DE3318968A1

DE3318968A1 - Vorrichtung zum ablenken eines laserstrahlbuendels durch eine thermische oberflaechenbehandlung von gerillten werkstuecken

Info

Publication number: DE3318968A1
Application number: DE19833318968
Authority: DE
Inventors: Luciano Vinovo Pera
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1983-05-25
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE3318968C2; IT1156026B; IT8267682A0; FR2527792A1; GB2120804A; GB2120804B; FR2527792B1; GB8314659D0

Description

Anwaltsakte: P + G 994 FIAT AUTO S.p.A,

Turin, ITALIEN

Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahlbündels zur thermischen Oberflächenbehandlung von gerillten Werkstucken

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahlbündels zwecks Durchführens einer thermischen Oberflächenbehandlung von gerillten Werkstücken, und zwar von Stücken, bei welchen der zu behandelnde Bereich eine im wesentlichen rechteckige oder ähnliche Form hat. Derartige Werkstücke können beispielsweise Zahnräder sein, Vielkeilwellen, Zahnstangen, Gelenkkupplungen usw._: die derartige ßearbeitungszonen aufweisen, welche eine örtlich erhöhte Verschleißfestigkeit bezüglich dieser Zonen und benachbarter Bereiche verlangen.

Im Hinblick darauf, daß die zu behandelnden Zonen, wie bereits erwähnt, eine rechteckige Gestalt haben, und da der von einer Emissionsquelle ausgesandte Laserstrahl von vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt ist, wurden schon Ablenkvorrichtungen gebaut, die den Ausbreitungsbereich des Laserstrahles

• 4*

von einer im wesentlichen kreisförmigen in eine im wesentlichen rechtwinkelige Form umwandein können. Zu diesem Zwecke ist die Verwendung eines rotierenden Prismas bekannt, das eine Mehrzahl von reflektierenden Seitenflächen aufweist. Dabei fällt der Laserstrahl unter einem vorbestimmten Winkel auf die Seitenflächen des Prismas, das seinerseits, um die eigene Achse rotierend, den Laserstrahl derart ablenkt, daß er diesen letztgenannten ein Segment beschreiben läßt, dessen Länge vom Abstand zwischen Prisma und Werkstück sowie von der Anzahl der die Seiten des Prismas definierenden Flächen abhängt. Wenn man bedenkt, daß das rotierende Prisma besonders teuer ist, so läßt es sich nicht für hohe Leistungen (oberhalb 500 W) des Laserstrahles einsetzen und nicht zur Behandlung von Zonen mit dazwischen befindlichen Räumen großer Unterschiedlichkeit. Außerdem ist dies ungeeignet zur Behandlung von sehr schmalen Bereichen, was die Anwendung einer größeren Anzahl von Flächen erforderte, was wiederum zu konstruktiven Schwierigkeiten führte.

Es ist auch schon die Anwendung oszillierender Spiegel bekannt, durch welche der Laserstrahlbündel derart abgelenkt wird, daß ein kreisförmiges Abbürsten oder Abtasten einer im wesentlichen rechtwinkeligen Zone erfolgt. Die bekannten Verfahren, die zum Erzeugen des Oszillierens derartiger Spiegel angewandt werden, sehen die Anwendung von Systemen der Ablenkung mittels magnetischer Felder vor, die jedoch nicht in der Lage sind, über längere Zeitdauer hinweg einen genügend stabilen Betrieb derartiger oszillierender Spiegel zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ablenkvorrichtung für ein Laserstrahlbündel zu schaffen, die die genannten Nachteile der bekannten und oben aufgeführten Vorrichtungen nicht aufweist und die mit einfachen, zuverlässigen und wirtschaftlichen Mitteln verwirklichbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mittels einer Vorrichtung zum

Ablenken eines Laserstrahles bzw. Laserstrahlbündels zum Durchfuhre einer thermischen Oberflächenbehandlung an gerillten oder mit Kanälen versehenen Werkstücken gelöst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Spiegel aufweist, in welchen ein Laserstrahl einzufallen^vermag, der von einer geeigneten Quelle erzeugt wird, und einen zweiten Spiegel, auf dem der vom ersten Spiegel reflektierte Laserstrahl einfällt und derart reflektiert wird, daß er auf einen vorbestimmten Bereich des genannten, gerillten Werkstückes gerichtet wird, das dieser thermischen Oberflächenbehandlung zu unterziehen ist; dabei rotieren der erste und der zweit Spiegel im Betrieb mit derselben Winkelgeschwindigkeit um eine jeweilige Symmetrieachse, in Bezug auf welche jeder von beiden um einen Winkel von vorgegebenem Wert geneigt ist, und zwar auf solche Weise, daß der auf den ersten und den zweiten Spiegel einfallende Laser auf den Flachen der beiden letztgenannten eine ringförmige Bahn beschreibt, während das Laserbündel, das auf jenen vorbestimmten Bereich des gerillten Werkstuckes einfällt, eine ringförmig zusammengedrückte Bahn beschreibt, die im wesentlichen an einen gerac linigen Abschnitt angleichbar ist.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist i einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Aufrißansicht der Vorrichtung gemäß Fig.. 1 unter Angabe konstruktiver Einzelheiten.

Im folgenden soll insbesondere auf Figur 1 eingegangen werden. Man erkennt dort eine Ablenkvorrichtung 1 für ein Laserstrahlbündel 2 zum Durchführen einer thermischen Oberflächenbehandlung an einem gerillten Werkstück 3. Das Werkstück 3 besteht - wiederum nur beispielshalber - aus einer Zahnstange mit einer Reihe von Zähnen 4,

die parallel zueinander angeordnet sind und sich quer über die Breite "A" hinweg erstrecken. Jeder Zahn 4 weist zwei Flanken 5 auf, die an ihrem oberen Ende durch eine obere Fläche 6 miteinander verbunden sind. Zwischen einander benachbarten Zähnen 4 befinden sich Verbin-

dungsflächen 7. ;

Gemäß der Erfindung umfaßt die Vorrichtung 1 einen ersten und einen j zweiten Spiegel 11 bzw. 12, die jeweils drehbar auf Wellen 13, 14 I gelagert sind, ferner einen festen Spiegel 15, der das Laserstrahl- j bündel, das vom Spiegel 11 reflektiert ist, aufnimmt und dieses Bün- . j del auf den Spiegel 12 reflektiert. Jeder Spiegel 11, 12 ist in Bezug auf die Welle 13, 14 derart geneigt, daß die einander gegenüberliegenden Ränder des Spiegels 11 und des Spiegels 12 bei einem Umlauf von 360° zwei jeweils mit den Bezugszeichen 16 und 17 gekennzeichnende Umfange beschreiben, was die Spiegel 11, 18, 19 und was den Spiegel 12 anbetrifft. Der Bereich, in welchem die Reflektion des Laserbündels 2 stattfindet, was die Spiegel 11 und 12 anbetrifft, besteht demgemäß in den durch die Umfange 16 bzw. 17 bzw. 18 bzw. 19 gekennzeichnenden Ebenen. Was den Spiegel 11 anbetrifft, so beschreibt Bündel 2 auf dessen Fläche eine mit 21 bezeichnete kreisförmige Bahn. Aufgrund der Veränderung des Niveaus der Reflektionsebene während des Umlaufes der Welle 13 beschreibt das Bündel 2 auf der Oberfläche des Spiegels 15 eine Umfangsbahn; im einzelnen ist das Strahlenbündel 2 mit einem Kreischen angegeben, das im Uhrzeigersinn entlang einer solchen Bahn 22 mit der gleichen Drehgeschwindigkeit wie die Welle 13 umläuft.

Das Strahlenbündel 2 wird von Spiegel 15 auf die Oberfläche von Spiegel 12 reflektiert und bestreicht eine Zone, die im wesentlichen alle Punkte umfaßt, welche zwischen den durch die Umfange 18 und 19 definierten Kreisen und dem durch die Refelktion der Kreisbahn des Teiles des Spiegels 15 definiert ist. Auf diese Weise beschreibt das Strahlenbündel 2 auf der Fläche des Spiegels 12 eine Ringbahn 23 gemäß der Kombination der Relativbewegung zwischen dem Bündel 2 und

der Welle 14. Laßt man die Wellen 13 und 14 in einander entgegengesetzten Drehsinnen und mit einer vorgegebenen relativen Phase umlai fen, so läßt sich erreichen, daß das von Spiegel 12 reflektierte Laserstrahlbündel eine in Fig. 1 dargestellte, stark zusammengedrückte ringförmige Bahn 24 beschreibt, die einem geradlinigen Segment annäherbar ist.

In Fig. 2 finden sich im wesentlichen alle unter Bezugnahme auf Fic 1 beschriebenen Teile der Vorrichtung 1. Insbesondere erkennt man, daß die Welle 13 von einem Motor 26 angetrieben ist und ihrerseits vier Zahnräder 27, 28, 29 und 30 sowie einen Treibriemen 31 in bekannter Weise antreibt, und zwar derart, daß die Welle 14 in entgegengesetztem Drehsinn zu jenem der Welle 13 umläuft, so wie oben beschrieben. .

Die Kupplung zwischen jeder Welle 13, 14 und dem zugehörenden Spiegel 11, 12 geschieht mittels einer Befestigungsgruppe 33, 34, was entweder die Funktion des Ubereinstirnmens der Regelung der Winkel (90 - ^₁, und 90 - 3^) zur Folge hat, den jede reflektierende Fläche der Spiegel 11, 12 mit der Achse der betreffenden Welle-13, 14 bildet, oder die Funktion des Regeins der relativen Phase (Phasenverschiebung) zwischen den Spiegeln 11, 12, was erlaubt, daß we nigstens einer von diesen unter einem vorbestimmten Winkel in Bezu auf die entsprechende Welle 13, 14 positioniert wird.

In Fig. 2 sind außerdem mit "B" bzw. "C" bzw. ^MD" der Abstand zwischen den Wellen 13 und 14, der Abstand zwischen dem Mittelpunkt ν Spiegel 11 und der Spiegelfläche von Spiegel 15 und der Abstand zw sehen dem Mittelpunkt von Spiegel 12 und der Spiegelfläche von Wer stück 3 bezeichnet. In Bezug auf das letztgenannte sind schließlic außer der Bahn 24 alle möglichen Bahnen angezeigt, die das durch Spiegel 12 reflektierte Strahlenbündel 2 auf der Oberfläche von Werkstück 3 beschreiben kann. Insbesondere sind seitlich einer jec

.9- ■'

Bahn (gestrichelt angedeutet) jeweils Zahlen eingetragen (0°; 360°; 90°; 180⁰J 270°), die der Phase der rotierenden Spiegel 11 und 12 entsprechen.

Die Vorrichtung 1 arbeitet in einfachen' Weise. Zunächst werden die beiden Wellen 13 und 14 vorzugsweise auf konstante Geschwindigkeit gebracht; sodann fällt Laserstrahlbündel 2, wie man aus Fig. 2 gut erkennt, auf eine Fläche des Spiegels 11 ein, der mit sinusartiger Bewegung zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert um den mit "C" bezeichneten Abstand hin und her wandert. Somit bildet sich auf Spiegel 14 die Bahn 22 ab, die von Strahlenbündel 2 im Uhrzeigersinn mit der durch den Motor 26 bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen wird. Analog dem oben unter Bezugnahme auf Spiegel 11 Beschriebenen bewegt sich auch die Fläche des Spiegels 12 gemäß einem sinusartigen Gesetz, jedoch mit gegensinnigem Umlauf wie jenem des Spiegels 11. In jenem Falle, in welchem die Bewegung der von Strahlenbündel 2 bestrichenen reflektierenden Zone des Spiegels 11 gemäß einem sinusartigen Gesetz abläuft, und in welchem die Bewegung der von Strahlenbündel 2 bestrichenen analogen Zone des Spiegels 12 gemäß einem cosinusartigen Gesetz abläuft, erreicht man, daß die Kombination der Reflektionen ein im wesentlichen geradliniges Segment erzeugt, das in der genannten Fig. 2 mit 24 bezeichnet ist. Die Breite eines solchen Segmentes laßt sich dadurch einstellen, daß man die Befestigungselemente 33, 34 derart beeinflußt, daß die Winkel ^₁ und ^₂ verändert, während die von einem solchen Segment eingenommene Position dadurch regulierbar ist, daß man, wie bereits erwähnt, jeweils auf die Phase der Spiegel 11 und 12 mittels der Reguliergruppen 33 und 34 einwirkt.

Sobald einmal die Ausrichtung und die Abmessung des Segmentes 24 eingestellt ist, läßt sich - unter Bezugnahme auf Fig. 1 - die genaue Position des Segmentes in Bezug auf das Werkstück 3 bestimmen, wobei man die relative Position der Vorrichtung 1 in Bezug auf das

Werkstuck 3 verruckt, und umgekehrt, und zwar derart, daß die Länc des Segmentes 24 mit der Länge ¹¹A" des der Behandlung auszusetzem Bereiches zusammenfällt.

Aus der Betrachtung der kennzeichnenden Merkmale der Vorrichtung · gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich ganz klar die Vorte; Ie, die man hiermit erreichen kann.

Vor allem erweist sich die Vorrichtung 1 als außerordentlich flex bei, indem sie auf einfache Weise ein Regulieren der Breite sowiei der Ausrichtung der ringförmigen, zusammengedruckten Trasse oder j Bahn 24 erlaubt. Außerdem ist die Leistung der Vorrichtung 1 über der Zeit stabil und hängen einzig und allein von der Geometrie de Systemes und vom einwandfreien Funktionieren der mechanischen Tei (Zahnräder, Treibriemen) oder der elektro-mechanischen Teile (Mot ab, die den Antriebsteil dieser Vorrichtung bilden. Unter anderem läßt sich feststellen, daß die Leistungsverteilung entlang des Se mentes oder der ringförmigen Trasse 24 zwei Maximalwerte am Ende I aufweist, was besonders vorteilhaft in jenem Falle ist, in welche man Werkstucke wie· jene in Fig. 1 dargestellte behandeln muß. In ^: Tat unterliegt das Ende der Zähne 4 einer größeren Wärmedispersia weshalb es zum Erreichen einer gleichförmigen Behandlung notwendi ist, auf ein solches Ende eine größere thermische Energie aufzubij gen.

Es versteht sich, daß die oben beschriebene Vorrichtung abgewandi und verändert werden kann, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So ist beispielsweise die Anwesenheit des ortsfeste» Spiegels 15 nicht unbedingt erforderlich; vielmehr kann dieser u« mittelbar durch Spiegel 12 ersetzt werden, wenn nur die Bedingum des Umlaufes und der Neigung eingehalten werden, so wie oben beschrieben.

Heidenheim, 20.05.83 ^ „\

DrW/SrS ;..\;v#IAL ^ ' " ^Λ

Claims

Anwaltsakte: P + G 994 FIAT AUTO S.p.A, Turin / ITALIEN Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahlbündels oder Laserstrahles zwecks Durchführens einer thermischen Oberflächenbehandlung an gerillten Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen ersten Spiegel (11) umfaßt, auf welchen i ein Laserstrahlbündel oder Laserstrahl (2) einzufallen vermag, der von einer entsprechenden Quelle kommt, ferner gekennzeichn durch wenigstens einen zweiten Spiegel (12), auf welchem das a ersten Spiegel (11) reflektierte Strahlenbündel einfällt und ' derart reflektiert wird, daß es auf einen vorbestimmten Bereic des gerillten Werkstückes (3) gerichtet ist, das der thermisch Oberflächenbehandlung zu unterziehen ist, daß der erste und de zweite Spiegel (11, 12) im Betrieb mit derselben Winkelgeschwi digkeit um eine entsprechende Symmetrieachse umlaufen, und die in Bezug auf jede der Achsen unter einem vorbestimmten Winkel geneigt sind (90--^; 90-^X), und zwar derart, daß die auf dem ersten und dem zweiten Spiegel (11, 12) einfallenden Laserstrahlenbündel auf den Flächen der Spiegel jeweils eine ringförmige Bahn (21, 23) beschreiben, während das Laserstrahl bündel, das aus dem vorbestimmten Bereich des gerillten Werkstückes (3) einfallt, eine Bahn von der Gestalt eines zusammen gedrückten Ringes (24) beschreibt, die im wesentlichen an ein geradliniges oder rechteckiges Segment anpaßbar ist.

3318963

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das diese Mittel zum Einstellen der Neigung eines jeden Spiegels (11, 12) in Bezug auf die jeweilige Rotationsachse aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Einstellen "eier relativen Phase zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel (11, 12) aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine dritten Spiegel (15) umfaßt, der den vom ersten Spiegel (11) reflektierten Laserstrahlbündel aufnimmt und auf die Spiegelfläche des zweiten Spiegels (12) reflektiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Spiegel (11, 12) jeweils durch eine Welle (13 bzw. 14) angetrieben sind, die parallel zueinander angeordnet sind, und daß der dritte Spiegel (15) in einer Position zwischen sowie vor dem ersten und dem zweiten Spiegel (11, 12) angeordnet ist.

Heidenheim, 20.05.83
DrW/Srö