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Die
Erfindung betrifft einen Schwingschweißkopf zum Zirkularreibschweißen von
unsymmetrischen oder symmetrischen Bauteilen aus Kunststoff oder
Metall, bei dem die eingangsseitige, steuerbare Rotationsbewegung
eines Antriebsmotors mit dem Exzenterzapfen einer Steuerexzenterwelle,
welche innerhalb einer exzentrischen Längsbohrung in einer motorgetriebenen
Hohlspindel steuerwinkeleinstellbar, drehbar gelagert ist, in eine
Zirkularschwingbewegung der parallel geführten Schwingplatte des Schwingschweißkopfes
umgewandelt wird, wobei die Exzentrizität der Längsbohrung der Hohlspindel
und die Exzentrizität
des Exzenterzapfens der Steuerexzenterwelle das gleiche Maß aufweisen.
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Schwingschweißköpfe zum
Reibschweißen sind
im Stand der Technik hinreichend bekannt. So beschreibt die DE-PS
44 36 857 einen Schwingschweißkopf
zum Reibschweißfügen oder
Entgraten technischer Bauteile, Rohre oder Profile, mit dem technische
Bauteile mit einer beliebigen Kontur der zu verschweißenden Flächen miteinander
verbunden werden, die Schwingweite mit einfachen Mitteln eingestellt
und nach der Erwärmung
eine exakte Zuordnung der zu verbindenden Bauteile sichergestellt werden
können.
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Hierbei
wird mit einer Steuerexzenterwelle innerhalb der exzentrischen Längsbohrung
einer motorgetriebenen Hohlspindel die eingangsseitige Rotationsenergie
in eine zirkulare, parallel geführte
Bewegungsenergie umgesetzt, indem an jedem Punkt der Schwingplatte
die zirkulare Bewegung entsprechend der mit einem Steueranschlag
fest eingestellten Schwingweite kreisförmig und gleich ist und bei
Antrieb-Ein die Schwingweite aus der zentrischen Mittellage automatisch
in die eingestellte Schwingweite aussteuert sowie bei Antrieb-Aus
diese wieder automatisch in die zentrische Mittellage umgesteuert wird,
wobei die während
des Reibschweißvorganges erwärmten Teile
in extrem kurzer Zeit ihre genaue Position zueinander wieder erhalten.
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Dabei
werden vor dem Reibschweißprozess die
zu verschweißenden
Bauteile miteinander fluchtend in die Werkstückaufnahmen eingelegt. Das
an dem schwingschweißkopfseitig
eingelegte Bauteil wird zur Herstellung der Schweißverbindung
anschließend
unter Reibdruck auf dem Bauteil im feststehenden Unterwerkzeug so
lange zirkular bewegt, bis die zu verschweißenden Flächen auf Schweißtemperatur
aufgeheizt sind. Anschließend
wird das bewegte Bauteil zwangsgeführt in die mit dem ortsfesten
Bauteil fluchtende Ausgangslage gebracht und somit eine mechanische
Störung
während
der Kristallisationsphase der Schmelze in der Schweißnaht vermieden.
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Der
im Stand der Technik beschriebene Schwingschweißkopf ist mit seiner fest einstellbaren Schwingweite
mittels eines Steueranschlages sehr gut für große Losgrößen bzw. für eine Massenfertigung geeignet,
da alle Material- und Schweißparameter über die
gesamte Fertigung konstant bleiben.
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Der
Nachteil des beschriebenen Schwingschweißkopfes besteht darin, dass
die Größe der Schwingweite über den
gesamten Reibschweißprozess
nicht variabel gestaltet und somit auf eine Optimierung des Schweißfaktors
hinsichtlich der Stabilität
in der Schweißnaht
kein Einfluss genommen werden kann.
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
einen Schwingschweißkopf
zum Zirkularreibschweißen
zu entwickeln, mit dem auch die Schwingweite der Schwingplatte über den
gesamten Reibschweißprozess
gesteuert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale
gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass der Antrieb der Hohlspindel mit dem achsparallel zu ihr angeordneten
drehzahlsteuerbaren Motor und die Steuerwinkeleinstellung bzw. Steuerwinkelverstellung
mit dem axial angeordneten regelbaren Steuerantrieb voneinander
unabhängig
erfolgen kann, so dass durch Änderung
der Schwingweite bzw. der Schwingfrequenz innerhalb des Reibschweißprozesses
der Schweißfaktor
bei minimalen Schmelzeaustrieb optimiert werden kann.
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Mit
der einfachen Eingabe der Sollwerte Reibdruck, Schwingweite und
Schwingfrequenz besteht weiterhin die Möglichkeit, einer schnellen
und problemlosen Versuchsdurchführung
zur Ermittlung der optimalen Schweißparameter sowie eines schnellen
Umrüstens
der Reibschweißmaschine
und somit auch deren effektiver Einsatz bei Klein- und Mittelserien.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis
8 angegeben.
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Die
Weiterbildung nach dem Patentanspruch 2 ermöglicht eine schlupffreie Übertragung
der Rotationsbewegung des drehzahlsteuerbaren Motors auf die Hohlspindel.
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Die
Weiterbildung nach dem Patentanspruch 3 ermöglicht die Angleichung der
hohen Motordrehzahl des drehzahlsteuerbaren Motors auf den Drehzahlbereich
der Hohlspindel und somit auf den Schwingfrequenzbereich der Schwingplatte.
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Die
Weiterbildung nach dem Patentanspruch 4 ermöglicht die Änderung der Schwingweite mittels Phasenverschiebung zwischen
dem drehzahlsteuerbaren Motor und dem zu diesem synchron laufenden Motor
des Steuerantriebes.
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Die
Weiterbildungen der Patentansprüche
5, 7, 8 ermöglichen
die Änderung
der Schwingweite über
eine Steilgewindespindel innerhalb einer Steilgewindemutter, deren
axiale Verschiebung über
eine Lagerbuchse mit einem Schrittmotor erfolgt.
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Die
Weiterbildung nach den Patentansprüchen 6, 7, 8 ermöglichen
die Änderung
der Schwingweite über
eine Steilgewindespindel innerhalb einer Steilgewindemutter, deren
axiale Verschiebung über eine
Lagerbuchse mit einem pneumatischen Verstellzylinder erfolgt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
beschrieben.
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Es
zeigen
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1 eine
Schnittdarstellung des Schwingschweißkopfes mit einem achsparallelen
Hohlspindelantrieb und einem axial angeordneten Steuerantrieb, der
einen Steuermotor aufweist
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2 die
Teilschnitte des Schwingschweißkopfes
mit einem achsparallelen Hohlspindelantrieb und einem axial angeordneten
Steuerantrieb, der einen pneumatischer Verstellzylinder (links)
und einen Schrittmotor (rechts) aufweist
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3 die
vereinfachte Schnittdarstellung des Schwingschweißkopfes
mit einem achsparallelen Hohlspindelantrieb und einem achsparallelen Steuerantrieb,
der einen pneumatischen Verstellzylinder oder einen Schrittmotor
aufweist
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Der
in 1 dargestellte Schwingschweiß kopf zeigt die achsparallele
Anordnung des drehzahlsteuerbaren Motors 1 und des Steuermotors 9 oberhalb
des Gehäusegrundkörpers 24,
die untereinander über
eine elektrische Welle mit einer einstellbaren Phasenverschiebung
verbunden sind.
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Bei
ihm wird die Drehbewegung der Motorwelle des drehzahlsteuerbaren
Motors 1 über
die formschlüssig
mit ihr verbundene Motor-Zahnriemenscheibe 4, einen Zahnriemen 5 und
der Hohlspindel-Zahnriemenscheibe 6 auf die Hohlspindel 3 schlupffrei übertragen,
die mit einem Führungslager 26 in
einer Lagerbuchse 25 innerhalb des Gehäusegrundkörpers 24 drehbar gelagert
ist wobei das gewünschte
Untersetzungsverhältnis
zur Drehzahl-Frequenzabstimmung konstruktiv einfach und kostengünstig mit
den Größenverhältnissen
der Zahnriemenscheiben realisiert wird.
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Die
Motorwelle des Steuermotors 9 überträgt die Drehbewegung über eine
Wellenkupplung 8, einen Triebzapfen 29, der lagernd
in der Lagerbuchse 27 der Hohlspindel-Zahnriemenscheibe 6 gehalten ist,
auf die Steuerexzenterwelle 2, die in einer Lagerbuchse 28 innerhalb
der Hohlspindel 3 gelagert ist.
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Zum
Ausgleich des parallelen Achsversatzes zwischen der innerhalb der
exzentrischen Längsbohrung
der Hohlspindel 3 drehbar gelagerten Steuerexzenterwelle 2 und
dem Triebzapfen 29, sind beide Bauelemente über eine
Kreuzkupplung 7 miteinander verbunden.
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Nach
dem Einlegen der zu verschweißenden Bauteile
in die Werkstückaufnahmen
werden diese mit dem Schwingradius „Null" zueinander ausgerichtet. Mit dem Start
der beiden Antriebsmotore wird der Steuermotor 9 gegenüber dem
drehzahlsteuerbaren Motor 1 positiv phasenverschoben in
einem Phasenverschiebungswinkel zwischen φ0 =
0° und φmax = 180° hochgefahren.
Nach dem Erreichen der gewünschten
Phasenverschiebung laufen beide Antriebsmotore über die elektrische Welle synchron weiter.
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Der
phasenverschobene Hochlauf des Steuermotors 9 gegenüber dem
drehzahlsteuerbaren Motors 1 bewirkt ein Verdrehen der Steuerexzenterwelle 2 innerhalb
der Hohlspindel 3 und somit ein Verschieben des Exzenterzapfens
aus seiner zentrischen Mittellage in die gewünschte Exzentrizität, die auch
der zirkularen Schwingweite der Schwingplatte beim Reibschweißen entspricht.
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Beim
Zirkularreibschweißvorgang
wird hierbei das schwingschweißkopfseitig
eingelegte Bauteil solange auf dem Bauteil im feststehenden Unterwerkzeug
zirkular und unter Reibdruck bewegt, bis die zu verschweißenden Flächen auf
Schweißtemperatur
aufgeheizt sind und eine Schweißnaht
bilden.
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Nach
dem Schweißen
wird der Steuermotor 9 gegenüber dem drehzahlsteuerbaren
Motor 1 negativ phasenverschoben auf den Phasenverschiebungswinkel φ0 = 0° zurückgefahren.
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Das
phasenverschobene Zurückfahren
des Steuermotors 9 gegenüber dem drehzahlsteuerbaren
Motor 1 bewirkt das Zurückdrehen
der Steuerexzenterwelle 2 innerhalb der Hohlspindel 3 und
somit das Verschieben des Exzenterzapfens aus seiner exzentrischen
Lage in die zentrische Mittellage. Hierbei wird das bewegte Bauteil
in einer sehr kurzen Zeitspanne in die mit dem ortsfesten Bauteil
fluchtende Ausgangslage gebracht, und somit eine mechanische Störung während der
Kristallisationsphase der Schmelze vermieden. Auch können beide
Antriebe gleichzeitig gestoppt werden, wobei aber der Steuermotor 9 innerhalb
der Stopphase auf den Phasenverschiebungswinkel φ0 =
0° zurückgefahren
werden muss.
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Die
in 2 dargestellten Teilschnitte des Schwingschweißkopfes
zeigen ebenfalls die achsparallele Anordnung des drehzahlsteuerbaren
Motors 1 zum Antrieb der Hohlspindel 3 und des
regelbaren Steuerantriebes der Steuerexzenterwelle 2 oberhalb der
Aufnahmebuchse 23, die in fester Verbindung mit der zentralen
Lagerbuchse 21 und dem Gehäusegrundkörper 24 das Gehäuse des
Schwingschweißkopfes
bilden.
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Auch
hier wird die Drehbewegung der Motorwelle des drehzahlsteuerbaren
Motors 1 über
die Motor-Zahnriemenscheibe 4,
dem Zahnriemen 5 und der Hohlspindel-Zahnriemenscheibe 6 auf die
Hohlspindel 3 übertragen,
die ebenfalls mit einem Führungslager 26 in
einer Lagerbuchse 25 innerhalb des Gehäusegrundkörpers 24 drehbar gelagert
ist.
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Der
Steuerantrieb, ausgebildet als Schrittmotor 11 (2,
rechts), bewirkt über
seine Rotorspindel 19 eine axiale Bewegung der Mutter 18 sowie der
mit ihr verbundenen Lagerbuchse 16. Innerhalb dieser Lagerbuchse 16 ist
eine Steilgewindemutter 13 über ein Axial-Rollenlager 15 drehbar
angeordnet und mit einem Haltering 30 in dieser axial gehalten. Der
Außenzylinder
der Steilgewindemutter 13 ist über eine Passfeder 20 in
einer Schiebemuffe 14, die einerseits mit der Hohlspindel-Zahnriemenscheibe 6 verbunden
und andererseits mit einem Stützlager 22 innerhalb
der Aufnahmebuchse 23 gelagert ist, gleitend gelagert.
Die Steilgewindemutter 13 nimmt eine Steilgewindespindel 12 auf,
deren zylindrischer Bund als Triebzapfen 29 ausgebildet
in der Lagerbuchse 27 der Hohlspindel-Zahnriemenscheibe 6 lagert
und mit der Steuerexzenterwelle 2 über eine Kreuzkupplung 7 verbunden
ist. Bei der Schwingposition „Null" (zentrische Lage
des Exzenterzapfens der Steuerexzenterwelle 2 zur Hohlspindel 3)
nimmt die Steilgewindespindel 12 zu der Steilgewindemutter 13 eine definierte
Winkelstellung bzw. eine definierte Einschraubtiefe „Null-Position" ein.
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Mit
dem Start des drehzahlsteuerbaren Motors 1 wird dessen
Drehbewegung über
den Zahnriemen 5 auf die Hohlspindel-Zahnriemenscheibe 6 übertragen.
Diese überträgt die Drehbewegung
einerseits auf die Hohlspindel 3 und andererseits über die
Schiebemuffe 14, die Passfeder 20, die Steilgewindemutter 13,
die Steilgewindespindel 12, den Triebzapfen 29 und
die Kreuzkupplung 7 auf die Steuerexzenterwelle 2,
so dass die Hohlspindel 3 und die Steuerexzenterwelle 2 bei „Null-Position" in der Schwingposition „Null" synchron miteinander
laufen.
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Das
Verdrehen der Steuerexzenterwelle 2 innerhalb der Hohlspindel 3 und
somit ein Verschieben des Exzenterzapfens aus seiner zentrischen
Mittellage in die gewünschte
Exzentrizität
wird dadurch erreicht, das der Schrittmotor 11 über seine
Rotorspindel 19 die Lagerbuchse 16 und der mit
ihr drehbar verbundenen Steilgewindemutter 13 axial verschiebt, so
dass sich die Steilgewindespindel 12 innerhalb der Steigung
der Steilgewindemutter 13 verdreht. Nach dem Reibschweißprozess
steuert der Schrittmotor 11 die Steilgewindemutter 13 in
ihre axiale Ausgangslage zurück,
so dass der Exzenterzapfen der Steuerexzenterwelle 2 über die
Steilgewindespindel 12 in seine zentrische Mittellage zurückfährt.
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2,
links zeigt den Teilschnitt eines Schwingschweißkopfes, bei dem der Steuerantrieb als
pneumatischer Verstellzylinder 10 ausgebildet ist. Dieser
pneumatische Verstellzylinder bewegt über seine Kolbenstange 17 die
Lagerbuchse 16 und steuert auf die gleiche Weise wie der
Schrittmotor 11 den Schwingradius des Exzenterzapfens.
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Der
Erfindungsgedanke räumt
auch die Möglichkeit
ein, den Schwingschweißkopf
konstruktiv so zu gestalten, dass die Schwingweite des Exzenterzapfens
achsparallel zur Steuerexzenterwelle 2 geregelt werden
kann.
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Der
in 3 dargestellte Schwingschweißkopf besitzt den gleichen,
bereits beschriebenen Aufbau der gelagerten Hohlspindel 3 und
der in ihr drehbar angeordneten Steuerexzenterwelle 2 innerhalb des
Gehäusegrundkörpers 24.
Achsparallel zu dieser Hohlspindel 3 ist auf dem Gehäusegrundkörper 24 der
drehzahlsteuerbare Motor 1 angeordnet, dessen Motorwelle
mit der Steilgewindespindel 12 in Verbindung steht. Wie
in 2 detailliert dargestellt, nimmt die Steilgewindespindel 12 die
Steilgewindemutter 13 auf, welche in der Schiebemuffe 14 mit
einer Passfeder 20 radial fixiert und horizontal gleitend
gelagert ist. Diese Schiebemuffe 14 ist einerseits mit der
Motor-Zahnriemenscheibe 4 verbunden
uns andererseits über
das Stützlager 22 in
der zentralen Lagerbuchse 21 gelagert. Zur axialen Verstellung
der Steilgewindemutter 13 ist unterhalb der zentralen Lagerbuchse 21 ein
pneumatischer Verstellzylinder 10 bzw. ein Schrittmotor 11,
die drehbar über
das Axial-Radiallager 15 innerhalb der Lagerbuchse 16 zu dieser
angeordnet sind. Oberhalb der Motor-Zahnriemenscheibe 4 ist eine
Steuer-Zahnriemenscheibe 31 fest mit der Motorwelle des
drehzahlsteuerbaren Motor 1 verbunden.
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Mit
dem Start des drehzahlsteuerbaren Motor 1 wird dessen Drehbewegung über die
Steuer-Zahnriemenscheibe 31, dem Steuer-Zahnriemen 32,
der Triebzapfen-Zahnriemenscheibe 33, dem Triebzapfen 29,
der oberhalb des Gehäusegrundkörpers 24 in
einem Führungslager 34 gelagert
ist und der Kreuzkupplung 7 auf die Steuerexzenterwelle 2 übertragen.
Gleichzeitig wird über
das Steilgewinde der Steilgewindespindel 12, der Steilgewindemutter 13,
der Schiebemuffe 14, der mit ihr verbundenen Motor-Zahnriemenscheibe 4,
dem Zahnriemen 5, der Hohlspindel-Zahnriemenscheibe 6 und der
mit ihr verbundenen Hohlwelle 3 angetrieben. Das Verdrehen
der Steuerexzenterwelle 2 innerhalb der Hohlspindel 3 und
somit ein Verschieben des Exzenterzapfens aus seiner zentrischen
Mittellage in die gewünschte
Exzentrizität
wird dadurch erreicht, das der pneumatische Verstellzylinder 10 bzw.
der Schrittmotor 11 die zu ihnen drehbar angeordnete Steilgewindemutter 13 innerhalb
der Schiebemutter 14 axial verschiebt, so dass sich die
Steilgewindespindel 12 innerhalb der Steigung der Steilgewindemutter 13 verdreht.
Somit bewegt sich die Hohlspindel 3 relativ zur Steuerexzenterwelle 2 und
bestimmt das Verschieben des Exzenterzapfens in seine gewünschte Exzentrizität bzw. seiner
zentrischen Mittellage.
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Bei
den beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen des Schwingschweißkopfes
besteht die Möglichkeit
der Aufrüstung
der Reibschweißmaschine
dahingehend, dass zur Optimierung des Reibschweißprozesses die erforderlichen
Schweißparameter
(Reibdruck, Schwingweite und Schwingfrequenz) in Laborversuchen
per Hand ermittelt werden können.
Das Teachen dieser optimalen Schweißparameter auf einen Prozessor
und deren Speicherung ermöglicht
somit ein schnelles Umrüsten
der Reibschweißmaschine.
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- 1
- drehzahlsteuerbarer
Motor
- 2
- Steuerexzenterwelle
- 3
- Hohlspindel
- 4
- Motor-Zahnriemenscheibe
- 5
- Zahnriemen
- 6
- Hohlspindel-Zahnriemenscheibe
- 7
- Kreuzkupplung
- 8
- Wellenkupplung
- 9
- Steuermotor
- 10
- pneumatischer
Verstellzylinder
- 11
- Schrittmotor
- 12
- Steilgewindespindel
- 13
- Steilgewindemutter
- 14
- Schiebemuffe
- 15
- Axial-Radiallager
- 16
- Lagerbuchse
- 17
- Kolbenstange
- 18
- Mutter
- 19
- Rotorspindel
- 20
- Passfeder
- 21
- zentrale
Lagerbuchse
- 22
- Stützlager
- 23
- Aufnahmebuchse
- 24
- Gehäusegrundkörper
- 25
- Lagerbuchse
- 26
- Führungslager
- 27
- Lagerbuchse
- 28
- Lagerbuchse
- 29
- Triebzapfen
- 30
- Haltering
- 31
- Motor-Zahnriemenscheibe
- 32
- Triebzapfen-Zahnriemen
- 33
- Triebzapfen-Zahnriemenscheibe
- 34
- Führungslager