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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur endmaßgenauen Bearbeitung
von Kurbel- oder Nockenwellen auf Endmaßtoleranzen Rz < 10 μm,
vorzugsweise ≤ 5 μm und Rundlauftoleranzen ≤ 30 μm, vorzugsweise ≤ 6 μm.
Die Kurbel- oder Nockenwellen sind spanend bearbeitet und wenigstens
teilweise einer Härtung unterzogen worden.
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Bei
den nach dem Stand der Technik bekannten Bearbeitungsverfahren durchlaufen
die Kurbelwellen üblicherweise mehrere Behandlungsstufen.
Zunächst werden die gegossenen oder geschmiedeten Wellen
einer spanenden Bearbeitung wie dem Dreh-Räumen, Dreh-Dreh-Räumen,
Innenrundfräsen und Außenfräsen, insbesondere
bei hohen Fräsgeschwindigkeiten, ausgesetzt, wobei das gusstechnisch
oder schmiedetechnisch vorgesehene Aufmaß bis auf einen
Restwert im Millimeterbereich abgetragen wird.
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Um
die Abriebfestigkeit der Kurbelwelle zu erhöhen, wird die
Welle zumindest teilweise nach einem weiteren Schritt gehärtet,
beispielsweise durch induktives Härten, um die gewünschte
Material- und Gefügestruktur zu erzielen. Bei der Härtung
ist eine Verzug und eine geringfügige Maßänderung
der Kurbelwelle oder der Nockenwelle nicht auszuschließen, die
in einem späteren Bearbeitungsschritt kompensiert werden
muss.
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Üblicherweise
werden die Kurbelwellen in einem dritten Bearbeitungsschritt geschliffen,
beispielsweise mit einer Schleifscheibe, deren Rotationsachse parallel
zur Rotationsachse der sich drehenden Kurbel- oder Nockenwelle bewegt.
Zumeist wird das Schleifen unter Zusatz von Kühlschmiermitteln
durchgeführt, um eine zu große Erwärmung
der Kurbelwelle beim abschließenden Schleifgang zu vermeiden.
Abgesehen davon, dass die Entsorgung des entstehenden Schleifschlammes,
der sowohl die abgeschliffenen Wellenpartikel als auch die herausgerissenen
Schleifkörner der Schleifscheibe enthält, kostspielig
ist, da Schleifschlamm als Sondermüll behandelt werden
muss, lassen sich beim Schleifen weder eine hohe Erwärmung
des Werkstücks völlig ausschließen noch
ungünstige Einflüsse auf die Werkstück oberfläche,
die in Folge der hohen Bearbeitungsdrucke beim Schleifen eine unerwünschte Oberflächenstruktur
im mikroskopischen Bereich erzeugen.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem
die genannten Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Zunächst
wird die Kurbel- oder Nockenwelle einer ersten spanenden Bearbeitung
sowie einer nachfolgenden Härtung, etwa auf Werte zwischen
45 bis 60 HRC, vorzugsweise 50 bis 53 HRC unterzogen. Hiernach schließt
sich eine abschließende spanende Bearbeitung mit CBN- oder
PKD-Inlets bestückten Schneideinsätzen an, mit
denen die endmaßgenaue Form gefertigt wird. Apparativ wird
hierzu eine Vorrichtung verwendet, die aus einem Innen- oder Außenfräser
besteht, auf dessen Peripherie radial und/oder axial einstellbare
Schneideinsätze befestigt sind, die jeweils mit CBN- oder
PKD-Inlets bestückt sind, wobei vorzugsweise abwechselnd
lateral, radial und tangential eingespannte Schneideinsätze
aufeinander folgen. Allerdings kann die Anzahl der tangential eingespannten
Schneideinsätze, welche der Glättung der Hub-
oder Hauptlager dienen, deutlich geringer sein als die Anzahl der
lateral eingespannten Schneideinsätze, die für
die jeweilige Wangenbearbeitung und Unterstichfertigung benötigt werden.
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Der
Austausch des auf eine Härtung folgenden Schleifens gegen
eine zerspanende Bearbeitung hat nicht nur den Vorteil, dass die
gesamte Fertigungslinie trocken, d. h. ohne Einsatz von Kühlschmiermittel,
gefahren werden kann, womit insbesondere die mit Spänen
und Schleifschlamm belastete Entsorgung des Kühlschmiermittels
oder dessen Wiederaufarbeitung entfällt, sondern auch die
Fertigungsgenauigkeit erhöht wird. Dies setzt jedoch voraus,
das die Zerspanungsarbeiten mit CBN- oder PKD-Schneiden durchgeführt
wird, die erst eine hinreichend genaue endmaßexakte Fertigung
unter Einhaltung geringer Toleranzen ermöglicht. Der bloße Austausch
eines Schleifverfahrens nach dem Härten gegen eine Zerspanungsbearbeitung
mit her kömmlichen Hartmetall-Schneideinsätzen
bringt jedenfalls nicht die gewünschten Endmaße,
weshalb sich bei solchen Zerspanungen noch ein Feinschleifen anschließen
muss, etwa mittels Schleifbändern. Durch Einsatz der CBN-
oder PKD-Schneiden wird eine Oberflächenstruktur geschaffen,
welche eine Toleranz im Bereich Rz < 10 μm
und eine Rundlauftoleranz unter 30 μm, vorzugsweise bei
6 μm oder weniger einhalten lässt.
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Wird
sowohl vor dem Härten als auch nach dem Härten
mit einer definierten Schneide, d. h. mit einer zerspanenden Bearbeitung
gearbeitet, kann eine höhere Unrundheit in der ersten Bearbeitungsstufe
im abschließenden Zerspanungsgang beseitigt werden, da
die Passivkraft auf die Lagerstelle deutlich kleiner ist als beim
Schleifen. Bei einem abschließenden zerspanenden Bearbeiten
reichen zur Beseitigung einer Unrundheit auch ein oder zwei Fräsumläufe,
wohingegen beim Schleifen mehrmalige Umläufe mit den zuvor
beschriebenen Nachteilen erforderlich waren.
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Als
weiterer positiver Effekt ergeben sich durch die Verwendung von
PKD- und CBN-Schneiden neben einer hohen Oberflächenqualität
der Werkstücke auch lange Standzeiten, womit die Wirtschaftlichkeit
des Behandlungsverfahrens erhöht wird. Die hohe Abrasionsbeständigkeit
der PKD- oder CBN-Schneiden lässt auch eine hohe Prozesssicherung
und eine hohe Einstellgenauigkeit erreichen. Die sich ergebende
Verteuerung der Schneideinsätze (gegenüber einstückigen
Hartmetall-Schneideinsätzen) wird in Folge längerer
Standmenge pro Schneide in einer kürzeren Taktzeit mehr als
kompensiert, so dass die Kurbel- oder Nockenwellenherstellung insgesamt
auch preiswerter wird.
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Die
Rautiefe Rz stellt den Abstand zwischen der
höchsten Erhebung und der tiefsten Vertiefung einer mikroskopischen
Oberflächenstruktur innerhalb einer definierten Prüfstrecke
dar, wobei der so ermittelte Wert von 5 Prüfstrecken zur
Bestimmung von Rz ermittelt wird. Hiermit
werden Ausreißer aus dem Oberflächenprofil, nämlich
sehr hohe Spitzen und sehr tiefe Täler nicht überbewertet.
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Der
Rundlauf wird bestimmt durch Kreise, die innen und außen
an die Ist-Kontur des Werkstückes angelegt werden. Die
beiden Kreise sind konzentrisch zueinander angeordnet, so dass der
tatsächliche Querschnittsverlauf eines Werkstückes
im Zwischenraum zwischen diesen beiden Kreisen liegt. Die vorliegende
Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass spanende
Verfahren mittels eines Außen- oder Innenfräsers
eine höhere Rundlaufgenauigkeit garantieren als ein übermäßiges
Schleifen, bei dem ohnehin der Materialabtrag relativ gering ist.
Wird durch die Wahl der Zerspanungswerkzeuge und der Justierbarkeit
auf einem Außen- oder Innenfräser eine exakte, über
lange Standzeiten genaue, Schneideinsatz Positionierung gewährleistet,
lassen sich trotz der fehlenden Schleifbearbeitung gute Resultate
erzielen, die den Ansprüchen nach Anspruch 1 hinsichtlich
der Endmaßtoleranzen und Rundlauftoleranzen genügen.
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Vorzugsweise-Ausgestaltungen
der Schneideinsätze, die mit CBN- oder PKD-Inlets bestückt
sind, sind in den Unteransprüchen beschrieben. So ist insbesondere
der jeweilige Schneideinsatz zur Bearbeitung der Hub- oder Mittellager
einer Kurbel- oder Nockenwelle mit einer dachförmig ausgebildeten
Schneidkante ausgestattet, die zwei Schneidkantenabschnitte aufweist,
welche einen Winkel von 173° bis 178°, vorzugsweise
175° miteinander einschließen. Durch die hiermit
gebildeten zwei nutzbaren Schneiden werden die Einsatzmöglichkeiten
vergrößert, d. h. dass der Schneideinsatz sowohl
für rechte als auch für linke Schneidarbeiten nutzbar
ist. Die jeweiligen Schneiden können nachgeschliffen werden,
um die Lebensdauer des Schneideinsatzes zu erhöhen.
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Die
genannten Schneidkantenabschnittsenden gehen über einen
Kantenradius von R = 0,4 mm bis 1,5 mm (je nach Größe)
in Nebenschneiden über, die gegenüber einer normalen
zur Auflagefläche des Schneideinsatzes um 2° bis
3°, vorzugsweise 2,5° geneigt ist.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die lateral eingespannten
Schneideinsätze zur Wangenbearbeitung ein CBN- oder PKD-Inlet
mit jeweils zwei nutzbaren Schneiden auf, die einen Winkel von 80° ± 5° einschließen;
die beiden Schneiden sind über einen Schneideckenradius von
R = 1 bis 1,5 mm miteinander verbunden. Auch diese Schneiden sind
nachschleifbar.
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Vorzugsweise
sind alle auf einem Innen- oder Außenfräser angeordneten
Schneideinsätze in Kassetten mit einer Einstellvorrichtung
befestigt, die ein exaktes Justieren der Schneideinsatzlage relativ zum
Werkzeugträger erlaubt.
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Bei
einer Lagerbearbeitung sollte die Balligkeit des Lagers vorzugsweise
zwischen 0 und 4 μm liegen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Werkzeugsegmentes mit drei unterschiedlichen
Kassetten,
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2a,
b eine Detailansicht einer Kassette mit lateral seitlich angeordnetem
Schneideinsatz,
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3a,
b eine Explosionszeichnung der Ausführungsform gemäß 2a,
b,
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4a–c
drei Ansichten eines lateral einspannbaren Schneideinsatzes und
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5 eine
Seitenansicht eines tangential einspannbaren Schneideinsatzes.
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Außenfräser,
die bei der Zerspanung um ihre Längsachse rotieren und
die einen scheibenförmigen Werkzeugträger besitzen,
der peripher angeordnete, jeweils mit einem Schneideinsatz bestückte
Kassetten aufweist, die auf einem ring- oder teilringförmigen oder
segmentförmigen, lösbar entweder unmittelbar an
einer Maschinenspindel oder mittelbar über einen Adapater
an einer Maschinenspindel befestigten Träger fixiert sind,
sind beispielsweise in der
DE 10 2007 013 153 A1 beschrieben.
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Einen
segmentförmigen Träger 11 eines solchen
Außenfräsers zeigt 1. Dieser
Träger 11 weist im unteren Bereich eine offene
schlitzförmige Ausnehmung 29 auf, die blind endet
und an ihrem Ende einen Anschlagpunkt für einen Schraubenschaft
besitzt. Die axiale Verspannung dieses segmenfförmigen
Trägers 11 an einer nicht dargestellten Spindel
erfolgt über Klemmkeile. Mehrere Segmente 11,
die über geeignete Klemmstücke nebeneinander befestigen
sind, bilden einen kompletten Ring, der auf einer vorhandenen Spindel
fixiert wird. Einzelne Segmente gegenüber einem vollen
einstückiger Ringkörper haben den Vorteil, dass
ein partieller Austausch zum Schneideinsatzwechsel möglich
ist. In 1 sind ein lateral links eingespannter Schneideinsatz 12,
ein lateral rechts eingespannter Schneideinsatz 13 sowie
ein mittig befestigter Schneideinsatz 14 auf der Peripherie 15 befestigt. Die
Schneideinsätze 12 und 13 sind sowohl
radial als auch axial und hinsichtlich ihrer Schneidkantenneigung
zur Einstellung des sogenannten Sturzes verstellbar, während
beim Schneideinsatz 14 die axiale Verstellmöglichkeit
entbehrlich ist.
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Aus 2a und 2b sowie 3a und 3b ist
im einzelnen erkennbar, dass der Schneideinsatz 13 mittels
einer Spannschraube in dem Plattensitz einer Kassette 20 befestigt
ist, die einen Plattensitz mit einer Auflagefläche 21 sowie
zwei Seitenflächen 22 und 23 aufweist.
Der Schneideinsatz 13 wird mittels einer Spannschraube 16 fixiert, die
einen Senkkopf aufweist. Die Spannschraube durchgreift mit ihrem
Schaft die Mittenbohrung des Schneideinsatzes 13 und ist
in einer Gewindebohrung 24 (siehe 3a, 3b)
eingeschraubt. Der Schneideinsatz besitzt eine Schneidkante 17,
die Teil eines CBN-Inlets ist, auf das noch später eingegangen
wird. Die Schneidkante 17 ist zur Außenseite hin konvex
gekrümmt ausläuft. Der Schneideinsatz 12 ist wie
Schneideinsatz 13 in einer Kassette angeordnet, wobei die
Kassetten für die Schneideinsätze 12 und 13 spiegelsymmetrisch
aber ansonsten gleich aufgebaut sind. Ebenso in einer Kassette eingeschraubt
ist der Schneideinsatz 14, deren Breite größer
gewählt ist, damit die Anlagefläche 23 weiter
nach links (siehe 1) angeordnet werden kann. Einheitlich
werden alle Kassetten mit einem Klemmkörper 18 fixiert,
der über eine Doppelgewindeschraube 19 betätigbar
ist. Der Klemmkörper 18 ist an seinem unteren
Ende abgewinkelt, wobei der gewählte stumpfe Winkel iden tisch
mit der entsprechenden korrespondierenden Winkelkontur der Kassette
gewählt ist.
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Zur
axialen Verstellung der Kassette 20 dient ein Verstellkörper 25,
der über die Doppelgewindeschraube 26 verschiebbar
ist. Dieser Verstellkörper besitzt eine Keilfläche 251,
durch deren Längsverschiebung die Kassette und damit der
Schneideinsatz 13 axial bewegt werden kann. Zur Radialverstellung
dient der Verstellkörper 27 mit einer Keilfläche 271,
der mittels der Doppelgewindeschraube 28 verschiebbar ist.
Die Kassette 20 ist im Wesentlichen quaderförmig
aufgebaut und besitzt eine schlitzförmige Nut 30,
die sich, wie insbesondere aus 3b erkennbar
sind, relativ weit durch den Klemmkörper 20 bis
nahe zu dessen Rückwand 31 erstreckt. Durch Aufspreizen
der Nut 30 wird der oberhalb der Nut 30 liegende
Teil 201 etwa in Richtung des Pfeils 32 bewegt,
was zu einer entsprechenden Kippung der Schneidkante 17 um
einen (stark übertrieben dargestellten) Winkel α führt.
Auf diese Weise kann eine Feineinstellung des Sturzes des Schneideinsatzes bzw.
der Schneidkante bewirkt werden. Zur Verstellung für die
Spaltbreite dient eine Doppelgewindeschraube, die in vorhandene
Bohrungen in den Teilen 201 und 202 eingreift
und die als Kreuzlochschraube 33 ausgebildet ist, deren
Kopf auf einer Madenschraube 34 im zusammengebauten Zustand
ruht. In 3a sind Steckschlüssel 35 und 36 dargestellt,
mit denen demonstriert wird, wie diese Schlüssel eingesteckt
und betätigt werden. Die Betätigung der Kreuzlochschraube
ist über die lateral zugängliche Ausnehmung 37 der
Kassette (siehe 3a) möglich.
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Zur
axialen, radialen und zur Winkelverstellung des Schneideinsatzes 12 oder 13 muss
bei montiertem Werkzeug zunächst die Schraube 19 zum
Lösen des Klemmkörpers 18 betätigt
werden. Hiernach lassen sich über Inbuseingriffe die Verstellschrauben 26 und 28 betätigen,
worüber der Schneideinsatz axial und radial verschiebbar
ist. Zusätzlich kann durch Drehung der Kreuzlochschraube 33 der
Sturz der Schneidkante, d. h. deren Winkellage, um einen beliebig
wählbaren Winkel eingestellt werden. Diese Einstellmöglichkeit
ist selbstverständlich durch die gewählte Schlitzanordnung
dadurch eingeschränkt, dass sich der Nutabstand entsprechend
der Kassettenverformbarkeit nur limitiert verändern lässt.
Nach gewählter Einstellung der Schneideinsätze
wird jeweils durch Festziehen der Schraube 19 über
den Klemmkörper 28 jeder Einsatz fixiert. Der Schneideinsatz 14 ist
nur radial und hinsichtlich der Schneidkantenwinkellage verstellbar.
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Details über
die verwendeten Schneideinsätze 13 und 14 sind 4a bis
c und 5 zu entnehmen. Der Schneideinsatz 13 besitzt
ein CBN-Inlet 131, das in einem Trägerkörper 132 eingelötet
ist, der beispielsweise aus Stahl oder Hartmetall bestehen kann.
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Das
CBN-Inlet 131 besitzt eine obere Schneidkante 133 sowie
eine kürzere Schneidkante 134, die um einen Winkel β von
10° gegenüber der Vertikalen zur Schneidkante 133 gekippt
ist. Die Schneidkanten 133, 134 gehen über
einen Radius von beispielsweise 1 mm ineinander über. Die
durch dien Winkel α bestimmte Neigung des CBN-Einsatzes 131 (siehe 4a)
beträgt vorzugsweise 6°. Der Schneideinsatz besitzt
eine Bohrung mit Ansenkung 135, die für eine N4-Schraube
ausgebildet ist.
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Eine
Seitenansicht eines Schneideinsatzes 14 zeigt 5,
deren CBN-Inlet mit 141 bezeichnet ist. Dieses Inlet besitzt
eine zweigeteilte Schneidkante mit Schneidkantenabschnitten 142 und 143,
die einen Winkel γ von 175° einschließen.
Die Schneidkanten 142 und 143 gehen endseitig über
einen Radius von beispielsweise 0,4 mm in geneigte Kanten über, die
unter einem Winkel δ von 2,5° (der in der Zeichnung übertrieben
dargestellt ist) geneigt ist. Wie aus 5 ersichtlich,
muss sich das CBN-Inlet 141 nicht über die komplette
Höhe des Schneideinsatzes erstrecken.
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Die
mit CBN-Inlet bestückten Außenfräser werden
insbesondere zur nachträglichen spanenden Bearbeitung einer
Kurbel- oder Nockenwelle eingesetzt.
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Die
gegossene oder geschmiedete Kurbel- oder Nockenwelle wird zunächst
einer ersten zerspanenden Bearbeitung mittels Außenfräsern
unterzogen, die an mehreren Stellen der Kurbel- oder Nockenwelle
zur Haupt- und Hublagerausbildung sowie zur Wangenbearbeitung ansetzen.
Bereits in diesem ersten Zerspanungsgang wird eine größtmögliche Oberflächengüte
(mit Rz < 50 μm
und Rundlauftoleranzen < 100 μm)
angestrebt. Anschließend wird die Kurbel- oder Nockenwelle
einer induktiven Härtung unterworfen, wobei gegebenenfalls
die Härtung auf die später stark belasteten Lager
beschränkt werden kann. In einem abschließenden
Zerspanungsgang wird unter Einsatz eines Außen- oder Innenfräsers, der
mit CBN-Inlets bestückt ist, die geforderte Endmaßqualität
mit Endmaßtoleranzen Rz < 10 μm
und Rundlauftoleranzen ≤ 30 μm eingestellt. Sämtliche Zerspanungsarbeiten
werden trocken, d. h. ohne den Einsatz von Kühlschmierstoffen
durchgeführt.
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- 11
- segmentförmiger
Träger
- 12,
13, 14
- Schneideinsätze
- 131
- CBN-Inlet
- 132
- Trägerkörper
- 133,
134
- Schneidkanten
- 135
- Absenkung
- 141
- CBN-Inlet
- 142,
143
- Schneidkantenabschnitte
- 15
- Peripherie
des Trägers 11
- 16
- Spannschraube
- 17
- Schneidkante
- 18
- Klemmkörper
- 19
- Doppelgewindeschraube
- 20
- Kassette
- 201,
202
- oberer
und unterer Teil der Kassette
- 21
- Auflagefläche
des Plattensitzes
- 22,
23
- Seitenflächen
des Plattensitzes
- 24
- Gewindebohrung
- 25
- Verstellkörper
zur axialen Einstellung
- 251
- Keilfläche
- 26
- Doppelgewindeschraube
- 27
- Verstellkörper
zur radialen Einstellung
- 271
- Keilfläche
- 28
- Doppelgewindeschraube
- 29
- schlitzförmige
Ausnehmung
- 30
- schlitzförmige
Nut der Kassette 20
- 31
- Kassettenrückwand
- 32
- Pfeil
- 33
- Kreuzlochschraube
- 34
- Madenschraube
- 35,
36
- Einsteckschlüssel
- 37
- Lateralausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007013153
A1 [0024]