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Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung mit einem Schneidkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Kühlen eines Schneidkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Werkzeuge zur trennenden Bearbeitung werden im Betrieb stark erhitzt. Aus diesem Grund ist es üblich, bei trennenden Verfahren eine Kühlung vorzusehen, wobei während der Bearbeitung ein Kühlmedium über die Bearbeitungsstelle geleitet wird. Die Temperaturen des Werkzeugs erreichen trotzdem einige hundert Grad und führen zu einer Festigkeitsreduzierung des Werkzeugs und damit einer Verringerung der Standzeit des Werkzeugs. Vor diesem Hintergrund ist es üblich, Schnittgeschwindigkeiten bei der Bearbeitung so zu wählen, dass eine wirtschaftliche Bearbeitung des Werkstücks und zugleich eine hohe Standzeit des Werkzeugs erreicht werden. Das Spannungsfeld zwischen Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung und Standzeit des Werkzeugs kann durch eine verbesserte Kühlung entschärft werden.
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So schlägt die Druckschrift
US 2002/0106250 A1 vor, ein Schneidwerkzeug mit Kühlkanälen zu versehen und während der Bearbeitung ein flüssiges Kühlmittel durch das Schneidwerkzeug zu leiten, um dieses bearbeitungsnah zu kühlen.
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Die US 2008 / 0 279 644 A1 beschreibt einen Schneideinsatz mit Mikrokanälen für die Durchleitung von Kühlmittel.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeuganordnung vorzuschlagen, welche die Effizienz sowie die Effektivität des Kühlvorganges eines Schneidwerkzeugs auf der einen Seite und die Leistungsfähigkeit andererseits erhöht und somit das Spannungsfeld zwischen Schnittgeschwindigkeit und Standzeit des Schneidwerkzeugs weiter entschärft.
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Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeuganordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Werkzeuganordnung, welche zu einer trennenden Bearbeitung eines Werkstücks ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist die Werkzeuganordnung zur zerspanenden Bearbeitung, vorzugweise Drehen oder Fräsen oder Bohren, des Werkstücks ausgebildet und/oder geeignet. Besonders bevorzugt ist das Werkstück ein metallisches Werkstück.
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Die Werkzeuganordnung weist einen Schneidkörper zur trennenden Bearbeitung des Werkstücks auf. Insbesondere ist der Schneidkörper als ein Zerspanungswerkzeug ausgebildet. Vorzugsweise weist der Schneidkörper mindestens eine Schneide, insbesondere eine geometrisch bestimmte Schneide, auf und/oder ist als ein aktiver Schneidkörper ausgebildet. Die Schneide dient insbesondere bestimmungsgemäß zum Trennen des Materials des Werkstücks.
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In dem Schneidkörper ist mindestens ein Kühlkanal zur Durchführung eines Fluids angeordnet. Somit weist der mindestens eine Kühlkanal einen Eingang in den Schneidkörper und einen Ausgang aus dem Schneidkörper auf. Der Schneidkörper kann genau einen Kühlkanal aufweisen. Alternativ kann der Schneidkörper zwei, insbesondere mehr als zwei, vorzugsweise mehr als vier, im Speziellen mehr als zehn einzelne voneinander getrennte Kühlkanäle aufweisen. Der Kühlkanal kann auch Teil eines Kühlkanalnetzes oder einer Kühlkanalstruktur in dem Schneidkörper sein. Vorzugsweise ist der Kühlkanal zumindest abschnittsweise in dem gleichen Materialabschnitt des Schneidkörpers wie die Schneide eingebracht. Der Schneidkörper, umfassend den Kühlkanal oder zumindest einen Teilabschnitt oder Teilbereich des Kühlkanals, ist vorzugsweise einteilig ausgebildet. Insbesondere ist der Schneidkörper unzerlegbar, insbesondere nicht zerstörungsfrei zerlegbar realisiert.
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Ferner weist die Werkzeuganordnung eine Kühlmedienversorgung zur Versorgung des Schneidkörpers mit dem Fluid auf. Das Fluid wird dem Schneidkörper in einem flüssigen Aggregatszustand mit einem Fluidstrom zugeführt. Der Fluidstrom kann beispielsweise als Volumen oder Gewicht pro Zeiteinheit definiert sein. Beim Durchgang des Fluids durch den Schneidkörper wird eine Kühlung des Schneidkörpers durch Konvektion erzeugt. Zur Kühlung des Schneidkörpers erfolgt ein Wärmeentzug aus der Umgebung, insbesondere aus dem Schneidkörper, wobei die entzogene Wärme in das Fluid überführt und durch den Fluidstrom abtransportiert wird. Während des gesamten Kühlprozesses liegt die Temperatur des Fluids unterhalb der Siedetemperatur des Fluids. Somit wird eine reine Konvektion durch den Fluidstrom realisiert, wobei während des Kühlprozesses kein Phasenübergang, insbesondere keine Verdampfung, des Fluids stattfindet. Besonders bevorzugt weist das Fluid eine an dem Eingang gemessene Temperatur von weniger als 50 Grad Celsius, vorzugsweise weniger als 10 Grad Celsius auf. Optional ergänzend kann das Kühlmedium auch gekühlt sein. Insbesondere weist das Kühlmedium eine Temperatur von weniger als 10 Grad, vorzugsweise weniger als 0 Grad, im Speziellen weniger als -10 Grad.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass durch den Fluidstrom eine Minimalmengenkühlung des Schneidkörpers umgesetzt ist. Der Fluidstrom ist kleiner als 20 Milliliter pro Minute ausgebildet. Diese Volumenströme sind sehr klein im Vergleich zu den Volumenströmen, welche erzeugt werden, um die Schneidkörper gemäß dem bekannten Stand der Technik zu kühlen. Insbesondere bei einer Mikrobearbeitung kann sogar ein Fluidstrom kleiner als 10 Milliliter pro Minute verwendet werden. Der Fluidstrom kann z.B. im Rahmen eines Steuerkreises oder Regelkreises, wobei z.B. der Zustand des Fluids nach dem Schneidkörper mittels Sensoren erfasst wird, eingestellt werden. Alternativ oder ergänzend zu dem Zustand des Fluids kann auch der Zustand, insbesondere die Temperatur des Schneidköpers sensorisch erfasst werden und als Eingangsgröße verwendet werden.
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Durch die Erfindung wird somit eine effektivere Kühlung des Schneidkörpers gegenüber dem Stand der Technik erreicht, sodass das Spannungsfeld zwischen Schnittgeschwindigkeit und Standzeit des Schneidkörpers verbessert ist. Unter anderem wird dies mit einer sehr hohen Effizienz an eingesetzter Menge an Kühlmedium möglich. Ferner ist ein kostenoptimierter Einsatz von hochwertigen Kühlmedien, z.B. Flüssigstickstoff, als Fluide ermöglicht, da der Verbrauch des Fluids durch die Minimalmengenkühlung stark reduziert ist.
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Erfindungsgemäß weist der Kühlkanal einen sichelförmigen und/oder L-förmigen Öffnungsquerschnitt auf, wobei der Kühlkanal dabei zu einer Schneide, einer Spanfläche und einer Freifläche des Schneidkörpers mit einem Abstand von weniger als 3 mm und mehr als 1 mm angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist das Fluid in dem Eingang des Kühlkanals mit einem Eingangsdruck in einem Niederdruckbereich von weniger als 20 bar, vorzugsweise weniger als 10 bar, im Speziellen weniger als 5 bar durch die Kühlmedienversorgung beaufschlagbar. Die Druckangaben beziehen sich jeweils auf einen Überdruck über den Normaldruck. Da die Siedetemperatur druckabhängig ist, ist der Eingangsdruck, insbesondere über den Volumenstrom, bevorzugt so eingestellt, dass für die vorherrschenden Druckverhältnisse das Fluid die entsprechende Siedetemperatur nicht übersteigt. Dieser geringe Eingangsdruck wird dadurch möglich, dass der Volumenstrom aufgrund der Minimalmengenkühlung sehr gering ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Kühlkanal als ein Mikrokanal ausgebildet und weist insbesondere an seiner schmalsten Stelle eine freie Querschnittsfläche kleiner als 1 Quadratmillimeter, vorzugsweise kleiner als 0,5 Quadratmillimeter und im Speziellen kleiner als 0,2 Quadratmillimeter auf. Diese geringe Querschnittsfläche wird auch wieder dadurch möglich, dass der Volumenstrom aufgrund der Minimalmengenkühlung sehr gering ist.
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In einer konstruktiven Umsetzung weist der Schneidkörper, insbesondere die Schneide, eine Spanfläche und eine Freifläche auf. Insbesondere grenzen die Spanfläche und die Freifläche an einer Hauptschneide des Schneidkörpers an. Die Hauptschneide bildet vorzugsweise den bei der Bearbeitung wirksamen Teil des Schneidkörpers, welcher, insbesondere an einer Zerspanstelle, in das Werkstück eindringt, sodass ein Span bzw. Späne abgetrennt wird/werden. Insbesondere ist die Spanfläche die Fläche, über die der Span abgleitet. Die Freifläche ist insbesondere die Fläche, die der bearbeiteten Werkstückoberfläche zugewandt ist. Zwischen der Freifläche und der bearbeiteten Werkstückoberfläche ist ein sogenannter Freiwinkel gebildet.
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Mindestens ein Ausgang des Kühlkanals ist bevorzugt in der Spanfläche und/oder der Freifläche des Schneidkörpers angeordnet.
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Der Kühlkanal verläuft vorzugsweise in der Nähe der Schneidkante im Inneren des Schneidkörpers. Erfindungsgemäß ist der Kühlkanal dabei zu der Schneide, vorzugsweise zu der Spanfläche und/oder der Freifläche, mit einem Abstand von weniger als 3 Millimeter angeordnet. Ergänzend beträgt der Abstand mehr als 1 mm. Der Kühlkanal kann insbesondere mehr als zwei, vorzugsweise mehr als vier, im Speziellen mehr als sechs Ausgänge aufweisen. Bevorzugt ist der Kühlkanal im Inneren des Schneidkörpers als eine verzweigte Kühlkanalstruktur ausgebildet, wobei jedem abgezweigten Teilstück des Kühlkanals ein Ausgang zugeordnet ist. Die Ausgänge können ausschließlich in der Spanfläche oder der Freifläche angeordnet sein. Alternativ kann mindestens einer der Ausgänge in der Spanfläche und mindestens einer der Ausgänge in der Freifläche angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Kühlkanal zwischen dem Eingang und dem Ausgang bzw. den Ausgängen geschlossen und/oder durchgängig und/oder ununterbrochen ausgebildet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ausgang außerhalb eines Bearbeitungsbereichs am Schneidkörper angeordnet. Insbesondere ist der Ausgang als ein freier Ausgang ausgebildet. Der Bearbeitungsbereich ist der Bereich der alle Flächen am Schneidkörper, an denen insbesondere Verschleiß auftritt, und den Bereich des Werkstücks, in dem Arbeit verrichtet wird umfasst. Bevorzugt wird in dem Bearbeitungsbereich der Span gebildet. Bei der Bearbeitung des Werkstücks entstehen u.a. aufgrund der Verformungs-, Scher- und Trennarbeit sowie der Reibung an dem Werkstück in dem Bearbeitungsbereich und an der Hauptschneide hohe Temperaturen. Diese Temperaturen führen zu einer Erhitzung der Hauptschneide und Erwärmung des Schneidkörpers und folglich zu einem vorschnellen Verschleiß der Hauptschneide.
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Das Fluid tritt außerhalb des Bearbeitungsbereiches aus, wobei insbesondere ein offener Fluidkreislauf umgesetzt ist. Das Fluid ist vorzugsweise nach passieren des Ausgangs des Kühlkanals drucklos. Der Ausgangsdruck entspricht insbesondere dem Umgebungsdruck. Durch die Anordnung des Ausgangs außerhalb des Bearbeitungsbereiches kann einerseits der Schneidkörper selbst und andererseits das Werkstück, insbesondere die fertig bearbeitete Werkstückoberfläche, zur Verbesserung der Maßhaltigkeit gekühlt werden. Vorzugsweise können außerhalb des Bearbeitungsbereiches mehrere der Ausgänge angeordnet sein, wobei bei Austritt des Fluids beispielsweise ein Vollstrahl oder eine Art Kühlnebel oder Kühlwolke erzeugt wird, sodass die bearbeitete Werkstückoberfläche und/oder die Spanfläche und/oder die Freifläche am Schneidkörper abgekühlt wird. Bevorzugt sind der oder die Ausgänge vom Bearbeitungsbereich weggerichtet. Alternativ oder optional ergänzend ist mindestens oder genau einer der Ausgänge zum Bearbeitungsbereich ausgerichtet. Insbesondere ist durch den Austritt des als Schmiermedium ausgeführten Fluids außerhalb des Bearbeitungsbereiches ein gleichmäßiger und/oder dauerhafter Zufluss und somit eine konstante Kühlung und/oder Schmierung in dem Bearbeitungsbereich, gewährleistet, sodass der Verschleiß der Hauptschneide reduziert ist und die Qualität der Werkstückoberfläche gegenüber der reinen Trockenbearbeitung verbessert wird.
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Alternativ kann der Fluidkreislauf geschlossen ausgebildet sein, wobei das Fluid in der Werkzeuganordnung, insbesondere dem Schneidkörper, zirkuliert. Vorzugsweise kann somit eine größere Auswahl an Fluiden, z.B. umweltschädliche Fluide etc., verwendet werden, wobei durch den geschlossenen Fluidkreislauf ein abgedichtetes Kühlsystem geschaffen ist. Insbesondere kann durch den geschlossenen Fluidkreislauf das Werkstück trocken bearbeitet werden.
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Durch die Erfindung wirkt die Minimalmengenkühlung vorzugsweise unmittelbar auf den Schneidkörper selbst. Die Temperatur wird dadurch in dem Bearbeitungsbereich nur indirekt beeinflusst, da die Wärme zuerst dem Schneidkörper und nicht dem Werkstück selbst entzogen wird. Somit kann eine unnötige Herabsetzung der Fließfähigkeit des Werkstückwerkstoffes vermieden werden. Dadurch lässt sich vorzugsweise das Werkstück leichter zerspanen, wobei insbesondere der Werkstückwerkstoff mit weniger Reibung, d.h. innerem und äußerem Widerstand fließt. Ebenfalls wird die Prozessstabilität optimiert, da zu jedem Zeitpunkt im Zerspanvorgang eine gleichmäßige Kühlung, z.B. sogar bei einem unterbrochenen Schnitt, des Schneidkörpers sichergestellt und bspw. negative Thermoschockeffekte auf die Werkzeugschneide gemindert werden können.
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In der erfindungsgemäßen konstruktiven Umsetzung weist der Kühlkanal einen sichelförmigen und/oder einen L-förmigen Öffnungsquerschnitt auf. Insbesondere kann durch den beschriebenen Öffnungsquerschnitt die wirksame Oberfläche im Verhältnis zum Kanalvolumen des Kühlkanals erhöht bzw. maximiert werden, wobei das Kanalvolumen und/oder der freie Öffnungsquerschnitt bevorzugt entsprechend der genannten bevorzugten Werte als Mikrokanal ausgebildet ist. Somit bietet die spezielle Kanalform ein größtmögliches Verhältnis von wirksamer Oberfläche im Kühlkanal zum eingenommenen Kanalvolumen bzw. Kanalquerschnitt. Bevorzugt kann die Oberfläche des Kühlkanals glatt und/oder gerade ausgebildet sein. Alternativ oder optional ergänzend kann der Kühlkanal eine Strukturierung der Oberfläche aufweisen. Insbesondere kann der Kühlkanal eine wellige oder eine wabenstrukturförmige oder eine isotrope oder anisotrope oder eine raue Oberflächenstruktur aufweisen. Im Speziellen ist der Kühlkanal in Bezug auf die Hauptschneide symmetrisch und/oder zentrisch und/oder äquidistant und/oder beliebig orientiert bzw. angeordnet.
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In einer weiteren Konkretisierung ist das Fluid als Kühlschmierstoff ausgebildet. Insbesondere dient der Kühlschmierstoff zur Wärmeabfuhr und Verminderung der Reibung zwischen dem Schneidkörper und dem Werkstück. Prinzipiell kann der Kühlschmierstoff als nichtwassermischbarer Kühlschmierstoff ausgebildet sein, welcher sich insbesondere durch eine hohe Schmierwirkung auszeichnet. Bevorzugt jedoch ist der Kühlschmierstoff als ein wassermischbarer Kühlschmierstoff, insbesondere eine Emulsion, ausgebildet, welcher sich insbesondere durch eine gute Wärmeabfuhr auszeichnet. Der Kühlschmierstoff entzieht somit beim Durchgang durch den Schneidkörper, dem Schneidkörper Wärme und wird bei Austritt durch Rotation des Werkstückes anschließend in den Bearbeitungsbereich transportiert, wobei eine zusätzliche Schmierung in dem Bearbeitungsbereich erfolgt.
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Alternativ ist das Fluid wasserbasiert oder als Wasser ausgebildet ist. Da Wasser als Fluid unschädlich ist, wenn dieses frei in die Umgebung entlassen wird, ist es bevorzugt, dass der Fluidkreis als ein offener Fluidkreis ausgebildet ist. Das Wasser kann außerhalb des Bearbeitungsbereichs entlassen werden. Alternativ kann der Fluidkreis jedoch auch als ein geschlossener Fluidkreislauf ausgebildet sein, wobei das Wasser in dem Fluidkreislauf zirkuliert und dem System nach Abkühlung wieder zuführbar ist. Besonders bevorzugt ist das Wasser als entkalktes Wasser oder deionisiertes Wasser ausgebildet, um Ablagerungen in dem Kühlkanal zu vermeiden und/oder zusätzlich mineralisiert zur Erhöhung der Kühlfähigkeit. Darüber hinaus kann das Fluid in gekühlter Form dem Bearbeitungsbereich zugeführt werden, wobei das Fluid weniger als 20°C, vorzugsweise weniger als 10°C, im speziellen kleiner als 0°C aufweist
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Der Schneidkörper kann als ein stationäres oder als ein bewegtes Werkzeug ausgebildet sein. Der Schneidkörper kann z.B. als ein Vollkörperwerkzeug oder als Schneidkörper eines Trägerwerkzeugs ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Schneidkörper als ein Schaftfräser, wie zum Beispiel ein Schruppfräser, Schlichtfräser, als ein Fräskopf oder als ein Walzenfräser oder als ein Bohrer, eine Reibahle, ein Räumwerkzeug etc. ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist der Schneidkörper jedoch als eine Schneidplatte, besonders bevorzugt als eine Wendeschneidplatte, realisiert. Die Schneidplatte ist in dem Trägerwerkzeug aufgenommen. Vorzugsweise weist das Trägerwerkzeug Fluidbohrungen zur Versorgung des Schneidkörpers mit dem Fluid auf.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Schneidkörpers, wobei der Schneidkörper so ausgebildet ist, wie dies zuvor beschrieben wurde. Das Verfahren wird in der erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung umgesetzt, wie diese zuvor beschrieben wurde. Der Schneidkörper wird bei einer trennenden Bearbeitung des Werkstücks erhitzt. Das Fluid wird in dem flüssigen Aggregatszustand durch den Kühlkanal in dem Schneidkörper durchgeführt. Der Schneidkörper wird durch Konvektion bei der Durchführung des Fluids durch den Schneidkörper gekühlt. Die Temperatur des Fluids liegt bei dem Durchgang durch den
Schneidkörper unterhalb der Siedetemperatur.
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Die Tabelle A beschreibt mehrere Kühl- und/oder Schmiermethoden für die Werkzeuganordnung, insbesondere den Schneidkörper. Bevorzugt ist das Fluid als Kühlmedium und/oder Schmiermedium einsetzbar. Insbesondere kann das Fluid für eine Überflutungskühlschmierung und/oder eine für eine Minimalmengenschmierung und/oder für eine Minimalmengenkühlung, bzw. eine Kombination dieser Verfahren, eingesetzt werden. Das Fluid ist bevorzugt als Wasser oder ein Öl oder ein Kühlschmierstoff (KSS) oder als Kryogen oder als ein Spezialmedium ausgebildet.
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Vorzugsweise ist das als Wasser oder Öl oder Kühlschmierstoff (KSS) oder Kryogen oder als Spezialmedium ausgebildete Fluid für eine Minimalmengenkühlung oder einer Kombination aus Minimalmengenkühlung und Überflutungskühlschmierung bzw. Minimalmengenschmierung einsetzbar. Ferner ist das als Öl oder Kühlschmierstoff oder Kryogen ausgebildete Fluid auch nur für eine Überflutungskühlschmierung oder nur für eine Minimalmengenschmierung einsetzbar. Tabelle A:
| A) | Strategien | Kombinationskühlung |
| Medien* | ohne Kühlung/ Schmierung trocken | Überflutungskühlschmierung ÜFKS | Minimalmengen-Schmierung MMS | Minimalmengen-Kühlung MMK | Minimalmengen-Kühlung & Schmierung MMS**+MMK | Überflutung + Mlnlmalmengen-Kühlung ÜFKS**+MMK |
| Wasser | - | - | - | | | |
| Öl / Öl-ähnlich | - | X | X | | | |
| KSS | - | X | X | | | |
| Kryogen | - | X | X (mit Öl) | | | |
| Spezialmedien | - | - | - | | | |
Legende: X = Stand der Technik; = bevorzugt; - = nicht sinnvoll; *Kombinationen von Medien möglich; **bezieht sich auf Medien laut Stand d. Technik
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Die Tabelle B beschreibt mehrere Ausgestaltungsmöglichkeiten des Fluidkreislaufs, wobei insbesondere die Zufuhr des Fluids, die Ausgestaltung des Kreislaufs sowie die Wirkstelle des Fluids berücksichtigt werden. Bei einer externen Zufuhr des Fluids (B.1), beispielsweise bei der Überflutungskühlschmierung ÜFKS, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper, das Werkstück und den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf insbesondere offen ausgestaltet ist.
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Bei einer Zufuhr des Fluids aus dem Inneren des Schneidkörpers und/oder aus dem Inneren eines Werkzeugträgers (B.2) nach außen hin, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper, das Werkstück und den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf insbesondere offen ausgestaltet ist. Beispielsweise kann bei einer externen Kühlung bzw. Schmierung das Fluid von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatszustand übergehen.
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Bei einer bevorzugten internen Zufuhr des Fluids (B.3), insbesondere bei der Minimalmengenkühlung, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper und/oder auf das Werkstück und/oder auf den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf vorzugsweise offen ausgestaltet ist. Besonders bevorzugt ist der Fluidkreislauf bei der offenen Ausgestaltung insbesondere in dem Bearbeitungsbereich geschlossen ausgestaltet. Bei einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der internen Zufuhr insbesondere bei der Minimalmengenkühlung, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper und/oder das Werkstück und/oder den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf vorzugsweise geschlossen ausgestaltet ist.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung des Kühlkanals als Heatpipe (B.4) wirkt das Fluid auf den Schneidkörper, wobei der Fluidkreislauf insbesondere geschlossen ausgestaltet ist. Tabelle B:
| B) | Zufuhr |
| | | B.2: von innen | | |
| Wirkstelle | B.1: extern | nach außen* | B.3: Intern | B.4: Heatpipe |
| nur WZ | - | - | | X |
| nur WS | X | - | - | - |
| nur BB | - | - | - | - |
| nur WZ+WS | - | - | | - |
| WZ+WS+BB | X | X | | - |
| Kreislauf | | | | |
| offen | X | X | | - |
| geschlossen | - | - | | X |
*durch den Halter auf die WSP oder durch die WSP
Legende:
- WZ
- Werkzeug als der Schneidkörper und/oder das Trägerwerkzeug
- WS
- Werkstück
- BB
- Bearbeitungsbereich
- X =
- Stand der Technik; = MMK; - = nicht zutreffend
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Die Tabelle C beschreibt eine Ableitung bevorzugter Kühlstrategien aus der Kombination der in den Tabellen A und B beschriebenen Ausgestaltungs- bzw. Verfahrensvarianten. Besonders bevorzugt ist die Wirkungsweise der Minimalmengenkühlungen bei allen Fluidarten durch Konvektion umgesetzt.
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Für das als Wasser, Öl oder Kühlschmierstoff ausgebildete Fluid weist die Minimalmengenkühlung bevorzugt einen offenen Fluidkreislauf auf, wobei die Wirkstelle des Wassers insbesondere am Schneidkörper oder am Schneidkörper und Werkstück umgesetzt ist.
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Bei Einsatz von Wasser kann die Zufuhr auch bevorzugt geschlossen ausgeführt werden, wobei die Wirkstelle des Wassers insbesondere am Schneidkörper umgesetzt ist.
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Für das als Kryogen ausgebildete Fluid weist die Minimalmengenkühlung bevorzugt einen offenen oder geschlossenen Fluidkreislauf auf, wobei die Wirkstelle des Kryogens insbesondere am Schneidkörper oder am Schneidkörper und am Werkstück umgesetzt ist.
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Für das als Spezialmedium ausgebildet Fluid weist die Minimalmengenkühlung bevorzugt einen geschlossenen Fluidkreislauf, insbesondere für giftige und/oder umweltschädliche Fluide, auf, wobei die Wirkstelle des Spezialmediums insbesondere ausschließlich am Schneidkörper umgesetzt ist.
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In einer weiteren Umsetzung sind aus der Tabelle C verschiedene kombinierte Strategien, insbesondere eine Kühl- und Schmierstoffkombination, ableitbar. In einer ersten möglichen Variante ist eine Minimalmengenkühlung in Kombination mit einer Überflutungskühlschmierung umgesetzt. Bevorzugt ist als Schmiermedium Öl oder Kühlschmierstoff und als Kühlmedium bevorzugt Wasser oder Kryogen oder das Spezialmedium einsetzbar. Alternativ möglich ist auch das Öl oder Kühlschmierstoff als Kühlmedium für MMK einsetzbar.
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In einer zweiten möglichen Variante ist eine Minimalmengenkühlung in Kombination mit einer Minimalmengenschmierung umgesetzt. Bevorzugt ist als Schmiermedium Öl und als MMK-Kühlmedium bevorzugt Wasser oder Kryogen oder das Spezialmedium einsetzbar. Alternativ möglich ist auch das Öl oder Kühlschmierstoff als MMK-Kühlmedium einsetzbar. Tabelle C:
| Ableitung bevorzugter Kühlstrategien (A + B) |
| = bevorzugt |
| X = möglich | |
| MMK-Strategien | *2 nur geschlossen da z.B. giftig |
| | MMK | | | | |
| Zufuhr offen | Wasser | Öl / Öl-ähnlich | KSS | Kryogen | Spezialmedien*2 - |
| geschlossen | | X | X | | |
| Wirkstelle | | | | | |
| WZ | | | | | |
| WZ+WS | | | | | - |
| WZ-WS+BB | X | X | X | - | - |
| Wirkungsweise Konvektion | | | | | |
| | | | | | |
| Kombi-Strategien | | | | | |
| | MMK | | | | |
| ÜFKS | Wasser | Öl / Öl-ähnlich | KSS | Cryogen | Spezialmedien*2 |
| Öl / Öl-ähnlich | | X | X | | |
| KSS | | X | X | | |
| (2) | | | | | |
| Öl / Öl-ähnlich | | X | X | | |
| cryogen + Öl | X | X | X | X | X |
Legende: X= möglich; = bevorzugt; - = nicht zutreffend
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Werkzeuganordnung mit einem Schneidkörper zur trennenden Bearbeitung eines Werkstücks;
- 2 eine Detailansicht des Schneidkörpers mit einer ersten Ausführungsvariante des Kühlkanals;
- 3a, b den Schneidkörper in gleicher Darstellung wie 2 mit einer zweiten und einer dritten Ausführungsvariante des Kühlkanals;
- 4 den Schneidkörper in gleicher Darstellung wie 2 mit einer vierten Ausführungsvariante des Kühlkanals;
- 5a - 5d eine Schnittdarstellung des Schneidkörpers mit verschiedenen Querschnittsformen des Kühlkanals.
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1 zeigt eine Werkzeuganordnung 1 zur trennenden Bearbeitung eines Werkstücks 2, welches beispielsweise aus Stahl gefertigt ist. Die trennende Bearbeitung ist insbesondere als ein Drehvorgang ausgebildet. Die Werkzeuganordnung 1 umfasst ein Werkzeug, welches einen Werkzeugträger 3 und einen Schneidkörper 4 aufweist. Der Schneidkörper 4 ist in dem Werkzeugträger 3 fixiert und wird beispielsweise durch eine nicht dargestellte Spannvorrichtung gehalten. Der Schneidkörper 4 ist stationär angeordnet. In diesem Beispiel ist der Schneidkörper 4 als eine Wendeschneidplatte mit einer rautenförmigen Grundform ausgebildet. Die Wendeschneidplatte weist eine maximale Länge von kleiner als 2 Zentimeter, in diesem Beispiel von ca. 1 Zentimeter auf. Die Wendeschneidplatte ist vollständig aus Hartmetall gebildet oder weist ein Grundsubstrat aus Hartmetall mit einer eingesetzten Hauptschneide 5 aus kubischen Bornitrid (CBN) auf.
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Mit der Hauptschneide 5 des Schneidkörpers 4 wird das Werkstück 2 trennend bearbeitet. Hierzu rotiert das Werkstück 2 um eine Rotationsachse R und der Schneidkörper 4 wird relativ zu dem Werkstück 2 zugestellt, wobei wahlweise das Werkstück 2 oder das Werkzeug oder beide bewegt werden. Die trennende Bearbeitung erfolgt durch die Hauptschneide 5 in einem Bearbeitungsbereich 6, insbesondere Spanbildungsbereich. Die Hauptschneide 5 ist durch eine geometrisch bestimmte Schneide gebildet bzw. ein Bestandteil dieser.
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Bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 entstehen u.a. aufgrund der Verformungs-, Scher- und Trennarbeit sowie der Reibung an Werkstück 2 in dem Bearbeitungsbereich 6 und an der Hauptschneide 5 hohe Temperaturen. So ist es üblich, dass eine Schnittgeschwindigkeit bei der trennenden Bearbeitung so eingestellt wird, dass Temperaturen größer als 500 Grad °C oder größer als 700 °C und insbesondere bis zu 800 Grad °C im Speziellen über 1000 °C in dem Bearbeitungsbereich 6 auftreten. Diese Temperaturen führen zu einer Erhitzung der Hauptschneide 5 und Erwärmung des Schneidkörpers 4 und folglich zu einem vorschnellen Verschleiß der Hauptschneide 5.
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Die Werkzeuganordnung 1 weist eine Kühlmedienversorgung 7 auf, welche den Schneidkörper 4 mit einem Fluid versorgt. Die Kühlmedienversorgung 7 weist beispielsweise eine Kühlmittelpumpe auf oder ist als ein Anschluss an eine Fluidversorgung, insbesondere Wasserversorgung ausgebildet.
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Bei der Kühlung handelt sich hierbei um eine innere Kühlung des Schneidkörpers 4, wobei der Schneidkörper 4 einen oder mehrere Kühlkanäle 8 aufweist. Der Kühlkanal 8 kann auch als eine Kühlstruktur in dem Schneidkörper 4 ausgebildet sein. Der Kühlkanal 8 weist einen oder mehrere Eingänge 9 sowie einen oder mehrere Ausgänge 10 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ausgang 10 außerhalb des Bearbeitungsbereichs 6 angeordnet.
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Die Kühlmedienversorgung 7 transportiert das Fluid in einem flüssigen Zustand zu dem Eingang 9, sodass dieses durch den Kühlkanal 8 strömt. Der Kühlkanal 8 ist dabei so positioniert, dass dieser in der Nähe, z.B. kleiner als 1 mm, von dem Bearbeitungsbereich 6 und/oder der Hauptschneide 5 verläuft. Das Fluid wird dem Schneidkörper 4 mit einem geringen Überdruck von zum Beispiel kleiner als 5 bar, vorzugsweise kleiner als 2 bar, insbesondere mit 1 bar Überdruck zugeführt.
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Als Fluid kann beispielsweise Wasser oder ein Kühlschmierstoff verwendet werden. Ein Fluidstrom, welcher als Milliliter pro Minute definiert sein kann, ist gering eingestellt, sodass die Werkzeuganordnung 1 eine Minimalmengenkühlung umsetzt. Der Fluidstrom ist dabei so gewählt, dass während der trennenden Bearbeitung des Werkstücks 2, also in einem kontinuierlichen Betrieb, das Fluid über den Eingang 9 in einem flüssigen Aggregatszustand zugeführt wird und aus dem oder den Ausgängen 10 als flüssiges Fluid wieder austritt. Während des Durchlaufs durch den Schneidkörper 4 erfolgt somit im Bereich der Schneidecke 5 ein Wärmentzug über Konvektion des Fluids, wobei die Temperatur des Fluids dauerhaft unterhalb der Siedetemperatur des Fluids liegt.
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Die aufgenommene Wärmeenergie wird über den Fluidstrom abtransportiert, wobei der Fluidstrom beispielsweise kleiner als 20 Milliliter pro Minute gewählt ist. Durch die Minimalmengenkühlung kann eine signifikante Kühlung des Schneidkörpers 4, insbesondere im Bereich der Hauptschneide 5 erreicht werden, wobei eine minimale Menge an Fluid verbraucht bzw. benötigt wird.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schneidkörper 4 als eine Wendeschneidplatte ausgebildet, das Kühlprinzip kann jedoch prinzipiell auf jeden Schneidkörper 4 mit einer definierten geometrischen Schneide oder sogar mit einer nichtdefinierten Schneide umgesetzt werden. Besonders einfach ist die Kühlung bei einem stationären Schneidkörper 4 umsetzbar. Es ist jedoch auch möglich, dass der Schneidkörper 4 während der trennenden Bearbeitung rotiert wird, in diesem Fall müssen Eingang 9 und Ausgang 10 und/oder die Zuführung entsprechend angepasst werden.
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2 zeigt einen Detailausschnitt des Schneidkörpers 4 mit der Hauptschneide 5. Der Schneidkörper 4 weist eine Spanfläche 11 und eine Freifläche 12 auf, wobei die Spanfläche 11 und die Freifläche 12 an die Hauptschneide 5 angrenzen. Die Hauptschneide 5 bildet den bei der Bearbeitung wirksamen Teil des Schneidkörpers 4, welcher in dem Bearbeitungsbereich 6, wie in 1 dargestellt, in das Werkstück 2 eindringt. Dabei wird durch die Hauptschneide 5 ein Span bzw. Späne abgetrennt, welche über die Spanfläche 11 abgleitet. Die Freifläche 12 ist die Fläche des Schneidkörpers 4, die der durch die Hauptschneide 5 bearbeiteten Werkstückoberfläche zugewandt ist. Die Freifläche 12 ist insbesondere zu der Werkstückoberfläche geneigt, sodass ein so genannter Freiwinkel gebildet ist.
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Der Kühlkanal 8 weist genau einen Ausgang 10 auf, wobei der Ausgang 10 als ein freier Ausgang ausgebildet ist. Der Ausgang 10 ist in der Freifläche 12 in der Nähe der Hauptschneide 5 angeordnet. Insbesondere ist der Ausgang 10 außerhalb des Bearbeitungsbereiches 6 angeordnet. Somit weist der Kühlkanal 8 einen offenen Fluidkreislauf auf, wobei das Werkstück 2 zusätzlich in dem Bearbeitungsbereich 6 je nach Art des Fluids zusätzlich geschmiert und/oder gekühlt wird.
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Die 3a, b zeigen zwei alternative Ausführungsformen des Kühlkanals 8, wie dieser bereits in 2 beschrieben wurde. Der Kühlkanal 8 ist als eine verzweigte Kanalstruktur ausgebildet und weist mehrere Abzweigungen auf, wobei jeder Abzweigung einer der Ausgänge 10 zugeordnet ist. Das Fluid ist nach Passieren der Ausgänge 10 drucklos, wobei der Ausgangsdruck dem Umgebungsdruck entspricht. Durch die mehreren Ausgänge 10 kann einerseits der Schneidkörper 4 und andererseits das Werkstück 2 in dem Bearbeitungsbereich 6 gekühlt und/oder geschmiert werden. Beispielsweise wird nach Austritt des Fluids eine Emulsionswolke erzeugt, welche beispielsweise die Werkstückoberfläche kühlt und zugleich mit einem Schmierfilm überzieht.
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In der in 3a gezeigten Ausführung weist der Kühlkanal 8 zwei der Ausgänge 10 auf, wobei der erste und der zweite Ausgang 10a, b jeweils in der Freifläche 12 angeordnet ist. Der erste und/oder der zweite Ausgang 10a, b sind außerhalb des Bearbeitungsbereiches 6 angeordnet. Dabei sind die beiden Ausgänge 10a, b von dem Bearbeitungsbereich 6 weggerichtet, sodass das Fluid dem Bearbeitungsbereich 6 indirekt oder mittelbar zugeführt wird.
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In der in 3b dargestellten Ausführung weist der Kühlkanal 8 drei der Ausgänge 10 auf, wobei der erste und der zweite Ausgang 10a, b in der Freifläche 12 und ein dritter Ausgang 10c in der Spanfläche angeordnet sind. Der dritte Ausgang 10c ist dabei in Richtung des Bearbeitungsbereichs 6 gerichtet, sodass das Fluid dem Bearbeitungsbereich 6 direkt oder unmittelbar zugeführt wird.
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4 zeigt in gleicher Darstellung wie 2 den Schneidkörper 4 mit der Hauptschneide 5 mit einer alternativen Ausführung des Kühlkanals 8. Der Kühlkanal 8 ist beispielsweise als ein geschlossener Fluidkreislauf ausgebildet oder ist zumindest in den Bearbeitungsbereich 6 geschlossen ausgebildet. Der Kühlkanal 8 verläuft in der Nähe der Hauptschneide 5 innerhalb des Schneidkörpers 5, sodass eine innere Kühlung des Schneidkörpers 4 umgesetzt ist. Eine Kühlung des Schneidkörpers 4 erfolgt dabei durch eine reine Konvektion, welche durch den Fluidstrom realisiert ist.
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Die 5a, b, c, d, zeigen in einer Schnittdarstellung durch den Schneidkörper 4 verschiedene Querschnittsformen des Kühlkanals 8, wobei 5a eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt. Der Kühlkanal 8 ist als ein Mikrokanal ausgebildet und weist beispielsweise eine freie Querschnittsfläche A von weniger als 0,5 mm2 auf. Der Kühlkanal 8 ist mit einem erstem Abstand Xf zu der Freifläche 12 und mit einem zweitem Abstand Xs zu der Spanfläche 11 beabstandet. Beispielsweise beträgt der erste und/oder der zweite Abstand weniger als 3 mm. Der Kühlkanal 8 kann eine glatte Oberfläche im Inneren des Kühlkanals 8 aufweisen. Alternativ kann der Kühlkanal 8 jedoch auch eine Strukturierung der Oberfläche aufweisen. Beispielweise kann hierzu der Kühlkanal 8 z.B. eine geriffelte oder eine wellige etc. Oberflächenstrukturierung aufweisen.
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In der in 5a gezeigten nicht erfindungsgemäßen Darstellung weist der Kühlkanal 8 einen runden Öffnungsquerschnitt auf, wobei der Öffnungsquerschnitt an jeder Stelle des Kühlkanals 8 die gleiche Querschnittsfläche A aufweist.
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In den 5c, b weist der Kühlkanal 8 einen sichelförmigen Öffnungsquerschnitt auf, wobei der Kühlkanal 8 beispielsweise die gleiche Querschnittsfläche A, wie der in 5a dargestellte Kühlkanal 8 aufweist. Alternativ kann der Kühlkanal 8 jedoch einen nicht dargestellten halbmondförmigen Öffnungsquerschnitt aufweisen. Somit bietet der sichelförmige Öffnungsquerschnitt ein größtmögliches Verhältnis von wirksamer Oberfläche im Kühlkanal 8 zum eingenommenen Kanalvolumen bzw. der Querschnittsfläche A. Je nach Priorität des kühlenden Abschnitts des Schneidkörpers 4 kann der Kühlkanal 8 entsprechend ausgerichtet sein.
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In der 5b ist der Kühlkanal 8 in Richtung der Spanfläche 11 ausgerichtet, sodass die Kühlwirkung des Fluids in diesem Bereich erhöht ist. In der 5c ist der Kühlkanal 8 in Richtung der Hauptschneide 5 hin ausgerichtet, wobei die Hauptschneide 5 sowie die Spanfläche 11 und/oder die Freifläche 12 in der Nähe der Hauptschneide 5 eine verbesserte Kühlwirkung aufweist.
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In der 5d ist der Kühlkanal 8 L-förmig ausgebildet. Ein erster Schenkel des Kühlkanals 8 erstreckt sich beispielsweise parallel zu der Spanfläche 11 und ein zweiter Schenkel erstreckt sich beispielsweise parallel zu der Freifläche 12. Beispielsweise können der erste und der zweite Schenkel gleich lang ausgebildet sein. Alternativ können die beiden Schenkel unterschiedlich lang ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeuganordnung
- 2
- Werkstück
- 3
- Werkzeugträger
- 4
- Schneidkörper
- 5
- Hauptschneide
- 6
- Bearbeitungsbereich
- 7
- Kühlmedienversorgung
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Eingang
- 10
- Ausgang
- 10a
- erster Ausgang
- 10b
- zweiter Ausgang
- 10c
- dritter Ausgang
- 11
- Spanfläche
- 12
- Freifläche
- A
- Querschnittsfläche
- R
- Rotationsachse
- Xf
- Abstand (Freifläche)
- Xs
- Abstand (Spanfläche)
