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Home Forschung am iwb Themengruppen Werkzeugmaschinen Strukturverhalten Innovatives Doppelspindelkonzept für eine Reibschweißanlage
Innovatives Doppelspindelkonzept für eine Reibschweißanlage
Ausgangssituation

Für das Rotationsreibschweißen sind zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren bekannt. Am weitesten verbreitet ist das Reibschweißen mit kontinuierlich angetriebenen Maschinen (continuous drive rotary friction welding). Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei mittleren und großen Stückzahlen (z.B. Ventile für Motoren, Gehäuse für Hydraulikzylinder, Druckwalzen für Papiermaschinen) eingesetzt. Für diese Anwendungen sind standardisierte Maschinen am Markt verfügbar. Zum Fügen hochwarmfester Werkstoffe wie diese typischerweise im Turbinenbau (Industriegasturbine, Flugzeugtriebwerk) verwendet werden, wird wesentlich mehr Leistung benötigt, die von einem herkömmlichen Elektroantrieb nicht beritgestellt werden kann. Für diesen Anwendungsfall ist auf das Schwungradreibschweißen (inertia friction welding) überzugehen. Die Schwungmassen werden in einer vorgelagerten zeitlich unkritischen Beschleunigungsphase auf das erforderliche Energieniveau gebracht. Mit dieser Methode kann für den anschließenden Fertigungsprozess eine extrem hohe Schweißleistung zur Verfügung gestellt werden. Diesem Vorteil steht jedoch der Nachteil entgegen, dass während dem Schweißprozess bisher nicht regelnd eingegriffen werden kann und der Stillstand erst bei komplett verbrauchter Schwungenergie in zufälliger Winkellage erfolgt. Es ist foglich keine Drehlage der verschweißten Teile einstellbar.

 

Ziel des Projektes

Um auch mit dem Schwungradreibschweißverfahren die Drehlage der gefügten Bauteile einstellen zu können, ist es zunächst notwendig die Prozesscharkteristik (Druck, Temperatur, Reibmoment und Drehzahl) zu erkennen und den zur Verbindungsbildung notwendiggen Prozessverlauf zu ermitteln. Auf dieser Basis eines aussagefähigen Prozessmodells kann ein Regler konzipiert werden, mit dem es möglich wird die Drehlage der Bauteile zu beeinflussen. Dieser Regler soll nach der Evaluierung an einem kleinen Versuchsmodell an der realen Maschine umgesetzt werden.

 

Vorgehensweise

Zur Ermittlung des Prozessmodells werden die erforderlichen Schweißversuche durchgeführt und die Prozessdaten mittels aufwändiger Messtechnik (DMS und Thermoelemente) aufgezeichnet. Auf dieser Datenbasis werden die physikalischen Zusammenhänge ermittelt und in ein mathematisches Prozess-/Strukturmodell implementiert. Dabei ist der Bestimmung des Momentenverlaufs in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Temperatur besonderes Augenmerk gewidmet. Ein entscheidendes Aufgabenfeld ist die Berechnung der Reibkoeffizienten bzw. Einstufung des Kontaktzustandes abhängig von der Temperatur und dem Prozessfortschritt.

 

Ergebnisse
In einem ersten Projektabschnitt wurde in Zusammenarbeit mit KUKA und MTU eine innovative Schwungradreibschweißmaschine entwickelt und aufgebaut. Das iwb hat dabei maßgeblich zum Gesamtkonzept beigetragen, sowie die Konstruktion einer Messeinrichtung und einer Justagevorrichtung übernommen. Mit der Messeinrichtung wird der Rundlauf sowie der Planlauf der Bauteile gemessen. Die ermittelte Bauteilflucht kann anschließend über die zusätzliche Justageeinheit korrigiert werden. Dadurch wird es ermöglicht beim Fügen sehr enge Toleranzen (Fertigteilqualität) einzuhalten.
 
Erwärmte Bauteile werden im Stillstand nochmals mit Stauchkraft belastet, um dadurch die eigentliche Verbindung herzustellen. 
Hochdruckverdichter für ein Luftfahrttriebwerk. Die sechs einzelnen Scheiben sowie die Abschlussteile werden durch Schwungradreibschweißen gefügt.
 

 

Status abgeschlossen
Laufzeit 08/2004-07/2007
Letzte Aktualisierung 30.11.2006
Partner

MTU Aero Engines GmbH, München MTU
KUKA Schweissanlagen GmbH, Augsburg KUKA
Institut für Optik, Informationen und Photonik, Friedrich Alexander Universität Erlangen-Nürnberg OSMIN

Förderer Bayerische Forschungsstiftung BayFor
   
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Ansprechpartner
Löhe, Johannes,
Dipl.-Ing. (FH)
Tel.: (0 89) 289 - 15512
Fax.: (0 89) 289 - 15555
E-Mail: Johannes.Loehe