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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur laserunterstützten spanenden Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen mittels eines rotierenden Werkzeugs mit einer geometrisch bestimmten Schneide, wobei das jeweilige Werkstück beim Zerspanungsvorgang durch Lasereinwirkung lokal entfestigt wird, indem ein Laserstrahl durch eine Bohrung im Werkzeug auf das Werkstück geleitet wird.
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Nachdem für die Metallbearbeitung über Jahrzehnte überwiegend konventionelle Verfahren genutzt worden sind, werden diese zunehmend durch neuartige technische Lösungen ergänzt oder ersetzt. Ein diesbezüglich typisches Beispiel ist die Lasertechnik, die zu einer Vielzahl moderner Bearbeitungsverfahren wie Laserschweißen, Laserhärten, Lasersintern und dergleichen geführt hat. Neben solchen völlig neuen Verfahren werden auch für an sich bewährte Bearbeitungsverfahren vielfach zusätzliche Laserkomponenten eingesetzt, um wesentliche Parameter (Werkstoffeigenschaften, Qualität, Zeitaufwand usw.) zu verbessern.
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Für derartige Kombinationen der Lasertechnik mit klassischen Verfahren zur Bearbeitung von Werkstoffen, die auch als hybride Fertigungsverfahren bezeichnet werden, ist gegenwärtig insbesondere bei der spanenden Bearbeitung metallischer und keramischer Werkstoffe ein großes Entwicklungspotenzial ersichtlich. Dabei erfolgt eine Laserunterstützung bei der Zerspanung zur lokalen Entfestigung von schwer zerspanbaren Werkstoffen unmittelbar vor bzw. beim Werkzeugeingriff mit dem Ziel, die Zerspanung bestimmter Werkstoffe überhaupt zu ermöglichen oder deutlich zu erleichtern. Der Effekt der laserunterstützten Zerspanung beruht auf der Entfestigung der Werkstoffe unter Temperatureinfluss. Dies bewirkt beispielsweise erheblich reduzierte Prozesskräfte, signifikant gesteigerte Abtragsraten, deutlich längere Werkzeugstandzeiten oder auch einen teilweise möglichen Verzicht auf Fertigungshillfsstoffe.
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DE 199 62 126 B4 beschreibt ein Verfahren zur Werkstückbearbeitung durch Abtragen mit einem laserstrahlunterstützten Rotationswerkzeug. Die Laserstrahlung wird in mindestens eine im Rotationswerkzeug angeordnete Glasfaser eingeleitet und über diese Glasfaser zu einer Austrittslinse geführt. Das Rotationswerkzeug ist als Trennscheibe ausgeführt, bei der die Laserstrahlen entlang des Scheibenumfangs austreten.
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Aus
DE 196 13 183 C1 ist eine technische Lösung zum Feindrehen eines Werkstücks aus einem härtbaren Stahl bekannt, wobei Laserstrahlen über Glasfasern einem feststehenden Drehmeißel zugeführt werden. Die Laserstrahlung tritt unmittelbar hinter der Schneide an der Freifläche aus und bewirkt eine Härtung nach dem Schnitt.
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WO 2004/016 386 A1 beschreibt eine Fräse, bei der Laserstrahlen über Lichtleitfasern bis zum Werkzeugkopf geführt werden. Die Laserstrahlung soll das Werkstück bis zur Duktilität erwärmen, bevor die Schneide in das Material des Werkstücks eingreift. Die Lichtleitfasern durchlaufen den Werkzeugschaft exzentrisch und werden daher um die Drehachse kreisend bewegt. Problematisch ist jedoch die Einkopplung der Laserstrahlung in die vorgelagerten Bauteile, die hier aufwändige Maßnahmen zur Umleitung der Laserstrahlung erfordert um zu verhindern, dass die Strahleinkopplung während der Rotation teilweise unterbrochen wird.
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Aus
DE 101 28 536 C2 ist eine weitere Variante zum Fräsen mit Laserstrahlunterstützung bekannt. Hierbei wird die Laserstrahlung über eine von der Fräse getrennte Einrichtung der Bearbeitungsstelle zugeführt. Dadurch kann die Laserstrahlung jedoch nicht direkt vor der Schneide wirken, so dass für eine wirksame Materialerwärmung wesentlich mehr Energie benötigt wird.
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DE 10 2009 008 284 A1 betrifft ein Verfahren zur laserunterstützten, spanenden Bearbeitung von hochfesten Werkstoffen mittels eines rotierenden Werkzeugs mit einer geometrisch bestimmten Schneide, bei dem das Werkzeug an einer Antriebswelle fixiert ist. Das jeweilige Werkstück wird vor dem Schneidvorgang mittels Lasereinwirkung lokal entfestigt, indem während der Bearbeitung mindestens ein Laserstrahlbündel durch eine Bohrung im Werkzeug auf das Werkstück geleitet wird. Die hier verwendete Vorrichtung umfasst ein an einer Antriebswelle angeordnetes und rotierend antreibbares Werkzeug mit mindestens einer geometrisch bestimmten Schneide. Die Antriebswelle weist eine durchgehende Bohrung zur Durchleitung von Laserstrahlen auf und optische Mittel zur Einkopplung mindestens eines Strahlbündels in die Antriebswelle. Hierbei ist eine freie Strahlführung im Werkzeug vorgesehen, so dass eine Anwendung für Bearbeitungsvorgänge, die eine Zuführung von Hilfsstoffen erfordern, nicht möglich ist.
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Trotz der Vielzahl bereits bekannter Kombinationen von konventionellen Verfahren für eine spanende Bearbeitung mit zusätzlicher Lasertechnik besteht aktuell ein Entwicklungsbedarf, um die Vorteile derartiger hybrider Fertigungsverfahren für weitere Anwendungen zu nutzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue technische Lösung zur Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe zu schaffen, bei der insbesondere Aspekte einer kontinuierlichen Hilfsstoffzuführung zum Abtransport der Späne und vorzugsweise große Werkzeuglängen berücksichtigt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren zur Erstellung von Tieflochbohrungen angewendet wird, wobei zunächst eine zentrische Strahleinkopplung in das Bearbeitungswerkzeug und nachfolgend eine Strahlleitung über ein geschlossenes System derart erfolgt, dass der Strahlaustritt am Bearbeitungswerkzeug derart ausführbar ist, dass eine Entfestigung in einem Bereich zwischen Bohrungsmittelpunkt und Bohrungswand bewirkbar ist. Hierfür ist eine Vorrichtung geeignet, die eine Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Tieflochbohrers umfasst, der einen Werkzeugspannschaft mit einem inneren Hohlraum, einen Werkzeugschaft mit einer Spannut und einen Werkzeugkopf mit einer Schneide aufweist, wobei der Hohlraum im Werkzeugspannschaft mit einer Laserstrahlzuführung in Wirkverbindung steht, deren Strahlung über eine Optik in einen Lichtwellenleiter einkoppelbar und durch den Werkzeugschaft zum Werkzeugkopf leitbar ist, wobei im Werkzeugschaft benachbart zum Werkzeugkopf eine Auskoppeloptik angeordnet ist und wobei der Werkzeugkopf an der stirnseitigen Kontur eine Öffnung aufweist, über welche die Laserstrahlung nach der Auskoppeloptik geformt austritt und auf das zu bearbeitende Material gelenkt werden kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, die in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Die erfindungsgemäße technische Lösung ermöglicht neue Anwendungen zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen mit langen Werkzeugen, bei denen kontinuierliche Hilfsstoffzuführungen zum Abtransport der Späne notwendig sind. Folglich können hybride Zerspanungsverfahren nunmehr auch für das Tieflochbohren eingesetzt werden. Dabei können in vorteilhafter Weise auch schwer zerspanbare Werkstoffe, die diesem Verfahren bisher kaum oder nicht zugänglich sind, bearbeitet werden. Dies betrifft beispielsweise Titan- und Nickelbasislegierungen, bei deren Bearbeitung nunmehr erhebliche Wirtschaftlichkeitsverbesserungen hinsichtlich Zerspanungsleistung, Werkzeugverschleiß und Verlaufsbeeinflussung möglich sind, aber auch Keramiken, die durch die thermische Entfestigung überhaupt erst bearbeitbar werden.
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Vom Tieflochbohren in der Zerspanung spricht man bei Länge/Durchmesser-Verhältnissen der Bohrungen von 10 und größer. Die bisher hierfür genutzten Zerspanungsverfahren arbeiten mit ein- oder zweischneidigen Werkzeugen und Hilfsstoffanwendung. Hilfsstoffe sind bekanntlich spezielle Tiefbohröle, Öl-in-Wasser-Emulsionen oder Druckluft, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung primär Druckluft als Hilfsstoff vorgesehen ist. Der gänzliche Verzicht auf einen Hilfsstoff ist beim Tieflochbohren nicht relevant, da der Hilfsstoff auch die Funktion hat, die Späne unter hohem Druck aus der Bohrung zu transportieren.
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Beim Einlippenverfahren wird der fluide Hilfsstoff im Falle einer Flüssigkeit mit Drücken bis 150 bar innerhalb des Werkzeuges zur Bohrerspitze gedrückt und tritt dort durch eine nierenförmige bzw. eine oder mehrere kreisrunde Öffnungen aus. Der Strom eines flüssigen oder gasförmigen Mediums fördert über eine am Umfang des Bohrers verlaufende Spannut, die gerade oder spiralisiert sein kann, die Späne aus der Bohrung heraus. Das Einlippenverfahren bietet demzufolge günstige Voraussetzungen für das lasergestützte Tieflochbohren.
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Die bekannten Einlippenbohrer bestehen entweder komplett aus Hartmetall oder verfügen nur über einen vorderen Hartmetallbereich an der Bohrerspitze, der angelötet ist. Im Verschleißfall werden diese Bohrer durch Erneuern der Hartmetallspitze regeneriert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, als Tieflochbohrer Werkzeuge mit Wechselköpfen zu verwenden, bei denen der Bohrkopf beispielsweise mit einem Bajonett-Klemmsystem gewechselt werden kann. Somit können auf dem Werkzeuggrundkörper, der beim Wechseln in der Maschine eingespannt bleibt, Köpfe unterschiedlicher Schneidstoffe und Beschichtungsvarianten, Umfangsprofilen, Kopfgeometrien oder Spanformern befestigt werden. Daraus ergeben sich Vorteile bei der Wirtschaftlichkeit sowie eine hohe Werkzeugflexibilität. Für das Tieflochbohren bieten solche mit Wechselköpfen ausgerüstete Werkzeuge demzufolge bessere Voraussetzungen als die bisher üblichen gelöteten oder Vollhartmetall-Tieflochbohrer, weil man das Strahlführungssystem im Bohrerschaft im Regenerierungsfall erhalten kann und die aktive Hartmetallspitze des Bohrers hinsichtlich der Hartmetallauswahl und der Beschichtung an den jeweils konkreten schwer zerspanbaren Werkstoff anpassen kann. Bei Nutzung solcher Werkzeuge sind für die vorgeschlagene technische Lösung Bohrungsdurchmesser bis 40,0 mm realisierbar.
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Von der Laserquelle durch die Spindel bis zur Werkzeugaufnahme kann die Führung des Lasers ähnlich wie beim bekannten lasergestützten Fräsen erfolgen, d. h., entweder fasergeführt oder als freier Strahl. In der Werkzeugaufnahme erfolgt dann die Führung als freier Strahl mit einer entsprechenden Optik oder fasergeführt. Nach Durchleitung durch die Werkzeugaufnahme wird der Laserstrahl mit einer entsprechenden Optik in einen im Werkzeug präzis mittig geführten Faserleiter eingekoppelt. Jeweils an den Trennstellen, also zwischen der Spindel und der Werkzeugaufnahme sowie zwischen der Werkzeugaufnahme und dem Werkzeug, wird der Laserstrahl frei durch optische Systeme geführt. Er wird an diesen Stellen also vorzugsweise fokussiert bzw. kollimiert.
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Die Strahlführung im eventuell auch sehr langen Werkzeug, das zusätzlich neben dem Strahlführungssystem auch den Hochdruck-Hilfsstoffstrom im inneren Hohlraum aufnimmt, erfolgt ausgehend von der Werkzeugaufnahme zentrisch. Hingegen ist an der Bohrerspitze ein exzentrisch angeordneter Strahlausgang in Richtung zum Bohrungsgrund vorgesehen.
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Mit der beschriebenen konstruktiven Ausgestaltung zur Einkopplung der Laserstrahlen in den Tieflochbohrer, der Strahlführung im Werkzeug und dem Strahlaustritt an der Bohrungsspitze im Bohrungsgrund wird mittels entspr. Optok Design eine ausreichende Laserintensität für die notwendige Entfestigung des Materials im Werkstück zur Verfügung gestellt. Somit werden grundlegende Probleme zur Anwendung des lasergestützten Tieflochbohrens gelöst.
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Für die Faserführung werden vorzugsweise Laserwellenleiter eingesetzt, z. B. für Nd-YAG-Bearbeitungslaser mit bis zu 2000 W Leistung. Alternativ können auch photonische Kristallfasern oder laseraktive Fasern mit Resonatorfunktion eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung in teilweise geschnittener Seitenansicht
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2 eine Ansicht auf die Stirnseite des Werkzeugkopfes aus Blickrichtung ”A”
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3 eine Ansicht auf den Querschnitt des Werkzeugschafts entlang der Linie ”B-B”
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Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zur laserunterstützten spanenden Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen mittels eines rotierenden Werkzeugs mit einer geometrisch bestimmten Schneide konzipiert. Die Rotationsrichtung des Werkzeugs ist in 1 mit einem Pfeil stilisiert. Das zu bearbeitende Werkstück wird vor dem Schneideneingriff durch Lasereinwirkung lokal entfestigt, indem der Laserstrahl durch eine Bohrung im Werkzeug auf das Werkstück geleitet wird.
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Hierfür weist die Vorrichtung eine Werkzeugaufnahme 2 zur Aufnahme eines Tieflochbohrers 1 auf. Der Tieflochbohrer 1 umfasst einen Werkzeugspannschaft 1b mit einem inneren Hohlraum, einen Werkzeugschaft 1a mit einer Spannut 11 und einen Werkzeugkopf 1c mit einer Schneide 10. Der Werkzeugkopf 1c ist vorzugsweise lösbar mit dem Werkzeugschaft 1a verbunden.
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Der Hohlraum im Werkzeugspannschaft 1b steht mit einer Laserstrahlzuführung 5 in Wirkverbindung, deren Strahlung über eine Optik 6 in einen Laserwellenleiter 7 einkoppelbar ist. Im weiteren Verlauf kann diese Strahlung im Laserwellenleiter durch den Werkzeugschaft 1a zum Werkzeugkopf 1c geleitet werden. Hierbei ist im Werkzeugschaft 1a benachbart zum Werkzeugkopf 1c eine Auskoppeloptik 9 zur Strahlformung angeordnet. Außerdem weist der Werkzeugkopf 1c an seiner stirnseitigen Kontur eine Öffnung 12 auf, über welche die Laserstrahlung nach der Auskoppeloptik 9 austreten kann und auf das zu bearbeitende Material auftrifft.
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Im inneren Hohlraum des Werkzeugspannschaftes 1b sind eine Strahlenkammer 8 und eine Fluidkammer 4 ausgestaltet. Weiterhin sind im Werkzeugschaft 1a eine Fluidkammer 4 und ein baulich von dieser getrenntes Führungsrohr 14, das den mit Cladding 15 umgebenen Laserwellenleiter aufnimmt, ausgestaltet.
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Der Fluidkammer 4 ist eine Baugruppe 3 zugeordnet, über die ausgehend von einem Zulauf 3a ein Hilfsstofffluid durch den Werkzeugschaft 1a zum Werkzeugkopf 1c zuführbar ist. Dieses Hilfsstofffluid kann am Werkzeugkopf 1c über eine Öffnung 13 austreten, so dass über die Spannut 11 die Späne aus dem Bohrloch heraus transportiert werden. Als Hilfsstofffluid wird vorzugsweise Druckluft aber auch unbrennbare Flüssigkeiten verwendet.
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Diese Vorrichtung kann insbesondere zur Erstellung von Tieflochbohrungen angewendet werden. Hierbei erfolgt zunächst eine zentrische Strahleinkopplung in das Werkzeug und nachfolgend eine Strahlleitung über ein geschlossenes System, so dass der Strahlaustritt am Werkzeug derart ausführbar ist, dass eine Entfestigung in einem Bereich zwischen dem Bohrungsmittelpunkt und der Bohrungswand bewirkt wird. Dabei wird zur Erstellung der Tieflochbohrungen vorzugsweise das Einlippenverfahren angewendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tieflochbohrwerkzeug
- 1a
- Werkzeugschaft mit Spannut
- 1b
- Werkzeugspannschaft
- 1c
- Werkzeugkopf mit Schneide
- 2
- Werkzeugaufnahme
- 3
- Zuführung Hilfsstofffluid
- 3a
- Fluidzulauf
- 4
- Fluidkammer
- 5
- Laserstrahlzuführung
- 6
- Einkoppeloptik
- 7
- Laserwellenleiter
- 8
- Strahlenkammer
- 9
- Sitz der End-(Auskoppel-)Optik
- 10
- Hauptschneide
- 11
- Spannut
- 12
- Laserstrahlaustrittsöffnung
- 13
- Fluidaustrittsöffnung
- 14
- Führungsrohr
- 15
- Cladding
- 16
- Lichtleitfaser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19962126 B4 [0004]
- DE 19613183 C1 [0005]
- WO 2004/016386 A1 [0006]
- DE 10128536 C2 [0007]
- DE 102009008284 A1 [0008]
