DE4040554A1 - Werkzeugmaschine zur abtragenden werkstueckbearbeitung mittels laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur abtragen­ den Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahls mit einem an einem Maschinenständer verschiebbar angeordneten Gehäuse, einem am Gehäuse montierten Laseraggregat, einer Fokus­ sieroptik für den Laserstrahl und einem am vorderen Gehäu­ seende montierten Düsenkopf mit Zuführungen für mindestens ein Fluid zu der zentralen Austrittsöffnung des Laser­ strahls.

In neuerer Zeit sind verschiedene Anlagen und Vorrichtun­ gen zur Werkstückbearbeitung entwickelt worden, bei denen ein Laserstrahl das eigentliche Bearbeitungswerkzeug zum Trennen, Schweißen und/oder Abtragen darstellt. Neben dem Trennen und Schweißen von Blechen, Folien od. dgl. ist insbesondere das Abtragen und Herstellen von tieferen Hohlräumen in massiven Werkstücken ein Einsatzgebiet für entsprechend ausgelegte Laser-Maschinen, dem in der Zu­ kunft besonders bei der Bearbeitung von bisher kritischen Werkstoffen, wie hochlegierten Stählen, Hartmetallen, Keramiken, Verbundwerkstoffen, Gläsern usw., eine zuneh­ mende Bedeutung zukommen wird. Aus einer Reihe von Druck­ schriften, wie z. B. DE-24 43 334 A1, DE-GM 87 01 354.1, JP-OS 59-47 086 und US-PS 46 44 126, sind Abtragsverfahren mittels Laserstrahls bekannt, bei denen ein hochenergeti­ scher CO₂-Laser über eine Optik fokussiert wird und zu­ sammen mit einem Arbeits- oder Hilfsgas auf das zu bear­ beitende Werkstück auftrifft. Alle diese Anlagen sind jedoch auf die reine Laser-Bearbeitung beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine zur Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahls zu schaffen, die ein erweitertes Bearbeitungsspektrum besitzt und auch spa­ nende Bearbeitungsvorgänge an einem Werkstück in einer Aufspannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Gehäuse eine Arbeitsspindel mit Arretierelementen zum Ein­ spannen eines Werkzeughalters gelagert ist.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ma­ schine zeichnet sich dadurch aus, daß die Fokussieroptik und der Düsenkopf an einem in die Arbeitsspindel einwech­ selbaren Werkzeughalter angebaut sind, wobei die in der Achse des Laserstrahls im Gehäuse gelagerte Arbeitsspindel mit ihren Arretierelementen den - in herkömmlicher Weise ausgebildeten - Werkzeughalter genau fixiert.

Eine auf die Charakteristiken der Laser-Bearbeitung abge­ stimmte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß im Gehäuse ein Schnell-Läufer-Motor koaxial zur Laserstrahl-Achse angeordnet ist, dessen Läufer mit der Arbeitsspindel entweder direkt verbunden oder über ein Ge­ triebe kuppelbar ist. Diese Ausführung ist insofern beson­ ders vorteilhaft, weil durch die hohen Drehzahlen dieses Motortyps Egalisierarbeiten an den zuvor durch den Laser­ strahl bearbeiteten Werkstücken durchgeführt werden kön­ nen, und zwar bei äußerst geringem zusätzlichem Platzbe­ darf.

Ein wesentlicher Vorzug der erfindungsgemäßen Werkzeugma­ schine liegt in dem kombinatorischen Effekt, der sich durch die Möglichkeit einer Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahls und mittels spanender Werkzeuge auf der glei­ chen Maschine ergibt. So können beispielsweise durch die Verwendung eines Schnell-Läufer-Motors, dessen Drehzahl über 15 000 Upm liegt, Egalisierarbeiten an den zuvor durch die Laserbearbeitung erzeugten Werkstückflächen durchgeführt werden. Darüber hinaus lassen sich auch mehr­ schichtig aufgebaute Werkstücke je nach den speziellen Ei­ genschaften der einzelnen Schichten entweder mittels Laserstrahls oder durch Fräs-, Bohr- oder Schleifwerkzeuge bearbeiten. Dies gilt beispielsweise für Werkzeuge und de­ ren Rohlinge, die ganz oder teilweise mit Hartmetall, Keramik od. dgl. beschichtet sind.

Weitere Besonderheiten und Vorzüge der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Werkzeugmaschine in teilge­ schnittener Seitenansicht;

Fig. 2 das Gehäuse für u. a. die Arbeits­ spindel in teilgeschnittener Sei­ tenansicht mit eingewechseltem Laserkopf;

Fig. 3 das Gehäuse nach Fig. 2 mit einge­ wechseltem Fräswerkzeug.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Werkzeugmaschine enthält eine Basis 1, auf der ein formsteifer Ständer 2 befestigt ist. An der Vorderseite des Ständers 2 montierte vertikale Führungsschienen 3 dienen der vertikal in Rich­ tung des Doppelpfeils Y verfahrbaren Halterung einer Kon­ sole 4, an welcher ein Schlitten 5 über Führungsschienen 6 horizontal in X-Richtung verfahrbar montiert ist. Ein an diesem Schlitten 5 befestigter Unterbau 7 trägt einen um die Vertikalachse 8 in Pfeilrichtung B verdrehbaren Werk­ stücktisch 9, der auf kreisförmigen Führungen 10 gelagert ist und durch einen im Unterbau 7 montierten Motor um die Hochachse 8 verdreht wird. Auf einer vertikalen Tischplat­ te 11 ist ein Werkstück 12 festgespannt, wobei die Tisch­ platte 11 um die horizontale C-Achse motorisch durch einen im Winkeltisch 9 eingebauten Elektromotor verdreht werden kann.

Auf dem Ständer 2 ist ein Gehäuse 15 montiert, in dem ein Führungsrohr 16 in Richtung des Doppelpfeils Z horizontal verschiebbar aufgenommen ist. Hinter diesem Führungsrohr 16 befindet sich auf einer am Ständer 2 angebauten Trag­ konsole 17 ein Laseraggregat 18 zur Erzeugung eines in der Gehäuseachse 19 verlaufenden Laserstrahls. Am vorderen En­ de des Führungsrohrs 16 ist ein anhand der Fig. 2 im ein­ zelnen beschriebener Laserkopf 20 montiert. Die Vorschub­ bewegung des Führungsrohrs 16 erfolgt mittels eines Spin­ deltriebs, dessen Kugelumlaufspindel 21 von einem Motor 22 angetrieben wird und eine auf das Führungsrohr 16 einwir­ kende Spindelmutter 23 translatorisch verschiebt. Dem Dü­ senkopf 20 wird ein Arbeitsgas, z. B. mit Sauerstoff ange­ reicherte Luft, sowie ggf. ein weiteres Fluid, z. B. eine Spülflüssigkeit, über Kanäle 24 zugeführt, von denen in Fig. 1 nur einer dargestellt ist.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, ist im Inneren des Führungsrohrs 16 eine Arbeitsspindel 25 in Wälzlagern 26 drehbar gelagert, in deren Innenraum Arretierelemente in Form einer Spannzange 27 angeordnet sind. Das vordere End­ teil 28 der Arbeitsspindel weist eine konische Öffnung zur festen Aufnahme eines Werkzeughalters (ISO-Kegel) auf, an dessen freiem Ende die Spannzange 27 angreift. Auf der Ar­ beitsspindel 25 ist der Läufer 30 eines sog. Schnell-Läu­ fer-Motors befestigt, dessen hohlzylindrischer Ständer 31 im Führungsrohr montiert ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung ist an den Werkzeughalter 29 der Düsenkopf 20 angebaut und zusätzlich eine - nicht im einzelnen dargestellte - Fokussieroptik 32 für den Laserstrahl integriert. Über eine als Schiebehülse 33 ausgebildete Fluidkupplung wird eine Strömungsverbin­ dung zwischen dem im Gehäuse 15 verlaufenden Fluidkanal 24 und einem Kanalsystem 34 im Düsenkopf hergestellt. Am vor­ deren Ende des Düsenkopfes 20 befindet sich die eigentli­ che Düse 35 mit einer zentralen Auslaßöffnung 36. Eine be­ sonders zweckmäßige Düsenausführung ist in dem G 89 11 733.6 beschrieben.

Gemäß Fig. 3 ist in die Arbeitsspindel 28 statt des in Fig. 2 dargestellten Düsen- und Laserkopfes 20 ein Fräs­ werkzeug 40 mittels eines herkömmlichen Werkzeughalters 41 eingespannt, wobei die Wechselvorgänge durch einen - nicht dargestellten - Werkzeugwechsler vorgenommen werden kön­ nen, dessen Greiferzangen an den Ringbunden der Werkzeug­ halter 29 bzw. 41 angreifen.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ergibt sich ohne weiteres aus der Zeichnung. Zur Laser-Be­ arbeitung des Werkstücks 12 wird die Konsole 4 in Richtung des Pfeiles Y so weit nach oben gefahren, bis die Bearbei­ tungsstelle am Werkstück in der Laserstrahl-Achse 19 liegt. Gleichzeitig wird das Führungsrohr 16 so weit vor­ geschoben, bis sich der Düsenkopf 20 unmittelbar vor der zu bearbeitenden Werkstückfläche befindet. Durch Aktivie­ ren des Laseraggregats 18 erfolgt schichtweise der Ab­ tragsvorgang, wobei der Werkstücktisch kombinierte Hori­ zontalbewegungen in Richtung der X-Achse sowie Verschwenk­ bewegungen um die Hochachse 8 in Richtung des Doppelpfei­ les B ausführt. Zur Durchführung von spanenden Bearbei­ tungsvorgängen am Werkstück 12 wird der in Fig. 2 darge­ stellte Düsen-Laser-Kopf 20 mit Hilfe eines nicht darge­ stellten Werkzeugwechslers gegen ein Spanwerkzeug 40 aus­ getauscht, wobei die Wechselvorgänge mittels einer Pro­ grammsteuerung automatisiert ablaufen können. Statt des Fräswerkzeugs gemäß Fig. 3 können selbstverständlich auch andere Werkzeuge, insbesondere zur Egalisierung und Fein­ bearbeitung der zuvor durch den Laserstrahl erhaltenen Werkstückflächen, eingewechselt werden. Zu diesem Zweck ist es sachdienlich, der Werkzeugmaschine nach Fig. 1 ein mit einer Vielzahl von Werkzeugen besetztes Magazin zuzu­ ordnen, welches auch unterschiedlich gestaltete Düsen- Laser-Köpfe enthalten kann.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungs­ beispiel beschränkt. So können auch anders ausgebildete Fräs-, Bohr- und ggf. Dreh-Maschinen mit einem in der Ach­ se der Arbeitsspindel positionierten Laseraggregat 18 aus­ gerüstet werden, wobei dann die Arbeitsspindel eine zen­ trale Durchgangsbohrung für den Laserstrahl aufweisen muß.

Claims (6)

1. Werkzeugmaschine zur abtragenden Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahls, mit
einem an einem Maschinenständer montierten Gehäuse,
einem am Gehäuse montierten Laseraggregat,
einer Fokussieroptik für den Laserstrahl und
einem Düsenkopf mit Zuführungen für mindestens ein Fluid zu der zentralen Austrittsöffnung des Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (15) eine hohle motorisch angetriebene Ar­ beitsspindel (25, 28) mit Arretierelementen (27) zum Ein­ spannen eines Werkzeughalters (29, 41) gelagert ist.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik (32) und der Düsenkopf (20) an einen in die Arbeitsspindel (28) einwechselbaren Werkzeug­ halter (29) angebaut sind.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (15) ein Schnell-Läufer-Motor (30, 31) ko­ axial zur Längsachse (19) angeordnet ist, dessen Läufer (30) mit der Arbeitsspindel (28) verbunden ist.

4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Fluidkupplungen (33) zur Fluidzuleitung von im Gehäuse (15) verlaufenden Leitungen (24) zu einem im Düsenkopf (20) verlaufenden Kanalsystem (34) vorgesehen sind.

5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (15) fest am Maschinenständer (2) montiert ist und ein motorisch längsverschiebbares Führungsrohr (16) aufnimmt, in welchem die Arbeitsspindel (28) und der Antriebsmotor (30, 31) montiert sind.

6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspindel (28) und die Arretierelemente (27) zur Aufnahme und Fixierung eines standardisierten Werk­ zeughalters (41) für spanende Werkzeuge (40) ausgelegt sind.