WO2005053896A1 - Vorrichtung zur oberflächenbearbeitung einer zylinderinnenfläche mit einem laserstrahl - Google Patents

Vorrichtung zur oberflächenbearbeitung einer zylinderinnenfläche mit einem laserstrahl Download PDF

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WO2005053896A1
WO2005053896A1 PCT/DE2004/002629 DE2004002629W WO2005053896A1 WO 2005053896 A1 WO2005053896 A1 WO 2005053896A1 DE 2004002629 W DE2004002629 W DE 2004002629W WO 2005053896 A1 WO2005053896 A1 WO 2005053896A1
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WO
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laser beam
focusing
mirror
deflecting
cylinder
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PCT/DE2004/002629
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Armin Wagner
Wilhelm Stork
Ralph Mayer
Marc Dimter
Original Assignee
Lbc Laser Bearbeitungs Center Gmbh
Elovis Gmbh
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Publication date
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
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    • B23K26/103—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece using a fixed support, i.e. involving moving the laser beam the laser beam rotating around the fixed workpiece
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    • B23K26/28—Seam welding of curved planar seams
    • B23K26/282—Seam welding of curved planar seams of tube sections

Definitions

  • the invention relates to a device for processing the surface of an inner cylinder surface with a laser beam with the features of the preamble of claim 1.
  • the field of application of the device is not limited to inner cylinder surfaces, but also inner surfaces can be machined, the cross sections of which differ from a circular shape. for example, are elliptical or oval or also angular.
  • the cross-sectional areas can also change in the longitudinal direction, as is the case for example with cones or pyramids. Machining means, in particular, regular or irregular structuring of a workpiece surface to be machined by removing material by means of a laser beam.
  • the device according to the invention is intended in particular for machining surfaces of cylinder bores of internal combustion engines or piston machines.
  • German laid-open specification DE 196 14 328 A1 and German patent specification DE 43 16 012 C2 describe methods for structuring upper surfaces in cylinder bores of internal combustion engines by laser processing.
  • the processing takes place in the form of a line with crossing lines, comparable to the honing marks of the hone honing previously used.
  • the cylinder bores can be honed beforehand or afterwards.
  • a laser device is necessary which enables a laser beam to be guided over the entire circumference of the cylinder.
  • Such a device describes the German utility model DE 295 06 005 U1.
  • the known device has a rotatable hollow spindle into which a laser beam enters axially.
  • a plane mirror is arranged at an angle of 45 ° to an axial direction, which deflects the laser beam by 90 °, so that the laser beam emerges radially through a bore in the hollow spindle and hits the inner surface of the cylinder to be machined.
  • a tube is immersed in the hollow spindle, which tube has a lens that focuses the laser beam on the workpiece surface to be machined.
  • the laser beam is deflected in the circumferential direction by rotating the hollow spindle with the plane mirror; it describes a circular path on the inner surface of the cylinder. Since the distance traveled by the laser beam from the lens via the plane mirror to the cylinder surface does not change due to the rotation of the hollow spindle and thus the plane mirror, the laser beam remains focused on the cylinder inner surface. However, the prerequisite is that the distance between the lens and the plane mirror does not change. In order to axially move a point of impingement of the laser beam on the inner surface of the cylinder, the lens and the plane mirror must therefore be moved together and therefore the hollow spindle and the tube immersed in it must be moved axially together. Mass inertia of the system limits the direction and speed of the laser beam in both axial and circumferential directions.
  • the invention is based on the object of proposing an improved device for surface machining a cylinder inner surface with a laser beam. This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the inventive apparatus for the surface treatment of a cylinder inner face 'of a workpiece with a laser beam has a laser and a focussing and deflecting optical system which deflects a laser beam of the laser on the cylindrical inner surface (work surface) and focused on the workpiece surface.
  • the focusing and deflecting optics can be transmissive and / or reflective, it has lenses, mirrors and / or other optical elements and directs the laser beam with an angle of incidence of preferably 60 ° or less to an imaginary normal to the workpiece surface on the latter.
  • the focusing and deflecting optics can be fixed in relation to the inner surface of the cylinder to be machined. It preferably has an adjustment possibility in the axial direction, also referred to below as a feed. It is not necessary to rotate or pivot the focusing and deflecting optics.
  • the device according to the invention has a beam deflection unit, also called a scanner, which can be controlled in two directions and is arranged between the laser and the focusing and deflecting optics.
  • the beam deflection unit With the beam deflection unit, the laser beam can be deflected in radial and circumferential directions, the deflection normally being carried out by a combined deflection in two directions (x and y direction) perpendicular to one another and to the original laser beam. Due to the deflection of the laser beam with the beam deflection unit and the subsequent repeated deflection with the focusing and deflecting optics, the laser beam can be moved in the circumferential and axial direction over the inner surface of the cylinder without moving the focusing and deflecting optics.
  • the laser beam can be moved over the entire circumference of the inner surface of the cylinder.
  • no axial mobility of the focusing and deflecting optics is required.
  • the device according to the invention has the advantage that its construction is comparatively simple and, apart from the beam deflection unit and possibly an axial advance of the focusing and deflection optics, it requires no moving parts with respect to the workpiece. Nevertheless, all-round machining is possible without interruption over the entire circumference of the inner surface of the cylinder.
  • the guidance of the laser beam on the workpiece surface is arbitrary, for example symbols, letters and numbers can be "written" on the inside surface of the cylinder.
  • the laser beam can be moved quickly over the inside surface of the cylinder and, what is often more important, any changes in direction and speed are possible with almost no delay
  • the device according to the invention has a high dynamic in guiding the laser beam over the workpiece surface, which cannot be achieved with mechanically moved deflection optics.
  • Another advantage of the invention is that the laser beam moves at a speed that is many times greater when the laser is switched on or off An abrupt movement of the laser beam from one processing point to the next processing point is possible
  • An additional advantage of the invention is that two or more devices are provided can be seen to machine two or more cylinder bores of an internal combustion engine at the same time. This has the further advantage of redundancy; if one device fails, processing can continue with the other device or devices.
  • One embodiment of the invention provides a focusing and deflecting optics with an angle-increasing, afocal telescope according to the Gallilei type.
  • a focusing lens is preferably provided.
  • the focusing lens following the telescope in particular can be a single lens.
  • the focusing lens can be used with the telescope to form a unit or a group can be summarized, the focusing function can be integrated into the telescope without special own focusing optics or realized by the telescope.
  • This embodiment of the invention enables a compact and powerful focusing and deflecting optics with a short telescope.
  • One embodiment of the invention provides one (or more) transmissive or reflective optical element with a transmissive or reflective rotation surface as the deflecting optics or part of the deflecting optics. It can be a conventional, circular or annular lens, the curved surfaces of which refract the laser beam form the transmissive surfaces of rotation. Such an optical element also forms an annular mirror.
  • the mirror has, for example, a conical shape, and the conical outer surface can be spherical or hollow in the axial direction.
  • the conical surface forms a reflective surface of revolution.
  • a surface of revolution means a surface that is swept by rotating an imaginary straight or curved line lying in one plane, the generatrix, about an imaginary axis lying in its plane.
  • This embodiment of the invention enables simple focusing and deflection optics, which in the simplest case can consist of a single lens or a single mirror, the reflective surface of which is a surface of revolution. Such a mirror is preferably combined with a focusing lens.
  • the rotating surface as the transmissive or deflecting reflective, optically active surface refracting the laser beam enables a continuous orbital movement of the laser beam on the workpiece surface by deflecting the laser beam with the beam deflection unit on a circular path or more precisely on a conical surface. Radial deflection with the beam deflection unit moves the laser beam axially on the inner surface of the cylinder to be machined.
  • pyramid mirror as part of the focusing and deflecting optics.
  • pyramid mirror is meant a mirror that has the shape of a pyramid or a truncated pyramid, with lateral surfaces of the pyramid forming mirror segments.
  • the mirror segments have the shape of isosceles trapezoids.
  • a further development of the invention provides a pyramid mirror with two segment rings arranged axially one behind the other, which are arranged rotated relative to one another in the circumferential direction. These are two truncated pyramids with the same number of lateral surfaces, which are arranged rotated against each other.
  • the twist is preferably half the width of the mirror segments in the circumferential direction.
  • This pyramid mirror can be imagined by the fact that a truncated pyramid, the lateral surfaces of which form the mirror segments, is cut at approximately half the height parallel to the base surface and the truncated pyramids thus formed are rotated relative to one another.
  • the pyramid mirror can be an inside or an outside mirror. In the case of an inside mirror, the inside of the lateral surfaces of a hollow pyramid form the mirror segments. According to an embodiment of the invention, the pyramid mirror can also consist of a transmissive material, on the lateral surfaces of which the laser beam is reflected by total reflection.
  • One embodiment of the invention provides for fastening the pyramid mirror to a transmissive optical element, for example to a focusing lens or a focusing lens. This eliminates the need to hold the pyramid mirror laterally from the outside, which would interrupt the laser beam when the laser beam rotates, for example on a conical surface.
  • a further development of the invention provides a purge gas device which causes a purge gas flow at a processing point and removes the removal.
  • the purge gas can be air or an inert gas (protective gas).
  • the machining point is the point at which the laser beam hits the inner surface of the cylinder to be machined. Burning off are particles that arise during surface treatment with the laser beam.
  • the purge gas flow avoids or reduces contamination of the optics of the device according to the invention.
  • the gas stream can also be fed to the processing site to cause a chemical reaction. For example, oxygen can be added in order to increase the temperature at the processing point by means of oxidation and to improve the material processing, for example comparable to an oxygen lance or a cutting torch. In this case, the gas supply can no longer be called a purge gas device.
  • the purge gas stream is directed such that it passes through a gap between the focusing and deflecting optics and the workpiece surface to be machined before it crosses the laser beam at the processing point and transports the burnup away from the optics.
  • This configuration is particularly expedient if the inner surface of the cylinder to be machined is open on an end face facing away from the focusing and deflecting optics, so that the purging gas stream escapes there with the burn-up or can be better extracted.
  • the gas is supplied by one or more optical elements, for example mirrors or lenses, of the focusing and deflecting optics.
  • the optical elements have one or more gas passages, for example a center hole.
  • the gas flow exits through the last optical element of the focusing and deflecting optics, is deflected by 180 °, for example, comparable to a reverse purging, and promotes the erosion away from the processing point past the focusing and deflecting optics from the inner surface of the cylinder.
  • the gas can be supplied, for example, from one side through a tubular housing of the focusing and deflecting optics between the optical elements. This configuration enables gas to be guided partly through the focusing and deflecting optics without a gas line crossing the laser beam.
  • the device 1 according to the invention shown in FIG. 1 is used for the surface treatment of an inner cylinder surface 2 of a workpiece 3 with a laser beam 4.
  • the inner cylinder surface 2 can also be referred to as the workpiece surface 2.
  • the cylinder inner surface 2 is a cylinder bore of an engine block of an internal combustion engine, the engine block forming the workpiece 3.
  • the inner surface 2 of the cylinder is structured by laser processing, as was previously the case usually done by honing. Laser processing can also be carried out in addition to honing.
  • the device 1 has a laser 5, the laser beam 4 of which can be deflected laterally in two directions by a beam deflection unit 6 which can be controlled in two directions.
  • beam deflection units 6 also referred to as scanners, are known per se and are therefore not to be explained in more detail here.
  • the beam deflection unit 6 directs the laser beam 4 in two mutually perpendicular directions perpendicular to the incoming laser beam
  • the laser beam 4 can be moved on a conical surface with an adjustable radius, as shown in the drawing by the is shown with solid lines 4 and dashed lines on an opposite side of the conical surface laser beam 4.
  • the beam deflection unit 6 does not influence a parallelism of the light of the laser beam 4, the laser beam 4 has parallel light even after it has left the beam deflection unit 6.
  • the laser beam 4 has parallel light even after it has left the beam deflection unit 6.
  • the device 1 has a focusing and deflecting optics 7 which deflects the laser beam 4 after the beam deflecting unit 6 and focuses on the inner surface 2 of the cylinder to be processed.
  • the focusing and deflecting optics 7 have the task of deflecting the laser beam 4 from the beam deflecting unit 6 to the side to a greater extent so that the laser beam 4 falls sufficiently steeply onto the cylinder inner surface 2.
  • An angle of incidence ⁇ to an imaginary normal 8 to the cylinder inner surface 2 is preferably 60 ° or less. Furthermore, as already mentioned, the focusing and deflecting optics 7 focus the laser beam 4 on the inner surface 2 of the cylinder.
  • the simplest case is a collecting lens 9 which has been chosen as the focusing and deflecting optics 7.
  • the converging lens 9 deflects the laser beam 4 outward onto the inner cylinder surface 2 and focuses the laser beam 4 on the inner cylinder surface 2.
  • the laser beam 4 describes a circular path on the conical surface after passing through the converging lens 9 Inner cylinder surface 2.
  • the laser beam 4 can be moved in the axial direction on the inner cylinder surface 2.
  • the laser beam 4 moves on the inner surface 2 of the cylinder on a helical path Path, as a result of which crossing paths on the cylinder inner surface 2 can be described without moving the focusing and deflecting optics 7.
  • This makes it possible to structure the cylinder inner surface 2 with intersecting “tracks”, comparable to the known honing traces.
  • any guidance of the laser beam 4 on the cylinder inner surface 2 is possible only by deflecting the laser beam 4 with the beam deflection unit 6 and without moving the focusing and deflecting optics 7 With the laser beam 4, for example, symbols, letters or numbers can be "written" on the cylinder inner surface 2.
  • a small deflection of the laser beam 4 with the beam deflection unit 6 is sufficient to describe the described paths of the laser beam 4 on the cylinder inner surface 2. Small movements of the beam deflection unit 6 are therefore sufficient; the laser beam 4 can be moved quickly on the cylinder inner surface 2.
  • the laser beam 4 can be moved from one point to another point of the cylinder inner surface 2 in a quasi-sudden manner. Changes in speed and direction are possible without any problems.
  • the focusing and deflecting optics 7 can in principle be arranged in a fixed manner.
  • the focusing and deflecting optics 7 are only translatory in a feed direction, ie. H. axially movable with respect to the cylinder inner surface 2.
  • the movement of the focusing and deflecting optics 7 can take place alone or together with the beam deflecting unit 6. Co-movement of the laser 5 is possible but not mandatory.
  • the feed movement can also be carried out by moving the workpiece 3.
  • the feed movement serves to be able to immerse the focusing and scanning optics in the cylinder inner surface 2 to be machined.
  • a feed movement of the focusing and deflecting optics 7 is only required if an axial movement of the laser beam 4 by deflection with the beam deflection unit 6 is not sufficient to process the inner cylinder surface 2 over its entire axial length.
  • the advantage of the device 1 according to the invention which is regarded as essential, is seen in the fact that the beam deflection device 6, as the only movable part, allows the laser beam 4 to be moved without interruption over the entire circumference of the inner cylinder surface 2 to be machined. In particular, no turning or pivoting of the focusing and deflecting optics 7 is required.
  • the focusing and deflection optics 7 have an angle-increasing, afocal telescope 10 of the Gallilei type and a subsequent one Focusing lens 11 in the form of a converging lens.
  • the laser beam 4 is focused on the cylinder inner surface 2.
  • the devices 1 in FIGS. 1 and 2 have the same design and function in the same way. To this end, the explanation of FIG. 2 is supplemented by the explanations of FIG.
  • the device from FIG. 3 has a focusing lens 12 and a pyramid mirror 13, which is shown in an end view in FIG. In the beam direction of the laser beam 4, the pyramid mirror 13 is arranged behind the focusing lens 12.
  • the focusing lens 12 and the pyramid mirror 13 form the focusing and deflecting optics 7 of the device 1 from FIG. 3.
  • the focusing lens 12 has a center hole, which is why it can also be referred to as a ring lens.
  • the center hole of the focusing lens 12 is used to fasten the pyramid mirror 13, which is fastened with a shaft 14 in the center hole of the focusing lens 12.
  • the focusing lens 12 is fastened to its outer edge in a manner known per se with a symbolically represented holder 22 (not shown). In this way it is possible to attach the focusing lens 12 and in particular the pyramid mirror 13 without the attachment being crossed by the laser beam 4, even if the laser beam 4 is moved with the beam deflection unit 6 on a circumferential cone surface that is closed.
  • the pyramid mirror 13 consists of two axially arranged truncated pyramids, the lateral surfaces of which form mirror segments 15.
  • the mirror segments 15 have the shape of equilateral trapezoids. They deflect the laser beam 4 outwards onto the inner cylinder surface 2 to be machined.
  • the two truncated pyramids of the pyramid mirror 13 both taper in the direction of the focusing lens 12.
  • a base area of the smaller truncated pyramid is smaller than the top side of the larger truncated pyramid facing it, a corner dimension of the base area of the smaller truncated pyramid corresponds to a distance from the top side of the larger truncated pyramids from each other (see FIG. 4).
  • each truncated pyramid of the pyramid mirror 13 has at least three mirror segments 15, ie a triangular base. In the exemplary embodiment shown, each truncated pyramid has six mirror segments 15, ie a hexagonal base area.
  • the laser beam 4 describes a path running in the circumferential direction on the inner cylinder surface 2, it is deflected with the beam deflection unit 6 in the circumferential and radial directions in such a way that it describes an arcuate line 16 on one of the mirror segments 15, as is exemplified in FIG 4 is shown.
  • the laser beam 4 “jumps” onto the next mirror segment 15 of the other truncated pyramid of the pyramid mirror 13, as is shown in FIG. 4 with dotted line arrows.
  • the laser beam 4 can be moved almost without interruption on a circular or helical path closed in the circumferential direction.
  • the mirror segments 15, which are offset by half their width in the circumferential direction, ensure each other that the circumferential portions of the cylinder inner surface 2 which can be covered with the laser beam 4 overlap one another, so that the laser beam 4 can be guided in the circumferential direction without interruption over the cylinder inner surface 2.
  • the pyramid mirror 13 from FIG. 3 is replaced by an inner mirror 17.
  • the inside mirror 16 can also be a pyramid mirror, ie its reflecting mirror surface has the shape of a truncated pyramid with reflecting inside surfaces.
  • a reflective (inner) surface of the inner mirror 16 can also be a surface of revolution.
  • an ellipsoid of revolution, a paraboloid of revolution or a hyperboloid of revolution come into consideration, since they impinge on the laser beam the cylinder inner surface 2 to be machined can be shaped to focus.
  • An inner surface of a cone or a truncated cone appears less suitable but not excluded. Less suitable because a conical surface has a poor focus.
  • the device from FIG. 6 additionally has a purging gas device which generates a protective gas flow (or also a reaction gas flow, for example oxygen), the burn-off, which is produced by the laser processing, bypasses the focusing and deflecting optics 7 along the inner cylinder surface 2 to be processed.
  • the protective gas is guided with a protective gas line 18 centrally through the focusing and deflecting optics 7 to a gas baffle 19 arranged in front of the optics as a gas deflecting device, which deflects the gas flow by 180 ° and past the focusing and deflecting optics 7 along the inner cylinder surface 2 passes.
  • the gas is supplied through an inlet 24 in a wall of a tubular housing of the focusing and deflecting optics 7 in front of a last lens 23 of the focusing and deflecting optics 7.
  • the last lens 23 has a central hole through which the gas flow exits through the protective gas line 18.
  • This embodiment of the invention is applicable if the cylinder inner surface 2 to be machined is closed at one end. If the inner surface 2 of the cylinder to be machined is open at both ends, the purge gas is guided from the side of the device 1 between the focusing and deflecting optics 7 and the inner cylinder surface 2, so that erosion away from the focusing and deflecting optics 7 through the distal end of the inner surface of the cylinder 2 is derived.
  • the protective gas stream is preferably suctioned off there.
  • the protective gas purging avoids or reduces contamination of the focusing and deflecting optics 7 by erosion, which is caused by the laser processing.
  • the purge gas device in FIG. 7 has an annular nozzle 20 which encloses the focusing and deflecting optics 7. Instead of an annular nozzle 20, individual nozzles can also be arranged distributed over the circumference.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl. Insbesondere ist die Vorrichtung (1) zur Strukturierung einer Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors mit einem Laserstrahl (4) nach Art von Honspuren vorgesehen. Die Erfindung schlägt vor, die Vorrichtung mit einem Laser (5), einer in zwei Richtungen steuerbaren Strahlablenkeinheit (6) und einer feststehenden Fokussier- und Ablenkoptik (7) auszubilden, die man sich im einfachsten Fall als Sammellinse (9) vorstellen kann und die einen mit der Strahlablenkeinheit (6) auf einer gedachten Kegelmantelfläche bewegten Laserstrahl (4) auf eine Kreisbahn in Umfangsrichtung auf der Zylinderinnenfläche (2) ablenkt und fokussiert.

Description

Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Es ist anzumerken, dass der Anwendungsbereich der Vorrichtung nicht auf Zylinderinnenflächen beschränkt ist, sondern sich auch Innenflächen bearbeiten lassen, deren Querschnitte von einer Kreisform abweichen, beispielsweise elliptisch oder oval oder auch eckig sind. Auch können sich die Querschnittsflächen in Längsrichtung ändern, wie es beispielsweise bei Kegeln oder Pyramiden der Fall ist. Mit Bearbeiten ist insbesondere ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Strukturieren einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche durch Materialabtrag mittels eines Laserstrahls gemeint. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Bearbeitung von Oberflächen von Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren oder Kolbenmaschinen vorgesehen. Weitere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbare Verfahren sind beispielsweise Gravieren, Schweißen, beispielsweise von Rohren, insbesondere von innen, Härten, Beschichten, Beschriften, Abtragen, Entfetten, Bohren, insbesondere Bohren von innen nach außen, jeweils mit Laser.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 196 14 328 A1 und die deutsche Patent- schrift DE 43 16 012 C2 beschreiben Verfahren zum Strukturieren von Ober- flächen in Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren durch Laserbearbeitung. Die Bearbeitung erfolgt linienförmig mit einander kreuzenden Linien, vergleichbar den Honspuren des bislang gebräuchlichen Zylinderhonens. Die Zylinderbohrungen können zuvor oder anschließend gehont werden. Zur Durchführung des bekannten Verfahrens ist eine Laservorrichtung notwendig, die eine Führung eines Laserstrahls über den vollen Zylinderinnenumfang ermöglicht.
Eine derartige Vorrichtung beschreibt das Deutsche Gebrauchsmuster DE 295 06 005 U1. Die bekannte Vorrichtung weist eine drehbare Hohlspindel auf, in die ein Laserstrahl axial eintritt. Am Ende der Hohlspindel ist ein Planspiegel unter einem Winkel von 45° zu einer Axialrichtung angeordnet, der den Laserstrahl um 90° umlenkt, so dass der Laserstrahl radial durch eine Bohrung der Hohlspindel austritt und auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche trifft. In die Hohlspindel taucht ein Tubus, der eine Linse aufweist, die den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche fokussiert. Durch drehenden Antrieb der Hohlspindel mit dem Planspiegel wird der Laserstrahl in Umfangsnchtung abgelenkt, er beschreibt eine Kreisbahn auf der Zylinderinnenfläche. Da sich die vom Laserstrahl zurückgelegte Strecke von der Linse über den Planspiegel zur Zylinderfläche durch Drehung der Hohlspindel und damit des Planspiegels nicht ändert, bleibt der Laserstrahl auf der Zylinderinnenfläche fokussiert. Voraussetzung ist allerdings, dass sich der Abstand zwischen der Linse und dem Planspiegel nicht ändert. Um einen Auf- treffpunkt des Laserstrahls auf die Zylinderinnenfläche axial zu bewegen, müssen deswegen die Linse und der Planspiegel gemeinsam und deswegen die Hohlspindel und der in sie tauchende Tubus gemeinsam axial bewegt werden. Eine Massenträgheit des Systems setzt einer Richtungs- und Geschwindigkeitsänderung des Laserstrahls sowohl in axialer- als auch in Umfangsnchtung Grenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche' eines Werkstücks mit einem Laserstrahl weist einen Laser und eine Fokussier- und Ablenkoptik auf, die einen Laserstrahl des Lasers auf die Zylinderinnenfläche (Werkstückoberfläche) ablenkt und auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Die Fokussier- und Ablenkoptik kann transmissiv und / oder reflexiv sein, sie weist Linsen, Spiegel und / oder sonstige optische Elemente auf und lenkt den Laserstrahl mit einem Einfallswinkel von vorzugsweise 60° oder kleiner zu einer gedachten Normalen zur Werkstückoberfläche auf letztere. Die Fokussier- und Ablenkoptik kann feststehend in Bezug auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche sein. Vorzugsweise weist sie eine nachfolgend auch als Vorschub bezeichnete Verstellmöglichkeit in axialer Richtung auf. Eine Drehoder Schwenkbarkeit der Fokussier- und Ablenkoptik ist nicht notwendig.
Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in zwei Richtungen steuerbare Strahlablenkeinheit, auch Scanner genannt, auf, die zwischen dem Laser und der Fokussier- und Ablenkoptik angeordnet ist. Mit der Strahlablenkeinheit ist der Laserstrahl in radialer und in Umfangsnchtung ablenkbar, wobei die Ablenkung normalerweise durch eine kombinierte Ablenkung in zwei zueinander und zum ursprünglichen Laserstrahl senkrechten Richtungen (x- und y-Richtung) erfolgen wird. Durch die Ablenkung des Laserstrahls mit der Strahlablenkeinheit und die nachfolgende nochmalige Ablenkung mit der Fokussier- und Ablenkoptik lässt sich der Laserstrahl ohne Bewegung der Fokussier- und Ablenkoptik in Umfangs- und axialer Richtung über die Zylinderinnenfläche bewegen. Mit kleinen Steuerbewegungen der Strahl- ablenkeinheit und ohne sonstige Bewegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich der Laserstrahl über den gesamten Umfang der Zylinderinnenfläche bewegen. Grundsätzlich ist auch keine Axialbeweglichkeit der Fokussier- und Ablenkoptik erforderlich. Sie kann allerdings wünschenswert sein, um die Fokussier- und Ablenkoptik zur Bearbeitung in die Zylinderinnenfläche hinein und nach der Bearbeitung wieder heraus bewegen zu können, um bei langen Innenzylindern den Laserstrahl auch in Endabschnitten mit einem gewünscht steilen Einfallswinkel auf die Zylinderinnenfläche auftreffen zu lassen und um ggf. gewünschte senkrechte oder schräge Einfallswinkel des Laserstrahls an beliebigen Axialpositionen der Zylinderinnenfläche zu ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass ihr Aufbau vergleichs- weise einfach ist und sie außer der Strahlablenkeinheit und eventuell einem Axialvorschub der Fokussier- und Ablenkoptik in Bezug auf das Werkstück keine beweglichen Teile benötigt. Trotzdem ist eine Rundumbearbeitung ohne Unterbrechung über den gesamten Umfang der Zylinderinnenfläche möglich. Die Führung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche ist beliebig, es lassen sich beispielsweise Symbole, Buchstaben und Zahlen auf die Zylinderinnenfläche „schreiben". Der Laserstrahl lässt sich schnell über die Zylinderinnenfläche bewegen und, was oftmals wichtiger ist, beliebige Richtungsänderungen und Geschwindigkeitsänderungen sind nahezu verzögerungsfrei möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine hohe Dynamik in der Führung des Laserstrahls über die Werkstückoberfläche auf, die mit mechanisch bewegten Ablenkoptiken nicht erreichbar ist. Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sich der Laserstrahl bei ein- oder ausgeschaltetem Laser mit einer Geschwindigkeit, die ein Vielfaches höher als die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist, bewegen lässt. Es ist eine sprungartige Bewegung des Laserstrahls von einer Bearbeitungsstelle zu einer nächsten Bearbeitungsstelle möglich. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist, dass zwei oder mehr Vorrichtungen vorgesehen werden können, um zwei oder mehr Zylinderbohrungen eines Verbrennungsmotors gleichzeitig zu bearbeiten. Das hat den weiteren Vorteil der Redundanz, bei Ausfall einer Vorrichtung kann die Bearbeitung mit der oder den übrigen Vorrichtungen fortgesetzt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Fokussier- und Ablenkoptik mit einem winkelvergrößernden, afokalen Teleskop nach dem Gallilei'schen Typ vor. Vorzugsweise ist ein Fokussierobjektiv vorhanden. Das dem Teleskop insbesondere nachfolgende Fokussierobjektiv kann eine einzelne Linse sein. Das Fokussierobjektiv kann mit dem Teleskop zu einer Einheit oder einer Gruppe zusammengefasst sein, die Fokussierfunktion kann ohne spezielle eigene Fokussieroptik in das Teleskop integriert bzw. durch das Teleskop verwirklicht sein. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine kompakte und leistungsstarke Fokussier- und Ablenkoptik mit einem kurzbauenden Teleskop.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht ein (oder mehrere) transmissives oder reflexives optisches Element mit einer transmissiven oder reflexiven Rotationsfläche als Ablenkoptik oder Teil der Ablenkoptik vor. Es kann sich dabei um eine herkömmliche, kreisförmige oder kreisringförmige Linse handeln, deren gewölbte, den Laserstrahl brechende Oberflächen die transmissiven Rotations- flächen bilden. Auch ein ringförmiger Spiegel bildet ein solches optisches Element. Der Spiegel weist beispielsweise eine Kegelform auf, wobei die Kegelmantelfläche in axialer Richtung ballig oder hohlrund gewölbt sein kann. Die Kegelmantelfläche bildet eine reflexive Rotationsfläche. Mit Rotationsfläche ist eine Fläche gemeint, die durch Drehung einer gedachten geraden oder gekrümmten in einer Ebene liegenden Linie, der Erzeugenden, um eine in ihrer Ebene liegende gedachte Achse überstrichen wird. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine einfache Fokussier- und Ablenkoptik, die im einfachsten Fall aus einer einzelnen Linse oder einem einzelnen Spiegel, dessen reflexive Oberfläche eine Rotationsfläche ist, bestehen kann. Ein solcher Spiegel wird vorzugsweise mit einer Fokussierlinse kombiniert. Die Rotationsfläche als den Laserstrahl brechende transmissive oder ablenkende reflexive, optisch wirksame Fläche ermöglicht in einfacher Weise eine durchgehende Umlaufbewegung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche durch Ablenkung des Laserstrahls mit der Strahlablenkeinheit auf einer Kreisbahn oder genauer gesagt auf einer Kegelmantelfläche. Durch radiale Ablenkung mit der Strahlablenkeinheit wird der Laserstrahl axial auf der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche bewegt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Pyramidenspiegel als Bestandteil der Fokussier- und Ablenkoptik vor. Mit Pyramidenspiegel ist ein Spiegel gemeint, der die Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfs aufweist, wobei Mantelflächen der Pyramide Spiegelsegmente bilden. Die Spiegelsegmente haben die Form gleichschenkliger Trapeze. Durch Bewegen des Laserstrahls mit der Strahlablenkeinheit über die Spiegelsegmente des Pyramidenspiegels lässt sich der Laserstrahl in Umfangsnchtung und in axialer Richtung über die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche bewegen. Durch einen „Sprung" des Laser- Strahls auf das in Umfangsnchtung nächste Spiegelsegment des Pyramidenspiegels lässt sich die Bewegung des Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche fortsetzen. Die Anzahl der Spiegelsegmente in Umfangsnchtung sollte so groß gewählt werden, dass die mit dem Laserstrahl über ein Spiegelsegment überstreichbaren Umfangsabschnitte der zu be- arbeitenden Zylinderinnenfläche einander überlappen oder zumindest lückenlos aneinander stoßen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen Pyramidenspiegel mit zwei axial hintereinander angeordneten Segmentringen vor, die gegeneinander in Umfangsnchtung verdreht angeordnet sind. Es handelt sich an sich um zwei Pyramiden- stumpfe mit gleicher Anzahl an Mantelflächen, die gegeneinander verdreht angeordnet sind. Die Verdrehung beträgt vorzugsweise die Hälfte einer Breite der Spiegelsegmente in Umfangsnchtung. Dieser Pyramidenspiegel kann sich dadurch entstanden vorgestellt werden, dass ein Pyramidenstumpf, dessen Mantelflächen die Spiegelsegmente bilden, in ungefähr halber Höhe parallel zur Grundfläche geschnitten und die dadurch gebildeten Pyramidenstümpfe gegeneinander verdreht sind. Durch die Überlappung der axial gestaffelten Spiegelsegmente in Umfangsnchtung ist eine in Umfangsnchtung unterbrechungsfreie Bewegung des Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche möglich. Da der Laserstrahl mit der Strahlablenkeinheit sprungartig von einem zum nächsten Spiegelsegment bewegbar ist, ist eine nahezu kontinuierliche Oberflächenbearbeitung möglich. Der Pyramidenspiegel kann ein Innen- oder ein Außenspiegel sein. Bei einem Innenspiegel bilden Innenseiten von Mantelflächen einer Hohlpyramide die Spiegelsegmente. Auch kann der Pyramidenspiegel gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aus einem transmissiven Material bestehen, an dessen Mantelflächen der Laserstrahl durch Totalreflexion reflektiert wird.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Befestigung des Pyramidenspiegels an einem transmissiven optischen Element, beispielsweise an einer Fokussierlinse oder einem Fokussierobjektiv vor. Dadurch erübrigt sich eine anderweitige Halterung des Pyramidenspiegels seitlich von außen, die den Laserstrahl bei einer umlaufenden Bewegung des Laserstrahls beispielsweise auf einer Kegelmantelfläche unterbrechen würde.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine Spülgaseinrichtung vor, die einen Spülgasstrom an einer Bearbeitungsstelle bewirkt, der Abtrag entfernt. Das Spülgas kann Luft oder ein Innertgas (Schutzgas) sein. Die Bearbeitungsstelle ist die Stelle, an der der Laserstrahl auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche trifft. Abbrand sind Partikel, die bei der Oberflächenbearbeitung mit dem Laserstrahl entstehen. Der Spülgasstrom vermeidet oder verringert eine Verschmutzung der Optik der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Gasstrom kann auch der Bearbeitungsstelle zugeführt werden, um eine chemische Reaktion zu bewirken. So kann beispielsweise Sauerstoff zugeführt werden um durch Oxidation die Temperatur an der Bearbeitungsstelle zu erhöhen und die Materialbearbeitung zu verbessern beispielsweise vergleichbar einer Sauer- stofflanze oder einem Schneidbrenner. In diesem Fall ist die Gaszuführung nicht mehr als Spülgaseinrichtung zu bezeichnen.
Der Spülgasstrom ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung so gerichtet, dass er durch einen Spalt zwischen der Fokussier- und Ablenkoptik und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche durchtritt, bevor er den Laserstrahl an der Bearbeitungsstelle kreuzt und den Abbrand von der Optik weg transportiert. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche an einer der Fokussier- und Ablenkoptik abgewandten Stirnseite offen ist, so dass der Spülgasstrom mit dem Abbrand dort austreten oder besser abgesaugt werden kann. Ist die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche an einem Stirnende geschlossen, ist erfindungsgemäß eine Umkehrspülung möglich, bei der der Spülgasstrom entlang der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche geleitet wird und den Abbrand von der Bearbeitungsstelle der Fokussier- und Ablenkoptik entgegen durch den Spalt zwischen der Fokussier- und Ablenkoptik und der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche durchleitet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gaszuführung durch eine oder mehrere optische Elemente, beispielsweise Spiegel oder Linsen, der Fokussier- und Ablenkoptik erfolgt. Die optischen Elemente weisen einen oder mehrere Gasdurchlässe, beispielsweise ein Mittelloch auf. Der Gasstrom tritt durch das letzte optische Element der Fokussier- und Ablenkoptik aus, wird beispielsweise vergleichbar einer Umkehrspülung um 180° umgelenkt und fördert den Abbrand weg von der Bearbeitungsstelle vorbei an der Fokussier- und Ablenkoptik aus der Zylinderinnenfläche. Die Gaszuführung kann beispielsweise von einer Seite durch ein rohrförmiges Gehäuse der Fokussier- und Ablenkoptik zwischen die optischen Elemente erfolgen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Gasführung teilweise durch die Fokussier- und Ablenkoptik ohne eine den Laserstrahl kreuzende Gasleitung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen verschiedene Aus- führungsbeispiele der Erfindung in Achsschnittdarstellungen. Die Zeichnungen sind als schematisierte und vereinfachte Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung zu verstehen.
Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dient zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche 2 eines Werkstücks 3 mit einem Laserstrahl 4. Die Zylinderinnenfläche 2 kann auch als Werkstückoberfläche 2 bezeichnet werden. Im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Zylinderinnenfläche 2 eine Zylinderbohrung eines Motorblocks eines Verbrennungsmotors, wobei der Motorblock das Werkstück 3 bildet. Die Zylinderinnenfläche 2 wird durch die Laserbearbeitung strukturiert wie es bislang üblicherweise durch Honen erfolgt. Die Laserbearbeitung kann auch zusätzlich zu einem Honen durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist einen Laser 5 auf, dessen Laserstrahl 4 von einer in zwei Richtungen steuerbaren Strahlablenkeinheit 6 seitlich in zwei Richtungen ablenkbar ist. Derartige, auch als Scanner bezeichnete Strahlablenkeinheiten 6 sind an sich bekannt und sollen deswegen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Die Strahlablenkeinheit 6 lenkt den Laserstrahl 4 in zwei zueinander senkrechten Richtungen senkrecht zum eintretenden Laserstrahl
4 bzw. senkrecht zu einer gedachten Axialrichtung der Zylinderinnenfläche 2 ab. Die Ablenkrichtungen können auch als x- und y-Richtung bezeichnet werden, eine z-Richtung ist dann die Axialrichtung der Zylinderinnenfläche 2. Mit der Strahlablenkeinrichtung 6 lässt sich der Laserstrahl 4 auf einer Kegelmantelfläche mit einstellbarem Radius bewegen, wie es in der Zeichnung durch den mit durchgezogenen Linien 4 und mit Strichlinien auf einer gegenüberliegenden Seite der Kegelmantelfläche gezeichneten Laserstrahl 4 dargestellt ist. Die Strahlablenkeinheit 6 beeinflusst eine Parallelität des Lichts des Laserstrahls 4 nicht, der Laserstrahl 4 weist auch nach Austritt aus der Strahlablenkeinheit 6 paralleles Licht auf. In den dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Laser
5 axial zur Zylinderinnenfläche 2 angeordnet, womit gemeint ist, dass der Laserstrahl 4 axial zur Zylinderinnenfläche 2 aus dem Laser 5 austritt. Eine andere Anordnung ist möglich, beispielsweise kann der Laser 5 radial (selbstverständlich axial außerhalb des Werkstücks 3) zur Zylinderinnenfläche 2 angeordnet und der Laserstrahl 4 in der Strahlablenkeinheit um 90° umgelenkt werden. Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 eine Fokussier- und Ablenkoptik 7 auf, die den Laserstrahl 4 nach der Strahlablenkeinheit 6 ablenkt und auf der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche 2 fokussiert. Die Fokussier- und Ablenkoptik 7 hat die Aufgabe, den Laserstrahl 4 aus der Strahlablenkeinheit 6 stärker zur Seite abzulenken, damit der Laserstrahl 4 ausreichend steil auf die Zylinderinnenfläche 2 fällt. Ein Einfallswinkel α zu einer gedachten Normalen 8 zur Zylinder- innenfläche 2 beträgt vorzugsweise 60° oder weniger. Des Weiteren fokussiert wie bereits gesagt die Fokussier- und Ablenkoptik 7 den Laserstrahl 4 auf der Zylinderinnenfläche 2.
In Figur 1 ist als einfachster Fall eine Sammellinse 9 als Fokussier- und Ablenkoptik 7 gewählt worden. Die Sammellinse 9 lenkt den Laserstrahl 4 nach außen auf die Zylinderinnenfläche 2 ab und fokussiert den Laserstrahl 4 auf der Zylinderinnenfläche 2. Durch Bewegung des Laserstrahls 4 mit der Strahlablenkeinheit 6 auf einer Kegelmantelfläche beschreibt der Laserstrahl 4 nach Durchtritt durch die Sammellinse 9 eine Kreisbahn auf der Zylinderinnenfläche 2. Durch Änderung des Radius der Kegelmantelfläche, auf der die Strahlablenkeinheit 6 den Laserstrahl 4 bewegt, lässt sich der Laserstrahl 4 in axialer Richtung auf der Zylinderinnenfläche 2 bewegen. Ändert man beispielsweise den Radius, mit dem der Laserstrahl 4 von der Strahlablenkeinheit 6 ausgelenkt wird, während einer Umdrehung, so dass der Laserstrahl 4 am Eintritt in die Sammellinse 9 eine spiralförmige Bahn beschreibt, bewegt sich der Laserstrahl 4 auf der Zylinderinnenfläche 2 auf einer schraubenlinienförmigen Bahn, wodurch sich ohne Bewegen der Fokussier- und Ablenkoptik 7 einander kreuzende Bahnen auf der Zylinderinnenfläche 2 beschreiben lassen. Dadurch ist eine Strukturierung der Zylinderinnenfläche 2 mit einander kreuzenden „Spuren" möglich, vergleichbar mit den bekannten Honspuren. Grundsätzlich ist eine beliebige Führung des Laserstrahls 4 auf der Zylinderinnenfläche 2 ausschließlich durch Ablenkung des Laserstrahls 4 mit der Strahlablenkeinheit 6 und ohne Bewegung der Fokussierund Ablenkoptik 7 möglich. Mit dem Laserstrahl 4 lassen sich beispielsweise Symbole, Buchstaben oder Zahlen auf die Zylinderinnenfläche 2 „schreiben". Es genügt eine kleine Ablenkung des Laserstrahls 4 mit der Strahlablenkeinheit 6 zur Beschreibung der geschilderten Bahnen des Laserstrahls 4 auf der Zylinderinnenfläche 2. Es genügen also kleine Bewegungen der Strahlablenkeinheit 6, der Laserstrahl 4 ist schnell auf der Zylinderinnenfläche 2 bewegbar. Da die bewegten Massen der Strahlablenkeinheit 6 und die Schwenkwinkel klein sind und ansonsten keine Massen bewegt werden, ist die Massenträgheit vernachlässigbar, der Laserstrahl 4 kann quasi sprungartig von einer Stelle zu einer anderen Stelle der Zylinderinnenfläche 2 bewegt werden. Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen sind problemlos möglich.
Die Fokussier- und Ablenkoptik 7 kann grundsätzlich feststehend angeordnet sein. Im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Fokussier- und Ablenkoptik 7 ausschließlich translatorisch in einer Vorschubrichtung, d. h. axial in Bezug auf die Zylinderinnenfläche 2 bewegbar. Die Bewegung der Fokussier- und Ablenkoptik 7 kann für sich allein oder gemeinsam mit der Strahlablenkeinheit 6 erfolgen. Eine Mitbewegung des Lasers 5 ist möglich aber nicht zwingend. Die Vorschubbewegung kann auch durch eine Bewegung des Werkstücks 3 erfolgen. Die Vorschubbewegung dient dazu, die Fokussier- und Abienkoptik in die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 eintauchen zu können. Für eine Axialbewegung des Laserstrahls 4 auf der Zylinderinnenfläche 2 ist eine Vorschubbewegung der Fokussier- und Ablenkoptik 7 nur dann erforderlich, wenn eine Axialbewegung des Laserstrahls 4 durch Ablenkung mit der Strahlablenkeinheit 6 zur Bearbeitung der Zylinderinnenfläche 2 auf ihrer gesamten axialen Länge nicht ausreicht.
Der als wesentlich angesehene Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird darin gesehen, dass mit der Strahlablenkeinrichtung 6 als einzigem beweglichem Teil der Laserstrahl 4 ohne Unterbrechung über den gesamten Umfang der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche 2 bewegt werden kann. Insbesondere ist kein Drehen oder Schwenken der Fokussier- und Ablenkoptik 7 erforderlich.
Anhand Figur 1 ist das Grundprinzip der Erfindung erläutert worden. Die weiteren Figuren, die im Folgenden erläutert werden, zeigen Abwandlungen und Weiterbildungen der in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Für gleiche, mit Figur 1 übereinstimmende Bauteile werden nachfolgend gleiche Bezugszahlen verwendet werden.
In Figur 2 weist die Fokussier- und Ablenkoptik 7 ein winkelvergrößerndes, afokales Teleskop 10 des Gallilei'schen Typs und ein nachfolgendes Fokussierobjektiv 11 in Form einer Sammellinse auf. Durch Änderung des Abstands des Fokussierobjektivs 11 vom Teleskop 10 wird der Laserstrahl 4 auf der Zylinderinnenoberfläche 2 fokussiert. Im Übrigen sind die Vorrichtungen 1 in Figuren 1 und 2 gleich ausgebildet und funktionieren in gleicher Weise. Zur Erläuterung von Figur 2 wird insoweit ergänzend auf die Erläuterungen von Figur
1 verwiesen.
Die Vorrichtung aus Figur 3 weist eine Fokussierlinse 12 und einen Pyramidenspiegel 13 auf, der in Figur 4 in Stirnansicht dargestellt ist. In Strahlrichtung des Laserstrahls 4 ist der Pyramidenspiegel 13 hinter der Fokussierlinse 12 ange- ordnet. Die Fokussierlinse 12 und der Pyramidenspiegel 13 bilden die Fokussierund Ablenkoptik 7 der Vorrichtung 1 aus Figur 3.
Die Fokussierlinse 12 weist ein Mittelloch auf, sie kann deswegen auch als Ringlinse bezeichnet werden. Das Mittelloch der Fokussierlinse 12 dient zur Befestigung des Pyramidenspiegels 13, der mit einem Schaft 14 im Mittelloch der Fokussierlinse 12 befestigt ist. Die Fokussierlinse 12 ist in an sich bekannter Weise mit einer symbolisch dargestellten Fassung 22 an ihrem Außenrand befestigt (nicht dargestellt). Auf diese Weise ist es möglich, die Fokussierlinse 12 und insbesondere den Pyramidenspiegel 13 zu befestigen, ohne dass die Befestigung vom Laserstrahl 4 gekreuzt wird, auch wenn der Laserstrahl 4 mit der Strahlablenkeinheit 6 auf einer in Umfangsnchtung geschlossenen Kegelmantelfläche bewegt wird.
Der Pyramidenspiegel 13 besteht genau genommen aus zwei axial aufeinander angeordneten Pyramidenstümpfen, deren Mantelflächen Spiegelsegmente 15 bilden. Die Spiegelsegmente 15 haben die Form gleichseitiger Trapeze. Sie lenken den Laserstrahl 4 nach außen auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 ab. Die beiden Pyramidenstümpfe des Pyramidenspiegels 13 verjüngen sich beide in Richtung der Fokussierlinse 12. Eine Grundfläche des kleineren Pyramidenstumpfs ist kleiner als die ihr zugewandte Oberseite des größeren Pyramidenstumpfs, ein Eckmaß der Grundfläche des kleineren Pyramidenstumpfs entspricht einem Abstand von Seiten der Oberseite des größeren Pyramidenstumpfs voneinander (vgl. Figur 4). Die beiden Pyramidenstümpfe sind um die Hälfte einer Breite ihrer Spiegelsegmente 15 gegeneinander verdreht. Jeder Pyramidenstumpf des Pyramidenspiegels 13 weist mindestens drei Spiegelsegmente 15, d. h. eine dreieckige Grundfläche auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Pyramidenstumpf sechs Spiegelsegmente 15, d. h. eine sechseckige Grundfläche auf.
Damit der Laserstrahl 4 eine in Umfangsnchtung verlaufende Bahn auf der Zylinderinnenfläche 2 beschreibt, wird er mit der Strahlablenkeinheit 6 so in Umfangs- und radialer Richtung ausgelenkt, dass er auf einem der Spiegel- segmente 15 eine bogenförmige Linie 16 beschreibt, wie sie beispielhaft in Figur 4 dargestellt ist. Um die Linie auf der Zylinderinnenfläche 2 fortzusetzen „springt" der Laserstrahl 4 auf das nächste Spiegelsegment 15 des anderen Pyramidenstumpfs des Pyramidenspiegels 13, wie es in Figur 4 mit Punktlinienpfeilen dargestellt ist. Da der Sprung des Laserstrahls 4 von einem zum nächsten Spiegelsegment 15 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit möglich ist, die ein Vielfaches der Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 4 beträgt, lässt sich der Laserstrahl 4 nahezu unterbrechungsfrei auf einer in Umfangsnchtung geschlossenen Kreis- oder Schraubenlinienbahn bewegen. Die jeweils um die Hälfte ihrer Breite in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordneten Spiegelsegmente 15 stellen sicher, dass die mit dem Laserstrahl 4 überstreichbaren Umfangsabschnitte der Zylinderinnenfläche 2 einander überlappen, so dass der Laserstrahl 4 in Umfangsrichtung ohne Unterbrechung über die Zylinderinnenfläche 2 geführt werden kann.
In Figur 5 ist der Pyramidenspiegel 13 aus Figur 3 durch einen Innenspiegel 17 ersetzt. Der Innenspiegel 16 kann ebenfalls ein Pyramidenspiegel sein, d. h. seine reflektierende Spiegelfläche weist die Form eines Pyramidenstumpfs mit reflektierenden Innenflächen auf. Eine reflektierende (Innen-) Fläche des Innenspiegels 16 kann auch eine Rotationsfläche sein. Hier kommen insbesondere ein Rotationsellipsoid, Rotationsparaboloid oder ein Rotations- hyperboloid (torisch oder mit Sattelflächen) in Betracht, da sie den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 fokussierend geformt sein können. Weniger geeignet aber nicht ausgeschlossen erscheint eine Innenfläche eines Kegels bzw. eines Kegelstumpfs. Weniger geeignet, weil eine Kegelfläche schlecht fokussierend wirkt.
Die Vorrichtung aus Figur 6 weist zusätzlich eine Spülgaseinrichtung auf, die einen Schutzgasstrom (oder auch einen Reaktionsgasstrom, beispielsweise Sauerstoff) erzeugt, der Abbrand, der durch die Laserbearbeitung entsteht, an der Fokussier- und Ablenkoptik 7 vorbei entlang der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche 2 ableitet. In Figur 6 erfolgt die Schutzgasführung mit einer Schutzgasleitung 18 zentral durch die Fokussier- und Ablenkoptik 7 zu einem vor der Optik angeordneten Gasleitblech 19 als Gasumlenkeinrichtung, das die Gasströmung um 180° umlenkt und entlang der Zylinderinnenfläche 2 außen an der Fokussier- und Ablenkoptik 7 vorbei leitet. Die Gaszuführung erfolgt durch einen Einlass 24 in einer Wand eines rohrförmigen Gehäuses der Fokussier- und Ablenkoptik 7 vor einer letzten Linse 23 der Fokussier- und Ablenkoptik 7. Die letzte Linse 23 weist ein Mittelloch auf, durch das der Gasstrom durch die Schutzgasleitung 18 austritt. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist anwendbar, wenn die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 an einem Stirnende geschlossen ist. Ist die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 an beiden Stirnenden offen, erfolgt die Spülgasführung von der Seite der Vorrichtung 1 aus zwischen der Fokussierund Ablenkoptik 7 und der Zylinderinnenfläche 2 hindurch, so dass Abbrand von der Fokussier- und Ablenkoptik 7 weg durch das ihr ferne Stirnende der Zylinderinnenfläche 2 abgeleitet wird. Vorzugsweise wird der Schutzgasstrom dort abgesaugt. Die Schutzgasspülung vermeidet oder verringert eine Verschmutzung der Fokussier- und Ablenkoptik 7 durch Abbrand, der durch die Laserbearbeitung entsteht. Die Spülgaseinrichtung in Figur 7 weist eine Ringdüse 20 auf, die die Fokussier- und Ablenkoptik 7 umschließt. Statt einer Ringdüse 20 können auch Einzeldüsen über den Umfang verteilt angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl, mit einem Laser (5) und einer Fokussier- und Ablenkoptik (7), die den Laserstrahl (4) des Lasers (5) auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (2) lenkt und auf die Werkstück- Oberfläche (2) fokussiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine in zwei Richtungen steuerbare Strahlablenkeinheit (Scanner) (6) aufweist, die den Laserstrahl (4) des Lasers (5) zur Fokussier- und Ablenkoptik (7) lenkt, so dass der Laserstrahl (4) durch Steuerung der Strahlablenkeinheit (6) ohne Bewegung der Fokussier- und Ablenkoptik (7) in axialer Richtung und über den gesamten Umfang der Werkstückoberfläche (2) bewegt werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussier- und Ablenkoptik (7) feststehend oder ausschließlich translatorisch in einer Vorschubrichtung bewegbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussier- und Ablenkoptik (7) ein winkelvergrößerndes, afokales Teleskop (10) des Gallilei'schen Typs aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Okular des Teleskops (10) des Gallilei'schen Typs ein Fokussierobjektiv (11 ) aufweist, das in einem Element oder in einer Gruppe mit dem Teleskop (10) zusammengefasst ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussier- und Ablenkoptik (7) eine transmissive und/oder reflexive Rotationsfläche- aufweist, die die Ablenkoptik bildet oder Teil der Ablenkoptik ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussier- und Ablenkoptik (7) einen pyramiden- oder pyramidenstumpfförmigen Umlenkspiegel (13) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (13) zwei pyramidenstumpfförmige Umlenkspiegel mit gleicher Anzahl an Mantelflächen aufweist, wobei die Mantelflächen gegeneinander verdreht angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyramiden- oder pyramidenstumpfförmige Umlenkspiegel (13) ein Innenspiegel ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der pyramiden- oder pyramidenstumpfförmige Umlenkspiegel (13, 17) aus einem transmissiven Material besteht und der Laserstrahl (4) an seinen Mantelflächen durch Totalreflexion reflektiert wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) mit der Strahlablenkeinheit (6) so abgelenkt wird, dass er auf einem Spiegelsegment (15) des pyramiden- oder pyramidenstumpfförmigen Umlenkspiegels (13) eine gekrümmte Bahn (16) beschreibt, so dass der Laserstrahl (4) auf der Werkstück- Oberfläche (2) fokussiert ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) mit der Strahlablenkeinheit (6) so abgelenkt wird, dass er auf einem Spiegelsegment (15) des pyramiden- oder pyramidenstumpfförmigen Umlenkspiegels (13) eine gekrümmte Bahn (16) beschreibt, so dass der Laserstrahl (4) auf der Werkstückoberfläche (2) eine umlaufende Kreisbahn in einer gedachten Radialebene zur innenzylindrischen Werkstückoberfläche (2) beschreibt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyramiden- oder pyramidenstumpfförmige Umlenkspiegel (13, 17) an einem transmissiven optischen Element befestigt ist, und dass keine den umlaufenden Laserstrahl (4) unter- brechenden Halterung für den Umlenkspiegel (13) vorhanden ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) eine Spülgaseinrichtung (18, 19) aufweist, die ein Spülgas zwischen der Fokussier- und Ablenkoptik (7) und der Werkstückoberfläche (2) durchleitet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülgasführung (18) durch ein oder mehrere optische Elemente (23) der Fokussier- und Ablenkoptik (7) erfolgt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülgaseinrichtung (18) eine Gasumlenkeinrichtung (19) aufweist, die das Spülgas um ca. 180° umlenkt.
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