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Diese
Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung von Kugelschreiberspitzen,
sogenannten Rohspitzen, in deren Sitzbereich und vorzugsweise in
ihrem Konusbereich. Außerdem
betrifft diese Erfindung die Herstellung solcher Werkzeuge und ihren Einbau
in schnelldrehende Präzisionsspindeln.
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Gemäß dem Stand
der Technik wurde die Bearbeitung dieser Bereiche nacheinander in
verschiedenen aufeinander folgenden Arbeitsschritten mittels üblicher
Automaten mit Drehzahlwechselscheiben ausgeführt, was zur Folge hatte, dass
sowohl die Rundlaufabweichung als auch die Bildung von Graten nicht
ausreichend gemeistert wurde. Dann wurden mehrteilige Werkzeuge
entwickelt, die so gehandhabt werden konnten, dass sie einzeln in einer
allgemeinen Einspannvorrichtung eingeführt und eingespannt werden
konnten. Dadurch wurde sicherlich das Problem, Grate zu beseitigen,
gelöst,
die Konzentrizität
auf den Mikrometer genau sowie die gewünschten Abmessungen der Schreibspitzen konnten
jedoch nur unter größten Schwierigkeiten
erreicht werden, da man nicht über
schnelldrehende Präzisionsspindeln
verfügte,
deren Drehachse vom Stillstand bis zur maximalen Drehgeschwindigkeit eine
Abweichung von 0,5 Mikrometer nicht überschreiten würde. In
der Schrift
DE 1 402
888A ist ein bekanntes Werkzeug beschrieben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rohspitze mit einer Präzision zu
schaffen, wie sie bisher nie erreicht wurde.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung genauer beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 eine
Kugelschreiberspitze, wie sie beispielsweise mittels des erfindungsgemäßen Werkzeugs
hergestellt werden kann,
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2 ein
erfindungsgemäßes Werkzeug,
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3 und 4 eine
besonders bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
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1 zeigt
eine Kugelschreiberspitze nach vollendeter spanabhebender Bearbeitung
(Rohspitze) mit einer eingesetzten Kugel nur zum Zwecke der Erläuterung.
Derartige Kugelschreiberspitzen bestehen gewöhnlich aus Messing oder Argentan,
das leicht mit kurzen Spänen
spanabhebend zu bearbeiten ist.
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Wie
in 1 zu sehen ist, hat eine Kugelschreiberspitze 1 einen
sehr komplexen Aufbau. Im Wesentlichen weist sie einen zentralen
Zuführungskanal 2 für die im
Folgenden zur Vereinfachung Tinte genannte Tinte der Schreiberkugel
auf, welcher mittels einer Bohrung 2a in einen Sitzbereich 3 für die Kugel 4 mündet. Dieser
Sitzbereich 3 besteht im Wesentlichen aus einer Pilotbohrung 3a in
Verlängerung der
Bohrung 2a, aus einer ringförmigen Bodenfläche 3b und
aus einer zylinderförmigen
Bohrung 3c, die in einer Frontfläche 3d mündet.
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Die
Außenkontur,
die sich in der Verlängerung
der Frontfläche 3d befindet,
besteht aus einem Konus 5a, der mit dem Sitzbereich 3 ein
Teil bildet, das hier Lippe (Kante) 9 genannt wird. An
den Konus 5a schließt
sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen
Absatz 5c ein weiterer Konus 5b an, dessen Konfiguration
und Funktion später
erläutert
werden. Sodann schließen
sich ein Absatz 6 und eine Stange 7 an.
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Es
wird in dieser Beschreibung nicht näher auf die verschiedenen Übergänge, Senkungen,
Zwischenabsätze
u. a. eingegangen, da sie für
das Verständnis
der Erfindung nicht von besonderer Bedeutung sind und da sie dem
Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von Kugelschreiberspitzen
praktisch wohlbekannt sind.
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Ferner
muss für
ein besseres Verständnis der
Probleme bei der Herstellung einer derartigen Kugelschreiberspitze
festgehalten werden, dass bei Kugelschreiberspitzen wie denjenigen
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der maximale Durchmesser in dem Bereich des Absatzes 6 kaum
2 mm überschreitet
und der Sitzbereich 3 der Kugel 4 auf einen Mikrometer
genau oder noch präziser
gefertigt werden muss. Diese Präzision
muss bei maximalen Taktgeschwindigkeiten (240 Stück/Min., was für die eigentliche
spanabhebende Bearbeitung eine Zeitdauer von 0,125 Sekunden übrig lässt) und
so zuverlässig
wie möglich
erreicht werden. Die Kosten für eine
solche Kugelschreiberspitze, die meist aus Messing hergestellt wird,
liegen in der Größenordnung von
weniger als einem amerikanischen Cent.
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Für die Qualität der fertigen
Kugelschreiberspitze ist es von höchster Wichtigkeit, dass die
Pilotbohrung 3a präzise
konzentrisch zu dem Absatz 3b und zu der zylinderförmigen Bohrung 3c verläuft. Zudem
muss die Frontfläche 3d präzise drehzylindrisch zu
der Achse 3e des Sitzbereichs 3 konfiguriert sein. Auch
der Konus 5a muss präzise
konzentrisch zu der Achse 3e angeordnet sein. In dieser
Beschreibung versteht man unter „präzise" Toleranzen hinsichtlich der Abmessungen,
der Form und der Position innerhalb eines Bereichs vom 0,001-Fachen
des Nominaldurchmessers der Bohrung 3c.
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Die
Länge der
Pilotbohrung 3a ist dabei neben der Konzentrizität zwischen
der Pilotbohrung und dem Absatz aus folgenden Gründen ebenfalls wichtig: Nach
der spanabhebenden Bearbeitung der Kugelschreiberspitze werden in
dem Übergangsbereich
von der Pilotbohrung 3a zu dem Absatz 3b hin mittels
eines Schmiedewerkzeugs die Tintenkanäle geschaffen, und die Kugel
wird in ihrem Sitz in axialer Richtung zusammengedrückt. Dabei
muss bei Auftreten von „Falten", die bei dieser
Bearbeitung infolge des Stauchens von Werkstoff zur Achse entstehen können, darauf
geachtet werden, dass der Tintenfluss ungehindert bis in die fertige
Spitze des Kugelschreibers erfolgen kann, was durch eine ausreichende
Tiefe der Pilotbohrung gewährleistet
ist.
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1 zeigt
links die Form des kalt gepressten Rohlings 8, aus dem
sodann durch spanabhebende Bearbeitung die Bohrungen 2 und 2a,
der Sitzbereich 3 und der Konus 5a hergestellt
werden.
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1 zeigt
auch eine fiktiv eingesetzte Kugel 4, um das Hervorstehen
der Kugel über
die Frontfläche 3d darzustellen.
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Sodann
werden die Tintenkanäle
in die ringförmige
Frontfläche 3b gestanzt,
die Kugel wird eingesetzt, in die Sitzfläche gedrückt, und der Randbereich wird
um die Kugel herum gespannt. Durch das Spannen, das beispielsweise
mittels eines Drehkopfs erfolgt, wird um die Kugel 4 herum
und zu dem Sitz hin ein schmaler, gebogener, ringförmiger Schlitz
von mikroskopischer Präzision
gebildet. Die geometrische Präzision
dieses Schlitzes ist die Voraussetzung für einen Qualitäts-Kugelschreiber.
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Beim
Stand der Technik ist es zur Herstellung des Sitzbereichs 3 und
des Konus 5 erforderlich, ein mehrteiliges Werkzeug zu
verwenden, dessen Teile in einer schnelldrehenden Präzisionsspindel (18000
bis 60000 U/Min) angeordnet werden, wobei sie aber einzeln in einem
Werkzeugkopf eingestellt und festgezogen werden können.
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Die
Lager der Präzisionsspindel
bestehen aus stark vorgespannten Kugellagern mit einem Kontaktwinkel
von 15° bis
30°, vorzugsweise
Mischlagern der höchsten
Präzisionsklasse
(ABEC 9) in einem Spindelgehäuse,
das hinsichtlich Masse, Zylindrizität, Konzentrizität, Parallelität die Präzision IT
01 bis IT 1 aufweist. Die Oberflächen,
die dazu bestimmt sind, die gebrauchten Lager aufzunehmen, dürfen in ihrer
Rauheit Ra 0,1 nicht überschreiten.
Durch diese Präzision
kann die Vorspannung der Lager über
die üblichen
Grenzen hinaus hergestellt werden, ohne dass dadurch eine nicht
zulässige
Erwärmung
der Spindel erfolgt. Als Schmiersystem der Lager ist beispielsweise
ein Ölnebel
geeignet. Zudem ist eine Dichtung ohne Kontakt erforderlich, beispielsweise eine
Labyrinthdichtung, um die Reibungswärme zu begrenzen. Die Konzentrizität kann ebenfalls
mittels solcher Spindeln gemeistert werden.
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Es
bleibt noch das Problem der Einstellung der mehrteiligen Werkzeuge
mit der erforderlichen Präzision
beim Ausbau wegen Nachbearbeitungen und beim Wiedereinbau sowie
beim Lösen,
beim Einstellen und sonstigen Positionswechseln der verschiedenen
Werkzeugteile. Dies macht es erforderlich, die Spannflächen des
Werkzeugs und der Spannvorrichtung vollkommen sauber zu halten,
da selbst die geringsten Änderungen
der Spannsituation, sei es durch winzige Partikel oder Änderungen durch
das Spannen des Werkzeugs o.a., die Korrelation vor und nach der
Korrektur unsicher machen.
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Dadurch,
dass die bekannten mehrteiligen Werkzeuge einzeln eingestellt und
befestigt werden können,
können
die gewünschten
Abmessungen (auf einen Mikrometer genau) und die gewünschte Geometrie
(ebenfalls auf einen Mikrometer genau) der Rohspitze nur sehr schwer
erreicht werden.
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Versuche,
ein einstückiges
(monolithisches) Werkzeug zu schaffen, mit dem der Sitzbereich 3 und vorzugsweise
auch der Konus 5a, eventuell mit dem Absatz 5c,
hergestellt werden können,
sind daran gescheitert, dass ein solches Werkzeug, das gewöhnlich aus
feinkörnigem
Wolframkarbid mit beispielsweise 4% Co besteht, sehr schwierig richtig
einzustellen ist, insbesondere bei einem Kantenradius von 0,02 mm.
Je nach Abnutzung des Profils der Schleifscheibe muss sie häufig gerade
gerichtet werden, mit all den Problemen, die das mit sich bringt.
Es ist daher von Vorteil, auf funkenerosives Abtragen zurückzugreifen.
Bei Verwendung eines moderneren Werkstoffs wie beispielsweise eines
feinkörnigen
polykristallinen Diamanten (DPC) ist eine Bearbeitung nur durch
Funkenerodieren (EDM = electro discharge machining) möglich, und
vorzugsweise durch Drahterodieren (wire-EDM) mit einem Drahtdurchmesser von
15 bis 50 μm,
um die erforderlichen kleinen Übergangsradien
herstellen zu können.
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2 zeigt
ein erfindungsgemäßes Werkzeug 10,
mit dem dieser Zweck erreicht wird. Dieses Werkzeug ist aus einem
zylindrischen Stab mit einem Durchmesser von beispielsweise 4 mm
gefertigt und weist eine Rundheit und eine Zylindrizität mit einer Abweichung
von weniger als 0,5 μm
auf. Diese Präzision
kann durch spitzenloses Schleifen (centerless grinding) erreicht
werden.
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Dieses
monolithische Werkzeug 10, das sich bei der Bearbeitung
einer Kugelschreiberspitze in der Richtung des Pfeils D dreht, weist
einen Basisbereich 10a auf, der die oben angesprochene
Rundheit und Zylindrizität
besitzt und als Bezugsgröße dient.
Dazu wird der Basisbereich 10a mit seiner vollständigen Umfangslinie
vorzugsweise in axialem Abstand zu dem Sitzbereichelement (vorzugsweise
in 1,5 mm Abstand von der Kante 10b) ausgebildet. Im „oberen" Bereich ist das
Basiselement in einer Stufe parallel zur Achse 16 in axialer
Richtung bis zu dem vollständigen
Basisbereich entlang der Kante 10b versetzt, welche sich
in geeignetem Abstand (von mindestens 51 % des Durchmessers der
Bohrung 3c, sieh 1) befindet.
Die genannte Stufe lässt
Raum für
ein nicht dargestelltes Werkzeugteil, das den Bereich des Konus 5a bildet.
Das Sitzbereichelement 12, das die Pilotbohrung 3a,
die ringförmige
Bodenfläche 3b,
die zylinderförmige
Bohrung 3c und die Frontfläche 3d bildet, ragt über die
Basis hinaus.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
das Sitzbereichelement 12 eine Schneidekontur 14 auf,
die mehrfach umgebogen ist und sich aus folgenden Abschnitten zusammensetzt:
der oberste Abschnitt bildet den Übergang von der Bohrung 2a zur
Pilotbohrung 3a, die nächsten
Abschnitte die Pilotbohrung 3a, die ringförmige Bodenfläche 3b,
die zylinderförmige
Bohrung 3c und schließlich
die Frontfläche 3d.
Die Schneidekontur 14 befindet sich in einem Fassadenbereich 12a,
der vorzugsweise 0,05 bis 0,1 mm über dem Mittelpunkt der Basis 10a liegt
(angezeigt durch den Bohrpunkt der Achse 16 in der Fläche 12c).
Dadurch können
die freien Flächen 12b im
rechten Winkel zum Fassadenbereich 12a gebildet werden,
so dass eine abnutzungsfeste, mechanisch stabile Schneidgeometrie
erreicht werden kann.
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Eine
Korrektur im Bereich des Durchmessers des Sitzbereichs kann von
der Spannvorrichtung aus durch Versetzen in Querrichtung gegenüber der
Achse 16 erfolgen, ohne den einstückigen Werkzeugteil 10 abzunehmen,
der das Sitzbereichelement 12 enthält, da sich die verschiedenen
Abstände
zwischen den Abschnitten des Sitzbereichs 3a, 3b, 3c und 3d an
dem Werkzeug zueinander nicht ändern können, da
dieses in einem einzigen Stück
ausgeführt
ist. Lediglich die Durchmesser werden durch das Versetzen gleichzeitig
um jeweils den gleichen Wert geändert.
Wenn die Durchmesser den gewünschten
Wert erreichen, ist auch das präzise
Hervorstehen der Kugel über
die Frontfläche 3d hinaus ohne
weiteres Zutun erreicht.
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Dieses
einstückige
Werkzeug 10 für
den Sitzbereich wird, wie oben erwähnt, durch ein nicht dargestelltes
Teil für
den Konusbereich 5a und vorzugsweise den Absatz 5c ergänzt. Die
oben angeführten
Probleme mit den mehrstückigen
Werkzeugen spielen in diesem Fall eine Rolle, die zu vernachlässigen ist,
da das einstückige
Werkzeug 10 nicht abgesetzt werden muss und nur die Wandstärke der Kante 9 (1)
auf Grund möglicher
Abweichungen beim Einsetzen des Konuselements in einen Bügel um einige
Mikrometer variieren kann, seine Konzentrizität ist jedoch nicht beeinträchtigt.
Durch dieses getrennte Konusteil wird es möglich, durch sein Versetzen
gegenüber
den in einem Stück
ausgeführten Teilen 10 entlang
der Ebene, die sich parallel zur Achse 16 erstreckt und
von der Kante 10b begrenzt ist, die Stärke der Kante 9 unabhängig von
den Durchmessern des Sitzbereichs 3 zu beeinflussen.
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Die 3 und 4 zeigen
ein erfindungsgemäßes Werkzeug,
bei dem sowohl das Sitzbereichelement 12 wie auch ein Konuselement 13 in
einem Stuck an einen ihnen gemeinsamen Basisteil 10a konfiguriert
sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
bildet das Konuselement 13 den Konus 5a und den
Absatz 5c (1).
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Das
Konuselement 13 weist eine Fassadenfläche 13a auf, die vorzugsweise
durch den Mittelpunkt der Basis 10a (durch die Achse 16)
verläuft
und mit der Fassadenfläche 12a einen
Winkel von mehr als 90°,
vorzugsweise von ca. 120°,
bildet. So erhält man
sowohl genügend
Platz für
das Abführen
der Späne
von den beiden Schneidekonturen 14, 15, als auch
eine ausreichende mechanische Festigkeit der beiden Elemente 12, 13.
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In
den 3 und 4 zusammengenommen ist in axialer
Richtung der tiefe Einschnitt vor der Fassadenfläche 13a und die Rille
zwischen dem Sitzbereichelement 12 und dem Konuselement 13 zu
sehen. Diese Zwischenräume
können
mittels des unten beschriebenen Verfahrens geschaffen werden. Aus 3 geht
ferner die komplexe Konfiguration der kleinen Flächen des Sitzbereichelements 12 hervor, deren
maßgenaue
Fertigung ebenfalls mittels des unten beschriebenen Verfahrens möglich wird.
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Für die Ausführungsformen
des einstückigen Werkzeugs
erfolgt die Positionierung des Werkzeugs 10 in mehreren
Schritten: Zunächst
wird seine Achse 16 in Übereinstimmung
mit der Drehachse der Präzisionsspindel
gebracht, und zwar durch Versetzen des Werkzeugs oder seiner Spannvorrichtung
in der Richtung X und/oder Y (die mit der Richtung Z zusammen ein
rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, wobei die Richtung Z mit
der Achse 16 zusammenfällt).
Dies erfolgt mittels der Drehbewegung der Spindel in vier vorbestimmten
rechtwinkligen Positionen (die im Verhältnis zu der Ebene der Fassade 12a stehen),
die passend markiert sind, mittels der Bestimmung des Abstandes
zwischen der genauen zylinderförmigen
Fläche
der Basis 10a und diesen Positionen im Verhältnis zu
einem Präzisions-Skalenanzeiger
(Mikrokator), der während
des Positioniervorgangs feststehend angeordnet ist. Die so festgestellte
Abweichung in der Richtung X oder Y wird durch Versetzen des Werkzeugs
korrigiert, bis die Abweichung geringer ist als 0,5 μm.
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Es
werden sodann einige Probestücke
gefertigt und ausgemessen. Die dabei festgestellten Abweichungen
der hergestellten Rohspitzen gegenüber den gewünschten Abmessungen können folgendermaßen korrigiert
werden:
Um die Durchmesser des Sitzbereichs 3 zu vergrößern, genügt es, das
Werkzeug 10 parallel zur Ebene der Frontfläche, d.
h. in der Richtung der Achse X zu versetzen. In dieser Richtung
wurde die Ebene der Frontfläche 12a beim
Einsetzen des Werkzeugs 10 präzise positioniert. Da der Winkel
zwischen den Frontflächenebenen 12a und 13a größer als
90° ist, erreicht
man dann eine Verringerung des Durchmessers des Konus 5a und
des Absatzes 5c. Dies kann durch ein entsprechendes Versetzen
zur Achse Y hin kompensiert werden. Indem man den Winkel zwischen
den Frontflächenebenen 12a und 13a kennt, lässt sich
numerisch oder graphisch sowohl in der Richtung X wie auch in der
Richtung Y leicht die Amplitude der Versetzung bestimmen, die den
gewünschten
Durchmesser des Sitzbereichs 3 und die gewünschte Stärke der
Kante 9 gewährleistet.
Dabei muss allerdings noch darauf geachtet werden, dass die Achse 16 des
Werkzeugs 10 genau parallel zur Achse der Präzisionsspindel
verläuft.
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Die
Fertigung eines Werkzeugs gemäß der Erfindung
erfolgt durch Drahterodieren und ist möglich, indem die oben genannten
zylindrischen Hochpräzisions-Stäbe mit der
Manteloberfläche
in dem Basisteil 20a verwendet werden. Der Draht wird zunächst unter
Anlegen einer geringen Spannung (beispielsweise 10 V) an die zylindrische
Manteloberfläche
des Stabs angenähert,
bis ein Kontakt stattfindet, womit man infolge der präzisen Konfiguration
des Stabs eine exakt wieder herzustellende und präzise definierte
Position des Drahts, eigentlich seiner Manteloberfläche, zur
Achse 16 des Stabs erreicht. Es ist also möglich, die
verschiedenen Kanten, Oberflächen
und Rillen des Werkzeugs 10 trotz verschiedener Positionswechsel
oder Spannvorgänge
des Werkzeugs 10 oder des Drahts mit der erforderlichen Genauigkeit
herzustellen.
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Zur
Herstellung von Absätzen
o. a., die weder parallel noch im rechten Winkel zu der Achse 16 ausgerichtet
sein müssen,
müssen
andere Bezugsgrößen vorgesehen
sein, seien es Oberflächen
oder Kanten.
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Dazu
ist es notwendig, den Abstand zwischen der Manteloberfläche des
Drahts und der zu bearbeitenden Oberfläche (Funkenerosionsschlitz) unter
den Bearbeitungsbedingungen (Spannung wesentlich höher als
bei dem oben erwähnten
Messvorgang, verwendete Frequenz, Kapazität, Abmessung der Oberfläche usw.)
zu bestimmen und in Versuchen zu berücksichtigen. Als Material für den Hochpräzisionsdraht
kommen vorzugsweise Wolfram, Molybdän oder messingummantelter Stahldraht
in Betracht.
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Es
muss nochmals darauf hingewiesen werden, dass der Durchmesser des
Werkzeugs 10 in dessen zylindrischem Teil zur Positionsbestimmung nur
mit 4 mm vorgesehen ist und dass die Position der Schneidekonturen 14, 15 mit
einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer hergestellt werden
muss. Die Oberflächen 12a, 12b, 12c der Schneidekontur 14 und
die analogen Oberflächen der
Schneidekontur 15 müssen
der vorbestimmten Geometrie auf einen Mikrometer genau entsprechen.
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In
dieser Beschreibung wird nicht näher
auf Details wie beispielsweise die Darstellung der Kante oder der
Leiste 17 eingegangen, die als optisch erkennbare Bezugsgröße für den Einbau
des Werkzeugs 10 hinsichtlich der genauen Ausrichtung zur Achse
X sowohl bei seiner Fertigung wie auch bei seinem Gebrauch verwendet
wird. Es wird lediglich festgestellt, dass es nicht unbedingt notwendig
ist, bei der Fertigung wie auch beim Einbau des Werkzeugs 10 einen
Bereich vorzusehen, der einen vollkommen kontinuierlichen zylinderförmigen Außenmantel
aufweist, wie es die 2 und 4 zeigen, sondern
dass es genügt,
wenn dort Bereiche des zylinderförmigen
Außenmantels
von hoher Präzision vorhanden
sind, wo es zur Einstellung oder zum Regeln der durch Funkenerodieren
zu bearbeitenden Maschine und zum Einsetzen und Einstellen in der Spannvorrichtung
der Präzisionsspindel
unbedingt erforderlich ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern
kann auf verschiedene Weisen modifiziert werden. So ist es zunächst möglich, die
Form und Position der Schneidekonturen an die erforderliche Form
des Sitzbereichs 3 (konische Bodenfläche 3b usw.) oder
des Konus 5a an die Kugelschreiberspitze anzupassen. Es
ist nicht erforderlich, dass sich ein anderer Konus 5b an
den Konus 5a anschließt.
Die axiale Länge
des Basisteils 10a stellt klassischerweise das Doppelte des
Durchmessers dar, ohne aber darauf beschränkt zu sein.