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Gebiet der Erfindung
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Verfahren
zur Bestimmung der lateralen Fehlausrichtung einer ECM-Elektrode
in Bezug auf eine Bohrung eines Werkstücks.
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Stand der Technik
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Elektroden
zur elektrochemischen Bearbeitung von metallischen Werkstücken (im
folgenden auch kurz ECM-Elektroden genannt) werden in der Fertigungstechnik
einerseits zur Einarbeitung von Bohrungen und Konturen bei Bauteilen
und anderseits zum Entgraten von schwer zugänglichen Bohrgraten eingesetzt. Der
Materialabtrag am Werkstück
erfolgt durch anodische Auflösung
des elektrisch leitenden Werkstückes.
Zur Bearbeitung wird ein Stromkreis zwischen Anode (Werkstück) und
Kathode (Elektrode) über
eine Elektrolytlösung,
beispielsweise einer Kochsalzlösung,
geschlossen.
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Die
Geometrie von ECM-Elektroden ist an die Geometrie der zu bearbeitenden
Werkstücke
sowie an die zu lösende
Bearbeitungsaufgabe und die angestrebte Endkontur des Werkzeugs
angepasst. ECM-Elektroden sind beispielsweise stabförmig zylindrisch
und werden zur Bearbeitung von zylindrischen Lagerbohrungen von
Fluidlagern eingesetzt.
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Fluidlager
werden beispielsweise in Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenspeichern
eingesetzt. Zum Aufbau eines hydrodynamischen Druckes im Lagerspalt
sind die Lageroberflächen
mit einer rillen- bzw. grabenförmigen
Struktur versehen. In Folge einer rotatorischen Relativbewegung
der beiden Lagerbauteile erzeugen diese Rillenstrukturen eine Pumpwirkung
auf das Lagerfluid und somit einen Druck im Lagerspalt. Das ECM-Verfahren
wird für
die Einarbeitung der Rillenstrukturen in die Lageroberfläche der
Lagerbohrung eingesetzt. Typischerweise umfasst ein hydrodynamisches
Fluidlager Radiallagerbereiche, die in der Regel aus zwei einzelnen
beabstandeten Radiallagern bestehen. Jedes Radiallager ist durch
oben beschriebene Rillenstrukturen gekennzeichnet, die in der Regel
in einem ECM-Prozess auf die Lagerfläche, meist die Lagerbuchse,
aufgebracht werden. Dabei wird angestrebt, dass die Tiefe und Form
der Rillenstrukturen über
die gesamte Länge
des Lagers einheitlich ist, damit das Lager optimal arbeitet.
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In
der Praxis jedoch können
die durch ECM hergestellten Rillenstrukturen, insbesondere deren
Breite und Tiefe, voneinander abweichen. Der Grund dafür ist in
der Regel, dass die Elektrode entweder nicht exakt in der Lagerbohrung
ausgerichtet oder verschlissen oder beschädigt war. Das führt zu einer
unregelmäßigen Verteilung
der Stromdichte nahe den zu bearbeitenden Flächen und in Folge davon zu
ungleichmäßigen Rillenstrukturen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es Verfahren zur Bestimmung der lateralen
Fehlausrichtung einer ECM-Elektrode in Bezug zu einer Bohrung eines
Werkstücks
anzugeben, das automatisiert durchführbar ist und reproduzierbare
Ergebnisse mit der benötigten
Genauigkeit liefert.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Mit
dem Verfahren kann die laterale Fehlausrichtung einer ECM-Elektrode
in Bezug auf eine Bohrung eines Werkstückes bestimmt werden. Das Verfahren
wird angewendet, nachdem das Werkstück mittels der ECM-Elektrode
bearbeitet wurde. Bei der Bearbeitung wird die Elektrode in einer
definierten Winkelposition in der Bohrung des Werkstückes ausgerichtet
und es werden rillenförmige
ECM-Strukturen bestehend
aus mehreren voneinander beabstandeten Rillen auf den Umfang der
Bohrung aufgebracht. Durch Vermessung dieser Rillenstrukturen und
weiterer erfindungsgemäßer Verfahrensschritte
kann dann die Fehlausrichtung der ECM-Elektrode in Bezug auf die
Bohrung bestimmt werden. Hierzu wird die Oberfläche der Bohrung abgetastet
und ein Tiefenprofil der Oberfläche
der Bohrung entlang von mindestens einer Umfangslinie ermittelt.
Die Rillenstrukturen sind in der Regel nur wenige Mikrometer tief.
Um das erfasste Tiefenprofil zu „glätten”, so dass beispielsweise Tiefenvariationen
aufgrund der Oberflächenrauhigkeit
des Materials ausgeblendet werden können, wird in einem nächsten Schritt
das ermittelte Tiefenprofil durch eine Kurve approximiert. Diese
Kurve wird anhand einer mathematischen Gleichung generiert, welche
sich beispielsweise aus der Stromdichteverteilung nahe der Oberfläche des
Werkstücks
ergibt und welche das zu erwartende theoretische Tiefenprofil der
Oberfläche
des Werkstückes
entlang der betrachteten Umfangslinie beschreibt.
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Diese
generierte Kurve wird durch Parameter beschrieben, die nun derart
angepasst werden, dass die Kurve mit dem gemessenen Tiefenprofil
möglichst
gut übereinstimmt.
Die Anpassung der Kurve an das gemessene Tiefenprofil kann beispielsweise
mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgen. Nachdem
die Kurve an das tatsächliche
Tiefenprofil angepasst wurde, lassen sich die Parameter der die
Kurve beschreibenden mathematischen Gleichung ablesen. Die Parameter
ermöglichen
eine Aussage über
die Breite und Tiefe der Rillenstrukturen sowie den Abstand der
Elektrodenoberfläche
zur Oberfläche
des Werkstückes an
jedem Punkt der gemessenen Umfangslinie. Aus diesen Werten kann
dann die Fehlausrichtung bestimmt werden.
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Vorzugsweise
werden mehrere Tiefenprofile auf der Oberfläche der Bohrung erfasst und
zwar jeweils in einem gegenseitigen axialen Abstand, so dass mittels
des Verfahrens insbesondere auch die Fehlausrichtung der ECM-Elektrode
in Bezug auf die Längsachse
der Bohrung des Werkstückes
bestimmt werden kann.
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Die
Abtastung der Oberfläche
des Werkstückes
erfolgt vorzugsweise mittels eines ausreichend genauen mechanischen
oder optischen Abtastverfahrens.
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Das
erfasste Tiefenprofil sowie die approximierte Kurve können zur
Veranschaulichung und Auswertung der Daten in einem XY-Koordinatensystem
oder in einem Polarkoordinatensystem dargestellt werden.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann in vorteilhafter Weise die Fehlausrichtung einer ECM Elektrode
in einer Bohrung eines Werkstückes
bestimmt werden, sowohl die laterale als auch die axiale Fehlausrichtung.
Das Verfahren arbeitet automatisch und liefert genaue und reproduzierbare
Ergebnisse.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungsfiguren
und der nachfolgenden Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch ein Werkstück mit zylindrischer Bohrung
sowie eine darin angeordnete zylindrische ECM-Elektrode.
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1A zeigt
einen Längsschnitt
durch die Anordnung gemäß 1.
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2 zeigt
eine grafische Darstellung eines aufgenommenen Tiefenprofils in
einem Polarkoordinatensystem.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung eines Tiefenprofils in einem kartesischen
Koordinatensystem.
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4 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
eines Ausschnitts des Tiefenprofils aus 3.
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5 zeigt
schematisch die Ausbildung der ECM-Rillenstrukturen bei konzentrisch
ausgerichteter ECM-Elektrode.
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6 zeigt
schematisch die Ausbildung der Rillenstrukturen bei falsch ausgerichteter
ECM-Elektrode.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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Die 1 und 1a zeigen
im Querschnitt bzw. im Längsschnitt
ein Werkstück 10,
das eine zylindrische Bohrung 12 aufweist. Bei dem Werkstück kann
es sich beispielsweise um eine Lagerbuchse eines fluiddynamischen
Radiallagers handeln, wobei die Bohrung 12 die entsprechende
Lagerbohrung darstellt. Bei fluiddynamischen Lagern ist in der Regel
eine Lagerfläche,
beispielsweise die Oberfläche
der Lagerbohrung, mit Rillenstrukturen versehen. Diese Rillenstrukturen
sind sehr klein und haben eine Tiefe von nur wenigen Mikrometern.
Zum Aufbringen der Rillenstrukturen auf die Oberfläche der
Bohrung 12 ist es bekannt, ein ECM-Verfahren zu verwenden.
Hierzu wird eine entsprechende ECM-Elektrode 14, die einen
an die Bohrung 12 angepassten zylindrischen Außendurchmesser
aufweist, in die Bohrung eingebracht und darin konzentrisch ausgerichtet.
Zwischen der Außenoberfläche der
ECM-Elektrode 14 und der Wandung der Bohrung 12 verbleibt
ein ringförmiger
Spalt 20, der mit einem Elektrolyt, beispielsweise einer
Kochsalz- oder Natriumnitratlösung,
gefüllt wird.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Elektrode 14 und
dem Werkstück 10 bildet
sich ein elektrisches Feld und zwar zwischen leitenden Abschnitten 16 auf
der Oberfläche
der ECM Elektrode 14 und der Oberfläche des (leitenden) Werkstückes. Die übrigen Bereiche
der ECM-Elektrode 14 sind mit einer isolierenden Schicht 18 bedeckt.
Dort wo der elektrische Strom fließt, erfolgt ein Materialabtrag
am Werkstück durch
anodische Auflösung
des Materials. Es bilden sich daher am Werkstück Strukturen, die im optimalen
Fall den leitenden Strukturen 16 auf der ECM-Elektrode
entsprechen.
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In
der Praxis wird nie eine exakte, konzentrische Ausrichtung der ECM-Elektrode 14 in
der Bohrung 12 erreicht. Oftmals ist auch die Elektrode
verschlissen oder beschädigt.
Dadurch wird das von der ECM-Elektrode 14 erzeugte Rillenmuster
auf der Wandung der Bohrung 12 nicht vollkommen symmetrisch
ausgebildet, sondern die Rillen des Rillenmusters können Unterschiede
beispielsweise in ihrer Breite und in ihrem Tiefenprofil aufweisen.
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Um
die Fehlausrichtung festzustellen, wird nun die ECM bearbeitete
Oberfläche
der Bohrung 12 an mindestens einer Umfangslinie 13a, 13b mittels
einer geeigneten Vorrichtung abgetastet. Dies kann ein geeigneter
mechanischer Taster oder eine geeignete optische oder kapazitive
Messvorrichtung sein. Es wird nun durch die Tastvorrichtung über den
Umfang der Bohrung 12 ein Tiefenprofil ermittelt, das die
Oberflächenbeschaffenheit
und insbesondere die Geometrie des Rillenmusters entlang der Umfangslinie
beschreibt. Die Abtastung erfolgt vorzugsweise im Apexbereich der
Rillenstrukturen. Um dreidimensionale Informationen zur Lage der
ECM-Elektrode 14 relativ zur Bohrung 12 zu erhalten, sind
mindestens zwei Messungen in unterschiedlichen axialen Position 13a und 13b nötig. Je
mehr axiale Positionen vermessen werden, desto besser ist die Genauigkeit,
mit der die Lage der ECM-Elektrode bestimmt werden kann.
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2 zeigt
ein Tiefenprofil 22 einer solchen Messung, das zur Verdeutlichung über einen
Kreis gelegt wurde, welcher die Umfangslinie, z. B. 13a,
darstellen soll. Die Umfangslinie 13a und das Tiefenprofil 22 sind nicht
maßstäblich zueinander
dargestellt, sondern das Tiefenprofil bzw. die Messwerte sind in
Bezug auf den „Durchmesser” der Umfangslinie 13a stark
vergrößert dargestellt.
Neben einem „Grundrauschen”, das die Oberflächenrauhigkeit
des abgetasteten Werkstücks
wiedergibt, erkennt man einige tiefere Ausschläge, welche den Rillenstrukturen
auf der Oberfläche
des Werkstücks
zuzuordnen sind.
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3 zeigt
das Tiefenprofil 22 in einem kartesischen Koordinatensystem.
Durch Mittelwertbildung der Messwerte oder andere geeignete Verfahren
wurde das Grundrauschen unterdrückt
und die Spitzenwerte der Rillenstrukturen herausgestellt. Auf der
Ordinate ist die jeweilige radiale Position also die Tiefe in Bezug
auf die Oberfläche
des Werkstückes
dargestellt, während
die Abszisse den Umfangswinkel in Grad von 0° bis 360° beschreibt.
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Erfindungsgemäß wird das
Tiefenprofil 22 durch eine mathematische Funktion (24)
approximiert.
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4 zeigt
schematisch ein Diagramm der Tiefenkontur
22a einer Rille
22a.
Wenn man die Tiefenkontur
22a einer Rille vermisst, ergeben
sich entsprechende Messwerte, die beispielsweise durch die unten angegebenen
normierte Funktion h(x) beschrieben werden können. Die Tiefenkontur
22a der
Rille kann also durch die Kurve
24a der Funktion h(x) approximiert
werden, wobei der Querschnitt der Rille als Funktion T·h(x) angenommen
werden kann, wobei T die maximale Rillentiefe bezeichnet. Wird die
Lage der Mitte der Rille bei x
0 = 0 definiert,
so ergibt sich die normierte Funktion h(x) aus der angenommen Stromdichteverteilung
beim ECM-Verfahren zu:
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Das
Diagramm in 4 zeigt die Tiefenkontur der
Rille 22a und deren Approximation 24a in Bezug auf
den Umfangswinkel. Die Breite der Tiefenkontur 22a entspricht
der Breite der leitenden Strukturbereiche 16 auf der ECM-Elektrode 14,
durch welche die Rillenstrukturen in die Oberfläche der Bohrung 12 eingearbeitet
werden. Der Querschnitt der durch das ECM-Herstellungsverfahren
hergestellten Rille 22a weist abgerundete Kanten auf, die
typisch für
das ECM-Verfahren
sind. Das gesamte Tiefenprofil 22 von 0° bis 360° lässt sich durch mehrfache Überlagerung
der Gleichung [1] approximieren und als Kurve 24 darstellen.
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Die
Gleichung 1 besitzt als Eingangsparameter die bekannte Breite w
der leitenden Strukturen auf der ECM-Elektrode, und beschreibt die
Form des Tiefenprofils einer Rille, abhängig vom Abstand d(x) der ECM-Elektrode
zur Oberfläche
der Bohrung. Durch ein mathematisches Annäherungsverfahren, beispielsweise
durch Anwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, kann die
Form der approximierten Kurve 24 an die tatsächliche
Messkurve 22 angepasst werden. Durch bestmögliche Anpassung
der Messdaten erhält man
dann die Funktion d(x), die den radialen Abstand der ECM-Elektrode
vom Werkstück
in Abhängigkeit
der Umfangsposition x beschreibt. Dieses Auswerteverfahren wird
auf jede einzelne Lagerrille entlang der Messlinie 13a, 13b angewandt.
Durch Vergleich der ermittelten radialen Elektrodenabstände d(x)
lassen sich Rückschlüsse auf
Fehlstellungen der ECM-Elektrode ziehen. So sollte bei einer ideal
zentrierten Elektrode der radiale Elektrodenabstand d(x) für alle Rillen
konstant sein.
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Die 5 und 6 zeigen
schematisch die praktischen Auswirkungen einer gut ausgerichteten
ECM Elektrode (5) und einer weniger gut ausgerichteten
ECM Elektrode (6).
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5 entspricht
der Darstellung in 1, also einer ECM-Elektrode 14,
die ideal konzentrisch in einer Bohrung 12 eines Werkstückes 10 angeordnet
und ausgerichtet ist. Wird nun ein ECM-Prozess durchgeführt, so
werden auf der Oberfläche
der Bohrung 12 Rillenstrukturen 26 gebildet. Die
Rillenstrukturen 26 sind schematisch und übertrieben
dargestellt. Diese Rillenstrukturen 26 sind alle in ihrer
Breite und Tiefe im Wesentlichen identisch ausgebildet, da die ECM-Elektrode 14 über den
gesamten Umfang denselben Abstand von der Oberfläche der Bohrung 12 hat
und damit die Abtragung des Materials des Werkstückes über den Umfang der Bohrung 12 gleichmäßig erfolgt.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung der Fehlausrichtung beim Beispiel aus 5 angewendet,
so erhält
man als Ergebnis für
jede einzelne Rille 26 die selben Parameter für die Form
der Rillen 26 sowie einen konstanten Abstand zwischen der
Oberfläche
der Elektrode 14 und Wandung der Bohrung 12 d(x),
welcher der Breite des Spaltes 20 entspricht.
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6 zeigt
nun den Fall einer Fehlausrichtung der Elektrode 14 in
Bezug auf die Bohrung 12. Die Elektrode 14 ist
um einen Versatz 28 in Richtung des Umfangswinkels von
270° verschoben.
Führt man
nun das ECM-Verfahren durch und vermisst hernach die Oberfläche der
Bohrung 12, so erkennt man, dass die Rillen 26 eine
ungleichmäßige Breite
und ungleichmäßige Tiefe
haben. Dort, wo die Elektrode 14 einen größeren radialen
Abstand d(x) zur Wandung der Bohrung 12 hatte, beispielsweise
beim Umfangswinkel x = 90°,
sind die Rillen 26 relativ breit aber nicht sehr tief.
Dort wo der radiale Abstand d(x) der Elektrode 14 von der
Oberfläche
der Bohrung 12 klein war, beispielsweise beim Umfangswinkel
von x = 270°,
sind die Rillen 26'' relativ schmal
aber sehr tief. Außerdem ändert sich
durch die Exzentrizität
der ECM-Elektrode der Winkelabstand Δx (3) zwischen
den jeweiligen benachbarten Rillenstrukturen 26, 26' und 26''. Je geringer der Abstand zwischen
Elektrode 14 und Oberfläche
der Bohrung 12 ist, desto näher rücken die Rillen zusammen. So
lassen sich auch aus den Winkelabständen Δx der Rillenstrukturen zueinander
Informationen über
Fehlstellungen der ECM-Elektrode gewinnen.
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Die
schematischen Darstellungen in 5 und 6 sind
natürlich übertrieben
dargestellt, da der Spalt 20 im Verhältnis zum Durchmesser der Elektrode
und der Bohrung sehr viel kleiner ist und die Rillen nur wenige
Mikrometer tief sind.
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Das
Beispiel gemäß 6 zeigt
aber, dass die Fehlausrichtung der Elektrode 14 in der
Bohrung 12 anhand dieser übertriebenen Darstellung bereits
geometrisch festgestellt werden kann, indem man die jeweiligen Mittellängsachsen
der Rillen 26 bildet, wobei der Mittelpunkt der Elektrode 14 dann
im Schnittpunkt der Mittellängsachsen
liegt. Der Versatz 28 zwischen dem Mittelpunkt der Bohrung 12 und
dem Mittelpunkt der Elektrode 14 lässt sich dann abmessen.
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- 10
- Werkstück
- 12
- Bohrung
- 13a,
13b, 13c
- Umfangslinie
- 14
- ECM-Elektrode
- 16
- leitende
Bereiche
- 18
- isolierende
Bereiche
- 20
- Spalt
- 22
- Messkurve
(Tiefenprofil)
- 22a
- Ausschnitt
aus Messkurve
- 24
- approximierte
Kurve
- 24a
- Ausschnitt
aus approximierter Kurve
- 26
- Rille
- 26'
- Rille
- 26''
- Rille
- 28
- Versatz
- x
- Position
entlang des Umfanges des Lagers
- w
- Breite
der leitenden Strukturen auf der ECM-Elektrode
- d(x)
- Abstand
zwischen ECM-Elektrode und der Bohrungsoberfläche
- h(x)
- normierte
Funktion für
das Tiefenprofil der einzelnen Lagerrillen
- Δx
- Winkelabstand
zwischen zwei benachbarten Lagerrillen
- T
- maximale
Rillentiefe
