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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Fügequalität einer Fügeverbindung mittels eines flächenhaften Probenkörpers aus wenigstens zwei flächenhaften Bauteilen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung zum Einsatz in einer Zugprüfmaschine.
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Aus der
DE 36 17 455 A1 ist eine zweiachsige Belastungsvorrichtung zur Zug- und/oder Druckbelastung für flächenhafte Probenkörper bekannt, bei der die zu untersuchende Materialprobe in der Mitte zwischen vier kreuzförmig angeordneten und in Kraft- und Hubweg elektronisch regelbaren Hydraulikzylindern mit jeweils einem Kraftübertragungselement mit mehreren Krafteinleitungselementen an vier Seiten eingespannt und einer zwei-achsigen ebenen Belastung unterworfen wird.
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Eine solche Belastungsvorrichtung ist nur unzureichend dafür geeignet, die Fügequalität eines aus wenigstens zwei flächenhaften Bauelementen gefügten Probenkörpers zu prüfen, da mit dieser bekannten Belastungsvorrichtung nur eine Scherbelastung der Fügeverbindung prüfbar ist.
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Mit aus der
DE 195 22 247 A1 bekannten Probenkörper und Probenspannvorrichtung zum Einsatz in Zugprüfmaschinen ist es dagegen möglich, die Fügequalität einer Fügeverbindung von flächenhaften Bauteilen durch Zugbelastung zu prüfen. Hierzu wird vorgeschlagen, einen Probenkörper aus zwei flächenhaften Bauteilen herzustellen, wobei je eine Bodenfläche und hierzu senkrecht abgewinkelte Seitenwände eine Probenkörperhälfte bilden, die über ihre Bodenflächen eine zu prüfenden Fügeverbindung bilden. Die gegenüberliegenden Seitenwände der Probenhälften werden kraftschlüssig in einer Aufnahmevorrichtung einer Prüfmaschine befestigt.
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Diese bekannte Lösung weist den Nachteil auf, dass ein aufwendig herzustellender Probenkörper erforderlich ist.
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Ferner ist aus der
DE 201 06 760 U1 eine Prüfeinrichtung für Zugversuche zur Bestimmung der Festigkeit eines Flächengebildes senkrecht zu dessen Ebene, wie bspw. eines Blattes aus Papier, Pappe oder dergl. bekannt, die einen aus zwei senkrechten Streben bestehenden Prüfrahmen aufweist, wobei auf diesen Streben eine Quertraverse als Stempel höhenverstellbar gelagert ist, dem nach unten weisend eine lineare verschiebbare erste Druckplatte zugeordnet ist, während an einer gleichfalls dem Prüfrahmen zugeordneten Basisplatte eine nach oben weisende, ebenso linear verschiebbare zweite Druckplatte vorgesehen ist, auf denen jeweils mehrere durch Nuten voneinander getrennte Platten angeordnet sind. Es werden alle auf der zweiten Druckplatte angeordneten Platten mit einem doppelseitigen Klebestreifen versehen, auf das eine entsprechende Messeprobe aufgepresst und die anschließend entlang der Nuten zusammen mit dem Klebestreifen durchtrennt wird. Die dadurch auf jeder einzelne Platte entstandene Probe wird in aufeinanderfolgenden Zugversuchen geprüft. Ebenso sind auch die auf der ersten Druckplatte angeordneten Platten mit einem doppelseitigen Klebestreifen vorbereitet. Hiernach werden die beiden Druckplatten jeweils für die aufeinanderfolgenden Zugversuche so ausgerichtet, dass entsprechend der Reihenfolge der auf der zweiten Druckplatte angeordneten und vereinzelten Proben die erste und zweite Druckplatte unter Klemmung einer Probe zwischen den Platten ein guter flächige Kontakt mit dem doppelseitigen Klebestreifen entsteht um anschließend eine Zugkraft auf die Probe auszuüben. Danach werden die Druckplatten für den nächsten Zugversuch so ausgerichtet und aufeinander geführt, dass die auf der zweiten Druckplatte angeordnete nächste Probe zwischen den Platten geklemmt wird.
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Diese Prüfvorrichtung ist aufgrund der Verwendung von Klebestreifen nicht geeignet zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung der Fügequalität einer Fügeverbindung mittels eines flächenhaften aus zwei flächenhaften Bauteilen bestehenden Probenkörpers.
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Weiterhin ist aus der
DE 199 26 408 A1 , der
DE 101 24 064 A1 oder der
US 526 837 B1 ein U-förmiger Spannkopf für eine Zugkraftmaschine bekannt. Zwischen den Schenkeln dieses Spannkopfes befindet sich ein Paar von als Kolben ausgebildeten und hydraulisch betreibbaren Spannbacken, die einen Probenkörper zwischen sich einspannen. Ein solcher Spannkopf ist ebenso nicht geeignet zur Aufnahme eines aus zwei flächenhaften Bauteilen bestehenden Probenkörpers.
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Schließlich beschreibt die
DD 73 405 A1 ein Verfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Ermittlung der Scherwechselfestigkeit im zweidimensionalen Lastfall für Löt-, Klebe- und andere Verbindungsverfahren. In dieser Vorrichtung wird eine Probenhälfte der Probe in einer Ausnehmung einer ortsfest gelagerten Montageplatte 18 und die andere Probenhälfte in einer Ausnehmung einer als Deckel ausgebildeten Platte gehalten, auf die die Scherkraft ausgeübt wird. Auch diese Art der Aufnahme einer Probe ist nicht geeignet für ein aus zwei flächenhaften Bauteilen bestehenden Probenkörpers.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Prüfverfahren mit einem einfach herzustellenden Probenkörper anzugeben, das einfach durchzuführen ist und eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse liefert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei einem solchen Verfahren zur Bestimmung der Fügequalität einer Fügeverbindung mittels eines flächenhaften Probenkörpers aus wenigstens zwei flächenhaften Bauteilen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
- – der Probenkörper aus wenigstens zwei streifenförmigen und flächenhaften Bauteilen in kreuzförmiger Struktur aufeinanderliegend hergestellt wird (auch Kreuzkopfzugprobe genannt),
- – in einer Ebene gegenüberliegende Anlageflächen einer ersten Spannbacke zur Anlage der gegenüberliegenden Endbereiche des einen Bauteils des kreuzförmigen Probenkörpers verwendet werden,
- – zwischen den Anlageflächen der ersten Spannbacke und dieser jeweils gegenüberliegende Klemmmittel der ersten Spannbacke die Endbereiche des ersten Balkens eingeklemmt werden,
- – in einer Ebene gegenüberliegende Anlageflächen einer zweiten Spannbacke zur Anlage der gegenüberliegenden Endbereiche des anderen Bauteils des kreuzförmigen Probenkörpers verwendet werden,
- – zwischen den Anlageflächen der zweiten Spannbacke und diesen jeweils gegenüberliegende Klemmmittel der zweiten Spannbacke die Endbereiche des anderen Bauteils des kreuzförmigen Probenkörpers eingeklemmt werden, und
- – zur Erzeugung einer auf den Probenkörper wirkenden Zugbelastung die erste und zweite Spannbacke im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des flächenhaften Probenkörpers in entgegengesetzter Richtung bewegbar sind.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren besteht keine Gefahr des Weg- oder Durchrutschens des unter einer Zugbelastung stehenden Probenkörpers, wodurch das Messen von verfälschten Ergebnissen erheblich reduziert und damit eine hohe Reproduzierbarkeit erzielt wird. Dies führt dazu, dass die Vergleichbarkeit verschiedener Proben erhöht wird und damit die Belastungsversuche eine hohe Aussagekraft zulassen.
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Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren bei spröden Gusswerkstoffen und hoch- oder höchstfesten Stahlwerkstoffen eingesetzt werden, da die bisher mit hohem Aufwand hinsichtlich Kosten und Zeit in die zu prüfenden Materialien einzubringenden Befestigungslöcher für Einspannzwecke in einer Prüfmaschine entfallen.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren können Streifen aus dem zu prüfenden Material hergestellt werden, die gemäß anzuwendenden Prüfvorschriften standardisiert sind und damit in der Regel bereits vorhanden sind, wodurch ebenfalls Zeit und Kosten eingespart werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst sowohl das erste als auch die zweite Spannbacke jeweils ein C-förmiges Bügelteil, das die ersten bzw. die zweiten Anlageflächen miteinander verbindet. Vorzugsweise sind die Klemmmittel der ersten bzw. der zweiten Spannbacke mit dem jeweiligen Bügelteil verbunden.
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Besonders vorteilhaft ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, wenn die Klemmmittel der ersten und der zweiten Spannbacke als Hydraulikzylinder ausgebildet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Spannbacke um eine parallel zur Richtung eines der den kreuzförmigen Probenkörper bildenden Bauteile drehbar gelagert. Dies bietet den Vorteil, dass die Verbindung auch teilweise mit Scherkräften belastet werden kann.
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Desweiteren sichert die axiale Verschiebbarkeit wenigstens einer Spannbacke in Richtung eines der den kreuzförmigen Probenkörper bildenden Bauteile die optimale Anpassung der Einklemmpunkte an den Probenkörper.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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Hiernach ist es vorgesehen, dass
- – die Vorrichtung eine erste und zweite Spannbacke umfasst, die senkrecht zueinander stehen,
- – die erste und zweite Spannbacke jeweils als C-förmige Bügelteile ausgebildet sind, jeweils bestehend aus zwei Schenkeln, die über ein Mittelteil verbunden werden,
- – die freien Enden der Schenkel der Bügelteile jeweils aufeinander zu sich erstreckende Flansche zur Bildung von in einer Ebene gegenüberliegenden Anlageflächen für den Probenkörper aufweisen, derart dass die Endbereiche des einen Bauteils an den Anlageflächen der ersten Spannbacke und die Endbereiche des anderen Bauteils an den Anlageflächen der zweiten Spannbacke anliegen,
- – an dem Mittelteil jedes Bügelteils jeweils zwei Klemmmittel angeordnet sind, derart, dass sie jeweils einer Anlagefläche eines Bügelteils gegenüberstehen und jeder Endbereich des kreuzförmigen Probenkörpers zwischen einer Anlagefläche und der diesem zugeordnetem Klemmmittel eingeklemmt wird, und
- – zur Erzeugung einer auf den Probenkörper wirkenden Zugbelastung Antriebsmittel vorgesehen sind, die die Spannbacken im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des flächenhaften Probenkörpers in entgegengesetzter Richtung verschieben.
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Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung ist als Spannvorrichtung zum Einsatz in Zugprüfmaschinen geeignet. Mit dieser Vorrichtung wird ein leichtes und schnelles Einspannen eines aus zwei kreuzförmig gefügten flächenhaften Bauteilen hergestellten Probenkörper ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Antriebsmittel vorgesehen sind, die wenigstens eine Spannbacke senkrecht zur Richtung von dessen Mittelteil bewegen. Dadurch kann der Probenkörper mit dessen einen Balken zunächst in die nicht bewegbare Spannbacke gespannt werden, um anschließend die bewegbare Spannbacke in den Bereich des Probenkörpers zu verschieben, damit auch der andere Balken des Probenkörpers mit dieser verschobenen Spannbacke verspannt werden kann.
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Ferner ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn die Schenkel wenigstens eine Spannbacke drehbar zur Bildung einer parallel zur Richtung des Mittelteils der Spannbacke verlaufenden Drehachse gelagert sind. Dies bietet den Vorteil, dass die Verbindung auch teilweise mit Scherkräften belastet werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausstattung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hydraulikzylinder als Klemmmittel.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine einzige Figur ausführlich beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem flächenhaften Probenkörper 1 von kreuzförmiger Struktur (deshalb auch Kreuzkopf-zugprobe genannt) zeigt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung der Figur ist eine Spannvorrichtung 100 zur Verwendung in einer nicht dargestellten Zugprüfmaschine zur Belastungsprüfung des Probenkörpers 1, wobei lediglich Elemente dieser Zugprüfmaschine schematisch dargestellt sind, soweit sie zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind.
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Dieser flächenhafte Probenkörper 1 besteht aus zwei streifenförmigen und flächenhaften Bauteilen 2 und 3, die kreuzförmig übereinanderliegend im Kreuzungsbereich gefügt sind. Jeder dieser beiden Bauteile 2 und 3 verfügen über Endbereiche 2a und 2b bzw. 3a und 3b, die kreuzförmig auf Anlageflächen 11 und 12 bzw. 21 und 22 der Vorrichtung 100 geklemmt werden, um damit eine Zugbelastung zur Bestimmung der Fügequalität der Fügeverbindung zwischen den beiden Bauteilen 2 und 3 zu bestimmen.
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Diese Vorrichtung 100 besteht aus einer ersten und zweiten Spannbacke 10 und 20, die senkrecht zueinander angeordnet sind und jeweils über Verbindungsteile 31 und 41 mit Antrieben 30 und 40 der Zugprüfmaschine verbunden sind.
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Die Spannbacken 10 und 20 sind jeweils aus einem C-förmigen Bügelteil 15 und 25 ausgebildet, welches aus zwei über ein Mittelteil 17 bzw. 27 verbundene Schenkel 16 bzw. 26 besteht. An die freien Enden der Schenkel 16 bzw. 26 des Bügelteils 15 bzw. 25 schließen sich jeweils aufeinander zu sich erstreckende Flansche 18 bzw. 28 an, die jeweils mit den oben bereits genannten Anlageflächen 11 und 12 bzw. 21 und 22 für den Probekörper 1 ausgebildet sind. Die Anlageflächen 11 und 12 der beiden Flansche 18 der ersten Spannbacke 10 liegen auf gleicher Ebene, ebenso die Anlageflächen 21 und 22 beiden Flansche 28 der zweiten Spannbacke 20.
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Die beiden in Richtung der Pfeile F1 und F2 verschiebbaren Spannbacken 10 und 20 sind so voneinander beabstandet, dass die Endbereiche 2a und 2b des Bauteils 2 und die Endbereiche 3a und 3b des Bauteils 3 an den Anlageflächen 11 und 12 der ersten Spannbacke 10 und den Anlageflächen 21 und 22 der zweiten Spannbacke 20 gleichzeitig anliegen. Zur Klemmung der beiden Bauteile 2 und 3 auf diese Anlageflächen 11 und 12 bzw. 21 und 22 werden jeweils Hydraulikzylinder 13 und 14 bzw. 23 und 24 als Klemmmittel verwendet.
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Hierzu sind zwei Hydraulikzylinder 13 und 14 mit dem Mittelteil 17 des Bügelteils 15 der ersten Spannbacke 10 derart verbunden, dass sie jeweils einer Anlagefläche 11 bzw. 12 gegenüberstehen. In gleicher Weise sind zwei Hydraulikzylinder 23 und 24 mit dem Mittelteil 27 des Bügelteils 25 der zweiten Spannbacke 20 derart verbunden, dass auch sie jeweils einer Anlagefläche 21 bzw. 22 gegenüberstehen.
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Den Zustand des in die Vorrichtung 100 eingeklemmten Probenkörpers 1 zeigt die Figur, so dass anschließend mittels der Antriebe 30 und 40 eine Zugbelastung durchgeführt werden kann, die die beiden Spannbacken 30 und 40 in die Richtungen der Kraftpfeile F1 und F2 auseinanderzieht.
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Vor Durchführung einer solchen Zugbelastung muss der Prüfkörper zuerst in die Vorrichtung 100 eingelegt werden. Hierzu ist die zweite Spannbacke 20 axial in Richtung des Doppelpfeils F3 verschiebbar, also in Richtung des Bauteils 2 bzw. senkrecht zum Mittelteil 27 des Bügelteils 25 der zweiten Spannbacke 20. Hierfür ist ein Antrieb 50 der Zugprüfmaschine vorgesehen, wobei der Antrieb manuell oder automatisch ausgebildet sein kann.
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Zunächst befindet sich diese zweite Spannbacke 20 außerhalb des Bereichs der ersten Spannbacke 10. In diesem Zustand der Vorrichtung 100 wird der Probenkörper 1 mit den Endbereichen 2a und 2b des Bauteils 2 an die Anlageflächen 11 und 12 angelegt und durch Zufahren der Hydraulikzylinder 13 und 14 diese Endbereiche 11 und 12 eingeklemmt.
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Im nächsten Schritt wird die zweite Spannbacke 20 axial und zentral über den Probenkörper 1 so geführt und ggf. in Richtung des Pfeils F2 so korrigiert, dass die Endbereiche 3a und 3b des anderen Bauteils 3 im Wesentlichen zur Anlage an die Anlageflächen 21 und 22 kommen, so dass durch Zufahren der beiden Hydraulikzylinder 23 und 24 die Endbereiche 3a und 3b zwischen der Anlagefläche 21 und dem Hydraulikzylinder 23 bzw. der Anlagefläche 22 und dem Hydraulikzylinder 24 eingeklemmt werden. Damit kann die Zugprüfung gestartet werden und die beiden Bauteile 2 und 3 zur Prüfung der Fügeverbindung auseinandergezogen werden.
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Um auch eine Scherbelastung der Fügeverbindung auszusetzen, ist die erste Spannbacke 10 mittels in den Schenkeln 16 von dessen Bügelteil 15 angeordneten Drehachsen 19 drehbar gelagert. Die sich dadurch ergebende Drehachse liegt parallel zur Richtung des Bauteils 2 bzw. senkrecht zur Zugrichtung F1. Je nach dem eingestellten Drehwinkel kann eine größere oder kleinere Scherwirkung auf den Probenkörper 1 aufgebracht werden.
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In gleicher Weise kann auch die zweite Spannbacke 20 drehbar mittels in den Schenkel 26 von dessen Bügelteil 25 angeordneten Drehachsen 29 ausgebildet werden. Die dadurch gebildete Drehachse liegt senkrecht zur Drehachse der ersten Spannbacke 10. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, den Probenkörper 1 unterschiedlichsten Belastungsarten auszusetzen, um damit die Fügeverbindungen in allen Raumrichtungen zu prüfen.
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Die Fügeverbindung des in der Figur dargestellten Probenkörpers
1 stellt eine punktförmige Verbindung dar, die bspw. mittels eines Nagels oder eines Bolzens hergestellt wird, wie dies bspw. aus der
DE 10 2006 002 238 A1 bekannt ist. Selbstverständlich können mit der Vorrichtung
100 auch andere Fügeverbindungen, insbesondere auch flächenförmige, wie bspw. Klebeverbindungen oder auch Kombinationen hiervon geprüft werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Probenkörper
- 2
- Bauteil des Probenkörpers
- 2a
- Endbereich des Bauteils 2
- 2b
- Endbereich des Bauteils 2
- 3
- Bauteil des Probenkörpers
- 3a
- Endbereich des Bauteils 3
- 3b
- Endbereich des Bauteils 3
- 10
- erste Spannbacke
- 11
- Anlagefläche der ersten Spannbacke 10
- 12
- Anlagefläche der ersten Spannbacke 10
- 13
- Hydraulikzylinder der ersten Spannbacke 10
- 14
- Hydraulikzylinder der ersten Spannbacke 10
- 15
- C-förmiges Bügelteil der ersten Spannbacke 10
- 16
- Schenkel des C-förmiges Bügelteil der ersten Spannbacke 10
- 17
- Mittelteil des Schenkels des C-förmiges Bügelteil der ersten Spannbacke 10
- 18
- Flansch der ersten Spannbacke 10
- 19
- Drehachse
- 20
- zweite Spannbacke
- 21
- Anlagefläche der zweiten Spannbacke 20
- 22
- Anlagefläche der zweiten Spannbacke 20
- 23
- Hydraulikzylinder der zweiten Spannbacke 20
- 24
- Hydraulikzylinder der zweiten Spannbacke 20
- 25
- C-förmiges Bügelteil der zweiten Spannbacke 20
- 26
- Schenkel des C-förmiges Bügelteil der zweiten Spannbacke 20
- 27
- Mittelteil des Schenkels des C-förmiges Bügelteil der zweiten Spannbacke 20
- 28
- Flansch der zweiten Spannbacke 20
- 29
- Drehachse
- 30
- Antriebsmittel
- 31
- Verbindungsteil
- 40
- Antriebsmittel
- 41
- Verbindungsteil
- 50
- Antriebsmittel
- 60
- Antriebsmittel
- 100
- Vorrichtung
