DE2317902A1

DE2317902A1 - Verfahren zur buendelung von korpuskular-strahlen

Info

Publication number: DE2317902A1
Application number: DE19732317902
Authority: DE
Inventors: Egon Dipl Ing Dr Kirchner
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1973-04-10
Filing date: 1973-04-10
Publication date: 1974-10-24
Also published as: FR2225815A1; CH565622A5; FR2225815B3

Description

:jROV';J, Ij₁OVL" FM & CiL · AKTiKNGESt LLSCHAFT

(.i M--1Μ H £ ί :.l BROW;·! CCJ. Liil

Mp.-Nr. 547/75 Mannheim, den 5. April 1973

PAT-Ka/Bt

Verfahren zur Bündelung von Korpuskular-Strahlen. j

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bündelung von Korpuskular-Strahlen mit einer Fokussiereinrichtung, insbesondere zu dem Zwecke der Bearbeitung bzw. Verletzung von metallischen und keramischen Werkstoffen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. .I

Die Probleme bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken können heute allgemein als gelöst angesehen werden. Schwierigkeiten bereiten lediglich Sonderwerkstoffe, wie sie für hochbelastete Teile, wie z.B. Turbinenschaufeln, verwendet werden. ; Diese Werkstoffe sind in ihren legierungsbestandteilen bereits : soweit veredelt, daß eine Bearbeitung mit herkömmlichen Werk- , zeugen sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist. j

Ein weiteres Problem ist, besonders bei teueren Werkzeugmaschinen, die Überwachung der Maschinen. Diese sollen möglichst rund um die Uhr in Betrieb sein, um die Investitionskosten niedriger zu halten, andererseits werden Arbeitskräfte, die bereit sind, nachts zu arbeiten, immer seltener, so daß Mittel und Wege j gefunden werden müssen, die es ermöglichen, eine Werkzeugmaschine auch ohne Aufsicht laufen zu lassen. Dieser Vollautomatisierung steht aber das noch nicht völlig gelöste Problem der : Spänebeherrschung entgegen. Bei einer unbeaufsichtigten Werkzeugmaschine kann es vorkommen, daß sich plötzlich Spänearten :

409843/0537

547/73

bilden, die den Maschinenärbeitsraum allmählich verstopfen und zum Bruch von Werkzeugen, Spanmitteln oder Maschinenteilen führen können, so daß das Werkstück in den meisten Fällen als Ausschuß zu bezeichnen ist. Um dies zu verhindern, muß bei Automaten für die Großserienfertigung eine erhebliche Verlängerung der Rüstzeiten durch das Ausprobieren der richtigen Schneiden- · Stellungen, Spanleitstufen usw. eingeplant v/erden. Bis zum richtigen Lauf des Automaten wird ein erheblicher Verlust von Probewerkstücken verursacht. . ί

Bei den numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen für Werkstücke mittlerer und größerer Abmessungen ist dieses bisher erfolgreich praktizierte Verfahren jedoch nicht mehr- möglich, v/eil einmal die Losgrößen kleiner sind und man daher nicht eine '. Anzahl Werkstücke opfern kann, zum anderen mit der Größe der Werkstücke die abzutragende Werkstoffmenge größer wird. Der erfolgreiche Einsatz von NC-Maschinen in Mehr-Maschinenbedienung oder im unbeaufsichtigten Drei-Schichten-Betrieb hängt daher entscheidend von der Beherrschung der Spanbildung ab.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Lösung der zunächst so artfremd erscheinenden Probleme, nämlich die Bearbeitung von ungünstigen Formen aus spanend schwer zu bearbeitenden Werkstoffen und die Beherrschung der Spanbildung bei Metallen langspanender Art. Aber ausgehend von der Erkenntnis, daß ein Span nichts anderes ist als ein schmales dünnes Blechband, das zertrennt werden muß, kommt man zu der Erkenntnis, daß beide Probleme mit dem gleichen Verfahren gelöst werden können. ;

Dieses Verfahren, das gebündelte Korpuskular-Strahlen zur Abtragung bzw. Verdampfung von metallischen Werkstoffen verwendet, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eorpuskular-Strahl in einer Glasfaseroptik zu einem Rechteck-Strahl und in der anschließenden Fokussiereinrichtung zu einer Brennlinie geformt wird.

409843/0537

PaM F 1 (172.11 EOCKCI

.547/73

Durch die Entwicklung der sogenannten Laser-Strahlen sind Energie tragende Strahlen mit inzwischen bekannten Eigenschaften verfügbar, die auf einen winzigen Ort durch Fokussierung gebündelt, Temperaturen weit über dem Schmelzpunkt von Metallen, und natürlich auch von anderen Werkstoffen, erzeugen können. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, eine Metallabtragung zu bewirken. Es wurden schon Laser-Strahl-Apparaturen bekannt, die Stahlblech von 0,5 mm Stärke mit einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu 300 mm/min, schneiden können und damit dem konventionellen Brennschnitt in der Schnittleistung beinahe gleich kommen. Nachteilig an diesem Verfahren gegenüber dem erfindungsgemäßen ist, daß kein kontinuierlicher Schnitt im Blech erfolgt, sondern abhängig von der Impulsfrequenz, wobei bei jedem Impuls die Schmelz- oder Verdampfungstemperatur erzeugt wird, eine Lochkette in das Blech geschnitten wird.

Demgegenüber wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kein Brennpunkt, sondern eine Brennlinie, mit der Folge eines linienförmigen Schnittes, erzeugt. !

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist derart ausgebildet, daß ausgehend von einem Strahlensender ein die Glasfaseroptik bildendes Lichtleitfaserbündel, bestehend aus von einem Mantel umgebenden einzelnen Lichtleitfasern, kreisförmig gebündelt und in seinem Endteil in ein Rechteck umgeordnet ist, ^: und daß daran die aus einer zylindrischen Glasoptik bestehende j Fokussiereinrichtung angeschlossen wird. j

Zur Erzielung einer bestimmten Schnittlinie ist die Glasoptik ;

aus mehreren zylindrischen Einzeloptiken zusammengesetzt. !

409843/0-5 37

54-7/73

Zum Bearbeiten kubischer Werkstücke mit schwieriger Formgebung, z.B. Turbinenschaufelfüßen, sind auf einem Werkstückträger verschiebbar mehrere Fokussiereinrichtungen angeordnet und das Lichtleitfaserbündel ist in eine entsprechende Anzahl, zu den Fokussiereinrichtungen führende, Lichtleitern aufgeteilt. .'■■

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur beherrschten Spänebildung bei zerspanender Bearbeitung von Werkstücken aus Metall langspanender Art, ist das Werkstück zur Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine aufgespannt und die Fokussiereinrichtung mit ihrer Brennlinie auf den vorlaufenden Span einjustiert. Dadurch wird erreicht, daß der vorlaufende Span entsprechend der Impulsfreqenz des Strahlensenders und abhängig von der Schnittge- _; schwindigkeit in bestimmten Abständen beschädigt wird, in dem eine gewisse Verdampfungstiefe im Werkstoff erreicht wird, so daß der ablaufende Span in kurze Stücke zerbricht. Zur Unterstützung der Spanbrechung können zusätzliche mechanische Mittel verwendet werden, gegen die der Span z.B. anläuft und .dadurch das Bruchverhalten verbessert. Zur genauen Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse ist der Strahlensender in seiner Frequenz und Intensität regulierbar. Ebenso ist die Fokussiereinrichtung mit einem Verstellmechanismus versehen. j

I Ϊ I i

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. j

Es zeigen: '

Fig. 1 eine Vorrichtung zur beherrschten Spänebildung bei einer

Drehmaschine, j

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II - II nach Fig. 1 und Fig. 3 eine Vorrichtung zur Erzeugung von ungeraden Brennlinien.

409843/O537

P.-it 4ΓΙΙ! il 1 'ί.ϋι'ΚΠ

547/73

- 5 - j

Ausgehend von einem Strahlensender 1 werden Laser-Strahlen 2 am Eingang 3 eines Lichtleitfaserbündels 4, das aus einseinen Licht leitfasern 5 besteht, die von einem Mantel 6 umgeben sind, geleitet. Dieses Lichtleitfaserbündel 4 hat zunächst einen runden Querschnitt und wird in seinem Endteil 7 in ein Rechteck 8 umgeordnet. Der Mantel ist dabei mit 6' bezeichnet und erfüllt die gleiche Funktion wie der kreisförmige Mantel 6. An das ; Lichtleitfaserbündel 4 (Glasfaseroptik) schließt sich die · Fokussiereinrichtung 9 an. Diese Fokusäereinrichtung 9 besteht : aus einer zylindrischen Glasoptik 10 und einem Verstellmechanismus 11. Von dieser Glasoptik 10 werden die Strahlen 2 zu einer Brennlinie 12 umgeformt. Diese Brennlinie 12 richtet sich, eingestellt durch den Verstellmechanismus 11, auf ein sich ; j drehendes Werkstüok 13, wobei die Brennlinie genau auf der Oberj fläche des Werkstückes liegt. An das sich mit einer bestimmten Drehzahl drehende Werkstück 13 greift ein Drehmeißel 14 an ! und bewegt sich verspanend mit einem Vorschub 15 in Axialrichtung 16, wobei ein Span mit der Breite 17 abgenommen wird. Der Drehmeißel 14 hinterläßt eine Fläche, von einem Einstellwinkel : herrührend, auf die der linear gebündelte Laser-Strahl 2 mit j seiner Brennlinie 12 gerichtet ist. Durch die hohen Temperaturen, wie sie durch die kurzfristige Entladung entstehen, wird mit der Brennlinie eine Vertiefung 18 in die bisher unverletzte Oberfläche eingebrannt, d.h. eingeschmolzen und/oder durch Materialverdampfung erzeugt.

Durch die in Mikrosekunden erfolgenden Entladungen gibt es in ■ der Werkstückoberfläche Längsvertiefungen 19 in einem Abstand ^: 20, der von der Impulsfrequenz, der Drehzahl des Werkstückes und dem Durchmesser des Werkstückes abhängig ist. Die so verletzte Oberfläche des Werkstückes 13 läuft bei der folgenden Umdrehung auf den Drehmeißel 14 auf,der dadurch keinen zusammenhängenden Span mehr, sondern einen nach der Teilung 20· unterbrochenen, i abnimmt. I

409843/0537

4 f I I ! Ti 1 ι

5.47/73

Bereits aus diesen Zeichnungen -ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren, Werkstoffbeeinflussung mittels einer von _| einem Korpuskular-Strahl erzeugten Brennlinie, auf viele Sparten j der Bearbeitung anwendbar ist. So könnte mit dieser Einrichtung, als Ersatz einer Stanzvorrichtung, ein Band zerteilt werden.

Die Fig. 3 zeigt die Anwendung des Verfahrens'zur Herstellung kompliziert geformter Werkstücke aus schwer zu bearbeitenden Werkstoffen (Sonderstahle, Keramik). Das Lichtleitfaserbündel 4 wird durch umordnen der Lichtleitfasern, wie bei der bereits !vorausgegangenen Beschreibung in ein Rechteck 6¹ verwandelt. i Die senkrecht aus dem Rechteck 6¹ austretenden Strahlen 2, von j denen nur wenige dargestellt sind, treffen auf die zylindrische j Glasoptik 10', welche in viele Scheiben 23 zerlegt ist, die j vorstellungsmäßig nur eine sehr geringe Dicke 24 haben sollen« i Die vordere Scheibe 25 ist gegenüber der zweiten Scheibe 26 um ι ein Maß 27 verschoben und erzeugt in einer Brennebene 28 parallel zum Lichtleitfaserbündel-Rechteck 6' ein parzielles Stück der Brennlinie 12' (stark gezeichnet). Die zweite Scheibe 26, die gegenüber der dritten Scheibe 32 um das Stück 30 verschoben ist, erzeugt das Stück gerade Brennlinie 31, welches die Länge j der Scheibendicke 24 hat usw. So entsteht eine unterbrochene Brennlinie 12^f in der Ebene 28, deren einzelne Stücke treppenförmig versetzt verlaufen und deren Gesamtlänge 33 von der Länge 34 der Zylinderoptik 10» bestimmt wird. Die Stücke 21 und 22 der Brennlinie 12» (gepunktet gezeichnet), die die Stücke 29 mit 31 etc. verbinden, entstehen in einem zweiten Arbeitsgang mit einer prinzipiell gleich aufgebauten Optik, die aber um 90° parallel zur Brennebene 28 geschwenkt ist. j

Durch entsprechendes Schleifen der Glasoptik, was allerdings wegen der/honen Kosten nur für Großserienteile in Frage kommt, können auch Kurvenbrennlinien erreicht werden. j

-1 -

409843/0537

Pat 4 F 1 (172.11500/KE)

547/73

— 7 -

j Zur Erhöhung der Leistungsdichte kann die leistung mehrerer

• (z.B. vier) Strahlensender auf ein gemeinsames Ausgangsrechteck I konzentriert werden, welches über der Zylinderoptik angeordnet

¹ ist. ' j

! j

Durch Saug- oder Blaseinrichtungen muß der sich bei der Ver- [ dämpfung von Werkstoffteilchen bildende heiße Nebel beseitigt ; werden; vor allem ist die Optik zu schützen. i

Als Beispiel zur Anwendung des Verfahrens folgen einige Angaben zur Bearbeitung eines Fußes einer Turbinenschaufel (nicht dar- ' gestellt). j

Zu einer über die Spezialoptik in der waagerechten Ebene profilierten Brennlinie bei einer Länge des Fußes einer mittleren i

• Schaufel von ca. 80 mm werden vier Strahlensender mit je : '. 10 Joule Impulsenergie elektrischen Arbeitsvermögens eingesetzt. ! Mit der Brennlinie wird das Profil bei einer Spaltbreite von ; i z.B. etwa 0,02 mm senkrecht von oben nach unten herunter ge- ^;

j i

; stochen. Bei einer angenommenen Impulsfrequenz von 25 Hz und ; ! einem Senkrechtvorschub des Werkstückes oder der Einrichtung j von angenommen 0,2 mm pro Impuls = 300 mm/min würde sich eine j Bearbeitungszeit von weniger als 1 Minute ergeben. Die Genauigkeit hängt von der Herstellungsgenauigkeit der Spezialzylinderoptik und der präzisen Führung in der Vorschubeinrichtung ab. j

409843/0537

·'. I I'M- K .1

Claims

Pat ent anspräche

Verfahren zur Bündelung von Korpuskular-Strahlen mit einer Fokussiereinrichtung, insbesondere zu dem Zwecke der Bearbeitung bzw. Verletzung von metallischen und keramischen
Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Korpuskularstrahl (2) in einer Glasfaseroptik zu einem Rechteckstrahl

j und in der anschließenden Fokussiereinrichtung zu einer

ι . Brennlinie (12) geformt wird.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem Strahlensender (1) ein die Glasfaseroptik bildendes Lichtleitfaserbündel (4), bestehend aus von einem Mantel (6) umgebenden einzelnen Lichtleitfasern (5), kreisförmig gebündelt und in seinem Endteil (7) in ein Rechteckt umgeordnet ist, und daß daran die aus einer zylindrischen Glasoptik (10) bestehende Fokussiereinrichtung (9) angeschlossen ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasoptik (10) aus mehreren zylindrischen Einzeloptiken
zusammengesetzt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Werkstückträger verschiebbar mehrere Fokussiereinrichtungen zur Bearbeitung kubischer Werkstücke angeordnet sind, und daß das Lichtleitfaserbündel (4) in eine entsprechende Anzahl, zu den Fokussiereinrichtungen führende
Lichtleiter aufgeteilt ist. j

409843/0537

_. .547/73

— 9 "

5. Yorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zur beherrschten Spänebildung bei zerspanender Bearbeitung von Werkstücken aus Metall langspanender Art, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (13) zur Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine aufgespannt und die Fokussiereinrichtung (9)
; mit ihrer Brennlinie (12) auf-den vorlaufenden Span ein-
: justiert ist. j

j 6. Yorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
ί der Strahlensender (1) in seiner Frequenz und Intensität

ι regulierbar ist. |

I ■ i

l ι

ί 7. Yorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (9) mit einem Yerstellmecha- _; nismus (11) versehen ist.

409843/0537

Pai A F ι rl 7? !tboO'KEl