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Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 53 schwerende Problemstellung bei der Parametrierung des Reibschweißprozesses ist, dass vorab durch die tabellierten Parameterfenster keine Aussage über die zu erwartenden Reibmomente erfolgt. Tabelle 1: Parametrierung des kontinuierlich angetriebenen Rotationsreibschweißprozesses anhand von DVS Merkblatt 2909 Teil 2 [4] Werkstoff Reibkraft [N/mm²] Stauchkraft [N/mm²] Reibzeit [s] Stauchzeit [s] Drehzahl [min -1 ] Unlegierte Stähle 20…80 80…250 1…100 2…10 500…5000 C60 50…80 150…250 3…6 2…3 1500…3000 42CrMo4 50…80 150…250 3…6 2…3 1500…3000 Aufgrund fehlender Messtechnik bei industriell eingesetzten Reibschweißmaschinen ist die experimentelle Ermittlung der Reibmomente durch Vorversuche in der Regel nicht möglich. Aus diesem Grund werden hohe Vorspannkräfte gewählt und die Spannmittel zum Teil sehr massiv ausgeführt, um Bauteilschlupf in Folge hoher Reibmomente zu verhindern. Dies ist einer der treibenden Faktoren für die Kosten der Spannmittel. Kommt es dennoch zum Bauteilschlupf während des Reibschweißens, führt dies zu schnellem Verschleißen der Spannbacken und Beschädigungen der Fügebauteile, welches in Abbildung 2 dargestellt ist. Abbildung 2: Oberflächenschäden (Spannmarken) auf dickwandigen Rohrbauteilen (links), Vollwellenbauteilen (mitte) und Beulen von dünnwandigen Rohrbauteilen in Folge von Bauteilschlupf und Spannkräften beim Reibschweißen (rechts). Zu sehen sind hierbei für dickwandige Rohrbauteile (links) und Vollmaterialreibschweißungen (mittig) Oberflächenschäden, sogenannte Spannmarken, welche den Produktionsausschuss und somit die Kosten im Rahmen der industriellen Anwendung erhöhen. Eine weitere Problemstellung zeigt sich bei der Anwendung des Reibschweißverfahrens beim Fügen dünnwandiger Rohrbauteile, welches in der Abbildung 2 rechts dargestellt ist. Die durch kraftschlüssige Einspannung
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 54 benötigten Vorspannkräfte zur sicheren Haftung der Bauteile führen bei mangelnder Gestalt-festigkeit der Schweißteile zu einem Beulversagen. Dieses Versagenskriterium definiert die Mindestwandstärke von Rohrbauteilen und begrenzt somit auch den Einsatz des Fügeverfahrens insbesondere für Leichtbauanwendungen. Unter anderem aus diesem Grund sind zum Beispiel in der Gelenkwellenfertigung die Rohrwandstärken auf ca. 1,3 mm minimale Wandstärke begrenzt, obwohl eine Reduktion sogar auf Wandstärken unterhalb von 1,0 mm möglich und im Rahmen der fortschreitenden Leichtbauanwendungen praktikabel wäre. Es ist somit erforderlich, die prozessbedingten Reibmomente in der Anreib- und Bremsphase zu reduzieren und so eine Verringerung der Vorspannkräfte beim Reibschweißen zu ermöglichen. Dabei dürfen sich jedoch die Verbindungseigenschaften und Prozesstaktzeiten nicht verschlechtern. Es sollen zum einen Spannmarken, welche durch Schlupf der Fügeteile in den Spannmitteln entstehen, vermieden und zum anderen die Reibschweißtechnologie auf Bauteile mit geringer Gestaltfestigkeit (dünnwandige Rohre) erweitert werden. Abbildung 3: Gegenüberstellung des konventionellen Prozessablaufes (links) und des momentenreduzierten Reibschweißens anhand von Simulationsergebnissen (rechts) Der Ansatz zur Erreichung des Forschungszieles ist eine innovative Gestaltung der zeitlichen Prozessparameterverläufe, im Wesentlichen beschrieben durch die Drehzahl und Axialkraft als Prozessparameter und den Prozessreaktionsgrößen des Reibmomentes und der Bauteilverkürzung. Im klassischen Prozess wird die Axialkraft über ein zweistufiges Profil eines Reibkraft- und Stauchkraftniveaus aufgebracht. Das erste Maximum des Reibmoments in der Anreibphase kann neben einer Drehzahlerhöhung durch eine langsam, sich stetig aufbauende Axialkraft reduziert werden. In der Gleichgewichtsphase ist über eine Drehzahlerhöhung das stationäre Reibmoment, auch als Gleichgewichtsreibmoment bezeichnet, reduzierbar. In der Bremsphase kann schließlich über eine Reduktion der Axialkraft in Kombination mit einem aktiven schnellen Abbremsen das letzte Maximum der Reibmomentenkurve signifikant reduziert werden. Die Zusammenhänge sind in Abbildung 3 rechts abgebildet und lassen sich unter anderem durch die numerische Prozesssimulation beschreiben. Wesentliche Fragestellungen des Forschungsprojektes sind z.B., wie schnell und in welchem Profil die Reibkraft aufgebracht, wie lange sie in der Bremsphase reduziert werden kann oder wie hoch die Drehzahl in Abhängigkeit von gegebenen geometrischen
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Seite 10 und 11: Inhaltsverzeichnis 11 Anhang J (2.

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