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Die Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung, ein Versorgungssystem, einen Werkzeugaktor und ein Werkzeug.
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Relevanter Stand der Technik ist unter anderem die
DE 10 2010 048 638 A1 . Beim in der
DE 10 2010 048 638 A1 beschriebenen Verfahren wird einem Werkzeug eine vergleichsweise hochfrequente Vibration überlagert (”Ultraschall”). Das Werkzeug kann ein Fräser, Bohrer oder ein Drehmeißel sein.
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Es hat sich allerdings gezeigt, dass für manche Materialien und sonstige Randbedingungen von Werkstückbearbeitungen die hochfrequenten Vibrationsfrequenzen und die relativ kleinen Vibrationsamplituden nicht sonderlich wirksam in den gewünschten Effekten am Werkzeug sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Versorgungsschaltung und ein Versorgungssystem für ein vibrierendes Werkzeug sowie ein vibrierendes Werkzeug bzw. einen Aktor hierfür anzugeben, die eine angepasste Versorgung des Vibrationsantriebs ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Eine Versorgungsschaltung für einen Aktor eines vibrierenden Werkzeugs hat einen Spannungsgenerator, der am Spannungsausgang eine Ausgangsspannung mit einem Gleichanteil und einem Wechselanteil erzeugt.
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Die Vibration kann eine Arbeitsfrequenz aufweisen, die um mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% oder 30% gegenüber einer mechanischen Resonanzfrequenz des vibrierenden Systems verstimmt ist. Die Arbeitsfrequenz kann in einem Bereich liegen, dessen Untergrenze 500 Hz oder 800 H z sein kann und/oder dessen Obergrenze 1600 Hz oder 1200 Hz sein kann.
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Das Werkzeug kann ein Bohrer, ein Fräser oder ein Drehmeißel und die Vibration eine translatorische Vibration sein, wobei beim Bohrer und Fräser die Vibrationsachse achsparallel zur Werkzeugachse ist und beim Drehmeißel parallel zur radialen Richtung des sich drehenden Werkstücks.
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Im Vergleich zum genannten Stand der Technik ist die genannte Arbeitsfrequenz relativ gering. Sie kann im Bereich von 1 kHz liegen. Die Amplitude ist demgegenüber vergleichsweise groß. Ihre Obergrenze kann bei 30 μm oder 50 μm oder 100 μm liegen. Mit den genannten Werten wirkt sich die überlagerte vibrierende Bewegung in verschiedenen Bearbeitungskontexten wesentlich stärker auf das Werkstück und insbesondere die verbliebene Werkstückoberfläche aus als dies bei bisher üblicherweise verwendeten Vibrationen im Stand der Technik der Fall ist. Insbesondere erscheint die Oberfläche weniger zerklüftet, also glatter, als bei den bekannten Bearbeitungsverfahren.
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Der Spannungsgenerator kann Wechselstrom empfangen und einen zum Eingang seriellen Kondensator C1 und einen Halbwellengleichrichter parallel zur genannten Serienschaltung aufweisen. Die Eingangsspannung kann eine Wechselspannung sein, die induktiv drahtlos zugeführt wird.
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Ein Aktor eines vibrierenden Werkzeugs hat einen maschinenseitigen ersten mechanischen Anschluss, ein Werkzeug oder einen zweiten mechanischen Anschluss hierfür, einen elektrischen Vibrationsantrieb zwischen dem ersten Anschluss und dem Werkzeug bzw. dem zweiten Anschluss, eine Versorgungsschaltung, und eine elektrische Verbindung zwischen der Versorgungsschaltung und dem Vibrationsantrieb. Der Vibrationsantrieb kann eine translatorische Vibration erzeugen und einen Piezo-Antrieb aufweisen.
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Wenn der elektromechanische Wandler des Aktors ein Piezoelement ist, ist zu beachten, dass Piezoelemente polare Bauelemente sind, bei denen Fehlpolungen der Treiberspannung zur Verschlechterung oder Zerstörung führen können, wenn sie dem Betrag nach hoch sind. Deshalb ist es vorteilhaft, Piezoelemente in möglichst nur einer Polarität der Spannungsbeaufschlagung zu betreiben, oder jedenfalls eine von beiden möglichen Polaritäten so zu steuern, dass die Amplituden (Betrag) dabei möglichst gering (bzw. Null) bleiben.
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Gerade bei großen Vibrationsamplituden sind relativ hohe Wechselspannungsamplituden wünschenswert. Um hierbei Beschädigung oder gar Zerstörung des Piezoelements zu vermeiden, wird eine Treiberspannung generiert, bei der der Wechselanteil entsprechend der gewünschten Vibration um einen Gleichanteil herum schwingt. Je nach Wahl der Dimensionen (Gleichanteil im Vergleich zur Wechselamplitude) kann dann verringert oder vermieden werden, dass das Piezoelement umgepolt wird.
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Der Aktor kann zwischen dem eigentlichen Werkzeugkopf (z. B. Bohrer) und einer Antriebskomponente einer Werkzeugmaschine liegen. Die Maschine kann eine CNC-Maschine sein, die standardisierte Werkzeuge in der Weise verwendet, dass deren mechanische Anschlüsse an die Maschine standardisiert sind, etwa gemäß HSK oder ähnlichem. Zum Werkzeugkopf selbst hin kann ebenfalls eine zweite mechanische Verbindung/Anschluss vorgesehen sein, oder das Werkzeug kann mehr oder minder fest lösbar oder unlösbar mit dem Aktor selbst verbunden sein.
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Das Versorgungssystem für den Aktor kann eine Schaltung wie oben dargelegt aufweisen. Deren Wechselstromeingang kann induktiv gespeist werden, also letztlich von einer Sekundärspule, die mit einer Primärspule magnetisch gekoppelt ist. Die Versorgungsschaltung ist dann im Werkzeug selbst vorgesehen und wird mit diesem entsprechend dessen Arbeitsbewegungen (z. B. Rotation eines Bohrers) mitbewegt.
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Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 Diagramme zur Erläuterung mechanischer Eigenschaften der gewünschten Vibration,
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2 Schaltbilder einer Versorgungsschaltung,
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3 ein elektrisches Signal,
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4 schematisch ein Werkzeug in einer Maschine, und
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5 ein Werkzeug.
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In der folgenden Beschreibung sollen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bedeuten. Merkmale sollen auch dann als miteinander kombinierbar angesehen werden, wenn dies nicht ausdrücklich gesagt ist, soweit deren Kombination nicht technisch unmöglich bzw. unsinnig ist. Beschreibungen von Verfahren und Verfahrensschritten sind auch als Beschreibungen von Einrichtungen zur Implementierung des jeweiligen Verfahrens bzw. Verfahrensschritts zu verstehen, und umgekehrt.
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1 zeigt schematisch und qualitativ Eigenschaften der gewünschten mechanischen Schwingungen. 1a zeigt eine Vibration um eine Null-Lage (Mittenlage) herum. Im Beispiel eines Bohrers kann die Vibration translatorisch längs der Bohrerachse sein. Gezeigt ist eine sinusförmige mechanische Schwingung. Sie kann aber gewünscht oder sich von selbst ergebend auch eine andere Schwingungsform als sinusförmig annehmen. Die mechanische Schwingung hat eine Arbeitsamplitude Aa um die Mittellage herum. Die Extremwerte sind dann durch +Aa und –Aa beschrieben. Die Amplitude Aa kann mindestens 5 μm, mindestens 10 μm oder mindestens 20 μm betragen. Ihre Obergrenze kann 30 oder 50 oder 100 μm sein.
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Dies sind vergleichsweise hohe Amplituden, die im Stand der Technik bisher nicht erwogen wurden. Die Untersuchungen der Erfinder haben jedoch gezeigt, dass abhängig von Materialien und sonstigen Betriebsparametern (Drehzahl, gewünschte Oberflächengüte, Arbeitsgeschwindigkeit, Kosten, usw.) andere und insbesondere höhere Amplituden als die bisher favorisierten relativ geringen Amplituden für eine vorteilhafte Werkstückbearbeitung günstig sein können. Dem entsprechen die relativ niedrigen beschriebenen Arbeitsfrequenzen fa. Ein derart vibrierendes Werkzeug wird im Falle eines Bohrers verstärkt komprimierend auf die momentane Werkstückoberfläche einwirken, sodass diese gerade dann, wenn das Werkzeug mit der Werkstückbearbeitung geendet hat, gewünschte Oberflächen hinterlässt.
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Im Falle eines Drehmeißels kann die Vibrationsachse einer translatorischen Vibration eine Bewegungskomponente haben, die bezüglich der Drehachse des Werkstücks radial ist, sodass auch hier der Drehmeißel senkrecht zur (momentanen) Werkstückoberfläche translatorisch vibriert.
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Ein Fräser kann längs seiner Drehachse oder rechtwinklig hierzu und senkrecht zur Werkstückoberfläche zur Vibration gebracht werden.
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1a zeigt eine Periodendauer P einer periodischen mechanischen Schwingung 11. Deren Kehrwert entspricht der Schwingungsfrequenz, auch als Arbeitsfrequenz fa bezeichnet. Allgemein kann die Arbeitsfrequenz in einem Bereich liegen, dessen Obergrenze 5 kHz oder 3 kHz oder 2 kHz oder 1,5 kHz ist. Sie kann in einem Bereich liegen, dessen Untergrenze 200 Hz oder 500 Hz oder 800 Hz ist. Sie kann 1 kHz +10% betragen.
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Es hat sich gezeigt, dass solche – im Vergleich zum Stand der Technik relative niedrige – Frequenzen gut geeignet sind, Werkstücke vorteilhaft zu bearbeiten, wenn hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten gewünscht sind. Der Vorteil der niedrigen Arbeitsfrequenz liegt dabei auch darin, dass sie von Resonanzfrequenzen so ausreichend weit beabstandet ist, dass sie einstellbar wird, etwa nach Maßgabe der Vorschubgeschwindigkeit. Wie die ungewünschte Frequenzverschiebung bei Frequenzfehlern hat dann die gewünschte Frequenzverschiebung bei Änderung der Frequenzeinstellung nur eine geringere Auswirkung auf die Amplitude. Die genannten vergleichsweise niedrigen Frequenzen und/oder vergleichsweise hohen Amplituden werden vorteilhafterweise insbesondere dann gewählt, wenn Schruppvorgänge auszuführen sind, also hohe Abtragsleistungen gewünscht sind.
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Teil des Arbeitsverfahrens insoweit ist dann der Schritt des Führens der Vibrationsfrequenz nach Maßgabe des Vorschubs des Werkzeugs am Werkstück.
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1b zeigt Frequenzverhältnisse. Dargestellt ist der Frequenzgang 12 eines zur Schwingung angeregten Werkzeugs, also mechanische Schwingungsamplitude A über Anregungsfrequenz f. Die Kurve 12 hat bei 13 ein Maximum, was einer Resonanz, also Anregung mit Eigenschwingung, entspricht. Anders als im Stand der Technik üblich, ist es bevorzugt, das Werkzeug außerhalb der Resonanzfrequenz f0 anzuregen, auch dann, wenn eine möglichst hohe Schwingungsamplitude Aa der angeregten Schwingung erwünscht ist, was üblicherweise zur Anregung an der Resonanzfrequenz führt, da dort schon entsprechend dem Frequenzgang die Amplitude vergleichsweise groß ist.
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Entgegen diesem naheliegenden Ansatz aber kann allgemein bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem vibrierenden Werkzeug die Anregungsfrequenz fa des bearbeitenden Werkzeugs auf einen Wert außerhalb der Resonanz gewählt werden. Die Dimensionierung kann so sein, dass die Arbeitsfrequenz fa um mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% oder mindestens 30%, gegenüber einer mechanischen Resonanzfrequenz des vibrierenden Systems verstimmt ist. Insbesondere kann sie kleiner als die Resonanzfrequenz f0 sein.
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Resonanzfrequenzen vibrierender Werkzeuge finden sich häufig im Bereich f0 = 2 kHz. Demgegenüber können Arbeitsfrequenzen fa in einen Bereich gelegt werden, dessen Untergrenze 500 Hz oder 800 Hz sein kann, und/oder dessen Obergrenze 1600 Hz oder 1200 Hz sein kann. In 1b sind Untergrenzen f1 und f2 dargestellt; ihnen entsprechen Grenzwerte der jeweils hervorgerufenen Amplitude A1 und A2.
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Der Grund für die Verstimmung der Arbeitsfrequenz fa gegenüber der Resonanzfrequenz f0 liegt darin, dass außerhalb der Resonanzüberhöhung die am Werkstück wirkende Amplitude weniger fehlerempfindlich gegenüber Frequenzverstimmungen der Treiberfrequenz ist. In der Nähe der Resonanzfrequenz f0 ist die Kennlinie vergleichsweise steil, so dass kleine Frequenzfehler zu relativ großen Amplitudenfehlern und damit unvorhergesehenen Verhältnissen bei der Werkstückbearbeitung führen.
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Demgegenüber sind die Verhältnisse abseits der Resonanzfrequenz f0 weniger kritisch gegenüber Frequenzfehlern, da der Frequenzgang der Amplitude A weniger steil ist. Der gleiche Frequenzfehler abseits der Resonanzfrequenz hat einen kleineren Amplitudenfehler zur Folge als eben dieser Fehler in der Nähe der Resonanzfrequenz.
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Dabei kann die Drehzahl eines Bohrers oder Fräsers in einem Bereich liegen, dessen Untergrenze 10.000 U/Min oder 15.000 U/Min ist und/oder dessen Obergrenze 30.000 U/Min oder 25.000 U/Min sein kann.
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2 zeigt Schaltungen für die Energieversorgung des Vibrationsantriebs. Er kann ein Piezoelement sein oder aufweisen. In 4 ist es mit 43 symbolisiert. In den Schaltbildern der 2 ist es entsprechend seiner elektrischen Wirksamkeit als Kondensator jeweils ganz unten zu sehen.
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Angenommen wird, dass die Energieversorgung drahtlos erfolgt. Neben der Vibration führt das Werkzeug eine herkömmliche Arbeitsbewegung aus, bei einem Bohrer etwa eine Drehung um die Achse. Eine bekannte Technik war es, den Energieübertrag vom stationären zum beweglichen Teil mittels schleifenden Kontakten zu bewerkstelligen. Im Hinblick auf Verschleiß ist dies jedoch nachteilig.
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Wenn der Verschleiß nicht hingenommen werden soll, wird eine drahtlose Energieübertragung gewählt, bei der eine Primärspule mit einer oder mehreren Sekundärspulen magnetisch gekoppelt ist. Die Primärspule wird mit Wechselspannung gespeist und erzeugt dementsprechend ein magnetisches Wechselfeld, das in der/den Sekundärspule/n eine Wechselspannung hervorruft. Die Primärspule ist stationär vorgesehen, während die Sekundärspule zusammen mit dem Werkzeugaufbau vorgesehen ist und daran fest angebracht sein kann.
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2a zeigt die stationäre Wechselspannungsquelle 21, die mit einer Primärspule 22 verbunden ist. Diese Komponenten sind stationär. Darüber hinaus sind zwei Sekundärspulen 24a und 24b vorgesehen, die sich mit dem Werkzeug bewegen. Insbesondere drehen sie sich, wenn das Werkzeug drehangetrieben ist. Eine 24b der Sekundärspulen speist einen Vollwellengleichrichter 25, dessen gleichgerichteter Ausgang mittels eines Kondensators 26 geglättet wird. Auf diese Weise entsteht eine pulsierende Gleichspannung. Die andere Sekundärspule 24a generiert Wechselspannung, die zur gleichgerichteten und geglätteten Ausgangsspannung am Kondensator 26 in Serie geschaltet wird. Auf diese Weise entsteht eine Gleichspannung, der eine deutliche Wechselspannung überlagert ist. Sie liegt dann am mit 43 bezeichneten und als Kondensator symbolisierten Piezo-Aktor an.
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Bei dieser Schaltung besteht jedoch die Gefahr, dass sich die Sekundärspulen 24a und 24b rückwirkend gegenseitig beeinflussen, sodass undefinierte Verhältnisse entstehen können. Insofern kann die Schaltung der 2a besonders dann zum Einsatz kommen, wenn die Energieeinspeisung nicht induktiv erfolgt, sondern herkömmlich abgegriffen werden kann.
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2b zeigt eine andere Schaltung für die drahtlose Energieübertragung. Zwischen stationärer Wechselspannungsquelle 21 und Primärspule 22 kann ein serieller Kondensator 23 als Gleichspannungssperre vorgesehen sein. Er ist groß dimensioniert und kann eine Kapazität von über 1 mF oder über 3 mF haben. Sekundärseitig ist eine Sekundärspule 24c vorgesehen, die eine Serienschaltung zweier Schaltungsteile speist. Das eine Schaltungsteil ist eine herkömmliche Diode 28, die als Halbwellengleichrichter verwendet wird. Das andere Schaltungsteil ist ein Kondensator 27 oder weist ihn auf. Parallel zur Diode 28 bzw. zum ersten Schaltungsteil kann ein Widerstand 29 vorgesehen sein. An der Diode bzw. an dem ersten Schaltungsteil kann die Speisespannung für den Piezo-Aktor 43 abgegriffen werden.
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Der Halbwellengleichrichter 28 schneidet eine Halbwelle der Wechselspannung an der Sekundärspule und Spannungen unterhalb der Durchlassschwelle der Diode ab, so dass der durchgelassene Teil nicht mehr um Null herum symmetrisch ist. Er enthält deshalb einen Gleichanteil. Der als Kapazität wirkende Piezo-Antrieb 43 kann einerseits als Wechselstromimpedanz wirken, die doch einen Teil der Wechselspannung durchlässt, wird andererseits aber auch die Ausgangsspannung am Gleichrichter 28 glätten, sodass an ihm und damit auch am Piezo-Antrieb 43 selbst näherungsweise eine Sinusspannung anliegt.
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Die Tatsache, dass der Halbwellengleichrichter 28 nicht nur die invertierte Spannungspolung blockt, sondern auch in Durchlassrichtung Spannungsbeträge unterhalb der Durchlassspannung der Diode, wird abhängig von Dimensionierungen durch die Impedanz des Piezoelements 43 selbst kompensiert, da diese entsprechend 1/(jωC) als endliche Wechselstromimpedanz wirkt. Bei geeigneter Auslegung kann eine Gesamtspannung entstehen, deren minimaler Wert Null ist und deren maximaler Wert in Durchlassrichtung der Diode 28 in etwa dem Zweifachen der Wechselspannungsamplitude entspricht.
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3 zeigt einen möglichen Zeitverlauf der Spannung an der Diode 28 bzw. am zweiten Schaltungsteil. Der Zeitverlauf 31 kann mehr oder minder sinusförmig sein. Je nach Symmetrie des Zeitverlaufs wird der Gleichanteil Udc in etwa mittig zwischen den Maximal- und Minimalwerten des Wechselanteils Uac liegen. Die durchgezogene Linie zeigt einen Verlauf, der durchwegs über der Null-Linie liegt. Gestrichelt ist mit 31' ein Verlauf angedeutet, der bis auf die Null-Linie herunterreicht. Er kann die Null-Linie auch unterschreiten und dann zu Umpolungen des Piezoelements führen. Sie sind unkritisch, solange die invertierte Spannung betragsmäßig unter bestimmten Grenzen bleibt. Der überlagerte Gleichanteil Udc trägt hierfür Sorge.
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Der Vorteil der Schaltung der 2b ist es, dass sie einfach aufgebaut ist und dass sie nur einen sekundären Abgriff benötigt, um sowohl Gleichspannung Udc als auch Wechselspannung Uac zu erzeugen, sodass Wechselwirkungen wie sie in der Schaltung der 2a festgestellt wurden, nicht auftreten können.
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Die Sekundärspule(n) ist/sind vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse des Werkzeugs aufgebaut. Die Rotation des Werkzeugs in Betrieb erzeugt dann keine bzw. lediglich eine geringe Änderung des die Spule durchsetzenden Flusses, sodass die Drehgeschwindigkeit sich auf die sekundär induzierte Spannung nicht oder nur gering auswirkt. Vielmehr werden Frequenz und Amplitude der Sekundärspannung dann durch entsprechende Steuerung der elektrischen Werte an der Primärseite einstellbar, ohne dass die Drehzahl des Werkzeugs dies beeinflussen würde.
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Allerdings kann, wenn gewünscht, die Sekundärwicklung auch so angebracht werden, dass die Werkzeugdrehung den sie durchsetzenden magnetischen Fluss beeinflusst, sodass sich die Werkzeugdrehung in die Sekundärspannung abbildet.
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Der Gleichspannungsanteil Udc kann mindestens die Hälfte der Amplitude Uac des Wechselanteils sein. Er ist vorzugsweise gleich der Amplitude Uac ±4% von Uac oder ±1% von Uac.
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Ein Versorgungssystem für einen Aktor eines vibrierenden Werkzeugs hat eine Versorgungsschaltung 28, 29 wie oben beschrieben, eine oder mehrere Sekundärspulen wie oben beschrieben, eine Primärspule 22 und eine Wechselspannungsquelle 21. Es kann auch der schon genannte Kondensator 23 vorgesehen sein. Der Kondensator 23 kann einen Wert haben, der mindestens das 100-fache des Werts des Kondensators 27 ist. Dieser wiederum kann so dimensioniert sein, dass sein Wert mindestens das Vierfache der äquivalenten Kapazität des Piezo-Antriebs 43 ist. Es kann auch mindestens das Doppelte oder mindestens das Dreifache sein, und/oder gegebenenfalls höchstens das Zehnfache oder höchstens das Zwanzigfache. Die Primärspule kann nahe der sich drehenden Maschinenspindel vorgesehen sein. Sie ist aber in der Regel stationär.
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4 zeigt schematisch einen Aktor 40 für ein Werkzeug. Er weist einen maschinenseitigen Anschluss 44 auf, mit dem der Aktor mit der sich drehenden Spindel 45 einer Werkzeugmaschine gekoppelt werden kann. Der Anschluss kann einer Norm entsprechen, etwa HSK. Weiterhin ist ein werkzeugseitiger Anschluss 42 vorgesehen, an dem das Werkzeug befestigt ist oder befestigbar ist. Gezeigt ist eine Ausführungsform, bei der ein Werkzeug 10 mit einer Schraube 41 festgeschraubt werden kann. Der werkzeugseitige Anschluss 42 selbst kann gegen einen gleichartigen oder anderartigen austauschbar, also vom Aktor lösbar und mit ihm verbindbar sein. Auf diese Weise können Werkzeuge mit unterschiedlichen Anschlüssen verwendet werden.
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43 symbolisiert den Vibrationsantrieb, der als Piezo-Antrieb ausgebildet sein kann. Er wirkt zwischen dem maschinenseitigen Anschluss 44 und dem werkzeugseitigen Anschluss 42. 47 symbolisiert die Sekundärspulen 24 in den Schaltungen der 2. Sie kann um den Umfang des Aktors umlaufend ausgebildet sein. 48 symbolisiert eine Primärspule entsprechend 22 in 2. 48a symbolisiert eine Halteeinrichtung, um die Primärspule am festen Teil der Maschine zu halten.
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Die Versorgungsschaltung 20 ist an einer geeigneten Stelle des Aktors untergebracht. Um Unwuchten zu vermeiden, kann sie verteilt über den Umfang vorgesehen sein, oder sie ist mit Gegengewichten ausgewuchtet. 47 ist die Drehachse des Aktors zusammen mit dem Werkzeug 10, das mit Schraube 41 befestigt sein kann. Auch die Spindel 45 dreht sich um die Achse 47. 49 symbolisiert ein Werkstück. 46 symbolisiert einen Werkstücktisch. Die Sekundärspule 24 ist mit der Versorgungsschaltung 20 elektrisch verbunden, die wiederum mit dem Antrieb 43 elektrisch verbunden ist.
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Die Auslegung des mechanischen und elektrischen Systems des Aktors ist so, dass er die eingangs zum Bearbeitungsverfahren beschriebenen Größen generiert. Insbesondere sind der Piezo-Antrieb 43 und das elektrische System so ausgelegt, dass Vibrationsamplituden der gewünschten Größe zustande kommen. Die Einstellung der Vibrationsfrequenz erfolgt, wie weiter oben erläutert, vorzugsweise durch Einstellung der primärseitigen Erregerfrequenz.
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Ein Werkzeugaufbau hat den Aktor 40 wie oben beschrieben und ein Werkzeug 10. Das Werkzeug 10 ist geeignet am Aktor 40 befestigt. Gezeigt ist in 4 eine Verbindung mittels einer Schraube 41. Das Werkzeug kann ein Spezialwerkzeug für vibrierende Bearbeitung eines Werkstücks sein, etwa wie gezeigt ein hohlzylindrischer Aufbau mit werkstückseitigem Schleifaufsatz, oder es kann ein mehr oder minder herkömmliches Werkzeug sein. Auch die Befestigung des Werkzeugs 10 am Aktor 40 kann spezialisiert oder standardisiert sein. Das Werkzeug ist vorzugsweise ein Bohrer oder ein Fräser oder ein Drehmeißel.
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Bisher wurden translatorische Vibrationen längs einer Achse beschrieben. Gleiche Gedanken wie oben gelten aber auch für rotatorische Vibrationen von Bohrern oder Fräsern um ihre Drehachse. Auch für rotatorische Vibrationen gelten die Frequenzangaben wie oben angeführt. Die Amplitudenangeben gelten am jeweils größten Schneidradius des Werkzeugs. Für rotatorische Vibrationen kann der Aktor 40 und insbesondere der Vibrationsantrieb anders als in 4 gezeigt aufgebaut sein. Es kann aber auch ein Piezoaktor vorgesehen sein. Die Versorgungsschaltung kann die gleiche sein.
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5 zeigt ein Werkzeug 51 für die Werkstückbearbeitung. Die Bearbeitung ist eine Verdichtung (Schlagverdichtung, ”Festklopfen”) einer ggf. vorher schon anderweitig bearbeiteten Oberfläche eines Werkstücks aus relativ duktilem Material, insbesondere metallischem Material, etwa Aluminium und seinen Legierungen. Das Werkzeug ist mit einem Vibrationsaktor 40 verbunden bzw. verbindbar, der wie beschrieben aufgebaut sein kann. Die Vibration weist eine Bewegungskomponente senkrecht zur Werkstückoberfläche auf. Es kann eine translatorische Vibration senkrecht zur Werkstückoberfläche entsprechend den bisher beschriebenen Randbedingungen (Vibrationsfrequenz, Amplitude) sein.
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Das Werkzeug 51 weist eine dem Werkstück zugewandte Oberfläche 52 auf, die keine Kanten oder Schneiden aufweist. Sie kann relativ glatt sein. Sie kann zum Werkstück hin um Achse 53 herum rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Sie kann berechsweise als Sektor einer Kugeloberfläche mit Radius R ausgebildet sein und kann nach hinten (in 5 oben, zur Maschine hin) in einen geeigneten Befestigungsbereich zum Aktor 40 hin übergehen oder an diesem dauerhaft befestigt sein. Der Radius der Kugel kann in einem Bereich liegen, dessen Untergrenze 0,5 mm oder 1 mm oder 2 mm ist und/oder dessen Obergrenze 20 mm oder 10 mm oder 5 mm ist. Die Oberfläche 52 kann aber auch (nicht gezeigt) bereichsweise eben sein und an den Rändern geeignete Verrundungen aufweisen.
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Im Bearbeitungsverfahren vibriert das Werkzeug und wird mittels Maschinenkomponenten über die Oberfläche des Werkstücks auf dieser aufsitzend geführt. Es kann ohne Rotation um die Achse 53 betrieben werden. Die Vibration und die Führungsbewegung sind dann die einzigen Bewegungen.
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Allgemein weist die Maschine eine Steuerung auf, die die beschriebenen Größen einstellt und Schritte vollzieht. Sie kann nach Maßgabe eines Programms arbeiten und ggf. auch rückgekoppelt geregelt oder gesteuert nach Maßgabe von Sensorsignalen arbeiten.
