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Die Erfindung betrifft ein Fräswerkzeug zum Stirnfräsen einer Werkstückoberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Stirnfräsen nach dem Patentanspruch 9.
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Die Erzeugung ebener Werkstückoberflächen erfolgt mit dem sogenannten Stirnfräsen, das in ein Umfangsstirnfräsen und in ein Umfangsstirnplanfräsen unterteilt werden kann. Beim Umfangsstirnplanfräsen (Walzfräsen) liegt die Werkzeugachse parallel zur bearbeitenden Werkstückoberfläche. Der Fräser arbeitet nur mit seinen Umfangsschneiden.
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Beim Umfangsstirnfräsen steht dagegen die Werkzeugachse rechtwinklig zur Werkstückoberfläche. Die Schneiden des Fräsers sind aufgeteilt in Umfangsschneiden und Stirnschneiden. Die Umfangsschneiden zerspanen in einer Vorschubbewegung quer zur Werkzeugachse den Oberflächenwerkstoff, während die Stirnschneiden des Fräswerkzeuges die bearbeitete Werkstückoberfläche glattschaben.
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Aus der
DE 195 16 946 A1 ist ein gattungsgemäßes Werkzeug bekannt, das zum Stirnfräsen einer im Wesentlichen ebenen Werkstückoberfläche einsetzbar ist. Beim Fräsbetrieb ist das Fräswerkzeug mit einer Rotationsbewegung um eine zur Werkstückoberfläche rechtwinklige Werkzeugachse sowie mit einer Vorschubbewegung quer zur Werkzeugachse sowie entlang der Werkstückoberfläche antreibbar. Das Fräswerkzeug weist stirnseitig Hauptschneidenelemente auf, deren Stirnschneide das oberflächenseitige Werkstückmaterial bis auf ein Nennmaß abträgt.
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Das Patentdokument
DD 2 61 984 A1 offenbart einen Fräskopf mit Wendeschneideplatten zur schwingungsarmen Bearbeitung labiler Werkstücke, bei dem die Wendeschneidplatten auf zwei Schneidenpflugkreisen angeordnet sind.
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Das Patentdokument
DE 103 44 549 B3 offenbart einen Fräser mit mehreren auswechselbaren Schneiden, wobei der Fräser für die spanende Bearbeitung einer zylindrischen Fläche eines Werkstücks um eine Rotationsachse drehantreibbar ist, wobei. zur spanenden Bearbeitung die Werkstücke um eine in Längsrichtung der Werkstückachse liegende Spindelachse drehbar gelagert sind und die Rotationsachse des Fräsers quer zur Spindelachse verläuft. Mindestens eine erste Schneide ist als Stirnschneide mit einer Schneidenecke und einer Schneidenkante und eine zweite Schneide als Umfangsschneide mit einer Schneidenecke und einer Schneidenkante vorgesehen.
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Das Patentdokument
DE 101 24 234 A1 offenbart ein rotierendes Schneidwerkzeug mit einem um eine zentrale Achse rotierenden Trägerkörper, an dem mindestens zwei Schneidplatten befestigbar sind, die jeweils mindestens eine Schneidkante aufweisen und die nacheinander mit einem Werkstück in spanenden Eingriff gelangen, wenn der Trägerkörper rotiert und zugleich einen linearen Vorschub erfährt, wobei die Schneidplatten auf eine vorgegebene Frästiefe zustellbar sind. Die Schneidkante der einen Schneidplatte (I) ist zur Schneidkante der anderen Schneidplatte (II) so versetzt angeordnet, dass unterschiedliche Bereiche der Schneidkanten mit dem Werkstück in Eingriff gelangen und jede Schneidkante einen Teilbetrag für die vorgegebene Frästiefe leistet.
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Bei diesem Fräsvorgang werden zwischen Frei-, Keil- und Spanwinkel der Schneidenelemente unterschieden. Die Größe dieser Winkel hängt von der jeweiligen Werkzeug-/Werkstück-Kombination ab. Speziell der Freiwinkel der Umfangsschneiden begrenzt die fertigungstechnisch relevante Vorschubgeschwindigkeit des Stirnfräsers. Bei einer Erhöhung des Freiwinkels kann die Vorschubgeschwindigkeit gesteigert werden. Jedoch geht die Freiwinkel-Erhöhung einher mit einer entsprechenden Reduzierung des Keilwinkels der Umfangsschneide, wodurch die Gefahr von Werkzeugbruch oder zumindest eines vorzeitigen Verschleißes besteht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fräswerkzeug sowie ein Verfahren zum Stirnfräsen im Wesentlichen ebener Werkstückoberflächen bereitzustellen, bei dem im Vergleich zum Stand der Technik größere Vorschubgeschwindigkeiten erreicht werden können.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass bei bekannten Stirnfräs-Verfahren eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit stets durch einen maximal zulässigen Freiwinkel der Umfangsschneiden des Fräswerkzeuges begrenzt ist, um die Gefahr von Werkzeugbruch oder eines vorzeitigen Werkzeug-Verschleißes zu minimieren. Vor diesem Hintergrund weist das Fräswerkzeug gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zumindest ein, dem Hauptschneidenelement voreilendes Freiraumnut-Schneidenelement auf. Mit Hilfe des Freiraumnut-Schneidenelementes wird eine Freiraumnut in der Werkstückoberfläche erzeugt, die dem Hauptschneidenelement vorauseilt. In dieser Freiraumnut ist die radial äußere Schneidenecke des Hauptschneidenelementes geführt, und zwar im Wesentlichen ohne Schneidbelastung. Erfindungsgemäß geht die Stirnschneide des Hauptschneidenelementes an der radial äußeren Schneidenecke nicht mehr in eine Umfangsschneide über, deren Freiwinkel im Hinblick auf einen vorzeitigen Verschleiß oder auf Werkzeugbruch kritisch ist. Vielmehr ist die radial äußere Schneidenecke der Stirnschneide um einen lichten Freiraum von der radial äußeren Nut-Seitenwand der Freiraumnut beabstandet. Es ist daher auf die Auslegung einer Umfangsschneide mit entsprechendem Freiwinkel verzichtet, und anstelle dessen die Freiraumnut vorgesehen.
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Zur Erzeugung der Freiraumnut ist speziell ein, dem Hauptschneidenelement voreilendes Freiraumnut-Schneidenelement vorgesehen. Das Freiraumnut-Schneidenelement weist ebenfalls eine Stirnschneide auf, die an radial inneren und äußeren Schneidenecken jeweils in radial innere und äußere Umfangsschneiden übergeht. Mit Hilfe der Stirnschneide sowie der beiden Umfangsschneiden kann das Freiraumnut-Schneidenelement jeweils den Nutboden sowie die beiden Nutseitenwände der Freiraumnut erzeugen. Um die Schneidbelastung des Freiraumnut-Schneidenelementes zu minimieren, ist die Nutbreite der erzeugten Freiraumnut stark reduziert, zum Beispiel auf 2 bis 3 mm.
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Zudem ist es bevorzugt, wenn das in der Rotationsrichtung nacheilende Hauptschneidenelement das Freiraumnut-Schneidenelement mit einem vorgegebenen Überstand radial nach innen überragt bzw. überlappt. Dadurch kann nach der Erzeugung der Freiraumnut ein radial innen an der Werkstückoberfläche verbleibender, noch unbearbeiteter Materialsteg voran nacheilenden Hauptschneidenelement bis auf das Nennmaß abgetragen werden. Sowohl die Stirnschneide des Hauptschneidenelementes als auch die Stirnschneide des Freiraumnut-Schneidenelementes sind entgegen der Rotationsrichtung um einen Spanwinkel geneigt. Zudem spannt die jeweilige Stirnschneide jeweils einen Freiwinkel mit der bearbeitenden Werkstückoberfläche auf.
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Das zumindest eine Hauptschneidenelement und das Freiraumnut-Schneidenelement bilden zusammen einen Schneidensatz. Zumindest ein solcher Schneidensatz ist an der Stirnseite des Fräswerkzeugs vorgesehen, bevorzugt jedoch mehrere Schneidensätze, die gleichmäßig umfangsverteilt am Fräswerkzeug angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform kann der Schneidensatz nicht nur ein einziges Hauptschneidenelement aufweisen, sondern vielmehr in der Rotationsrichtung betrachtet zumindest zwei hintereinander angeordnete Hauptschneidenelemente, die beide dem voreilenden Freiraumnut-Schneidenelement in der Rotationsrichtung nacheilen. Die vom Freiraumnut-Schneidenelement erzeugte Nuttiefe kann bevorzugt bereits dem Nennmaß entsprechen oder alternativ um ein Aufmaß kleiner als das Nennmaß sein. Von den obigen genannten zwei Hauptschneidenelementen kann ein erstes Element bereits auf das Nennmaß abtragen und ein zweites Element um ein Aufmaß kleiner als das Nennmaß das Oberflächenmaterial abtragen.
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Bevorzugt ist es jedoch, wenn bereits das Freiraumnut-Schneidenelement eine Nuttiefe erzeugt, die dem Nennmaß entspricht. Auf diese Weise kann das Hauptschneidenelement gänzlich auf eine Umfangsschneide verzichten, die ansonsten das noch verbleibende Aufmaß abtragen müsste.
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Bevorzugt ist die beim Fräsprozess aktive Stirnschneiden-Länge des Freiraumnut-Schneidenelementes wesentlich kleiner bemessen als die Stirnschneidenlänge des nacheilenden Hauptschneidenelementes. Auf diese Weise kann die Fräsbelastung des Freiraumnut-Schneidenelementes insbesondere auf dessen Hauptfunktion reduziert werden, nämlich die Schaffung eines lichten Freiraums, in dem sich die radial äußere Schneidenecke des nacheilenden Hauptschneidenelementes belastungsfrei bewegen kann.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in einer perspektivischen Darstellung ein Fräswerkzeug zum Stirnfräsen;
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2 die einer Werkzeugoberfläche zugewandte Stirnseite des Fräswerkzeugs;
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3 in einer grob schematischen perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Fräsverfahren;
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4 eine schematische Teilansicht von oben, anhand der ein aus einem Hauptschneidenelement und einem Freiraumnut-Schneidenelement bestehender Schneidensatz während eines Fräsprozesses gezeigt ist;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Ansicht entsprechend der 4; und
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6 eine Ansicht von oben zur Veranschaulichung eines aus dem Stand der Technik bekanntes Stirnfräsverfahren.
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Anhand der 6 wird zunächst zum einfacheren Verständnis der Erfindung ein herkömmliches Stirnfräsverfahren (das heißt Umfangsstirnfräsen) beschrieben, das den Ausgangspunkt der Erfindung bildet. In dem in der 6 gezeigten Stirnfräsverfahren kommt ein Fräswerkzeug 1 zum Einsatz, dessen Werkzeugachse W senkrecht zu einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 3 ausgerichtet ist. Das Fräswerkzeug 1 weist umfangsseitig eine Reihe von gleichmäßig verteilten Schneidenelementen 5 auf. Diese weisen am Außenumfang vorgesehene Umfangsschneiden 7 sowie stirnseitig am Fräswerkzeug 1 vorgesehene Stirnschneiden (in der 5 nicht gezeigt) auf, die der Werkzeugoberfläche zugewandt sind. Das Fräswerkzeug 1 zerspant den Werkstoff ausschließlich mit den Umfangsschneiden 7, während die Stirnschneiden lediglich die bearbeitete Werkstückoberfläche 9 glattschaben. Im dargestellten Fräsbetrieb wird das Fräswerkzeug 1 mit einer Rotationsbewegung R um die Werkzeugachse W angetrieben. Zudem wird das Fräswerkzeug 1 mit einer Vorschubbewegung V quer zur Werkzeugachse W sowie entlang der Werkstückoberfläche 3 angetrieben.
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Bei den Schneidenelementen 5 wird in gängiger Praxis zwischen einem Freiwinkel α, einem Keilwinkel β und einem Spanwinkel γ unterschieden. Der Freiwinkel α ist in der 6 zwischen einer Schneiden-Rückseite 11 und einer gedachten Kreislinie aufgespannt, entlang der sich die Umfangsschneiden 7 bewegen. Der Keilwinkel β ist zwischen einer Schneiden-Vorderseite 13 und der Schneiden-Rückseite 11 aufgespannt. Der Spanwinkel γ ist zwischen einer Radiuslinie, auf der die Umfangsschneide 7 liegt, und der Schneiden-Vorderseite 13 aufgespannt. Im Hinblick auf die Auslegung der Vorschubgeschwindigkeit ist unter Anderem der Freiwinkel α von Bedeutung. Für eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit ist entsprechend auch der Freiwinkel α zu erhöhen. Dies geht jedoch mit einer entsprechenden Reduzierung des Keilwinkels β der Schneidenelemente 5 einher, wodurch die Gefahr von vorzeitigem Verschleiß sowie von Werkzeugbruch an den Umfangsschneiden 7 erhöht wird.
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Die in den 1 bis 4 gezeigte Erfindung beschreitet dagegen mit Hilfe des in der 1 gezeigten Fräswerkzeuges 1 einen alternativen Lösungsweg, um die Vorschubgeschwindigkeit zu erhöhen. Demzufolge weist das Fräswerkzeug 1 gemäß der 1 einen Grundkörper 17 auf, der um die Werkzeugachse W rotierbar ist. An der Stirnseite des Grundkörpers 17 sind insgesamt vier gleichmäßig umfangsverteilten Schneidensätze 19 vorgesehen. Jeder dieser Schneidensätze 19 weist ein in der Rotationsrichtung R voreilendes Freiraumnut-Schneidenelement 21 sowie ein in der Rotationsrichtung R nacheilendes Hauptschneidenelement 23 auf. Den beiden Schneidenelementen 21, 23 ist jeweils eine Spankammer 25 vorgelagert, um entstehende Späne 28 (3) abzuführen. Die Stirnschneiden 29, 33 (3) des Hauptschneidenelementes 23 und des Freiraumnut-Schneidenelements 21 sind gemäß der 3 entgegen der Rotationsrichtung R um einen Spanwinkel γ geneigt ist, so dass die Späne 28 nicht umfangsseitig nach außen, sondern vielmehr nach oben abgeschält werden. Zudem sind die Freiraumnut-Schneidenelemente 21 und die Hauptschneidenelemente 23 als separate Auswechselteile mittels angedeuteter Spannschrauben 27 am Grundkörper 17 befestigt.
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Gemäß der 2, 3 und 4 weist jedes der Hauptschneidenelemente 23 jeweils eine Stirnschneide 29 auf. Diese erstreckt sich gemäß der 2 bis zu einer radial äußeren Schneidenecke 31. Mit Hilfe der Stirnschneide 29 des jeweiligen Hauptschneidenelementes 23 erfolgt an der Werkstückoberfläche 3 ein Materialabtrag um ein Nennmaß n (3). Das in der Rotationsrichtung R voreilende Freiraumnut-Schneidenelement 21 weist ebenfalls eine Stirnschneide 33 (3) auf. Die Stirnschneide 33 des jeweiligen Freiraumnut-Schneidenelementes 21 geht an den radial inneren und äußeren Schneidenecken 35, 36 (3) jeweils in eine radial innere und radial äußere Umfangsschneide 37, 38 über. Die beiden Umfangsschneiden 37, 38 sind in der 4 mit Freiwinkeln α versehen. In der 2 liegt beispielhaft die radial äußere Schneidenecke 36 des voreilenden Freiraumnut-Schneidenelements 21 auf einem Radius r1, der hier beispielhaft größer ist als der Radius r2, auf dem die radial äußere Schneidenecke 31 des nacheilenden Hauptschneidenelementes 23 liegt.
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Zudem überragt das jeweilige Hauptschneidenelement 23 mit einem Überstand Δr (4) radial nach innen das jeweilige Freiraumnut-Schneidenelement 21.
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Anhand der 3 und 4 ist das mit dem erfindungsgemäßen Fräswerkzeug 1 durchführbare Stirnfräs-Verfahren angedeutet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der 3 oder 4 lediglich ein einziger Schneidensatz 19, bestehend aus einem Hauptschneidenelement 23 und einem Freiraumnut-Schneidenelement 21, des Fräswerkzeugs 1 dargestellt, und zwar ohne den Fräswerkzeug-Grundkörper 17. Demzufolge erzeugt das voreilende Freiraumnut-Schneidenelement 21 eine Freiraumnut 41 mit gemäß der 3 einem Nutboden 46 sowie seitlich hochgezogenen Nutwänden 45. Die dabei abgetragenen Späne 28 werden über die in der 1 gezeigten Spankammern 25 nach oben abgeführt. Die Erzeugung der Freiraumnut 41 erfolgt mit Hilfe der Stirnschneide 33 sowie der beiden Innen-/Außen-Umfangsschneiden 37, 38 des Freiraumnut-Schneidenelementes 21. Die hierbei erzeugte Nuttiefe Δt (3) ist identisch mit dem von der Werkstückoberfläche 3 abzutragenden Nennmaß n (3). Gemäß der 3 verbleibt radial innerhalb der Freiraumnut 41 ein Materialsteg 43, der vom nacheilenden Hauptschneidenelement 23 abgetragen wird, und zwar bis auf das vorgenannte Nennmaß n.
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Die radial äußere Schneidenecke 31 des Hauptschneidenelementes 23 geht – im Unterschied zum Freiraumnut-Schneidenelement 21 nicht in eine zusätzliche Umfangsschneide über. Vielmehr endet die Stirnschneide 29 des jeweiligen Hauptschneidenelements 23 an der radial äußeren Schneidenecke 31, und zwar ohne eine solche Umfangsschneide. Die radial äußere Schneidenecke 31 des Hauptschneidenelements 23 ist gemäß der 4 über einen lichten Freiraum f von der radial äußeren Nut-Seitenwand 45 beabstandet und somit im Wesentlichen ohne Schneidbelastung in der Freiraumnut 41 geführt. Erfindungsgemäß kann daher die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden, und zwar ohne die Gefahr, dass das Hauptschneidenelement 23 an der äußeren Schneidenecke 31 vorzeitig verschleißt oder bricht..
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr kann der Schneidensatz 19 nicht nur ein einziges Hauptschneidenelement 23 aufweisen, sondern in der Rotationsrichtung R betrachtet zumindest zwei hintereinander angeordnete Hauptschneidenelemente 23, die beide dem voreilenden Freiraumnut-Schneidenelement 21 in der Rotationsrichtung R nacheilen. Die vom Freiraumnut-Schneidenelement 21 erzeugte Nuttiefe Δt kann bevorzugt bereits dem Nennmaß n entsprechen oder alternativ um ein Aufmaß kleiner als das Nennmaß n sein. Von den obigen genannten zwei Hauptschneidenelementen 23 kann beispielhaft ein erstes Element das Oberflächenmaterial bis auf das Nennmaß n abtragen und ein zweites Element um ein Aufmaß kleiner als das Nennmaß abtragen.
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Die 1 bis 4 betreffen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, in dem das Hauptschneidenelement 23 und das Freiraumnut-Schneidenelement 21 zwei voneinander separate Bauteile sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können das Hauptschneidenelement 23 und das Freiraumnut-Schneidenelement 21 auch in einem gemeinsamen Schneidenelement integriert sein, wie es in der 5 gezeigt ist. In der 5 geht die Stirnschneide 29 des Hauptschneidenelements 23 an der Schneidenecke 35 unmittelbar in die Stirnschneide 33 des Freiraumnut-Schneidenelements 21 über, die im Gegenuhrzeigersinn geneigt ist. Im weiteren Verlauf radial nach außen schließt sich an die Stirnschneide 33 des Freiraumnut-Schneidenelements 21 ein Freiwinkel α an.
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Ferner ist hevorzuheben, dass die Anzahl der Hauptschneidenelemente 23 und der Freiraumnut-Schneidenelemente 21 frei wählbar ist. So kann dem zumindest einem Hauptschneidenelement 23 eine beliebige Anzahl von Freiraumnut-Schneidenelemente 21 vorgeschaltet sein. In diesem Fall wird die Freiraumnut 41 nicht nur durch ein, sondern durch mehrere Freiraumnut-Schneidenelemente 21 erzeugt. Umgekehrt kann dem zumindest einen Freiraumnut-Schneidenelement 21 eine beliebige Anzahl von Hauptschneidenelementen 23 nachgeschaltet werden.
