EP1922194A1 - Verfahren und vorrichtung zur spanenden bearbeitung von werkstücken aus glas oder glaskeramik - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur spanenden bearbeitung von werkstücken aus glas oder glaskeramik

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EP1922194A1
EP1922194A1 EP06805277A EP06805277A EP1922194A1 EP 1922194 A1 EP1922194 A1 EP 1922194A1 EP 06805277 A EP06805277 A EP 06805277A EP 06805277 A EP06805277 A EP 06805277A EP 1922194 A1 EP1922194 A1 EP 1922194A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
glass
laser
tool
heating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06805277A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Brecher
Michael Emonts
Sven C. Lange
Manfred Weck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1922194A1 publication Critical patent/EP1922194A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P25/00—Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress
    • B23P25/003—Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress immediately preceding a cutting tool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0093—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring combined with mechanical machining or metal-working covered by other subclasses than B23K
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B28D1/22—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by cutting, e.g. incising
    • B28D1/221—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by cutting, e.g. incising by thermic methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00—Severing cooled glass
    • C03B33/02—Cutting or splitting sheet glass or ribbons; Apparatus or machines therefor
    • C03B33/0222—Scoring using a focussed radiation beam, e.g. laser

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for machining workpieces made of glass or glass ceramic.
  • Organic glass materials and glass ceramic materials are due to their very low thermal expansion and good chemical resistance in addition to optical applications increasingly their technical use z.
  • the semiconductor industry in particular in the anodic bonding of silicon wafem, or medical technology, for example as a substrate carrier.
  • a glass material is an inorganic melt product that solidifies substantially without crystallization.
  • the glass material undergoes a continuous transition from the molten glass to the glassy solid.
  • Glass is referred to in the literature as a supercooled liquid, wherein due to the very high viscosity at room temperature, a displacement of the molecules is greatly hindered. Therefore, glass materials in the cooled state show a brittle-brittle behavior under mechanical stress, preceded by only a very small plastic deformation.
  • Glass-ceramic differs from the materials glass and ceramics both by its properties and by the production methods used. After the mixture of defined composition has been melted, processing takes place by pressing, blowing, rolling or pouring. The molded bodies produced thereby also have all the typical features of a glass. In the following processing step, the semi-finished products are converted into a polycrystalline material by a specific temperature treatment, ie ceramised (see, for example, Scheidler, H .: Production and Properties of Glass-Ceramic Materials, Silicate - Journal 11, 1975). Glass ceramic materials are characterized by their extremely low thermal expansion tion, which are largely compensated for certain glass-ceramic materials due to the negative expansion coefficient of the crystalline phase and the positive coefficient in the glass phase.
  • glass and glass ceramics are used for mechanical-optical precision workpieces, for example metrology frames, length standards in precision metrology, mirror spacers in laser systems and as mirror supports for X-ray telescopes, weather satellites and comet probes.
  • lightweight structures for example honeycomb structures, are often incorporated into these mirror carriers by means of time-consuming and costly grinding and lapping operations.
  • Urformen For the production of workpieces made of glass or glass ceramic known measures Urformen, forming and separating are used.
  • Glass has a low density compared to steel materials and has a high viscosity and surface tension even at high temperatures. These properties lead to low flowability and poor wetting during primary molding by casting, which is why casting processes for glass materials are only suitable for the production of semi-finished products.
  • Lapping achieves a lower chip removal rate compared to sanding, and is used wherever grinding tooling is impractical. As an example, astronomical mirrors are mentioned here.
  • a polishing allowance typical for this is 50 ⁇ m, which requires polishing times of up to 3 hours for lenses.
  • Cutting techniques with a defined cutting edge such as e.g. Turning or milling has so far not been practicable due to the brittleness of the material.
  • the problem is solved by the glass or the glass ceramic is softened by local heating of the workpiece and the machining takes place in the softened area.
  • the heating is advanced so far that a ductile Zerspanmodus is possible.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that the machining takes place with a tool having a geometrically determined cutting edge.
  • a tool having a geometrically determined cutting edge e.g. As a turning tool or a milling cutter, the duk- Zerspanmodus to considerable advantages.
  • Tools with geometrically defined cutting edges can be used for the first time for workpieces made of glass or glass ceramic without regular destruction of the workpiece. This opens up new possibilities for increasing processing flexibility and cost-effectiveness in comparison with the state-of-the-art processing methods.
  • time- and cost-intensive grinding and lapping operations can be substituted by ductile hot cutting.
  • For the first time on optical functional surfaces eg.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that the local heating takes place by means of electromagnetic radiation.
  • a laser in particular a CO 2 laser can be used.
  • the heat is induced by local laser beam energy absorption by absorption in the Zerspanzone before the engagement of the tool cutting edge (s).
  • the laser-induced heat source on the surface of the workpiece and the resulting three-dimensional propagation of the temperature fields in the workpiece are dependent on the specific optical and thermal material properties, the workpiece geometry, the surface condition of the workpiece and the laser beam parameters.
  • transparent inorganic glass-ceramic materials do not absorb above the wavelength of approximately 4.5 ⁇ m, so that the wavelength ⁇ of the laser radiation to be absorbed must exceed this value.
  • CO2 laser radiation emitted with a wavelength of ⁇ 10.6 ⁇ m and would therefore be suitable for the mentioned application example.
  • the method according to the invention can also be carried out such that the heating takes place by means of a particle beam.
  • an electron beam could be used.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that the workpiece is coated with an absorption layer before the machining and the heating of the workpiece takes place via the absorption layer.
  • lasers for whose wavelength the glass or the glass-ceramic of the workpiece is transparent.
  • an absorption layer would be used which absorbs the laser radiation used and transfers the heat energy thus supplied to the workpiece.
  • an additional absorption layer may be useful, for example if it has better absorbency than the workpiece material or else , eg higher, has thermal conductivity.
  • the absorption layer could also deliberately influence the temperature distribution in the workpiece.
  • One possible variant of an absorption layer is a paint applied to the workpiece, e.g. a black paint color.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that the supply of the energy intended for heating takes place via a surface of the workpiece which faces away from a tool intended for machining.
  • This can be advantageous in particular if an absorption layer is present.
  • the laser light could be applied to the absorption layer by means of a laser through the material of the tool which is transparent to the laser light.
  • the supply of heat energy takes place via a plurality of entry points in the workpiece, for example via opposite sides of the workpiece.
  • the method according to the invention can also be carried out so that the temperature is measured during processing at at least one point of the workpiece. On the basis of these measurements, it can be ascertained in the case of known material properties whether a temperature distribution exists which ensures sufficient ductility of the material to be processed. In order to create an optimum temperature field for processing, it may also be useful to irradiate the energy provided for heating via a plurality of entry points on the workpiece.
  • the method according to the invention can be carried out such that the at least one measured temperature is used to control or regulate processing variables, in particular the power and shape of the energy radiation intended for heating and / or the feed rate of a tool.
  • the object is achieved with a receptacle for the workpiece, a tool with geometrically defined cutting edge and means for local heating of the workpiece. Further embodiments of the device are set forth in the subclaims.
  • FIG. 4 shows a device according to the invention
  • 5 shows the device according to FIG. 4 in a view rotated by 90 ° about a vertical axis.
  • Fig. 1 shows schematically a workpiece 1 made of glass, which is acted upon locally limited by a CO 2 laser beam.
  • the absorption of the laser light by the material of the workpiece 1 leads to a local heating and thus to a softening of the workpiece material.
  • the number 3 indicates the area sufficiently softened for a ductile machining process.
  • a turning tool 4 engages with the depth of cut a? in the workpiece 1, while the workpiece 1 is moved relative to the rotary tool 4 with the cutting speed V c .
  • Fig. 2 shows instead of the rotary tool 4, a milling tool 5 when engaging in the workpiece 1, wherein the laser beam 2 and the milling tool 5 are moved relative to the workpiece with the feed speed V f .
  • the depth of the softened region 3 also exceeds the cutting depth ap of the milling tool 5.
  • the cutting speed Vc 1 or the feed rate Vf, the inclination angle ⁇ of the laser beam 2 relative to the workpiece 1 and the distance ⁇ XW-L between the tool engagement and the intersection of the axis of the laser beam 2 with the surface of the workpiece 1 are important factors influencing the cutting process.
  • Fig. 3 shows the propagation of a laser-induced temperature field in the workpiece 1 without tools.
  • the laser beam 2 moves over the workpiece 1 at the feed rate Vf.
  • the arrow 7 symbolizes the absorbed portion of the laser radiation;
  • Arrow 8 stands for the reflected portion and arrow 9 for the transmitted portion of the laser light.
  • the laser-induced heat on the surface of the workpiece 1 and the resulting three-dimensional expansion of the temperature field 6 in the workpiece 1 are absorbed by the workpiece 1 as a function of the specific optical and thermal material properties, the workpiece geometry, the surface finish of the workpiece 1 and the laser beam parameters - th laser radiation.
  • the wavelength of the laser beam 2 is to be chosen such that economical absorption of the laser radiation is ensured.
  • the absorbed portion 7 of the laser radiation provides for heating, which propagates via heat conduction, symbolized by the arrow 10, in the workpiece 1.
  • a symbolized by the arrow 11 convection ensures a loss of heat.
  • the temperature field 6, which is shown in Fig. 3 by different gray levels.
  • the determination of the optimum depth of cut a p and the engagement width not shown in the figures require the knowledge of the three-dimensional temperature distribution, since only the ablated Zerspanvolumen should be softened as possible in order to avoid thermal damage to the cut surfaces, which should also be functional surfaces at the same time. In return, the cutting depths a p and the engagement width must not exceed the softened workpiece area in order to prevent brittle material removal and premature tool failure.
  • the determination of the temperature fields on the component surface can be realized by means of pyrometric measurements. The relevant means are not shown in the figures.
  • the three-dimensional temperature field profiles are determined with the aid of numerical simulation models whose calibration is based on the base feedback of the pyrometric measurement.
  • Figures 4 and 5 show a three-axis milling machine with vertical spindle arrangement in two rotated by 90 ° to each other views.
  • a first carriage 13 is movable in the X direction.
  • a second carriage 14 is movable in the Y direction.
  • the second carriage 14 carries a CO 2 laser source 15 whose laser beam 2 is guided via a beam guiding system 16 to the workpiece 1, whose holder is not explicitly shown in FIGS. 4 and 5.
  • the outlet opening 17 of the beam guiding system 16 is for one pivotable about an axis B and on the other in the Y-direction and X-direction displaceable. It can be seen in FIG. 5 that the displacement in the X-direction is realized by a relative movement between two telescoping tubes 18 and 19 of the beam guidance system 16.
  • the otherwise usual conduction of the laser light by means of optical fibers is not possible with the CO 2 laser due to the wavelength of the laser.
  • a tool carriage 20 with a milling cutter 21 can be moved on the second carriage 14 in the Z direction.

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken (1) aus Glas oder Glaskeramik mit Werkzeugen (4, 5) mit geometrisch bestimmter Schneide vorgestellt. Hierzu wird das Material des Werkstückes (1) zunächst durch Erwärmung lokal begrenzt entfestigt und das Werkstück (1) anschließend im entfestigten Bereich spanend bearbeitet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken aus Glas oder Glaskeramik
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken aus Glas oder Glaskeramik.
Organische Glaswerkstoffe und Glaskeramikwerkstoffe finden auf Grund ihrer sehr geringen thermischen Ausdehnung und guten chemischen Resistenz neben optischen Anwendungen zunehmend ihren technischen Einsatz z. B. im Bereich der Präzisionsmesstechnik, der Halbleiterindustrie, insbesondere beim anodischen Bonden von Silizi- umwafem, oder der Medizintechnik, zum Beispiel als Substratträger.
Ein Glaswerkstoff ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das im Wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt. Im Gegensatz zu kristallinen Festkörpern, bei denen eine sprunghafte Änderung physikalischer Größen im Bereich der Schmelztemperatur zu beobachten ist, erfolgt beim Glaswerkstoff ein kontinuierlicher Übergang von der Glasschmelze in den glasigen Festkörper. Glas wird in der Literatur auch als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet, wobei auf Grund der sehr hohen Viskosität bei Raumtemperatur ein Verschieben der Moleküle stark behindert wird. Daher zeigen Glaswerkstoffe im abgekühlten Zustand bei mechanischer Belastung ein spröd-brüchiges Verhalten, welchem nur eine äußerst geringe plastische Verformung vorausgeht.
Glaskeramik unterscheidet sich von den Werkstoffen Glas und Keramik sowohl durch seine Eigenschaften als auch durch die angewandten Herstellungsverfahren: Nach dem Verschmelzen des Gemenges definierter Zusammensetzung erfolgt die Bearbeitung durch Pressen, Blasen, Walzen oder Gießen. Die hierdurch hergestellten Formkörper weisen auch alle typischen Merkmale eines Glases auf. Im folgenden Bearbeitungsschritt werden die Halbzeuge durch eine spezifische Temperaturbehandlung in einen polykristallinen Werkstoff umgewandelt, das heißt keramisiert (siehe z. B. Scheidler, H.: Herstellung und Eigenschaften von Glaskeramik-Werkstoffen; Silicat - Journal 11 , 1975). Glaskeramikwerkstoffe zeichnen sich durch ihre äußerst geringe Wärmeausdeh- nung aus, die bei bestimmten Glaskeramikwerkstoffen auf Grund des negativen Ausdehnungskoeffizienten der kristallinen Phase und des positiven Koeffizienten in der Glasphase weitgehend kompensiert werden.
Glas und Glaskeramiken werden auf Grund ihrer geringen Wärmeausdehnung und ihrer hohen Maß- und Formstabilität für mechanisch-optische Präzisionswerkstücke, zum Beispiel metrology frames, Längennormalen in der Präzisionsmesstechnik, Spiegelabstandhalter in Lasersystemen und als Spiegelträger für Röntgenteleskope, Wettersatelliten sowie Kometensonden verwendet. Zur Gewichtsreduzierung werden häufig in diese Spiegelträger mittels zeit- und kostenintensiven Schleif- und Läpp-Operationen Leichtgewichtstrukturen, zum Beispiel Wabenstrukturen, eingearbeitet.
Für die Fertigung von Werkstücken aus Glas oder Glaskeramik werden die Bekannten Maßnahmen Urformen, Umformen und Trennen eingesetzt.
Glas besitzt im Vergleich zu Stahlwerkstoffen eine geringe Dichte und weist auch bei hohen Temperaturen eine große Viskosität und Oberflächenspannung auf. Diese Eigenschaften führen beim Urformen durch Gießen zu einer geringen Fließfähigkeit und schlechten Benetzung, weshalb sich Gießverfahren bei Glaswerkstoffen lediglich zur Herstellung von Halbzeugen eignet.
Bei der Umformung von Glas sind in der Regel Temperaturen bis 1.2000C erforderlich. Als umformende Fertigungsverfahren sind derzeit im Bereich der Optikherstellung aus Glaswerkstoffen das Blankpressen und das Präzisionsumformen von Bedeutung.
Im Bereich der Trennverfahren wird für die Glasbearbeitung das Schleifen, Läppen sowie das Polieren eingesetzt. Die Maß- und Formgenauigkeiten optischer Glas- und Glaskeramikoberflächen werden derzeit im Wesentlichen durch schleifende bzw. läppende Bearbeitungsverfahren erzielt, denen ein spröder Abtragsmechanismus zu Grunde liegt, welcher die Bildung von Mikrorissen zur Folge hat. Das Vorschleifen ermöglicht Rauhtiefen von Rt = 10 μm bis 20 μm, beim Feinschleifen sind Werte von Rt = 1 μm bis 4 μm erreichbar. Aufwändige Schleifverfahren können Bearbeitungszeiten von mehreren Stunden erfordern.
Das Läppen erzielt im Vergleich zum Schleifen ein geringeres Zeitspanvolumen und findet überall dort Anwendung, wo die Formgebung durch Schleifmaschinen nicht praktikabel ist. Als Beispiel seien hier astronomische Spiegel angeführt. Die Werkstückoberfläche kann mit diesem Verfahren ebenfalls bis zum Erreichen der makroskopischen Form bearbeitet werden. Durch eine Läppbearbeitung sind Rauhtiefen von Rt = 1 μm bis 3 μm realisierbar.
Das Polieren ermöglicht als letzte Stufe der Bearbeitung von optischen Bauteilen die Erzeugung optischer Oberflächen mit Rauhtiefen kleiner als Rt = 2 nm. Ein hierfür typisches Polieraufmaß beträgt 50 μm, welches bei Linsen Polierzeiten von bis zu 3 Stunden erfordert.
Trenntechniken mit definierter Schneide, wie z.B. Drehen oder Fräsen konnten bislang auf Grund der Sprödigkeit des Materials nicht in praktikabler Weise eingesetzt werden.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die das Spektrum der möglichen Bearbeitung von Glas- und Glaskeramikwerkstoffen erheblich erweitert.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe gelöst, indem das Glas oder die Glaskeramik durch lokale Erwärmung des Werkstückes entfestigt wird und die spanende Bearbeitung im entfestigten Bereich stattfindet.
Dabei wird die Erwärmung so weit vorangetrieben, dass ein duktiler Zerspanmodus möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Bearbeitung mit einem Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide erfolgt. Insbesondere bei derartigen Werkzeugen, z. B. einem Drehwerkzeug oder einer Fräse, führt der duk- tile Zerspanmodus zu erheblichen Vorteilen. Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide können erstmals für Werkstücke aus Glas oder Glaskeramik ohne regelmäßige Zerstörung des Werkstückes eingesetzt werden. Damit eröffnen sich im Vergleich zu den Bearbeitungsverfahren nach dem Stand der Technik neue Möglichkeiten zur Steigerung in der Bearbeitungsflexibilität und der Wirtschaftlichkeit. So können zeit- und kostenintensive Schleif- und Läpp-Operationen durch das duktile Warmzerspanen substituiert werden. Erstmals können an optischen Funktionsflächen, z. B. sphärischen Flächen, asphärischen Flächen und Freiformflächen von anorganischen Glasoptiken, z. B. Brillengläsern, das Orthogonal-, Unrund- und Runddrehen realisiert werden. Allgemeiner betrachtet wird eine gesamtheitliche Erweiterung des Fertigungstechnologiespektrums in der Glas- und Glaskeramikindustrie erreicht. Hieraus folgt nicht nur eine Steigerung der Bearbeitungsflexibilität, sondern - insbesondere auf Grund der kürzeren Bearbeitungszeiten - auch der Wirtschaftlichkeit in der Glas- und Glaskeramikbearbeitung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die lokale Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt. Hier kann vorteilhaft ein Laser, insbesondere ein CO2-Laser verwendet werden.
Für die gezielte Entfestigung des Grundwerkstoffes erfolgt die Wärmeinduzierung mittels lokaler Laserstrahlenergieeinkopplung durch Absorption in der Zerspanzone vor dem Eingriff der Werkzeugschneide(n). Die an der Oberfläche des Werkstücks laserinduzierte Wärmequelle und die daraus resultierende dreidimensionale Ausbreitung der Temperaturfelder im Werkstück sind von den spezifischen optischen und thermischen Werkstoffeigenschaften, der Werkstückgeometrie, der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes sowie den Laserstrahlparametern abhängig. Transparente anorganische Glaskeramikwerkstoffe absorbieren beispielsweise nicht oberhalb der Wellenlänge von ca. 4,5 μm, so dass die Wellenlänge λ der zu absorbierenden Laserstrahlung diesen Wert übersteigen muss. CO2 - Laserstrahlung emittiert mit einer Wellenlänge von λ = 10,6 μm und wäre somit für das genannte Anwendungsbeispiel geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch so ausgeführt werden, dass die Erwärmung mittels eines Partikelstrahls erfolgt. Hier könnte beispielsweise ein Elektronenstrahl eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass das Werkstück vor der spanenden Bearbeitung mit einer Absorptionsschicht beschichtet wird und die Erwärmung des Werkstückes über die Absorptionsschicht erfolgt. Hiermit wäre eine von den optischen Werkstoffeigenschaften im Wesentlichen unabhängige Möglichkeit zur Energieeinkopplung gegeben. Somit können auch Laser eingesetzt werden, für deren Wellenlänge das Glas oder die Glaskeramik des Werkstücks transparent ist. In dem Fall würde eine Absorptionsschicht eingesetzt, die die verwendete Laserstrahlung absorbiert und die so zugeführte Wärmeenergie an das Werkstück weitergibt. Aber auch in solchen Fällen, in denen der Werkstoff des Werkstücks die vom Laser oder von anderen Mitteln zugeführte Energie in Wärme zumindest zum Teil umwandelt, kann eine zusätzliche Absorptionsschicht sinnvoll sein, zum Beispiel wenn sie eine bessere Absorptionsfähigkeit als das Werkstückmaterial oder aber auch eine andere, z.B. höhere, Wärmeleitfähigkeit aufweist. Mit der Absorptionsschicht könnte auch bewusst die Temperaturverteilung im Werkstück beeinflusst werden. Eine mögliche Variante einer Absorptionsschicht ist eine auf das Werkstück aufgebrachte Farbe, z.B. eine schwarze Lackfarbe.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Zufuhr der zur Erwärmung vorgesehenen Energie über eine Oberfläche des Werkstückes erfolgt, die einem zur spanenden Bearbeitung vorgesehenen Werkzeug abgewandt ist. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn eine Absorptionsschicht vorhanden ist. So könnte zum Beispiel mittels eines Lasers durch das für das Laserlicht transparente Material des Werkzeugs hindurch die Absorptionsschicht mit dem Laserlicht beaufschlagt werden. Denkbar wäre auch eine Variante, bei der die Zufuhr der Wärmeenergie über mehrere Eintrittsstellen im Werkstück erfolgt, z.B. über gegenüberliegende Seiten des Werkstückes. Hierfür können auch unterschiedliche Energiequellen, z.B. unterschiedliche Laserarten, eingesetzt werden, beispielsweise ein auf die Absorptions- schicht wirkender Laser, für den das Werkstückmaterial transparent ist, und ein weiterer, unmittelbar auf das Werkstückmaterial wirkender Laser.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass während der Bearbeitung an mindestens einer Stelle des Werkstückes die Temperatur gemessen wird. Anhand dieser Messungen kann bei bekannten Werkstoffeigenschaften festgestellt werden, ob eine Temperaturverteilung gegeben ist, die eine hinreichende Duktilität des zu bearbeitenden Materials gewährleistet. Zur Schaffung eines für die Bearbeitung optimalen Temperaturfeldes kann es ebenfalls sinnvoll sein, die zur Erwärmung vorgesehene Energie über mehrere Eintrittsstellen am Werkstück einzustrahlen.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die mindestens eine gemessene Temperatur zur Steuerung oder Regelung von Bearbeitungsgrößen, insbesondere der Leistung und Form der zur Erwärmung vorgesehenen Energieeinstrahlung und/oder der Vorschubgeschwindigkeit eines Werkzeugs, eingesetzt wird.
Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufgabe gelöst mit einer Aufnahme für das Werkstück, einem Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide und Mitteln zur lokalen Erwärmung des Werkstückes. Weitere Ausbildungsformen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Im Folgenden werden eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Ausbildungsform der Vorrichtung anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigen schematisch
Fig. 1 : ein Drehwerkzeug beim Eingriff in ein Werkstück,
Fig. 2: ein Fräswerkzeug beim Eingriff in ein Werkstück,
Fig. 3: die Ausbreitung eines laserinduzierten Temperaturfeldes im Werkstück,
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 5: die Vorrichtung gemäß Fig. 4 in einer um 90° um eine vertikale Achse gedrehten Ansicht.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Werkstück 1 aus Glas, das mit einem Cθ2-Laserstrahl lokal begrenzt beaufschlagt wird. Die Absorption des Laserlichts durch das Material des Werkstücks 1 führt zu einer lokalen Erwärmung und damit zu einer Entfestigung des Werkstückmaterials. Die Ziffer 3 kennzeichnet den für einen duktilen Zerspanprozess hinreichend entfestigten Bereich. Ein Drehwerkzeug 4 greift mit der Schnitttiefe a? in das Werkstück 1 ein, während das Werkstück 1 mit der Schnittgeschwindigkeit Vc relativ zum Drehwerkzeug 4 bewegt wird.
Fig. 2 zeigt anstelle des Drehwerkzeuges 4 ein Fräswerkzeug 5 beim Eingriff in das Werkstück 1 , wobei der Laserstrahl 2 und das Fräswerkzeug 5 mit der Vorschubgeschwindigkeit Vf relativ zum Werkstück bewegt werden. Entsprechend zu Fig. 1 geht auch hier die Tiefe des entfestigten Bereichs 3 über die Schnitttiefe ap des Fräswerkzeugs 5 hinaus.
Sowohl für die Variante mit Drehwerkzeug 4 als auch mit Fräswerkzeug 5 gilt, dass die Schnittgeschwindigkeit Vc1 bzw. die Vorschubgeschwindigkeit Vf , der Neigungswinkel α des Laserstrahls 2 relativ zum Werkstück 1 sowie der Abstand Δ XW-L zwischen Werkzeugeingriff und Schnittpunkt der Achse des Laserstrahls 2 mit der Oberfläche des Werkstücks 1 wichtige Einflussgrößen auf den Zerspanprozess darstellen.
Fig. 3 zeigt die Ausbreitung eines laserinduzierten Temperaturfeldes im Werkstück 1 ohne Werkzeug. Der Laserstrahl 2 bewegt sich mit der Vorschubgeschwindigkeit Vf über das Werkstück 1 hinweg. Der Pfeil 7 symbolisiert den absorbierten Anteil der Laserstrahlung; Pfeil 8 steht für den reflektierten Anteil und Pfeil 9 für den transmittierten Anteil des Laserlichts. Die an der Oberfläche des Werkstücks 1 laserinduzierte Wärme und die daraus resultierende dreidimensionale Ausweitung des Temperaturfelds 6 im Werkstück 1 stehen in Abhängigkeit zu den spezifischen optischen und thermischen Werkstoffeigenschaften, der Werkstückgeometrie, der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 1 sowie zu den Laserstrahlparametern in der vom Werkstück 1 absorbier- ten Laserstrahlung. Die Wellenlänge des Laserstrahls 2 ist unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen optischen Eigenschaften des Werkstückes 1 , insbesondere Absorptionsgrad A, Reflektionsgrad R1 Transmissionsgrad T (mit A + R + T = 1 ) und Absorptionstiefe so zu wählen, dass eine wirtschaftliche Absorption der Laserstrahlung gewährleistet ist. Anorganische Glaskeramikwerkstoffe absorbieren beispielsweise Licht oberhalb der Wellenlänge von ca. 4,5 μm, so dass die Wellenlänge von λ = 10,6 μm eines CO2 Lasers für dieses Anwendungsbeispiel geeignet ist. Der absorbierte Anteil 7 der Laserstrahlung sorgt für eine Erwärmung, die sich über Wärmeleitung, symbolisiert durch den Pfeil 10, im Werkstück 1 ausbreitet. Eine durch den Pfeil 11 symbolisierte Konvektion sorgt für einen Wärmeverlust. Insgesamt entsteht das Temperaturfeld 6, das in Fig. 3 durch unterschiedliche Graustufen dargestellt ist.
Die Bestimmung der optimalen Schnitttiefe ap und der in den Figuren nicht dargestellten Eingriffsbreite erfordern die Kenntnis der dreidimensionalen Temperaturverteilung, da möglichst lediglich das abzutragende Zerspanvolumen entfestigt werden soll, um eine thermische Schädigung der Schnittflächen, die möglicherweise zugleich Funktionsflächen sein sollen, zu vermeiden. Im Gegenzug dürfen die Schnitttiefen ap und die Eingriffsbreite den entfestigten Werkstückbereich nicht überschreiten, um sprödbrüchigem Materialabtrag und einem frühzeitigen Werkzeugversagen vorzubeugen. Die Bestimmung der Temperaturfelder auf der Bauteiloberfläche kann mittels pyrometrischen Messungen realisiert werden. Die diesbezüglichen Mittel sind in den Figuren nicht dargestellt. Die dreidimensionalen Temperaturfeldverläufe werden mit Hilfe numerischer Simulationsmodelle, deren Kalibrierung auf Basisrückkopplungen der pyrometrischen Messung erfolgt, determiniert.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Drei-Achs-Fräsmaschine mit vertikaler Spindelanordnung in zwei um 90° zueinander verdrehten Ansichten.
Auf einem Maschinentisch 12 ist ein erster Schlitten 13 in X-Richtung verfahrbar. Auf dem ersten Schlitten 13 ist ein zweiter Schlitten 14 in Y-Richtung verfahrbar. Der zweite Schlitten 14 trägt eine Cθ2-Laserquelle 15, dessen Laserstrahl 2 über ein Strahlführungssystem 16 zum Werkstück 1 geführt wird, dessen Halterung in den Figuren 4 und 5 nicht explizit gezeigt ist. Die Austrittsöffnung 17 des Strahlführungssystems 16 ist zum einen um eine Achse B schwenkbar und zum anderen in Y-Richtung und X-Richtung verschiebbar. In Figur 5 ist zu erkennen, dass die Verschiebung in X-Richtung durch eine Relativbewegung zwischen zwei ineinander geschobenen Rohren 18 und 19 des Strahlführungssystems 16 realisiert ist. Die sonst übliche Leitung des Laserlichts mittels Lichtleitfasern ist beim Cθ2-Laser aufgrund der Wellenlänge des Lasers nicht möglich .Ein Werkzeugschlitten 20 mit einer Fräse 21 ist am zweiten Schlitten 14 in Z-Richtung verfahrbar.
Bezugszeichenliste
1 Werkstück
2 Laserstrahl
3 entfestigter Bereich
4 Drehwerkzeug
5 Fräswerkzeug
6 Temperaturfeld
7 absorbierter Anteil der Laserstrahlung
8 reflektierter Anteil der Laserstrahlung
9 transmittierter Anteil der Laserstrahlung
10 Wärmeleitungspfeil
11 Konvektionspfeil
12 Maschinentisch
13 erster Schlitten
14 zweiter Schlitten
15 Cθ2-Laserquelle
16 Strahlführungssystem
17 Austrittsöffnung
18 Strahlführungsrohr
19 Strahlführungsrohr
20 Werkzeugschlitten
21 Fräse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken (1) aus Glas oder Glaskeramik, bei dem das Glas oder die Glaskeramik durch lokale Erwärmung des Werkstückes (1 ) entfestigt wird und die spanende Bearbeitung im entfestigten Bereich (3) stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mit einem Werkzeug (4, 5) mit geometrisch bestimmter Schneide erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung mittels mindestens eines Lasers (15) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser (15) ein Cθ2-Laser verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mittels eines Partikelstrahls erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 ) vor der spanenden Bearbeitung mit einer Absorptionsschicht beschichtet wird und die Erwärmung des Werkstückes über die Absorptionsschicht erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der zur Erwärmung vorgesehenen Energie über eine Oberfläche des Werkstückes (1) erfolgt, die einem zur spanenden Bearbeitung vorgesehenen Werkzeug (4, 5) abgewandt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung an mindestens einer Stelle des Werkstückes (1) die Temperatur gemessen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine gemessene Temperatur zur Steuerung oder Regelung von Bearbeitungsgrößen, insbesondere der Leistung und Form der zur Erwärmung vorgesehenen Energieeinstrahlung und/oder der Vorschubgeschwindigkeit eines Werkzeugs (4, 5), eingesetzt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Aufnahme für das Werkstück (1), einem Werkzeug (4, 5) mit geometrisch bestimmter Schneide und Mitteln zur lokalen Erwärmung des Werkstückes.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur lokalen Erwärmung mindestens einen Laser (15) umfassen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (15) ein CCVLaser ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur lokalen Erwärmung mindestens einen Partikelbeschleuniger umfassen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Messung mindestens einer Temperatur des Werkstückes (1) im Bearbeitungsbereich vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Steuerung oder Regelung von Bearbeitungsgrößen mittels der mindestens einen gemessenen Temperatur vorgesehen sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme für das Werkstück (1), das Werkzeug (4, 5) sowie die Mittel zur lokalen Erwärmung des Werkstückes derart angeordnet sind, dass die Zufuhr der zur Erwärmung vorgesehenen Energie über eine dem Werkzeug (4, 5) abgewandte Oberfläche des Werkstücks (1) erfolgt.
EP06805277A 2005-09-09 2006-08-31 Verfahren und vorrichtung zur spanenden bearbeitung von werkstücken aus glas oder glaskeramik Withdrawn EP1922194A1 (de)

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