DE102005043924B3

DE102005043924B3 - Reflektoranordnung und Verfahren zum Härten von Innenflächen

Info

Publication number: DE102005043924B3
Application number: DE102005043924A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hafner; Torsten Bady
Original assignee: Heckler und Koch GmbH
Current assignee: Heckler und Koch GmbH
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: WO2007031282A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reflektoranordnung zum Härten einer eine Seelenachse (12) konzentrisch umgebenden Innenfläche (19) eines Werkstücks (9), insbesondere eines Waffenrohres. Dabei lenkt ein Reflektorkopf (10) ein Laserlichtbündel (6) auf einen Abschnitt der Innenfläche (19), wobei der Reflektorkopf (10) über einen Schaft (11) entlang der Seelenachse (12) relativ zur Innenfläche (19) verschiebbar ist und eine Radialführung (28) vorgesehen ist, welche an der Innenfläche (19) angreifend den Reflektorkopf (10) auf die Seelenachse (9) zentriert und koaxial führt. Diese Reflektoranordnung kann Bestandteil einer Einrichtung zum Härten von Rohren sein bzw. zur Ausführung eines entsprechenden Härteverfahrens dienen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reflektoranordnung zum Härten einer Innenfläche eines Werkstücks, bei der ein Reflektorkopf ein Laserlichtbündel auf einen Abschnitt der Innenfläche ablenkt. Der Reflektorkopf ist dabei über einen Schaft relativ zur Innenfläche verschiebbar, so daß der zu härtende Bereich der Innenfläche beim Verschieben des Reflektorkopfs dem Laserlicht ausgesetzt wird und so gehärtet wird.

Eine solche Reflektoranordnung ist beispielsweise aus dem US-Patent Nr. 5,719,373 (CRAIG ET AL.) bekannt. Das zu härtende Werkstück wird dabei in einer Aufnahme gehalten, welche gleichzeitig einen den Reflektorkopf tragenden Schaft zentriert und relativ zum Werkstück, d.h. zur Innenfläche des Werkstücks, führt. Der Reflektorkopf befindet sich dabei berührungsfrei mit einem Schaftabschnitt innerhalb des zu härtenden Werkstücks. Der koaxial zur Werkstückachse eintretende Laserstrahl wird von einer Spiegelfläche am Reflektorkopf radial abgelenkt, so daß ein Laserlichtfleck auf die Innenfläche des Werkstücks abgebildet wird und die Innenfläche dort auf eine Härtetemperatur erwärmt wird. Das Werkstück selber wird über die Aufnahme in Umfangsrichtung gedreht und in Axialrichtung verschoben, so daß der Laserlichtfleck den gesamten zu härtenden Bereich überstreicht. Die Vorrichtung umfaßt weitere Elemente zur inneren Kühlung des Reflektorkopfes sowie zum Spülen des Werkstückinnenraums mit Formiergas, um eine Oxidation der Werkstückinnenfläche beim Härten durch den Luftsauerstoff zu vermeiden.

Insbesondere bei langen Werkstücken, bei denen der Innenraum eng ist, also einen kleinen Durchmesser aufweist, und damit auch der Reflektorkopf an einem langen, schlanken Führungsschaft gehalten wird, besteht die Gefahr, daß die Zentrierung nicht genau genug ist, um den Reflektorkopf exakt an der Seelenachse, die mit der optischen Achse des eintretenden Laserlichtbündels zusammenfällt, auszurichten. Schon geringe Abweichungen des Reflektorkopfes aus der Seelen- bzw. aus der optischen Achse führen zu unerwünschten Schwankungen des Härteergebnisses (Brennfleckgröße, Härtetiefe, Härtetemperatur). Dadurch, daß beim Härten der Lichtfleck die zu härtende Innenfläche etwa spiralförmig überstreicht, um den gesamten Härtebereich abzufahren, können sich insbesondere lange Werkstücke durch die lokale Erwärmung und Abkühlung verformen und verziehen. Die Werkstücke müssen nach dem Härten ggf. erneut gerichtet werden (mechanisch und/oder thermisch).

Es gibt auch Reflektorköpfe mit einer konischen Spiegelfläche, bei denen das Laserlichtbündel kranzförmig radial nach außen auf die Innenfläche abgelenkt wird und als Laserlichtring auf der zu härtenden Innenfläche abgebildet wird. Ein solcher Reflektorkopf ist beispielsweise aus der JP 50 550 11186 bekannt. Auch bei einer solchen Reflektoranordnung führen Abweichungen des Reflektorkopfes von der Seelen- bzw. der optischen Achse zu unregelmäßigen Härteergebnissen und ggf. zu unerwünschten Verformungen des Werkstücks beim Härten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reflektoranordnung bereitzustellen, bei der die Führung des Reflektorkopfes im Werkstück verbessert und damit insbesondere auch lange Werkstücke mit geringem Innendurchmesser gleichmäßig und weitgehend ohne Verformungen von innen oberflächengehärtet werden können. Die Erfindung soll insbesondere auch geeignet sein, die Innenoberflächen von Waffenrohren zu härten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Reflektoranordnung eine Führungseinrichtung aufweist, welche direkt an der zu härtenden Innenfläche angreift und den Reflektorkopf zur Innenfläche ausrichtet und führt. Eine solche Radialführung kann auch bei langen Werkstücken eine exakte Führung gewährleisten, da die Führung relativ dicht am Reflektorkopf angeordnet werden kann, so daß zwischen Führung und Reflektorkopf nur ein kurzes Schaftstück verläuft und damit Abweichungen des Reflektorkopfes aus der Führungsrichtung (z.B. Seelenachse oder optische Achse) minimiert werden. Auf diese Weise können auch extrem schlanke Werkstücke mit geringem Innendurchmesser wie Waffenrohre oder ähnliches exakt und ohne Verzug gehärtet werden.

In der Weiterbildung nach Anspruch 2 ist die Führungseinrichtung als Radialführung ausgebildet, welche den Reflektorkopf bezüglich einer Seelenachse ausrichtet. Die Seelenachse definiert dabei den axialen Verlauf der sie umgebenden Innenfläche. Die Innenflächen können dabei grundsätzlich jeden beliebigen laserhärtbaren Querschnitt aufweisen. Bei zylindrisch oder konisch verlaufenden Innenflächen verläuft dabei jeder Flächenabschnitt konzentrisch zur Seelenachse. Im axialen Verlauf kann die Innenfläche auch schraubenförmig um die Seelenachse herum verlaufen, wie dies beispielsweise bei Waffenrohren mit an der Innenfläche ausgebildeten Zügen und Feldern oder bei polygonförmigen Innenflächen der Fall ist.

Gemäß Anspruch 3 erfolgt die Führung über Führungselemente, die an der Innenfläche angreifen. Die Führungselemente wirken dabei radial nach außen und können am Schaft bzw. am Reflektorkopf selbst angeordnet sein.

Nach Anspruch 4 greifen die Führungselemente elastisch an der Innenfläche des Werkstücks an. So können Durchmesser schwankungen des Werkstücks ausgeglichen werden, ohne daß der Reflektorkopf bzw. der Schaft beim Verschieben im Werkstück seine zentrierte Stellung verläßt. Es ist sogar möglich, eine exakte Zentrierung in Werkstücken sicherzustellen, deren Innenoberfläche unterschiedliche Durchmesser aufweist. Bei einem Waffenrohr kann so beispielsweise die Zentrierung sowohl in einem Patronenlagerbereich mit größerem Innendurchmesser und im Waffenrohr selbst (mit kleinerem Durchmesser) ohne Umbau der Anordnung erfolgen. Darüber hinaus wirkt sich auch eine konische Form der Innenfläche des Werkstücks (Waffenrohre sind in der Regel vom Patronenlager zur Mündung hin verjüngt) nicht nachteilig auf die Zentrierung aus.

Eine besonders einfache Gestaltung betrifft die Weiterbildung nach Anspruch 5 und 6, bei der die Führungselemente von Hülsensegmenten gebildet werden, die an einer den Schaft bzw. den Reflektorkopf umgebenden Führungshülse ausgebildet sind. Nach Anspruch 6 können diese Hülsensegmente dadurch gebildet werden, daß eine Hülse mit Schlitzen versehen wird, die axial von einem Ende her in die Hülse eingebracht werden und je nach Hülsenlänge und gewünschter Elastizität der so entstehenden Hülsensegmente entsprechend lang bis zum gegenüberliegenden Ende der Hülse eingebracht sind. Die Segmente selbst können dann entsprechend radial nach außen vorgebogen werden, so daß sie beim Einführen der Hülse von der Innenfläche radial nach innen gedrückt werden.

Die Ansprüche 7 bis 11 betreffen Ausbildungen, bei denen die zum Ausrichten erforderliche Radialkraft einstellbar ist, so daß die Anordnung an unterschiedliche Einsatzbedingungen angepaßt werden kann und auch im industriellen Betrieb erhebliche Toleranzen der zu härtenden Werkstücke ausgleichen kann.

Das Grundprinzip beruht darauf, daß ein zusätzliches Spreizelement an einem oder mehreren Führungselementen angreift und diese(s) über eine aufgebrachte Axialkraft nach außen spreizt. Die Axialkraft kann dabei am Führungselement (z.B. der Führungshülse) oder am Spreizelement selber wirken. Nach Anspruch 8 ist dabei auch das Spreizelement als eine den Schaft bzw. den Reflektorkopf umgebende Hülse ausgebildet. Die Ausbildung der Wirkflächen gemäß Anspruch 9 erlaubt eine genaue Dosierung der Spreizkraft über die aufgebrachte Axialkraft. Nach Anspruch 10 ist die Axialkraft einstellbar über eine Feder aufgebracht, die sich an einem Absatzelement abstützt. Durch Veränderungen des Abstandes zwischen Absatzelement und Führungselement oder durch die Auswahl unterschiedlicher Federn ist die wirkende Axialkraft einstellbar. Die Anordnung nach Anspruch 11 verhindert das Verklemmen der Radialführung insbesondere dann, wenn sich das Werkstück in Härterichtung verjüngen sollte. Bei dieser Anordnung weisen die Stirnflächen der Führungshülse und damit die der Führungselemente in die Härterichtung. Das heißt, die Reibung der Führungselemente an der Innenfläche führt dazu, daß die Führungshülse tendenziell vom Spreizelement hinuntergeschoben wird. Dadurch wird verhindert, daß sich die Führungshülse bzw. die Führungselemente zwischen Spreizelement und Innenfläche verkeilen.

Die Anordnung nach Anspruch 12 gewährleistet, daß neben einer genauen Zentrierung des Reflektorkopfes auch eine Winkelabweichung des am Reflektorkopf ansetzenden Schaftes zur Seelenachse bzw. zur optischen Achse verhindert wird. Denn auch ein Verkippen der Spiegelfläche des Reflektorkopfes – auch bei exakter radialer Zentrierung – verändert unter Umständen die optischen Gegebenheiten so, daß keine gleichmäßig und reproduzierbare Härtung der Innenoberfläche möglich ist.

Die Ansprüche 13 und 14 betreffen Gestaltungen der Spiegelfläche, die eine gleichmäßige Härtung über den Umfang der Innenfläche sicherstellt. Die durch das Laserlicht erzeugte Härtezone erstreckt sich damit ringförmig um den Reflektorkopf. Damit wird weitgehend verhindert, daß sich ein rohrförmiges Werkstück beim Härten verzieht. Nach dem Härten erforderliche Richtvorgänge können so minimiert werden. Die konisch torrispherisch konkave Ausbildung der Spiegelfläche gemäß Anspruch 14 erlaubt eine verbesserte Fokussierung des Laserlichts auf einen schmaleren Ringabschnitt auf der Innenfläche und damit eine weitere Optimierung des Härteergebnisses. Die Ausbildung einer abgerundeten Übergangskante (Anspruch 15) zwischen der konischen Spiegelfläche und dem im wesentlichen zylindrischen Außenmantel des Reflektorkopfes verbessert die thermische Standfestigkeit des Reflektorkopfes. Die Rundung verhindert einen Wärmestau an der Kante.

Die Ansprüche 16 bis 18 betreffen die innere Kühlung des Reflektorkopfes und des Schaftes.

Die Ansprüche 19 bis 22 betreffen die äußere Kühlung der Reflektoranordnung bzw. die Abschirmung der zu härtenden Innenfläche bzw. des Werkstückhohlraums gegen die Umgebungsatmosphäre. Dabei erlaubt die Gestaltung nach Anspruch 19 das vollständige Umspülen der Reflektoranordnung beim Härten mit einem Formier-/Kühlfluid. Diese so erreichte erzwungene Konvektion erlaubt eine wesentlich verbesserte äußere Kühlung des Reflektorkopfes. Die Zufuhr des Formier-/Kühlfluids von der Eintrittsseite des Laserlichts her verbessert zusätzlich die äußere Kühlwirkung, da die hoch beanspruchte Spiegelfläche so besonders wirksam angeströmt werden kann. Dies wird auch durch den besonderen Spülkopf gemäß Anspruch 20 ermöglicht, welcher so ausgebildet ist, daß die Laserlichteintrittsöffnung mit einem Formier-/Kühlfluidschleier gegen den Eintritt atmosphärischer Gase verschlossen ist, ohne daß eine zusätzliche Abschirmung, beispielsweise in Form eines lichtdurchlässigen Körpers, erforderlich wäre. Der abschirmende Fluidschleier wird dadurch gebildet, daß der Kühlfluidstrom aufgeteilt wird und ein oder mehrere Radialkanäle einen Teil des Kühl/Formierfluids an die Lichteintrittsöffnung leiten (Anspruch 21). Diese Kanäle sind dabei gemäß Anspruch 22 gegen die Hauptströmungsrichtung (gegen die optische Achse bzw. Seelenachse) geneigt, so daß dieser Teilstrom am Lichteintrittsende aus dem Kühlkopf ausströmt und so verhindert, daß Umgebungsatmosphäre in den Spülkopf und so in das Werkstückinnere eintritt.

Anspruch 23 betrifft eine Einrichtung zum Härten von Rohren insbesondere von Waffenrohren mit einer entsprechenden Reflektoranordnung, wobei die Laserlichtquelle mit einer Pyrometersteuerung zusammenwirkt, derart, daß die Lichtintensität entsprechend der über den Reflektorkopf in ein Pyrometer eingestrahlten Wärmestrahlung geregelt wird. Die Steuerung kann dabei sowohl die Lichtintensität als auch die Relativgeschwindigkeit zwischen Reflektorkopf und Innenfläche regeln. Nach Anspruch 24 ist zusätzlich eine Formier-/Kühleinrichtung vorgesehen.

Anspruch 25 betrifft ein Verfahren zum Härten der Innenflächen eines Werkstücks, insbesondere eines Waffenrohres.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der angefügten Zeichnungen erläutert, in denen
1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Härten von Waffenrohren;
2 eine Reflektoranordnung im Werkstück;
3 einen Reflektorkopf mit kegelförmiger Spiegelfläche und
4 einen Reflektorkopf mit torisphärisch konkaver Spiegeloberfläche;
5 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Radialführung;
5a einen Längsschnitt durch den Bereich D in 5;
6 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Spülkopfes; und
7 einen Längsschnitt durch einen Spülkopf zeigt.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zum Laserhärten von Rohren insbesondere von Waffenrohren. Eine Laseroptik 1, welche eine Laserlichtquelle 2, einen Kolimator 3, eine Fokussierung 4 und ein Pyrometer 5 aufweist, strahlt ein Laserlichtbündel 6 entlang einer optischen Achse 7 durch einen Spülkopf 8 für Schutzgas ins Innere eines Rohres 9 auf einen Reflektorkopf 10, welcher über einen Führungsschaft 11 auf die Seelenachse 12 des Rohres 9 ausgerichtet ist. Führungsschaft 11 und Reflektorkopf 10 sind Bestandteile einer Reflektoranordnung, die über einen Reflektorhalter 13 an einem Träger 14 befestigt sind. Die Laseroptik 1 ist ebenfalls am Träger 14 fixiert. Das Rohr 9 und der Schutzgasspülkopf 8 sind jeweils über Halterungen 15 und 16 auf einer Grundplatte 17 befestigt. Laseroptik 1, Rohr 9 und Reflektorhalter 13 sind so zueinander ausgerichtet, daß die optische Achse 7 und die Seelenachse 12 kollinear verlaufen und der Führungsschaft 11 mit dem Reflektorkopf 10 auf die Seelenachse 12 zentriert ist.
Beim Härten trifft das Laserlichtbündel 6 auf die Spiegelfläche 18 des Reflektorkopfes 10 (2). Die kegelig ausgeführte Spiegelfläche 18 lenkt das Laserlichtbündel 6 kranzförmig radial nach außen auf die Innenwand 19 des Rohres 19. Die Innenwand 19 wird durch das auftreffende Laserlicht soweit erwärmt, daß dort die gewünschte Gefügeänderung zum Härten stattfinden kann. Um den gesamten zu härtenden Innenwandbereich zu erfassen, werden Rohr 9 und Reflektorkopf 10 relativ zueinander bewegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird dazu der Träger 14 über einen nicht dargestellten Linearantrieb in Pfeilrichtung bewegt. Dabei wird die Laseroptik 1 entsprechend mitbewegt, so daß der Abstand zwischen Laseroptik 1 und der Spiegelfläche 18 konstant bleibt. So bleiben die optischen Eigenschaften des Systems unabhängig von der axialen Position des Reflektorkopfes 10 im Rohr 9 konstant. Die bevorzugte Härterichtung, d.h. die Vorschubrichtung des Trägers 14 ist in 2 durch den Pfeil 20 angegeben. Bei dieser Härterichtung 20 wird der Reflektorkopf 10 entlang der Einstrahlrichtung in den noch nicht erwärmten Bereich des zu härtenden Rohres 9 verschoben. So wird die thermische Belastung von Reflektorkopf und Führungsschaft verringert.
Zur Steuerung der Laserlichtintensität wird die beim Härten von der Innenwand 19 abgegebene Wärmestrahlung von der Spiegelfläche 18 entlang der optischen Achse 7 zurück in die Laseroptik 1 reflektiert. Die Intensität der zurückgestrahlten Wärmestrahlung wird im Pyrometer 5 gemessen und in ein Signal an eine Steuerung 21 umgewandelt. Diese gibt ein Steuersignal an die Laserlichtquelle 2 ab und regelt so die Intensität des abgegebenen Laserlichtbündels 6.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Relativbewegung zwischen Rohr 9 und dem Reflektorkopf 10 bzw. der Laseroptik 1 dadurch realisiert, daß der Träger 14 verschoben wird. Bei einer anderen, nicht dargestellten, Ausführungsform kann die Relativbewegung auch erzeugt werden, indem das Rohr 9, beispielsweise über einen auf die Grundplatte 17 wirkenden Linearantrieb, verschoben wird.
Der in 2 dargestellte Reflektorkopf 10 weist an seinem der Laserlichtquelle zugewandten Ende die kegelige Spiegelfläche 18 auf. Im gegenüberliegenden Ende ist eine Bohrung 22 eingebracht, in der der rohrförmig ausgebildete Führungsschaft 11 befestigt ist. Im Inneren des Führungsschafts 11 verläuft konzentrisch eine ebenfalls rohrförmig ausgebildete Kühlmittelzufuhr 23, die etwas weiter ins Innere des Reflektorkopfes 10 hineinragt und durch die im Betrieb ein Kühlmittel zugeführt wird. Das Kühlmittel tritt in die Bohrung 22 ein und fließt durch den zwischen Kühlmittelzufuhr 23 und Schaft 11 gebildeten Ringkanal 24 wieder ab. Der Kühlmittelfluß ist in 2 durch kleine Pfeile angedeutet. Die Kühlmittelzufuhr 23 und der Ringkanal 24 sind über eine Kühleinrichtung 25 (siehe 1) miteinander verbunden, die das Kühlmittel abkühlt und fördert. Neben dem dargestellten Kühlkreislauf kann auch eine Einwegkühlung realisiert werden, indem z.B. einfach Wasser in die Kühlmittelzufuhr 23 eingespeist wird, welches dann über den Ringkanal 24 abfließt. Um eine möglichst effektive Wärmeabfuhr aus dem Reflektorkopf 10 zu erreichen, ist dieser aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt, z.B. aus Kupfer, insbesondere aus OFHC-Kupfer. Andere Werkstoffe mit hohem Schmelzpunkt, guter Wärmeleitfähigkeit und guten Reflektionseigenschaften sind ebenfalls verwendbar.
Die 3 und 4 zeigen alternative Ausführungsformen des Reflektorkopfes. 3 entspricht dabei dem in 2 gezeigten Kopf, wobei zusätzlich die zwischen der kegeligen Spiegelfläche 18 und der zylindrischen Außenmantelfläche 25 verlaufende Übergangskante 26 mit einem Radius versehen ist. Der Radius bewirkt eine bessere Temperaturverteilung im Kantenbereich und verhindert einen Wärmestau. Der Radius wird so eingestellt, daß die gewünschte thermische Wirkung eintritt, ohne daß die verfügbare Spiegelfläche zu stark verkleinert wird. Der Radius beträgt zwischen 0,2 und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8 mm. Die Spiegelfläche 18 ist mit einer in 3 strichpunktiert angedeuteten Reflektorschicht 27 versehen, welche über die Spiegelfläche 18 hinaus über die Übergangskante 26 bis auf die Außenmantelfläche 25 reicht. Die abgerundete Übergangskante 26 gewährleistet dabei auch eine gleichmäßige Schichtdicke der Reflektorschicht 27. Die Reflektorschicht 27 besteht beispielsweise aus Silber oder Gold, wobei eine Silberschicht für einen besonders großen Wellenlängenbereich geeignet ist und eine Goldschicht besonders oxidationsfest ist. Die Schichtdicke beträgt üblicherweise 0,06 bis 0,2 μm. Sie muß zum einen optisch dicht und zum anderen haftfest ausgeführt werden.
4 zeigt eine alternativ gestaltete Spiegelfläche 18', die im wesentlichen ebenfalls konisch, aber zusätzlich konkav gekrümmt ist, so daß ein torrispherisch, konkav gekrümmter Flächensektor die Spiegelfläche 18' bildet. Diese Flächenform bewirkt eine Bündelung des radialen Lichtkranzes, so daß eine intensivere Bestrahlung der Innenwand 19 erreicht wird. Damit ist bei gleicher Laserleistung, Prozeßgeschwindigkeit und gleichem Laserstrahldurchmesser auf der Spiegelfläche 18' eine höhere Temperatur auf der Innenwand 19 möglich, die eine tiefere Härtung des Rohres erlaubt. 4 zeigt den veränderten Strahlengang des Laserlichtbündels 6.
Die Zentrierung und Führung des Reflektorkopfes 10 und des Führungsschaftes 11 im Rohr 9 wird nachfolgend anhand der 2, 5 und 5a beschrieben. 2 zeigt eine Radialführung 28, die von einer auf dem Führungsschaft 11 befestigten Hülse gebildet wird. Der Außendurchmesser dieser Hülse entspricht etwa dem Innendurchmesser des Rohres 9, wobei die mit der Innenwand 19 in Berührung stehende Außenfläche 29 zur Verbesserung der Gleiteigenschaften ballig ausgebildet ist. Die Radialführung 28 besteht beispielsweise aus Metall, Keramik oder anderen geeigneten Werkstoffen, die die gewünschten tribologischen Eigenschaften auch bei den auftretenden Temperaturen konstant aufweisen. Sie wird auf dem Führungsschaft 11 verklebt, verlötet, verschweißt oder in anderer Weise befestigt.
Auf dem Führungsschaft 11 sind mehrere Radialführungen 28 in einem gewünschten Abstand zueinander angeordnet. So wird nicht nur das vordere Ende von Reflektorkopf und Führungsschaft im Rohr zentriert, sondern auch der gesamte Führungsschaft 11. Dies verhindert, daß der vergleichsweise kurze Reflektorkopf 10 im Rohr verkippt und ein asymmetrisches Reflektionsbild an der Innenwand entsteht und damit die Härtung über den Rohrumfang ungleichmäßig wird.
5 und 5a zeigt eine alternative Radialführung, die mehrteilig aufgebaut ist. Die Radialführung 28 wird hier von einer Führungshülse 29 gebildet, die mit mehreren, radial nach außen wirkenden, zungenförmigen Führungselementen 30 versehen ist, die elastisch federnd an der Innenwand 19 angreifen. Die Führungselemente 30 werden dadurch gebildet, daß die Führungshülse 29 in Längsrichtung geschlitzt ist, so daß am spiegelseitigen Ende der Hülse ein Ring 29' verbleibt, der die Führungselemente 30 trägt.
Die Elastizität oder Steifigkeit der Führungselemente 30 kann durch eine geeignete Materialwahl und eine entsprechende Geometrie der Führungshülse 29 mit den Führungselementen 30 eingestellt werden.
Zur Einstellung der radialen Andruckkraft, mit denen die Führungselemente 30 an der Innenwand 19 anliegen, ist die Führungshülse verschieblich auf dem Schaft 11 angeordnet. An ihrem geschlossenen stirnseitigen Ende 29' setzt eine den Führungsschaft 11 ebenfalls umgebende Schraubenfeder 31 an, die sich am gegenüberliegenden Ende an einem Absatzelement 32 abstützt, welches zur Einstellung der über die Schraubenfeder 31 aufgebrachte Axialkraft lösbar auf dem Führungsschaft 11 befestigt ist. Am anderen Ende der Führungshülse 29, d.h. an der geschlitzten Stirnfläche, ist ein Spreizelement 33 auf dem Führungsschaft 11 befestigt. Die Schraubenfeder 31 schiebt nun bei entsprechender Vorspannung die Führungshülse gegen das Spreizelement 33. Dabei ist die zur Führungshülse weisende Stirnfläche des Spreizelementes 33 konisch verjüngt bzw. kegelstumpfförmig ausgebildet und die dort anliegenden Stirnflächen der Führungselemente 30 sind so ausgebildet, daß sie durch die Axialkraft, d.h. durch die Federkraft, auf die konische Stirnfläche des Spreizelementes 33 aufgeschoben werden, so daß sich die Führungselemente 30 radial nach außen spreizen.
Bei dieser Radialführung sind die Außendurchmesser der Schraubenfeder 31 des Absatzelementes 32 und des Spreizelements 33 kleiner als der der Führungshülse 29, deren Durchmesser wiederum kleiner als der Rohrdurchmesser ausgeführt ist. Dadurch berühren nur die dem Spreizelement 33 zugewandten Enden der Führungselemente 30 die Innenwand 19.
Damit sich die Radialführung 28 beim Durchführen durch das Rohr nicht in diesem verkeilt, sind die Elemente in Härterichtung gesehen in folgender Reihenfolge angeordnet: Element 32, Schraubenfeder 31, Führungshülse 29, Führungselement 30, Spreizelement 33. Bei dieser Anordnung bewirkt der zwischen Innenwand 19 und den Führungselementen 30 wirkende Reibungswiderstand so, daß die Führungshülse 29 tendenziell vom Spreizelement 33 heruntergeschoben wird, und die Führungselemente 30 radial zusammengedrückt werden können. Damit kann diese Radialführung 28 Durchmesserschwankungen ausgleichen und ist sogar geeignet, eine exakte zentrierende Führung in sich in Härterichtung verjüngenden Rohren oder bei Durchmesserschwankungen sicherzustellen. Zusätzlich können die Führungselemente 30 an ihrer Außenseite ballig ausgebildet sein (5a). Insbesondere bei Waffenrohren kann diese Verjüngung bis zu 0,08 mm bei einer Rohrlänge zwischen 200 und 1400 mm und einem Kaliber von 4–10 mm betragen. Bei größeren Kalibern und anderen Rohrlängen (z.B. bei Granatwerfern oder Haubitzen) können auch stärkere Verjüngungen ausgebildet sein.
Neben der in 5 und 5a dargestellten Radialführung gibt es auch Ausführungen, bei denen die Führungshülse 29 mit Führungselementen 30 ohne die zusätzlichen Elemente 33, 31 und 32 vorgesehen ist. Dazu können die Führungselemente 30 vorgespreizt werden, so daß sie beim Einführen in das Rohr 9 radial, elastisch zusammengedrückt werden und allein durch ihre Eigenelastizität eine entsprechende radiale Führungskraft an der Innenwand aufbringen. Die Führungselemente 30 sind – wie oben beschrieben – einstückig mit der Führungshülse 29 ausgebildet. In anderen nicht dargestellten Ausführungen sind sie aber auch als eigenständige Elemente an der Führungshülse 29 bzw. am Führungsschaft 11 selbst angebracht. Neben den beschriebenen aus Hülsensegmenten 30 gebildeten, laschenartigen Führungselementen können auch andere geeignete Führungselemente, beispielsweise aus Draht oder Federband vorgesehen, werden.
Vor dem Eintrittsende des Rohres 9, also an dem Ende, an dem das Laserlichtbündel 6 eintritt, ist ein Spülkopf 8 für Schutzgas vorgesehen, der mit einer Gasversorgung 34 verbunden ist. Das über den Spülkopf 8 zugeführte Schutzgas dient zum einen dazu, die Härtezone sowie die Spiegelfläche 18 und den Reflektorkopf 10 gegen atmosphärische Gase, insbesondere gegen Luftsauerstoff abzuschirmen. Diese Schutzgasabdeckung verhindert die ungewollte Oxidation der Härtezone und verlängert gleichzeitig die Standzeit des Reflektorkopfes 10 bzw. der Reflektorschicht 27. Zusätzlich bewirkt das zugeführte Schutzgas bei entsprechender Durchflußmenge eine äußere Kühlung.
Der in den 6 und 7 dargestellte Spülkopf 8 erfüllt also mehrere Aufgaben: Er schirmt den Rohrinnenraum und damit die zu härtende Innenwand 19 gegen atmosphärische Gase ab und erlaubt gleichzeitig den Eintritt des Laserlichtbündels 6, ohne daß eine weitere optische oder mechanische Barriere erforderlich wäre.
Der Spülkopf 8 ist zweiteilig aufgebaut: Der Außenkörper 35 ist über eine Fassung 36 in der Halterung 16 und damit auf der Grundplatte 17 relativ zum Rohr 9 befestigt. Dabei ist die Längsachse 37 koaxial zur optischen Achse 7 bzw. zur Seelenachse 12 ausgerichtet. Der Außenkörper 35 ist durchgängig mit einer sich zum Rohr hin konisch verjüngenden, koaxialen Innenfläche 38 ausgebildet. Auf der Eintrittsseite des Laserlichtbündels 6 ist ein Innenkörper 39 koaxial eingesetzt, welcher eine im wesentlichen zylindrische, durchgängige Innenbohrung 40 aufweist. Die Außenfläche 40' des Innenkörpers definiert zusammen mit der Innenfläche 38 des Außenkörpers 35 einen Ringspalt 41, welcher zum rohrseitigen Ende des Spülkopfes 8 hin in die Innenbohrring 40 des Innenkörpers 39 und dann in die rohrseitige Austrittsöffnung 42 mündet, die in das Rohr 9 mündet. Der Laserlichtstrahl kann also ungehindert durch die Innenbohrung 40 im Innenkörper 39 und die Austrittsöffnung 42 in das Rohr 9 und damit auf die Spiegelfläche 18 eingestrahlt werden.
Der Außenkörper 35 ist mit zwei Gaszufuhranschlüssen 43 versehen, die etwa tangential in den Ringspalt 41 führen. Die Zufuhranschlüsse 43 sind mit der Gasversorgung 34 verbunden. Der Innenkörper 39 weist zusätzlich mehrere Radialbohrungen 44 auf, die den zwischen Außen- und Innenkörper 35, 39 gebildeten Ringspalt 41 mit der Innenbohrung 40 im Innenkörper 39 verbinden. Die Radialbohrungen 44 sind zur Längsachse geneigt, so daß ein durch die Radialbohrungen 44 tretender Gasstrom radial nach innen und etwas gegen die Einstrahlrichtung des Laserlichtbündels 6 geneigt geführt wird. Das durch die Zufuhranschlüsse 43 zugeführte Gas tritt also in den Ringspalt 41 ein und ein Teil strömt durch die tangentiale Zufuhr durch den Ringspalt 41 zur Austrittsöffnung 42 und in das Rohrinnere. Im Rohrinneren verlaufende Felder und Züge können den Gasstrom mit einem Drall versehen. Der andere Teil des eingeleiteten Gasstroms tritt durch die Radialbohrungen 44 in die Innenbohrung 40 des Innenkörpers 39 und strömt am Eintrittsende des Laserlichtbündels aus. Dieser austretende Gasschleier verhindert das Eintreten von atmosphärischen Gasen, insbesondere von Luftsauerstoff, stellt aber kein Hindernis für das eintretende Laserlichtbündel 6 dar.
Der in das Rohr 9 eingeführte Gasstrom spült den Rohrinnenraum und verdrängt dort die atmosphärischen Gase und umspült – bei entsprechender Gestaltung des Reflektorkopfes 10 der Radialführung 28 und des Führungsschafts 11 – die gesamte Reflektoranordnung und durchströmt das zu härtende Rohr auch axial in Härterichtung. Diese erzwungene Konvektion bewirkt eine zusätzliche Kühlung der Reflektoranordnung, insbesondere des Reflektorkopfes 10.
Das Zusammenspiel der oben beschriebenen Komponenten, insbesondere auch das Zusammenspiel der Schutzgasversorgung 34, 8 mit der Reflektoranordnung 10, 11 – erlauben eine genaue und weitgehend ungestörte Laserlichtführung und Steuerung, lange Standzeiten des Reflektorkopfes 10 durch eine wirksame innere und äußere Kühlung sowie eine zuverlässige Abschirmung der Härtezone. Sowohl der Schutzgasspülkopf 8 als auch der Reflektorkopf 10 können jedoch auch unabhängig von der oben beschriebenenen Führungseinrichtung eingesetzt werden.
Der Härtevorgang selbst läuft so ab: Das Waffenrohr 9 wird mit der Halterung 15 verbunden. Der Reflektorkopf 10 wird in das Rohr 9 eingeführt und mit dem Reflektorhalter 13 auf dem Träger 14 fixiert. Dabei wird die Entfernung zwischen Reflektorkopf 10 und Laseroptik 1 eingestellt. Über den Träger 14 wird der Reflektorkopf bis zum Beginn der zu härtenden Zone der Innenwand 19 in das Rohr 9 hineingeschoben. Der Spülkopf 8 wird in der Halterung 16 befestigt und mit der Gasversorgung 34 verbunden. Die Kühlmittelzufuhr 23 und der Führungsschaft 11 wird mit der Kühleinrichtung 25 verbunden. Die Kühleinrichtung 25 wird in Betrieb genommen, so daß das Kühlfluid den Innenraum 22 des Reflektorkopfes 10 durchspült. Die Gasversorgung 34 wird geöffnet, so daß das über den Spülkopf 8 in den Innenraum des Werkstücks 9 eintretende Formier-/Kühlgas das noch im Innenraum befindliche atmosphärische Gas verdrängt und die zu härtende Innenwand 19 abschirmt. Die Laserlichtquelle 2 wird in Betrieb genommen, so daß das Laserlichtbündel 6 durch den Schutzgasspülkopf 8 auf die Spiegelfläche 18 des Reflektorkopfes 10 eingestrahlt wird, wo es an die Innenwand 19 reflektiert wird. Die Laserlichtintensität wird dabei über die zurückgestrahlte, vom Pyrometer 5 gemessene Wärmestrahlung über eine Steuerung 21 eingestellt, welche die Laserlichtquelle 2 entsprechend einem Pyrometersignal regelt.
Der Träger 14 wird zusammen mit Reflektorkopf 10 und Führungsschaft 11 sowie der Laseroptik 1 entlang der Seelenachse 12 in Härterichtung 20 verschoben, so daß das reflektierte Laserlicht die gesamte Härtezone der Innenwand 19 überstreicht. Über die Vorschubgeschwindigkeit des Trägers 14 und die Intensität des Laserlichtbündels 6 sowie durch die Geometrie und die Beschichtung 27 der Spiegelfläche 18 wird der gewünschte Härtezustand eingestellt und gesteuert.
Die Anordnung und das Verfahren sind insbesondere auch geeignet für die Härtung von Bauteilen mit niedrigem Durchmesser (Innendurchmesser ≥ 3,5 mm, Bauteillänge ≥ 10 mm), wobei die Geometrie des Reflektorkopfes 10 und die der Radialführung 28 folgendermaßen darauf abgestimmt sind: Der Durchmesser des Reflektorkopfs ist um wenigstens 0,2 mm kleiner als Innendurchmesser. Der Spitzenwinkel des Kegels beträgt zwischen 10° und 150°. Der im Ausführungsbeispiel verwendete Winkel beträgt ca. 110°. Die Reflektorkopflänge ist vom Kühlrohrdurchmesser und vom Kegelwinkel abhängig. Die zylindrische Länge sollte wenigstens etwa das Doppelte des Schaftdurchmessers betragen. Bei konkav gekrümmter Spiegelfläche wird der Krümmungsradius so eingestellt, daß das Laserlichtbündel möglichst auf eine Linie (Brennlinie) an der Innenwand fokussiert wird. Bei besonders hohen Laserstrahlintensitäten kann auch eine Defokussierung erwünscht sein. Dazu kann die Spiegelfläche dann konvex (ballig) gekrümmt sein.
Weitere Alternativen und Variationen ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der angefügten Ansprüche.

Claims

Reflektoranordnung zum Härten einer Innenfläche (19) eines Werkstücks (9) mit einem Reflektorkopf (10) zum Ablenken eines Laserlichtbündels (6) auf einen Abschnitt der Innenfläche (19), welcher über einen Schaft (11) relativ zur Innenfläche (19) verschiebbar ist, gekennzeichnet durch eine Führungseinrichtung (28), welche an der Innenfläche (19) angreift und den Reflektorkopf (10) bzgl. der Innenfläche (19) ausrichtet und führt.
Reflektoranordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Innenfläche (19) konzentrisch zu einer Seelenachse (12) verläuft und die Führungseinrichtung als Radialführung ausgebildet ist, welche den Reflektorkopf (10) in der Seelenachse (12) zentriert und koaxial zu dieser führt.
Reflektoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Führungseinrichtung (28) mehrere an der Innenfläche angreifende Führungselemente (30) aufweist.
Reflektoranordnung nach Anspruch 3, bei welcher die Führungselemente (30) elastisch an der Innenfläche (12) angreifen.
Reflektoranordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Führungselemente (30) von Hülsensegmenten gebildet werden, die an einer den Schaft (11) umgebenden Führungshülse (29) ausgebildet sind.
Reflektoranordnung nach Anspruch 5, bei welcher die Hülsensegmente (30) durch in Längsrichtung der Hülse (29) verlaufende Schlitze definiert sind.
Reflektoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welcher ein Spreizelement (33) vorgesehen ist, welches an einem Ende eine Wirkfläche aufweist, die an einer entsprechenden Wirkfläche eines Führungselements (30) angreift, so daß eine zwischen Führungselement (30) und Spreizelement (33) wirkende Axialkraft das Führungselement (30) radial nach außen drückt.
Reflektoranordnung nach Anspruch 7, bei welcher das Spreizelement (33) als den Schaft umgebende Hülse ausgebildet ist.
Reflektoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher die Wirkfläche am Spreizelement (33) konisch ausgebildet ist, an der bei wirkender Axialkraft eine entsprechende Wirkfläche des Führungselements (30) radial nach außen gleitet.
Reflektoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welcher die Axialkraft einstellbar über eine sich an einem Absatzelement (32) abstützende Feder (31) aufgebracht wird.
Reflektoranordnung nach Anspruch 10, bei welcher die Radialführung (28) in einer Härterichtung (20) gesehen hintereinander folgendes aufweist: Absatzelement (32), Feder (31), Führungshülse (29, 30), Spreizelement (33).
Reflektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher mehrere Führungseinrichtungen (28) axial hintereinander auf dem Schaft (11) angeordnet sind.
Reflektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Reflektorkopf (10) an seinem dem Laserlichtbündel (6) zugewandten Ende eine, im wesentlichen konische, Spiegelfläche (18, 18') aufweist, so daß ein auf die Spiegelfläche treffendes Laserlichtbündel (6) kranzförmig radial nach außen auf einen Innenflächenabschnitt umgelenkt wird.
Reflektoranordnung nach Anspruch 13, bei welcher die Spiegelfläche (18') eine torispärisch, konkave Krümmung aufweist.
Reflektoranordnung nach Anspruch 13 oder 14, bei welcher der Reflektorkopf (10) einen zylindrischen Außenmantel (25) aufweist, der an einem Ende an die Spiegelfläche (18, 18') anschließt, wobei die Übergangskante (26) einen Radius von 0,2–1 mm, vorzugsweise von 0,3–0,8 mm aufweist.
Reflektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Reflektorkopf (10) einen Hohlraum (22) aufweist, welcher im Betrieb von einem Kühlfluid durchspült wird.
Reflektoranordnung nach Anspruch 16, bei welcher der Schaft (11) rohrförmig ausgebildet ist, in welchem eine bis zum Hohlraum (22) reichende Kühlmittelzufuhr (23) angeordnet ist, und die Kühlmittelabfuhr zwischen Schaft (11) und Kühlmittelzufuhr (23) erfolgt.
Reflektoranordnung nach Anspruch 17, bei welcher die Kühlmittelzufuhr (23) als konzentrisch im Schaft (11) angeordnetes Rohr ausgebildet ist und so zwischen Schaft (11) und Kühlmittelzufuhr (23) ein Ringkanal (24) gebildet wird.
Reflektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher Reflektorkopf (10), Schaft (11) und Radialführung (28) so ausgebildet sind, daß zwischen Innenfläche (19) und Reflektoranordnung ein Formier-/Kühlfluid das Werkstück (9) axial durchfließen kann.
Reflektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher an einem Ende des Werkstücks (9) ein Spülkopf (8) angeordnet ist, welcher ein Formier-/Kühlfluid dem durch die Innenfläche (19) definierten Werkstückhohlraum zuführt, wobei der Spülkopf (8) so ausgebildet ist, daß eine axial angeordnete Eintrittsöffnung für das Laserlichtbündel (6) im Betrieb durch einen Formier-/Kühlfluidschleier gegen den Eintritt atmosphärischer Gase verschlossen wird.
Reflektoreinrichtung nach Anspruch 20, wobei der Spülkopf (8) eine Fluidzufuhr (43) aufweist, einen Ringkanal (41), welcher einen Teil des Fluidstroms in den Werkstückhohlraum leitet, und einen Radialkanal (44), welcher einen Teil des Fluidstroms zur Bildung des Fluidschleiers in die Laserlichteintrittsöffnung führt.
Reflektoranordnung nach Anspruch 21, bei welcher der Radialkanal (44) gegen eine Hauptströmungsrichtung (R) geneigt ist, so daß das durch den Radialkanal (44) in die Lasereintrittsöffnung strömende Kühl-/Formierfluid am Laserstrahleintrittsende austritt, so daß keine atmosphärischen Gase in das vom Hauptstrom des Kühl-/Formierfluid durchströmte Werkstückinnere eintreten können.
Einrichtung zum Härten von Werkstücken (9) mit einer Reflektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einer Laserlichtquelle (2), einer Pyrometereinrichtung (5, 21) und einer verschieblichen Trägereinheit (14, 17) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Innenfläche (19) und Reflektorkopf (10).
Einrichtung zum Härten von Werkstücken (9) nach Anspruch 23, welche zusätzlich eine Formier-/Kühleinrichtung zum Einbringen eines Formier/Kühlfluids an die zu härtende Innenfläche (19) aufweist.
Verfahren zum Härten einer Innenfläche (19) eines Werkstücks (9), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Anordnen einer Reflektoranordnung im Werkstück (9), Einstrahlen eines Laserlichtbündels (6) auf den Reflektorkopf (10), Ablenken des Laserlichtbündels (6) vom Reflektorkopf (10) auf die Innenfläche (19) des Werkstücks (9), Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Reflektorkopf (10) und dem Werkstück (9) und Ausrichten und Führen des Reflektorkopfes (10) über eine an der Innenfläche (19) angreifende Führungseinrichtung (28).