DE4326236A1 - Verfahren zum Entgraten oder Kantenbrechen von Werkstücken sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgraten oder Kantenbrechen von Werkstücken, bei welchem das Material des Grates oder der äußersten Kante durch eine unter Ener­ giezufuhr eingeleitete chemische Reaktion in ein leicht entfernbares Reaktionsprodukt umgewandelt wird, wodurch eine verrundete Kante entsteht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein bekanntes Verfahren dieser Art ist das sogenannte "thermische Entgraten". Bei diesem werden die zu bearbei­ tenden Werkstücke in eine Reaktionskammer unsortiert ein­ gebracht, in welcher ein Gas zu einer Reaktion entzündet wird. Dadurch entstehen kurzzeitig sehr hohe Temperaturen, so daß bei Vorhandensein von Sauerstoff die Grate von den Werkstücken abbrennen. Nachteilig ist hierbei, daß die gesamte Oberfläche der Werkstücke oxidiert wird und somit eine Nachbearbeitung erforderlich wird. Diese erfolgt meist chemisch, was eine hohe Umweltbelastung zur Folge hat. Zudem läßt sich dieses bekannte Verfahren nur sehr eingeschränkt in einer kontinuierlichen Fertigungskette einsetzen.

Bekannt ist außerdem das "elektrochemische Entgraten" Bei diesem werden die zu behandelnden Werkstücke in einer geeigneten chemischen Flüssigkeit einem elektrischen Feld ausgesetzt. An den Gratenden entstehen besonders hohe Feldstärken, so daß dort die chemischen Reaktionen bevor­ zugt ablaufen und der Grat abgetragen wird. Allerdings läßt sich auch bei diesem Verfahren nicht vermeiden, daß die gesamte Oberfläche angegriffen und eine Nachbearbeitung durch Reinigen notwendig ist. Wiederum ist die Umweltbela­ stung, die mit diesem bekannten Verfahren verbunden ist, sehr hoch.

Mechanische Verfahren des Entgratens, beispielsweise Rollen, Umformen, Fräsen, Feilen oder Schleifen, sind im allgemeinen nur für bestimmte Geometrien geeignet, da viele Kanten an bestimmten Werkstücken nur schwer zugäng­ lich sind. Bei stark variierenden Gratstärken lassen sich diese mechanischen Verfahren zudem nur schwer automatisie­ ren, so daß häufig Handarbeit erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Entgraten oder Kantenbrechen von Werkstücken der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, welches bei definierter Energieeinbringung wenig Nachbearbeitung erfordert und auch bei schwieriger Geometrie leicht automatisierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärme lokal im Bereich der Kante durch mindestens einen Laserstrahl eingebracht wird und daß das Reaktions­ medium lokal mit einer solchen kinetischen Energie auf den Bereich der Kante aufgebracht wird, bei welcher es evtl. aufgeschmolzenen Materials nicht wegbläst und das abzutragende Material des Werkstücks "in situ" in das Reaktionsprodukt umgewandelt wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene lokale Einbringung der zur chemischen Reaktion erforderlichen Energie durch einen Laserstrahl kann sehr definiert erfolgen, ohne daß die anderen Oberflächenbereiche hierdurch beeinträchtigt würden. In diesem Zusammenhang ist wichtig, daß das Reaktionsmedium kein flüssiges, aufgeschmolzenes Material ausbläst, welches sich in Tröpfchenform an anderer Stelle niederschlagen würde. Die Form der gerundeten Kante ergibt sich ausschließlich durch die verschiedenen Parameter der Verfahrensführung, insbesondere durch die eingestrahlte Leistung, die Menge des zugeführten Reaktionsmittels, den Durchmesser des oder der Laserstrahlen, ggf. die Verfahr­ geschwindigkeit des Laserstrahles gegenüber dem Werkstück, durch die Intensitätsverteilung des Laserstrahles, den Einstrahlwinkel und durch Polarisationseffekte, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Dabei ist es an und für sich aus der DE-PS 42 00 656 be­ kannt, bei einem formgebenden Verfahren einen Laserstrahl über das zu bearbeitende Werkstück zu führen und gleich­ zeitig ein Reaktionsmedium mit so geringer kinetischer Energie auf das Werkstück zu richten, daß das Reaktions­ produkt auf der Werkstückoberfläche Späne bildet, die sich selbst vom Werkstück ablösen. Bei diesem Verfahren wird das Werkstück Schicht um Schicht durch entsprechende Führung des Bearbeitungskopfes abgetragen, so daß also die entstehende Form unmittelbar an die Verfahrensstrategie des Bearbeitungskopfes geknüpft ist. Bei der vorliegenden Erfindung dagegen entsteht, wie oben bereits betont, die Form nicht durch eine entsprechende Verfahrensstrategie des Bearbeitungskopfes sondern durch die thermodynamischen Gegebenheiten an Kante und Grat, die in undefinierter Form vom vorhergehenden Bearbeitungsschritt stammen.

Das in der chemischen Reaktion umgewandelte Material wird in fester (span- oder pulverförmiger) oder gasförmiger Phase abgeführt. Dabei können die Verfahrensparmeter so eingestellt sein, daß sich das Reaktionsprodukt von selbst vom Werkstück löst. Alternativ kann ein zunächst noch am Werkstück anhaftende Reaktionsprodukt in einem gesonderten Arbeitsgang entfernt werden, beispielsweise, indem es abgeblasen oder abgebürstet wird.

Das Ablösen oder Sammeln des Reaktionsprodukts (das in bestimmten Fällen magnetisch ist) kann magnetisch unterstützt werden.

Im allgemeinen ist es zweckmäßig, wenn ein einziger Laser­ strahl in Richtung der Winkelhalbierenden der Kante auf das Werkstück eingestrahlt wird. Dies setzt jedoch voraus, daß die Geometrie von Werkstück und Werkstückumgebung eine Anordnung des zugehörigen Bearbeitungskopfes in ent­ sprechender Richtung zuläßt.

Wenn dies aus Zugänglichkeitsgründen nicht möglich ist, können alternativ auch mehrere Laserstrahlen beidseits der Winkelhalbierenden der Kante auf das Werkstück einge­ strahlt werden. Die Intensität dieser Laserstrahlen läßt sich ggfs. getrennt einstellen, so daß insgesamt ein ähn­ licher Effekt erzielt wird, als ob ein einziger Laserstrahl in Richtung der Winkelhalbierenden auf die Kante einfallen würde.

Ebenfalls aus Zugänglichkeitsgründen wird im allgemeinen ein Verfahren bevorzugt, bei welchem der (die) Laserstrahl(en) über einen oder mehrere Lichtleiter zu einem in der Nähe des Werkstücks positionierten Bearbeitungskopf geführt wird (werden). Die eigentliche, verhältnismäßig viel Raum einnehmende Laserstrahlquelle kann dann mehr oder weniger beliebig an geeignetem Platz entfernt vom Werkstück aufge­ stellt werden.

Durch eine abbildende Faseroptik läßt sich besonders günstig eine bestimmte Intensitätsverteilung des oder der Laserstrahlen einstellen. Wie bereits erwähnt, wird durch die Intensitätsverteilung die Form der Verrundung der entstehenden Kante nach dem Entgraten oder Kantenbrechen mit bestimmt.

Alternativ kann auch eine Verfahrensart gewählt werden, bei welcher die Einstellung der Intensitätsverteilung innerhalb eines resultierenden Laserstrahles durch Einsatz eines Laserdioden-Arrays erfolgt, welches eine Vielzahl von Laser-Einzelstrahlen erzeugt, aus denen sich der re­ sultierende Laserstrahl zusammensetzt.

Eine Feineinstellung von Tiefe und Breite der Verrundung der Kante des Werkstückes dadurch erfolgen, daß zur Anpassung der in das Werkstück eingekoppelten Energiefluß­ dichte die Polarisationsebene des Laserstrahles gegenüber den Ebenen der bestrahlten Oberflächen des Werkstückes eingestellt wird.

Grundsätzlich ist es möglich, zwischen Werkstück und Laser­ strahl eine Relativbewegung stattfinden zu lassen, in deren Verlauf der Laserstrahl an der Kante entlang fährt. Bei dieser Verfahrensführung kommt man grundsätzlich mit einem Laserstrahl aus.

Dabei sind diejenigen Fälle besonders einfach, wo das Werkstück beim Entgraten oder Kantenbrechen innerhalb der Werkzeugmaschine belassen werden kann, in welcher es seine Form erhalten hat. Dann nämlich ist die Lage der entstehenden Kante im Raum bestens bekannt. Die Posi­ tionierung des den Laserstrahl erzeugenden Bearbeitungs­ kopfes ist besonders einfach.

Zudem ist es in diesem Falle möglich, die Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl durch die Bewegungsquel­ le der Werkzeugmaschine zu bewirken, so daß der Laserstrahl bei der Bearbeitung stationär gehalten werden kann.

Bei weniger ausgedehnten Kanten und überall dort, wo die Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf schwierig ist, kann sich eine Verfahrens­ führung empfehlen, bei welcher die zu entgratende(n) Kan­ te(n) des Werkstücks insgesamt durch einen oder mehrere entsprechend geformte Laserstrahlen bestrahlt wird (werden). Die Bearbeitungszeit wird bei dieser Vorgehensweise ver­ kürzt; allerdings sind Laserstrahlquellen mit höherer Leistung erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es außerdem, eine Vorrichtung zur Durchführung des oben erläuterten Verfah­ rens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung umfaßt:

• a) mindestens einen Bearbeitungskopf, aus welchem minde­ stens ein Laserstrahl und ein Strahl eines Reaktions­ mediums in Richtung auf den Bereich der Kante des Werk­ stücks austritt;
• b) mindestens eine Regeleinrichtung, mit welcher die kinetische Energie des auf das Werkstück auftref­ fenden Reaktionsmediums auf einen Wert einstellbar ist, bei welchem das Reaktionsmedium evtl. aufgeschmolzenen Materials nicht wegbläst und das abzutragende Material "in situ" in das Reaktionsprodukt umgewandelt wird.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen sinngemäß den oben bereits erläuterten Vorteilen des er­ findungsgemäßen Verfahrens, so daß auf eine Wiederholung an dieser Stelle verzichtet werden kann.

Je nach Art des sich bildenden Reaktionsproduktes kann zusätzlich eine Einrichtung zum Entfernen des Reaktions­ produkts von der Kante des Werkstücks empfehlenswert sein. Fällt das Reaktionsprodukt in festem Zustand an, so kann die genannte Einrichtung zum Entfernen des Reaktionspro­ duktes mechanisch arbeiten, z. B. bürsten; bei gasförmigen Reaktionsprodukten genügt ein Abzug, welcher das Reaktions­ produkt auffängt und entfernt.

Zusätzlich ist bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ein das Ablösen oder Sammeln des Reaktions­ produkts unterstützender Magnet vorgesehen.

Die Feineinstellung der erzielten Kantenform gelingt besonders einfach, wenn eine Vorrichtung zur Drehung der Polarisationsebene des Laserstrahles vorgesehen ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt eine Halteeinrichtung für den Bearbei­ tungskopf, mit welcher der Einfallswinkel des oder der Laserstrahlen auf das Werkstück einstellbar ist.

In geometrisch günstigen Fällen genügt es, wenn ein ein­ ziger Bearbeitungskopf vorgesehen und so eingestellt ist, daß der aus ihm aus tretende Laserstrahl in Richtung der Winkelhalbierenden der Kante des Werkstücks verläuft.

In geometrisch ungünstigeren Fällen, welche für den Bear­ beitungskopf in der genannten Lage zu Zugänglichkeitsprob­ lemen führt, können auch mehrere Bearbeitungsköpfe vorge­ sehen und so eingestellt sein, daß die aus ihnen austre­ tenden Laserstrahlen beidseits der Winkelhalbierenden der Kante verlaufen.

Zweckmäßigerweise ist mindestens ein Bearbeitungskopf über mindestens einen Lichtleiter mit einer getrennten Laserstrahlquelle verbunden.

Zur Einstellung der Intensitätsverteilung des Laserstrahles kann der Bearbeitungskopf über eine abbildende Faseroptik mit der Laserstrahlquelle verbunden sein.

Alternativ kann zum selben Zweck als Laserstrahlquelle ein Laserdioden-Array vorgesehen sein.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung, welche grundsätz­ lich mit einem einzigen Bearbeitungskopf auskommen kann, ist eine Einrichtung vorgesehen, welche eine Relativbe­ wegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungskopf erzeugt. Der Bearbeitungskopf fährt dann an den Kanten des Werkstückes entlang, so daß verschiedene Bereich der Kanten nacheinander entgratet oder kantengebrochen werden.

Besonders kostengünstig ist die Vorrichtung, wenn die die Relativbewegung erzeugende Einrichtung die Bewegungs­ quelle der Werkzeugmaschine ist, auf welcher das Werk­ stück die Form erhalten hat, und wenn der Bearbeitungs­ kopf an dieser Werkzeugmaschine montiert ist. Da in diesem Falle die Lage der zu bearbeitenden Kante am Werkstück im Raum definiert ist, läßt sich der Bearbeitungskopf, wie oben schon einmal angemerkt, bei dieser Ausgestaltung besonders einfach positionieren.

Grundsätzlich sind jedoch auch Ausgestaltungen der Vor­ richtung ermöglicht, bei denen diese umfaßt:

• a) eine Sensorik, welche die Lage der Kante des frei im Raum angeordneten Werkstücks erfaßt;
• b) einen Roboter, welcher nach den von der Sensorik er­ zeugten Signalen den Bearbeitungskopf entlang der Kante des Werkstücks führt.

Diese Ausgestaltung der Vorrichtung wird dort eingesetzt, wo eine Entgratung der Werkstücke innerhalb der Werkzeug­ maschine nicht möglich ist. Allerdings ist hier der appa­ rative und elektronische Aufwand zur Positionierung und Führung des Bearbeitungskopfes etwas größer.

Bei einer letzten Ausführungsform der Erfindung werden Bearbeitungskopf und Werkstück während der Bearbeitung stationär gehalten, wobei der aus dem Bearbeitungskopf austretende Laserstrahl entsprechend der Kante des Werk­ stücks geformt ist. Bei Einsatz dieser Vorrichtung muß also der im Querschnitt an die Kantenform angepaßte Laserstrahl nur auf die Kante des Werkstückes ausgerichtet werden; die Bearbeitung der gesamten Kante erfolgt dann gleichzeitig, wozu selbstverständlich insgesamt eine entsprechend höhere Laserleistung erforderlich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1: schematisch den Arbeitsraum eines Drehzentrums mit integrierter Vorrichtung zum Entgraten;

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel eines Bearbeitungskopfes, wie er bei der Vorrichtung zur Entgratung von Fig. 1 eingesetzt werden kann;

Fig. 3: schematisch den Vorgang des Entgratens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 4: schematisch den Vorgang des Kantenbrechens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 5: eine fünffache Vergrößerung eines Ausschnittes aus Fig. 4.

In Fig. 1 ist schematisch ein Drehzentrum dargestellt, in welchem nach einem numerisch gesteuerten Programm ein Werkstück hergestellt wird. Das Werkstück ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehen; es wird durch ein Spann­ futter 2 in herkömmlicher Weise an einer motorgetriebenen Spindel 3 befestigt. An einem ersten Werkzeugrevolver 4 sind mehrere spanende Werkzeuge 5, 6 befestigt, die entsprechend der Programmierung in Eingriff mit dem Werk­ stück 1 gebracht werden und diesem eine zur Achse der Spindel 3 rotationssymmetrische Form geben. Bei diesem Formgebungsvorgang entsteht am Werkstück 1 eine Kante 7, die mit einem Grat behaftet ist.

Zur Entfernung des Grates an der Werkstückkante 7 ist innerhalb des Bearbeitungszentrums ein Laser-Bearbeitungs­ kopf 8 vorgesehen. Er ist an einem zweiten Werkzeugrevol­ ver 9 befestigt, der außerdem noch weitere spanende Werk­ zeuge 10 tragen kann.

Der Laser-Bearbeitungskopf 8 ist über ein Glasfaserkabel 11 mit einer Laserstrahlquelle 12 verbunden, die außerhalb des Arbeitsraumes des Drehzentrums angeordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines Bearbeitungskopfes 8, wie es bei der Vorrichtung von Fig. 1 eingesetzt werden kann, ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. Es umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 13, welches sich zum freien Ende 14 hin konisch verjüngt. In das gegenüber­ liegende Ende des Gehäuses 13 ist das Kopplungsstück 15 des Glasfaserkabels 11 eingeführt. Aus der Glasfaserseele 26 des Glasfaserkabels 11, deren Ende im Inneren des Ge­ häuses 13 freiliegt, tritt der in der Laserstrahlquelle 12 erzeugte Laserstrahl 16 mit einem gewissen Öffnungs­ winkel aus. Die Austrittsstelle des Laserstrahles wird durch eine in diesem Falle zwei Linsen 17 und 18 umfassende Abbildungsoptik an einer Stelle außerhalb des Bearbeitungs­ kopfes 8 abgebildet.

Durch die Zylinderwand des Gehäuses 13 ist ein Zufuhr­ rohr 21 hindurchgeführt, über welches ein Reaktionsmedium, im allgemeinen ein Prozeßgas, unter verhältnismäßig nied­ rigem Druck in den Innenraum des Gehäuses 13 eingeführt wird. Dieses Prozeßgas, bei dem es sich häufig um Sauer­ stoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas handelt, tritt dann im wesentlichen parallel zum Laserstrahl 16 über die untere Austrittsöffnung 19 des Gehäuses 8 aus.

Der Druck des aus der Austrittsöffnung 19 strömenden Prozeßgases läßt sich aus weiter unten deutlich werdenden Gründen durch eine dem Zuführrohr 21 vorgeschaltete Ein­ richtung 27, beispielsweise ein Drosselventil, einstellen.

Das oben beschriebene Drehzentrum mit dem eingebauten Laser-Bearbeitungskopf arbeiten wie folgt:

Zunächst wird mit Hilfe der spanabhebenden Werkzeuge 5, 6 und 9 nach dem eingegebenen Programm die Formgebung des Werkstückes 1 abgeschlossen. In deren Verlauf bildet sich an der Kante 7 des Werkstückes 1 ein Grat 20, wie in Fig. 3 gezeigt. Unter einem "Grat" wird hier eine Werkstoffahne verstanden, die verhältnismäßig groß (im Bereich mehrerer mm) ist und aus dem Querschnitt des Laserstrahles 16 hinausragt (vergl. hierzu Fig. 3). Die Lage der Kante 7 im Raum steht aufgrund des Bearbeitungs­ vorganges fest. Der Bearbeitungskopf 8 kann daher an dem Werkzeugrevolver 9 zur Entfernung des Grates 20 und zur Abrundung der Kante 7 in eine Position geführt werden, die durch das Programm festgelegt ist. Diese Entgratungs­ position ist in Fig. 1 dargestellt. In ihr steht der Bearbeitungskopf 8 der zu bearbeitenden Kante 7 des Werkstückes 1 mit solchem Abstand gegenüber, daß der Brennfleck des Laserstrahles geringfügig vor dem Werkstück 1 selbst liegt. Bei sich drehender Spindel 3 und damit drehendem Werkstück 1 werden die Laserstrahlquelle 12 und die Zufuhr des Prozeßgases über das Zuführrohr 21 einge­ schaltet. Die Einstrahlung erfolgt dabei, wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, in Richtung der Winkelhalbierenden der zu bearbeitenden Kante 7. Dieser sowie dem an ihr anhaf­ tenden Grat 20 wird durch den Laserstrahl 16 Energie zugeführt, die aufgrund der Geometrie des Werkstückes insbesondere im Bereich der Werkstückkante 7 sowie am Übergangsbereich zwischen Grat 20 und Werkstückkante 7 zu einer hohen Temperatur führt. In dem in Fig. 3 dunkel schraffiert dargestellten Bereich in der Nähe der Kante 7 sowie innerhalb des Grates 20 werden dabei Temperaturen erzeugt, die bei denen eine Reaktion zwischen dem Prozeßgas und dem Material abläuft, aus welchem das Werkstück 1 besteht.

Mit Hilfe der Einrichtung 27 wird das Prozeßgas in das Gehäuse 13 des Laser-Bearbeitungskopfes 8 über die Zuführ­ leitung 21 mit verhältnismäßig geringem Druck gegeben, so daß es mit nur niedriger kinetischer Energie durch die Austrittsöffnung 19 gegen die Kante 7 des Werkstückes 1 anströmt. Insbesondere wird darauf geachtet, daß durch das Prozeßgas Material des Werkstückes 1, welches unter Umständen im Bereich der Kante 7 oder des Grates 20 vom Laserstrahl 16 aufgeschmolzen wurde, keinesfalls ausgebla­ sen wird. Vielmehr wird angestrebt, das gesamte abzutra­ gende Material, auch evtl. aufgeschmolzenes Material, "in situ", also am ursprünglichen Ort im Werkstück 1, chemisch mit dem Reaktionsgas umzusetzen. Vorzugsweise wird die Reaktion so geführt, daß eine Schmelze überhaupt nicht entsteht.

In jedem Falle ist das Ergebnis der so erzielten chemi­ schen Reaktion zwischen dem Prozeßgas und dem Material des Werkstückes 1 so, daß sich ein leicht entfernbares Reaktionsprodukt ergibt. Befindet sich dieses, wie häufig, in fester Phase, so muß eine besondere Einrichtung zum Entfernen des Reaktionsprodukts vorgesehen werden. Löst sich das Reaktionsprodukt nicht von selbst vollständig vom Werkstück 1, so kann in das Drehzentrum beispielsweise eine Bürste integriert sein, welche die abgerundeten Kanten 7 des Werkstücks 1 vom Reaktionsprodukt befreit.

Entsteht das Reaktionsprodukt gasförmig, braucht nur für einen geeignet Abzug gesorgt zu werden.

Die genaue Geometrie der durch das beschriebene Verfahren erzielten Abflachung bzw. Rundung an der Kante 7 des Werk­ stückes ergibt sich im wesentlichen durch die eingeschränk­ te Wärmeleitung (Wärmestau) am Übergang von Grat 20 zu Kante 7, ohne daß der Bearbeitungskopf 8 eine entsprechende Bewegung ausführen müßte. Die Tiefe und die Breite der Verrundung der Kante 7 ergeben sich durch Wahl der einge­ strahlten Leistung, durch die Menge des zugeführten Reaktionsmittels, durch den Durchmesser des Laserstrahles 16 sowie durch die Verfahrgeschwindigkeit (beim dargestell­ ten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 also durch die Drehzahl der Spindel 3).

Die genaue Form der Verrundung läßt sich darüber hinaus durch die Intensitätsverteilung des Laserstrahles 16, die Energieflußdichte, den Einstrahlwinkel und durch Wahl der Polarisationsebene des Laserstrahles 16 gegenüber der Werkstoffoberfläche bestimmen.

Die in Fig. 1 beschriebene Anordnung läßt sich grund­ sätzlich in der gleichen Weise zur Kantenbrechung ein­ setzen. Der Begriff der "Kantenbrechnung" wird hier im Gegensatz zur "Entgratung" für solche Vorgänge verwendet, bei denen an der zu bearbeitenden Kante 7 des Werkstückes 1 eine nur sehr kleine Materialfahne 20 anhaftet, deren Größenordnung im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters liegt und die den Querschnitt des Laserstrahles 16 nicht überragt. Diese Verhältnisse sind in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt. Bei diesem Kantenbrechen wird die im Bereich der Werkstückkante 7 schlechte Wärmeleitung ausgenutzt. Stimmt man die Energieeinbringung durch den Laserstrahl 16 entsprechend ab, wird nur der gewünschte Teil der Kante 7 und die hieran anhaftende Werkstoffahne 20 bis zu einer für die Reaktion mit dem Prozeßgas aus­ reichenden Temperatur erwärmt. Zudem erleichtert die ver­ hältnismäßig große Oberfläche der Kante 7 die gewünschte Reaktion. Im Verlaufe des Prozesses verrundet sich die Kante 7, wobei sich die Oberfläche vergrößert. Gleich­ zeitig wird auch die Wärmeableitung vergrößert, so daß sich die reagierende Oberfläche und der Abtrag verringern.

Die Verhältnisse sind also so, daß sowohl beim Entgraten (Fig. 3) als auch beim Kantenbrechen (Fig. 4 und 5) die Reaktion aufgrund der chemischen Veränderungen selbst behindert und letztendlich stoppt.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde mit einem Laserstrahl 16 gearbeitet, der in Richtung der Winkelhalbierenden der Werkstückkante 7 eingestrahlt wurde. Diese in Bezug auf die Werkstückkante 7 symmetrische Ener­ giezufuhr ist besonders günstig. Kann jedoch der Bearbei­ tungskopf 8 aus Zugänglichkeitsgründen innerhalb eines be­ stimmten Werkzeugmaschine nicht entsprechend ausgerichtet werden, kann einem unsymmetrischen Abtrag durch Verwendung einer Optik mit zwei Laserstrahlen entgegengewirkt werden, die dann, ggf. unabhängig voneinander leistungsgesteuert, unter asymmetrischem Einstrahlwinkel auf das Werkstück 1 gerichtet sind.

Wie bereits oben erwähnt, ist die genaue Form der Verrun­ dung an der bearbeiteten Werkstückkante 7 insbesondere durch die Intensitätsverteilung des Laserstrahles 16 bestimmt. Um diese besser beeinflussen zu können, ist bei einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbei­ spiel anstatt des einzigen Laserstrahles 16 eine abbildende Faseroptik eingesetzt. Auch Faserbündel, die entsprechend abgebildet werden, sowie die Verwendung von Dioden-Arrays sind möglich.

Bei dem oben anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die Position der zu bearbeitenden Werkstückkante 7 aufgrund der Herstellungsart fest. Es ist daher möglich, den Bearbeitungskopf 8 vorprogrammiert in diejenige Stellung zu bringen, die er zum Entgraten bzw. Kantenbrechen einnehmen muß. Dies ist ein erheblicher Vorteil der Integration des Bearbeitungskopfes 8 in die Werkzeugmaschine selbst.

Sollen dagegen Werkstücke außerhalb der sie erzeugenden Werkzeugmaschine entgratet oder in der Kante gebrochen werden, ist die Kantenlage nicht mehr definiert. In solchen Fällen kann der Laser-Bearbeitungskopf 8 mit einer an und für sich bekannten Sensorik zur Kantenverfolgung ge­ koppelt werden, um Lage und Orientierung des Bearbeitungs­ kopfes bezüglich des Werkstückes z. B. über einen Roboter nachzuführen. Eine geeignete Sensorik zur Kantenverfolgung ist unter dem Stichwort "Streifenverfahren" bekannt.

Claims (28)

1. Verfahren zum Entgraten oder Kantenbrechen von Werk­ stücken, bei welchem das Material des Grates oder der äußersten Kante durch eine unter Energiezufuhr einge­ leitete chemische Reaktion in ein leicht entfernbares Reaktionsprodukt umgewandelt wird, wodurch eine verrundete Kante entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme lokal im Bereich der Kante (7) dich mindestens einen Laserstrahl (16) eingebracht wird und daß das Reak­ tionsmedium lokal mit einer solchen kinetischen Energie auf den Bereich der Kante (7) aufgebracht wird, bei welcher es evtl. aufgeschmolzenen Materials nicht wegbläst und das abzutragende Material des Werkstückes (1) "in situ" in das Reaktionsprodukt umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensparameter so eingestellt werden, daß sich das Reaktionsprodukt von selbst vom Werkstück (1) löst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zunächst am Werkstück (1) haftende Reaktions­ produkt in einem gesonderten Arbeitsgang entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ablösen oder Sammeln des Reaktionsprodukts magnetisch unterstützt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Laserstrahl (16) in Richtung der Winkelhalbierenden der Kante (16) auf das Werkstück (1) eingestrahlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahlen beidseits der Winkelhalbierenden der Kante (7) auf das Werkstück (1) eingestrahlt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Laserstrahl(en) (16) über einen oder mehrere Lichtleiter (11) zu einem in der Nähe des Werkstücks (1) positionierten Bearbeitungskopf (8) geführt wird (werden).

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine abbildende Faseroptik eine bestimmte Intensitätsverteilung des oder der Laserstrahlen (16) eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Intensitäts­ verteilung innerhalb eines resultierenden Laserstrahles durch Einsatz eines Laserdioden-Arrays erfolgt, welches eine Vielzahl von Laser-Einzelstrahlen erzeugt, aus denen sich der resultierende Laserstrahl zusammensetzt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung der in das Werkstück (1) eingekoppelten Energieflußdichte die Pola­ risationsebene des Laserstrahls (16) gegenüber den Ebenen der bestrahlten Oberflächen des Werkstücks (1) eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Werkstück (1) und Laserstrahl(en) (16) eine Relativbewegung stattfindet, in deren Verlauf der Laserstrahl (16) an der Kante (7) entlang fährt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) beim Entgraten oder Kantenbrechen innerhalb der Werkzeugmaschine belassen wird, in welcher es seine Form erhalten hat.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen Werkstück (1) und Laserstrahl (16) durch die Bewegungsquelle (2, 3) der Werkzeugmaschine bewirkt wird und daß der Laserstrahl (16) stationär gehalten wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu entgratende(n) Kante(n) (7) des Werkstücks (1) insgesamt durch einen oder mehrere entsprechend geformte Laserstrahlen (16) bestrahlt wird (werden).

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

• a) mindestens einen Bearbeitungskopf (8), aus welchem mindestens ein Laserstrahl (16) und ein Strahl eines Reaktionsmediums in Richtung auf den Bereich der Kante (7) des Werkstücks (1) austritt;
• b) mindestens eine Regeleinrichtung (27), mit welcher die kinetische Energie des auf das Werkstück (1) auf­ treffenden Reaktionsmediums auf einen Wert einstellbar ist, bei welchem das Reaktionsmedium evtl. aufgeschmol­ zenen Materials nicht wegbläst und das abzutragende Material des Werkstücks (1) "in situ" in das Reaktions­ produkt umgewandelt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Entfernen des Reaktionsprodukts von der Kante (7) des Werkstücks.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch einen das Ablösen oder Sammeln des Reaktionspro­ dukts unterstützenden Magneten.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Halteeinrichtung für den Bearbeitungskopf (8) umfaßt, mit welcher der Einfallswinkel des oder der Laserstrahlen (16) auf das Werkstück (1) einstellbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Drehung der Polarisationsebene des Laserstrahles vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Bearbeitungskopf (8) vorgesehen und so eingestellt ist, daß der aus ihm austretende Laserstrahl (16) in Richtung der Winkelhalbie­ renden der Kante (7) des Werkstücks (1) verläuft.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bearbeitungsköpfe vorge­ sehen und so eingestellt sind, daß die aus ihnen austre­ tenden Laserstrahlen beidseits der Winkelhalbierenden der Kante (7) verlaufen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Bearbeitungskopf (8) über mindestens einen Lichtleiter (11) mit einer ge­ trennten Laserstrahlquelle (12) verbunden ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (8) über eine abbildende Faseroptik mit der Laserstrahlquelle verbunden ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserstrahlquelle ein Laser­ dioden-Array vorgesehen ist.

25 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (3) vorgesehen ist, welche eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1) und dem Bearbeitungskopf (8) erzeugt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die die Relativbewegung erzeugende Einrichtung die Bewegungsquelle (3) der Werkzeugmaschine ist, auf welcher das Werkstück (1) die Form erhalten hat, und daß der Bearbeitungskopf (8) an dieser Werkzeugmaschine mon­ tiert ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

• a) eine Sensorik, welche die Lage der Kante des frei im Raum angeordneten Werkstücks erfaßt;
• b) einen Roboter, welcher nach den von der Sensorik er­ zeugten Signalen den Bearbeitungskopf entlang der Kante des Werkstücks führt.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf und das Werk­ stück bei der Bearbeitung stationär sind und daß der aus dem Bearbeitungskopf aus tretende Laserstrahl entsprechend der Kante des Werkstücks geformt ist.