CN102939182A - 用于断离工件的方法和激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于断离工件的方法以及根据这种方法制造的工件和激光装置。根据本发明，对例如激光器类型、脉冲速率、脉冲持续时间、工件材料和/或激光功率进行选择，以使切口部分(6)的距离显著大于由激光束(12)和/或工件(1)的进给速度(V)以及激光器的脉冲速率计算得出的切口距离(K)。所述的进给调制还能够形成倾斜的激光切口，用于例如滚珠或滚柱导轨中的滚动面。根据本发明，在激光加工期间还可根据工件形状和/或周期性来调制进给速度。

Description

用于断离工件的方法和激光装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前述部分的用于断离工件的方法以及根据这种方法制造的工件和激光装置。

背景技术

申请人的专利文件EP0808228B2中对此类断离方法进行了描述，根据此方法，利用激光能在待断离的连杆顶端中形成预先设定断裂面的切口。该切口由多个切口部分组成，这些切口部分的距离基本上由激光器的脉冲速率以及激光束相对于连杆顶端的进给速度确定。结果表明，与连续缺口相比，通过这种切口部分可以显著提高应力集中系数，从而可由相对较低的激光功率形成切口。通过这种低激光功率以及与之相伴的低输入热能可避免在切口区域中发生强烈的不良结构性变化，其中只有切口的某些特定边缘区域受到结构变化，从而改进断离情况。

申请人的专利文件DE2005031335A1中对改进方法进行了描述，根据此方法，形成非直线形而是具有笔直延伸端部的正弦形切口。结果令人吃惊的是，通过这种切口设计可再次改进断离情况。

正如所述，上述方法的某些缺点在于进给速度和脉冲速率必须相互配合，以便形成可改善切口情况的切口部分。此外，结果表明，特别是形成正弦形切口或轴向长度较大的连杆顶端，由于聚焦深度不足以实现具有所需精度的切口部分(射孔)，因此必须重新聚焦激光束。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法，该方法利用些许损耗就可生产断离切口的切口部分。本发明的目的进一步在于提供一种根据这种方法制造的工件以及用来实施该方法的激光装置。

通过权利要求1的特征组合的方法、具有独立权利要求12的特征的工件以及具有权利要求14的特征的激光装置来实现该目的。

类似于传统的方法，根据本发明的方法，借助激光能形成激光切口，其中所述切口具有多个切口部分。根据本发明，激光器类型、脉冲速率、工件材料和平均激光功率互相协调，从而使切口部分的距离显著大于由激光器的进给速度、相对运动和脉冲速率(频率)算得的切口距离。

激光束的射入优选为倾斜于切口纵轴。

意外地发现，通过适当选择上述标准，即使在脉冲速率非常高并快速进给的情况下，也可生产出具有射孔的切口，切口距离显著大于计算出的切口距离。该方法的优点在于，可利用进给速度非常快的高频激光器，从而可以比传统的解决方案更加迅速并利用较低的热输入来形成激光切口。

在该方法的一个特别优选的变化方案中，在激光加工期间改变进给速度，从而形成具有不同深度切口部分的切口。所谓切口部分的“深度”在此理解为在激光束方向的穿透深度。此外，可通过改变进给速度来改变在下文中简称为切口基底的连续区域的深度。这样的切口具有进一步改进的应力集中系数以及由此改进的断裂机械性。

根据本发明，优选地，进给速度根据周期函数(如正弦函数)或基于组件结构而发生变化。

激光加工期间的进给速度可在100毫米/分钟至1500毫米/分钟的范围内变化。

在本专利的权利要求1中提出，对加工参数和激光器类型进行选择，从而将切口距离调整为大于计算出的切口距离。申请人保留进一步追加独立权利要求，例如分案申请时，要求保护在激光加工期间进给速度的变化不取决于加工参数和激光器类型的选择。也就是说，这样的独立权利要求会涉及在不同的进给速度下的断离切口的激光加工(权利要求3的特征，不引用权利要求1)。

在这种情况下，激光束可相对于静置的工件移动，以相对运动来说，也可以是工件相对于静置的激光器移动，还优选为混合形式。激光束可径向射入(即垂直于断离切口)或倾斜于断离切口射入。

在径向射入的情况下，切口部分垂直于切口轴，而在倾斜射入的情况下，切口部分倾斜于切口轴。优选地，射入角度≤45°(相对于与切口纵轴相垂直的平面(在连杆的情况下则是连杆顶端的径向平面))。对于水平放置的连杆以及垂直延伸的进给方向(切口轴)，举例来说，该角度将与水平线成30°，与垂直线成60°(参见图11)。

在本发明的变化方案中，由于选择参数而调整的实际切口距离是由脉冲速率和进给速度算得的切口距离的10倍以上。

在适当选择的情况下，甚至可以获得50倍大的切口距离。

根据本发明，优选利用所谓的纤维激光器作为激光器。在现有技术中已知这种纤维激光器，因此可省略其结构的详细说明。

在本发明的变化方案中，使用平均功率小于50瓦特、脉冲速率远远大于1千赫(优选为大于10千赫)的激光器，其中进给可达到1000毫米/分钟以上。另一方面，传统方法中脉冲速率大致在相同的幅度内，其脉冲频率明显较长，如50至140赫兹。

在本发明优选的实施方案中，切口部分由连续的切口基底延伸而出。

根据所述方法制造的工件例如可以是如连杆或曲轴箱或任何其他工件，借助断离方法应该可使轴承顶端或其他任何区域断开。

根据所述方法制造的工件可以通过改变激光器的进给速度而具有不同深度的切口部分。此外，特别优选地，这种变化沿切口部分进行周期性地重复。

用来实施所述方法的激光装置具有激光模块、用于将通过激光模块发出的激光束聚焦于待加工工件上的激光头以及在进给方向上作用的进给轴。后者可以通过控制单元来进行控制，从而激光加工期间的进给发生周期性地变化。

对此，优选高度动态的进给轴，通过该进给轴，进给速度可以0.5克以上的加速度变化，优选在1至2克的范围内。也就是说，进给速度的分布可呈高精确度的正弦曲线形，极限情况下甚至呈矩形。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选实施方案进行进一步说明。

图1表示用于在大连杆顶端中制造断离切口的激光装置的原理示意图；

图2表示根据本发明所述方法制造的断离切口的特别放大视图；

图3表示具有变化的激光功率和/或脉冲速率的相应视图；

图4表示与进给相关的断离切口的视图；

图5表示与平均功率相关的断离切口的视图；

图6表示用于强调说明切口深度取决于激光束进给的图表；

图7表示用于强调说明进给速度调制作为时间函数的图表；

图8表示用于强调说明利用进给速度调制根据平均进给速度调节切口深度的图表和示图；

图9表示类似条件下具有及不具有进给速度调制的断离切口的示图；

图10表示利用具有进给速度调制的激光方法的激光装置的示意图；

图11表示根据图10所示的激光装置的激光头的原理示意图。

具体实施方式

图1表示大连杆顶端1的剖视图，应该通过断裂分离将其分为轴承壳套和连杆的杆侧上的一部分。断裂面2的走向通过两个正好相反的断离切口4来确定(图1中仅示出一个断离切口4)，优选地，以射孔的形式构成所述断离切口4，该射孔具有多个切口部分6。正如本文开头的背景技术所描述，在形成图1中连杆顶端1的左壁和右壁中的断离切口4后，连杆顶端中插入可涨式心轴，然后通过适当地扩张可涨式心轴并支撑连杆顶端，将轴承壳套从连杆的杆侧部分分开，其中由于结构条件所形成的断离面的几何形状易于准确地组装这两部分。

根据本发明，利用纤维激光器来构建断离切口4，其激光头8如图1所示。理论上，这种类型的纤维激光器可以是二极管泵浦固态激光器，其中玻璃纤维芯构成活性介质。此外，固态激光器的射线通过入射导入纤维，然后在其中发生实际的激光增益。可通过纤维(玻璃纤维)的几何形状调整激光器的束流特性和束流质量，从而激光器在最大程度上不受外部影响并且其结构非常简单。

离开上述活性纤维后，激光束被导入玻璃纤维，然后通过该玻璃纤维将射线导向图1中所示的激光头8并通过该激光头8的聚焦光学器件10将射线聚焦于待加工工件1上。在所示的实施方案中，激光束12在径向方向射击，即垂直于切口轴(图1中的垂直线)。这种布置的缺陷在于，由于90°射入，反射光束以及可能的残余熔体沿着光束路径直接返回，因此聚焦光学器件10可能会受到熔融材料的污染。在倾斜射入时，如30°或45°倾斜，任何可能出现的反射光束和残余熔体都在反射角度下脱离(参见图1的12”)，从而实现无污染。参照图10和11对以倾斜射入的激光装置进行描述。

90°入射的另一缺陷在于不能导引滞束流或锐束流。在倾斜的情况下，切口形状还会额外受到滞束流(图11中向上)或锐束流(图11中向下)导向的影响。切口形状还会额外受到作用于通过喷嘴的熔体上的气流的影响。关于上述两方面亦可设从属权利要求。

这种纤维激光器的特征在于以非常紧凑的结构展现出良好的光电效率以及卓越的深度聚焦的束流质量，从而可以比传统的激光器更加节省空间，更具成本效益。由于纤维激光器的高峰值功率和良好的聚焦能力，功率密度相对较高，因此材料的汽化部分占主要部分。由于一部分能量转化为热量，因此仍存在熔体以及对环境的热影响。此外，余热可以累积，从而获得显著的熔融现象，这会致使计算出的切口距离明显小于实际调整的切口距离并且该切口距离在其他参数变化时也相对稳定。

对图1中位于左侧的连杆壁进行加工之后，激光头进行180°旋转并加工连杆右壁。理论上，还可以使用十字头，通过十字头同时对两个壁部进行加工。

在所述实施方案中，将工件(即连杆)固定夹紧，激光头8以进给速度V在轴向方向或轴平行方向移动，激光功率约是50瓦特，如图所示的实施方案中，激光器的脉冲频率约是20千赫。光斑直径约是30微米，进给V约达1500毫米/分钟。通过这些参数将计算出切口距离约是0.00125毫米。实际上，(在激光束以45°倾斜射入的情况下)切口距离K约是0.1毫米。

图2表示根据本发明所述的包括上述参数的方法具体加工的连杆顶端的特别放大视图，在该实施方案中，激光束倾斜(45°)射入。平均激光功率约达50瓦特，脉冲功率约是8千瓦。由此，射孔距离K(切口距离)约达0.1毫米，形成连续的切口基底(G)，各个形成射孔的切口部分6自所述切口基底延伸出来。在根据图2的实施方案中，切口基底G的深度约达0.51毫米，而切口部分6的深度P(从径向方向来看)约达0.78毫米(自连杆顶端1的周壁14测得)。

图3表示出类似的实施方案，激光功率降低(40瓦特)，激光束12更加倾斜地射入(30°)，可以看出，切口距离K并未发生实质性的变化，在射入更倾斜、激光功率降低(40瓦特)的情况下，切口基底的深度G和切口部分的深度P略大。在略微更倾斜地射入的情况下，可以由此利用比上述实施方案中更低的功率形成优化断离情况的切口。

图4表示断离切口与设定的进给速度V的相关性(参见图1)，激光束以该进给速度在切口纵向移动。

可以清楚地看出，在不同的进给速度下(500毫米/分钟、1000毫米/分钟、1500毫米/分钟)，切口距离几乎保持不变。还可以清楚地看出，在进给速度较低的情况下，一方面切口基底的深度G较大，并且切口部分的轴向长度(P-G)与进给成反比，其中500毫米/分钟和1000毫米/分钟之间的差别相对较小。

图5表示断离切口与激光功率的相关性。在图5上侧示图中，平均激光功率设为50瓦特。如下图所示的断离切口是平均激光功率为100瓦特的结果，其中其他参数不变。可以清楚地看出，在激光功率更低的情况下，形成略微更精细的具有较长的切口部分的切口结构，然而，如上所述，切口距离大致保持不变。此外，正如预期的一样，随着激光功率的降低，形成与较高激光功率的情况下相比深度G略小的连续切口。鉴于断裂机械性，平均进给速度在500至1500毫米/分钟范围内，应优选使用具有相对较低激光功率(50瓦特或以下)的激光器。

此外，束流质量可通过所谓的光量开关(Q-Switch)得到改善。这种光量开关是一种光学部件，在脉冲激光器的情况下，利用该部件使脉冲延迟，脉冲持续时间减少，脉冲幅度(功率峰值)增加，从而获得非常尖的激光脉冲，该尖脉冲迅速上升并在达到最大尖峰时又迅速下降。没有这种光量开关，脉冲就会明显更宽更平。

图6表示调节的切口深度与进给的相关性，进给在100至3000毫米/分钟之间变化。在这种情况下，数值S2对应于前述数值G(切口基底的深度)，数值S1对应于切口的总深度P(参见图2和图3)，从而切口部分的长度对应于差值(G-P)。上面的曲线表示切口的总深度S1的走势，而下面的曲线反映出切口基底的深度S2的走势。可以清楚地看出，在进给速度相对较低(约800毫米/分钟的范围内)的情况下，切口深度(S1，S2)相对更依赖于进给速度。在进给速度较高(约800至3000毫米/分钟)的情况下，这种相关性就不太显著。进行这些试验的脉冲频率是50千赫，平均脉冲功率是50瓦特。由此，根据上述附图所述的切口形状与进给速度的相关性通过图6中所示的试验证实。

正如以下更详细的描述，在进给速度非常低(小于200毫米/分钟)的情况下，可以发现由于切口基底区域中的过热而导致切口质量不佳。产生的烧焦区域使激光加工的工件实际上不可使用。这些烧焦的区域如图9中的上图所示，将在下面对其进行更详细的论述。

因此在激光加工中应注意调节进给速度，从而避免这种在断离切口形成过程中的质量损失。

结果显示，在激光加工期间通过改变进给速度可避免这种现象，然后制得断离切口，一方面其切口深度足够深，另一方面以高进给速度并在较短的时间内成形，可以预期不会出现质量损失而导致断裂机械性劣化。

图7表示进给速度调制的实施例，其中根据正弦函数来进行进给速度调制。显然，还可根据其他函数进行进给速度调制，优选为周期函数。结果显示出在一定进给范围内进给速度的走势，该范围并未作为时间的函数而对应于形成的断离切口的总长度。实际上，图中在此示出67.5至69.5毫米的进给范围，也就是仅表示出整个断离切口的其中2毫米，但断离切口在图中未表示范围内的速度调制依此进行。如图所示，从左上方到右下方略呈波浪形的曲线(上方虚线/下方实线)表示出实际的断离切口方向上进给作为时间t的函数。在此略呈波浪形的进给期间，进给速度根据所绘制的正弦函数进行变化，其中虚线所示激光路径的正弦函数具有较大的振幅，而实线所示激光路径的正弦函数具有较小的振幅。可以看出，进给速度相对高频率地发生变化，从而激光头8必须在短时间内进行大幅度加速或减速，以便沿着待成形的断离切口调整运动轨迹。

根据图7的图表中，分别调整后进给速度的实际值如右侧所示。相应地，在进给速度调制的上部，速度在117至1157毫米/分钟范围内变化。以这样的速度调制形成断离切口时，断离切口的几何形状如图8和图9中的示例所示。图8表示按平均进给V_m(即上述速度调制的平均值)的函数来调节所产生的切口深度。从图8中可以看出，举例来说，以800毫米/分钟的平均进给速度(实际上进给速度根据如图7所示的正弦函数进行变化)所形成断离切口的轨迹如图8所示。可以明显看出，由具有与正弦周期相对应数值S2(G)的切口基底形成不同的切口部分。用S3标出的部分是在进给速度相对较低的区域内形成。用S1标出的切口部分是在激光器移动速度相对较高的区域内形成。

基于平均进给的特征参数S1(P)、S2(G)和S3(P)的轨迹如根据图8的图表所示。上面的曲线反映低进给速度下总切口深度(S3)的轨迹，曲线S1反映在相对较高进给速度(始终在速度调制期间)下切口深度的轨迹，曲线S2反映切口基底深度的轨迹。结果表明，在平均进给速度升高时，切口深度减小。然而，可以清楚地看出，在相应的速度调制的基础上，可以形成具有不同切口深度的切口部分。结果表明，与本文开始所提到的切口相比，这种切口的断裂机械性显著提高。换言之，通过进给速度调制，可以形成相对较深且较尖的初始切口，这种切口与并未进行进给速度调制的具有连续射孔的断离切口相比，明显改善了引发断裂韧性和抑断裂韧性。

由此，可以断裂复杂部件，其中也可以基于部件形状进行进给速度的调制。也就是说，在非常复杂的部件中，例如对于断离切口区域内的断裂，可以根据部件的形状调节进给速度，从而在并不复杂的区域内，进给速度相对较高或者进给速度调制的幅度相对较大，而在更关键的区域内，进给速度调制相应减缓，从而调整为较低的平均进给速度或恒定的进给速度。

根据图9说明了上述进给速度调制的优点。在上面的图中表示的断离切口将以相对较低的200毫米/分钟的恒定进给速度进行调节。结果显而易见，可在较低的进给速度下由于高热量输入而产生相对较深的切口深度以及焚化/焦化。这种断离切口毫无实际用途。

另一方面，在下面的图像中表示出根据本发明所述方法由进给速度调制所制造的切口，在117至1157毫米/分钟范围内对进给速度进行调制。结果表明，通过这种调制可以有效避免切口基底区域内的焚化。还可以看出，通过相应的速度调制形成具有较大或较小深度的切口部分，其中该深度也依赖于激光机的倾斜角度。在如图9所示的实施方案中，倾斜角度(即射入角)与水平面约成30°。

按照图10和图11对特别适用于实施前述利用进给速度调制的方法的激光装置进行描述。根据图10，激光装置具有激光模块16，该激光模块16包括如纤维激光器以及所述纤维激光器的控制器。配置激光装置16的控制器，以使激光束的进给速度可以前述的方式进行调制。

由激光模块16产生的激光束12通过光导管18导入仅在图10中示出的二次准直仪20。激光束在所述二次准直仪中转换为平行光束，光束直径在约6毫米的范围内。然后，这些平行光束通过光导管18导入激光头8，然后激光束通过该激光头聚焦于待加工工件上，在本文中，所述待加工工件是连杆的连杆顶端1。由此，聚焦的激光束以30°角射入图10的水平面。将激光头8配置为具有Z-进给轴22，通过该Z-进给轴在切口纵轴方向进行进给。所述进给轴是高度动态的轴，利用该轴可通过高闭合回路增益和良好的急动度来实现非常高的加速度，从而要求对调制进行极其精确的控制。加速度可在例如1至2克范围内，闭合回路增益是在10转/分钟/毫米(166.71/秒)范围内，急动度可大于400米/立方秒。为了对连杆顶端1的两侧进行加工，激光头8还配有旋转轴24，激光头8通过该旋转轴24绕Z-进给轴22转动。此外，激光装置还具有X-控制轴26，通过该X-控制轴可在X方向(相对于连杆顶端径向地)移动整个激光头8。通过这种设置还可以形成正弦波形的断离切口。

图11表示激光头8中的束导的基本结构。如图所示，光导管18连接于纤维激光器(激光模块16)上。激光束在二次准直仪20中转换为直径大约为6毫米的平行光束，然后通过偏转镜28向连杆顶端的轴的方向偏转90°然后偏转的激光光束12通过例如焦距为100毫米的光学系统聚焦于连杆顶端壁上，其中，通过另一偏转镜32进行向连杆周壁的校准，如图所示的实施方案中，偏转镜32与水平面成60°角，从而激光束射击在连杆周壁上，与水平面成30°入射角，或者与射在偏转镜32上的激光束12的垂直部分成60°倾斜角(偏转度60°)。激光束通过喷嘴34射出并聚焦，以使激光焦点在喷嘴34的发射面前方约3毫米的位置。为了避免污染光学系统30以及透镜28和32，在喷嘴34与偏转镜32之间的光束路径上设有保护镜34。如图11所示，还可以看出旋转轴24，其中可通过旋转轴承38旋转激光头8，可通过图中未示出的马达使激光头8绕Z-进给轴22转动，从而几乎可触及连杆周壁的每个区域。

利用纤维激光器并且通过适当选择进给速度调制以及(与传统的技术方案相比)相对较高的脉冲速率，可由此形成射孔，该射孔具有最佳应力集中系数，但与使用传统系统的情况相比，所用的能源输入大幅降低并且进给速度相当快。

已实施的试验说明，例如具有50瓦特功率的纤维激光器在20千赫脉冲频率的情况下，可形成断离切口4，其中切口部分6的距离是在1/10毫米范围内，优选在0.1至0.3毫米范围内。结果表明，即使使用功率仅为30瓦特的激光器也可以形成高效穿射的断离切口4。

本发明公开一种断离工件的方法以及根据该方法制造的工件。根据本发明，例如对激光器类型、脉冲速率、脉冲持续时间、工件材料和/或激光功率进行选择，从而切口部分的距离显著大于由激光束和/或工件的进给速度以及激光器的脉冲速率计算出的切口距离。所述的进给调制还能够形成倾斜的激光切口，用于例如滚珠或滚柱导轨中的滚道。

根据本发明，进一步公开了在激光加工期间根据工件形状和/或周期性来调制进给速度。

附图标记列表：

Claims (15)

1.一种用于借助激光能断离工件(1)的方法，其中通过激光束(12)和工件(1)之间的相对移动，形成预先确定断离面的断离切口(4)，其中以具有切口部分(6)的射孔的形式构成所述断离切口(4)，其特征在于，选择加工参数，如激光器类型、脉冲速率、脉冲持续时间、工件材料和激光功率，以使切口部分(6)的距离显著大于由激光束(12)和/或工件(1)的进给速度(V)以及激光器的脉冲速率计算得出的切口距离(K)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束(12)倾斜于切口纵轴射入。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，进给速度(V)在加工期间变化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进给速度(V)根据周期函数变化，如正弦函数。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，进给速度在100毫米/分钟至1500毫米/分钟之间变化。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，实际的切口距离(K)分别十倍大于计算出的切口距离。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，切口距离(K)超过五十倍大于计算出的切口距离。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，利用纤维激光器作为激光器。

9.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，在大于1千赫、优选为大于10千赫的脉冲速率下，激光器的平均功率达50瓦特或更小。

10.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，入射角大约是30°。

11.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，断离切口(4)具有连续的断离基底，所述切口部分(6)由该断离基底延伸而出。

12.一种根据权利要求1至11所述的方法制造的工件，特别是连杆或曲轴箱。

13.根据权利要求12所述的工件，其特征在于，所述工件具有大致周期性重复循环的一个或多个小深度切口部分(6)和一个或多个大深度切口部分(6)或者具有取决于工件形状而不同的切口深度(P)。

14.用于实施根据权利要求1至11所述方法的激光装置，该激光装置具有激光器和用于将激光束(12)聚焦于待加工工件上的激光头(8)、至少一个在进给方向上作用的进给轴(22)以及用于改变激光加工期间进给速度的控制单元(16)。

15.根据权利要求14所述的激光装置，其特征在于，对进给轴(22)进行配置，以使进给速度变化的加速度大于0.5克，优选为至多2克。

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