DE3637568A1 - Laser-bearbeitungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laser-Bearbeitungsmaschine mit einer zwischen einer Fokussier-Einrichtung für den Laser­ strahl und dem zu bearbeitenden Werkstück angeordneten Laser­ strahl-Austrittsdüse sowie mit die Düse umgebenden Kanälen für ein Fluid, wobei zumindest die Austrittsenden der Kanäle gegen die momentane Brennstelle gerichtet sind und die Kanäle vorzugs­ weise mit einer gemeinsamen Zuführleitung in Strömungsverbindung stehen.

Eine derartige Laser-Bearbeitungsmaschine ist beispiels­ weise durch die DE-OS 23 38 514 bekanntgeworden. Beim Fluid einer solchen Bearbeitungsmaschine kann es sich sowohl um ein Gas als auch eine Flüssigkeit handeln. Außerdem kann dieses Fluid ausschließlich oder zusätzlich zur Kühlung wenigstens der momen­ tanen Bearbeitungsstelle dienen. Im Falle der zweiten Alternative wird das gasförmige Fluid zur Verbesserung der Bearbeitung dem Laserstrahl beigefügt.

Bei der vorbekannten Laser-Bearbeitungsmaschine ist das Endstück eines mit der Düse versehenen Austrittsrohres von einem ver­ gleichsweise massiven Maschinenteil umgeben, in welches eine Zu­ führleitung mündet, deren inneres Ende mit einem Ringkanal in Verbindung steht. Ausgehend von letzterem verlaufen eine Anzahl schräg von außen nach innen unten gerichteter Kanäle, deren ge­ dachte Verlängerungen sich im Bereich der Auftreffstelle des La­ serstrahls auf dem Werkstück kreuzen. Wie dieses Maschinenteil im einzelnen ausgebildet ist, kann dieser Druckschrift nicht entnom­ men werden, jedoch muß man aufgrund des Ringkanals auf eine we­ nigstens zweiteilige Ausbildung schließen. Letztere und auch die schräg verlaufenden engen Bohrungen führen zu vergleichsweise hohen Herstellungskosten.

Die Aufgabe der Erfindung wird infolgedessen darin gesehen, eine Laser-Bearbeitungsmaschine der eingangs beschriebenen Art so wei­ terzubilden, daß sich die Herstellungskosten in dem in Frage stehenden Bereich reduzieren lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Laser-Bearbeitungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens ein Teil der Düse von einer daran anliegenden Hülse umgeben ist und am Düsenaus­ trittsmantel und/oder am Hülseninnenmantel die Kanäle bildende Längsrillen angebracht sind. Die Hülse kann vergleichsweise dünn­ wandig ausgebildet sein. Das hat den Vorteil, daß im Bereich der Düse durch die Hülse keine wesentliche Vergrößerung eintritt. Dies führt zu einer Vergrößerung des Arbeitsraums und ermöglicht eine bessere Beobachtung der momentanen Brennstelle. Außerdem sind dadurch die Kanäle besonders nahe an der Brennstelle. Eine Verringerung der Gestehungskosten erreicht man dadurch, daß man anstelle teurer, tieflochartiger Bohrungen lediglich noch Kanäle bilden muß, die insbesondere dann besonders einfach zu erstellen sind, wenn man sie am Außenmantel der Düse anbringt. Die Längs­ rillen der Düse werden vom Innenmantel der Hülse überdeckt, so daß einzelne Kanäle entstehen, welche ihrer Funktion nach den Bohrungen des Standes der Technik entsprechen. Wenn der Innenman­ tel der Hülse mit Kanälen ausgestattet ist, so kann man diese durch den Düsenaußenmantel überdecken. Falls man aus gewissen Gründen auf einen kreisrunden Querschnitt der Kanäle nicht ver­ zichten will, so kann man sie beispielsweise je zur Hälfte am Dü­ senaußenmantel und am Hülseninnenmantel vorsehen.

Weil sich die gedachten Verlängerungen der auf diese Weise gebil­ deten Kanäle ebenso wie die Bohrungen des Standes der Technik et­ wa im Bereich der Auftreffstelle des Laserstrahls auf dem Werk­ stück kreuzen sollen, muß im Falle einer kegel- bzw. kegelstumpf­ förmigen Düse deren Außenmantel einen spitzen Winkel erhalten, welcher beim vorgesehenen Abstand der Düsenmündung vom zu bear­ beitenden Werkstück das Kreuzen der Fluidströme im Bereich der genannten Auftrefffläche gewährleistet. Der Winkel des Hülsenin­ nenmantels ist der gleiche. Es ist leicht einzusehen, daß man durch geringfügige Änderung dieses Winkels oder des Abstands der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks von der Düsenmündung die Fluidströme in einem einzigen Punkt auftreffen lassen kann oder in einem Ring um die momentane Bearbeitungsstelle oder ge­ ringfügig oberhalb der Werkstückoberfläche. In bevorzugter Weise wird man die Längsachsen der Kanäle so legen, daß die Fluidströme derart auf den Laserstrahl gerichtet sind, daß sie den Außenrand des letzteren absorbieren.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Kanäle von einer gemeinsamen Ringnut ausgehen, in die wenigstens ein Zuführ­ kanal oder eine Zuführleitung mündet. Dies ist aus der eingangs genannten Druckschrift bereits bekannt und stellt eine besonders vorteilhafte Lösung dar.

Eine weitere Variante der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Längsrillen am Außenmantel der Düse und die Ringnut am Innenmantel der Hülse angebracht sind, wobei die Düse die Ringnut überdeckt. Das Eindrehen einer Ringnut in ein Bauteil bzw. im vorliegenden Falle in eine Hülse ist weder schwierig noch kosten­ intensiv. In gleicher Weise ist es besonders einfach und dadurch auch kostengünstig, wenn man die Längsrillen am Außenmantel der Düse anbringt, wie vorstehend bereits erläutert wurde. Von außen, d. h. von der Düsenmündung nach innen gesehen müssen die Längsnu­ ten so weit nach innen geführt werden, daß sie mit der Ringnut in Strömungskontakt stehen. Noch weiter innen ist gegebenenfalls mittels eines entsprechenden Dichtrings für die notwendige Ab­ dichtung zwischen der Düse und der Hülse zu sorgen. Es ist des­ halb zweckmäßig, wenn man die Ringnut in einem zylindrischen Be­ reich von Düse und Hülse anbringt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in die Ringnut ein nach außen führender Kanal mündet, der mit einer Zuführleitung in Strömungsverbindung steht. Auch dies ist ver­ gleichbar mit der Konstruktion der DE-OS 23 38 514, jedoch ist der Ringkanal dort auf andere Art und Weise gebildet.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Ringnut wenigstens ein Kanal der Düse mün­ det, der mit dem Düseninnern in Strömungsverbindung steht. Das gasförmige Fluid wird der Düse an ihrem inneren Ende zugeführt und ein Teil davon tritt mit dem Laserstrahl zusammen über die Düsenmündung aus. Der andere Teil des Gases gelangt über einen, vorzugsweise aber mehrere am Umfang verteilte, radial von innen nach außen verlaufende Kanäle in die Ringnut und von dort in die Kanäle zwischen Düse und Hülse. Zumindest die außen an der Düse vorbeiströmende Fluidmenge dient der Kühlung. Im übrigen ist eine Kühlung sowohl an der Düse als auch an der momentanen Brennstelle des Werkstücks vorteilhaft, wenn nicht gar notwendig.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Hülse in Achsrichtung der Düse gegenüber letzterer sowie gegen das Werkstück hin bewegbar ist, wobei sich die Längsrillen wenigstens zu einem Teil an einem konischen Bereich der Düse und/oder der Hülse befinden. Aufgrund der konischen Form - Sinngemäßes gilt beispielsweise auch für eine andere "keilige" Form, beispielswei­ se eine Pyramidenstumpfform - und der axialen Relativbewegung entsteht beim Abheben der Hülse von der Düse ein umlaufender Spalt. Hierdurch kann der Abströmquerschnitt für das Fluid be­ trächtlich vergrößert werden.

Auf besonders einfache Weise erreicht man eine stufenlosen Ver­ stellung der Spaltenraumweite dadurch, daß gemäß einer weiteren Va­ riante der Erfindung die kegelige Hülse in Drehrichtung antreib­ bar und über eine Gewindeverbindung axial verstellbar ist. Wenn man also die Hülse beispielsweise mit Hilfe eines antreibbaren Ritzels und eines an ihr angebrachten Zahnrads in Drehung ver­ setzt, so kann man über die Gewindeverbindung eine Verschraubung erreichen, wobei sich die Hülse in der einen Drehrichtung von der Düse entfernt und in der Gegendrehrichtung wieder an die Düse an­ legt. Dabei befindet sich dann vorzugsweise das Muttergewinde an der Hülse und ein entsprechendes Bolzengewinde an der Düse oder einem zwischengeschalteten Bauteil, beispielsweise einem Halte­ ring für die Düse.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläu­ tert. Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hierbei stellen dar:

Fig. 1 einen abgebrochenen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 einen dementsprechenden Schnitt durch eine zweite Variante,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls in einem abgebrochenen Längsmittelschnitt.

In einem Laserkopf 1 der Laser-Bearbeitungsmaschine, welche ins­ besondere zum Schneiden, Härten, Schweißen usw. von Werkstücken dient, befindet sich eine Fokussiereinrichtung 2, beispielsweise eine Sammellinse, mit welcher der ankommende Laserstrahl 3 gebün­ delt wird. Diese Ausbildung ist bekannt und infolgedessen nur schemenhaft dargestellt. Am unteren, gegen das zu bearbeitende Werkstück 4 weisenden Ende befindet sich eine Düse 5 mit einer zentrischen Düsenmündung 6, aus welcher der gebündelte Laser­ strahl austritt. Die Düse verjüngt sich innen und außen gegen das Werkstück 4 hin. In bevorzugter Weise besteht sie zumindest teil­ weise aus einem hohlen Kegel oder Kegelstumpf. Bei allen Ausfüh­ rungsbeispielen ist an das innere Hohlkegelende ein zylindrischer Düsenteil angesetzt bzw. einstückig angeformt. Zweckmäßigerweise befindet sich am inneren Ende des zylindrischen Düsenteils ein Befestigungsflansch 7.

Erfindungsgemäß ist zumindest der sich verjüngende, vorzugsweise wie gesagt kegel- oder kegelstumpfförmige Düsenteil von einer Hülse 8 umgeben. Sie liegt mit ihrem Innenmantel 9 am Außenmantel 10 der Düse an oder ist gemäß Fig. 4 daran anlegbar. In den In­ nenmantel 9 der Hülse 8 und/oder den Außenmantel 10 der Düse 5 ist wenigstens eine Längsnut eingearbeitet. Vorzugsweise sind es mehrere, insbesondere gleichmäßig am Umfang verteilte Längsnuten 11 . Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Längsnuten aus­ schließlich in den Außenmantel 10 der Düse 5 eingearbeitet. Die Nuten werden demnach bei den Ausführungsbeispielen durch den In­ nenmantel 9 der Hülse 8 überdeckt, so daß schräg verlaufende Ka­ näle entstehen, deren freie Enden sich näher sind als die inne­ ren Enden. Gedachte Verlängerungen der Kanäle bzw. der Längsnuten kreuzen sich auf der der Düse zugeordneten Werkstückoberfläche oder geringfügig darüber oder geringfügig darunter. Im übrigen müssen die Längsachsen der Nuten nicht notwendigerweise entlang einer Kegelmantellinie verlaufen, obwohl dies aus Fertigungsgrün­ den die vorteilhafteste, weil einfachste Art ist.

Durch die Längsnuten bzw. Längskanäle strömt ein Fluid, bei­ spielsweise eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas. Das gleiche oder auch ein anderes Fluid kann zusammen mit dem Laserstrahl durch das Innere der Düse strömen.

Die Kanäle 11 gehen bei allen Ausführungsbeispielen von einer ge­ meinsamen Ringnut 12 aus. Es ist insbesondere vorgesehen, daß die Ringnut in den Innenmantel der Hülse 8 eingearbeitet ist. Demnach wird sie vom Außenmantel der Düse überdeckt, so daß ein Ringkanal entsteht. Zweckmäßigerweise liegt letzterer im zylindrischen Be­ reich der Düse.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Ringkanal mit einer Zuführungsleitung 13 strömungsmäßig verbunden. In diese strömt das Fluid im Sinne des Pfeils 14 ein. Über den Ringkanal bzw. die Ringnut 12 gelangt es in die Längsnuten 11 bzw. Längskanäle und tritt dann im Bereich der Düsenmündung 6 aus.

Bei den Ausführungsbeispielen ist in axialer Richtung gemessen die Länge von Düse und Hülse zumindest in etwa gleich. Vorzugs­ weise überragt aber die Düse mit ihrer Mündung das gegen das Werk­ stück 4 weisende Hülsenende. Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Hülsenlänge durchaus auch kürzer sein kann als die Düsenlänge.

Während gemäß Fig. 1 die Ringnut 12 über einen Radialkanal mit einer äußeren Zuführleitung 13 strömungsverbunden ist, steht die Ringnut 12 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 über beispiels­ weise vier radiale, gegebenenfalls schräg verlaufende Kanäle 15 mit dem Düseninnern in Verbindung. Das bedeutet, daß das Fluid den Längsnuten 11 dieser Variante über das Düseninnere zugeführt wird. Hieraus folgt, daß auch ein Teil, vorzugsweise der überwie­ gende Teil des Fluids, über die Düsenmündung 6 austritt. Anderer­ seits strömt hier in der Düse und in den Längskanälen 11 ein und dasselbe Fluid. Letzteres gelangt beispielsweise über einen Kanal 16, der in Fig. 2 lediglich schematisch eingezeichnet ist, ins Innere des zumindest an seinem unteren Ende hülsenförmigen Laser­ kopfs 1 und von dort in die Düse 5.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Variante wird der Düse 5 das gasför­ mige Fluid über einen Kanal 16 zugeführt. Dasselbe oder ein ande­ res Fluid gelangt über einen weiteren Kanal 17, der auch durch den Laserkopf 1 führen kann sowie einen Verlängerungskanal 18 eines Halterings 19 in einen Ringraum 20. Dieser hat an seinem inneren Ende Strömungsverbindung mit den verschiedenen Längskanä­ len 11.

Der Haltering 19 übergreift den Befestigungsflansch 7 der Düse 5. Er ist insoweit mit dem oberen Hülsenende vergleichbar. Die Be­ festigung erfolgt mit symbolisch eingezeichneten Schrauben 26 oder vergleichbaren Befestigungselementen. An seinem dem Laser­ kopf 1 zugekehrten, in der Art eines Außenbunds ausgebildeten En­ de befindet sich ein Außengewinde 21. Die Hülse 8 besitzt ein dementsprechendes Innengewinde 22 , wobei es sich vorzugsweise je­ weils um Gewinde mit geringer Steigung handelt. Der Doppelpfeil 23 (Fig. 4) deutet die Drehbarkeit der Hülse 8 gegenüber der Düse 5 an. Bei der in Fig. 4 gezeichneten Endstellung liegt der Innen­ konus der Hülse 8 am Außenkonus der Düse 5 dichtend an. Insofern bestehen für das Fluid lediglich Abströmmöglichkeiten über die Längsnuten 11 bzw. Längskanäle. Wenn man jedoch die Hülse 8 etwas abschraubt, so entfernt sich ihr Konus von demjenigen der Düse 5 und es entsteht dadurch zwischen diesen beiden Teilen ein koni­ scher Ringspalt, welcher den Abströmquerschnitt für das über den Kanal 17 zugeführte Medium stark vergrößert.

Zweckmäßigerweise bewirkt man das Drehen der Hülse 8 über einen Antrieb. Dieser kann gegebenenfalls mit einer Steuerung, insbe­ sondere Programmsteuerung, der Maschine gekuppelt werden, so daß an denjenigen Stellen, an denen man eine besondere Kühlung wünscht, die Hülse 8 etwas von der Düse 5 entfernt wird, während für andere Bearbeitungsstrecken oder -zeiten die beiden Konusse dicht aneinander anliegen. Eine besonders starke Kühlung wird beispielsweise dann gewünscht, wenn enge Radien oder scharfe Ecken durchfahren werden oder wenn zwei unmittelbar nacheinander erstellte Brennspuren lediglich einen geringen Abstand voneinan­ der haben.

Die Hülse 8 trägt an ihrem Außenumfang ein insbesondere ein­ stückig angeformtes Zahnrad 24, welches mit einem Ritzel 25 eines nicht näher dargestellten, wie gesagt insbesondere steuerbaren Antriebs in Eingriff steht.

Claims (7)

1. Laser-Bearbeitungsmaschine mit einer zwischen einer Fokus­ sier-Einrichtung (2) für den Laserstrahl (3) und dem zu bearbei­ tenden Werkstück (4) angeordneten Laserstrahl-Austrittsdüse (5) sowie mit die Düse umgebenden Kanälen für ein Fluid, wobei zumin­ dest die Austrittsenden der Kanäle gegen die momentane Brennstel­ le gerichtet sind und die Kanäle vorzugsweise mit einer gemeinsa­ men Zuführleitung (13, 16, 17) in Strömungsverbindung stehen, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Düse (5) von einer daran anliegenden Hülse (8) umgeben ist und am Düsenaußen­ mantel (10) und/oder am Hülseninnenmantel (9) die Kanäle bildende Längsnuten (11) angebracht sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (11 ) von einer gemeinsamen Ringnut (12, 20) ausgehen, in die wenigstens ein Zuführkanal (13, 16, 17) oder eine Zuführlei­ tung mündet.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnuten (11) am Außenmantel (10) der Düse (5) und die Ringnut (12, 20) am Innenmantel (9) der Hülse (8) angebracht sind, wobei die Düse (5) zumindest einen Teil der Ringnut überdeckt.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ringnut (12, 20) ein nach außen führender Kanal (16, 17) mündet, der mit einer Zuführleitung (13) in Strömungsverbindung steht.

5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ringnut (12) wenigstens ein Kanal (15) der Düse (5) mündet, der mit dem Düseninnern in Strömungsverbindung steht.

6. Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8) in Achsrichtung der Dü­ se (5) gegenüber letzterer sowie gegen das Werkstück (4) hin be­ wegbar ist, wobei sich die Längsnuten wenigstens zu einem Teil an einem konischen Bereich der Düse (5) und/oder der Hülse (8) be­ finden.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8) in Drehrichtung antreibbar und über eine Gewindeverbin­ dung (21, 22) axial verstellbar ist.