Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mittels eines Ladungsträgerstrahls Bei der industriellen Verarbeitung von Blechen, z. B. in der Automobilindustrie und im Flugzeugbau, besteht vielfach die Aufgabe, Bleche, welche oftmals aus einem schwer bearbeitbaren Material bestehen, entlang mehr oder weniger krummliniger Schnittli nien zu schneiden. Beim Werkzeugbau tritt häufig die Aufgabe auf, Teile aus gehärtetem Stahl oder Hart metall z. B. für Werkzeugteile oder Stanzschnitte zu schneiden. Im allgemeinen handelt es sich in beiden hier erwähnten Fällen um Materialstärken von 0,5 bis einige Millimeter. Beim Schneiden selbst sind zur Erzielung einer rationellen Fertigung hohe Schnittge schwindigkeiten erwünscht.
Das in den meisten Fällen gebräuchliche stück weise oder fortlaufende Schneiden mit Scheren ver schiedener Art beschränkt sich für eine rationelle Anwendung weitgehend auf geradlinige Schnittlinien, sowie auf das Schneiden von nicht zu hartem Mate rial.
Zum Schneiden krummliniger Werkstücke ver wendet man im allgemeinen das mit einer oxydieren den Flamme arbeitende autogene Brennschneiden. Auch die Anwendung dieses Verfahrens ist begrenzt. Beispielsweise gelten schon die üblichen Chrom-Nik- kelstähle als schwer schneidbar, und es ergeben sich beim autogenen Brennschneiden dieser Stähle sehr unsaubere Schnittlinien. Viele Materialien, vor allem Hartmetall lassen sich mit diesem Verfahren nicht schneiden. Ein weiterer Nachteil dieses Schneidver fahrens liegt darin, dass die Wärmewirkung sehr weit in das Material hineinreicht, d.h., dass ein grosser Materialbereich um die Schneidstelle herum ther misch hoch beansprucht wird.
Bekannt ist weiterhin das Schneiden mittels Fun kenerosion oder Ultraschall. Davon beschränkt sich das erste Verfahren auf metallisch leitende Materia- lien. Beide Verfahren arbeiten verhältnismässig lang sam und kommen daher für das schnelle Schneiden mit grosser Schnittlänge kaum in Frage.
Weiterhin ist es bekannt, mittels eines, vorzugs weise intermittierend gesteuerten Ladungsträger strahles Löcher beliebiger Form in Werkstücke zu fräsen. Es ist auch möglich, dieses Verfahren so an zuwenden, dass Schnittlinien einer grösseren Aus dehnung entstehen. Bei diesem Verfahren wird das Material entlang der Schnittlinie verdampft und das dampfförmige Material bewegt sich im wesentlichen entgegen der Richtung des Ladungsträgerstrahles vom nicht erhitzten Material weg. Durch zweckmäs sige Einstellung der verwendeten Strahlimpulse wird der Fräsvorgang so gesteuert, dass trotz der hohen Verdampfungstemperatur an der Bearbeitungsstelle die Schmelzeffekte in deren Umgebung gering gehal ten werden.
Das geschilderte Verfahren hat sich besonders bewährt für die Materialbearbeitung in feinen: Ab messungen mit hoher Genauigkeit und besonders ge ringer Beeinflussung des angrenzenden Materials. Für eine schnelle Bearbeitung von Materialstärken bis zu einigen Millimetern, wie sie bei der der vorlie genden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe gefor dert wird, ist die geschilderte Art der Materialabtra gung weniger geeignet.
Es ist weiterhin bekannt, mittels eines auf das Material fokussierten, kontinuierlich oder impulsför- mig zur Wirkung kommenden Ladungsträgerstrahls zu schweissen. Dabei kann die Intensität des Ladungsträgerstrahles so hoch gewählt werden, dass der Strahl an der Auftreffstelle unter Bilden einer schmalen hocherhitzten Zone tief in das Material eindringt und dabei seine Energie entlang der Ein- dringtiefe an das Material abgibt und dieses zum Schmelzen bringt.
Beim Bewegen des Ladungsträger strahles relativ zum Werkstück erstarrt das in der Eindringzone des Strahles verflüssigte Material, und es bildet sich eine einwandfreie Verschweissung.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Ver fahren zum Schneiden von Werkstücken, welches sich dadurch auszeichnet, dass ein Ladungsträger strahl auf das Werkstück gerichtet und relativ zu die sem in Schneidrichtung bewegt wird und dass die In tensität dieses Ladungsträgerstrahles so hoch gewählt wird, dass er das Werkstück vollständig durchdringt unter Bilden einer Schneidzone, in welcher das Mate rial entlang der gesamten Werkstücktiefe verflüssigt und in Strahlrichtung hinausgeschleudert wird. Das verflüssigte Material spritzt dabei meist in Form von Tröpfchen in Strahlrichtung aus der jeweiligen Schneidstelle heraus, und es entsteht eine Schnittli nie. Diese ist vorteilhaft 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 Bearbei tung ebenfalls in kleinem Masse stattfindende Ver dampfung ist völlig nebensächlich. Die mit dem neuen Schneidverfahren erzielbare Schnittgeschwin digkeit 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 Er gebnis bei Verwendung eines impulsmodulierten Ladungsträgerstrahles von grossem Tastverhältnis. Dabei wird vorteilhaft die Dauer der Impulse und der Impulspausen gleich gross gewählt, d. h., es wird mit einem Tastverhältnis von 1:2 gearbeitet. Ein mit Hilfe eines intermittierend gesteuerten. Ladungsträ gerstrahles erzeugter Schnitt weist erfahrungsgemäss wesentlich glattere Schnittflächen auf als ein Schnitt, welcher unter Verwendung eines Dauerstrahles ge führt wurde. Weiterhin lässt sich bei Verwendung eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrah les die Schnittgeschwindigkeit noch wesentlich erhö hen.
So kann beispielsweise ein Stahlblech von 1 mm Dicke mit einem Ladungsträgerstrahl einer Beschleu nigungsspannung von 145 kV und einem Impuls strom von 10 mA mit einer Schnittgeschwindigkeit von 20 mm/sec geschnitten werden.
Versuche haben ergeben, dass optimale Verhält nisse vorliegen, wenn mit einem impulsgesteuerten Ladungsträgerstrahl eines Tastverhältnisses von 1:2 gearbeitet wird, wobei die Impulsdauer zu etwa 10-3 sec gewählt ist. 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 engsten Strahlquerschnittes kurz über der Werkstückoberfläche befindet. Beträgt der Arbeits abstand, d. h. der freie Raum zwischen Werkstück oberfläche und Unterkante der Fokussierungslinie z. B. 60 mm, so wird diese Linie zweckmässig so ein gestellt, dass die Stelle engsten Strahlquerschnitts etwa 10 mm über der Werkstückoberfläche liegt.
Zur Herstellung krummliniger Schnittlinien be grenzter Länge wird zweckmässig bei ruhendem Werkstück der Ladungsträgerstrahl über dasselbe bewegt. Zur Bewegung des Ladungsträgerstrahles dienen dabei in an sich bekannter Weise Ablenksy steme, denen entsprechend geformte Ablenkströme zugeführt werden. In vielen Fällen kann es auch zweckmässig sein, den Ladungsträgerstrahl nicht ab zulenken und lediglich das Werkstück zu bewegen. Dabei lässt sich durch eine Programmsteuerung, bei spielsweise durch eine Schablonenführung die Bewe gung des das Werkstück tragenden Tisches steuern.
Zur Herstellung von Schnittlinien mit periodi schem Verlauf, z. B. von wellenförmigen oder zick- zackförmigen Schnittlinien, verwendet man vorteil haft 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 scheint 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 wär meleitenden Materialien, beispielsweise aus Kupfer und Silber. Ebenfalls lassen sich ohne weiteres Hart metallplatten schneiden. Da bei dem neuen Schneidverfahren die Wärmewirkung nicht weit in das Material hineinreicht, d.h. 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 wärmebe handeltem Material bestehen, so ist es lediglich erfor derlich, diese Teile einer leichten mechanischen Nachbearbeitung zu unterwerfen, bei welcher eine dünne, an die Schnittlinien angrenzende Schicht ent fernt wird. Bei den bisher durchgeführten Versuchen liessen sich Schnitte herstellen, deren Breite einige Zehntel Millimeter, z.B. 0,5 mm betrug.
Aus den bisherigen Versuchen kann gesagt wer den, dass beim Schneiden der auftreffende Ladungs- trägerstrahl zweckmässig eine Energiedichte von mindestens 1 MW/cm= hat. Dieser Wert ist jedoch von dem zu schneidenden Material und von der Art der Steuerung des Ladungsträgerstrahles abhängig.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung; Fig.2 den zeitlichen Verlauf des Strahlstromes bei intermittierender Steuerung des Ladungsträger strahles; Fig.3 eine stark vergrösserte Darstellung der vom Ladungsträgerstrahl getroffenen Materialstelle; Fig.4 eine mittels des neuen Schneidverfahrens hergestellte Schraubenfeder.
In Fig. 1 ist mit 1 die Kathode, mit 2 der Steuer zylinder und mit 3 die geerdete Anode des Strahler- zeugungssystemes bezeichnet. Im Gerät 4 wird eine Hochspannung von beispielsweise 150 kV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 5 zugeführt. Dieses Gerät besteht aus einer Vorrichtung 6 zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung, einer Vorrichtung 7 zur Erzeugung von Steuerimpulsen und einer Vor richtung 8 zur Erzeugung der regelbaren Steuerzylin dervorspannung. Diese Spannungen werden über ein Hochspannungskabel dem Strahlerzeugungssystem 1, 2, 3 zugeführt.
Der zeitliche Verlauf der entstehenden Ladungs trägerstrahlimpulse ist in Fig.2 wiedergegeben. Wie die Kurve 47 zeigt, werden Impulse erzeugt, deren Tastverhältnis 1:2 ist, d. h. Impulsdauer und Dauer der Impulspausen ist gleich. Die Dauer eines einzel nen Impulses ist dabei vorzugsweise zu 10-3 sec ge wählt.
In Strahlrichtung gesehen unterhalb der Anode 3 ist eine Blende 9 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 10 und<B>11</B> in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene bewegt werden kann.
Nach erfolgter Justierung des intermittierenden Elektronenstrahles 25 fällt dieser durch ein geerdetes Rohr 15 und wird mittels der elektromagnetischen Linse 20 fokussiert.
Unterhalb der elektromagnetischen Linse 20 sind zwei Ablenksysteme 23 und 27 angeordnet, welche dazu dienen, den Elektronenstrahl 25 zu bewegen. Mittels des Ablenksystemes 23 wird der Elektronen strahl 25 zunächst aus seiner ursprünglichen Rich tung abgelenkt und tritt sodann in das Ablenksystem 27 ein. Dieses Ablenksystem lenkt den Elektronen strahl 25 so ab, dass er parallel zur Richtung der optischen Achse auf das Werkstück 26 auftrifft.
Mittels der Generatoren 21 und 22 werden die zur Versorgung der Ablenksysteme 23 und 27 die nenden regelbaren Ablenkströme erzeugt. Ein weite res Gerät 43 dient zur Stromversorgung der elektro magnetischen Linse 20. Diese fokussiert den Elektro nenstrahl 25 so, dass die Stelle seines engsten Strahl querschnittes z. B. 10 mm oberhalb der Oberfläche des Werkstückes 26 liegt.
Zur Beobachtung des Schneidvorganges dient ein optisches System, welches die mikroskopische Auf lichtbeleuchtung des Werkstückes 26 erlaubt. Dieses System besteht aus einem Beleuchtungssystem 12, welches paralleles Licht liefert. Dieses Licht wird über zwei metallische Prismen 13 und 14 auf eine in axialer Richtung verschiebbare Linse 17 reflektiert und von dieser auf das Werkstück fokussiert. Unter halb der Linse 17 ist eine auswechselbare Glasplatte 18 angeordnet, welche die Linse 17 vor etwaigen Verunreinigungen durch Metalldämpfe schützt. Die Linse 17 wird zusammen mit der Glasplatte 18 mit tels eines Knopfes 19 in axialer Richtung bewegt.
Das von der Oberfläche des Werkstückes 26 reflektierte bzw. ausgehende Licht wird durch die Linse 17 parallel gerichtet und über den Spiegel 16 in ein als Stereomikroskop ausgebildetes Beobachtungs system 49 gelenkt. In dem geerdeten Mantel 40 des Gehäuses ist eine Platte 50 aus Röntgenschutzglas angeordnet, welche den Beobachter vor schädlichen Strahlungen schützt.
Der Elektronenstrahl 25 tritt durch die Öffnung des Ablenksystemes 27 aus dem Gehäuse 40 aus und in den Bearbeitungsraum 24 ein. Dieser Bearbei tungsraum ist ebenfalls mit einem leitenden Mantel versehen und geerdet. Weiterhin sind der Bearbei tungsraum 24 und gegebenenfalls Teile des Gehäuses 40 mit Bleiplatten verkleidet, um den Austritt schäd licher Röntgenstrahlung zu vermeiden.
Im Raum 24 ist das zu schneidende Werkstück 26 auf einem Tisch angeordnet, welcher die Bewe gung des Werkstückes relativ zum Elektronenstrahl erlaubt. Das Werkstück 26 ist mittels eines Spannti sches 28 gehaltert, welcher seinerseits auf einem Tisch 30 angeordnet ist. Zur Bewegung des Tisches 30 in der Papierebene dient ein Elektromotor 31, welcher über ein Programmiergerät 32 gesteuert ist. Das Programmiergerät 32 dient weiterhin zur Steue rung eines hier nicht dargestellten Elektromotors, welcher die Bewegung des Tisches 30 senkrecht zur Papierebene bewirkt.
Die Vorrichtung zum Aufspannen des Werkstük- kes ist so ausgebildet, dass das Werkstück gegebe nenfalls auch gedreht werden kann.
Das Programmiergerät 32 enthält beispielsweise Schablonen, welche über Potentiometer zur Steue rung der zur Werktischbewegung 30 dienenden Elek tromotoren dient.
Wird der Elektronenstrahl 25 eingeschaltet, so durchdringt er das Werkstück 26 unter Bilden einer schmalen noch erhitzten Zone vollständig. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, wird dabei das entlang der ge samten Werkstücktiefe verflüssigte Material in Strahlrichtung aus dieser Zone hinausgeschleudert, wobei das hinausgeschleuderte flüssige Material kugelförmige Tröpfchen 33 bildet. Es entsteht auf diese Weise ein Schnitt 34, welcher die beiden Werk stückhälften 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 Un terseite des Werkstückes 26 beobachten. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei spiel ist der Spanntisch 29 so ausgebildet, dass zwi schen dem Werkstück 26 und dem Tisch 30 so viel Raum bleibt, dass das aus der Werkstückunterseite herausgeschleuderte flüssige Material sich vollständig verfestigt, ehe es auf den Tisch 30 auftrifft. Auf diese Weise können bei der Durchführung des Schnittes zugleich kleine Kugeln aus dem Material des Werk stückes 26 herausgestellt werden.
Zur Herstellung kleinerer Schnitte oder zur Her stellung von Schnittlinien in Form geschlossener Kurvenstücke bis einige Zentimeter maximale Weite kann der Tisch 30 stehenbleiben, während der Elek tronenstrahl 25 mittels der beiden Ablenksysteme 23 und 27 über das Werkstück 26 geführt wird.
Zur Herstellung einer Schnittlinie mit periodi schem Verlauf wird der Elektronenstrahl 25 mittels eines der beiden Ablenksysteme 23 oder 27 bei spielsweise periodisch senkrecht zur Papierebene be wegt, während der Tisch 30 mittels des Elektromo tors 31 langsam in der Papierebene bewegt wird.
Fig.4 zeigt einen Zylinder 35 aus Federstahl, welcher mittels des Elektronenstrahles 25 entlang der Linie 36 geschnitten wurde. Es entsteht auf diese Weise eine Schraubenfeder, welche den Vorzug auf weist, dass sie an ihren beiden Enden noch geschlos sene Kreise enthält. Auf diese Weise können also Federn hergestellt werden, welche ohne vorherge hende Berechnung einen genau vorgeschriebenen Durchmesser 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 beson ders vorteilhafter Weise zur Herstellung von Stanz- schnitten und Schneidwerkzeugen aus Stahl oder Hartmetall und zur Herstellung von Strangpress-Ma- trizen. Ferner können mittels des neuen Verfahrens in einfacher und wirtschaftlicher Weise krummlinig berandete Teile für den Karosserie- oder Flugzeug bau sowie kleine ausgeschnittene Teile hergestellt werden. Das neue Verfahren dient weiterhin zur Her stellung von Formteilen oder bearbeiteten Teilen aus Glas, Ferrit, Keramik, aus carbidierten Schleifmate rialien oder aus Sinteroxyden usw.
Wie schon er wähnt, 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 Zusammen hang mit den Zeichnungen mit der Verwendung von Elektronenstrahlen beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, anstelle von Elektronenstrahlen andere Ladungsträgerstrahlen, wie z. B. Ionenstrahlen zu verwenden.