DE3933448C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bohren einer besonders geformten Bohrung in ein Werkstück - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bohren einer besonders geformten Bohrung in ein Werkstück

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren einer besonders geformten Bohrung in ein Werkstück, insbesondere einer Kühlluftaustrittsbohrung zum Herstellen einer Filmkühlung an einer Schaufel oder Düsenleitschaufel eines Gasturbinentriebwerks.
Der thermodynamische Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerks nimmt mit zunehmender Arbeitstemperatur der Turbine zu. Die bekannte Technik der Filmkühlung ermöglicht den Betrieb einer Turbine auf einer Temperatur (und folglich mit einem thermo­ dynamischen Wirkungsgrad) oberhalb der an sich möglichen ma­ ximalen Betriebstemperatur der Schaufeln und der Düsenleit­ schaufeln.
Einfache zylindrische Kühlluftaustrittsbohrungen haben den Nachteil, daß sie schwierig so gestaltet werden können, daß ein ausreichender Luftstrom ohne Gefahr einer Ablösung des Films von der Turbinenschaufeloberfläche ausströmt, und sie neigen auch zur Verstopfung. Diese beiden Probleme verringern die Wirksamkeit einer Filmkühlung. Daher ist es wünschens­ wert, Kühlluftaustrittsbohrungen mit einer in bestimmter Wei­ se gestalteten Austrittsöffnung herzustellen, wobei der Aus­ trittsquerschnitt größer als der Eintrittsquerschnitt ist, um die Kühlluft allmählich in eine wirksame Grenzschicht zu zer­ streuen.
Fig. 1 ist ein Schnittbild durch einen Teil einer Turbinen­ schaufel 10, das eine Kühlluftaustrittsbohrung im Schnitt zeigt, die einen zylindrischen Einlaß 11 und einen konischen (im Querschnitt fächerförmigen) Auslaß 12 hat. Der fächer­ förmige Auslaß 12 läßt die Kühlluft allmählich sich zu einer effektiven Grenzschicht ausbreiten. Der Einlaß 11 der Bohrung bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit durch die Bohrung. Da hinsichtlich der Wandstärke der Turbinenschaufel eine Toleranz besteht, ist es nicht möglich, den Einlaßquerschnitt einer in ihrem gesamten Verlauf konischen Bohrung von einer Schaufelwandseite zur anderen genau zu bestimmen.
Obwohl der Austrittsbereich der Kühlluftaustrittsbohrung ir­ gendeine Gestalt haben kann, deren Austrittsquerschnitt größer als der Eintrittsquerschnitt ist, findet üblicherweise eine Konusform oder eine Kombination einer Mehrzahl von Ko­ nusabschnitten Anwendung. Zwei geeignete Bohrungsformen sind perspektivisch in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Dabei hat die Bohrung nach Fig. 2 einen Auslaßbereich 12, der die Form eines flach zusammengedrückten Trichters hat, und die Bohrung nach Fig. 3 hat einen Auslaßbereich 12, der als regelmäßiger Kegel ausgebildet ist. Dabei kann die Bohrung nach Fig. 2 in gewisser Weise als "zweidimensional" und diejenige nach Fig. 3 als "dreidimensional" bezeichnet werden.
Aus der US-PS 4 737 613 ist es bekannt, besonders geformte Kühlluftaustrittsbohrungen mittels eines Laserstrahls her­ zustellen. Diese Druckschrift schlägt eine komplizierte Hal­ terung für die zu bearbeitende Turbinenschaufel vor, mittels welcher die Turbinenschaufel in den drei Raumkoordinaten ver­ schiebbar sowie kombiniert um zwei zueinander und zur Rich­ tung des Laserstrahls orthogonale Achsen drehbar ist. Damit kann die Turbinenschaufel relativ zum feststehenden Laser­ strahl in einer das Herstellen der gewünschten Bohrungsform geeigneten Weise relativ zum Laserstrahl bewegt werden.
Weiter ist es aus der GB-PS 1 229 876 bekannt, mittels eines Lasergeräts Bohrungen in Uhrenlagersteinen herzustellen, wobei der Laserstrahl entweder durch ein einer Sammellinse nachgeschaltetes Prisma seitwärts mit Bezug auf die optische Achse versetzt oder durch ein der Linse vorgeschaltetes Pris­ ma im seitlichen Versatz und auch geringfügig im Auftreffwin­ kel verändert werden kann und durch Drehen der Anordnung die Bohrung ausgeschnitten wird.
Ferner ist es aus der US-PS 4 160 894 bekannt, zum Ausschnei­ den von Formen aus bewegten Papier- Karton- oder sonstigen Materialbahnen ein Lasergerät zu verwenden, bei welchem in einem drehbaren Arbeitskopf mittels eines ersten Spiegels der zentrische Laserstrahl seitwärts umgelenkt wird und auf eine radial bewegliche Anordnung mit einem zweiten Spiegel und einer nachgeschalteten Linse auftrifft, um dadurch den radia­ len Versatz des Laserstrahl einstellen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Arbeiten mit einem Laserstrahl zu schaf­ fen, die speziell zum Bohren einer besonders geformten Boh­ rung in einem Werkstück ausgelegt sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren, wie es im Anspruch 1 gekennzeichnet ist, und durch eine zur Ausführung dieses Verfahrens dienenden Vorrichtung gelöst, wie sie im Anspruch 5 gekennzeichnet ist, wobei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung in den jeweiligen Unteransprü­ chen angegeben sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 4 bis 9 der anliegenden Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bohren einer besonders gestalteten Bohrung in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls,
Fig. 5 eine schematische perspektivi­ sche Darstellung der Anordnung der Komponenten der Vorrichtung nach Fig. 4 außer der Linse und dem Werkstück, und
Fig. 6 eine nach der Erfindung in ein Werkstück gebohrte doppeltko­ nische Bohrung.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Diese zeigen eine Vorrichtung 20 zum Bohren einer besonders gestalteten Bohrung in ein Werkstück 22. Die Vorrichtung 20 weist eine Laserquelle 24 zur Erzeugung eines Laserstrahls 26 energiereicher kohärenter Lichtstrahlung (Laserlicht), eine konvexe Linse 28, die den Strahl auf das Werkstück leitet, wobei die optische Achse der Linse mit der Strahlrichtung nach Verlassen der Laserquelle fluchtet, eine Gruppe von Spiegeln 30, 32, 34, 36 im Strahlengang des Laser­ strahls zwischen der Laserquelle und der Linse, welche den Strahl achsversetzt und parallel zur optischen Achse auf die Linse lenken, und eine verschiebbare Schutzblende 38 auf, die zwischen der Linse 28 und dem Werkstück 22 angeordnet ist, um die Linse vor Dampf oder ausgebranntem Material zu schützen, das während des Bohrvorgangs durch den Laserstrahl vom Werk­ stück abgetragen wird. Die Distanz zwischen der Linse 28 und dem Werkstück 22 wird motorisch eingestellt (nicht darge­ stellt). Das Werkstück 22 ist so positioniert, da die Achse der herzustellenden Bohrung im wesentlichen mit der Strahl­ achse des die Laserquelle 24 verlassenden Laserstrahls 26 fluchtet.
Die Spiegel 30, 32 und 34 sind relativ zueinander feststehend angeordnet und stehen so, daß sie den Laserstrahl 26 um einen Winkel von 90° relativ zur optischen Achse der Linse 28 um­ lenken und dann wieder zur optischen Achse hin lenken, so daß er auf dem Spiegel 36 auftrifft. Der Spiegel 36 ist beweglich angeordnet und kann mittels eines motorischen Antriebs 40 in zur optischen Achse der Linse 28 senkrechter Richtung zum Spiegel 34 hin und von diesem weg verschoben werden und ist außerdem derart relativ zur optischen Achse der Linse abge­ winkelt, daß er den Strahl 26 in zu dieser optischen Achse paralleler Richtung umlenkt und auf die Linse wirft. Beim Durchgang durch die Linse 28 wird der Strahl 26 auf das Werkstück 22 gerichtet, wo die Energie des Laserstrahls Werkstückmaterial wegbrennt oder jedenfalls verdampft.
Eine zweite Position des Spiegels 36 längs der zur optischen Achse der Linse 28 senkrechten Verschieberichtung ist durch die gestrichelten Linien 361 dargestellt, und der Strahlen­ gang des Laserstrahls von dieser Spiegelposition 361 durch die Linse auf das Werkstück 22 ist durch gestrichelte Linien 261 dargestellt. Diese zweite Position des Spiegels 36 wird durch Betätigung des motorischen Antriebs 40 derart erreicht, daß der Spiegel 36 in einer zur optischen Achse der Linse senkrechten Ebene verschoben wird. In dieser zweiten Position 361 richtet der Spiegel den Laserstrahl an einer anderen Po­ sition (aber immer noch zur optischen Achse der Linse) auf die Linse, so daß der Strahl durch die Linse abgelenkt wird und unter einem anderen Winkel und mit anderem Abstand von der Bohrungsachse auf das Werkstück auftrifft. Die darge­ stellte zweite Position 361 ist eine aus einer unbegrenzten Anzahl möglicher Stellungen, die durch die Steuerung des mo­ torischen Antriebs 40 durchfahrbar sind.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine im Schnitt eine kopf­ stehende L-Form aufweisende Aluminiumtragplatte 42 vorge­ sehen, der auf ihrer horizontalen Oberseite 46 Lager 44 trägt. Die Lager 44 sind koaxial mit dem von der Laserquelle 24 ausgehenden Strahl und sind mittels (nicht dargestellter) Halterungen an der Laserquelle festgespannt. An der verti­ kalen Innenseite 48 der L-Form sind die Spiegel 30 bis 36 und der motorische Antrieb 40 zur Steuerung der Querbewegung des Spiegels 30 befestigt. Die Tragplatte 42 ist mittels der Lager 44 um den von der Laserquelle 24 ausgehenden Laserstrahl 26 herum drehbar, wobei diese Drehung mittels eines (nicht dargestellten) Motors gesteuert wird.
Der Spiegel 36 kann also eine Umlaufbewegung um die Achse der herzustellenden Bohrung ausführen, und zwar in gesteuerter Weise und mit einstellbarem Abstand von der Achse unter der Steuerung des motorischen Antriebs 40. Der Laserstrahl 26 kann folglich um die Bohrungsachse umlaufen und dabei mindestens teilweise die gekrümmte Oberfläche eines gedachten Konus beschreiben, dessen Scheitel auf oder unterhalb der Oberfläche des Werkstücks 22 liegt, und auf diese Weise eine konische Bohrung mit vorgegebenem Kegelwinkel im Werkstück herausarbeiten.
Durch Steuerung erstens des seitlichen Versatzes des Spiegels 36 von der optischen Achse der Linse und folglich des Win­ kels, unter welchem der Laserstrahl auf das Werkstück auf­ trifft, zweitens der Distanz zwischen der Linse und dem Werk­ stück und folglich der Tiefe der herzustellenden Bohrung und drittens des Drehwinkels, den der Spiegel 36 um die Bohrungs­ achse herum durchläuft, ist es möglich, in das Werkstück eine konische Bohrung mit einem einstellbaren Winkel und einstell­ barer Größe einzuarbeiten. Läßt man den Spiegel 36 eine volle Umlaufbewegung von 360° ausführen, läßt sich ein vollständi­ ger Ausschneidevorgang erreichen.
Die Distanz zwischen der Linse 28 und dem Werkstück 22 kann entweder durch Verschiebung der Linse oder durch Verschiebung des Werkstücks verändert werden.
Führt der Spiegel 36 keine Umlaufbewegung um die Bohrungsach­ se aus, kann gewünschtenfalls eine quasi-zweidimensionale ko­ nische Bohrung hergestellt werden.
Nach dem Herausarbeiten einer konischen Bohrung kann durch deren Scheitel hindurch durchgebohrt werden, um eine fertige Bohrung der in Fig. 2 oder 3 dargestellten Art herzustellen. Durch weitere entsprechende Steuerung des Laserstrahls mit­ tels der Spiegel 30 bis 36 und der motorischen Antriebe kann auch eine Bohrung hergestellt werden, die einen Austritts­ konus und einen entgegengesetzten Eintrittskonus aufweist, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsvariante der Erfin­ dung nach der grundsätzlichen Anordnung entsprechend den Fig. 4 und 5 kann auch die Linse mittels eines X-Y-Tisches seit­ wärts relativ zur Bohrungsachse verschoben werden, während der Spiegel 36 feststehend mit Bezug auf die anderen Spiegel 30 bis 34 gehalten wird und direkt mit dem von der Laser­ quelle ausgehenden Strahl fluchtet. Außerdem ist es bei die­ ser Variante möglich, auf die Spiegel ganz zu verzichten und den Laserstrahl von der Laserquelle direkt auf die Linse zu richten. Damit kann auch zylindrisches Ausschneiden ausge­ führt werden.
Im Zuge der Beschreibung dieser Erfindung ist der Ausdruck "Spiegel" nicht nur im Sinne einer reflektierenden Fläche zu verstehen, sondern schließt auch gleichwirkende Prismen ein. Ebenso ist unter einer "konvexen Linse" nicht nur eine bie­ konvexe Linsenform zu verstehen, sondern ebenso auch eine plankonvexe oder andere gleichwirkende Linsenform oder ir­ gendwelche Kombinationen von Linsenformen, die insgesamt die Wirkung einer Konvexlinse haben. Die Linse kann sogar anamor­ photisch sein oder aus einer begrenzten Anzahl prismatischer Elemente bestehen. Außerdem kann die Linse so ausgelegt sein, daß sie Astigmatismus und sphärische Aberrationen auf ein Minimum verringert.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bohren einer besonders gestalteten Bohrung in ein Werkstück mittels eines Laserstrahls, mit den Merkmalen:
  • a) Richten des Laserstrahls auf das Werkstück,
  • b) Steuern des Auftreffwinkels des Laserstrahls auf das Werkstück relativ zur Bohrungsachse, und
  • c) Steuern der Distanz zwischen dem Schnittpunkt des Strahls mit der Werkstückoberfläche und der Bohrungsachse,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) der Laserstrahl zunächst auf einen Spiegel und von diesem durch eine konvexe Linse auf das Werkstück gerichtet wird,
  • b) das Steuern der Distanz zwischen dem Schnittpunkt des Laser­ strahls mit der Werkstückoberfläche und mit der Bohrungsachse durch Steuern der Distanz zwischen der Linse und dem Werkstück erfolgt,
  • c) das Steuern des Auftreffwinkels des Laserstrahls auf das Werkstück relativ zur Bohrungsachse dadurch erfolgt, daß der Laserstrahl mit seitlichem Versatz zur optischen Achse der Linse durch diese hindurchgeleitet und die Größe des seit­ lichen Versatzes durch relative Parallelverschiebung zwischen Linse und Spiegel orthogonal zur Linsenachse gesteuert wird, und
  • d) der Laserstrahl um die Bohrungsachse herum derart geschwenkt wird, daß er mindestens teilweise die gekrümmte Oberfläche eines Konus beschreibt, dessen Scheitel innerhalb des Werkstückkörpers liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Parallelverschiebung durch gesteuerte Verschiebung des Spiegels in einer zur Linsenachse orthogonalen Ebene erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die relative Parallel­ verschiebung durch gesteuerte Verschiebung der Linse in einer zur Linsenachse orthogonalen Ebene erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linse zum Fokussieren des Strahls auf dem Werkstück durch Steuerung der Distanz zwischen Linse und Werkstück verwendet wird.
5. Vorrichtung zum Bohren einer besonders gestalteten Bohrung in ein Werkstück mittels einer von einer Laserquelle (24) ausgehen­ den Laserstrahls (26), mit
  • a) Mitteln (30, 32, 34, 36, 28) zum Richten des Strahls auf das Werkstück (22),
  • b) Mitteln (40) zum Steuern des Auftreffwinkels des Laserstrahls (26) auf das Werkstück (22) relativ zur Bohrungsachse,
  • c) Mitteln zum Steuern der Distanz zwischen dem Schnittpunkt des Laserstrahls (26) mit der Werkstückoberfläche und der Bohrungs­ achse, derart, daß die Kombination der Steuerung des Auftreff­ winkels und der Steuerung der Distanz das Herausarbeiten der be­ sonders gestalteten Bohrung aus dem Werkstück (22) mittels des Laserstrahls bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Mittel zum Richten des Laserstrahls auf das Werkstück (22) einen ersten Spiegel (36) und eine konvexe Linse (28) aufweisen und der erste Spiegel (36) den Laserstrahl parallel zur optischen Achse der Linse (28) auf diese richtet,
  • b) die Mittel zum Steuern des Auftreffwinkels des Laserstrahls auf das Werkstück Mittel (40) zum Herbeiführen einer seitlichen relativen Versetzungsbewegung zwischen dem ersten Spiegel (36) und der Linse (28) orthogonal zur optischen Achse der Linse aufweisen,
  • c) die Mittel zum Steuern der Distanz zwischen dem Schnittpunkt des Strahls mit der Werkstückoberfläche Mittel zur Veränderung der Distanz zwischen Linse (28) und Werkstück (22) aufweisen, und
  • d) Mittel zum Schwenken des Laserstrahls um die Bohrungsachse herum derart vorgesehen sind, daß der Laserstrahl (26) minde­ stens einen Teil der gekrümmten Oberfläche eines Konus be­ schreibt, dessen Scheitel auf dem Werkstück oder innerhalb desselben liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (24) den von ihr ausgehenden Laserstrahl im wesent­ lichen koaxial mit der optischen Achse der Linse (28) erzeugt und ein zweiter Spiegel (34) vorgesehen ist, der den Strahlen­ gang von der Laserquelle (24) zum ersten Spiegel (36) bestimmt und der feststehend relativ zu dem von der Laserquelle aus­ gehenden Laserstrahl ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (34) den Laserstrahl in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse durch die Linse (28) lenkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (24) einen im wesentlichen koaxial mit der optischen Achse der Linse (28) verlaufenden Laserstrahl erzeugt und eine Anordnung von drei weiteren Spiegeln (30, 32, 34) vorgesehen ist, die relativ zueinander feststehend angeordnet sind und den von der Laserquelle (24) ausgehenden Laserstrahl in eine Rich­ tung senkrecht zur optischen Achse der Linse (28) auf den ersten Spiegel (36) lenken.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (40) zum Herbeiführen einer relativen seitlichen Versetzungsbewegung zwischen dem ersten Spiegel (36) und der Linse (28) einen Motor zum Verschieben des ersten Spie­ gels (36) in einer zur optischen Achse der Linse orthogonalen Eben aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zum Herbeiführen einer relativen seitlichen Versetzungsbewegung zwischen dem ersten Spiegel (36) und der Linse (28) einen Motor zum Verschieben der Linse in einer zu deren optischen Achse orthogonalen Ebene aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Spiegel (36) so angeordnet ist, daß er in eine Umlaufbewegung um die optische Achse der Linse (28) versetzbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor vorgesehen ist, um die Umlaufbewegung des ersten Spiegels (36) um die optische Achse der Linse (28) zu erzeugen.
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