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" Werkzeughalter für die Bearbeitung von ge-
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krümmten Oberflächen
Die Erfindung betrifft einen
Werkzeughalter für die spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken mit gekrümmter
Oberfläche mit einem drehbaren Grundkörper und mindestens einem Schneidenträger
für ein Verspanungswerkzeug mit einer im wesentlichen linearen Schneidkante.
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Bei Behältern wie Druckkesseln, Reaktoren, Vakuumkammern etc. besteht
häufig die Notwendigkeit, in der Behälterwandung Uffnungen herzustellen. Diese können
beispielsweise als Chargieröffnungen, Einstiegluken oder für die Anbringung von
Beobachtungseinrichtungen, Meßgeräten, Behandlungseinrichtungen etc. dienen.
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Solange die rotationssymmetrischen Uffnungen in rotationssymmetrischen
Behälterteilen anzubringen sind, deren Drehachse mit der Drehachse des einzusetzenden
Werkzeughalters zusammenfällt, entstehen hierbei keine Probleme. Bereits bei der
Verwendung herkömmlicher Werkzeuahalter mit einem Zerspanungswerkzeug kommt dieses
auf seiner Umlaufbahn mit der Oberfläche des Werkstücks in eine ununterbrochene
linienförmige Berührung. Schwieriger werden die Verhältnisse jedoch, wenn die Achse
der herzustellenden Uffnung unter einem Winkel zur Achse des betreffenden Behälterteils
verläuft.
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Ein solcher Fall ist beispielsweise dann gegeben, wenn in einem zylindrischen
Kesselmantel radiale oeffnungen erzeugt werden sollen. Bei Verwendung eines herkömmlichen
Werkzeughalters würde das Zerspanungswerkzeug mindestens zu Beginn des Bearbeitungsvorganges
periodisch in die Werkstück: oberfläche eintreten und wieder aus dieser austreten.
Hierdurch ergibt sich eine stark wechselnde Belastung des Werkzeughalters, die der
Genauigkeit des Bearbeitungsvorganges abträglich ist.
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Mit den herkömmlichen Werkzeughaltern wird die Bearbeitung
gekrümmter
Oberflächen völlig unmöglich, wenn das Werkstück beispielsweise ein doppelwandiger
Zylindermantel oder ein Zylindermantel aus plattiertem Material ist und die Uffnung
stufenförmig in der Weise hergestellt werden soll, daß in einer der Werkstoffschichten
ein größerer Durchmesser spanabhebend erzeugt werden soll als in der anderen Werkstoffschicht.
Ein solcher Fall ist beispielsweise gegeben bei einem zylindrischen Kesselmantel
aus einem Verbundwerkstoff aus Stahl und Kupfer, in dem radiale Uffnungen erzeugt
werden sollen, wobei der Durchmesser der Uffnung in der außenliegenden Stahlschicht
um etwa 40 mm größer sein soll als die Uffnung in der innenliegenden Kupferschicht.
Der stehengebliebene Rand der Kupferschichtsoll nachfolgend in die Uffnung hinein
umgebördelt werden, bis er an dem im wesentlichen zylindrischen Rand der Uffnung
in der Stahl schicht zur Anlage kommt. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die
gesamte Oberfläche der Stahl schicht von Kupfer bedeckt ist. Weitere Einzelheiten
werden in der Detailbeschreibung im Zusammenhang mit Figur 3 näher erläutert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeughalter
der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, mit dem es möglich ist, in gekrümmten
Oberflächen spanabhebende Bearbeitungsvorgänge durchzuführen, bei denen die Schneidkante
an allen Punkten der Bearbeitungsbahn und über ihre gesamte Länge im wesentlichen
stets die gleiche Eindringtiefe in das Werkstück hat.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen
Werkzeughalter erfindungsgemäß dadurch, daß der Schneidenträger als Hebel ausgebildet
und im Grundkörper um eine zur Drehachse "Z" senkrecht stehende Achse "A" schwenkbar
gelagert ist, daß das Ende des Hebels mit einer
Kurvenbahn für die
Veränderung der Winkelstellung des Hebels in Verbindung steht und daß der Hebel
einen aus den Grundkörper herausragenden Fortsatz für die Befestigung des Zerspanungswerkzeugs
aufweist, wobei Kurvenbahn, Hehel, Fortsatz und Schneidkante in der Weise aufeinander
abgestimmt sind, daß die Schneidkante bei der Drehung des Grundkörpers relativ zur
Kurvenbahn eine Stellung einnimmt, die an jeder Stelle der Bearbeitungsfläche im
wesentlichen parallel zur Tangentenfläche verläuft, die an der betreffenden Stelle
an die fertig bearbeitete Oberfläche des Werkstücks gelegt ist.
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Die "fertig bearbeitete" Oberfläche des Werkstücks ist diejenige Fläche,
die das Werkstück unter der Einwirkung des Werkzeugs am Ende des Bearbeitungsvorganges
hat. Bei plattierten Behältern liegt diese Fläche in der Trennfläche zwischen den
beiden unterschiedlichen Werkstoffen.
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Ein derartiger Werkzeughalter schafft die Voraussetzungen dafür, daß
die Schneidkante des Zerspanungswerkzeugs einer nahezu beliebigen Oberflächengestalt
des Werkstücks folgen kann. Es ist lediglich erforderlich, den Verlauf der Kurvenbahn
den geometrischen Verhältnissen der Werkstückoberfläche anzupassen, worauf in der
Detailbeschreibung noch näher eingegangen wird. Besonders einfach liegen die Verhältnisse
für die Auslegung der Kurvenbahn, wenn in einem Zylindermantel eine radiale Uffnung
erzeugt werden soll. In diesem Falle hat die Kurvenbahn in etwa die Form einer Ellipse.
Diese wird punktweise konstruiert,Hierbei wird der Schneidenträger für jede Stelle
der Bearbeitungsbahn sinngemäß in diejenige Stellung gebracht, bei der die Bedingung
erfüllt ist, daß die Schneidkante an wider Stelle der Bearbeitungsfläche im wesentlichen
parallel zur Tangentenfläche verläuft, die an der betreffenden Stelle an die fertig
e Oberfläche des Werkstücks gelegt ist, und der den betreffenden Punkt der Kurvenbahn
festlegt.
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Wird ein solcher Werkzeughalter unter entsprechender Ausrichtung der
Kurvenbahn zum Werkstück durch axiale Verschiebung in eine Stellung gebracht, bei
der die Schneidkante die Werkstückoberfläche an einem beliebigen Punkt der Umlaufbahn
tangential berührt, so folgt die Schneidkante während ihres Umlaufs um die Drehachse
Z in etwa der Oberflächenkontur des Werkstücks. Bei einer zylindrischen Werkstückoberfläche
führt der Schneidenträger bei seinem Umlauf eine Art periodischer Schwenkbewegungen
um die Achse "A" aus. Wird der Vorschub des Werkzeughalters betätigt, so nimmt die
Schneidkante auf ihrer Umlaufbahn einen Span von im wesentlichen gleichbleibender
Breite und Dicke ab. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis beispielsweise bei Verbundwerkstoffen
die Grenzfläche zwischen den beiden Werkstoffen erreicht ist.
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Auf die angegebene Weise ist es möglich, die Schneidkante auf einer
Bahn zu bewegen, die zuletzt genau in der Berührungsfläche zwischen den beiden unterschiedlichen
Werkstoffen verläuft, so daß der eine Werkstoff unter Ausbildung eines stufenförmigen
Absatzes entfernt wird, während der andere Werkstoff unversehrt stehen bleibt. Der
stehengebliebene Teil kann nun beispielsweise durch Weiterbearbeitung verformt und
an die im wesentlichen zylindrische Fläche des anderen Werkstoffes angewalzt bzw.
umgebördelt werden. Abgesehen von dieser Möglichkeit wirkt auf den Werkzeughalter
auch ein außerordentlich gleichförmiger Spandruck ein, der zu einer hohen Präzision
des Bearbeitungsvorganges führt. Durch rotationssymmetrische Anordnung von zwei
oder mehreren Schneidenträger können die mechanischen Verhältnisse weiter verbessert
werden.
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Durch die linienförmige Ausbildung der Schneidkante entsteht ein geometrisch
absolut genaues Abbild der ursprünglichen,
zylindrischen Werkstückoberfläche
in der Tiefe nur an den beiden Stellen der Bearbeitungsbahn, die zur Werkstückachse
parallel verlaufen. An diesen beiden Stellen befinden sich die Mantellinien der
Zylinderfläche. Im rechten Winkel hierzu weist die Werkstückoberfläche eine vom
Werkstück durchmesser abhängige Krümmung auf, der die Schneidkante natürlich nicht
entspricht. Diese Abweichung ist aber für die Praxis aufgrund der üblichen Relationen
zwischen Kesseldurchmesser, #ffnungsdurchmesser und Länge der Schneidkante im Grunde
belanglos, zumindest aber nicht störend.
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Mit dem Erfindungsgegenstand konnte in der Praxis eine vollkommen
ausreichende Bearbeitungsgenauigkeit erzielt werden. Ein besonders vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist gemäß der weiteren Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidenträger als zweiarmiger Winkelhebel ausgebildet
ist, daß der Grundkörper mit mindestens einer radialen, parallelwandigen Ausnehmung
für die Unterbringung des Schneidenträgers versehen ist und daß die Achse "A" für
die Schwenkbewegung des Schneidenträgers durch einen Bolzen gebildet ist, der den
Grundkörper und den Schneidenträger durchdringt. Auf die angegebene Weise dienen
die parallelen Wände der Ausnehmung zusätzlich zum Bolzen zur Stützung und Führung
des Schneidenträgers während seiner Bewegung. Dies ist deswegen von Bedeutung, weil
auf den Schneidenträger durch den Spandruck erhebliche Umfangskräfte einwirken.
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Eine besonders gedrängte Bauweise des Erfindungsgegenstandes wird
dadurch ermöglicht, daß das eine Ende des Winkelhebels den Fortsatz für das Yenpanungswerkzeug
bildet und im wesentlichen radial aus dem Grundkörper herausragt, während das andere
Ende im wesentlichen parallel zur Drehachse "Z" verläuft, und über eine radiale
Lasche mit mindestens einer
Kurvenrolle in Verbindung steht, die
auf der Kurvenbahn abrollt. An die Stelle der Kurvenrolle kann auch ein G;leitkörper,
Kulissenstein etc. treten.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Lasche mit ihrem dem Schneidenträger
abgekehrten Ende mit einem kolbe-nförmigen Gleitkörper in Verbindung steht, der
im Grundkörper radial beweglich gelagert ist und an dem die Kurvenrolle befestigt
ist.Der Gleitkörper dient hierbei sowohl zur Aufnahme der von der Kurvenrolle erzeugten,
wechselnden Querkräfte als auch zur Aufnahme der senkrecht dazu verlaufenden Kräfte
der Lasche, die diese aufgrund des veränderlichen Anstellwinkels erzeugt. Hierdurch
wird eine sehr zuverlässige und verkantungsfreie Führung der einzelnen Teile ermöglicht.
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Es ist weiterhin von Vorteil, die Kurvenbahn in einem Gehäuse anzuordnen,
welches den Grundkörper drehbeweglich umgibt. Auf diese Weise wird die Funktion
von Kurvenbahn und Gehäuse vereinigt, wobei das Gehäuse die beweglichen Teile allseitig
umschließt und bei Verwendung entsprechender Abdichtungen das Eindringen von Schmutz
zuverlässig verhindert. Besonders zweckmäßig wird dabei das Gehäuse aus zwei im
wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgebildeten Gehäuseschalen gebildet.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise
seien nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen Axialschnitt durch einen vollständigen Werkzeughalter,
Figur
2 einen Schnitt durch den Gegenstand nach Figur 1 entlang der Linie II - II und
Figur 3 einen Querschnitt durch einen Behälter, der mit einem Werkzeughalter gemäß
den Figuren 1 und 2 bearbeitet worden ist.
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In den Figuren I und 2 ist mit 10 ein Grundkörper bezeichnet, der
um seine Drehachse "Z" rotationssymmetrisch ausgebildet und mit einer zentralen
Bohrung 11 versehen ist. An seinem oberen Ende ist der Grundkörper mit einem Einspannkegel
12 zur Befestigung in einer nicht dargestellten Aufnahme einer Werkzeugmaschine,
beispielsweise einer Bohr- oder Fräsmaschine versehen. Der untere Teil des Grundkörpers
10 ist im Bereich der Bohrung 11 auf diametral gegenüberliegenden Seiten mit parallelwandigen
Ausnehmungen 13 versehen, in denen je ein Schneidenträger 14 bzw. 14' um eine Achse
"A" schwenkbar gelagert ist. Die Achse A verläuft zur Drehachse Z senkrecht und
wird durch einen Bolzen 15 gebildet, der den Grundkörper 10 und den Schneidenträger
14 bzw. 14' durchdringt. Der Grundkörper 10 ist nach unten hin durch eine Abschlußplatte
16 verschlossen.
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Der Schneidenträger 14 bzw. 14' besteht aus einem Winkelhebel 17 bzw.
17', dessen eines Ende einen Fortsatz 18 bzw.
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18' mit einem aufgesetzten Zerspanungswerkzeug 19 bzw. 19' bildet,
der im wesentlichen radial aus dem Grundkörper 10 herausragt. Das Zerspanungswerkzeug
19 bzw. 19' ist als dreiseitige Wendeplatte ausgeführt und besitzt eine lineare
Schneidkante 20 bzw. 20'.
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Der zweiarmige Winkelhebel 17 bzw. 17' besitzt ein weiteres Ende 21
bzw. 21', welches sich im wesentlichen parallel zur Drehachse "Z" erstreckt und
über einen Bolzen 22 bzw. 22' mit
einer radialen Lasche 23 bzw.
23' in Verbindung steht. Das jenseitige Ende der Lasche 23 bzw. 23' ist über einen
Bolzen 24 bzw. 24' an einen kolbenförmigen Gleitkörper 25 bzw. 25' angelenkt, an
dessen äußerem Ende paarweise Kurvenrollen 26 bzw. 26' angeordnet sind, deren Achsen
parallel zur Drehachse "Z" verlaufen. Die Gleitkörper sind in radialen Führungen
27 bzw. 27' gelagert, die ihrerseits fest mit dem Grundkörper 10 beispielsweise
durch Schweissen verbunden sind.
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Die bisher beschriebene Anordnung ist von einem Gehäuse 28 umgeben,
welches aus zwei Gehäuseschalen 29 und 30 besteht. Die relative Drehbarkeit des
Gehäuses 28 gegenüber dem Grundkörper 10 wird durch Rollenlager 32 und 33 bewirkt,
die nach außen hin durch Lagerdeckel 34 und 35 abgeschlossen sind.
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Die Gehäuseschalen 29 und 30 besitzen auf ihren Innenflächen Kurvenbahnen
31, auf denen die Kurvenrollen 26 bzw. 26' abrollen können. Die Kurvenbahnen 31
sind sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kurvenrollen 26 angeordnet, so daß
diese in beiden Richtungen zwangsgeführt sind. Der Hohlraum zwischen den beiden
Gehäuse -schalen 29 und 30 ist derart gestaltet, daß sich der Grundkörper 10 mit
den Führungen 27 bzw. 27' frei gegenüber dem Gehäuse 28 drehen kann. Wie insbesondere
aus Figur 2 hervorgeht, führen die Kurvenrollen 26 bzw. 26' bei dieser Drehung eine
Bewegung auf einer in etwa e#iptischen Bahn aus, durch die sie sich periodisch an
die Drehachse "Z" annähern und von ihr wieder entfernen. Diese Bewegung überträgt
sich über die radialen Laschen 23 bzw. 23' auf das obere Ende 21 bzw. 21' der Winkelhebel
17 bzw. 17', die dadurch eine periodische Schwenkbewegung um die Achsen "A" ausführen.
Zum Zwecke einer Unterbringung der Laschen 23
bzw. 23' sind die
entsprechenden Enden der Gleitkörper 25 bzw. 25' und der Winkelhebel bzw. 17' gegabelt
ausgeführt.
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Die Wirkungsweise des Werkzeughalters ist folgende: Aufgrund der Führung
der Kurvenrollen 26 in der Kurvenbahn 31 sowie durch die zwischengeschalteten, weiter
oben beschriebenen Obertragungselemente führen die beiden Winkelhebel 17 bzw.
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17' Schwenkbewegungen aus, deren beide Endstellungen in Figur 1 dargestellt
sind. In der linken Hälfte von Figur 1 ist die innerste Endstellung gezeigt, bei
der die Schneidkante 20' genau senkrecht zur Drehachse "Z" verläuft, d.h. in der
üblichen Arbeitsstellung eines solchen Werkzeughalters waagrecht. In der rechten
Hälfte von Figur 1 ist der Winkelhebel 17 in der äußersten Endstellung gezeigt,
in der die Schneidkante 20 um den Winkel c## aus der Horizontalen abwärts verschwenkt
worden ist. Die beiden Stellungen kommen normalerweise bei der Bearbeitung zylindrischer
Oberflächen gleichzeitig nicht vor, da die beiden Winkelhebel in einer gemeinsamen
radialen Ebene liegen.
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Die beiden gezeigten Stellungen kommen aber unabhängig voneinander
vor, nachdem sich der Grundkörper 10 um 90 Grad um die Drehachse "Z" gedreht hat.
Bei der in Figur 1 in der linken Hälfte dargestellten Stellung wird eine Stelle
in der Bearbeitungsbahn bearbeitet, die am höchsten Punkt liegt, d.h. in der obersten
Mantellinie der zu bearbeitenden Zylinderfläche. Bei der in der rechten Hälfte von
Figur 1 dargestellten Stellung der Schneidkante 20 wird eine Stelle der Bearbeitungsbahn
bearbeitet, die rechtwinklig hierzu steht, also an der tiefsten Stelle der Bearbeitungsbahn
überhaupt liegt. Zum besseren Verständnis dieser Zusammenhänge sei auf Figur 3 verwiesen,
die auch die Grundprinzipien für die Dimensionierung des Werkzeughalters nach den
Figuren 1 und 2 offenbart.
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Figur 3 zeigt einen Teilausschnitt aus einem Werkstück in Form eines
zylindrischen Behälters 36, dessen Achse senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der
Behälter 36 besteht aus einem Verbundwerkstoff mit einem Außenmantel 37 aus Stahl
und einem Innenmantel 38 aus Kupfer. In dem Behälter ist eine Uffnung 39 zu erzeugen,
außerhalb welcher ein Rohrstutzen 40 mit einem Befestigungsflansch 41 anzubringen
ist. Hierbei soll zunächst der schraffiert gezeichnete Teil 38a des Innenmantels
38 in Form einer ringförmigen Lippe stehen bleiben und nachfolgend durch einen Walz-
oder Bördelvorgang zu einem im wesentlichen zylindrischen Kragen 38b umgeformt werden,
der sich an eine gleichfalls im wesentlichen zylindrische Fläche des Außenmantels
37 anlegt. Zu diesem Zweck wird zunächst in dem Behälter 36 auf üblichem Wege eine
Bohrung mit dem Radius R1 erzeugt. Im Anschluß daran kommt der erfindungsgemäße
Werkzeughalter zum Einsatz, bei dem die äußersten Punkte der Schneidkanten 20 bzw.
20' einen "Radius" beschreiben, der mit R2 bezeichnet ist. Daß es sich hierbei wegen
der Schwenkbewegung der Schneidkanten um keinen exakten Radius handelt, kann aus
den eingangs erläuterten Gründen vernachlässigt werden.
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Aufgrund der Wirkungsweise des ErfindungrgegenStandes entsteht im
Behälter 36 am Ende des Bearheitungsvorganges eine stufenförmige Ausdrehung, bei
der im Bereich des Radius R2 sämtliches Material des Außenmantels 37 entfernt worden
ist und lediglich der schraffierte Teil 38a des Innenmantels 38 erhalten geblieben
ist. Die obere Fläche 42 dieses Teils besitzt eine Winkellage, die mit der Winkellage
der Tangentenfläche an die Berührungsfläche (42a) zwischen den beiden Werkstoffen
im Punkt "p" Uhereinstimmt, der etwa in der Mitte zwischen den beiden Radien R1
u#nd R2 liegt. Der betreffende Winkel ist mit " ~<' bezeichnet und
stimmt
mit dem Winkel 0> #in Figur 1 überein, der den Schwenkbereich der Schneidkante
20 bzw. 20' angibt.
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Beim Bearbeitungsvorgang befindet sich die Drehachse "Z" des Werkzeughalters
in der Achse "X" der Uffnung 39.
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In der Durchdringungsstelle der Achse "X" durch die äußere Begrenzungsfläche
42a des Innenmantels 38 wird die Tangente "T " gelegt. Diese wird von einer weiteren
Tangente "T2" im Punkt "P2" geschnitten, welche im Punkt ''P1'' an die Fläche 42
gelegt ist. Die Tangente T2 liegt in der entsprechenden Tangentenfläche. Der Abstand
"D" des Punktes P2 von der Achse "X" ist der Abstand der Schwenkachse "A" von der
Drehachse "Z" des Werkzeughalters. Soweit erforderlich sind die konstruktiven Größen
aus Figur 3 in Figur 1 übertragen worden.
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Zur Durchführung des Bearbeitungsvorganges wird im Regelfall der Werkzeughalter
gegenüber dem ortsfesten Werkstück bewegt. Das Gehäuse 28 muß dabei in Bezug auf
das Werkstück festgehalten werden, was durch eine nicht dargestellte Abstützung
des Gehäuses an der Werkzeugmaschine oder am Werkstück bewirkt wird.