Spannbereiche (23,24) vorgesehen, die bevorzugt in der Formgebung komplementär zu der Ausnehmung (32) ausgebildet sind. Besonders bevorzugt können die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Konturen vorgesehen sein, nämlich einerseits eine sich konisch verjüngende Kontur an den Spannbereichen (23, 24) und eine sich korrespondierend konisch erweiternde
Innenkontur an dem Ring-Abschnitt (31) . Alternativ sind beliebige andere Konturen möglich, bspw. sich mit
steigender oder fallender Krümmung verjüngende oder erweiternde Konturen oder gestufte Konturen.
Figur 3 zeigt eine Bewegung (B) des Spannmittels (30) zum Abtrennen des Schweißwulstes (15) nach dem
Reibschweißvorgang. Nach dem Reibschweißvorgang sind das erste Werkstück (50) und das zweite Werkstück (60), insbesondere der Schaftkörper (51) und der Schaftbereich (61), mit parallelen und koaxial ausgerichteten
Längsachsen (X) miteinander verbunden. Zwischen den
Werkstücken (50, 60) ist die Schweißstelle (14) gebildet, die ggfs. kurz nach dem Zusammenpressen noch eine
verminderte Festigkeit aufweist. Das Schermittel (30) wird entlang der (gemeinsamen) Längsachse (X) von
Schaftkörper (51) und Schaftbereich (61) bewegt, wobei die Scherkante (35) einen in Radialrichtung überstehenden Teil des Schweißwulstes (15) abtrennt.
Das Schermittel (30) kann gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung einteilig als ringförmige Stanzscheibe (33) ausgebildet sein mit einer ringförmig geschlossenen
Scherkante (35) . In diesem Fall kann insbesondere der Ring-Abschnitt (31) Bestandteil der Stanzscheibe (33) sein. Diese Ausführungsvariante ist in Figuren 2 bis 4 gezeigt. Eine einteilige Stanzscheibe (33) kann besonders schmal gebaut werden, was für einen nahen Eingriff der ersten Spannelemente (21, 22) an der Schweißstelle (14) vorteilhaft ist. Ferner wird ein unterbrechungsfreier Lastpfad ermöglicht, was die Materialbeanspruchung vermindert und sich positiv auf die Standzeit des
Schermittels auswirkt. Gemäß einer alternativen und in Figur 5 gezeigten
Ausführungsvariante kann das Schermittel (30a) mehrteilig ausgebildet sein. Es kann insbesondere eine separate Stanzscheibe (33a) aufweisen, welche die Innen-Öffnung (34) und die Scherkante (35) umfasst. Die Stanzscheibe (33a) kann bevorzugt durch einen körperlich getrennten Stützabschnitt (31a) an dem mehrteiligen Schermittel (30a) in Bezug auf die Wirkrichtung rückseitig abgestützt sein. Mit anderen Worten kann der Ring-Abschnitt (31) des Schermittels (30a) als körperlich getrennter
Stützabschnitt (31a) ausgebildet sein, der in
Wirkrichtung des Schermittels (30a) hinter einer
separaten Stanzscheibe (33a) angeordnet ist. Bei dieser Ausführung kann die separate Stanzscheibe (33a) mit besonders einfachen Mitteln und bei niedrigen Kosten hergestellt sein. Sie kann bei Verschleiß ausgetauscht werden. Die sonstigen Teile des mehrteiligen Schermittels (30a) können eine demgegenüber höhere Standzeit
aufweisen .
Das Spann- und Scherwerkzeug (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung und/oder die Reibschweißmaschine (10) können bevorzugt einen Satz von zweiten Spannelementen (25, 26) zur Aufnahme des zweiten Werkstücks (16) aufweisen. Diese zweiten Spannelemente (25, 26) sind bevorzugt dazu ausgebildet, das zweite Werkstück (61) aufzunehmen und in Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) neben der
Schweißstelle (14) zu positionieren. Die zweiten
Spannelemente (25,26) können beliebig ausgebildet sein.
In Figur 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante dargestellt, bei der Zusatz-Spanner (25a, 26a) vorgesehen sind, die zusätzlich zu den Spannelementen (25, 26) vorgesehen sein können. Diese Zusatz-Spanner (25a, 26a) können separate Elemente oder Bestandteile der zweiten Spannelemente (25, 26) sein.
Eine besonders hohe Maßhaltigkeit der Werkstücke (50, 60) und insbesondere des Schaftkörpers (51) und des
Schaftbereichs (61) im Bereich der Schweißstelle (14) kann erreicht werden, wenn einerseits die Werkstücke (50, 60) so nahe wie möglich an der Schweißstelle (14) bzw. an der erwartenden maximalen Ausdehnung des Schweißwulstes (15) in der Axialrichtung (X) gespannt werden, und wenn andererseits während des Abtrennens des Schweißwulstes (15) eine möglichst nahe Einspannung des ersten und des zweiten Werkstücks (50, 60) vorliegt, die jedoch Raum für die Bewegung des Schermittels (30) und des abgetrennten Schweißwulstes (15) lässt. Dementsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass das zweite Werkstück (60) aus den zweiten Spannelementen (25, 25a, 26, 26a) erst nach dem Abscheren des Schweißwulstes (15) vollständig freigegeben wird . Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform können insbesondere vor und während dem Reibschweißvorgang die zweiten Spannelemente (25, 26) und ebenfalls die Zusatz- Spanner (25a, 26a) das zweite Werkstück (60) aufnehmen, wobei insbesondere die Zusatz-Spanner (25a, 26a) in der Axialrichtung (X) zwischen den zweiten Spannelementen (25, 26) und der Schweißstelle bzw. dem Schaftende (52) angeordnet sind. Die Anordnung ist bevorzugt derart, dass die Zusatz-Spanner (25a, 26a) direkt neben der
erwartenden maximalen Ausdehnung des Schweißwulstes (15) an dem zweiten Werkstück (60) angreifen.
Nach dem Reibschweißvorgang können zunächst nur die
Zusatz-Spanner (25a, 26a) von dem zweiten Werkstück (60) entfernt werden, während die zweiten Spannelemente (25, 26) im Eingriff bleiben. Durch die Wegnahme der Zusatz- Spanner (25a, 26a) wird ein Bewegungsraum für das
Schermittel (13) in der Axialrichtung (X) zu den zweiten Spannelementen (25, 26) freigegeben, sodass der
abgetrennte Schweißwulst (15) in der Axialrichtung (X) zu den zweiten Spannelementen (25, 26) hin verschoben bzw. abgeschert werden kann, ohne dass der Schweißwulst oder das Schermittel (13) mit den Zusatz-Spannern (25a, 26a) kollidiert. Über die noch im Eingriff befindlichen zweiten Spannelemente (25, 26), die um einen
ausreichenden Abstand von der Schweißstelle (14) entfernt angreifen, um einen Bewegungsraum für den abgescherten Schweißwulst (15) und das Schermittel (30) zu lassen, werden jedoch die auf den Schweißwulst (15) bzw. die Schweißstelle (14) eingebrachten Scherkräfte (F) zu einem erheblichen Anteil als Druckkräfte über das zweite
Werkstück (60) abgestützt. Es kann insbesondere vermieden werden, dass die Scherkräfte (F) ausschließlich als
Zugkräfte über die Schweißverbindung (14) und das erste Werkstück (50) abgestützt werden müssen. Durch diese Form der Kraftabstützung können unerwünschte Rissbildungen oder sonstige Beschädigungen der Schweißstelle (14) während des Abscherens vermieden werden. Ferner wird über die Zusatz-Spanner (25a, 26a) während des
Reibschweißvorgangs eine Optimierung der Maßgenauigkeit erreicht. Die Breite der Zusatz-Spanner (25a, 26a) in Axialrichtung (X) kann bevorzugt der für das Abscheren benötigten minimalen Bewegungslänge für das Schermittel (30) entsprechen.
Gemäß einem alternativen Vorgehen können keine Zusatz- Spanner (25a, 26a) vorgesehen sein und die zweiten
Spannelemente (25, 26) können das zweite Werkstück (60) vor dem Abscheren des Schweißwulstes (15) freigeben. In diesem Fall werden die Scherkräfte als Zugkräfte über das erste Werkstück (50) und die ersten Spannelemente (21, 22) als Zugkräfte abgestützt. Wiederum alternativ können die zweiten Spannelemente (25, 26) für die Durchführung des Reibschweißvorgangs möglichst nahe an der
Schweißstelle (14) platziert sein, dann unter
kurzzeitiger Freigabe des zweiten Werkstücks (60) nach außen versetzt werden, damit genug Freiraum für die
Bewegung des Schermittels (30) geschaffen wird, und die zweiten Spannelemente (25, 26) für das Abscheren des Schweißwulstes (15) wieder in Eingriff gebracht werden. BEZUGSZEICHENLISTE Reibschweißmaschine
Rotor
Stator
Schweißachse
Schweißstelle / Reibschweißverbindung Schweißwulst Spann- und Scherwerkzeug
Erstes Spannelement
Erstes Spannelement
Sich verjüngender Spannbereich
Sich verjüngender Spannbereich
Zweites Spannelement
a Zusatz-Spanner
Zweites Spannelement
a Zusatz-Spanner
Schermittel (einteilige Form)a Schermittel (mehrteilige Form)
Ring-Abschnitt
a Stützabschnitt (Ring-Abschnitt)
sich erweiternde Ausnehmung
Stanzscheibe
a Stanzscheibe
Innen-Öffnung
Scherkante
Erstes Werkstück
Schaftkörper
Schaftende
Zweites Werkstück Schaftbereich
Inaktive Stellung vor Reibschweißvorgang
Bewegung in Axialrichtung des Schaftkörpers
Schaftende
Scherkräfte
Lastpfad
Axialrichtung des Schaftkörpers

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Spann- und Scherwerkzeug für eine
Reibschweißmaschine (10), umfassend einen Satz von ersten Spannelementen (21, 22) zur Aufnahme eines Schaftkörpers (51) eines ersten Werkstücks (50), an dessen Schaftende (2) eine Reibschweißverbindung (14) zu einem zweiten Werkstück (60) anzubringen ist, und ein Schermittel (30, 30a) zur Entfernung eines Schweißwulstes (15) nach einem
Reibschweißvorgang, wobei das Schermittel (30, 30a) in einer inaktiven Stellung (A) vor dem
Reibschweißvorgang zwischen dem Schaftende (52) und den ersten Spannelementen (21, 22) positionierbar und nach dem Reibschweißvorgang unter Abscherung des Schweißwulstes (15) in Axialrichtung (X) des
Schaftkörpers (51) über das Schaftende (52) bewegbar (B) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Spannelemente (21, 22) einen sich in Richtung des Schaftendes (52) im Umfang verjüngenden
Spannbereich (23, 24) aufweisen und dass das
Schermittel (30, 30a) einen zu den ersten
Spannelementen (21, 22) weisenden Ring-Abschnitt (31, 31a) mit einer Ausnehmung (32) aufweist, die sich in Axialrichtung (X) zu den ersten
Spannelementen (21, 22) im Umfang derart erweitert, dass der sich verjüngende Spannbereich (23, 24) in der Ausnehmung (32) anordenbar ist.
2. ) Spann- und Scherwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das
Schermittel (30, 30a) als ringförmige Stanzscheibe (33, 33a) mit einer zur Innen-Öffnung (34) weisenden Scherkante (35) ausgebildet ist, wobei die Innen- Öffnung (34) mit der Außenkontur des Schaftkörpers
(51) korrespondiert.
3. ) Spann- und Scherwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die ringförmige Stanzscheibe (33) einteilig ausgebildet ist mit einer ringförmig geschlossenen Scherkante (35) .
4. ) Spann- und Scherwerkzeug nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ring-Abschnitt (31) Bestandteil der Stanzscheibe (33) ist.
5. ) Spann- und Scherwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schermittel (30a) mehrteilig ausgebildet ist, und insbesondere der Ring-Abschnitt (31) als separater Stützabschnitt (31a) ausgebildet und in Wirkrichtung des Schermittels (30a) hinter einer separaten Stanzscheibe (33a) angeordnet ist. 6.) Spann- und Scherwerkzeug nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Satz von (zweiten) Spannelementen (25, 26) zur
Aufnahme des zweiten Werkstücks (60), das bevorzugt ebenfalls einen Schaftbereich (61) umfasst, wobei die zweiten Spannelemente (25, 26) dazu ausgebildet sind, das zweite Werkstück (61) in Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) neben der Schweißstelle (14) positionieren. Reibschweißmaschine umfassend ein Spann- und
Scherwerkzeug (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
Reibschweißmaschine nach Anspruch 7, wobei die
Reibschweißmaschine (10) dazu ausgebildet ist, ein Verbindungsverfahren mit den folgenden Schritten aus zuführen :
Aufnehmen des ersten Werkstücks (50) zwischen den ersten Spannelementen (21, 22), wobei die sich verjüngenden Spannbereiche (23, 24) in Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) neben der vorgesehenen Schweißstelle (14) angeordnet sind;
Positionieren des Schermittels (30) in
Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) zwischen den ersten Spannelementen (21, 22) und der vorgesehenen Schweißstelle (14), wobei die sich verjüngenden Spannbereiche (23, 24) in die sich erweiternde Ausnehmung (32) an dem
Schermittel (30) eingreifen;
Herstellen einer Reibschweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück (50) und einem zweiten Werkstück (60) unter Bildung eines
Schweißwulstes (15); Bewegen (B) des Schermittels (30) in
Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) über die Schweißstelle (14) unter Abscheren des Schweißwulstes (15).
Reibschweißmaschine nach Anspruch 8, wobei die
Reibschweißmaschine (10) weiterhin dazu ausgebildet ist, das zweite Werkstück (60) durch zweite
Spannelemente (25, 26) in Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) neben der vorgesehenen
Schweißstelle (14) aufzunehmen, insbesondere direkt neben einer erwarteten maximalen Ausdehnung des Schweißwulstes (15). Reibschweißmaschine nach Anspruch 9, wobei die
Reibschweißmaschine (10) weiterhin dazu ausgebildet ist, dass das zweite Werkstück (60) aus den zweiten
Spannelementen (25, 26) erst nach dem Abscheren des Schweißwulstes (15) vollständig freigegeben wird. Herstellungsverfahren zum kombinierten Herstellen einer Reibschweißverbindung (14) und zum Entfernen eines dabei erzeugten Schweißwulstes (15), wobei das
Verfahren mit einem Spann- und Scherwerkzeug (20) und/oder mit einer Reibschweißmaschine (10)
durchgeführt wird, die eine Ausbildung nach einem der vorhergehenden Ansprüche haben, und wobei das Herstellungsverfahren die folgenden Schritte
aufweist : Ein erstes Werkstück (50), an dessen Schaftende (2) eine Reibschweißverbindung (14) zu einem zweiten Werkstück (60) anzubringen ist, wird zwischen zwei ersten Spannelementen (21, 22) aufgenommen, die sich verjüngende Spannbereiche (23, 24) aufweisen, wobei die Spannbereiche (23, 24) neben der vorgesehenen Schweißstelle angeordnet werden;
Ein Schermittel (30, 30a) wird in Axialrichtung (X) des Schaftkörpers zwischen den ersten
Spannelementen und der vorgesehenen
Schweißstelle positioniert, wobei das
Schwermittel (30, 30a) einen zu den ersten Spannelementen (21, 22) weisenden Ring- Abschnitt (31, 31a) mit einer Ausnehmung (32) aufweist, die sich in Axialrichtung (X) zu den ersten Spannelementen (21, 22) im Umfang derart erweitert, dass der sich verjüngende
Spannbereich (23, 24) in der Ausnehmung (32) anordenbar ist, und wobei insbesondere die sich verjüngenden Spannbereiche (23, 24) in die sich erweiternde Ausnehmung eingreifen;
Herstellen einer Reibschweißverbindung (14) zwischen dem ersten Werkstück (50) und dem zweiten Werkstück (60) unter Bildung eines Schweißwulstes (15); Bewegen des Schermittels (30, 30a) in der Axialrichtung (X) über die Schweißstelle hinweg unter Abtrennung des Schweißwulstes (15) durch das Schermittel (30, 30a). 12.) Herstellungsverfahren nach dem vorhergehenden
Anspruch, wobei während der Herstellung der
Reibschweißverbindung (14) die Werkstücke (50, 60) relativ zueinander gedreht und aneinandergepresst werden . 13.) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannbereiche (23, 24) so nahe an der Schweißstelle positioniert werden, dass zwischen der maximal erwarteten Ausdehnung des Schweißwulstes und den Spannelementen (21, 22) gerade genug Platz für die Anordnung des
Schermittels (30, 30a) verbleibt.
14. ) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das erste Werkstück (50) einen Schaftkörper (51) und das zweite Werkstück einen Schaftbereich (61) aufweisen, die insbesondere parallel und in Achsenflucht (koaxial) zur
Schweißachse (13) einer Reibschweißmaschine (10) positioniert werden.
15. ) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Werkstück (50) ein
Ventilverschlusskörper ist und das zweite Werkstück ein Ventilstab ist.
16.) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaftbereich (51) des ersten Werkstücks (50) durch eine Innen-Öffnung (34) des Schermittels (30, 30a) geführt ist, insbesondere durch eine Innen-Öffnung (34) einer ringförmigen
Stanzscheibe (33) .
17.) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schermittel (30, 30a) an der Innen-Öffnung (34) eine Scherkante (35) aufweist, die bei der Bewegung des Schwermittels (30, 30a) entlang der Schweißachse (13) bzw. entlang der
Längsachse (X) des Schaftbereichs (51) den in
Radialrichtung überstehenden Teil de Schweißwulstes (15) abtrennt. 18.) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Werkstück (60) vor oder während des Reibschweißvorgangs durch zweite
Spannelemente (25, 26) aufgenommen und positioniert ist, und wobei Zusatz-Spanner (25a, 26a) zur
Aufnahme des zweiten Werkstücks (60) vorgesehen sind, die in der Axialrichtung (X) zwischen den zweiten Spannelementen (25, 26) und der
Schweißstelle angeordnet werden, insbesondere derart, dass die Zusatz-Spanner (25a, 26a) neben der zu erwartenden maximalen Ausdehnung des
Schweißwulstes (15) an dem zweiten Werkstück (60) angreifen .
19.) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Reibschweißvorgang
zunächst nur die Zusatz-Spanner (25a, 26a) von dem zweiten Werkstück (60) entfernt werden, während die zweiten Spannelemente (25, 26) im Eingriff bleiben, sodass durch die Wegnahme der Zusatz-Spanner (25a, 26a) ein Bewegungsraum für das Schermittel (30, 30a) in Richtung zu den zweiten Spannelementen (25, 26) freigegeben ist. 20.) Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Werkstück (60) vor oder während des Reibschweißvorgangs durch zweite
Spannelemente (25, 26) aufgenommen und positioniert ist, und wobei die zweiten Spannelemente (25, 26) das zweite Werkstück (60) vor dem Abscheren des
Schweißwulstes (15) freigeben; ODER wobei
die zweiten Spannelemente (25, 26) während des Reibschweißvorgangs nahe der Schweißstelle positioniert sind, insbesondere derart, dass die zweiten Spannelemente (25, 26) neben der zu erwartenden maximalen Ausdehnung des
Schweißwulstes (15) an dem zweiten Werkstück (60) angreifen, und wobei die zweiten
Spannelemente (25, 26) unter Freigabe des Werkstücks (60) nach außen versetzt werden, sodass genug Freiraum für die Bewegung des Schermittels (30) geschaffen wird, und die zweiten Spannelemente (25, 26) für das
Abscheren des Schweißwulstes (15) wieder in Eingriff gebracht werden.
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