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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Ausführungsformen der Erfindung, die hierin ausführlich beschrieben werden, betreffen den Bereich industrieller Schneidwerkzeuge, in dem Metall oder anderes Material in einer vorgegeben Weise zerspant wird. Im Speziellen betreffen die hier ausführlich beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ein Schneidwerkzeug mit einer Spannutbauweise, die auf Grund einer einzigartigen Spanbildung und einer fortschrittlichen Kühlmethode der Spannutoberflächen eine erhöhte Werkzeugstandzeit und ein erhöhtes Zeitspanvolumen, und eine Verbesserung der Oberflächenqualität eines Werkstücks fördert.
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HINTERGRUND
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Viele Schneidwerkzeuge verfügen über spiralförmige Spannuten, durch die die vom Werkstück abgeschnittenen Späne entfernt werden. Die Spannuten neigen zum Verstopfen, wodurch die Leistung des Schneidwerkzeugs reduziert wird, wenn die Späne nicht ordnungsgemäß entfernt werden; wenn das Problem nicht behoben wird, kann dies schließlich zum Ausfall des Werkzeugs führen. Da beim Zerspanen eines Werkstücks und dem Entfernen der geformten Späne Wärme erzeugt wird, ist auch auf sachgemäßes Einbringen von Kühlmittel (oder Kühlluft) in die Spannuten zu achten.
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Das Entfernen der Späne wird oftmals durch eine noch größere Wärmeentwicklung erschwert. Insbesondere bei einer partiellen oder vollständigen Verstopfung der Spannuten kommen viele Späne häufig nicht mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt, wodurch starke Reibung und sehr hohe Temperaturen an den Spänen auftreten; als solches wird die zusätzlich generierte Wärme somit auf die Schneidflächen übertragen. Entsprechend kommt es dadurch zu thermaler Rissbildung an den Schneiden, zusätzlich zu anderen Verschleißarten aufgrund übermäßiger Temperaturschwankungen, die durch unterbrochene Zerspanung und eine unzuverlässige Versorgung mit Kühlflüssigkeit (z. B. fluktuierende Einspeisung) verursacht werden.
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Schon allein aus den angeführten Gründen geht das Bedürfnis hervor, die Spannuten selbst so auszustatten, um die Wärmelast, der die Schneidkanten und Oberflächen der Spannuten ausgesetzt sind, entscheidend zu verringern.
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US-Patent-Nr. 5,509,761 offenbart einen Bohrer mit einer Vielzahl von Rillen, die in Richtung Spanausgabe weiterführen und in einem innenliegenden Flächenabschnitt jeder Spannutausgabe geformt werden. Dies gewährleistet eine reibungslosere Abgabe der Späne durch Verkleinerung der Kontaktfläche zwischen dem Innenoberflächenabschnitt und den dort ausgegebenen Spänen, wodurch folglich die Reibung zwischen diesen Elementen gemindert wird.
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US-Patent-Nr.
US 5,509,761 eignet sich jedoch nicht zum Lösen von Problemen mit Schaftfräsern oder anderen Schneidwerkzeugen für periphere Schneidanwendungen; in diesem Bereich ist die periphere Schneidkante der Spannuten zum Zerspanen von fundamentaler Bedeutung genauso wie bei Stirnflächenschneidanwendungen, in denen eine Bohrstange (z. B. wie in US-Patent-Nr.
US 5,509,761 ) nur am Spitzenwinkel an der Endschneidanwendung beteiligt ist.
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Somit werden die Spannuten gemäß
US 5,509,761 nur zur Spanausgabe verwendet, und sind keiner durch Schneiden verursachten Reibung ausgesetzt.
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In Verbindung mit dem Obengenannten kann angeführt werden, dass die Rillen gemäß
US 5,509,761 in keinem Maße dafür ausgelegt sind, die in einem Werkzeug entstehende Wärme während einer Schneidanwendung oder durch die Ausgabe der Späne abzuleiten; dies gilt ebenso bei Vorhandensein von Kühlflüssigkeit. Somit gilt, dass die Rillen zwar dafür gedacht sein können, die Reibung bei der Spanausgabe zu verringern, jedoch in keiner Weise zur Wärmeableitung ausgelegt sind. Weitere mögliche Nachteile in dieser Hinsicht schließen Folgendes mit ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Schwächung der Spannut mit der Folge, dass die Rillen über die gesamte Innenfläche der Spannut verteilt sind; zu geringe Einwirkzeit der Kühlflüssigkeit in einer Rille, wobei die mögliche Kühlkapazität wesentlich geschmälert wird, aufgrund eines relativ raschen Durchflusses der Kühlflüssigkeit durch die zusammenhängenden und verlängerten Rillen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Zusammenfassend bietet ein Gesichtspunkt der Erfindung ein Schneidwerkzeug für periphere Schneidanwendungen und umfasst: eine Vielzahl von peripheren Schneidkanten und eine Vielzahl von Spannuten zwischen den peripheren Schneidkanten, wobei jede der Spannuten mindestens eine Fläche und mindestens eine versenkte Aussparung in mindestens einer Spannutoberfläche einschließt, wobei jede der Aussparungen eine innere Aussparung festlegt, die so ausgelegt ist, um Kühlflüssigkeit während des Betriebs des Schneidwerkzeugs zu speichern und wobei mindestens eine der Aussparungen so dimensioniert und angeordnet ist, damit die Wärme besser von zumindest einer der peripheren Schneidkanten abtransportiert wird.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung bietet ein Schneidwerkzeug, das Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Stirnflächenschneidkanten und eine Vielzahl von Spannuten, die bezugnehmend auf die axiale Richtung des Schneidwerkzeugs an den Stirnflächenschneidkanten enden, wobei jede der Spannuten mindestens eine Fläche aufweist und mindestens eine Aussparung umfasst, die in mindestens eine Spannutoberfläche versenkt ist, wobei jede der Aussparungen eine innere Aussparung festlegt, die so ausgelegt ist, um Kühlflüssigkeit während des Betriebs des Schneidwerkzeugs zu speichern und wobei mindestens eine der Aussparungen so dimensioniert und angeordnet ist, damit die Wärme besser von zumindest einer der Stirnflächenschneidkanten abtransportiert wird.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung bietet ein Verfahren zur maximalen Wärmeableitung während der Materialausgabe am genuteten Schneidwerkzeug, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bildung mindestens einer Aussparung zur verbesserten Kühlung, dabei ist mindestens eine Aussparung in die Spannutoberfläche des Schneidwerkzeugs im vorgesehenen Bereich der Spannutoberfläche versenkt, wobei der vorgesehene Bereich der Spannutoberfläche beim Abtragen von Material in Verbindung mit der festgelegten Geschwindigkeit des Schneidwerkzeugs und der voreingestellten Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks besonders anfällig für Reibung ist; b) Betreiben eines Zerspanungswerkzeugs gekoppelt an das Schneidwerkzeug mit der vorgesehenen Werkzeugschneidegeschwindigkeit und der voreingestellten Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks zum Einleiten der Materialabtragung bezugnehmend auf das Werkstück und c) Führung von beim Materialabtrageprozess geformten Spänen entlang der Spannutoberfläche und über mindestens eine Aussparung hinweg mit Unterstützung einer oder mehrerer an mindestens einer Aussparung angrenzender Rippen bis zur Spanausgabe am Schneidwerkzeug zur verbesserten Wärmeableitung infolge einer verminderten Kontaktfläche von Span und Spannut.
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Zum besseren Verständnis der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit anderen und weiteren daraus hergeleiteten Funktionen und Vorteilen wird Bezug genommen auf folgende Beschreibung in Ergänzung mit den beigefügten Zeichnungen und der Umfang der beanspruchten Ausführungsformen der Erfindung wird in den angefügten Patentansprüchen geschildert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen gilt:
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1 ist eine Teilansicht eines Schneidkopfes eines Schneidwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt die Bildung von Aussparungen;
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2 ist eine Querschnittansicht des Schneidwerkzeugs aus 1, abgeschnitten entlang der Ebene, die rechtwinklig zur Längsachse davon ist;
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3 ist eine Vergrößerung von Detail A aus 2, über dem eine schematische Darstellung einer sekundären Scherzone während der Spanbildung angeordnet ist;
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4 ist eine Vergrößerung des Schneidkopfes aus 1 von einer anderen Seitenansicht aus und zeigt die Anordnung der Rippen zwischen den Aussparungen und zwischen den Reihen der Aussparungsrippen und
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5–13 veranschaulichen die entsprechenden Seitenansichten von neun verschiedenen Schneidwerkzeugen, jedes mit einem anderen Aussparungsmuster.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Hier ausführlich dargestellt und gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung sind Anordnungen vorhanden für eine Struktur innerhalb der Spannut des Schneidwerkzeugs, mit deren Hilfe die Wärmeableitung vom Werkzeug oder den Spänen verbessert erfolgen kann. Ebenfalls hier ausführlich dargestellt ist eine stabile Struktur innerhalb der Spannut des Schneidwerkzeugs (d. h. ein Werkzeug für periphere Schneidanwendungen), die den Abkühlvorgang wesentlich verbessert. Ferner wird hier eine Struktur innerhalb der Spannut eines Schneidwerkzeugs zur Abkühlung ausführlich dargestellt, die eine kostengünstige Herstellung erlaubt. Andere Gesichtspunkte und Vorteile der Ausführungsformen der Erfindung werden in der weiteren Beschreibung erkennbar.
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Ein rotierendes Schneidwerkzeug gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mit einer Vielzahl von Aussparungen hergestellt, die so angeordnet sind, um die Kühlung zu unterstützen, wobei jede Aussparung in eine Spannutoberfläche versenkt ist. Die Aussparungen können segmentiert sein, d. h., dass jede einzelne anhand vorgegebener Maße definiert und von einer oder mehreren Verstärkungsrippen umgeben oder flankiert wird; dadurch wird sichergestellt, dass sich jede Aussparung in einem Mindestabstand zur benachbarten befindet. Auch wenn hier der Begriff „Aussparung“ (und davon abgeleitete Begriffe) verwendet werden, sollte gemäß den Ausführungsformen der Erfindung beachtet werden, dass dieser Begriff durch analoge Begriffe wie folgende austauschbar ist: „Vertiefung“, „Einbuchtung“, „Versenkung“, „Mulde“ oder „Kuhle“. Außerdem können die hier genannten Begriffe „umgeben“, „vollständig umgeben“ und deren abgeleitete Begriffe so verstanden werden, dass eine nicht versenkte Rippe, d. h. ein Teil einer Spannutoberfläche, von jeder Seite an eine Aussparungskante heranreicht, um die strukturelle Beschaffenheit der Kante zu gewährleisten; gleichzeitig muss eine bestimmte Rippe nicht unbedingt durchgehend sein und kann an gewissen Stellen unterbrochen werden als Folge einer Verankerung zwischen den Außenkanten zweier unterschiedlicher Aussparungen.
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Aus der folgenden Erläuterung versteht sich, dass gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Aussparung – in mindestens eine Spannutoberfläche versenkt – so dimensioniert und ausgerichtet wird, um die Wärmeableitung an mindestens einer peripheren Schneidkante oder mindestens einer Stirnflächenschneidkante zu verbessern. Innerhalb des allgemeinen Umfangs der Ausführungsformen der Erfindung kann davon ausgegangen werden, dass in dieser Hinsicht eine Vielzahl von Konfigurationen möglich ist. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, mindestens eine Aussparung so zu dimensionieren, dass während des Schneidvorgangs Kühlflüssigkeit gespeichert und zurückgehalten werden kann. Dabei sollte die Kühlflüssigkeit möglichst nahe an einer Schneidkante vorbeigeleitet werden, um eine bessere Wärmeableitung an mindestens einer Schneidkante zu erzielen. Spezifische Ausführungsformen werden hier erörtert, samt Probemaßen und Positionen für solche Aussparungen, womit die soeben erwähnten Vorteile erklärt werden können. Weitere Details in Verbindung mit den Ausführungsformen der Erfindung werden sicherlich aus der nachfolgenden Erläuterung ersichtlich.
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Wie im Folgenden weiter ausgeführt wird die in die Spannuten eingeleitete Flüssigkeit in den Aussparungen gespeichert, wodurch die Einwirkdauer der Kühlflüssigkeit in der Spannut verlängert wird. Entsprechend erhöht dies wesentlich die Expositionsdauer mit Kühlflüssigkeit der (über die Spannuten ausgegebenen) Späne im Vergleich zu herkömmlichen Schneidwerkzeugen. Zusätzlich zur vereinfachten verbesserten Wärmeableitung dient die in die Aussparungen eingeleitete (und gestaute) Kühlflüssigkeit zum Schmieren der Späne, die durch die Spannut gelangen, um deren Fortkommen zu erleichtern. Dies gilt im Besonderen, wenn die Kühlflüssigkeit auf Ölbasis ist.
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Als weiteres Merkmal gemäß den Ausführungsformen der Erfindung kann die relative Anordnung (oder Position) der Aussparungen bezugnehmend auf die Spannutoberfläche im Voraus bestimmt oder ausgewählt werden, damit diese den bekannten Bereichen großer Wärmeentwicklung an der Spannutoberfläche (wobei eine solche Wärmeentwicklung z. B. von der Zerspanung oder dem Kontakt zwischen Span und Spannut bei der Spanausgabe herrührt) entspricht.
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Obschon sich die folgende Beschreibung auf Schaftfräser bezieht, ist erkennbar, dass die Ausführungsformen der Erfindung auch (oder alternativ) in anderen Arten von genuteten Schneidwerkzeugen für periphere Schneidanwendungen oder sogar für Endschneidanwendungen (d. h. Schaftfräser) eingesetzt werden können.
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1 veranschaulicht Schaftfräser 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ist mit einer Vielzahl von Aussparungen 22 und 24 ausgestattet.
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Schaftfräser 10 schließt eine Vielzahl von spiralförmigen Spannuten ein; im vorliegenden (und nicht einschränkenden) Anschauungsbeispiel sind die vier Spannuten 1–4 vorhanden, die (bezugnehmend auf eine allgemeine axiale Richtung) von der Stirnseite 6 bis zum Abschlussende 7 des Abschnitts des Schneidwerkzeugs reichen. Das Abschlussende 7 grenzt an Schaft 9 an, der mit dem Zerspanungswerkzeug während der Drehung des Schaftfräsers 10 befestigt werden soll.
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Die Aussparungen 22 und 24 werden so konfiguriert, dass sie dem Erhitzen von Spänen entgegenwirken, und zwar soweit, dass diese im Allgemeinen als Reaktion auf den Schneidvorgang der peripheren Schneidkante 17 beim Fräsen sowie der Erwärmung der entsprechenden Spannutoberflächen geformt werden. Die Aussparungen 22 und 24 aus den Reihen 33 und 34 werden innerhalb der entsprechenden inneren Spannutoberfläche geformt und in diese versenkt. (Aus Gründen der besseren Sichtbarkeit ragen die in der Zeichnung dargestellten Elemente aus der Oberfläche heraus, obwohl diese in Wirklichkeit in der Oberfläche versenkt sind.) Die Reihen 33 und 34 der Aussparungen 22 und 24 nehmen im Allgemeinen 50–80 % der Innenfläche einer bestimmten Spannut ein. Wie weiter unten näher ausgeführt, können die Aussparungen 22 als „Spanflächenaussparungen“ betrachtet werden, während die Aussparungen 24 „Aussparungen an der Spannutenrückseite“ sind.
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Die Aussparungen 22 und 24 können nach Belieben erzeugt werden, wie vieleckig (z. B. recht- oder dreieckig), kreisförmig (oder elliptisch) oder eine Kombination daraus. Die Aussparungen 22 und 24 können durch verschiedene Materialabtragungsverfahren, wie Schleifen und Laserschneiden, geformt werden. Es versteht sich, dass die vieleckige Form nicht unbedingt durch scharfe Eckpunkte gekennzeichnet ist, sondern die Aussparungskante soll vielmehr mit einer Kurve an anliegenden Seiten gestaltet werden.
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Jede Aussparung in einer Reihe kann immer im gleichen Abstand und der allgemeinen äußeren zweidimensionalen Form (oder Umriss) auftreten. Alternativ kann der Abstand zwischen nebenliegenden Aussparungen bei bestimmten Aussparungspaaren in derselben Reihe oder zwischen angrenzenden Reihen variieren. Zum Beispiel kann eine innere Abmessung einer Aussparung schrittweise größer oder kleiner werden bezugnehmend auf andere Aussparungen in derselben Reihe. Außerdem kann die zweidimensionale Form oder der Umriss verschiedener Aussparungen in derselben Reihe oder angrenzenden Reihen unterschiedlich sein. Eine Anordnung unterschiedlich dimensionierter oder konfigurierter Aussparungen wird im Folgenden als „Muster“ bezeichnet.
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Falls gewünscht, kann lediglich eine einzige Aussparung oder eine beschränkte Zahl von Aussparungen in jeder Reihe vorhanden sein. Alternativ kann der Schaftfräser 10 ohne einen der Aussparungssätze 22 oder 24 auskommen.
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Beim Einleiten der Kühlflüssigkeit in die Spannuten sammelt sich diese in den Aussparungen 22 und 24 zum Abkühlen der Spannutoberflächen und der Späne. Dies dient außerdem dem Schmieren der Späne und verbessert damit das gleitendende Vorankommen dieser in der Spannut bis zur Ausgabe aus dieser. Wie nachfolgend genauer beschrieben beschleunigt die verlängerte Einwirkungsdauer der Kühlflüssigkeit in der Spannut – mithilfe der Aussparungen – signifikant die Wärmeableitungsrate.
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Somit wird erhitzte Kühlflüssigkeit, an die Wärme durch geschnittene Späne abgegeben wurde, aus den Aussparungen geleitet. Dies geschieht über die Zentrifugalkräfte, die während der Drehung des Schaftfräsers 10 um die Längsachse freigesetzt werden. Im Allgemeinen ist die Einwirkdauer der Kühlflüssigkeit in einer Aussparung mindestens die ungefähre Funktion der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs.
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Im Allgemeinen kann die Lebensdauer vieler herkömmlicher Schneidwerkzeuge stark eingeschränkt werden, wenn diese bei der Zerspanung Überhitzung ausgesetzt sind. Anhand von Experimenten konnte bewiesen werden, dass ein stabiler Schaftfräser aus festem Carbid samt vorgeformter Aussparungen, wie hierin ausführlich beschrieben, die Werkzeuglebensdauer mit einem Faktor größer als zwei im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen, deren Spannutrückseiten und Spanflächen nicht versenkt waren, verlängert.
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Es wird nun auf 2 verwiesen, die einen querverlaufenden Querschnitt von Schaftfräser 10 mit dem Aufbau verschiedener Aussparungen veranschaulicht. Somit versteht sich jede der vier Spannuten 1–4 mitunter als durch eine durchgehende konkave Spannutoberfläche 11 begrenzte Spannut vor dem Ausformen mit Aussparungen. Der Durchmesser des festen Kerns 19 von Schaftfräser 10 mit dem Durchmesser D4 teilt jede Spannutoberfläche an einem Koinzidenzpunkt 5 in zwei Bereiche auf, die für gewöhnlich folgendermaßen bezeichnet werden: (1) Spanfläche 13, radialer Verlauf von einer peripheren Schneidkante 17 zu Punkt 5; und (2) Spannutrückseite 12 mit Verlauf von Ferse 14 einer weiteren peripheren Schneidkante 17, die der Rotationsrichtung von Schaftfräser 10 abgewandt ist und zwei benachbarte Spannuten voneinander trennt, zu Punkt 5.
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Wie abgebildet ist die Versenkung der Spanfläche 13 eine Spanflächenaussparung 22. Die Spanflächenaussparung 22 ist nahe genug an der peripheren Schneidkante 17, sodass die Kühlwirkung, d. h. Ableitung der durch die durch Schneiden verursachte Reibungswärme, unterstützt wird. Die Versenkung der Spannutrückseite 12 ist eine Aussparung an der Spannutrückseite 24, die selbst nahe genug im Bereich der Spannutrückseite positioniert ist, um eine größere Wärmeentwicklung an dieser aufgrund von Reibungskontakt zwischen den Spänen und der Spannutrückseite bei der Spanausgabe aus der Spannut zu erwarten. Die Aussparungen 22 und 24 haben eine Maximaltiefe P zwischen 50–3.000 Mikrometern und möglichst größer als 2 % des Werkzeugdurchmessers, z. B. größer als 8 % des Werkzeugdurchmessers.
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Die exemplarische Maximaltiefe bewegt sich in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1,1 mm oder von 0,2 bis 1,4 mm. Die Maximaltiefe eines Werkzeugdurchmessers von 16 mm kann einer der folgenden Werte sein: 0,07 mm, 0,24 mm, 0,34 mm, 0,46 mm, 0,48 mm, 0,65 mm oder 0,86 mm. Die Maximaltiefe eines Werkzeugdurchmessers von 25 mm kann wiederum einer der folgenden Werte sein: 0,11 mm, 0,27 mm, 0,41 mm, 0,64 mm oder 1,03 mm.
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2 kann entnommen werden, dass im nicht einschränkenden Anschauungsbeispiel eine Aussparung 22/24 die Form eines Trogs annehmen kann, wenn aus einem querverlaufenden Querschnitt betrachtet. Dies dient lediglich als Beispiel, jedoch wurde bereits herausgefunden, dass solch eine trogähnliche Form besonders nützlich zur Durchführung verschiedener Funktionen der Aussparungen 22/24, wie hierin ausführlich beschrieben (z. B. Rückhaltung von Kühlflüssigkeit, Verhindern von Rückhaltung der Späne auf dem Weg entlang der Spannutoberflächen usw.), sein kann.
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Spanfläche 13 wird durch das Vorhandensein der Spanflächenaussparungen 22 unterbrochen. Das Radialmaß des durchgehenden und ununterbrochenen Abschnitts von Spanfläche 13 am Querschnitt durch Aussparung 22 ist signifikant kleiner als jenes einer herkömmlichen Spanfläche. Der kleine Abstand L1 der Spanflächenaussparung 22 bezugnehmend auf die periphere Schneidkante 17 (zur besseren Kühlung) entspricht im Allgemeinen dem Radialmaß einer ununterbrochenen Spanflächenrippe und beträgt mindestens 0,05 mm und höchstens 0,5 mm, also z. B. 0,3 mm.
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Wie in 3 abgebildet kann das Radialmaß L1 des durchgehenden Abschnitts der Spanfläche 13, die an die periphere Schneidkante grenzt, vorteilhafterweise so gewählt werden, dass der Schnittpunkt 39 zwischen der Spanfläche 13 und der Aussparung der Spannutoberfläche 22 der sekundären Scherzone 29 entspricht.
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Im Allgemeinen sollte darauf hingewiesen werden, dass ein weitreichend anerkanntes Modell zur Beschreibung der Zerspanung existiert, wobei ein Span in zwei Zonen entsteht. Für gewöhnlich werden diese Zonen als „primäre Scherzone“ und als „sekundäre Scherzone“ bezeichnet. Die primäre Scherzone ist die Zone von der Schneidkante bis zum Abschnitt der Werkstückfläche, wo das Werkstück so abgeschert wird, dass ein Span geformt wird. An dieser Stelle erfährt das Werkstück eine plastische Verformung und aufgrund dieser Energiedissipation resultierend aus der plastischen Verformung wird Wärme erzeugt. Die Spanbildung erfolgt daher zunächst in der primären Scherzone, wird weitergeführt in der sekundären Scherzone, bevor die Späne an einer oder mehreren Spannutoberflächen vorbeigeführt werden. Entsprechend entsteht Wärme in der sekundären Scherzone an der Schnittstelle von Werkzeug und Span aufgrund von Verformungen im ungeschnittenen Material (z. B. durch ein Zusammenspiel von Scheren und Reibung an der Spanfläche) und die entstandene Wärme wird zum Großteil von einer oder mehreren Spannutflächen aufgenommen. Die untergeordnete Scherzone kennzeichnet sich im Allgemeinen durch die beiden folgenden Regionen: (1) eine Kleberegion nahe der Schneidkante, wo Späne eher an der Spanfläche haften und (2) eine Gleitregion, die sich im Vergleich zur Kleberegion in einem größeren Abstand von der Schneidkante befindet.
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Im Allgemeinen ist die sekundäre Scherzone 29 in der Tat einer großen Wärmeentwicklung an der Spanfläche 13 ausgesetzt und außerdem durch den geformten Span, der dort entlang an der Spannutrückseite 12 verläuft (als Folge der Umwandlung von Reibungsenergie in Wärme). Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wird der Temperaturanstieg in der sekundären Scherzone 29 jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Schneidwerkzeugen vorteilhaft gemindert. Dies geschieht, zumindest teilweise, aufgrund der Tatsache, dass Spanfläche 13 der verringerten Temperatur an Schnittpunkt 39 ausgesetzt ist. Die Schnittstelle wird ihrerseits durch die angrenzende Spanflächenaussparung 22 und die darin gespeicherte Kühlflüssigkeit gekühlt (oder z. B. durch das Durchströmen mit relativ kühler Luft).
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Da die Position der Spanflächenaussparung 22 so gewählt wird, dass sie deckungsgleich mit der sekundären Scherzone 29 ist, insbesondere im radialen, nach innen gerichteten Abschnitt in der Gleitregion des Bereichs, fördert das Vorhandensein der Spanflächenaussparung 22 die Verringerung von Reibung an der Schnittstelle von Spänen und Werkzeug dank der Verkleinerung der Kontaktfläche von Spänen und Werkzeug. Somit wird ein ausgeformter Span ins Innere einer Spannut entlang der Spanfläche geleitet und die Reibung an der Schnittstelle von Werkzeug und Span wird wesentlich gemindert, da kein Material in der Aussparung vorhanden ist und damit keine entsprechende Reibungskraft generiert wird. Daraus kann gefolgert werden, dass die reibungssenkende Funktion der Spanflächenaussparung 22 selbst ohne Einlagerung von Kühlflüssigkeit gefördert wird.
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Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung werden Maßnahmen getroffen, um sicherzustellen, dass trotz der Abwesenheit von Material an der Spanfläche und/oder der Aussparung an der Spannutrückseite ein ausgeformter Span nicht ins Innere einer Aussparung gelangt, um so die Kühlfunktion (und Reibungsminderung) der Aussparung zu beeinträchtigen. Somit können die Rippen 16 und 26 wie in den 1 und 4 bereitgestellt werden, um (mithilfe der Spanfläche 13) einen ausgeformten Span zu stützen, der zunächst ins Schneidwerkzeug eingeführt und dann am Inneren der Spannut entlang ausgegeben wird. Außerdem ist zu bemerken, dass die Maße des geformten Spans, beispielsweise Länge und Breite, im Allgemeinen größer sein können als die entsprechenden Maße von drei oder vier Aussparungen. Somit wird das Verstopfen der Aussparungen überwiegend verhindert aufgrund der kleinen Aussparungsgröße (im Vergleich zur Spandicke) in Verbindung mit den Verstärkungsrippen für die Späne.
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Außerdem verläuft die Fortbewegung der Späne durch das Spannutinnere im Allgemeinen nicht rechtwinklig zur (Längs-)Achse des Werkzeugs, sondern führt über eine im Wesentlichen rechtwinklige Richtung zur peripheren Schneidkante; somit folgen diese im Allgemeinen dem spiralförmigen Winkel der Spannut (dieser beträgt normalerweise zwischen 20–55 Grad) und die Späne werden mit Unterstützung einer Vielzahl von Rippen in das Innere der Spannut geleitet.
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Wie obenstehend erläutert wird durch die Ausführungsformen der Erfindung sichergestellt, dass eine Rippe die strukturelle Beschaffenheit der Spannutoberfläche erhalten kann, auch dann, wenn von dieser Stelle beim Ausformen der versenkten Aussparungen Material abgetragen wird. Als solches und wie in 4 abgebildet hat die axiale Abmessung der Rippenmitte einer Zwischenaussparungsrippe 16, wie gemessen am zwischenliegenden Abschnitt der Begrenzung 28, die im Allgemeinen, jedoch nicht zwangsläufig, sehr nah an der benachbarten Aussparung liegt, einen Mindestwert von 0,001 mm, damit sowohl die Formbeständigkeit als auch die Kühlfunktion jeder Spanflächenaussparung 22 und Aussparung an der Spannutrückseite 24 gewahrt bleibt. Der Höchstwert der axialen Abmessung zur Rippenmitte kann (zum Beispiel) bis zu 0,5–1,0 mm betragen. Die axiale Abmessung des Rippenendes einer dazwischenliegenden Aussparungsrippe 16, wie gemessen am Endabschnitt von Kante 28, die einer Verbindungsfläche von zwei Kanten entspricht, die in unterschiedliche Richtungen führen und im Allgemeinen größer sind als die Rippenmitte, hat einen Mindestwert von 0,1 mm und einen Höchstwert von (zum Beispiel) 1 mm oder reicht von (zum Beispiel) 0,2 mm bis zu 25 % des Werkzeugdurchmessers D. Das minimale Radialmaß einer zwischenreihigen Rippe 26 kann deckungsgleich sein mit den axialen Abmessungen der Rippenmitte und des Rippenendes, wie an den Zwischen- und Endabschnitten der Kante gemessen. Die Rippenmaße werden im Allgemeinen, jedoch nicht zwangsläufig, am entsprechenden Abschnitt der Aussparungskante 28 an der angrenzenden Aussparung genommen.
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Zur Unterstützung der Kühlfunktion einer Aussparung beträgt das axiale Innenmaß L2 einer Aussparung bis zu 75 % der axialen Länge einer peripheren Schneidkante 17 (1) und kann sich im Bereich zwischen 0,3 mm und 100 % des Werkzeugdurchmessers D bewegen. Außerdem ist das radiale Innenmaß L3 einer Aussparung größer als 0,2 mm, beispielsweise zwischen 0,5 mm und 100 % des radialen Innenmaßes L4 der Spannut (2), wie von der peripheren Schneidkante zur Ferse gemessen und möglichst 10–70 % des radialen Innenmaßes L4 der Spannut. Alternativ beträgt das radiale Innenmaß L3 einer Aussparung bis zu 40 % eines Werkzeugdurchmessers D. Das radiale Innenmaß L4 einer Spannut hängt von der Ausgestaltung des jeweiligen Werkzeugs ab und entspricht der halben Differenz von Werkzeugdurchmesser D und Kerndurchmesser D4. Eine Aussparung mit den definierten Maßen kann somit ausreichend Kühlflüssigkeit im Inneren speichern.
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Eine weitere Quelle der Wärmeentwicklung, die den Werkzeugverschleiß wesentlich beschleunigt, ist die Stirnflächenschneidkante 38. Somit können die Aussparungen von Spannutoberfläche und Spannutrückseite auch zum wirksamen Kühlen der Stirnflächenschneidkante 38 dienen, indem diese nahe genug an der Stirnflächenschneidkante 38 positioniert werden. Der „der Abkühlung dienliche“ Abstand der Stirnflächenschneidkante 38 wird sichergestellt, wenn eine Aussparung an den Stirnflächeneinschnitt 42 grenzt und somit an der Stirnflächenschneidkante 38 anliegt oder sich wenigstens in einem axialen Abstand innerhalb von 150 % dazu befindet, z. B. 25 % des Werkzeugdurchmessers D vom Stirnflächeneinschnitt 42, der an die Stirnflächenschneidkante 38 angrenzt.
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In einer abweichenden Ausführungsform kann die Position jeder Aussparung so festgelegt werden, dass diese mit den bekannten Bereichen größerer Wärmeentwicklung zusammenfällt, die typisch sind für das jeweilige Schneidwerkzeug unter Berücksichtigung des Schneidwerkzeugmaterials, des Werkstückmaterials, der Werkzeugabmessungen, der Schnittgeschwindigkeit, der Schnitttiefe und anderer bekannter oder festgelegter Parameter. Ein vorgegebenes Vertiefungsmuster kann daher mit einem dafür vorgesehenen Softwaretool programmiert werden, um die Werkzeugeigenschaften hinsichtlich Temperatur- und Reibungsverringerung zu optimieren. Nachdem ein erster festgelegter Satz von Schneidwerkzeugen nach dem ersten Muster hergestellt wurde, z. B. zur Herstellung eines gewünschten Produkts, kann das Softwaretool rasch neu konfiguriert werden, um mit der Werkzeugmaschine einen zweiten festgelegten Satz von Schneidwerkzeugen nach dem zweiten Muster herzustellen. Somit kann das Vertiefungsmuster eines Schneidwerkzeugs gemäß Kunden- oder Herstelleranforderungen angepasst werden.
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Die 5–13 veranschaulichen neun verschiedene Vertiefungsmuster.
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In 5 definieren je eine Reihe von Spanflächenaussparungen und eine Reihe von Aussparungen an der Spannutenrückseite Muster 50. In 6 definieren drei Vertiefungsreihen, die im Vergleich zur Spannutoberfläche versenkt sind, Muster 55. In 7 definiert eine Reihe von Spanflächenaussparungen Muster 60. In 8 definieren drei Vertiefungsreihen in einem Abstand von der Ferse Muster 65. In 9 definieren vier Vertiefungsreihen Muster 70. In 10 definieren drei Vertiefungsreihen, einschließlich einer Reihe mit einer länglichen Aussparung, Muster 75. In 11 definieren zwei Vertiefungsreihen in einem Abstand von der Ferse, einschließlich einer Reihe länglicher Muster, Muster 80. In 12 definieren zwei Vertiefungsreihen in einem Abstand von der Ferse Muster 90. In 13 definieren vier Vertiefungsreihen Muster 95.
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Die folgenden nicht einschränkenden experimentellen Beispiele demonstrieren die typische Verlängerung der Werkzeuglebensdauer durch Einplanung von Aussparungen, wie hierin ausführlich beschrieben und erläutert.
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Beispiel 1
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Ein Schaftfräser mit einem Durchmesser von 12 mm wird zum seitlichen Schneiden eines Edelstahlwerkstücks mit hoher Zerreißfestigkeit verwendet. Die axiale Schnitttiefe in die Werkstückoberfläche beträgt dabei 12 mm, die Schnittbreite 6 mm, die Schnittgeschwindigkeit 80 m/Min. beim Ansetzen einer Schaftfräserschneidkante an das Werkstück und die Vorschubgeschwindigkeit der Werkstückbewegung zum Schaftfräser hin 0,05 mm/Min. pro Zahn. Während ein herkömmlicher Schaftfräser mit glatten und gänzlich unversenkten Spannuten eine Lebensdauer von 23 Minuten bis zu den vorhersehbaren Anzeichen von Abnutzung als Hinweis auf einen Werkzeugausfall verzeichnete, wies ein hierin ausführlich beschriebener Schaftfräser, mit drei Aussparungen pro Reihe, eine Lebensdauer von 92 Minuten auf, bevor der gleiche Abnutzungsgrad nach dem Schneiden derselben Werkstückart auftrat.
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Beispiel 2
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Ein Schaftfräser mit einem Durchmesser von 12 mm wird zum seitlichen Fräsen eines Edelstahlwerkstücks mit hoher Zerreißfestigkeit verwendet. Die axiale Schnitttiefe in die Werkstückoberfläche beträgt dabei 12 mm, die Schnittbreite 6 mm, die Schnittgeschwindigkeit 80 m/Min. und die Vorschubgeschwindigkeit 0,05 mm/Min. pro Zahn. Während ein herkömmlicher Schaftfräser mit glatten und gänzlich unversenkten Spannuten von übermäßiger Zerspanung nach dem Bearbeiten der Werkstücke mit einem kumulierten Linearmaß von 9,8 m betroffen war, wies ein hierin ausführlich beschriebener Schaftfräser, der mit Aussparungen versehen war, keinerlei Beschädigungen an den peripheren oder den Endschneidkanten auf, nachdem dieselbe Art von Werkstück mit dem identischen kumulierten Linearmaß bearbeitet wurde.
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Kurzgefasst kann aus dem Vorstehenden entnommen werden, dass mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein genutetes Schneidwerkzeug für periphere Schneidanwendungen bietet, das eine Vielzahl von Spannuten umfasst. Jede der Spannuten kann eine Spannutoberfläche aufweisen, die radial von der Spanfläche ausgeht, die an die entsprechende periphere Schneidkante grenzt, und kann mit mindestens einer Aussparung zur verbesserten Kühlung versehen werden. Es kann mindestens eine Aussparung in die Spannutoberfläche eingelassen werden, wodurch die Spanfläche unterbrochen wird, um ein Verkleinern der Kontaktfläche zwischen Span und Spannut zu erleichtern.
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Ferner bietet mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens eine Spannutflächenaussparung: diese ist vollständig von mindestens einer nicht versenkten Rippe umgeben, welche die Grenzen des Innenraums zum Speichern von Kühlflüssigkeit definiert; Festlegen von genügend Abstand, sodass die axiale Länge der inneren Aussparung bis zu 75 % der axialen Länge einer peripheren Schneidkante beträgt und dass die radiale Länge der inneren Aussparung größer als 0,2 mm und bis zu 40 % des Werkzeugdurchmessers ist. Ferner kann mindestens eine Aussparung unter Zuhilfenahme einer Spanflächenrippe von mindestens 0,05 mm von der peripheren Schneidkante räumlich getrennt werden.
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Außerdem bietet zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für jede Reibungsflächenvertiefung eine Maximaltiefe zwischen 50–3.000 Mikrometer.
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Unter einem Gesichtspunkt bietet mindestens eine Ausführungsform der Erfindung eine Schnittstelle zwischen der Spanfläche und der Spanflächenaussparung deckungsgleich mit der sekundären Scherzone an der Schnittstelle von Werkzeug und Spänen, an der die Späne aus einem Werkstück geformt werden, um die Wärmeentwicklung und Reibung zu begrenzen. Die Schnittstelle zwischen der Spanfläche und der Spanflächenaussparung kann in einem Abstand von höchstens 0,3 mm von der Schneidkante entfernt sein.
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Ferner bietet zumindest eine Ausführungsform der Erfindung ein genutetes Schneidwerkzeug, das eine Vielzahl von Spannuten umfasst, von denen jede eine Spannutoberfläche aufweist und mit mindestens einer Aussparung zur verbesserten Kühlung versehen ist, die in die Spannutoberfläche versenkt ist. Mindestens eine Aussparung kann eine innere Aussparung mit folgenden Eigenschaften aufweisen: innere Aussparung mit zwei unterschiedlichen Abmessungen, ohne die Innentiefe, von mindestens 0,3 mm, in denen Kühlflüssigkeit gespeichert werden kann und die sich nahe genug an mindestens einer Schneidkante befinden, um die Kühlung zu unterstützen.
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Unter einem Gesichtspunkt weist zumindest eine Ausführungsform der Erfindung eine Aussparung auf, – die nahe genug an einer Stirnflächenschneidkante zur besseren Kühlung positioniert ist – und sich in einem axialen Abstand innerhalb von 150 % des Werkzeugdurchmessers vom Stirnflächeneinschnitt (der wiederum selbst an der Stirnflächenschneidkante anliegt) befindet.
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Des Weiteren ist mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einem Verfahren zur Maximierung der Wärmeableitung während einer Materialausgabe mit einem genuteten Schneidwerkzeug gewidmet. Ein solches Verfahren kann das Bilden mindestens einer Aussparung zur verbesserten Kühlung umfassen, die in die Spannutoberfläche des Schneidwerkzeugs am entsprechenden Bereich der Spannutoberfläche versenkt wird, in dem eine besondere Reibungsanfälligkeit beim Abtragen des Materials aufgrund mindestens einer der folgenden Faktoren zu erwarten ist: Art des Schneidwerkzeugmaterials, Art des Werkstückmaterials und Anzahl von Spannuten im Schneidwerkzeug. Als solches kann mindestens eine Aussparung vollständig von mindestens einer nicht versunkenen Rippe umschlossen werden, um das Innere einer Aussparung mit zwei unterschiedlichen Abmessungen parallel zur Spannutoberfläche mit mindestens 0,3 mm, worin Kühlflüssigkeit gespeichert werden kann, zu definieren. Das Maschinenwerkzeug kann so betrieben werden, dass das Schneidwerkzeug damit gekoppelt wird, mit der vorgesehenen Werkzeugschneidegeschwindigkeit und der voreingestellten Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks zum Einleiten der Materialabtragung bezugnehmend auf das Werkstück. Beim Materialabtrageprozess geformte Späne können entlang der Spannutoberfläche und über mindestens eine Aussparung hinweg mit Unterstützung einer oder mehrerer an mindestens einer Aussparung angrenzender Rippen bis zur Spanausgabe an einer bestimmten Spannut zur verbesserten Wärmeableitung infolge einer verminderten Kontaktfläche von Span und Spannut geführt werden.
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Unter einem Gesichtspunkt mindestens einer Ausführungsform der Erfindung wird ein anwenderdefiniertes Vertiefungsmuster gebildet, bevorzugt mittels eines Softwaretools, und in die Spannutoberfläche versenkt, sodass dies den jeweiligen reibungsanfälligen Bereichen entspricht.
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Auch wenn einige Ausführungsformen der Erfindung in Form einer Abbildung beschrieben wurden, versteht es sich, dass die Erfindung mit mehreren Änderungen, Variationen und Anpassungen und unter Verwendung zahlreicher ähnlicher und alternativer Lösungen sowie Einbeziehung von Experten auf diesem Gebiet umgesetzt werden kann, sofern im Geltungsbereich der Patentansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5509761 [0005, 0006, 0006, 0007, 0008]
