WO2006024465A1 - Verfahren und vorrichtung zur laserbearbeitung zylindrischer innenflächen mit einer steuerbaren strahlskanneneinrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur laserbearbeitung zylindrischer innenflächen mit einer steuerbaren strahlskanneneinrichtung Download PDF

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WO2006024465A1
WO2006024465A1 PCT/EP2005/009243 EP2005009243W WO2006024465A1 WO 2006024465 A1 WO2006024465 A1 WO 2006024465A1 EP 2005009243 W EP2005009243 W EP 2005009243W WO 2006024465 A1 WO2006024465 A1 WO 2006024465A1
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laser
cylindrical surface
cylinder
laser beam
deflection
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PCT/EP2005/009243
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Marc Dimter
Christian Elsner
Reiner Heigl
Ralph Mayer
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for internal machining ei ⁇ ner cylinder surface according to the preamble of claim 1, as is apparent, for example, from the generic DE 196 14 328 Al known. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out this method.
  • DE 196 14 328 A1 discloses pretreating metallic workpieces, for example walls of cylinder bores in internal combustion engines, by means of laser radiation.
  • the workpieces are structured by a laser with a regular pattern, which can be selected as desired.
  • the geometry and the structural elements of the pattern can in particular be adapted to a subsequent processing step (eg a coating or a machining operation).
  • a device which is suitable for such a laser machining of cylindrical surfaces is described, for example, in DE 295 06 005 U1.
  • the device comprises a laser beam tool which is mounted together with an optical system in a machine spindle. For machining the cylinder bore, the machine spindle is inserted into the interior of the bore.
  • the optical system includes a mirror and a converging lens with the aid of which the beam of the laser beam tool is directed and focused onto the surface to be processed.
  • the laser beam can be adjusted to any desired rich cylinder bore are steered. This device thus enables the processing (structuring) of cylindrical inner surfaces.
  • the invention is therefore based on the object to propose a method for machining cylindrical surfaces, which enables faster machining of cylindrical surfaces, in particular when introducing complex structuring. Furthermore, the invention has for its object to provide an apparatus for performing this method.
  • cylinder surface is intended to refer to both safeguards ⁇ closed cylindrically symmetrical surfaces (ie, Boh ⁇ ments, cavities) and cylinder part surfaces are understood.
  • a beam deflection device has the advantage that the laser beam can be processed very quickly in various ways. areas can be moved. Processing breaks, which conventionally occur between the introduction of two successive structural elements, can therefore be greatly shortened.
  • the beam movement according to the invention is produced with the aid of (FIG. electronically controllable) beam deflection device almost inertia-free, which is why extremely fast position changes or variations in the processing speed of the laser beam can be represented.
  • the one- or two-dimensional deflection of the laser beam according to the invention on the cylinder surface to be machined allows the concentration of laser energy and thereby mass removal at arbitrary points within the deflection range; At the same time, due to the very high deflection speeds of the laser beam, an energy input into the workpiece is minimized and thus an undesired removal or an undesired microstructural change is avoided.
  • a plurality of structural elements can be produced simultaneously on the cylinder surface to be machined, by rapidly moving the laser beam with the beam deflecting device between the structural elements. Machining sections without Strukturelemen ⁇ te can be skipped within a very short time. Furthermore, by varying the scanning speed, the residence time or the processing speed of the laser beam can be selectively varied, whereby variations in the structural geometry of the machining patterns generated on the cylindrical surface can be achieved. In addition, the structural elements produced can be varied as desired over the circumference and depth of the cylinder surface to be machined.
  • the laser is aligned in such a way relative to the cylindrical surface, that the laser beam with respect to the Symmetrie ⁇ axis of the cylindrical surface forms an angle>0; vor ⁇ preferably, this angle is between 70 ° and 90 °, so that the laser beam is incident at a large angle of incidence (> 60 °) on the cylinder surface to be machined and a good introduction of the laser energy in the cylinder surface is ensured tet.
  • the laser beam is directed by means of the beam deflecting device in such a way over areas of the cylinder surface that the desired structures are produced on the cylinder surface.
  • the section of the cylindrical surface which can be machined in a fixed orientation of the laser relative to the cylindrical surface, is limited; In order to be able to process an entire circumferential surface of a hollow cylinder in this way, the laser has to be pivoted in several steps relative to the cylinder surface to be machined. Due to the large angle between the laser beam and the axis of symmetry of the laser, this embodiment of the invention furthermore allows only the processing of regions of the cylindrical surface close to the edge.
  • the laser is aligned collinear with the axis of symmetry of the cylinder surface to be machined on the cylinder bore.
  • a reflection element in particular a mirror, is arranged next to the beam deflection device, with the aid of which the laser beam is directed onto the cylinder surface.
  • the laser beam can be brought to the surface to be machined in a predetermined angle of incidence (preferably between 70 ° and 90 °).
  • the reflection element is expediently mounted on a rotary device. whose axis of rotation is aligned colinearly to the axis of symmetry of the cylindrical surface to be worked. By rotation of the reflection element, the laser beam can be directed to different circumferential regions of the cylindrical surface.
  • the rotational movement of the reflection element can take place in discrete angular steps, so that the laser beam is directed with each rotation step of the reflection element into a new processing region of the cylinder surface; Within the processing area, the structure elements are then generated by means of the beam deflection device which guides the laser beam along the corresponding paths.
  • the reflection element In order to process a circumferentially closed cylinder surface over its entire circumference (i.e., 360 °), the reflection element is thereby rotated in several discrete angular positions, e.g. in two by 180 ° offset from each other or in three by 120 ° staggered angular positions.
  • the rotational movement of the reflection element can be continuous and superimposed on the scanning movement of the beam deflection device.
  • the beam deflection device and the rotating device can then be coupled in such a way that the deflection of the laser beam in the axial direction of the cylindrical surface to be processed takes place with the aid of the beam deflection device, while the deflection of the laser beam in the circumferential direction of the cylinder surface done with the help of the rotating device. Due to the superimposed movement of the beam deflecting device and the rotating device, the laser beam can be guided over a band-shaped region of the cylindrical surface and generate any desired patterns there.
  • Such a coupling of the scanner optics with a rotating inner processing optics enables a point-like processing of the cylindrical surface and beyond it - due to the rapid beam deflection in the scanner optics - a quasi-stationary linear or surface treatment of surfaces; Furthermore, the fast beam deflection allows a quasi-simultaneous processing at several points of the cylindrical surface.
  • machining pauses can be greatly reduced.
  • the reflection element is introduced into the cavity from the same side as the laser beam; if the cavity is open at both ends, the reflection element can also be inserted from the opposite side into the cylindrical cavity.
  • a focusing element for example a concave mirror or a converging lens
  • a focusing element in the beam path behind the beam deflecting device, which ensures that the laser beam strikes the surface to be processed in an optimum focusing.
  • a focusing element is necessary in particular when the processing area swept by means of the scanner optics is very large and / or -. due to the selected machining geometry - has strong variations of the optical paths.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a device according to the invention for internal machining of a cylinder surface
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a further embodiment of the device according to the invention.
  • 1 shows a schematic representation of a section of an engine block of an internal combustion engine with a cylinder bore 2 whose surface 12 is to be surface-treated by laser radiation.
  • This surface treatment can include, for example, a local heat treatment, a laser coating, a selective material removal, etc.
  • a device 1 with a laser 3 is used, in whose beam path 4 a controllable beam deflection device 5 is arranged.
  • the laser beam 4 can be deflected perpendicularly to the exit (Z) direction in the X direction and / or in the Y direction.
  • a control unit 6 is provided with which a predetermined deflection 7 of the beam 4 in the X or Y direction is generated.
  • the laser 3 is arranged in such a manner relative to the cylinder bore 2 that the beam direction 4 encloses an angle ⁇ of approximately 90 ° with the axis of symmetry 9 of the cylinder bore 2, the x direction of the beam deflection device 5 al so runs approximately parallel to the axis of symmetry 9. If the beam 4 is deflected only slightly in the X direction in the beam deflecting direction 5, it strikes the cylinder surface 12 in an area 13 close to the edge (beam 10); if it is more strongly deflected in the X direction, it hits the surface 12 of the cylinder bore 2 at a greater depth (jet 11).
  • the beam 4, 10, 11 can thus be guided along the path 14 lying parallel to the axis of symmetry 9 on the cylindrical surface 12.
  • the beam 4 (with fixed X deflection) can be guided along an elliptical path 15 of approximately constant depth 16 in the cylinder bore 2.
  • the beam can thus travel along arbitrary paths in an angular range 18 are guided on the cylindrical surface 12, wherein (by superimposed switching on and off of the laser 3), an arbitrary pattern can be generated;
  • any further (in particular periodic) structuring of the cylinder surface 12 can be represented. From the beam 4 can be generated in this way in a plurality of partial beams 10,11, which impinge almost simultaneously on the cylindrical surface 12 and this work bear ⁇ .
  • the laser beam 4 strikes the cylindrical surface 12 at a large angle 29, 30 (between 60 ° and 90 °); This ensures a good energy transfer of the laser power to the surface 12 to be processed.
  • a limited angular region 18 of the cylindrical surface 12, which is hatched in FIG. 1 can be machined, because only in this region is a sufficiently large angle of incidence 29, 30 of the laser beam 10, 11 applied to the cylindrical surface 12.
  • the laser 3 together with the associated beam deflection device 5 must be displaced or rotated relative to the cylinder surface 12. In order to achieve this, the device 1 of FIG.
  • the machining optics 3.5 can be moved into different angular ranges relative to the cylindrical surface 12.
  • stepwise advancing the processing optics 3.5 for example, in Steps of 90 °, 120 ° or 180 °
  • the edge-like, band-shaped processing region 21 of the cylinder surface 12 can be worked, which includes a plurality of angular regions 18.
  • the (very fast) scanning movement of the beam deflecting device 5 can be superimposed on the (comparatively slow) pivoting movement 20, so that the time required for the pivoting movement 20 can be used as processing time.
  • a geometrical path difference 24 thus exists between a slightly deflected beam 10 and a heavily deflected beam 11 Degree of deflection 7 - to ensure good focusing of the beam 10, 11 on the cylindrical surface 12 to be machined, a focusing element 25 can be arranged in the beam path, through which - depending on the deflection angle 7 - a stronger or less strong focus of the Beam 10,11 is effected.
  • the focusing element 25 is arranged in the beam path 10, 11 behind the beam deflection device 5; However, it can also be integrated into the beam deflection device 5.
  • the focusing element 25 is particularly necessary if in a fixed orientation (i.e., at a fixed pivot angle 20) of the processing optics 3.5, a large angular range 18 is to be worked; However, if the scanned angle range 18 is only small, it is possible to dispense with the focusing element 25.
  • the device 1 is oriented in a manner similar to the cylinder bore 2 in such a way that the Z-direction of the device 1 is oriented approximately perpendicular to the axis of symmetry 9 of the cylindrical surface 12 to be machined.
  • laser 3 and beam deflection device 5 can also be tilted relative to the cylinder axis 9, so that the Angle 8 between the cylinder axis 9 and the Z-direction of the beam deflection device 5 is less than 90 °.
  • peripheral regions 28 of the cylindrical surface 12 are also to be machined, the use of the device 1 'shown schematically in FIG. 2 is recommended.
  • the laser beam 4 emitted by a laser 3 is directed by means of a reflection element 31, in particular a mirror 32, onto the cylinder surface 12 to be processed; With the aid of the beam deflection device 5 arranged in the beam path 4, the beam 10 ', 11' can be deflected relative to the main beam direction 4.
  • the reflection element 31 is introduced by means of a holding device 33 into the interior 34 of the cylinder bore 2.
  • the holding device 33 is inserted from the same side of the cylinder bore 2 as the laser beam 4 in the hollow cylinder 2; If the opposite end 38 of the hollow cylinder 2 is open, then the holding device 33 can also be introduced into the hollow cylinder 2 from this side 38.
  • the beam 10 ', 11' is guided via the reflection element 31 to different locations of the cylindrical surface 12, wherein the angle of incidence 29 ', 30' of the beam 10 ', 11' does not exceed a maximum value ( ⁇ 60 °) exceeds. In this way, an angular range 18 'of the width 39 and the depth 40 on the cylindrical surface 12 can be processed.
  • this region 18 ' can be moved further in the peripheral direction 36 of the cylindrical surface 12, so that-by stepwise or continuous rotation of the reflection element 31 circumferential belt-shaped region 21 'of the pulp 40 can be processed.
  • the holding device 33 is provided with a rotation unit 19 ', which transmits continuous rotations 41 at a fixed rotational speed and / or stepwise turns 41 by a fixed angle (90 °, 120 °, 180 °) °).
  • the rotary unit 19 ' is aligned with the cylinder bore 2 in such a manner that its axis of rotation 26' coincides with the axis of symmetry 9 of the cylinder bore 2;
  • the laser 3 is aligned in such a way that the direction of the laser beam 4 coincides with the symmetry axis 9 of the cylinder bore 2.
  • stepwise (discontinuous) further rotation of the reflection element by fixed angular amounts can be nacheinan ⁇ the different angular ranges 18 'of the cylindrical surface 12 are processed until the entire cylinder belt 21' is machined tet.
  • the laser beam 10 ', 11' can be guided in such a way over the cylinder belt 21 'that jet displacements in the circumferential direction 36 of the cylinder surface 12 by means of the continuously operated rotary unit 19' take place while deflections in the depth direction 37 by means of the beam deflector 5 are effected.
  • any desired machining pattern can be achieved in the cylinder belt 21 '.
  • the reflection element 31 can be displaced together with the laser 3 and beam deflection device 5 in the axial direction 42 of the cylinder bore 2 in order to be able to process other cylinder belts 21 'which are offset in the axial direction 42.
  • the reflection element 31 and / or the beam deflection device 5 are provided with a correction optical system 25' which ensures that the beam 10 ', 11 '- regardless of the deflection angle 7' - is always focused on the cylindrical surface 12.
  • a correction optical system 25' which ensures that the beam 10 ', 11 '- regardless of the deflection angle 7' - is always focused on the cylindrical surface 12.
  • This can be achieved, for example, if a hollow mirror is used as the reflection element 31; the correction element 25 'is then integrated into the reflection element 31.
  • the correction optics 25 ' can be integrated into the beam deflection unit 5.
  • Such a correction optics 25 ' is described, for example, in DE 101 34 429 A1.
  • the device can be used for machining any cylindrical surfaces, in particular cylinder running surfaces, bearing surfaces, etc.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einer Vorrichtung (1′) zur Innenbearbeitung einer Zylinderfläche (12), insbesondere einer Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors. Die Vorrichtung (1′) umfasst einen Laser (3), ein im Strahlengang (4, 10′, 11′) des Lasers (3) angeordneten Optiksystem mit einem Strahlumlenkelement (31, 32) und/oder einem Fokussierelement (25′) sowie eine steuerbare Strahlablenkeinrichtung (5). Mit der Strahlablenkeinrichtung (5) kann der Laserstrahl sehr schnell in verschiedene Bearbeitungsbereiche (21′) auf der Zylinderfläche (12) bewegt werden. Bearbeitungspausen zwischen dem Einbringen von zwei aufeinander folgenden Strukturelementen können daher stark verkürzt werden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR LASERBEARBEITUNG ZYLINDRISCHER INNENFLÄCHEN MIT EINER STEUERBAREN STRAHLSKANNENEINRICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Innenbearbeitung ei¬ ner Zylinderfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der gattungsbildenden DE 196 14 328 Al als bekannt hervorgeht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der DE 196 14 328 Al ist bekannt, metallische Werkstücke, beispielsweise Wandungen von Zylinderbohrungen in Verbren¬ nungsmotoren, mittels Laserstrahlung vorzubehandeln. Dabei werden die Werkstücke durch einen Laser mit einem regelmäßi¬ gen Muster strukturiert, das beliebig wählbar ist. Die Geo¬ metrie und die Strukturelemente des Musters können insbeson¬ dere an einen nachfolgenden Bearbeitungsschritt (z.B. eine Beschichtung oder eine spanabhebende Bearbeitung) angepasst werden. Eine Vorrichtung, die sich für eine solche Laserbear¬ beitung zylindrischer Flächen eignet, ist beispielsweise in der DE 295 06 005 Ul beschrieben: Die Vorrichtung umfasst ein Laserstrahlwerkzeug, das gemeinsam mit einem Optik-System in einer Maschinenspindel angebracht ist. Zur Bearbeitung der Zylinderbohrung wird die Maschinenspindel in den Innenraum der Bohrung eingeführt. Das Optik-System enthält einen Spie¬ gel und eine Sammellinse, mit deren Hilfe der Strahl des La¬ serstrahlwerkzeugs auf die zu bearbeitende Oberfläche gelenkt und fokussiert wird. Durch Rotations- und Vorschubbewegungen der Maschinenspindel kann der Laserstrahl auf beliebige Be- reiche der Zylinderbohrung gelenkt werden. Diese Vorrichtung ermöglicht somit die Bearbeitung (Strukturierung) von zylind¬ rischen Innenflächen.
Allerdings sind hierzu mehrere Bewegungseinrichtungen (Rota¬ tionsmimik, Verschiebemimik) der Maschinenspindel notwendig, die an die Ein-/Ausschaltzyklen des Lasers gekoppelt werden müssen. Aufgrund der Massenträgheit der bewegten Elemente ist die Laserbearbeitung der Zylinderflächen sehr zeitaufwendig, insbesondere dann, wenn in der Zylinderfläche Strukturelemen¬ te mit variierender Geometrie (z.B. Linien variierender Tiefe und Breite, unterbrochene Linien etc.) erzeugt werden sollen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung von Zylinderflächen vorzuschlagen, das eine schnellere Bearbeitung von Zylinderflächen, insbesondere beim Einbringen komplexer Strukturierungen, ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der An¬ sprüche 1, 6 und 8 gelöst.
Danach wird der Laserstrahl, der zur Bearbeitung der Zylin¬ derfläche verwendet wird, mit Hilfe einer steuerbaren Strahl- ablenkeinrichtung (im folgenden auch „Scanneroptik" genannt) über die zu bearbeitende Zylinderfläche geführt. Unter „Zy¬ linderfläche" sollen in diesem Zusammenhang sowohl in Umfang¬ richtung geschlossene zylindersymmetrische Flächen (d.h. Boh¬ rungen, Hohlräume) als auch Zylinderteilflächen verstanden werden.
Die Verwendung einer Strahlablenkeinrichtung hat den Vorteil, dass der Laserstrahl sehr schnell in verschiedene Bearbei- tungsbereiche bewegt werden kann. Bearbeitungspausen, die herkömmlicherweise zwischen dem Einbringen von zwei aufeinan¬ der folgenden Strukturelementen auftreten, können daher stark verkürzt werden. Im Unterschied zu der in der DE 295 06 005 Ul gezeigten Vorrichtung, bei der die Strukturierung der Zy¬ linderfläche durch eine Überlagerung mehrerer Dreh- und Vor¬ schubbewegungen des Lasers und der Strahlführungsoptik er¬ zeugt wird, ist die erfindungsgemäße Strahlbewegung mit Hilfe der (elektronisch ansteuerbaren) Strahlablenkeinrichtung na¬ hezu trägheitsfrei, weswegen extrem schnelle Positionswechsel bzw. Variationen der Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laser¬ strahls dargestellt werden können. Die erfindungsgemäße ein- oder zweidimensionale Ablenkung des Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Zylinderfläche gestattet die Konzentration von Laserenergie und dadurch Massenabtrag an beliebigen Punkten innerhalb des Ablenkbereichs; gleichzeitig wird aufgrund der sehr hohen Ablenkgeschwindigkeiten des Laserstrahls ein Ener¬ gieeintrag in das Werkstück minimiert und somit ein uner¬ wünschter Abtrag bzw. eine unerwünschte Gefügeveränderung ge¬ zielt vermieden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auf der zu bear¬ beitenden Zylinderfläche mehrere Strukturelemente simultan hergestellt werden, indem der Laserstrahl mit der Strahlab¬ lenkeinrichtung schnell zwischen den Strukturelementen hin- und herbewegt wird. Bearbeitungsstrecken ohne Strukturelemen¬ te können innerhalb sehr kurzer Zeit übersprungen werden. Weiterhin kann durch Variationen der Scangeschwindigkeit die Verweildauer bzw. die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laser¬ strahls gezielt variiert werden, wodurch Variationen in der Strukturgeometrie der auf der Zylinderfläche erzeugten Bear¬ beitungsmuster erreicht werden können. Außerdem können die erzeugten Strukturelemente über Umfang und Tiefe der zu bear¬ beitenden Zylinderfläche beliebig variiert werden. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Laser in einer solchen Weise gegenüber der Zylinderfläche ausgerichtet, dass der Laserstrahl gegenüber der Symmetrie¬ achse der Zylinderfläche einen Winkel > 0 einschließt; vor¬ zugsweise liegt dieser Winkel zwischen 70° und 90°, so dass der Laserstrahl in einem großen Einfallswinkel (> 60°) auf die zu bearbeitende Zylinderfläche auftrifft und eine gute Einleitung der Laserenergie in die Zylinderfläche gewährleis¬ tet ist. Der Laserstrahl wird mit Hilfe der Strahlablenkein¬ richtung in einer solchen Weise über Bereiche der Zylinder¬ fläche geleitet, dass die gewünschten Strukturen auf der Zy¬ linderfläche erzeugt werden. Allerdings ist der Ausschnitt der Zylinderfläche, der in einer festen Orientierung des La¬ sers gegenüber der Zylinderfläche bearbeitet werden kann, be¬ grenzt; um eine gesamte Umfangfläche eines Hohlzylinders auf diese Weise bearbeiten zu können, muss der Laser in mehreren Schritten gegenüber der zu bearbeitenden Zylinderfläche ge¬ schwenkt werden. Aufgrund des großen Winkels zwischen dem La¬ serstrahl und der Symmetrieachse des Lasers gestattet diese Ausgestaltung der Erfindung weiterhin nur die Bearbeitung randnaher Bereiche der Zylinderfläche.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Laser kollinear zur Symmetrieachse der zu bearbei¬ tenden Zylinderfläche auf die Zylinderbohrung ausgerichtet. Im Strahlengang ist neben der Strahlablenkeinrichtung ein Re- flektionselement, insbesondere ein Spiegel, angeordnet, mit dessen Hilfe der Laserstrahl auf die Zylinderfläche gelenkt wird. Durch eine geeignete Winkeleinstellung dieses Reflekti- onselements kann der Laserstrahl in einem vorgegebenen Ein¬ fallswinkel (vorzugsweise zwischen 70° und 90°) auf die zu bearbeitende Oberfläche gebracht werden. Zweckmäßigerweise ist das Reflektionselement auf einer Drehvorrichtung befes- tigt, deren Drehachse kollinear zur Symmetrieachse der zu be¬ arbeitenden Zylinderfläche ausgerichtet ist. Durch Drehung des Reflektionselements kann der Laserstrahl auf unterschied¬ liche Umfangsbereiche der Zylinderfläche gerichtet werden.
Die Drehbewegung des Reflektionselements kann in diskreten Winkelschritten erfolgen, so dass der Laserstrahl mit jedem Drehungsschritt des Reflektionselements in einen neuen Bear¬ beitungsbereich der Zylinderfläche gelenkt wird; innerhalb des Bearbeitungsbereichs erfolgt die Erzeugung der Struktur¬ elemente dann mit Hilfe der Strahlablenkeinrichtung, die den Laserstrahl entlang der entsprechenden Bahnen führt. Um eine umfangseitig geschlossene Zylinderfläche über ihren gesamten Umfang (d.h. 360°) hinweg bearbeiten zu können, wird das Re- flektionselement dabei in mehrere diskrete Winkelstellungen gedreht, z.B. in zwei um je 180° gegeneinander versetzte oder in drei um je 120° gegeneinander versetzte Winkelstellungen.
Alternativ kann die Drehbewegung des Reflektionselements kon¬ tinuierlich sein und der Scanbewegung der Strahlablenkein¬ richtung überlagert werden. Dann können die Strahlablenkein¬ richtung und die Drehvorrichtung beispielsweise in einer sol¬ chen Weise gekoppelt angesteuert werden, dass die Ablenkung des Laserstrahls in Axialrichtung der zu bearbeitenden Zylin¬ derfläche mit Hilfe der Strahlablenkeinrichtung erfolgt, wäh¬ rend die Ablenkung des Laserstrahls in Umfangsrichtung der Zylinderfläche mit Hilfe der Drehvorrichtung erfolgt. Durch die überlagerte Bewegung der Strahlablenkeinrichtung und der Drehvorrichtung kann der Laserstrahl über einen bandförmigen Bereich der Zylinderfläche geführt werden und dort beliebige Muster erzeugen. Eine solche Kopplung der Scanneroptik mit einer rotierenden Innenbearbeitungsoptik ermöglicht eine punktförmige Bearbeitung der Zylinderfläche und darüber hin¬ aus - aufgrund der schnellen Strahlablenkung in der Scanner- optik - eine quasistationäre linienförmige bzw. flächige Be¬ arbeitung von Oberflächen; weiterhin ermöglicht die schnelle Strahlablenkung eine quasisimultane Bearbeitung an mehreren Stellen der Zylinderfläche. Durch eine geeignete Überlagerung der (vergleichsweise langsamen) Drehbewegung mit der (ver¬ gleichsweise schnellen) Scanbewegung können dabei Bearbei¬ tungspausen stark reduziert werden.
Ist die zu bearbeitende Zylinderfläche ein an einem Ende ge¬ schlossener Hohlraum, so wird das Reflektionselement von der¬ selben Seite wie der Laserstrahl in diesen Hohlraum einge¬ führt; ist der Hohlraum an beiden Enden offen, so kann das Reflektionselement auch von der entgegengesetzten Seite her in den zylindrischen Hohlraum eingeführt werden.
Es ist zweckmäßig, im Strahlengang hinter der Strahlablenk¬ einrichtung ein Fokussierelement (z.B. einen Hohlspiegel oder eine Sammellinse) vorzusehen, die sicherstellt, dass der La¬ serstrahl in einer optimalen Fokussierung auf die zu bearbei¬ tende Oberfläche trifft. Ein solches Fokussierelement ist insbesondere dann notwendig, wenn der mit Hilfe der Scanner¬ optik überstrichene Bearbeitungsbereich sehr groß ist und/oder - z.B. aufgrund der gewählten Bearbeitungsgeometrie - starke Variationen der optischen Wege aufweist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in den Zeich¬ nungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung zur Innenbearbeitung einer Zy¬ linderfläche;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Aus¬ schnitt eines Motorblocks einer Verbrennungsmaschine mit ei¬ ner Zylinderbohrung 2, deren Oberfläche 12 durch Laserstrah¬ lung oberflächenbearbeitet werden soll. Diese Oberflächenbe¬ arbeitung kann z.B. eine lokale Wärmebehandlung, eine Laser¬ beschichtung, einen selektiven Materialabtrag etc. umfassen.
Zu dieser Oberflächenbearbeitung wird eine Vorrichtung 1 mit einem Laser 3 verwendet, in dessen Strahlengang 4 eine steu¬ erbare Strahlablenkeinrichtung 5 angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Strahlablenkeinrichtung 5 kann der Laserstrahl 4 senk¬ recht zur Austritts- (Z-) Richtung in X- und/oder in Y- Richtung abgelenkt werden. Zur Betätigung der Strahlablenk¬ einrichtung 5 ist eine Steuereinheit 6 vorgesehen, mit der eine vorgegebene Ablenkung 7 des Strahls 4 in X- bzw. in Y- Richtung erzeugt wird. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der Laser 3 in einer solchen Weise gegenüber der Zylinderboh¬ rung 2 angeordnet, dass die Strahlrichtung 4 einen Winkel 8 von etwa 90° mit der Symmetrieachse 9 der Zylinderbohrung 2 einschließt, die X-Richtung der Strahlablenkeinrichtung 5 al¬ so in etwa parallel zur Symmetrieachse 9 verläuft. Wird der Strahl 4 in der Strahlablenkrichtung 5 nur schwach in X- Richtung abgelenkt, so trifft er in einem randnahen Bereich 13 der Zylinderfläche 12 auf (Strahl 10) ; wird er hingegeben stärker in X-Richtung umgelenkt, so trifft er die Oberfläche 12 der Zylinderbohrung 2 in einer größeren Tiefe (Strahl 11) . Durch Ablenkung in X-Richtung kann der Strahl 4,10,11 somit entlang einer parallel zur Symmetrieachse 9 liegenden Bahn 14 auf der Zylinderfläche 12 geführt werden. Durch Ablenkung in Y-Richtung kann der Strahl 4 (bei fester X-Ablenkung) entlang einer ellipsenförmigen Bahn 15 näherungsweise konstanter Tie¬ fe 16 in der Zylinderbohrung 2 geführt werden. Durch Überla¬ gerung von Strahlablenkungen in X- und in Y-Richtung kann der Strahl somit entlang beliebiger Bahnen in einem Winkelbereich 18 auf der Zylinderfläche 12 geführt werden, wobei (durch ü- berlagertes Ein- und Ausschalten des Lasers 3) ein beliebiges Muster erzeugt werden kann; neben den in der DE 196 14 328 Al gezeigten Rauten- und Wendelmustern können beliebige weitere (insbesondere periodische) Strukturierungen der Zylinderflä¬ che 12 dargestellt werden. Aus dem Strahl 4 können auf diese Weise in mehrere Teilstrahlen 10,11 erzeugt werden, die quasi simultan auf die Zylinderfläche 12 auftreffen und diese bear¬ beiten.
Aufgrund der in Figur 1 gezeigten geometrischen Ausrichtung des Lasers 3 gegenüber der zu bearbeitenden Zylinderfläche 12 trifft der Laserstrahl 4 unter einem großen Winkel 29,30 (zwischen 60° und 90°) auf die Zylinderfläche 12 auf; dadurch wird ein guter Energieübertrag der Laserleistung auf die zu bearbeitende Oberfläche 12 sichergestellt. Allerdings kann in dieser Relativlage nur ein begrenzter, in Figur 1 schraffiert dargestellter, Winkelbereich 18 der Zylinderfläche 12 bear¬ beitet werden, weil nur in diesem Bereich ein ausreichend großer Einfallswinkel 29,30 des Laserstrahls 10,11 auf die Zylinderfläche 12 gegeben ist. Soll die Zylinderfläche 12 um¬ laufend bearbeitet werden, so muss der Laser 3 mitsamt der zugehörigen Strahlablenkeinrichtung 5 gegenüber der Zylinder¬ fläche 12 verschoben bzw. gedreht werden. Um dies zu errei¬ chen, umfasst die Vorrichtung 1 der Figur 1 eine Dreheinheit 19, auf der der Laser 3 und die Strahlablenkeinrichtung 5 montiert sind. Mit Hilfe dieser Dreheinheit 19, deren Dreh¬ achse 26 kollinear zur Symmetrieachse 9 der Zylinderfläche 12 ausgerichtet ist, können Laser 3 und Strahlablenkeinrichtung 5 gemeinsam um die Symmetrieachse 9 der Zylinderbohrung 2 ge¬ schwenkt werden (Pfeil 20) . Auf diese Weise kann die Bearbei¬ tungsoptik 3,5 in unterschiedliche Winkelbereiche gegenüber der Zylinderfläche 12 bewegt werden. Durch ein schrittweises Weiterbewegen der Bearbeitungsoptik 3,5 (beispielsweise in Schritten von 90°, 120° oder 180°) der kann so ein randnaher, bandförmiger Bearbeitungsbereich 21 der Zylinderfläche 12 be¬ arbeitet werden, welcher mehrere Winkelbereiche 18 umfasst . Dabei kann die (sehr schnelle) Scanbewegung der Strahlablenk¬ einrichtung 5 der (vergleichsweise langsame) Schwenkbewegung 20 überlagert werden, so dass die für die Schwenkbewegung 20 benötigte Zeit als Bearbeitungszeit genutzt werden kann.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, weisen unterschiedliche Strahlen 10,11 unterschiedlich lange geometrische Wege 22,23 auf: Zwi¬ schen einem schwach abgelenkten Strahl 10 und einem stark ab¬ gelenkten Strahl 11 besteht somit eine geometrische Wegdiffe¬ renz 24. Um - unabhängig vom Ablenkungsgrad 7 - eine gute Fo- kussierung des Strahls 10,11 auf der zu bearbeitenden zylind¬ rischen Oberfläche 12 sicherzustellen, kann im Strahlengang ein Fokussierelement 25 angeordnet werden, durch das - je nach Ablenkwinkel 7 - eine stärkere oder weniger starke Fo- kussierung des Strahls 10,11 bewirkt wird. Im vorliegenden Beispiel ist das Fokussierelement 25 im Strahlengang 10,11 hinter der Strahlablenkeinrichtung 5 angeordnet; es kann je¬ doch auch in die Strahlablenkeinrichtung 5 integriert sein. Das Fokussierelement 25 ist insbesondere dann notwendig, wenn in einer festen Orientierung (d.h. bei festem Schwenkwinkel 20) der Bearbeitungsoptik 3,5 ein großer Winkelbereich 18 be¬ arbeitet werden soll; ist der abgescannte Winkelbereich 18 jedoch nur klein, so kann auf das Fokussierelement 25 ver¬ zichtet werden.
In Figur 1 ist die Vorrichtung 1 in einer solchen Weise ge¬ genüber der Zylinderbohrung 2 orientiert, dass die Z-Richtung der Vorrichtung 1 näherungsweise senkrecht zur Symmetrieachse 9 der zu bearbeitenden Zylinderfläche 12 orientiert ist. All¬ gemein können Laser 3 und Strahlablenkeinrichtung 5 jedoch auch gegenüber der Zylinderachse 9 gekippt sein, so dass der Winkel 8 zwischen der Zylinderachse 9 und der Z-Richtung der Strahlablenkeinrichtung 5 kleiner als 90° ist.
Mit Hilfe der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung 1 können rand¬ nahe Bereiche der Zylinderfläche 12 bis zu einer Maximaltiefe 27 schnell und einfach bearbeitet werden. Zur Bearbeitung randferner Bereiche 28 eignet sich diese Vorrichtung 1 jedoch nicht; um nämlich eine gute Einkopplung des Laserstrahls 10,11 in die Zylinderfläche 12 (und somit eine hohe Bearbei¬ tungsqualität) zu erreichen, darf der Auftreffwinkel 29,30 einen vorgegebenen Grenzwinkel (etwa 60°) nicht unterschrei¬ ten. Somit ist der Einsatz der Vorrichtung 1 der Figur 1 auf einen randnahen Bereich 27 der Zylinderfläche 12 beschränkt.
Sollen auch randferne Bereiche 28 der Zylinderfläche 12 bear¬ beitet werden, so empfiehlt sich die Verwendung der in Figur 2 schematisch dargestellten Vorrichtung 1' . Hier wird der von einem Laser 3 ausgesandte Laserstrahl 4 mit Hilfe eines Re- flektionselements 31, insbesondere eines Spiegels 32, auf die zu bearbeitende Zylinderfläche 12 gelenkt; mit Hilfe der im Strahlengang 4 angeordneten Strahlablenkeinrichtung 5 kann der Strahl 10' ,11' dabei gegenüber der Hauptstrahlrichtung 4 abgelenkt werden.
Das Reflektionselement 31 wird mit Hilfe einer Haltevorrich¬ tung 33 in den Innenraum 34 der Zylinderbohrung 2 eingeführt. Im vorliegenden Beispiel wird die Haltevorrichtung 33 von derselben Seite der Zylinderbohrung 2 wie der Laserstrahl 4 in den Hohlzylinder 2 eingeführt; ist das gegenüberliegende Ende 38 des Hohlzylinders 2 offen, so kann die Haltevorrich¬ tung 33 auch von dieser Seite 38 aus in den Hohlzylinder 2 eingeführt werden. Mit Hilfe der Strahlablenkeinrichtung 5 wird der Strahl 10' ,11' über das Reflektionselement 31 an unterschiedliche Stellen der Zylinderfläche 12 geleitet, wobei der Auftreff¬ winkel 29',30' des Strahls 10', 11' einen Maximalwert (< 60°) nicht überschreitet . Auf diese Weise kann ein Winkelbereich 18' der Breite 39 und der Tiefe 40 auf der Zylinderfläche 12 bearbeitet werden. Durch eine Drehung des Reflektionselements 31 bzw. der das Reflektionselement 31 tragenden Haltevorrich¬ tung 33 (Pfeil 41) kann dieser Bereich 18' in Umfangrichtung 36 der Zylinderfläche 12 weiterbewegt werden, so dass - durch schrittweise oder kontinuierliche Drehung des Reflektionsele¬ ments 31 - ein umlaufender bandförmiger Bereich 21' der Brei¬ te 40 bearbeitet werden kann.
Zur Drehung 41 des Reflektionselements 31 ist die Haltevor¬ richtung 33 mit einer Dreheinheit 19' versehen, die kontinu¬ ierliche Drehungen 41 mit einer fest vorgegebenen Drehge¬ schwindigkeit und/oder schrittweise Drehungen 41 um einen festen Winkelbetrag (90°, 120°, 180°) ermöglicht. Die Drehein¬ heit 19' ist in einer solchen Weise gegenüber der Zylinder¬ bohrung 2 ausgerichtet, dass ihre Drehachse 26' mit der Sym¬ metrieachse 9 der Zylinderbohrung 2 zusammenfällt; weiterhin ist der Laser 3 in einer solchen Weise ausgerichtet, dass die Richtung des Laserstrahls 4 mit der Symmetrieachse 9 der Zy¬ linderbohrung 2 zusammenfällt.
Durch schrittweises (diskontinuierliches) Weiterdrehen des Reflektionselements um feste Winkelbeträge können nacheinan¬ der unterschiedliche Winkelbereiche 18' der Zylinderfläche 12 bearbeitet werden, bis das gesamte Zylinderband 21' bearbei¬ tet ist. Alternativ kann der Laserstrahl 10',11' in einer solchen Weise über das Zylinderband 21' geführt werden, dass Strahlverschiebungen in Umfangsrichtung 36 der Zylinderfläche 12 mit Hilfe der kontinuierlich betriebenen Dreheinheit 19' erfolgen, während Ablenkungen in Tiefenrichtung 37 mit Hilfe der Strahlablenkeinrichtung 5 bewirkt werden. Durch Überlage¬ rung dieser beiden Bewegungen können im Zylinderband 21' be¬ liebige Bearbeitungsmuster erreicht werden. Anschließend kann das Reflektionselement 31 zusammen mit Laser 3 und Strahlab¬ lenkeinrichtung 5 in Axialrichtung 42 der Zylinderbohrung 2 verschoben werden, um auch andere, in Axialrichtung 42 ver¬ setzte Zylinderbänder 21' bearbeiten zu können.
Um sicherzustellen, dass über den gesamten Tiefenbereich 40 eines vorgegebenen Zylinderbandes 21' eine gleich bleibend hohe Bearbeitungsqualität erreicht wird, wird das Reflektion- selement 31 und/oder die Strahlablenkeinrichtung 5 mit einer Korrekturoptik 25' versehen, die sicherstellt, dass der Strahl 10', 11' - unabhängig vom Ablenkwinkel 7' - immer auf die Zylinderfläche 12 fokussiert ist. Dies kann beispielswei¬ se erreicht werden, wenn als Reflektionselement 31 ein Hohl¬ spiegel verwendet wird; das Korrekturelement 25' ist dann in das Reflektionselement 31 integriert. Alternativ kann die Korrekturoptik 25' in die Strahlablenkeinheit 5 integriert werden. Eine solche Korrekturoptik 25' ist beispielsweise in der DE 101 34 429 Al beschrieben.
Die Vorrichtung kann zur Bearbeitung beliebiger zylindrischer Flächen, insbesondere Zylinderlaufflächen, Lagerflächen etc. verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Innenbearbeitung einer Zylinderfläche (12) , wobei die Zylinderfläche (12) mittels eines von einem La¬ ser (3) ausgesandten Laserstrahls (4, 10, 10' , 11, 11' ) bear¬ beitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4, 10, 10' , 11, 11' ) mit Hilfe einer steuerbaren (6) Strahlablenkeinrichtung (5) über Bereiche (18,18') der Zylinderfläche (12) geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4, 10',11') mit Hilfe eines im Strahlengang angeordneten Reflektionselements (31) , ins¬ besondere eines Spiegels (32) , auf die Zylinderfläche (12) gelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektionselement (31,32) mit Hilfe einer Dreh¬ einheit (19') um eine Achse (26') gedreht wird, die kol¬ linear zur Symmetrieachse (9) der Zylinderfläche (12) verläuft .
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Ablenkung des Laserstrahls (4, 10',11') in Axi¬ alrichtung (37) der zu bearbeitenden Zylinderfläche (12) mit Hilfe der Strahlablenkeinrichtung (5) erfolgt, wäh¬ rend die Ablenkung des Laserstrahls (4, 10',11') in Um- fangsrichtung (36) der Zylinderfläche (12) mit Hilfe der Dreheinheit (19') erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3) und die Strahlablenkeinheit (5) mit Hilfe einer Drehvorrichtung (19) um eine Achse (26) ge¬ schwenkt werden, welche kollinear zur Symmetrieachse (9) der Zylinderfläche (12) verläuft.
6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderfläche (12) in einem Kraftfahrzeugaggregat verwendet wird.
7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Innenbearbeitung einer Zylinder¬ lauffläche eines Verbrennungsmotors verwendet wird.
8. Vorrichtung (1,1') zur Innenbearbeitung einer Zylinder¬ fläche (12) , insbesondere einer Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors,
- mit einem Laser (3)
- und mit einem im Strahlengang (4, 10, 10' , 11, 11' ) des Lasers (3) angeordneten Optiksystem, welches mindes¬ tens ein Strahlumlenkelement (31,32) und/oder mindes¬ tens ein Fokussierelement (25,25') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang (4) eine steuerbare Strahlablenkein¬ richtung (5) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang (4, 10',11') als Strahlumlenkelement (31,32) ein Reflektionseiement (31) , insbesondere ein Spiegel (32), angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (I1) eine Drehmimik (19') zur steu¬ erbaren Drehung des Reflektionselements (31) gegenüber der zu bearbeitenden Zylinderfläche (12) umfasst .
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Drehmimik (19) zur steuer¬ baren Schwenkung des Lasers (3) und der Strahlablenkein¬ heit (5) gegenüber der zu bearbeitenden Zylinderfläche (12) umfasst .
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (25,25') so gestaltet ist, dass es die in einem Bearbeitungsbereich (21) auftretenden Un¬ terschiede (24) der geometrischen Wege (22,23) unter¬ schiedlicher Strahlen (10, 10' , 11, 11' ) kompensiert.
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