DE1790128C3 - Vorrichtung zum Bohren von Werkstücken, insbesondere Uhrensteinen, mittels gepulster Laserstrahlung - Google Patents

Description

^P 2 vöSuung nach Anspruch 1, dadurch ge- vorgesehen unter welcher das Werkstück auf einem

kennzeichnet daß als Brechungskörper eine zur fein einstellbaren Trager angebracht ist und fur je

Se(S) deVoptfk geneigte WanTcheibe (II) eine Teilbearbeitung m.t emem Lasennipuls m die ge-

vorgesehen ist, deren Neigung einstellbar ist. *o wünschte Lage gebracht werden muß Diese Vornch-

3 Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- tung ist brauchbar zur Behandlung weniger sehr

kennzeichnet, daß die Planscheibe (11) zwischen wertvoller Stücke, wo es auf rationelles Arbe.,en

der Sammellinse (8) und der Werkstückaufnahme nicht so sehr ankommt Zum Bohren %on Massenar-

U ^{v ;} tikeln insbesondere Uhrensteinen, ist jedoch die be-

I Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 *₅ kannte Vorrichtung unbrauchbar. ■denn es wä «viel

und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan- zu umständlich einen Trager^^'^{chen d}jj ^erk-

scheibe (11) beweglich zwischen einem in einer stü.'ke in rascher Folge eingesetzt und *iede ent-

Radialcbene liegenden Auflager (10) und einer fernt werden sollen, unter einer ortsfesten Laseran-

axial verstellbaren Überwurfmutter (12) angeord- lage beweglich anzuordnen.

_netist 30 Es ist das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung der

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- soeben beschriebenen Art zum Bohren von Werkkennzeichnet, daß die an einem hochstehenden stücken, insbesondere Uhrensteinen od. dgl. Massen-Kragen (14) in der Mitte der Überwurfmutter artikeln, mittels gepulster Laserstrah ung bei der die (12) aufliegenden Planscheibe (11) durch einsei- Strahlrichtungen der verschiedenen Impulse von der tigen Federdruck in einer durch ihre Auflage an 35 Mittelachse der Bohrung abweichen zu schaffen, die der Stütze (14) und am Auflager (10) bestimmten einfach aufgebaut ist und vollautomatisch zyhndnsche geneigten Lage gehalten ist. Bohrungen eines bestimmten gewünschten Durch-

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, da- messers in Serien von Werkstucken zu bohren gedurch gekennzeichnet, daß das Auflager (10) eine stattet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daflache Vertiefung zur praktisch spielfreien Auf- ₄o durch gekennzeichnet, daß die Laseroptik einen nähme der Planscheibe (11) aufweist. Brechungskörper enthält, der den Laserstrahl par-

7 Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- allel zu seiner anfänglichen optischen Achse versetzt, kennzeichnet, daß Planscheibe (11) und Vertie- daß die Laseroptik um diese anfängliche Achse tfung (10) kreisförmig sind, drehbar angeordnet ist, und daß mit dieser dreh-

8 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 ₄₅ baren Laseroptik Mittel zusammenwirken, die, abbis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan- hängig von den zurückgelegten Winkelschntten, die scheibe (11) gegen Drehung um die Achse der Laserimpulse auslösen.

Optik gesichert ist. Die drehende Laseroptik zusammen mit der Ver-

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 setzung der Strahlachse und der mit der Drehbewebis8, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter ₅o gung synchronisierten Auslösung der Lasenrnpulse Federdruck stehender Stift (15) mit einer erlaubt ein vollautomatisches Bohren. Da der Halter Schneide (18) in eine V-Nut (19) der Planscheibe für das Werkstück ortsfest angeordnet sein kann, er-(11) greift. geben sich keine Probleme dadurch, daß dieser HaI-

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge- ter zugleich beweglich angeordnet sein und ein rakennzeichnet, daß mit der Laseroptik (8, 11) eine ₅₅ sches Laden und Entladen der Werkstücke erlauben Nockenscheibe (4) zur Auslösung der Impulse muß.

abhängig von der Drehlage der Optik gekuppelt Es ist zwar an sich bekannt, einen Einstell-Laser-

ist. strahl elektronisch abzulenken und eine bestimmte

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Fläche abzutasten, um eine Bearbeitungsstelle aufzukennzeichnet, daß ein Brechungskörper (33) mit 6o finden (französische Patentschrift 1 480 898). Erst planparallelen Brechungsflächen (34, 35) vorge- _Wenn die Einstellung richtig, d. h. der Laserstrahl sehen und daß die Linse (8) quer zur optischen _auf die vorgesehene Bearbeitungsstelle gerichtet ist, Achse einstellbar ist (F i g. 3). wird ein einziger Laserimpuls zur Ausführung einer

Verschweißung an der betreffenden Stelle ausgelöst.

65 Diese bekannte Arbeitsweise erlaubt jedoch nicht das

Es ist bereits bekannt, daß besonders schwer bear- vollautomatische Bohren von Massenartikeln unter

beitbare Werkstücke, insbesondere Diamanten, Uli- Anwendung je einer Mehrzahl von Laserimpulsen

rensteine u. dgl., mittels Laserstrahlung gebohrt wer- zur Erstellung einer Bohrung.

Die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung er-Jaubt nicht nur die einzelnen Strahlungsimpulse zur Achse der zu erstellenden Bohrung exzentrisch einlallen zu lassen, sondern die Strahlung kann auch un |er einem gewissen spitzen Winkel zur Achse der zu «rstellenden Bohrung einfallen. Die Kombination dieser beiden Maßnahmen ermöglicht es in vielen Fällen praktisch vollkommen zylindrische Bohrungen «ines bestimmten gewünschten Durchmessers zu^erlielen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von zwei in άιτ Zeichnung dargestellten Ausführun^sforiien näher erläutert. ⁼

Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform im Vertikalschnitt; ,.

Fig.2 zeigt ein Detail der Vorrichtung nach pig. 1 in Seitenansicht und

Fig.3 zeigt die zweite Ausführungsform im Verti-Jalschnitt.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 weist einen vertikalachsigen Tubus 1 auf, der in einem Träger 2 drehbar gelagert ist. Auf das obere Ende des Tubus 1 ist ein Zahnrad 3 aufgesetzt, welches von einem nicht dargestellten Antrieb mit einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl von beispielsweise einer Umdrehun" pro Sekunde angetrieben werden kann. Unterhalb des Zahnrades 3 ist eine Nockenscheibe 4 auf den Tubus aufgesetzt, welcher mit dem Zahnrad 3 und dem Tubus 1 mitrotiert, wenn das Zahnrad 3 angelrieben wird. Im Tubus 1 ist ein innerer Tubus 5 längsverschiebbar eingesetzt. Er trägt an seinem oberen Ende einen Mitnehmer 6 mit einer Mitnehmcrnut 7. In diese Mitnehmernut 7 greift ein nicht daraestellter Mitnehmer ein, der dazu dient, den Tubus 5 im Tubus 1 axial zu verschieben. Am unteren Ende des Tubus 5 ist die Sammellinse 8 der Laseroptik eingesetzt. Die gerneinsame Achse der Tubusse 1 und 5 fällt mit der Achse 9 des aus dem nicht dargestellten Laserstab nach unten einfallenden Laserstrahles zusammen.

Der Tubus 1 ist an der unteren Stirnseite mit einer Ilachen zylindrischen Ausnehmung 10 versehen. Diese Ausnehmung dient zur Aufnahme einer Planicheibe 11 aus Glas. Mit dem unteren Ende des Tubus 1 ist eine Überwurfmutter 12 verschraubt, die an der Fläche 13 mit einer geeichten Skala versehen sein kann. Die Überwurfmutter 12 weist in der Mitte einen hochstehenden Kragen 14 auf, welcher eine ringförmige Stütze für die Planscheibe 11 darstellt. In eine Bohrung des Tubus 1 ist ein federbelasteter Stift 15 eingesetzt, der mittels eines in eine Nut 16 des Tubus 1 greifenden Stiftes 17 gegen Verdrehung gesichert ist. Das nach unten aus dem Tubus 1 her- »usiagende Ende des Stiftes 15 ist als Schneide 18 ausgebildet, die in eine geschliffene V-Nut 19 der Planscheibe 11 greift und diese somit gegen Drehung ■nd Verschiebung quer zur Schneide 18 sichert. Durch die über den Stift 15 auf die Seite der Planlcheibe 11 wirkende Federkraft wird die Planscheibe in eindeutiger Lage gegen die ringförmige Stütze 14 und gegen den Grund der Ausnehmung 10 gedrückt. Die Überwurfmutter 12 kann mittels einer Madenschraube 20 in der gewünschten Drehlage am Tubus 1 gesichert werden. Unterhalb der durch den Kragen 14 begrenzten Öffnung der Überwurfmutter 12 ist in einem nicht dargestellten Halter des Werkstück 21, beispielsweise ein Uhrenstein, angeordnet. Im Interesse einer klaren Darstellung isl diese;; Werkstück im Verhältnis zu den mechanischen Teilen der Optik wesentlich vergrößert dargestellt.

Die Arbeitsweise der dargestellten Vorrichtung ist wie folgt:

Wenn das Werkstück 21 in die dargestellte Bearbeitungslage gebracht ist, wird der Tubus 1 über das Zahnrad 3 mit der erwähnten geringen Geschwindigkeit angetrieben und führt eine volle Umdrehung aus. Während dieser Umdrehung wirkt die Nockenscheibe 4 auf einen Schalter oder Fühler, durch welchen entsprechend der Zahl von wirksamen Nocken während der einen Umdrehung des Tubus 1 eine bestimmte Zahl von Laserimpulsen ausgelöst werden. Als Fühler kann beispielsweise eine Spule mit einem permanentmagnetischen Kern vorgesehen sein, dessen Feld durch die am Kern vorbeilaufenden Nocken der Scheibe 4 beeinflußt wird. Die durch den Tubus 5 längs der Achse 9 eintretende Laserstrahlung wird nun unterhalb der Sammellinse 8 durch die schiefstehende Planscheibe 11 bezüglich der Achse 9 seitlich versetzt und fällt längs einer Achse 9 α etwas exzentrisch auf das Werkstück 21 auf. Bei der Drehung des Tubus 1, welche Drehung auch auf die Planscheibe ! 1 übertragen wird, werden nun die einzelnen, durch die Scheibe 4 ausgelösten Laserimpulse je um den gleichen Betrag exzentrisch auf das Werkstück auftreffen, wobei jedoch die Achse 9 α eine Kreisbewegung um die Achse 9 bzw. die Achse des Werkstückes 21 beschreibt. Die einzelnen Impulse wirken also auf Stellen ein. die ringförmig um die Achse 9 bzw. die Werkstückachse verteilt sind, womit eine gleichmäßige Abarbeitung des Materials des Werkstückes 21 mittels mehrerer, verhältnismäßig schwacher Laserimpulse erfolgt. Zum Bohren von Uhrensteinen sind beispielsweise Impulse mit Energien von 0,1 bis 0,8 Joule durchaus genügend. Die Zahl der erforderlichen Impulse kann je nach dem Durchmesser der zu erstellenden Bohrung etwas verschieden gewählt werden, aber es sollten im allgemeinen etwa 3 bis 10 Impulse ausgelöst werden. Die Impulszahl kann entweder durch Auswechseln der Scheibe 4 verändert werden, oder aber es können mehrere Scheiben auf dem Tubus 1 angeordnet werden, in deren Bereich ein Schalter oder Fühler wahlweise gebracht werden kann. Die Vorwahl des Bohrungsdurchmessers erfolgt durch Einstellung der Exzentrizität der Einfallsachse 9 a bezüglich der Achse 9. Diese Verstellung erfolgt durch Änderung der Schiefstellung der Planscheibe 11, indem bei gelöster Stellschraube 20 die Überwurfmutter 12 verdreht und damit gegenüber dem Tubus 1 ax'al verstellt wird. Trotz der Reibung des Kragens 14 an der Planscheibe 11 kann dieselbe nicht mitgedreht werden, weil sie einerseits durch das teilweise spielfreie Eingreifen in die Vertiefung 10 gegen Drehung gesichert ist und weil insbesondere die Schneide 18 des Stiftes 15 die Planscheibe 11 durch ihr Eingreifen in die Nut 19 sichert. Der Stift 15 sichert die Planscheibe desgleichen gegen Verschiebung quer zur Achse, so daß stets Gewähr dafür geboten ist, daß die Scheibe beim vollständigen Hochschrauben der Überwurfmutter 12 ganz in die Vertiefung 10 eintreten kann. In dieser Weise kann die Neigung der Planscheibe 11 und damit die Exzentrizität der Einfallsachse 9 α stufenlos zwischen 0 und einem gewissen Maximum verstellt werden, um Bohrungen verschiedenen Durchmessers zu bearbeiten.

Zum Einrichten der Vorrichtung oder während der

gung und Asymmetrie des Strahlungseinfalls hat nicht nur einen günstigen Einfluß auf die Qualität und Form der zu erstellenden Bohrung, sondern kann auch dann von besonderem Vorteil sein, wenn das Werkstück im Zentrum eine Stelle bzw. einen Teil aufweist, der von der Strahlung nicht oder nur unbedeutend getroffen werden soll. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Schnittpunkt der einfallenden Laserstrahlung mit der Achse der zu erstellenden

versetzen, was durch Steuerung des Mitnehmers mittels einer geeigneten Nockenscheibe erfolgen kann.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, welche nicht nur eine seitliche Verstellung, sondern auch eine Schiefstellung der Einfallsrichtung der Laserstrahlung gestattet. Bei dieser Ausführungsform ist ein dem Tubus 1 entsprechender, drehbar gelagerter Tubus la vorgesehen, der gegebenenfalls nicht nur drehbar, sondern mittels eines Mitnehmers 6 etwas axial verstellt werden kann. Auf dem Tubus 1 α ist ebenfalls eine Nockenscheibe 4 angeordnet, welche zur Auslösung der einzelnen Impulse dient. Die Teile 4 und 6, die

Bearbeitung einer Bohrung kann nötigenfalls der Tubus 5 mit der Linse 8 mittels eines in die Ringnut 7 eingreifenden Mitnehmers axial verstellt weiden, um den Brennpunkt der das Werkstück 21 bearbeitenden Strahlung in die gewünschte axiale Lage zu bringen. Es ist auch möglich, während der Bearbeitung einer Bohrung mit mehreren Impulsen den Tubus 5 etwas axial zu verstellen, d.h. den Brennpunkt aufeinanderfolgender Impulse nicht nur in Umfangs-

richtung, sondern auch in Axialrichlung etwas zu io Bohrung, im vorliegenden Falle mit der Achse 9, auf " ~ ..... die Seite des Lichteinfalls, d. h. in die dem I.ichtein-

fall zugewandte Hälfte des Werkstücks, zu verlegen. Der Einfallswinkel beträgt vorzugsweise 3 bis 5 '.

Die dargestellte Einrichtung gestattet dank der unabhängigen Einstellbarkeit des Brechungskörpers 33 und der Linse 8 eine sehr vielseitige Variation in der Art der einfallender Strahlung. Die Exzentrizität der Einfallsstelle im Werkstück kann nicht nur durch Drehung des Brechungskörpers 33, sondern zusätzauch 20 lieh oder unabhängig davon durch seitliche Verschiebung der Linse 8 verstellt werden. Würde man z. B. die Linse so weit nach rechts verschieben, daß ihre Achse mit der Achse der in sie einfallenden parallelen Laserstrahlung zusammenfällt, so würde der

denjenigen nach F i g. 1 entsprechen können, sind in 25 Brennpunkt wesentlich nach rechts verschoben, und F i g. 3 nicht dargestellt. Mit dem unteren Ende des der Strahlungskegel unterhalb der Linse würde zum Tubus 1 α ist ein Kopf 22 mit einer zentralen Boh- geraden Kegel. Es ist daher in bestimmten Fällen rung 23 verschraubt. In einem erweiterten Teil 24 auch möglich, den Brechungskörper 33 mit feder Bohrung 23 sitzt eine Fassung 25 für die Linse 8 ster, nicht einstellbarer Neigung anzuordnen und der Laseroptik. Die Fassung 25 ist zwischen einem 30 nur die Linse 8 zu verschieben, um den Abstand des mittels Federring 26 gesicherten Schutzglas 27 aus Strahlungseinfalls in das Werkstück von der Achse 9 Saphir und der Schulter am inneren Ende des Boh- einzustellen.

rungsteils 24 axial gesichert, aber quer zur Achse 9 Anstatt zwei rechtwinklig wirkende Systeme zur

verschiebbar. Die Fassung 25 wird durch eine Feineinstellung der Fassung 25 bzw. der Linse 8 vor-Druckfeder 28 gegen eine Regulierschraube 29 ge- 35 zusehen, könnte die Linse auch in der präzisen Gedrückt, so daß die Lage der Fassung 25 bzw. radführung verschiebbar sein, in welchem Fall eine Linse 8 quer zur Achse 9 mittels der Regulier- Feder 28 und eine Einstellschraube 29 genügt,
schraube eingestellt werden kann. Rechtwinklig zur Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele

gemeinsamen Achse der Feder 28 und Regulier- wird angenommen, die erforderliche Anzahl von schraube 29 ist in entsprechenden Querbohrungen 40 Laserimpulsen wirke während einer Umdrehung der

Laseroptik gleichmäßig und kreisförmig um die Achse der zu erstellenden Bohrung verteilt auf das Werkstück ein. Es kann jedoch zur Erzielung einer der Bohrung hoher Qualität und guter Form und zur guten Ausnützung der aufgewendeten Laserenergie besonders vorteilhaft sein, während zwei oder mehr Umdrehungen der Laseroptik aufeinanderfolgende Serien von in Umfangsriehtung gegeneinander versetzten Impulsen auf das Werkstück einwirken zu

Brechungsflächen 34 und 35 eingesetzt ist. Durch 50 lassen. So können beispielsweise während einer er Drehung der Fassung 31 kann der Brechungskörper sten Umdrehung vier um je 90 ° versetzte Impulse mit seinen Brechungsflächen 34 und 35 senkrecht und während einer zweiten Umdrehung weitere vier, oder, wie dargestellt, geneigt eingestellt werden. Bei gegenüber den ersten um je 45 ° versetzte Impulse geneigter Lage der Flächen 34 und 35 wird die aus angewendet werden. Praktisch kann die Impulssteuedem Tubus 1 α in die Bohrung 23 eintretende Laser- 55 rung bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder 1 strahlung quer zur Achse 9 ausgelenkt und tritt ex- etwa so erfolgen, daß der Nockenring 4 mit einer be zentrisch in die zentrisch zur Achse 9 liegende stimmten Zahl N von Zähnen versehen wird unc Linse 8 ein. Der Strahlengang verbleibt auch unter- daß von den durch den Ring ausgelösten Impulsei halb der Linse asymmetrisch seiflich der Achse 9 und mittels eines Frequenzteilers nur jeder n-te Impul trifft ganz seitlich der Achse 9 auf das zu bearbei- 60 wirksam wird, wobei JV durch η nicht teilbar ist. Sin< tende Werkstück 21 auf. z. B. 9 Zähne vorhanden und wird nur jeder zweit

• Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung gestattet Impuls wirksam, so wird bei einer ersten Umdrehun nicht nur die Exzentrizität, sondern auch die Nei- jeder gerade und bei einer darauffolgenden Umdrc gung des Strahlungseinfalls einzustellen. Diese Nei- hung jeder ungerade Impuls wirksam.

eine gleiche, in Fig.3 nicht gezeigte Reguliervorrichtung, bestehend aus einer Feder 28 und einer Regulierschraube 29, vorgesehen. Die Linse 8 kann somit in zwei Koordinatenrichtungen bezüglich der Achse 9 fein eingestellt werden.

Über der Linse 8 ist in einer Querbohrung 30 des Kopfes 22 eine Fassung 31 drehbar gelagert. Die Fassung 31 weist ihrerseits eine Querbohrung 32 auf, in welche ein Brechungskörper 33 mit planparallelen

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

den können. Trotz erheblicher Anstrengungen und Patentansprüche: Forschungsarbeiten ist es bisher nicht gelungen, Ver- , -. , fo|.„n 71I entwickeln, die mit der für große Serien er-

1. Vorrichtung zum Bohren von Werkstucken Ä^E^uzierbarkeh sowie ohne Beschä-

insbesondere von Uhrenstemen, mittels gepulster fordrhchen Kep Bohrungen zu erzie-

Laserstrahlung, bei der die Strahlnchtungen der 5 chgung von aieuici

verschiedenen Impulse von der Mittelachse der len'8*?*™^ j Vorrichtung bekannt, die es ge-

iohrung abweichen, dadurch gekenn- E« ^⁵ _Werkstück?_e, insbesondere Dia-

ieichnet, daß die Laseroptik einen Bre- stattet,:^{senr wc}"^v ₇- ■ Drähten mittels eeDul

Chunpkörper (H, 33) enthält der den Laser "^^^„^^^ΑΓηΑΑ

«rahl parallel zu seiner anfanglichen optischen io ster Lasersirdinu. B mehrere Impulse eeziel

Achse (^P9) versetzt, daß die Lasero_Ptik um diese ^^^^^S^m^Ll^

SWS Ä£ ^filifiii Ä "L^owTproduction too,«, L Phi, k ρ ρ e r s o_n,

Dyer und Joseph