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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich von Laserbearbeitungsvorrichtungen, insbesondere auf einen kombinierten Laserbearbeitungskopf mit einem durch einen Spritzflüssigkeitsstrahl selbst erzeugten Schleifkornstrom und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Technischer Hintergrund
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Die Laserbearbeitung als berührungslose Bearbeitung benötigt kein Werkzeug, bietet eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit, bewirkt nur geringfügige Oberflächenverformungen und eignet sich für verschiedene Materialtypen. Der Erfinder hat herausgefunden, dass die bisherige Laserbearbeitung meistens einseitig erfolgt, d.h. zum Bearbeiten eines zu verdampfenden Materials wird dieses lediglich durch die hohe Temperatur von Laser aufgeschmolzen, was unvermeidlich zum Entstehen von sogenannten Umformschichten und dadurch zur Reduzierung der Genauigkeit der Laserbearbeitung führt. Hinzu kommt, dass die bestehenden Laserbearbeitungsköpfe nicht zur kombinierten Bearbeitung, sondern nur zur Laserbearbeitung verwendet werden können. Dies hat zur Folge, dass die Laserbearbeitungsbranche auf relativ niedrigem Niveau liegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Um die oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kombinierten Laserbearbeitungskopf mit einem durch einen Spritzflüssigkeitsstrahl selbst erzeugten Schleifkornstrom anzubieten, der eine zuverlässige Entfernung während einer Laserbearbeitung entstehender Umformschichten erlaubt und mit dem die Laserbearbeitungsgenauigkeit erhöht und die Oberflächenrauigkeit eines bearbeiteten Werkstücks reduziert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung folgende Ausgestaltungen vor:
- Ein kombinierter Laserbearbeitungskopf mit einem durch einen Spritzflüssigkeitsstrahl selbst erzeugten Schleifkornstrom umfasst:
- - einen Spritzmechanismus, der ein Verbindungsteil umfasst, das einen mit dem Innenraum einer Düse und dem Innenraum eines Tubus in Verbindung stehenden Kanal aufweist und das an einem Ende mit dem Tubus verbunden ist und am anderen Ende mit der Düse verbunden ist und in die Düse hineinragt, wobei der in die Düse hineinragende Abschnitt des Verbindungsteils mit einem in dichtem Kontakt mit der Seitenwand der Düse stehenden Flansch versehen ist und zusammen mit der Seitenwand der Düse einen ringförmigen Hohlraum ausbildet, wobei in dem Flansch mehrere Durchgangslöcher ausgebildet sind, die mit dem ringförmigen Hohlraum und dem Innenraum der Düse in Verbindung stehen, wobei im Bereich des ringförmigen Hohlraums an der Seitenwand der Düse eine Flüssigkeitseinspritzöffnung zum Einspritzen einer gesättigten Salzlösung mit einem eingestellten Druck in den ringförmigen Hohlraum vorgesehen ist, welche gesättigte Salzlösung bei vollständig mit der gesättigten Salzlösung gefülltem ringförmigem Hohlraum die Durchgangslöcher durchströmt und aus der Düse herausgespritzt wird, wodurch vermieden wird, dass die Lösung eine Turbulenz bildet, die die Einstrahlung und Ausbreitung des Laserstrahls beeinflussen würde,
- - einen Kühlmechanismus, der einen an beiden Enden offenen Kühlzylinder umfasst, innerhalb dessen ein Kühlrohr angeordnet ist, das dazu dient, die aus der Düse herausgespritzte und den Kühlzylinder durchströmende gesättigte Salzlösung so abzukühlen, dass diese Feinstkörner ausscheidet.
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Durch das Vorsehen der Düse und des Kühlmechanismus kann gleichzeitig bei einer Laserbearbeitung eine gesättigte Salzlösung herausgespritzt und die gesättigte Salzlösung unter Verwendung des Kühlmechanismus so behandelt werden, dass diese Feinstkörner ausscheidet, um einen Schleifkornstrom zu erzeugen, der auf die Oberfläche eines Werkstücks auftrifft und diese schleift, um die Oberflächenqualität des Werkstücks zu verbessern.
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Weiter ist vorgesehen, dass der Tubus an einem Ende mit dem Verbindungsteil und am anderen Ende mit einem Enddeckel verbunden ist, wobei der Enddeckel mit einem Anschluss für ein Laserübertragungskabel versehen ist.
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Weiter ist vorgesehen, dass innerhalb des Tubus ein Linsenträger eingebaut ist, an dem eine Kollimationslinse und eine Fokussierlinse angebracht sind, wobei sich die Kollimationslinse in der Nähe des Anschlusses befindet.
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Weiter ist vorgesehen, dass das Verbindungsteil einen ersten Verbindungsabschnitt, einen zweiten Verbindungsabschnitt und einen Eingriffsabschnitt umfasst, wobei der erste Verbindungsabschnitt mit dem Tubus und der zweite Verbindungsabschnitt mit der Düse in Gewindeverbindung steht, während der Eingriffsabschnitt in die Düse hineinragt, einen Außendurchmesser hat, der geringer als der Innendurchmesser der Seitenwand der Düse ist, und zusammen mit der Seitenwand der Düse den ringförmigen Hohlraum ausbildet.
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Weiter ist vorgesehen, dass die Kontaktfläche des Flansches zu der Düse eine Kegelfläche ist, wodurch eine Dichtung zwischen dem Flansch und der Düse gewährleistet werden kann.
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Weiter ist vorgesehen, dass mit dem Flansch ein hohles Trennrohr lösbar verbunden ist, dessen Innenraum mit dem Kanal in Verbindung steht und das zur Trennung des Laserstrahls und des Flüssigkeitsstrahls voneinander dient.
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Weiter ist vorgesehen, dass der Tubus mit einer ersten Verbindungsplatte fest verbunden ist, wobei der Kühlmechanismus über eine zweite Verbindungsplatte mit der ersten Verbindungsplatte verbunden ist.
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Weiter ist vorgesehen, dass die zweite Verbindungsplatte mit einer Einstellrille versehen ist, durch die ein Einstellbolzen hindurchgeführt ist, über den die zweite Verbindungsplatte mit der ersten Verbindungsplatte fest verbunden ist.
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Weiter ist vorgesehen, dass das Kühlrohr eine spiralförmige Struktur darstellt und an der inneren Seitenfläche des Kühlzylinders befestigt ist.
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Die vorliegende Erfindung offenbart des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Laserbearbeitungskopfs mit einem durch einen Spritzflüssigkeitsstrahl selbst erzeugten Schleifkornstrom, bei dem ein Laserstrahl durch den Tubus durchtritt und aus der Düse heraustritt, um ein Werkstück mittels Laser zu bearbeiten, während eine gesättigte Salzlösung mit einem eingestellten Druck nach dem Durchströmen des ringförmigen Hohlraums und der Durchgangslöcher aus der Düse herausgespritzt wird, wobei der austretende Lösungsstrahl durch den Kühlmechanismus so abgekühlt wird, dass die gesättigte Salzlösung Feinstkörner ausscheidet, die auf das Werkstück auftreffen und dieses schleifen.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung:
- 1. Der erfindungsgemäße kombinierte Bearbeitungskopf bietet die Möglichkeit zum Anschluss eines Laserübertragungskabels und erlaubt zudem die Einspritzung einer gesättigten Salzlösung mit einem eingestellten Druck über eine Flüssigkeitseinspritzöffnung in die Düse, um gleichzeitig einen Laserstrahl und einen Lösungsstrahl auszusenden. Mit dem Kühlmechanismus lässt sich die aus der Düse herausgespritzte gesättigte Salzlösung so abkühlen, dass diese Feinstkörner ausscheidet, die auf die Oberfläche eines Werkstücks auftreffen und diese schleifen. Auf diese Weise kann eine sichere Entfernung an der Oberfläche des Werkstücks vorhandener Umformschichten gewährleistet, die Oberflächenrauigkeit des Werkstücks reduziert und die Bearbeitungsqualität des Werkstücks verbessert werden.
- 2. Die in den erfindungsgemäßen kombinierten Bearbeitungskopf eingespritzte gesättigte Salzlösung füllt zunächst den ringförmigen Hohlraum vollständig aus und strömt anschließend über die Durchgangslöcher aus, um dann aus der Düse gleichmäßig herausgespritzt zu werden. Dadurch wird vermieden, dass die gesättigte Salzlösung eine Turbulenz bildet, die die Einstrahlung und Ausbreitung des Laserstrahls beeinflussen würde.
- 3. Der erfindungsgemäße kombinierte Bearbeitungskopf weist ein hohles Trennrohr auf, mit dem die gesättigte Salzlösung und der Laserstrahl voneinander getrennt werden können, um die Beeinflussung der Ausbreitung des Laserstrahls durch die gesättigte Salzlösung weiter zu vermindern.
- 4. Bei dem erfindungsgemäßen kombinierten Bearbeitungskopf steht der Flansch über eine Schrägfläche mit der Seitenwand der Düse in Kontakt, so dass bei in die Düse eingeschraubtem Verbindungsteil eine Dichtung zwischen dem Flansch und der Seitenwand der Düse und somit ein Austritt der gesättigten Salzlösung lediglich durch die Durchgangslöcher sichergestellt werden können.
- 5. Bei dem erfindungsgemäßen kombinierten Bearbeitungskopf können durch die Einstellrille und den Einstellbolzen eine Einstellung der relativen Position des Kühlmechanismus und des Spritzmechanismus zueinander und somit eine Abkühlung des Flüssigkeitsstrahls an verschiedenen Positionen realisiert werden, so dass der Spritzflüssigkeitsstrahl an verschiedenen Positionen Feinstkörner ausscheidet, um einen Schleifkornstrom zu erzeugen.
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Figurenliste
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Die der Beschreibung beigefügten Zeichnungen, welche Bestandteil der vorliegenden Anmeldung sind, dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Anmeldung. Die schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung und ihre Beschreibung stellen keine Einschränkung der vorliegenden Anmeldung dar, sondern dienen zur Erläuterung der vorliegenden Anmeldung. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung den gesamten Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 2 in schematischer Darstellung den inneren Aufbau eines Spritzmechanismus des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 3 den schematischen Aufbau eines Enddeckels des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 4 den schematischen Aufbau eines Tubus des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 5 den schematischen Aufbau eines Verbindungsteils des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 6 den schematischen Aufbau einer Düse des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 7 den schematischen Aufbau einer ersten Verbindungsplatte des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 8 den schematischen Aufbau eines Kühlmechanismus des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tubus
- 1-1
- Befestigungsplatte
- 2
- Enddeckel
- 3
- Anschluss
- 4
- Linsenträger
- 5
- Ausbuchtende Struktur
- 6
- Kollimationslinse
- 7
- Fokussierlinse
- 8
- Verbindungsteil
- 8-1
- Erster Verbindungsabschnitt
- 8-2
- Zweiter Verbindungsabschnitt
- 8-3
- Eingriffsabschnitt
- 8-4
- Flansch
- 8-5
- Durchgangsloch
- 9
- Flüssigkeitseinspritzöffnung
- 10
- Düse
- 11
- Hohles Trennrohr
- 12
- Kühlzylinder
- 13
- Kühlrohr
- 14
- Erste Verbindungsplatte
- 15
- Zweite Verbindungsplatte
- 15-1
- Einstellrille
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Konkrete Ausführungsformen
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachstehende detaillierte Beschreibung beispielhaft ist und auf eine nähere Erläuterung der vorliegenden Anmeldung abzielt. Sofern hierin nicht anders angegeben, sind alle in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Fachbegriffe bzw. wissenschaftlichen Begriffe in einer den Durchschnittsfachleuten auf diesem Gebiet bekannten Weise zu verstehen.
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Es sei angemerkt, dass die hier eingesetzten Begriffe keine Einschränkung der beispielhaften Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Anmeldung darstellen, sondern lediglich der Erläuterung konkreter Ausführungsformen dienen. Hierbei enthält eine Singularform auch eine Pluralform, soweit im Kontext nicht ausdrücklich anders angedeutet wird. Des Weiteren versteht es sich von selbst, dass die Verwendung des Begriffs bzw. der Begriffe „enthalten“ und/oder „umfassen“ in der vorliegenden Beschreibung auf das Vorhandensein eines Merkmals, eines Schritts, eines Vorgangs, eines Bauelements und/oder einer Kombination davon hinweist.
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In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung treten ggf. Angaben wie „oben“, „unten“, „links“ und „rechts“ auf, die sich nur auf die Darstellung in der jeweiligen Abbildung beziehen und keine einschränkende Wirkung auf die jeweilige Struktur haben, um lediglich die Erfindung zu schildern und die Schilderung zu vereinfachen. Mit anderen Worten wird mit diesen Angaben weder im- noch explizit auf die Positionierung sowie die Ausgestaltung und Bedienung der betreffenden Vorrichtung oder des betreffenden Elements in einer vorbestimmten Positionierung hingedeutet, so dass auch hier keine Einschränkung der Erfindung vorliegt.
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Wie eingangs im „Technischen Hintergrund“ erwähnt wurde, kann mit den bestehenden Laserbearbeitungsköpfen keine kombinierte Bearbeitung realisiert werden. Dies führt dazu, dass an der Oberfläche des jeweiligen Werkstücks durch das Laserbearbeiten entstehende Umformschichten vorhanden sind, womit eine hohe Oberflächenrauigkeit verbunden ist. Ausgehend davon schlägt die vorliegende Anmeldung einen kombinierten Laserbearbeitungskopf mit einem durch einen Spritzflüssigkeitsstrahl selbst erzeugten Schleifkornstrom vor.
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Aus 1-8 geht ein kombinierter Laserbearbeitungskopf mit einem durch einen Spritzflüssigkeitsstrahl selbst erzeugten Schleifkornstrom hervor, der in einer ersten Ausführung einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung einen Spritzmechanismus und einen Kühlmechanismus umfasst, wobei der Spritzmechanismus einen Tubus, ein Verbindungsteil und eine Düse umfasst.
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Am oberen Ende des Tubus 1 ist über eine Gewindeverbindung ein Enddeckel 2 angeordnet, in dessen Mitte ein Anschluss 3 vorgesehen ist. Über den Anschluss kann der Tubus mit einem Laserübertragungskabel verbunden sein, so dass ein durch das Laserübertragungskabel übertragener Laserstrahl durch den Anschluss in den Tubus eintreten kann, um dann aus der Düse herauszutreten.
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Innerhalb des Tubus befindet sich ein Linsenträger 4, der eine ausgehöhlte Außenwand aufweist und dessen unteres Ende auf einer am Boden des Tubus ausgebildeten ausbuchtenden Struktur 5 sitzt. Der Linsenträger ist an seinem oberen Ende mit einer Kollimationslinse 6 und an seinem unteren Ende mit einer Fokussierlinse 7 fest verbunden.
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Das Verbindungsteil 8 umfasst einen ersten Verbindungsabschnitt 8-1, einen zweiten Verbindungsabschnitt 8-2 und einen Eingriffsabschnitt 8-3, welche einteilig miteinander verbunden sind. Der erste Verbindungsabschnitt weist eine Innengewindestruktur auf, die mit einer Außengewindestruktur am Ende des Tubus zusammenwirkt, um eine Gewindeverbindung zu dem Tubus herzustellen. Der zweite Verbindungsabschnitt hat einen geringeren Außendurchmesser als der erste Verbindungsabschnitt und ist mit einer Außengewindestruktur versehen, die mit einer am Ende der Düse ausgebildeten Innengewindestruktur zusammenwirkt, um eine Gewindeverbindung zu der Düse 10 herzustellen. Der Eingriffsabschnitt ragt in die Düse hinein und ist am unteren Ende mit einem in dichtem Kontakt mit der Innenfläche der Seitenwand der Düse stehenden Flansch 8-4 versehen. Der Eingriffsabschnitt besitzt einen Außendurchmesser, der geringer als der Innendurchmesser des entsprechenden Bereiches der Düse ist, so dass zwischen dem Eingriffsabschnitt und der Seitenwand der Düse ein ringförmiger Hohlraum entsteht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der ringförmige Hohlraum kreisförmig ausgebildet. Er kann aber auch anders geformt sein. Im Bereich des ringförmigen Hohlraums ist an der Seitenwand der Düse eine Flüssigkeitseinspritzöffnung 9 vorgesehen, über die eine gesättigte Salzlösung mit einem eingestellten Druck in den ringförmigen Hohlraum eingespritzt werden kann. Als gesättigte Salzlösung kann eine gesättigte Natriumchloridlösung oder auch eine gesättigte Lösung anderer Salzsorten verwendet werden. In dem Flansch sind mehrere entlang dem Umfang gleichmäßig verteilte Durchgangslöcher 8-5 ausgebildet, wobei die gesättigte Salzlösung durch die Durchgangslöcher aus dem ringförmigen Hohlraum herausströmen kann und über eine im unteren Bereich der Düse angeordnete Spritzöffnung herausgespritzt wird.
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Der Flansch stellt eine umgekehrt kegelförmige Struktur dar, wobei es sich bei der Fläche des Flansches, die mit der Innenfläche der Seitenwand der Düse in Kontakt steht, um eine Kegelfläche handelt. Durch die Schrägstellung der Kontaktfläche können bei in die Düse eingeschraubtem Verbindungsteil eine weitestgehende Dichtwirkung und somit ein Austritt der gesättigten Salzlösung lediglich durch die Durchgangslöcher gewährleistet werden.
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Der zweite Verbindungsabschnitt bildet zusammen mit der Innenwand der Düse einen ringförmigen Hohlraum aus, so dass ein aus einer Richtung geförderter Spritzflüssigkeitsstrahl zunächst den ringförmigen Hohlraum vollständig ausfüllen und anschließend über die im Flansch entlang dem Umfang gleichmäßig angeordneten Durchgangslöcher ausströmen kann, um dann aus der Düse gleichmäßig herausgespritzt zu werden. Dadurch wird vermieden, dass der Flüssigkeitsstrahl eine Turbulenz bildet, die die Einstrahlung und Ausbreitung des Laserstrahls beeinflussen würde.
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In der Mitte des Flansches ist über eine Gewindeverbindung ein hohles Trennrohr 11 vorgesehen, dessen Innenraum mit dem Kanal verbunden ist und mit dem der Lösungsstrahl und der Laserstrahl voneinander getrennt werden können, um die Beeinflussung der Ausbreitung des Laserstrahls durch den Lösungsstrahl weiter zu vermindern.
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Der Kühlmechanismus befindet sich unterhalb des Spritzmechanismus und umfasst einen an beiden Enden offenen Kühlzylinder 12, an dessen innerer Zylinderfläche ein spiralförmiges Kühlrohr 13 befestigt ist und der die aus dem Spritzmechanismus herausgespritzte gesättigte Salzlösung aufnehmen kann. In das Kühlrohr kann ein Kühlmittel eingelassen, wobei das obere Ende des Kühlrohrs als Kühlmittelauslass und das untere Ende als Kühlmitteleinlass ausgebildet ist. Das Kühlrohr dient dazu, die in den Kühlzylinder eintretende gesättigte Salzlösung so abzukühlen, dass die gesättigte Salzlösung Feinstkörner ausscheidet, um einen Schleifkornstrom zu erzeugen.
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An der Außenfläche der Tubuswand des Tubus sind symmetrisch angeordnete Befestigungsplatten 1-1 befestigt, die jeweils mit einer Gewindebohrung versehen sind, wobei der Tubus über die Gewindebohrungen in den Befestigungsplatten, Befestigungsbolzen mit einer ersten Verbindungsplatte 14 fest verbunden ist. Die erste Verbindungsplatte stellt eine L-förmige Struktur dar und dient zum Verbinden des Tubus, der Düse und des Verbindungsteils mit einem anderen Gerät.
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Der Kühlzylinder ist über einen Bolzen mit einer zweiten Verbindungsplatte 15 verbunden, in der eine Einstellrille 15-1 ausgebildet ist, durch die ein Einstellbolzen hindurchgeführt ist, über den die zweite Verbindungsplatte mit der ersten Verbindungsplatte verbunden ist. Durch die Einstellrille und den Einstellbolzen können eine Einstellung der relativen Position der Düse und des Kühlmechanismus zueinander und somit eine Abkühlung des Spritzflüssigkeitsstrahls an verschiedenen Positionen realisiert werden, so dass der Spritzflüssigkeitsstrahl an verschiedenen Positionen Feinstkörner ausscheidet, um einen Schleifkornstrom zu erzeugen.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Laserbearbeitungskopfs mit einem durch einen Spritzflüssigkeitsstrahl selbst erzeugten Schleifkornstrom, bei dem eine gesättigte Salzlösung (eine gesättigte Natriumchloridlösung) mit einem eingestellten Druck über die Flüssigkeitseinspritzöffnung in die Düse eingespritzt wird und der Tubus über den Anschluss mit einem Laserübertragungskabel verbunden wird, so dass ein durch das Laserübertragungskabel übertragener Laserstrahl durch den Anschluss in den Tubus eintritt, nach dem Passieren der Kollimationslinse und der Fokussierlinse in den Kanal gelangt und anschließend nach dem Durchtreten durch den inneren Hohlraum des hohlen Trennrohrs über die im unteren Bereich der Düse angeordnete Spritzöffnung austritt, um ein Werkstück mittels Laser zu bearbeiten. Gleichzeitig dazu wird eine gesättigte Salzlösung mit einem eingestellten Druck durch die Flüssigkeitseinspritzöffnung in den ringförmigen Hohlraum eingespritzt, strömt bei vollständig ausgefülltem ringförmigem Hohlraum über die Durchgangslöcher aus und wird aus der Düse herausgespritzt. Beim Durchströmen des Kühlzylinders wird der Lösungsstrahl durch das Kühlrohr abgekühlt, so dass die gesättigte Salzlösung Feinstkörner ausscheidet, die zusammen mit der gesättigten Salzlösung herausgespritzt werden, um auf die Oberfläche des Werkstücks aufzutreffen und diese zu schleifen und dadurch die während der Laserbearbeitung des Werkstücks entstehenden Umformschichten zu entfernen. Auf diese Weise wird die Oberflächenrauigkeit des Werkstücks reduziert und die Bearbeitungsqualität des Werkstücks verbessert.
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Bisher wurden die konkreten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, die nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung aufgefasst werden sollen. Den Fachleuten auf diesem Gebiet wird klar sein, dass jede Abänderung oder Variation, die den Fachleuten aus den Ausgestaltungen der Erfindung, ohne jegliche erfinderischen Tätigkeiten, ableitbar ist, in den Schutzumfang der Erfindung fällt.
