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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug, z.B. einen Bohrer
oder einen Fräser,
mit einem Schneidteil, z.B. einem Bohrteil, und einem Schaftteil
sowie zumindest einem innerhalb des Schneidwerkzeuges verlaufenden
Kanal für
die Zuführung
von Kühl-
und/oder Schmiermittel von dem Schaftteil zu dem Schneidteil. Solche
Schneidwerkzeuge sind bereits seit langem bekannt.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung prinzipiell für alle möglichen Arten von Schneidwerkzeugen
verwendbar ist, soll sie im folgenden der Einfachheit halber am
Beispiel eines Bohrers erläutert
werden.
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Der
Bohrer hat ein Bohrteil, das die Haupt- und Nebenschneiden trägt, die
während
der spanabhebenden Bearbeitung mit dem Werkstück in Kontakt treten, und ein
Schaftteil, das im allgemeinen dafür vorgesehen ist, in einem
Werkzeugfutter, z.B. einem Bohrfutter, aufgenommen zu werden, und
das daher eine Schnittstelle zwischen dem Schneidwerkzeug bzw. dem
Bohrer einerseits und der Werkzeugmaschine, z.B. der Bohrmaschine,
zur Verfügung
stellt. Während
der spanabhebenden Bearbeitung kommt es im Bereich der Schneidkanten
zu einer erheblichen Wärmeentwicklung.
Daher ist es bereits seit langem üblich, die Schneidkanten zu
kühlen.
Zu diesem Zweck wird ein Kühl mittel
zu den Schneidkanten zugeführt.
Darüber
hinaus kann es für
manche Anwendungsfälle
von Vorteil sein, wenn alternativ oder in Kombination mit dem Kühlmittel
ein Schmiermittel zur Verfügung
gestellt wird.
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Seit
einigen Jahren wird zunehmend versucht, durch geeignete Schneidgeometrien
und geeignete Materialkombinationen die bislang übliche Bearbeitung mit Kühlschmiermittel
durch die Trockenbearbeitung zu ersetzen. Bislang ist jedoch eine völlig trockene
Bearbeitung bei verschiedenen Bearbeitungen, wie z.B. bei Reib-
und Gewindeschneidvorgängen,
bei tiefen Bohrungen sowie bei der Bearbeitung von Werkstoffen,
die dazu neigen, am Werkzeug zu kleben, in der Praxis nicht möglich. Der Grund
hierfür
ist im allgemeinen weniger die fehlende Kühlung, da moderne Schneidstoffe
und gegebenenfalls verwendete Beschichtungen die höheren Temperaturen
ohne Qualitätseinbußen verkraften,
sondern vielmehr die fehlende Schmierung.
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Aus
diesem Grund wird häufig
eine sogenannte "quasi-trockene" Bearbeitung durchgeführt, d.h.
es erfolgt eine sogenannte "Minimalmengenschmierung". Hierbei wird im
allgemeinen ein Öl-Luft-Gemisch erzeugt und
dem Werkzeug – wie auch
bei der konventionellen Bearbeitung mit Kühlschmiermittel – entweder
von außen
oder durch das Innere des Schneidwerkzeuges zugeführt.
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Es
hat sich in der Praxis gezeigt, daß insbesondere bei der Serienfertigung
die innere Zuführung über das
Schaftteil von großem
Vorteil ist.
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Um
dies zu gewährleisten,
weist das Schneidwerkzeug bzw. der Bohrer zumindest einen innerhalb
des Schneidwerkzeugs verlaufenden Kanal für die Zuführung von Kühl- und/oder Schmiermittel
von dem Schaftteil zu dem Schneidteil auf. Bei Schneidwerkzeugen
mit mehreren Hauptschneiden, wie z.B. bei Spiralbohrern, können auch
mehrere solcher Kanäle
vorgesehen sein, die das Öl-Luft-Gemisch jeweils zu
einer der beteiligten Schneidkanten transportieren.
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Die
Minimalmengenschmierung über
die inneren Kanäle
wirft allerdings verschiedene physikalischtechnische Probleme auf.
Insbesondere ist es nicht trivial, das Öl-Luft-Gemisch auf dem langen Weg
durch Spindel und Werkzeug mit zum Teil sehr kleinen Kanalquerschnitten
zu transportieren und dabei eine adäquate Strömung aufrechtzuerhalten und eine
Entmischung des Öl-Luft-Gemischs
zu verhindem.
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Prinzipiell
erfolgt die Gemischbildung auf zwei unterschiedliche Arten. Zum
einen sind sogenannte Ein-Kanal-Systeme bekannt, bei denen das entsprechende
Gemisch (Aerosol) bereits vor dem Eintritt in die Maschinenspindel
gebildet wird. Hierbei ist es notwendig, daß sehr feine Öltröpfchen gebildet werden,
um eine Entmischung während
des langen Weges bis zum Austrittsort zu verhindern. Zum anderen
sind sogenannte Zwei-Kanal-Systeme bekannt, bei denen zunächst Öl und Luft
ge trennt in zwei verschiedenen Kanälen in das Werkzeug transportiert werden,
wobei innerhalb der Spindel an deren werkzeugseitigem Ende dann Öl in den
vorbeigeführten Luftstrom
eingespritzt wird.
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Das
Ein-Kanal-System hat den Vorteil, daß aufgrund der Verwendung von
sehr feinen Tröpfchen die
Gefahr der Entmischung sehr gering ist, so daß das Schmiermittelgemisch
relativ unempfindlich gegenüber
Auszentrifugieren bei sehr hohen Drehzahlen ist. Allerdings ist
bei diesem System nur ein relativ begrenzter Ölanteil verwirklichbar. Darüber hinaus können Öl und Luft
nur sehr schlecht getrennt dosiert werden.
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Das
Zwei-Kanal-System hat den Vorteil, daß auch große Ölmengen möglich sind. Zudem können Öl und Luft
getrennt eingestellt werden. Durch die in diesem System gebildeten,
im Vergleich zum Ein-Kanal-System
größeren Tröpfchen wird
das Schmiermittelgemisch anfällig
gegenüber
Entmischung. Tatsächlich
kommt es zwangsläufig
zumindest zu einer Teilentmischung, so daß ein Teil des Öls an den
Kanalwandungen entlang fließt.
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Um
eine möglichst
optimale Minimalmengenschmierung zur Verfügung zu stellen, ist es daher notwendig,
insbesondere alle Schnittstellen auf dem Weg der Übertragung
der Minimalmengenschmiermischung sorgfältig auszuführen, da sie Toträume und
Verluststellen darstellen können.
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Toträume stellen
zum einen Verwirbelungsstellen dar, die die Strömung des Gemischs behindern.
Zum anderen erhöhen
sie auch die Ansprechzeit der Schmiermittelversorgung, die im allgemeinen bei
jedem Werkzeugwechsel und sogar beim Verfahren der Werkzeugspindel
häufig
aus- und eingeschaltet wird. Um eine effektive Schmierung sicherzustellen,
soll im Idealfall das Schmiermittelgemisch sofort nach dem Einschalten
am Werkzeug austreten. Eventuell vorhandene Toträume verhindern dies jedoch,
da sie zunächst
mit dem benötigten
Gemisch gefüllt
werden müssen.
Auch wenn der genaue physikalisch-technische Vorgang bei der Anwesenheit von
Toträumen
bis heute nicht verstanden ist, so läßt sich doch ein deutliches
Ansteigen der Ansprechzeit beobachten. Darüber hinaus führen Toträume zu Ölverlusten,
die beim Werkzeugwechsel im allgemeinen ausgeblasen werden müssen und
dabei nicht nur den Ölverbrauch
erhöhen,
sondern auch die Maschine in ihrem Inneren mit einem Ölfilm verschmutzen.
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Grundsätzlich ist
es ebenso von entscheidender Bedeutung, daß die Schnittstellen möglichst dicht
sind, um außerhalb
des Werkzeugs keine weiteren Toträume zu bilden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung der Schnittstelle
zwischen Werkzeug einerseits und Spannfutter andererseits.
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Insbesondere
für Bohrer
weist das Spannfutter im allgemeinen im Futter eine Schraube auf,
die für
die Längeneinstellung
verwendet wird. Mit Hilfe der Schraube lassen sich Längenfertigungstoleranzen
sowie Längenverluste
durch Nachschleifarbeiten kompensieren. Im montierten Zustand liegt
der Schraubenkopf direkt an der Stirnfläche des Schaftteils an. Um
nun eine Schnittstelle zwischen Spannfutter bzw. Schraube einerseits
und Schaftteil andererseits zur Verfügung zu stellen, werden bei
der herkömmlichen
Bearbeitung mit Kühlschmiermittel
hohlgebohrte Madenschrauben verwendet und ein Schlitz im Schaftende
des Werkzeugs vorgesehen, um eine Verbindung zu den Kühlkanälen herzustellen.
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Diese
Art der Schnittstelle ist jedoch für die Minimalmengenschmierung
völlig
ungeeignet. Für die
Minimalmengenschmierung ist es notwendig, einen strömungstechnisch
möglichst
günstigen Übergang
vom Zentralkanal in der Schraube zu den Kühlkanälen zu verwirklichen, eine
möglichst
gute Abdichtung zwischen Schraube und Schaftende zum Totraum im
Futter zu erzielen sowie den Totraum im Übergang von der Schraube zum
Futter möglichst gering
auszuführen.
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Für die Minimalmengenschmierung
ist daher bereits vorgeschlagen worden, eine Schraube mit Innenkegel
zu verwenden und das Werkzeugschaftende kegelig mit Quernut auszuführen. Diese
Ausführungsform
zeigt jedoch im Bereich der Quernut ein ungenügendes Dichtungsverhalten.
Darüber
hinaus wird kein optimales Strömungsverhalten
beobachtet. Weiterhin kann diese Lösung nur bei Werkzeugen mit ein
oder zwei Kühlkanälen eingesetzt
werden.
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Des
weiteren ist von der Anmelderin bereits ein Werkzeugschaftende vorgeschlagen
worden, das eine im wesentlichen kokillenförmige Vertiefung aufweist.
Auch diese Ausführungsform
zeigt jedoch kein optimales Dichtungs- und Strömungsverhalten.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Schneidwerkzeug bzw. eine Schnittstelle für ein Schneidwerkzeug
mit einem Schneidteil und einem Schaftteil sowie zumindest einem
innerhalb des Schneidwerkzeugs verlaufenden Kanal für die Zuführung von
Kühl- und/oder
Schmiermittel von dem Schaftteil zu dem Schneidteil, wobei die Endfläche des
Schaftteils eine Vertiefung aufweist, in der zumindest eine Einlaßöffnung für zumindest
einen Kanal für
die Zuführung
von Kühl-
und/oder Schmiermittel angeordnet ist, zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Strömungseigenschaften und ein
verbessertes Dichtverhalten zeigt, wobei das Schneidwerkzeug auf
einfache Weise herstellbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß die
Vertiefung rotationssymmetrisch ist. Es hat sich nämlich überraschend
gezeigt, daß durch Ausbildung
der Vertiefung in rotationssymmetrischer Weise das Strömungsverhalten
deutlich verbessert wird, so daß es
insgesamt zu einer Minimalmengenschmierung mit kürzerer Ansprechzeit kommt.
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Mit
Vorteil ist die Vertiefung rotationssymmetrisch zur Längsachse
des Schneidwerkzeugs ausgebildet. Dies stellt sicher, daß die Vertiefung
auf einfache Weise hergestellt werden kann. Darüber hinaus können mit
der erfindungsgemäßen Schnittstellengeometrie
Schneidwerkzeuge mit einer nahezu beliebigen Anzahl von Kanälen für die Kühl- und/oder Schmiermittelzufuhr
verwirklicht werden. Die Schnittstelle ist somit universell einsetzbar.
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Grundsätzlich kann
die Vertiefung jede beliebige rotationssymmetrische Form haben.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit
Vorteil die durch die Vertiefung gebildeten Flächen gekrümmt sind, da dadurch zusätzliche
Toträume
weitgehend vermieden werden und ein günstiges Strömungsverhältnis gewährleistet wird.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
sieht eine Vertiefung vor, welche die Form einer Kugelkappe bzw.
Kalotte hat. In Versuchen konnte nachgewiesen werden, daß diese
Form der Vertiefung günstige
Strömungseigenschaften
des Minimalmengenschmierstoffs gewährleistet. Darüber hinaus läßt sich
diese Geometrie beispielsweise durch Schleifen mit einer Schleifscheibe
einfach und kostengünstig
herstellen.
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Die
erfindungsgemäße Geometrie
hat sich insbesondere bei Hartmetallschneidwerkzeugen oder sogar
Vollhartmetallschneidwerkzeugen bewährt, da bei dieser Art von
Werkzeugen die Werkzeugbearbeitung sehr aufwendig ist, so daß aus Kostengründen nur
einfache Geometrien in Frage kommen. Mit der erfindungsgemäßen Geometrie
wird somit ein ausgewogener Kompromiß zwischen guten Dichteigenschaften
sowie guten Strömungseigenschaften
einerseits und einer einfachen, kostengünstigen Herstellbarkeit andererseits
eingegangen.
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Um
eine möglichst
gute Abdichtung gegenüber
der Einstellschraube des Werkzeugfutters zu erzielen, sieht eine
zweckmäßige Ausführungsform vor,
daß die
Endfläche
des Schaftteils eine Dichtfläche
aufweist, welche die Vertiefung umgebend angeordnet ist. Im eingespannten
Werkzeug tritt dann die Dichtfläche
mit der vorzugsweise kegeligen Innenfläche der Einstellschraube in
Eingriff.
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Eine
weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Dichtfläche im wesentlichen
konusförmig
ist. Durch die konusförmige
Anordnung der Dichtfläche
wird effektiv die Dichtfläche
vergrößert, so
daß die
Dichtfunktion verbessert wird.
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Mit
Vorteil ist die Endfläche
des Schaftteils im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei die
Dichtfläche
durch die Mantelfläche
des Kegelstumpfes gebildet wird. Besonders zweckmäßig ist es,
wenn die Dichtfläche
gegenüber
einer gedachten Ebene senkrecht zu der Längsachse des Schneidwerkzeugs
geneigt ist. Dabei ist der Neigungswinkel α, d.h. der Winkel, den die gedachte Ebene
und die Dichtfläche
einschließen,
größer als
15°, vorzugsweise
größer als
30° und
besonders bevorzugt zwischen etwa 45° und etwa 60°.
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Es
wurde in zahlreichen Versuchen weiterhin nachgewiesen, daß die Dichtfläche mit
Vorteil relativ groß ausgebildet
wird. Besonders zweckmäßig ist
es, wenn in einer Draufsicht auf die Endfläche des Schaftteils die Breite
b der Dichtfläche
mindestens 3% und vorzugsweise mindestens 5% des Schaftdurchmessers
d beträgt.
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Des
weiteren hat sich gezeigt, daß in
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
die Vertiefung eine maximale Tiefe gegenüber der Schaftendfläche hat,
die mindestens 3%, vorzugsweise mindestens 5%, besonders bevorzugt
mindestens 7% des Schneidwerkzeugdurchmessers beträgt.
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Für manche
Anwendungsfälle
kann es von Vorteil sein, daß zwischen
Dichtfläche
und Vertiefung eine im wesentlichen ebene Kreisringfläche vorgesehen
ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung von
bevorzugten Ausführungsformen
sowie der dazugehörigen
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht sowie eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schaftteils
eines Bohrers,
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2 eine
Draufsicht sowie eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schaftteils,
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3 eine
Draufsicht und eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaftteils
und
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4 eine
Schnittansicht der ersten Ausführungsform
zusammen mit einer entsprechenden Einstellschraube im eingespannten
Zustand.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaftteils
in einer Draufsicht auf die Schaftendfläche und einer Teilschnittansicht
dargestellt. Die in dem unteren Teil von 1 dargestellte
Teilschnittansicht zeigt das Schaftteil des Schneidwerkzeuges mit
zwei Kanälen 2 für Kühl- und/oder
Schmiermittel. Die Schaftteilendfläche, die in der in 1 gezeigten
Schnittansicht nach unten ausgerichtet ist, weist eine Vertiefung 3 auf,
die kugelkappenförmig
ausgebildet ist. Die beiden Kanäle 2 enden
jeweils in der Vertiefung 3. Die Vertiefung 3 ist rotationssymmetrisch
um die zentrale Schneidwerkzeugachse 6 angeordnet. An den
Außenseiten
der Schaftteilendfläche
ist eine kreisförmige
Dichtfläche 4 angeordnet,
die derart geneigt ist, daß die
Flächen mit
einer gedachten Ebene, die senkrecht zu der Längsachse 6 des Schneidwerkzeuges
verläuft,
einen Winkel von etwa 45° einschließen.
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Zwischen
der Vertiefung 3 und der Dichtfläche 4 ist eine schmale
Kreisringfläche 5 vorgesehen, die
im wesentlichen in einer gedachten Ebene liegt, die senkrecht auf
der Schneidwerkzeuglängsachse 6 steht.
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Die
Anzahl der Kühlkanäle 2 ist
prinzipiell beliebig. Daher sind in den 2 und 3 zwei
weitere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Schaftteils
gezeigt, die drei bzw. einen Kühlkanal 2 aufweisen.
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Wie
in 2 beispielhaft gezeigt, wird die hohe Dichtheit
der Verbindung Schaftteil 1 und Einstellschraube 7 durch
die relativ breite Dichtfläche 4 erzielt.
Die Dichtfläche 4 hat
in den in den 1 bis 4 gezeigten
Schnittansichten eine Breite b, die etwa 10% des Durchmessers d
des Schaftteils 1 ausmacht.
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Schließlich ist
in 4 beispielhaft die aus 1 bekannte
Ausführungsform
des Schaftteils 1 in Eingriff mit der Einstellschraube 7 des
Werkzeugspannfutters gezeigt. Die Einstellschraube 7 weist
einen Kopf mit Innenkegel 8 auf. Das Schaftteil 1 wird nun
derart mit der Einstellschraube 7 in Kontakt gebracht,
daß die
konusförmige
bzw. kegelstumpfförmige
Dichtfläche 4 des
Schaftteils 1 mit dem Innenkegel 8 der Einstellschraube 7 in
Kontakt tritt. Dadurch, daß die
Dichtfläche 4 nicht,
wie dies vereinzelt im Stand der Technik der Fall ist, durch eine
Quernut teilweise unterbrochen ist, wird eine sehr dichte Verbindung zwischen
Schaftteil 1 einerseits und Einstellschraube 7 andererseits
erzielt.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform kann dann über das
Werkzeugspannfutter, in das die Einstellschraube 7 eingeschraubt
ist, über
den zentralen Kanal in der Einstellschraube 7 das Schmiermittelgemisch
zugeführt
werden. Aufgrund der Kugelkappenform der Vertiefung 3 des
Schaftteils 1 kommt es zu einer sehr gleichmäßigen Durchströmung des
Raumes, der einerseits von dem Innenkegel 8 der Einstellschraube 7 und
andererseits von der kugelkappenförmigen Vertiefung 3 des
Schaftteils 1 gebildet wird. Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Schaftteils 1 eine sehr direkte Minimalmengenschmierungsdosierung
mit sehr kurzer Ansprechzeit und einem sehr geringen Totraumvolumen
erzielt werden.
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- 1
- Schaftteil
- 2
- Kühl- und/oder
Schmierkanäle
- 3
- Vertiefung
- 4
- kreisförmige Dichtfläche
- 5
- Kreisringfläche
- 6
- zentrale
Schneidwerkzeugachse
- 7
- Einstellschraube
- 8
- Innenkegel