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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Spindelsystem, insbesondere für
eine Werkzeugmaschine, mit einer Spindelwelle, die in einem Spindelgehäuse
drehbar gelagert ist.
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Moderne
Werkzeugmaschinenspindeln sind häufig als Motorspindeln
ausgeführt und können sehr hohe Drehzahlen erreichen.
Derartige Spindeln werden insbesondere zum Hochgeschwindigkeitsfräsen (High
Speed Cutting) eingesetzt, wodurch sehr große Zeitspanvolumen
erreicht werden. Diese können in Abhängigkeit
von der Prozessführung als Trockenbearbeitung zerspant
werden, wobei das Problem einer elektrostatischen Aufladung der
Spindelwelle auftreten kann.
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Die
Lagerungen der Spindelwellen sind häufig als Hybridlager
ausgeführt, welche Wälzkörper aus Keramikwerkstoff
besitzen. Damit können die elektrostatischen Ladungen aus
der Spindelwelle nicht hinreichend über die Spindellagerung über
das Spindelgehäuse abgeleitet werden. Die Folge sind hohe
Spannungspotenziale in der Spindelwelle, welche sich zwischen dem
Werkzeug, das endseitig in der Spindelwelle eingespannt ist, und
dem zu bearbeitenden Werkstoff entladen können. Bei den
Entladungen können Beschädigungen am Werkstück
sowie am Werkzeug (Werkzeugaufnahme) auftreten, da sich Funkenstrecken
zwischen den Oberflächen des Werkstücks und des
Werkzeugs bilden können, die diese beschädigen.
Ferner umfassen moderne Spindelsysteme elektronische Komponenten,
welche durch die elektrostatische Aufladung der Spindelwelle Schaden
nehmen können.
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Bekannt
sind Bürstendichtungen als Verbindung zwischen der Spindelwelle
und dem Spindelgehäuse, um Spindelsysteme vor Verunreinigungen
zu schützen, welche in das Spindelgehäuse eindringen können.
Dazu sind zwischen dem Spindelgehäuse und der Spindelwelle
häufig Abdichtungen eingebracht, die aus den Schleifbürsten
gebildet sind. Die Abdichtun gen sind häufig am Spindelende
angeordnet, um besonders die Lager der Spindelwelle vor den Verunreinigungen
zu schützen.
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Aus
der
WO 03/081095
A1 ist eine Abdichtung für Spindelwellen bekannt,
welche als Bürstendichtung ausgeführt ist. Bürstendichtungen
besitzen hervorragende Dichtungseigenschaften, so dass insbesondere
keine Verunreinigungen an die Lager gelangen können, und
dass zugleich das Schmiermittel der Lager nicht nach außen
treten kann. Derartige Bürstendichtungen sind grundsätzlich
auch für alle Dreheinführungen verwendbar, so
dass sowohl Fluide in der Innenseite des Spindelgehäuses
nicht nach außen dringen können als auch Fluide
und Verunreinigungen von der Außenseite nicht in das Spindelgehäuse
hinein gelangen können.
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Die
Patentschrift
DE 36
06 284 C2 offenbart eine detaillierte Ausgestaltung einer
Bürstendichtung zum dichtenden Einsatz in einem Spindelsystem.
Die Borsten der Bürstendichtung sind in einem Haltering aufgenommen,
so dass diese die rotierende Spindelwelle radial umlaufend abdichten
kann.
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Derartige
Borstendichtungen eignen sich zwar zur Abdichtung des Spindelsystems,
jedoch bieten diese keine zuverlässige elektrische Kontaktierung
der Spindelwelle mit dem Spindelgehäuse. Zur Minimierung
der Reibung ist die Länge der Borsten häufig an
den Durchmesser der Spindelwelle oder des mit der Spindelwelle rotierenden
Bauteils angepasst, so dass zwar der Innenraum des Spindelgehäuses
vor dem Eindringen von Verunreinigungen zuverlässig geschützt
ist, jedoch verbleibt häufig ein Spalt zwischen den Enden
der Borsten und der Spindelwelle. Darüber hinaus werden
derartige Borstendichtungen häufig in einem Ölmedium
betrieben oder mittels eines Fettes benetzt, um die auftretende
Reibung zu minimieren. Der Einsatz derartiger Schmierstoffe bildet
ein weiteres Hindernis zur Schaffung einer elektrischen Kontaktierung.
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Um
eine optimale bzw. gute Dichtwirkung zu erzielen, werden auch häufig
Bürstendichtungen aus Aramidfasern verwendet, da die Anzahl
der Fasern pro Längeneinheit um ein Vielfaches höher
ist als bei metallischen Borsten. Da Aramidfasern elektrisch nicht-leitend
sind, kann selbst bei Kontakt der Fasern mit der Welle keine elektrostatische
Entladung erfolgen
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige
Potenzialableitung von elektrostatischen Ladungen aus der Spindelwelle
in das Spindelgehäuse zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem Spindelsystem gemäß des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Spindelwelle
mittels wenigstens einer Schleifkontakteinrichtung mit dem Spindelgehäuse und/oder
mit einer Erdung elektrisch kontaktiert ist.
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Die
Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass zwischen dem Spindelgehäuse
und der rotierenden Spindelwelle eine Schleifkontakteinrichtung
zur elektrischen Kontaktierung eingesetzt wird. Durch die Schleifkontakteinrichtung
kann eine zuverlässige Potenzialableitung von der Spindelwelle
in das Spindelgehäuse erfolgen, wobei durch den kontinuierlichen
Schleifkontakt die Höhe der elektrostatischen Ladung in
der Spindelwelle niedrig gehalten wird oder erst gar nicht in Erscheinung
tritt.
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Vorzugsweise
weist die Schleifkontakteinrichtung wenigstens eine Schleifbürste
auf, die mit einem Schleifkontaktbereich auf der Spindelwelle oder einem
mit dieser rotierenden Bauteil einen Schleifabgriff bildet. Der
Schleifkontaktbereich kann einem zylinderförmigen Abschnitt
der Spindelwelle entsprechen oder der Bereich wird durch den Außenumfang eines
Flansches gebildet, das am werkzeugseitigen Ende der Spindelwelle
angebracht ist. Grundsätzlich kann die Schleifkontakteinrichtung
alternativ zur Schleifbürste auch durch eine Kohle-Schleifeinrichtung
gebildet werden, welche ähnlich einem Kohleschleifkontakt
eines Elektromotors ausgeführt sein kann. Derartige Schleifelemente
können durch eine Feder gegen die rotierende Spindelwelle vorgespannt
werden, wobei das Federelement zugleich als elektrische Kontaktierung
dient.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Spindelsystems ist die Schleifbürste
durch ein Schraubenelement aufgenommen, welches im Spindelgehäuse
eingeschraubt ist, um eine radiale Zustellung der Schleifbürste
gegen die Spindelwelle zu ermöglichen. Die Schleifbürste
kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
am radial innenseitigen Ende des Schraubenelementes aufgenommen
sein, so dass dieses direkt durch das Schraubenelement gehalten
wird. Ist die Andruckkraft der Schleifbürste gegen die
Spindelwelle zu gering, so kann das Schraubenelement nachgestellt
werden, in dem dieses tiefer in das Spindelgehäuse eingeschraubt
wird und somit die Schleifbürste gegen die Spindelwelle zugestellt
wird. Der Durchmesser bzw. die seitliche Abmessung der Schleifbürste
kann vorzugsweise kleiner ausgeführt sein als der Durchmesser
des Schraubenelementes, um die Schleifbürste gemeinsam
mit dem Schraubenelement durch die Gewindebohrung im Spindelgehäuse
zu führen. Das Schraubenelement kann ein Feingewinde aufweisen,
um die radiale Zustellung der Schleifbürste gegen die Spindelwelle
zu justieren. Am radial innenseitigen Ende des Schraubenelementes
ist zur Aufnahme der Schleifbürste eine Aufnahmevertiefung
vorgesehen, in die die Schleifbürste eingesetzt wird und
mittels Klemmelementen oder form- bzw. stoffschlüssig in diesem
befestigt ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Spindelsystems ist die Schleifbürste als Bürstendichtung
ausgebildet, um das Eindringen von Verunreinigungen in das Spindelsystem zu
verhindern. Folglich wird durch die Schleifbürste neben
der Funktion der elektrischen Kontaktierung der Spindelwelle mit
dem Spindelgehäuse die Funktion der Bürstendichtung
erfüllt. Hierzu kann die Schleifkontakteinrichtung die
Spindelwelle radial umlaufend umschließen und im Bereich
der Werkzeugaufnahme der Spindelwelle angrenzend an das Spindelende
angeordnet werden. Alternativ ist auch denkbar, die Schleifkontakteinrichtung
in eine konventionelle Bürstendichtung zu integrieren.
Hierfür kann auf einem begrenzten umfangsseitigen Abschnitt
die Bürstendichtung in Gestalt der Schleifkontakteinrichtung
ausgebildet sein, in dem die Schleifbürste aus einem leitenden
Material gebildet ist und mit der entsprechend hohen Andruckkraft
gegen die Spindelwelle gehalten wird. Dabei kann auch die oben stehend
beschriebene Anordnung des Schraubenelementes zur Aufnahme der Schleifbürste
Anwendung finden. Die Schleifbürste kann ferner derart ausgebildet
sein, dass diese auf einen Winkelabschnitt von mehreren Winkelgraden
(beispielsweise 10° bis 45° auf dem Umfang) die
Spindelwelle umschließt, wobei die spangenartige Schleifbürste durch
das Schraubenelement gehalten oder mittels dieses gegen die Spindelwelle
gedrückt wird. Damit ist die Kontaktierung der Spindelwelle
mit einer höheren Zuverlässigkeit ausgeführt,
wobei alternativ die Erstreckungsrichtung der länglich
ausgeführten Schleifbürste auch parallel zur Rotationsachse
der Spindelwelle ausgerichtet sein kann.
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Alternativ
zur Anordnung einer einzigen Schleifkontakteinrichtung können
auf dem Umfang der Spindelwelle mehrere Schleifkontakteinrichtungen
gleich verteilt angeordnet werden. Damit wird die Zuverlässigkeit
der Potenzialableitung aus der Spindelwelle in das Spindelgehäuse
weiter erhöht. Zur Sicherstellung der elektrischen Kontaktierung
der Spindelwelle kann über die Schleifkontakteinrichtung
ein elektrischer Strom angelegt werden, um die Schleifkontaktierung
messtechnisch zu erfassen. Wird der Stromkreis durch die Schleifkontakteinrichtung
unterbrochen, so kann beispielsweise durch ein Steuersystem der
Werkzeugmaschine eine Meldung erfolgen.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Schleifbürste Metallborsten und/oder
Kohlefaserborsten aufweist, welche in einer Borstenaufnahme gebündelt
aufgenommen sind. Das Metall der Metallborsten kann ein Kupfermaterial
oder ein Messingmaterial umfassen, wobei auch Edelstahlborsten zum
Einsatz kommen können. Kohlefaserborsten zeichnen sich
ebenfalls durch eine elektrische Leitfähigkeit aus, wobei
diese besonders vorteilhafte Reibeigenschaften gegen den Schleifkontaktbereich
auf der rotierenden Spindelwelle aufweisen. Die Schleifbürste
besteht zumindest aus den Borsten und der Borstenaufnahme, in welcher
die Borsten gebündelt aufgenommen sind. Die Borstenaufnahme
kann eine Metallklammer umfassen, welche mit den Borsten verpresst
wird.
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Um
ein selbsttätiges Lösen des Schraubenelementes
zu verhindern, kann dieses mittels einer Kontermutter gegen das
Spindelgehäuse verspannt werden. Sowohl die Kontermutter
als auch das Schraubenelement können einen Sechskant umfassen,
so dass das Schraubenelement von einem Bediener von der Außenseite
des Spindelgehäuses einjustiert werden kann und mittels
der Kontermutter gegen das Spindelgehäuse verspannt wird.
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Vorzugsweise
ist das Schraubenelement mit einem Erdkabel kontaktiert, um eine
Ableitung des elektrischen Potenzials aus der Spindelwelle über
die Schleifbürste zu schaffen. Die Notwendigkeit eines Erdkabels
kann sich daraus ergeben, dass das Spindelgehäuse aus einem
nicht elektrisch leitenden Material hergestellt ist. Das Erdkabel
dient daher zur elektrischen Kontaktierung des Schraubenelements sowie
der Schleifbürste mit der Masse der Werkzeugmaschine. Eine
geeignete Aufnahme des Erdkabels kann durch eine Kontaktscheibe
gebildet werden, die zwischen der Kontermutter und dem Spindelgehäuse angeordnet
wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Anordnung der Schleifbürste
im Schraubenelement umfasst diese eine Druckfeder, die gegen die
Borstenaufnahme der Schleifbürste vorgespannt ist, um die
Schleifbürste gegen die Spindelwelle zu drücken. Endseitig
im Schraubenelement ist eine Vertiefung in Gestalt einer Bohrung
eingebracht, so dass zunächst die Druckfeder in die Bohrung
eingesetzt werden kann, um anschließend endseitig im Schraubenelement
die Borstenaufnahme einzusetzen. Folglich kann die Druckfeder gegen
die Borstenaufnahme drücken, und diese in Richtung zur
Spindelwelle mit einer Andruckkraft beaufschlagen. Diese Anordnung bietet
den Vorteil, dass unabhängig von der Tiefe, mit der das
Schraubenelement in das Spindelgehäuse eingeschraubt ist,
eine gewisse Sicherheit der Kontaktierung zwischen der Spindelwelle
und dem Spindelgehäuse sichergestellt werden kann. Erst
bei entspannter Druckfeder kann das Schraubenelement nachjustiert
werden, in dem dieses tiefer in das Spindelgehäuse eingeschraubt
wird, um die Schleifbürste an die Spindelwelle anzunähern.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Schleifkontakteinrichtung;
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2 eine
quergeschnittene Seitenansicht der Schleifkontakteinrichtung, in
der die Anordnung der Schleifbürste im Schraubenelement
dargestellt ist; und
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3 eine
weitere Seitenansicht der Schleifkontakteinrichtung mit einer weitergebildeten
Aufnahme der Schleifbürste im Schraubenelement.
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In
der 1 ist die Schleifkontakteinrichtung 3 auf
schematische Weise im Querschnitt dargestellt. Die Blickrichtung
erfolgt aus Richtung der Rotationsachse der Spindelwelle 1,
welche lediglich auf einem Teilkreisabschnitt dargestellt ist. Die
Rotationsrichtung der Spindelwelle 1 ist durch einen Pfeil
angedeutet. Ferner ist das Spindelgehäuse 2 lediglich schematisch
dargestellt, wobei die Spindelwelle 1 im Spindelgehäuse 2 aufgenommen
ist. Die Schleifkontakteinrichtung 3 dient zur elektrischen
Kontaktierung der Spindelwelle 1 mit dem Spindelgehäuse 2,
um eine elektrische Potenzialableitung aus der Spindelwelle 1 zu
schaffen. Das elektrische Potenzial in der Spindelwelle kann sich
durch die Wechselwirkung eines Werkzeugs im Eingriff mit einem Werkstück
aufbauen. Der Effekt des Potenzialaufbaus in der Spindelwelle beruht
insbesondere darauf, dass bei modernen Werkzeugmaschinenspindeln
durch die Lagerung keine elektrische Kontaktierung möglich
ist, da diese häufig Wälzkörper aus Keramikmaterialien umfassen.
Die Folge ist eine elektrostatische Aufladung Werkzeugmaschinenspindel,
welche sich zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug entladen kann
und Schäden an diesem verursacht. Die Schleifkontakteinrichtung 3 kontak tiert
kontinuierlich die Spindelwelle 1 mit dem Spindelgehäuse 2,
so dass sich das elektrische Potenzial nicht aufladen kann.
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Die
Schleifkontakteinrichtung 3 umfasst ein Schraubenelement 5,
an dem endseitig eine Schleifbürste 4 angeordnet
ist. Das Schraubenelement 5 ist in das Spindelgehäuse 2 von
der Außenseite eingeschraubt, wobei die Längserstreckung
des Schraubenelementes 5 in Richtung zur Spindelwelle 1 weist. Zwischen
dem radial innenseitigen Ende des Schraubenelementes 5 und
der Spindelwelle 1 ist die Schleifbürste 4 angeordnet,
wobei diese lediglich schematisch am innenseitigen Ende des Schraubenelementes 5 gezeigt
ist. Die Schleifbürste 4 ist durch eine Vielzahl
parallel zueinander angeordneter Bürstendrähte
angedeutet, welche durch die Rotation der Spindelwelle 1 unter
einem Winkel zur Längserstreckung des Schraubenelementes 5 ausgerichtet
sind. Die Borsten der Schleifbürste 4 können
eine Eigenelastizität aufweisen, so dass bedingt durch
die Elastizität eine Andruckkraft der Enden der Borsten
der Schleifbürste 4 gegen die Spindelwelle 1 vorherrscht. Das
Schraubenelement 5 umfasst ein Feingewinde, mittels dessen
dieses in das Spindelgehäuse 2 eingeschraubt ist,
wobei zwischen dem außenseitigen Ende des Schraubenelementes 5 mit
einem Sechskantschraubenkopf eine Kontermutter 7 auf dem Schraubenschaft
des Schraubenelementes 5 aufgeschraubt ist, um das Schraubenelement 5 gegen
das Spindelgehäuse 2 zu verspannen. Damit wird
ein selbsttätiges Lösen des Schraubenelementes 5 aus dem
Spindelgehäuse 2 wirksam vermieden.
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In 2 ist
die Schleifkontakteinrichtung 3 dargestellt, welche zur
elektrischen Kontaktierung der Spindelwelle 1 sowie des
Spindelgehäuses 2 dient. Am radial innenseitigen
Ende des Schraubenelementes 5 ist die Aufnahme der Schleifbürste 4 über
eine Borstenaufnahme 6 detailliert dargestellt. Die Schleifbürste 4 umfasst
eine Vielzahl von Borsten, welche in einer Borstenaufnahme 6 aufgenommen
sind. Die Borstenaufnahme 6 kann durch einen Metallklemmkörper
gebildet werden, welcher die Bosten C-förmig umschließt.
Aus dem Metallkörper erstrecken sich die Borsten in Richtung
zur Spindelwelle 1. Die Aufnahme der Borstenaufnahme 6 im Schraubenelement 5 erfolgt
durch eine Vertiefung im Endbereich des Schraubenelementes 5,
wobei die Borstenaufnahme 6 durch zwei Klemmkörper
oder Punktschweißung oder mechanisches Klemmen im Schraubenelement 5 gehalten
ist.
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In 3 ist
eine Weiterbildung der Aufnahme der Schleifbürste 4 im
Schraubenelement 5 dargestellt. Im Schraubenelement 5 ist
eine Vertiefung eingebracht, welche sich in Richtung der Längsachse des
Schraubenelementes 5 durch diese hindurch erstreckt. In
der Vertiefung ist eine Druckfeder 9 eingesetzt, wobei
angrenzend an die Druckfeder 9 die Borstenaufnahme 6 endseitig
in die bohrungsartige Vertiefung im Schraubenelement 5 eingebracht
ist. Folglich beaufschlagt die Druckfeder 9 die Borstenaufnahme 6 mit
einer Andruckkraft, wobei die Borstenaufnahme 6 längsbeweglich
im Schraubenelement 5 aufgenommen ist. Die Folge ist eine
kontinuierliche Kraftbeaufschlagung der Schleifbürste 4 gegen
die Spindelwelle 1. Damit wird eine sichere Kontaktierung
der Spindelwelle 1 zum Spindelgehäuse 2 ermöglicht.
Ferner ist ein Erdungskabel 8 dargestellt, welches mit
dem Schraubenelement 5 in Kontakt steht. Über
das Erdungskabel 8 kann die elektrostatische Ladung aus
der Spindelwelle 1 über das Schraubenelement 5 mit
der Masse der Werkzeugmaschine verbunden werden, sofern das Spindelgehäuse 2 aus
einem nicht leitenden Material hergestellt ist.
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Die
Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung
auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht. Die Schleifkontakteinrichtung 3 kann an
jeder beliebigen Stelle zwischen der Spindelwelle 1 und
dem Spindelgehäuse 2 eingebracht werden. Insbesondere
können Lager vorgesehen sein, bei denen zwischen dem Lageraußenring
und dem Lagerinnenring die erfindungsgemäße Schleifkontakteinrichtung
eingesetzt wird. Folglich kann die Schleifkontakteinrichtung sowohl zur
Kapselung der Lagerung dienen, als auch die Funktion der elektrischen
Kontaktierung der Spindelwelle 1 mit dem Spindelgehäuse 2 erfüllen.
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Der
Pfeil (1) auf dem Sechskant ist insbesondere vorgesehen,
um bei Kohle- oder metallischen Borsten, die in einem Winkel zur
Dreh richtung der Welle angestellt sind, bei Verstellvorgang die
korrekte Position der Drähte (in Wellenrichtung) von außen
zu erkennen.
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- 1
- Spindelwelle
- 2
- Spindelgehäuse
- 3
- Schleifkontakteinrichtung
- 4
- Schleifbürste
- 5
- Schraubenelement
- 6
- Borstenaufnahme
- 7
- Kontermutter
- 8
- Erdungskabel
- 9
- Druckfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 03/081095
A1 [0005]
- - DE 3606284 C2 [0006]