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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Entgraten von metallischen Werkstücken mittels
Laserstrahlung sowie ein durch dieses Verfahren entgratetes
Werkstück.
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Nach dem Zuschneiden oder der Herstellung von Durchbrüchen
in metallischen Werkstücken durch Stanzen oder spanende
Bearbeitung weist die Schnittkante des Werkstücks
prozeßbedingt einen Stanzgrat oder Schleif-, Fräsgrat auf,
der bei der weiteren Verwendung des Werkstücks oftmals
stört. Zum Entgraten derart bearbeiteter metallischer
Werkstücke sind Verfahren bekannt, wobei energiereiche
Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, zum Abschneiden,
Abtragen und/oder zum Verrunden des Grates genutzt werden.
Die Entgratung erfolgt bei diesen bekannten Verfahren durch
Umschmelzen, Schmelzabtragen, Sublimieren oder Laserspanen.
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Unabhängig von den genannten Entgratungsmechanismen
unterscheiden sich die bekannten Verfahren zudem
hinsichtlich der Führung des Laserstrahls bezüglich des zu
entfernenden bzw. abzurundenden Grates.
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Es ist bekannt, mittels einer sog. Maskenabbildung den
gesamten gratbehafteten Kantenbereich des Werkstücks
simultan mit Laserstrahlung zu beaufschlagen.
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Weiterhin kann gemäß dem in der DE 44 43 148 A1
beschriebenen Verfahren der gratbehaftete Bereich innerhalb
einer definierten rechteckigen Fläche zeilenweise von dem
Laserstrahl überstrichen bzw. gescannt werden. Bei diesem
Verfahren wird jedoch der gesamte Umgebungsbereich des
Grates mit Laserstrahlung beaufschlagt, so daß die Gefahr
einer Beschädigung benachbarter Oberflächen des Werkstücks
besteht.
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Alternativ kann, wie aus dem in der DE 33 44 709 A1
beschriebenen Verfahren zum Entgraten von metallischen
Werkstückrändern bekannt ist, der Laserstrahl entlang der
gratbehafteten Kante geführt werden, wobei für ein
gleichmäßiges Erwärmen des Grates ein mehrfaches Abfahren
der Kante vorteilhaft ist. Hierbei besteht jedoch die
Gefahr, daß sich die erzeugte Metallschmelze insbesondere
im Bereich von Unregelmäßigkeiten des Grates zu einem
schwer entfernbaren Schmelztropfen zusammenzieht.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Entgraten von metallischen
Werkstücken mittels Laserstrahlung zur Verfügung zu
stellen, bei dem die Bildung von Schmelztropfen reduziert
ist und bei dem eine gleichmäßigere Kantenverrundung
erzielt wird.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach wird erfindungsgemäß ein Grat von einer Kante eines
metallischen Werkstücks mittels Laserstrahlung entfernt,
wobei der Laserstrahl entlang dem Profil des Grates
ausgehend von dem Bereich des Gratrands bis in den Bereich
der Werkstückkante geführt wird. Der Grat wird durch
Abfahren der Gratkontur in mehreren aufeinanderfolgenden
Bearbeitungsschritten n mit Laserstrahlung beaufschlagt.
Durch diese Vorgehensweise wird nur jeweils der äußere
Randbereich des Grates mit Laserstrahlung beaufschlagt und
abgetragen bzw. aufgeschmolzen, so daß das entstehende
Schmelzvolumen klein gehalten wird und eine Gefahr der
Bildung von Schmelztropfen gegenüber einer simultanen
Beaufschlagung der gesamten Gratbreite mit Laserstrahlung
verringert ist. Außerdem wird durch diese schrittweise
Vorgehensweise die Gleichmäßigkeit der Kantenverrundung
verbessert. Vorzugsweise erfolgt das Führen des
Laserstrahls zeilenweise.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft
zum Entgraten von Bohrungen geeignet. In diesem Fall liegt
ein kreisförmiges Gratprofil vor und der Laserstrahl kann
vorteilhafterweise spiralförmig ausgehend von einem
Innendurchmesser di im Bereich des Gratrands bis auf einen
Außendurchmesser da im Bereich der Werkstückkante geführt
werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird
der von dem Laserstrahl abzufahrende anfängliche
Innendurchmesser di so gewählt, daß der erste Laserpuls den
Gratrand gerade noch nicht trifft. Dadurch wird eine
gleichmäßigere Kantenverrundung erzielt, da unerwünschte
Schädigungen des Werkstücks verhindert werden, die durch
ein bei vielen Lasersystemen auftretendes Startverhalten
hervorgerufen werden, bei dem der erste Puls eine
Energieüberhöhung aufweist (sog. "First Pulse").
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, daß die vorstehend benannten und die
nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der
Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein Werkstück und einen zum Verrunden der
Werkstückkante auf die Werkstückkante
fokussierten Laserstrahl in schematischer
Querschnittsdarstellung.
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Fig. 2 zeigt ein Werkstück und einen in den Bereich der
Werkstückkante in einer typischen Fehlstellung
(Positionier-Versatz) fokussierten Laserstrahl in
schematischer Querschnittsdarstellung.
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Fig. 3 zeigt ein gratbehaftetes Werkstück und einen auf
die Werkstückkante fokussierten Laserstrahl gemäß
einem nach dem Stand der Technik bekannten
Verfahren in schematischer
Querschnittsdarstellung.
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Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs
der Laserstrahlführung bei einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Entgraten
einer Bohrungskante.
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Fig. 5 zeigt in schematischer Querschnittsdarstellung
den Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bei
der in Fig. 4 dargestellten Laserstrahlführung
in vier Schritten.
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Fig. 6 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische
Aufnahme eines Teils einer durch das
erfindungsgemäße Verfahren entgrateten Bohrung.
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Beim Verrunden einer Werkstückkante mittels Laserstrahlung
ist es erforderlich, Werkstückmaterial im Bereich der
Werkstückkante entsprechend dem gewünschten Kantenmaß
vollständig abzutragen und unter Umständen die
Wärmeeinflußzone (WEZ), d. h. den Bereich Werkstücks, in dem
aufgrund des Energieeintrags durch die Laserstrahlung
meßbare Veränderungen der Materialstruktur auftreten, so
gering wie möglich zu halten.
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Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird hierzu üblicherweise
ein Laserstrahl 12 direkt auf die Werkstückkante 13 eines
Werkstücks 10 fokussiert. Durch die Energie des
Laserstrahls 12 und aufgrund der im Kantenbereich
begrenzten Abführung der vom Laserstrahl eingetragenen
Energie wird im Fokusbereich des Laserstrahls 12 liegendes
Werkstückmaterial 14 z. B. durch Sublimieren oder
Schmelzabtragen unter Ausbildung einer abgerundete Kante 15
abgetragen, entlang der eine schmale WEZ 16 ausgebildet
ist.
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Fig. 2 zeigt die Folgen einer häufig auftretenden
Fehlpositionierung des Laserstrahls 12 bezüglich der
Werkstückkante 13, wobei der Laserstrahl die
Werkstückoberfläche 11 zu weit entfernt von der
Werkstückkante 13 beaufschlagt. In dieser Anordnung wird
Werkstückmaterial 14' muldenförmig abgetragen und somit
entsteht eine unerwünschte Beschädigung der
Werkstückoberfläche 11.
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Weist die zu verrundende Werkstückkante 13' einen Grat 18
auf, wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird auch bei präziser
Fokussierung des Laserstrahls 12 auf die Werkstückkante 13'
keine Verrundung der Kante erzielt, da ein Teil der Energie
des Laserstrahls in den Grat abgeleitet wird und somit die
Wärmeverteilung und -ableitung im Vergleich zu der in
Fig. 1 dargestellten Kantengeometrie verändert ist.
Weiterhin besteht die Gefahr, daß geschmolzenes
Gratmaterial 16a als Schmelztropfen abfällt und an der
Werkstückkante hängenbleiben oder sich beispielsweise in
einer Bohrung ansammeln kann.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, das nachstehend
beispielhaft anhand eines Werkstücks 20 mit einer
gratbehafteten kreisförmigen Bohrungskante 23 erläutert ist
(Fig. 4 und 5), wird ein Laserstrahl, dargestellt durch
Pfeil 22 in Fig. 5, entlang einer spiralförmigen Bahn 25
ausgehend von einem Innenkreis mit Durchmesser di, der im
Bereich des Gratrands 26 verläuft, bis auf einen Außenkreis
mit Durchmesser da, der nahe der Bohrungskante 23 des
Werkstücks 20 verläuft, geführt. Es ist dabei vorteilhaft,
den Innendurchmesser di so zu wählen, daß der erste
Laserpuls den Gratrand 26 gerade noch nicht trifft, um eine
Beschädigung der Kantengeometrie aufgrund eines First-
Pulse-Effekts des Lasers zu vermeiden. So kann aufgrund der
folgenden Pulse gleicher Energie eine besonders
gleichmäßige Kantenverrundung erzielt werden.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
durch das spiralförmige Führen des Laserstrahls das
Gratprofil an jeder Stelle ausgehend von dem Gratrand über
die Werkstückkante hinaus bis auf einen Außenkreis
insgesamt fünfmal von dem Laserstrahl zeilenweise
überstrichen. Selbstverständlich kann jedoch die Anzahl n
der Bearbeitungsschritte je nach Kantengeometrie, Größe des
Grates, Laserstrahldurchmesser und weiteren Parametern, die
im Bereich des fachmännischen Wissens liegen, wesentlich
größer oder auch kleiner als fünf sein.
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Fig. 5 zeigt modellhaft den Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens in vier Teilschritten anhand eines
Teilquerschnitts durch eine zu entgratende Bohrungskante
eines Werkstücks 20. Im Ausgangszustand ist ein Laserstrahl
22 direkt auf den Rand 26 des zu abzutragenden
Werkstückgrats 28 gerichtet. Somit ist im Anfangszustand
der Bahndurchmesser DL des Laserstrahls auf den
Innendurchmesser di des Bohrungsgrates eingestellt. Es ist
hierbei vorteilhaft, durch Einsatz einer Bildverarbeitung
die Größe des Innendurchmessers di automatisch zu
bestimmen, um Prozeßzeit einzusparen.
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Durch die Einwirkung der Laserstrahlung erfolgt eine
teilweise Abtragung des Gratmaterials sowie ein Anschmelzen
des übrigen Gratmaterials, so daß, wie in dem zweiten
Schritt in Fig. 5 zu sehen ist, ein verkürzter,
abgerundeter Grat 28' entsteht. Auf diesen verkürzten,
abgerundeten Grat 28' trifft der Laserstrahl nach Abfahren
eines Spiralzyklus in dem zweiten Bearbeitungsschritt auf,
bei dem der Bahndurchmesser DL des Laserstrahls nun kleiner
als der ursprüngliche Innendurchmesser di des
Bohrungsgrates ist, und trägt einen weiteren Teil des
Gratmaterials ab. Dieses Vorgehen wiederholt sich
entsprechend der Anzahl der vorgesehenen
Abtragungsschritte n so oft, bis bei einem der letzten
Abtragungsschritte, bei dem der Bahndurchmesser DL des
Laserstrahls etwa dem Bohrungsdurchmesser DB entspricht,
nurmehr ein kleiner Schmelztropfen 27 an Stelle des Grates
übrig ist (dritter Schritt in Fig. 5). Die Bearbeitung
wird, um eine Entfernung dieses Schmelztropfens und
schließlich die Verrundung der Bohrungskante zu erreichen,
fortgesetzt, bis der Bahndurchmesser DL des Laserstrahls
dem vorgesehenen Außendurchmesser da entspricht. Die Wahl
des Außendurchmessers da hängt von einer Vielzahl von
Parametern, z. B. dem zu erzielenden Kantenmaß, dem
Durchmesser und der Energie des Laserstrahl usw. ab, deren
Ermittlung im Einzelfall zu erfolgen hat und im Bereich des
fachmännischen Könnens liegt. Das in radiale Richtung
erzeugte Kantenmaß hängt im wesentlichen vom Verhältnis des
Durchmessers DB der Bohrung 21, des Außendurchmessers da
und des Laserstrahldurchmessers df in der Wirkstelle ab.
Die Energie des Laserstrahls und die Anzahl n der
Bearbeitungsschritte wirkt sich hauptsächlich auf Kantenmaß
in Richtung der Bohrungsachse aus.
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Wie aus der in Fig. 6 dargestellten
rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme eines Teils einer
durch das erfindungsgemäße Verfahren entgrateten Bohrung
ersichtlich ist, weist die Bohrungskante eine gleichmäßige
Verrundung auf und ist frei von anhaftenden Schmelztropfen.
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Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht
auf eine kreisförmige Kantengeometrie und eine
spiralförmige Führung des Laserstrahls beschränkt, sondern
kann bei gratbehafteten Werkstückkanten mit jeder
beliebigen Kantengeometrie eingesetzt werden. Wesentlich
ist, daß der Laserstrahl entlang dem Profil des Grates
ausgehend von dem Gratrand bis in den Bereich der
Werkstückkante geführt wird, um eine schrittweise Abtragung
des Grates zu erlauben und somit die Ausbildung von
Schmelztropfen zu vermeiden.