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Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter für Werkzeuge zur achszentrierten Außen- und/oder Innenbearbeitung von prismatischen Werkstücken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Fertigung stellt sich vielfach das Problem der achszentrierten Außen- und/oder Innenbearbeitung von prismatischen, beispielsweise kreiszylindrischen Werkstücken mittels spanabhebender Werkzeuge, die in einer Werkzeugaufnahme zentrisch eingespannt sind. Bei derartigen Werkzeugaufnahmen kann es sich um verschiedenste Werkzeugaufnahmen handeln, wie zum Beispiel Hydraulik-Dehnspannfutter, Schrumpffutter, HPC-Spannfutter, Gewindespannfutter oder sonstige Werkzeugaufnahmen, wie sie z.B. in der Preisliste 62 „GM300“ Ausgabe 2012 der Anmelderin gezeigt sind.
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Zur Erläuterung des dabei auftretenden Bearbeitungs- bzw. Zerspannungsproblems wird bereits jetzt auf die 1 und 2 Bezug genommen.
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Dabei bezeichnet die Bezugsnummer 10 ein Maschinengestell, welches einerseits einen Führungstisch 12 zur Aufnahme eines Werkstückschlittens 14 und andererseits einen Führungstisch 16 trägt, auf dem verschiebbar ein Werkzeugaufnahmekasten 18 angeordnet ist. Die Führungstische 12, 16 sind mittels nicht gezeigter Antriebssysteme entlang paralleler Achsen verschiebbar bzw. einstellbar, die senkrecht zur Zeichenebene der 1 verlaufen. Der Werkstückschlitten 14 ist ebenso wie der Werkzeug-Aufnahmekasten 18 senkrecht zur Verschiebeachse von Führungstisch 12 bzw. 16 verschiebbar.
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Im Werkstückschlitten 14, bei dem es sich um einen Spindelschlitten handeln kann, ist ein prismatisches, beispielsweise kreiszylindrisches bzw. stabförmiges Werkstück mit kreiszylindrischer Formgebung eingespannt, sodass es mit einer Auskraglänge LA vom Werkstückschlitten 14 vorsteht. Die Achse des Werkstücks 20 ist mit 22 bezeichnet.
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Der Werkzeugaufnahmekasten 18 ist mit einer Werkzeugaufnahme 24 bestückt, in der ein mit 26 bezeichnetes Werkzeug, wie zum Beispiel ein Bohrwerkzeug, einspannt ist. Mit gestrichelten Linien ist der Spannkonus 28 bezeichnet.
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Die Anordnung ist derart getroffen, dass die mit 30 bezeichnete Spannachse, welche mit der Achse 32 des Werkzeugs 26 zusammenfällt, in Fluchtung mit der Achse 22 des Werkstücks gebracht werden kann. In dieser Lagezuordnung kann mit dem Werkzeug 26 eine achszentrierte Innenbearbeitung des Werkstücks 20 in Form des zylindrischen Stabes vorgenommen werden. Es soll dabei hervorgehoben werden, dass bei dieser Bearbeitung entweder das Werkstück 20 oder das Werkzeug 26 drehangetrieben ist.
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In vielen Fällen stellt sich das Bearbeitungsproblem derart, dass das Werkstück in einer Aufspannung sequentiell mit verschiedensten Werkzeugen achszentriert bearbeitet werden muss. Diese Situation ist in 2 schematisch dargestellt.
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Das Werkstück 20 ist mit einer freien Auskraglänge LA im Werkstückschlitten 14 aufgenommen, wobei auch diese Aufnahme in einer Spindel vorgesehen sein kann. Zur Bearbeitung der Innen- und Außenkontur (wie mit strichpunktierten Linien angedeutet) kommen drei verschiedene Werkzeuge zum Einsatz, die jeweils in einer Werkzeugaufnahme 24-1 bis 24-3 gespannt sind. Diese Werkzeugaufnahmen werden vorzugsweise vorgerüstet in einem Werkzeugmagazin gespeichert, sodass die computergesteuert in den Werkzeug-Aufnahmekasten eingesetzt und aus diesem genommen werden können.
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Die Werkzeugaufnahmen 24-1 bis 24-3 gemäß 2 sind von Spannzangenaufnahmen gebildet, über deren Spannzange 34 das betreffende Werkzeug 26-1 bis 26-3 gespannt wird. Bei dem Werkzeug 26-1 handelt es sich um ein Bohrwerkzeug, mit dem eine zentrische Innenbohrung 38 herstellbar ist.
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Mit dem Werkzeug 26-2, welches als Drehmeissel ausgebildet ist, kann eine Außeneindrehung 40 bearbeitet werden. Mit dem Werkzeug 26-3 schließlich, kann die Bohrung im Bereich 42 ausgebohrt werden.
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Die Darstellung gemäß 2 ist schematisch. Selbstverständlich sind oftmals wesentlich mehr Werkzeuge sequentiell im Einsatz. Allen Bearbeitungsstufen und allerdings gemeinsam, dass sie der Außen- und/oder Innenbearbeitung von konzentrisch zueinander liegenden Bearbeitungsflächen dienen.
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Bei den vorstehend beschriebenen Bearbeitungssituationen besteht das Problem, dass mit zunehmender Auskraglänge LA die Bearbeitungsgenauigkeit schlechter wird. Man kann dieser Problematik zwar dadurch entgegenwirken, dass beispielsweise vor dem Einsatz des Bohrwerkzeugs 26-1 ein Zentrierbohrer zur Anwendung kommt. Insbesondere bei sehr dünnen Werkstücken, also bei der Bearbeitung von verhältnismäßig dünnem Stangenmaterial wird es immer schwerer, enge Toleranzen der Bearbeitungsflächen 38, 40 und 42 einzuhalten. Zwar gelingt es durch Beschränkung der Schnittkräfte, insbesondere der radialen Schnittkräfte, diesem Problem in gewisser Weise entgegenzuwirken. Diese Maßnahme geht allerdings zu Lasten der Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeughalter der eingangs beschriebenen Art in der Weise weiter zu bilden, dass selbst besonders schlanke und relativ weit auskragende prismatische Werkstücke mit großer Präzision und wirtschaftlich achszentriert, vorzugsweise spanabhebend, bearbeitet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird der Werkzeughalter mit einem an die Werkzeugaufnahme ansetzbaren Führungskörper ausgestattet, der in einem vorbestimmten Axialabstand zur Stirnseite der Werkzeugaufnahme eine Führungsbüchse hat, die so positioniert ist und eine solche Formgebung hat, dass sie das zu bearbeitende Werkstück formschlüssig, zentriert, drehbar und axial verschiebbar aufnimmt. Auf diese Weise können die in der Werkzeugaufnahme eingespannten Werkzeuge die Bearbeitung des prismatischen Werkstücks mit wesentlich größerer Genauigkeit vornehmen, und zwar selbst dann, wenn die Auskraglänge LA des Werkstücks größer und der Querschnitt des prismatischen Werkstücks kleiner wird. Über die axiale Länge der Führungsbüchse lässt sich der stabilisierende Effekt des Führungskörpers zusätzlich steuern, sodass auch Außenbearbeitungen des prismatischen Werkstücks, das heißt spanabhebende Bearbeitungen mit verhältnismäßig großen Radialkräften wirtschaftlich und mit stark verbesserter Genauigkeit durchgeführt werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Wenn die Führungsbüchse im Führungskörper drehbar gelagert ist, ergibt sich der besondere Vorteil, dass die Führungsbüchse das prismatische Werkstück spielfrei aufnehmen kann.
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Die Weiterbildung des Anspruchs 3 hat den besonderen Vorteil, dass für den Führungskörper verhältnismäßig wenig Material benötigt wird, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn der Werkzeughalter an drehangetriebenen Werkzeugaufnahmen zum Einsatz kommt. Dabei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass auf diese Weise der Führungskörper über einen weiten Umfangsbereich radial nach außen offen bleibt, wodurch die bei der Bearbeitung entstehenden Späne problemlos abgeführt werden können.
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Wenn die im Wesentlichen achsparallelen Schenkel des U-förmigen Führungsbügels gemäß Anspruch 5 auf der der Werkzeugaufnahme zugewandten Seite zu einem umlaufenden Materialring versteift sind, wird die Positionsgenauigkeit der Führungsbüchse zusätzlich verbessert, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit weiter angehoben wird.
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Grundsätzlich kann der Führungskörper verschiebbar und auch drehbar an der Werkzeugaufnahme angesetzt sein. Die Weiterbildung des Anspruchs 6 hat den besonderen Vorteil des Führungskörpers in Verbindung mit einer Werkzeugaufnahme nach dem Spannzangenprinzip. In diesem Fall ist es zur Umgestaltung einer herkömmlichen Spannzangenaufnahme lediglich erforderlich, die Spannmutter zu modifizieren.
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Eine besonders einfache Modifikation einer herkömmlichen Spannzangenaufnahme zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeughalters ist Gegenstand des Anspruchs 7. In diesem Fall ist es lediglich erforderlich, die Spannmutter einer herkömmlichen Spannzangenaufnahme an zwei diametralen Stellen mit einer Anschlussfläche für die lösbare Befestigung des Führungskörpers auszustatten.
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Wenn die Führungsbüchse gemäß Anspruch 8 auf Spielpassung mit dem zu bearbeitenden prismatischen Werkstück bearbeitet ist, können für die Führungsbüchse alle Materialien, insbesondere alle Materialien mit Nutlaufeigenschaften, wie zum Beispiel Messing oder dergleichen, verwendet werden.
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Die Weiterbildung des Anspruchs 9 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Führungsbüchse aus einem elastisch verformbaren Material, wie zum Beispiel aus Kunststoff hergestellt ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Bearbeitungssituation zur achszentrierten Innenbearbeitung eines prismatischen Werkstücks;
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2 eine schematische Darstellung einer modifizierten Bearbeitungssituation für die achszentrierte Außen- und Innenbearbeitung eines prismatischen Werkstücks mit Hilfe einer Vielzahl von vormontierten Werkzeugaufnahmen, die unter Zuhilfenahme eines Werkzeugmagazins programmgesteuert seriell zum Einsatz kommen;
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3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeughalters;
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4 die Ansicht gemäß „IV“ in 3;
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5 eine perspektivische Ansicht eines Führungskörpers des erfindungsgemäßen Werkzeugshalters;
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6 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß umgestalteten Spannmutter einer Werkzeugaufnahme; und
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7 eine perspektivische Ansicht eines Montagedeckels für einen erfindungsgemäß ausgestalteten Führungskörper.
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In 3 ist zur Vereinfachung der Darstellung von der Werkzeugaufnahme 24 nur das vordere Teil, das heißt die Spannzangenaufnahme dargestellt, in der die Segmente einer so genannten ER-Spannzange 34 aufgenommen sind. Mit dem Bezugszeichen 36 ist die Spannmutter bezeichnet, die zum einen die Spannzange 34 in Position hält und zum anderen dafür sorgt, dass die Spannsegmente beim Aufschrauben der Spannmutter 36 auf die Spannzangenaufnahme 24 radial nach innen wandern und damit das mit 26 bezeichnete Werkzeug spannen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug 26 beispielsweise ein Bohrwerkzeug zur Herstellung einer zentrischen Innenbohrung 38 in einem kreisstabförmigen Werkstück 20 mit der Achse 22.
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Die Spannmutter 36 hat – wie sich am besten aus der 6 ergibt – diametral einander entgegengesetzt zwei Montageflächen 50, über die ein mit 52 bezeichneter Führungskörper konzentrisch zur Achse 30 der Werkzeugaufnahme 24 angesetzt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Führungskörper lösbar, axial- und drehfest mit der Spannmutter über die Montageflächen 50 unter Zuhilfenahme von Spannschrauben 54 verbindbar.
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Der Führungskörper 52 ist von einem im Wesentlichen U-förmigen Führungsbügel gebildet, der zwei im Wesentlichen achsparallele Schenkel 56, 58 hat und einen diese Schenkel 56, 58 diametral verbindenden, im Zentrum etwas verbreiterten Steg 60, der mit einer zentrischen Ausnehmung 62 zur konzentrischen Montage einer in 3 dargestellten Führungsbüchse 64 ausgestattet ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 ist die Führungsbüchse 64 von einem hohlzylindrischen Körper mit einer kreiszylindrischen Innenausnehmung und einem Montagebund 66 gebildet. Die kreiszylindrische Innenausnehmung 68 hat auf der Werkzeug-Aufnahme 24 abgewandten Seite eine Einlaufschräge 70, sie ist ansonsten auf möglichst enge Spielpassung mit dem Außendurchmesser D 20 des kreisstabförmigen Werkstücks 20 gefertigt.
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Darüber hinaus ist die Führungsbüchse 64 über ein Wälzlager, genauer gesagt ein Rollenlager 72 im Steg 60 des bügelartig ausgebildeten Führungskörpers 52 aufgenommen. Zu diesem Zweck fixiert ein Montagedeckel 74 die Führungsbüchse 64, indem er den Montagebund 66 gegen den Innenring 76 des Wälzlagers 72 drückt, das sich mit seinem Außenring 78 an einer Schulter 80 der zentrischen Ausnehmung 62 abstützt. Mit dem Bezugszeichen 82 sind Befestigungsschrauben für den Montagedeckel 74 bezeichnet.
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Um dem bügelartig ausgebildeten Führungskörper 52 mehr Stabilität zu geben, sind die im Wesentlichen achsparallel zueinander verlaufenden Schenkel 56, 58 auf der der Werkzeugaufnahme 24 zugewandten Seite über diametral zueinander liegende Materialringsegmente 84 versteift, sodass der Führungskörper 52 in diesem Bereich umlaufend geschlossen ist.
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Wenn der unter Bezug auf die 3 bis 6 beschriebene Führungskörper an der erfindungsgemäß umgestalteten Spannmutter 36 montiert ist, ist die Führungsbüchse 64 konzentrisch zur Achse 30 ausgerichtet, sodass dann, wenn die Werkzeugmaschine in der Weise eingestellt ist, dass die Achse 30 der Werkzeugaufnahme 24 mit der Spannachse bzw. mit der Achse 22 des Werkstücks 20 zusammenfällt, eine zusätzliche Radialführung für das auskragende Ende des Werkstücks 20 bereitgestellt ist. Über den axialen Abstand AA (siehe 3) Führungsbüchse 64 von der Stirnseite 24S der Werkzeugaufnahme 24 und gegebenenfalls über die axiale Länge LAX der Führungsbüchse 64 lässt sich die Stabilisierungswirkung des erfindungsgemäßen Werkzeughalters zusätzlich steuern.
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Dadurch, dass zwischen Führungsbüchse 64 und Führungskörper 52 ein Lager, d.h. ein Wälzlager geschaltet ist, ist es nicht unbedingt erforderlich, die Innenausnehmung 68 auf Spielpassung mit dem Werkstück 20 zu fertigen. Es ist auch möglich, das Werkstück spielfrei in der Führungsbüchse 64 zu fixieren, sodass die Relativ-Drehbewegung zwischen Führungskörper 52 und Werkstück 20 über das Wälzlager 72 aufgenommen wird.
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Eine radial spielfreie Führung des Werkstücks 22 in der Führungsbüchse 64 kann auf einfach Weise dadurch bereitgestellt werden, dass die Führungsbüchse 64 aus einem vorzugsweise verschleißfesten und thermisch stabilen Kunststoff gefertigt wird, dessen elastische Nachgiebigkeit zur spielfreien Aufnahme in der Führungsbüchse genutzt wird.
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In 7 ist der Montagedeckel 74 mit einer schematisch dargestellt modifizierten Ausgestaltung einer Führungsbüchse 164 dargestellt. Man erkennt, dass die Führungsbüchse 164 eine Innenausnehmung 168 hat, die einen Quadratquerschnitt aufweist. In diesem Fall kann ein prismatisches Werkstück mit entsprechendem Quadratquerschnitt achszentriert einer Außen- und/oder Innenbearbeitung durch Werkzeuge unterzogen werden, die in erfindungsgemäß ausgestatteten Werkzeughaltern gespannt sind.
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Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Werkzeughalter können Werkstücke mit Bearbeitungsoberflächen 38, 40, 42 gemäß der in 2 schematisch dargestellten Bearbeitungssituation bearbeitet werden. Hierzu werden die einzelnen Werkzeugaufnahmen 24-1 bis 24-3 jeweils mit Führungskörpern 52 gemäß 3 bis 6 ausgestattet. Zunächst wird dann die Innenbohrung 38 gefertigt. Anschließend wird mit der Werkzeugaufnahme 24-3 und dem Werkzeug 26-3 die Innenausnehmung 42 bearbeitet. Schließlich erfolgt mit der Werkzeugaufnahme 24-2 und dem Werkzeug 26-2 die Außenbearbeitung der Fläche 40. In allen drei Arbeitsgängen – es können auch beliebig mehr Arbeitsgänge unter Zuhilfenahme weiterer erfindungsgemäß ausgestatteter Werkzeughalter zum Einsatz kommen – wird das Werkstück 20 durch die Führungsbüchse 64 zusätzlich stabilisiert, sodass sich die Auskraglänge LA nicht mehr negativ auf die Fertigungs- bzw. Bearbeitungsgenauigkeit auswirkt.
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Selbstverständlich sind Abweichungen vom gezeigten Ausführungsbeispiel möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
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Anstelle des Wälzlagers kann auch ein Gleitlager verwendet werden.
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Es können auch alle herkömmlichen Werkzeug-Aufnahmen mit dem erfindungsgemäßen Führungskörper mit Führungsbüchse ausgestattet werden. Auch das Innenprofil der Führungsbüchse ist in weiten Grenzen variabel, solange eine achszentrierte Außen- und/oder Innenbearbeitung des Werkstücks ermöglicht ist.
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Es können auch selbstverständlich andere Werkzeuge als in 2 dargestellt zum Einsatz kommen. In manchen Fällen kann es von Vorteil sein, zunächst das Werkzeug in Spannfutter unter Zuhilfenahme der Spannmutter 36 zu spannen und anschließend erst den Führungskörper 52 auf der Spannmutter 36 zu montieren.
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Bei großvolumigen Werkzeugen kann es darüber hinaus von Vorteil sein, die Schenkel 56, 58 des bügelartigen Führungskörpers 52 nach außen auszuwölben.
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Für die Herstellung des Führungskörpers 52 bieten sich verschiedene Herstellungsmethoden an, eine sehr einfache Herstellung ergibt sich dann, wenn die Schenkel 56, 58 und der Steg 60 auch einem entsprechend gestanzten Flachmaterial gebogen werden, woraufhin die Materialringsegmente 84 mit den Schenkeln 56, 58 verschweißt werden.
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Der erfindungsgemäße Werkzeughalter ist gleichermaßen für stehende Werkzeuge wie für drehangetriebene Werkzeuge verwendbar, auch für Werkzeuge für die nicht-spanabhebende Bearbeitung..
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Die Erfindung schafft somit einen Werkzeughalter für Werkzeuge zur achszentrierten Außen- und/oder Innenbearbeitung von prismatischen Werkstücken. Er ist mit einer Werkzeugaufnahme zur zentrischen Einspannung eines Werkzeugs ausgestattet, sowie mit einem an die Werkzeugaufnahme ansetzbaren Führungskörper, der im Axialabstand zur Stirnseite der Werkzeugaufnahme eine Führungsbüchse aufnimmt. Die Führungsbüchse ist so ausgebildet, dass sie das zu bearbeitende Werkstück zentriert und formschlüssig, drehbar und axial verschiebbar aufnimmt.
