DE102023104504A1

DE102023104504A1 - Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und Werkstück

Info

Publication number: DE102023104504A1
Application number: DE102023104504.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dürr; Bruno Frei; M. Rudolf von Niederhäusern
Original assignee: Coherent Switzerland AG
Current assignee: Coherent Switzerland AG
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2023-02-23
Publication date: 2023-06-01
Also published as: EP2555904A1; DE102010014085A1; BR112012025493A2; CN102939182B; KR20130055592A; KR101609654B1; CN102939182A; DE102010014085B4; MX2013011618A; WO2011124627A9; MX2012011690A; WO2011124627A1

Abstract

Offenbart sind ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück. Erfindungsgemäß werden beispielsweise der Lasertyp, die Impulsrate, die Impulsdauer, das Werkstückmaterial und/oder die Laserleistung so gewählt, dass der Abstand der Kerbabschnitte wesentlich größer ist als derjenige Kerbabstand, der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls und/oder des Werkstücks und der Impulsrate des Lasers ergeben würde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück.
In der EP 0 808 228 B2 ist ein gattungsgemäßes Bruchtrennverfahren beschrieben, bei dem in einem bruchzutrennenden Pleuelauge mittels Laserenergie eine die Bruchebene vorgebende Kerbe ausgebildet wird. Diese Kerbe besteht aus einer Vielzahl von Kerbabschnitten, deren Abstand sich im Wesentlichen aus der Impulsrate des Lasers und der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls mit Bezug zum Pleuelauge ergibt. Es zeigte sich, dass durch diese Kerbabschnitte die Kerbwirkungszahl gegenüber durchgehenden Kerben ganz erheblich erhöht werden kann, so dass eine Ausbildung einer Kerbe mit vergleichsweise geringer Laserleistung ermöglicht ist. Durch diese geringe Laserleistung und die damit einhergehende geringe eingebrachte Wärmeenergie wird eine unerwünschte, tiefgehende Gefügeänderung im Kerbbereich vermieden, wobei lediglich gewisse Randzonen der Kerbe eine Gefügeumwandlung erfahren und somit das Bruchtrennverhalten verbessern.
In der DE 2005 031 335 A1 wird ein verbessertes Verfahren beschrieben, bei dem die Kerbe nicht gerade sondern sinusförmig mit gerade verlaufenden Endabschnitten ausgebildet ist. Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch eine derartige Kerbgestaltung das Bruchtrennverhalten nochmals verbessert werden kann.
Ein gewisser Nachteil der vorbeschriebenen Vorgehensweise ist, dass - wie erläutert - die Vorschubgeschwindigkeit und die Impulsrate so aufeinander abgestimmt sein müssen, dass sich die das Kerbverhalten verbessernden Kerbabschnitte ausbilden.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das mit geringem Aufwand eine Erstellung von Kerbabschnitten einer Bruchtrennkerbe ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und durch ein Werkstück mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 8 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird - ähnlich wie bei herkömmlichen Vorgehensweisen - eine Laserkerbe mittels Laserenergie ausgebildet, wobei diese Kerbe eine Vielzahl von Kerbabschnitten aufweist. Erfindungsgemäß werden der Lasertyp, die Impulsrate, das Werkstückmaterial und die Laserleistung so aufeinander abgestimmt, dass der Abstand der Kerbabschnitte wesentlich größer ist als derjenige Kerbabstand, der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit, der Relativbewegung und der Impulsrate (Frequenz) des Lasers ergibt.
Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch geeignete Auswahl der oben genannten Kriterien auch bei sehr hoher Impulsrate und schnellem Vorschub noch eine mit einer Perforation versehene Kerbe herstellen lässt, wobei dieser Kerbabstand dann wesentlich größer als der rechnerische Kerbabstand ist. Diese Verfahrensweise birgt den Vorteil in sich, dass ein hochfrequenter Laser mit sehr hoher Vorschubgeschwindigkeit verwendet werden kann, so dass die Ausbildung der Laserkerbe wesentlich schneller und mit geringerem Wärmeeintrag als bei herkömmlichen Lösungen erfolgen kann.
Dabei kann der Laser gegenüber dem stillstehenden Werkstück bewegt werden, in kinematischer Umkehr kann jedoch auch das Werkstück gegenüber dem stillstehenden Laser bewegt werden, auch Mischformen sind vorteilhaft. Der Laserstrahl kann radial, d. h., senkrecht zur Bruchtrennkerbe oder schräg zur Bruchtrennkerbe eingelenkt werden.
Bei einer radialen Einlenkung stehen die Kerbabschnitte somit senkrecht zur Kerbachse, während sie bei einer schrägen Einlenkung schräg zur Kerbachse angestellt sind.
Bei einer Variante der Erfindung beträgt der tatsächliche, sich aufgrund der Wahl der Parameter einstellende Kerbabstand mehr als das 10-fache des rechnerischen Kerbabstandes, der sich aus der Impulsrate und der Vorschubgeschwindigkeit ergibt.
Bei geeigneter Wahl lässt sich sogar ein um das 50-fache größerer Kerbabstand erzielen.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn als Laser ein sogenannter Faserlaser verwendet wird. Derartige Faserlaser sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass auf detaillierte Beschreibungen des Aufbaus verzichtet werden kann.
Bei einer Variante der Erfindung wird ein Laser mit einer mittleren Leistung von weniger als 50 Watt und einer Impulsrate von wesentlich mehr als 1 KHz, vorzugsweise mehr als 10 KHz verwendet, wobei der Vorschub bei mehr als 1000 mm/min betragen kann. Dem gegenüber liegt die Impulsrate bei herkömmlichen Verfahren in etwa der gleichen Größenordnung, wobei die Impulsfrequenz deutlich länger, beispielsweise 50 bis 140 Hz beträgt.
Wie bereits erwähnt, kann der Laserstrahl schräg oder senkrecht, d. h., radial zur Kerbachse eingeleitet werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstrecken sich die Kerbabschnitte aus einer durchgehenden Kerbbasis heraus.
Das nach dem Verfahren hergestellte Werkstück kann beispielsweise ein Pleuel oder ein Kurbelwellengehäuse oder ein sonstiges Werkstück sein, bei dem ein Lagerauge oder ein sonstiger Bereich mittels eines Bruchtrennverfahrens getrennt werden soll.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Bruchtrennkerbe in einem großen Pleuelauge;
2 eine stark vergrößerte Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bruchtrennkerbe und
3 eine entsprechende Darstellung mit veränderter Laserleistung und/oder Impulsrate.

1 zeigt eine Schnittdarstellung eines großen Pleuelauges 1, das durch Bruchtrennen in eine Lagerschale und einem pleuelstangenseitigen Teil getrennt werden soll. Der Verlauf dieser Bruchtrennebene 2 wird durch zwei diametrale Bruchtrennkerben 4 vorgegeben (nur eine gezeigt in 1), die vorzugsweise in Form einer Perforation mit einer Vielzahl von Kerbabschnitten 6 ausgebildet ist. Wie im eingangs beschriebenen Stand der Technik erläutert, wird nach Ausbilden der Bruchtrennkerben 4 in der 1 linken und rechten Wandung des Pleuelauges 1 ein Spreizdom in das Pleuelauge eingesetzt und dann durch geeignetes Spreizen des Spreizdorns und Abstützen des Pleuelauges die Lagerschale von dem stangenseitigen Teil des Pleuels getrennt, wobei die entstehende Bruchtrennebenengeometrie aufgrund der Gefügestruktur das passgenaue Zusammensetzen der beiden Teile vereinfacht.
Zur Ausgestaltung der Bruchtrennkerbe 4 wird erfindungsgemäß ein Faserlaser verwendet, dessen Laserkopf 8 in 1 schematisch dargestellt ist. Derartige Faserlaser können im Prinzip diodengepumpte Festkörperlaser sein, wobei ein Kern einer Glasfaser das aktive Medium ausbildet. Dabei wird die Strahlung des Festkörperlasers über eine Koppelung in die Faser eingeleitet, in der dann die eigentliche Laserverstärkung stattfindet. Die Strahleigenschaften und die Strahlqualität des Lasers kann über die Geometrie der Faser (Glasfaser) eingestellt werden, so dass der Laser weitestgehend unabhängig von äußeren Einflüssen bleibt und einen sehr einfachen Aufbau zeigt.
Nach dem Austritt aus der genannten aktiven Faser wird der Laserstrahl in eine Glasfaser eingeleitet, über die die Strahlung dann zu dem in 1 abgebildeten Laserkopf 8 geleitet und über dessen Fokussieroptik 10 auf das zu bearbeitende Werkstück 1 gerichtet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel trifft ein Laserstrahl 12 in Radialrichtung, d. h., senkrecht zur Kerbachse (Vertikale in 1) auf. Diese Anordnung kann den Nachteil haben, dass die Fokussieroptik 10 durch das aufschmelzende Material verschmutzt wird. Dies lässt sich vermeiden, in dem der Laserkopf 8 außerhalb des Pleuelauges oder der zu bearbeitenden Lageraufnahme angeordnet ist, so dass der Laserstrahl 12' (strichpunktiert in 1) dann schräg von außen her eingeleitet wird. Eine derartige Variante ist in dem eingangs genannten Stand der Technik erläutert.
Diese Faserlaser zeichnen sich durch sehr gute elektrisch-optische Wirkungsgrade und eine herausragende Strahlqualität bei einem sehr kompakten Aufbau aus, so dass bei geringem Bauraum kostengünstigere Lösungen als mit herkömmlichen Lasern geschaffen werden können.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Werkstück, d. h., das Pleuel fest eingespannt und der Laserkopf 8 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit V in Axialrichtung oder Achsparallel bewegt, wobei die Laserleistung bei etwa 50 W und die Impulsfrequenz des Lasers beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa bei 20 KHz liegt. Der Spotdurchmesser liegt bei etwa 30 µm, der Vorschub V beträgt dabei etwa 1500 mm/min. Bei diesen Parametern würde sich rechnerisch ein Kerbabstand von etwa 0,00125 mm ergeben. Tatsächlich liegt der Kerbabstand k (hier bei mit 45° schräg eingekoppeltem Laserstrahl) bei etwa 0,1 mm.
2 zeigt eine stark vergrößerte Darstellung eines konkret nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den oben genannten Parametern bearbeiteten Pleuelauges, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel der Laserstrahl schräg (45°) eingekoppelt ist. Der Abstand der Perforation (Kerbabstand) k beträgt dabei etwa 0,1 mm, wobei sich ein durchgehender Kerbgrund (G) ergibt, aus dem heraus sich die einzelnen, die Perforation ausbildenden Kerbabschnitte 6 heraus erstrecken. Die Tiefe des Kerbgrunds G beträgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 etwa 0,51 mm, während die Tiefe P (in Radialrichtung gesehen) der Kerbabschnitte 6 etwa 0,78 mm (gemessen von der Umfangswandung 14 des Pleuelauges 1) beträgt.
3 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel mit verringerter Laserleistung (40 W) und steilerer Einkoppelung (30°) des Laserstrahls 12 - man erkennt, dass sich am Kerbabstand K keine wesentliche Änderung ergibt, die Tiefe G des Kerbgrundes und die Tiefe P der Kerbabschnitte sind bei der steileren Einkoppelung und verringerten Laserleistung (40 W) geringfügig größer. Bei der steileren Einkoppelung lässt sich somit mit noch weniger Leistung als beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eine das Bruchverhalten verbessernde Kerbe ausbilden.
Bei Verwendung eines Faserlasers und durch geeignete Wahl einer vergleichsweise hohen Vorschubgeschwindigkeit und einer vergleichsweise (gegenüber herkömmlichen Lösungen) hohen Impulsrate kann somit eine Perforation ausgebildet werden, die im Hinblick auf die Abmessungen herkömmlichen Kerbgeometrien ähnelt, jedoch mit wesentlich geringerem Energieeintrag und mit erheblich schnelleren Vorschubgeschwindigkeiten ausgebildet werden kann.
Nach der Bearbeitung der in 1 links liegenden Pleuelwandung wird der Laserkopf um 180° gedreht und die rechte Pleuelwandung bearbeitet. Prinzipiell können jedoch auch Kreuzköpfe verwendet werden, bei denen beide Wandungsabschnitte gleichzeitig bearbeitet werden.
Die durchgeführten Versuche zeigen, dass sich beispielsweise bei einem Faserlaser mit einer Leistung von 50 Watt bei einer Impulsfrequenz von 20 kHz eine Bruchtrennkerbe 4 ausbilden lässt, bei der die Kerbabschnitte 6 einen Abstand im 1/10 mm-Bereich, vorzugsweise im Bereich von 0.1 bis 0.3 mm haben. Es zeigte sich, dass auch bei Verwendung eines Lasers mit einer Leistung von 30 Watt eine hochwirksame perforierte Bruchtrennkerbe 4 ausgebildet werden kann.
Offenbart sind ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück. Erfindungsgemäß werden beispielsweise der Lasertyp, die Impulsrate, die Impulsdauer, das Werkstückmaterial und/oder die Laserleistung so gewählt, dass der Abstand der Kerbabschnitte wesentlich größer ist als derjenige Kerbabstand, der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls und/oder des Werkstücks und der Impulsrate des Lasers ergeben würde.
Bezugszeichenliste

1: Pleuelauge
2: Bruchebene
4: Bruchtrennkerbe
6: Kerbabschnitte
8: Laserkopf
10: Fokussieroptik
12: Laserstrahl
14: Umfangswandung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0808228 B2 [0002]
DE 2005031335 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken (1) mittels Laserenergie, wobei durch Relativverschiebung zwischen einem Laserstrahl (12) und dem Werkstück (1) eine eine Bruchtrennebene vorgebende Bruchtrennkerbe (4) ausgebildet wird, wobei diese in Form einer Perforation mit Kerbabschnitten (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsparameter, beispielsweise der Lasertyp, die Impulsrate, die Impulsdauer, das Werkstückmaterial und die Laserleistung so gewählt werden, dass der Abstand der Kerbabschnitte (6) wesentlich größer ist als derjenige Kerbabstand (k), der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit (V) des Laserstrahls (12) und/oder des Werkstücks (1) sowie der Impulsrate des Lasers ergibt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der tatsächliche Kerbabstand (k) um jeweils das 10-fache größer ist als der rechnerische Kerbabstand.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei der Kerbabstand (k) um mehr als das 50-fache größer ist als der rechnerische Kerbabstand.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei als Laser ein Faserlaser verwendet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei die mittlere Leistung des Lasers 50 Watt und weniger bei einer Impulsrate von mehr als 1 KHz, vorzugsweise mehr als 10 KHz bei einem Vorschub von mehr als 500 mm/min, vorzugsweise mehr als 1000 mm/min beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Laserstrahl (12) schräg oder senkrecht zur Kerblängsachse eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bruchtrennkerbe (4) eine durchgehende Kerbbasis hat, aus der heraus sich die Kerbabschnitte (6) erstrecken.
Werkstück, hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 7.
Werkstück nach Patentanspruch 8, wobei dieses ein Pleuel oder ein Kurbelwellengehäuse ist.