CN1774314B - 在工件内制造空腔的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
在工件内制造锻模的过程中,其中的材料通过激光束按层被去除,所述锻模的侧壁通过激光束和/或一加工剂和/或超声处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种在工件内制造空腔的方法和装置。
背景技术
本发明涉及一种在工件内制造锻模的方法和装置。这种方法和装置公开在同一申请人的WO 00/19167和WO 00/18535中。
所提及的该方法和装置尤其涉及原型制造和模具制造,其中需要制造的模具以及尤其是锻模是相当小而不得不高精度地制造。
在采用激光束制造锻模的方法的实例中,一激光束按照数字存储的形状数据被引导在易接近的工作区域沿工件的易接近工作表面运动。这可能,比如说,在弯曲或影线方式上实现。激光功率和其它参数被设置以使冲击激光束将处于入射位置的材料部分蒸发,以便其从表面被去除。采用这种方法,激光能在适当的控制下,从表面去除材料层以便逐渐制造出锻模。激光的导向和加工过程中其它参数的调整或控制通过参照数字存储的数据来完成。
图1A为上述过程的示意图。11标识出一工件的横截面图。12示意地标识从激光头13中发射的激光束。17示意地标识出在当前的锻模底面上激光束的入射位置。18示意地标识已经去除的单独的层。19标识出锻模在虚线处的要求的最终形状。20标识锻模的当前底面,也就是锻模的目前暴露底面。15标识锻模的侧壁。图1A所示的侧壁15和锻模底面20能够根据它们的角关联得到很好的识别。情况也并不总是这样。在本申请的框架内,术语侧壁通常确定为在锻模内部的一可接近的表面,它在Z坐标上的位置比锻模底面20更接近激光头13。14标识工作台。进一步地,图1A显示出所使用的坐标的定义。绘图面为X-Z表面。Y坐标与其垂直(且指示为对角的方向)。激光束的工作窗口10因此位于X-Y平面。
图1B所示为通过激光束将材料去除的过程中,侧壁出现的状况。聚焦成圆锥形的激光束12在锻模底面20上沿箭头21的方向引导。蒸发的、熔化的和溅射的材料,尤其是金属,用“喷流”23象征性的表示。特别是溅射材料部分重新沉积在锻模上。这些再沉积的材料由附图标记16(沉积在侧壁15)和22(沉积在锻模底面20)标识。在锻模底面20上的沉积物22通常是无害的,由于它们能够在激光下一次通过时重新加工,而且如果执行深度控制,它们会在一控制方式中被特别的除去。这对于侧壁15上的沉积物并不适用。由于侧壁不会通过激光束重新加工,沉积物16保留在侧壁上。另外,它们趋向于增长:所述材料从下面(从锻模底面20)溅射上一首先偶然地形成的沉积物上,并在那里沉积起来。沉积物于是在朝锻模底面20的方向增长。它同样也在朝锻模内部的方向、以及锻模周围方向增长。随后沉积物类似一堆积锥形。这样的沉积物可能显著地恶化生产的锻模质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在工件内制造锻模的方法和装置,它能够制造侧壁无沉积物的的锻模。
所述的目的通过独立权利要求的特征来解决。从属权利要求涉及本发明的较佳实施例。
本发明所述锻模的侧壁也是通过激光束来处理。在该过程之前,可先对所述侧壁进行测量,然后根据测量结果对所述侧壁进行处理。另一方面,对侧壁的处理可以“通用地”完成而不进行之前的测量。
根据一实施例“侧壁”可以被理解并定义成除了当前锻模底面外的所述锻模界限。术语锻模底面定义为作为进一步在锻模深度方向上去除材料的基 础表面。
作为对使用激光束的替代或附加方式,侧壁也可以采用其它加工剂处理,举例来说,蚀刻试剂或粒子流,或通过使用干冰和/或超声。
侧壁的处理可以在锻模的深度上全部或部分完成,以及在锻模的整个或部分周围完成。
侧壁的处理可以通过减小激光功率和/或在冲击部位散焦来完成。
侧壁的处理可以特别地用来除去在锻模形成过程中再沉积在现有的侧壁上的材料,然而它也可以适合其它目的。按照本发明处理的侧壁可以有高一些或低一些程度的倾斜。可以采用非常平的斜面平滑地过渡到当前锻模底面。当论述对侧壁的处理时,可以包括对锻模底面的处理,然而它也可以意味着只是对侧壁的处理。
附图说明
本发明特别的实施例将参照如下附图进行描述,其中:
图1A和图1B所示为现有技术的状态;
图2所示为本发明的方法;
图3所示为本发明的控制装置;以及
图4为在处理侧壁过程中提供加工剂的装置的示意图。
具体实施方式
图2为与图1A中的工件相近似的工件示意图。图中与图1中相同的部件采用相同的附图标记。根据该图,激光束12冲击到侧壁15上。一沉积物16假定在激光束12之下且将通过激光束12去除,以便侧壁回到其原始形状。
当通过激光束或其它加工剂,例如粒子流、蚀刻试剂、干冰或超声处理时,发现沉积物16可具有与工件11的原始材料不同的特性。特别地,再沉积材料16比工件11的原始材料对激光束12或一处理方法的“抵抗力”小。
这一事实可以被利用来完成对侧壁的处理上,以防止“完整材料”(也就是说,工件11原本在侧壁15上的材料)进一步通过激光束12被去除。这可以通过不同方法实现,比如通过导引激光束以更高速度穿过表面,以便单位面积上辐射到更少的能量,或通过减小激光功率或通过使激光束以不对准焦点的方式冲击到侧壁上。优选后面的方法。然而,也可以选择上述方法的结合。如果工作通过激光束以不对准焦点的方式,通过激光处理的预定位置在焦点之内(冲击点在激光头13和激光束的焦点之间)或焦点之外。
通过一控制器控制用于按照锻模数据完成对侧壁的处理的激光12或激光头13。控制器可以使用锻模数据以使侧壁特定的坐标可以根据X、Y和Z坐标逐点确定。
侧壁的处理可以在加工锻模的过程中进行一次或多次。比如,侧壁处理周期可以在锻模底面20每去除10层之后(通常在n层之后,n≥1)进行。只在制造锻模的末期一次完成侧壁的处理,这也是可行的。
侧壁的处理可以在锻模整个深度(也就是说从锻模底面20向上到锻模的上沿)或只是一部分上进行。在周围方向上对侧壁的处理也可以在整个表面或只是一部分上进行。侧壁的哪些部分要进行处理的问题可以取决于比如各个侧壁倾向于吸引沉积物的大小。相对于非常平直的侧壁,沉积物更倾向于在陡的侧壁上形成。因此,壁面的倾斜程度作为一个侧壁处理问题的一个标准。
侧壁的处理可以这样进行,以至于所述侧壁完全重新加工,也就是说,表面覆盖。然而,所述锻模也可以被测量,且对所述侧壁的处理可以只在测量的过程中发现的侧壁上的沉积物处进行。所述测量可以通过使用激光处理头13的深度传感单元或外部的测量设备来执行。特别地,可在第一处理周期中将侧壁完全重新加工(在希望的范围内)并且评价装置或所述深度传感器单元获得的数据。当发现大块的沉积物存在于侧壁上且在第一次侧壁处理之后仍然存在,可能的第二次重新加工可以立即紧接着进行。深度传感器单元可以设计成便于分析加工光线并从结果中得出涉及工作深度的结论。
在侧壁处理过程中,激光头13相对于工件11的相对位置,可以与在按层去除材料的过程中有不同的设置。特别地,这种设置能够执行以便冲击到侧壁上的激光束更加“垂直”。参见图2,这可以通过激光头13移动到右侧或工件11与工作台14一起向左侧移动来实现。
如图3所示为制造锻模的装置的示意图。其中发射激光束12的激光头13受一控制装置30的驱动。激光头13设有一激光器36,一调焦装置(“Z-移动机构”)37和一偏转单元38,通过它激光能够被引导在锻模表面沿X和Y方向。这些元件通过控制装置30驱动。控制装置30包括一存储器35,在其中可以存储锻模数据,特别地,以向量或相对位置或其结合的方式。通过参照存储在存储器35中的数据,偏转单元38的控制信号由一X-Y控制器31决定,调焦装置37的控制信号由调焦控制装置32决定,且激光器36的控制信号由功率控制器34决定。当要控制对侧壁的处理时,激光束12通过偏转控制装置31使用偏转单元38沿锻模的侧壁被引导。同时,通过合适地调整特别是在Z方向上的焦点的位置而散焦,能够通过调焦装置37使用调焦控制装置32来实现,或激光器36的输出可以通过功率控制器34被调整。
通过使用粒子流和/或蚀刻试剂和/或干冰和/或超声处理剂侧壁处理将在以下描述。它可以应用为采用激光束处理侧壁的替代或附加方法。关于这一点,图4所示为一装置的示意图,特别是附图标记40-46。
所述加工剂可以是粒子流,比如具有适当(中间的)颗粒尺寸的砂粒流,或一蚀刻试剂,举例来说H3PO4,和/或干冰。它可以存储在容器42中,并通过一进料装置,如一泵的方式穿过导管40到达锻模的位置。导管40和特别是它的前端口40a可以插入生产的(部分的)锻模内部。
如果使用干冰(特别是凝聚的固态CO2),一喷射流,尤其是包含有干冰粒子的气态或空气喷射流,沿要重新加工的表面或侧壁被引导。干冰粒子可以具备1-4mm的平均直径。在冲击到要进行加工的表面的过程中或在干冰蒸发之前的短期内,能量释放导致沉积物被去除。
如果采用超声处理或清理侧壁,工件能够浸入到液体浴槽中。可以采用超声独立完成或附加到其它方法上完成。
在处理侧壁的过程中,导管40以及尤其是它的前端口40a相对于工件11的相对位置(X/Y/Z)和/或角度位置可以调整和/或沿锻模表面自动引导,特别是侧壁或侧壁的一部分。为了这一目的,可以设置一调整装置49,在加工过程中,它以自动控制的方式设置或沿相关的位置移动。由于所述的加工方法通常比激光束12在更宽的分布空间上起作用,导管40的调整可以比对激光束的调整更粗糙。在侧壁处理之前,所述位置和/或角度位置的单一调整或围绕所述锻模周围上的单一的移动,也就是围绕现有侧壁的调整,可能是足够的。
在侧壁处理过程中,至少是机器,优选的还有工件11的部分,可以被隔离,与多余的加工剂分开。为了这一目的,比如,可以设置一隔离装置43,通过它所述加工剂至少可以远离设备。它可以是铃形或碗形,且当处理侧壁的过程中,它可以放置在工件表面。调整装置49可以设置在隔离装置43内部。
在侧壁的加工过程中,多余的加工剂可以被去除,特别是通过抽吸去除。为了这一目的,抽吸装置包括,比如,可以设置管道44,泵45和接收容器46。
为了处理侧壁,工件11,优选的是与工作台14一起,可以,特别是重复地和自动地移出激光束12的工作区域和进入加工剂的导管40附近,如箭头47指示的方向移动。但是,为了侧壁处理,加工剂的导管40也可以移动进入激光束12的工作区域且朝工件11移动,如箭头48指示的方向。
在锻模的加工过程中,优选对侧壁进行几次处理,比如,每次在特定数量的层或特定体积去除之后或在特定尺寸的壁面暴露出来之后。在锻模制造和侧壁处理之间的完全切换,包括工件和/或导管40、盖体43和抽吸装置44 -46的合适布置优选自动完成。
用于生产本发明锻模的装置是特别用来执行根据本发明制造锻模的方法。
Claims (21)
1.一种在工件内制造锻模的方法,其中所述锻模的材料通过激光束去除,其特征在于,所述锻模的侧壁通过一激光束和/或一加工剂被处理,在按层去除所述材料的过程中,先去除几层而所述侧壁未被处理,然后进行所述侧壁的处理。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述侧壁在所述锻模的全部或部分深度和/或锻模的全部或部分周围被处理。
3.根据前述权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述的侧壁处理通过所述激光束减小功率和/或在处理位置散焦和/或通过一更高的光束引导速度和/或通过每表面单位减小能量输入来完成。
4.根据前述权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的侧壁处理按照锻模数据自动完成。
5.根据前述权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的侧壁处理通过所述工件和所述激光束的激光源的相对位置与所述材料的按层去除过程中的所述工件和所述激光源的相对位置不同来完成。
6.根据前述权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的侧壁在所述处理之前被测量,且所述处理是按照测量结果完成的。
7.根据前述权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在工件内制造锻模是通过激光束按层去除所述材料来完成的。
8.根据前述权利要求1所述的方法,其特征在于,所述加工剂为粒子流和/或蚀刻试剂和/或加工剂含有干冰。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述的加工剂通过一导管提供到所述锻模的附近。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述导管相对于所述工件的位置和/或角度位置,在所述侧壁处理过程中是可调整和/或可引导。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述导管相对于所述工件的相对位置和/或角度位置是可以调整和/或沿锻模表面自动引导的。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,在所述侧壁处理过程中,至少使该工件与多余的加工剂隔开。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,在所述侧壁处理过程中,所述多余的加工剂被通过抽吸去除。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,所述工件从所述激光束的工作区域自动移走并移动到用于所述侧壁处理的加工剂的导管附近。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,所述加工剂的导管移入用于所述侧壁处理的激光束的工作区域。
16.根据权利要求1所述的在工件内制造锻模的方法,其特征在于,所述的锻模侧壁通过超声处理。
17.一种制造锻模的装置,用于实现根据前述权利要求的任一项方法的装置,包括一激光处理装置(13)和用于所述激光处理装置的一控制装置(30),其特征在于,所述的控制装置适于驱动所述的激光处理装置先去除几层材料以形成所述锻模,而所述侧壁未被处理,此后,所述的控制装置还适于驱动所述激光处理装置以处理所述锻模的侧壁。
18.根据权利要求17所述的装置,其特征在于,一调焦装置(32、37)在所述侧壁处理过程中使所述激光束在工作区域散焦。
19.根据权利要求17或18所述的装置,其特征在于,一功率控制装置(34,36)在所述侧壁处理过程中减小激光功率。
20.根据权利要求17所述的装置,其特征在于,一隔离装置(43)至少将所述制造锻模的装置与所述加工剂隔开。
21.根据权利要求17所述的装置,其特征在于,一抽吸装置(44-46)通过抽吸去除多余的加工剂。
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