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Gebiet der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feinbearbeiten der Zahnflanken vorverzahnter und gehärteter Werkstücke, wobei ein Feinbearbeitungswerkzeug Bearbeitungszähne mit nicht abrasiven, sondern glättenden, und einebnenden, die Vorverzahnung aufweisenden Bearbeitungszahnflanken aufweist, die von auf einer Oberfläche eines Stahlgrundkörpers aufgebrachten Reibstoffpartikeln ausgebildet sind.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Feinbearbeiten von vorverzahnten und gehärteten Werkstücken, ein Feinbearbeitungswerkzeug und ein Verfahren zur Fertigung eines derartigen Feinbearbeitungswerkzeuges.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2015 120 556 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem verzahnte und gehärtete Werkräder zunächst durch einen Wälzschälprozess auf eine Form gebracht werden. Eine Feinbearbeitung erfolgt nachfolgend mit einem Feinbearbeitungswerkzeug, wobei das Feinbearbeitungswerkzeug ein Honwerkzeug ist.
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Die
DE 10 2015 121 523 A1 beschreibt ein Verfahren zur Schrupp- und Feinbearbeitung von Zahnrädern, wobei die Schruppbearbeitung durch Wälzschälen erfolgt. Zur Feinbearbeitung wird ein abrasive Flanken aufweisendes Werkzeug verwendet, wobei die abrasiven Flanken von Reibstoffpartikelchen gebildet sind, die galvanisch an Oberflächen von Stahlgrundkörpern gebunden sind.
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Bei der Fertigung von insbesondere innenverzahnten Zahnrädern und insbesondere von Sonnenrädern eines Planetengetriebes wird die Laufruhe des Getriebes von der Oberflächeneigenschaft der Zähne des Zahnrades in hohem Maße beeinflusst. Je glatter die Oberflächen, desto geringer sind die Laufgeräusche.
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Zur Feinbearbeitung von Werkstücken werden Honräder verwendet, die mit besonderen Abrichtwerkzeugen abgerichtet werden. Die derartig feinbearbeiteten Zahnflanken von Zahnrädern sind hinsichtlich ihrer Glattheit aber noch verbesserungswürdig.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Feinbearbeiten von verzahnten Werkrädern hinsichtlich einer Verminderung der Laufgeräusche von Zahnradgetrieben zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Die in den Unteransprüchen angegebenen technischen Merkmale sind nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen technischen Lehren, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe.
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Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass als Feinbearbeitungswerkzeug ein aus Stahl bestehendes Werkzeug verwendet wird, welches Bearbeitungszähne aufweist, deren Bearbeitungsflanken mit einer Reibpartikelbeschichtung versehen ist. Bei den Reibpartikeln kann es sich um CBN-Teilchen, Diamanten oder andere Hartstoffteilchen handeln.
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein verzahnter Stahlgrundkörper erzeugt. Auf die Zahnflanken des Stahlgrundkörpers wird sodann eine Reibstoffpartikelbeschichtung aufgebracht. Dies erfolgt bevorzugt in einem galvanischen Prozess, wobei lose auf der Oberfläche des Stahlgrundkörpers anliegende Reibstoffpartikel einer vorbestimmten Korngrößenfraktion mit einer galvanisch aufgebrachten Metallschicht, beispielsweise einer Nickelschicht, an die Bearbeitungsflanken gebunden werden. Die Reibstoffpartikel werden zuvor im Wege einer Siebanalyse ausgesiebt, so dass die einzelnen Reibstoffpartikel nur eine geringe Abweichung von einer mittleren Partikelgröße besitzen. Bei einer derart hergestellten abrasiven Oberfläche wird die Oberflächenrauheit der mit dem Werkzeug bearbeiteten Oberflächen des Werkstückes im Wesentlichen durch die Korngröße und der Konzentration je cm
3 Belagsvolumen der abrasiven Beschichtung bestimmt. Die völlig unregelmäßig in der Nickelschicht eingebetteten Reibstoffpartikel haben eine spitzkantige unregelmäßige Gestalt, so dass die von der Anlagenfläche wegweisenden Spitzen in einem relativ großen Streubereich von der Anlagefläche beabstandet sind. Gemäß der erfindungsgemäßen Lehre wird mit einem Abrichtwerkzeug der Streubereich der Kerngrößen auf eine Höhe abgetragen. Dem Werkzeug wird dadurch die Abrasivität genommen. Das Kornspitzengebirge wird zu einer Ebene abgetragen und besteht aus mehr oder weniger großen Tafelbergen. Dies kann durch Brechen (Crushieren) oder durch Schleifen mit Diamantscheiben erfolgen. Dies erfolgt bevorzugt mittels rotierender Diamant-Abrichtscheiben im diskontinuierlichen Wälzschleifverfahren. Beim Abrichten müssen sowohl das Abrichtwerkzeug als auch das Feinbearbeitungswerkzeug drehangetrieben werden. Die über eine gedachte Profilfläche hinausragenden Kornspitzen der Reibstoffpartikel werden auf ein genaues Maß abgebrochen oder abgeschliffen. Das Herstellungsverfahren eines derartigen, innenverzahnten und gehärteten Zahnrades erfolgt bevorzugt in zumindest drei Schritten. In einem ersten Schritt wird im Wege einer Weichbearbeitung ein zunächst unverzahntes Werkstück vorverzahnt. Dies kann beispielsweise mit einem Wälzschälprozess erfolgen. In einem darauf folgenden Spanbearbeitungsschritt wird nach dem Härten des vorbearbeiteten Werkstücks im Hartmetall-Schälverfahren eine Feinverzahnung hergestellt. Dabei werden im Wesentlichen nur die Zahnflanken, bevorzugt aber nicht der Zahnfuß der Zähne des Werkrades bearbeitet. Mit dem erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsverfahren erfolgt ein Mikro-Finish der feinverzahnten Werkräder. Mit einer Reibstoffpartikel aufweisenden Oberfläche erfolgt das Mikrofinish. Wegen der auf eine Abrichtfläche konditionierten hinausragenden Spitzen der Reibstoffpartikel hat sich die Spanabtragsleistung des Feinbearbeitungswerkzeuges erheblich vermindert, so dass maximal ein Spanabtrag in der Größe der vorherrschenden Oberflächenrauheit des Werkrades von 1 µm bis 10µm abgetragen werden. Die Rauheit der fertig bearbeiteten Oberfläche ist aber deutlich geringer, als die von Oberflächen, die durch Honen erzeugt sind. Das Bearbeiten der Zahnflanken des Werkrades erfolgt bevorzugt ohne einen Linearvorschub. Aufgrund eines Achskreuzwinkels zwischen Werkstückspindel und Werkzeugspindel und insbesondere durch ein schräg verzahntes Werkzeug gleitet die Reibstoff-beschichtete Bearbeitungszahnflanke des Feinbearbeitungswerkzeuges an der zu bearbeitenden Zahnflanke entlang. Die Zerspanung erfolgt somit durch ein Längsgleiten der aneinander abrollenden Oberflächen der Zahnflanken. Es kann eine zusätzliche Oszillationsbewegung vorgesehen sein. Diese ist aber nicht erforderlich. Bei den Reibstoffpartikeln kann es sich um CBN handeln, Diamanten oder anderen geeigneten anorganischen und insbesondere kristallinen Materialien. In einer bevorzugten Ausgestaltung sitzt das Feinbearbeitungswerkzeug auf derselben Werkzeugspindel, die auch ein Wälzschälwerkzeug trägt, mit dem das zuvor gehärtete Werkrad in einer Weise vorbearbeitet wird, wie es in der
DE 10 2015 120 556 A1 beschrieben ist.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch ein Werkrad 1 in einem Halbschnitt und das in einem Achskreuzwinkel α dazu stehende Feinbearbeitungswerkzeug 2, welches von einem Kombinationswerkzeug gebildet ist, das ein Wälzschälrad 5 und Feinbearbeitungszähne 3 aufweist,
- 2 vergrößert einen Schnitt durch das Kombinationswerkzeug,
- 3 einen Schnitt durch einen von einem Stahlgrundkörper 7 gebildeten Bearbeitungszahn 3, dessen Zahnflanke 6 eine Einfassungsschicht 14 trägt, mit der Reibstoffpartikel 8 eingefasst sind, wobei Spitzen 9 einiger Reibstoffpartikel 8 in einem Bereich zwischen einem Niveau 10 und einem Niveau 11 liegen,
- 4 schematisch eine Darstellung gemäß 3 beim Entfernen der zwischen den Niveaulinien 10, 11 in 3 liegenden Spitzen und
- 5 die abgerichtete Reibstoffschicht, wobei sich beim Abrichten Tafelebenen 12 ausgebildet haben.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die 1 zeigt schematisch die Relativlage eines verzahnten Werkrades 1, bei dem es sich um ein innenverzahntes Werkrad handelt und ein Feinbearbeitungswerkzeug 2, welches Bearbeitungszähne 3 aufweist.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kombiwerkzeuges. Mit der Bezugsziffer 5 ist ein Wälzschälrad 5 angedeutet, mit welchem eine Feinverzahnung in das gehärtete und vorverzahnte Werkrad 1 eingebracht wird. Mit dem axial hinter dem Wälzschälrad 5 angeordneten Ergänzungswerkzeug erfolgt die Feinbearbeitung der Zahnflanken des Werkrades 1. Bei dem Ergänzungswerkzeug handelt es sich um ein Feinbearbeitungswerkzeug 2 mit Bearbeitungszähnen 3.
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Die 3 zeigt vergrößert und schematisch den Stahlgrundkörper 7 eines Feinbearbeitungswerkzeuges 2. Die gegebenenfalls vorvernickelte Oberfläche 6 des Stahlgrundkörpers 7 trägt eine Monolage von Reibstoffpartikeln 8 einer mittleren Korngröße. Die Reibstoffpartikel 8 sind mittels einer galvanischen Einfassungsschicht 14 mit der Oberfläche 6 des Stahlgrundkörpers 7 verbunden. Die Einfassungsschicht 14 kann aus Nickel bestehen.
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Die Reibstoffteilchen 8 besitzen über die Oberfläche der Einfassungsschicht 14 hinausragende Spitzen. Die Spitzen der Reibstoffteilchen 8 ragen bis zu einem mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Niveau über die Einfassungsschicht 14 hinaus. Der Abstandsbereich zwischen einem zweiten Niveau 11, welches parallel zum ersten Niveau 10 verläuft, kennzeichnet den Streubereich der Reibstoffpartikel 8. Dieser Streubereich 10 bis 11 hängt im Wesentlichen von der Streubreite der auf der Oberfläche 6 aufgebrachten Hartstoffpartikel ab. Wegen der Unregelmäßigkeit der Hartstoffpartikel 8 verbleibt auch bei einer fein ausgesiebten Partikelfraktion immer noch ein relativ hoher Streubereich der Korngrößen 10 bis 11.
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Die 4 zeigt, wie mit einem rotierend angetriebenen Abrichtwerkzeug 13, welches ein Hartmetallwerkzeug ist, die über das zweite Niveau 11 hinausragenden Kornspitzen der Reibstoffpartikel 8 weggebrochen werden. Die über das Niveau 11 hinausragenden Spitzen der Reibstoffpartikel 8 werden gewissermaßen abgeschnitten, so dass „mesa“-artige Strukturen verbleiben. Aus einem Spitzen-Gebirge wird nach dem Abrichten ein Tafel-Gebirge. Nach dem Abrichten liegen die Schneidkanten in einem engen Abstandsbereich von der Oberfläche 6 des Stahlgrundkörpers 7 um die Niveaufläche 11.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren geht ein Bearbeitungsverfahren voraus, bei dem eine Zahnflankenoberfläche durch Hart-Wälz-Schälen erzeugt wird, dessen Oberflächenrauheit 1 µm - 5 µm beträgt. Diese Oberfläche wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geglättet. Mit dem erfindungsgemäßen Materialabtrag wird somit lediglich die Oberflächenrauheit reduziert. Betrachtet man die raue vorverzahnte Oberfläche als Gebirge mit einem Talgrund-Bergspitzen-Abstand von 1 µm - 5 µm, so werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich die Berge abgetragen. Der Materialabtrag erfolgt nicht bis zum Talgrund. Die Oberflächenrauheit wird erfindungsgemäß auf einen Wert Rz </= 1 µm gebracht.
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Das Feinbearbeitungswerkzeug erhält eine Reibstoffteilchenbeschichtung (insbesondere Diamantbeschichtung) mit einer Konzentration C125-C150. Mit dem Entfernen der Spitzen wird dem Feinbearbeitungswerkzeug die Schärfe (Abrasivität) genommen. Das Werkzeug behält aber die für das Feinbearbeiten vorteilhaften Eigenschaften der guten Kanten- und Profilhaltigkeit, sowie die harte Bindung. Durch das Spitzenabtragen wird das Feinbearbeitungswerkzeug zu einem Glätt-Werkzeug, mit dem prozesssicher eine Oberflächenrauheit von Rz </=1 µm beim Glätten der Zahnflanken erreicht werden kann.
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Die 5 zeigt einen Schnitt durch das Feinbearbeitungswerkzeug nach dem Abrichten. Die Schneidkanten, die von den Randkanten der Tafelflächen 12 gebildet sind, liegen im Wesentlichen in einem Niveau 11.
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Bei den Reibstoffpartikeln 8 kann es sich um Diamantpartikel oder CBN-Partikel handeln, die in bevorzugt einlagiger Anordnung auf der Oberfläche 6 beim Werkstück eine Oberflächenrauheit von < Rz 1 erzeugen. Die Korngröße kann bei 0,070 mm liegen. Das Belagsvolumen, mit dem die Oberfläche 6 mit Reibstoffpartikeln 8 belegt ist, liegt im Bereich zwischen 125 - 150, bzw. 5,5 - 6,6 Kt/cm3 (1,1 g - 1,32 g Schleifkorn je cm3). Eine derart vorbereitete mit Reibstoffpartikeln 8 belegte Oberfläche wird anschließend crushiert. Dabei wird der Streubereich (die Toleranzen) der Korngrößen auf eine gemeinsame Ebene eingeebnet. Mit einem derartigen Werkzeug wird die Oberflächenrauheit, die nach dem Verzahnen (Hart-Scudding) 1 µm - 5 µm beträgt, prozesssicher auf Rz 1 oder geringer gebracht.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel besitzen die insbesondere einlagig auf die Oberfläche 6 aufgebrachten Reibstoffpartikel 8 eine Körnung von B126 (0,126 mm maximale Korngröße) bei einer Konzentration C150. Eine mit einer derartigen Körnung gebildete insbesondere einlagige Reibstoffpartikelbeschichtung wird anschließend crushiert. Durch das Einebnen vermindert sich zwar die Schnittigkeit des Schleifbelags. Das Hauptziel, nämlich das Erreichen einer Oberflächengüte von </= Rz 1, kann aber erreicht werden.
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Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest einige der von der Oberfläche 6 wegweisenden Spitzen 9 der Reibstoffteilchen 8 mechanisch entfernt worden sind.
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Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass von zumindest einigen der Reibstoffpartikel 8 von der Oberfläche 6 weisende Spitzen 9 mechanisch entfernt werden.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest einige der von der Oberfläche 6 weisende Spitzen 9 der Reibstoffpartikel 8 mechanisch entfernt worden sind.
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Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass von zumindest einigen der Reibstoffteilchen 8 von der Oberfläche 6 weisende Spitzen 9 mechanisch entfernt werden.
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Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Spitzen 9 der Reibstoffpartikel 8 mit einem insbesondere drehantreibbaren oder drehangetriebenen Abrichtwerkzeug 13 entfernt, insbesondere weggebrochen oder weggeschliffen werden oder worden sind.
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Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die am Werkrad 1 angreifenden, von den Reibstoffpartikeln 8 gebildeten Spankanten in einem Abstand zu einer gedachten Bearbeitungszahnflankenebene die kleiner ist, als 10 µm, bevorzugt 5µm, besonders bevorzugt 2µm ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die mittlere Korngröße der Reibstoffpartikel 8 wesentlich größer ist, als die Streubreite der Abweichung der Spankantenlage von der Bearbeitungszahnflankenebene.
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Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Werkrad 1 und das Feinbearbeitungswerkzeug 2 jeweils um Drehachsen drehantreibbar beziehungsweise angetrieben werden, die in einem Achskreuzwinkel zueinander stehen und/oder dass das Vorverzahnen durch Wälzschälen erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Wälzschälbearbeitung nach dem Härten des Werkrades 1 erfolgt und/oder dass das Vorverzahnwerkzeug von derselben Werkzeugspindel getragen wird, die auch das Feinbearbeitungswerkzeug 2 trägt und/oder dass das Werkstück 1 ein innenverzahntes Zahnrad ist.
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Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Reibstoffpartikel 8 auf einer Außenfläche des Stahlgrundkörpers 7 in eine Metallschicht eingebettet sind.
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Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Abrichtwerkzeug 13 ein Hartmetallwerkzeug ist und insbesondere eine schnelldrehende Hartmetallrolle, mit der die Reibpartikel-Beschichtung crushiert wird.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren, auch ohne die Merkmale eines in Bezug genommenen Anspruchs, mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Erfindung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorstehenden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbesondere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkrad
- 2
- Feinbearbeitungswerkzeug
- 3
- Bearbeitungszahn
- 4
- Werkzeugspindel
- 5
- Wälzschälrad
- 6
- Oberfläche
- 7
- Stahlgrundkörper
- 8
- Reibstoffpartikel
- 9
- Spitze
- 10
- Niveaufläche (vor Abrichten)
- 11
- Niveaufläche (nach Abrichten)
- 12
- Tafelebene
- 13
- Abrichtwerkzeug
- 14
- Einfassungsschicht
- α
- Achskreuzwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015120556 A1 [0003, 0010]
- DE 102015121523 A1 [0004]
