DE10345042B3

DE10345042B3 - Friction welding device for welding two workpieces together comprises motor shaft which axially moves via linear bearings, and axial drive unit acting on shaft

Info

Publication number: DE10345042B3
Application number: DE2003145042
Authority: DE
Inventors: Armin Goettling; Wolfgang Seuffert
Original assignee: Gottling Armin
Current assignee: Gottling Armin
Priority date: 2003-09-27
Filing date: 2003-09-27
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-09-28

Abstract

A friction welding device comprises a motor shaft (2) which axially moves via linear bearings (12, 13), and an axial drive unit (20) acting on the shaft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reibschweißen von Werkstücken.The The invention relates to a device for friction welding Workpieces.

Reibschweißvorrichtungen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Hierbei werden stets die beiden zu verschweißenden Werkstücke unter dem sog. Reibdruck relativ zueinander gedreht, was an der Reibfläche zu einer Erwärmung führt. Nachdem genügend Erwärmung eingebracht wurde, wird der Spindelantrieb gestoppt und ein gegenüber dem Reibdruck höherer Stauchdruck eingeleitet. Unter diesem Stauchdruck binden die zu verschweißenden Werkstücke ab.Reibschweißvorrichtungen are in different versions known. Here, the two workpieces to be welded are always under the So-called. Frictional pressure rotated relative to one another, which results in a warming leads. After enough warming has been inserted, the spindle drive is stopped and one against the friction pressure higher Compression pressure initiated. They bind under this upset pressure welding workpieces.

Die axiale Bewegung eines der beiden Bauteile wird bislang über einen Schlitten realisiert, der entweder die Spannvorrichtung des nicht rotierenden Teils, oder den kompletten Spindelstock des rotierenden Teils, trägt. Der Schlitten wird entweder hydraulisch, pneumatisch oder elektromotorisch über eine Spindel angetrieben.The So far, axial movement of one of the two components has been via one Carriage realized either the tensioner of the not rotating part, or the complete headstock of the rotating Partly, bears. The slide is either hydraulic, pneumatic or electric motorized via a spindle driven.

Weiterhin zeigt die WO 97/48518 und die US 4702405 jeweils eine tragbare Reibschweißvorrichtung, bei der das eine Werkstück mit der Motorwelle verbunden ist und der gesamte Motor gegenüber einem Rahmen mittels einer axialen Antriebsvorrichtung axial verschoben wird, um die Reib- und Stauchbewegung auszuführen.Furthermore, WO 97/48518 and US 4702405 each a portable friction welding device in which the one workpiece is connected to the motor shaft and the entire motor is axially displaced relative to a frame by means of an axial drive device in order to carry out the friction and upsetting movement.

Diese Lösungen sind stets mit einem hohen Konstruktions- und Materialaufwand verbunden.This solutions are always associated with high construction and material costs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Reibschweißvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach und kompakt aufgebaut ist, die präzise arbeitet und eine einfache Schweißprozessführung gewährleistet.task The present invention is therefore a friction welding device available to places that are simple and compact, that work precisely and ensures simple welding process control.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Anspruchs 1 gelöst.This Object is solved by the features of claim 1.

Indem die Motorwelle über ein Linearlager axial verschieblich gelagert ist und die axiale Antriebseinrichtung auf die Motorwelle direkt einwirkt, ist es möglich die Dreh- und die Axialbewegung in der Motorwelle zu vereinen. Damit führt nur noch ein Bauteil beide Bewegungen aus, wodurch aufwändige Zwischenlager, wie z. B. Schlittenführungen für Spindelgehäuse oder Motorgehäuse entfallen. Hierdurch kann auch die Präzision erhöht werden, da spielbehaftete Zwischenlager nicht vorhanden sind. Die Reibschweißvorrichtung ist daher besonders einfach aufgebaut. Durch die Vereinigung der Dreh- und der Axialbewegung in der Motorwelle ist auch eine besonders einfache Schweißprozessführung möglich, da nur noch die Motorwelle bewegt wird.By doing the motor shaft over a linear bearing is axially displaceable and the axial Acting device directly on the motor shaft, it is possible To combine rotary and axial movement in the motor shaft. In order to only leads one component detects both movements, which means complex intermediate storage, such as B. slide guides for spindle housing or motor housing omitted. As a result, the precision can also be increased since there are backlashes Interim storage facilities are not available. The friction welding device is therefore particularly simple. By uniting the Rotational and axial movement in the motor shaft is also a special one simple welding process control possible because only the motor shaft is moved.

In einer vorteilhaften Ausführung hat der Motor ein Motorgehäuse und die Motorwelle ist mittels bevorzugt zwei zueinander beabstandeter Linearlager gegenüber dem Motorgehäuse gelagert und ist relativ zum Motorgehäuse axial verschieblich gelagert. Weiterhin ist die Motorwelle bevorzugt mittels zwei zueinander beabstandeter Radiallager gelagert. Damit wird ein einfacher Aufbau der Reibschweißvorrichtung gewährleistet.In an advantageous embodiment the motor has a motor housing and the motor shaft is preferably separated by two Linear bearing opposite the motor housing stored and is axially displaceable relative to the motor housing. Furthermore, the motor shaft is preferably by means of two spaced apart Radial bearings. This is a simple structure of the friction welding device guaranteed.

In einer vorteilhaften Ausführung bilden das Linerlager und das Radiallager eine Lagereinheit, die in der Lage ist, die Motorwelle radial zu führen und axial verschiebbar zu lagern. Hierbei kann bevorzugt eine Buchsenlagerung verwendet werden, die die Motorwelle radial führt und eine axial Bewegung ermöglicht, was besonders einfach im Aufbau ist.In an advantageous embodiment the liner bearing and the radial bearing form a bearing unit, which in is able to guide the motor shaft radially and axially displaceable to store. In this case, a bush bearing can preferably be used that the motor shaft runs radially and an axial movement allows which is particularly easy to set up.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die Lagereinheit als ein axial verschiebbares, radiales Magnetlager ausgebildet ist. Hierdurch wird eine berührungsfreie und damit reibungslose Lagerung sowohl in radialer auch in axialer Richtung zur Verfügung gestellt. Die Verwendung von Magnetlagern ermöglicht Drehzahlen der Motorwelle von 100 bis zu 60000 min^–1 In einer vorteilhaften Ausführung hat das Magnetlager eine erste Sensoreinrichtung zum Erfassen des Rundlaufs und der Lage der Motorwelle. Mit der ersten Sensoreinrichtung kann der Rundlauf und die Lage der Motorwelle berührungsfrei geregelt werden.In an advantageous embodiment, the bearing unit is designed as an axially displaceable, radial magnetic bearing. In this way, a contact-free and therefore smooth bearing is made available both in the radial and in the axial direction. The use of magnetic bearings allows rotation speeds of the motor shaft from 100 up to 60000 min ^-1 In an advantageous embodiment the magnetic bearing has a first sensor means for detecting the concentricity and position of the motor shaft. With the first sensor device, the concentricity and the position of the motor shaft can be controlled without contact.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die axiale Antriebseinrichtung als elektrische axiale Antriebseinrichtung, bevorzugt als ein elektrischer Hubmagnet oder als ein elektrischer Linearantrieb ausgebildet und der Motor für die Drehbewegung ist als Elektromotor ausgebildet. Indem der Drehantrieb und der axiale Antrieb auf elektrischer Basis erfolgen, können beide Bewegungen auf einfache Weise mittels einer elektrischen Steuereinheit mit zugehörigen Leistungssteuereinrichtungen gesteuert werden, wobei keinerlei weitere Pneumatik- oder Hydraulikbauteile, wie Steuerventile usw., nötig sind.In an advantageous embodiment is the axial drive device as an electrical axial drive device, preferably as an electrical solenoid or as an electrical Linear drive designed and the motor for the rotary movement is as Electric motor trained. By the rotary drive and the axial drive done on an electrical basis, both movements can be done easily Way by means of an electrical control unit with associated power control devices are controlled, with no other pneumatic or hydraulic components, such as Control valves, etc., necessary are.

In einer vorteilhaften Ausführung hat die elektrische axiale Antriebseinrichtung eine zweite Sensoreinrichtung zur Erfassung der axialen Position der Motorwelle und der axialen Geschwindigkeit der Motorwelle.In an advantageous embodiment the electrical axial drive device has a second sensor device to detect the axial position of the motor shaft and the axial Motor shaft speed.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die axiale Antriebseinrichtung in den Motor derart integriert, dass der axiale Antrieb direkt auf die Motorwelle einwirkt und bevorzugt zwischen den beiden Radiallagern angeordnet ist. Wenn der axiale Antrieb als elektrischer Antrieb ausgebildet ist und der kraftaufbringende Teil, wie z. B. der Anker eines Hubmagneten, direkt mit der Motorwelle verbunden ist, müssen keine zusätzlichen Axiallager oder Dichtungen zwischen dem axialen Antrieb und der Motorwelle vorgesehen werden, da der kraftaufbringende bzw. kraftübertragende Teil des axialen Antriebs mit der Motorwelle mit dreht.In an advantageous embodiment, the axial drive device is integrated into the motor in such a way that the axial drive acts directly on the motor shaft and is preferably arranged between the two radial bearings. If the axial drive is designed as an electrical drive and the force bringing part, such as B. the armature of a solenoid is connected directly to the motor shaft, no additional axial bearings or seals between the axial drive and the motor shaft must be provided, since the force-applying or force-transmitting part of the axial drive rotates with the motor shaft.

In einer vorteilhaften Ausführung ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die mit der ersten und/oder der zweiten Sensoreinrichtung und mit dem Motor und der axialen Antriebseinrichtung elektrisch verbunden ist, wobei die Steuerungseinrichtung zusammen mit der ersten und /oder der zweiten Sensoreinrichtung zum Führen und Überwachen der Reibschweißprozesse, insbesondere zur Steuerung der Drehzahl der Motorwelle und der axialen Reib- und Stauchbewegung und des axialen Reib- und Stauchdrucks der Motorwelle und zur Überwachung der Schweißqualität verwendbar ist.In an advantageous embodiment a control device is provided which is connected to the first and / or the second sensor device and with the motor and the axial Drive device is electrically connected, the control device together with the first and / or the second sensor device to lead and monitor the friction welding processes, especially to control the speed of the motor shaft and the axial Friction and compression movement and the axial friction and compression pressure the motor shaft and to monitor the Usable welding quality is.

In einer vorteilhaften Ausführung hat die Steuerungseinrichtung eine Leistungselektronik zum leistungsmäßigen Steuern des Elektromotors und des elektrischen Axialantriebs.In an advantageous embodiment the control device has power electronics for performance control of the electric motor and the electric axial drive.

In einer vorteilhaften Ausführung ist das erste Werkstück über eine erste Werkstückaufnahme an der Motorwelle angeordnet, wobei das Motorgehäuse an einem Rahmen befestigt ist, an dem gegenüber der Motorwelle das andere Werkstück bevorzugt über eine zweite Werkstückaufname angeordnet ist.In an advantageous embodiment is the first workpiece over a first workpiece holder arranged on the motor shaft, the motor housing being fastened to a frame is opposite the Motor shaft the other workpiece preferably over a second workpiece holder is arranged.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die erste und/oder die zweite Werkstückaufnahme als ein erstes und/oder zweites fernsteuerbares Spannfutter ausgebildet, wobei das erste Spannfutter eine Drehdurchführung für ein unter Druck stehendes Medium oder einen Schleifring für die Durchführung elektrischer Energie hat.In an advantageous embodiment is the first and / or the second workpiece holder as a first and / or second remotely controllable chuck, the first Chuck a rotating union for a pressurized medium or a slip ring for performing electrical Has energy.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Reibschweißvorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.Further Details, features and advantages of the invention result from the following description of a preferred embodiment a friction welding device with reference to the drawings.

Darin zeigen:In this demonstrate:

1 eine Schnittansicht durch eine Reibschweißvorrichtung; 1 a sectional view through a friction welding device;

2 ein Blockdiagramm der Reibschweißvorrichtung mit Steuerungseinrichtung 2 a block diagram of the friction welding device with control device

3 ein Diagramm eines typischen Reibschweißvorganges der Reibschweißvorrichtung nach 1 und 2 3 a diagram of a typical friction welding process of the friction welding device 1 and 2

Gemäß 1 und 2 hat eine Reibschweißvorichtung einen Motor 1 mit einer um eine Achse 3 drehbare Motorwelle 2, an der eine erste Werkstückaufnahme 4 angeordnet ist, um ein erstes Werkstück 5 zu spannen. Der Motor 1 ist an einem Rahmen 6 (nur schematisch dargestellt) befestigt. Gegenüber dem ersten Werkstück 5 ist am Rahmen 6 eine zweite Werkstückaufname 7 angeordnet, um ein zweites Werkstück 8 zu spannen, das mit dem ersten Werkstück 5 reibverscheißt werden kann. In 1 sind das erste Werkstück 5 und das zweite Werkstück 8 unter Ausbildung einer Schweißwulst 9 verschweißt dargestellt. Die erste Werkstückaufnahme 4 ist als ein fernsteuerbares Spannfutter mit einer Drehdurchführung 10 für ein unter Druck stehendes Medium, wie Druckluft oder Drucköl ausgebildet.According to 1 and 2 a friction welding device has a motor 1 with one around an axis 3 rotatable motor shaft 2 on which a first workpiece holder 4 is arranged around a first workpiece 5 to stretch. The motor 1 is on a frame 6 (only shown schematically) attached. Compared to the first workpiece 5 is on the frame 6 a second workpiece holder 7 arranged to a second workpiece 8th to clamp that with the first workpiece 5 can be rubbed off. In 1 are the first workpiece 5 and the second workpiece 8th forming a sweat 9 shown welded. The first workpiece holder 4 is a remote controllable chuck with a rotating union 10 designed for a medium under pressure, such as compressed air or compressed oil.

Der als Elektromotor ausgebildete Motor 1 hat ein Motorgehäuse 11, in dem die Motorwelle 2 über ein vorderes Lager 12 und ein hinteres Lager 13, die jeweils als Magnetlager ausgebildet sind, drehbar und in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist. Die Magnetlager haben eine erste Sensoreinrichtung 14 zum Erfassen und Überwachen des Rundlaufs und der Lage der Motorwelle 2. Die Magnetlager sind berührungsfreie Lager der Motorwelle 2 gegenüber dem Motorgehäuse 11 und beinhaltet jeweils als eine Einheit ein Radiallager zum drehbaren Lagern der Motorwelle und ein Linearlager, um die Motorwelle 2 gegenüber dem Motorgehäuse 11 axial verschiebbar zu lagern. Die Magnetlager haben eine ringförmige äußere Wicklung 15, die am Motorgehäuse 11 befestigt ist und einen an der Motorwelle 2 angeordneten, zylindrischen Kern 16, der über einen Luftspalt 17 in der äußeren Wicklung 15 drehbar und in axialer Richtung 3 verschiebbar gelagert ist.The motor designed as an electric motor 1 has a motor housing 11 in which the motor shaft 2 via a front bearing 12 and a rear bearing 13 , each of which is designed as a magnetic bearing, is rotatably and slidably mounted in the axial direction. The magnetic bearings have a first sensor device 14 for detecting and monitoring the concentricity and the position of the motor shaft 2 , The magnetic bearings are non-contact bearings on the motor shaft 2 compared to the motor housing 11 and each includes as a unit a radial bearing for rotatably supporting the motor shaft and a linear bearing for the motor shaft 2 compared to the motor housing 11 to be axially displaceable. The magnetic bearings have an annular outer winding 15 that on the motor housing 11 is attached and one on the motor shaft 2 arranged, cylindrical core 16 over an air gap 17 in the outer winding 15 rotatable and in the axial direction 3 is slidably mounted.

Auf der Motorwelle 2 ist auf einem mittleren Abschnitt zwischen dem vorderen 12 und hinteren Lager 13 ein Anker 18 angeordnet, der von einer im Motorgehäuse 11 angeordneten Statorwicklung 19 zur Drehfelderzeugung umgeben ist. Ebenfalls zwischen dem vorderen 12 und hinteren Lager 13 ist eine axiale Antriebseinrichtung 20 vorgesehen, um die Motorwelle 2 in axialer Richtung hin und her zu bewegen und um die Reib- und Stauchkräfte beim Reibschweißen zwischen den Werkstücken aufzubringen. Die axiale Antriebseinrichtung 20 ist als ein elektrischer Hubmagnet 21 ausgebildet. Der Hubmagnet 21 hat eine als Anker 22 ausgebildete Scheibe 23, die an der Motorwelle 2 angeordnet ist, und er hat jeweils axial vor und hinter der Scheibe 23 Hubwicklungen 24 zur Erzeugung der Axialkraft angeordnet. In Abhängigkeit von der Bestromung der Hubwicklungen 24 ist die Motorwelle 2 in axialer Richtung 3 hin und her bewegbar und die Höhe der Aixalkraft einstellbar. Benachbart zur Scheibe 23 ist am Motorgehäuse 11 eine zweite Sensoreinrichtung 25 zum Erfassen der axialen Position der Motorwelle 2 und der axialen Geschwindigkeit der Motorwelle 2 angeordnet.On the motor shaft 2 is on a middle section between the front 12 and rear bearings 13 an anchor 18 arranged by one in the motor housing 11 arranged stator winding 19 is surrounded for generating rotating fields. Also between the front 12 and rear bearings 13 is an axial drive device 20 provided to the motor shaft 2 to move back and forth in the axial direction and to apply the friction and upsetting forces during friction welding between the workpieces. The axial drive device 20 is as an electrical solenoid 21 educated. The lifting magnet 21 has one as an anchor 22 trained disc 23 that on the motor shaft 2 is arranged, and it has axially in front of and behind the disc 23 Hubwicklungen 24 arranged to generate the axial force. Depending on the energization of the lifting windings 24 is the motor shaft 2 in the axial direction 3 movable back and forth and the level of the aixal force adjustable. Adjacent to the disc 23 is on the motor housing 11 a second sensor device 25 for detecting the axial position of the motor shaft 2 and the axial speed of the motor shaft 2 angeord net.

Gemäß 2 ist ein Blockschaltbild der Reibschweißvorrichtung mit einer Steuerungseinrichtung 26 dargestellt. Die Steuerungseinrichtung 26 hat ein Eingabeterminal 27, eine Maschinensteuerung 28, eine Regelungselektronik 29 und eine Leistungselektronik 30, die mit dem Motor 1, in den die axiale Antriebsvorrichtung 20 integriert ist, über Signalleitungen und Leistungsleitungen verbunden sind.According to 2 is a block diagram of the friction welding device with a control device 26 shown. The control device 26 has an input terminal 27 , a machine control 28 , control electronics 29 and power electronics 30 that with the engine 1 in which the axial drive device 20 is integrated, connected via signal lines and power lines.

Der im Motor 1 kombiniert angeordnete Dreh- und Axialantrieb wird über die Leistungselektronik 30 getrieben. Die im Dreh- und Axialantrieb befindliche erste 14 und zweite Sensoreinrichtung 25 dienen der Regelungselektronik 29 zum Ausregeln von Drehzahl der Motorwelle 2, axialem Weg der Motorwelle 2, axialer Kraft der Motorwelle und der magnetischen Lagerung. Aus den Sensorsignalen der ersten 14 und der zweiten Sensoreinrichtung 25 werden in der Regelungselektronik 29 Signale für die Maschinensteuerung 28 gebildet. Diese Signale werden durch die Maschinensteuerung 28 auf Einhaltung der Grenzen und auf Ihren Verlauf überwacht, und dienen somit auch zur Qualitätssicherung des Reibschweißprozesses.The one in the engine 1 combined rotary and axial drive is via the power electronics 30 driven. The first in the rotary and axial drive 14 and second sensor device 25 are used for control electronics 29 to regulate the speed of the motor shaft 2 , axial path of the motor shaft 2 , axial force of the motor shaft and the magnetic bearing. From the sensor signals of the first 14 and the second sensor device 25 are used in control electronics 29 Machine control signals 28 educated. These signals are generated by the machine control 28 monitored for compliance with the limits and their progress, and thus also serve for quality assurance of the friction welding process.

Die Maschinensteuerung 28 gibt andererseits die für den jeweiligen Reibschweißprozess nötigen Parameter, wie Drehzahl und Drehmoment der Motorwelle 2, axiale Kraft der Motorwelle, axialer Weg und axiale Geschwindigkeit der Motorwelle usw., an die Regelungselektronik 29. Zur Mensch-Maschine-Kommunikation dient das Eingabeterminal 27.The machine control 28 on the other hand gives the parameters necessary for the respective friction welding process, such as speed and torque of the motor shaft 2 , axial force of the motor shaft, axial travel and axial speed of the motor shaft etc., to the control electronics 29 , The input terminal is used for human-machine communication 27 ,

Die Regelelektronik 29 ermöglicht über die Stromstärkenregelung mit überlagerter Positionskompensation die Einleitung einer definierten axialen und/oder rotatorischen Kraft auf die Motorwelle 2. Sowohl die axiale Kraft als auch rotatorische Kraft bzw. das Drehmoment auf die Motorwelle 2 kann prozessabhängig über den Reibschweißverlauf variiert werden. (Anreiben, Reiben und Stauchen).The control electronics 29 enables the introduction of a defined axial and / or rotational force on the motor shaft via the current intensity control with superimposed position compensation 2 , Both the axial force and the rotational force or the torque on the motor shaft 2 can be varied depending on the process using the friction welding process. (Rubbing, rubbing and upsetting).

Die axiale Position der Motorwelle 2 wird über die in der axialen Antriebseinrichtung 20 integrierten zweite Sensoreinrichtung 25 erfasst und steht der Maschinensteuerung 28 zu Steuerungs- und Überwachungszwecken zur Verfügung. Über die Statorwicklung 19 wird der Anker 18 in Rotation versetzt, und sorgt für die nötige Drehzahl der Motorwelle 2. Die Drehzahl der Motorwelle 2 ist in einem sehr weiten Bereich verstellbar, da keine mechanischen bzw. reibungsbehafteten Lagerungen die Drehzahl der Motorwelle 2 beschränken. Die möglichen Drehzahlen eines solchen Antriebs liegen zwischen 100 und 60.000 min^–1. In der Reibschweißpraxis werden jedoch im wesentlichen keine höheren Drehzahlen als 20.000 min^–1 gefahren, da mit zunehmender Drehzahlerhöhung die zur Wärmeeinbringung nötigen Reibmomente abnehmen. Ein Großteil der Schweißungen erfolgt in einem Drehzahlbereich von 1.000–5.000 min^–1.The axial position of the motor shaft 2 is about in the axial drive device 20 integrated second sensor device 25 records and stands the machine control 28 available for control and monitoring purposes. About the stator winding 19 becomes the anchor 18 set in rotation, and ensures the necessary speed of the motor shaft 2 , The speed of the motor shaft 2 can be adjusted in a very wide range, since there are no mechanical or friction bearings in the speed of the motor shaft 2 restrict. The possible speed of such a drive range from 100 to 60,000 rpm ^-1. In friction welding practice, however, essentially no speeds higher than 20,000 min ^{−1 are} driven, since the increasing the speed increase, the friction torques necessary for the introduction of heat decrease. The majority of the welds take place in a speed range of 1,000–5,000 min ^–1 .

Die Drehzahl der Motorwelle 2 wird von der Regelungselektronik 29 an die Maschinensteuerung 28 weitergereicht, und steht somit der Maschinensteuerung 28 zu Steuerungs- und Überwachungszwecken insbesondere zur Überwachung des Schweißergebnisses zur Verfügung.The speed of the motor shaft 2 is from the control electronics 29 to the machine control 28 passed on, and is therefore the machine control 28 for control and monitoring purposes, in particular for monitoring the welding result.

Gemäß 3 ist ein Diagramm eines typischen Reibschweißvorganges dargestellt, wie er mit der vorstehend beschriebenen Reibschweißvorrichtung möglich ist. Das Diagramm zeigt zeitlich überlagert den Reibdrehzahlverlauf 31, d.h. den Verlauf der Drehzahl der Motorwelle 2 und damit die Drehzahl des ersten Werkstücks 5 gegenüber dem feststehenden zweiten Werkstück 8, den Reibkraftverlauf 32, d.h. den Verlauf der Höhe der axialen Kraft, mit der die Motorwelle 2 das erste Werkstück 4 gegen das zweite Werkstück 8 drückt und den Wegverlauf 33, d.h. den Verlauf des axialen Wegs der Motorwelle 2 und damit des ersten Werkstücks 5 hin zum zweiten Werkstück 8, jeweils über der Zeit.According to 3 a diagram of a typical friction welding process is shown, as is possible with the friction welding device described above. The diagram shows the friction speed curve superimposed over time 31 , ie the course of the speed of the motor shaft 2 and thus the speed of the first workpiece 5 compared to the fixed second workpiece 8th , the friction force curve 32 , ie the course of the amount of axial force with which the motor shaft 2 the first workpiece 4 against the second workpiece 8th presses and the route 33 , ie the course of the axial path of the motor shaft 2 and thus the first workpiece 5 towards the second workpiece 8th , each over time.

Zum Zeitpunkt t0, bei dem die Motorwelle 2 mit der voreingestellten Reibdrehzahl dreht, erfolgt die Berührung des ersten Werkstücks 5 mit dem zweiten Werkstück 8. Die Berührung der zwei Werkstücke 5 und 8 wird durch einen Anstieg des Drehmoments des Motors 1 und/oder der Stagnation des Weges im Moment der Berührung der zwei Werkstücke 5 und 8 erfasst. Der Zeitabschnitt t1 entspricht der Anreibzeit, bei der die Anreibkraft F1 anliegt und während der kein Weg zurückgelegt wird. Der darauffolgende Zeitabschnitt t2 entspricht der Reibzeit, bei der die Reibkraft F2, die höher als die Anreibkraft F1 ist, anliegt und während der der Weg W1 zurückgelegt wird. Der darauffolgende Zeitabschnitt t3 entspricht der Stauchverzögerung, deren anfänglicher Zeitabschnitt t4 der Bremsverzögerung entspricht. Während des Zeitabschnitts t3 liegt die Reibkraft F2 an, wobei die Drehzahl der Motorwelle 2 abgebremst und bis zum Ende des Zeitabschnitts t3 der gesamte Reibweg W2 zurückgelegt wird. Am Ende der Stauchverzögerung t3 haben die Kontaktbereiche der zwei Werkstücke 5 und 8 durch die Reibung eine Temperatur erreicht, die für ein Stauchverschweißen der beiden Werkstücke geeignet ist. Der darauffolgende Zeitabschnitt t5 entspricht der Stauchzeit, zu deren Beginn die Stauchkraft F3 aufgebracht wird, die wesentlich höher als die Reibkraft F2 ist. Während des Stauchvorgangs wird der Weg W3 zurückgelegt. Der darauffolgende Zeitabschnitt t4 entspricht der Nachreibzeit bei der die Nachpresskraft F4 anliegt, die kleiner oder größer als die Stauchkraft F3 sein kann. Nach Ablauf der Nachpresszeit t6 wird die axiale Kraft auf den Wert Null reduziert. Das erste Werkstück 5 ist nun mit dem zweiten Werkstück 8 verschweißt. Durch die Elastizität der Reibschweißvorrichtung federn die nun nicht mehr mit der axialen Kraft beaufschlagten Bauteile der Reibschweißvorrichtung um den Weg W4 zurück, so dass eine Gesamtverkürzung W4 bei den zu verschweißenden zwei Werkstücken 5 und 8 verbleibt.At time t0 at which the motor shaft 2 with the preset friction speed, the first workpiece is touched 5 with the second workpiece 8th , The touch of the two workpieces 5 and 8th is caused by an increase in the torque of the engine 1 and / or the stagnation of the path when the two workpieces come into contact 5 and 8th detected. The time period t1 corresponds to the rubbing time at which the rubbing force F1 is applied and during which no distance is covered. The subsequent time period t2 corresponds to the friction time at which the friction force F2, which is higher than the friction force F1, is present and during which the distance W1 is covered. The subsequent time period t3 corresponds to the compression delay, the initial time period t4 corresponding to the braking deceleration. During the period t3, the frictional force F2 is applied, the speed of the motor shaft 2 braked and the entire friction path W2 is covered until the end of the time period t3. At the end of the compression delay t3 the contact areas of the two workpieces have 5 and 8th reached a temperature due to the friction, which is suitable for upsetting the two workpieces. The subsequent time period t5 corresponds to the compression time, at the beginning of which the compression force F3 is applied, which is significantly higher than the friction force F2. The path W3 is covered during the upsetting process. The subsequent time period t4 corresponds to the wiping time at which the re-pressing force F4 is applied, which can be smaller or larger than the compression force F3. After the repressing time t6, the axial force is reduced to zero. The first workpiece 5 is now with the second workpiece 8th welded. Due to the elasticity of the friction welding device, the components of the friction welding device that are no longer subjected to the axial force spring back by the distance W4, so that an overall reduction W4 in the two workpieces to be welded 5 and 8th remains.

Nachdem der Schweißvorgang beendet ist, wird die erste Werkstückaufname 4 geöffnet und die axiale Antriebsvorrichtung 20 fährt die Motorwelle 3 in ihre axiale Ausgangsposition zurück (Pfeil 3a) und die zwei verschweißten Werkstücke können aus der zweiten Werkstückaufnahme 7 entnommen werden.After the welding process is finished, the first workpiece pickup 4 opened and the axial drive device 20 drives the motor shaft 3 back to their axial starting position (arrow 3a ) and the two welded workpieces can be removed from the second workpiece holder 7 be removed.

Die Reibschweißvorrichtung ist für alle Einsatzfälle geeignet, in denen es um eine wirtschaftliche Verschweißung, bevorzugt von kleinerer Querschnitte geht. Es kann sich hierbei um gleichartige, wie auch ungleichartige Werkstoffpaarungen handeln. Die maximale Stauchkraft ergibt sich aus der Geometrie des Motors 1 mit seinen entsprechenden Luftspalten und dem erforderlichen axialen Hub (Pfeil 3).The friction welding device is suitable for all applications in which it is a matter of economical welding, preferably of smaller cross sections. These can be similar as well as dissimilar material pairings. The maximum compression force results from the geometry of the engine 1 with its corresponding air gaps and the required axial stroke (arrow 3 ).

Die bevorzugten Einsatzbereiche dieser Reibschweißvorrichtung sind die Serienfertigung von Bolzen, Stößeln, Schrauben, Bohrern, Ventilen etc. bis zu Bauteildurchmessern von bevorzugt 10mm. Die Werkstoffe können aus unterschiedlichen Materialien und Härten bestehen. Bei entsprechender Dimensionierung des Antriebs können auch größere Durchmesser verschweißt werden.The The preferred areas of application for this friction welding device are series production of bolts, plungers, screws, Drills, valves etc. up to component diameters of preferred 10mm. The materials can consist of different materials and hardness. With appropriate Dimensioning of the drive can also larger diameters welded become.

Anstatt den Motor 1 als Elektromotor auszubilden, kann der Motor 1 auch als Pneumatikmotor, Hydraulikmotor, Verbrennungsmotor oder Ähnliches ausgebildet werden.Instead of the engine 1 the motor can be designed as an electric motor 1 can also be designed as a pneumatic motor, hydraulic motor, internal combustion engine or the like.

Anstatt die axiale Antriebseinrichtung 20 als elektrischen Hubmagneten auszubilden kann die axiale Antriebseinrichtung 20 auch als elektrischer Linearmotor oder als hydraulischer oder pneumatischer Linearantrieb ausgebildet werden. Gegebenenfalls muss zwischen der Motorwelle 2 und der axialen Antriebseinrichtung 20 eine axiale Zwischenlagerung vorgesehen werden.Instead of the axial drive device 20 The axial drive device can be designed as an electrical lifting magnet 20 can also be designed as an electric linear motor or as a hydraulic or pneumatic linear drive. If necessary, between the motor shaft 2 and the axial drive device 20 an axial intermediate storage can be provided.

Anstatt als Lagereinheit zur radialen Lagerung und zur axialen Beweglichkeit der Motorwelle ein Magnetlager vorzusehen, kann auch eine einfache Lagerbuchse oder ein Zylinderrollenlager vorgesehen werden, die oder das eine axiale Beweglichkeit der Motorwelle 2 zulässt.Instead of providing a magnetic bearing as a bearing unit for the radial bearing and for the axial mobility of the motor shaft, a simple bearing bush or a cylindrical roller bearing can also be provided which provides the motor shaft with axial mobility 2 allows.

Claims

Friction welding device for welding two workpieces ( 5 . 8th ) with: one motor ( 1 ) for turning the first workpiece ( 5 ) around an axis ( 3 ) relative to the second workpiece ( 8th ), an axial drive device ( 20 ) along the axis ( 3 ) to apply the friction and compression force between the two workpieces ( 5 . 8th ), the engine ( 1 ) a motor shaft ( 2 ) with which the first workpiece ( 5 ), characterized in that the motor shaft ( 2 ) via a linear bearing ( 12 . 13 ) is axially displaceable and the axial drive device ( 20 ) on the motor shaft ( 2 ) acts.

Device according to claim 1, characterized in that the motor ( 1 ) a motor housing ( 11 ) and that the motor shaft ( 2 ) using preferably two spaced-apart linear bearings ( 12 . 13 ) compared to the motor housing ( 11 ) is mounted and relative to the motor housing ( 11 ) is axially displaceable.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the motor ( 1 ) a motor housing ( 11 ) and the motor shaft ( 2 ) is preferably mounted by means of two spaced-apart radial bearings.

Device according to claim 1 or 2 and 3, characterized in that the linear bearing ( 12 . 13 ) and the radial bearing form a bearing unit which is designed to hold the motor shaft ( 2 ) to be guided radially and to be axially displaceable.

Device according to claim 4, characterized in that the bearing unit as an axially displaceable radial magnetic bearing is trained.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the magnetic bearing comprises a first sensor device ( 14 ) to measure the concentricity and the position of the motor shaft ( 2 ) has the concentricity and the position of the motor shaft ( 2 ) to regulate without contact.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the axial drive device ( 20 ) is designed as an electrical axial drive device, preferably as an electrical lifting magnet or as an electrical linear drive, and in that the motor ( 1 ) is designed as an electric motor.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the electrical axial drive device comprises a second sensor device ( 25 ) to detect the axial position of the motor shaft ( 2 ) and the axial speed of the motor shaft ( 2 ) Has.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the axial drive device ( 20 ) in the engine ( 1 ) is integrated in such a way that the drive is directly on the motor shaft ( 2 ) acts and that the axial drive device is preferably arranged between the two radial bearings.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that a control device ( 26 ) is provided, which with the first and / or the second sensor device ( 14 . 25 ) is electrically connected, and that the control device ( 26 ) together with the first and / or the second sensor device ( 14 . 25 ) for guiding and monitoring the friction welding processes, especially for controlling the speed of the motor shaft ( 2 ) and the axial friction and compression movement of the motor shaft ( 2 ) and can be used to monitor the welding quality.

Apparatus according to claim 10, characterized in that the control device ( 26 ) power electronics ( 30 ) to control the performance of the engine ( 1 ) and the axial drive device ( 20 ) Has.

Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the first workpiece ( 5 ) via a first workpiece holder ( 4 ) on the motor shaft ( 2 ) is arranged and that a frame ( 6 ) is provided and that the motor housing ( 11 ) on the frame ( 6 ) is attached to which opposite the motor shaft ( 2 ) the second workpiece ( 8th ) preferably via a second workpiece holder ( 7 ) is arranged.

Device according to claim 12, characterized in that the first and / or the second workpiece holder ( 4 . 7 ) is designed as a first and / or second remotely controllable chuck, the first chuck having a rotary feedthrough ( 10 ) for a medium under pressure or a slip ring for the passage of electrical energy.