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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Einbringen von Bohrungen in Werkstücke, bei dem ein Werkzeug relativ zu dem Werkstück in Rotation versetzt wird und das Werkzeug relativ zu dem Werkstück mit einer Vorschubbewegung verfahren wird, wobei das Werkzeug in Richtung der Vorschubbewegung relativ zu dem Werkstück eine Oszillationsbewegung durchführt.
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Bei der zerspanenden Bearbeitung von Werkstücken muss neben der Bearbeitungsgenauigkeit und -geschwindigkeit besonderer Wert auf die Späneabfuhr gelegt werden. Bei der Zerspanung entstehende lange Späne bereiten dabei nicht nur Probleme hinsichtlich der Entsorgung, auch während der Bearbeitung kommt es zu unerwünschten Effekten.
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Diese Probleme treten bei allen Bearbeitungsvorgängen auf, bei denen Späne anfallen, also insbesondere beim Bohren, Fräsen und Drehen. Daher werden vielfältige Maßnahmen ergriffen, um die entstehenden Späne zu brechen, so dass sie leichter entsorgt werden können. Kurze Späne bieten aber nicht nur Handhabungsvorteile, sie sind auch im Hinblick auf eine schnelle und genaue Bearbeitung sowie gute Oberflächenbeschaffenheit erwünscht.
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Insbesondere beim Einbringen tiefer Bohrlöcher können die entstehenden Späne bspw. dazu führen, dass sich das Werkzeug in dem Bohrloch verklemmt, was zu einem übermäßigen Verschleiß des Werkzeuges und damit zu einer Verringerung der Standzeit oder sogar zum Bohrerbruch führen kann. Ferner beeinträchtigen lange Späne auch hier die Qualität der bearbeiteten Oberfläche, da Riefen entstehen können.
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Aus der
DE 31 39 540 A1 ist es zur Lösung dieser Probleme bekannt, den Bohrer während des Bohrens zyklisch aus der Bohrung zurückzuziehen und danach wieder in das Bohrloch zuzustellen, um die entstandenen Späne aus dem Bohrloch auszuräumen. Der Bohrer gelangt durch das Zurückziehen aus dem Span, der daher bricht und wegen der geringeren Spanlänge leichter abtransportiert werden kann. Beim erneuten Zustellen muss der Bohrer neu in den Span gelangen, was zu Qualitätsproblemen führen kann, wobei bei einem schnellen Zustellen auch die Gefahr besteht, dass der Bohrer auf dem Grund der Bohrloches aufschlägt und bricht.
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In der eingangs erwähnten
DE 10 2005 002 460 A1 wird zur Vermeidung dieser Probleme vorgeschlagen, der kontinuierlichen Vorschubbewegung durch mechanische Maßnahmen eine in axialer Richtung hin- und hergehende Oszillationsbewegung zu überlagern, deren Hub einstellbar ist. Dadurch sollen die entstehenden Späne frühzeitig gebrochen werden, so dass kurze Späne entstehen, die leicht zu entsorgen sind und geringere Probleme bei der Bearbeitung hervorrufen.
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Die bekannte Bohrvorrichtung ist daher mit einem Oszillatorgehäuse versehenen, dessen Lagerschale über Wälzkörper mit einer Lagerschale eines Oszillators zusammenwirkt. Die beiden Lagerschalen sorgen dafür, dass der in sich unveränderten, kontinuierlichen Vorschubbewegung mechanisch eine Oszillationsbewegung überlagert wird, deren Oszillationshub durch Veränderung der Neigung der Lagerschalen zueinander in bestimmten Bereichen eingestellt werden kann.
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Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass während jeweils zweier voller Umdrehungen des Bohrers ein vollständiger Oszillationshub durchgeführt wird. Die Frequenz der Oszillation ist also immer halb so groß wie die Drehzahl des Bohrers. Bei einer Vorschubbewegung von 0.02 mm pro Umdrehung des Bohrers ist der Oszillationshub auf Werte unterhalb von 0,02 mm einstellbar.
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Bei diesem Bohrwerk ist neben seinem komplizierten und damit kostenintensivem und anfälligem Aufbau von Nachteil, dass die manuelle Einstellung des Oszillationshubes schwierig und zeitaufwändig und folglich weniger flexibel ist. Ferner wird das bekannte Bohrwerk wegen des fest vorgegebenen Zusammenhangs zwischen Drehzahl und Oszillationsfrequenz sowie des für einen Bearbeitungsvorgang jeweils vorab fest einzustellenden Oszillationshubs nicht allen Anforderungen gerecht. Dies gilt insbesondere dann, wenn Werkstücke aus schwer zerspanbaren Werkstoffen bearbeitet werden sollen. Für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben müssen daher jeweils speziell angepasste Bohrwerke eingesetzt werden.
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Aus der
DE 10 2006 015 038 A1 und der
DE 197 28 268 A1 ist es bekannt, bei der Bearbeitung eines Werkzeuges auf einer Werkzeugmaschine einen Prozessparameter, der auf einen Basiswert eingestellt ist, um diesen Basiswert oszillieren zu lassen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren derart weiterzubilden, dass es zuverlässig arbeitet und leicht an unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben angepasst werden kann.
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Bei dem eingangs genannten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorschubbewegung steuerungstechnisch mit einem einstellbaren Oszillationsanteil versehen wird, dessen Oszillationshub in Abhängigkeit von dem Vorschub des Werkzeuges eingestellt wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt, dass mit einer mechanischen Überlagerung der Oszillationsbewegung immer Nachteile verbunden sind, die sich auch mit großem konstruktivem Aufwand nicht beheben lassen. Die Steuerungs- und Antriebstechnik moderner Werkzeugmaschinen ermöglichen es aber nach Erkenntnis der Erfinder wider Erwarten, dass die Vorschubbewegung selbst mit einem oszillierenden Anteil versehen werden kann, so dass im zeitlichen Mittel ein konstanter Vorschub erfolgt, während mit hoher Zeitauflösung die Vorschubbewegung gesteuert um diesen Mittelwert verändert wird.
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Unter einer Oszillationsbewegung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht ausschließlich eine regelmäßige oder gleichförmige Bewegung verstanden, obwohl eine solche Bewegung bevorzugt ist. Es sind aber auch andere Bewegungsformen möglich, bei denen die überlagerte Bewegung bspw. in Vorschubrichtung einen anderen zeitlichen Verlauf und/oder andere Beschleunigungen oder Geschwindigkeiten aufweist als im „Rückhub” gegen die Vorschubrichtung. Der Anwender ist vielmehr frei in der Wahl Kurvenparameter für die Oszillationsbewegung, er kann sie so im Laufe eines Bearbeitungsvorganges auch mehrfach ändern.
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Bei diesem Verfahren sind damit keine zusätzliche Oszillationsmechanik und keine überlagerte weitere Achse erforderlich, vielmehr wird die sowieso vorhandene Vorschubachse verwendet, deren Vorschubbewegung erfindungsgemäß mit einem Oszillationsanteil versehen wird.
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Damit lässt sich auch ein bei der mechanischen Überlagerung einer Oszillationsbewegung vorhandenes weiteres Problem beseitig. Wie eingangs erwähnt, kann der Oszillationshub bei der mechanischen Überlagerung während einer Bearbeitungsaufgabe nicht verändert werden. Beim Tieflochbohren beginnt die Bearbeitung nun mit einem langsamen Vorschub, der allmählich gesteigert wird. Damit ist der mechanisch vorgegebene Oszillationshub entweder in der Anfangsphase des Tieflochbohrens zu groß, so dass der Bohrer beim Rückhub aus dem Span kommt, was die Bearbeitungsqualität und die Standzeit des Werkzeuges beeinträchtigt, oder der Oszillationshub ist in der Endphase zu gering, so dass der Rückhub nicht ausreicht, um den Span soweit auszudünnen, dass er definiert bricht.
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Bei dem neuen Verfahren wird der Oszillationshub nun während des Bearbeitungsvorganges optimal an die Vorschubbewegung angepasst werden. Dabei kann der Oszillationsanteil der Vorschubbewegung steuerungstechnisch auch mit beliebigen Kurvenverläufen versehen werden. Dabei sind stetige, insbesondere sinusförmige Kurvenformen bevorzugt.
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Mit anderen Worten, alle Parameter des Oszillationsanteils können frei und flexibel jederzeit verändert werden, so dass eine adaptive Anpassung des Oszillationsanteils an den aktuellen Verlauf des Bearbeitungsvorganges möglich wird. Auf diese Weise kann zum ersten Mal zuverlässig bei allen denkbaren Bearbeitungsaufgaben vermieden werden, dass die Vorschubgeschwindigkeit zu null oder negativ wird. Mit anderen Worten, das Werkzeug bleibt während der gesamten Bearbeitung im Span.
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Dass eine derartige Variation der Vorschubbewegung mit einer einzigen Vorschubachse möglich ist, war nicht zu erwarten. Versuche bei der Anmelderin haben jedoch ergeben, dass die heute verfügbare Antriebstechnik derartige komplexen Bewegungsabläufe der Vorschubachse reproduzierbar ermöglicht. So lässt sich das neue Verfahren bspw. auf einer Werkzeugmaschine der Anmelderin implementieren, die mit einer Steuerung vom Typ Siemens 840D und einer Antriebstechnik aus der Produktpalette Siemodrive 611D ausgerüstet ist.
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Dabei zeigte sich unerwarteter Weise, dass sich verglichen mit einer Steuerung ohne überlagerte Oszillationsbewegung die mittlere Vorschubgeschwindigkeit bei gleicher Standzeit des Werkzeuges und Bearbeitungsqualität erhöhen lässt. In einer Versuchsreihe konnte die mittlere Vorschubgeschwindigkeit bei einer Tiefenbohrung sogar nahezu verdoppelt werden.
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Die Steuerungssoftware, sowie die Regler und Stellglieder moderner Werkzeugmaschinen erlauben es, dass der Kurvenverlauf des Oszillationsanteils stetig, also ohne ruckartige Bewegungsanteile verläuft, die bei der mechanischen Überlagerung nicht zu vermeiden sind und dort die Standzeit des Werkzeuges sowie die Bearbeitungsqualität negativ beeinflussen. Die dazu erforderliche schnelle und hochauflösende Steuerung des Motorstromes sowie die schnelle Änderung des Motorstromes können nach den Versuchen bei der Anmelderin dauerhaft realisiert werden, ohne dass die einzuhaltenden Belastungsgrenzen überschritten werden.
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Das neue Verfahren ist zwar prinzipiell auf jedem numerisch gesteuerten Bohr- und Fräswerk durchführbar, bei dem ein automatischer Vorschub von Werkzeug oder Werkstück erfolgt, besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das Verfahren auf einer CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine durchgeführt wird, bei der das Werkzeug in eine Arbeitsspindel und das Werkstück in eine Vorrichtung eingespannt wird, wobei Arbeitsspindel und Vorrichtung zumindest in Richtung der Vorschubbewegung relativ zueinander programmgesteuert verfahren werden.
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Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, dass eine bestehende Werkzeugmaschine effizienter zum Tieflochbohren verwendet werden kann, indem die Steuerung so programmiert wird, dass das neue Verfahren durchgeführt wird.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die Oszillationsparameter unabhängig von der Drehzahl des Werkzeuges eingestellt werden.
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Hier ist von Vorteil, dass das neue Verfahren flexible an alle Bearbeitungsaufgaben angepasst werden kann, alle Parameter wie Oszillationsfrequenz und -hub sowie Kurvenform des Oszillationsanteils lassen sich frei wählen und sind nicht unveränderbar an die Drehzahl gekoppelt. Damit können umgekehrt aber im Laufe der Bearbeitung auch sowohl der Vorschub als auch die Drehzahl des Werkzeuges frei geändert werden, ohne dass dies negative Auswirkungen auf den erzwungenen Spanbruch hat.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Werkzeugmaschine, auf der das neue Verfahren durchgeführt wird;
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2 ein Blockdiagramm des Lageregelkreise für die Vorschubachse der Werkzeugmaschine aus 1;
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3 schematische Diagramme in willkürlichen Einheiten, wobei oben der zeitliche Verlauf der resultierenden Vorschubgeschwindigkeit V(t) und unten der zeitliche Verlauf der Vorschubbewegung s(t) dargestellt ist.
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In 1 ist schematisch mit 10 eine Werkzeugmaschine gezeigt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine CNC gesteuerte vertikale Fahrständermaschine ist.
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Die Werkzeugmaschine 10 weist einen Werkstücktisch 11 mit einer Vorrichtung 12 auf, in die ein zu bearbeitendes Werkstück 14 eingespannt ist. Ferner ist ein Spindelkopf 15 vorgesehen, in dem drehangetrieben eine Arbeitsspindel 16 gelagert ist, die in bekannter Weise an ihrer unteren Stirnseite 17 ein Werkzeug 18 trägt, das hier ein Bohrwerkzeug ist.
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Der Spindelkopf und die Vorrichtung sind in an sich ebenfalls bekannter Weise in den drei Koordinaten des Raumes relativ zueinander verfahrbar. Der Spindelkopf ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dazu an Führungsschienen 19 gelagert, längs derer er eine Vorschubbewegung in Richtung der Vorschubachse ausführen kann, die hier die z-Achse ist. Diese Vorschubbewegung wird durch einen Motor 21 bewirkt, der in an sich bekannter Weise eine in 1 schematisch dargestellte Kugelrollspindel 22 antreibt, die den Spindelkopf 15 längs der Führungsschienen 19 verfährt.
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Wenn das Werkzeug 18 durch die Arbeitsspindel 16 mit einer Drehzahl n in Rotation versetzt wird, was durch einen Pfeil 20 angedeutet ist, und längs der z-Achse mit einer Vorschubbewegung s(t) relativ zu dem Werkstück 14 verfahren wird, kann somit eine Bohrung in das Werkstück 14 eingebracht werden.
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Dazu wird der Motor 21 über einen Lageregelkreis 23 angesteuert, der in 2 als Blockschaltbild dargestellt ist.
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Der Lageregelkreis 23 umfasst als innere Regelschleife einen Stromregler 24, der an seinem Eingang einen vom Motor 21 kommenden Stromistwert 25 mit einem Stromsollwert 26 vergleicht, der von einem Drehzahlregler 27 geliefert wird. Der Drehzahlregler 27 vergleicht an seinem Eingang einen Drehzahlistwert 28, der von einem mit dem Motor 21 verbundenen Geber 29 geliefert wird, mit einem Drehzahlsollwert 31, der von einem Lageregler 32 geliefert wird.
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Der Lageregler 32 vergleicht an seinem Eingang einen von dem Geber 29 gelieferten Lageistwert 33 mit einem Lagesollwert 34, der von einer Steuerung 35 geliefert wird.
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Die Steuerung 35 berechnet in Abhängigkeit von der Bearbeitungsaufgabe und dem aktuellen Bearbeitungszustand den jeweils nächsten Lagesollwert s(t), den das Werkzeug 18 durch Verfahren des Spindelkopfes 15 einnehmen soll. Dazu wird der Motor 21 über die Regler 24, 27 und 32 entsprechend angesteuert.
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Soll eine lineare Bewegung mit konstanter Vorschubbewegung s(t) durchgeführt werden, wird der zeitabhängige Lagesollwert sf(t) wie folgt berechnet: sf(t) = f·n/60·t, wobei
- f
- = Vorschub pro Umdrehung des Werkzeuges
- n
- = Drehzahl des Werkzeuges pro Minute
- t
- = Zeit in Sekunden.
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Bei einem Vorschub von f = 0,018 mm/Umdrehung und einer Drehzahl von n = 8000/min ergibt sich bspw. eine konstante Vorschubgeschwindigkeit Vf = f·n/60 von 2,4 mm/sec.
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Um einen erzwungenen Spanbruch zu realisieren, erhält die Vorschubbewegung s(t) neben dem konstante Vorschubbewegung sf(t) zusätzlich einen stetig verlaufenden Oszillationsanteil a(t), der bspw. so eingestellt wird, dass pro x Umdrehungen des Werkzeuges die resultierende Vorschubgeschwindigkeit V(t) einmal einen Minimalwert annimmt, der größer oder gleich null ist. Die resultierende Vorschubbewegung s(t) ergibt sich dann zu s(t) = sf(t) – a(t), mit a(t) = k·sin((2πnt)/(60x)), wobei n/(60x) die Oszillationsfrequenz fa und k eine Konstante ist, deren Maximalwert durch f und x vorgegeben ist. Durch geeignete Wahl von x kann die Länge der Späne beeinflusst werden. Wenn der Vorschub f im Laufe der Bearbeitung verändert wird, passt sich k adaptiv an die neue Bearbeitungsbedingung an, wobei über eine Veränderung von x auch der Oszillationsfrequenz fa unabhängig von der Drehzahl n verändert werden kann.
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Der durch k bestimmte Oszillationshub des Werkzeuges soll dabei zu keinem Zeitpunkt größer sein als der ohne überlagerten Oszillationsanteil erfolgende Vorschub. Dann ist sichergestellt, dass das Werkzeug nicht außer Eingriff mit dem Span kommt.
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Im zeitlichen Mittel trägt dieser Oszillationsanteil a(t) folglich nicht zum Gesamtvorschub bei, er führt jedoch dazu, dass die Vorschubbewegung periodisch beschleunigt und wider verlangsamt wird. Versuche bei der Anmelderin haben gezeigt, dass die Steuerung und die Antriebstechnik, insbesondere also der Lageregelkreis 23 und der Motor 21 diese Anforderungen auch im Dauerbetrieb erfüllen.
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Soll der Vorschub bspw. periodisch zu null werden, gilt für den Oszillationsanteil Va der Vorschubgeschwindigkeit Va = Vf·sin((2πnt)/(60x)) und folglich V(t) = Vf – Va = Vf·(1 – sin((2πnt)/(60x)))
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Die Vorschubgeschwindigkeit V(t) schwankt damit sinusfförmig zwischen null und einem Maximalwert Vmax = 2·Vf
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Im zeitlichen Mittel erfolgt der Vorschub nach wie vor mit Vf.
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In 3 oben ist prinzipiell der zeitliche Verlauf der resultierenden Vorschubgeschwindigkeit V(t) und unten der zeitliche Verlauf des resultierenden Vorschubs s(t) gezeigt.
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Es ist zu erkennen, dass die Vorschubgeschwindigkeit v(t) periodisch sehr gering oder gar zu null wird, was dazu führt, dass kein oder nahezu kein Vorschub erfolgt, und es damit zu einem periodischen Ausdünnen des Spanes kommt, der dadurch wellig wird, was zu einem erzwungenen Spanbruch führt.
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Versuche bei der Anmelderin haben ergeben, dass eine Oszillationsfrequenz fa von bis zu 70 Hz und ein Oszillationshub k von 0,02 mm realisierbar sind, wobei die Drehzahl n und der Vorschub f unabhängig davon in großen Bereichen verändert werden können.
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Für x = 2 bis 5 ergibt sich dann ein stabil zu erzeugender Spanbruch. Da die Schwingungsanregung a(t) im Kleinsignalbereich liegt, liegen auch die Dynamikanforderungen an die Kugelrollspindel 22 im zulässigen Bereich.
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Mit diesem Verfahren konnte auch schwer zu zerspanendes oder langspanendes Material mit sicherem Spanbruch bearbeitet werden.
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Die hier angegebenen Werte für f und n sind lediglich beispielhaft zu verstehen, das neue Verfahren arbeitet auch bei höheren oder geringeren Vorschubgeschwindigkeiten und Werkzeugdrehzahlen mit der erforderlichen Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität.
