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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spann- und Scherwerkzeug für eine Reibschweißmaschine sowie eine mit einem solchen Werkzeug ausgestattete Reibschweißmaschine gemäß dem Oberbegriff der eigenständigen Ansprüche.
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Reibschweißmaschinen sind in der Praxis grundsätzlich bekannt. Sie dienen dazu, zwei zu verbindende Werkstücke relativ zueinander in eine Drehbewegung zu versetzen, wobei das Material der Werkstücke im Kontaktbereich durch Erwärmung aufschmilzt. Die beiden Werkstücke werden aufeinander gepresst, wobei ein Teil des verflüssigten Materials zu den Seiten hin austreten kann. Die Werkstücke werden nach dem Stauchen in einer vordefinierten Relativlage gehalten, bis das aufgeschmolzene Material erstarrt und sich die Reibschweißverbindung ausbildet. Das zu den Seiten ausgetretene Material bildet einen Schweißwulst, der häufig nach dem Reibschweißvorgang entfernt wird.
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Reibschweißmaschinen werden besonders bevorzugt zum Verbinden von Werkstücken mit im Wesentlichen rotationssymmetrischen und zueinander in der Formgebung korrespondierenden Schaftbereichen verwendet. Um eine besonders hohe Fertigungsgenauigkeit hinsichtlich der Parallelität und Flucht der Schaftachsen und hinsichtlich der Geradheit der Schaftbereiche zu ermöglichen, müssen die Werkstücke durch geeignete Spannelemente möglichst nahe an der vorgesehenen Schweißstelle gespannt werden. Dies führt in der Regel dazu, dass ein Scherwerkzeug zum Entfernen des Schweißwulstes erst nach dem Abschluss eines Schweißvorgangs und nach der Freigabe zumindest eines der Werkstücke aus den jeweiligen Spannelementen von außen her zugeführt werden kann. Als Schermittel werden beispielsweise Drehmeißel verwendet. Nachteilig hieran ist, dass einerseits das Entfernen des Schweißwulstes einen relativ aufwendigen separaten Arbeitsschritt erfordert und andererseits die bei der Entfernung des Schweißwulstes auf die Werkstücke eingebrachten Kräfte zu einer unerwünschten Verformung führen können. Eine weiter von der Schweißstelle beabstandete Einspannung der Werkstücke würde zwar Raum für die Zuführung eines Schermittels bieten. Aber im Bereich der freien Weglänge zwischen der Schweißstelle und dem Angriffspunkt der Spannelemente würde dann ein temperatur- oder lastabhängiger Verzug entstehen, der zu unzulässigen Fertigungsmaßen führt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein (kombiniertes) Spann- und Scherwerkzeug für eine Reibschweißmaschine aufzuzeigen, mit dem eine besonders maßhaltige und schnelle Herstellung von Reibschweißverbindungen mit kombinierter Entfernung des Schweißwulstes ermöglicht wird. Ferner soll eine zugehörige Reibschweißmaschine aufgezeigt werden, mit der ein optimiertes Reibschweißverfahren durchführbar ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der eigenständigen Ansprüche.
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Das Spann- und Scherwerkzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Satz von ersten Spannelementen zur Aufnahme eines Schaftkörpers eines ersten Werkstücks. Am Schaftende des ersten Werkstücks ist die Reibschweißverbindung zu einem zweiten Werkstück anzubringen. Das Spann- und Scherwerkzeug umfasst weiterhin ein Schermittel zur Entfernung des Schweißwulstes nach einem Reibschweißvorgang. Das Schermittel ist in einer inaktiven Stellung vor dem Reibschweißvorgang in einer Axialrichtung des Schaftkörpers zwischen dem Schaftende und den ersten Spannelementen positionierbar, wobei es bevorzugt als ringförmiges Schermittel den Schaftbereich umgreift. Das Schermittel ist also bereits vor dem Reibschweißvorgang in eine Position direkt neben dem entstehenden Schweißwulst anordenbar. Es kann weiterhin nach dem Reibschweißvorgang unter Abscherung des Schweißwulstes in Axialrichtung des Schaftkörpers über das Schaftende hinweg bewegt werden.
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Die ersten Spannelemente weisen einen sich in Richtung des Schaftendes im Umfang verjüngenden Spannbereich auf. Das Schermittel weist einen zu den ersten Spannelementen weisenden Ring-Abschnitt mit einer Ausnehmung auf. Die sich verjüngenden Spannbereiche und die Ausnehmung sind bevorzugt zueinander im Wesentlichen komplementär geformt. Insbesondere erweitert sich die Ausnehmung in der Axialrichtung zu den ersten Spannelementen hin im Umfang, sodass der sich verjüngende Spannbereich der ersten Spannelemente in der Ausnehmung anordenbar ist. Mit anderen Worten kann das Schermittel über die sich verjüngenden Spannbereiche beschoben werden, sodass ein Abstand zwischen dem Schermittel und den Spannelementen auf einem Minimum reduzierbar ist.
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Obwohl das Schermittel zwischen dem Schaftende, wo sich der Schweißwulst ausbilden wird, und den ersten Spannelementen angeordnet ist, können die sich verjüngenden Spannbereiche sehr weit in Richtung des Schaftendes reichen, sodass nur ein Minimum an freier Länge des Schaftbereichs zwischen den Spannelementen und der Schweißstelle verbleibt. Diese freie Länge kann so gering gewählt werden, dass Verformungen, insbesondere Abweichungen von der Geradheit, Parallelität oder Achsenflucht sowie Lageänderungen an dem Schaftkörper des ersten Werkstücks nahezu oder vollständig ausgeschlossen werden.
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Durch den Ring-Abschnitt an dem Schermittel können die an einer Scherkante beim Abtrennen des Schweißwulstes auftretenden Kräfte gut abgestützt und in einem gemäßigt gekrümmten Lastpfad zu reiner äußeren Abstützung geleitet werden, sodass eine lange Standzeit des Schermittels und damit eine dauerhaft hohe Schnittgüte erreichbar sind.
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Die Reibschweißmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst das (kombinierte) Spann- und Scherwerkzeug. Sie ist bevorzugt dazu ausgebildet, ein Verbindungsverfahren zum kombinierten Herstellen einer Reibschweißverbindung und Entfernen des Schweißwulstes auszuführen. Das Verbindungsverfahren umfasst bevorzugt die folgenden Schritte.
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Das erste Werkstück wird zwischen den ersten Spannelementen aufgenommen, wobei die sich verjüngenden Spannbereiche in der Axialrichtung des Schaftkörpers (direkt) neben bzw. maximal nahe an der vorgesehenen Schweißstelle angeordnet werden. Die Anordnung kann bevorzugt so nahe an der Schweißstelle erfolgen, dass zwischen der maximal erwartenden Ausdehnung des Schweißwulstes und den Spannelementen gerade genug Platz für die Anordnung des Schermittels verbleibt.
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Das Schermittel wird also in Axialrichtung des Schaftkörpers zwischen den ersten Spannelementen und der vorgesehenen Schweißstelle positioniert, wobei die sich verjüngenden Spannbereiche in die sich erweiternde Ausnehmung an dem Schermittel eingreifen.
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Es wird eine Reibschweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück unter Bildung eines Schweißwulstes hergestellt. Anschließend wird das Schermittel in der Axialrichtung des Schaftkörpers über die Schweißstelle hinwegbewegt, d.h. in der Axialrichtung von den ersten Spannelementen weg bewegt, wobei der Schweißwulst durch das Schermittel abgetrennt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, den Unteransprüchen sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Reibschweißmaschine mit dem Spann- und Scherwerkzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2: eine Schnittansicht auf zwei Werkstücke, die durch erste Spannelemente und zweite Spannelemente gehalten und durch Reibschweißen verbunden werden sowie ein Schermittel in einer inaktiven Position vor bzw. während des Reibschweißvorgangs;
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3: Eine Schrägbilddarstellung der verbundenen Werkstücke aus 2, wobei der Schweißwulst durch eine Bewegung des Schermittels abgetrennt wird;
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4 und 5: bevorzugte Ausführungsvarianten eines Schermittels.
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1 zeigt eine Reibschweißmaschine (10) in Seitenansicht. Die Reibschweißmaschine (10) umfasst einen Rotor (11) und einen Stator (12), die gemäß einer gemeinsamen Schweißachse (13) angeordnet sind. In dem Bespiel von 1 sind an dem Stator (12) das kombinierte Spann- und Scherwerkzeug (20) gemäß der vorliegenden Offenbarung und an dem Rotor (11) ein Satz von zweiten Spannelementen (25, 26) angeordnet. Alternativ kann die Anordnung vertauscht sein.
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Ein erstes Werkstück (50) ist an dem Stator (12) eingespannt und ein zweites Werkstück (60) ist koaxial zu dem ersten Werkstück (50) an dem Rotor (11) eingespannt. Die Reibschweißmaschine ist dazu ausgebildet, die beiden Werkstücke (50, 60) relativ zueinander um die Schweißachse (13) zu drehen und aneinander zu pressen, um eine Reibschweißverbindung (14) zwischen den Werkstücken (50, 60) herzustellen. Die Längsachsen (X) des Schaftkörpers (51) des ersten Werkstücks (50) und eines etwaig vorhandenen Schaftbereichs (61) an dem zweiten Werkstück (60) sind bevorzugt parallel und in Achsenflucht (koaxial) zu der Schweißachse (13) positioniert.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Spann- und Scherwerkzeugs gemäß der vorliegenden Offenbarung in einer Schnittansicht. Das erste Werkstück (50) ist hier beispielhaft als ein Ventilverschlusskörper ausgebildet. Es weist einen Schaftkörper (51) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Außenkontur auf. Es wird angestrebt, dass der Schaftkörper (51) des ersten Werkstücks (50) durch die ersten Spannelemente (21, 22) möglichst nahe an der vorgesehen Schweißstelle (14), d.h. möglichst nahe an dem Schaftende (52) gegriffen und gespannt wird. Durch das Einspannen des Schaftkörpers (51) wird eine Verformung des Materials des ersten Werkstücks (50) zumindest in dem Bereich verhindert, der während des Schweißvorgangs zwischen den Spannelementen (21, 22) aufgenommen ist.
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Das zweite Werkstück (60) ist hier beispielhaft als Ventilstab ausgebildet. Es weist ebenfalls einen Schaftbereich (61) auf und wird durch einen Satz von zweiten Spannelementen (25, 26) aufgenommen und relativ zu dem ersten Werkstück (50) positioniert. Der Schaftbereich (61) weist bevorzugt ebenfalls eine Rotationssymmetrische, hier zumindest abschnittsweise zylindrische Form auf. Mit anderen Worten hat das zweite Werkstück (60) und insbesondere der Schaftbereich (61) eine Längsachse, die parallel und koaxial zu der Längsachse (X) des ersten Werkstücks bzw. des Schaftkörpers (51) ausgerichtet und positioniert ist.
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In 2 ist mit durchgezogenen Linien ein Zustand vor Beginn des Reibschweißvorgangs und mit gestrichelten Linien ein Zustand am Ende des Reibschweißvorgangs dargestellt. Die gestrichelten Linien geben beispielhaft eine gestauchte Lage der ersten Spannelemente (21, 22) und der zweiten Spannelemente (25, 26) wieder. Während der Stauchung wird an der Schweißstelle (14), d.h. im Berührungspunkt zwischen den Schaftenden (52), ein Schweißwulst (15) gebildet.
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Vor Beginn des Reibschweißvorgangs wird ein Schermittel (30), das bevorzugt als ringförmige Stanzscheibe ausgebildet ist, an dem ersten Werkstück (50) angeordnet und positioniert. Dabei kann insbesondere der Schaftbereich (51) durch eine Innen-Öffnung (34) des Schermittels (30) geführt sein. Mit anderen Worten umgreift die ringförmige Stanzscheibe (33) den Schaftkörper (51) ersten Werkstücks (50).
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An dem Stanzmittel (30) und insbesondere der ringförmigen Stanzscheibe (33) ist eine Scherkante (35) angeordnet (vgl. 4 und 5). Die Scherkante (35) begrenzt das Stanzmittel (30) in der Axialrichtung (X) zu dem Schaftende (52) bzw. dem sich bildenden Schweißwulst (15) hin. Die Scherkante (35) wird beim Abscheren in körperlichen Kontakt mit dem aufgeschmolzenen Material gebracht und sollte den geringsten Innendurchmesser des Schermittels (30) vorgeben. Während eines Trennvorgangs werden hohe Scherkräfte (F) im Wesentlichen parallel zu der Axialrichtung (X) in das Schermittel (30) und insbesondere die Stanzscheibe (33) eingebracht. Innerhalb des Stanzmittels (30) werden diese Kräfte über einen Lastpfad (P) zumindest in Umfangsrichtung nach außen zu einem Angriffspunkt übertragen, an dem das Schermittel (30) durch eine Bewegungsvorrichtung (nicht dargestellt) abgestützt ist. Der Lastpfad (P) wird bevorzugt mit einem möglichst stetigen Verlauf, d.h. mit möglichst geringer Krümmung, über den Ring-Abschnitt (31) nach außen geführt, damit lokale Spannungsspitzen in dem Schwermittel (30, 30a) reduziert werden.
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Die radiale Innenkontur des Ring-Abschnitts (31, 31a) vergrößert sich zu der Seite der ersten Spannelemente (21, 22) im Umfang. Hierdurch ist an dem Ring-Abschnitt (31, 31a) eine zu den ersten Spannelementen (21, 22) weisende Ausnehmung (32) gebildet, die sich in Axialrichtung (X) zu den ersten Spannelementen (21, 22) im Umfang erweitert. Diese Ausnehmung gewährt Raum für eine möglichst nahe Platzierung der sich verjüngenden Spannbereiche (23, 24) an der Schweißstelle (14) bzw. am Schaftende (52).
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An den Spannelementen (21, 22) sind die sich in Axialrichtung (X) verjüngende Spannbereiche (23, 24) vorgesehen, die bevorzugt in der Formgebung komplementär zu der Ausnehmung (32) ausgebildet sind. Besonders bevorzugt können die in den 2 bis 5 dargestellten Konturen vorgesehen sein, nämlich einerseits eine sich konisch verjüngende Kontur an den Spannbereichen (23, 24) und eine sich korrespondierend konisch erweiternde Innenkontur an dem Ring-Abschnitt (31). Alternativ sind beliebige andere Konturen möglich, bspw. sich mit steigender oder fallender Krümmung verjüngende oder erweiternde Konturen oder gestufte Konturen.
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3 zeigt eine Bewegung (B) des Spannmittels (30) zum Abtrennen des Schweißwulstes (15) nach dem Reibschweißvorgang. Nach dem Reibschweißvorgang sind das erste Werkstück (50) und das zweite Werkstück (60), insbesondere der Schaftkörper (51) und der Schaftbereich (61), mit parallelen und koaxial ausgerichteten Längsachsen (X) miteinander verbunden. Zwischen den Werkstücken (50, 60) ist die Schweißstelle (14) gebildet, die ggfs. kurz nach dem Zusammenpressen noch eine verminderte Festigkeit aufweist. Das Schermittel (30) wird entlang der (gemeinsamen) Längsachse (X) von Schaftkörper (51) und Schaftbereich (61) bewegt, wobei die Scherkante (35) einen in Radialrichtung überstehenden Teil des Schweißwulstes (15) abtrennt.
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Das Schermittel (30) kann gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung einteilig als ringförmige Stanzscheibe (33) ausgebildet sein mit einer ringförmig geschlossenen Scherkante (35). In diesem Fall kann insbesondere der Ring-Abschnitt (31) Bestandteil der Stanzscheibe (33) sein. Diese Ausführungsvariante ist in 2 bis 4 gezeigt. Eine einteilige Stanzscheibe (33) kann besonders schmal gebaut werden, was für einen nahen Eingriff der ersten Spannelemente (21, 22) an der Schweißstelle (14) vorteilhaft ist. Ferner wird ein unterbrechungsfreier Lastpfad ermöglicht, was die Materialbeanspruchung vermindert und sich positiv auf die Standzeit des Schermittels auswirkt.
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Gemäß einer alternativen und in 5 gezeigten Ausführungsvariante kann das Schermittel (30a) mehrteilig ausgebildet sein. Es kann insbesondere eine separate Stanzscheibe (33a) aufweisen, welche die Innen-Öffnung (34) und die Scherkante (35) umfasst. Die Stanzscheibe (33a) kann bevorzugt durch einen körperlich getrennten Stützabschnitt (31a) an dem mehrteiligen Schermittel (30a) in Bezug auf die Wirkrichtung rückseitig abgestützt sein. Mit anderen Worten kann der Ring-Abschnitt (31) des Schermittels (30a) als körperlich getrennter Stützabschnitt (31a) ausgebildet sein, der in Wirkrichtung des Schermittels (30a) hinter einer separaten Stanzscheibe (33a) angeordnet ist. Bei dieser Ausführung kann die separate Stanzscheibe (33a) mit besonders einfachen Mitteln und bei niedrigen Kosten hergestellt sein. Sie kann bei Verschleiß ausgetauscht werden. Die sonstigen Teile des mehrteiligen Schermittels (30a) können eine demgegenüber höhere Standzeit aufweisen.
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Das Spann- und Scherwerkzeug (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung und/oder die Reibschweißmaschine (10) können bevorzugt einen Satz von zweiten Spannelementen (25, 26) zur Aufnahme des zweiten Werkstücks (16) aufweisen. Diese zweiten Spannelemente (25, 26) sind bevorzugt dazu ausgebildet, das zweite Werkstück (61) aufzunehmen und in Axialrichtung (X) des Schaftkörpers (51) neben der Schweißstelle (14) zu positionieren. Die zweiten Spannelemente (25, 26) können beliebig ausgebildet sein.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante dargestellt, bei der Zusatz-Spanner (25a, 26a) vorgesehen sind, die zusätzlich zu den Spannelementen (25, 26) vorgesehen sein können. Diese Zusatz-Spanner (25a, 26a) können separate Elemente oder Bestandteile der zweiten Spannelemente (25, 26) sein.
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Eine besonders hohe Maßhaltigkeit der Werkstücke (50, 60) und insbesondere des Schaftkörpers (51) und des Schaftbereichs (61) im Bereich der Schweißstelle (14) kann erreicht werden, wenn einerseits die Werkstücke (50, 60) so nahe wie möglich an der Schweißstelle (14) bzw. an der erwartenden maximalen Ausdehnung des Schweißwulstes (15) in der Axialrichtung (X) gespannt werden, und wenn andererseits während des Abtrennens des Schweißwulstes (15) eine möglichst nahe Einspannung des ersten und des zweiten Werkstücks (50, 60) vorliegt, die jedoch Raum für die Bewegung des Schermittels (30) und des abgetrennten Schweißwulstes (15) lässt. Dementsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass das zweite Werkstück (60) aus den zweiten Spannelementen (25, 25a, 26, 26a) erst nach dem Abscheren des Schweißwulstes (15) vollständig freigegeben wird.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform können insbesondere vor und während dem Reibschweißvorgang die zweiten Spannelemente (25, 26) und ebenfalls die Zusatz-Spanner (25a, 26a) das zweite Werkstück (60) aufnehmen, wobei insbesondere die Zusatz-Spanner (25a, 26a) in der Axialrichtung (X) zwischen den zweiten Spannelementen (25, 26) und der Schweißstelle bzw. dem Schaftende (52) angeordnet sind. Die Anordnung ist bevorzugt derart, dass die Zusatz-Spanner (25a, 26a) direkt neben der erwartenden maximalen Ausdehnung des Schweißwulstes (15) an dem zweiten Werkstück (60) angreifen.
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Nach dem Reibschweißvorgang können zunächst nur die Zusatz-Spanner (25a, 26a) von dem zweiten Werkstück (60) entfernt werden, während die zweiten Spannelemente (25, 26) im Eingriff bleiben. Durch die Wegnahme der Zusatz-Spanner (25a, 26a) wird ein Bewegungsraum für das Schermittel (13) in der Axialrichtung (X) zu den zweiten Spannelementen (25, 26) freigegeben, sodass der abgetrennte Schweißwulst (15) in der Axialrichtung (X) zu den zweiten Spannelementen (25, 26) hin verschoben bzw. abgeschert werden kann, ohne dass der Schweißwulst oder das Schermittel (13) mit den Zusatz-Spannern (25a, 26a) kollidiert. Über die noch im Eingriff befindlichen zweiten Spannelemente (25, 26), die um einen ausreichenden Abstand von der Schweißstelle (14) entfern angreifen, um einen Bewegungsraum für den abgescherten Schweißwulst (15) und das Schermittel (30) zu lassen, werden jedoch die auf den Schweißwulst (15) bzw. die Schweißstelle (14) eingebrachten Scherkräfte (F) zu einem erheblichen Anteil als Druckkräfte über das zweite Werkstück (60) abgestützt. Es kann insbesondere vermieden werden, dass die Scherkräfte (F) ausschließlich als Zugkräfte über die Schweißverbindung (14) und das erste Werkstück (50) abgestützt werden müssen. Durch diese Form der Kraftabstützung können unerwünschte Rissbildungen oder sonstige Beschädigungen der Schweißstelle (14) während des Abscherens vermieden werden. Ferner wird über die Zusatz-Spanner (25a, 26a) während des Reibschweißvorgangs eine Optimierung der Maßgenauigkeit erreicht. Die Breite der Zusatz-Spanner (25a, 26a) in Axialrichtung (X) kann bevorzugt der für das Abscheren benötigten minimalen Bewegungslänge für das Schermittel (30) entsprechen.
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Gemäß einem alternativen Vorgehen können keine Zusatz-Spanner (25a, 26a) vorgesehen sein und die zweiten Spannelemente (25, 26) können das zweite Werkstück (60) vor dem Abscheren des Schweißwulstes (15) freigeben. In diesem Fall werden die Scherkräfte als Zugkräfte über das erste Werkstück (50) und die ersten Spannelemente (21, 22) als Zugkräfte abgestützt. Wiederum alternativ können die zweiten Spannelemente (25, 26) für die Durchführung des Reibschweißvorgangs möglichst nahe an der Schweißstelle (14) platziert sein, dann unter kurzzeitiger Freigabe des zweiten Werkstücks (60) nach außen versetzt werden, damit genug Freiraum für die Bewegung des Schermittels (30) geschaffen wird, und für das Abscheren des Schweißwulstes (15) wieder in Eingriff gebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Reibschweißmaschine
- 11
- Rotor
- 12
- Stator
- 13
- Schweißachse
- 14
- Schweißstelle / Reibschweißverbindung
- 15
- Schweißwulst
- 20
- Spann- und Scherwerkzeug
- 21
- Erstes Spannelement
- 22
- Erstes Spannelement
- 23
- Sich verjüngender Spannbereich
- 24
- Sich verjüngender Spannbereich
- 25
- Zweites Spannelement
- 25a
- Zusatz-Spanner
- 26
- Zweites Spannelement
- 26a
- Zusatz-Spanner
- 30
- Schermittel (einteilige Form)
- 30a
- Schermittel (mehrteilige Form)
- 31
- Ring-Abschnitt
- 31a
- Stützabschnitt (Ring-Abschnitt)
- 32
- sich erweiternde Ausnehmung
- 33
- Stanzscheibe
- 33a
- Stanzscheibe
- 34
- Innen-Öffnung
- 35
- Scherkante
- 50
- Erstes Werkstück
- 51
- Schaftkörper
- 52
- Schaftende
- 60
- Zweites Werkstück
- 61
- Schaftbereich
- A
- Inaktive Stellung vor Reibschweißvorgang
- B
- Bewegung in Axialrichtung des Schaftkörpers über Schaftende
- F
- Scherkräfte
- P
- Lastpfad
- X
- Axialrichtung des Schaftkörpers
