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Technischer Bereich der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Werkzeug, das für die spanbeseitigende Bearbeitung
entsprechend dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 vorgesehen
ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Während der
spanbeseitigenden Bearbeitung, wie etwa dem Drehen oder Bohren,
treten häufig
Probleme bezüglich
der Vibration auf, und zwar insbesondere in den Fällen, bei
denen die Länge
des Schaftes oder des Werkzeugs mindestens vier- bis fünfmal größer als
dessen Durchmesser ist. Eine Art von Vibration ist die Krümmungsvibration,
wobei der Schaft auf und ab gekrümmt
wird und Krümmungsverformungen
ausgesetzt wird. Dieses Phänomen stellt
ein häufiges
Problem zum Beispiel während
des Drehens, insbesondere des Innendrehens, dar, wobei der Schaft
in Form einer Bohrstange lang sein muß, um das Werkstück zu erreichen,
während gleichzeitig
der Durchmesser der Stange durch die Abmessung des Loches begrenzt
wird, in welchem die Bearbeitung durchgeführt wird. Während solcher Bohr-, Dreh-
und Fräsvorgänge, bei
denen der Abstand zum Werkstück
lang ist, werden Verlängerungseinheiten
verwendet, welche oft eine Krümmungsvibration
verursachen, die nicht nur zu einer verschlechterten Abmessungsgenauigkeit
und Unregelmäßigkeiten
des beziehungsweise beim Werkstück
führt sondern
auch zu einer verringerten Lebensdauer des Frässchneiders und seines Schneideinsatzes
oder dessen Bearbeitungselements.
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Eine
andere Art von Vibration ist die Torsionsvibration, bei welcher
der Schaft um seine Längsachse
gedreht oder hin und her geschraubt wird, währenddessen Scherbeanspruchung
erzeugt wird. Eine solche Vibration tritt zum Beispiel während des Bohrens
auf, besonders bei hoher Geschwindigkeit. Auch führt die Torsionsvibration zu
einer geringeren Qualität
der bearbeiteten Oberfläche
sowie zu einer verringerten Lebensdauer von Werkzeugen und Schneideinsätzen. Ein
wichtiges Ärgernis
ist auch das Problem des Arbeitsumfeldes, das durch Torsionsvibrationen
erhöht
wird, und zwar, indem ein schrilles Geräusch während der Rotation erzeugt wird.
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Stand der Technik
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Das
Dämpfen
von Vibrationen in Werkzeugen für
spanabhebende Bearbeitung fand bislang durch rein mechanische Dämpfung statt,
wobei der Schaft mit einem Hohlraum ausgebildet wurde, in dem zum
Beispiel eine Masse aus gegenvibrierendem Schwermetall angebracht
ist. Dadurch wird das Gewicht und die Position der Masse verändert, um eine
Dämpfung
der Vibration innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches hervorzubringen.
Der Hohlraum wird dann mit einer viskosen Flüssigkeit, z.B. Öl, gefüllt und
wird verstopft. Jedoch wirkt dieses Verfahren nur in den Fällen ziemlich
gut, bei denen die Länge
des Schaftes ungefähr
vier- bis zehnmal länger
als dessen Durchmesser ist. Zusätzlich
zu dieser Beschränkung
hat die rein mechanische Dämpfung
insoweit einen offen sichtlichen Nachteil als der Bereich der Frequenzen,
innerhalb dessen die Dämpfung
wirkt, sehr begrenzt ist. Ein zusätzliches Ärgernis besteht in der Schwächung der
strukturellen Stärke,
welche der in dem Schaft gebildete Hohlraum mit sich bringt.
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In
vollständig
anderen Technologiefeldern wurde die Entwicklung wirksamerer, anpassungsfähiger Dämpfungsverfahren – unter
anderem durch Nutzung von Piezoelementen – in Gang gesetzt. Ein Piezoelement
besteht aus einem Material, oftmals keramischer Art, welches auf
Kompression oder Beanspruchung in einer bestimmten Richtung – der Polarisationsrichtung – ein elektrisches
Feld in dieser Richtung erzeugt. Das Piezoelement hat üblicherweise
die Form einer rechteckigen Platte mit einer Polarisierungsrichtung,
welche parallel zu der Hauptachse der Platte liegt. Durch Anschluß des Piezoelements
an einen Stromkreis, einschließlich
eines Steuerungsmoduls, und durch Zusammenpressen oder Dehnen des
Piezoelements in Richtung der Polarisierung wird eine elektrischer
Strom und ein Fluß in
dem Schaltkreis erzeugt, wobei in dem Steuerungsmodul enthaltene
Elektrowiderstandskomponenten gemäß bekannter physikalischer
Grundlagen Wärme
freisetzen. Dadurch wird Vibrationsenergie in thermische Energie
umgewandelt, wodurch eine passive Dämpfung, jedoch keine vollständig neutralisierende
Auswirkung auf die Vibration erzielt wird. Außerdem können durch Ausbildung des Steuerungsmoduls
mit einer geeigneten Kombination aus Widerstands- und Reaktionsbestandteilen,
sogenannten Weichen, ausgewählte
Frequenzen besonders effektiv gedämpft werden. Solche Frequenzen
sind vorteilhafterweise die sogenannten "Eigenwert"-Frequenzen der ausgestellten Eigenzustände des
jeweiligen Gegenstandes, welche jene sind, die besonders angeregt
sind.
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Umgekehrt
kann ein Piezoelement durch die Tatsache, daß eine elektrische Spannung über dem Piezoelement
aufgebracht wird, zusammengepreßt oder
gedehnt werden, und dies kann als eine Steuerungseinrichtung oder
Betriebseinrichtung (Auslöser) verwendet
werden. Dies kann dann aufgrund der Tatsache, daß die Polarität der aufgebrachten
elektrischen Spannung auf eine solche Weise ausgewählt wird,
daß die
mechanische Belastung der Betriebseinrichtung in die entgegengesetzte
Richtung wirkt, für
eine aktive Vibrationsverringerung als eine äußere mechanische Belastung
verwendet werden, wobei die Entstehung von Vibration durch die Tatsache
unterdrückt
wird, daß es
anderer kinetischer Energie, zum Beispiel Rotationsenergie, nicht
gestattet wird, sich in Vibrationsenergie umzuwandeln. Die Synchronisierung
der aufgebrachten elektrischen Spannung in Bezug auf die äußere mechanische
Spannung, deren Wirkung entgegengewirkt werden soll, wird dann aufgrund
der Tatsache ausgeführt,
daß ein Rückkopplungssignal
von einem Verformungsmeßsensor
in eine Steuerungseinrichtung in Form eines logischen Steuerungskreises,
z. B. eines programmierbaren Mikroprozessors, eingespeist wird,
in welchem das Signal verarbeitet wird, um fast augenblicklich die über der
Steuerungseinrichtung aufgebrachte elektrische Spannung zu kontrollieren.
Die Steuerungsfunktion, d.h. das Verhältnis zwischen dem Eingangssignal
von dem Sensor und der Ausgangsspannung kann dann sehr komplex gemacht
werden. Zum Beispiel ist ein selbstlernendes System für die Anpassung
an unterschiedliche Bedingungen möglich. Der Sensor kann aus
einer separaten verformungsempfindlichen Meßeinrichtung, z.B. einem zweiten
Piezoelement, bestehen oder gemeinsam mit der Betreibseinrichtung
sein.
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Beispiele
realisierter Anwendungen und derzeitiger Entwicklungsbereiche zur
Nutzung von Piezoelementen zu Vibrationsdämpfungszwecken werden in Mechanical
Engineering, Nov. 1995, auf den Seiten 76 – 81 beschrieben. So wurden
Skier für
alpines Skifahren (K2 Four Ski, K2 Corp., USA) mit einem Piezoelement
mit dem Zweck ausgestattet, unerwünschte Vibration zu unterdrücken, welche
ansonsten den Kontakt mit dem Boden vermindert und dadurch die Aussicht
des Skifahrers auf ein stabiles und kontrolliertes Skifahren verringert
hätte.
Darüber hinaus
werden Anwendungen, wie etwa die erhöhte Flügelstabilität von Flugzeugen, der verbesserte Komfort
bei Kraftfahrzeugen, die Vibrationsunterdrückung von Bearbeitungsplattformen
für die
flexible Herstellung und die verbesserte Treffergenauigkeit militärischer
Waffen erwähnt.
In Datenblättern
der Active Control eXperts (ACX) Inc., USA (Hersteller von Piezoelementen)
wird auch die Vibrationsunterdrückung
von Snowboards, und allgemein von Bearbeitungswerkzeugen, erwähnt.
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Die
JP-A-63- 180 401 gibt den neuesten Stand der Technik wider und beschreibt
ein Werkzeug für
die spanabhebende Bearbeitung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Ziele und Merkmale der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung zielt ab auf die Behebung der Nachteile bislang
bekannter Werkzeuge für
die spanabhebende Bearbeitung, welche in der Einleitung erwähnt wurden,
und auf die Bereitstellung eines Werkzeugs mit eine verbesserten
Vibrationsdämpfung.
So ist es ein erstes Ziel der Erfindung, ein robustes Werkzeug mit
der Fähigkeit
bereitzustellen, Vibrationen über
einen großen
Frequenzbereich hinweg effektiv zu dämpfen, zum Beispiel, wo die
Länge des
Schaftes drei- bis fünfzehnmal
größer als
dessen Durchmesser ist, und vorzugsweise ungefähr vier- bis sechsmal größer als
dessen Durchmesser ist. Es ist auch ein Ziel, ein Werkzeug für die spanabhebende
Bearbeitung bereitzustellen, das, verglichen mit bislang bekannten
Werkzeugen, eine längere
Lebensdauer des Werkzeugs an sich als auch für dessen Schneidelement mit
sich bringt. Zusätzliche
Ziele des Werkzeugs sind, daß dessen
Verwendung zu einer erhöhten
Qualität
der Oberfläche
des bearbeiteten Werkstücks
und zu einem verbesserten Arbeitsumfeld durch Reduzierung eines
Hochfrequenzgeräusches
führen
sollte.
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Gemäß der Erfindung
wird zumindest das erste Ziel durch die in dem kennzeichnenden Teil
von Anspruch 1 definierten Merkmale erreicht.
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Kurze Beschreibung der
beigefügten
Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Seitenansicht eines langen schmalen Körpers in
Form eines Werkzeugschaftes während
einer Krümmungsverformung beim
Drehen (1. Resonanzfrequenz),
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2 ist
eine Grafik, die das Krümmungsmoment
in dem Körper
zeigt,
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3 ist
eine Seitenansicht eines Querschnitt-Endabschnitts des Körpers nahe
an einem Klemmende, um so die zu der Beanspruchung in dem Körper während der
Krümmungsverformung proportionale
Spannung zu veranschaulichen,
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4 ist
eine transparente perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugschaftes,
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer Stangenverlängerung für Fräswerkzeuge, die mit rundem
Querschnitt ausgebildet ist,
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die 6 bis 8 sind
perspektivische Ansichten von Werkzeugschäften mit quadratischen Querschnitten
und in unterschiedlichen alternativen Ausführungsformen, und
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9 ist
eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugs für aktive Vibrationsdämpfung,
das in einem Träger
befestigt ist.
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Kurze Beschreibung
allgemeiner Verformungsfälle
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In
den 1 bis 3 sind schematisch Fälle von
Verformungen gezeigt, während
denen Oszillationen oder Vibrationen auftreten können.
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In 1 wird
ein langer schmaler Körper dargestellt,
welcher aus einem Werkzeug oder einem Schaft eines Werkzeugs bestehen
kann. Der Körper 1 hat
ein Klemmende 2 und ein freies äußeres Ende 3. Der
Körper
hat eine äußere Oberfläche 4,
welche aus einer Umhüllungsfläche bestehen
kann, wenn der Körper
zylindrisch ist. Er kann auch mehrere ebene Oberflächen einschließen, wenn
der Körper
eine polygonale, z.B. eckige Querschnittsform hat. Der Körper 1 kann
eine willkürliche
Querschnittsform haben, üblich
sind jedoch zumeist runde oder quadratische. In 1 bezeichnet
die Ziffer 5 ein Teil, in welches der Körper 1 geklemmt ist,
wobei sich der Körper
konsolenartig von dem Klemmteil aus erstreckt. In 1 wird
der Körper 1 in
einem Zustand gezeigt, in dem er in einem ersten Krümmungseigenzustand verformt
worden ist. Darüber
hinaus wird in 2 eine Grafik gezeigt, welche
darstellt, wie das Krümmungsmoment
Mb in diesem Falle entlang des Körpers variiert.
Wie in der Grafik zu sehen, tritt ein größtes Krümmungsmoment, und damit eine
größte Beanspruchung
bei oder nahe an dem Klemmende 2 auf. Das Gleiche gilt
für alle
geringeren Zustände, welche
normalerweise über
die Energie während
der Krümmungsvibration
von Werkzeugen für
die spanabhebende Bearbeitung vorherrschen. In 3 wird ein
Abschnitt des durch die Verformung in 1 verformten
Körpers 1 in
dem Bereich des Klemmendes gezeigt. Dadurch wird erläutert, wie
die Beanspruchung bei der Krümmungsverformung
in dem Querschnitt des Körpers
variiert (die Beanspruchung ist zu Erläuterungszwecken stark übertrieben).
Wie in der Figur zu sehen, werden die größten Beanspruchungen an der
Umhüllungs-
oder äußeren Oberfläche 4 des
Körpers
erreicht.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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In 4 wird
eine grundlegende Ausgestaltung eines langen schmalen Werkzeugs
oder Schaftes 1 schematisch gezeigt, bei welchem zwei flache, rechteckige
Piezoelemente 8 an gegenüberliegenden länglichen
ebenen Oberflächen 4 des
mit eckigem Querschnitt ausgebildeten Schaftes 4 befestigt sind.
Die Piezoelemente 8 sind in dem Bereich nahe dem Klemmende 2 des
Schaftes platziert. An dem äußeren Ende 3 davon
hat der Schaft ein Bearbeitungselement in Form eines Schneideinsatzes 9.
Somit sind die Piezoelemente 8 in einem Bereich positioniert,
wo die größte Beanspruchung
bei der Krümmungsverformung
als auch bei der Drehverformung auftritt. Obwohl die Stelle bevorzugt
wird, sind auch andere Stellen möglich.
Darüber
hinaus sind die Piezoelemente 8 den Hauptachsen im wesentlichen
parallel zu der Längenausdehnung
des Schaftes 2 ausgerichtet, und die Piezoelemente 8 werden
während der
Krümmungsvibration
verformt, obgleich sie eine rechtwinklige Form behalten, während die
gleichen bei Drehvibration zu einer rhombischen Form verformt werden.
Die Richtung der Polarisierung der flachen, rechteckigen Piezoelemente 8 wird
hier und im folgenden als parallel zu den Hauptachsen derselben vorausgesetzt,
obwohl eine andere Form als auch eine andere Richtung der Polarisierung
möglich
ist. Dadurch dienen die Piezoelemente bei der fraglichen Ausrichtung
derselben äußerst wirksam
zum Dämpfen
der Krümmungsvibration,
da dieselben in diesem Fall entlang der Richtung der Polarisierung
eine Verformung mit maximalem Durchschnitt erfahren.
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Das
Verhältnis
zwischen der Größe der Piezoelemente 8 und
der Größe des Schaftes
in 4 und den folgenden Figuren sollte nicht als beschränkend verstanden
werden, sondern sind nur gewählt, um
die beispielhafte Stellung und Ausrichtung der Piezoelemente klarzumachen.
Die Anzahl an Piezoelementen und ihre in den Figuren gezeigte Ausrichtung sollte
nicht als beschränkend
sondern nur als beispielhaft betrachtet werden. Auch brauchen mehrere an
dem Schaft geformte Piezoelemente nicht die gleiche Stellung, Größe, Form
oder Ausrichtung zu haben. Die Anzahl an Piezoelementen kann variieren, jedoch
sollte aus Gründen
des Gleichgewichts die Menge zumindest aus zwei bestehen.
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In 5 wird
eine Ausführungsform
gezeigt, gemäß welcher
der Körper 1 aus
einer Stangenverlängerung
mit einem runden Querschnitt besteht, die für Fräswerkzeuge vorgesehen ist.
In diesem Fall ist ein Bearbeitungselement 9 in Form einer
nahe bei einer Spantasche 10 an dem freien Ende 3 der
Stangenverlängerung
liegenden Kante ausgebildet. Ein Piezoelement 8 ist an
der Umhüllungsfläche 4 der Stangenverlängerung
in einem Bereich nahe dem Klemmende 2 befestigt. Die Hauptachse
des Piezoelements ist parallel zu der Längserstreckung der Stangenverlängerung.
Folglich dient das Piezoelement 9 mit dieser Ausrichtung
auch hier äußerst effizient
dem Dämpfen
von Krümmungsvibration.
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Für eine gleichzeitige
Dämpfung
von Krümmungs-
und Drehvibrationen ist der Schaft des Werkzeugs vorteilhafterweise
mit mehreren Piezoelementen ausgebildet, von denen einige mit ihren
langen Seiten im wesentlichen parallel zu der Längenausdehnung des Schaftes
ausgerichtet sind, während andere
in einem Winkel von ungefähr
45° ausgerichtet
sind. Alternativ dazu haben ein oder mehrere Piezoelemente andere
Ausrichtungen zwischen diesen Ausrichtungen, um jeweils eine Empfindlichkeit
sowohl für
Krümmungs-
als auch Drehvibrationen zu erreichen.
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Piezoelemente
sind üblicherweise
zerbrechlich, insbesondere jene keramischer Art. Daher sollten sie
bei anspruchsvollen Umgebungen eine Art von Schutz haben, um eine
akzeptable Lebensdauer zu erreichen. In den 6 – 8 wird
ein Werkzeugschaft mit quadratischem Querschnitt gezeigt, wobei
die Piezoelemente 8 auf unterschiedliche Weise befestigt
und geschätzt
werden. In allen Fällen sind
die Piezoelemente in einem Bereich nahe dem Klemmteil 5 plaziert
(dieses kann aus herkömmlicher Klemmvorrichtung
bestehen, in welcher das Werkzeug herausnehmbar befestigt ist).
In 6 ist das Piezoelement 8 in einer Ausnehmung 11 befestigt und
wird vorteilhafterweise von einem Schutzüberzug abgedeckt, zum Beispiel
einem solchen vom Epoxytyp. In 7 wird vorausgesetzt,
daß das
Piezoelement in der Vertiefung 11 befestigt und von einem stei fen
Deckel 12 abgedeckt wird. In 8 ist das
Piezoelement 8 an der Außenseite des Schaftes befestigt
und wird z.B. durch Zement fixiert. Diese Alternativen sollten nur
als Beispiel betrachtet werden, von denen die in den 6 und 7 gezeigten
bevorzugt werden. Es versteht sich, daß der gleiche Typ an Schutz
für die
Piezoelemente unabhängig
von der Querschnittsform des Werkzeugschaftes ist.
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Erfindungsgemäß können die
Piezoelemente mit Einrichtungen für elektrische Steuerung oder Lenkung
derselben zusammenwirken. In 9 wird ein
Beispiel gezeigt, wie das Werkzeug 1 mit solchen Steuerungseinrichtungen
ausgebildet worden ist. In diesem Fall ist das Werkzeug in einem
Träger 13 befestigt.
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9 stellt
eine Steuerungseinrichtung für aktive
Dämpfung
in Form eines herausgenommenen logischen Steuerungskreislaufs 16,
z.B. eines programmierbaren Mikroprozessors, für die getrennte oder gemeinsame
Steuerung der (über
die schematisch gezeigte elektrische Verbindung 15) über dem Piezoelement 8 aufgebrachten
Spannung. In der Praxis kann die Verbindung 15 in diesem
Fall Schleifstücke
oder ähnliches
umfassen. Selbst wenn die Piezoelemente 8 in der in 9 beispielhaft
dargestellten Ausführungsform
für aktive
Dämpfung
zugleich sowohl als Betriebsvorrichtungen als auch Sensoren dienen,
ist es möglich,
diese beiden Funktionen durch getrennte Betriebsvorrichtung und
Sensoren zu erreichen, da die Sensoren nicht aus Piezoelementen
zu bestehen brauchen. Obwohl die beispielhaft dargestellte Stellung
des logischen Steuerungsschaltkreises 16 bevorzugt wird,
sind auch andere Stellungen möglich.
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Durch
die Erfindung wird ein robustes Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung
mit der Fähigkeit
zur aktiven Dämpfung
von Krümmungsvibrationen über einen
weiten Frequenzbereich hinweg bereitgestellt. Darüber hinaus
wird ein Werkzeug bereitgestellt, welches einerseits eine längere Lebensdauer
für das
Werkzeug selbst als auch für
die Schneide- oder Bearbeitungselemente davon bietet, und andererseits
eine erhöhte
Qualität
der Oberfläche
auf dem bearbeiteten Werkstück
hervorbringt. Zusätzlich
wird im Vergleich zu bisher bekannten Werkzeugen ein verbessertes
Arbeitsumfeld durch die Verringerung des Hochfrequenzgeräusches erzielt.
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Mögliche Modifikationen der Erfindung
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Die
Erfindung ist nicht allein auf die beschriebenen und in den Zeichnungen
gezeigten Ausführungsformen
und Anwendungen beschränkt.
So ist es durch aktive Steuerung der Piezoelemente möglich, Vibrationen
einzuführen
oder zu verstärken,
falls diese gewünscht
sind, z.B. während
des Spanbrechens. eingeführte
Für eingeführte oder
verstärkte Vibrationen
können
verhältnismäßig große Amplituden
mit Frequenzen nahe den Eigenwertfrequenzen des Werkzeugs erreicht
werden.