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Verfahren zum Schneiden von Werkstücken
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auf das Werkstück gerichteten und relativ zu diesem in Schneidrichtung bewegten intensitätsreichen La- dungsträgerstrahles, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsdichte des Ladungsträgerstrahles so hoch gewählt wird, dass er das Werkstück unter Bilden einer schmalen hocherhitzten Zone vollständig durchdringt und dass dabei das entlang der gesamten Werkstücktiefe verflüssigte Material in Strahlrichtung aus dieser Zone hinausgeschleudert wird. Das verflüssigte Material spritzt dabei im wesentlichen in Form von Tröpfchen in Strahlrichtung aus der jeweiligen Schneidstelle heraus, und es entsteht eine Schnittlinie. Diese ist im wesentlichen parallelwandig begrenzt.
Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Fräsen mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles erfolgt bei dem neuen Schneidverfahren die Entfernung des Materials in flüssigem Zustand. Die bei der Bearbeitung ebenfalls in kleinem Masse stattfindende Verdampfung ist völlig nebensächlich. Die mit dem neuen Schneidverfahren erzielbare Schnittgeschwindigkeit ist gross, und sie beträgt beispielsweise beim Schneiden eines 1 mm dicken Stahlbleches etwa 10 bis 20 mm/sec. Im Gegensatz dazu lassen sich bei dem schon mehrfach erwähnten Fräsen mittels eines Ladungsträgerstrahles nur Schnittgeschwindigkeiten erzielen, welche bei 1 mm dickem Stahlblech etwa bei 1 mm/sec liegen.
Es lässt sich bereits mit einem Dauerstrahl hoher Leistungsdichte eine Schneidwirkung erzielen.
Entscheidend besser ist jedoch das erzielbare Ergebnis, wenn der Ladungsträgerstrahl impulsförmig zur Wirkung gebracht wird. Dabei wird vorteilhaft die Dauer der Impulse und der Impulspausen gleichgross gewählt, d. h., es wird mit einem Tastverhältnis von 1 : 2 gearbeitet. Ein mit Hilfes eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahles erzeugter Schnitt weist wesentlich glattere Schnittflächen auf als ein Schnitt, welcher unter Verwendung eines Dauerstrahles geführt wurde. Weiterhin lässt sich bei Verwendung eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahles die Schnittgeschwindigkeit noch wesentlich erhöhen. So kann beispielsweise ein Stahlblech von 1 mm Dicke mit einem Ladungsträgerstrahl einer Beschleunigungsspannung von 145 kV und einem Impulsstrom von 10 mA mit einer Schnittgeschwindigkeit von 20 mm/sec geschnitten werden.
Versuche haben ergeben, dass optimale Verhältnisse vorliegen, wenn mit einem impulsgesteuerten Ladungsträgerstrahl eines Tastverhältnisses von 1 : 2 gearbeitet wird, wobei die Strahlimpulse eine Dauer von etwa 10-3 sec haben. Diese hier als optimal geschilderten Betriebsverhältnisse sind jedoch, da sie von der Art des zu bearbeitenden Materials abhängig sind, nur als Beispiel zu verstehen.
Bei dem neuen Schneidverfahren wird der Ladungsträgerstrahl vorteilhaft so geformt, dass sich die Stelle engstenStrahlquerschnittes kurz über der Werkstückoberfläche befindet. Beträgt der Arbeitsabstand, d. h. der freie Raum zwischen Werkstückoberfläche und Unterkante der Fokussierungslinse z. B. 60 mm, so wird diese Linse so eingestellt, dass die Stelle engstenStrahlquerschnittes etwa 10 mm über der Werk stückoberfläche liegt.
Zur Herstellung krummliniger Schnittlinien begrenzter Länge wird zweckmässig bei ruhendem Werkstück der Ladungsträgerstrahl über dasselbe bewegt. Zur Bewegung des Ladungsträgerstrahles dienen dabei in an sich bekannter Weise Ablenksysteme, denen entsprechend geformte Ablenkströme zugeführt werden. In vielen Fällen kann es auch zweckmässig sein, den Ladungsträgerstrahl nicht abzulenken und lediglich das Werkstück zu bewegen. Dabei lässt sich durch eine Programmsteuerung, beispielsweise durch eine Schablonenführung die Bewegung des das Werkstück tragenden Tisches steuern.
Zur Herstellung von Schnittlinien mit periodischem Verlauf, z. B. von wellenförmigen oder zick sackförmigen Schnittlinien, verwendet man vorteilhaft eine Kombination von mechanischer Bewegung des Werkstückes und elektrischer Strahlablenkung.
Mit dem neuen Schneidverfahren wurden bisher sehr gute Schneidergebnisse bei Blechen bis zu 5 mm Stärke erzielt. Es erscheint möglich, mittels des neuen Verfahrens auch Bleche grösserer Dicke schneiden zu können.
Das neue Schneidverfahren kann sehr universell angewandt werden, so z. B. zum Schneiden von Stahlblechen verschiedener Zusammensetzung oder auch zum Schneiden von Blechen aus sehr gut wärmeleitenden Materialien, beispielsweise aus Kupfer und Silber. Ebenso lassen sich ohne weiteres Hartmetallplatten schneiden. Da bei dem neuen Schneidverfahten die Wärme Wirkung nicht weit in das Material hineinreicht, d. h. da nur ein sehr kleiner Materialbereich in der Umgebung der Schneidstelle erwärmt wird, lassen sich auch ohne weiteres Teile aus fertig wärmebehandeltem Material schneiden.
Sollen die ausgeschnittenen Teile nur aus wärmebehandeltem Material bestehen, so ist es lediglich erforderlich, diese Teile einer leichten mechanischen Nachbearbeitung zu unterwerfen, bei welcher eine dünne an die schnittlinie angrenzende Schicht entfernt wird.
Bei den bisher durchgeführten Versuchen liessen sich Schnitte herstellen, deren Breite einige Zehn-
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Das Programmiergerät 32 enthält beispielsweise Schablonen, welche über Potentiometer zur Steue- rung der zur Werktischbewegung 30 dienenden Elektromotoren dient.
Wird der Elektronenstrahl 25 eingeschaltet, so durchdringt er das Werkstück 26 unter Bilden einer schmalen hoch erhitzten Zone vollständig. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, wird dabei das entlang der ge- ! samten Welkstücktiefe verflüssigte Material in Strahlrichtung aus dieser Zone hinausgeschleudert, wo- bei das hinausgeschleuderte flüssige Material kugelförmige Tröpfchen 33 bildet. Es entsteht auf diese
Weise ein Schnitt 34, welcher die beiden Werkstückhälften 26a und 26b vollständig voneinander trennt.
Die Schnittstelle 34 ist nahezu parallelwandig begrenzt.
Beim Schneiden des Werkstückes 26 kann man durch das Fenster 28 des Bearbeitungsraumes 24 das
Austreten der flüssigen Materialteile 33 aus der Unterseite des Werkstückes 26 beobachten.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Spanntisch 29 so ausgebildet, dass zwischen dem Werkstück 26 und dem Tisch 30 so viel Raum bleibt, dass das aus der Werkstückunterseite herausge- schleuderte flüssige Material sich vollständig verfestigt, ehe es auf den Tisch 30 auftrifft. Auf diese Wei- se können bei der Durchführung des Schnittes zugleich kleine Kugeln aus dem Material des Werkstückes
26 hergestellt werden.
Zur Herstellung kleinerer Schnitte oder zur Herstellung von Schnittlinien in Form geschlossener Kur- venstücke bis einige Zentimeter maximaler Weite kann der Tisch 30 stehenbleiben, während der Elektro- nenstrahl 25 mittels der beiden Ablenksysteme 23 und 27 über das Werkstück 26 geführt wird.
Zur Herstellung einer Schnittlinie mit periodischem Verlauf wird der Elektronenstrahl 25 mittels eines der beiden Ablenksysteme 23 oder 27 beispielsweise periodisch senkrecht zur Papierebene bewegt, während der Tisch 30 mittels des Elektromotors 31 langsam in der Papierebene bewegt wird.
Fig. 4 zeigt einen Zylinder 35 aus Federstahl, welcher mittels des Elektronenstrahles 25 entlang der
Spirallinie 36 geschnitten wurde. Es entsteht auf diese Weise eine Spiralfeder, welche den Vorzug auf- weist, dass sie an ihren beiden Enden noch geschlossene Kreise enthält. Auf diese Weise können also Spi-
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messer aufweisen.
Mittels des neuen Bearbeitungsverfahrens gelingt es, in wirtschaftlicher Weise auch schwer bearbeit- bare Materialien zu schneiden. Ausserdem gelingt es, krummlinige'Schnitte auch kleiner Abmessungen herzustellen.
Das neue Schneidverfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung von Stanz- schnitten und Schneidwerkzeugen aus Stahl oder Hartmetall und zur Herstellung von Strangpress-Matrizen.
'Ferner können mittels des neuen Verfahrens in einfacher und wirtschaftlicher Weise krummlinig berandete Teile für den Karosserie-oder Flugzeugbau sowie kleine ausgeschnittene Teile hergestellt werden. Das neue Verfahren dient weiterhin zur Herstellung von Formteilen oder bearbeiteten Teilen aus Glas, Ferrit, Keramik, aus carbidierten Schleifmaterialien oder aus Sinteroxyden usw. Wie schon erwähnt, kann das neue Schneidverfahren auch ohne weiteres zum Ausschneiden von Teilen aus fertig wärmebehandelten Materialien Anwendung finden.
Das neue Verfahren zum Schneiden mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles wurde im Zusammenhang mit den Zeichnungen mit der Verwendung von Elektronenstrahlen beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle von Elektronenstrahlen andere Ladungsträgerstrahlen, wie z. B. Ionenstrahlen zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mittels eines auf das Werkstück gerichteten und relativ zu diesem in Schneidrichtung bewegten intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Ladungsträgerstrahles so hoch gewählt wird, dass er das Werkstück unter Bilden einer schmalen hocherhitzten Zone vollständig durchdringt und dass dabei dasentlang der gesamten Werkstücktiefe verflüssigte Material in Strahlrichtung aus dieser Zone hinausgeschleudert wird.