DE2804479A1

DE2804479A1 - Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten eines werkstuecks

Info

Publication number: DE2804479A1
Application number: DE19782804479
Authority: DE
Inventors: Hiroji Okuda
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1977-11-15
Filing date: 1978-01-31
Publication date: 1979-05-17
Also published as: GB1564280A; DE7803083U1; FR2408423A1; FR2408423B1; JPS5469896A; US4170726A

Description

DiPL-CHEM. dr. HARALD STACH

PATENTANWALT ADENAUERALLEE 30 · 2000 HAMbURG 1 · TtLEFON (040) 24 45 23

Aktenzeichen: Neuanmeldunp

Anmelderin; KOYO SEIKO COMPANY LIMITED, Osaka/Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, bei welchem man dieses um eine Drehachse verdreht und von der Außenfläche Material abnimmt.

Aus den ÜS-PS 2 989 6i4 und 3 301 9^9 sind bereits Verfahren zum Schweißen, Schneiden und Bohren von Werkstücken mit Laserstrahlen bekannt, bei denen diese auf das Werkstück senkrecht zu dessen Oberfläche einwirken. Diese Verfahren ermöglichen jedoch weder die Erzeugung von glatten Oberflächen oder Einschnitten vorbestimmter Tiefe in der sich über einen größeren Bereich erstreckenden Außenfläche des Werkstücks, noch die Bildung einer Ringnut vorbestimmter Form in dessen Umfangsfläche.

Es ist seit langem bekannt, die äußere Umfangsflache eines rotierenden Werkstücks mechanisch zu bearbeiten oder zu beschleifen. Diese Arbeitsweise führt jedoch nicht selten zu Schwierigkeiten, ist wenig wirksam oder erfordert einen hohen apparativen Aufwand. So sind zum Beispiel zum korrigierenden Bearbeiten der äußeren Umfangsflache einer Walzwerkswalze zur Erzielung einer glatten Oberfläche sehr groß bemessene Apparaturen erforderlich, die für die Bearbeitung einen Ausbau der Walze aus dem Walzgerüst nötig machen. Beim Bearbeiten der Außenfläche eines Bolzenkopfes, einer Mutter oder eines sonstigen Werkstücks mit polygonaler Außenfläche, wird das Werkstück bei vorbestimmter Antriebsgeschwindigkeit zunächst an den Eckbereichen mittels eines Werkzeuges geschnitten, wobei dieses einem

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großen Widerstand und einer Schlagbeanspruchung ausgesetzt ist, die zu Beschädigungen und zu einem Verschleiß des Werkzeuges führen, Bearbeitungsprobleme verursachen und den Wirkungsgrad herabsetzen. Es fehlt daher an Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung der Außenfläche von Werkstücken, die diese Schwierigkeiten vermeiden und mit einfachen Mitteln eine verbesserte Wirksamkeit erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die bisherigen Nachteile ganz oder doch weitgehend vermeiden und auf einfache Weise eine kontinuierlich und automatisch durchführbare präzise Bearbeitung und Formgebung des Werkstücks auch zur Erzeugung von Ringnuten, Einschnitten und Vorsprüngen ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß man das rotierende Werkstück mit geeigneter Toleranz tangential zur Umdrehungsbahn mit Laserstrahlen bestrahlt.

Dieses Verfahren eröffnet einen erweiterten Anwendungsbereich für Laserstrahlen bei der Werkstückbearbeitung und gestattet auf einfache Weise eine genaue, automatisch durchführbare Bearbeitung auch polygonaler Werkstücke. Mittels dieses Verfahrens ist es beispielsweise möglich, an Walzwerkswalzen Bearbeitungen zur Korrektur der Oberfläche durchzuführen, ohne diese aus dem Walzgerüst auszubauen.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteranspriichen 2 bis 0 beschrieben.

Wenn man den Bestrahlungspunkt gleichzeitig mit einer Verschiebung parallel zur Drehachse des Werkstücks auch der

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Drehachse annähert, kann auf einfache Weise eine Ringnut jeder gewünschten Form und Abmessung erzeugt werden. Das durch den Laserstrahl in der Ringnut geschmolzene Material wird durch ein Formgebungswerkzeug abgenommen, das an
einem in Drehrichtung des Werkstücks hinter dem Bestrahlungspunkt liegenden Punkt der Umdrehungsbahn angeordnet ist. Dieses Verfahren eignet sich zur Erzeugung von Ringnuten in Werkstücken mit kreisförmigem Querschnitt und
insbesondere auch für Bolzenköpfe, Muttern oder ähnliche Werkstücke mit polygonaler Umfangsfläche, die nach den
herkömmlichen, mit Schneidwerkzeugen arbeitenden Verfahren nicht wirksam bearbeitet werden können.

Wenn in der Außenfläche des Werkstücks über einen größeren Bereich Einschnitte und Vorsprünge erzeugt werden
sollen, ist es lediglich erforderlich, den Bestrahlungspunkt über einen entsprechend großen Bereich in Richtung der Drehachse des WerkstücKsvsowxe entsprechend der gewünschten Form und Abmessungen der Einschnitte und Vorsprünge der
Drehachse mehr oderweniger anzunähern.

Während der Bearbeitung kann die erzeugte Konfiguration
der Außenfläche des Werkstücks kontinuierlich beispielsweise durch ein berührungsfrei arbeitendes Laserstrahl-Meßgerät überprüft werden, ohne die Bearbeitung zu unterbrechen oder zu beeinträchtigen. Während der Bearbeitung kann die Lage des Bestrahlungspunktes, des Materialentfernungspunktes und des Meßpunktes in Abhängigkeit von
den Meßwerten zweckentsprechend gesteuert werden, so daß eine vollautomatische Bearbeitung ermöglicht wird.

Gegenstand der Erfindung Ist ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten einen Werkstücks mit Vorrichtungen zum Verdrehen des Werkstücks und Vorrichtungen zum Abnehmen von Material von dessen Außenfläche, welches gekennzeichnet
ist durch eine mit geeigneter Toleranz auf einen Bestrah-

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lungspunkt tangential zu dessen Unidrehungsbahn gerichtete Laserstrahl-Vorrichtung, mindestens eine Vorrichtung zur Entfernung des durch Bestrahlen geschmolzenen Materials vom Werkstück sowie Vorrichtungen zur Erzeugung einer den Bestrahlungspunkt parallel zur Drehachse und/oder zu dieser hin verlagernden Verschiebung des Werkstücks und/oder der Laserstrahl-Vorrichtung relativ zueinander.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 11 bis 17 beschrieben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der relativen Verschiebung des Werkstücks zur Laservorrichtung, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Vorrichtung,

Fig. ^A eine Seitenansicht eines mit einer Ringnut versehenen polygonalen Werkstücks,

Fig. ÜB eine Seitenansicht eines ähnlichen, mit einer Ringnut versehenen polygonalen Werkstücks,

Fig. kC eine Seitenansicht eines weiteren, mit einer Ringnut versehenen polygonalen Werkstücks, Fig. 5 eine schematische Darstellung einer abgewandelten

Vorrichtung,
Fig. 6a eine Seitenansicht eines mit mehreren Ringnuten

versehenen Werkstücks,
Fig. 6b eine Seitenansicht eines Werkstücks mit zwischen Ringnuten liegenden Vorsprüngen und

Fig. 6C eine Seitenansicht eines Werkstücks mit verschiedenen Ringnuten.

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Die in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes ¥ umfaßt eine Laserstrahl-Vorrichtung 1, einen Laserstrahl-Generator 2, einen Gasstrahl-Generator 3» ein Prüfgerät h zur Oberflächeninspektion und eine Steuervorrichtung 5 für die Vorrichtungen 1 bis k. Das Werkstück W rotiert mit vorbestimmter Geschwindigkeit in der durch den Pfeil angedeuteten Drehrichtung N. Der durch die Laserstrahl-Vorrichtung 1 erzeugte Laserstrahl L wirkt auf das Werkstück W im wesentlichen tangential zur kreisförmigen Umdrehungsbahn mit vorbestimmter Toleranz ein. Während der Bestrahlung wird die Laserstrahl-Vorrichtung 1 in einem konstanten Abstand D vom Werkstück W in Richtung parallel zur Drehachse X-X' des Werkstückes W über die der Breite M der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W entsprechende Strecke bewegt, wodurch die gesamte äußere Umfangsfläche des walzenförmigen Werkstücks W schmelzbearbeitet wird. Die Bewegung der Laserstrahl-Vorrichtung 1 parallel zur Drehachse X-X¹ erfolgt durch eine geeignete Stellvorrichtung mit einer durch die Steuervorrichtung 5 geregelten Geschwindigkeit. Durch den die Außenfläche des Werkstücks k bestrahlenden Laserstrahl L wird der Werkstoff an der Umfaigsfläche geschmolzen und geschmolzene Teilchen an deren Oberfläche verspritzt. Zur Erzielung einer wirkungsvollen und präzisen Bearbeitung werden die geschmolzenen Teilchen beispielsweise mittels eines Gasstrahl-Generators 3 entfernt, der einen aus Sauerstoff, Argon, Luft oder dergleichen bestehenden Gasstrahl in gleicher oder entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl L gegen den geschmolzenen Bereich der Außenfläche des Werkstückes W richtet. Die Tiefe und die Genauigkeit der Bearbeitung der Außenfläche werden mittels eines Prüfgerätes h zur Oberflächeninspektion geregelt, dessen Ergebnisse der Steuervorrichtung 5 zugeführt werden.

Anstelle der vorstehend beschriebenen axialen Verschiebbarkeit der Laserstrahl-Vorrichtung 1 in zur Drehachse des

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Werkstücks W paralleler Richtung kann die Laserstrahl-Vorrichtung 1 auch fest angeordnet und das Werkstück W während seiner Drehbewegung axial verschiebbar geführt sein. Es kann auch das an einer festen Position rotierende Werkstück W mit Laserstrahlen bestrahlt werden, die durch ein bewegtes optisches Reflex-ionssystem und ein bewegtes optisches Kondensatorsystem in zum Werkstück W axialer Richtung verschoben werden. Die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit η des im Querschnitt kreisförmigen Werkstücks W und der Bewegungsgeschwindigkeit ν des Werkstücks W in Richtung der Drehachse X-X¹ entspricht der Formel:

s y, η _. ν

in der s die Bearbeitungsgeschwindigkeit in mm/min, d der Durchmesser des Außenumfanges des Werkstücks W und ^w die Baarbeitungsbreite durch den Laserstrahl L darstellen. Dementsprechend werden die Geschwindigkeiten η und ν auf der Grundlage dieser Beziehung und anderer Faktoren bestimmt, wie beispielsweise der Wirkleistung des Laserstrahls L, der Schmelztiefe, etc.

Die in Fig. 3 dargestellte abgewandelte Vorrichtung besitzt eine Laserstrahl-Vorrichtung 1, einen Laserstrahl-Generator 2, eine Steuervorrichtung 5 und ein zur Formgebung dienendes Werkzeug 6 zum Entfernen des geschmolzenen Materials. Zur Herstellung einer Ringnut mit vorbestimmter Form in der äußeren Umfangsflache eines polygonalen Werkstücks W , beispielsweise eines Bolzenkopfes oder einer Mutter, wird das polygonale Werkstück W mit vorbestimmter Geschwindigkeit beispielsweise in der durch den Pfeil wiedergegebenen

angeordneten Richtung N verdreht und mittels der neben dem Werkstück W Laserstrahl-Vorrichtung 1 mit einem im wesentlichen tangential zur kreisförmigen Umdrehungsbahn des Werkstücks gerichteten Laserstrahl L bestrahlt. Der Laserstrahl L schneide.t zunächst am Werkstück W die Ecken a , a , . . ag über die Breite M₁ der zu erzeugenden Nut V ab. Nach deren Ent-

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forming dient das Werkzeug 6 zur Entfernung der durch die Bestrahlung erzeugten Schmelze. Das Werkzeug 6 wird anstelle des bei der vorhergehenden Ausführungsform verwendeten Gasstrahlgenerators 3 benutzt, da dessen Gasstrahl G nicht in der Lage ist, die Schmelze aus der engen und tiefen Nut V zu entfernen. Wenn das zum Entfernen¹der Schmelze dienende Werkzeug 6 eine Schneidfunktion hat, erteilt es dem bearbeiteten Bereich die zur Feinbearbeitung gewünschte Dimensionsgenauigkeit und Oberflächenrauhigkeit. Die Laserstrahl-Vorrichtung 1 und das zur Formgebung und Entfernung der Schmelze dienende Werkzeug 6 werden durch die Steuervorrichtung 5 so gesteuert, daß der Bestrahlungspunkt P und der Materialentfernungspunkt Q, in welchem das Werkzeug 6 das Werkstück W₁ zur Entfernung der Schmelze berührt, in Richtung der Drehachse des Werkstücks W₁ und in Richtung zur Drehachse hin verschoben werden, um eine Nut V der gewünschten Form zu erzeugen. Diese zur Erzeugung einer Nut in einem polygonalen Werkstück beschriebene Methode kann noch einfacher auf im Querschnitt kreisförmige Werkstücke angewandt werden. Die Laserstrahl-Vorrichtung 1 und das zur Entfernung der Schmelze dienende Werkzeug 6 können bei ihrer über einen weiteren Bereich axial zum Werkstück erfolgenden Bewegung auf dessen Außenfläche über einen entsprechend weiten Bereich kontinuierliche oder getrennte Vorsprünge und/oder Einschnitte erzeugen. Es ist auch möglich, den Laserstrahl L zur Verringerung der Oberflächenhärte auf die Oberfläche des polygonalen Werkstücks W auffallen zu lassen und die Oberfläche mit einem Schneidwerkzeug zu schneiden.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung kann beispielsweise zur Herstellung von Werkstücken der in Fig. 6a, OB und 6C dargestellten Art dienen und weist eine Laserstrahl-Vorrichtung 1, eine zugehörige Stellvorrichtung 1a, einen Laserstrahl-Generator 2, ein zur Formgebung und Entfernung der Schmelze dienendes Werkzeug 6, eine zugehörige Stellvorrichtung 6a, ein berührungsfrei arbeitendes Laserstrahl-

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Meßgerät 7 zur Prüfung der Konfiguration, eine zugeordnete Stellvorrichtung 7a und eine mit einem Computer verbundene numerische Steuervorrichtung 8 auf. Diese Vorrichtung ermöglicht die präzise Erzeugung der in Fig. 6 dargestellten Werkstücke W mit auf deren äußerer Umfangsflache angeordneten, kontinuierlichen oder getrennten Vorsprüngen und/ oder Einschnitten. Hierzu wird die Laserstrahl-Vorrichtung 1 so ausgerichtet, daß der Laserstrahl L mit geeigneter Toleranz auf das in der durch den Pfeil angedeuteten Drehrichtung N rotierende Werkstück W auftrifft. Das zur Entfernung der Schmelze dienende Werkzeug 6 und das Meßgerät 7 zur Überprüfung der Konfiguration sind jeweils so angeordnet, daß der Materialentfernungspunkt Q, in welchem das Werkzeug 6 das Werkstück W zur Entfernung der Schmelze berührt und der Meßpunkt R des Meßgeräts 7 in einem geeigneten Umfangsabstand vom Bestrahlungspunkt P auf dessen Umfangslinie liegen, längs deren der Laserstrahl L das Werkstück W„ trifft. Die Laserstrahl-Vorrichtung 1 und das Werkzeug 6 werden gleichzeitig in Abhängigkeit von den Signalen der numerischen Steuervorrichtung 8 durch die Stellvorrichtungen 1a und 6a betätigt. Bei einem polygonalen Werkstück wird das die Schmelze entfernende Werkzeug 6 erst mit einer Verzögerung nach dem Einschalten der Laserstrahl-Vorrichtung 1 betätigt. Der jeweilige Zustand des durch den Laserstrahl L und das Werkzeug 6 bearbeiteten Werkstücks wird durch das Meßgerät 7 in Abhängigkeit von der numerischen Steuervorrichtung 8 mittels der Stellvorrichtung "Ja gemessen und die Meßergebnisse der numerischen Steuervorrichtung 8 zugeführt, welche die erhaltenen Informationen verarbeitet und durdi Signale an die Laserstrahl-Vorrichtung 1 und das die Schmelze entfernende Werkzeug 6 über die Stellvorrichtungen 1a und 6a die jeweilige Lage des Bestrahlungspunktes P und und des Materialentfernungspunktes Q ständig genau kontrolliert. Auf diese Weise werden die Laserstrahl-Vorrichtung 1, das die Schmelze entfernende Werkzeug 6 und das Meßgerät 7

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in Abhängigkeit von der Steuervorrichtung 8 über einen weiten Bereich verschoben, wobei der Bestrahlungspunkt P, der Materialentfernungspunkt Q und der Meßpunkt R ständig bezogen auf die Richtung der Drehachse des Werkstückes W und dessen radiale Richtung in genau festgelegten Positionen gehalten werden, so daß über einen weiten Bereich der äußeren Umfangsfläche des im Querschnitt kreisförmigen Werkstücks W Einschnitte mit hoher Präzision erzeugt werden können.

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Claims

DIPL..CHEM. DR. HARALD STACH

PATENTANWALT

ADENAUERALLEE 3O ■ 2000 HAMBURG 1 -TELEFON (040) 24 45 23

Aktenzeichen: Neuanmeldung

Anmelderin: KOYO SEIKO COMPANY LIMITED

PATENTANSPRÜCHE

1);Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, bei welchem "" man dieses um eine Drehachse verdreht und von der Außenfläche Material abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß man das rotierende Werkstück geeigneter Toleranz tangential zur Umdrehungsbahn mit Laserstrahlen bestrahlt.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bestrahlungspunkt des Werkstücks in Richtung der Drehachse (x-x¹) verschiebt.

3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bestrahlungspunkt des Werkstücks auch zur Drehachse hin verschiebt.

k) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man das durch Bestrahlung geschmolzene Material vom Werkstück entfernt.

5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das geschmolzene Material durch einen Gasstrahl vom Werkstück abbläst.

6) Verfahren nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß man das geschmolzene Material vom Werkstück mechanisch abheb t.

7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Bearbeitung die Konfiguration des Werkstücks mißt.

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8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Konfiguration des Werkstücks durch Laserstrahlen berührungsfrei mißt.

9) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Bearbeitung des Werkstücks den Bestrahlungspunkt und den Materialentfernungspunkt für das geschmolzene Material kontinuierlich in Abhängigkeit von den Meßwerten selbsttätig steuert.

10) Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Vorrichtungen zum Verdrehen des Werkstücks um eine Drehachse und Vorrichtungen zum Abnehmen von Material von dessen Außenfläche, gekennzeichnet durch eine mit geeigneter Toleranz auf einen Bestrahlungspunkt (p) tangential zu dessen Umdrehungsbahn gerichtete Laserstrahl-Vorrichtung (i,2), mindestens eine Vorrichtung (3,6) zur Entfernung des durch Bestrahlen geschmolzenen Materials vom Werkstück (w) sowie Vorrichtungen zur Erzeugung einer den Bestrahlungspunkt (p) parallel zur Drehachse (x-x¹) und/oder zu dieser hin verlagernden Verschiebung des Werkstücks (w) und/oder der Laserstrahl-Vorrichtung (i) relativ zueinander.

11) Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Gasstrahlgenerator (3) zur Erzeugung eines auf den bestrahlten Bereich des Werkstücks (w) gerichteten, das geschmolzene Material abblasenden Gasstrahls (g).

12) Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch ein das geschmolzene Material vom Werkstück (w) mechanisch abhebendes Werkzeug (6).

13) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch mindestens ein Meßgerät (^,7) zur Prüfung des bearbeiteten Werkstückbereichs.

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1Ί) Vorrichtung nach Anspruch 13» gekennzeichnet durch ein Laserstrahl-Meßgerät (7) zur berührungsfreien Prüfung des bearbeiteten Werkstückbereichs.

15) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (5) zur Steuerung der Verschiebung des Bestrahlungspunktes (P), des Materialentfernungspunktes (q) und des Meßpunktes (r).

16) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch Stellvorrichtungen (1a,6a,7a) für die Laserstrahl-Vorrichtung (i), das Werkzeug (6) und das Meßgerät (7).

17) Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine numerische Steuervorrichtung (8) zur selbsttägigen Steuerung der Stellvorrichtungen (1a,6a,7a) in Abhängigkeit von den Meßwerten des Meßgerätes (7)·

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