PL238987B1 - Imak narzędziowy tokarki do laserowego wspomagania skrawania oraz układ wspomagania skrawania w tokarce - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest imak narzędziowy tokarki do laserowego wspomagania skrawania oraz układ wspomagania skrawania w tokarce znajdujące szczególne zastosowanie w produkcji mało-, średnio-, wielkoseryjnej oraz masowej produkcji komponentów i części dla przemysłu lotniczego.

W stanie techniki znane są metody obróbki materiałów trudnoskrawalnych opierające się na skrawaniu z jednoczesnym nagrzewaniem strefy materiału zlokalizowanego przed narzędziem skrawającym.

Opis patentowy US2012024827 jest jednym z przykładów. W rozwiązaniu tym układ dwóch współpracujących laserów (500 W Nd-Yag oraz 1,5 kW CO2) rozmieszczony jest wokół obrabianego przedmiotu. System laserowego wspomagania został zintegrowany z tokarką w celu obróbki stali austenitycznej P550. Podczas obróbki następuje dostarczenie wiązki lasera na powierzchnię obrabianego przedmiotu, tworząc pożądany rozkład temperatury. Sekwencyjne nagrzewanie przyrostowe z różnych kierunków i pozycji wpływa na dłuższą żywotność narzędzia i krótszy czas obróbki.

W opisie US8847114 natomiast pokazano system mikro-frezowania ze wspomaganiem laserowym. Metoda zapewnia możliwości skrawania trudnoskrawalnych materiałów jak np. ceramika, stopy żaroodporne czy kompozyty. Wiązka lasera o niskiej mocy jest skupiona w bardzo małym punkcie, co daje bardzo dużą gęstość mocy. Miejsce padania lasera znajduje się zaraz przed mikro-frezem i służy do wstępnego nagrzewania materiału przed obróbką mechaniczną. Nagrzewanie przeprowadzone w ten sposób zmiękcza obrabiany materiał wpływając na zmniejszenie siły skrawania, polepszenie jakości powierzchni i wydłużenie żywotności narzędzia.

Kolejnym przykładem jest opis US4229640, w którym przedstawiono obróbkę skrawaniem ze wspomaganiem laserowym, w celu lepszego odprowadzania wióra. Układ laserowy składa się z źródła laserowego, które doprowadza wiązkę lasera na dwa odrębne obszary materiału obrabianego. Wiązka skupia się w miejscu zaraz przed krawędzią skrawającą narzędzia oraz w miejscu odkształcenia plastycznego materiału obrabianego, które sąsiaduje z czołową powierzchnią narzędzia. W przytoczonym patencie wiązka lasera służy do lokalnego nagrzania materiału i pomaga w odpowiednim odprowadzaniu wiórów podczas obróbki oraz zredukowaniu zużycia płytek skrawających.

Inny system wspomagania laserowego przedstawiono w US4459458. Zastosowano układ laserowy do powierzchniowego nagrzewania materiału przed obróbką skrawaniem. Wiązka lasera jest doprowadzana za pomocą zespołu kierującego wiązką do głowicy ogniskującej. Głowica lasera jest pozycjonowana przy zastosowaniu głowicy rewolwerowej maszyny. Dodatkowym elementem jest dys za spozycjonowana z laserem, która umożliwia naniesienie powłoki ochronnej na element przed nagrzewaniem. Głowica rewolwerowa jest tak ustawiona, aby utrzymać wiązkę lasera cały czas skupioną na przedmiocie. Wiązka lasera jest doprowadzana przez teleskopowe rurki ochronne składających się z refleksyjnych luster, co umożliwia kontrolę ruchu głowicy narzędziowej.

Znane jest również rozwiązanie US5859405, w którym przedstawiona została metoda i urządzenie do precyzyjnego toczenia na sucho i utwardzania powierzchni elementów ze stali bez odpuszczania. Nagrzewanie lokalne przy pomocy lasera prowadzi do utwardzenia powierzchni materiału. Laser zastosowany jest do lokalnego chwilowego nagrzewania obrabianego przedmiotu w obszarze bezpośrednio za nożem, aż do momentu zmiany temperatury za pomocą światłowodu zintegrowanego z narzędziem. Powierzchnia jest wówczas samoczynnie studzona, czego wynikiem jest utwardzenie powierzchni. Dodatkowo w momencie doprowadzenia wiązki laserowej do miejsca nagrzewania, rejestrowana i zapisywana jest temperatura powierzchni, dzięki temu możliwe jest dostosowanie mocy lasera do utrzymania pożądanej temperatury.

W opisie patentowym US6393687 przedstawiono maszynę do selektywnej obróbki elementów, w której budowie można wyróżnić wrzeciono napędzane silnikiem, umożliwiające obróbkę oraz źródło lasera usytuowane w sposób zapewniający możliwość doprowadzenia wiązki lasera na powierzchnię materiału podczas skrawania. Układ cechuje się prostą konstrukcją bez konieczności wykonywania skomplikowanych operacji wymiany elementów. Układ prowadzący wiązkę lasera jest umieszczony na stole w taki sposób, aby możliwe było precyzyjne przesunięcie względem wrzeciona roboczego obrabiarki.

Opisane wyżej metody nie opisują kwestii przesyłu wiązki oraz gazu chłodzącego do strefy skrawania. W jednym z pierwszych znanych rozwiązań dotyczących obróbki wspomaganej laserowo opisanym w dokumencie US4229640 (A) zaproponowano zamocowanie, w okolicy noża tokarskiego, lustra odbijającego wiązkę i kierującego ją na przedmiot obrabiany. Jest to idea będącą bazą do wszystkich

PL 238 987 B1 wynalazków dotyczących obróbki skrawaniem wspomaganej laserowo. W opisie wzoru użytkowego CN203418239 (U) opisano model przecinarki laserowej, opartej o łoże tokarki, wyposażoną w szafę i pulpit sterowniczy, wyposażoną w głowicę laserową tnącą materiały metalowe, połączoną z agregatem chłodniczym, chłodzącym laser, a także w odciąg dymu, jednak nie opisano konstrukcji pozwalającej na dostarczenie wiązki laserowej w obszar pracy przecinarki.

Z opisu patentowego CN104842072 (A) znany jest sposób połączenia tokarki z laserem, w sposób taki, iż laser wraz z głowicą laserową umieszczono na łożu tokarki na elementach ślizgowych, pozwalając na jego ruch osiowy wzdłuż łoża tokarki. Pozwala to na obróbkę laserową np. powierzchni wewnętrznych przedmiotu obrabianego, jednak nie przedstawia realnej propozycji konstrukcji pozwalającej na współpracę lasera i noża tokarskiego w obrębie jego strefy pracy. Ponadto nie rozwiązuje problemu współpracy lasera i tokarki, w przypadku, gdy laser stoi nieruchomo oddalony od tokarki. Dodatkowo, laser osadzony ślizgowo na łożu tokarki, zabiera przestrzeń roboczą na łożu tokarki i uniemożliwia zastosowanie konika tokarki. Wzór użytkowy CN203124960 (U) dotyczy maszyny do obróbki laserowej, wyposażonej w kolumnę teleskopową z zamocowaną głowicą laserową i stół, na którym umieszcza się przedmiot obrabiany z możliwością wzajemnej zmiany położenia głowicy laserowej i przedmiotu obrabianego w różnych kierunkach. Nie ma możliwości stosowania metody laserowego wspomagania skrawania gdyż maszyna nie jest wyposażona w narzędzie skrawające. Dodatkowo nie precyzuje możliwości stosowania laserów o dużej mocy, a więc i sposobu połączenia i przesyłania wiązki z rezonatora do lasera.

W CN203712075 (U) opisana jest maszyna służąca do realizacji procesów z wykorzystaniem lasera: hartowanie, napawanie, stopowanie. Stosuje się w nim generator wiązki laserowej umieszczony bezpośrednio nad stołem obróbczym, zamocowanym na kolumnie, którego pozycję można regulować. Ruch w pozostałych kierunkach odbywa się za pomocą stołu. Nie zastosowano w tym rozwiązaniu laserowe wspomaganie skrawania, maszyna nie jest także wyposażona w układ doprowadzania wiązki lasera z niezintegrowanego z maszyną lasera.

W innym jeszcze rozwiązaniu, opisany w CN103406665 (A) przedstawiono urządzenie do obróbki laserowej, składające się z dwóch zasadniczych części: pierwszej, którą jest stół poruszany w dwóch kierunkach w poziomie oraz drugiej, opartej o generator wiązki laserowej umieszczony na belce, powyżej ruchomego stołu. Wyposażony jest w zautomatyzowany system ogniskowania i pozycjonowania wiązki, a przesyłanie wiązki odbywa się z wykorzystaniem ekspandera laserowego i luster. Nie ma zastosowania w obróbce skrawaniem wspomaganej laserowo, ani nie można nagrzewać na tym urządzeniu przedmiotów obrotowych. Laser zamocowany jest bezpośrednio na urządzeniu.

Znane w stanie techniki rozwiązania potwierdzają, że możliwe jest doprowadzenie wiązki laserowej do obszaru pracy lasera, jednakże odbywa się to poprzez bezpośrednie zamocowanie generatora wiązki laserowej nad maszyną, co wyklucza stosowanie laserów dużej mocy, które mają bardzo duże wymiary gabarytowe, a urządzenia te, są sterowane numerycznie lub zautomatyzowane. Znane są rozwiązania z zastosowaniem technologii światłowodowej, jednak podwyższa to znacznie koszt inwestycji oraz stanowi problemy z luźno opadającymi przewodami i ich małej odporności na uszkodzenia mechaniczne. Dotychczas znane konstrukcje urządzeń nie zaspokajają jednak potrzeby na szybkie i bardzo tanie rozwiązanie związane z doprowadzeniem wiązki lasera do obszaru skrawania w obrabiarkach konwencjonalnych.

Z kolei w literaturze znane są doniesienia, w których przedstawiono technikę laserowego wspomagania obróbki skrawaniem, której celem było zmniejszenie zużycia energii i zapobieganie niepożądanym zmianom fazowym w obrabianym materiale. Przedstawiono technikę bezpośredniego wspomagania laserowego, w której wiązka lasera prowadzona za pośrednictwem przezroczystego szafirowego narzędzia w kształcie półkuli (płytki skrawającej), doprowadzana jest na powierzchnię styku narzędzie powierzchnia obrabiana.

Dodatkowo zastosowany kolimator odpowiednio skupia wiązkę lasera. Szafirowa płytka skrawająca ma znacznie większą twardość niż konwencjonalne narzędzia z węglika wolframu, a jej przezroczystość pozwala na bezpośrednie wprowadzenie wiązki lasera do strefy skrawania. Zastosowanie bezpośredniej techniki wspomagania laserowego przyczyniło się do zmniejszenia sił skrawania powstających podczas toczenia oraz poprawy jakości powierzchni obrobionej.

Zastosowanie rozwiązania technologii LAM, gdzie wiązka lasera i gaz chłodzący doprowadzan e są do materiału skrawanego poprzez zastosowanie zintegrowanego imaka zintegrowanego wpływa na poprawę wydajności procesu skrawania przy jednoczesnym wzroście jakości obrobionych części.

PL 238 987 B1

Istotą wynalazku jest imak narzędziowy do laserowego wspomagania skrawania mocowany w suporcie tokarki. Imak zawiera układ optyczny wymiennych soczewek przesyłający za pomocą światłowodu wiązkę lasera z rezonatora w strefę skrawania. Jest wyposażony także w przewód układu chłodzenia strefy skrawania. Przewód ten dostarcza medium chłodzące z gazowego układu chłodzącego tokarki w celu obniżenia temperatury ostrza skrawającego.

Korzystnym wariantem jest kiedy układ optyczny lasera stanowi osadzona za przyłączem światłowodu soczewka kolimacyjna oraz współpracująca z nią soczewka skupiająca.

Wyjątkowo korzystanie, gdy przewód układu chłodzenia strefy skrawania wyposażony jest na swoim zakończeniu w regulowaną dyszę wylotową umożliwiającą skierowanie strumienia na pytkę skrawającą niezależnie od konstrukcji samej płytki oraz oprawki narzędziowej.

Istotą wynalazku jest również układ wspomagania skrawania tokarki który zwiera imak narzędziowy i dodatkowo wyposażony jest w niezależny przewód chłodzący, korzystnie zakończony ruchomą regulowaną kierunkową dyszą, służący do ochłodzenia przedmiotu obrabianego lub elementu mocującego przedmiot. Tego typu dodatkowe chłodzenie przynosi dalsze korzyści w obróbce przedmiotu.

Idea konstrukcji imaka pozwala zrealizować przyłączenia światłowodu oraz zamocowanie specjalnych soczewek niezbędnych do realizacji procesu nagrzewania przedmiotu skrawanego. Obróbka (skrawanie) materiału obydwa się za pomocą ogólnie dostępnych narzędzi skrawających bez konieczności ich modyfikacji.

Wynalazek stanowi rozwiązanie umożliwiające realizację laserowego wspomagania skrawania z równoczesnym zmniejszeniem negatywnego oddziaływania temperatury na układ obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie. Zastosowanie medium w postaci gazu umożliwia stabilizację termiczną procesu dzięki czemu zmniejszony jest efekt cieplnego zużycia ostrza skrawającego oraz ograniczone są błędy wymiarowo-kształtowe wynikające ze zmian geometrycznych przedmiotu będące efektem zmiany temperatury.

Szeroko omawiany negatywny wpływ temperatury skrawania na trwałość ostrza jest niwelowany cieczami chłodzącymi. W przypadku wynalazku jest to gaz doprowadzany przez imak do strefy negatywnego oddziaływania temperatury. Zmniejszenie temperatury ostrza następuje w wyniku rozprężenia się obojętnego gazu. Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekt y technologiczno-ekonomiczne procesu skrawania:

• poprawę wydajności procesu toczenia stopów lotniczych, takich jak stopy niklu czy stopy tytanu, poprzez zastosowanie laserowego wspomagania skrawania (ang. laser assisted machinig - LAM), • poprawę wydajności procesu LAM poprzez zastosowanie chłodzenia gazowego, • zwiększenie trwałości (czasu skrawania) narzędzia, • możliwość zastosowania większych wartości parametrów skrawania, takich jak prędkość skrawania czy prędkość posuwowa narzędzia, • skrócenie czasu obróbki, • polepszenie parametrów geometrycznych oraz jakości powierzchni obrabianych materiałów, • uproszczenie konstrukcji skomplikowanego układu laserowego wspomagającego obróbkę skrawaniem, • możliwość wprowadzenia łatwej wymiany zużytej płytki skrawającej, • obniżenie kosztów układu laserowego.

Wynalazek w przykładzie realizacji pokazano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczne ustawienie elementów układu obróbczego w widoku z boku; a fig. 2 - schemat ustawienia elementów w imaku narzędziowym.

Imak narzędziowy 1 służy do równoczesnego przesyłania wiązki lasera 12 z rezonatora 3 oraz z gazowego układu chłodzącego 4 za pomocą przewodów 8 (z przyłączem do imaka) i 14 (w imaku) strumienia gazu chłodzącego do strefy skrawania lub bezpośrednio w okolice przedmiotu obrabianego 9.

Imak narzędziowy 1 zamocowany jest na suporcie 2 ogólnie dostępnych rozwiązań tokarki konwencjonalnej 6. Wspomaganie przez termiczne oddziaływanie wiązki lasera realizowane jest przez dostarczenie wiązki z rezonatora 3 za pomocą światłowodu 7. W przykładowym wariancie realizacji przedmiotu obrabianego 11 chłodzenie odbywa się za pomocą dwóch przewodów doprowadzających medium do dwóch miejsc tj. w strefę skrawania i na skrawany przedmiot. Przewód 8 jest zakończony przyłączem do imaka 1. Drugi przewód 9 zakończony jest dyszą. Przepływ gazu w przewodach 8 i 9 odbywa się niezależnie od siebie. Przewód chłodzenia gazowego 9 zastosowany jest w celu zmniejszenia tempe

PL 238 987 B1 ratury przedmiotu obrabianego 11 i/lub stabilizacji wymiarowo-kształtowej. Zmiany te zachodzą w wyniku dekohezji materiału, nagrzewania laserowego i innych zjawisk fizyko-chemicznych procesu laserowego wspomagania skrawania.

Układ chłodzący rezonator 10 jest niezależnym od układu chłodzącego gaz 4. Elementy 3 i 10 stanowią zintegrowany system działający poza systemem sterowania obrabiarki.

Element obrabiany 11 zamocowany jest we wrzecionie 5. Oprawka narzędziowa 20 zamocowana jest w imaku narzędziowym 1 dowolnym systemem takim jak: śruby dociskowe, układ krzywkowy, układ klinowy lub inny. W oprawce 20 zamocowana jest płytka skrawająca 19 będąca ostrzem skrawającym. W przedstawionym przykładzie oprawka narzędziowa 20 oraz zamocowana w niej płytka skrawająca 19 są rozwiązaniami ogólnie dostępnymi w praktyce przemysłowej. Nie wymagane są modyfikacje tych elementów.

Wiązka laserowa 12 nagrzewa przedmiot obrabiany 11. W wyniku zamocowania światłowodu 7 poprzez przyłącze 18 do imaka 1 możliwe jest przesłanie wiązki z rezonatora lasera do przepuszczalnej soczewki 16 a ostatecznie na przedmiot obrabiany 11. Soczewka kolimacyjna 15 poprzez regulację odległości od soczewki 16 umożliwia regulację średnicy przesyłanej wiązki.

Kształt przepuszczalnej soczewki skupiającej 16 dobierany jest zależnie od geometrii płytki 19 oraz oprawki narzędziowej 20 tak aby możliwe było uzyskanie efektu wspomagania laserowego skrawania. Skupiona wiązka laserowa nie może oddziaływać bezpośrednio po skupieniu na płytkę 19. Za efekt wspomagania laserowego uważa się takie oddziaływanie termiczne wiązki lasera 12 na materiał obrabiany 11 w wyniku czego zmieniają się właściwości materiału poprawiające warunki pracy płytki skrawającej 19 np. przez cieplne zmiękczenie lub zmiany mikrostruktury obrabianego materiału.

Zamocowana w tym samym imaku 1 dysza 17 umożliwia ukierunkowanie strumienia gazu 13 tak aby zmniejszał temperaturę na płytce skrawającej 19.

Możliwe jest doprowadzenie przewodu gazu chłodzącego 13 bezpośrednio od układu 4 do imaka bez dodatkowych przyłączy.

Należy zauważyć, że konstrukcja imaka 1 umożliwia wymianę soczewek 15 i 16 oraz dyszy 17 i przewodu 8 ze względu na potrzebę zmian geometrycznych tych elementów lub wymiany w wyniku bieżącej eksploatacji.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Imak narzędziowy tokarki do laserowego wspomagania skrawania mocowany w suporcie tokarki znamienny tym, że zawierający układ optyczny wymiennych soczewek (15) (16) dostarczający za pomocą światłowodu (12) wiązkę lasera z rezonatora (3) w strefę skrawania oraz przewód (14) układu chłodzenia strefy skrawania, zasilany z gazowego układu chłodzącego tokarki (4).
2. 2. Imak narzędziowy według zastrz. 1 znamienny tym, że układ optyczny lasera stanowią osadzona za przyłączem światłowodu (18) soczewka kolimacyjna (15) oraz współpracująca z nią soczewka skupiająca (16).
3. 3. Imak narzędziowy według zastrz. 1 albo 2 znamienny tym, że przewód (14) układu chłodzenia strefy skrawania wyposażony jest na swoim zakończaniu w regulowaną kierunkowo dyszę wylotową (17).
4. 4. Układ wspomagania skrawania w tokarce znamienny tym, że zawiera imak narzędziowy według zastrz. 1 do 3 oraz zasilany z gazowego układu chłodzącego tokarki (4) przewód (9) układu chłodzenia przedmiotu obrabianego (11) lub jego mocowania, przy korzystnym jest kiedy przewód (9) zakończony jest regulowaną kierunkowo dyszą wylotową.