WO2014064009A1 - Verfahren zur werkstückbearbeitung, versorgungsschaltung, versorgungssystem, werkzeugaktor, werkzeugaufbau - Google Patents

Verfahren zur werkstückbearbeitung, versorgungsschaltung, versorgungssystem, werkzeugaktor, werkzeugaufbau Download PDF

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Jens Ketelaer
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    • Y10T82/25—Lathe
    • Y10T82/2531—Carriage feed

Definitions

  • Vexmachiningaags circuit supply system, factory actor.
  • the invention relates to a method for
  • the tool can be a milling cutter, drill bit or a turning tool.
  • Vibration amplitudes are not particularly effective in the desired effects on the tool.
  • the object of the invention is a
  • the vibration has a
  • the vibration has a working frequency that is at least 10%
  • the operating frequency may be in a range whose limit of uncertainty may be 500 Hz or 800 Hz and / or whose upper limit may be 1600 Hz or 1200 Hz.
  • the tool can be a drill, a router or a
  • Turning tool and the vibration ei e be a translational vibration, wherein the drilling and milling cutter, the axis of vibration is achsparaiiel to the tool axis and the turning tool parallel to the radial direction of the rotating
  • a supply circuit for an actuator of a vibrating tool has a voltage generator having an output voltage at the voltage output
  • the voltage generator can receive alternating current and a parallel to the input capacitor C1 and a half-wave rectifier in parallel with the above
  • the input voltage may be an AC voltage that is inductively supplied wirelessly.
  • An actuator of a vibrating tool has a machine. It first mechanical connection, egg
  • the Vibrationsan rubbed can produce a translational vibration and have a piezo drive. If the electromechanical transducer of the actuator is a piezoelectric element, it should be noted that piezoelectric elements are polar components in which incorrect polarity of the actuator
  • a driving voltage is generated in which the alternating component oscillates around a Gieichanteii in accordance with the desired vibration.
  • Alternating amplitude can then vergertert or avoided that the piezoelectric element is reversed.
  • the actuator may be between the intrinsic tool head (e.g., drill) and a drive component of a
  • the machine can be a CNC machine that uses standardized tools in such a way that their mechanical connections to the
  • a second mechanical connection / Anschiuss can also be provided to the tool head itself, or the tool can be more or less firmly releasably or permanently connected to the actuator itself.
  • the supply system for the actuator can be a
  • AC input can be fed inductively, ie ultimately from a secondary coil with a
  • Primary coil is magnetically coupled.
  • the supply circuit is then provided in the tool itself and is moved along with it in accordance with its working movements (for example rotation of a drill).
  • FIG. 1 shows diagrams for explaining mechanical properties of the desired vibration
  • FIG. 2 shows circuit diagrams of a supply circuit
  • FIG. 3 shows an electrical signal
  • Figure 4 schematically shows a tool in a machine
  • Figure 5 is a tool.
  • FIG 1 shows schematically and qualitatively
  • Figure la shows a vibration to ei e zero position
  • Vibration be translational along the drill axis.
  • the mechanical oscillation has a working amplitude Aa around the middle position.
  • the extreme values are then described by + Aa and - Aa.
  • the amplitude Aa may be at least 5 ⁇ m, at least 10 ⁇ m or at least 20 ⁇ m.
  • Upper limit can be 30 or 50 or 100 um.
  • the vibration axis of a translational vibration may have a component of motion which is radial with respect to the axis of rotation of the workpiece, so that here too the turning tool vibrates perpendicularly to the (present) workpiece surface.
  • a cutter can along its axis of rotation or
  • Frequencies and / or comparatively high amplitudes are advantageously selected, in particular, when roughing operations are to be performed, that is, high
  • FIG. 1b shows frequency relationships. Shown is the frequency response 12 of an excited to vibrate.
  • Frequency fa of the machining tool to a value outside the resonance can be selected.
  • Dimensioning can be such that the working frequency fa is at least 10%, preferably at least 20% or at least 30%, compared to a mechanical
  • Resonance frequency of the vibrating system is detuned. In particular, it may be smaller than the resonant frequency f0.
  • FIG. 1b shows onterranges fl and f; them correspond to limit values of the jewei 1s evoked
  • Frequency sweep is the drive frequency.
  • the characteristic is comparatively steep, sc that small frequency errors to relatively large amplitude errors and thus unforeseen
  • the speed of a drill or milling cutter can be in a range whose lower limit is 10,000 rpm or
  • Figure 2 shows circuits for the power supply of the vibration drive. It may be a piezoelectric element or have. In Figure 4, it is symbolized by 43. In the circuit diagrams of Figure 2, it is according to its electrical effectiveness as a capacitor in each case to see the bottom. It is assumed that the power supply is wireless.
  • the vibration of the tool performs a conventional ⁇ rbeitsterrorism, in a drill about a rotation about the axis.
  • a known technique was to accomplish the transfer of energy from the stationary to the moving part by means of sliding contacts. In terms of wear, however, this is disadvantageous
  • a wireless power transfer is chosen: in which a primary coil is magnetically coupled to one or more secondary coils.
  • the primary coil is with
  • Secondary coils 24a and 24b are provided, which move with the tool. In particular, they rotate when the tool is rotated.
  • a 24b of the secondary coils feeds a full wave rectifier 25 whose
  • circuit of Figure 2a can be used especially when the
  • Energy supply is not inductive, but can be tapped conventional kan.
  • FIG. 2b shows another circuit for wireless energy transmission. Between stationary
  • a serial capacitor 23 may be provided as a DC voltage lock. It is large in size and can have a capacity of over 1 mF or over 3 niF.
  • the secondary side ei secondary coil 24c is provided which feeds a series connection of two circuit parts.
  • the one circuit part is a conventional diode 28 used as a half-wave rectifier.
  • the other circuit part is a capacitor 27 or has it.
  • a resistor 29 may be provided.
  • the supply voltage for the Piezc actuator 43 can be tapped.
  • the half-wave rectifier 28 cuts a
  • the acting as a capacitance piezo drive 43 can On the one hand act as AC impedance, but still passes through a portion of the AC voltage, on the other hand, but also the output voltage at the rectifier 28 smooth, so that on it and thus on the piezo-drive 43 itself approximately a sine wave voltage applied.
  • Forward direction of the diode 28 corresponds approximately to twice the Echselhorizonsainplitude.
  • Figure 3 shows a possible time course
  • the time course 31 may be more or less sinusoidal. Depending on the symmetry of the time course, the DC component Ode will lie approximately in the middle between the maximum and minimum values of the AC component Uac.
  • the solid line shows a progression that is consistently above the zero line. Dashed lines indicate a course 31 'that extends down to the zero line. He can also go below the zero line and then to Umpol ngen the
  • the secondary coil (s) is / are preferably
  • the Gleichspannüngsanteil Ode may be at least half the amplitude üae of the alternating component. It is preferably equal to the amplitude Uac ⁇ 4% on Oac ode + 1% of üae.
  • one or more secondary coils As described above, a primary coil 22 and a
  • AC voltage source 21 It may also be the already mentioned capacitor 23 may be provided.
  • the capacitor 23 may have a value that is at least 100 times the value of the capacitor 27. This in turn can do so
  • the equivalent capacity of the piezo drive 43 is. It may also be at least twice or at least three times, and / or optionally at most ten times or at most twenty times.
  • the primary spindle may be provided close to the machine spindle. But she is usually stationary.
  • FIG. 4 schematically shows an actuator 40 for a tool. It has a machine-side connection 44, with which the actuator can be coupled to the rotating spindle 45 of a machine tool.
  • Connection can conform to a standard, such as HSK. Furthermore, a tool-side connection 42 is provided, to which the tool is fastened or can be fastened. Shown is an ⁇ us Installationsform, in which a tool 10 can be screwed with a screw 41.
  • Tool-side connection 42 itself can be exchanged for a similar or other type, ie detachable from the actuator and connectable to it. A way this can be tools with different connections
  • Piezo drive can be formed. It acts between the machine-side terminal 44 and the tool-side terminal 42. 47 symbolizes the secondary coils 24 in the circuits of FIG. 2. It can be around the circumference of the actuator be formed circumferentially. 48 symbolizes a primary coil corresponding to 22 in Figure 2. 48a symbolizes a holding device to hold the primary coil on the fixed part of the machine.
  • the supply circuit 20 is accommodated at a suitable location of the actuator. To avoid imbalances, it can be distributed over the circumference, or it is balanced with counterweights. 47 is the
  • the spindle 45 also rotates about the axis 47.
  • 49 symbolizes a workpiece.
  • 46 symbolizes a workpiece table.
  • the secondary coil 24 is electrically connected to the supply circuit 20, which in turn is electrically connected to the drive 43.
  • the piezoelectric actuator 43 and the electrical system are designed so that vibration amplitudes of the
  • a We kzeugonic has the actuator 40 as above
  • the tool 10 is
  • the tool can be a special tool for vibratory machining of a workpiece, as shown, for example, a hollow-cylindrical construction with an abrasive attachment piece, or it can a more or less conventional tool. Also the
  • the tool is preferably a drill or a milling cutter or a
  • the actuator 40 and in particular the vibration drive can be constructed differently than shown in FIG. But it can also be provided a piezoelectric actuator.
  • Supply circuit can be the same.
  • FIG. 5 shows a tool 51 for the
  • the processing is a compression ⁇ thickening, "tapping") a possibly. previously machined surface of a workpiece made of relatively ductile material, especially metallic
  • the Tool is connected or connectable to a vibration actuator 40 which can be constructed as described.
  • the vibration has a component of motion perpendicular to the surface of the workpiece. It can be a translational vibration perpendicular to the workpiece surface according to the boundary conditions described so far
  • the tool 51 has a workpiece-facing surface 52 that does not have edges or edges
  • Workpiece around axis 53 around its rotationssyrmet be formed. It can be calculated as a sector of a spherical surface with radius R and can go to the rear (in Figure 5 above, towards the machine) in ei s suitable attachment area to the actuator 40 out or permanently attached to this.
  • the radius of the ball may be in a Be eich whose lower limit is 0.5 mm or 1 mm or 2 mm and / or its upper limit is 20 mm or 10 mm or 5 mm.
  • the surface 52 ka but also (not shown) be partially planar and have at the edges suitable fillets,
  • the tool vibrates and is guided by means of machine components over the surface of the workpiece on this seated. It can be operated without rotation about the axis 53. The vibration and the guiding motion are then the only movements
  • the machine has a controller that adjusts the described sizes and steps. It can work according to a program and, if necessary,

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Werkstückbearbeitung wird ein spanendes Werkzeug relativ zum Werkstück geführt, wobei eine Vibration überlagert wird, deren Amplitude mindestens 5 μm ist. Eine Versorgungsschaltung für einen Piezo-Aktor eines vibrierenden Werkzeugs erzeugt eine Spannung am Spannungsausgang mit einem Gleichanteil und einem Wechselanteil. Ein Versorgungssystem für einen Piezo-Aktor eines vibrierenden Werkzeugs hat die obige Versorgungsschaltung, die mit einer Sekundärspule verbunden ist, die mit einer Primärspule gekoppelt ist.

Description

Beschreibung:
Verfahren zur erkstückbearbeitiuvg ,
VexsorgtaagsSchaltung, Versorgungssystem, Werkseugaktor.,
Werkseugaufbau
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Werkstückbearbeitung, eine Versorgungsschaltung, ein Versorgungssystem, einen Werkzeugaktor und einen
Werkzeugaufbau nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Ein solches Ve ahren ist aus de
DE 10 2010 048 638 AI bekannt.
Beim in der DE 10 2010 048 638 AI beschriebenen
Verfahren wird einem Werkzeug eine vergleichsweise
hochfrequente Vibration überlagert ("Ultraschall") . Das Werkzeug kann ein Fräser, Bohrer oder ein Drehmeißel sein.
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.
Ähnliche Technik findet sich in US 2006/0229004, EP 1 137 511 Bl, EP 1 762 305 A2 , WO 2008/118 479,
DE 10 2010 048 636 AI.
Aufgabe der Erfindung ist es , ein
Werkstückbearbeitungsverfahren sowie ein Werkzeug bzw.
einen Aktor hierfür anzugeben, die eine effiziente Werkstückbearbeitung mittels eines vibrierenden Werkzeugs ermöglichen. Darüber hinaus wird eine Versorgungsschaltung hierfür angegeben. Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der
unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet . In einem Verfahren zur Werkstückbearbeitung mittels eines spanenden Werkzeugs , bei dem das Werkzeug ei e
Arbeitsbewegung relativ zum Werkstück ausführt, der eine Vibration überlagert wird, weist die Vibration eine
Amplitude von mindestens 5 μπι, vorzugsweise mindestens 10, 15 oder 20 um auf .
Zusätzlich oder alternativ hierzu weist die Vibration eine Ärbeitsfrequenz auf, die um mindestens 10% ,
vorzugsweise mindestens 20% oder 30% gegenüber einer mechanischen Resonanzfrequenz des vibrierenden Systems verstimmt ist. Di e Ärbeitsfreguenz kann in einem Bereich liegen, dessen Un ergrenze 500 Hz oder 800 H z sein kann und/oder dessen Obergrer.ze 1600 Hz oder 1200 Hz sein kann. Das Werkzeug kann ein Bohrer, ein Fräser oder ein
Drehmeißel und die Vibration ei e translatorische Vibration sein, wobei beim Bohre und Fräser die Vibrationsachse achsparaiiel zur Werkzeugachse ist und beim Drehmeißel parallel zur radialen Richtung des sich drehenden
Werkstücks.
Im Vergleich zum genannten Stand der chnik ist die genannte Arbeitsfrequenz relati gering . Sie kann im Bereich -von 1 kHz liegen. Die Amplitude ist demgegenüber vergleichsweise groß. Ihre Obergrenze kann bei 30 um oder 50 μπι oder 100 um liegen . Mit den genannten Werten wirkt sich die überlagerte vibrierende Bewegung in verschiedenen
Bearbeitungskontexten wesentlich stärker auf das Werkstück und insbesondere die verbliebene lerkstückoberflache 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.
Eine Versorgungsschaltung für einen Aktor ei es vibrierenden Werkzeugs hat einen Spannungsgenerator, der am Spannungsausgang eine Ausgangsspannung mit ei em
Gleichanteil und einem Wechselanteil erzeugt.
De Spannungsgenerator kann Wechselstrom empfangen und einen zum Eingang seriellen Kondensator Cl und einen Halbwellengleichrichter parallel zur genannten
Serienschaltung aufweisen. Die Eingangsspannung kann eine Wechselspannung sein, die induktiv drahtlos zugeführt wird .
Ein Aktor eines vibrierenden Werkzeugs hat einen maschi e. se itige ersten mechanischen Anschluss , ei
Werkzeug oder einen zweiten mechanischen Anschluss hierfür, einen elektrischen Vibrationsantrieb zwischen dem ersten Anschluss und dem Werkzeug bzw. dem zweiten Anschluss, ei e Versorgungsschaltung, und eine elektrische Verbindung · zwischen der Versorgungsscha11ung und dem Vibrationsantrieb . Der Vibrationsan rieb kann eine translatorische Vibration erzeugen und einen Piezo-Antrieb aufweise . Wenn der elektromechanische Wandler des Aktors ein Piezoelement ist, ist zu beachten, dass Piezoelemente polare Bauelemente sind, bei denen Fehlpolungen der
Treiberspannung zur Ve schlechterung oder Zerstörung führen können, wenn sie dem Betrag nach hoch sind. Deshalb ist es vorteilhaft, Piezoelemente i möglichst nur einer Polarität der Spannungsbeaufschlagung zu betreiben, oder jedenfalls eine von beiden möglichen Polaritäten so z steuern, dass die Amplituden (Betrag) dabei möglichst gering (bzw. Null ) bleiben .
Gerade bei großen Vibrationsamplituden sind relativ hohe Wechselspannungsamplituden wünschenswert . Um hierbei Beschädigung oder gar Zerstörung des Piezoelements z vermeiden, wird eine Treiberspannung generiert, bei der der Wechselanteil entsprechend der gewünschten Vibration um einen Gieichanteii herum schwingt . Je nach Wahl der
Dimensionen (Gieichanteii im Vergleich zur
Wechselamplitude) kann dann ver ingert oder vermiede werden, dass das Piezoelement umgepolt wird .
Der Aktor kann zwischen dem eigen lichen 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, e wa, gemäß HSK oder ähnlichem. Zum Werkzeugkopf selbst hin kann ebenfalls eine zweite mechanische Verbindung/Anschiuss vorgesehen sein, oder das Werkzeug kann mehr oder minder fest lösbar oder unlösbar mit dem Aktor selbst verbunden sei . Das Versorgungssystem für den Aktor kann eine
Schaltung wie oben dargelegt au weise . Deren
Wechselstromeingang kann induktiv gespeist werden , also letztlich von einer Sekundärspule, die mit einer
Primärspule magnetisch gekoppelt ist . Die
Ve sorgungsscha.11ung ist dann im Werkzeug selbst vorgesehen und wird mit diesem entsprechend dessen Arbeitsbewegungen (z.B. Rotation eines Bohrers) mitbewegt . Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 Diagramme zur Erläuterung mechanischer Eigenschaften der gewünschten Vibration,
Figur 2 Schaltbilder einer Versorgungsschaltung, Figur 3 ein elektrisches Signal,
Figur 4 schematisch ein Werkzeug in einer Maschine, und
Figur 5 ein Werkzeug.
In de 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 Ver ahren und Verfahrensschritten sind auch als Beschreibungen von Einrichtungen zur
Implementierung des jeweiligen Verfahrens bzw.
" Ver fah enssehr i11s zu verstehen, und umgekehrt.
Figur 1 zeigt Schematisch und qualitativ
Eigenschaften der gewünschten mechanischen Schwingungen, Figur la zeigt eine Vibration, um ei e Null-Lage
{Mittenlage) herum. Im Beispiel eines Bohrers kann die
Vibration translatorisch längs der Bohrerachse sein.
Gezeigt is£ eine sinusförmige mechanische Schwingung . Sie kann aber gewünscht oder sich vo selbst ergebend auch eine andere Schwingungsform als sinusförmig annehmen . Die
mecha ische Schwingung hat ei e Arbeitsamplitude Aa um die Mittellage herum. Die Extremwerte sind dann durch +Aa und - Aa beschrieben. Die Amplitude Aa kann mindestens 5 um, mindestens 10 pm oder mindestens 20 um betragen. Ihre
Obergrenze kann 30 oder 50 oder 100 um sein.
Dies sind vergleichsweise hohe Amplituden, die im Stand der Technik bisher nicht e wogen wurde . Die Untersuchungen der Erfinder haben jedoch gezeigt, dass abhängig von
Materialien und sonstigen Betriebsparametern ί Drehzahl , gewünschte Oberflächengüte, Arbeitsgeschwindigkeit, Kosten, usw. ) andere und insbesondere höhere Amplituden als die bisher favo isierte elativ geringen Amplituden für eine vorteilhafte Werkstückbearbeitung günstig sein können. Dein 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 mi der Werkstückbearbeitung geendet hat, gewünschte Oberflächen hinterlässt.
Im Falle eines Drehmeißels kann, die Vibra ionsachse ei er translatorischen Vibration eine Bewegungskomponente haben, die bezüglich der Drehachse des Werkstücks radial ist, sodass auch hier der Drehmeißel senkrecht zur (momentanen) Werkstückeberfläche translatorisch vibriert . Ein Fräser kann längs seiner Drehachse oder
rechtwinklig hierzu und senkrecht zur Werkstückoberfläche zur Vibration gebracht werden. Figur la zeigt eine Periodendauer ? einer
periodischen mechanischen Schwingung 11. Deren Kehrwert entspricht der Schwingungsfrequenz , auch als
Ärbeitsfrequenz 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 ode
500 Hz oder 800 Hz ist. Sie kann 1 kHz +10% betragen .
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 iedrige Ärbeitsfrequenz 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 FrequenzVe schiebung bei Änderung der
Frequenzeinsteilung nur eine geringere Auswirkung auf die Amplitude . Die genannten vergleichsweise niedrigen
Frequenzen und/oder vergle chsweise hohen Amplituden werden vorteilhafterweise insbesondere dann gewählt, wenn SchruppVorgänge auszuführen sind, also hohe
Äbtragsleistungen gewünscht sind.
Teil des Arbeits erfahre s insoweit ist dann der Schritt des Führens der Vibrationsfrequenz nach Maßgabe des Vorschubs des Werkzeugs am Werkstück. Figur 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 fO anzuregen, auch dann, wenn eine möglichst hohe
Schwingungsamplitude Äa der angeregten Schwingung
erwünscht ist, was üblicherweise zur Anregung an der Resonanzfrequenz führt» da dort schon entsprechend dem Frequenzgang die Amplitude vergleichsweise groß ist. Entgegen diesem naheliegenden Ansatz aber kann erfindungsgemäß allgemein bei der Bearbeitung eines
Werkstücks mit einem vibrierenden Werkzeug die
Änregungsfrequenz 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 fO sein.
Resonanzfrequenzen vibrierender Werkzeuge finden sich häufig im Bereich fO = 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 Figur 1b sind Ontergrenzen fl und f dargestellt; ihnen entsprechen Grenzwerte der jewei 1s hervorge ufenen
Amplitude AI und A2.
Der Grund für die Verstimmung der Arbeitsfrequenz fa gegenüber der Resonanzfrequenz f0 liegt darin, dass ■ außerhalb de Resönanzüberhöhung die am Werkstück wirkende Amplitude weniger fehlerempfindlich gegenüber
Frequenzvei stimrounge der Treiberfrequenz ist . In der Nähe der Resonanzfrequenz f0 ist die Kennlinie vergleichsweise steil, sc dass kleine Frequenzfehler zu relativ großen Amplitudenfehlern und damit unvorhergesehenen
Verhältnissen bei der Werkstückbeärbeitung führe .
Demgegenüber sind die Verhältnisse abseits der
Resonanzfrequenz f0 weniger kritisch gegenüber
Frequenzfehlem, 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.
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 Obe grenze 30.000 U/Min oder 25.000 O/Min sein kann.
Figur 2 zeigt Schaltungen für die Energieversorgung des Vibrationsantriebs. Er kann ein Piezoelement sein ode aufweisen . In Figur 4 ist es mit 43 symbolisiert . In den Schaltbildern der Figur 2 ist es entsprechend seiner elektrischen Wirksamkeit als Kondensator jeweils ganz unten zu sehen . Angenommen wird, dass die Energieversorgung drahtlos erfolgt. Neben der Vibration führt das Werkzeug eine herkömmliche Ärbeitsbewegung 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,
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 hervor uft . Die Primärspule ist stationär vorgesehen, während die Sekundärspule zusammen mit dein Werkzeugaufbau vorgesehen ist und daran fest, angebracht sein kann . Figur 2a zeigt die stationäre Wechselspannungsquelle
21 , die mit einer Primärspule 22 verbunden ist . Di ese Komponenten sind stationär. Darüber hinaus s ind 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 gleichgericht.eten und geglätteten Äusgangsspannung 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 Plezo-Äktor an .
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 Figur 2a besonders dann zum Einsatz kommen, wenn die
Energieeinspeisung nicht induktiv erfolgt, sondern herkömmlich abgegriffen werden kan .
Figur 2b zeigt eine andere Schaltung für die drahtlose Energieübertragung. Zwischen stationärer
Wechselspannungsquelie 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 niF haben.
Sekundärseitig ist ei e 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 Piezc-Aktor 43 abgegriffen werden.
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 he um 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 durchläset , wird andererseits aber auch die Ausgangsspannung am Gleichrichter 28 glätten, sodass an ihm und damit auch am Piezo-Äntrieb 43 selbst näherungsweise eine SinusSpannung anliegt .
Die Tatsache, dass der Halbwellengleichrichter 28 nicht nur die invertierte Spannungspolung blockt , sondern auch in Durchlassrichtung Spannungsbeträge unterhalb der Durchlassspannung der Diode, wi d abhängig von
Dimensionierungen durch die Impedanz des Piezoelements 43 selbst kompensiert, da diese entsprechend 1/ ( jcoC) als endliche Wechselstromimpedanz wirkt. Bei geeigneter
Auslegung kann eine GesamtSpannung entstehen, de en
minimaler Wert Null ist und deren maximaler Wert in
Durchlassrichtung der Diode 28 in etwa dem Zweifachen der echselspannungsainplitude entspricht .
Figur 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 Ode in etwa mittig zw schen 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 Umpol ngen des
Piezoelements führen. Sie si d unkritisch, solange die invertierte Spannung betragsmäßig unter bestimmten Grenzen bleibt. De überlagerte Gieichantei 1 Udc trägt hierfür
Sorge . Der Vorteil der Schaltung der Figur 2b ist es , dass sie einfach aufgebaut ist und dass sie nur einen
sekundären Abgriff benötigt, um sowohl Gleichspannung Ode als auch Wechselspannung üae zu erzeugen, sodass
Wechselwirkungen wie sie in der Schaltung der Figur 2a festgestellt wurden, nicht auftreten können.
Die Sekundärspule (n) ist/sind vorz gsweise
rotationssyrametrisch 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 . Allerdings kann, wenn gewünscht, die
Sekundärwicklung auch so angebracht werden, dass die
Werkzeugdrehung den sie durchsetzenden magnetischen Fluss beeinfiusst , sodass sich die Werkzeugdrehung in die
Sekundärspannung abbildet.
Der Gleichspannüngsanteil Ode kann mindestens die Hälfte der Amplitude üae des Wechselanteils sein . Er ist vorzugsweise gleich der Amplitude Uac ± 4 % on Oac ode +1% von üae .
Ein Versorgu gssys em für einen Aktor eines
vibrierenden Werkzeugs hat eine Versorgun sscha1tu g 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 Primä sp le kann ahe der sich drehe den Maschinenspindel vorgesehen sein . Sie ist aber i der Regel stationär .
Figur 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 ka n einer Norm entsprechen, etwa HSK . Weiterhin ist ein werkzeugseitiger Anschluss 42 vorgesehen, a dem das Werkzeug befestigt ist oder befestigbar ist. Gezeigt ist eine Äusführungsform, 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 sei . A diese Weise können Werkzeuge mit unterschiedlichen Anschlüssen
verwendet werden.
43 symbolisiert den Vibrationsantrieb, de als
Piezo-Antrieb ausgebildet sein kann. Er wirkt zwischen dem maschinenseitigen Anschluss 44 und dem werkzeugseitxgen Anschluss 42. 47 symbolisiert die Sekundärspulen 24 in den Schaltungen der Figur 2. Sie kann um den Umfang des Aktors umlaufend ausgebildet sein. 48 symbolisiert eine Primärspule entsprechend 22 in Figur 2. 48a symbolisiert eine Halteeinrichtung, um die Primärspule am festen Teil der Maschine zu halten .
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 ausgewuchte . 47 ist die
Drehachse des Akto s zusammen mit dem Werkzeug 10, das mit S h aube 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 ve bunden ist .
Die Auslegung des mechanischen und elektrischen
Systems des Akters ist so, dass er die eingangs zum
Bearbeitungsverfahren beschriebenen Größen generiert .
Insbesondere sind der Piezo-Ar.t ieb 43 und das elektrische System so ausgelegt, dass Vibrationsamplituden der
gewünschten Größe' zustande kommen . Die Einstellung der
¥ibrationsfrequenz erfolgt , wie weiter oben erläutert, vorzugsweise durch Einstellung der primärseitigen
Erregerfrequenz .
Ein We kzeugaufbau hat den Aktor 40 wie oben
beschrieben und ein Werkzeug 10. Das Werkzeug 10 ist
geeignet am Aktor 40 befestigt. Gezeigt ist in Figur 4 eine Verbindung mitteis einer Schraube 41. Das Werkzeug kann ein Spezia1 erkzeug für vibrierende Bearbeitung eines Werkstücks sein, etwa wie gezeigt ein hohlzylindrischer Aufbau mit werkstucksei tigern Schleifaufsatz, oder es kann ein mehr oder minder herkömmliches Werkzeug sein . Auch die
Befestigung des Werkzeugs 10 am Ak o 40 kann
spezialisiert oder standardisiert sein . Das Werkzeug ist vorzugsweise ein Bohrer oder ein Fräser oder ein
Drehmeißel,
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
ibrationen gelten die Frequen angaben wie oben angeführt. Die Ämplitudenangeben gelten am jeweils größten
Schneidradius des Werkzeugs . Für rotatorische Vibrationen kann der Aktor 40 und insbesondere der Vibrationsantrieb anders als in Figur 4 gezeigt aufgebaut sein. Es kann aber auch ein Piezoakto vorgesehen sein . Die
Versorgungsschaltung kann die gleiche sein .
Figur 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, de wie beschrieben aufgebaut sein kan . Die Vibration weist eine Bewegungskomponente senkrecht zur Werkstückoberfläche au . Es kann eine translatorische Vibration senkrecht zur Werkstückoberfläche entsprechend den bisher beschriebenen Randbedingungen
(Vibrationsfrequenz, Amplitude) sei . Das Werkzeug 51 weist eine dem Werkstück zugewandte Oberfläche 52 auf, die keine Kanten oder Schneiden
aufweist. Sie kann relati glatt sein. Sie kann zum
Werkstück hin um Achse 53 herum rotationssyrmet isch ausgebildet sein. Sie kann berechsweise als Sektor einer Kugeloberfläche mit Radius R ausgebildet sein und kann nach hinten (in Figur 5 oben, zur Maschine hin) in ei en geeigneten Befestigungsbereich zum Aktor 40 hin übergehen oder an diesem dauerhaft befestigt sein. Der Radius der Kugel kann in einem Be eich liegen, dessen Untergrenze 0,5 mm oder 1 mm oder 2 mm ist und/oder dessen Obergrenze 20 mm oder 10 mm ode 5 mm ist . Die Oberfläche 52 ka aber auch (nicht gezeigt) bereichsweise eben sein und an den Rändern geeignete Verrundungen aufweisen,
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,
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 ode gesteuert nach Maßgabe von Sensorsignalen arbeiten .

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Werkstückbearbeitung mittels eines spanenden We kzeugs , bei dem das Werkzeug eine
Ärbeitsbewegung relativ zum Werkstück ausführ , der eine Vi ration überlagert wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Vibration eine Amplitude von mindestens 5 μπι, vorzugsweise mindestens 10, 15 oder 20 μχη aufweist.
2 . Verfahren zur Werkstückbearbeitung mittels eines spanenden Werkzeugs , vorzugsweise nach Anspruch 1, bei dem das Werkzeug eine Arbeitsbewegung relativ zum Werkstück ausführt, der eine Vibration überlagert wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Vibration eine Ärbeitsfrequenz in einem Bereich aufweist, dessen Un ergrenze 500 Hz oder 800 Hz sein kann und/oder dessen Obergrenze 1600 Hz oder 1200 Hz sein kann, wobei die Ärbeitsfrequenz um mindestens 10%, vo zugsweise mindestens 20% oder 30% gegenüber einer mechanischen
Resonanzfrequenz des vibrierenden Systems ve stimmt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem das Werkzeug ei Bohrer , ein Fräser oder ein Drehmeiflel ist und die Vibration eine translatorische Vibration ist, wob i beim Bohrer und Fräser die Vibrat icnsachse achsparallel zur
Werkzeugachse und eine translatorische und/oder rotatorische Vibration ist und beim Drehmeißel parallel zur radialen Richtung des sich drehenden Werkstücks,
4. Versorgungsschaltung (28) für einen Aktor eines vibrierenden Werkzeugs, mit
einem Wechse1 strömeingang (21) ,
einem ersten Schaltungsteii an einem Anschluss des Wechselstromeingangs mit einem Kondensator (Gl),
einem zweiten Schaltungsteil mit einem
Halbwellengleichrichter (Dl) parallel zur Serienschaltung aus Wechsels romei. ngang und erstem Schaltungsteil, und
einem Spannungsabgriff (22) für die Spannung längs des zweiten Schaltungsteils als Spannungsausgang.
5. Schaltung nach Anspruch 4 , mit einem Widerstand (Rl) parallel zurr. Halbwellengleichrichter,
6. Verserg ngsSchaltung (20) für einen Aktor eines vibrierenden Werkzeugs, mit
einem Wechselstromeingang (21 ) ,
einem Spannungsgenera or, der mit dem
Wechselstromeingang verbunden ist und einen
Spannungsausgang (22 ) hat und zur Erzeugung einer Spannung am Spannungsausgang mit einem Gleichanteil (Ode) und einem Wechselanteil (üae) ausgelegt ist .
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 , mit einer Sekundärspule (L2 , 47), die mit dem
Wechselstromeingang verbunden ist.
8. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Spannung am Spannungsausgang
ei en Gleichspannungsanteii (Ode) hat, und/oder
einen Wechselanteil (Oac) hat, dessen Amplitude vorzugsweise höchsten das Doppelte und gleich dem
Gleichanteil (üdc) ±8% oder ±2% ist.
9. Versorgungssystem für einen Aktor eines
vibrierenden Werkzeugs , mit
einer Versorgungsschaltung {28, 29) nach Anspruch 7. einer mit der Sekundärspule magnetisch gekoppelten Primärspule (LI), und
einer Serienschaltung aus einer Wechselstromquelle (ü) und einem dritten Kondensator (C3 ) parallel zur
Primärspule .
10. Versorgungssystem nach Anspr ch . bei dem C3 >
100*C1 und Cl > 4*C2 gelten kann, wobei C2 die wirksame Kapazität des Vibrationsantriebs ist, und/oder bei dem 1/2 < L1/L2 < 2 , vorzugsweise Li = L2 ± 10% gelten kann.
11. Aktor (48) eines vibrierenden Werkzeugs, mit einem maschinenseitigen ersten mechanischen Anschluss
(44) ,
einem Werkzeug (10) oder einem zweiten mechanischen Anschluss (42) hierfür,
einem elektrischen Vibrationsantrieb (43) zwischen dem ersten Anschluss und dem Werkzeug bzw. dem zweiten Anschluss,
einer Versorgungsschaltu j ( 28 , 29) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, und
einer elektrischen Verbindung (49) zwischen der
Versorgungsschaltung und dein Vibrationsantrieb.
12. Aktor nach Anspruch 11, mit einer Versorgungsschaltung nach Anspruch 7, und einer Drehachse , um die herum die Sekundärspule L2 angeordnet ist,
wobei der erste Anschluss ein standardisierter
Änschluss sein kann, insbesondere ein HSK-Änschluss .
13. Ak or nach Anspruch 11 oder 12 , bei dem der
Vibrationsa trieb e ne translato ische Vibration erzeugt und eine Piezo-Ant rieb aufweisen kann .
14. Aktor nach einem oder mehreren der Ansp üche 11 bis 13, der zur Erzeugung einer mechanischen
Vibrationsamplitude (Ä) von mindestens 10 um, vorzugsweise mindestens 15 um oder 20 um ausgelegt sein kann, wobei die elektrische Frequenz (fa) der Versorgungsspannung gegenüber einer mechanischen Resonanzfrequenz des Systems aus Aktor und We kzeug um mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30% der Resonanzfrequenz (f0) verstimmt ist.
15. 'Werkzeugaufbau mit
einem Aktor (40) nach einem oder mehreren de
Ansprüche 11 bis 14, und
einem mit dem Aktor verbundenen Werkzeug (10, 51) , insbesondere Bohrer ( 10 ) oder Fräser ode Drehmeißel .
16. Werkzeug mit
einem Aktor (48) vorzugsweise nach einem oder
mehreren der Ansprüche 11 bis 14 oder einem
Befestigungsbereich hierfür, und
einer im Betrieb dem Werkstück zugewandten Oberfläche ( 52 ) , die keine Schneide aufweist und rundlich ist oder verrundete Ränder aufweist.
PCT/EP2013/071861 2012-10-22 2013-10-18 Verfahren zur werkstückbearbeitung, versorgungsschaltung, versorgungssystem, werkzeugaktor, werkzeugaufbau WO2014064009A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201380055314.5A CN104755202A (zh) 2012-10-22 2013-10-18 工件加工方法、供电电路、供电系统、刀具致动器、刀具装配
US14/437,431 US9908209B2 (en) 2012-10-22 2013-10-18 Method for machining a workpiece, supply circuit, supply system, tool actuator, tool setup
JP2015537277A JP2015532220A (ja) 2012-10-22 2013-10-18 工作物の機械加工方法、供給回路、供給系統、工具アクチュエータ、工具一式

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DE201210219254 DE102012219254B4 (de) 2012-10-22 2012-10-22 Versorgungsschaltung, Versorgungssystem, Werkzeugaktor, Werkzeug

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DE (1) DE102012219254B4 (de)
WO (1) WO2014064009A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014191566A1 (de) * 2013-05-31 2014-12-04 Sauer Ultrasonic Gmbh Werkzeug, werkzeugmaschine und werkstückbearbeitungsverfahren
KR101863019B1 (ko) * 2014-11-26 2018-05-30 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 수치 제어 장치

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015218030A1 (de) 2015-09-18 2017-03-23 Sauer Gmbh Kopplungssystem zur Verwendung an einer Spindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine
US10903414B2 (en) 2016-05-24 2021-01-26 Dr. Hielscher Gmbh Device and method for generating an oscillatory motion
DE102016211740B4 (de) * 2016-06-29 2018-01-11 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbohren
DE102016214498A1 (de) * 2016-08-05 2018-02-08 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Werkzeughalteeinrichtung und Verfahren zum Bohren
EP3743241A4 (de) 2018-01-23 2021-11-10 Quantum Impact, LLC Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines werkstücks
GB201812133D0 (en) * 2018-07-25 2018-09-05 Black & Decker Inc Power toll and accessory system
DE102019209191A1 (de) * 2019-06-25 2020-12-31 Sauer Gmbh Verfahren und vorrichtung zum steuern einer ultraschall-werkzeugeinheit für die spanende bearbeitung an einer werkzeugmaschine
JP7126013B1 (ja) * 2021-04-26 2022-08-25 Dmg森精機株式会社 工作機械用装置および工作機械

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3608648A (en) * 1970-05-25 1971-09-28 Branson Instr Sonically actuated shaft with coolant jacket
US4640156A (en) * 1979-12-13 1987-02-03 Research Development Corp. Production of short metal fibers
DE19640280A1 (de) * 1996-09-30 1998-04-09 Samson Ag Werkzeugkopf für das spanende Feinbearbeiten einer Fläche eines Werkstücks
JP2002036001A (ja) * 1999-09-27 2002-02-05 Canon Inc 切削加工方法及び切削加工装置及び工具保持装置及び光学素子及び光学素子の成形用金型
JP2002066801A (ja) * 2000-09-04 2002-03-05 Canon Inc 切削加工方法及び光学素子及び光学素子成形用金型
EP1236527A1 (de) * 2001-03-02 2002-09-04 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Bearbeitungsverfahren für schwer zu bearbeitende Materialien und Bearbeitungswerkzeug dafür
JP2002301601A (ja) * 2001-04-05 2002-10-15 Canon Inc 加工装置および加工方法
US20070052326A1 (en) * 2005-09-07 2007-03-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method and apparatus for vibration machining with two independent axes
US7788998B2 (en) * 2006-03-13 2010-09-07 Panasonic Corporation Precision machining system and methods
JP2010194614A (ja) * 2007-07-13 2010-09-09 Kazumasa Onishi 焼嵌め式超音波工具ホルダ

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0643019B2 (ja) 1985-10-25 1994-06-08 株式会社パイロット 振動加工方法
JP3116418B2 (ja) * 1991-05-21 2000-12-11 株式会社安川電機 無接触給電装置
US6161990A (en) * 1998-11-12 2000-12-19 Kennametal Inc. Cutting insert with improved flank surface roughness and method of making the same
JP2000246524A (ja) 1999-02-24 2000-09-12 Akimichi Koide 微細形状加工装置
JP3671805B2 (ja) * 2000-03-13 2005-07-13 スズキ株式会社 振動計測装置及び方法
JP4856650B2 (ja) * 2005-04-11 2012-01-18 一正 大西 切削もしくは研削装置
US7687975B2 (en) * 2007-03-27 2010-03-30 Panasonic Corporation Vibration assisted machining system with stacked actuators
DE102010048638B4 (de) * 2010-07-16 2017-10-05 Sauer Ultrasonic Gmbh Werkzeugmaschine, Werkstückbearbeitungsverfahren
CN101966596B (zh) * 2010-08-13 2012-06-20 北京航空航天大学 一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法
DE102010048636B4 (de) * 2010-10-15 2017-11-16 Sauer Ultrasonic Gmbh Werkzeugmaschine und Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Werkzeug
CN102189272B (zh) * 2011-04-21 2012-10-24 宁波大学 高频响非圆切削装置及其控制方法
CN102717115B (zh) * 2012-06-14 2014-05-14 北京航空航天大学 一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3608648A (en) * 1970-05-25 1971-09-28 Branson Instr Sonically actuated shaft with coolant jacket
US4640156A (en) * 1979-12-13 1987-02-03 Research Development Corp. Production of short metal fibers
DE19640280A1 (de) * 1996-09-30 1998-04-09 Samson Ag Werkzeugkopf für das spanende Feinbearbeiten einer Fläche eines Werkstücks
JP2002036001A (ja) * 1999-09-27 2002-02-05 Canon Inc 切削加工方法及び切削加工装置及び工具保持装置及び光学素子及び光学素子の成形用金型
JP2002066801A (ja) * 2000-09-04 2002-03-05 Canon Inc 切削加工方法及び光学素子及び光学素子成形用金型
EP1236527A1 (de) * 2001-03-02 2002-09-04 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Bearbeitungsverfahren für schwer zu bearbeitende Materialien und Bearbeitungswerkzeug dafür
JP2002301601A (ja) * 2001-04-05 2002-10-15 Canon Inc 加工装置および加工方法
US20070052326A1 (en) * 2005-09-07 2007-03-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method and apparatus for vibration machining with two independent axes
US7788998B2 (en) * 2006-03-13 2010-09-07 Panasonic Corporation Precision machining system and methods
JP2010194614A (ja) * 2007-07-13 2010-09-09 Kazumasa Onishi 焼嵌め式超音波工具ホルダ

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014191566A1 (de) * 2013-05-31 2014-12-04 Sauer Ultrasonic Gmbh Werkzeug, werkzeugmaschine und werkstückbearbeitungsverfahren
US9981321B2 (en) 2013-05-31 2018-05-29 Sauer Ultrasonic Gmbh Tool, machine tool, and workpiece machining method
KR101863019B1 (ko) * 2014-11-26 2018-05-30 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 수치 제어 장치

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