DE2128279C3 - Verfahren zum Befestigen eines Ringkörpers auf oder in einer Hohlwelle mittels Elektronenstrahlschweißung - Google Patents

Description

Im Hauptpatent 20 58 021 ist ein Verfahren zum Befestigen eines an einem Radialbund einer Hohlwelle anliegenden Rotationskörpers mittels Elektronenstrahlschweißung unter Schutz gestellt, wobei die zu schweißenden Teile relativ zum Elektronenstrahl gedreht werden und wobei zur Befestigung von Ringkörpern auf oder in Hohlwellen vor den am Wellenbund anliegenden Ringkörper ein auf die Hohlwelle auf- bzw. in diese eingeschobener Haltering vorgesetzt, mit einer zum Wellenbund hin gerichteten Axialkraft beaufschlagt und mit der Hohlwelle verschweißt wird, indem der Elektronenstrahl derart radial zur Hohlwelle eingestellt wird, daß er zuerst die Hohlwelle und dann den Haltering durchdringt.

Das Schweißen bewirkt infolge der Erwärmung der zu verschweißenden Teile zunächst eine Expansion derselben und anschließend, wenn die Schweißzone infolge der Erwärmung plastisch geworden ist, wegen der Beaufschlagung des Halteringes mit der genannten Axialkraft eine Verschiebung des Halteringes zur Schweißnaht hin, an welche sich bei Wiederabkühlung der Teile unter die Plastizitätsgrenze eine Selbstkontraktion der Verbindung zur Schweißnaht hin anschließt. Die Expansion und Kontraktion der Teile ist jeweils proportional zu der sich ausbreitenden Wärmemenge und demzufolge auch proportional zur Schweißnahtbreite, d. h. zur Abmessung der Schweißnaht in Axialrichtung. Infolge der besonderen radialen Einstellung des Elektronenstrahls derart, daß dieser zuerst die Hohlwelle und dann den Haltering durchdringt, und infolge der Beaufschlagung des Halteringes mit der genannten Axialkraft ergibt sich nach dem Erhalten der Teile eine axiale Einspannung des Ringkörpers auf bzw. in der Hohlwelle, welche die kraftschlüssige Übertragung eines Drehmoments vom Ringkörper auf die Hohlwelle bzw. umgekehrt zuläßt Es handelt sich also bei dieser Art von Schweißverbindung um eine gegen unbeabsichtigtes Lösen absolut sichere, in hohem Maße

ίο drehfeste Verbindung des Ringkörpers mit der Hohlwelle. Trotzdem ist diese Verbindung willentlich lösbar, d. h. der Ringkörper kann zwecks Reparatur oder Auswechslung nach Ab- bzw. Audrehen des Halteringes bzw. nach Ab- bzw. Ausschleifen desselben jederzeit ohne Beschädigung der übrigen Teile der Verbindung wieder von der Hohlwelle abgezogen werden, um später erneut in der soeben dargelegten Weise durch Schweißen auf bzw. in der Hohlwelle wieder drehfest befestigt werden zu können. Dieser Umstand stellt einen sehr erheblichen Vorteil des im Haupipatent unter Schutz gestellten Befestigungsverfahrens gegenüber anderen lösbaren Befestigungsarten zwischen einer Hohlwelle und einem darauf bzw. darin zu befestigenden Ringkörper dar.

Da die mit dem Verfahren nach dem Hauptpatent erzielbare Befestigung eine kraftschlüssipe Verbindung zwischen der Hohlwelle und dem Ringkörper ergibt, hat der Wert des von einem Teil auf das andere Teil übertragbaren Drehmoments selbstverständlich von Fall zu Fall jeweils eine bestimmte obere Grenze.

Durch-die vorliegende Erfindung soll infolgedessen in Verbesserung und Weiterbildung der im Hauptpatent 20 58 021 unter Schutz gestellten Erfindung die Aufgabe gelöst werden, unter Beibehaltung der mit ihr

erzielbaren Vorteile — Herstellung einer normalerweise unlösbaren Schweißverbindung, trotzdem jederzeitige Lösbarkeit derselben ohne Beschädigung der miteinander verbundenen Teile durch einfache Maschinenbearbeitung derselben und jederzeitige einfache Neuherstellung der Schweißverbindung zwischen den einzelnen Teilen auf einfache Wsise — das Drehmomentübertragungsvermögen der Schweißverbindung noch weiter steigern zu können.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbesserung und Weiterbildung der im Hauptpatent 20 58 021 unter Schutz gestellten Erfindung dadurch gelöst, daß der Ringkörper einerseits und der Haltering andererseits vor dem Zusammensetzen der Teile jeweils einseitig stirnseitig so bearbeitet werden, daß zwei unter gleichem, kleinem Winkel gegen die achssenkrechte Ebene geneigte ebene Stirnflächen dieser Teile entstehen, die nach dem Auf- bzw. Einschieben des Ringkörpers, entsprechender umfangsmäßiger Ausrichtung der Teile zueinander und Beauf-

5S schlagung des Halteringes mit der genannten Axialkraft einen die Drehung des Ringkörpers relativ zur Hohlwelle verhindernden und durch die Verschweißung des Halteringes mit der Hohlwelle verstärkten Formschluß bewirken.

Gegenüber dem im Hauptpatent 20 58 021 unter Schutz gestellten Verfahren bringt das erfindungsgemäße Verfahren den technischen Fortschritt, daß die mit ihm herstellbaren Schweißverbindungen ein praktisch unbegrenztes Drehmomentübertragungsvermögen haben, ohne daß auf ihre Vorteile — »Unlösbarkeit« unter normalen Verhältnissen, trotzdem schnelle Lösbarkeit im Bedarfsfall ohne Beschädigung der Teile, und einfache Wiederherstellbarkeit derselben — verzichtet

zu werden braucht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Stirnflächen des Ringlcörpers und des Halteringe; jeweils unter einem Winkel von 2° gegen die achssenkrechte Richtung geneigt.

Am Zustandekommen des Formschlusses der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Befestigung des Ringkörpers auf oder in der Hohlwelle sind sämtliche Venahrensmerkmale wesentlich beteiligt, nämlich einerseits die erfindungsgemäße Bearbeitung der Stirnseiten von Ringkörper und Haltering vor dem Zusammensetzen der Teile und die gegenseitige umfangsmäßigc Ausrichtung derselben nach dem Zusammenbau, zum anderen aber auch die gemäß Hauptpatent nach dem Zusammensetzen der Teile vorgesehene Beaufschlagung des Halteringes mit einer Axialkraft und die besondere Ausrichtung des Elektronenstrahls beim anschließenden Verscr. reißen derart, daß der StrahJ zuerst die Hohlwelle und dann erst den Haltering durchdringt, weil nur durch die letztgenannten Maßnahmen die für einen verstärkten Formschluß maßgebliche Schrumpfung der Verbindung beim Erkalten der Schweißnaht im Sinne einer axialen Einspannung des Ringkörpers zwischen Haltering und Wellenbund im Endzustand erreichbar ist.

Das erfindungsgemäße Befestigungsverfa iren kann beispielsweise bei der Herstellung umlaufender Teile von Gasturbinenanlagen Anwendung finden, bei welchen es aus Platzmangel nicht möglich ist, auf einen Gewindeteil einer Welle eine Mutter aufzuschrauben, die einen Lagerring oder einen anderen Ringkörper gegen einen Axialanschlag der Welle drückt.

Ein Ausführungsbeispiel der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Befestigung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Axialschnitt einer Hohlwelle mit einem auf dieser nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angeschweißten Rollenlager.

Die Figur zeigt ein auf eine Hohlwelle 33 aufgeschobenes Rollenlager 32, dessen Inenring 31 an einem als Axialanschlag dienenden, die stirnseitige Begrenzung eines Wellenbundes bildenden Absatz 34 der Hohlwelle anliegt. Ein ebenfalls auf die Hohlwelle 33 aufgesetzter Haltering 39 wird durch eine von außen auf ihn einwirkende Axialkraft, welche durch Pfeile 42 dargestellt ist, gegen den Lagerinnenring 31 gedrückt, so daß dieser wiederum gegen den Wellenabsatz gepreßt wird. Die durch die Pfeile 42 angedeutete Axialkraft kann beispielsweise von einer nicht dargestellten äußeren Druckquelle herrühren und ist jeweils während des Anschweißens des Halteringes 39 aufzubringen.

Der Hohlwellenübergang 35 des Absatzes 34 weist einen kleineren Kantenabrundungsradius auf als der angrenzende Innenumfangsrand 36 des Lagerinnenringes 31, so daß die Stirnfläche 37 des Lagerinnenringes satt an der Stirnfläche 38 des Wellenabsatzes 34 anliegt.

Die aneinander anliegenden Stirnflächen 51, 52 des Lagerinnenringes 31 einerseits und des Halteringes 39 do andererseits sind vor dem Zusammenbau derart geschliffen worden, daß die Ebene ihrer Berührungsfläche, welche durch eine gestrichelte Linie 54 angedeutet ist, mit einer zur Längsachse 44 der Hohlwelle 33 senkrechten Ebene einen Winkel 53 von ungefährt 2° (\s einschließt.

Der Haltering 39 wird mittels eines Elektronenstrahls 43 mit der Hohlwelle 33 verschweißt, der mit Bezug auf die Hohlwellenlängsachse 44 im wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet ist. Der Elektronenstrahl wird in eine Umfangsnut 45 in der Bohrung der Hohlwelle 33 gerichtet, wobei während einer relativen Drehung um die Hohlwellenlängsachse 44 ein Verschweißen längs der gesamten Innenumfangsnut 45 bewirkt wird. Der Elektronenstrahl durchdringt die Wandung der Hohlwelle und den Haltering 39 vollständig, wodurch eine im wesentlichen radial durch die Anordnung hindurchverlaufende, ringförmige Schweißnaht 46 gebildet wird, durch welche der Haltering mit der Hohlwelle verschweißt ist. Der Schweißvorgang bewirkt infolge der Erwärmung eine Expansion und nach dem Schweißvorgang eine durch die Abkühlung bedingte Kontraktion der miteinander verschweißten Teile senkrecht zur Schweißrichtung, d. h. parallel zur Hohlwellenlängsachse. Die Expansion und Kontraktion sind proportional zur abgegebenen Wärmemenge und dadurch auch proportional zur Breite der Schweißnaht, d. h. proportional zur Abmessung der Schweißnaht in zur Längsachse 44 der Hohlwelle 33 paralleler Richtung. Die Schweißnaht hat in der Hohlwelle eine größere axiale Breite als in dem !!altering, wodurch die Expansion und Kontraktion des betreffenden We'lenteiles in axialer Richtung größer ist als die Expansion und Kontraktion des Halteringes 39 in axialer Richtung.

Dadurch ist bei Abkühlung die Kontraktion der Hohlwelle 33 über die in der Figur angegebenen Länge a hinweg zwischen der Schweißnaht 46 und der Anlagefläche 38 größer als die Kontraktion in dem Haltering 39 und innerhalb des Lagerinnenringes 31 über die gleiche Länge a hinweg, da in der Hohlwelle mehr Wärme frei wird. Auch wenn dann die äußere. durch Pfeile 42 angedeutete Axialkraft von dem Haltering 39 weggenommen wird, verbleibt der Lagerinnenring 31 dauernd zwischen dem Haltering 39 und dem Wellenabsatz 34 eingespannt, wobei diese einspannende Druckkraft mit einer axialen Zugkraft in der Hohlwelle 33 im Gleichgewicht steht.

Wenn der Lagerinnenring 31 sich relativ zum Haltering 39 und dadurch auch relativ zur Hohlwelle 33 um die Hohlwellenlängsachse 44 zu drehen versucht, dann wirkt dieser Drehbewegung eine sie verhindernde Kraft entgegen, welche durch die Keilwirkung des Lagerinnenringes zwischen der schrägen Fläche 52 des Halteringes 39 und dem Wellenabsatz 34 erzeugt wird.

Fall es erforderlich wird, das Lager 32 durch ein neues zu ersetzen, so ist hierfür lediglich der Haltering 39 durch Bearbeitung zu entfernen, und in der Bohrung der Hohlwelle 33 muß eine neue Nut 45 geschnitten werden. Daraufhin wird auf die Hohlwelle 33 ein neues Rollenlager 32 und ein neuer Haltering 39 aufgesetzt, und der Haltering wird in der oben beschriebenen Weise wiederum mit der Hohlwelle 33 verschweißt.

Gemäß einer in der Zeichnung nicht dargestellten weiteren Ausführungsform der Verbindung ist das Lager in der Bohrung der Hohlwelle untergebracht und es liegt in der Bohrung an einem inneren Bohrungsabsatz an, wobei der Lageraußeni ing durch einen ebenfalls in die Bohrung der Hohlwelle eingefügten Haltering gegen den inneren Hohlwellenabsatz gedrückt wird. Die aneinander anliegenden Flächen des Lageraußenringes u.:d des Halteringes sind derart geschliffen, daß die Trennfläche zwischen diesen beiden Ebenen mit einer zur Hohlwellenlängsachse senkrechten Ebene einen Winkel von ungefähr 2" einschließt. Der Lageraußenrin£ ist derart zwischen den inneren Wellenabsatz und den Haltering eingespannt, daß er sich nicht relativ dazu

dreht, wenn ein Elektronenstrahl in eine äußere Umfangsnut der Hohlwelle gerichtet wird, welcher die Wandung der Hohlwelle und den Haltering im wesentlichen radial von außen nach innen durchdringt und diese beiden Teile derart miteinander verschweißt, j daß der Lageraußenring auch nach Wegnahme der genannten ihn einspannenden Kraft weiterhin eingespannt bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Befestigen eines an einem Radialbund einer Hohlwelle anliegenden Rotationskörpers mittels Elektronenstrahlschweißung, wobei die zu schweißenden Teile relativ zum Elektronenstrahl gedreht werden und wobei zur Befestigung von Ringkörpern auf oder in Hohlwellen vor den am Wellenbund anliegenden Ringkörper ein auf die Hohlwelle auf- bzw. in diese eingeschobener Haltering vorgesetzt, mit einer zum Wellenbund hin gerichteten Axialkraft beaufschlagt und mit der Hohlwelle verschweißt wird, indem der Elektronenstrahl derart radial zur Hohlwelle eingestellt wird, daß er zuerst die Hohlwelle und dann den Haltering durchdringt, nach Patent 20 58 021, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (31) einerseits und der Haltering (39) andererseits vor dem Zusammensetzen der Teile jeweils einseitig stirnseitig so bearbeitet werden, daß zwei unter gleichem, kleinem Winkel gegen die achssenkrechte Ebene geneigte ebene Stirnflächen (37, 38; 51, 52) dieser Teile entstehen, die nach dem Auf- bzw. Einschieben des Ringkörpers, entsprechender umfangsmäßiger Ausrichtung der Teile zueinander und Beaufschlagung des Halteringes mit der genannten Axialkraft (42) einen die Drehung des Ringkörpers relativ zur Hohlwelle verhindernden und durch die Verschweißung des Halteringes mit der Hohlwelle verstärkten Formschluß bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (37,38 bzw. 51,52) des Ringkörpers (31) und des Halteringes (39) jeweils unter einem Winkel von 2° gegen die achssenkrechte Richtung geneigt sind.