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Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Messdorn zum Vermessen der Geometrie einer Bohrung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die messungsunterstützte Feinbearbeitung von Bohrungen durch Innenhonen und/oder Feinbohren, wobei nach der Feinbearbeitung eine Messung zur Bestimmung der Makroform der Bohrung, insbesondere eine Messung des Innendurchmessers der Bohrung, durchgeführt wird.
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Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Innenfläche führt, in der Regel mit überkreuzten Bearbeitungsspuren. Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend werden beispielsweise beim Motorenbau Zylinderlaufflächen, d. h. Innenflächen von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, und Lagerflächen für Wellen einer Honbearbeitung unterzogen.
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Beim Honen sind in der Regel sehr enge Toleranzvorgaben hinsichtlich der Makroform und der z. B. durch den Bohrungsdurchmesser quantifizierten Größe der Bohrung einzuhalten.
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Ob durch einen Honprozess die gewünschte Makroform im Rahmen der Toleranzen erreicht wurde, wird in der Regel nach Abschluss des Honprozesses in einer gesonderten Nachmessstation (Post-Prozess-Messstation) durch Vermessen der Geometrie der Bohrung mit Hilfe einer Messeinheit (Nachmesseinheit) bestimmt. Für diesen Zweck bekannte Messeinheiten haben einen in die Bohrung einführbaren pneumatischen Messdorn, der mindestens ein Paar von Messdüsen aufweist, die bezogen auf eine Längsmittelachse des Messdorns in einem diametralen Abstand zueinander angeordnet sind.
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Pneumatische Messdorne arbeiten nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip. Für die Messung wird Druckluft aus den Messdüsen in Richtung Bohrungswandung geblasen. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüsen dient als Maß für den Abstand der Messdüse zu Bohrungswandung. Ein mit der Messdüse über eine Druckleitung verbundener Messwandler sorgt für eine Umwandlung des (pneumatischen) Drucksignals in ein elektrisch weiterverarbeitbares Spannungssignal. Mittels zweier diametral gegenüberliegender Messdüsen kann bei einem gegebenen diametralen Abstand zwischen den Messdüsen der Bohrungsdurchmesser in der Messebene ermittelt werden.
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Pneumatische Messdorne ermöglichen ein berührungsloses, vom Werkstoff des Messobjekts unabhängiges Messen und im Rahmen ihres Messbereichs hohe Messgenauigkeiten, die im Falle von Nachmesseinheiten in der Regel deutlich unterhalb eines Mikrometers liegen, beispielsweise im Bereich von 0,2 μm bis 0,3 μm bei wiederholter Messung. Um Messwerte mit der erforderlichen Messgenauigkeit aufnehmen zu können, müssen die Messdüsen in einem relativ eng begrenzten Abstandsbereich von der Bohrungswandung angeordnet sein. Bei zu großem Messabstand ist der elektrische Signalverlauf zwischen Minimalwert und Maximalwert nicht mehr nur linear, sondern wird zu den Minimal- und Maximalgrenzen hin logarithmisch. Das bedeutet, dass die Messung nicht mehr mit der erforderlichen Messgenauigkeit durchgeführt werden kann. Auch zu geringe Messabstände sind problematisch. Daher kann ein pneumatischer Messdorn nur einen kleinen Durchmesserbereich mit hoher Messgenauigkeit abdecken.
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Ein Messdorn sollte robust sein, um viele aufeinanderfolgende Messungen mit reproduzierbarer Messgenauigkeit zu ermöglichen. Das zu messende Werkstück sollte durch die Messung möglichst nicht beschädigt werden. Insbesondere bei Bohrungen in Werkstücken aus relativ weichem, kratzempfindlichen Werkstoff ist die Schonung des Werkstücks zu beachten. Zudem sollte die Herstellung des Messdorns möglichst unkompliziert und kostengünstig sein.
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Bei Feinbearbeitungsanlagen, die flexibel ggf. für relativ kleine Serien von Werkstücken mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern genutzt werden sollen, werden häufig an der Nachmesseinheit mehrere unterschiedlich dimensionierte Messdorne für unterschiedliche, jeweils relativ enge Durchmesserbereiche vorgehalten. Ein Messdorn, bei dem der diametrale Abstand der Messdüsen fest vorgegeben ist, wird hier auch als „fester Messdorn” bezeichnet. Feste Messdorne können relativ messgenau und robust sein, die Fertigung kann relativ kostengünstig sein. Jedoch werden zur Abdeckung eines größeren Durchmesserbereichs mehrere unterschiedlich dimensionierte Messdorne benötigt.
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Die
EP 0 483 402 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Geometrie von Bohrungen mit Hilfe pneumatischer Messdorne. Durch besondere Maßnahmen für die Eichung der Messdorne soll dabei erreicht werden, dass ein schneller Austausch von im Durchmesser unterschiedlichen Messdornen möglich wird.
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Die
DE 44 13 645 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Honbearbeitung von Bohrungen mit unterschiedlichen Nenndurchmessern, die eine Messeinheit mit einem in die Bohrung einfahrbaren pneumatischen Messdorn aufweist. Zum Nachjustieren der pneumatischen Messeinrichtung ist eine Referenzlehre vorgesehen, die stufenlos auf unterschiedliche Nenndurchmesser einstellbar ist.
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Um die aus dem relativ engen Messbereich pneumatischer Messdorne resultierenden Probleme abzumildern, ist auch schon vorgeschlagen worden, einen Messdorn als im Durchmesser stufenlos verstellbaren Messdorn zu konstruieren. Dadurch kann prinzipiell ein größerer Durchmesserbereich mit ein und demselben (verstellbaren) Messdorn abgedeckt werden.
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Die
GB 1 067 269 A zeigt ein Messgerät mit zwei diametral gegenüberliegende Messdüsen mit Öffnungen, deren diametraler Abstand durch axiale Verstellung eines Konus verändert werden kann. Das Messgerät kann mit Hilfe eines Meisterteils bekannten Durchmessers voreingestellt werden, bevor es in die zu messende Bohrung eingebracht wird.
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Die
DE 40 24 778 A1 beschreibt ein Hon-Messwerkzeug, das Bearbeitungsglieder in Form von Honleisten aufweist, ggf. aber auch ohne Bearbeitungsglieder arbeiten kann. Eine Zeichnungsfigur zeigt ein Funktionsglied mit einer Messdüse eines pneumatischen Messsystems. Es ist eine Verstelleinrichtung zur stufenlosen Verstellung des Messwerkzeugs vorgesehen. Dadurch kann der diametrale Abstand der Messdüsen stufenlos verstellt werden.
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Die
WO 2012/041264 A1 zeigt ein hydraulisch betätigbares Honwerkzeug, das z. B. in einem Bearbeitungszentrum verwendet werden kann. Beschrieben wird u. a. eine Variante mit einem pneumatischen Messsystem, das Messleisten aufweist, deren radiale Lage dem Durchmesser des Werkstücks angepasst werden kann.
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Mit einem oder zwei für unterschiedliche Durchmesserbereiche ausgelegten verstellbaren Messdornen kann bei Bedarf ein größerer Durchmesserbereich abgedeckt werden. Die Verstellbarkeit erfordert jedoch tendenziell einen größeren konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand, wenn eine den festen Messdornen vergleichbare Messgenauigkeit und Robustheit erzielt werden soll.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen robusten Messdorn bereitzustellen, der eine hohe Messgenauigkeit bietet und zu günstigen Kosten bereitgestellt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen Messdorn mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Der Begriff „Messdorn” soll im Rahmen dieser Anmeldung ein reines Messwerkzeug bezeichnen, das keine Bearbeitungselemente, wie z. B. Honleisten, aufweist, insbesondere im Rahmen der Nachmessung gehonter Bohrungen eingesetzt werden kann und hierzu eine Messgenauigkeit von deutlich weniger als 1 μm haben soll. Beispielsweise kann die Messgenauigkeit bei wiederholter Messung im Bereich von 0,2 μm bis 0,3 μm liegen. Insoweit unterscheidet sich ein pneumatischer Messdorn beispielsweise von Honwerkzeugen, die Honleisten oder dergleichen sowie ein integriertes Luftmesssystem mit auf die Bohrungswandung gerichteten Messdüsen aufweisen, um im Rahmen einer pneumatischen Maßsteuerung das aktuelle Bohrungsmaß während des Materialsabtrags zu ermitteln und bei Erreichen des vorgegebenen Fertigmaßes die Abschaltung der Honmaschine über die Steuerung der Honmaschine zu initiieren. Solche pneumatischen Messsysteme zur Abschaltsteuerung haben typischerweise Abschaltgenauigkeiten in der Größenordnung einiger Mikrometer, beispielsweise zwischen 3 μm und 5 μm.
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Der Messdorn hat einen Grundkörper, der eine Längsmittelachse des Messdorns definiert. Am Grundkörper sind Kupplungsstrukturen zum Kuppeln des Grundkörpers an einen Messdornträger vorgesehen. An dem Grundkörper ist mindestens ein Paar von Messdüsen befestigt, die bezogen auf die Längsmittelachse des Messdorns in einem festen diametralen Abstand zueinander angeordnet sind. Über ein Luftzufuhr-Kanalsystem wird im Messbetrieb Druckluft von einer Druckluftquelle zu den Messdüsen geführt und tritt dort in Richtung der Bohrungsinnenwand aus. Der Messdorn ist gekennzeichnet durch ein Führungssystem mit mehreren um den Umfang des Grundkörpers verteilt angeordneten Führungsleisten. Diese haben radial außen liegende Führungsflächen, welche einen fest vorgegebenen Führungsdurchmesser des Messdorns definieren. Der Führungsdurchmesser ist größer als der Außendurchmesser des Grundkörpers, so dass die Außenfläche des Grundkörpers gegenüber den Führungsflächen radial zurückgesetzt ist.
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Durch diese Konstruktion ist sichergestellt, dass der Grundkörper beim Einführen des Messdorns und beim Messen nicht in direkten Kontakt mit der Innenfläche der Bohrung treten kann. Dementsprechend sind bei der Fertigung des Grundkörpers keine besonders hochgenauen Fertigungsverfahren nötig, um die Außenfläche des Grundkörpers so zu bearbeiten, dass diese bei Kontakt mit der Bohrungsinnenfläche keine Beschädigung verursacht. Die Fertigung des Grundkörpers wird dadurch wesentlich vereinfacht gegenüber herkömmlichen Grundkörpern, die bei der Messung in Kontakt mit der Bohrungsinnenfläche kommen können. Die Eigenschaften der Führungsleisten können unabhängig von der Bearbeitung des Grundkörpers auf die Messaufgabe und auf das Werkstück abgestimmt werden.
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Insbesondere ist es möglich, für die Fertigung der Führungsleisten ein anderes Ausgangsmaterial zu wählen als für die Fertigung des Grundkörpers. Während der Grundkörper beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff gefertigt sein kann, können die Führungsleisten aus einem demgegenüber härteren oder weicheren Material gefertigt sein. Vorzugsweise bestehen die Führungsleisten aus einem Hartmetall oder einem keramischen Werkstoff, ggf. auch aus polykristallinem Diamant oder einem anderen verschleißbeständigen Sintermaterial. Hierdurch sind extrem verschleißbeständige Führungsleisten erhältlich, die eine Vielzahl von Messungen auch in rauen Messumgebungen ohne funktional störende Beschädigungen ermöglichen. Der fest vorgegebene Führungsdurchmesser kann über lange Zeit im Rahmen der Toleranzen erhalten bleiben. Führungsleisten aus Hartgummi oder vergleichbarem Material können z. B. bei sehr kratzempfindlichen Werkstücken in manchen Fällen vorteilhaft sein.
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Um gerade bei Verwendung von relativ harten Werkstoffen zur Herstellung der Führungsleisten eine Beschädigung der Bohrungsinnenfläche auch bei kratzempfindlichen Werkstoffen zuverlässig zu vermeiden, sind die Führungsflächen bei bevorzugten Ausführungsformen als glatte Führungsflächen mit einer Bemittelten Rautiefe RZ von weniger als 4 μm ausgebildet. Vorzugsweise liegt die gemittelte Rautiefe im Bereich von 0,7 μm bis 1,5 μm. Derartige glatte Führungsflächen können zum Beispiel bei Führungsleisten aus Hartmetall oder einem keramischen Werkstoff durch Schleifen und anschließendes Polieren mit kostengünstigen und gut beherrschbaren Bearbeitungsverfahren erzielt werden.
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Im Fertigungsalltag wird es nur in Ausnahmefällen so sein, dass der Messdorn vor dem Einführen in die Bohrung exakt koaxial mit dieser angeordnet ist. Ein geringfügiger lateraler Versatz kann häufig nicht vermieden werden. Insbesondere für diese Bedingungen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Führungsleisten zumindest auf einer den Kupplungsstrukturen abgewandten Einführseite einen schräg zur Längsmittelachse verlaufenden Führungsabschnitt aufweisen, der als Einführschräge dienen kann. Vorzugsweise haben die Führungsleisten an beiden axialen Enden schräg zur Längsmittelachse verlaufende Führungsabschnitte. Die Abschrägungen zur Bildung der Führungsabschnitte können ebenfalls durch Schleifen und gegebenenfalls nachfolgendes Polieren eines Ausgangsmaterials, beispielsweise Hartmetall oder Keramik, erzeugt werden.
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Wenn die radial außen liegenden Führungsflächen über gerundete Übergänge in angrenzende, schräg zur Längsmittelachse verlaufende Führungsabschnitte übergehen, können auch durch die Übergangsbereiche keine Kratzer oder dergleichen an der Bohrungsinnenwand entstehen. Daher ist es in der Regel vorteilhaft, an dem Ausgangsmaterial zur Herstellung der Führungsleisten zunächst die Führungsfläche und daran angrenzende schräge Führungsabschnitte zu erzeugen und dann die gesamten radial außen liegenden Flächenbereiche in einem Arbeitsgang zu polieren, wobei dann auch eventuelle Übergänge gerundet werden.
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Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, eine Führungsleiste unmittelbar oder mittelbar am Grundkörper zu befestigen. Beispielsweise können die Führungsleisten einen mehr oder weniger rechteckförmigen profilierten Querschnitt haben und in entsprechend dimensionierte Rechtecknuten am Grundkörper eingesetzt sein. Bei anderen Ausführungsformen ist für jede der Führungsleisten eine Aufnahmenut vorgesehen, die zwei in einem Winkel zueinander ausgerichtete Anlageflächen aufweist derart, dass sich die Aufnahmenut in Radialrichtung nach außen erweitert. Die zugehörigen Führungsleisten weisen an einer dem Grundkörper zugewandten Innenseite eine zylindrisch gekrümmte Oberfläche und an der der Innenseite gegenüberliegenden Außenseite eine Abflachung mit der Führungsfläche zum Kontakt mit der Innenfläche der Bohrung auf. Eine Führungsleiste ist derart in der ihr zugeordneten Aufnahmenut angeordnet, dass sich die Führungsleiste mit der zylindrischen Oberfläche entlang von zwei linienhaften Kontaktzonen an den Anlageflächen abstützt.
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Die Aufnahmenut ist bei manchen Ausführungsformen als V-Nut gestaltet in der Weise, dass sich die Anlageflächen in einem Nutgrund entlang einer Linie schneiden. Derartige V-Nuten sind besonders einfach durch Fräsen oder dergleichen herzustellen. Der Nutgrund kann gegebenenfalls auch abgeflacht oder gerundet sein. Wesentlich sind die zwei in einem Winkel zueinander ausgerichteten Anlageflächen, die einen Kontakt mit der zylindrisch gekrümmten Oberfläche der Führungsleiste im Wesentlichen nur entlang der zwei linienhaften Kontaktzonen erlauben. Beidseitig der Kontaktzonen kann sich aufgrund der zylindrischen Krümmung der Oberfläche der Führungsleiste ein breiter werdender Spalt ergeben, in dem eine ausreichende Menge von Haftvermittler (beispielsweise Kleber oder Lötmaterial) Platz findet. In der Kontaktzone selbst kann das Material der Führungsleiste direkt auf der zugehörigen Anlagefläche aufliegen.
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Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn der von den Anlageflächen eingeschlossene Winkel im Bereich von 60° bis 120° liegt. Der Winkel kann beispielsweise im Bereich von 90° oder bei genau 90° liegen. Winkel aus diesem Winkelbereich ergeben eine gute Kraftverteilung der gegebenenfalls auf die Führungsleiste wirkenden Kräfte in Richtung Werkzeugkörper.
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Die Führungsleisten können fest bzw. dauerhaft mit dem Grundkörper verbunden sein, beispielsweise mithilfe einer stoffschlüssigen Verbindung, die zum Beispiel durch Löten oder Kleben hergestellt werden kann. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Führungsleisten jedoch als auswechselbare Führungsleisten ausgelegt und lösbar mit dem Grundkörper verbunden. Die lösbare Verbindung kann beispielsweise mittels einer oder mehrerer Befestigungsschrauben geschaffen werden. Durch die lösbare Verbindung ist beispielsweise im Falle von Verschleiß eine Auswechslung gegen eine nicht verschlissene Führungsleiste leicht möglich. Durch die Auswechselbarkeit ist es bei Bedarf auch möglich, einen Messdorn auf einen anderen Führungsdurchmesser umzurüsten, indem alte Führungsleisten abgebaut und neue Führungsleisten, die einen anderen Führungsdurchmesser definieren, montiert und auf Maß geschliffen werden. In diesem Fall ist in der Regel auch die radiale Lage der Messdüsen entsprechend anzupassen.
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Obwohl Führungsleisten direkt am Grundkörper angebracht werden können, ist es in vielen Fällen vorteilhaft, wenn die Führungsleisten an Führungsleistenträgern befestigt sind, welche wiederum am Grundkörper befestigt sind. Hierdurch ist eine indirekte bzw. mittelbare Befestigung der Führungsleisten am Grundkörper möglich. Führungsleistenträger können wiederum fest am Grundkörper befestigt sein, beispielsweise durch Kleben oder Löten oder Schweißen. Vorzugsweise sind die Führungsleistenträger mittels einer lösbaren Verbindung, insbesondere mittels mindestens einer Befestigungsschraube, am Grundkörper befestigt. Hierdurch ergeben sich die oben bereits beschriebenen Vorteile auswechselbarer Führungsleisten, wobei in diesem Falle sowohl Führungsleisten als auch Führungsleistenträger zum Beispiel als gemeinsame Baugruppe ausgewechselt werden können.
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Bei manchen Ausführungsformen sind Führungsleistenträger an Umfangspositionen der Messdüsen angeordnet, wobei ein Führungsleistenträger eine Aussparung zur Aufnahme der zugeordneten Messdüse sowie eine neben der Aussparung angeordnete Aufnahmenut zur Aufnahme der Führungsleiste aufweist. Die geometrische Anordnung ist dabei vorzugsweise so getroffen, dass die Messdüse bei am Grundkörper montiertem Führungsleistenträger in Umfangsrichtung unmittelbar neben der vom Führungsleistenträger getragenen Führungsleiste angeordnet ist. Die Führungsleiste selbst muss bei dieser Konstruktion nicht in Längsrichtung unterbrochen sein. Dennoch ergibt sich eine Anordnung der Messdüse in unmittelbarer Nähe der sie in Radialrichtung überragenden Führungsleiste, wodurch die Messdüse mittels der Führungsleiste gegen Beschädigung geschützt werden kann. Ein in Umfangsrichtung gemessener Abstand zwischen Messdüse und zugeordneter Führungsleiste kann kleiner sein als die entsprechende Breite des Führungsleistenträgers. Ein in Umfangsrichtung gemessener Winkelabstand zwischen Messdüse und zugeordneter Führungsleiste kann bei 20° oder weniger, insbesondere bei 10° oder weniger liegen.
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Der Messdorn kann ein einziges Paar von Messdüsen aufweisen. Dadurch ist ein einfacher, robuster Aufbau möglich. Es ist auch möglich, dass der Messdorn zwei oder mehr Paare von Messdüsen aufweist, zum Beispiel um Messungen in unterschiedlichen Diametralrichtungen und/oder in unterschiedlichen axialen Lagen bzw. Messebenen ohne zwischenzeitliche Bewegung des Messdorns in der Bohrung durchführen zu können. Vorzugsweise ist dabei für jedes Paar von Messdüsen ein gesondertes Luftzufuhr-Kanalsystem zum Zuführen von Druckluft zu den Messdüsen vorgesehen.
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Bei manchen Ausführungsformen hat ein Luftzufuhr-Kanalsystem zum Zuführen von Druckluft zu den Messdüsen eines Paars innerhalb des Grundkörpers ausschließlich geradlinige Kanalabschnitte, die an Kreuzungsstellen ineinander übergehen. Hierdurch können die Fertigungsschritte zur Herstellung des Luftzufuhr-Kanalsystems wesentlich vereinfacht werden, da nur geradlinige Bohrungen erzeugt werden müssen, von denen dann gegebenenfalls nachträglich für die Zufuhr nicht benötigte Kanalabschnitte abgedichtet werden. Geradlinige Kanalabschnitte können in Radialrichtung des Grundkörpers oder achsparallel zur Längsmittelachse verlaufen, gegebenenfalls aber auch schräg zu diesen Richtungen.
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Bei allen Ausführungsformen kann ein von dem pneumatischen Messsystem unabhängiges, innenliegendes Blasluftsystem mit Luftkanälen vorgesehen sein, die von einem Blasluftanschluss zu einer oder mehreren Blasluftdüsen am Umfang des Grundkörpers führen. Dadurch kann bei Bedarf die Messstelle vor der Durchführung der Messung pneumatisch gereinigt werden.
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Bei einigen Varianten hat das Blasluftsystem eine in Umfangsrichtung des Grundkörpers umlaufende Schlitzdüse, welche in einer Ebene umläuft, die an der den Kupplungsstrukturen abgewandten Seite der Messdüsen liegt. Mithilfe von Blasluft, die aus der umlaufenden Schlitzdüse austritt, kann ein umlaufender pneumatischer Reinigungsvorhang geschaffen werden, der die Innenfläche beim Einführen des Messdorns von Bearbeitungsrückständen und/oder Kühlschmiermittel reinigt, bevor die Messung beginnt.
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Eine besonders gründliche Reinigungswirkung wird bei Ausführungsformen erzielt, bei denen die Schlitzdüse und/oder eine andere Blasluftdüse so gestaltet ist, dass ein Blasluftstrahl erzeugt wird, welcher in einem Winkel von weniger als 90° schräg zur Längsmittelachse in Richtung eines freien Endes des Messdorns gerichtet ist. Diese schräge Blasluftzufuhr in Vorwärtsrichtung wirkt beim Einführen des Messdorns wie ein pneumatischer Besen, durch welchen eine besonders gründliche Reinigung erzielbar ist. Selbstverständlich ist es möglich, alternativ oder zusätzlich auch ein oder mehrere Blasluftdüsen vorzusehen, die in Radialrichtung zur Längsmittelachse Blasluft abstrahlen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich außer aus den Ansprüchen auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
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1 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht eines pneumatischen Messdorns gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt einen Längsschnitt durch den Messdorn aus 1 entlang einer ersten Schnittebene II;
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3 zeigt einen Längsschnitt durch den Messdorn aus 1 entlang einer zweiten Schnittebene III, die senkrecht zur ersten Schnittebene II verläuft;
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4 zeigt einen Längsschnitt durch den Messdorn aus 1 entlang einer dritten Schnittebene, die nicht durch die Längsmittelachse verläuft;
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5 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht eines Abschlusselements, welches ein funktionaler Bestandteil eines Blasluftsystems des Messdorns ist; und
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6 zeigt einen Schnitt durch einen Führungsleistenträger mit Führungsleiste und Messdüse.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die schrägperspektivische Darstellung in 1 zeigt einen pneumatischen Messdorn 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Messdorn kann als Teil eines Messsystems zur Messung von Innendurchmessern in Durchgangsbohrungen oder Sacklochbohrungen verwendet werden. Im Beispielsfall ist der Messdorn dafür vorgesehen, im Zusammenhang mit der Honbearbeitung von Bohrungen in Werkstücken in einer Nachmessoperation eine exakte Messung des Innendurchmessers gehonter Bohrungen nach Abschluss der Honbearbeitung durchzuführen. Das Messsystem ist Bestandteil einer Messstation, die in eine Honmaschine integriert ist. Eine Integration in eine von einer Bearbeitungsmaschine gesonderte Messstation ist ebenfalls möglich.
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Der Messdorn 100 weist einen Grundkörper 110 auf, der aus einem Stahlwerkstoff gefertigt ist und unter anderem einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Messabschnitt 114 umfasst, durch dessen Zentrum die Längsmittelachse 112 des Messdorns verläuft. Der Messdorn ist in 1 von seiner trägerabgewandten Unterseite zu sehen. Am trägerzugewandten Ende befindet sich ein Kupplungsabschnitt 116 mit Kupplungsstrukturen, die eine Ankopplung des Grundkörpers an einen Messdornträger 120 ermöglichen. Zwischen dem maschinenfest montierten Messdornträger 120 und dem Grundkörper befindet sich ein nicht näher dargestellter Schwimmkopf 125, der eine begrenzte laterale Verschiebung zwischen der Längsmittelachse 112 des Messdorns und der Längsmittelachse 122 des Messdornträgers in alle Radialrichtungen erlaubt und dadurch relative Positionsfehler ausgleichen kann.
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Der äußere und innere Aufbau des Messdorns 100 ist aus der Zusammenschau der 1 bis 5 im Detail ersichtlich. Dabei zeigt 2 einen Längsschnitt durch den Messdorn entlang der durch die Längsmittelachse verlaufenden ersten Schnittebene II, 3 zeigt einen Längsschnitt durch den Messdorn entlang einer senkrecht zur ersten Schnittebene durch die Längsmittelachse verlaufenden zweiten Schnittebene III, 4 zeigt einen achsparallelen Längsschnitt durch eine zur Längsmittelachse versetzte dritte Schnittebene und 5 zeigt eine schrägperspektivische Darstellung eines an die freie Stirnseite des Grundkörpers montierbaren Abschlusselements.
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Der Grundkörper 110 ist aus einem zylindrischen Stück eines Stahlwerkstoffs durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt. Das Ausgangswerkstück hat dabei Außendurchmesser, der etwas größer ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Messabschnitts 114. Dieser wird durch Abdrehen mit geringer Abtragstiefe erzeugt. An einem axialen Endabschnitt des Ausgangswerkstücks wird der im Durchmesser kleinere Kupplungsabschnitt 116 durch Abdrehen erzeugt. Am gegenüberliegenden freien Ende wird stirnseitig eine zylindrische Aussparung 118 erzeugt, die im Rahmen eines später noch erläuterten Blasluftsystems zur Reinigung der zu messenden Bohrung eine Rolle spielt. Weiterhin werden geradlinige Bohrungen in verschiedenen Richtungen in den Grundkörper eingebracht, die miteinander kommunizierende geradlinige Kanalabschnitte für zwei gesonderte Luftzufuhr-Kanalsysteme zum Zuführen von Druckluft zu Messdüsen (2 und 3) sowie Luftkanäle für ein Blasluftsystem (4) bilden.
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Am Umfang des Messabschnitts 114 sind zwei Paare von Messdüsen in zwei axial gegeneinander versetzt liegenden Messebenen paarweise um 90° gegeneinander umfangsversetzt angeordnet. Die in 2 erkennbaren Messdüsen 170-A1 und 170-A2 bilden ein erstes Paar von Messdüsen, welche in einem festen diametralen Abstand zueinander in einer ersten Messebene A angeordnet sind. Diese Messdüsen liegen in der durch die erste Schnittebene II definierten Axialebene des Grundkörpers. In der dazu senkrechten zweiten Schnittebene III liegen die in 3 erkennbaren Messdüsen 170-B1 und 170-B2, die ein zweites Paar von Messdüsen bilden und in einer zweiten Messebene B liegen, die näher am freien Ende des Grundkörpers liegt als die erste Messebene A. Mit dem Messdorn kann also der Durchmesser der Bohrung in zwei axial gegeneinander versetzt liegenden Messebenen A und B gleichzeitig in zwei senkrecht zueinander liegenden Diametralrichtungen gemessen werden.
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Das in 2 erkennbare erste Luftzufuhr-Kanalsystem 160 dient der Druckluftzufuhr von einem kupplungsseitigen Anschlussende 162 zu den Messdüsen 170-A1, 170-A2 des ersten Paars von Messdüsen. Das Luftzufuhr-Kanalsystem besteht ausschließlich aus geradlinigen Kanalabschnitten, die an Kreuzungspunkten ineinander übergehen und so ein kommunizierendes System zum Führen von Druckluft bilden. Das in 3 erkennbare zweite Luftzufuhr-Kanalsystem 164 versorgt die Messdüsen 170-B1 und 170-B2 des zweiten Paars von Messdüsen. Es besteht lediglich aus zwei geradlinigen Bohrungsabschnitten, und zwar einem axialen Bohrungsabschnitt, der vom Anschluss 166 achsparallel in die zweite Messebene B führt, und einem in Diametralrichtung des Messdorns durchgehenden, geradlinigen Kanalabschnitt, der die beiden Messdüsen 170-B1 und 170-B2 miteinander verbindet. Die Bohrungsabschnitte des ersten Luftzufuhr-Kanalsystems kommunizieren nicht mit den Kanalabschnitten des zweiten Luftzufuhr-Kanalsystems, so dass für jedes Paar von Messdüsen ein gesondertes Luftzufuhr-Kanalsystem 160, 164 vorgesehen ist. Es wäre also möglich, jeweils nur eines der beiden Messdüsenpaare für die Messung zu nutzen, in der Regel werden jedoch beide Paare gleichzeitig genutzt. Da die Luftzufuhr-Kanalsysteme ausschließlich aus geradlinigen Bohrungsabschnitten zusammengesetzt sind, die durch einfache Bohrungen in dem Grundkörper erzeugt werden können, ist die Fertigung des Messdorns insoweit sehr einfach und kostengünstig durchführbar.
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Der Messdorn umfasst weiterhin ein vom Messsystem unabhängiges, innenliegendes Blasluftsystem 180, dessen funktionelle Komponenten in 4 und 5 besonders gut zu erkennen sind. Zum Blasluftsystem gehören geradlinige Luftkanal-Abschnitte, die von einem Blasluft-Anschluss 182 an der trägerseitigen Stirnseite des Grundkörpers 110 bis zu der am gegenüberliegenden Ende liegenden Aussparung 118 führen. An dieser Stirnseite ist das in 5 gut zu erkennende Abschlusselement 190 befestigt, welches einen flachen Plattenabschnitt 192 aufweist, an dessen Oberseite ein flachzylindrischer Zylinderabschnitt 194 befestigt ist, dessen Außendurchmesser so bemessen ist, dass der Zylinderabschnitt nahezu spielfrei in die Aussparung 118 hineinpasst. An dem dem Plattenabschnitt 192 zugewandten Ende des Zylinderabschnitts 194 ist ein Ring mit zehn in Radialrichtung durch den Zylinderabschnitt hindurchgehenden Blasluftöffnungen 196 vorgesehen. Die axiale Länge des Zylinderabschnitts 194 ist so bemessen, dass sich bei Befestigung des Abschlusselements am Grundkörper (4) zwischen der Innenseite des Plattenabschnitts 192 und der dieser zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 110 ein flacher Zwischenraum 195 bildet, der an seinem äußeren Rand eine umlaufende Schlitzdüse 186 bildet. Der äußere Rand des Plattenabschnitts 192 und der gegenüberliegende äußere Rand am Grundkörper 110 sind derart angeschrägt, dass durch die Schlitzdüse ein in Umfangsrichtung ununterbrochener Blasluftstrahl bzw. Blasluftvorhang erzeugt werden kann, der schräg zur Längsmittelachse in die trägerabgewandte Vorwärtsrichtung gerichtet ist. Beim Einführen des Messdorns in die Bohrung erreicht der durch den Blasluftstrahl gebildete umlaufende Luftvorhang die Bohrungsinnenfläche, bevor die mit den Messdüsen versehenen Messebenen auf das vorher vom Blasluftstrahl überstrichene Gebiet gelangen. Die zu messenden Oberflächen können somit lückenlos mithilfe des Blasluftsystems pneumatisch gereinigt werden, bevor die Messung beginnt.
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Für eine exakte Messung ist eine gute Zentrierung des Messdorns innerhalb der zu vermessenden Bohrung erforderlich. Für diesen Zweck hat der Messdorn ein Führungssystem 200 mit vier gleichmäßig um den Umfang des Grundkörpers verteilt angeordneten Führungsleisten 210-1, 210-2, 210-3 und 210-4. Jede der Führungsleisten hat eine radial außen liegende Führungsfläche 211-1 bis 211-4. Diese Führungsflächen definieren insgesamt einen fest vorgegebenen Führungsdurchmesser des Messdorns (Durchmesser des Berührungskreises an die Führungsflächen). Da die Führungsflächen radial außerhalb der Umfangsfläche des Messabschnitts 114 des Grundkörpers liegen, ist der Führungsdurchmesser größer als der Außendurchmesser des Grundkörpers. Der Grundkörper kommt daher nicht mit der zu messenden Bohrung in Kontakt und muss an seiner Außenseite nicht besonders bearbeitet werden.
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Die radial liegenden Außenseiten der Führungsleisten bilden jeweils flache, glatte Führungsflächen, die leicht zylindrisch gekrümmt sein können und zu beiden axialen Enden hin leicht abgeschrägt sind, so dass dort angeschrägte Führungsabschnitte entstehen, die ein besonders bohrungsschonendes Einführen und Ausführen des Messdorns erlauben. Die Führungsleisten sind jeweils aus einem Hartmetall-Rundstab hergestellt, dessen radial außen liegende Seite durch Rundschleifen auf flach-zylindrische Form und anschließendes Polieren eine glatte, bohrungsschonende Oberfläche erhält. Durch die abschließende Polierbearbeitung können mittlere Rautiefen RZ von weniger als 1 μm an den Führungsflächen sowie gerundete Übergänge zwischen den Führungsflächen und den angrenzenden Führungsabschnitten erzielt werden.
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Für jede der Führungsleisten ist ein gesonderter Führungsleistenträger 220-1 bis 220-4 vorgesehen, der jeweils eine Führungsleiste trägt. Zur Aufnahme der Führungsleisten am Grundkörper sind im Bereich der Messdüsen jeweils nutartige Aussparungen eingefräst, in welche jeweils ein Führungsleistenträger nahezu spielfrei hineinpasst und mithilfe zweier Befestigungsschrauben befestigt wird. Die Führungsleisten sind dadurch gemeinsam mit den Führungsleistenträgern leicht auswechselbar.
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Zur weiteren Erläuterung zeigt 6 beispielhaft einen Schnitt durch einen Führungsleistenträger 220-1 mit Führungsleiste 210-1 und Messdüse 170-B1. Die Anordnung ist so getroffen, dass eine Führungsleiste jeweils in unmittelbarer Nähe neben der ihr zugeordneten Messdüse liegt. Hierzu ist an einer Führungsleiste zwischen den für die Befestigungsschrauben vorgesehenen Durchgangsbohrungen noch eine seitlich offene Aussparung 222-1 vorgesehen, in die die zugeordnete Messdüse 170-B1 beim Einsetzen der Führungsleiste in die jeweilige Führungsleistennut hineinpasst. Dadurch wird erreicht, dass eine Messdüse jeweils unmittelbar neben der ihr zugeordneten Führungsleiste sitzt und durch diese gegen äußere Beschädigung zuverlässig geschützt wird.
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Zur Aufnahme der Führungsleiste ist an der Außenseite des Führungsleistenträgers 220-1 eine im montierten Zustand parallel zur Längsmittelachse verlaufende Aufnahmenut 250 vorgesehen, die im Beispielsfall als V-förmige Nut mit zwei ebenen Anlageflächen 252, 254 ausgebildet ist, die einen Winkel W von ca. 90° einschließen und am spitz zulaufenden Nutgrund 253 zusammentreffen. Durch die Anlageflächen erhält die Aufnahmenut eine sich in Radialrichtung nach außen gleichmäßig erweiternde Form.
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In der Aufnahmenut ist die Führungsleiste 210-1 befestigt. Die Führungsleiste ist aus einem Rundstab aus Vollhartmetall (VHM) hergestellt. An der dem Führungsleistenträger zugewandten Innenseite hat die Führungsleiste eine zylindrisch gekrümmte Oberfläche 232, die durch die unbearbeitete oder nur geringfügig bearbeitete Oberfläche des Ausgangsmaterials (Rundstab) gebildet wird. An der der Innenseite gegenüberliegenden Außenseite ist eine nahezu ebene Abflachung gebildet, deren radiale Außenseite die zum Kontakt mit der Innenfläche der Bohrung vorgesehene Führungsfläche 211-1 der Führungsleiste bildet.
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Die in Umfangsrichtung des Messdorns gemessene Breite der Führungsfläche 211-1 wird hier als Führungsbreite bezeichnet und liegt typischerweise im Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 2 bis 5 mm, z. B. bei ca. 3 mm. Wie in 6 gut zu erkennen, sind derartige Führungsbreiten aus Rundstäben auf einfache Weise erhältlich, indem aus dem kreiszylindrischen Halbzeug an der radialen Außenseite ein zylindersegmentförmiger Abschnitt abgetragen wird, beispielsweise mittels Schleifen. Derartige Führungsleisten müssen also nicht aus profiliertem Material mit der gewünschten Querschnittsform hergestellt werden, sondern können aus kostengünstig in guter Qualität verfügbarem Rundmaterial durch einfache Materialbearbeitung in der gewünschten Gestalt hergestellt werden.
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Eine Führungsleiste 211-1 ist derart in der ihr zugeordneten Aufnahmenut 250 angeordnet, dass sich die Führungsleiste mit der zylindrischen Oberfläche 232 entlang von zwei linienhaften Kontaktzonen K1, K2 an bzw. auf den Anlageflächen 252 bzw. 254 abstützt. Die Kontaktzonen sind im Prinzip achsparallele Mantellinien des Rundmaterials im Bereich der zylindrisch gekrümmten Oberfläche. Durch den mehr oder weniger linienhaften Kontakt zu den Anlageflächen der Aufnahmenut ist ohne weiteres eine Selbstzentrierung der Führungsleiste bzw. des Ausgangs-Rundmaterials in Bezug auf die Aufnahmenut ohne weitere Justiervorgänge erzielbar.
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Die dauerhafte Befestigung bzw. Fixierung des Rundmaterials bzw. der Führungsleiste in der Aufnahmenut kann nachfolgend durch Kleben oder Löten oder auf andere Weise mittels Stoffschlussverbindung erreicht werden. Das als Haftvermittler dienende Material (z. B. metallisches Lot oder Klebematerial) dringt dabei beidseits der linienhaften Kontaktzone in den sich nach außen erweiternden Spalt ein, hat sowohl zur Außenfläche der Führungsleiste als auch zur Anlagefläche der Aufnahmenut großflächigen Kontakt und sorgt für eine sichere Fixierung der Führungsleiste in der Aufnahmenut auch bei Auftreten äußerer mechanischer Belastungen.
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Eine sichere Fixierung der Führungsleiste innerhalb der Aufnahmenut kann dadurch begünstigt werden, dass die Dimensionierung der Aufnahmenut und die Dimensionen des Rundmaterials bzw. der Führungsleisten geeignet aufeinander abgestimmt sind. Im Beispielsfall sind der durch die Anlageflächen 252, 254 definierte Winkel W und der Krümmungsradius der Führungsleiste derart aufeinander abgestimmt, dass eine durch die Kontaktzone verlaufende Radialebene der Führungsleiste existiert, die senkrecht auf der jeweiligen Anlagefläche steht. Im Beispiel von 6 fällt die mit RK bezeichnete Radialebene mit der Normalen der Anlagefläche 252 im Bereich der Kontaktzone K1 zusammen. Wird diese Bedingung eingehalten, so kann eine sichere Haftung der Führungsleiste innerhalb der Aufnahmenut auch bei starken äußeren Belastungen gewährleistet werden. Wird dagegen die Führungsleiste in Bezug auf die Aufnahmenut so überdimensioniert, dass die Kontaktzone zu weit am äußeren Rand der Anlageflächen liegt, kann es zu Problemen bei der dauerhaften Befestigung der Führungsleisten in der Aufnahmenut kommen.
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Folgende Angaben können als Hilfestellung bei der Auslegung zueinander passender Dimensionierungen genutzt werden. Die Nuttiefe, d. h. der radiale Abstand zwischen einer realen oder gedachten Schnittlinie der Anlageflächen 252, 254 und dem äußeren Rand der Aufnahmenut kann beispielsweise zwischen 1 mm und 4 mm liegen. Der Winkel W, welcher im Beispielsfall ca. 90° beträgt, sollte vorzugsweise zwischen 60° und 120° liegen, um belastungsstabile Befestigungen zu ermöglichen. Der Durchmesser des Ausgangsmaterials (Rundstab) bzw. der Führungsleiste kann beispielsweise zwischen 4 mm und 8 mm, insbesondere im Bereich von 5 mm bis 6 mm, liegen. Diese Maßbereiche passen in der Regel gut für Messdorne, die bei der Messung von Zylinderbohrungen in Zylinderkurbelgehäusen für Kfz- oder LKW-Brennkraftmaschinen verwendet werden sollen. Die Maße sind vom gewünschten Durchmesser abhängig, es können auch kleinere oder größere Dimensionen zweckmäßig sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0483402 A1 [0010]
- DE 4413645 A1 [0011]
- GB 1067269 A [0013]
- DE 4024778 A1 [0014]
- WO 2012/041264 A1 [0015]
