DE102016221322A1 - Cutting gas nozzle with segmented sleeve - Google Patents
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Abstract
Bei einer Schneidgasdüse (1) für einen Laserbearbeitungskopf (2) mit einem eine Düsenöffnung (7) aufweisenden Düsenkörper (5) und mit einer die Düsenöffnung (7) umgebenden Hülse (8), die am Düsenkörper (5) axial verschiebbar geführt ist und zumindest in ihrer vorderen Endstellung über den Düsenkörper (5) vorsteht, ist die Hülse (8) erfindungsgemäß aus mehreren relativ zueinander axial verschiebbar geführten Hülsensegmenten (17) zusammengesetzt.In a cutting gas nozzle (1) for a laser processing head (2) with a nozzle body (5) having a nozzle opening (7) and with a sleeve (8) surrounding the nozzle opening (7), which is guided axially displaceably on the nozzle body (5) and at least protrudes beyond the nozzle body (5) in its front end position, the sleeve (8) according to the invention from several relative to each other axially displaceably guided sleeve segments (17) composed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schneidgasdüse für einen Laserbearbeitungskopf mit einem eine Düsenöffnung aufweisenden Düsenkörper und mit einer die Düsenöffnung umgebenden Hülse, die am Düsenkörper axial verschiebbar geführt ist und zumindest in ihrer vorderen Endstellung über den Düsenkörper vorsteht.The invention relates to a cutting gas nozzle for a laser processing head with a nozzle body having a nozzle body and a nozzle opening surrounding the sleeve which is guided axially displaceably on the nozzle body and projecting at least in its front end position on the nozzle body.
Eine derartige Schneidgasdüse ist beispielsweise durch JPH10216978A oder
Für das Schneiden unterschiedlicher Materialien (Baustahl, Edelstahl, Aluminium, ...) in unterschiedlicher Materialstärke mit Hilfe eines Laserstrahls werden verschiedene Schneidgasdüsen benötigt, die unterschiedliche Außen- oder Innenkonturen, unterschiedlich geformte Düsenöffnungen und unterschiedliche Düsendurchmesser aufweisen.For the cutting of different materials (mild steel, stainless steel, aluminum, ...) in different material thickness with the help of a laser beam different cutting gas nozzles are required, which have different outer or inner contours, differently shaped nozzle openings and different nozzle diameters.
Um diese Vielfalt sowie die Häufigkeit eines notwendigen Düsenwechsels zu reduzieren, ist aus JPH10216978A eine Schneidgasdüse für einen Laserbearbeitungskopf bekannt, die durch eine Innendüse ein Schneidgas und durch eine die Innendüse umgebende Ringspaltdüse ein Hilfsgas auf die Prozessstelle lenkt. Die Ringspaltdüse kann mit Hilfe eines Schraubgewindes relativ zur Innendüse axial vor und zurück geschoben werden, um die Düsenöffnung (die Düsenquerschnittsfläche) der Ringspaltdüse zu verändern und somit die Gasströmung des Hilfsgases zu beeinflussen. Beim Laserschneiden mit schräggestellter Schneidgasdüse oder beim Laserschneiden von Werkstücken mit dreidimensionalen Konturen ist allerdings ein Spalt zwischen Werkstück und Hülse vorhanden, wodurch ein hoher Gasverlust auftritt.In order to reduce this variety and the frequency of a necessary nozzle change, JPH10216978A a cutting gas nozzle for a laser processing head is known, which directs a cutting gas through an inner nozzle and an auxiliary gas to the process site by an annular nozzle surrounding the inner nozzle. The annular gap nozzle can be pushed axially back and forth relative to the inner nozzle by means of a screw thread, in order to change the nozzle opening (the nozzle cross-sectional area) of the annular gap nozzle and thus influence the gas flow of the auxiliary gas. When laser cutting with a slanted cutting gas nozzle or when laser cutting workpieces with three-dimensional contours, however, a gap between the workpiece and sleeve is present, causing a high gas loss occurs.
Aus der
Schließlich ist aus der
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Schneidgasdüse der eingangs genannten Art während des Laserschneidprozesses den Gasverlust im Spalt zwischen Werkstück und Hülse zu reduzieren.In contrast, the present invention has the object, in a cutting gas nozzle of the type mentioned during the laser cutting process to reduce the gas loss in the gap between the workpiece and sleeve.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hülse aus mehreren relativ zueinander axial verschiebbar geführten Hülsensegmenten zusammengesetzt ist.This object is achieved in that the sleeve is composed of several relatively axially displaceable guided sleeve segments.
Erfindungsgemäß können sich die Hülsensegmente unabhängig voneinander bewegen und am Werkstück anliegen, wodurch - im Gegensatz zu einer nichtsegmentierten Hülse - ein zwischen Werkstück und Hülse vorhandener Spalt deutlich verkleinert und somit der Gasverlust reduziert ist. Dadurch kann der Absolutdruck des Schneidgases bei gleichzeitig höherem Massestrom, der in den Schnittspalt des Werkstücks gelangt, um dort die Schmelze auszutreiben, reduziert werden. Mit anderen Worten ermöglicht die segmentierte Hülse auch bei reduzierten Schneidgasdrücken einen erhöhten Gasdurchfluss im Schnittspalt, sowie eine auch Konturanpassung der Hülse an dreidimensionale Konturen bzw. an enge Konturradien des Werkstücks.According to the sleeve segments can move independently of each other and rest against the workpiece, whereby - in contrast to a non-segmented sleeve - a gap between the workpiece and sleeve gap significantly reduced and thus the gas loss is reduced. Thereby, the absolute pressure of the cutting gas at the same time higher mass flow, which enters the kerf of the workpiece to expel the melt there, can be reduced. In other words, the segmented sleeve enables increased gas flow in the kerf even at reduced cutting gas pressures, as well as contour adaptation of the sleeve to three-dimensional contours or narrow contour radii of the workpiece.
Bevorzugt sind alle Hülsensegmente unmittelbar am Düsenkörper axial verschiebbar geführt. Alternativ können aber auch nur einige der Hülsensegmente, z.B. nur jedes zweite Hülsensegment, unmittelbar am Düsenkörper axial verschiebbar geführt; an diesen Hülsensegmenten sind dann die anderen Hülsensegmente axial verschiebbar geführt, die daher nur mittelbar am Düsenkörper axial verschiebbar geführt sind.Preferably, all sleeve segments are guided axially displaceable directly on the nozzle body. Alternatively, however, only some of the sleeve segments, e.g. only every second sleeve segment, guided axially displaceably directly on the nozzle body; At this sleeve segments then the other sleeve segments are guided axially displaceable, which are therefore only axially guided axially displaceable on the nozzle body.
Weiter bevorzugt sind zumindest einige der Hülsensegmente, insbesondere alle Hülsensegmente, an ihren einander zugewandten Umfangsseiten jeweils aneinander axial verschiebbar geführt, wodurch die einzelnen Hülsensegmente gegen seitliches Verkippen gesichert sind.More preferably, at least some of the sleeve segments, in particular all sleeve segments, each guided axially displaceable on their mutually facing peripheral sides, whereby the individual sleeve segments are secured against lateral tilting.
Vorteilhaft greifen zumindest einige der Hülsensegmente, insbesondere alle Hülsensegmente, mit ihren einander zugewandten Umfangsseiten jeweils ineinander, wodurch die einzelnen Hülsensegmente gegenseitig ausgerichtet sind. Besonders vorteilhaft hintergreifen die einander zugewandten Umfangsseiten der Hülsensegmente jeweils einander in Umfangsrichtung. Beispielsweise können die Hülsensegmente miteinander verzahnt oder wechselseitig einander hintergreifen, wodurch die Hülsensegmente unverlierbar einander gehalten sind.Advantageously, at least some of the sleeve segments, in particular all sleeve segments, each engage with their mutually facing peripheral sides, whereby the individual sleeve segments are mutually aligned. Particularly advantageous to engage behind the mutually facing peripheral sides of the sleeve segments each other in the circumferential direction. For example, the sleeve segments can be interlocked with each other or alternately engage behind each other, whereby the sleeve segments are held captive each other.
Bei einer besonders bevorzugten Schneidgasdüse ist vorgesehen, dass zumindest einige der Hülsensegmente, insbesondere alle Hülsensegmente, mit im Querschnitt hakenförmigen Umfangsseiten jeweils wechselseitig ineinandergreifen und relativ zueinander axial verschiebbar geführt sind. Beispielsweise können die hakenförmigen Umfangsseiten spiralförmig gedreht sein und komplementär ineinander greifen, wobei die Spiralform mit rundem oder eckigem Konturumfang gebildet sein kann. Die sich gegenseitig hintergreifenden Spiralarme der Hülsensegmente verhindern, dass die Hülse radial nach außen auseinanderfällt. Ebenso wird durch diese Verzahnung eine gegenseitige axiale Führung der Hülsensegmente sichergestellt. Es ist möglich, die Verzahnung der Hülsensegmente auch durch andere Geometrien ihrer Umfangsseiten zu realisieren. Eine Kopplung durch eine T-förmige, oder sich in anderer Art verbreiternde, Kontur und eine komplementäre Schiene stellt eine alternative Ausführung dar.In a particularly preferred cutting gas nozzle is provided that at least some of the sleeve segments, in particular all sleeve segments, with each other in cross-section hook-shaped circumferential sides mutually intermeshed and are guided axially displaceable relative to each other. For example, the hook-shaped peripheral sides can be spirally rotated and engage in one another in a complementary manner, wherein the spiral shape can be formed with a round or angular contour periphery. The mutually engaging behind spiral arms of the sleeve segments prevent the sleeve from falling apart radially outward. Likewise, a mutual axial guidance of the sleeve segments is ensured by this gearing. It is possible to realize the toothing of the sleeve segments by other geometries of their peripheral sides. A coupling by a T-shaped, or widening in another way, contour and a complementary rail is an alternative embodiment.
Besonders vorteilhaft ist die Hülse aus identischen Hülsensegmenten zusammengesetzt, was die einfache Fertigung der Hülsensegmente durch Ablängen eines spritzgegossenen Halbzeuges mit dem oben beschriebenen Profil ermöglicht.Particularly advantageously, the sleeve is composed of identical sleeve segments, which allows the simple production of the sleeve segments by cutting an injection-molded semifinished product with the profile described above.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Hülse aus einem elektrisch nicht-leitenden Hülsenwerkstoff gebildet, z.B. aus einem Hochleistungskunststoff wie Polyetheretherketon (PEEK), der auch als Dichtungsmaterial verwendet wird. Es können aber auch andere elektrisch nicht-leitende Keramik- und Kunststoffverbindungen als Hülsenwerkstoff genutzt werden.In an advantageous embodiment, the sleeve is formed of an electrically non-conductive sleeve material, e.g. made of a high performance plastic such as polyetheretherketone (PEEK), which is also used as a sealing material. But it can also be used as a sleeve material other electrically non-conductive ceramic and plastic compounds.
Vorzugsweise sind die Hülsensegmente unabhängig voneinander jeweils in Richtung auf ihre vordere Endstellung vorgespannt, z.B. durch Federkraft oder pneumatisch. Im letzteren Fall kann derjenige Oberflächenanteil der Hülse, auf den im Betrieb ein Schneidgasdruck in Vorwärtsrichtung wirkt, größer sein als derjenige Oberflächenanteil, auf den im Betrieb der Schneidgasdruck in Rückwärtsrichtung wirkt. Beim Durchfahren eines Innen- oder Außenradius eines dreidimensionalen Werkstücks bleiben die Hülsensegmente aufgrund ihrer Vorspannung am Werkstück anliegen und gewährleisten dadurch, den Abstand von Düse zu Blech (ADB) möglichst gering zu halten. Da die Schneidgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes im Radiusbereich (mangels ausreichender Maschinendynamik) nicht konstant gehalten werden kann, ändern sich dort lokal die Schneideigenschaften. Diesem Effekt kann z.B. durch Konturumschaltung Rechnung getragen werden.Preferably, the sleeve segments are each independently biased towards their forward end position, e.g. by spring force or pneumatically. In the latter case, that surface portion of the sleeve to which a cutting gas pressure in the forward direction acts during operation may be larger than the surface portion to which the cutting gas pressure acts in the reverse direction during operation. When passing through an inner or outer radius of a three-dimensional workpiece, the sleeve segments remain due to their bias on the workpiece and thereby ensure to keep the distance from nozzle to plate (ADB) as low as possible. Since the cutting speed of the laser processing head can not be kept constant in the radius range (for lack of sufficient machine dynamics), the cutting properties locally change there. This effect can e.g. be taken into account by contour switching.
Um über leichte Stufen in der Werkstückoberfläche, wie sie z.B. durch das Kippen freigeschnittener Werkstückteile auftreten können, ohne Beschädigung hinweggleiten zu können, weist die vordere Hülsenstirnfläche der Hülse vorzugsweise innen- und/oder außenseitig eine Anlaufschräge, z.B. in Form einer 45°-Fase, auf.To pass over light steps in the workpiece surface, as e.g. may occur due to the tilting of cut workpiece parts, without being able to slide away from damage, the front sleeve end face of the sleeve preferably has on the inside and / or outside a run-on slope, e.g. in the form of a 45 ° bevel, on.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung betrifft eine Schneidgasdüse für einen Laserbearbeitungskopf mit einer Innendüse zur Ausbildung einer Kernströmung und mit einer die Innendüse umgebenden Ringspaltdüse zur Ausbildung einer Ringströmung. In diesem Fall ist die segmentierte Hülse so angeordnet, dass in dem Ringspalt der Ringspaltdüse die über die Innendüse vorstehende Hülse axial verschiebbar zwischen einer hinteren und einer vorderen Stellung geführt ist, um die Düsenquerschnittsfläche der Ringspaltdüse in den beiden Stellungen unterschiedlich weit freizugeben, insbesondere entweder zu sperren oder freizugeben.A further advantageous embodiment relates to a cutting gas nozzle for a laser processing head with an inner nozzle for forming a core flow and with an annular nozzle surrounding the inner nozzle to form a ring flow. In this case, the segmented sleeve is arranged so that in the annular gap of the annular nozzle over the inner nozzle protruding sleeve is axially slidably guided between a rear and a front position to release the nozzle cross-sectional area of the annular gap nozzle in the two positions differently wide, in particular either lock or release.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention will become apparent from the description, the claims and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:
-
1 eine erste erfindungsgemäße Schneidgasdüse mit einer verschiebbar geführten, segmentierten Hülse: -
2a ,2b die in1 gezeigte, segmentierte Hülse in einem Längsschnitt (2a ) und einer Ansicht auf ihre untere Stirnseite (2b ); -
3 die in1 gezeigte Schneidgasdüse beim Durchfahren einer innenliegenden Werkstückkontur, wobei die einzelnen Hülsensegmente der segmentierten Hülse unabhängig voneinander an der Werkstückkontur anliegen; und -
4 eine zweite erfindungsgemäße Schneidgasdüse mit einer Ringspaltdüse und mit einer verschiebbar geführten, segmentierten Hülse, die in ihren beiden Endstellungen den Düsenquerschnitt der Ringspaltdüse unterschiedlich weit freigibt.
-
1 a first cutting gas nozzle according to the invention with a slidably guided, segmented sleeve: -
2a .2 B in the1 shown, segmented sleeve in a longitudinal section (2a ) and a view on its lower end face (2 B ); -
3 in the1 cutting gas nozzle shown when passing through an internal workpiece contour, wherein the individual sleeve segments of the segmented sleeve rest independently of each other on the workpiece contour; and -
4 a second cutting gas nozzle according to the invention with an annular gap nozzle and with a displaceably guided, segmented sleeve which releases the nozzle cross-section of the annular gap nozzle to different degrees in its two end positions.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawing, identical reference numerals are used for identical or functionally identical components.
Die in
Die Schneidgasdüse
Die Düsenbohrung
Wie in
Die so segmentierte Hülse
Die Segmentierung der Hülse
Von der Schneidgasdüse
Wie in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2014/072609 A1 [0002, 0005]WO 2014/072609 A1 [0002, 0005]
- DE 19853735 C1 [0006]DE 19853735 C1 [0006]
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DE102016221322.9A DE102016221322A1 (en) | 2016-10-28 | 2016-10-28 | Cutting gas nozzle with segmented sleeve |
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