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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallbohrmaschine, insbesondere einer handgeführten Ultraschallbohrmaschine, zum materialabtragenden Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere eines im Wesentlichen mineralischen Werkstücks, insbesondere eines im Wesentlichen mineralischen Werkstücks aus Beton oder Stein oder Metall, mittels eines von einer Antriebseinheit der Ultraschallbohrmaschine rotatorisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs, wobei einer Rotationsbewegung des Einsatzwerkzeugs eine mittels eines Schwingungsaktors der Antriebseinheit erzeugte, longitudinale Ultraschallschwingung überlagerbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Ultraschallbohrmaschine, insbesondere eine handgeführte Ultraschallbohrmaschine, mit einem Werkzeuggehäuse, in dem eine Antriebseinheit zum rotatorischen Antrieb eines Einsatzwerkzeugs angeordnet ist, wobei der Rotationsbewegung des Einsatzwerkzeugs eine mittels eines Schwingungsaktors der Antriebseinheit erzeugte und von einer Steuereinheit modulierte, longitudinale Ultraschallschwingung überlagerbar ist.
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Die Schlagfrequenz einer Ultraschallbohrmaschine bewegt sich in der Regel in einem Bereich von 20 kHz bis zu 200 kHz und ist damit um ein Vielfaches größer als die Schlagfrequenz einer Schlagbohrmaschine, die in der Regel bei weniger als 0,5 kHz liegt, bzw. die Schlagfrequenz eines Bohrhammers, die im Allgemeinen niedriger als 0,1 kHz ist. Aufgrund der hohen Schlagfrequenz einer Ultraschallbohrmaschine ergibt sich im Vergleich zu einer konventionellen Schlagbohrmaschine oder einem Bohrhammer zunächst eine hohe Bohrkopftemperatur. Weiterhin ergibt sich ein hoher reibungsbedingter Verschleiß des Bohrkopfes.
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Die
DE 44 44 853 A1 beschreibt ein Handgerät zur materialabtragenden Bearbeitung von spröden und/oder duktil versagenden Werkstoffen unter Zuhilfenahme von Ultraschall. Dieses Handgerät ist mit einer innerhalb eines Gehäuses angeordneten Antriebseinheit für ein Bearbeitungswerkzeug ausgestattet, welches im Betrieb in axiale Rotation versetzt wird. Zusätzlich sind innerhalb des Gehäuses ein elektroakustischer Wandler zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen sowie ein Schwingungsverstärker angeordnet, mit denen im Betrieb des Geräts der Rotation des Bearbeitungswerkzeugs Ultraschallschwingungen überlagert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallbohrmaschine, insbesondere einer handgeführten Ultraschallbohrmaschine, zum materialabtragenden Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere eines im Wesentlichen mineralischen Werkstücks, insbesondere eines im Wesentlichen mineralischen Werkstücks aus Beton oder Stein oder Metall, mittels eines von einer Antriebseinheit der Ultraschallbohrmaschine rotatorisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs bereit, wobei einer Rotationsbewegung des Einsatzwerkzeugs eine mittels eines Schwingungsaktors der Antriebseinheit erzeugte, longitudinale Ultraschallschwingung überlagerbar ist. Die Ultraschallschwingung wird mittels einer Steuereinrichtung der Ultraschallbohrmaschine moduliert.
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Die Erfindung ermöglicht es somit, eine thermische und reibungsbedingte Beanspruchung des Einsatzwerkzeugs zu verringern. Um diesen Zweck zu erreichen, wird mit Hilfe der elektronischen Steuereinrichtung der zeitliche Verlauf der Ultraschallschwingung auf geeignete Art und Weise verändert. Durch eine geeignete Modulation kann unter anderem der durch den Bohrstaub bedingte Verschleiß des Einsatzwerkzeugs vorteilhaft reduziert werden, da bei fehlender Ultraschallschwingung mehr Bohrstaub mittels der Wendel des weiter rotierenden Bohrers aus dem Bohrloch heraus gefördert werden kann. Somit kann eine maximale Bohrstrecke bis zum verschleißbedingt notwendigen Austausch eines Bohrers im Vergleich zu einer Bohrmaschine mit konstanter Ultraschalleinkopplung um den Faktor 10 gesteigert werden, wobei lediglich eine Verdopplung der Bohrzeit zu erwarten ist. Im einfachsten Fall kann z.B. ein magnetischer oder ein piezoelektrischer Schwingungsaktor zum Generieren der Ultraschallschwingung mittels der Steuereinrichtung periodisch ein- und ausgeschaltet werden, woraus ein ungefähr rechteckförmig gepulster Verlauf der Ultraschallschwingung resultiert. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel mit einem Mikrocontroller realisiert sein. Zumindest ein digitaler Ausgang des Mikrocontrollers dient dabei im einfachsten Fall zur Erzeugung eines Steuersignals zur Ansteuerung des Schwingungsaktors zur Erzeugung der modulierten Ultraschallschwingung.
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Vorzugsweise wird eine Frequenz der Ultraschallschwingung im Wesentlichen zeitlich konstant gehalten.
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Hierdurch ergibt sich eine einfachere Ansteuerung des Schwingungsaktors seitens der Steuereinrichtung. In Abhängigkeit von der Beschaffenheit der zu bearbeitenden Werkstücke kann die Frequenz ggfls. variiert werden.
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Bevorzugt beträgt die Frequenz der Ultraschallschwingung mindestens 20 kHz.
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Hierdurch sind bei den meisten Werkstücken optimale Arbeitsergebnisse, insbesondere Abtragraten, erzielbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Amplitude der Ultraschallschwingung zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert eingestellt.
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Infolgedessen kann der durch die Ultraschallschwingung hervorgerufene axiale Schwingungshub des Einsatzwerkzeugs in weiten Grenzen verändert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung beträgt der Minimalwert der Amplitude bis zu –300 µm und der Maximalwert der Amplitude bis zu +300 µm.
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Hierdurch können räumlich kompakte Standard-Schwingungsaktoren eingesetzt werden, die sich in ein Werkzeuggehäuse einer Ultraschallbohrmaschine, insbesondere einer handgeführten Ultraschallbohrmaschine, integrieren lassen.
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Bevorzugt wird die Ultraschallschwingung zur Erzeugung von im Wesentlichen rechteckförmigen Impulsen mittels der Steuereinrichtung periodisch gepulst, wobei ein Pulsweitenverhältnis von 0% bis zu 100% eingestellt wird.
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Hierdurch ist eine einfache, digitale (Ein-Aus-)Ansteuerung des Schwingungsaktors mittels der Steuereinrichtung möglich.
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Vorzugsweise wird ein konstantes Pulsweitenverhältnis der Ultraschallschwingung von ungefähr 50% eingestellt.
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Aufgrund des bevorzugten Pulsweitenverhältnisses bzw. des Tastverhältnisses von 50 % ergibt sich ein optimaler Kompromiss zwischen der Abtragsgeschwindigkeit bzw. der Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers und dessen Beanspruchung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird mittels der Steuereinrichtung eine Impulsweite der Impulse der Ultraschallschwingung von etwa 17,5 ms eingestellt.
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Infolgedessen ist bei einer bevorzugten Frequenz der Ultraschallschwingung von 20 kHz gewährleistet, dass ein einzelner Impuls der gepulsten Ultraschallschwingung theoretisch bis zu 350 Einzelschwingungen enthält.
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Bevorzugt werden die Impulse der Ultraschallschwingung zum Erzeugen eines von der Rechteckform abweichenden Verlaufs mit einer Einschwingrampe und/oder einer Ausschwingrampe versehen.
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Infolgedessen können die mechanische Beanspruchung des Schwingungsaktors sowie eine mechanische Belastung des Einsatzwerkzeugs herabgesetzt werden.
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Darüber hinaus stellt die Erfindung eine Ultraschallbohrmaschine, insbesondere eine handgeführte Ultraschallbohrmaschine, mit einem Werkzeuggehäuse bereit, in dem eine Antriebseinheit zum rotatorischen Antrieb eines Einsatzwerkzeugs angeordnet ist, wobei der Rotationsbewegung des Einsatzwerkzeugs eine mittels eines Schwingungsaktors der Antriebseinheit erzeugte und von einer Steuereinheit modulierte, longitudinale Ultraschallschwingung überlagerbar ist. Die Ultraschallbohrmaschine wird bevorzugt nach Maßgabe des oben beschriebenen Verfahrens betrieben.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine signifikante Verlängerung der Standzeit bzw. der Einsatzzeit des Einsatzwerkzeugs bis zu dessen verschleißbedingtem Ausfall bei einer vernachlässigbaren Verlängerung der Arbeitszeit durch eine Verkleinerung der Abtragsrate infolge der gepulsten Ansteuerung des Schwingungsaktors bzw. des Piezoaktors.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ultraschallbohrmaschine,
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2 ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf eines Steuersignals zum verfahrensgemäßen Betrieb der Ultraschallbohrmaschine von 1, und
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3 ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf einer Ultraschallschwingung beim verfahrensgemäßen Betrieb der Ultraschalbohrmaschine von 1.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine exemplarisch von einem Benutzer mit der Hand führbare Ultraschallbohrmaschine 100, die bevorzugt mit einem nach Art eines Ultraschallbohrers 162 ausgebildeten, austauschbaren Einsatzwerkzeug 160 verbindbar ist. Die Ultraschallbohrmaschine 100 weist vorzugsweise ein Werkzeuggehäuse 180 mit einem ergonomisch geeignet geformten Handgriff 185 zum einhändigen Ergreifen durch einen Benutzer auf. Der Ultraschallbohrer 162 verfügt hier lediglich beispielhaft über einen zylindrischen Schaft 164 sowie einen hiervon wegweisenden, in Richtung eines mit der Ultraschallbohrmaschine 100 zu bearbeitenden Werkstücks 166 gerichteten Bohrkopfabschnitt 168.
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Das Werkzeuggehäuse 180 bildet illustrativ einen Innenraum 186 aus, in dem unter anderem ein elektrischer oder ein pneumatischer Antriebsmotor 135 angeordnet ist, der zum rotatorischen Antrieb eines optionalen Getriebes 140 mittels einer Abtriebswelle 145 ausgebildet ist. Mit Hilfe einer Abtriebswelle 150 des Getriebes 140 wird ein Schwingungsaktor 105 – wie mit einem Doppelpfeil 300 angedeutet – drehend angetrieben. Der Antriebsmotor 135, das Getriebe 140 sowie der Schwingungsaktor 105 bilden zusammen eine kompakte Antriebseinheit 130 der Ultraschallbohrmaschine 100 aus.
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In den sich bei aktiviertem bzw. eingeschaltetem Antriebsmotor 135 mitdrehenden Schwingungsaktor 105 ist mindestens ein vorzugsweise piezoelektrisches Schwingelement 106 integriert, das zur Erzeugung einer longitudinalen Ultraschallschwingung 110 dient, die im Wesentlichen in Richtung einer Längsmittelachse 122 wirkt und die der Drehbewegung des Schwingungsaktors 105 überlagert ist. Die von dem Schwingelement 106 des Schwingungsaktors 105 generierte Ultraschallschwingung 110 kann eine Schwingungsfrequenz von 20 kHz bis hin zu mehreren 100 kHz erreichen.
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Das mindestens eine Schwingelement
106 des Schwingungsaktors
105 ist vorzugsweise zumindest bereichsweise mit einem geeigneten, piezoelektrischen Material gebildet und kann ringförmig ausgeführt sein. Der Schwingungsaktor
105 wird nachfolgend auch kurz als "Piezoaktor" bezeichnet. Ein derartiger Piezoaktor mit exemplarisch ringförmigen, piezoelektrisch arbeitenden Schwingelementen ist unter anderem in der
WO 2010/076230 A1 detailliert beschrieben, deren Offenbarung hiermit explizit in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird, sodass auf eine detaillierte Beschreibung des konstruktiven Aufbaus des Schwingungsaktors
105 bzw. des darin integrierten Schwingelements
106 und deren Funktion verzichtet werden kann.
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Der Schwingungsaktor 105 ist bevorzugt mit einer im Bereich einer Stirnseite 108 des Werkzeuggehäuses 180 der Ultraschallbohrmaschine 100 angeordneten Werkzeugaufnahme 120 mechanisch gekoppelt, so dass diese die Rotationsbewegung des Piezoaktors 105 in Richtung des Doppelpfeils 300 unter Einschluss der fakultativen Ultraschallschwingung 110 auf das Einsatzwerkzeug 160 überträgt. Die Werkzeugaufnahme 120 ist vorzugsweise konstruktiv zur dauerhaft schwingungsfesten und im Bedarfsfall zur Durchführung eines Wechsels des Einsatzwerkzeugs 160 jedoch benutzerseitig leicht wieder lösbaren Aufnahme des Einsatzwerkzeugs 160 ausgelegt. In dem Handgriff 185 des Werkzeuggehäuses 180 der Ultraschallbohrmaschine 100 befindet sich ferner ein mittels eines Fingers des Benutzers betätigbarer elektrischer Handschalter 170 zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer elektronischen Steuereinrichtung 200.
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Illustrativ ist die Ultraschallbohrmaschine 100 zur netzabhängigen Stromversorgung elektrisch mittels einer Netzzuleitung 190 mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz verbindbar. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf netzgespeiste Ultraschallbohrsysteme beschränkt ist, sondern vielmehr bei unterschiedlichsten Elektrowerkzeugen, insbesondere handgeführten Elektrowerkzeugen, Anwendung finden kann, bei denen ein Schwingungsaktor zum oszillierenden Antrieb eines zugeordneten Einsatzwerkzeugs verwendet wird, unabhängig davon, ob das Elektrowerkzeug netzabhängig und/oder netzunabhängig mittels eines Akkupacks betreibbar ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ultraschallbohrmaschine 100 mittels eines Akkupacks betreibbar.
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Durch das Niederdrücken des elektrischen Handschalters 170 seitens des Benutzers wird die elektronische Steuereinrichtung 200 über die Netzzuleitung 190 mit Wechselstrom beaufschlagt und hierdurch aktiviert bzw. eingeschaltet. Infolgedessen erzeugt die Steuereinrichtung 200 ein zur gepulsten Ansteuerung des Schwingungsaktors 105 geeignetes, elektrisches Steuersignal 202, so dass die gewünschte longitudinale Ultraschallschwingung 110 erzeugt und mittels der Werkzeugaufnahme 120 auf den Ultraschallbohrer 162 übertragen wird. Eine Frequenz der Ultraschallschwingung 110 ist bevorzugt mittels der elektronischen Steuereinrichtung 200 stufenlos und in Abhängigkeit von dem zu bearbeitenden Werkstück 166 einstellbar, wobei die Frequenz der Ultraschallschwingung 110 während eines Bearbeitungsvorgangs vorzugsweise im Wesentlichen konstant gehalten wird.
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Bevorzugt zeitgleich mit der Aktivierung des Piezoaktors 105 wird der Antriebsmotor 135 zum drehenden Antrieb des Schwingungsaktors 105 und des Einsatzwerkzeugs 160 mittels eines elektrischen Kontrollsignals 204 überwacht von der elektronischen Steuereinrichtung 200 eingeschaltet. Der Antriebsmotor 135 zum drehenden Antrieb des Einsatzwerkzeugs 160 und der Piezoaktor 105 sind mittels des elektronischen Kontrollsignals 204 sowie des Steuersignals 202 jeweils unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar, so dass vom Benutzer mittels der Ultraschallbohrmaschine 100, in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des zu bearbeitenden Werkstücks 166, stets optimale Arbeitsergebnisse erzielbar sind.
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2 zeigt ein beispielhaftes, schematisches Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf eines Steuersignals 202 zum verfahrensgemäßen Betrieb der Ultraschallbohrmaschine 100 von 1. Das Steuersignal 202 zum periodisch-gepulsten Einschalten bzw. Ausschalten des Schwingungsaktors bzw. des Piezoaktors der Ultraschallbohrmaschine 100 von 1 wird unter anderem zur Verminderung unerwünschter tribologischer Effekte sowie einer Reduktion der im Bereich des Einsatzwerkzeugs 160 von 1 freiwerdenden Reibungswärme und der damit realisierbaren signifikanten Erhöhung der Standzeit des Einsatzwerkzeugs 160 verfahrensgemäß gepulst, d.h. mit bevorzugt rechteckförmigen, periodischen elektrischen Impulsen 210 von der elektronischen Steuereinrichtung 200 von 1 angesteuert.
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Wenn das Steuersignal 202 den Wert "1" aufweist, ist der Schwingungsaktor 105 von 1 eingeschaltet und generiert die gewünschte Ultraschallschwingung. Auch bei ausgeschalteter Ultraschallschwingung, d.h. wenn der Wert des Steuersignals "0" ist, wird die Rotationsbewegung des Ultraschallbohrers 162 von 1 vorzugsweise aufrechterhalten, um insbesondere eine optimierte Abfuhr von Bearbeitungsresten, wie z.B. Bohrstaub, aus dem Werkstück mittels einer üblicherweise immer vorhandenen, peripheren Wendel des Ultraschallbohrers 162 zu ermöglichen.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass obige Logik, bei der ein Einschalten des Schwingungsaktors 105 von 1 bei dem Wert “1“ des Steuersignals 202 und ein entsprechendes Ausschalten des Schwingungsaktors 202 bei dem Wert “0“ des Steuersignals 202 erfolgt, lediglich beispielhaft beschrieben ist und nicht zur Einschränkung der Erfindung. Vielmehr kann auch eine Umkehrung der Logik implementiert werden, bei der ein Einschalten des Schwingungsaktors 105 von 1 bei dem Wert “0“ des Steuersignals 202 und ein entsprechendes Ausschalten des Schwingungsaktors 202 bei dem Wert “1“ des Steuersignals 202 erfolgt. Eine derartige Logikumkehrung ist auch für jedwede nachfolgend beschriebene Logik möglich und dem Fachmann geläufig, sodass zwecks Knappheit und Einfachheit der Beschreibung auf deren eingehende Beschreibung verzichtet werden kann.
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Das Steuersignal 202 zur Ansteuerung des Piezoaktors 105 von 1 wechselt periodisch nach einer Zeit t1 von dem Wert "0" auf den Wert "1" und umgekehrt, woraus hier lediglich exemplarisch ein bevorzugtes Pulsweitenverhältnis bzw. ein Tastverhältnis von 50% des Steuersignals 202 und damit auch der Ultraschallschwingung resultiert. Das Pulsweitenverhältnis wird im Allgemeinen während eines Arbeitsvorganges mit der Ultraschallbohrmaschine 100 von 1 konstant gehalten. Abweichend hiervon kann mittels der elektronischen Steuereinrichtung 200 der Ultraschallbohrmaschine 100 von 1 das Pulsweitenverhältnis des rechteckförmigen Steuersignals 202 auf jeden Wert zwischen 0 % und 100 %, jeweils einschließlich der Intervallgrenzen, eingestellt werden.
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Die Periodendauer T des Steuersignals 202 ergibt sich gemäß der Beziehung T = 2·t1, wobei sich eine Pulsweite t1 in der Größenordnung von 17,5 ms bzw. eine Periodendauer von 35 ms des Steuersignals als besonders praktikabel erwiesen hat. Prinzipiell sollte die Pulsweite t1 so groß bemessen sein, dass in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz der vom Piezoaktor 105 generierten Ultraschallschwingung stets eine noch ausreichend große Anzahl von Perioden bzw. Einzelschwingungen der Ultraschallschwingung in die Pulsweite t1 "hineinpasst" (vgl. insb. 3).
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3 zeigt ein beispielhaftes, schematisches Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf einer Ultraschallschwingung beim verfahrensgemäßen Betrieb der Ultraschalbohrmaschine 100 von 1. Ein Maximalwert 212 bzw. ein positiver Maximalwert der Amplitude der mittels des Schwingungsaktors 105 von 1 generierten Ultraschallschwingung liegt bevorzugt bei einem Wert von bis zu +300 µm, während ein Minimalwert 214 bzw. ein negativer Maximalwert der Amplitude der Ultraschallschwingung vorzugsweise einen Wert von bis zu –300 µm erreicht, so dass ein maximaler, beidseitiger axialer Hubweg 216 des in der Werkzeugaufnahme 120 von 1 aufgenommenen Einsatzwerkzeugs 160 von 1 von bis zu 0,6 mm erzielbar ist.
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Unbeschadet der Ansteuerung des Schwingungsaktors 105 von 1 bzw. des Piezoaktors mit dem theoretisch rechteckförmigen Steuersignal 202 der elektronischen Steuereinrichtung 200 von 1 weist jeder Impuls 220 bzw. jedes Impulspaket der Ultraschallschwingung 110 bevorzugt einen von einem Rechteckverlauf zumindest geringfügig abweichenden Ablauf mit einer Einschwingrampe 222 und/oder einer Ausschwingrampe 224 auf, zwischen denen jeweils ein Mittenabschnitt 226 verläuft, in denen die Amplituden der Ultraschallschwingung 110 im Wesentlichen konstant sind. Die Einschwingrampe 222 weist hierbei einen näherungsweise ansteigend-exponentiellen Verlauf auf, wohingegen die Ausschwingrampe 224 einen angenähert absteigend-exponentiellen Verlauf zeigt. Weiterhin ist zu erkennen, dass hier jeder Impuls 220 bzw. jedes Impulspaket der Ultraschallschwingung 110 in etwa sieben, der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht bezeichnete Einzelschwingungen umfasst, so dass eine ausreichende Anzahl von Einzelschwingungen zur Konturierung der Einschwingrampe 222, der Ausschwingrampe 224 sowie des Mittenabschnitts 226 zur Verfügung steht, die eine Hüllkurve 228 der Ultraschallschwingung 110 darstellen. Die Einschwingrampen 222 und die Ausschwingrampen 224 der Impulse 220 sind zum einen in geringem Maße den stets vorhandenen parasitären Kapazitäten, Induktivitäten und ohmschen Widerständen geschuldet, können aber auch innerhalb des Schwingungsaktors 105 von 1 bzw. des Piezoaktors, zum Beispiel mittels einer darin integrierten geeigneten elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung bzw. Leistungselektronik kontrolliert gesteuert mit einem derartigen Verlauf generiert werden.
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Aufgrund der Ein- und Ausschwingrampen 222, 224 ist eine Reduzierung der strukturellen mechanischen Belastungen der elektromechanischen Komponenten der Ultraschallbohrmaschine 100 von 1, insbesondere der ganzen Antriebseinheit 130 von 1 einschließlich der Werkzeugaufnahme 120 von 1 mit dem Einsatzwerkzeug 160 von 1, infolge der intensiven Ultraschallschwingung 110 möglich. Ferner ist in der Zusammenschau von 3 und von 2 zu erkennen, dass die Pulsweite t1 der Impulse 220 hier exemplarisch jeweils 17,5 ms beträgt und zudem über die Zeit t konstant bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4444853 A1 [0003]
- WO 2010/076230 A1 [0031]
