DD287894A5 - Einrichtung zu laserinnenbearbeitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt eine Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung senkrecht stehender hohlzylindrischer Bauteile in 3 Bearbeitungsachsen dar. Deren Anwendungsgebiet bezieht sich vorwiegend auf das Haerten, Beschichten und Legieren der Innenflaechen von Zylinderlaufbuchsen, Rohren und aehnlichen Bauteilen in verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus. Die Merkmale der Einrichtung liegen in der Kombination einer Vertikal-Verstelleinheit als erste Bearbeitungsachse, mit einem rotatorisch betriebenen Strahlkopf als zweite und einer Fokus-Verstelleinheit als dritte Bearbeitungsachse. Weiterhin wird die Laseraustrittsduese automatisch nachgefuehrt. Die gesamte Einrichtung ist an einem einfachen Traggeruest befestigt. Die nuetzlichen Effekte liegen in der Senkung der Anlagenkosten durch Entfall einer CNC-gesteuerten Fuehrungsmaschine, der Einsparung technologischer Nebenzeiten und der Verbesserung der Laserspurgeometrie.{Laserinnenbearbeitung; Haerten; Beschichten; Legieren; Zylinderlaufbuchse; Vertikal-Verstelleinheit; rotierender Strahlkopf; Fokus-Verstelleinheit}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung senkrecht stehender hohlzylindrischer Bauteile. Das Anwendungsgebiet bezieht sich auf alle Bereiche des Maschinenbaus zum Härten, Beschichten, Legieren u. a. der Innenflächen von Zylinderlaufbuchsen, Rohren und ähnlich gearteten Werkstücken. Besonders vorteilhaft ist die Einsatzmöglichkeit dort, wo vom Laseranwender minimierter maschinentechnischer Aufwand gefordert ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Einrichtungen zur Laserinnenbearbeitung hohlzylindrischer Teile sind in zwei Ausführungsformen bekannt, als

- Einrichtung mit feststehendem Bearbeitungskopf, integriert in eine Mehrachsen-CNC-Maschine und Werkstück-Bewegungseinrichtung und

- Einrichtungen mit in einer Bewegungsachse, z. B. Rotation, arbeitendem Bearbeitungskopf, integriert in eine Mehrachsen-CNC-Maschine.

Als Beispiele für die genannten Ausführungsformen sind zu nennen:

- DE-OS 2743992 „Verfahren und Einrichtung zur Behandlung metallischer Lagerflächen von Bauteilen"

- DE-PS 3509378 „Programmgesteuerte Bearbeitungsmaschine, wie Brennschneidmaschine o.dgl."

Nachteilig an beiden Ausführungsformen ist, daß durch die Integration in CNC-gesteuerte Bearbeitungsmaschinen in Mehrachsen-Ausführung außerordentlich hohe Anlagenkosten entstehen, die die „reinen Laserkosten" um ein mehrfaches übersteigen und einer breiten Laseranwendung entgegenstehen.

Komplexe Laserinnenbearbeitungseinrichtungen, die die für das Aufbringen von Laserspuren unterschiedlichster Struktur notwendigen Bewegungen selbst ohne Nutzung einer Führungsmaschine erzeugen, sind nicht bekannt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung für 3 Bearbeitungsachsen zu schaffen, mit der die Innenflächen hohlzylindrischer Teile komplex laserbehandelt werden können, ohne daß dazu eine Führungsmaschine benötigt wird. Die Laserinneneinrichtung soll weiterhin aus modularen Einzelelementen im Baukastensystem aufgebaut und dem jeweiligen Anwendungsfall anpaßbar gestaltet sein. Die nützlichen Effekte zeigen sich hierbei in einer Senkung der Maschinenkosten im Vergleich zum Einsatz einer CNC-Anlage, verbunden mit einer Senkung an Energie- und Steuerungsdaufwand bei gleichzeitiger universeller Anwendbarkeit für diese ».'auteile, der Einsparung technologischer Nebenzeiten durch Anordnung zahlreicher laserzubehandelnder Teile auf einei einfachen Zu- und Abführeinrichtung, z. B. Fließband, und nicht zuletzt <n der Verbesserung der geometrischen Eigenschaften der Laserspuren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung für 3 Bearbeitungsachsen zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem Traggerüst eine als Vertikal-Verstelleinheit ausgebildete Laserstrahlführung angeordnet Ist, die den Strahlkopf mit Rotationseinheit und eine Fokus-Verstelleinheit mit Nachführeinrichtung und Betätigungsmechanismus trägt. Die längeneinstellbar ausgebildete Vertikal-Verstelleinheit bostoht aus drei mit Links- bzw. Rechtsgewinde versehenen Hülsen, die miteinander verschraubbar sind. Eine seitlich angeordnete, mit Stellmotor angetriebene Welle steht über einen Zahntrieb mit der mittleron Hülse in Verbindung und nimmt gleichzeitig die Verdrehsicherungen der beiden nicht angetriebenen Hülsen auf. Ein zusätzlich angebrachtes Gleitstück verringert seitlich auftretendes Spiel. An der Stirnseite der Vertikal-Verstelleinheit sind ein Adapter und weiter ein drehbar gelagerter Strahlkopf angeflanscht. Der Adapter nimmt gleichzeitig den für die Rotation des Strahlkopfes notwendigen Stellmotor mit Zahntrieb auf. Mit geeigneten Dichtungen ausgestattete Übertragungs-Einrichtungen leiten Kühlmedien und technologische Gase vom feststehenden zum rotierenden Teil weiter. Der Strahlkopf weist neben dem feststehenden 45°-Spiegel als weiteres optisches Element eine in einer Fokus-Verstelleinheit höhenverstellbar angeordnete Sammellinse auf. Hierzu ist die Sammellinse in eine ringförmige Fassung eingebracht, die von ulner rohrförmigen Führung umfaßt wird und In dieser drehbar gelagert Ist. Fassung und Führung besitzen jeweils Feingewinde, in letztere sind darüber hinaus Bohrungen für ein Kühlmedium eingebracht. In lösbarer Verbindung zur Fassung steht ein im Adapter fest angeordneter Betätigungsmechanismus, der druckfederbelasteten gelagerten Bolzen mit Formstück und Elektromagneten aufweist und mit einem Meßsystem integriert ist. Gekoppelt an die Fassung ist darüber hinaus eine Nachführeinrichtung für die Laseraustrittsdüse. Diese vereinigt Bowdenzug mit Zugfeder, Umlenkung und Laseraustrittsdüsen-Führung in sich.

Mit der beschriebenen Einrichtung werden Bauteile, z.B. Zylinderlaufbuchsen, derart laserbehandelt, daß zunächst die Verstelleinheit auf minimale Länge eingestellt ist und daraufhin manuell oder automatisiert die Zuführung ein oder mehrerer zu behandelnder Bauteile erfolgt. Anschließend wird der Laserbearbeitungskopf durch Betreiben der Antriebswelle der Verstelleinheit in das Bauteil abgesenkt, bis sich die Austrittsöffnung der Laseraustrittsdüse in Höhe der Oberkante des zu bearbeitenden Bereiches befindet. Parallel dazu kann der gewünschte Abstand Fokus-Werkstückoberfläche eingestellt werden, indem der Bolzen des Betätigungsmechanismus durch Abschalten des Elektromagneten in die Fassung eingreift und gleichzeitig die Rotationseinheit des Strahlkopfes richtungsabhängig betrieben wird.

Damit ergibt sich eine Höhenverstellung der Fassung relativ zur Führung mit automatischem Nachführen der Laseraustrittsdüse. Nach Erreichen des gewünschten Abstandswertes, der automatisiert im Meßsystem angezeigt ist, erfolgt durch Einschalten des Elektromagneten das Lösen des Bolzens. Nunmehr kann der Laserbearbeitungeprozeß unter gleichzeitiger Wirkung von Vertikal-Verstelleinheit und Rotationseinheit nach vorgegebenem Programm ablaufen. Nach Beendigung der Laserbearbeitung fährt die Einrichtung nach oben und gibt das Bauteil frei.

Ausführungsbeisplel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel riSher erläutert werden In der zugehörigen Zeichnung ist die Gesamtansicht der Einrichtung gezeigt. Beschreibung des Aufbaus und der Wirkungsweise der Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung: Die Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung weist 3 Bearbeitungsachsen auf, die aus der Kombination einer Vertikal-Verstelleinheit als erste Achse mit einem rotatorisch betriebenen Strahlkopf 7 als zweite und einer Fokus-Verstelleinheit als dritte Bearbeitungsachse resultieren. In ihrem Aufbau vereint die als Laserstrahlführung ausgebildete Vertikal-Verstelleinheit zwei mit Links- und Rechtsgewinde versehene Hülsen 1, die nit einer dritten angetriebenen Hülse 20 ineinander verschraubbar gestaltet sind, ein zusätzlich angebrachtes Gleitstück 2 und seitlich davon eine Antriebswolle 3. Die Antriebswelle 3 trägt einen Zahntrieb 4 zur angetriebenen Hülse 20 und zwei Verdrehsicherungen 5 zu den inneren Hülsen 1. Deren Verstellbereich entspricht der maximal möglichen Eintauchtiefe der Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung. Ein Adapter 6 bildet das Verbindungsglied zum rotierenden Strahlkopf 7 und nimmt gleichzeitig dessen Antrieb auf. Innerhalb des Strahlkopfes 7 ist eine Fokus-Verstelleinheit für die Sammellinse 10 angeordnet, deren Verstellbereich einem unterschiedlichen Abstand Fokus-Werkstückoberfläche anpaßbar ist und damit variable Werkstückdurchmesser realisiert. Zu diesem Zweck ist die Sammellinse 10 in eine Fassung 9 eingebracht, die in einer Führung 8 umläuft und mittels Feingewinde höhenverstellbar ist. Zusätzlich sind in die Führung 8 Bohrungen 11 für ein Kühlmedium eingebracht. Die Fokus-Vorstelleinheit weist als zusätzliches Merkmal eine Nachführeinrichtung für die Laseraustrittsdüse 12 auf, die dazu dient, die Gasverhältnisse beim Laseraustritt konstant zu halten und durch Bowdenzug 13 mit Zugfeder 14, Umlenkung 15 und Laseraustrittsdüson-Führung 16 gekennzeichnet ist. Als Betätigungsmechanismus für die Fokus-Verstelleinheit fungiert eine im Adapter 6 fest angeordnete Einrichtung mit Bolzen mit Formstück 17. jckfeder 18 und Elektromagneten 19. Diese steht mit der Fassung 9 in lösbarer Verbindung. Die gesamte Einrichtung ist an einem einfachen Traggerüst befestigt. Für die Laserbehandlung ist zunächst die Vertikal-Verstelleinheit auf den Minimalwert einzustellen. Das geschieht, indem durch Drehen d6r Antriebswelle 3 über den Zahntrieb 4 und unter Wirkung der Verdrehsicherungen 5 sich die Hülsen 1 und 20 ineinanderschrauben Dabei gewährleistet day Gleitstück 2 eine Minimierung seitlich auftretenden Spiels. Nach Zuführung eines Bauteiles erfolgt durch Drehung der Antriebswelle 3 in entgegengesetzter Drehrichtung ein Absenken und Eintauchen des Strahlkopfes 7 in das Werkstück. Gleichzeitig kann der erforderliche Abstand Fokus-Werkstückoberfläche durch Betätigen des Elektromagneten 19 im Adapter 6 eingestellt werden, der bewirkt., daß der Bolzen mit Formstück 17 durch die Druckfeder 18 eine formschlüssige Verbindung zur Fassung 9 mit Sammellinse 10 eingeht. Durch gleichzeitigen Antrieb der Rotationseinheit des Strahlkopfes 7 verstellt sich die Fassung 9 relativ zur Führung 8 bis zum Sollwert, der durch ain Meßsystem registriert wird. Nach Erreichen des Sollwertes wird die Verbindung des Bolzens mit Formstück 17 zur Fassung 9 durch Einschalten des Elektromagneten 19 gelöst. Der Vorgang der Linseneinstellung ist gekoppelt mit einem Nachführen der Laseraustrittsdüse 12 zur Konstanthaltung des Gasgemisches in diesem Bereich. Dabei wird die Laseraustrittsdüse 12 durch Bowdenzug 13 mit Zugfeder 14 und Umlenkung 15 innerhalb einer Laseraustrittsdüsen-Führung 16 verschoben. Beim anschließenden Laserbearbeitungsprozeß, der regulär durch Zusammenwirken von Vertikal-Verstelleinheit und Rotationseinheit abläuft, wird der Erwärmung der Sammellinse 10 durch Zuführung eines Kühlmediums in die Bohrungen 11 der Zuführung 8 entgegengewirkt. Nach Beendigung des Laserbearbeitungsprozesses erfolgt das Hochfahren der Vertikal-Verstelleinheit auf minimale Länge und das Bauteil tonn entnommen werden.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung senkrecht stehender hohlzylindrischor Bauteile in 3 Achsen, die an einem Traggerüst befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Laserstrahlführung ausgebildete Vertikal-Verstelleinheit die zwei Links- bzw. Rechtsgewinde aufweisende Hülsen (1), die mit einer dritten angetriebenen Hülse (20) ineinander verschraubbar gestaltet sind, ein Gleitstück (2) und eine seitlich angeordnete Antriebswelle (3) mit Zahntrieb (4) sowie zwei Verdrehsicherungen (5) vereint, über einen Adapter (6) den rotatorisch betriebenen Strahlkopf (7) trägt.

2. Einrichtung zur Laserinnenbaarbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkopf (7) eine Fokus-Verstelleinheit mit einer in ringförmiger Fassung (9) angeordneten Sammellinse (10), die in einer rohrförmigen Führung (8) drehbar gelagert und mittels Feingewinde geführt ist, wobei in die Führung (8) Bohrungen (11) für ein Kühlmedium eingebracht sind, besitzt.

3. Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokus-Verstelleinheit eine Nachführeinrichtung für die Laseraustrittsdüse (12), bestehend aus Bowdenzug (13) mit Zugfeder (14) und Umlenkung (15) sowie Laseraustrittsdüsen-Führung (16), aufweist.

4. Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in lösbarer Verbindung zur Fassung (9) ein fest im Adapter (6) angebrachter Betätigungsmechanismus für die Fokus-Verstelleinheit steht, der Bolzen mit Formstück (17), Druckfeder (18) und Elektromagnet (19) vereint.