-
Die Erfindung betrifft und eine Vorrichtung zur Herstellung von aufgerauten Oberflächen. Diese aufgerauten Oberflächen werden nach dem Aufrauen thermisch beschichtet. Das Ziel der Aufrauhung ist es, eine hohe Haftzugsfestigkeit der aufgetragenen metallischen oder nicht-metallischen Schicht zu erreichen. Dabei geht es vornehmlich um die Anwendung in Zylinderbohrungen in Verbrennungsmotoren. Die thermischen Spritzschichten sind reibungs- und verschleißarm und erlauben die Optimierung von Verbrennungsmotoren, besonders hinsichtlich der Verringerung der Abgasemissionen. Nach dem Aufrauen und dem thermischen Beschichten erfolgt eine finale Honoperation in mehreren Schritten, welche die spritzraue Oberfläche zu einer tribologisch geeigneten Topografie vorteilhaft verändert.
-
Die
DE 102009051717 A1 beschreibt eine Prozesskette, welche eine Aufrauhung durch Laserstrahlung und nachfolgendes thermisches Beschichten enthält.
-
Die
EP 2799180 A2 beschreibt ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung, welche dem thermischen Beschichten vorausgeht. Der Fokus dieser Anmeldung liegt auf den Eigenschaften des Laserstrahls und deren Parametrisierung. Ebenso beschreibt die
DE 102014207263 A1 ausschließlich laserrelevante Merkmale, insbesondere die Ausführung des Strahlwerkzeuges mit einer bifokalen Optik.
-
Aus der
DE 10 2005 019 757 A1 ist eine Vorrichtung zum Behandeln der Laufbahnen von Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren mittels eines Laserstrahls bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine Umlenkung zum Umlenken des Laserstrahls aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche gerichteten Richtung. Die Gefahr einer vorzeitigen Verschmutzung der Linse wird bei dieser Vorrichtung dadurch verringert, dass der Brennpunkt des Laserstrahls im Bereich einer Durchtrittsöffnung für den Laserstrahl im Gehäuse liegt. Dadurch kann die Öffnung im Gehäuse klein ausfallen.
-
Aus der
DE 198 09 367 A1 ist eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Zylinderbohrungen von Brennkraftmaschinen mittels eines Laserstrahls bekannt. Zum Schutz der Optik des Laserwerkzeugs ist ein Fenster in dem Gehäuse des Werkzeugs vorgesehen. Durch dieses transparente Fenster kann der Laserstrahl aus dem Werkzeug austreten und auf die zu bearbeitende Oberfläche gelangen.
-
Die
EP 0 950 461 A2 zeigt ebenfalls ein Werkzeug zur Laserbearbeitung von Zylinderbohrungen oder dergleichen, die große Übereinstimmungen zu der
DE 10 2005 019 757 A1 aufweist. Keine der genannten Druckschriften enthält Hinweise darauf, wie das Aufrauen von Zylinderbohrungen in einer Großserienfertigung umsetzbar ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Fertigungseinrichtungen (Vorrichtungen), Strahlwerkzeuge bereitzustellen, welche es ermöglichen, das Aufrauen einer Substratoberfläche, insbesondere der Zylinderbohrungen einer Brennkraftmaschine, vollautomatisch, prozesssicher und mit einer Taktzeit von weniger als einer Minute durchzuführen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Aufrauen von Oberflächen gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
Dieses Konzept ermöglicht unter anderem eine kompakte Bauweise des Strahlwerkzeugs. Dadurch, dass der Kollimator drehfest auf einem Schlitten angeordnet ist und die Drehbewegung der Spindel nicht mitmacht, kann er auf einfache, zuverlässige und verlustarme Weise, zum Beispiel über einen Lichtleiter, mit einer Strahlquelle verbunden werden.
-
Dadurch, dass die fokussierende Linse oder die Fokussieroptik in dem Strahlwerkzeug angeordnet ist und deshalb die Drehbewegung der Spindel mitmacht, wird die Qualität des Laserstrahls verbessert. Der Übergang zwischen feststehendem Kollimator und drehender Fokussierlinse ist technisch sehr einfach: Weil der Kollimator mindestens teilweise in die Spindel eintaucht, kann durch eine einfache Labyrinthdichtung zwischen Kollimator und der drehbaren Spindel sicher und zuverlässig verhindert werden, dass in diesem Übergangs-Bereich Laserstrahlen austreten, was unerwünscht ist, weil es eine Gefährdung von Personen und Sachen darstellt. Außerdem wird der Verlust von Sperrluft minimiert, welche sich innerhalb der Spindel und dem Strahlwerkzeug befindet.
-
Durch die mitdrehende Fokussieroptik oder eine mitdrehende fokussierende Linse wird die zentrische Position des Laserstrahls sehr genau eingehalten, was die Bearbeitungsqualität verbessert.
-
Um sicherzustellen, dass Verunreinigungen nicht in das Innere der Spindel gelangen können, ist an einem dem Kollimator entgegengesetzten Ende des Werkzeugs ein für den Laserstrahl transparentes (Schutz-)Fenster in dem Strahlwerkzeug vorgesehen. Durch dieses Fenster tritt der Laserstrahl aus dem Strahlwerkzeug aus.
-
Außerdem weist das Strahlwerkzeug mindestens einen Sperrluftkanal und eine Austrittsöffnung für die Sperrluft auf. Die Austrittsöffnung für die Sperrluft ist so ausgerichtet, dass die aus der Austrittsöffnung austretende Sperrluft Verunreinigungen von dem Fenster abhält. Dadurch wird über eine lange Betriebsdauer eine konstante Leistung bzw. Leistungsdichte des Laserstrahls erzielt. Anders ausgedrückt: Die Intervalle zwischen den periodisch erforderlichen Reinigungen des Fensters werden verlängert. Beides trägt dazu bei, die Produktivität des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs zu erhöhen. Die Sperrluft kann gleichzeitig zur Kühlung des Strahlwerkzeugs verwendet werden.
-
Das Bewegen in Richtung der Z-Achse und die Drehung der Spindel stellt sicher, dass die Zylinderbohrung flächendeckend aufgeraut wird. Hierzu ist es notwendig, die Überlagerung der Drehbewegung durch eine Regelung/Steuerung so abzustimmen, dass definierte Vorschubbewegungen realisierbar sind. Die Drehung des Spindelmotors wird auf die Spindel übertragen, welche konstruktiv in die kompakte Spindeleinheit integriert ist.
-
Die unabhängig von der Vorschubbewegung auf der Top-Deckfläche anlegbare Maskierung, ist auf einem separaten Schlitten abgeordnet. Die Maskierung befindet sich auf der Unterseite des Anlegewinkels.
-
Der Laserstrahl wird in den ausrichtbaren Kollimator eingespeist, welcher den divergenten Lichtstrahl parallelisiert. Der Kollimator kann bei Bedarf mit Luft oder einem anderen gasförmigen oder flüssigen Fluid gekühlt werden. Der Kollimator kann wie gezeigt senkrecht angeordnet sein. Auch eine andere Einbaulage ist möglich, was jedoch optische Bauelemente zur Strahlumlenkung erfordert. Zwischen dem nicht rotierenden Kollimator und der rotierenden Spindel befindet sich ein geringer Spalt, so dass nur geringe Abblasverluste entstehen. Darüber hinaus ist der Spalt z.B. als Labyrinthdichtung ausgeführt, so dass ein Einblick ins Innere der Spindel nicht möglich ist. Der so aufbereitete Strahl durchläuft die Hohlspindel und tritt am Spindelende in das Strahlwerkzeug ein. Im Strahlwerkzeug befindet sich die sich mit Spindeldrehzahl drehende Fokussierlinse der Brennweite f, welche den Strahl auf die Oberfläche der Bohrung fokussiert. In dem Strahlwerkzeug befindet sich eine Strahlumlenkung, welche als Spiegel oder Prisma so ausgeführt ist, dass keine signifikante Erwärmung und kein schädlicher thermischer Fokusshift entstehen. Der Austrittswinkel kann je nach prozesstechnischer Anforderung von der Normalrichtung zur Werkzeugachse abweichen. Am Strahlaustritt durchläuft der Strahl ein sperrluftumspühltes (Schutz-)Fenster, so dass kein Schmelzmaterial in das Strahlwerkzeug gelangen kann und die Verschmutzung des (Schutz-)Fensters gering bleibt. Die symmetrische Massenverteilung besonders am unteren Ende des Strahlwerkzeuges verbessert den Rundlauf auch bei hohen Drehzahlen. Dennoch ist in der Regel ein genaues Auswuchten des Strahlwerkzeugs notwendig.
-
Es ist zu erwähnen, dass die Fokussierung in bevorzugter Ausführungsform justierbar ist, so dass das erfindungsgemäße Strahlwerkzeug ohne weiteres auf verschiedene Bohrungsdurchmesser eingestellt werden kann. Dies kann sowohl manuell als auch automatisch erfolgen. Das Strahlwerkzeug kann mit einem inneren Flüssigkeits- oder Gas-Kühlsystem oder außen mit Kühlrippen für eine Konvektionskühlung ausgeführt sein.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Strahlwerkzeug und das zu bearbeitende Werkstück relativ zueinander in Richtung einer Längsachse der zu bearbeitenden Bohrung (Z-Achse) verfahrbar, so dass durch eine Kombination aus einer Drehbewegung der Spindel und der Relativbewegung von Strahlwerkzeug und Werkstück die zu bearbeitende Teil der Bohrung von dem Laserstrahl erreicht wird.
-
Diese Relativbewegung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Vorrichtung ein Gestell und einen Ständer umfasst, wobei auf dem Gestell eine Werkstück-Aufnahme angeordnet ist, wobei mindestens eine Grundplatte an dem Ständer in Richtung einer X-Achse verschiebbar und positionierbar geführt ist. Durch diese Anordnung ist es auch möglich, eine oder mehrere Bohrungen eines Werkstücks (zum Beispiel einen Zylinderblock) aufzurauen, indem das Strahlwerkzeug in Richtung der Z-Achse in die aufzurauende Bohrung hineinbewegt wird.
-
Die Umlenkeinrichtung in dem Strahlwerkzeug kann als Spiegel und/oder als Prisma ausgebildet sein. Beide Ausführungsformen bauen sehr kompakt und haben nur eine relativ geringe Masse, sodass hohe Spindeldrehzahlen möglich sind, ohne die Spindel durch die auftretenden Fliehkräfte zu verformen oder in anderer Weise zu überlasten. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs erhöht.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr flexibel bezüglich der Anordnung des Kollimators relativ zu der Spindel bzw. dem Strahlwerkzeug. So können eine Längsachse des Kollimators und eine Z-Achse der Vorrichtung bzw. einer Drehachse des Strahlwerkzeugs einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließen. Bei Bedarf wird ein Spiegel oder ein Prisma zwischen dem Kollimator und dem Strahlwerkzeug angeordnet.
-
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kollimator über ein Lichtleitkabel mit einer Laserlichtquelle verbunden ist. Sowohl die Laserlichtquelle als auch der Kollimator und das Lichtleitkabel führen keine Drehbewegungen aus, was den konstruktiven Aufbau der Vorrichtung und des Strahlwerkzeugs vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht. Um sicherzustellen, dass der Laserstrahl nicht aus dem eigentlichen Arbeitsbereich hinausgelangt, ist an der Grundplatte eine Maskierungsvorrichtung angeordnet, die in Richtung der Z-Achse verschiebbar und positionierbar geführt ist.
-
Die Maskierungsvorrichtung kann ein ringförmiges Element aufweisen, das in etwa koaxial zu der Spindel positioniert und in Richtung der Z-Achse verschiebbar ist. Außerdem kann sie ein flächiges Element aufweisen, das orthogonal zur Z-Achse ausgerichtet ist. Dadurch wird eine optimale Abdeckung des Laserstrahls erreicht, so dass Personen und/oder Gegenstände in der Nähe des Strahlwerkzeugs geschützt sind.
-
Um eine gleichbleibend hohe Bearbeitungsqualität des Strahlwerkzeugs sicherzustellen, ist an dem Ständer oder dem Gestell eine Messeinrichtung zur Messung des aus dem Fenster des Strahlwerkzeugs austretenden Laserstrahls vorgesehen.
-
Diese Messeinrichtung misst vor allem die Leistungsdichte des Laserstrahls. Wenn die gemessene Leistungsdichte unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts ist, dann kann daraus geschlossen werden, dass das Fenster der Spindel durch Verunreinigungen verschmutzt ist und das Fenster gereinigt werden muss. Nach der Reinigung ist die Leistungsfähigkeit des Laserstrahls wieder bei 100% des Ursprungswerts.
-
Messeinrichtungen zur Messung der Leistungsdichte eines Laserstrahls sind am Markt verfügbar. Im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die Messeinrichtung während des Bearbeitungsvorgangs (Aufrauen einer Bohrung) aus dem Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs herausgefahren wird.
-
Wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls gemessen werden soll, wird die Messeinrichtung so positioniert, dass sie sich in einem bestimmten Abstand zu dem Fenster des Strahlwerkzeugs befindet. Der Abstand zwischen dem Messeinrichtung und dem Strahlwerkzeug ist so gewählt, dass der Brennpunkt des Laserstrahls nicht dort ist, wo sich die Messeinrichtung befindet. Vielmehr ist die Messeinrichtung so weit von der Spindel entfernt, dass der Laserstrahl mit einer größeren Fläche als im Brennpunkt und damit mit einer deutlich geringeren Leistungsdichte auf der Messeinrichtung als auf der zu bearbeitenden Bohrung auftrifft. Dann kann die Messung der Leistungsdichte des Laserstrahls rasch und einfach erfolgen, ohne dass die Messeinrichtung durch die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls beschädigt wird.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist an dem Ständer oder dem Gestell eine Reinigungseinrichtung für das Fenster des Strahlwerkzeugs vorgesehen ist, wobei die Reinigungseinrichtung ein Gehäuse mit mindestens einer Öffnung und mindestens einer Düse für ein Reinigungsmedium, insbesondere Gas wie zum Beispiel CO2, eine Flüssigkeit oder Trockeneis, umfasst, und dass die Öffnung in dem Gehäuse das Eintauchen des Strahlwerkzeugs, mindestens jedoch des Fensters des Strahlwerkzeugs, in das Gehäuse erlaubt. Dadurch ist es möglich, mit einem Reinigungsmedium, bevorzugt Trockeneis, Verunreinigungen auf dem Fenster des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs wirkungsvoll und prozesssicher zu entfernen, sodass nach Reinigungsvorgang wieder die volle Leistungsfähigkeit des Strahlwerkzeugs hergestellt ist. Während des Reinigungsvorgangs kann die Spindel gedreht werden und/oder das Strahlwerkzeug in Richtung der Z-Achse relativ zu der Reinigungseinrichtung bewegt werden, so dass alle Bereiche des Fensters gleichmäßig gut gereinigt werden.
-
Auch die Reinigungseinrichtung ist auf einer Führung verschiebbar und positionierbar angeordnet, sodass sie während des Aufrauvorgangs aus dem Arbeitsbereich des Strahlwerkzeugs bewegt werden kann. Nur wenn das Fenster des Strahlwerkzeugs gereinigt werden muss, wird die Reinigungseinrichtung so in dem Arbeitsbereich des Strahlwerkzeugs positioniert, dass durch Bewegen des Strahlwerkzeugs in Richtung der Z-Achse mindestens das Fenster des Strahlwerkzeugs in die Öffnung der Reinigungseinrichtung einfährt und es dort zum Beispiel mit Trockeneis gereinigt werden kann.
-
Um die Luftbelastung in der Umgebung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu minimieren und gleichzeitig die Verschmutzung des Fensters durch das Verdampfen und teilweise Aufschmelzen der Oberfläche der zu bearbeitenden Bohrung entstehenden Verunreinigungen zu minimieren, ist eine Absaugeinrichtung vorgesehen, die mindestens zwei Absaugleitungen aufweist, wobei bevorzugt für jede in einem Werkstück aufzurauende Bohrung eine separate Absaugleitung vorgesehen ist.
-
Die Absaugeinrichtung weist ein zentrales Sauggebläse auf, das mit allen Absaugleitungen verbunden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in jeder Absaugleitung ein Verschlussorgan, wie zum Beispiel eine Verschlussklappe, angeordnet ist.
-
Grundsätzlich sind die Absaugleitungen verschlossen und nur bei den Absaugleitungen, die mit einer Bohrung verbunden sind, die gerade aufgeraut werden, sind die Verschlussorgane in der Absaugleitung geöffnet.
-
Wenn also beispielsweise vier Bohrungen in dem Werkstück vorhanden sind und nur eine Bohrung auf einmal aufgeraut wird, dann sind drei Absaugleitungen verschlossen und nur eine Bohrung ist mit dem Absauggebläse verbunden. Dadurch wird der Leistungsbedarf des Sauggebläses minimiert, ohne die Wirksamkeit der Absaugeinrichtung zu beeinträchtigen.
-
Die Übergänge zwischen den zu bearbeitenden Bohrungen und den Absaugleitungen sind so gestaltet, dass die Druckverluste minimiert werden. Sie können zum Beispiel als Konfusoren oder Diffusoren ausgebildet sein.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Handhabungseinrichtung vorgesehen, welche die fertig bearbeiteten Werkstücke aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung herausnimmt und ein neues Werkstück auf die Werkstückaufnahme aufsetzt. Die Werkstücke selbst können sogenannte Indexbohrungen aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Werkstücke auf einem Grundgestell aufgenommen werden und dieses Grundgestell Indexbohrungen aufweist, die mit komplementär angeordneten Stiften der Werkstückaufnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung so zusammenwirken, dass die zu bearbeiteten Bohrungen des Werkstücks exakt positioniert werden. Dies ist wichtig, um eine gleichmäßige Qualität der Bohrungsbearbeitung zu erreichen.
-
Wenn die Drehachse des Strahlwerkzeugs nicht mit der Achse der zu bearbeiteten Bohrung zusammenfällt, dann ist bei einer Umdrehung der Spindel der Laserstrahl mehr oder weniger stark fokussiert, wenn er auf die zu bearbeitende Oberfläche der Bohrung trifft. Dementsprechend ist die Leistungsdichte des Laserstrahls verschieden, was zu unterschiedlichen Bearbeitungsergebnissen führt. Das ist unerwünscht. Daher ist die ausreichend genaue Positionierung der Bohrungen relativ zu der Drehachse der Spindel des Strahlwerkzeugs wichtig für eine prozesssichere Großserienfertigung. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufrauens durch einen Laserstrahl ist darin zu sehen, dass die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit nicht besonders hoch sind, da der Laserstrahl innerhalb der Rayleighlänge quasi eine konstante Intensität aufweist. Die Rayleighlänge beträgt unter den Prozessbedingungen ca. 0,6–0,8 mm. Eine Positioniergenauigkeit von ±0,3–0,4 mm ist deshalb ausreichend. Eine solche Genauigkeit wird von einer modernen Werkzeugmaschine ohne weiteres erreicht.
-
Weil das Strahlwerkzeug in Richtung der X-Achse verfahrbar ist, kann auch eine sehr genaue Positionierung der Spindel relativ zu der Bohrung vorgenommen werden. Fertigungsbedingte Abweichungen der Positionierung der Bohrung in dem zu bearbeitenden Werkstück können dadurch ausgeglichen werden.
-
Die oben erwähnte Positioniergenauigkeit des Strahlwerkezugs relativ zu der Mitte der zu bearbeitenden Bohrung wird problemlos erreicht, auch wenn das Strahlwerkzeug nur in Richtung der X-Achse und nicht in Richtung der Y-Achse verfahrbar ist. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher und kostengünstiger Aufbau der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung.
-
Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich wie folgt beschreiben:
- – Aufsetzen der Maskierungsvorrichtung auf die Stirnfläche der Bohrung, deren Oberfläche aufgeraut werden soll,
- – Einfahren der Spindel in die Bohrung sowie
- – Drehen der Spindel
- – und/oder Bewegen der Spindel (27) und/oder des Werkstücks (11) in Richtung der Z-Achse, so dass der Laserstrahl mit definiertem Vorschub die zu bearbeitende Oberfläche der Bohrung (61) in Form einer Wendel oder in Form mehrerer nebeneinander liegender Ringe aufraut.
-
Diese sehr einfache Bewegung erlaubt eine rasche und prozesssichere Bearbeitung einer Bohrung.
-
Es ist möglich, den Laserstrahl dauernd eingeschaltet zu lassen, auch wenn der Laserstrahl über eine Öffnung in der zu bearbeitenden Bohrung bewegt wird, und immer dann, wenn der Laserstrahl sich außerhalb einer zu bearbeiteten Bohrung befindet, den Laserstrahl durch eine Abschirmung abzudecken, sodass der Laserstrahl keine Schäden bei den dort arbeitenden Personen oder den dort vorhandenen Gerätschaften verursacht. Das erleichtert die Steuerung des Aufrauprozesses. Sollen Bohrungen bearbeitet werden mit zusätzlichen Ventilationsbohrungen oder mit Aussparungen für die Pleuelgeige, so ist es nicht notwendig den Strahl im Bereich der Unterbrechungen abzuschalten, weil der Laserstrahl defokussiert auf eine Werkstückoberfäche mit größerem Abstand als auf die zu bearbeitende Bohrung. Aufgrund der dadurch geringeren Strahlintensität findet dort kein Aufrauprozess statt. Alternativ kann der Laserstrahl genau dann eingeschaltet werden, wenn er auf eine aufzurauende Oberfläche trifft. Das spart Energie und verringert den Aufwand für Abschirmungen.
-
Die Abschirmung ist dabei in einem solchen Abstand zu der Spindel beziehungsweise dem Fenster des Strahlwerkzeugs angeordnet, dass der Laserstrahl defokussiert auf die Abschirmung trifft und infolgedessen die Leistungsdichte des Laserstrahls so gering ist, dass die Abschirmung nicht beschädigt wird.
-
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung die mit Rückständen von der Laserbearbeitung versetzte Luft aus der in Bearbeitung befindlichen Bohrung absaugt. Dadurch wird erstens die Luft in der unmittelbaren Umgebung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessert und das Fenster des Laserwerkzeugs wird weniger verschmutzt. Dadurch wird die Prozessstabilität des Aufrauprozesses verbessert und die Intervalle nach denen die Leistung des Laserstrahls gemessen werden muss, können verlängert werden. Dies erhöht die Produktivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und in Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungsmäßig sein.
-
Zeichnung
-
Es zeigen:
-
1 eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
2 und 3 Details des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs,
-
4 eine schematische Darstellung der Messeinrichtung zum Messen der Leistungsfähigkeit des Laserstrahls,
-
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung,
-
6 ein Detail der erfindungsgemäßen Absaugeinrichtung und
-
7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Handhabungseinrichtung.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer Isometrie und etwas vereinfacht dargestellt. Sie umfasst ein Gestell 3 und einen Ständer 5. Auf dem Gestell 3 sind eine Werkstückaufnahme 7 und eine Handhabungseinrichtung 9 angeordnet. Die Handhabungseinrichtung 9 kann, wie in 1 angedeutet, als Wechselgreifer ausgebildet sein.
-
Die Werkstücke 11 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Zylinderblöcke von Brennkraftmaschinen mit vier Zylinderbohrungen (ohne Bezugszeichen).
-
An dem Ständer 5 sind bei diesen Ausführungsbeispielen zwei Spindeln 27 auf Grundplatten 13 angeordnet, die in Richtung der X-Achse verfahrbar und positionierbar sind. Dazu sind eine Führung und ein Antrieb sowie Messeinrichtungen zur Erfassung der Position der Grundplatten 13 vorhanden. Diese Linearführungen und Antriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher nicht näher erläutert.
-
An den Spindeln 27 sind Strahlwerkzeuge 33 angeordnet, die nachfolgend im Zusammenhang mit den 2 und 3 noch näher erläutert werden. Die Strahlwerkzeuge 33 können unabhängig voneinander betrieben und entlang der X-Achse und der Z-Achse bewegt werden. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander mehrere Bohrungen in einem oder mehreren Werkstücken 11 zu bearbeiten.
-
Zwischen den Strahlwerkzeugen 33 ist eine Messeinrichtung 17 zur Messung der Leistungsdichte beziehungsweise des Laserstrahls angeordnet. Diese Messeinrichtung wird im Zusammenhang mit der 4 näher erläutert.
-
An der im linken Ende des Ständers 5 ist größtenteils verdeckt von dem linken Strahlwerkzeug 33 eine Reinigungseinrichtung 19 vorhanden, die im Zusammenhang mit der 5 näher erläutert wird. Die 2 zeigt ein Detail der 1, nämlich ein Strahlwerkzeug 33, das mit der Spindel 27 verbunden ist und in Richtung einer Z-Achse verfahrbar ist.
-
Auf der Grundplatte 13 ist eine Linearführung 21 angeordnet. Die Linearführung umfasst auch einen Linearantrieb sowie Sensoren zur Erfassung der Position des Strahlwerkzeugs entlang der Z-Achse. Diese Bauteile sind aus dem Stand der Technik bekannt und wegen der Übersichtlichkeit nicht einzeln dargestellt.
-
Auf der Linearführung 21 ist ein Schlitten 29 angeordnet. Der Schlitten 29 ist in Richtung der Z-Achse verfahrbar. Der Schlitten 29 trägt einen Kollimator 25 und einen Antrieb 23 für die Spindel 27. Der Kollimator 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel über ein Winkelstück 22 fest mit dem Schlitten 29 verbunden. Die Strahlquelle und ein Lichtleitkabel, welche den Kollimator 25 mit Licht versorgen, sind in der 2 nicht dargestellt, damit der Kollimator 25 gut sichtbar ist.
-
Der Kollimator 25 ragt teilweise in die Spindel 27, welche drehbar gelagert an dem Schlitten 29 befestigt ist. Ein Drehantrieb für die Spindel 27 ist mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Der Drehantrieb 31 ist ebenfalls an dem Schlitten 29 befestigt.
-
In 2 unterhalb der Spindel ist ein Strahlwerkzeug 33 mit der Spindel 27 verbunden. An dem in 2 unterem Ende des Strahlwerkzeugs 33 sind eine Umlenkeinrichtung und ein Fenster angeordnet (siehe 3). Die Umlenkeinrichtung und das Fenster sind in der 2 durch eine Maskierungsvorrichtung 35 weitestgehend verdeckt.
-
Die Maskierungsvorrichtung 35 ist auf einem separaten Schlitten 37 auf der Führung 21 geführt und kann in Richtung der Z-Achse unabhängig vom Strahlwerkzeug 33 bewegt werden. Die Maskierungseinrichtung 35 ist ein ringförmiges Gebilde, das konzentrisch zur Längsachse der Spindel 27 beziehungsweise des Strahlwerkzeugs 33 positioniert ist. Die Maskierungseinrichtung 35 besteht bevorzugt aus Kupfer, weil Kupfer die Energie des Laserstrahls gut aufnehmen kann und wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit diese Energie rasch ableitet.
-
In der 3 ist das Ende der Spindel 27 nur angedeutet. Die Spindel 27 endet mit einem Flansch 41 an dem das Strahlwerkzeug 33 befestigt ist. Das Strahlwerkzeug 33 ist teilweise geschnitten dargestellt.
-
In dem Strahlwerkzeug 33 ist eine fokussierende Linse 39 angeordnet. Die fokussierende Linse 39 fokussiert das von den Kollimator 25 gleichgerichtete Licht eines Laserstrahls 55 auf einen Brennpunkt F, der außerhalb des Strahlwerkzeugs liegt. Dort wo sich der Brennpunkt F befindet, ist die Oberfläche der zu bearbeitenden Bohrung 61.
-
Wenn also die Spindel 27 und mit ihr das Strahlwerkzeug 33 eine Umdrehung um die Z-Achse ausführt, wird ein kreis- oder ringförmiger Bereich der Bohrung vom Laserstrahl 55 getroffen und erfindungsgemäß aufgeraut. Wenn nun zusammen mit der Drehung der Spindel 27 das Strahlwerkzeug 33 in Richtung der Z-Achse bewegt wird, ergibt sich eine schrauben- oder wendelförmige Linie. Entlang dieser Linie wandert der Fokus des Laserstrahls 55 über die aufzurauende Bohrung 61. Alternativ kann auch ein "Ring" der Bohrungsoberfläche bearbeitet werden und dann das Strahlwerkzeug in Richtung der Z-Achse um die Bearbeitungsbreite des Strahlwerkzeugs 33 verschoben oder bewegt werden. Dieser Vorgang wird wiederholt bis die gesamte zu bearbeitende Oberfläche der Bohrung 61 aufgeraut ist.
-
Wenn die Mittelachse der zu bearbeitenden Bohrung 61 und die Drehachse der Spindel 27 zusammenfallen, dann ergibt sich über den gesamten Umfang der Bohrung eine gleichmäßige Einwirkung des Laserstrahls und infolgedessen ein sehr gleichmäßiges Ergebnis der Laserbearbeitung der Bohrung.
-
Auch aus diesem Grund ist es wichtig, dass das Strahlwerkzeug 33 in Richtung der X-Achse verfahrbar und positionierbar ist. Dann nämlich kann die Drehachse des Strahlwerkzeugs 33 optimal zur Längsachse der zu bearbeitenden Bohrung 61 ausgerichtet werden kann. Dies kann erforderlichenfalls durch Messeinrichtungen, welche die exakte Lage der zu bearbeitenden Bohrung erfassen, unterstützt werden, sodass eine optimale Bearbeitungsqualität gewährleistet ist, auch, wenn die Bohrungen 61 in dem Werkstück 11 fertigungsbedingt gewisse Lagetoleranzen aufweisen.
-
In der 3 ist ein Flansch 41 sichtbar. Dieser Flansch ist Teil der Werkzeugspindel 27. Über diesen Flansch wird das Strahlwerkzeug 33 mit der Spindel 27 verschraubt. Das Strahlwerkzeug 33 ist auswechselbar, so dass abhängig von der Länge der zu bearbeitenden Bohrung und/oder dem Durchmesser der zu bearbeitenden Bohrung ein geeignetes Strahlwerkzeug 33 an der Spindel 27 angebracht werden kann. Mithilfe von Stiften 43 eines oberen Verstellrings 45, eines unteren Verstellrings 47 und eines weiteren Stellrings 49 wird die Fokussierlinse 39 in der gewünschten Position relativ zu dem Flansch 41 der Spindel positioniert. Dadurch ist es möglich, die Lage des Brennpunkts F zu verändern. Auf diese Weise kann das Strahlwerkzeug 33 an verschiedene Bohrungsdurchmesser angepasst werden. Der Abstand des Brennpunkts F von der Drehachse der Spindel 27 wird in der Regel so festgelegt, dass er mit der Oberfläche der zu bearbeitenden Bohrung 61 zusammenfällt.
-
Eine Feder 51 kompensiert Temperaturschwankungen, sodass eine spielfreie Anlage der Fokussierlinse 39 gewährleistet ist.
-
Am unteren Ende des Strahlwerkzeugs 33 ist eine Umlenkeinrichtung 53 angeordnet, die bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Umlenkspiegel besteht. Es ist jedoch auch möglich, dass die Umlenkeinrichtung 53 ein Prisma umfasst.
-
Der Laserstrahl 55 wird ausgehend von der fokussierenden Linse 39 immer dünner, bis er schließlich den Brennpunkt F erreicht hat. Dort ist naturgemäß die Leistungsdichte am höchsten.
-
Der Laserstrahl 55 verlässt das Strahlwerkzeug 33 durch ein Fenster 57, welches transparent für den Laserstrahl ist und verhindert, dass Verunreinigungen ins Innere des Strahlwerkzeugs 33 gelangen können.
-
An dem in 3 oberen Ende des Strahlwerkzeugs 33 ist ein Sperrlufteintritt 59 dargestellt. Die Sperrluft gelangt durch das Innere des Strahlwerkzeugs bis ans untere Ende desselben und tritt dort über eine Düse (nicht sichtbar in 3) so aus, dass ein Luftschleier über die Außenseite des Fensters 57 gelegt wird und infolgedessen keine Verunreinigung beziehungsweise nur sehr wenige Verunreinigungen an die Oberfläche des Fenster 57 gelangen. Solche Verunreinigungen, wenn sie sich auf dem Fenster 57 ablagern, reduzieren die Leistungsdichte beziehungsweise die Leistung des Laserstrahls im Brennpunkt F. Damit wird auch das Arbeitsergebnis des Strahlwerkzeugs verschlechtert. Daher ist die Sperrluftzufuhr 59 ein wirksames Mittel, um die Prozesssicherheit zu erhöhen.
-
In der 3 ist sehr schematisch eine Bohrung 61 angedeutet. Aus der 3 wird deutlich, dass die Längsachse der Bohrung 61 und die Längsachse der Spindel 27 beziehungsweise des Strahlwerkzeugs 33 koaxial zueinander verlaufen und dass der Brennpunkt F dort liegt, wo sich die Oberfläche der Bohrung 61 befindet. Wenn also das Strahlwerkzeug 33 einmal um 360° gedreht wird, wandert der Brennpunkt F auf einer Kreisbahn einmal über die Bohrung 61 und bewirkt dort die gewünschte Aufrauhung der Oberfläche. Wenn nun diese Drehbewegung mit einer Vorschubrichtung in Richtung der Z-Achse kombiniert wird, dann ergibt sich eine Schraubenlinie auf der der Fokus F über die Oberfläche der Bohrung 61 wandert, sodass die gesamte Oberfläche der Bohrung 61 aufgeraut werden kann. Es versteht sich von selbst, dass die Vorschubgeschwindigkeit und die Drehzahl der Spindel 27 aufeinander abgestimmt werden müssen, sodass die gesamte Oberfläche der Bohrung 61 aufgeraut wird. Um sicherzustellen, dass die Leistung des Laserstrahls 55 im Fokus F konstant bleibt, ist an der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Messeinrichtung 63 vorgesehen, die beispielsweise an dem Ständer 5 angeordnet sein kann.
-
In der 4 ist eine solche Messeinrichtung 63 schematisch dargestellt. Ein Messfeld der Messeinrichtung ist mit dem Bezugszeichen 65 bezeichnet. Es ist so ausgerichtet, dass der Laserstrahl 55 orthogonal auf das Messfeld 65 trifft. Aus diesem Grund ist die Messeinrichtung 63 schräg gestellt.
-
Die Messeinrichtung 63 ist in Richtung eines Doppelpfeils 67 verfahrbar, sodass ein Abstand R zwischen dem Fenster 57 des Strahlwerkzeugs und dem Messfeld 65 einstellbar ist. In der in 4 dargestellten Position befindet sich die Messeinrichtung 63 außerhalb des Bearbeitungsbereichs, das heißt hinter der Grundplatte 13. Wenn nun die Leistung des Laserstrahls 55 gemessen werden soll, dann wird die Messeinrichtung 63 in der 4 in Richtung des Doppelpfeils 67 nach rechts oben bewegt, bis der Abstand R den gewünschten Wert hat. Dabei ist darauf zu achten, dass das Messfeld 65 nicht im Brennpunkt F des Laserstrahls liegt, weil dann die Leistungsdichte des Laserstrahls 55 so hoch ist, dass das Messfeld 65 beschädigt wird.
-
Deshalb wird deshalb das Messfeld 65 so positioniert, dass der Laserstrahl 55 nicht mit seiner maximalen Leistungsdichte auf das Messfeld 65 auftrifft, sondern eine Leistungsdichte hat, die keine Beschädigung des Messfelds 65 hervorruft.
-
In dem Messfeld 65 wird nun die Leistungsdichte des Laserstrahls 55 bestimmt. Wenn die Leistungsdichte unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, dann sind an dem Fenster 57 zu viele Verunreinigungen und das Fenster 57 muss gereinigt werden.
-
In der 5 ist eine dafür geeignete Reinigungseinrichtung 69 dargestellt. Die Reinigungseinrichtung 69 umfasst ein Gehäuse 71 mit einer Öffnung 73. Des Weiteren gibt es eine Zufuhröffnung 75 für das Reinigungsmedium, bevorzugt Trockeneis.
-
Die Reinigungseinrichtung 69 ist in Richtung einer X-Achse verfahrbar, sodass die Reinigungseinrichtung 69 außerhalb des Arbeitsbereichs des Strahlwerkzeugs 33 gebracht wird, wenn der Laser eine Bohrung aufraut. In 5 ist die Position der Reinigungseinrichtung 69 dargestellt in der das Strahlwerkzeug 33 beziehungsweise das Fenster 57 an dem unteren Ende des Strahlwerkzeugs 33 gereinigt werden kann. Das Fenster 57 ist in der Öffnung 73 des Gehäuses 71 gerade noch zu sehen.
-
Wenn das Fenster 57 gereinigt werden soll, fährt das Strahlwerkzeug 33 noch tiefer in das Gehäuse 71 ein. Das Fenster 57 ist so ausgerichtet, dass es unmittelbar von dem Reinigungsmedium, das durch die Zufuhröffnung 75 in das Innere des Gehäuses 71 gelangt, beaufschlagt wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn als Reinigungsmedium Trockeneis verwendet wird, weil dieses Trockeneis eine sehr gute Reinigungswirkung hat und rückstandslos verdampft. Die verbleibenden Verunreinigungen fallen nach unten und können am unteren Ende des Gehäuses 71 gesammelt und abgeführt werden.
-
Damit das Fenster 57 gleichmäßig gereinigt wird, kann es vorteilhaft sein, das Strahlwerkzeug 22 während des Reinigungsvorgangs oszillierend in Richtung der Z-Achse zu bewegen und/oder um die Z-Achse zu drehen.
-
In der 6 wird ein Teil der erfindungsgemäßen Absaugeinrichtung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind vier Bohrungen 61 in einem Zylinderblock (Werkstück) vorhanden. Am unteren Ende der Bohrungen 61 ist jeweils eine Absaugleitung 77 angebracht. In jeder Absaugleitung 77 ist ein Verschlussorgan 79, bspw. in Form einer Absperrklappe vorgesehen. Jeder Bohrung 61 des Werkstücks 11 ist eine Absaugleitung 77 zugeordnet. Wenn bspw. in der zweiten Bohrung von rechts eine Laserbearbeitung stattfindet, dann ist das Verschlussorgan 79 dieser Absaugleitung 77 geöffnet und die bei der Laserbearbeitung entstehenden Dämpfe und Verunreinigungen können über die Absaugleitung 69 abgesaugt werden.
-
Die in 6 oberen Enden 84 der Absaugleitungen 77 sind so gestaltet, zum Beispiel als Konfusor, dass die Druckverluste im Übergangsbereich zwischen der Bohrung 61 und der Absaugleitung 77 minimal sind.
-
Da in den anderen Bohrungen 61 bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel keine Laserbearbeitung zur gleichen Zeit stattfindet, sind die Verschlussorgane 79 dieser Absaugleitung 77 verschlossen. Dadurch wird der erforderliche Volumenstrom bzw. der Energiebedarf eines Sauggebläses reduziert und die Absaugung der Verunreinigungen in der zweiten Bohrung von rechts in der 6 wird effektiver.
-
In der 7 ist eine Handhabungseinrichtung 81 schematisch dargestellt. Sie ist als Wechselgreifer ausgeführt. Die Werkstücke 11 werden mit Hilfe von Unterlagen 83 auf den Werkstückaufnahmen 7 abgesetzt und durch Indexierungsvorrichtungen genau positioniert. Nachdem die Werkstücke 11 bearbeitet sind, werden sie von der Handhabungseinrichtung 81 von den Werkstück-Aufnahmen 7 entnommen und es werden neue unbearbeitete Werkstücke 11 auf die Werkstück-Aufnahmen 7 aufgesetzt.
-
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
-
- DE 102009051717 A1 [0002]
- EP 2799180 A2 [0003]
- DE 102014207263 A1 [0003]
- DE 102005019757 A1 [0004, 0006]
- DE 19809367 A1 [0005]
- EP 0950461 A2 [0006]
