DD287894A5

DD287894A5 - DEVICE FOR LASER MACHINING

Info

Publication number: DD287894A5
Application number: DD33282589A
Authority: DD
Inventors: Mathias Nieke; Gerd Ziemann; Joachim Schmidt; Joachim Schieske
Original assignee: Dr,Ibr.-Fa,De; Dr,Raw Cs,De
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1991-03-14

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}The invention relates to a device for internal laser machining vertically standing hollow cylindrical components in 3 processing axes. Their field of application relates mainly to the Haerten, coating and alloying the Innenflaechen cylinder liners, pipes and similar components in various areas of mechanical engineering. The features of the device are in the combination of a vertical adjustment as a first processing axis, with a rotary operated jet head as a second and a focus adjustment as a third processing axis. Furthermore, the laser discharge nozzle is automatically tracked. The entire facility is attached to a simple trestle. The beneficial effects are the reduction of system costs due to the omission of a CNC-controlled machine, the saving of technological non-productive time and the improvement of laser track geometry. Haerten; coating; Alloy; Cylinder liner; Vertical adjustment unit; rotating jet head; Focus adjustment}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

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.The invention relates to a device for internal laser machining vertically standing hollow cylindrical components. The field of application relates to all areas of mechanical engineering for hardening, coating, alloying u. a. the inner surfaces of cylinder liners, pipes and similar workpieces. Particularly advantageous is the possibility of use where the laser user minimized mechanical complexity is required.

Characteristic of the known state of the art

Einrichtungen zur Laserinnenbearbeitung hohlzylindrischer Teile sind in zwei Ausführungsformen bekannt, alsDevices for laser internal machining hollow cylindrical parts are known in two embodiments, as

- Einrichtung mit feststehendem Bearbeitungskopf, integriert in eine Mehrachsen-CNC-Maschine und Werkstück-Bewegungseinrichtung undFixed head machining device integrated into a multi-axis CNC machine and workpiece moving device

- Einrichtungen mit in einer Bewegungsachse, z. B. Rotation, arbeitendem Bearbeitungskopf, integriert in eine Mehrachsen-CNC-Maschine.- Facilities with in a movement axis, z. B. Rotation, working machining head, integrated into a multi-axis CNC machine.

Als Beispiele für die genannten Ausführungsformen sind zu nennen:Examples of the embodiments mentioned are:

- DE-OS 2743992 „Verfahren und Einrichtung zur Behandlung metallischer Lagerflächen von Bauteilen"DE-OS 2743992 "Method and device for treating metallic bearing surfaces of components"

- DE-PS 3509378 „Programmgesteuerte Bearbeitungsmaschine, wie Brennschneidmaschine o.dgl."- DE-PS 3509378 "program-controlled processing machine, such as flame cutting machine or the like."

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.A disadvantage of both embodiments is that the integration into CNC-controlled multi-axis machining machines results in extraordinarily high equipment costs, which exceed the "pure laser costs" by a multiple and oppose a broad laser application.

Komplexe Laserinnenbearbeitungseinrichtungen, die die für das Aufbringen von Laserspuren unterschiedlichster Struktur notwendigen Bewegungen selbst ohne Nutzung einer Führungsmaschine erzeugen, sind nicht bekannt.Complex laser internal processing devices that generate the necessary for the application of laser tracks of different structure movements even without the use of a guide machine are not known.

Object of the invention

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.The object of the invention is to provide a device for internal laser machining for 3 processing axes, with which the inner surfaces of hollow cylindrical parts can be laser-treated complex without the need for a guide machine is required. The laser interior device should continue to be constructed of modular individual elements in the modular system and designed adaptable to the particular application. The beneficial effects are shown in a reduction in machine costs compared to the use of a CNC system, combined with a reduction in energy and Steuerdaufwand while universal applicability for these ».'auteile, the saving of technological non-productive times by arranging numerous laser-treatment parts on a simple supply and discharge device, z. As conveyor belt, and not least of <n the improvement of the geometric properties of the laser tracks.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Laserinnenbearbeitung für 3 Bearbeitungsachsen zu entwickeln.The invention has for its object to develop a device for internal laser machining for 3 processing axes.

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.According to the invention the object is achieved in that on a support frame designed as a vertical adjustment laser beam guide is arranged, which carries the jet head with rotation unit and a focus adjustment unit with tracking and actuating mechanism. The length-adjustable trained vertical adjustment bostoht from three provided with left- or right-handed sleeves, which are screwed together. A side-mounted, driven with servomotor shaft is connected via a pinion gear with the mitton sleeve in conjunction and simultaneously absorbs the anti-rotation of the two non-driven sleeves. An additionally mounted slider reduces side play. On the front side of the vertical adjustment unit, an adapter and further a rotatably mounted jet head are flanged. At the same time, the adapter absorbs the servomotor with pinion required for the rotation of the jet head. Transmission devices equipped with suitable seals pass cooling media and technological gases from the stationary to the rotating part. In addition to the fixed 45 ° mirror, the blasting head has, as a further optical element, a converging lens arranged in a height-adjustable manner in a focus adjustment unit. For this purpose, the converging lens is introduced into an annular socket, which is surrounded by ulner tubular guide and is rotatably mounted in this. The socket and guide each have fine threads, in the latter holes are also introduced for a cooling medium. In detachable connection to the socket stands in the adapter fixedly arranged actuating mechanism, the pressure spring loaded bearing bolt with fitting and electromagnet and is integrated with a measuring system. Coupled to the socket is also a tracking device for the laser exit nozzle. This combines Bowden cable with tension spring, deflection and laser outlet nozzle guide in itself.

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.With the described device components, e.g. Cylinder liners, laser-treated such that initially the adjustment is set to minimum length and then manually or automatically, the supply of one or more components to be treated takes place. Subsequently, the laser processing head is lowered by operating the drive shaft of the adjusting unit into the component until the outlet opening of the laser discharge nozzle is at the level of the upper edge of the area to be processed. In parallel, the desired distance focus workpiece surface can be adjusted by the bolt of the actuating mechanism engages by switching off the electromagnet in the socket and at the same time the rotation unit of the jet head is operated direction-dependent.

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.This results in a height adjustment of the socket relative to the guide with automatic tracking of the laser exit nozzle. After reaching the desired distance value, which is automatically displayed in the measuring system, by releasing the electromagnet, the release of the bolt. Now, the laser processing process can proceed under the simultaneous action of vertical adjustment and rotation unit according to a predetermined program. After completion of the laser processing, the device moves upwards and releases the component.

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.The invention will be explained below with reference to an embodiment of the invention. The accompanying drawing shows the overall view of the device. Description of the Structure and Mode of Operation of the Laser Internal Processing Device The laser internal processing device has 3 processing axes resulting from the combination of a vertical adjustment unit as a first axis with a rotary operated jet head 7 as a second and a focus adjustment unit as a third processing axis. In its construction, the trained as a laser beam guide vertical adjustment unit combines two provided with left and right-hand sleeves 1, which are designed nit screwed into a third driven sleeve 20, an additionally mounted slider 2 and laterally thereof a drive wool 3. The drive shaft 3 carries a Pinion 4 to the driven sleeve 20 and two anti-rotation 5 to the inner sleeves 1. Their adjustment corresponds to the maximum possible immersion depth of the device for internal laser machining. An adapter 6 forms the connecting member to the rotating jet head 7 and at the same time receives its drive. Within the blasting head 7, a focus adjustment unit for the converging lens 10 is arranged, the adjustment range of which can be adapted to a different distance between the focus and workpiece surface and thus realizes variable workpiece diameters. For this purpose, the converging lens 10 is inserted into a socket 9, which rotates in a guide 8 and is height-adjustable by means of fine thread. In addition, 8 holes 11 are introduced for a cooling medium in the guide. As an additional feature, the focus presetting unit has a tracking device for the laser exit nozzle 12, which serves to keep the gas conditions constant during the laser exit and is characterized by Bowden cable 13 with tension spring 14, deflection 15 and laser exit nozzle guide 16. As an actuating mechanism for the focus adjustment unit is a permanently fixed in the adapter 6 means with bolt with fitting 17. jckfeder 18 and electromagnet 19. This is the socket 9 in releasable connection. The entire facility is attached to a simple shoring. For laser treatment, the vertical adjustment unit must first be set to the minimum value. This is done by screwing the sleeves 1 and 20 together by turning d6r drive shaft 3 via the pinion 4 and under the action of the anti-rotation 5 This day slider 2 ensures a minimization laterally occurring game. After feeding a component is carried by rotation of the drive shaft 3 in the opposite direction of rotation, a lowering and immersing the jet head 7 in the workpiece. At the same time the required distance focus workpiece surface can be adjusted by pressing the electromagnet 19 in the adapter 6, which causes. That the bolt with fitting 17 by the compression spring 18 enters into a positive connection to the socket 9 with converging lens 10. By simultaneous drive of the rotary unit of the jet head 7, the socket 9 adjusted relative to the guide 8 to the setpoint, which is registered by ain measuring system. After reaching the target value, the connection of the bolt with fitting 17 to version 9 is achieved by switching on the electromagnet 19. The process of lens adjustment is coupled with a tracking of the laser exit nozzle 12 for keeping the gas mixture in this area constant. In this case, the laser exit nozzle 12 is displaced by Bowden cable 13 with tension spring 14 and deflection 15 within a laser outlet nozzle guide 16. In the subsequent laser processing process, which regularly proceeds by interaction of vertical adjustment and rotation unit, the heating of the converging lens 10 is counteracted by supplying a cooling medium into the bores 11 of the feed 8. After completion of the laser processing process, the raising of the vertical adjustment takes place to minimum length and the component tonn are removed.

Claims

1. A device for internal laser machining vertical standing hohlzylindrischor components in 3 axes, which is attached to a support frame, characterized in that formed as a laser beam guide vertical adjustment unit, the two left-hand or right-threaded sleeves (1) having a third driven sleeve (20) are designed screwed into each other, a slider (2) and a laterally arranged drive shaft (3) with toothed drive (4) and two anti-rotation (5) united, via an adapter (6) rotatably driven jet head (7).

2. Device for Laserinnenbaarbeitung according to claim 1, characterized in that the jet head (7) has a focus adjustment unit with a ring-shaped socket (9) arranged converging lens (10) rotatably mounted in a tubular guide (8) and guided by means of fine thread is, wherein in the guide (8) bores (11) are introduced for a cooling medium has.

3. Device for internal laser machining according to claim 1 and 2, characterized in that the focus adjustment unit a tracking device for the laser exit nozzle (12) consisting of Bowden cable (13) with tension spring (14) and deflection (15) and laser outlet nozzle guide (16 ), having.

4. means for laser internal machining according to claim 1 and 2, characterized in that in a releasable connection to the socket (9) fixed in the adapter (6) mounted actuating mechanism for the focus adjustment, the bolt with fitting (17), compression spring (18 ) and electromagnet (19) united.