DE102009015209A1

DE102009015209A1 - Bogenmaßreibschweißgerät und Bogenmaßreibschweißverfahren

Info

Publication number: DE102009015209A1
Application number: DE102009015209A
Authority: DE
Inventors: Willi Fischer; Michael Fischer
Original assignee: Fischer Kunststoff- Schweißtechnik GmbH; FISCHER KUNSTSTOFF SCHWEISTECH
Current assignee: Fischer Kunststoff- Schweißtechnik GmbH; FISCHER KUNSTSTOFF SCHWEISTECH
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: DE102009015209B4

Abstract

Bisherige Reibschweißgeräte sind aufgrund der Art und Weise der Erzeugung der Schwingbewegung nicht dafür geeignet, Anschweißteile in hoher Fügequalität mit einem Werkstück zu verbinden, ohne dass dabei das Anschweißteil während des Reibvorgangs aus einer durch das Werkstück und/oder Anschweißteil definierten Mittellage bewegt wird. Die Erfindung betrifft einen Reibschweißkopf bzw. Reibschweißverfahren, bei dem die zur Erzielung der Fügetemperatur notwendige Reibung dadurch erzeugt wird, dass das auf dem feststehenden Werkstück aufliegende Anschweißteil einer Teilkreisschwingung in Höhe eines vorher festgelegten Bogenmaßes ausgesetzt wird. Das Bogenmaßreibschweißverfahren bzw. der Bogenmaßreibschweißkopf eignet sich besonders dann, wenn eine hohe Qualität der Fügeverbindung gefordert ist und gleichzeitig das Anschweißteil aufgrund der vorherrschenden Rahmenbedingungen während des Reibschweißvorgangs nicht aus einer durch das Werkstück und/oder Anschweißteil definierten Mittellage bewegt werden darf oder kann.

Description

Bogenmaßreibschweißkopf und Bogenmaßreibschweißverfahren
für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften:
DE 10 2004 016 613 B4
DE 44 36 857 A1
Die Erfindung betrifft ein Reibschweißgerät bzw. ein Reibschweißverfahren, das so konzipiert ist, dass die Erwärmung der zu verbindenden Bauteile dadurch erreicht wird, dass das Anschweißteil gegenüber dem Werkstück, mit dem es verbunden werden soll, einer um einen definierten Drehpunkt schwingenden Bewegung im Umfang eines vorher festgelegten Bogenmaßes ausgesetzt wird.
Stand der Technik:
Das Verfahren des Reib- oder Vibrationsschweißen ist seit den 60er Jahren in der Fertigungstechnik verbreitet. Beim Reibschweißen wird das im Reibschweißkopf fixierte Anschweißteil auf das im Reibschweißgerät eingespannte Werkstück aufgesetzt. Durch Schwingungen des Reibschweißkopfes relativ zum Werkstück werden beide Fügestellen erwärmt. Anschließend werden beide Teile in plastifiziertem Zustand zusammen gedrückt und miteinander verschweißt.
Man unterscheidet verschiedene Verfahren des Reibschweißens. Beim Rotationsreibschweißen wird das Anschweißteil einer um die eigene Achse drehenden Bewegung ausgesetzt. Es kommen daher ausschließlich Anschweißteile mit rotationssymmetrischer Schweißfläche in Frage. Das Rotationsschweißen ist nicht möglich, wenn die Rotationsbewegung einschränkende Störkonturen und/oder eine abgesetzte Schweißebene vorhanden sind. Eine definierte Winkellage des rotationssymmetrischen Anschweißteils relativ zur Lage des Werkstücks nach dem Schweißvorgang kann nur mit regeltechnischem Mehraufwand gewährleistet werden. Durch den Rotationsvorgang wird zudem die Schmelze immer wieder zerrissen. Es besteht die Gefahr der Ratterneigung, was wiederum später zu Inhomogenitäten bzw. Undichtigkeiten an der Fügestelle führen kann.
Beim Linearreibschweißen wird das Anschweißteil entlang einer Achse parallel zur Werkstückoberfläche hin und her bewegt; es können hierbei auch nichtrotationssymmetrische Anschweißteile mit einem Werkstück verbunden werden. Dagegen wird das Anschweißteil beim Zirkular- oder Orbitalreibschweißen, wie beispielsweise in DE 44 36 857 A1 und DE 10 2004 016 613 beschrieben, ähnlich wie bei einem Schwingschleifer durch eine Exzenterbewegung in kreisförmiger oder kreisähnlicher Bewegung um die Fügestelle bewegt. Die letztgenannten Verfahren schließen Anwendungen aus, in denen das Anschweißteil während des Reibschweißvorgangs aufgrund seiner Bauform oder den gegebenen Fügebedingungen nicht aus seiner Mittellage bewegt werden darf oder kann.
Es gibt vielfältige Anwendungsfälle, bei denen Anschweißteile während des Reibschweißvorgangs nicht aus einer von der Geometrie des Anschweißteils und/oder Werkstücks bestimmten Mittellage bewegt werden können und bei denen zusätzlich eine hohe Güte der Fügeverbindung gefordert ist (z. B.: Motordeckel mit spielfreiem Wellendurchlass). Gleiche Anforderungen gelten, wenn ein Anschweißteil mit zumindest teilrotationssymmetrischer Anschweißfläche spielfrei in eine zylindrische Vertiefung des Werkstücks verschweißt werden soll. Eine Versenkung des Anschweißteils im Werkstück ist besonders dann sinnvoll, wenn man den kritischen Querschnitt des Anschweißteils an der Fügestelle verstärken möchte, um im späteren Belastungsfall die auftretenden Biegemomente auffangen zu können (z. B. bei Befestigungshaken).
Kommt aufgrund der gegebenen Rahmenbedingungen oder Anforderungen das Rotationsreibschweißen nicht in Betracht, so sind alle weiteren oben beschriebenen Reibschweißgeräte und -verfahren aufgrund ihrer jeweils spezifischen Art der Schwingungserzeugung nicht in der Lage ein Anschweißteil mit einem Werkstück zu verbinden, ohne es dabei aus einer vorher definierten Mittellage zu bewegen.
Aufgabenstellung
Vor diesem Hintergrund liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Reibschweißgerät bzw. ein Reibschweißverfahren zu entwickeln, bei welchen Anschweißteile durch eine wechselnde, in einem vorher festgelegten Bogenmaß um einen durch die Geometrie des Werkstücks und/oder des Anschweißteils definierten Mittelpunkt drehende Bewegung bis zur Fügetemperatur erwärmt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Bogenmaßschwingbewegung dadurch erzeugt wird, dass eine in Ihrer Exzentrizität verstellbare Antriebswelle über ein geeignetes mechanisches System so mit dem drehbar gelagerten Reibschweißkopf verbunden ist, dass das Maß der Exzentrizität über eine Übersetzungsmechanik als hin- und her schwingende Teilkreisbewegung auf den Reibschweißkopf übertragen wird.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Antriebswelle so konzipiert, dass die eingangsseitige Rotationsbewegung über zwei ineinander gelagerten Exzenterwellen mit jeweils gleichem Exzentermaß übertragen wird. Beide Exzenterwellen sind dabei so ineinander gelagert, dass sie sich, begrenzt durch entsprechende Anschläge, um bis zu 180° gegeneinander verdrehen lassen. In 0°-Lage heben sich die Exzenterausschläge gegenseitig auf und die eingangsseitige Rotationsbewegung wird nicht verändert, während in der 180°-Lage sich beide Exzenterausschläge addieren und die Rotationsbewegung in die gewünschte Exzenterbewegung umgesetzt wird. Die Verdrehung beider Exzenterwellen zueinander erfolgt durch das beim Einschalten des Motors auftretende Massenträgheitsmoment, so dass direkt nach Einschalten des Motors die gewünschte Exzenterauslenkung auftritt und diese beim Abschalten des Antriebs wiederum durch die Massenträgheit in eine rein rotierende Bewegung zurückversetzt wird. Dies hat zur Folge, dass beim Auslaufen des Motors keine Schwingbewegung des Reibschweißkopfes mehr auftritt wird und der Reibschweißkopf und damit auch das Anschweißteil vor dem Fügevorgang in vorher festgelegter Winkellage exakt zum Werkstück positioniert sind.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die im Reibschweißkopf erzeugte Bewegung nicht nur zum Reibschweißen sondern zusätzlich oder alternativ auch für weitere Bearbeitungsverfahren genutzt. Hierzu besitzt der Reibschweißkopf eine flexible oder wechselbare Haltevorrichtung, die entweder das Anschweißteil oder nach Bedarf auch das für das jeweilige Fertigungsverfahren benötigte Werkzeug aufnimmt. Bei eingeschalteter Schwingbewegung des Reibschweißkopfes kann dieser mit den jeweiligen Werkzeugen ausgestattet für Fräs- und Entgratarbeiten sowie zum Vernieten von Bauteilen genutzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird der Bogenmaßreibschweißkopf als mobiles Gerät konzipiert, welches über eine geeignete lösbare Koppelungsmöglichkeit zum Werkstück verfügt, mit dessen Hilfe es während des Reibschweißvorgangs vorübergehend mit dem Werkstück verbunden wird.
Der Antriebsmotor des Reibschweißkopfes ist in einer weiteren Variante in seiner Leistung regelbar, wobei in einer bevorzugten Ausführung die Regelung der Motorleistung zur Sicherstellung einer hochwertigen Schweißverbindung durch Rückkoppelung mit einer das Drehmoment an der Schweißstelle ermittelnden Messeinrichtung erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung besitzt der Reibschweißkopf eine Verstellmöglichkeit für den Grad der räumlichen Auslenkung (Bogenmaß) des Anschweißteils gegenüber dem Werkstück.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist zur Regelung des Anpressdrucks am Reibschweißkopf ein Kraftsensor angebracht, der mit der Steuerung der Vorschubeinrichtung gekoppelt ist, die die Zustellbewegung des Reibschweißkopfes in Fügerichtung zum Werkstück regelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird der Reibschweißkopf auch zum Überprüfen der Festigkeit einer Schweißverbindung eingesetzt, indem das bereits ans Werkstück angeschweißte und im Reibschweißkopf fest gespannte Anschweißteil mit reduziertem Drehmoment der Bogenmaßschwingbewegung ausgesetzt wird und anhand der möglichen Auslenkung die Qualität der Fügeverbindung bestimmt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung besitzt der Reibschweißkopf mehrere Abtriebswellen, die jeweils mindestens eine Haltevorrichtung für ein Anschweißteil aufweisen und deren Schwingbewegungen über ein mechanisches System so miteinander gekoppelt sind, dass mit einem Reibschweißkopf in einem Arbeitsgang mehrere Fügevorgänge parallel durchgeführt werden können.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung in 1 zeigt die Abtriebsseite bzw. Untersicht eines Reibschweißkopfes zum Erzeugen einer Bogenmaßschwingung. Der in 1 dargestellte Reibschweißkopf (1) besteht aus einem Gehäusemodul (2), zwei darin gelagerten, die Bogenmaßschwingung ausführenden Abtriebswellen (3) und (4), einer im Gehäusemodul (2) gelagerten, exzentrischen Antriebswelle (5), auf der eine weitere exzentrische Welle mit gleichem Exzentermaß (6) und hierauf wiederum eine Zahnriemenscheibe (7) drehbar gelagert ist, die mittels eines Zahnriemens (8) die Exzenterbewegung über zwei mit den Abtriebswellen (3) und (4) verdrehsicher verbundene Zahnriemenscheiben (9) und (10) als Bogenmaßschwingbewegung auf das in einer Klemmvorrichtung (11) befestigte Anschweißteil (12) übertragen.
Die Exzenterwellen (5) und (6) sind so über ein Anschlagsystem (13) gekoppelt, dass sie sich um bis zu 180° gegeneinander verdrehen lassen. In 0°-Lage heben sich die Exzenterausschläge gegenseitig auf und die eingangsseitige Rotationsbewegung wird nicht verändert, während in der 180°-Lage sich beide Exzenterausschläge addieren und die Rotationsbewegung in die gewünschte Exzenterbewegung umgesetzt wird. Die Enden des Zahnriemens (8) sind jeweils in Klemmhalterungen (14) und (15) fest mit dem Gehäusemodul (2) verbunden. Über eine in ihrem Abstand zur Antriebswelle verstell- und fixierbare freilaufende Zahnriemenscheibe (16) wird der Zahnriemen (8) gespannt.
Beim Einschalten des nicht im Bild sichtbaren Antriebsmotors verdreht sich durch das Massenträgheitsgesetz die Exzenterwelle (6) gegenüber der ebenfalls exzentrisch gelagerten Antriebswelle (5) je nach Einstellung des Anschlages (13) um bis zu 180 Grad und führt dazu, dass die eingangsseitige Rotationsbewegung in eine Exzenterbewegung umgesetzt wird. Diese wird über die auf der Exzenterwelle (6) drehbar gelagerte Riemenscheibe (7) auf den Zahnriemen (8) und von dort über die Zahnriemenscheibe (9) auf die mit dieser verdrehsicher verbundene Abtriebswelle (3) übertragen. Sie führt dazu, dass die Abtriebswelle (3) und damit auch das in der Haltevorrichtung (11) festgeklemmte Anschweißteil (12) in Höhe des durch den Exzenterausschlag vorgegebenen Bogenmaßes hin und her schwingen. Beim Ausschalten des Antriebsmotors und Unterschreiten der Mindestdrehzahl werden die Ezenterwellen (5) und (6) durch den Trägheitsimpuls wieder zueinander in die Nulllage zurück versetzt mit der Folge, dass statt der vorherigen Exzenterbewegung wiederum eine reine Rotationsbewegung erzeugt und die Schwingbewegung der Abtriebswelle (3) damit gestoppt wird.
Durch die Bogenmaßschwingbewegung wird das auf dem feststehenden (nicht im Bild sichtbaren) Werkstück aufliegende Anschweißteil (12) bis zur Fügetemperatur erwärmt. Der anschließende Fügevorgang erfolgt analog der bekannten Verfahren der Reibschweißtechnik, indem Anschweißteil und Werkstück in plastisch verformbarem Zustand zusammen gedrückt werden.
Um die durch das Überkreuzen bedingte Verschränkung des Zahnriemens (8) zu vermeiden, kann dieser auch aus zwei Zahnriemenabschnitten zusammengesetzt werden, die im Eingreifbereich der Riemenscheibe (10) teilweise parallel nebeneinander geführt werden und deren Enden durch eine geeignete Koppelungsmaßnahme so auf der Zahnriemenscheibe (10) montiert oder anderweitig so mit ihr verbunden sind, dass sichergestellt ist, dass die Zahnflanken von Zahnriemen und Zahnriemenscheibe während der Schwingbewegung jederzeit ineinander greifen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004016613 B4 [0001]
- DE 4436857 A1 [0001, 0005]
- DE 102004016613 [0005]

Claims

Reibschweißkopf mit der verfahrensüblichen Ausstattung, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Reibschweißvorgang notwendige Fügetemperatur über eine Bogenmaßschwingung des Anschweißteils um einen definierten Drehpunkt erzeugt wird
Reibschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitige Rotationsbewegung über ein mechanisches Übertragungssystem in eine Bogenmaßschwingung umgesetzt wird.
Reibschweißkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Übertragungssystem so gestaltet ist, dass beim Einschalten des Antriebsmotors, die Rotationsbewegung ohne nennenswerte Zeitverzögerung in eine Schwingbewegung umgesetzt wird und beim Ausschalten des Motors trotz Nachlaufens des Motors die Schwingbewegung des Reibschweißkopfes sofort gestoppt wird.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingbewegung über mindestens eine an der rotierenden Antriebswelle außerhalb der Mitte angebrachten Kolbenstange erzeugt wird.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine exzentrische Antriebswelle (5) in einer zweiten exzentrischen Welle mit gleichen Exzentermaß (6) so gelagert ist, dass sich beide über ein Anschlagsystem (13) gegeneinander um bis zu 180° verdrehen lassen und auf der Exzenterwelle (6) eine Riemenscheibe (7) drehbar gelagert ist, die die Exzenterbewegung über einen Zahnriemen (8) als Bogenmaßschwingbewegung auf eine mit der Abtriebswelle (3) fest verbundene Riemenscheibe (9) und damit auf das auf der Abtriebswelle (3) mittels einer Haltevorrichtung (11) montierte Anschweißteil (12) überträgt.
Reibschweißkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenscheibe (7) mit einem Linearausgleich gekoppelt ist, der bewirkt, dass während der Exzenterbewegung der Achsabstand zwischen Riemenscheibe (7) und den Abtriebswellen (3) und (4) gleich gehalten und damit eine Schwankung der Spannung des Zahnriemens (8) verhindert wird.
Reibschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenmaßschwingung mittels eines elektronisch geregelten Antriebssystems erzeugt wird.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er über mindestens zwei Abtriebswellen verfügt, die jeweils mindestens eine Haltevorrichtung für ein Anschweißteil aufweisen und deren Schwingbewegungen so miteinander gekoppelt sind, dass mehrere Schweißvorgänge parallel durchgeführt werden können.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite der Bogenmaßschwingung verstellbar ist.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er mit eingeschalteter Schwingbewegung auch zum Fräsen, Entgraten oder zum Vernieten von Bauteilen genutzt werden kann und eine Haltevorrichtung besitzt, die neben der Aufnahme des Anschweißteils auch alternativ für die Aufnahme der für die genannte Verfahren notwendigen Bearbeitungswerkzeuge geeignet ist.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor über eine Regelungsmöglichkeit der Antriebsleistung und Drehzahl verfügt.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer das Drehmoment an der Schweißstelle ermittelnden Messeinrichtung versehen ist.
Reibschweißkopf nach dem vorhergehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Antriebsleistung mit der das Drehmoment an der Schweißstelle ermittelnden Messeinrichtung gekoppelt ist und damit die Antriebsleistung in Abhängigkeit vom gemessenen Drehmoment regelt.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer den Anpressdruck an der Schweißstelle ermittelnden Messeinrichtung versehen ist.
Reibschweißkopf nach dem vorhergehenden Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Vorschubeinrichtung mit der den Anpressdruck ermittelten Messeinrichtung gekoppelt ist und über die Rückkoppelung die Vorschubbewegung in Fügerichtung regelt
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er auch zum Überprüfen der Festigkeit einer Schweißverbindung eingesetzt werden kann, indem das bereits mit dem Werkstück verbundene und gleichzeitig im Reibschweißkopf fest gespannte Anschweißteil mit reduziertem Drehmoment der Schwingbewegung ausgesetzt wird und anhand der gemessenen möglichen Auslenkung die Qualität der Fügeverbindung bestimmt wird.
Reibschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass er als mobiles Gerät konzipiert ist, welches über eine geeignete lösbare Koppelungsmöglichkeit zum Werkstück verfügt, mit dessen Hilfe es während des Reibschweißvorgangs vorübergehend mit dem Werkstück verbunden wird.