DE102007053814A1

DE102007053814A1 - Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Pleuelstangen

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Publication number: DE102007053814A1
Application number: DE102007053814A
Authority: DE
Original assignee: Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Current assignee: Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Pleuelstangen (10) mit einer einen Laser aufweisenden Kerbeinrichtung (66) zum Anbringen mindestens einer Kerbe (19, 20) an einer Pleuelstange (10), so dass die Pleuelstange (10) im Bereich der mindestens einen Kerbe (19, 20) brechbar ist. Bei einer Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass der Laser einen Faserlaser (67) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Pleuelstangen mit einer einen Laser aufweisenden Kerbeinrichtung zum Anbringen mindestens einer Kerbe an einer Pleuelstange, so dass die Pleuelstange im Bereich der mindestens einen Kerbe brechbar ist.
Pleuel oder Pleuelstangen für Verbrennungsmotoren, z. B. für Kraftfahrzeuge, sind in der Regel aus legiertem Stahlpulver als Sinterschmiedeteil oder aus legiertem Vergütungsstahl hergestellt. Im Rahmen einer Bruchtechnik werden zunächst einteilige Pleuelstangen mit einer Sollbruchstelle, nämlich einer Kerbe versehen. Sodann ist es möglich, einen Pleueldeckel von einem Pleuelfuß einer jeweiligen Pleuelstange wegzubrechen, beispielsweise hydraulisch abzusprengen bzw. zur cracken. Die dann entstehende charakteristisch körnige Bruchfläche ist individuell für eine jeweilige Pleuelstange. Für einen präzisen Sitz des Pleueldeckels auf dem Pleuelfuß befestigt man den jeweils weggesprengte Pleueldeckel wieder am zugeordneten Pleuelfuß.
Zur Herstellung der Kerbe wird häufig ein Laser-Kerbverfahren verwendet. Beispielsweise wäre es möglich, einen CO2-Laser zu verwenden. Es ist aber vorteilhaft, einen Laser mit einem Glasfaserkabel leitfähigen Laserstrahl zu verwenden. Üblicherweise werden sogenannte Nd:YAG-Laser (= Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) verwendet, deren Laserstrahl mit einem Glasfaserkabel übertragbar ist.
Nachteilig bei diesen Lasern ist es allerdings, dass die Kerben nicht optimal sind. Beispielsweise müssen verhältnismäßig starke Laserpulse erzeugt werden, damit ein ausreichender Materialabtrag pro Laserpuls realisierbar ist. Das führt wiederum zu einem sogenannten Rückspritzen des aus der Kerbe abgetragenen Materials, so dass Schutzgläser, Düsen und andere Vorrichtungen der Werkzeugmaschine stark verschmutzen. Die Qualität der Kerben ist nicht optimal.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugmaschine bereit zu stellen, bei der eine höhere Qualität von Kerben an Pleuelstangen erzielbar ist.
Bei einer Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass der Laser einen Faserlaser umfasst.
Der Faserlaser zeichnet sich dadurch aus, dass wesentliche höhere Pulsfrequenzen als bei Lasern erzielbar sind, die eine Blitzlampe zum Pumpen des Lasers aufweisen. Dadurch wird der Materialabtrag pro Puls in der Kerbe wesentlich geringer, was das Zurückspritzen ebenfalls verringert. Verschmutzung von Schutzgläsern, Düsen und anderen Bestandteilen der Werkzeugmaschine, insbesondere im Bereich eines Laseraustritts, wird dadurch verringert. Die Qualität der Kerben ist hoch.
Durch die Verwendung von Dioden zur Erzeugung des Lasers sind die Standzeiten des Faserlasers wesentlich höher als bei herkömmlichen Lasern. Selbst bei einer Jahresarbeitszeit von 20 Stunden pro Tag und einer ganzjährigen Betriebsweise ist eine Lebensdauer im Bereich von 20 Jahren zu erwarten. Der Wartungsaufwand wird dadurch signifikant kleiner.
Die Kerbeinrichtung hat zweckmäßigerweise eine Laserdüse, aus der mindestens ein Laserstrahl zum Kerben der Pleuelstange austritt. Die Laserdüse ist zweckmäßigerweise mit Druckluft gekühlt. Dementsprechend ist an der Laserdüse zweckmäßiger weise ein Anschluss zum Anschluss einer Druckluftleitung vorhanden.
Die Werkzeugmaschine hat zweckmäßigerweise eine Führungseinrichtung, mit der Laserdüse relativ zu dem Pleuelstange bewegbar ist. Alternativ wäre es auch möglich, die Pleuelstange relativ zu der Laserdüse zu bewegen. Ferner ist es möglich, sowohl die Pleuelstange als auch die Laserdüse zu bewegen, um den Laserstrahl entlang einer gewünschten Kerbe zu positionieren.
Vorteilhaft hat die Werkzeugmaschine eine Steuerung zum Ansteuern der Führungseinrichtung derart, dass die Führungseinrichtung die Laserdüse jeweils nur einmal über einen Kerbbereich zum Anbringen der mindestens einen Kerbe führt.
Die Steuerung ist zweckmäßigerweise zur einer Einstellung einer Verfahrgeschwindigkeit der Führungseinrichtung beim Anbringen der mindestens einen Kerbe in Abhängigkeit eines insbesondere einstellbaren Sollkerbtiefe und/oder in Abhängigkeit einer Leistung des Faserlasers ausgestaltet. Somit kann jeweils eine optimale Verfahrgeschwindigkeit eingestellt werden, die von der Leistung der Faserlasers abhängt. Vorteilhaft ist auch eine Regelung, die die Verfahrgeschwindigkeit der Führungseinrichtung regelt.
In der Praxis hat sich eine Verfahrgeschwindigkeit von 40 bis 70 mm pro Sekunde herausgestellt, wenn der Faserlaser etwa 50 Watt hat.
Es versteht sich, dass der Faserlaser auch andere Leistungsbereiche aufweisen kann, z. B. einen Bereich von 10 bis 100 Watt. Als ausgangsseitig optimale Arbeitsleistung des Faserlasers hat sich bei Pleuelstangen für PKW-Motoren eine Leistung von etwa 40 bis 60, insbesondere 50 Watt herausgestellt. Bei Pleuelstange für LKW-Motoren sind auch Bereiche bis oder um 200 Watt vorteilhaft.
Eine Pulsfrequenz des Faserlasers liegt vorteilhaft im Bereich mehrerer Kilohertz. Bei einen konventionellen Laser, beispielsweise dem eingangs genannten Nd:YAG-Laser liegt lediglich im Bereich von 80 bis 120 Hertz. Durch die höhere Pulsfrequenz im Bereich von Kilohertz ist der jeweilige Materialabtrag pro Laserpuls wesentlich geringer, so dass das Zurückspritzen des Materials von der Pleuelstange in Richtung beispielsweise der Austrittsdüse verringert wird.
Vorteilhaft hat die Werkzeugmaschine auch weitere Bestandteile zur Weiterbearbeitung einer jeweiligen Pleuelstange, beispielsweise eine Bohreinrichtung, eine Fräseinrichtung, eine Schraubeinrichtung und dergleichen mehr.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Werkzeugmaschine eine integrierte Fördereinrichtung zum Fördern von Pleuelstangen aus oder in einen Arbeitsbereich der Kerbeinrichtung aufweist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
1 eine teilweise schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einem Faserlaser,
2 eine Draufsicht auf eine Pleuelstange,
3 eine schematische Draufsicht der Werkzeugmaschine gemäß 1, bei der weitere Arbeitsstationen dargestellt sind, und
4 eine Laserdüsenanordnung mit zwei Laserdüsen zum gleichzeitigen Anbringen zweier Kerben.
Mit einer Werkzeugmaschine 9 sind Pleuelstangen 10 bearbeitbar. Die Werkzeugmaschine 9 hat beispielsweise eine Bohrstation 50 mit einer Fräs- oder Bohreinrichtung 86 zum Anbringen eines großen und eines kleinen Auges 11, 12 an den Pleuelstangen 10. Optional werden die beiden Augen 11, 12 an der Bohrstation 50 nachgebohrt und vorne und hinten gefast.
An einer Bohrstation 51 senkt eine Bohreinrichtung 52 zunächst Schraubenkopfauflagen 15 für Schrauben 16 und bohrt anschließend Montagebohrungen 17 für die Schrauben 16, die durch seitliche Vorsprünge 18 entlang der Pleuelstangen 10 verlaufen. Ferner ist an der Bohrstation 51 eine Gewindeschneideinrichtung 53 vorhanden, die Gewinde 23 in untere Abschnitte der Montagebohrungen 17 schneiden. In die Gewinde 23 werden die Schrauben 16 später eingeschraubt.
An die Bohrstation 51 schließt sich eine Laserstation 54 an, bei der mittels eines Lasers 55 Kerben 19 und 20 im Bereich des großen Auges 11 angebracht werden. Die Kerben 19, 20 verlaufen entlang einer Linie 24, das heißt quer zur Schaftrichtung 13.
Sodann fördert eine Fördereinrichtung 60, beispielsweise ein Roboter, die Pleuel 10 zu einer Brechstation 57, wo eine Brecheinrichtung 58 einen Deckel 25 von einem Pleuelfuß 26 der Pleuel 10 abbricht. Dabei entsteht eine entlang der Kerben 19, 20 verlaufende Bruchlinie. Sodann werden die Pleuel 10 unmittelbar wieder montiert, wobei an einem jeweiligen Pleuelfuß 26 der zugehörige Deckel 25 mittels zweier Schrauben 16 befestigt wird.
Eine Fördereinrichtung 59, z. B. ein Förderband, dient zum Fördern der Pleuelstangen 10 zu der Werkzeugmaschine 9 oder von dieser weg. Ein Roboter 61 bringt die Pleuelstangen 10 in einen Arbeitsbereich der Werkzeugmaschine 9.
Die Fördereinrichtung 60 der Werkzeugmaschine 9 enthält beispielsweise einen Roboter, ein Förderband oder einen Rundtisch, der Paletten 62 zum Halten jeweils einer Pleuelstange 10 von einer der Stationen 50, 51, 54, 57 zur nächsten fördert. Die Pleuelstangen 10 werden beispielsweise von Haltebacken 63 einer Halteanordnung 64 einer Palette 62 gehalten.
Mit Hilfe der Fördereinrichtung 60 sind die Pleuelstangen 10 in einen Arbeitsbereich 65 einer Kerbeinrichtung 66 der Laserstation 54 bringbar bzw. aus dem Arbeitsbereich 65 wieder herausförderbar.
Die Kerbeinrichtung 66 umfasst einen Faserlaser 67 zum Erzeugen eines Laserstrahls 68. Ein Glasfaserkabel 69 führt den Laserstrahl 68 zu einer Laserdüse 70 mit einer Austrittsspitze 71, aus der der Laserstrahl 68 zum Anbringen der beiden Kerben 19 und 20 austritt.
Der Faserlaser 67 hat eine Diodenanordnung 72 mit mehreren Dioden zur Erzeugung des Laserstrahls 68. Die Diodenanordnung 72 arbeitet gepulst in einem Arbeitsbereich von beispielswei se 10 bis 100 Kilohertz. Diese hohe Pulsfrequenz ist vorteilhaft, da dann die einzelnen Laserpulse zum Anbringen der Kerben 19, 20 eine verhältnismäßig geringe Energie aufweisen müssen. Das von der Diodenanordnung 72 erzeugte Licht wird in einen Faserblock 73 eingespeist, der eine oder mehrere dotierte Glasfasern aufweist.
Im Innern der Laserdüse 70 können optional optische Bauelemente angeordnet, z. B. ein Spiegel 74 zum Umlenken des Laserstrahls 68, der an einem Anschluss 75 für das Glasfaserkabel 69 in die Laserdüse 70 eindringt. Ferner kann die Strahlqualität des Laserstrahls 68 in der Laserdüse optimiert werden, beispielsweise durch eine Linsenanordnung 76 mit einer Zerstreungslinse 77 und einer Sammellinse 78 zum Streuen und Bündeln beziehungsweise Fokussieren des Laserstrahls 68, siehe z. B. 4.
Zum Kühlen und zum Freihalten der Austrittsspitze 71 ist es vorteilhaft, wenn Druckluft aus einer Druckluftquelle 79 an einem Drucklufteingang 80 eingespeist wird und im Bereich der Austrittsspitze 71 aus der Laserdüse 70 austritt.
Eine Führungseinrichtung 81, die von einer Steuerung 82 gesteuert wird, führt die Laserdüse 70 an Kerbbereichen 21, 22 entlang, wo die Kerben 19, 20 entstehen sollen. Die Führungs einrichtung 81 kann beispielsweise eine Linearführung, und/oder wie beim Ausführungsbeispiel, Gelenkarme 83, 84 enthalten.
Die Steuerung 82 steuert die Führungseinrichtung 81 derart, dass die Laserdüse 70 jeweils nur einmalig über die beiden Kerbbereiche 21, 22 geführt wird. Dabei wird die Verfahrgeschwindigkeit derart eingestellt, dass die Kerbtiefe der beiden Kerben 19, 20 zum späteren Brechen an der Brechstation 57 ausreichend ist. Wenn der Faserlaser 67 eine höhere Leistung aufweist, kann die Verfahrgeschwindigkeit höher sein. Bei geringerer Leistung wird die Verfahrgeschwindigkeit der Laserdüse 70 entsprechend verringert.
Durch das hochfrequente Pulsen des Laserstrahls 68 entstehen auch bei höherer Verfahrgeschwindigkeit durchgehende Kerben. In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass das einmalige Überfahren der Kerben 19, 20 gute Ergebnisse bringt, während bei mehrmaligen Überfahren der Kerbbereiche 21, 22 verschlackte und nur eine geringe Tiefe aufweisende Kerben entstehen.
Die Steuerung 82 enthält ferner ein Regelungsmodul 85 zur Regelung der Verfahrgeschwindigkeit der Führungseinrichtung 81 beim Anbringen der beiden Kerben 19, 20.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind ohne weiteres möglich. Beispielsweise hat eine Laserdüsenanordnung 90 eine erste und eine zweite Laserdüse 70a, 70b zum gleichzeitigen Anbringen zweier einander gegenüberliegender Kerben, z. B. der Kerben 19, 20.

Claims

Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Pleuelstangen (10) mit einer einen Laser aufweisenden Kerbeinrichtung (66) zum Anbringen mindestens einer Kerbe (19, 20) an einer Pleuelstange (10), so dass die Pleuelstange (10) im Bereich der mindestens einen Kerbe (19, 20) brechbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser einen Faserlaser (67) umfasst.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbeinrichtung (66) eine Laserdüse (70; 70a, 70b) aufweist, aus der mindestens ein Laserstrahl (68) zum Kerben (19, 20) der Pleuelstange (10) austritt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Führungseinrichtung (81) zum Führen der Laserdüse (70; 70a, 70b) relativ zu der Pleuelstange (10) und/oder zum Führen der Pleuelstange (10) relativ zu der Laserdüse (70; 70a, 70b) aufweist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdüse (70a, 70b) einen Bestandteil einer Laser düsenanordnung (90) mit mindestens zwei Laserdüsen (70a, 70b) zum gleichzeitigen Anbringen von mindestens zwei Kerben (19, 20) bildet.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuerung (82) zum Ansteuern der Führungseinrichtung (81) derart aufweist, dass die Führungseinrichtung (81) die Laserdüse (70; 70a, 70b) jeweils nur einmalig über einen Kerbbereich (21, 22) zum Anbringen der mindestens einen Kerbe (19, 20) führt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (82) zu einer Einstellung einer Verfahrgeschwindigkeit der Führungseinrichtung (81) beim Anbringen der mindestens einen Kerbe (19, 20) in Abhängigkeit einer insbesondere einstellbaren Soll-Kerbtiefe und/oder einer Leistung des Faserlasers (67) ausgestaltet ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (82) eine Regelung (85) zur Einstellung der Verfahrgeschwindigkeit der Führungseinrichtung (81) aufweist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (82) die Verfahrge schwindigkeit bei einer Leistung des Faserlasers (67) von etwa 50 Watt auf 40 bis 70 mm pro Sekunde einstellt.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausgangsseitige Arbeitsleistung des Faserlasers (67) in einem Bereich von 10 bis 200 Watt liegt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsleistung des Faserlasers (67) im Bereich von 40 Watt bis 100 Watt liegt.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (67) eine Pulsfrequenz im Bereich mehrerer Kilohertz aufweist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (67) eine Pulsfrequenz von 20 kHz–100 kHz, insbesondere 40 kHz–60 kHz, aufweist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Brecheinrichtung (58) zum Brechen der Pleuelstange (10) im Bereich der mindestens einen Kerbe (19, 20) aufweist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Bohreinrichtung (52) und/oder mindestens eine Fräseinrichtung (86) zum Bohren beziehungsweise Fräsen von Pleuelstangen (10) aufweist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fördereinrichtung (60) zum Fördern von Pleuelstangen (10) in einen Arbeitsbereich (65) der Kerbeinrichtung (66) hinein und/oder aus dem Arbeitsbereich (65) der Kerbeinrichtung (66) heraus aufweist.
Verfahren zur Bearbeitung von Pleuelstangen (10) mit einer einen Laser aufweisenden Kerbeinrichtung (66) zum Anbringen mindestens einer Kerbe (19, 20) an einer Pleuelstange (10), so dass die Pleuelstange (10) im Bereich der mindestens einen Kerbe (19, 20) brechbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserlaser (67) verwendet wird.