DE2436128C3 - Vorrichtung und Verfahren zum Reibungsschweißen - Google Patents

Description

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite 55

Antrieb eine Zahnstange [36a) und ein Ritzel (35) aufweist, wobei die Zahnstange (36a) von einer

Betätigungseinrichtung (41) zu einem Hubende Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein

angetrieben wird, wo der Phasenwinkel zwischen Verfahren zum Zusammenschweißen von metallischen den Werkstücken vorher festgelegt ist, und daß das 60 Werkstücken durch Ausnutzung von Wärme, die durch Ritzel (35) mit einer weiteren Kupplungsscheibe (34) Reibung erzeugt wird oder durch Kontaktieren von versehen ist, die mit der Kupplungsscheibe (31) der zwei Werkstücken miteinander unter einem Druck bei Hauptwelle (2) in einem speziellen Phasenwinkel in einer Relativdrehung, und insbesondere eine Vorrich-Eingriff bringbar ist. tung und ein Verfahren zum »Reibungsschweißen«, das

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden 65 mit einem speziellen Phasenwinkel bzw. einer besonde-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite ren Winkelstellung zwischen den Werkstücken beendet Antriebseinrichtung (15) wahlweise mit der Haupt- wnrd.

welle (2) mittels eines Freilaufes (12) in Eingriff Wenn man zwei Werkstücke wirksam miteinander

bringbar ist, die eine Ausführungsform der anderen Kupplung darstellt

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtungen eine Nockenplatte (11) aufweisen, die wenigstens eine Stoßfläche (28) und einen beweglichen Anschlag (19) für das Anschlagen a,t der Stoßfläche haben.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensor (52), einen digitalen Zähler und einen Impulsgeber, wobei der Sensor eine Öffnung (53) überwacht, die an einer Scheibe (51) vorgesehen ist, welche mit der Hauptwelle (2) drehbar ist

10. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zwecks Reibungsverschweißung von Werkstücken aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zu verschweißende Werkstücke in einer vorher festgelegten speziellen Phasenbeziehung von einem Paar von Spannfuttern eingespannt werden, die relativ drehbar und relativ aufeinander zu und voneinander weg in einer koaxialen Richtung und selektiv unter einer steuerbaren Axialkraft bewegbar sind, daß die Werkslücke durch einen ersten Antrieb unter der Axialkraft durch eine Betätigungseinrichtung relativ rotieren gelassen werden, damit Wärme durch Reibung erzeugt wird, daß die Relativdrehung schnell wenigstens durch Unterbrechen der Eingangsenergie für die Drehung (mittels einer Kupplung) verringert wird, daß das sich drehende Werkstück, bevor es frei von der Energiezufuhr zum Stillstand kommt, wieder zwangsweise durch einen abwechselnden Antrieb angetrieben wird, der mit einer relativ niedrigen konstanten Drehzahl läuft, und daß das Werkstück plötzlich zum Stillstand angehalten wird, wenn eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen den Werkstücken erreicht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Hauptwelle von einer Bremse ein Bremsmoment ausgeübt wird, wenn die Energiezufuhr zur Hauptwelle durch eine Kupplung unterbrochen ist, und daß eine weitere Kupplung in Eingriff bringbar ist, die zwischen Hauptwelle und dem abwechselnden Antrieb wirkt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Überwachung des Winkelintegrals der Drehung der Hauptwelle begonnen wird, wenn der Stauchabschnitt beginnt, und daß die Bremse von einem Signal freigegeben wird, das gerade dann gegeben wird, wenn das Winkelintegral der Drehung gleich einer vorher festgelegten Anzahl von Impulsen ist.

durch Reibungsschweißen mit einem bestimmten speziellen Phasenwinkel dazwischen verschweißen könnte, würde der Anwendungsbereich im weiten Maße erhöht, da die fertiggestellten Werkstücke auf einmal zu einem fertigen Endprodukt reibungsversch .veißt werden könnten. Dies wird bei der herkömmlichen Reibungsschweißung seit langem versucht, bei welcher zwei Metallstücke durch die Wärme miteinander verbunden werden, die durch die Relativdrehung erzeugt wird. Eine Reihe solcher Verfahren ist bereits bekannt (Japanische Patente 4 73 523,48 17 421, US-PS 37 05 678 keine Relativdrehung).

Es hat sich jedoch gezeigt, daß es durch diesen Stand der Technik infolge der ihm anhaftenden Mangel nicht möglich war, eine ersetzbare, brauchbare Vorrichtung zu schaffen. Im Falle des einen bekannten Verfahrens erfolgt die Phasenwinkeleinstellung gerade nachdem die Relativdrehung zum Stillstand gekommen ist. Deshalb muß auf die einmal zusammengeschweißten Werkstücke zur Einstellung des Phasenwi-kels eine langsame Drehbewegung ausgeübt werden, was dazu führt, daß die physikalischen Eigenschaften des geschweißten Teils beeinträchtigt werden und/oder in einem weiten Bereich schwanken.

Im Falle des anderen bekannten Verfahrens (Jap. Pat. 18 17 421) wird die Phasenwinkeleinstellung dadurch ausgeführt, daß die Relativdrehung zu einem Zeilpunkt angehalten wird, wenn wenigstens 360° des Rotationswinkels noch verbleiben, um die Phaseneinstellung zu vervollständigen, ehe die Drehung endgültig aufhört, wobei die Drehzahl dabei gewöhnlich 300 bis 700 Upm beträgt. Ein sofortiges Anhalten ausgehend von einer derart hohen Drehzahl ergibt einen heftigen Stoß und ein lautes Geräusch. Die Vorrichtung ist sehr kurzlebig und somit für den wirtschaftlichen Einsatz nicht geeignet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen des Phasenwinkels zwischen zwei Werkstücken durch Einführen einer abwechselnd mit einer relativ niedrigen konstanten Drehzahl drehenden Einrichtung und durch ein anschließendes sofortiges Anhalten des Werkstükkes bis auf den Stillstand zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Relativdrehung zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken während der Drehung oder während eines ganzen Schweißzyklus nicht unterbrochen wird und die exakte Einstellung des Phasenwinkels genau dann abgeschlossen ist, wenn die Relativdrehung plötzlich zu einem Stillstand kommt. Die sich abwechselnd drehende Einrichtung ist mit der eigentlichen Antriebswelle bzw. der Hauptquelle mittels einer Kupplungseinrichtung in Eingriff bringbar, die wiederum mit einer »Einwegkupplung« bzw. einem Freilauf in Eingriff bringbar ist, der einen bereits bekannten Phasenwinkel hat.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reibungsverschweißen von zwei Metallwerkstücken unter einer Relativdrehung, wobei die beiden Werkstücke aus Metall mit einem bestimmten speziellen Phasenwinkel dazv-i jhen zusammengeschweißt werden. Diese spezielle Phasenbeziehung wird ohne daß die Relativdrehung einmal angehalten oder unterbrochen wird, um den Phasenwinkel einzustellen, durch eine sich abwechselnd drehende Einrichtung erreicht, die unabhängig von der eigentlichen, sich drehenden Einrichtung angetrieben wird und wahlweise mit der eigentlichen, sich drehenden Einrichtung in Eingriff bringbar ist.

Es ist zwar ein Verfahren zum Positionieren aus hohen Drehzahlen bekannt, wobei ein schnelles Abbremsen aus großen Winkelgeschwindigkeiten auf eine Schleichdrehzahl erfolgt, die Position gesucht und das Werkstück ganz abgebremst wird, wenn die Position erreicht ist Dieses Verfahren ist jedoch bislang nur zum Betrieb von Drehmaschinen, nicht jedoch zum Reibungsverschweißen von Werkstücken eingesetzt worden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 ist ein Horizontalschnitt längs der Mittellinie der Hauptwelle einer Ausführungsform einer bekannten Vorrichtung;

F i g. 2 zeigt in einem Diagramm die Druck- und Drehzahlabhängigkeit von der Zeit;

F i g. 3 zeigt in einem Querschnitt wie F i g. 1 eine Ausführungsform einer erfinduiigsgemäßen Vorrichtung;

Fig.4 ist ein Horizontalschnitt eines Teils einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5A und 5B zeigen einen Vertikalschnitt eines Teils um einen Anschlag der Ausführungsform von Fig. 3 und zwar in Fig. 5A vor dem Eingriff und in F i g. 5B nach dem Eingriff.

F i g. 6A und &B zeigen in Diagrammen die Abhängigkeit des Druckes Pbzw. die Drehzahl Nder Hauptwelle abhängig von der Zeit T.

F i g. 7 zeigt in einem Diagramm vergrößert das Teil 7 von F i g. 6B.

Fig.8 zeigt in einer Schnittansicht wie Fig. 3 eine dritte Ausführungsform.

Fig. 9 und 10 sind Schnitte längs der Linie 9-9 und 10-10 von Fig. 8.

Fig. HA, HB und HC zeigen eine teilweise Seitenansicht der Hauptwelle und im Schnitt eine abwechselnde Antriebseinrichtung im Zustand des Kontaktes (/ψ, im Gleitzustand (B) und im Eingriff (C).

Fig. 12A und 12B zeigen in Diagrammen die Abhängigkeit des Drucks P bzw. der Drehzahl N der Hauptwelle von F i g. 8 von der Zeit T.

Fig. 13 zeigt in einer Schnittansicht wie Fig. 3 eine vierte Ausführungsform.

Fig. 14 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Drehzahl N von der Zeit T der Ausführungsform von Fig. 13.

Fig. 15 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Ausführungsform von Fig. 13.

Bevor näher auf die erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Vorrichtung eingegangen wird, wird zuerst eine herkömmliche Reibungsschweißvorrichtung anhand von F i g. 1 erläutert.

An einer Welle a, der sogenannten Hauptwelle, die von einem Antrieb c angetrieben wird, davon jedoch wahlweise und plötzlich mittels einer Kupplung g trennbar ist, ist drehbar ein Werkstück b eingespannt. Ein weiteres Werkstück e ist auf einem verschiebbaren Tisch d eingespannt, auf den mittels einer hydraulischen Betätigungseinrichtung /ein Berührungsdruck oder ein Stauch- bzw. Preßdruck aufbringbar ist.

Die Druckänderung, d. h. der Kontaktdruck P\ und der Stauchdruck Pi, über dem Zeitablauf Tist in F i g. 2 verglichen mit der Änderung der Drehzahl N der Hauptwelle a abhängig von der Zeit T gezeigt. Man sieht, daß eine plötzliche Abnahme der Drehzahl dadurch erfolgt, daß die Kupplung g freigegeben und gleichzeitig eine Bremskraft ausgeübt wird, wenn der

Reibungsabschnitt zum Stauchabschnitt übergeht und der Kontaktdruck P\ zum Stauchdruck P₂ wird.

In Fig.3 hält eine Welle 2, die nachstehend als Hauptwelle bezeichnet wird und von Lagern 2a, 2b, 2c usw. abgestützt ist, die an einem ortsfesten Rahmen 1 sitzen, ein Metallwerkstück 3 durch ein Spannfutter 4, das auf div Welle 2 sitzt. Die Welle 2 kann von einem Motor 10 über eine Kupplung 9 und ein Paar von Scheiben 6, 8, die durch eine Vielzahl von Riemen 7 in Wirkungsverbindung stehen, mit relativ hoher Drehzahl, gewöhnlich über 2000 Upm, iu Drehung versetzt werden. Die Drehgeschwindigkeit kann jedoch plötzlich abgesenkt werden, indem der Eingriff der Kupplung 9 gelöst und von einer Bremse 5 eine Bremskraft aufgebracht wird.

Auf der Hauptwelle 2 sind durch Paßfedern 11a bzw. 12a eine scheibenförmige Nockenplatte 11 und eine innere Lauffläche 126 eines Freilaufes 12 festgelegt. Auf der äußeren Lauffläche 12c der Kupplung bzw. des Freilaufes 12 sitzt ein Zahnrad 13, das mit einem weiteren Zahnrad 17 kämmt, welches von einem Hydraulikmotor 14 über eine Kupplung 14a und eine Welle 16 angetrieben wird. Die Drehzahl des Zahnrades ■ 13 ist relativ niedrig und beträgt beispielsweise 200 Upm. Die Hauptwelle 2 gleitet bzw. rutscht mit Schlupf weiter, während sie sich mit einer Drehzahl dreht, die größer als 200 Upm ist. Das Zahnrad 13 übernimmt es jedoch, die Hauptwelle 2 anzutreiben, wenn die Drehzahl einmal niedriger als 200 Upm wird und zwar infolge der Funktion des Freilaufes 12. Die kritische Drehzahl von 200 Upm wird als »Einstelldrehzahl« bezeichnet und die abwechselnde Antriebseinheit mit »abwechselnder Antrieb« 15.

Auf der Nockenplatte 11 ist, wie in den F i g. 5A und 5B gezeigt ist, ein ausgenommenes Teil 18 vorgesehen, welches eine Anschlags- oder Positionierfläche 28 für das Verbinden oder Auftreffen auf einer Fläche 29 eines Anschlags 19 hat, der wahlweise von einem Kolben 21 eines Hydraulikzylinders 20 betätigt wird, der an dem Rahmen 1 sitzt, so daß die Drehung der Hauptwelle 2 sofort angehalten wird. Der Anschlag 19 ist durch eine in den Rahmen 1 gebohrte Öffnung 19a geführt, durch eine Vorspannfeder 22 gedämpft und lose mit dem Kolben 21 verbunden.

In F i g. 4 ist für den Positioniermechanismus, der die Hauptwelle 2 sofort anhält, welche sich mit einer niedrigeren Drehzahl durch einen »abwechselnden Antrieb« 15 dreht, eine weitere Ausführungsform gezeigt. Die Positionierung wird dadurch erreicht, daß eine Stoßfläche 28' einer Kupplung 11', die auf der Hauptwelle 2 gleitend verschiebbar ist, mit einer Stoßfläche 29' einer Kupplung 19' in Kontakt gebracht wird, die an dem Rahmen 1 festgelegt ist Die Kupplung 11' kann gleitend durch Verschwenken eines Hebels Wb im Uhrzeigersinn verschoben werden, der schwenkbar von einem ortsfesten Zapfen ll'c gehalten ist und wahlweise durch eine Feder 22' mittels eines Hydraulikkolbens 2i' eines Zylinders 20' betätigt werden kann, der an dem Rahmen 1 festgelegt ist. Wenn die Stoßflächen 28' und 29' in Eingriff kommen, wird die Hauptwelle 2 sofort angehalten.

Wie in F i g. 3 gezeigt ist ist das andere Werkstück 23 durch ein Spannfutter 24 festgehalten, welches auf einem Tisch 25 festgelegt ist der koaxial zur Hauptwelle 2 auf einem Hilfsrahmen 26 mittels einer hydraulischen Betätigungseinrichtung 27 gleitend verschiebbar ist. Die Betätigungseinrichtung 27 kann einen steuerbaren Druck ausüben, d. h. einen Druck für den Kontakt oder das Stauchen zwischen den beiden Werkstücken 3 und 23. Die Spannfutter 4 und 24 sind vorzugsweise mit einer Winkeleinteilung für die Phaseneinstellung versehen.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform von F i g. 3 wird anhand der F i g. 6 und 7 erläutert. Die Werkstücke 3 und 23 sind in einer festgelegten Phase eingespannt. Die Kupplung 9 ist mit dem Antrieb der Hauptwelle 2 mit einer vorher festgelegten Relativgeschwindigkeit Ni gekuppelt. Es beginnt der Aufheizabschnitt durch den Kontakt der beiden Werkstücke unter einem vorher festgelegten Kontaktdruck P\. Nach einer festgelegten Zeit 71, die durch Zeitmessung oder einen Zeitgeber angezeigt oder durch die Stauchung gemessen oder die Gesamtlänge der Werkstücke bestimmt werden kann, beginnt der Stauchabschniti durch Freigabe der Kupplung 9, i. e. durch Unterbrechung der Leistung von dem Antrieb 10, durch Anlegen eines Bremsmomentes von der Bremse 5 und durch Erhöhen des Druckes auf einen vorher festgelegten Stauchdruck P₂. Dadurch nimmt die Drehzahl N der Hauptwelle 2 schnell ab. Andererseits beginnt der Hydraulikmotor 14 das Zahnrad 13 zu drehen und hält es bei einer bestimmten Einstelldrehzahl, beispielsweise bei 200 Upm, am Drehen.

Nach einer vorher festgelegten Zeitdauer T₂ vom Beginn des Stauchabschnittes an wird die Bremse 5 bei einer Geschwindigkeit freigegeben, die höher ist als die Einstellgeschwindigkeit, bei welcher die Freilaufkupplung sich gleitend weiterdreht. Wenn die Drehzahl der Hauptwelle auf eine Geschwindigkeit abfällt, die nicht höher ist als die kritische Drehzahl, treibt der abwechselnde Antrieb 15 die Hauptwelle 2 anstelle der eigentlichen Antriebsquelle, des Motors 10, infolge der Wirkung des Freilaufes 12 an. Dies führt dazu, daß die Drehzahl der Hauptwelle 2 konstant auf der Einstelldrehzahl N₂ gehalten wird. Wenn die Drehzahl N der Hauptwelle 2 gleich N₂ wird, d. h. im Augenblick T3 in Fig. 7, übernimmt das Zahnrad 13 den Antrieb für die Hauptwelle 2 und der Kolben 21 wird durch die Wirkung des Zylinders 20 herausgedrückt, um den Anschlag 19 mit dem Nocken 11 in Eingriff zu bringen und um schließlich die Hauptwelle 2 oder das Werkstück 3 in einem vorher festgelegten Phasenwinkel zum Werkstück 23 anzuhalten.

Wenn die Stoßfläche 28 an einer Stelle am Nocken 11, was aus Fig. 5A und 5B zu sehen ist, vorgesehen ist, muß die Fläche 28 an der Stoßfläche 29 innerhalb eines Drehwinkels zum Anliegen kommen, der 360° nicht überschreitet. Wenn zwei oder vier Stoßflächen 28 Hiacmnni vorgesehen sind, tritt dns Aneinsnderüe^en oder Anhalten innerhalb eines Drehwinkels von 180 bzw. 90° ein.

Der Anschlagstoß zwischen dem Anschlag 19 und dem Nocken 11 ist nicht groß, da die Einstelldrehzahl N₂ auf einen geeigneten niedrigen Wert reguliert werden kann. Auch wenn die Drehzahl N₂ auf einen relativ hohen Wert eingestellt ist, bleibt die Bewegungsenergie der sich drehenden Teile konstant, da die Drehzahl N₂ konstant gehalten wird. Deshalb kann der größte Teil der gesamten Rotationsenergie durch einen geeigneten bekannten Stoßabsorber 30, wie er in F i g. 5 gezeigt ist, absorbiert werden, ohne daß die Phasenbeziehung zwischen den beiden Werkstücken, wenn sie anhalten, beeinträchtigt wird. Wenn die Bewegungsenergie variabel ist, kann der Stoßabsorber 30 den Nocken 11 anhalten, bevor er mit dem Anschlag 19 in Kontakt kommt Bei dieser Ausführungsform kann kein Fehler der Phaseneinstellung aufgrund eines Weiterlaufens

infolge der Trägheit der Hauptwelle 2 auftreten.

Bei der in Fig.8 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Hauptwelle 2 drehbar durch Kugellager 2a, 2b, 2c usw. abgestützt und bildet ein Stück mit einer Kupplungsscheibe 31, die eine Stoßfläche 31a an einem Ende hat. Der Kupplungsscheibe 31 liegt eine andere Kupplungsscheibe 34 gegenüber, die durch eine Paßfeder 33a auf einer kurzen Welle 33 gleitend verschiebbar angeordnet ist, welche an einem Ende durch ein Kugellager 32a am Rahmen 1 und am anderen Ende durch ein Kugellager 32b an der Kupplungsscheibe 31 drehbar gelagert ist.

An der Kupplungsscheibe 34 ist einstückig ein Ritzel 35 ausgebildet, das von einer damit kämmenden Zahnstange 36a angetrieben wird, wobei beide Enden der Zahnstange 36a Kolben 366 und 36c bilden, die gleitend verschiebbar mit einem Hydraulikzylinder 41 in Eingriff stehen, der auf herkömmliche Weise durch ein Richtungssteüerventil 42 usw, wie dies in F i g. 9 gezeigt ist, gesteuert wird. Die Zähne 35a des Ritzels 35 kämmen mit den Zähnen 36a'der Zahnstange 36a, so daß die Kupplungsscheibe 34 gedreht wird.

Für den Eingriff der Kupplungsscheibe 34 und der Kupplungsscheibe 31 oder für deren Lösen in Betrieb, ist ein Hebel 38 vorgesehen, der schwenkbar durch einen lagefesten Zapfen 38a abgestützt ist und an einem Ende mit einer Nut 346 an der Scheibe 34 in Eingriff steht. Am anderen Ende des Hebels 38 ist, wie aus Fig. 10 zu ersehen ist, ein Zapfen 386 angelenkt, der von einem Paar von Federn gezogen wird, die mit dem Rahmen 1 auf einer Seite verbunden sind. Auf der anderen Seite ist der Zapfen mit einer Gabel 396 verbunden, die ein Stück eines Kolbens 39a bildet, der in einem am Rahmen 1 befestigten Hydraulikzylinder 39 gleitend verschiebbar eingreift.

Anhand von F i g. 8 wird die Arbeitsweise der dritten Ausführungsform erläutert. In den Spannfuttern 4 und 24 sind zwei Werkstücke 3 und 23 in einem vorher festgelegten Phasenwinkel eingespannt. Das Werkstück 3 beginnt, sich durch den Motor 10 unter der Bedingung zu drehen, daß die Kupplung 9 sich in Eingriff befindet und die Bremse 5 gelöst ist. Wenn die Drehzahl des Werkstückes 3 einen vorher festgelegten Wert ΛΊ erreicht, wird das andere Werkstück 23 in der Zeichnung nach links vorwärtsbewegt, um einen Kontakt mit dem anderen Werkstück 3 herzustellen, wodurch der Erhitzungsabschnitt beginnt.

Durch Einstellen eines Signals vom Beginn des Kontaktes an wird der Kontaktdruck zwischen den Werkstücken auf einen vorher festgelegten Wert P\ erhöht und über eine bestimmte Zeit lang darauf gehalten, um die in Berührung stehenden Teile durch Reibung zu erhitzen. Der Erhitzungsabschnitt endet dann, wenn die in Berührung stehenden Teile für das Verschweißen genügend erhitzt sind. Die Zeit wird durch eine vorher festgelegte Zeit an einem Zeitgeber oder durch einen vorher festgelegten Näherungswert gesteuert. Am Ende des Erhitzungsabschnittes beginnt der Stauchabschnitt. Durch ein Startsignal wird die Kupplung 9 gelöst, so daß die Leistungszufuhr vom Motor 10 unterbrochen wird. Die Bremse 5 wird betätigt. Der Berührungsdruck wird auf einen Wert P₂ zum Stauchen durch Einsatz der Betätigungseinrichtung 27 erhöht. Diese Arbeitsgänge werden auch bei herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren vorgesehen. Gemäß der Erfindung beginnen jedoch der abwechselnde Antrieb 15 und der Mechanismus für die Inbetriebsetzung der Kupplung am Anfang des Stauchabschnittes oder etwas später.

Wie aus Fig.9 zu ersehen ist, wird der hydraulische Kolben 39 in den Zylinder 41 auf herkömmliche Weise durch ein solenoidbetätigtes Richtungssteuerventil 42 aktiviert, um das Zahnrad 35 oder die Kupplungsscheibe 34 mit einer konstanten Einstelldrehzahl N₂ zu drehen. Wie aus Fig. 10 zu ersehen ist, wird der hydraulische Kolben 39a in der Zeichnung nach links verschoben. Der Zapfen 386 wird durch die Zugkraft der Feder 40 nach links verschoben, so daß der Hebel 38 im Uhrzeigersinn verschwenkt wird und die Kupplungsscheibe 34 zwangsweise in Eingriff mit der Kupplungsscheibe 31 gebracht wird. Die Einstelldrehzahl N₂ der Kupplungsscheibe 34 beträgt beispielsweise 200 Upm (Fig. 12). Soweit die Drehzahl ΛΑ niedriger ist als die Drehzahl N\ der Hauptwelle 2, die schnell abnimmt, gleitet die Kupplungsscheibe 34 auf der Kupplungsscheibe 31 der Hauptwelle 2, wie dies in F i g. 11A und 11B gezeigt ist. Wenn die Drehzahl N₁ einmal niedriger als die Drehzahl N₂ wird, beginnt die Kupplungsscheibe 34 die Hauptwelle 2 und schließlich mit der Einstelldrehzahl N^ anzutreiben, wie dies in F i g. 12B gezeigt ist.

Ehe die Drehzahl der Hauptwelle 2 auf die Einstelldrehzahl N₂ fällt, ist die Bremse 5 mittels eines geeigneten Signals freigegeben worden, beispielsweise durch den Ablauf eines nicht gezeigten Zeitgebers.

Wenn die Drehzahl der Hauptwelle 2 die Drehzahl N₂ erreicht hat, wird die Drehzahl N₂ beispielsweise auf 200 Upm, zwischen den beiden Werkstücken 3 und 23 unter dem Stauchdruck P₂ konstant gehalten, die Drehzahl N₂ fällt jedoch plötzlich auf Null am Hubende des Kolbens 36 mit dem eingestellten Phasenwinkel. Die verschweißten Werkstücke werden unter dem Druck P₂ abgeschreckt bzw. hart.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird die Phaseneinstellung nur einmal während eines 360°-Drehwinkels erreicht, wobei jede Kupplungsscheibe 31 oder 34 eine Stoßfläche 31a oder 34a hat. Wenn jedes Werkstück eine 180° Symmetrie hat, verwendet man Kupplungsscheiben mit zwei Stoßflächen, die jeweils in einem Abstand von 180° angeordnet sind.

Diese Einstellungen können erreicht werden, ohne daß das sich drehende Werkstück einmal angehalten wird, jedoch unter einer bestimmten relativen Drehzahl N₂. Bei dieser Ausführungsform wird der Phasenwinkel zwischen den beiden Werkstücken vor dem Start der Relativdrehung eingestellt, d. h. der Winkel ist dazwischen in dem Zustand eingestellt, in welchem sich die Kupplungsscheiben 31a und 34a in Eingriff befinden und der Kolben 36 sich am Hubende befindet.

Die Werkstücke können deshalb immer zusammengeschweißt werden, wobei ein korrekter Phasenwinkel vorliegt, wenn ein Anhalten am Hubende vorgesehen ist oder in einer vorher festgelegten Lage des Kolbens 36 nach verschiedenen Prozeßstufen.

Mit diesen Ausführungsformen erhält man folgende Effekte: Zuerst wird die Phaseneinstellung zwischen den Werkstücken während der Drehung ausgeführt. Ein Verdrehen dazwischen während des Abschreckens tritt nicht auf, so daß die Qualität des Produkts konstant ist. Das Einführen des abwechselnden Antriebs ermöglicht es. Stoß und Geräusch durch Wahl einer geeigneten Einstelldrehzahl zu verringern. Erfindungsgemäß ist es möglich, das Anwendungsfeld dadurch zu vergrößern, daß herkömmliche Vorrichtungen nur geringfügig abgeändert zu werden brauchen.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die eine Modifizierung der vorstehenden Ausführungs-

form ist, d. h. eine Modifizierung, die dadurch erreicht wird, daß ein Sensor und ein Impulsgebersystem verwendet werden. Die bereits beschriebenen Elemente werden nicht nochmals erläutert.

Wie aus Fig. 13 zu ersehen ist, ist eine Scheibe51,die eine Bohrung 53 hat, welche in der Nähe ihres Umfangs gebohrt ist, an der Hauptwelle 2 festgelegt. Ein Sensor 52, der mit einem Impulsgeber versehen ist, sitzt auf dem Rahmen 1. Der Sensor 52 ist weiterhin mit einem Impulsempfänger und einem Impulszähler, welche beide nicht gezeigt sind, versehen, so daß der Sensor das Zahlenintegral der Rotation oder das Winkelintegral der Drehung zählt.

Die Wirkungsweise dieser vierten Ausführungsform ergibt sich aus den F i g. 13,14 und 15. Die Werkstücke 3 und 23 sind durch Spannfutter 4 bzw. 24 in einem vorher bestimmten Phasenwinkel festgelegt. Die Hauptwelle 2, welche das Werkstück 3 trägt, wird vom Motor 10 mit einer relativ hohen Laufgeschwindigkeit N\ angetriehen, wobei die Kupplung 9 in Eingriff steht und die Bremse 5 gelöst ist. Dann wird das andere Werkstück 23 zum Werkstück 3 durch Aktivierung der Betätigungseinrichtung 27 hinbewegt, um dazwischen einen Kontakt herzustellen.

Nach den Heizabschnitt infolge Reibung wird, wie aus Fig. 15 zu ersehen ist, das Relais CRI durch einen Begrenzungsschalter LS, der in F i g. 13 nicht gezeigt ist, erregt, der seinerseits von dem gegenseitigen Annähern der Werkstücke und durch ein Signal von dem Sensor 52 betätigt wird, der eine spezielle Öffnung 53 an der sich drehenden Scheibe 51 überwacht. Das Relais CR 2 wird erregt, wodurch der Stauchabschnitt beginnt. Dies entspricht dem Punkt A in Fig. 14. Dann wird die Kupplung 9 freigegeben und die Bremse 5 betätigt. Wenn die beiden Relais CR 1 und CR 2 erregt sind, wird das Solenoid SOL 1 (Fig.9) erregt, so daß der Kolben 36 arbeitet, d. h. die Kupplung 14 wird mit einer konstanten Drehzahl Afe angetrieben. Dies entspricht dem Punkt A'\n Fig. 14.

Wenn, wie aus Fig. 14 und 15 zu ersehen ist, das Zahlenintegral der Rotation oder der gesamte Drehwinkel, der von einem nicht gezeigten Digitalzahler gezählt wurde, der mit dem Impulsgeber 52 versehen ist, einer bestimmten vorher festgelegten Anzahl von Impulsen gleich wird, wobei die Zeit dem Punkt B in Fig. 14 entspricht, wird das Relais CR 3 durch das Signal erregt, das man von dem Impulsgeber 52 erhält, so daß die Bremse 5 freigegeben wird. Die Zeit, welche dem Punkt Soder A entspricht, wird einfach als Zeit Boder als Zeit A bezeichnet.
Man sieht, daß der Phasenwinkel zwischen den beiden Werkstücken zu dieser Zeit B während des ganzen Schweißzyklus der gleiche ist.

Durch Versuche beim herkömmlichen Schweißen hat man gefunden, daß die Gesamtzahl der Rotation während des Stauchabschnittes nicht über mehrere

ίο Umdrehungen hinausgeht, auch wenn die Drehzahl vor dem Stauchen mehr als 2000 Upm beträgt und die Änderung der Gesamtzahl der Umdrehung geringer ist als eine halbe Umdrehung, und wenn die Änderung in enger Beziehung zu der Änderung des Stauchbetrags

!5 und zu dem der Gesamtlänge der verschweißten Werkstücke steht.

Bei dieser Ausführungsform soll natürlich die Änderung der Gesamtzahl der Umdrehungen auf ein Minimum reduziert werden. Die Zeit A für das Verlangsamen der Drehung der Hauptwelle fällt genau mit der Zeit B zusammen, um die Rotation der Kupplung 34 beginnen zu lassen. Darüber hinaus wird die Phasenbeziehung so ausgelegt, daß sie zur Zeit B in jedem Schweißzyklus die gleiche ist, so daß der Phasenfehler Θ zur Zeit Csehr klein sein muß, wenn die Drehzahl der Kupplungsscheibe 31 und die der Kupplungsscheibe 34 gleich wird. Dafür ist gewöhnlich nur eine kurze Zeit Tc-d erforderlich, da die Drehzahl der Kupplungsscheibe 31 einmal auf eine Drehzahl abfallen kann, die durch einen Punkt D bezeichnet ist. Zur Reduzierung der Zeit Tc-d auf ein Minimum wird bevorzugt, die Zeit B so nahe wie möglich bei der Zeit C zu wählen, was nach wenigen Versuchen und Fehlern erzielbar ist.

Die dritte Ausführungsform hat folgende Vorteile. Die Einstellung des Phasenwinkels zwischen zwei Werkstücken wird ohne Anhalten der Relativdrehung erreicht, jedoch unter einer vorher festgelegten konstanten Drehzahl. Die relative Drehzahl vor dem Anhalten wird auf einem relativ niedrigen Wert gehalten, so daß kein beträchtlicher Stoß oder ein lautes Geräusch entsteht. Die Änderung des Stauchbetrags kann auf ein Minimum reduziert werden. Die Gesamtlänge wird nahezu konstant gehalten. Die Änderung Θ des Phasenwinkels vor der Einstellung kann auf ein Minimum reduziert werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Reibungsverschweißen von Werkstücken aus Metall mit einem Basisrahmen, einer als Hauptwelle bezeichneten Welle, die am Basisrahmen drehbar gelagert ist und ein Spannfutter zum Halten eines Werkstückes hat, mit einer ersten Antriebseinrichtung für den Antrieb der Hauptwelle mit einer relativ hohen Drehzahl, mit einer Kupplungseinrichtung zum plötzlichen Unterbrechen des Drehmomentes von der ersten Antriebseinrichtung, mit einer Bremseinrichtung, die an der Hauptwelle anbringbar ist, mit einem weiteren Spannfutter zum Halten des anderen Werkstücks, mit einer beweglichen Einrichtung, um eines der Spannfutter gegenüber dem anderen Spannfutter fluchtend dazu darauf zu- oder davon wegzubewegen, und mit einer Einrichtung zum Aufbringen von Druck, um eine Kontaktkraft zu schaffen, mit der durch Reibung Wärme zwischen den Werkstücken erzeugt werden kann, gekennzeichnet durch ein Paar von Spannfuttern (4, 24), welche die Werkstücke (3, 23) in einer speziellen Phasenbeziehung halten, durch eine zweite Antriebseinrichtung (15), die mit einer konstanten Drehzahl (N2) angetrieben wird, die verglichen mit der Normallaufdrehzahl (N) der ersten Antriebseinrichtung (10) relativ niedrig ist, wobei die zweite Antriebseinrichtung wahlweise mit der Hauptwelle (2) in Eingriff bringbar ist, und durch Anschlageinrichtungen (II, 18; 36, 41) am Hubende, durch welche die Hauptwelle (2) im Eingriffsstadium mit einem drehenden Teil (13, 34), das von der zweiten Antriebseinrichtung (15) angetrieben wird, sofort angehalten wird, wobei eine spezielle Phasenbeziehung zwischen den Werkstücken (3, 23) vorgesehen wird, wenn die Hauptwelle (2) anhält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Antriebseinrichtung (15) sofort bei einem vorher festgelegten Hub des Kolbens (36) oder einer Winkellage des Zahnrades (13) anhält, wo der Phasenwinkel zwischen den Werkstücken (3,23) vorher festgelegt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine mit der Hauptwelle (2) in Eingriff bringbare Kupplung (12,34).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Antriebseinrichtung (15) einen Hydraulikmotor umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Antrieb (15) eine Zahnstange (36a) und ein Ritzel oder ein Zahnrad (35) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden