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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einen
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dünnwandigen, ringkanalförmigen, insbesondere halbtoroidalen, Schale
mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt aus einer zu einem zylindrischen Ring
zusammengebogenen, ebenen rechteckigen Platte. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung
zum Durchführen des Verfahrens.
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Die Erfindung befaßt sich mit dem Herstellen dünnwandiger, ringförmiger
Kanäle, im allgemeinen mit U-förmigem Querschnitt, wobei die Schenkel des U auch
unterschiedlich sein können. Vorzugsweise betrifft die Erfindung die Herstellung
halbtoroidaler Schalen. Solche Schalen werden derzeit in hydraulischen Kupplungen
oder Wandlern eingesetzt und bilden darin die Räder bzw. Rotoren. Die Rotoren enthalten
in Schlitzen der Rotorfläche befestigte, radial abstehende Schaufeln oder Rippen.
In einem Kraftfahrzeug-Drehmomentwandler werden zwei Rotoren mit einander zugewendeten
Öffnungen benötigt, so daß sich ein mit Rippen versehenes Toroid ergibt. Für eine
einwandfreie Funktion des Drehmomentwandlers ist die Form der Außenflächen der halbtoroidalen
Schalen wichtig. Beispielsweise müssen die Toleranzen der Materialdicke der halbtoroidalen
Schale für den Fall der Anwendung in einem Kraftfahrzeug-Drehmomentwandler in einem
Bereich zwischen +- 5 % gehalten werden. Für den Fall einer toroidalen Schale mit
einer Wandstärke von etwa 1 mm dürfen also Abweichungen den Wert von + 0,05 mm nicht
überschreiten. Toroidale Schalen werden industriell durch Schneiden oder Stanzen
eines unterlagscheibenförmigen Rohlings aus einer ebenen Platte hergestellt. Dazu
ist zunächst ein erheblicher Materialabfall mit entsprechender Kostensteigerung
in Kauf zu nehmen. Der Rohling wird dann durch Pressen in eine halbtoroidale Schale
umgeformt.
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In der US-PS 38 51 517 wird ein Verfahren zum Herstellen halbtoroidaler
Schalen aus ebenem Bandmaterial beschrieben, bei dem Abfall vermieden werden könnte;
das Verfahren hat sich in der Praxis aber als unbrauchbar erwiesen. Bei ihm war
vorgesehen, einen rechteckigen Blechrohling zu einem Zylinder zusammenzurollen und
an der Naht zu verschweißen.
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Das eine Ende des Zylinders sollte dann in ein Vorform-Gesenk gepreßt
werden, um zunächst den Rand des Zylinders nach außen zu biegen bzw. aufzuweiten.
Das aufgeweitete Ende des Zylinders sollte dann in ein zweites Gesenk, ein Bördel-Gesenk,
mit einander gegenüberstehenden konkaven und konvexen, nach außen gekrümmten Formflächen
gebracht werden, um den Zylinder unter Zug nach außen zu bördeln und damit eine
halbtoroidale Schale zu bilden. Schließlich erhielt die Schale ihre endgültige Konfiguration
im dritten Gesenk, einem Nachformgesenk.
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Bei dem Verfahren nach der US-PS 38 51 517 muß die Schweißung sorgfältig
kontrolliert, planiert und geglättet werden, bevor die Schweißnaht der extremen
Zugspannung beim Bördeln ausgesetzt werden kann. Trotzdem hat das bekannte Verfahren
oft versagt, weil die Schweißung nicht gut genug war oder unter der Zugspannung
beim Bördeln bzw. Rollen des Zylinders nach außen brach. Ein weiterer Nachteil des
bekannten Verfahrens besteht auch darin, daß das Werkstück beim Bördeln von der
konkaven Außenfläche des Gesenks weggezogen wird, so daß es schwierig ist, die kritischen
äußeren Toleranzen der Schale einzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen
einer dünnwandigen, ringkanalförmigen Schale mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt
zu schaffen, bei dem ähnlich wie bei dem Verfahren nach der US-PS 38 51 517 von
einer zu einem zylindrischen Ring zusammengebogenen, ebenen
rechteckigen
Platte ausgegangen wird, bei dem aber eine Zugbelastung der Verbindungslinie bzw.
-naht des zylindrischen Rings vermieden wird und bei dem die äußeren Toleranzen
der herzustellenden Schale mit der erforderlichen Genauigkeit einzustellen und zu
kontrollieren sind. Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, daß
der zylindrische Ring durch Pressen in seiner Zylinderachsrichtung in eine halbtoroidale
Ringhohlform radial nach innen umgebördelt bzw. gerollt wird. Eine Vorrichtung zum
Durchführen des Verfahrens zeichnet sich durch eine an ihrem äußeren Umfang geöffnete
Hohlform bestehend aus einem konkaven Mutterformteil, einem entsprechend konvexen
Kernformteil mit im wesentlichen überall gleichem Abstand zum Mutterformteil und
einem Preßstempel mit einer Ringschulter aus, die den gleichen Umfang wie das zylindrische
Band und die Öffnung der Hohlform aufweist.
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Durch das Rollen bzw. Bördeln des zylindrischen Bandes in Richtung
radial nach innen werden die der Erfindung zugrundeliegenden Probleme überwunden.
Diese Verfahrensweise hat nämlich zunächst den Erfolg, daß die Verbindung, insbesondere
Schweißnaht, beim Pressen nicht auf Zug sondern vielmehr auf Druck beansprucht wird.
Es ist daher sogar möglich, eine halbtoroidale Schale erfindungsgemäß herzustellen,
ohne die stoßenden Enden des Bandes vorher zu verschweißen. Die Längsnaht des Bandes
kann vielmehr auf andere Weise als durch Schweißen verbunden oder sogar offenbleiben.
Unerwartet stellte sich bei dem Verfahren heraus, daß in der Regel ein einziger
Preßhub genügt, um die Schale fertigzustellen. Auf jeden Fall kann das früher erforderliche
Vorformen zum Aufweiten eines Endes des Zylinders entfallen.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen, halbtoroidalen
Schale wird zunächst eine ebene, rechteckige Platte in ein zylindrisches Band, vorzugsweise
mit aneinanderstoßenden freien Enden der Platte, umgeformt. Ein Ende des zylindrischen
Bandes wird dann in ein Gesenk gepreßt, das eine glatt in einen nach innen gekrümmten
halbtoroidalen Raum übergehende zylindrische Öffnung aufweist. Der halbtoroidale
Raum wird zwischen einander gegenüberstehenden, konkaven und konvexen Formflächen
aufgespannt. Der Durchmesser des zylindrischen Bandes wird gleich dem Nenndurchmesser
der sich an der radial äußeren Peripherie der Formflächen befindlichen Einführöffnung
des Gesenks gewählt. Beim Einpressen des zylindrischen Bandes in den toroidalen
Raum zwischen den konkaven und konvexen Formflächen wird das Band progressiv unter
Kompression in Umfangsrichtung gebördelt und paßt sich dadurch der Form des halbtoroidalen
Hohlraums an. Da der Zylinder beim Formen nicht unter Zugkraft sondern unter Druckkraft
in Umfangsrichtung steht, wird die kritische äußere Toroid-Fläche des Werkstücks
selbsttätig exakt bzw. mit sehr enger Toleranz an die äußere konkave Formfläche
angepaßt.
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In einem bevorzugten Verfahren zum Herstellen einer toroidalen Schale,
die für die Produktion hydraulischer Kupplungen oder Wandler, z.B. Kraftfahrzeug-Drehmomentwandler,
geeignet ist, werden die aneinander stoßenden freien Enden des Bandes miteinander
verschweißt. Die Schweißung wird bei dem progressiven Bördeln des Bandes in Richtung
radial nach innen an der konkaven Umfangsfläche der Form entlanggeschleift und in
Umfangsrichtung zusammengepreßt. Dadurch wird auch die äußere geschweißte Oberfläche
exakt an die konkave äußere Formfläche angepaßt.
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Bei dem erfindungsgernäßen Verfahren bzw. in der Vorrictuturllr zum
Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Naht, insbesondere Schweißnaht,
keiner Zugspannung, sondern vielmehr einer Druckspannung ausgesetzt. Da eine Schweißnaht
allgemein nicht ebenso fest bzw. rein ist wie das sie umgebende Metall, treten in
der Praxis Brüche auf, wenn die Schweißstelle um mehr als etwa 20 % gedehnt wird.
Eine Grenze für die Widerstandsfähigkeit einer Schweißnaht gegenüber kompressiven
Kräften ist jedoch nicht bekannt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die halbtoroidale Schale
in einem einzigen Hub der Presse hergestellt werden.
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Es kann sich jedoch ein Nachform-Schritt in einem entsprechenden Gesenk
anschließen, wenn komplizierte Konfigurationen gewünscht werden.
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Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden
weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische
Ansicht einer halbtoroidalen Schale; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen
Bandes; Fig. 3 eine Seitenansicht eines Gesenks zu Beginn des Umformens des zylindrischen
Bandes, teilweise im Schnitt, nach Fig. 2; Fig. 4 eine Seitenansicht eines Gesenks
mit fast fertiggepreßter halbtoroidaler Schale, teilweise im Schnitt; Fig. 5 eine
nachgeformte, haibtoroidale Schale;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines
Nachform-Gesenks zum Herstellen der halbtorcidalen Schale nach Fig. 5, teilweise
im Schnitt; Fig. 7 den Querschnitt der halbtoroidalen Schale nach Fig.
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1; und Fig. 8 den Querschnitt der halbtoroidalen Schale nach Fig.
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5.
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In Fig. 1 wird ein erfindungsgemäß herzustellender dünnwandiger Ringkanal
bzw. eine halbtoroidale Schale 20 dargestellt. Die Schale besteht aus einer im wesentlichen
zylindrischen Außenwand 22, einem U-förmigen Mittelteil 24 und einer Innenwand 26;
sie wird aus einem in Fig. 2 dargestellten zylindrischen Band 30 hergestellt. Das
zylindrische Band 30 kann aus einem ebenen, rechteckigen Streifen durch Rollen und
Schweißen bei 28 gebildet werden. Die Schweißnaht 28 wird auch in Fig. 1 dargestellt.
Ein Verfahren zum Herstellen des zylindrischen Bandes 30 nach Fig. 2 wird in der
US-PS 38 51 517 beschrieben.
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Die halbtoroidale Schale 20 nach Fig. 1 kann mit Hilfe der Gesenkanordnung
34 nach Fig. 3 und 4 hergestellt werden.
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Zu der Gesenkanordnung 34 gehört ein ringförmiger, zylindrischer Preßstempel
36, der in einer zylindrischen Bohrung 40 eines Futters 38 aufgenommen wird. Das
Futter 38 enthält eine konische Senkbohrung 42, die das zylindrische Band 30 aufnimmt,
wenn der Preßstempel 36 über die Position nach Fig. 3 angehoben wird. Der Preßstempel
36 besitzt eine ringförmige Schulter 44 und einen Ansatz 46, die bei Betrieb mit
einem Ende des durch das Band 30 gebildeten Zylinders in Eingriff kommen.
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Das zylindrische Band 30 wird von einem zur Gesenkanordnung ;34 getlörigen
Bördelwerkzeug 50 aufgenommen. Das Bördelwerkzeug 50 besteht aus einem als zylindrische
Umfangsfläche
52 ausgebildeten Einlaufteil. Das Einlaufteil besitzt
denselben Umfang wie der aus dem Band 30 gebildete Zylinder und nimmt das Band zunächst
auf. Die zylindrische Umfangsfläche 52 geht innerhalb des Bördelwerkzeugs 50 in
eine konkave Umfangsfläche 54 über, die schließlich an einer zylindrischen Bohrung
56 endet. Von dem Mutterformteil des Bördelwerkzeugs 50 wird eine ringförmige Formsäule
60 als Kernformteil aufgenommen. Die Formsäule 60 besitzt eine der zylindrischen
Umfangsfläche 52 des Mutterformteils entsprechende zylindrische Außenfläche 62 sowie
eine konvexe Außenfläche 64, die der konkaven Umfangsfläche 54 des Bördelwerkzeugs
50 zugeordnet ist. Zwischen dem Mutterformteil bzw. dem Bördelwerkzeug 50 und dem
Kernformteil bzw. der Formsäule 60 wird ein U-förmiger Ringraum aufgespannt, in
den das zu der Zylinderform zusammengebogene Band 30 wie unten beschrieben eingeführt
wird.
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Zu der Gesenkanordnung 34 gehören auch eine statische, zylindrische
Mittelsäule 66, eine Federunterlagen 68 und mehrere Spiralfedern 70, die gegen einen
zylindrischen Einsatz 58 der Formsäule 60 vorgespannt werden. Der ringförmige Preßstempel
36 wird teleskopisch auf einer zylindrischen Außenfläche einer zentralen Führungssäule
72 geführt. Der Preßstempel 36 besitzt einen konischen Bund 74, gegen den Gesenkbolzen
76 abgestützt werden. Die Gesenkbolzen 76 werden mit der oberen Gesenkbacke verschraubt
oder auf andere Weise verbunden (nicht gezeichnet). Im gezeichneten Ausführungsbeispiel
werden vier Gesenkbolzen 76 und vier Spiralfedern 70 vorgesehen. In der Zeichnung
wird allerdings nur die Hälfte der Gesenkanordnung dargestellt. Zur Gesenkanordnung
34 gehören außerdem eine untere Gesenkbacke, die das Bördelwerkzeug 50 auf einer
üblichen Aufspannplatte trägt (nicht gezeichnet). Wegen der Einzelheiten wird z.B.
auf die oben genannte US-PS 38 51 517 verwiesen.
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Zum erfindungsgemäßen Verfahren gehören somit das Herstellen eines
Zylinders nach Fig. 2 aus einem ebenen, streifenförmigen Ausgansmaterial und gegebenenfalls
das Schweißen der freien Längsenden des Streifens bei 28. Wie gesagt, können die
freien Enden aber auch auf andere Weise als durch eine Schweißnaht, z.B. durch WIG-Schweißen
(Wolfram-Inertgas-Schweißen), durch Punktschweißen, verbunden werden. Tatsächlich
kann das Band auch ohne Verbindung der freien Stoßenden in einen U-förmigen Ringkanal
umgeformt werden, weil beim erfindungsgemäßen Verfahren die Längsenden des Bandes
während des Pressens gegeneinander gedrückt werden.
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Nach dem Zusammenbiegen des Bandes 30 zu einem zylindrischen Ring
wird dieser mit einem Ende voran, d.h. in seiner Zylinderachsrichtung, in den zwischen
dem als Mutterform dienenden Bördelwerkzeug 50 und der als Kernform dienenden Formsäule
60 gebildeten halbtoroidalen Raum gedrückt. Vorzugsweise wird eine zwischen den
zylindrischen Flächen 52 und 62 definierte zylindrische Eingangsöffnung des halbtoroidalen
Hohlraums vorgesehen. Gemäß der Zeichnung kann der zylindrische Eingangsteil glatt
in den zwischen den konkaven und konvexen Flächen 54 und 64 gebildeten halbtoroidalen
Raum übergehen. Der Nenndurchmesser des aus dem Band 30 gebildeten Zylinders wird
gleich dem Nenndurchmesser der zylindrischen Öffnung zwischen Bördelwerkzeug 50
und Formsaule 60 gewählt.
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Mit dem rückwärtigen Ende des Zylinders kommt die ringförmige Schulter
44 des Preßstempels 46 in Eingriff. Durch Absenken des Preßstempels 36 wird das
zylindrische Band gemäß Fig. 3 nach unten gepreßt. Beim Vorschub wird das Band 30
zwischen der konkaven Umfangsfläche 54 und der konkaven Außenfläche 64 progressiv
radial nach innen gebördelt;
zugleich werden das zylindrische Band
und dessen Schweißnaht 28 zunehmend in Umfangsrichtung zusammengepreßt. Fig. 4 zeigt
die Stellung der Gesenkanordnung 34 kurz vor Abschluß des Preßvorgangs. Ersichtlich
wird die halbtoroidale Schale 20 mit einem einzigen Hub der Presse fertiggeformt.
Ein Vorformen oder dergleichen, z.B. gemäß US-PS 38 51 517, ist nicht erforderlich.
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Die Materialkosten beim erfindungsgemäßen Verfahren liegen um etwa
50 % niedriger als bei dem Verfahren zum Herstellen einer halbtoroidalen Schale,
das von einem die Form einer Unterlagscheibe aufweisenden Rohling ausgeht. Die äußere
Oberfläche der halbtoroidalen Schale stimmt genau mit der konkaven Umfangsfläche
54 des Bördelwerkzeugs 50 überein, da das Band 30 in radialer Richtung nach innen
gebördelt wird. Wichtig ist auch, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Schweißnaht
58 komprimiert wird, so daß durch Zugkräfte bedingte Brüche nicht auftreten. Die
äußere Oberfläche der Schweißnaht 58 wird auch an der konkaven Oberfläche 54 entlanggestreift
und damit deren Form exakt angepaßt. Weil das Band bei dem Umform-Vorgang unter
Druck und nicht unter Zug steht, hat es - anders als bei bekannten Verfahren - nicht
das Bestreben, sich von den äußeren Formflächen abzuheben; die kritische äußere
Oberfläche der herzustellenden Schale kann daher innerhalb der gewiinscEI-ten Toleranz
eingestellt werden.
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Je nach vorgesehener Anwendung kann die halbtoroidale Schale in einem
nachfolgenden Verfahrensschritt weiter umgeformt werden. Beispielsweise ein Laufrad
einer Flüssigkeitskupplung bzw. eines Wandlers für ein Kraftfahrzeug benötigt eine
innere zylindrische Oberfläche zur Aufnahme einer Achse. Eine solche ringförmige
Schale 80 gemäß Fig. 5 kann mit Hilfe des Nachformgesenks gemäß Fig. 6 hergestellt
werden.
Die ringförmige Schale 80 nach Fig. 5 besitzt eine innere Zylinderwand 82 und einen
äußeren halbtoroidalen Rand 84.
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Zu dem Nachformgesenk nach Fig. 6 gehört eine dem Bördelwerkzeug 50
gemäß Fig. 3 und 4 entsprechende Mutterform 86.
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Diese besitzt eine konkave Umfläche 88 mit darin aufgenommener, statischer
zylindrischer Mittelsäule 92. Die zugehörige Formsäule 94 besitzt eine konvexe Ringfläche
96 und eine Zylinderfläche 98. Wie oben in Verbindung mit den Fig.
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3 und 4 angegeben, werden die Mutterform 86 und die Formssiule 94
so .c;c, auf Abstand gesetzt, daß sie zwischen sich einerl halbLoroidalen Hohl raum
begrenzen. Die ringförmige Schale 80 wird mit Hilfe der Formwerkzeuge und Preßteile
des Gesenks nach Fig. 6 hergestellt.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel des Nachformgesenks nach Fig.
6 wird die Schale 80 mit Hilfe eines äußeren Halterings 100 am Kopf von dessen ringförmiger
Schulter 102 und eines inneren Halterings 104 am Kopf von dessen ringförmiger Schulter
106 festgehalten. Zum Herstellen der endgültigen Konfiguration der halbtoroidalen
Schale 80 nach Fig. 5 wird eine halbtoroidale Schale 20 nach Fig. 1 in die Mutterform
86 von Fig. 6 eingesetzt, und die Formsäule 94 sowie die Halteringe 100 und 104
werden in Richtung auf die Mutterorm abgesenkt. Die dabei eintretende Formänderung
der Schale wird am besten am Vergleich der Fig. 7 und 8 deutlich. Fig. 7 zeigt eine
Querschnittdarstellung der halbtoroidalen Schale 20 nach Fig. 1, Fig. 8 einen Querschnitt
der halbtoroidalen Schale 80 nach Fig. 5. Durch die Wirkung des Nachformgesenks
wird die Schale an der äußeren Peripherie in radialer Richtung zum Herstellen einer
kontinuierlichen äußeren halbtoroidalen Form 84 gemäß Fig.8 aufgeweitet. Zugleich
wird die Innenwand 26 gemäß Fig. 1 in eine zylinderförmige Wand 82 gemäß Fig. 8
umgeformt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können ringförmige Schalen mit U-förmigem Querschnitt je nach den Erfordernissen
der Anwendung aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann
ein Laufrad für einen Kraftfahrzeug-Drehmomentwandler aus 1010 oder 1018 Stahlblech
mit einer Dicke von beispielsweise 1 mm geformt werden. Beim Pressen der Grundform
nach Fig. 3 und 4 wird die Schweißnaht 28 - wie gesagt - zusammengepreßt. In dem
Nachformgesenk nach Fig. 6 wird die Außenwand 22 der Schale 20 jedoch gedehnt. Dic
entsprechende Expansion beträgt aber weniger als 10 %, so daß ein Bruch der Schweißnaht
ausgeschlossen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also auf das zu einem
Zylinder geformte Band bzw. die Wandungen der daraus hergestellten Schale auch beim
eventuellen Nachformen keine Zugspannungen ausgeübt, die im Herstellungsgang zu
einem Bruch der Schweißnaht führen könnten.
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