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Die Erfindung betrifft ein Räumwerkzeug zur Herstellung von Nuten in einem Werkstück. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Nuten in einem Werkstück durch Räumen, die ein derartiges Räumwerkzeug umfasst.
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Das Räumen ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem ein mehrschneidiges Werkzeug zur Herstellung von Profilen, wie etwa Nuten zum Einsatz kommt. Ein für das Räumen geeignetes Werkzeug – auch Räumnadel genannt – weist in der Regel einen langgestreckten Grundkörper auf, an dem mehrere unterschiedlich ausgestaltete Schneidelemente hintereinander liegend angeordnet sind.
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Zur Herstellung einer Nut in einem Werkstück werden die Schneidelemente des Räumwerkezugs nacheinander in Eingriff mit einem zu bearbeitenden Bereich des Werkstückes gebracht, um Material spanend abzutragen. Dabei wird der abzuspanende Werkstoff in einem Hub, der ziehend oder schiebend ausgeführt werden kann, von dem Werkzeug abgenommen. Hierfür wird das Räumwerkzeug in einer translatorischen Schnittbewegung relativ zu dem Werkstück bewegt. Bei den Werkstücken, die unter Anwendung des Räumverfahrens bearbeitet werden, kann es sich beispielsweise um Werkstücke aus dem Turbinenbauteilbereich, wie etwa Radscheiben oder dergleichen handeln.
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Das Räumverfahren hat sich in diversen Bereichen bewährt, da es sich durch eine hohe Wiederholgenauigkeit und eine hohe Wirtschaftlichkeit, insbesondere bei der Fertigung großer Stückzahlen auszeichnet.
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Es wird jedoch teilweise als nachteilig erachtet, dass die bekannten Räumwerkzeuge ausschließlich geeignet sind, um gerade Nuten in Werkstücke einzubringen. In diversen Bereichen besteht auch Bedarf an gekrümmten Nuten, zum Beispiel an Nuten, die kreisbogenförmig ausgestaltet sind. Daher werden andere Verfahren benötigt, um gekrümmte Nuten mit verschiedenen Konturen sowie unterschiedlichen Krümmungs- radien herstellen zu können.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, gekrümmte Nuten durch Fräsen herzustellen. Das Fräsen hat jedoch diverse Nachteile. Es zeichnet sich durch vergleichsweise hohe Bearbeitungszeiten, einen vergleichsweise hohen Werkzeugverschleiß, eine nicht immer zufriedenstellende Wiederholgenauigkeit sowie resultierende Oberflächengüte, einen vergleichsweise erhöhten Programmieraufwand und nicht unbeachtliche Kosten bei der Herstellung hoher Stückzahlen aus. Insbesondere in Anbetracht der Tatsache, dass die Oberflächengüte nicht immer ausreicht, kommt das Fräsen für diverse Anwendungsbereiche nicht in Frage.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Räumwerkzeug der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass es die Herstellung gekrümmter Nuten ermöglicht. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung angegeben werden, mit der gekrümmte Nuten durch Räumen hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Räumwerkzeug zur Herstellung von Nuten in einem Werkstück, umfassend einen Grundkörper mit einer Rotationsachse, an dem mehrere Schneidelemente mit wenigstens zwei unterschiedlichen, insbesondere mehreren unterschiedlichen Schneidquerschnitten entlang des Umfangs eines zu der Rotationsachse konzentrischen Schneidkreises derart hintereinanderliegend angeordnet sind, dass infolge einer Drehbewegung des Grundkörpers um die Rotationsachse in eine vorgegebene Drehrichtung mit den Schneidelementen durch Räumen gekrümmte Nuten, deren Krümmungsradius dem Radius des Schneidkreises entspricht, in ein Werkstück einbringbar sind.
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Die Grundidee der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, Schneidelemente an einem als Träger dienenden Grundkörper entlang des Umfangs eines Kreises, dem Schneidkreis, anzuordnen und zwar derart, dass sie in der Art der bekannten linearen Räumwerkzeuge – jedoch entlang einer gekrümmten Bahn – nacheinander in Eingriff mit einem zu bearbeitenden Bereich eines Werkstückes bringbar sind, um gekrümmte Nuten durch Räumen herzustellen. Von den erfindungsgemäß entlang des Schneidkreises angeordneten Schneidelementen wird sozusagen ein gekrümmtes Räumwerkzeug, beispielsweise ein Werkzeug in der Art einer gekrümmten Räumnadel, definiert.
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Der Grundkörper des Räumwerkzeuges ist erfindungsgemäß rotierbar gelagert, so dass die Schneidelemente während des Räumvorganges nicht, wie im Stand der Technik, durch eine translatorische Schneidbewegung, sondern infolge einer Rotationsbewegung des Grundkörpers nacheinander in Eingriff mit dem zu bearbeitenden Werkstück gebracht werden. Dabei können beliebige Drehgeschwindigkeiten des Grundkörpers realisiert werden, um unterschiedlichen Prozessanforderungen zu genügen.
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Die bei dem erfindungsgemäßen Räumwerkzeug zum Einsatz kommenden Schneidelemente sind derart ausgestaltet und an dem Grundkörper angeordnet, dass mit diesen gekrümmte Nuten in das Werkstück geräumt werden können, indem sie durch eine Rotation des Grundkörpers nacheinander in Eingriff mit dem zu bearbeitenden Werkstück gebracht werden. Die Schneidelemente können hierzu prinzipiell beliebige Formen aufweisen. Wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten linearen Räumwerkzeugen weisen die Schneidelemente hierfür konkret wenigstens eine, insbesondere mehrere Schneidkanten auf, die derart ausgestaltet und orientiert sind, dass mittels dieser Material abgetragen werden kann, wenn die Schneidelemente durch den zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks gezogen bzw. geschoben werden, was erfindungsgemäß durch eine Rotationsbewegung des Grundkörpers bewirkt wird.
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Die an dem Grundkörper vorgesehen Schneidelemente weisen erfindungsgemäß unterschiedliche Schneidquerschnitte auf. Konkret haben die an dem Grundkörper hintereinanderliegend angeordneten Schneidelemente wenigstens zwei, insbesondere mehrere unterschiedliche Schneidquerschnitte. Die Schneidquerschnitte weisen insbesondere unterschiedliche Größen auf, was ebenfalls analog zu den aus dem Stand der Technik bekannten linearen Räumwerkzeugen ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die Breite und/oder die Höhe des Schneidquerschnitts der Schneidelemente entlang des Schneidkreises gestaffelt ist und entgegen der Drehrichtung zunimmt. Schneidzähne mit gestaffelten Querschnitten kommen auch bei den linearen Räumwerkzeugen gemäß dem Stand der Technik zum Einsatz. Die Staffelung ermöglicht es insbesondere, dass im Rahmen des Bearbeitungsprozesses eine translatorische Zustellbewegung des Werkstückes und/oder des Werkzeuges entfallen kann. Zweckmäßiger Weise sind die Schneidelemente derart gestaffelt, dass die Breite und/oder Höhe des Schneidquerschnittes entgegen der Drehrichtung kontinuierlich zunimmt, also bei einer Rotation des Grundkörpers in die vorgegebene Drehrichtung nacheinander Schneidelemente mit größer werdendem Querschnitt in Eingriff mit dem zu bearbeiteten Werkstück gebracht werden. Alternativ können auch zwei oder mehr Schneidelemente gleichen Querschnitts an dem Grundkörper des Räumwerkzeugs vorgesehen sein, die dann unmittelbar hintereinander angeordnet sind.
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Die konkrete Form der Schneidquerschnitte der erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Schneidelemente wird ferner entsprechend der gewünschten Form des Querschnitts der herzustellenden gekrümmten Nuten gewählt.
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Die Schneidelemente können darüber hinaus beispielsweise entlang des Schneidkreises in äquidistantem Abstand zueinander angeordnet sein. Alternativ kann der Abstand zwischen jeweils zwei Schneidelementen auch variieren.
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Der Krümmungsradius der erfindungsgemäß herstellbaren Nuten entspricht dem Radius des Kreises, auf welchem die Schneidelemente an dem Grundkörper angeordnet sind, also dem Radius des Schneidkreises. Die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges herstellbaren Nuten weisen, da die Schneidelemente entlang einer Kreisbahn durch das Werkstück gezogen bzw. geschoben werden, die Form eines Kreisbogens auf.
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Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges wird es möglich, gekrümmte Nuten durch Räumen herzustellen, wobei besonders hohe Prozessanforderungen erfüllt werden können. Insbesondere können hohe Schnitt- und somit Fertigungsgeschwindigkeiten erzielt und infolge dessen hohe Stückzahlen in vergleichsweise geringer Zeit gefertigt werden. Produktionskosten werden hierdurch in beachtlichem Maße gesenkt. Eine erhöhte Schnittgeschwindigkeit ist besonders vorteilhaft, da mit geringen Schnittkräften Schwingungen und Oberflächenmarken vermieden werden können. Auch kann im Vergleich zum Fräsen eine hohe Wiederholgenauigkeit und Güte erreicht werden. Die Qualität der erfindungsgemäß geräumten Nuten ist daher hoch.
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Die erfindungsgemäß gefertigten Nuten zeichnen sich ferner insbesondere infolge ihrer gekrümmten Form, durch welche sie länger sind, als es eine gerade Nut in einem Bauteil gleicher Dicke wäre, durch eine hohe Tragfähigkeit aus.
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Ein weiterer Vorteil der Räumwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass diese eine hohe Flexibilität ermöglichen. Es können Räumwerkzeuge mit Schneidkreisen beliebiger Radien und beliebigen Profilen der Schneidelemente zum Einsatz kommen und somit gekrümmte Nuten mit beliebigen Krümmungsradien und beliebigem Querschnitt auf einfache Weise hergestellt werden. Für eine hohe Flexibilität des Bearbeitungsvorganges steht beispielsweise ein Werkzeugsatz bereit, der eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Räumwerkzeugen mit Schneidkreisen mit verschieden großer Radien sowie mit Schneidelementen unterschiedlicher Querschnitte umfasst.
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Es ist erfindungsgemäß auch möglich, mit einem Räumwerkzeug Nuten verschiedener Größe herzustellen, indem der Grundkörper gezielt nur so weit in die vorgegebene Drehrichtung rotiert wird, bis das Schneidelement gewünschter Größe in Eingriff mit dem Werkstück gebracht wurde. Die noch nicht in Eingriff gebrachten, größeren Schneidelemente können auf diese Weise gezielt ausgelassen werden.
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Für die Erzeugung gekrümmter Nuten in Bauteilen aus dem Turbinenbereich, beispielsweise in Dampfturbinenläufern oder Gasturbinenläufern, die insbesondere zum Tragen von Laufschaufeln zum Einsatz kommen, ist das erfindungsgemäße Räumwerkzeug beispielsweise hervorragend geeignet.
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Schließlich können mit dem erfindungsgemäßen Räumwerkzeug Nuten hergestellt werden, die weiter innen liegend einen größeren Durchmesser aufweisen als nahe der Werkstückoberfläche. Dies ist unter Anwendung des Fräsens, bei dem eine translatorische Zustellbewegung auf das Werkstück mit einer rotatorischen Bewegung des Werkzeugs kombiniert wird, in der Regel nicht möglich.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges zeichnet sich dadurch aus, dass der Grundkörper die Form einer insbesondere planen Kreisscheibe aufweist, deren Mittelachse die Rotationsachse definiert, und die Schneidelemente auf einer Stirnseite des Grundkörpers angeordnet sind. Ein Grundkörper in Form einer insbesondere planen Kreisscheibe eignet sich gut als rotierbarer Träger für die entlang des Schneidkreises an diesem angeordneten Schneidelemente.
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Alternativ kann der Grundkörper die Form eines insbesondere offenen Kreisrings aufweisen, dessen Mittelachse die Rotationsachse definiert, und die Schneidelemente können auf einer Stirnseite des Grundkörpers angeordnet sein. Ein geschlossener oder offener Kreisring stellt eine geeignete Alternative zu einer insbesondere planen Kreisscheibe als rotierbaren Träger für die Schneidelemente dar. Der Kreisring hat u.a. den Vorteil, dass er gegenüber einer Scheibe gleichen Durchmessers weniger Material aufweist und somit leichter ist.
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Eine Anordnung der Schneidelemente auf der Stirnseite der planen Kreisscheibe bzw. des offenen Kreisringes erlaubt es dabei in zweckmäßiger Weise, die Schneidelemente durch eine Rotation des Grundkörpers nacheinander in Eingriff mit einem zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks zu bringen – beispielsweise, indem die Schneidelemente analog zu einem lineare Räumwerkzeug nacheinander von oben oder von der Seite in das Werkstück eingetrieben werden, jedoch erfindungsgemäß entlang einer gekrümmten Bahn. Die an der Stirnseite des Grundkörpers angeordneten Schneidelemente ragen insbesondere zumindest im Wesentlichen lotrecht von der Stirnseite ab.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges sind mehrere mit dem ringförmigen Grundkörper in reibschlüssiger Verbindung stehende rotierbar gelagerte Führungsrollen vorgesehen. Der Einsatz von Führungsrollen stellt eine Möglichkeit dar, um den Grundkörper um die Rotationsachse drehbar zu lagern.
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Ist der Grundkörper als Kreisring ausgebildet, kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass die Führungsrollen eine Gruppe von inneren Führungsrollen, die entlang des Innenumfangs des kreisringförmigen Grundkörpers angeordnet sind, und eine Gruppe von äußeren Führungsrollen, die entlang des Außenumfangs des kreisringförmigen Grundkörpers angeordnet sind, umfassen. Diese Ausgestaltung des Räumwerkzeugs kann insbesondere in einer Vorrichtung zum Räumen zum Einsatz kommen, die das erfindungsgemäße Analogon zu einer konventionellen Vertikalräummaschine darstellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Räumwerkzeug können darüber hinaus Antriebsmittel vorgesehen sein, die ausgebildet sind, um eine Drehbewegung des Grundkörpers um die Rotationsachse zu bewirken.
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Ist dabei eine Mehrzahl von rotierbar gelagerten Führungsrollen vorgesehen, die in reibschlüssiger Verbindung mit dem Grundkörper stehen, so können die Antriebsmittel insbesondere wenigstens ein Antriebselement umfassen, welches einer Führungsrolle zugeordnet und ausgebildet ist, um eine Drehbewegung der Führungsrolle zu bewirken. Diese Ausführungsform hat sich als geeignet erwiesen, um den rotierbar gelagerten Grundkörper antreiben zu können, wobei der Antrieb hier über eine oder auch mehrere der Führungsrollen erfolgt, die ihrerseits über die Antriebsmittel in Drehung versetzt werden. Alternativ dazu können die Antriebsmittel dem ringförmigen Grundkörper zugeordnet sein, der unmittelbar angetrieben wird und die Führungsrollen dienen dann nur der Lagerung und Führung des Grundkörpers.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges zeichnet sich dadurch aus, dass das bei einer Drehung des Grundkörpers in die vorgegebene Drehrichtung zuerst mit einem Werkstück in Eingriff kommenden und das zuletzt mit einem Werkstück in Eingriff kommende Schneidelement, so weit voneinander beabstandet angeordnet sind, dass ein zu bearbeitender Bereich des Werkstücks, in welchem eine gekrümmte Nut herzustellen ist, zwischen dem ersten und dem letzten Schneidelemente positionierbar ist. Diese Ausgestaltung gewährleistet, dass der zu bearbeitende Bereich eines Werkstücks, insbesondere ein innerer oder äußerer Umfangsbereich eines solchen, zwischen zwei Schneidelementen des Räumwerkzeugs positioniert und somit sozusagen in das Räumwerkzeug eingefädelt werden kann. Befindet sich der zu bearbeitende Bereich des Werkstückes zwischen zwei entlang des Schneidkreises angeordneten Schneidelementen, können diese auf einfache Weise durch eine Drehbewegung des Grundkörpers nacheinander durch den zu bearbeitenden Bereich des Werkstückes gezogen bzw. geschoben werden.
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Es kann dabei ferner vorgesehen sein, dass die Schneidelemente entlang eines Kreisbogens des Schneidkreises, insbesondere entlang eines Kreisbogens mit einem Mittelpunktswinkel von kleiner gleich 270° und bevorzugt kleiner gleich 240° angeordnet sind. Die Anordnung entlang eines Kreisbogens des Schneidkreises mit den vorgenannten Mittelpunktswinkeln hat sich als besonders geeignet erwiesen, um ausreichend Platz für Werkstücke unterschiedlicher Ausgestaltung zu schaffen und diese so in einem Bereich zwischen zwei Schneidelementen, insbesondere zwischen dem ersten und dem letzten Schneidelement des Räumwerkzeuges, zu positionieren.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgeschlagen, dass die Schneidelemente in mindestens zwei, bevorzugt drei Gruppen mit Schneidquerschnitten unterschiedlicher Grundform unterteilt sind, wobei insbesondere die Schneidelemente einer Gruppe hintereinanderliegend entlang des Schneidkreises angeordnet sind. Das Räumwerkzeug weist in diesem Falle – analog zu einem konventionellen linearen Räumwerkzeug – mehrere Gruppen von Schneidelementen auf, die insbesondere unterschiedlichen Bearbeitungszwecken dienen. Beispielsweise können weiter vorne Schneidelemente angeordnet sein, durch welche eine Grobbearbeitung, beispielsweise ein Schruppen des Werkstücks erfolgt, und weiter hinten liegend Schneidelemente, durch welche eine Feinbearbeitung, beispielsweise ein Schlichten des Werkstücks möglich ist. Infolge einer Rotation des Grundkörpers werden dann erst die grobbearbeitenden Schneidelemente und dann die feinbearbeitenden Schneidelemente in Eingriff mit dem Werkstück gebracht, wie es auch bei den bekannten linearen Räumwerkzeugen der Fall sein kann.
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Die Schneidelemente können ferner als integraler Bestandteil einer Räumnadel gekrümmter Form ausgebildet sein, die sich an dem Grundkörper entlang des Schneidkreises erstreckt und die gekrümmte Räumnadel kann insbesondere die Form eines offenen Kreisringes aufweisen. Gemäß dieser Ausgestaltung wird von der Mehrzahl der Schneidelemente eine gekrümmte Räumnadel definiert, was eine geeignete konstruktive Umsetzungsmöglichkeit für die erfindungsgemäße Anordnung der Schneidelemente entlang eines Kreises darstellt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges sind ferner die Schneidelemente an dem Grundkörper radial zu der Rotationsachse verstellbar gehalten und insbesondere in vorgegebene radiale Positionen arretierbar. Hierdurch wird es möglich, mit einem Räumwerkzeug Nuten mit unterschiedlich großen Krümmungsradien in Werkstücke einzubringen. Die Schneidelemente werden hierfür, indem sie in radialer Richtung zu der Rotationsachse hin- oder von dieser wegbewegt werden, alle an eine Position gebracht, in der sie von der Rotationsachse einen vorgegebenen radialen Abstand aufweisen, welcher dem gewünschten Krümmungsradius der erfindungsgemäß herzustellenden Nuten entspricht.
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Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass an dem Grundkörper für jedes Schneidelement eine radial zu der Rotationsachse ausgerichtete Zustellschiene vorgesehen ist, über welche das jeweilige Schneidelement an dem Grundkörper radial verstellbar gehalten ist. Die radiale Verstellbarkeit der Schneidelemente ist gemäß dieser Ausführungsform konstruktiv durch eine Zustellschiene umgesetzt, entlang derer das jeweilige Schneidelement verstellbar gehalten ist.
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Um eine besonders komfortable radiale Verstellbarkeit der Schneidelemente zu erzielen kann ferner vorgesehen sein, dass jedem Schneidelement ein Linearantrieb zugeordnet ist, der ausgebildet ist, um die Schneidelemente entlang der Zustellschienen linear zu verstellen. Der Linearantrieb umfasst zweckmäßiger Weise einen Motor, mittels dem die Schneidelemente motorisiert radial verstellt werden können.
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Die zweite der vorgenannten Aufgaben wird gemäß der vorliegenden Erfindung ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Nuten in einem Werkstück durch Räumen, umfassend
- • ein Gestell,
- • ein Räumwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Grundkörper an dem Gestell um die Rotationsachse drehbar gelagert ist, insbesondere derart, dass die Rotationsachse horizontal orientiert ist,
- • Antriebsmittel, die ausgebildet sind, um eine Drehbewegung des Grundkörpers um die Rotationsachse zu bewirken, und
- • wenigstens einen Werkstückträger,
wobei der Werkstückträger und das Räumwerkzeug insbesondere in Richtung der Rotationsachse relativ zueinander bewegbar gehalten sind, so dass die Schneidelemente des Räumwerkzeugs in Eingriff mit einem zu bearbeitenden Bereich eines an dem Werkstückträger positionierten Werkstücks bringbar sind, um durch Räumen gekrümmte, insbesondere teilkreisförmige Nuten in das Werkstück einzubringen, deren Radius dem Radius des Schneidkreises entspricht.
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Eine erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung hat sich als geeignet erwiesen, um in einem Werkstück gekrümmte Nuten unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges herzustellen. Die relative Bewegbarkeit von Werkstückträger und Räumwerkzeug insbesondere in Richtung der Rotationsachse ermöglicht es dabei, dass ein von dem Werkstückträger getragenes Werkstück derart durch eine translatorische Bewegung relativ zu den Schneidelementen an dem Grundkörper des Räumwerkzeugs positioniert werden kann, dass diese nach der Positionierung durch Rotation des Grundkörpers in die vorgegebene Drehrichtung nacheinander in Eingriff mit einem zu bearbeitenden Bereich des Werkstückes gebracht werden, um in einem Arbeitsgang oder Hub eine Nut durch Räumen herzustellen.
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Damit das Werkstück durch eine Relativbewegung des Werkstückträgers auf geeignete Weise relativ zu den Schneidelementen positioniert werden kann, weisen insbesondere wenigstens zwei der Schneidelemente entlang des Schneidkreises einen Abstand auf, der es ermöglicht, das Werkstück zwischen ihnen anzuordnen. Bei den beiden Schneidelementen, die auf diese Weise beabstandet sind, handelt es sich zweckmäßiger Weise um das erste und das letzte Schneidelement, welches zur Herstellung einer gekrümmten Nut mit dem Werkstück in Eingriff zu bringen ist.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass der Werkstückträger eine Auflagefläche aufweist, auf welcher das zu bearbeitende Werkstück positioniert wird und insbesondere der Werkstückträger derart ausgebildet ist, dass die Auflagefläche gegenüber einer Ausgangsposition neigbar ist und bevorzugt die Auflagefläche in der Ausgangsposition orthogonal auf der Ebene steht, in welcher sich der Schneidkreis erstreckt.
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Die vorgenannte Orientierung der Auflagefläche an dem Werkstückträger in Bezug auf die von dem Schneidkreis aufgespannte Ebene hat sich für eine erfindungsgemäße Bearbeitung als geeignet erwiesen. Handelt es sich beispielsweise bei dem Grundkörper des Räumwerkzeuges um eine plane Kreisscheibe oder einen offenen oder geschlossenen Kreisring und ist auch das Werkstück planscheibenförmig ausgebildet, wobei in dieses umfangsseitig gebogene Nuten einzubringen sind, und liegt das Werkstück beispielsweise auf einer horizontalen Auflagefläche auf dem Werkstückträger, so sind der Grundkörper des Räumwerkzeuges und das Werkstück während der Bearbeitung orthogonal zueinander ausgerichtet. Die Schneidelemente, die beispielsweise an der Stirnseite eines planscheiben- oder kreisringförmigen Grundkörpers angeordnet sind und von diesem beispielsweise lotrecht abragen, können dann beispielsweise infolge einer Rotation des Grundkörpers von oben durch den Umfangsbereich des Werkstückes gezogen bzw. geschoben werden. Ist der Werkstückträger ferner derart ausgebildet, dass die Auflagefläche gegenüber einer Ausgangsposition neigbar ist, so kann das zu bearbeitende Werkstück relativ zu dem Räumwerkzeug verkippt werden und die gekrümmten Nuten können so in einer anderen Ausrichtung in das Werkstück eingebracht werden.
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Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Werkstückträger drehbar gelagert sein, um das zu bearbeitende Werkstück durch eine Drehbewegung relativ zu dem Räumwerkzeug ausrichten zu können. Dies ermöglicht es auf besonders einfache Weise entlang des Umfanges eines Werkstückes nacheinander mehrere beabstandete gekrümmte Nuten zu erzeugen. Das zu bearbeitende Werkstück wird gemäß dieser Ausführungsform nach dem Herstellen einer ersten gekrümmten Nut um einen vorgegebenen Winkel gedreht, sodass die Schneidelemente des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges an einer anderen Stelle, konkret an der Stelle, an welcher die nächste gekrümmte Nut erzeugt werden soll, mit dem Werkstück in Eingriff bringbar sind. Beispielsweise können durch das nacheinander schrittweise Drehen des zu bearbeitenden Werkstückes entlang des gesamten Umfanges des Werkstückes auf die vorgenannte Weise gekrümmte Nuten hergestellt werden. Alternativ können mehrere beabstandete Nuten eingebracht werden, indem das Werkstück parallel zu dem Grundkörper bewegt wird. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn Nuten in dem Umfangsbereich eines Werkstückes einzubringen sind, welches keine runde, sondern eine beispielsweise eckige Form aufweist.
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In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Nuten durch Räumen mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges,
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2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, wie in 1 gezeigt, mit einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges,
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3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, wie in 1 und 2 gezeigt, mit einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges, und
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4 eine schematische Darstellung eines Werkstücks mit erfindungsgemäß hergestellten gekrümmten Nuten, und
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5–7 in schematischer Darstellung verschiedene Schneidquerschnitte von Schneidelementen.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Nuten durch Räumen. Die Vorrichtung umfasst ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Räumwerkzeug 1 mit einem Grundkörper 2, der die Form einer planen Kreisscheibe aufweist. Die Mittelachse des Grundkörpers 2 definiert eine Rotationsachse X, um welche der Grundkörper 2 drehbar an einem in der 1 nicht dargestellten Gestell der Vorrichtung gehalten ist. Der Grundkörper 2 ist derart an dem Gestell gehalten, dass die Rotationsachse X, die sich durch den Mittelpunkt des scheibenförmigen Grundkörpers 2 erstreckt, horizontal orientiert ist, wobei sie senkrecht auf der Zeichenebene von 1 steht.
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Es sind in der 1 nicht dargestellte Antriebsmittel vorgesehen, durch welche eine motorisierte Drehbewegung des kreisscheibenförmigen Grundkörpers 2 um die Rotationsachse X bewirkt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst darüber hinaus einen Werkstückträger 3, der an seiner Oberseite eine in 1 horizontal orientierte Auflagefläche aufweist, auf welcher ein zu bearbeitendes Werkstück 4 positioniert ist. Der Werkstückträger 3 ist über einen in der 1 nicht dargestellten Verfahrtisch parallel sowie senkrecht zu der in 1 erkennbaren Stirnfläche des Grundkörpers 2 bewegbar. Er kann nach oben, nach unten, nach links nach rechts sowie nach vorne und hinten verfahren werden. Darüber hinaus ermöglicht der Verfahrtisch eine Rotation des Werkstücks um dessen in der 1 vertikal ausgerichtete Mittelasche M, so dass das auf diesem befindliche Werkstück 4 auch durch eine Drehbewegung relativ zu dem Räumwerkzeug ausrichtbar ist. Darüber hinaus ist der Werkstückträger 3 derart ausgebildet, dass die Auflagefläche gegenüber der in der 1 erkennbaren horizontalen Ausgangsposition neigbar ist, damit die Auflagefläche in eine Position gebracht werden kann, in der sie nicht horizontal ausgerichtet ist.
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Bei dem auf dem Werkstückträger 3 positionierten Werkstück 4 handelt es sich um ein metallisches Bauteil für den Turbinenbereich. Das Werkstück 4 hat die Form einer planen Kreisscheibe.
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An dem Grundkörper 2 des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges 1 sind insgesamt zweiundzwanzig Schneidelemente 5 vorgesehen. Konkret sind die Schneidelemente 5 auf der in 1 erkennbaren Stirnseite des kreisscheibenförmigen Grundkörpers 2 entlang eines Teils des Umfangs von einem zu der Rotationsachse des Grundkörpers 2 konzentrischen Schneid- kreises hintereinander liegend angeordnet. Die Schneidelemente 5 ragen von der Stirnseite des Grundkörpers 2 orthogonal ab und sind entlang des Umfangs des Schneidkreises äquidistant beabstandet angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Schneidelemente integraler Bestandteil einer in der Art einer gekrümmten Raumnadel ausgebildeten Anordnung, die sich an dem Grundkörper 2 entlang des Schneidkreises erstreckt. Die Anordnung in der Art einer gekrümmten Räumnadel weist hier die Form eines offenen Kreisringes 6 auf.
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Die Schneidelemente 5 erstrecken sich ferner entlang etwa dreiviertel des Umfangs des Schneidkreises. Dementsprechend sind die Schneidelemente 5 entlang eines Kreisbogens des Schneidkreises mit einem Mittelpunktswinkel von etwa 270° angeordnet.
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Die Form des Schneidquerschnitts der an dem Grundkörper 2 auf der Stirnseite angeordneten Schneidelemente 5 ist in 5 erkennbar, welche in rein schematischer Darstellung den tannenbaumförmigen Schneidquerschnitt eines der Schneidelemente 5 zeigt. Schneidquerschnitte alternativer Form sind in den 6 und 7 schematisch dargestellt.
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Wie der 1 entnommen werden kann, in welcher die Schneidelemente 5 in der Aufsicht erkennbar sind, sind die Schneidelemente 5 ferner auf dem Grundkörper 2 derart ausgerichtet, dass ihre vorderen und hinteren Stirnseiten in etwa parallel zu dem Radius des Schneidkreises an ihrer jeweiligen Position orientiert sind. Die Breite und die Höhe des Schneidquerschnitts der Schneidelemente 5 ist ferner entlang des Schneidkreises gestaffelt. Der Schneidquerschnitt der Schneidelemente 5 ist gestaffelt. Konkret nimmt sowohl dessen Breite als auch dessen Höhe entlang des Schneidkreises entgegen der vorgegeben Drehrichtung, die in 1 in Uhrzeigersinn weist und durch einen entsprechenden Pfeil angedeutet ist, kontinuierlich zu.
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Durch die Anordnung der Schneidelemente 5 entlang eines Kreisbogens mit einem Mittelpunktswinkel von etwa 270° sind das erste und das letzte Schneidelement 5, welches mit dem Werkstück 4 bei Drehung des Grundkörpers 2 in die vorgegebene Drehrichtung in Eingriff kommt auf dem Schneidkreis so weit voneinander beabstandet, dass der jeweils zu bearbeitende Bereich des Werkstücks 5 für den Räumvorgang zwischen diesen positioniert werden kann.
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Für die erfindungsgemäße Herstellung gekrümmter Nuten 7 in einem Umfangsbereich des auf dem Werkstückträger 3 positionierten Werkstücks 4 durch Räumen wird der Werkstückträger 3 derart verfahren, dass ein zu bearbeitender Bereich des Werkstücks 4 zwischen dem ersten und dem letzten Schneidelement 5 positioniert ist, wie in 1 dargestellt.
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Anschließend wird der Grundkörper 2 durch die Antriebsmittel in die in 1 durch den Pfeil angedeutete vorgegebene Drehrichtung in Rotation versetzt. Der Grundkörper 2 wird dabei einmal um 360° rotiert, was einem Arbeitsgang oder Hub entspricht. Infolgedessen werden alle Schneidelemente 5, beginnend mit dem Schneidelement 5 geringster Breite sowie Höhe und endend mit dem Schneidelement 5 größter Breite sowie Höhe, nacheinander in Eingriff mit dem zu bearbeitenden Bereich des Werkstückes 4 gebracht. Mit den Schneidelementen 5 wird so spanend Material abgetragen und im Ergebnis eine Nut 7 in dem zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks 4 durch Räumen hergestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform werden pro Hub, also pro vollständige Umdrehung des Grundkörpers 2 um die Rotationsachse alle Schneidelemente 5 einmal in Eingriff mit dem zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks 4 gebracht.
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Wenn eine Nut gefertigt werden soll, die ein geringerer Größe aufweist, als das größte bzw. die größten Schneidelement(e) 5, kann der Grundköper auch pro Arbeitsgang bzw. Hub gezielt nicht um 360° rotiert werden, sondern nur so weit, bis ein Schneidelement 5 gewünschter Größe als letztes in Eingriff mit dem Werkstück 4 gebracht wird. Hierfür sind die Schneidelemente 5 dann entlang des Schneidkreises zweckmäßiger Weise jeweils so weit zueinander beabstandet, dass der zu bearbeitende Bereich des Werkstücks 4 zwischen jeweils zwei Schneidelemente 5 passt.
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Da erfindungsgemäß die Schneidelemente 5 durch die konkrete Ausgestaltung des Räumwerkzeugs sowie dessen rotierbare Lagerung entlang einer gekrümmten Bahn, konkret einer Kreisbahn durch den zu bearbeitenden Bereich des Werkstückes 4 gezogen werden, weisen die hergestellten Nuten 7 eine kreisbogenförmige Gestalt auf und deren Krümmungsradius entspricht dem Radius des Schneidkreises, entlang dessen Umfang die Schneidelemente 5 an dem Grundkörper 2 des erfindungsgemäßen Raumwerkzeuges 1 gehalten sind.
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Da auf die vorgenannte Weise gekrümmte Nuten 7 durch Räumen hergestellt werden können, sind sämtliche mit dem Räumverfahren einhergehenden Vorteile erreicht. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges werden insbesondere hohe Prozessanforderungen erfüllt. Es können hohe Schnitt- und somit Fertigungsgeschwindigkeiten erzielt und infolgedessen hohe Stückzahlen in vergleichsweise geringer Zeit gefertigt werden. Produktionskosten werden deutlich gesenkt. Eine erhöhte Schnittgeschwindigkeit ist dabei auch besonders vorteilhaft, da mit geringeren Schnittkräften Schwingungen und Oberflächenmarken vermieden werden können. Die Qualität der erfindungsgemäß geräumten Nuten 7 ist dabei – gegenüber gefrästen Nuten – deutlich erhöht. Gegenüber dem Fräsen kann eine sehr viel höhere Wiederholgenauigkeit und somit eine gesteigerte Güte erreicht werden.
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Im Anschluss an die Herstellung einer ersten gekrümmten Nut 7 kann der Werkstückträger 3 um einen vorgegebenen Winkel rotiert werden, so dass die Schneidelemente 5 des erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges 1 an einer anderen Stelle des Werkstücks 4 in Eingriff mit dem Werkstück 4 bringbar sind, um an der weiteren Stelle eine weitere gekrümmte Nut 7 herzustellen. Auf diese Weise können insbesondere entlang des gesamten Umfanges des kreisscheibenförmigen Werkstückes 4 gekrümmte Nuten 7 hergestellt werden. In der 1 sind schematisch drei bereits hergestellte gekrümmte Nuten 7 im Umfangsbereich des Werkstückes 4 dargestellt. In der 4 ist eine schräge Aufsicht auf das Werkstück 4 dargestellt, nachdem bereits vier gekrümmte Nuten 7 auf die erfindungsgemäße Weise hergestellt worden sind.
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Zur Herstellung gekrümmter Nuten 7 anderer Krümmungsradien werden ferner in der 1 nicht dargestellte weitere Räumwerkzeuge 2 bereit gehalten, an denen jeweils die Schneidelemente 5 an dem Grundkörper 2 entlang des Umfangs eines Schneidkreises mit einem Radius angeordnet sind, der gegenüber dem in 1 erkennbaren Radius größer bzw. kleiner ist. Darüber hinaus stehen bei Bedarf auch weitere Räumwerkzeuge 2 zur Verfügung, an denen Schneidelemente 5 mit anderen Schneidquerschnitten vorgesehen sind. In den 6 und 7 sind rein beispielhaft Schneidelemente 5 mit anderen Schneidquerschnitten dargestellt, wie sie für die erfindungsgemäßen Räumwerkezuge zum Einsatz kommen können.
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Sollen gekrümmte Nuten 7 in das Werkstück 4 eingebracht werden, die anders ausgerichtet sind, als die in der 1 erkennbaren, kann das Werkstück 4 ferner gekippt werden, indem die Auflagefläche des Werkstückträgers 3 in eine Position gebracht wird, in welcher diese nicht – wie in 1 erkennbar – horizontal ausgerichtet ist. Alternativ zu einer Neigung der Auflagefläche kann der Werkstückträger 3 auch nach oben oder unten verfahren werden, um gekrümmte Nuten einer anderen Ausrichtung in das Werkstück 4 einzubringen.
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Alternativ zu einer planen Kreisscheibe kann bei dem erfindungsgemäßen Räumwerkzeug 1 als Grundkörper 2 auch ein offener Kreisring zum Einsatz kommen, dessen Mittelachse die Rotationsache definiert. Eine entsprechende Ausführungsform eines Räumwerkzeuges 1 mit kreisringförmigem Grundkörper 2 ist in der 2 dargestellt. Die Schneidelemente 5 sind – analog zu dem kreisscheibenförmigen Grundköper 2 des Räumwerkzeugs 1 aus 1 – auf der Stirnseite des kreisringförmigen Grundkörpers 2 vorgesehen. Da die konkrete Anordnung der Schneidelemente 5 ebenfalls völlig analog zu der Anordnung in 1 ist, wird hierauf nicht näher eingegangen.
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Der Werkstückträger 3 und das Gestell der Vorrichtung sowie das Werkstück 4 sind ebenfalls analog zu der in 1 dargestellten Vorrichtung ausgebildet. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie der 2 entnommen werden kann, umfasst die dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Räumwerkzeuges 1 neben dem als offenen Kreisring ausgebildeten Grundkörper 2 insgesamt dreizehn Führungsrollen 8, die in reibschlüssiger Verbindung mit dem ringförmigen Grundkörper 2 stehen und rotierbar gelagert sind. Konkret ist die Mehrzahl von Führungsrollen 8 in eine Gruppe von sechs inneren Führungsrollen 8 und eine Gruppe von sieben äußeren Führungsrollen 8 unterteilt. Die inneren Führungsrollen 8 sind entlang des Innenumfangs der kreisringförmigen Ringkörpers 2 angeordnet, und die äußeren Führungsrollen 8 sind entlang des Außenumfangs der kreisringförmigen Ringkörpers 2 angeordnet. Eine der Führungsrollen 8 ist dabei als Antriebsrolle ausgebildet, über welche eine Rotation des kreisringförmigen Grundkörpers 2 um die Rotationsachse X in die vorgegebene Drehrichtung bewirkt werden kann.
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Alternativ zu der in 2 dargestellten Ausführungsform können die Antriebsmittel auch dem kreisringförmigen Grundköper 2 zugeordnet sein, wobei sie derart ausgestaltet sind, dass sie diesen unmittelbar in Rotation versetzen können. Die Führungsrollen 8 werden dann nur infolge der Bewegung des kreisringförmigen Grundkörpers 2 in Rotation versetzt und dienen nur dessen Lagerung und Führung und nicht dessen Antrieb.
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Zur Herstellung gekrümmter Nuten 7 in dem Werkstück 4 wird, genau wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform, der Grundkörper 2 über die Antriebsmittel in Rotation in die vorgegebene Drehrichtung versetzt, um die Schneidelemente 5, die entlang des Schneidkreises an dem kreisringförmigen Grundkörper 2 angeordnet sind, nacheinander in Eingriff mit dem jeweils zu bearbeitenden Bereich des Werkstückes 4 und zwar entlang einer gekrümmten Bahn zu bringen. Da der Räumvorgang analog zu dem bereits in Bezug auf 1 beschriebenen abläuft, wird hierauf nicht weiter eingegangen.
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In der 3 ist schließlich eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Auch bei dieser unterscheidet sich lediglich das Räumwerkzeug 1 von dem zuvor beschriebene Räumwerkzeugen 1, so dass im Folgenden nur auf dieses näher eingegangen wird. Gleiche Bauteile sind wiederum mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Das in der 3 dargestellte Räumwerkzeug 1 umfasst ebenfalls einen Grundkörper 2, der, wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform, als plane Kreisscheibe ausgebildet ist. Auch hier sind mehrere Schneidelementen 5, konkret insgesamt sieben Schneidelemente 5 entlang eines sich konzentrisch zu der Rotationsachse erstreckenden Schneidkreises an dem Grundkörper 2 gehalten. Der wesentliche Unterschied zu den zuvor beschriebenen beiden Ausführungsformen des Räumwerkzeuges 1 besteht darin, dass die Schneidelemente 5 an dem Grundkörper 2 radial zu der Rotationsachse verstellbar gehalten sind. Konstruktiv ist die radiale Verstellbarkeit der Schneidelemente 5 dadurch umgesetzt, dass jedem Schneidelement 5 eine radial zu der Rotationsachse ausgerichtete Zustellschiene 9 zugeordnet ist, entlang der das jeweilige Schneidelement 5 radial auf die Rotationsachse zu- bzw. von dieser wegbewegbar gehalten ist. Von den Zustellschienen 9 ist in der 3 beispielshaft nur eine schematisch dargestellt. Es ist ferner jedem Schneidelement 5 ein in der 3 nicht erkennbarer Linearantrieb zugeordnet, über welchen das jeweilige Schneidelement 5 entlang der diesem zugeordneten Zustellschiene 9 motorisiert auf den Mittelpunkt M der Kreisscheibe hin sowie von diesem weg bewegt werden kann.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform ermöglicht es, dass mit nur einem Räumwerkzeug 1 gekrümmte Nuten 7 mit unterschiedlichen Krümmungsradien hergestellt werden können. Hierfür werden die Schneidelemente 5 mit dem motorisierten Linearantrieb so positioniert, dass sie sich entlang des Umfanges eines Schneidkreises mit einem ersten gewünschten Radius, also mit dem Radius, der dem Krümmungsradius der ersten herzustellenden Nut 7 entspricht, erstrecken. Ist eine erste Nut 7 mit dem ersten gewünschten Krümmungsradius hergestellt worden, so können die Schneidelemente 5 anschließend jeweils an eine andere Position, beispielsweise eine der Rotationsachse näher liegende radiale Position verfahren werden, um die Schneidelemente 5 entlang des Umfangs eines Schneidkreises mit anderem Radius anzuordnen und so eine Nut 7 mit einem anderen Krümmungsradius an einer anderen Stelle des Werkstücks 4 oder an einem anderen Werkstück 4, welches zwischenzeitlich an dem Werkstückträger 3 positioniert wurde, herzustellen.
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Die Schneidelemente 5 können dabei durch die diesen jeweils zugeordneten motorisierten Linearantriebe besonders komfortabel und schnell jeweils entlang eines Schneidkreises mit gewünschtem Radius angeordnet werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
