DE102011106981B4

DE102011106981B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Fügeverbindungen

Info

Publication number: DE102011106981B4
Application number: DE102011106981.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bohn; Markus Langenbacher; Martin Fritz
Original assignee: EMAG Holding GmbH
Current assignee: EMAG Holding GmbH
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: DE102011106981A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung von wenigstens einem eine Bohrung (28) aufweisendem Fügeteil (16) mit einer Welle (7), mit einer Fügeeinrichtung (8) mit einem Greifer (19) zum lageorientierten Greifen des Fügeteils (16), wobei am Greifer (19) ein Ausgleichselement vorgesehen ist, das von einer Losstellung in eine Verriegelungsstellung umschaltbar ist, wobei die Welle (7) an einem Ende in einem um eine Rotationsachse (24) drehantreibbar gelagerten Spannmittel (2) zentrisch eingespannt, rotatorisch antreibbar und an dem anderen Ende mit einer Zentrierspitze (15) zentriert wird, wobei das Fügeteil (16) auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird und die Bohrung (28) sich auf ein Übermaß gegenüber dem Wellendurchmesser aufweitet und wobei das Fügeteil (16) an einer vorbestimmten Stelle auf der Welle (7) positioniert und durch Abkühlen auf die Welle (7) aufgeschrumpft wird, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Einseitiges Spannen der Welle (7) im Spannmittel (2) b) Rotation der Welle (7) im Spannmittel (2) und Einstellen einer gewünschten Winkellage c) Aufnehmen eines erwärmten Fügeteils (16) durch den Greifer (19) der Fügeeinrichtung (8) d) Vorpositionieren des Fügeteils (16) mit seiner Bohrung (28) am freien Ende der Welle (7) e) Positionieren des Fügeteils (16) an einer vorbestimmten Stelle auf der Welle (7) dadurch gekennzeichnet, dass das im Greifer (19) gehaltene Fügeteil (16) in der Losstellung in zwei Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse (24) innerhalb vorbestimmter Toleranzen frei beweglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Fügeverbindungen mit wenigstens zwei Bauteilen, einer Welle und Fügeteilen wie z. B. eine Bohrung aufweisende Nocken, Zahnräder, Scheiben, Räder, Lagerbuchsen oder dgl. Aus der EP 1 392 469 B1 ist ein Verfahren zum Befestigen von Triebteilen auf Wellen bekannt. Dabei werden die Triebteile so stark erwärmt, dass der Innendurchmesser der Bohrung im Triebteil größer ist als der Außendurchmesser der Welle. Sodann kann das Triebteil mit einem Roboter auf der Welle positioniert werden. Beim anschließenden Abkühlen verringert sich der Innendurchmesser und spannt das Triebteil auf der Welle fest. Um den Vorgang zu beschleunigen, kann eine Kühlung vorgesehen sein. Ein Teil der Wärme führt zu einer Längenausdehnung der Welle, wodurch sich die Position, in der das Triebteil angebracht werden soll, verändert. Diese Veränderung kann mit einer Messeinrichtung erfasst und über die Maschinensteuerung korrigiert werden. Weil der Innendurchmesser der Bohrung in Folge der Erwärmung nur wenige Zehntelmillimeter größer ist als der Wellendurchmesser, sind beim Positionieren extrem enge Toleranzen einzuhalten. Die DE 10 2007 056 638 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Montage eines Verbunds, wobei z. B. Nockenwellen mit sämtlichen Funktionsteilen in eine geschlossene Haube mit ungeteilten Lagern eingebaut werden. Dazu werden die Funktionsteile gleichzeitig im Innern der Haube in einer Vorrichtung lagerichtig fixiert, so dass die zugehörige Welle durch die Öffnungen der Funktionsteile und durch die ungeteilten Lager hindurchgeführt werden kann. Zur phasenrichtigen Anordnung der Nocken innerhalb der geschlossenen Haube werden diese mit einem Zentrierdorn fixiert, wobei der Eingriff der Positionierelemente nur einseitig erfolgen kann. Die DE 10 2007 056 769 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Fügeverbindungen durch Innenhochdruckumformen. Um die Genauigkeit der gefügten Bauteile zu erhöhen, werden bauteilspezifische Messdaten vor dem Fügen erfasst und beim Positionieren der Bauteile berücksichtigt. Die Vorrichtung weist eine Halteeinrichtung für Nockenwellen auf, die einen Nockenwellenspanngreifer, ein Backenfutter mit Antrieb und eine Rohrzentrierung umfasst. Die Nocken werden von zwei Nockengreifern positioniert. Die DE 10 2004 015 675 A1 beschreibt ein Handhabungsgerät zum Handhaben von Werkstücken während eines Umformprozesses. Dieses weist eine Greifeinrichtung mit wenigstens zwei zueinander bewegbaren Greifelementen auf, die mit einer Trägereinrichtung wahlweise starr oder flexibel verbunden sein können. Schließlich ist aus der DE 600 33 207 T2 eine Vorrichtung zur Herstellung von Nockenwellen durch Einwalzen bekannt. In der Vorrichtung werden die Nocken fixiert und es wird eine rohrförmige Welle aufgedehnt und in die unregelmäßige Oberfläche der Bohrungen in den Nocken eingewalzt. In einer Maschine sind mindestens zwei solcher Arbeitsstationen angeordnet
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen die Wiederholgenauigkeit beim Positionieren zu fügender Teile verbessert und der Fügeprozess optimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen nach Patentanspruch 6 gelöst.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung werden die Fügeteile und die zu bestückende Welle mit einer Zentrierspitze vorzentriert. Dadurch sind die extrem engen Toleranzen, innerhalb derer das freie Wellenende und das Fügeteil relativ zueinander positioniert werden müssen, nicht mehr erforderlich. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden jeweils zwei Fügeteile gleichzeitig gefügt. Dazu sind zwei relativ zueinander bewegliche Greifer vorgesehen, welche die Fügeteile paarweise aufnehmen und im vorgesehen Abstand auf der Welle positionieren.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Darstellung
2a bis 2c das Auffädeln der Fügeteile auf die Welle in vergrößerter Darstellung
3 eine Vorrichtung mit zwei Spannmitteln 2, 2' und zwei Zentrierspitzen 15
In 1 ist am Gestell 1 der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ein Spannmittel 2 zum zentrischen Spannen von Wellen 7 vorgesehen. Zum Einstellen der gewünschten Winkellage rotiert das Spannmittel angetrieben vom Schwenkmotor 23 um die Rotationsachse 24. Die Fügeeinrichtung 8 ist in Portalbauweise ausgeführt. Dazu sind am Gestell 1 auf der linken Seite der Ständer 3 und auf der rechten Seite die Säule 4 angeordnet. Beide sind an der Oberseite mit dem Querträger 5 verbunden. Der Fahrständer 10 ist am Gestell 1 über Linearführungen 6 in horizontaler Richtung (X-Achse) verfahrbar und stützt sich an der Oberseite über die Linearführung 6' am Querträger 5 ab. Der Fahrständer 10 trägt seinerseits Vertikalführungen 11 in Richtung der Z-Achse für den Schlitten 12. Schließlich sind am Schlitten 12 horizontale Führungen 13 in Richtung der Y-Achse für den Horizontalschlitten 14 vorgesehen. Am Horizontalschlitten 14 ist ein Greifer 19 zum Greifen von Fügeteilen 16 angeordnet. Neben dem Spannmittel 2 befindet sich die Heizvorrichtung 17 für die Fügeteile 16. Diese werden mit ihrer Bohrung 28 auf dornförmige Induktoren 25 aufgesetzt und von innen beheizt. Die Fügeteile können ebenso in ringförmigen Induktoren von außen beheizt werden. Am Ständer 3 sind zwei voneinander beabstandete Präzisionsführungen 9 für die beiden Vertikalschlitten 26, 26' angebracht. Der untere Vertikalschlitten 26 trägt den Festanschlag 21 und die Messeinrichtung 22 und der obere Vertikalschlitten 26' die Zentrierspitze 15. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine unbestückte Welle 7 manuell oder von einer nicht dargestellten Beladeeinrichtung im Spannmittel 2 abgesetzt und dort zentrisch gespannt. Durch Drehen um die Rotationsachse 24 wird die Welle 7 in die gewünschte Winkellage gebracht. Sodann ergreift die Fügeeinrichtung 8 in der Heizeinrichtung 17 mit dem Greifer 19 ein erwärmtes Fügeteil 16 und positioniert dieses durch Verfahren in Richtung der Achsen X, Y, Z am freien Ende der Welle 7. Der Greifer 19 ist mit einem Ausgleichselement versehen. Dieses kann von einer Losstellung in eine Verriegelungsstellung umgeschaltet werden. In der Losstellung sind die Greiferbacken 27, 27' in zwei Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse 24 innerhalb vorbestimmter Toleranzen frei beweglich. Zum besseren Verständnis ist das Auffädeln auf die Welle 7 in den 2a bis 2c vergrößert dargestellt. Gemäß 2a ist das Fügeteil 16 im Greifer 19 von den Greiferbacken 27, 27' gehalten und mit seiner Bohrung 28 direkt oberhalb der Welle 7 angeordnet. Dabei ist das Ausgleichselement in der Verriegelungsstellung, d. h. das Fügeteil 16 ist im Greifer 19 starr fixiert. Weil die Welle 7 mit ihrem unteren Ende im Spannmittel 2 eingespannt ist, ist die Lage des Fügeteils 16 relativ zum oberen Ende der Welle 7 von mehreren Toleranzen abhängig. Deshalb können die Rotationsachse 24 und die Symmetrieachse 29 um einen Versatz „V” versetzt sein. In der Darstellung nach 2b ist die Zentrierspitze 15 von oben durch die Bohrung 28 hindurch in die Zentrierbohrung 30 der Welle 7 eingetaucht. Da der Außendurchmesser „D” der Zentrierspitze 15 nur wenige Zehntelmillimeter kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrung 28, wird der aus 2a ersichtliche Versatz „V” nahezu auf Null reduziert. Jetzt wird das Ausgleichselement in die Losstellung umgeschaltet und der noch verbliebene Restversatz „V” wird über die Fase in radialer Richtung zur Welle 7 ausgeglichen. Abschließend wird das Fügeteil 16 auf die Welle 7 in die Sollposition geschoben, bis es am Festanschlag 21 formschlüssig anliegt (2c). Da der Vertikalschlitten 26 mit dem Festanschlag 21 in Z-Richtung besonders genau positionierbar ist, kann dieser vorteilhaft auch die Messeinrichtung 22 aufnehmen. Damit können Maßabweichungen höchst präzise erfasst und bei nachfolgenden Fügeprozessen über die Maschinensteuerung selbsttätig kompensiert werden.
Die 3 betrifft eine Vorrichtung mit zwei Spannmitteln 2, 2' und zwei Zentrierspitzen 15, 15'. Für beide ist eine einzige Fügeeinrichtung 8 vorgesehen, welche zwischen der Heizvorrichtung 17 und den beiden Spannmitteln 2, 2' hin und her verfahrbar ist. 4 zeigt ausschnittsweise den Horizontalschlitten 14 mit einem Greifer 19 und einem zweiten Greifer 20. Dieser wird vorteilhaft eingesetzt, wenn jeweils Fügeteile 16 nebeneinander in gleicher Winkellage gefügt werden, beispielsweise bei Nockenwellen für Vier- oder Achtzylindermotore. Zur Einstellung eines gewünschten Abstandes zwischen den Fügeteilen 16 kann der Abstand zwischen dem Greifer 19 und dem zweiten Greifer 20 über Gleitführungen 18 verändert werden.
Bezugszeichenliste

1: Gestell
2 2': Spannmittel
3: Ständer
4: Säule
5: Querträger
6 6': Linearführung
7: Welle
8: Fügeeinrichtung
9: Präzisionsführung
10: Fahrständer
11: Vertikalführung
12: Schlitten
13: Führung
14: Horizontalschlitten
15 15': Zentrierspitze
16: Fügeteil
17: Heizvorrichtung
18: Gleitführung
19: Greifer
20: Zweiter Greifer
21: Festanschlag
22: Messeinrichtung
23: Schwenkmotor
24: Rotationsachse
25: Induktor
26 26': Vertikalschlitten
27 27': Greiferbacke
28: Bohrung
29: Symmetrieachse
30: Zentrierbohrung
V: Versatz
D: Außendurchmesser

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung von wenigstens einem eine Bohrung (28) aufweisendem Fügeteil (16) mit einer Welle (7), mit einer Fügeeinrichtung (8) mit einem Greifer (19) zum lageorientierten Greifen des Fügeteils (16), wobei am Greifer (19) ein Ausgleichselement vorgesehen ist, das von einer Losstellung in eine Verriegelungsstellung umschaltbar ist, wobei die Welle (7) an einem Ende in einem um eine Rotationsachse (24) drehantreibbar gelagerten Spannmittel (2) zentrisch eingespannt, rotatorisch antreibbar und an dem anderen Ende mit einer Zentrierspitze (15) zentriert wird, wobei das Fügeteil (16) auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird und die Bohrung (28) sich auf ein Übermaß gegenüber dem Wellendurchmesser aufweitet und wobei das Fügeteil (16) an einer vorbestimmten Stelle auf der Welle (7) positioniert und durch Abkühlen auf die Welle (7) aufgeschrumpft wird, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Einseitiges Spannen der Welle (7) im Spannmittel (2) b) Rotation der Welle (7) im Spannmittel (2) und Einstellen einer gewünschten Winkellage c) Aufnehmen eines erwärmten Fügeteils (16) durch den Greifer (19) der Fügeeinrichtung (8) d) Vorpositionieren des Fügeteils (16) mit seiner Bohrung (28) am freien Ende der Welle (7) e) Positionieren des Fügeteils (16) an einer vorbestimmten Stelle auf der Welle (7) dadurch gekennzeichnet, dass das im Greifer (19) gehaltene Fügeteil (16) in der Losstellung in zwei Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse (24) innerhalb vorbestimmter Toleranzen frei beweglich ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (16) im Verfahrensschritt d) zunächst bei verriegeltem Ausgleichselement vorpositioniert wird und dass nach dem Zentrieren der Welle (7) mit der Zentrierspitze (15) das Ausgleichselement gelöst und das Fügeteil (16) mit der Bohrung (28) zentrisch zur Welle (7) nachzentriert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2 mit einem Festanschlag (21), dadurch gekennzeichnet, dass der Festanschlag (21) vor dem Fügen an der Welle (7) positioniert wird und dass das Fügeteil (16) in der Sollposition von der Fügeeinrichtung (8) formschlüssig gegen den Festanschlag (21) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 mit zwei relativ zueinander beweglichen Greifern (19, 20) zur gleichzeitigen Aufnahme von zwei aufeinanderliegenden Fügeteilen (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Greifer (19) das oben liegende Fügeteil (16) ergreift und anhebt, dass der zweite Greifer (20) das unten liegende Fügeteil (16) Fügeteil (16) ergreift und anschließend beide Fügeteile (16) im gewünschten Abstand auf der Welle (7) positioniert werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 mit zwei drehantreibbar gelagerten Spannmitteln (2, 2'), dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd in dem einen Spannmittel (2) eine Welle (7) mit Fügeteilen (16) bestückt und in dem anderen Spannmittel (2') die fertig bestückte Welle (7) durch eine unbestückte ersetzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, mit einem drehantreibbar gelagerten Spannmittel (2) und einer einen Außendurchmesser „D” aufweisenden Zentrierspitze (15) zum zentrischen Spannen von Wellen (7), mit einer Heizvorrichtung (17) für eine Bohrung (28) aufweisende Fügeteile (16) und mit einer Fügeeinrichtung (8) mit einem Greifer (19) zum Positionieren der Fügeteile (16) auf der Welle (7), wobei der Greifer (19) mit einem Ausgleichselement versehen ist, das von einer Losstellung in eine Verriegelungsstellung, in der das Fügeteil (16) fixiert ist, umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser „D” der Zentrierspitze (15) an den Innendurchmesser der Bohrungen (28) angepasst ist und dass das im Greifer (19) gehaltene Fügeteil (16) in der Losstellung in zwei Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse (24) innerhalb vorbestimmter Toleranzen frei beweglich ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6 mit mindestens einem mechanischen Festanschlag (21), dadurch gekennzeichnet, dass der Festanschlag (21) während des Fügens derart an der Welle (7) positionierbar ist, dass das Fügeteil (16) in der Sollposition formschlüssig am Festanschlag (21) anliegt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6 oder 7 mit einem zweiten Greifer (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Greifer (19) und der zweite Greifer (20) am Horizontalschlitten (14) der Fügeeinrichtung (8) relativ zueinander verfahrbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 8 mit einem zweiten drehantreibbar gelagerten Spannmittel (2') und einer zweiten Zentrierspitze (15'), dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Fügeeinrichtung (8) zwischen der Heizvorrichtung (17) und dem ersten und zweiten Spannmittel (2, 2') hin und her verfahrbar ist.