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Die
Erfindung betrifft eine Rotationsreibschweißanlage nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Bei
der Fertigung von Gasturbinen ist das Reibschweißen ein weitverbreitetes Fügeverfahren. Das
Reibschweißen
gehört
zu den sogenannten Pressschweißverfahren,
wobei man beim Reibschweißen
unter anderem zwischen dem sogenannten linearen Reibschweißen und
dem Rotationsreibschweißen
unterscheidet. Die hier vorliegende Erfindung betrifft das sogenannte
Rotationsreibschweißen,
bei welchem rotationssymmetrische Bauteile durch Reibung aneinander
gefügt
bzw. miteinander verbunden werden. Beim Rotationsreibschweißen rotiert
ein erstes Bauteil, wohingegen das andere Bauteil stillsteht und
mit einer bestimmten Kraft gegen das rotierende Bauteil gedrückt wird.
Hierbei passen sich Fügeflächen der
miteinander zu verbindenden Bauteile durch Warmverschmieden aneinander
an.
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Das
Rotationsreibschweißen
wird auf sogenannten Rotationsreibschweißanlagen durchgeführt, wobei
nach dem Stand der Technik das rotierende Bauteil auf einer sich
drehenden Spindel und das stillstehende Bauteil auf einer nicht-drehenden
Spindel gelagert ist. Nach dem Stand der Technik erfolgt die Lagerung
des rotierenden Bauteils auf der ersten, sich drehenden Spindel
sowie die Lagerung des stillstehenden Bauteils auf der zweiten,
nicht-drehenden Spindel über
jeweils eine Spanneinrichtung. Nach dem Stand der Technik kommen
dabei in der Regel als Spannzangen ausgebildete Einrichtungen zum Einsatz.
Da beim Rotationsreibschweißen
zunehmend größere Schweißmomente übertragen
und abgestützt
werden müssen,
bereitet die Lagerung der miteinander zu verbindenden Bauteile an
den Spindeln über
solche Spannzangen Probleme, da infolge hoher Schweißmomente
hohe Spannkräfte
erforderlich sind, die zu Bauteilverformungen führen können. Weiterhin unterliegen
die Bauteile und die Spannzangen einer sogenannten Frettinggefahr
und Kaltverschweißungsgefahr,
weshalb die Lagerung der Bauteile an den Spindeln über die
aus dem Stand der Technik bekannten Spannzangen von Nachteil ist.
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Zur
Drehmomentabstützung
ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, in das auf der
drehenden Spindel gelagerte, rotierende Bauteil Nuten mit einer
Tiefe von ca. 10 mm einzuarbeiten, wobei in die Nuten der Spanneinrichtung
zugeordnete Nutsteine eingreifen. Nach dem Stand der Technik werden
dabei über
den Umfang des Bauteils verteilt zwei bis vier Nuten positioniert,
wobei in jede dieser Nuten jeweils ein Nutstein eingreift. Die Verwendung
solcher Nuten im Bauteil verfügt über den
Nachteil, dass infolge der relativ großen Tiefe der Nuten sowie infolge
des wegen einer möglichen
Kaltverformung vorzuhaltenden Sicherheitsaufmaßes nach dem Rotationsreibschweißen noch
ein erheblicher Materialabtrag erforderlich ist, um die miteinander
verbundenen Bauteile an die gewünschte
Endkontur anzupassen. Des weiteren ist wegen der erheblichen Fertigungstoleranzen
bei der Herstellung solcher Nuten eine Zentrierung des Bauteils
an der Spindel nicht möglich.
Solche Nuten werden nach dem Stand der Technik auch zur Abstützung des
auf der nicht-drehenden Spindel gelagerten Bauteils verwendet.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
eine neuartige Rotationsreibschweißanlage zu schaffen.
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Dieses
Problem wird durch eine Rotationsreibschweißanlage gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist zumindest
der Spanneinrichtung, die der Lagerung des ersten Bauteils auf der ersten,
drehenden Spindel dient, eine Plan-Verzahnung zugeordnet, die zur
Zentrierung und Drehmomentübertragung
in eine entsprechende, dem ersten Bauteil zugeordnete Plan-Verzahnung eingreift.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, zumindest
zur Lagerung des rotierenden Bauteils auf der sich drehenden Spindel eine
Plan-Verzahnung einzusetzen, wobei einerseits der Spanneinrichtung
der sich drehenden Spindel und andererseits dem auf dieser Spindel
zu lagernden, rotierenden Bauteil jeweils eine Plan-Verzahnung zugeordnet
sind, die bei Lagerung ineinander eingreifen. Eine Lagerung über solche
Plan-Verzahnungen
ermöglicht
eine spielfreie Übertragung
sehr großer
Drehmomente und ist des weiteren selbstzentrierend. Des weiteren
muss lediglich ein geringes Sicherheitsaufmaß an den miteinander zu verbindenden
Bauteilen bereitgehalten werden. Eine Plan-Verzahnung kann als eine
Stirnbogen-Verzahnung
(Curvic-Coupling) oder eine Hirth-Verzahnung ausgeführt sein.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auch der Spanneinrichtung,
die der Lagerung des zweiten Bauteils auf der zweiten, nicht-drehenden
Spindel dient, eine Plan-Verzahnung zugeordnet ist, die zur Zentrierung
in eine entsprechende, dem zweiten Bauteil zugeordnete Plan-Verzahnung
eingreift.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
schematisierte Darstellung einer Rotationsreibschweißanlage
nach dem Stand der Technik;
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2 eine
Rotationsreibschweißnaht
zwischen zwei miteinander verbundenen Bauteilen;
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3 ein
schematisiertes Detail aus einer erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage; und
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4 ein
weiteres schematisiertes Detail aus der erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage.
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1 zeigt
eine Rotationsreibschweißanlage 10 zum
Fügen zweier
Bauteile 11 und 12 nach dem Stand der Technik,
wobei sich zwischen den Bauteilen 11 und 12 beim
Rotationsreibschweißen die
in 2 vergrößert dargestellte
Verbindungsnaht 13 ausbildet. Die in 1 dargestellte
Rotationsreibschweißanlage 10 nach
dem Stand der Technik verfügt über eine
erste, drehende Spindel 14 und eine zweite, nicht-drehende
Spindel 15. Auf der ersten, drehenden Spindel 14 ist
das Bauteil 11 und auf der zweiten, nicht-drehenden Spindel
das Bauteil 12 der miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 angeordnet
bzw. gelagert. Hierzu sind den Spindeln 14 und 15 jeweils
Spanneinrichtungen 16 und 17 zugeordnet. Mithilfe
der Spanneinrichtungen 16 und 17 sind die miteinander
zu verbindenden Bauteile 11 und 12 auf der jeweiligen
Spindel 14 bzw. 15 befestigbar.
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Um
nun die beiden Bauteile 11 und 12 mithilfe des
Rotationsreibschweißens
miteinander zu verbinden, wird das auf der ersten, drehenden Spindel 14 gelagerte
Bauteil 11 im Sinne des Pfeils 18 drehend bewegt,
wobei das auf der zweiten, nicht-drehenden Spindel 15 gelagerte
Bauteil 12 im Sinne des Pfeils 19 mit einer Kraft
gegen das Bauteil 11 gedrückt wird. Die Relativrotation
zwischen den Bauteilen 11 und 12 sowie diese Kraft
erzeugen eine Reibung und damit Erwärmung der beiden Bauteile 11 und 12 an
Kontaktflächen 21, 22 derselben.
Hierbei erfolgt an den Kontaktflächen
ein Warmverschmieden des Werkstoffs der Bauteile 11 und 12.
Hierbei bildet sich die in 2 schematisiert
dargestellte Verbindungswulst 20 aus.
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Der
Rotationsreibschweißanlage 10 nach dem
Stand der Technik ist gemäß 1 ein Schwungmassenkörper 23 zugeordnet,
nämlich
im Bereich der ersten, sich drehenden Spindel 14. Dieser
Schwungmassenkörper 23 der
Rotati onsreibschweißanlage 10 ist
an die miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 angepasst.
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Beim
Rotationsreibschweißen
sind zunehmend höhere
Schweißmomente
zu übertragen
sowie abzustützen,
weshalb die Anforderungen an die Spanneinrichtungen 16 und 17,
die der Lagerung der miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 auf den
Spindeln 14 und 15 dienen, zunehmend steigen. So
müssen
die Spanneinrichtungen 16 und 17 nicht nur die
hohen Schweißmomente übertragen
sowie abstützen,
vielmehr sind weiterhin Bauteilverformungen infolge von über die
Spanneinrichtungen 16 und 17 auf die miteinander
zu verbindenden Bauteile 11 und 12 einwirkenden
Spannkräfte
zu minimieren, sodass ein exaktes Fügen der Bauteile über das
Rotationsreibschweißen
möglich
ist. Hierzu gehört
auch die Gewährleistung
einer exakten Zentrierung der Bauteile 11 und 12 auf
den jeweiligen Spindeln 14 und 15.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, zumindest
der Spanneinrichtung 16, die der Lagerung des ersten, rotierenden
Bauteils 11 auf der sich drehenden Spindel 14 dient,
im Stirnbereich eine sogenannte Plan-Verzahnung zuzuordnen. Die
der Spanneinrichtung 16 der drehenden Spindel 14 zugeordnete
Plan-Verzahnung greift zur Lagerung des ersten Bauteils 11 in
eine entsprechende, dem ersten Bauteil 11 zugeordnete Plan-Verzahnung
ein. Die Lagerung des rotierenden Bauteils 11 auf der drehenden
Spindel 14 über
eine solche Plan-Verzahnung ermöglicht
eine spielfreie Übertragung
hoher Drehmomente bzw. Schweißmomente und
ist des weiteren selbstzentrierend. Die beim Fügen aufgebrachte Stauchkraft
unterstützt
das übertragbare
Moment und bei einer als Stirnbogen-Verzahnung (Curvic-Coupling)
ausgebildeten Plan-Verzahnung auch die Selbstzentrierung.
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3 zeigt
einen Ausschnitt aus einem rotationssymmetrischen Bauteil 11,
welches als beim Rotationsreibschweißen rotierendes Bauteil auf
der in 3 nicht-dargestellten, sich drehenden Spindel 14 zu
lagern ist. Die Symmetrieachse und damit die Drehachse beim Rotationsreibschweißen des
Bauteils 11 ist in 3 mit der
Bezugsziffer 24 gekennzeichnet. Bei dem in 3 dargestellten
Bauteil 11 kann es sich zum Beispiel um einen Dichtungsträger handeln.
Wie 3 entnommen werden kann, ist einer Stirnseite 25 des
Bauteils 11 eine Plan-Verzahnung zugeordnet. Diese dem
Bauteil 11 zugeordnete Plan-Verzahnung 26 greift
in eine nicht-dargestellte Plan-Verzahnung
der Spanneinrichtung 16 ein. Die Plan-Verzahnung wird von mehreren Zähnen 27 gebildet. 4 zeigt
schematisiert in einer perspektivischen Ansicht eine mögliche Ausgestaltung
einer Plan-Verzahnung 26 mit den die Plan-Verzahnung bildenden
Zähnen 27.
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Bei
Verwendung einer solchen Plan-Verzahnung 26 zur Zentrierung
des drehenden Bauteils 11 an der sich drehenden Spindel 14 der
Rotationsreibschweißanlage 10 ist
auch zur Übertragung
hoher Drehmomente bzw. Schweißmomente
eine Zahntiefe von 2 bis 6 mm, insbesondere von 3 bis 4 mm, ausreichend.
Auch kann aufgrund der relativ hohen Anzahl an Zähnen 27 einer solchen
Plan-Verzahnung 26 das Sicherheitsaufmaß an dem Bauteil 11 gering gehalten
werden. Insgesamt ist hierdurch gewährleistet, dass nach Verbindung
zweier miteinander zu verbindenden Bauteile nur eine geringe Endbearbeitung
erforderlich ist, um den gewünschten
Endkonturzustand der miteinander verbundenen Bauteile bereitzustellen.
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Vorzugsweise
erfolgt nicht lediglich die Lagerung des rotierenden Bauteils 11 an
der drehenden Spindel 14 über Plan-Verzahnungen, sondern
vielmehr ist insbesondere auch der Spanneinrichtung 17,
die der Lagerung des nicht-rotierenden Bauteils 12 auf
der nicht-drehenden Spindel 15 dient, eine entsprechende
Plan-Verzahnung zugeordnet, die zur Zentrierung in eine entsprechende,
dem Bauteils 12 zugeordnete Plan-Verzahnung eingreift.
Vorzugsweise werden also beide Bauteile an den Spindeln bzw. den
entsprechenden Spanneinrichtungen über Plan-Verzahnungen zentriert.
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Die
axiale Fixierung der mithilfe der Plan-Verzahnungen in Umfangsrichtung
sowie in Radialrichtung an den Spindeln 14 und 15 ausgerichteten
bzw. zentrierten Bauteile 11 und 12 erfolgt über die
Spanneinrichtungen 16 und 17. Da bereits die Plan-Verzahnungen
die Drehmomentabstützung
und damit Drehmomentübertragung übernehmen,
müssen
von den Spanneinrichtungen 16 und 17 zur Axialfixierung
lediglich geringe Spannkräfte
bereitgehalten werden, sodass die Gefahr von Bauteilverformungen
infolge solcher Spannkräfte
deutlich reduziert wird. Zur Vorzentrierung können den Spanneinrichtungen 16 und 17 leicht
spannende Zentrierringe zugeordnet sein.
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Mithilfe
der hier vorliegenden Erfindung ist eine spielfreie Lagerung der
miteinander zu verbindenden Bauteile auf den entsprechenden Spindeln möglich. Hierdurch
werden Schwingungen und Ungenauigkeiten während des Schweißvorgangs
minimiert. Ein weiterer Vorteil der hier vorliegenden Erfindung
gegenüber
dem Stand der Technik liegt darin, dass bei Lagerung mithilfe der
Plan-Verzahnungen die nach dem Stand der Technik erforderlichen,
von Spannzangen übertragenen
hohen Spannkräfte
entfallen können,
sodass Bauteilverformungen beim Schweißen sowie das Einbringen von
Eigenspannungen in die Schweißung
verhindert werden können.
Da des weiteren an den miteinander zu verbindenden Bauteilen lediglich
ein geringeres Sicherheitsaufmaß erforderlich
ist, verringert sich auch der Aufwand bei der Bearbeitung der miteinander
verbundenen Bauteile zur Bereitstellung des Endkonturzustands derselben.
Die beim Schweißen
aufzubringende Stauchkraft unterstützt die Zentrierung der Bauteile
und das übertragbare
Moment.
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Die
Einsparung des Bauteilaufmaßes
bzw. des Sicherheitsaufmaßes
an den miteinander zu verbindenden Bauteilen liegt in einem Bereich
von bis zu 15 mm. Die Plan-Verzahnungen lassen sich mit geringem
Aufwand von miteinander verbundenen Bauteilen entfernen.
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- 10
- Rotationsreibschweißanlage
- 11
- Bauteil
- 12
- Bauteil
- 13
- Verbindungsnaht
- 14
- erste,
drehende Spindel
- 15
- zweite,
nicht-drehende Spindel
- 16
- Spanneinrichtung
- 17
- Spanneinrichtung
- 18
- Pfeil
- 19
- Pfeil
- 20
- Verbindungswulst
- 21
- Kontaktfläche
- 22
- Kontaktfläche
- 23
- Schwungmassenkörper
- 24
- Symmetrieachse
- 25
- Stirnseite
- 26
- Plan-Verzahnung
- 27
- Zahn