Elektrodenfräswerkzeug mit durch Aussparungen unterbrochenen Fräskanten

Die Erfindung betrifft ein Elektrodenfräswerkzeug zum Bearbeiten von Punktschweißelektroden und eine Fräseinrichtung zum Nachbearbeiten von abgenutzten Punktschweißelektroden sowie eine Vorrichtung zum Nachbearbeiten von Punktschweißelektroden.

Um Blechteile fest miteinander zu verbinden, werden in Industrieanlagen, wie beispielsweise Automobilherstellungsanlagen, häufig Schweißroboter mit Schweißzangen eingesetzt. Bei einem Schweißvorgang drückt die Schweißzange von zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils zwei oder mehrere Blechteile aufeinander, wobei durch in den Zangenarmen der Schweißzange angebrachten Punktschweißelektroden ein elektrischer Strom fließt, so dass die Blechteile punktgenau miteinander verschweißt werden. Die Schließkraft einer Punktschweißzange während des Schweißvorgangs kann bis zu 8 kN betragen. Nach ungefähr 100 bis 300 Schweißvorgängen sind die Punktschweißelektroden derart abgenutzt bzw. mit Schweißresten belegt, dass kein zuverlässiges Verschweißen mehr gut möglich ist.

Die Schweißelektroden weisen in der Regel austauschbare Kappen auf. Sie können jedoch auch einstückig ohne solche Kappen sein. Die folgenden Ausführungen betreffen beide Fälle gleichermaßen, da das Fräswerkzeug, die Fräseinrichtung und die Vorrichtung genauso für einstückige Elektroden wie für Elektroden mit Kappen eingesetzt werden können.

Um die abgenützten Punktschweißelektrodenspitzen wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen, werden besagte Spitzen mit Hilfe eines Elektrodenfräsers nachbearbeitet. Für die Instandsetzung der abgenützten Punktschweißelektroden, die aus relativ weichem Kupfer bestehen, reicht es zumeist aus, weniger als 0,1 mm Material von den Punktschweißelektrodenspitzen abzutragen.

Mit Elektrodenfräsern, wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird in der Praxis jedoch das Zwei- bis Dreifache dieser Dicke (0,2 mm bis 0,3 mm) abgetragen. Einerseits führt dies dazu, dass die Kupferelektroden unnötig stark gekürzt werden, so dass die Elektroden bzw. Elektrodenkappen entsprechend schneller komplett ausgetauscht werden müssen. Andererseits führt der unnötig große Abtrag auch dazu, dass die Menge und Größe der abgetragenen Kupferspäne entsprechend zunimmt, wodurch sich die Gefahr eines Zusetzens des Fräswerkzeuges erhöht. Das Austauschen von Punktschweißelektroden bzw. das Reinigen eines Elektrodenfräsers hat üblicherweise zur Folge, dass der gesamte Schweißprozess für

längere Zeit unterbrochen werden muss, was zu enormen Folgekosten durch Produktionsausfall oder durch produzierten Ausschuss führt.

Um den Materialabtrag beim Fräsen der Punktschweißelektroden zu verringern, wäre es denkbar, die Schweißzangen, die zum Abfräsen mit den Punktschweißelektroden in die Elektrodenfräseinrichtung greifen, entweder kürzer oder mit geringerem Anpressdruck in die Elektrodenfräseinrichtung greifen zu lassen. In der Praxis ist solch eine Vorgehensweise jedoch nur schwer realisierbar, da sich die Schließzeit von Punktschweißzangen kaum unter 0,7 s reduzieren lässt und somit sich die Fräszeit nicht beliebig verkürzen lässt. Ebenso ist es schwierig, die Schließkraft von 1 bis 2 kN deutlich zu reduzieren, da dies Positio- nierungsungenauigkeiten zur Folge hätte, wie z. B. dass sich die Schweißarme bei vermindertem Anpressdruck weniger stark durchbiegen, wodurch sich die Orientierung der Wirkflächen zueinander ändert.

Weiter wäre denkbar, die Abtragungsmenge beim Fräsen dadurch zu reduzieren, dass die Drehzahl des Elektrodenfräsers niedriger als die üblichen 200 bis 700 Upm gewählt wird, oder dass der Freiwinkel an der oder den Fräskanten des Fräswerkzeuges unterhalb der bei Buntmetallen üblichen 6° gewählt wird. Beide dieser möglichen änderungen würde jedoch zu deutlich schlechteren Fräsergebnissen führen, wie z. B. unregelmäßigen Material- abtragungen, Vibrationen beim Fräsvorgang oder schlechtes Zerspanungsergebnis.

Der nachfolgend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer von Punktschweißelektroden dadurch zu verlängern, dass beim Nachbearbeiten von abgenutzten Punktschweißelektroden nur so viel Material wie nötig (beispielsweise weniger als 0,1 mm) abgetragen wird.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Elektrodenfräswerkzeug nach Anspruch 1 , einer Fräseinrichtung nach Anspruch 20 sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 21.

Die Ausführungen zu Elektrodenkappen betreffen entsprechend auch Elektroden ohne Kappen und umgekehrt.

Das Elektrodenfräswerkzeug zum Bearbeiten von Punktschweißelektroden umfasst mindestens eine Fräskante, wie z. B. die Kante eines Metallteiles, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass besagte Fräskante an einer oder mehreren Stellen durch eine oder mehrere Aussparungen unterbrochen ist. Die Verwendung solch eines Elektroden- fräswerkzeuges hat zur Folge, dass beim Fräsen an Stellen der Aussparungen ringförmige Wülste an den Punktschweißelektroden entstehen. Dies führt beispielsweise dazu, dass

das Punktschweißelektrodenmaterial beim Fräsen dünner abgetragen wird, wodurch sich die Lebensdauer einer Punktschweißelektrode um ein Mehrfaches erhöhen kann. Außerdem führt die Verwendung von Fräskanten mit Unterbrechungen dazu, dass beim Fräsen kleinere Späne bzw. Fräspartikel erzeugt werden, was die Gefahr des Zusetzens des Fräswerkzeuges stark reduziert. Weiter ermöglichen die ringförmigen Wülste, die beim Fräsen mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenfräswerkzeug entstehen, eine genauere Positionierung der Punktschweißelektrodenspitze in dem Elektrodenfräswerkzeug, da die Wülste auf der Elektrode und die Aussparungen etwas ineinander greifen. Schließlich lässt sich an den Positionen der besagten Wülsten erkennen, wann eine Punktschweißelektrode vollständig abgenutzt ist und daher ausgetauscht werden muss.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt sowohl die Breite als auch die Tiefe der Aussparungen 30 μm bis 110 μm oder maximal 0,5, 1 ,0 oder 1 ,5 mm. Je nach Anzahl der Aussparungen pro Fräskante sind jedoch auch größere bzw. kleinere Abmessungen denkbar. Außerdem müssen die Aussparungen einer oder verschiedener Fräskanten nicht unbedingt alle gleich sein, sondern können unterschiedliche Größen haben.

Der Abstand von benachbarten Aussparungen, üblicherweise im Bereich von 1 bis 5 mm, kann jedoch je nach Anwendung größer oder kleiner sein. Die Abstände zwischen jeweils benachbarten Aussparungen können jeweils gleich sein oder variieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Fräskante durch drei Aussparungen unterbrochen. Bei Elektrodenfräswerkzeugen für sehr kleine Punktschweißelektroden sind jedoch auch nur ein oder zwei Aussparungen möglich und bei Elektrodenfräswerkzeugen für große Punktschweißelektroden kann die Anzahl der Aussparungen pro Fräskante vier oder mehr betragen.

Die konkrete Wahl von Anzahl, Abmessungen und Abständen der Aussparungen hängt hauptsächlich von der Punktschweißaufgabe und dem hieraus resultierenden Verschleiß der Elektroden ab.

Ein weiterer Aspekt des Elektrodenfräswerkzeuges ist, dass sich in dem der Rotationsachse zugewandten Teil der Fräskante keine Aussparungen befinden und besagter Teil üblicherweise mindestens 30% der Gesamtlänge der Fräskante beträgt. Dadurch wird erreicht, dass die Punktschweißelektroden im Bereich der Wirkflächen (Anpressflächen) möglichst glatt sind, so dass durch die Wülste auf den Schweißelektroden keine änderung des Schvveißergcbnisses hervorgerufen werden.

Falls das Elektrodenfräswerkzeug mehrere Fräskanten umfasst, bestehen neben der Möglichkeit, gleiche Fräskanten zu verwenden, auch noch die Möglichkeiten, unterschiedliche Fräskanten mit unterschiedlich gestalteten Aussparungen oder einige Fräskanten ohne Aussparungen zu verwenden.

Weiter ist es möglich, dass die Aussparungen entlang einer Fräskante, die Teil eines Fräselementes ist, so gestaltet ist, dass das Fräselement durch die Aussparungen komplett unterbrochen wird. Außerdem sind auch mehrere Fräselemente denkbar, die so aneinander gereiht sind, dass eine ein- oder mehrfach unterbrochene Fräskante entsteht.

Das Elektrodenfräswerkzeug kann weiterhin eine Aufnahmepfanne zur Führung einer zu bearbeitenden Punktschweißelektrode umfassen. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Fräskanten an oder in der Aufnahmepfanne befestigt.

Es ist möglich, dass sich die Aussparungen teilweise unterhalb der Oberfläche einer entsprechenden Aufnahmepfanne befinden, das heißt, dass ein Teil des Volumens einer Aussparung oberhalb der Oberfläche der Aufnahmepfanne liegt und ein Teil des Volumens besagter Aussparung unterhalb der Oberfläche der Aufnahmepfanne liegt. Weiter ist es möglich, dass der untere Teil einer Aussparung auf gleicher Höhe liegt wie die Oberfläche der Aufnahmepfanne, sodass eine annähernd glatte bzw. ebene Fläche im Bereich besagter Aussparung vorhanden ist. Mit einer derartigen Anordnung der Elemente eines Elektroden- fräswerkzeuges wird erreicht, dass beim Fräsvorgang die zu bearbeitende Punktschweißelektrode im Bereich einer solchen Aussparung direkt auf der Aufnahmepfanne aufliegt. Dadurch ist es möglich, den Materialabtrag einer Punktschweißelektrode beim Fräsvorgang weiter zu verringern.

Typischerweise liegen zirka zwei Drittel des Volumens einer Aussparung unterhalb der O- berfläche einer Aufnahmepfanne. Das Volumen oberhalb der Oberfläche der Aufnahmepfanne beträgt vorzugsweise mindestens ein Fünftel, ein Viertel, ein Drittel oder die Hälfte des Volumens der Ausnehmung. Das Volumen unterhalb der Oberfläche der Aufnahmepfanne sollte mindestens ein Fünftel, ein Viertel, ein Drittel oder die Hälfte des Volumens der Aussparung betragen Normalerweise weisen alle Aussparungen gleichermaßen diese Eigenschaft auf. Es sind jedoch auch Kombinationen denkbar, bei denen sich einige der Aussparungen komplett oberhalb der Oberfläche, teilweise oberhalb der Oberfläche und auf gleicher Höhe mit der Oberfläche der Aufnahmepfanne befinden. Weiter können die Aussparungen abgerundete bzw. abgestumpfte Kante aufweisen, wodurch ebenfalls eine zu-

sätzliche Reduktion des Materialabtrages einer Punktschweißelektrode beim Fräsvorgang möglich ist.

Weiter ist das erfindungsgemäße Elektrodenfräswerkzeug üblicherweise Bestandteil einer Fräseinrichtung zum Nachbearbeiten von abgenutzten Punktschweißelektroden. Solch eine Fräseinrichtung umfasst normalerweise zusätzlich zum Elektrodenfräswerkzeug einen Antriebsmotor und eventuell ein Getriebe für eine Umdrehungszahl von 200 bis 700 Upm des Fräswerkzeugs. Die Leistung dieses Antriebsmotors liegt typischerweise im Bereich von 0,3 bis 2 kW.

Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Elektroden unter Verwendung eines der oben oder weiter unten beschriebenen Elektrodenfräswerkzeuge sowie der Fräseinrichtung.

Außerdem ist es möglich ein Verfahren zum Nachbearbeiten von Punktschweißelektroden, bei dem ein Elektrodenfräswerkzeug oder eine Fräseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, durchzuführen.

Weitere Aspekte von bevorzugten und möglichen Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Figuren 1a, 1b, 2, 3, 4, 5, 6, 7a, 7b, 7c, 7d und 7e deutlich. Dabei zeigt:

Fig. 1a eine schematische Ansicht eines Fräsvorganges;

Fig. 1 b eine schematische Ansicht eines Fräselementes mit (nicht erfindungsgemäßer) Fräskante;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Fräselementes mit einer Fräskante, die durch Aussparungen unterbrochen ist;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Fräselementes mit einer Fräskante, die durch Aussparungen unterbrochen ist;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Fräselementes mit einer Fräskante, die durch Aussparungen unterbrochen ist;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Fräselementes mit einer Fräskante, die durch Aussparungen unterbrochen ist:

Fig. 6 eine schematische Teilansicht eines Elektrodenfräswerkzeuges;

Fig. 7a eine schematische Draufsicht eines Elektrodenfräswerkzeuges;

Fig. 7b eine schematische Seitenansicht eines Elektrodenfräswerkzeuges mit zu bearbeitender Punktschweißelektrodenspitze;

Fig. 7c eine schematische Ansicht eines Wulstes und einer Aussparung in Vergrößerung;

Fig. 7d eine schematische Ansicht einer nachbearbeiteten Schweißelektrode; und

Fig. 7e eine weitere schematische Seitenansicht eines Elektrodenfräswerkzeuges mit zu bearbeitender Punktschweißelektrodenspitze.

Fig. 1a zeigt schematisch einen Fräsvorgang mit Hilfe einer Fräskante 1, welche in Pfeilrichtung über die Oberfläche des Werkstoffes 3 fortbewegt wird, so dass Werkstoffmaterial, typischerweise in Form von Spänen 4, abgetragen wird. Ein Fräselement mit einer durchgehenden Fräskante 1 , wie sie im Stand der Technik verwendet wird, ist in Fig. 1b skizziert.

Fig. 2 bis 5 zeigen erfindungsgemäße Fräselemente mit Fräskanten 1, die durch Aussparungen 2 unterbrochen sind.

Die Aussparungen sind hier und in den weitere Figuren mit einem rechteckigen Querschnitt gezeigt. Es sind aber jeweils auch abgerundete oder halbrunde oder andersartig geformte Querschnitte möglich. So kann beispielsweise eine Aussparung einen Querschnitt aufweisen, der aus drei Kreisbogenabschnitten zusammengesetzt ist, sodass zum Beispiel der Querschnitt einer solchen Aussparung in der Mitte konkav und in den Randbereichen konvex geformt ist.

Im Fall von Fig. 2 wird die Fräskante 1 von den Aussparungen 2a, 2b und 2c unterbrochen, welche alle dieselben Abmessungen besitzen und konstante Abstände zu den jeweils benachbarten Aussparungen aufweisen. Weiter ist in Fig. 2 ein Bereich 7 der Fräskante 1 angedeutet, der frei von Aussparungen 2 ist. Typischerweise ist der aussparungsfreie Bereich 7 der Teil der Fräskante 1 , der der Mitte des Elektrodenfräswerkzeuges zugewandt ist bzw. der am nächsten an der Rotationsachse des Elektrodenfräswerkzeuges liegt. Das Nichtvor- handensein von Aussparungen im Bereich 7 gewährleistet, dass Punktschweißelektroden im Bereich der Spitze möglichst glatt gefräst werden.

In Fig. 3 ist eine FräskaπtQ 1 mit vier Aussparungen (2d bis 2g) gezeigt, wobei die Abstände zwischen jeweils benachbarten Aussparungen unterschiedlich sind. Durch die Wahl der

Abstände wird die lokale Dichte der Aussparungen 2 entlang einer Fräskante 1 festgelegt. Die Dichte der Aussparungen 2 wiederum beeinflusst das Fräsverhalten und die Größe der beim Fräsvorgang entstehenden Späne.

Weiter ist in Fig. 4 der Fall gezeigt, dass die Fräskante 1 durch die Aussparungen 2h bis 2k unterbrochen wird, wobei die Abmessungen der Aussparungen teilweise unterschiedlich und zum Teil identisch sind. Die Abmessungen der Aussparungen 2h und 2j sind untereinander gleich und die Aussparungen 2i und 2k untereinander gleich, jedoch sind Aussparungen 2i und 2k größer als die Aussparungen 2h und 2j. Größere Aussparungen sind beispielsweise dann sinnvoll, wenn an einer zu bearbeitenden Punktschweißelektrode ein besonders ausgeprägter Wulst zur genaueren Positionierung der Punkschweißelektrode in einem Kappenfräswerkzeug entstehen soll.

Fig. 5 zeigt ein Fräselement mit Fräskante 1 , das durch die Aussparung 2I derart unterbrochen wird, dass das Fräselement in zwei Teile zerfällt. Es ist auch möglich, Fig. 5 so zu interpretieren, dass zwei Fräselemente so angeordnet sind, so dass eine Fräskante 1 entsteht, die durch einen geeignet gewählten Abstand der beiden Fräselemente unterbrochen wird. Weitere Unterbrechungen der Fräskante 1 sind auch im Fall von vollständig unterbrochenen Fräselementen möglich.

Fig. 6 zeigt eine Teilansicht eines Kappenfräswerkzeuges, bei dem ein Fräselement mit einer Fräskante 1 und Aussparungen 2m, 2n und 2o auf bzw. in einer Aufnahmepfanne so angebracht ist, dass die Fräskante 1 aus der Oberfläche der Aufnahmenpfanne 5 herausragt. Der nicht sichtbare Teil des Fräselements ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Wie aus Fig. 6 deutlich wird, liegt ein Teil der Aussparungen 2 unterhalb der Oberfläche der Aufnahmenpfanne 5 (dementsprechend liegt der verbleibende Teil der Aussparungen 2 oberhalb der Oberfläche der Aufnahmenpfanne 5). Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, bei denen sich die Aussparungen 2 vollständig oberhalb der Oberfläche der Aufnahmenpfanne 5 befinden. Weiter ist der Sonderfall möglich, dass die unteren Flächen der Aussparungen mit der Oberfläche der Aufnahmenpfanne 5 eine annähernd geschlossene, ebene bzw. glatte Fläche bilden.

Fig. 7a zeigt eine Draufsicht eines Kappenfräswerkzeuges, bei dem ein Fräselement mit einer Fräskante 1 und Aussparungen 2a, 2b und 2c auf bzw. in einer Aufnahmepfanne so angebracht ist, dass die Fräskante 1 beim Fräsen entgegen dem Uhrzeigersinn um den Mittelpunkt der Aufnahmepfanne 5 rotiert. In Fig. 7b ist die Seitenansicht des Kappenfräswerkzeuges aus Fig. 7a skizziert, außerdem ist in Fig. 7b noch die Spitze einer Punkt-

Schweißelektrode 6 und die Rotationsachse (gestrichelte Linie) angedeutet. Beim Fräsvorgang rotiert das Kappenfräswerkzeug um die Spitze der Punktschweißelektrode 6 (die selbst nicht rotiert), so dass die Fräskante 1 Material von der Spitze der Punktschweißelektrode 6 abträgt. Die Aufnahmepfanne 5 dient hauptsächlich auf der von Fräskante 1 abgewandten Seite zur Führung der Punktschweißelektrode 6. Typischerweise stimmt die Rotationsachse des Kappenfräswerkzeuges mit der Symmetrieachse der zu bearbeitenden Punktschweißelektrode 6 überein.

Das Fräswerkzeug kann auch so ausgebildet sein, dass das Fräselement zwei Fräskanten aufweist, so dass beide Elektroden einer Schweißzange gleichzeitig und mit dem selben Fräselement bearbeitet werden. In Fig. 7b wäre die zweite Fräskante nach unten gerichtet angeordnet. Die Aufnahmepfanne 5 kann dann auch entsprechend für die Aufnahme von zwei Elektroden (in Fig. 7b von oben und von unten) ausgebildet sein (so kann eine weitere etwa halbrunde Vertiefung von unten vorgesehen sein).

Bei der Nachbearbeitung der Elektroden mit dem Elektrodenfräswerkzeug kann die Elektrode mit einer Kraft von 1 kN bis 2,5 kN angedrückt werden. Die Bearbeitungszeit kann zwischen 0,5 und 3,0 Sekunden liegen. Bei der Nachbearbeitung kann ein Fräsvorgang mehr als 50, 60 oder 70 mal wiederholt werden, bevor die Elektrode bzw. die Elektrodenkappe ausgetauscht wird.

In Fig. 7c ist in einer Vergrößerung dargestellt, wie ein Wulst 9 in einer Aussparung 2 der Fräskante 1 entsteht. Durch den Wulst 9 wird die Schweißelektrode 6 geführt, so dass ein sehr gleichmäßiges Fräsergebnis erzielt wird, bei dem auch bei einem leichten Verwackeln zwischen der Elektrode und dem Fräswerkzeug kein ungleichmäßiger Materialabtrag erfolgt.

Weiter führt der Wulst zu einem abgebremsten Materialabtrag, da die Fräskanten nicht mit der gesamten Kraft auf der Elektrode aufliegen, da ein Teil der Kraft durch Wulst und Aussparung abgefangen wird, dort aber ein Befräsen weniger stark stattfindet.

Fig. 7d zeigt eine Elektrode 6 mit ringförmig angeordneten Wülsten 9. Je nachdem, wie weit die Wülste von z.B. einer Markierung 8 entfernt sind kann mit bloßen Auge darauf geschlossen werden, wie weit die Elektrode bzw. Elektrodenkappe bereits abgenutzt ist.

In Fig. 7e ist analog zu Fig. 7b, wobei jedoch der sichtbare Teil der Aussparungen 2 bis zur Oberfläche der Aufnahmepfanne 5 reicht. Es ist möglich, dass die Aussparungen 2 entweder bündig mit der Oberfläche der Aufnahmepfanne 5 abschließen, oder dass sich ein Teil

des Volumens der Aussparungen 2 unterhalb der Oberfläche der Aufnahmepfanne 5 befindet. In beiden Fällen führt die Anordnung der einzelnen Elemente nach Fig. 7e jedoch dazu, dass die Spitzen von zu bearbeitenden Punktschweißelektroden 6 im Bereich bzw. nahe der Aussparungen 2 auf der Aufnahmepfanne 5 aufliegen. Dadurch ist es möglich den E- lektrodenmaterialabtrag bei einem Fräsvorgang weiter zu verringern.