KR20130055592A - Method for fracture splitting workpieces, workpiece and laser unit - Google Patents

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Abstract

본 발명은 작업물(1)을 파괴 분할하는 방법 및 이러한 방법으로 만들어지는 작업물에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 예컨대 레이저의 종류, 펄스율, 펄스 지속 시간, 작업물의 재질 및/또는 레이저 출력은, 계산에 의해 레이저 빔(12) 및/또는 작업물(1)의 이송 속도(V) 및 레이저의 펄스율로부터 구해지는 노치 거리(K) 보다 노치부(6)의 거리가 상당히 더 크게 되도록 선택된다. 이송 조절에 의해 또한 예컨대 볼 또는 롤러 가이드에서의 경우 처럼 구를면을 위해 경사형 레이저 노치를 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 이송 속도는 레이저 가공 중에 작업물의 기하학적 형상에 따라 그리고/또는 주기적으로 조절된다. The present invention relates to a method of breaking apart a workpiece (1) and to a workpiece made by such a method. According to the invention, for example, the type of laser, pulse rate, pulse duration, material of the workpiece and / or laser power may be calculated by calculation of the feed rate V of the laser beam 12 and / or the workpiece 1 and It is selected such that the distance of the notch portion 6 is considerably larger than the notch distance K obtained from the pulse rate of the laser. The feed adjustment also allows the formation of an inclined laser notch for the curved surface, such as in the case of a ball or roller guide. According to the invention, the feed rate is adjusted and / or periodically according to the geometry of the workpiece during laser processing.

Description

작업물을 파괴 분할하는 방법, 작업물 및 레이저 유닛{METHOD FOR FRACTURE SPLITTING WORKPIECES, WORKPIECE AND LASER UNIT}METHOD FOR FRACTURE SPLITTING WORKPIECES, WORKPIECE AND LASER UNIT}

본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따라 작업물을 파괴 분할하는 방법, 이러한 방법에 따라 제작되는 작업물 및 레이저 유닛에 관한 것이다. The present invention relates to a method of breaking and dividing a workpiece according to the preamble of claim 1, the workpiece and the laser unit produced according to this method.

본 출원인의 EP 0 808 228 B2에는 일반적인 파괴 분할 방법이 기재되어 있는데, 이 방법에서는 파괴면을 미리 규정하는 노치가 레이저 에너지로 파괴 분할될 연결 로드의 상단부에 형성된다. 이러한 노치는 다수의 노치부로 이루어지며, 노치부의 거리는 실질적으로 레이저의 펄스율 및 연결 로드 상단부에 대한 레이저 빔의 이송 속도로 정해진다. 이러한 노치부에 의해 응력 집중 계수가 연속적인 노치와 비교하여 상당히 증가되는 것으로 밝혀졌으며, 따라서 비교적 낮은 레이저 출력으로 노치를 형성할 수 있다. 이러한 낮은 레이저 출력 및 이에 동반하여 도입되는 낮은 열에너지는 노치 영역에서 바람직하지 않은 깊은 구조적 변화를 방지하게 되는데, 구조적 변화는 단지 노치의 특별한 가장자리 영역에만 주어지며 그래서 파괴 분할 거동이 개선된다. Applicant's EP 0 808 228 B2 describes a general fracture splitting method, in which a notch predefining a fracture surface is formed at the upper end of the connecting rod to be fractured with laser energy. This notch consists of a number of notches, the distance of which is determined substantially by the pulse rate of the laser and the feed rate of the laser beam relative to the upper end of the connecting rod. These notches have been found to significantly increase the stress concentration coefficient compared to continuous notches, and thus can form notches with relatively low laser power. This low laser power and accompanying low thermal energy prevents undesirable deep structural changes in the notched region, which are only given to the special edge region of the notch, thus improving fracture splitting behavior.

본 출원인의 DE 2005 031 335 A1 에는 개선된 방법이 기재되어 있는데, 이 방법에서 노치는 곧은 형상을 갖지 않고, 곧게 연장되어 있는 단부를 갖는 사인( sine) 형상을 갖는다. 놀랍게도, 파괴 분할 거동은 이러한 노치 설계로 더 개선될 수 있는 것으로 밝혀졌다. Applicant's DE 2005 031 335 A1 describes an improved method, in which the notch has a sine shape with no straight shape, but with an extended end. Surprisingly, it has been found that the fracture splitting behavior can be further improved with this notch design.

전술한 방법의 어떤 단점으로서, 설명한 바와 같이, 노치 거동을 개선하는 노치부가 형성되도록 이송 속도와 펄스율을 조절해야 한다. 또한, 특히 큰 축선 방향 길이를 갖는 연결 로드 상단부 또는 사인형 노치를 형성할 때, 촛점 깊이가 노치부(천공)를 요구되는 정밀도로 형성하는데 충분하지 않기 때문에 레이저 빔을 다시 촛점 맞춰야 하다. As a disadvantage of the method described above, as described, the feed rate and the pulse rate must be adjusted to form a notch that improves the notch behavior. In addition, particularly when forming a connecting rod top end or sinusoidal notch having a large axial length, the laser beam must be refocused because the depth of focus is not sufficient to form the notch (perforation) with the required precision.

다른 한편, 본 발명의 목적은 적은 노력으로 파괴 분할 노치의 노치부를 만들 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 이러한 방법에 따라 제작되는 작업물 및 그러한 방법을 실시하기 위한 레이저 유닛을 제공하는 것이다. On the other hand, it is an object of the present invention to provide a method capable of making a notch of a fracture split notch with little effort. It is also an object of the present invention to provide a workpiece produced according to this method and a laser unit for carrying out such a method.

상기 목적은 청구항 1 의 특징적 사항을 포함하는 방법, 독립 청구항 12 의 특징적 사항을 포함하는 작업물 및 청구항 14 의 특징적 사항을 포함하는 레이저 유닛으로 달성된다. The object is achieved with a method comprising the features of claim 1, a workpiece comprising the features of independent claim 12 and a laser unit comprising the features of claim 14.

본 발명에 따른 방법에서, 종래의 방법과 유사하게, 레이저 노치는 레이저 에너지로 형성되며, 노치는 다수의 노치부를 갖는다. 본 발명에 따르면, 레이저의 종류, 펄스율, 펄스 지속 시간, 작업물의 재질 및 레이저 출력은, 계산에 의해 이송 속도, 상대 운동 및 레이저의 펄스율(주파수)로부터 구해지는 노치 거리 보다 노치부의 거리가 상당히 더 크게 되도록 조절된다. In the method according to the invention, similar to the conventional method, the laser notch is formed of laser energy, and the notch has a plurality of notches. According to the present invention, the type of laser, pulse rate, pulse duration, material of the workpiece, and laser output have a notch distance greater than the notch distance calculated from the feed rate, relative motion, and pulse rate (frequency) of the laser by calculation. Adjusted to be significantly larger.

레이저 빔의 발진은 바람직하게는 길이 방향 노치 축선에 대해 경사지게 이루어진다. The oscillation of the laser beam is preferably made inclined with respect to the longitudinal notch axis.

놀랍게도, 전술한 기준을 적절히 선택하면, 천공이 제공되는 노치를 매우 높은 펄스율과 빠른 이송의 경우에도 여전히 만들 수 있는 것으로 나타났고, 상기 노치 거리는 계산된 노치 거리 보다 상당히 더 크게 된다. 이러한 방법의 이점으로, 매우 높은 이송 속도와 함께 고주파수 레이저를 사용할 수 있으며, 그래서 종래의 해결 방안 보다 훨씬 더 빠르게 또한 낮은 열 도입으로 레이저 노치를 형성할 수 있다. Surprisingly, with the appropriate selection of the above criteria, it has been shown that notches provided with perforations can still be made in the case of very high pulse rates and fast feeds, the notch distances being significantly larger than the calculated notch distances. With the advantage of this method, high frequency lasers can be used with very high feed rates, so that laser notches can be formed much faster and with lower heat introduction than with conventional solutions.

본 발명의 특히 바람직한 경우로, 레이저 가공 중의 이송 속도는 다른 깊이의 노치부를 갖는 노치가 형성되도록 변화된다. 노치부의 "깊이"는 레이저 빔의 방향으로의 침투 깊이를 의미한다. 더욱이, 연속적인 영역(이하, 노치 베이스라고 함)의 깊이는 이송 속도를 변화시켜 변화될 수 있다. 이러한 노치는 더욱 개선된 응력 집중 계수를 가지며 그래서 개선된 파괴 역학적 기구를 나타낸다. In a particularly preferred case of the invention, the feed rate during laser processing is varied such that a notch having notches of different depths is formed. The "depth" of the notch means the depth of penetration in the direction of the laser beam. Moreover, the depth of the continuous area (hereinafter referred to as the notch base) can be changed by changing the feed speed. This notch has a more improved stress concentration coefficient and thus represents an improved fracture mechanics mechanism.

본 발명에 따르면, 이송 속도가 주기 함수, 예컨대 사인(sine) 함수 또는 요소의 기하학적 형상에 따라 변하는 것이 바람직하다. According to the invention, it is preferred that the feed rate is varied according to the periodic function, for example the sine function or the geometry of the element.

레이저 가공 중의 이송 속도는 100 mm/min ∼ 1500 mm/min 의 범위에서 변할 수 있다. The feed rate during laser processing can vary in the range of 100 mm / min to 1500 mm / min.

합법적인 청구항 1 은 가공 파라미터 및 레이저의 종류는 노치 거리가 계산된 노치 거리 보다 크게 되도록 선택되는 것을 주장한다. 본 출원인은 예컨대 레이저 가공 중의 이송 속도의 변화가 가공 파라미터 및 레이저의 종류에 대해 독립적으로 청구되는 분할 출원의 범위내에서 다른 독립 청구항을 추구하는데 그의 권리를 유지한다. 즉, 그러면 그러한 독립 청구항은 가변적인 이송 속도에서 파괴 분할 노치를 레이저 가공하는 것에 관한 것이 될 것이다 (청구항 1 을 인용함이 없는 청구항 3 의 특징적 내용).Legal claim 1 claims that the processing parameters and the type of laser are chosen such that the notch distance is greater than the calculated notch distance. The Applicant retains its right to seek other independent claims, for example, within the scope of the divisional application where changes in feed rate during laser processing are independently claimed for processing parameters and types of lasers. In other words, such an independent claim would then relate to laser machining the breaking split notch at variable feed rates (characteristic of claim 3 without reciting claim 1).

그러한 경우, 레이저 빔은 아이들(idle) 작업물에 대해 운동학적 반전으로 움직일 수 있는데, 하지만 작업물이 아이들 레이저에 대해 움직일 수도 있으며, 혼합된 형태가 유리하다. 레이저 빔은 반경 방향으로, 즉 파괴 분할 노치에 수직하게 또는 그 파괴 분할 노치에 대해 경사지게 발진될 수 있다. In such a case, the laser beam may move in kinematic reversal with respect to the idle workpiece, but the workpiece may move with respect to the idle laser, with a mixed form being advantageous. The laser beam may be oscillated in the radial direction, ie perpendicular to the fracture split notch or inclined relative to the fracture split notch.

반경 방향 발진의 경우, 노치부는 그래서 노치 축선에 수직하게 되며, 경사 발진의 경우에는 노치부는 노치 축선에 대해 기울어제 된다. 발진은 길이 방향 노치 축선에 수직인 평면에 대해 바람직하게는 ≤45°의 각도로 수행된다(연결 로드의 경우에 이는 그 연결 로드 상단부의 반경 반향 평면임). 수평으로 지지하는 연결 로드 및 이에 수직인 이송 방향(노치 축선)에서는, 각도는 그러면 수평에 대해 30°이고 수직에 대해서는 60°가 될 것이다(도 11 참조요). In the case of radial oscillation, the notch is thus perpendicular to the notch axis, and in the case of oblique oscillation the notch is tilted relative to the notch axis. The oscillation is preferably carried out at an angle of ≦ 45 ° with respect to the plane perpendicular to the longitudinal notch axis (in the case of the connecting rod, this is the radial plane of the top of the connecting rod). In the horizontally supported connecting rod and in the direction of transport (notch axis) perpendicular thereto, the angle will then be 30 ° with respect to the horizontal and 60 ° with respect to the vertical (see FIG. 11).

본 발명의 일 경우, 선택된 파라미터로 인해 생기는 실제 노치 거리는 펄스율 및 이송 속도로 부터 구해지는 계산된 노치 거리의 10 배 이상이 된다. In the case of the present invention, the actual notch distance resulting from the selected parameter is more than 10 times the calculated notch distance obtained from the pulse rate and the feed rate.

적절한 선택의 경우, 심지어 50 배 더 큰 노치 거리를 얻을 수 있다.With the right choice, even a notch distance 50 times larger can be achieved.

본 발명에 따르면, 레이저로서 소위 섬유 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 섬유 레이저는 당 기술 분야에서 알려져 있으며 따라서 이의 구조에 대한 설명은 필요 없을 것이다. According to the present invention, it is preferable to use a so-called fiber laser as the laser. Such fiber lasers are known in the art and thus no description of their structure will be needed.

본 발명의 일 경우, 50 W 이하의 평균 출력 및 1 kHz 이상, 바람직하게는 10 kHz 이상의 펄스율을 갖는 레이저가 사용되며, 이송은 1000 mm/min 이상일 수 있다. 다른 한편, 종래 방법에서의 펄스율은 거의 동일한 크기 범위내에 있으며, 펄스 주파수는 확실히 더 긴데, 예컨대 50 ∼ 140 Hz 이다. In the case of the present invention, a laser having an average power of 50 W or less and a pulse rate of 1 kHz or more, preferably 10 kHz or more is used, and the transfer may be 1000 mm / min or more. On the other hand, the pulse rates in the conventional method are in almost the same magnitude range and the pulse frequency is certainly longer, for example 50 to 140 Hz.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 노치부는 연속적인 노치 베이스로부터 연장되어 있다. In a preferred embodiment of the invention, the notch extends from the continuous notch base.

상기 방법에 따라 제작되는 작업물은 파괴 분할 방법에 의해 베어링 구멍 또는 다른 영역이 분할되는 예컨대 연결 로드 또는 크랭크케이스 또는 다른 작업물일 수 있다.The workpiece produced according to the method may be, for example, a connecting rod or crankcase or other workpiece in which bearing holes or other areas are divided by a fracture splitting method.

상기 방법에 따라 만들어지는 작업물은 레이저의 이송 속도를 변화시켜 상이한 깊이의 노치부들을 가질 수 있다. 상기 변화는 노치부를 따라 주기적으로 반복되는 것이 특히 바람직하다. Workpieces made according to the method may have notches of different depths by varying the feed rate of the laser. It is particularly preferred that the change is repeated periodically along the notch.

상기 방법을 실시하기 위한 레이저 유닛은, 레이저 모듈, 이 레이저 모듈로부터 나오는 레이저 빔을 가공될 작업물에 집중시키는 레이저 헤드 및 이송 방향으로 작용하는 이송 축선을 포함한다. 후자는 레이저 가공 중의 이송이 주기적으로 변하도록 제어 유닛을 통해 제어가능하다. The laser unit for carrying out the method comprises a laser module, a laser head for concentrating a laser beam from the laser module on the workpiece to be machined and a transport axis acting in the conveying direction. The latter is controllable via the control unit such that the feed during laser processing changes periodically.

이와 관련하여, 매우 동적인 이송 축선이 바람직한데, 이러한 이송 축선에 의해 이송 속도의 변화가 0.5 g 이상, 바람직하게는 1 ∼ 2 g 의 범위내의 가속도로 가능하게 된다. 즉, 이송 속도 프로파일은 높은 정밀도로 사인형이 될 수 있으며, 한계적인 경우에는 심지어 거의 사각형으로 될 수 있다. In this connection, a very dynamic feed axis is preferred, which makes it possible to change the feed speed with an acceleration in the range of at least 0.5 g, preferably in the range of 1 to 2 g. In other words, the feed rate profile can be sinusoidal with high precision and even in a limited case even nearly square.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 개략적인 도면을 참조하여 자세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the schematic drawings.

도 1 은 큰 연결 로드 상단부에서 파괴 분할 노치를 만들기 위한 레이저 유닛의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 따른 방법에 따라 만들어진 파괴 분할 노치를 크게 확대한 것이다.
도 3 은 레이저 출력 및/또는 펄스율이 변한 경우의 대응도를 나타낸다.
도 4 는 이송에 따른 파괴 분할 노치를 나타낸다.
도 5 는 평균 레이저 출력에 따른 파괴 분할 노치를 나타낸다.
도 6 은 레이저 빔의 이송에 대한 노치 깊이의 의존성을 강조하기 위한 다이어그램을 나타낸다.
도 7 은 시간의 함수인 이송 속도 조절을 강조하기 위한 다이어그램을 나타낸다.
도 8 은 노치 깊이가 이송 속도 조절로 평균 이송 속도에 따라 조절되는 것을 강조하기 위한 다이어그램을 나타낸다.
도 9 은 이송 속도 조절이 있는 경우와 없는 경우에 있어서 비교가능한 조건에서의 파괴 분할 노치의 사진을 나타낸다.
도 10 은 이송 속도 조절이 있는 레이저 방법에 사용될 수 있는 레이저 유닛을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11 은 도 10 에 따른 레이저 유닛의 레이저 헤드의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
1 shows a schematic diagram of a laser unit for making a fracture split notch at the top of a large connecting rod.
2 is a greatly enlarged fracture split notch made according to the method according to the invention.
3 shows the correspondence when the laser power and / or pulse rate is changed.
4 shows the breaking split notch along the transfer.
5 shows the fracture split notch according to the average laser power.
6 shows a diagram to emphasize the dependence of the notch depth on the transport of the laser beam.
7 shows a diagram for highlighting the feed rate adjustment as a function of time.
8 shows a diagram for emphasizing that the notch depth is adjusted according to the average feed speed by the feed speed adjustment.
9 shows a photograph of a fracture split notch under comparable conditions with and without feedrate adjustment.
10 schematically shows a laser unit that can be used in a laser method with a feed rate adjustment.
11 shows a schematic diagram of the laser head of the laser unit according to FIG. 10.

도 1 은 큰 연결 로드 상단부(1)의 단면도를 나타내며, 이 연결 로드 상단부는 파괴 분할에 의해 베어링 시트 및 연결 로드 측의 부재로 분리된다. 이 파괴 분할 면(2)의 코스는 서로 정반대편에 있는 두개의 파괴 분할 노치(4)(도 1 에는 하나만 도시)에 의해 미리 결정되며, 이 노치는 바람직하게는 다수의 노치부(6)를 갖는 천공의 형태로 되어 있다. 종래 기술과 관련하여 전술한 바와 같이, 도 1 에 있는 연결 로드 상단부(1)의 좌우측 벽에 파괴 분할 노치(4)를 형성한 후에, 확장 맨드릴을 연결 로드 상단부 안으로 삽입하고, 그런 다음에 그 확장 맨드릴을 적절히 확장시키고 연결 로드 상단부를 지지하여 연결 로드의 로드측 부분으로부터 베어링 시트가 분리되며, 이때 구조적인 조건으로 인해, 생성되는 파괴 분할 면의 기하학적 형상에 의해 두 부재를 정확히 끼워맞움 결합하는 것이 쉬워진다. 1 shows a cross-sectional view of a large connecting rod upper end 1, which is separated into a bearing seat and a member on the connecting rod side by fracture splitting. The course of this breaking dividing surface 2 is predetermined by two breaking dividing notches 4 (only one shown in FIG. 1) opposite to each other, and this notch preferably has a plurality of notches 6. It is in the form of perforation. As described above in connection with the prior art, after forming the breaking split notch 4 in the left and right walls of the connecting rod upper end 1 in FIG. 1, an expansion mandrel is inserted into the connecting rod upper end and then the expansion. By properly extending the mandrel and supporting the connecting rod top end, the bearing seat is separated from the rod side part of the connecting rod, which, due to the structural conditions, makes it possible to fit the two members correctly by the geometry of the fracture splitting surface created. Easier

본 발명에 따르면, 파괴 분할 노치(4)를 설계하기 위해 섬유 레이저가 사용되는데, 이의 레이저 헤드(8)가 도 1 에 개략적으로 나타나 있다. 이러한 종류의 섬유 레이저는 기본적으로 다이오드 여기 고체 레이저일 수 있으며, 유리 섬유의 코어가 작용 매체를 구성한다. 고체 레이저의 방사선은 발진을 통해 섬유 안으로 도입되고, 이 섬유 안에서 실제 레이저 증폭이 일어나게 된다. 레이저가 대부분 외부 영향에 대해 독립적으로 유지되고 또한 매우 간단한 구조를 갖도록 레이저의 빔 특성과 빔 질을 섬유(유리 섬유)의 기하학적 형상을 통해 조절할 수 있다.According to the invention, a fiber laser is used to design the fracture split notch 4, the laser head 8 of which is schematically shown in FIG. 1. This kind of fiber laser can basically be a diode excited solid state laser, the core of the glass fiber making up the working medium. The radiation from the solid laser is introduced into the fiber via oscillation, where actual laser amplification takes place. The laser's beam characteristics and beam quality can be controlled through the geometry of the fiber (glass fiber) so that the laser remains largely independent of external influences and has a very simple structure.

상기 작용 섬유에서 나온 후에 레이저 빔은 유리 섬유 안으로 도입되고, 그리고 이 유리 섬유를 통해 방사선이 도 1 에 나타나 있는 레이저 헤드(8)에 안내되고 포커싱 광학 기구(10)를 통해 가공 대상 작업물(1)에 집중된다. 나타나 있는 실시 형태에서, 레이저 빔(12)은 반경 방향으로, 즉 노치 축선(도 1 에서 수직 방향)에 수직하게 충돌하게 된다. 이러한 구성의 경우, 90°발진으로 인해 반사 및 있을 수 있는 잔류 용융뮬이 직접 광학 경로를 따라 되돌아 가기 때문에 포커싱 광학 기구(10)가 용융 재료로 더렵혀질 수 있다는 단점이 있다. 발진이 경사지게, 예컨대 30°또는 45°로 이루어지면, 있을 수 있는 반사 및 잔류 융융물은 반사각(도 1 참조: 12"")으로 떠나게 되며, 따라서 더렵혀짐이 일어나지 않는다. 경사 발진 레이저 유닛은 도 10 및 11 을 참조하여 설명한다. After exiting the working fiber, a laser beam is introduced into the glass fiber, through which the radiation is directed to the laser head 8 shown in FIG. 1 and through the focusing optics 10 the workpiece to be processed (1). Is focused on). In the embodiment shown, the laser beam 12 impinges radially, ie perpendicularly to the notch axis (vertical direction in FIG. 1). In this arrangement, the 90 ° oscillation has the disadvantage that the focusing optics 10 can be soiled with molten material because reflections and possible residual molten mules are returned directly along the optical path. If the oscillation is made inclined, for example at 30 ° or 45 °, the possible reflections and residual melt will leave at the reflection angle (see FIG. 1: 12 ""), thus no fouling occurs. The tilt oscillation laser unit will be described with reference to FIGS. 10 and 11.

90°발진의 다른 단점은 약하거나 강한 빔 제어가 가능하지 않다는 것이다. 경사지는 경우, 노치의 기하학적 형상은 약하거나(도 11 에서 상방) 또는 강한(도 11 에서 하방) 빔 제어에 의해 추가적으로 영향을 받을 수 있다. 노치의 기하학적 형상은 노즐을 통과하는 용융물에 작용하는 공기 흐름에 의해 추가적으로 영향을 받을 수 있다. 종속항에는 전술한 두 가지 점에 관한 것일 수 있다.Another disadvantage of 90 ° oscillation is that weak or strong beam control is not possible. When inclined, the geometry of the notch can be further influenced by weak (upward in FIG. 11) or strong (downward in FIG. 11) beam control. The geometry of the notch can be further influenced by the air flow acting on the melt passing through the nozzle. The dependent claims may relate to the two points mentioned above.

이들 섬유 레이저는 우수한 전기 광학적 효율 및 큰 촛점 깊이를 갖는 뛰어난 빔 질과 그리고 매우 컴팩트한 구조를 가지며, 따라서 작은 구축 공간으로 종래의 레이저 보다 비용 효과적인 해결 방안이 제공될 수 있다. 섬유 레이저의 높은 피크 능력 및 큰 집중 능력으로 인해 출력 밀도가 비교적 높게 되며, 따라서 재료의 증발된 부분이 우세하게 존재한다. 그러나, 에너지의 일부가 열로 전환되므로, 그럼에도 불구하고 여전히 용융물과 환경의 열적 영향이 있다. 잔류열이 축적될 수 있어 별개의 용융 현상이 일어나는데, 이 현상에 의해, 계산된 노치 거리는 실제 생기는 노치 거리 보다 명백히 작게 되며 또한 다른 파라미터들이 변하지만 이러한 노치 거리는 또한 비교적 안정적이다.These fiber lasers have excellent beam quality with excellent electro-optic efficiency and large focus depth and a very compact structure, and thus a small construction space can provide a more cost effective solution than conventional lasers. The high peak capacity and large concentration capability of the fiber laser results in a relatively high power density, so that the evaporated portion of the material predominantly exists. However, part of the energy is converted to heat, nevertheless there is still a thermal impact of the melt and the environment. Residual heat can accumulate, resulting in a separate melting phenomenon, by which the calculated notch distance is clearly smaller than the actual notch distance and also changes other parameters, but this notch distance is also relatively stable.

도 1 의 좌측에 있는 연결 로드 벽을 가공한 후에, 레이저 헤드는 약 180°회전되고 우측 연결 로드 벽이 가공된다. 원리적으로 크로스 헤드가 또한 사용될 수 있는데, 이 경우에는 양쪽 벽부가 동시에 가공될 수 있다. After machining the connecting rod wall on the left side of FIG. 1, the laser head is rotated about 180 ° and the right connecting rod wall is machined. In principle a cross head can also be used, in which case both walls can be machined simultaneously.

전술한 실시 형태에서, 작업물, 즉 연결 로드는 고정되게 죄여지며, 레이저 헤드(8)는 축선 방향으로 또는 그 축선에 평행하게 이송 속도(V)로 이동되며, 레이저 출력은 약 50 W 이고, 나타난 실시 형태에서 레이저의 펄스 주파수는 대략 20 kHz 이다. 점(spot) 직경은 대략 30 ㎛ 이고, 이송 속도(V)는 약 1500 mm/min 이다. 이러한 파라미터의 경우, 계산되는 노치 거리는 약 0.00125 mm 가 될 것이다. 사실, 노치 거리(K)(이 경우 레이저 빔은 45°로 경사지게 발진됨)은 약 0.1 mm 이다. In the embodiment described above, the workpiece, ie the connecting rod, is fixedly clamped, the laser head 8 is moved at a feed rate V in the axial direction or parallel to the axis, the laser power is about 50 W, In the embodiment shown, the pulse frequency of the laser is approximately 20 kHz. The spot diameter is approximately 30 μm and the feed rate V is about 1500 mm / min. For this parameter, the calculated notch distance would be about 0.00125 mm. In fact, the notch distance K (in this case the laser beam oscillates obliquely at 45 °) is about 0.1 mm.

도 2 는 전술한 파라미터들을 포함하는 본 발명의 방법에 따라 구체적으로 가공된 연결 로드 상단부를 크게 확대한 것으로, 이 실시 형태에서 레이저 빔은 경사지게(45°) 발진된다. 평균 레이저 출력은 약 50 W 이고 펄스 출력은 약 8 kW 이다. 천공 거리(노치 거리)(K)는 약 0.1 mm 이고, 천공을 형성하는 개별적인 노치부(6)가 연장되어 있는 연속적인 노치 베이스(G)가 얻어진다. 도 2 에 따른 실시 형태에서, 노치 베이스(G)의 깊이는 약 0.51 mm 이고, 노치부(6)의 깊이(P)(반경 방향에서 본 것임)는 약 0.78 mm 이다(연결 로드 상단부(1)의 원주벽(14)에서 부터 측정됨).Fig. 2 is a large enlargement of the connecting rod upper end specifically processed according to the method of the present invention including the above-mentioned parameters, in which the laser beam is oscillated obliquely (45 °). The average laser power is about 50 W and the pulse power is about 8 kW. The perforation distance (notch distance) K is about 0.1 mm, and a continuous notch base G is obtained in which the individual notches 6 which form a perforation are extended. In the embodiment according to FIG. 2, the depth of the notch base G is about 0.51 mm and the depth P (as seen from the radial direction) of the notch part 6 is about 0.78 mm (connecting rod upper end 1). Measured from the circumferential wall of

도 3 은 레이저 빔(12)의 감소된 레이저 출력(40 W) 및 더 가파른 발진(30°)을 갖는 유사한 실시 형태를 나타내는데, 노치 거리(K)에 있어서는 실질적인 변화가 없으며, 이러한 더 가파른 발진 및 감소된 레이저 출력(40 W)의 경우에는 노치 베이스의 깊이(G)와 노치부의 깊이(P)는 약간 더 크게 된다. 다소 더 가파른 발진의 경우, 파괴 거동을 개선하는 노치가 이렇게 해서 전술한 실시 형태에서 보다 더욱더 작은 출력으로 형성될 수 있다.FIG. 3 shows a similar embodiment with a reduced laser power 40 W and a steeper oscillation (30 °) of the laser beam 12, with no substantial change in the notch distance K, and with this steeper oscillation and In the case of the reduced laser power 40 W, the depth G of the notch base and the depth P of the notch are slightly larger. In the case of a rather steep oscillation, a notch that improves the fracture behavior can thus be formed with even smaller output than in the above-described embodiment.

도 4 는 레이저 빔이 길이 방향 노치 방향으로 이동할 때의 설정 이송 속도(V)(도 1 참조요)에 대한 파괴 분할 노치의 의존성을 보여준다. Fig. 4 shows the dependence of the breaking split notch on the set feed rate V (see Fig. 1) when the laser beam moves in the longitudinal notch direction.

명백히 알 수 있는 바와 같이, 다른 이송 속도(500 mm/min, 1000 mm/min, 1500 mm/min)에서도 노치 거리는 거의 변하지 않는다. 그러나, 분명하게도, 더 낮은 이송 속도에서는 한편으로 노치 베이스의 깊이(G)는 더 크게 되고 또한 노치 부의 축방향 길이(P-G)는 이송에 반비례하며, 여기서 500 mm/min 와 1000 mm/min 의 차는 비교적 작다. As can be seen clearly, the notch distance hardly changes at other feed rates (500 mm / min, 1000 mm / min, 1500 mm / min). Obviously, however, at lower feed rates, the depth G of the notch base on the one hand is larger and the axial length PG of the notch portion is inversely proportional to the feed, where the difference of 500 mm / min and 1000 mm / min Relatively small

도 5 는 레이저 출력에 대한 파괴 분할 노치의 의존성을 보여준다. 도 5 의 맨 위쪽에 나타낸 바와 같이 평균 레이저 출력은 50 W 로 설정되었다. 그 아래에 나타나 있는 파괴 분할 노치는 100 W 의 평균 레이저 출력에서 얻어진 것이며, 이때 다른 파라미터들은 변하지 않았다. 분명히 알 수 있는 바와 같이, 레이저 출력이 감소되는 경우, 더 긴 노치부를 갖는 다소 미세한 노치 구조가 형성되며, 하지만 앞에서 이미 언급한 바와 같이 노치 거리는 거의 변하지 않는다. 더욱이, 레이저 출력을 감소시키면, 예상한 대로, 더 큰 레이저 출력의 경우에서 보다 다소 더 작은 깊이(G)를 갖는 연속적인 노치 베이스가 형성된다. 파괴 역학적 기구 면에서, 500 ∼ 1500 mm/min 범위의 평균 이송 속도에서는 비교적 작은 레이저 출력(50 W 이하)을 갖는 레이저를 사용하는 것이 최적이다.5 shows the dependence of the fracture split notch on the laser output. As shown at the top of FIG. 5, the average laser power was set to 50 W. FIG. The fracture split notch shown below was obtained at an average laser power of 100 W, with the other parameters unchanged. As can be clearly seen, when the laser power is reduced, a rather fine notch structure with a longer notch is formed, but as already mentioned above, the notch distance hardly changes. Moreover, reducing the laser power results in a continuous notch base having a somewhat smaller depth G than in the case of a larger laser power, as expected. In terms of fracture mechanics, it is optimal to use a laser with a relatively small laser power (50 W or less) at an average feed rate in the range of 500-1500 mm / min.

빔 질은 소위 Q-스위치로 개선될 수 있다. 이러한 Q-스위치는 광학 요소인데, 펄스성 레이저의 경우 그 스위치에 의해 펄스가 지연되고, 펄스 지속 시간은 감소되며 또한 펄스 높이(피크 성능)은 커지게 되며, 따라서 매우 예리한 레이저 펄스가 얻어지는데, 이러한 레이저 펄스는 급속히 증가하고 또한 최대의 예리함에 도달하면 다시 급속히 감소하게 된다. 이러한 Q-스위치가 없으면 펄스는 명백히 더 넓고 또한 더 평평한 형태를 갖게 된다. Beam quality can be improved with so-called Q-switches. These Q-switches are optical elements, in the case of pulsed lasers, the pulses are delayed by the switch, the pulse duration is reduced and the pulse height (peak performance) is increased, so a very sharp laser pulse is obtained. This laser pulse increases rapidly and again decreases rapidly when the maximum sharpness is reached. Without this Q-switch, the pulses are obviously wider and flatter.

도 6 은 100 ∼3000 mm/min 에서 변하는 이송 속도에 대한 노치 깊이의 의존성을 보여준다. 이와 관련하여, 크기(S2)는 규정된 측정치(G)(노치 베이스의 깊이)에 대응하고, 크기(S1)는 노치의 총 깊이(P)(도 2 및 3 참조요)에 대응하며, 따라서 노치부의 길이는 차(G-P)에 대응한다. 위쪽 곡선은 노치의 총 깊이(S1)의 추이를 나타내며, 아래쪽 곡선은 노치 베이스의 깊이(S2)의 추이를 나타낸다. 분명한 바와 같이, 약 800 mm/min 까지의 범위내에 있는 비교적 낮은 이송 속도에서는 노치 깊이(S1, S2)의 비교적 강한 의존성이 나타난다. 더 높은 이송 속도(대략 800 ∼ 3000 mm/min)에서는 의존성이 더욱더 작게 나타난다. 이들 실험은 50 kHz의 펄스 주파수와 50 W의 평균 펄스 출력에서 수행된 것이다. 이렇게 해서, 전술한 도면에 도시된 바와 같은 이송 속도에 대한 노치의 기하학적 형상의 의존성이 도 6 에 나타난 실험으로 확인되었다. 6 shows the dependence of the notch depth on the feed rate which varies from 100 to 3000 mm / min. In this regard, the size S2 corresponds to the defined measurement G (depth of the notch base) and the size S1 corresponds to the total depth P of the notch (see FIGS. 2 and 3), and thus The length of the notch portion corresponds to the difference GP. The upper curve shows the trend of the total depth S1 of the notch, and the lower curve shows the trend of the depth S2 of the notch base. As is apparent, a relatively strong dependence of the notch depths S1 and S2 appears at relatively low feed rates in the range up to about 800 mm / min. At higher feed rates (approximately 800 to 3000 mm / min), the dependence appears even smaller. These experiments were performed at a pulse frequency of 50 kHz and an average pulse output of 50 W. In this way, the dependence of the geometry of the notch on the feed rate as shown in the above figures was confirmed by the experiment shown in FIG.

뒤에서 더 자세히 설명하겠지만, 매우 낮은 이송 속도(200 mm/min 이하)에서는 노치 베이스 영역에서의 열적 과열로 인해 노치 질이 불충분했다. 검게 탄 영역이 발생되었는데, 이러한 영역으로 인해, 레이저 가공을 받은 작업물은 실용상 쓸모가 없게 되었다. 상기 검게 탄 영역은 예컨대 아래에서 더 자세히 설명할 도 9 의 맨 위쪽에 나타나 있다. As will be explained in more detail later, notch quality was insufficient due to thermal overheating in the notch base region at very low feed rates (<200 mm / min). A black burnt area was created, which made the laser processed workpiece practically useless. The blackened area is shown at the top of FIG. 9, for example, which will be explained in more detail below.

그러므로 레이저 가공에서는, 파괴 분할 노치를 형성할 때 이러한 질적 손실이 일어나지 않도록 이송 속도를 제어하는 주의를 기울어여 한다. Therefore, in laser processing, care must be taken to control the feed rate so that such qualitative losses do not occur when forming the fracture split notch.

레이저 가공 동안에 이송 속도를 변화시키면 상기 현상을 피할 수 있는 것으로 밝혀졌는데, 한편으로 충분한 노치를 깊이를 가지며 또한 다른 한편으로는 높은 이송 속도에서 그래서 짧은 시간 내에 형성될 수 있는 파괴 분할 노치가 생성되며, 이때 파괴 역학적 기구를 저해하는 질적 손실은 예상되지 않는다. It has been found that varying the feed rate during laser processing avoids this phenomenon, on the one hand creating a fracture split notch which has a sufficient notch depth and on the other hand can be formed at a high feed rate so in a short time, At this point, no qualitative loss is impeded by disruptive mechanical mechanisms.

도 7 은 이송 속도 조절의 예를 보여주는데, 이송 속도 조절은 사인(sine) 함수에 따라 수행된다. 물론, 이송 속도 조절은 다른 함수, 바람직하게는 주기 함수에 따라서도 수행될 수 있다. 형성될 파괴 분할 노치의 총 길이에 대응하지 않는 특정 이송 범위내의 이송 속도의 추이가 시간의 함수로 도시되어 있다. 이 경우, 67.5 ∼ 69.5 mm의 이송 범위가 구체적으로 나타나 있는데, 즉 단지 2개의 2 mm 전체 파괴 분할 노치가 나타나 있지만, 파괴 분할 노치의 영역(미도시)에서의 이송 속도 조절은 대응적으로 수행된다. 좌측 위쪽에서부터 우측 아래쪽으로 가면서 다소 물결치듯이 나타나 있는 곡선(상측 곡선은 파괴선으로 나타나 있고 하측 곡선은 연속적인 선으로 나타나 있음)은 파괴 분할 노치의 방향으로의 실제 이송을 시간(t)의 함수로 나타낸 것이다. 이러한 다소 물결형의 이송 중에, 이송 속도는 삽입된 사인 함수에 따라 변하게 되는데, 더 높은 진폭을 갖는 사인 함수는 파선의 레이저 경로에 할당되며, 더 작은 진폭을 갖는 사인 함수는 연속적인 선의 레이저 운동 경로에 할당된다. 이송 속도는 비교적 높은 주파수에서 변하며, 따라서 형성될 파괴 분할 노치를 따른 운동의 프로파일을 조절하기 위해 레이저 헤드(8)를 짧은 시간내에 크게 가속 및 감속시켜야 함을 알 수 있다. 7 shows an example of the feed rate adjustment, which is performed according to a sine function. Of course, the feed rate adjustment can also be carried out according to another function, preferably a periodic function. The transition of the feed rate within a particular feed range that does not correspond to the total length of the breaking split notch to be formed is shown as a function of time. In this case, a conveying range of 67.5 to 69.5 mm is specifically shown, i.e. only two 2 mm total breaking split notches are shown, but the feed rate adjustment in the region (not shown) of the breaking split notch is performed correspondingly. . A slightly wavy curve from the upper left to the lower right (the upper curve is shown as a break line and the lower curve is shown as a continuous line) shows the actual feed in the direction of the fracture split notch as a function of time (t). It is represented as. During this somewhat wavy transfer, the feed rate changes with the inserted sine function, with a higher amplitude sine function assigned to the dashed laser path, and a smaller amplitude sine function for the continuous line laser motion path. Is assigned to. It can be seen that the feed speed varies at a relatively high frequency, and therefore, the laser head 8 must be greatly accelerated and decelerated in a short time in order to adjust the profile of the movement along the fracture split notch to be formed.

도 7 에 따른 선도에서, 각각 조절되는 이송 속도의 실제 값은 우측에 나타나 있다. 따라서, 상측 이송 속도 조절에서 그 이송 속도는 117 ∼ 1157 mm/min 범위내에서 변하였다. 이러한 이송 속도 조절에서 파괴 분할 노치를 형성할 때, 도 8 및 9 에 예시되어 있는 바와 같은 파괴 분할 노치의 기하학적 형상이 얻어진다. 도 8 은 발생되는 노치 깊이가 평균 이송(Vm)의 함수, 즉 전술한 속도 조절의 평균값의 함수로 조절되는 선도를 나타낸다. 도 8 에서 알 수 있는 바와 같이, 예컨대 800 mm/min의 평균 이송 속도의 경우(사실 이송 속도는 도 7 에 따른 사인 함수에 따라 변하게 된다) 도 8 에 삽입된 추이를 갖는 파괴 분할 노치가 생성된다. 분명한 바와 같이, 사인 주기에 대응하는 크기(S2)(G)를 갖는 노치 베이스로부터 상이한 노치부들이 형성된다. S3 으로 표시된 노치부는 이송 속도가 비교적 낮은 영역에서 형성된다. S1 로 표시된 노치부는 레이저가 비교적 높은 속도로 움직이는 영역에서 형성된다.In the diagram according to FIG. 7, the actual values of the feed rates which are respectively adjusted are shown on the right. Therefore, in the upper feed rate adjustment, the feed rate was changed within the range of 117 to 1157 mm / min. When forming the breaking split notch in such a feed rate adjustment, the geometry of the breaking split notch as illustrated in FIGS. 8 and 9 is obtained. 8 shows a plot in which the notch depth generated is adjusted as a function of the mean feed V m , i. As can be seen in FIG. 8, for example an average feedrate of 800 mm / min (actually the feedrate will vary according to the sine function according to FIG. 7) a fracture split notch with a transition inserted in FIG. 8 is created. . As is apparent, different notches are formed from the notch base having a size S2 (G) corresponding to the sine period. The notch portion indicated by S3 is formed in a region where the feed speed is relatively low. The notch marked S1 is formed in the region where the laser moves at a relatively high speed.

평균 이송에 따른 특성 파라미터(S1(P), S2(G), S3(P))의 추이는 도 8 에 따른 선도에 나타나 있다. 상측 곡선은 낮은 이송 속도에서 총 노치 깊이(S3)의 추이를 나타내며, 곡선(S1)은 비교적 높은 이송 속도에서의 노치 깊이의 추이를 나타내며(항상 속도 조절 중에) 곡선(S2)은 노치 베이스의 깊이의 추이를 나타낸다. 평균 이송 속도가 증가하면 노치 깊이가 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 분명히 알 수 있는 바와 같이, 각각의 속도 조절시에는 가변적인 노치 깊이를 갖는 노치부들이 형성될 수 있다. 이러한 노치는 서두에서 언급한 노치와 비교하여 파괴 역학적 기구를 확연히 개선했다. 다시 말해, 이송 속도 조절에 의해, 이송 속도 조절 없이 연속적인 천공을 갖는 파괴 분할 노치와 비교하여 초기 파괴 인성과 어레스팅 파괴 인성을 확실히 개선하는 비교적 깊고 예리한 초기 노치가 형성될 수 있다.   The trend of the characteristic parameters S1 (P), S2 (G) and S3 (P) according to the average feed is shown in the diagram according to FIG. 8. The upper curve shows the trend of the total notch depth S3 at low feedrate, and the curve S1 shows the change of the notch depth at relatively high feedrate (during constant speed adjustment) and the curve S2 is the depth of the notch base. It shows the trend of. Increasing the average feed rate decreased the notch depth. However, as can be clearly seen, notches having variable notch depths can be formed at each speed adjustment. These notches significantly improved the fracture mechanics compared to the notches mentioned earlier. In other words, by the feed rate adjustment, a relatively deep and sharp initial notch can be formed which certainly improves the initial fracture toughness and the arresting fracture toughness compared to the fracture split notch with continuous perforation without the feedrate adjustment.

따라서, 복잡한 요소도 균열시킬 수 있게 되는데, 이때 이송 속도의 조절은 그 요소의 기하학적 형상에 따라 수행될 수 있다. 즉, 예컨대 파괴 분할 노치의 영역에서 브레이크쓰르우(breakthrough)를 포함하는 매우 복잡한 요소에서, 이송 속도는 그 요소의 기하학적 형상에 적합하게 될 수 있으며, 따라서 복잡하지 않은 영역에서는 이송 속도 조절의 비교적 높은 이송 속도 또는 진폭이 적용되며, 더 중요한 영역에서는 더 낮은 평균 이송 속도 또는 일정한 이송 속도로 조절되도록 이송 속도 조절이 적절히 감소된다.Thus, even complex elements can be cracked, wherein the adjustment of the feed rate can be carried out according to the geometry of the element. That is, for very complex elements, including breakthrough, for example in the region of the fracture split notch, the feed rate can be adapted to the geometry of the element, and thus in relatively uncomplicated areas a relatively high Feed rates or amplitudes are applied, and in more critical areas the feed rate adjustment is appropriately reduced to adjust to a lower average feed rate or to a constant feed rate.

전술한 이송 속도 조절의 이점은 도 9 로 강조된다. 위쪽에는 200 mm/min의 비교적 낮은 일정한 이송 속도에서 조절되는 파괴 분할 노치가 나타나 있다. 낮은 이송 속도에서 높은 열 도입으로 인해 일어날 수 있는 비교적 큰 노치 깊이와 연소된 부분/검게 탄 부분을 뚜렷히 볼 수 있다. 이러한 파괴 분할 노치는 실용상 쓸모가 없다. The advantages of the above-described feed rate adjustment are highlighted in FIG. 9. The upper part shows a fracture split notch which is controlled at a relatively low constant feed rate of 200 mm / min. The relatively large notch depth and burned / black burnt areas can be clearly seen which may be caused by high heat introduction at low feed rates. Such a fracture split notch is practically useless.

다른 한편으로, 아래쪽의 사진에는 본 발명의 방법에 따라 이송 속도 조절로 얻어진 노치가 나타나 있는데, 이송 속도는 117 ∼ 1157 mm/min 의 범위에서 조절되었다. 뚜렷히 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 조절로 노치 베이스 영역에서 연소를 신뢰적으로 피할 수 있다. 또한, 적절한 이송 속도 조절로 형성된 더 크거나 작은 깊이를 갖는 노치부를 볼 수 있는데, 그 깊이는 또한 레이저의 경사각에도 의존한다. 나타나 있는 실시 형태에서, 경사각, 즉 발진각은 도 9 에서 수평에 대해 약 30°이였다. On the other hand, the lower picture shows a notch obtained by adjusting the feed rate according to the method of the present invention, which was adjusted in the range of 117-1157 mm / min. As can be seen clearly, this adjustment reliably avoids combustion in the notch base region. It is also possible to see notches with larger or smaller depths formed with proper feedrate adjustment, which depth also depends on the tilt angle of the laser. In the embodiment shown, the tilt angle, ie oscillation angle, was about 30 ° with respect to the horizontal in FIG. 9.

도 10 및 11 을 참조하여, 이송 속도 조절을 포함하는 전술한 방법을 실시하는데 특히 잘 적합한 레이저 유닛에 대해 설명한다. 도 10 에 따르면, 레이저 유닛은 레이저 모듈(16)을 포함하고, 이 레이저 모듈은 예컨대 섬유 레이저 및 이 섬유 레이저의 제어부를 포함한다. 레이저 유닛의 제어부(16)는 레이저 빔의 이송 속도가 전술한 방식으로 조절될 수 있도록 구성되어 있다. With reference to FIGS. 10 and 11, a laser unit that is particularly well suited for carrying out the method described above including the feed rate adjustment will be described. According to FIG. 10, the laser unit comprises a laser module 16, which for example comprises a fiber laser and a control unit of the fiber laser. The control unit 16 of the laser unit is configured such that the feed rate of the laser beam can be adjusted in the manner described above.

레이저 모듈(16)로 발생되는 레이저 빔(12)은 광 전달기(18)를 지나 도 10 에 단순하게 도시되어 있는 리콜리메이터(re-collimator: 20)에 안내된다. 리콜리메이터에서 레이저 빔은 평행 빔으로 전환되며, 빔 직경은 대략 6 mm 범위에 있다. 그런 다음 상기 평행 빔은 광 전달기(18)를 지나 레이저 헤드(8)에 안내되고, 그런 다음 레이저 빔이 그 레이저 헤드를 경유하여 가공 대상 작업물(본 경우에는 연결 로드의 연결 로드 상단부(1))에 집중된다. 집중되는 레이저 빔은 도 10 에서 수평에 대해 30°의 각도로 발진된다. 레이저 헤드(8)는 Z 이송 축선(22)을 가지며, 이 이송 축선을 통해 길이 방향 노치 축선에서의 이송이 수행된다. 상기 이송 축선은 매우 동적인 축선인데, 이 축선에 의해 높은 폐루프 이득과 큰 저크(jerk)와 함께 극히 높은 가속도가 얻어질 수 있게 되며, 따라서 조절에 대한 극히 정밀힌 제어가 요구된다. 가속도는 예컨대 1 ∼ 2g 의 범위일 수 있으며, 폐루프 이득은 10 n/min/mm(166.71/s) 의 범위일 수 있으며, 저크는 400 m/s3 이상일 수 있다. 연결 로드 상단부(1)의 양쪽을 가공하는 경우, 레이저 헤드(8)는 피봇 축선(24)을 더 갖게 되는데, 이 피봇 축선에 의해 레이저 헤드(8)는 Z 이송 축선(22) 주위로 선회된다. 또한 레이저 유닛은 X 제어 축선(26)을 포함하는데, 이 제어 축선에 의해 전체 레이저 헤드(8)가 X 방향으로(연결 로드 상단부(1)에 대해 반경 방향으로) 이동할 수 있다. 이러한 수단에 의해 사인형 파괴 분할 노치가 또한 형성될 수 있다. The laser beam 12 generated by the laser module 16 is directed through a light transmitter 18 to a re-collimator 20, which is simply shown in FIG. 10. In the recollimator the laser beam is converted into parallel beams and the beam diameter is in the range of approximately 6 mm. The parallel beam is then guided through the light transmitter 18 to the laser head 8 and then the laser beam passes through the laser head to the workpiece to be machined (in this case the connecting rod upper end 1). Focus on)). The focused laser beam oscillates at an angle of 30 ° to the horizontal in FIG. 10. The laser head 8 has a Z feed axis 22 through which the feed on the longitudinal notch axis is carried out. The feed axis is a very dynamic axis, by which an extremely high acceleration can be obtained with a high closed loop gain and a large jerk, thus requiring very precise control of the adjustment. The acceleration may be in the range of 1-2 g, for example, the closed loop gain may be in the range of 10 n / min / mm (166.71 / s) and the jerk may be at least 400 m / s 3 . When machining both ends of the connecting rod upper end 1, the laser head 8 has a further pivot axis 24, which pivots the laser head 8 around the Z feed axis 22. . The laser unit also includes an X control axis 26, which allows the entire laser head 8 to move in the X direction (radially relative to the connecting rod upper end 1). By this means a sinusoidal fracture split notch can also be formed.

도 11 은 레이저 헤드(8)에서 빔을 안내하는 기본적인 구조를 도시한다. 이 도에는 섬유 레이저(레이저 모듈(16))에 연결되어 있는 광 전달기(18)가 나타나 있다. 리콜리메이터(20)에서 레이저 빔은 대략 6 mm 의 직경을 갖는 평행 빔으로 전환되고 그리고 나서 방향 전환 거울(28)에 의해 연결 로드 상단부 축선의 방향으로 90°방향 전환된다. 그런 다음에, 방향전환된 레이저 빔(12)은 예컨대 100 mm 의 촛점 길이를 갖는 광학 시스템을 경유하여 연결 로드 상단벽에 집중된다. 연결 로드의 원주벽의 배향은 다른 방향 전환 거울(32)을 통해 수행되는데, 나타나 있는 실시 형태에서 그 다른 방향 전환 거울은, 수평에 대해 30°의 발진각이 얻어지도록 레이저 빔이 연결 로드의 원주벽에 충돌하도록 수평에 대해 60°의 각도로 경사지거나 또는 방향 전환 거울(32)에 충돌하는 레이저 빔(12)의 수직 방향 부분에 대해 60°의 경사각으로 경사진다(60°방향 전환). 레이저 빔은 노즐(34)을 통해 나가며, 레이저 점이 노즐(34)의 출구면에 대해 약 3 mm 앞에 위치하도록 촛점이 맞추어진다. 광학 시스템(30)과 거울(28, 32)이 더렵혀지는 것을 피하기 위해, 노즐(34)과 방향 전환 거울(32) 사이의 광학 경로에 보호 유리(34)가 제공된다. 도 11 에서는 피봇 축선(24)도 볼 수 있는데, 레이저 헤드(8)는 피봇 베어링(38)에 의해 피봇되며, 실제적으로 연결 로드의 모든 원주벽 영역에 도달할 수 있도록 모터(미도시)에 의해 Z 이송 축선(22) 주위로 선회될 수 있다. 11 shows the basic structure of guiding a beam in the laser head 8. This figure shows a light transmitter 18 that is connected to a fiber laser (laser module 16). In the collimator 20 the laser beam is converted into a parallel beam having a diameter of approximately 6 mm and then diverted by 90 ° in the direction of the connecting rod upper end axis by the turning mirror 28. The redirected laser beam 12 is then concentrated on the connecting rod top wall, for example via an optical system with a focal length of 100 mm. The orientation of the circumferential wall of the connecting rod is carried out via another turning mirror 32, which in the embodiment shown shows that the laser beam is circumferentially obtained so that an oscillation angle of 30 ° with respect to the horizontal is obtained. It is inclined at an angle of 60 ° to the horizontal to impinge on the wall or at an inclination angle of 60 ° to the vertical part of the laser beam 12 impinging on the diverting mirror 32 (60 ° deflection). The laser beam exits through the nozzle 34 and is focused so that the laser point is about 3 mm ahead of the exit face of the nozzle 34. In order to avoid soiling the optical system 30 and the mirrors 28, 32, a protective glass 34 is provided in the optical path between the nozzle 34 and the turning mirror 32. Also shown in FIG. 11 is the pivot axis 24 where the laser head 8 is pivoted by a pivot bearing 38 and by a motor (not shown) to reach virtually all circumferential wall areas of the connecting rod. It can be pivoted around the Z feed axis 22.

섬유 레이저를 사용할 때 그리고 이송 속도 조절과 비교적 높은 펄스율(종래의 해결 방안과 비교하여)을 적절히 선택하면, 종래 시스템에서의 경우 보다 실질적으로 낮은 에너지 입력 및 상당히 더 빠른 이송 속도로 최적의 응력 집중 계수를 갖는 천공을 형성할 수 있다.When using fiber lasers and properly selecting feed rate control and relatively high pulse rates (compared to conventional solutions), optimal stress concentrations with substantially lower energy inputs and significantly faster feed rates than with conventional systems Perforations with coefficients can be formed.

실행된 실험은 예컨대 20 kHz의 펄스 주파수에서 50 W 의 출력을 갖는 섬유 레이저의 경우 노치부(6)가 1/10 mm, 바람직하게는 0.1 ∼ 0.3 mm 의 범위내의 거리를 갖는 파괴 분할 노치(4)가 형성될 수 있음을 보여준다. 단지 30 W 의 출력을 갖는 레이저가 사용될 때에도 매우 효과적인 천공된 파괴 분할 노치(4)가 형성될 수 있는 것으로 나타났다. The experiment carried out showed that the splitting notch 4 having a distance within the range of 1/10 mm, preferably 0.1 to 0.3 mm, for a fiber laser having a power of 50 W, for example at a pulse frequency of 20 kHz. ) Can be formed. It has been shown that even when a laser having a power of only 30 W is used, a perforated fracture breaking notch 4 can be formed which is very effective.

작업물을 파괴 분할하는 방법 및 이러한 방법으로 제작되는 작업물이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, 예컨대 레이저의 종류, 펄스율, 펄스 지속 시간, 작업물의 재료 및/또는 레이저 출력은, 노치부의 거리가 노치 거리(계산에 의해 레이저 빔 및/또는 작업물의 이송 속도 및 레이저의 펄스율로부터 구해짐) 보다 상당히 더 크게 되도록 선택된다. 전술한 이송 속도 조절로 또한 예컨대 볼 또는 롤러 가이드에 있는 것과 같은 레이스웨이용의 경사형 레이저 노치를 형성할 수 있다.Disclosed are a method of breaking apart a workpiece and a workpiece produced by the method. According to the invention, for example, the type of laser, pulse rate, pulse duration, material of the workpiece and / or laser output, the distance of the notch is determined by the notch distance (calculation of the feed rate of the laser beam and / or the workpiece and the pulse of the laser). Obtained from the rate). The aforementioned feed rate adjustment can also form a ramped laser notch for a raceway, such as in a ball or roller guide.

본 발명에 따르면, 이송 속도는 레이저 가공 중에 작업물의 기하학적 형상에 따라 그리고/또는 주기적으로 조절된다.According to the invention, the feed rate is adjusted and / or periodically according to the geometry of the workpiece during laser processing.

1 연결 로드 상단부
2 파괴면
4 파괴 분할 노치
6 노치부
8 레이저 헤드
10 포커싱 광학 기구
12 레이저 빔
14 원주벽
16 레이저 모듈
18 광 전달기
20 리콜리메이터
22 이송 축선
24 피봇 축선
26 제어 축선
28 방향 전환 거울
30 광학 기구
32 방향 전환 거울
34 노즐
36 보호 유리
38 피봇 베어링
1 Connecting rod top
2 planes of destruction
4 breaking split notch
6 notch
8 laser heads
10 focusing optics
12 laser beam
14 circumferential wall
16 laser module
18 light transmitter
20 recall
22 feed axis
24 pivot axis
26 control axis
28 turn mirror
30 optical apparatus
32 turn mirror
34 nozzles
36 protective glass
38 pivot bearing

Claims (15)

레이저 에너지로 작업물(1)을 파괴 분할하는 방법으로서, 파괴 분할면을 미리 규정하는 파괴 분할 노치(4)가 레이저 빔(12)과 작업물(1) 사이의 상대 변위에 의해 형성되고, 상기 파괴 분할 노치는 노치부(6)를 포함하는 천공의 형태로 되어 있는 상기 방법에 있어서,
가공 파라미터, 예컨대 레이저의 종류, 펄스율, 펄스 지속 시간, 작업물의 재질 및 레이저 출력은, 계산에 의해 레이저 빔(12) 및/또는 작업물(1)의 이송 속도(V) 및 레이저의 펄스율로부터 구해지는 노치 거리(K) 보다 노치부(6)의 거리가 상당히 더 크게 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 작업물을 파괴 분할하는 방법.
A method of breaking and dividing a workpiece (1) by laser energy, wherein a fracture dividing notch (4) defining a fracture dividing surface in advance is formed by a relative displacement between the laser beam (12) and the workpiece (1), and In the above method, in which the fracture split notch is in the form of a perforation comprising a notch 6,
Processing parameters, such as the type of laser, pulse rate, pulse duration, material of the workpiece and laser power, are calculated by calculation the feed rate V of the laser beam 12 and / or the workpiece 1 and the pulse rate of the laser. And the distance of the notch portion 6 is significantly greater than the notch distance K obtained from the method.
제 1 항에 있어서,
레이저 빔(12)은 길이 방향 노치 축선에 대해 경사지게 발진되는 방법.
The method of claim 1,
The laser beam 12 is oscillated obliquely with respect to the longitudinal notch axis.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
이송 속도(V)는 가공 중에 변하는 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The feed rate (V) varies during processing.
제 3 항에 있어서,
이송 속도(V)는 주기 함수, 예컨대 사인(sine) 함수에 따라 변하는 방법.
The method of claim 3, wherein
The feed rate V varies according to a periodic function, for example a sine function.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
이송 속도는 100 mm/min ∼ 1500 mm/min 에서 변하는 방법.
The method according to claim 3 or 4,
Feed speed varies from 100 mm / min to 1500 mm / min.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
실제 노치 거리(K)는 계산된 노치 거리 보다 각각 10 배 더 큰 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The actual notch distances (K) are each 10 times larger than the calculated notch distances.
제 6 항에 있어서,
노치 거리(K)는 계산된 노치 거리 보다 50 배 이상 더 큰 방법.
The method according to claim 6,
Notch distance (K) is more than 50 times greater than the calculated notch distance.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
사용되는 레이저는 섬유 레이저인 방법.
The method according to any one of claims 1 to 7,
The laser used is a fiber laser.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
1 kHz 이상, 바람직하게는 10 kHz 이상의 펄스율에서 레이저의 평균 출력이 50 W 이하인 방법.
The method according to any one of claims 1 to 8,
At a pulse rate of at least 1 kHz, preferably at least 10 kHz, the laser having an average power of 50 W or less.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
발진각은 대략 30°인 방법.
10. The method according to any one of claims 1 to 9,
The oscillation angle is approximately 30 °.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
파괴 분할 노치(4)는 노치부(6)가 연장되어 있는 연속적인 노치 베이스를 갖는 방법.
11. The method according to any one of claims 1 to 10,
Fracture split notch (4) has a continuous notch base with notch (6) extending.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제작되는 작업물, 특히 연결 로드 또는 크랭크케이스. Workpiece, in particular connecting rod or crankcase, produced by the method according to claim 1. 제 12 항에 있어서,
작은 깊이를 갖는 하나 이상의 노치부(6)와 더 큰 깊이를 갖는 하나 이상의 노치부(6)가 대략 반복적으로 형성되어 있거나 또는 작업물의 기하학적 형상에 의존하는 다른 노치 깊이(P)를 갖는 작업물.
13. The method of claim 12,
A workpiece having one or more notches 6 having a small depth and one or more notches 6 having a greater depth being formed approximately repetitively or with another notch depth P depending on the geometry of the workpiece.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 레이저 유닛으로서,
레이저,
가공될 작업물 상에 레이저 빔(12)을 집중시키기 위한 것이며, 이송 방향으로 작용하는 적어도 하나의 이송 축선(22)을 포함하는 레이저 헤드(8), 및
레이저 가공 중에 이송 속도를 변화시키기 위한 제어 유닛(16)을 포함하는 레이저 유닛.
A laser unit for carrying out the method according to any one of claims 1 to 11,
laser,
A laser head 8 for concentrating the laser beam 12 on the workpiece to be machined, the laser head 8 comprising at least one feed axis 22 acting in the feed direction, and
A laser unit comprising a control unit 16 for changing the feed rate during laser processing.
제 14 항에 있어서,
이송 축선(22)은 이송 속도의 변화가 >0.5 g, 바람직하게는 최대 2 g로 가능하도록 되어 있는 레이저 유닛.
15. The method of claim 14,
The conveying axis 22 is a laser unit which enables the change of the conveying speed to be> 0.5 g, preferably at most 2 g.
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