摩擦搅拌焊接工具和摩擦搅拌焊接方法与流程

本发明涉及一种用于具有框架和可以相对于框架被旋转的主轴的机床的摩擦搅拌焊接工具，其中摩擦搅拌焊接工具包括销和肩部以及驱动轴，驱动轴可以被连接到机床的主轴，以便经由主轴将销和肩部设置为围绕旋转轴线旋转运动，其中肩部可以相对于销围绕旋转轴线被旋转。另外，本发明涉及一种摩擦搅拌焊接方法，其中具有驱动轴、销和肩部的摩擦搅拌焊接工具通过使用机床的主轴而被设置为围绕旋转轴线旋转运动。

背景技术：

1、上文所述的类型的摩擦搅拌焊接工具从现有技术已经变得为人所知。对应的摩擦搅拌焊接工具通常包括销和垂直于销布置的肩部，所述肩部具有大于销的直径，以便通过混合围绕摩擦搅拌焊接工具周围的接合区中的材料来连接相邻的组成零件。为了在销的区域中获得良好的搅拌，摩擦搅拌焊接工具在销的区域中的高旋转速度是有利的。

2、然而，在包括被刚性地连接到肩部的销的摩擦搅拌焊接工具的情况下，对应地高的旋转速度在肩部的区域中导致不利地高的速度，这对焊缝的质量有负面的影响。为了避免该问题，其中肩部与销分离并且具有与销不同的速度的摩擦搅拌焊接工具从现有技术被获知，其中单独的驱动被提议一方面用于销，另一方面用于肩部。然而，这导致生产成本高并且在最好的情况下也难以操纵的摩擦搅拌焊接工具。

技术实现思路

1、这通过本发明来解决。本发明的目的是指定可以以构造简单的方式生产的并且同时鲁棒的上文所述的类型的摩擦搅拌焊接工具。

2、此外，可以以构造简单的方式实现的并且同时在应用期间鲁棒的上文所述的类型的摩擦搅拌焊接工具将被指定。

3、根据本发明，第一个目的通过上文所述的类型的摩擦搅拌焊接工具来达成，其中，具有环形齿轮、行星架和太阳齿轮的行星变速器被提供，所述行星变速器被连接到驱动轴、销和肩部，其中销或肩部被连接到行星架以使得销和肩部可以通过借助于主轴驱动驱动轴而被设置为以不同的旋转速度、但是在相同的旋转方向上围绕旋转轴线旋转。

4、在本发明的过程中，发现简单的且同时鲁棒的构造通过摩擦搅拌焊接工具中的行星变速器的对应使用来实现。因此，一方面，作用于行星变速器上的单个驱动器对于销和肩部足以获得不同的速度。由于销和肩部围绕旋转轴线以不同的速度沿着其旋转的旋转方向相同，销和肩部之间的接触表面上的低磨损被实现，尤其是因为销和肩部之间的相对速度因此更低，例如，低于其上销和肩部在不同的方向上旋转的工具的情况下的相对速度。

5、这种类型的摩擦搅拌焊接工具可以用行星变速器以最多样化的方式被获得。例如，可以提供的是，主轴以旋转固定的方式被连接到行星变速器的太阳齿轮、行星架或环形齿轮。

6、通常，或者是太阳齿轮或环形齿轮保持固定不动，或者是太阳齿轮或环形齿轮可以被连接到框架以使得所述齿轮围绕旋转轴线被旋转地固定。通过分别将行星架连接到销或肩部，很容易确保销和肩部的相同的旋转方向。

7、如果太阳齿轮以旋转固定的方式被连接到驱动轴以使得主轴驱动太阳齿轮，则环形齿轮通常可以以旋转固定的方式被连接到框架，并且销和肩部然后被连接到太阳齿轮或行星架，或者，可替换地，被连接到行星架和太阳齿轮。在这种情况下，输出因此经由太阳齿轮和行星架发生，太阳齿轮和行星架以不同的速度、但是在相同的旋转方向上驱动销和肩部。如果环形齿轮以旋转固定的方式被连接到框架，或者不围绕旋转轴线旋转，并且驱动经由行星架发生，则经由太阳齿轮和行星架的对应输出当然也可以被实现。

8、如果环形齿轮以旋转固定的方式被连接到驱动轴以使得主轴驱动环形齿轮，则太阳齿轮通常可以以旋转固定的方式被连接到框架，并且销和肩部然后被连接到环形齿轮和行星架，或者，可替换地，销和肩部被连接到行星架和环形齿轮。在这种情况下，输出因此经由环形齿轮和行星架发生。如果太阳齿轮可以以旋转固定的方式被连接到框架，或者不围绕旋转轴线旋转，并且驱动经由行星架发生，则经由环形齿轮和行星架的对应输出当然也可以被实现。

9、不管行星变速器、太阳齿轮、环形齿轮和行星架部件中的哪个被驱动或者以旋转固定的方式被连接到驱动轴，输出因此分别都是在行星架参与下发生的，或者行星架总是被连接到肩部或销，并且永远不被刚性地连接到框架，以便确保销和肩部在相同方向上的旋转。

10、优选地，提供的是，驱动轴被连接到行星变速器的行星架或太阳齿轮，并且肩部被连接到行星变速器的行星架并且销被连接到行星变速器的太阳齿轮，其中行星变速器的环形齿轮被连接到支撑装置，经由支撑装置，环形齿轮可以被连接到机床的框架以使得它围绕旋转轴线被旋转地固定。可替换地，在其中环形齿轮以旋转固定的方式被连接到机床的框架、或者可以以旋转固定的方式被附连到框架、并且驱动经由行星架或太阳齿轮发生的这种类型的设计中，销当然可以也被连接到行星架并且肩部当然也被连接到太阳齿轮，例如使用空心轴来连接。

11、通过该实施方案，简单的且同时鲁棒的构造被实现，借助于此，销和轴的不同的旋转速度可以被获得。因为环形齿轮(其中行星架可以经由行星齿轮围绕太阳齿轮的旋转轴线被旋转)在这种情况下可以经由支撑装置(其也可以是环形齿轮的一部分)以旋转固定的方式被连接到框架，所以行星架的、并且因此摩擦搅拌焊接工具的肩部的稳定安装(肩部通常以旋转固定的方式被连接到行星架)可以被实现。太阳齿轮继而经由行星同样地被安装在环形齿轮中，如行星变速器中典型的那样，以使得销和肩部可以围绕旋转轴线并且相对于彼此被旋转，但同时可以经由环形齿轮以稳定的且鲁棒的方式相对于框架被安装。

12、通常，销以旋转固定的方式被连接到太阳齿轮，并且肩部以旋转固定的方式被连接到行星架。驱动轴可以被连接到行星变速器的行星架或太阳齿轮，通常以使得它围绕旋转轴线被旋转地固定，以便经由行星架或太阳齿轮将扭矩从主轴传送到摩擦搅拌焊接工具。优选地，驱动轴被连接到行星架以使得它围绕旋转轴线被旋转地固定。肩部、驱动轴和行星架然后可以通过单独的和被连接的部件来形成，或者也可以通过单个部件来形成。

13、在可替换实施方案中，可以提供的是，驱动轴被连接到环形齿轮或行星架，并且肩部被连接到行星变速器的环形齿轮并且销被连接到行星变速器的行星架，其中行星变速器的太阳齿轮被连接到支撑装置，经由支撑装置，太阳齿轮可以被连接到机床的框架以使得它围绕旋转轴线被旋转地固定。

14、因此，在其中太阳齿轮以旋转固定的方式被连接到框架的该实施方案中，销和肩部的不同旋转速度也可以以构造简单的方式被实现，其中如果驱动经由在这种情况下被连接到环形齿轮或行星架的驱动轴发生，则销和肩部也在相同的方向上旋转。

15、通过环形齿轮、行星齿轮和太阳齿轮的齿数的适当选择，肩部的旋转速度与销的旋转速度的任何期望的传动比都可以被实现，其中肩部优选地经由行星架和驱动轴以旋转固定的方式被连接到对应的机床的主轴。

16、优选地提供的是，环形齿轮、太阳齿轮和一个或更多个行星齿轮的齿数被选择为使得销的旋转速度大于肩部的旋转速度。如果驱动经由行星架发生，则销的旋转速度(通常与太阳齿轮的旋转速度相同)因此高于主轴的旋转速度。

17、通常，至少三个行星齿轮被提供，以便实现对于太阳齿轮的力矩的均匀引入以及肩部和销相对于框架的对应地均匀的支撑。

18、如果环形齿轮、太阳齿轮和行星齿轮的齿数被选择为使得销的旋转速度大于肩部的旋转速度，则销的区域中的单个的组成零件的材料的特别好的搅拌可以同时被实现，其中肩部相对于将被焊接的组成零件的不利地高的速度却被避免。结果，高质量焊缝可以被获得，特别是即使是在厚壁组成零件的情况下。

19、如果力测量装置被提供在销和驱动轴之间，以便确定摩擦搅拌焊接操作期间的销和/或肩部上的轴向力和/或径向力，则是有益的。摩擦搅拌焊接方法于是可以随着发生的力的变化而被控制，特别是使得即使是在高进给速率的情况下，摩擦搅拌焊接工具的破裂也可以被可靠地避免。

20、在具有框架和可以相对于框架被旋转的主轴的机床上，其中摩擦搅拌焊接工具被连接到主轴，如果摩擦搅拌焊接工具是根据本发明实施的，则是有益的。其中销处的旋转速度高于肩部处的旋转速度的摩擦搅拌焊接方法于是可以被实现，其中构造简单的且同时鲁棒的实施被确保。

21、在这种类型的机床上，优选地提供的是，环形齿轮或太阳齿轮借助于支撑装置被连接到框架以使得所述齿轮围绕旋转轴线被旋转地固定。为了这个目的，支撑装置可以例如以形式配合和/或力配合的方式被连接到框架。支撑装置继而可以以力配合、形式配合和/或材料粘合的方式被连接到环形齿轮或太阳齿轮，或者也可以与环形齿轮或太阳齿轮被实施为一个件式，例如作为翼片，经由翼片，旋转固定的且优选地可释放的连接可以在框架和环形齿轮之间或者在框架和太阳齿轮之间产生。行星架和太阳齿轮的速度或者(如果太阳齿轮以旋转固定的方式被连接到框架)行星架和环形齿轮的速度于是基于主轴围绕主轴轴线的速度而被明确地限定，其中主轴轴线可以与摩擦搅拌焊接工具的旋转轴线重合。

22、因此，通过改变主轴的速度，销和肩部的速度可以以简单的方式被改变。如果环形齿轮或太阳齿轮就围绕旋转轴线的旋转而言相对于框架被固定，则销的速度与肩部的速度的传动比通常大于1.0并且是恒定的。销和肩部因此在相同的方向上、但是以不同的速度围绕旋转轴线旋转。

23、应理解的是，框架本身(主轴和摩擦搅拌焊接工具可以相对于框架被旋转，并且环形齿轮或太阳齿轮通常以旋转固定的方式与框架连接)不需要是固定的，而是可以沿着进给方向相对于例如机床工作台被移动，以便在不移动组成零件本身的情况下将组成零件相互焊接。

24、此外，如果力测量装置被提供在主轴处，以便确定作用于主轴上的径向力和/或轴向力，则可以是有益的。对应的摩擦搅拌焊接方法于是可以基于在主轴处测量的力来控制(如果必要的话，在转换为作用于摩擦搅拌焊接工具上的力之后)，使得最大进给速率在不超过摩擦搅拌焊接工具上的最大允许机械载荷的情况下被实现。

25、优选地提供的是，框架与主轴一起可以借助于进给驱动器、沿着进给方向、相对于机床工作台和/或相对于正被焊接的组成零件被移动。框架因此也可以通过可以相对于机床工作台被移动的部件来实施，其中主轴被安装为使得它可以围绕主轴轴线被旋转。

26、另一个目的根据本发明通过上文所述的类型的摩擦搅拌焊接工具来达成，其中主轴的运动被传送到驱动轴，其中经由驱动轴供应的驱动功率经由连接驱动轴、销和肩部的行星变速器被分布到销和肩部，其中销和肩部在相同的方向上围绕旋转轴线旋转。通过借助于行星变速器将驱动功率分布到销和肩部，其中销和肩部以不同的速度旋转并且销和肩部在相同方向上的旋转却得到确保的、简单的且同时鲁棒的构造被实现。优选地，根据本发明的摩擦搅拌焊接工具被用于这种类型的方法中。

27、已经证明有效的是，驱动轴被连接到行星变速器的行星架或太阳齿轮，其中行星变速器的太阳齿轮被连接到销，并且其中行星架被连接到摩擦搅拌焊接工具的肩部。当然，太阳齿轮可以可替换地也被连接到肩部，并且行星架也被连接到销。在本发明的这样的实施方案中，环形齿轮通常保持固定，或者环形齿轮不相对于利用其实现所述方法的机床的框架旋转，并且也不相对于正被焊接的组成零件旋转；相反，只有行星架和太阳齿轮围绕旋转轴线旋转。

28、可替换地，可以提供的是，驱动轴被连接到行星变速器的行星架或环形齿轮，其中行星变速器的行星架被连接到销，并且其中环形齿轮被连接到摩擦搅拌焊接工具的肩部。此外，在其中驱动经由行星架或环形齿轮发生的这种类型的实施方案中，也可以提供的是，行星架被连接到肩部并且环形齿轮被连接到销，以便获得销和肩部的不同速度。在本发明的这样的实施方案中，太阳齿轮通常保持固定，或者太阳齿轮不相对于利用其实现所述方法的机床的框架旋转，并且太阳齿轮相应地不相对于正被焊接的组成零件旋转；相反，只有行星架和环形齿轮在这种情况下围绕旋转轴线旋转。

29、由于销和肩部之间的变速器的使用，销的旋转速度可以不同于肩部的旋转速度，特别是以便获得销的高旋转速度，同时获得肩部和被连接的组成零件之间的允许的相对速度。

30、优选地，提供的是，销围绕旋转轴线的旋转速度高于肩部围绕旋转轴线的旋转速度。

31、已经证明有效的是，轴向力和/或径向力在主轴处和/或在摩擦搅拌焊接工具处被测量。对应地测量的力特别是可以被用来控制摩擦搅拌焊接方法，以便在不损坏摩擦搅拌焊接工具的情况下确保最大可能进给速率。