DE8710866U1

DE8710866U1 - Werkstückbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE8710866U1
Application number: DE8710866U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-08-08
Filing date: 1987-08-08
Publication date: 1988-12-08

Description

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R. 21334
22,7*1987 Sfc/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

( Werkstückbearbeitungsvorrichtung
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Durch die DE-OS 22 00 696 ist eine Einrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen bekannt geworden, welche eine genaue, direkte Temperaturmessung eines erhitzten Bereiches des zu bearbeitenden Werkstückes erlaubt. Hierzu ist die Einrichtung mit einem Strahlungsdetektor ausgerüstet, welcher der Wärmestrahlung des vom Laserstrahl erhitzten Werkstücks ausgesetzt ist. Der Strahlungsdetektor gibt ein von der Stärke der Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal ab, das zur Leistungssteue- ^ rung des Lasers ausgewertet wird. Die zu bearbeitende, beispielsweise zu härtende Zone des Werkstücks wird durch den Laserstrahl aufgeheizt, der im wesentlichen eine einzige, relativ große Wellenlänge aufweist. Die Intensität der infolge der örtlichen Erhitzung des I

Werkstücks abgegebenen Wärmestrahlung wird gemessen und die Leistung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Intensität der gemessenen Wärmestrahlung gesteuert. Die Aufheizung der Werkstückzone wird beendet, sobald die gemessene Intensität einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Hierzu wird der Laser entweder abgeschaltet oder der Laserstrahl mittels einer in den Strahlengang einbringbaren Abdekkung unterbrochen. Damit lassen sich gute Resultate erzielen, da die

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Werkstückoberfläche nicht langer und nicht mit höherer Tempeiatür erhitzt wird als es für die jeweilige Bearbeitung erföiderÜcih ist. Der Strahlungsdetektor ist bei der bekannten Vorrichtung so eingeordnet* daß er von der vom WerkstUck ausgehenden wärmestrahlung direkt getroffen wird. Dies bedeutet, daß die Steuerung des Lasers nur dann iufriedenstellend funktioniert/ wenn außenliegende Zonen eines Werkstücks bearbeitet werden? äio der Strahlungsdetektor "sehen" kann. Für die Bearbeitung innenliegender Flächen von Werkstücken, wie Bohrungen, Innengewinde und dergleichen,ist die bekannte Einrichtung hingegen nicht oder weniger gut geeignet, da die Wärmestrahlung zum Detektor hin durch das Werkstück abgeschirmt ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Werkstückbearbeitungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil» daß sie zum temperaturgesteuerten bzw. temperaturgereg«lten Bearbeiten sowohl außen- als auch innenliegender Werkstückflächen mittels Laserstrahlung bei gleichbleibender Genauigkeit der Temperaturmessung geeignet ist. Jeder Wärmebehandlungsprozeß an eilnem Werkstück kann so temperaturgesteuert bzw. temperaturgeregeli; ausgeführt werden.

Durch die in den Unteransprächen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch vorgeschlagenen Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung möglich- Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß als Reflektor ein Wärmereflexionsfilter dient, welches im wesentlichen durchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge der Laserstrahlung und im wesentlichen undurchlässig ist für die vom Werkstück ausgehende Wärmestrahlung.

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Zeichnung

tin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargeitellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert· Die figur zedgt eine schematische tiesamtansicht der Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung.

leschireibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist mit 1 ein Laser an sich bekannter Bauart bezeich- »et/ der ein im wesentlichen eine einzige Wellenlänge aufweisendes Strahlenbündel 2 aussendet. Ein zu bearbeitendes Werkstück 3 mit eiler Innenbohrung 4 ist auf einem nicht gezeigten, verstellbaren Träfer so angeordnet, daß der Boden 5 der Bohrung 4 durch den Laserstrahl 2, beispielsweise zwecks Oberflächenhärtung, erhitzt wird. Im •fege des Strahlenbündels 2 ist ein Spiegel 6 angeordnet, welcher die Strahlung in Richtung des Werkstücks 3 umlenkt. Eine beispielsweise ftls Linse ausgebildete Fokussiereinrichtung 7 liegt zwischen Spiegel 6 und Werkstück 3 im Strahlengang des Laser-Strahlenbündels 2, um flieses am Boden 5 der Bohrung 4 oder an einer anderen gewünschten Stelle des Werkstücks zu fokussieren. Die vom Werkstück 3 bei dessen Erhitzung ausgehende Wärmestrahlung (IR-Strahlung der Wellenlänge 780 nm - 1 mm) wird von einem auf den Wellenlängenbereich dieser Strahlung ansprechenden Strahlungsdetektor 9 aufgenommen. Zu diesem Zweck ist im Strahlengang 2 des Lasers 1 ein als Planplatte ausgebildeter Reflektor 10 angeordnet, welcher für die Laserstrahlung 2 durchlässig ist, während er die vom Werkstück 3 abgegebene Wärmestrahlung 8 in Richtung des Detektors 9 ablenkt. Letzter liefert ein der Stärke der Wärmestrahlung 8 proportionales elektrisches Ausgangssignal, das nach Verstärkung als Istwert einem Regelkreis 11 zugeführt wird, an den der Laser 1 angeschlossen ist. Der Regelkreis 11 ist bestrebt, die Laserleistung, d.h. die Energie des Strahlenbündels 2 auf einem zuvor in den Regelkreis eingegebenen Sollwert zu halten.

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Als Laser wird vorzugsweise ein Kohlendioxyd-(C(L)-Läser verwenöet, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 10,6 .um aufweist&igr;

IlIs Strahlungsdetektoren können pyroelektrische Detektoren benutzt werden, die bei Wellenlängen von etwa 800 nm - 5 um ihre größte Empfindlichkeiten aufweisen. Die Wellenlänge und die Intensität der f. Wärmestrahlung des Werkstücks 3 sind von dessen Temperatur abhängig.

I; Bei einem Temperaturanstieg nimmt die Intensität der Wärmestrahlung

Ku und ihre Spitzenwellenlänge verschiebt sich in Richtung kleinerer Wellenlängen. Die Werte unterscheiden sich aber immer deutlich von

! f\ der Wellenlänge der Laserstrahlung, die bei einem CO -Laser erheb-Üoh langwelliger ist als die Warmes tr füllung des Werkstücks 3. Es ist somit möglich/ die Temperaturen in dem Bereich/ in den) das Werk-Stück aufgeheizt wird, direkt zu messen. Das Werkstück kann damit immer auf gleiche Temperatur gebracht werden/ unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers.

Wie bereits erwähnt, wird bei der vorgeschlagenen Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung derjenige Teil der Wärmestrahlung des erhitzten Werkstücks 3 erfaßt und ausgewertet, welcher koaxial bzw. parallel zum Laserstrahl 2 verläuft. Dieser Teil der Wärmestrahlung wird an einer Stelle - im Ausführungsbeispiel zwischen Umlenkspiegel 6 und Laser 1 - aus dem Strahlengang ausgespiegelt und dem Strahlendetek-> J tor 9 zugeführt. Da die Wellenlängen der Wärmestrahlung und der Laserstrahlung deutlich voneinander abweichen, ist eine saubere

;<, Trennung mittels eines Wärmereflexionsfilters 12 möglich, welches

für die Wärmestrahlung 8 undurchlässig, für die Laserstrahlung 2 hingegen im wesentlichen durchlässig ist. Das Wärmereflexionsfilter 12 ist in Form eines beispielsweise aufgedampften Belags auf einem für die Laserstrahlung 2 durchlässigen Träger, beispielsweise einer Glasplatte 13, aufgebracht. Vorzugsweise ist das Wärmereflexionsfilter 11 als Mehrschichten-Interferenz-Filter mit einem Sperrbereich

< für die vom Werkstück 3 ausgehende Wärmestrahlung 8 und einen Th-. ^a-

laßbereich für die Laserstrahlung 2 ausgebildet.

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Die beschriebene Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung wird vorzugsweise zum Oberflächenhärten von Werkstücken verwendet, mit dem Vorteil, daß auch innenliegende Zonen, beispielsweise Bohrungen und dergleichen, wärmegeregelt gehärtet werden können. Darüber hinaus ist die Vorrichtung aber auch zum Schneiden und Schweißen von Werkstoffen einsetzbar, wobei der Strahlungsdetektor 9 dafür sorgt, daß sich die Leistung des Lasers 1 jeweils an einem vorgegebenen Sollwert

orientiert. Sowohl die Oberflächenbehandlung als auch das Fügen und

Trennen sind mit einem Minimum an eingebrachter Wärme möglich, wobei |

die Strahlführung eine wärmegeregelte Behandlung an schwierig zu- ' gänglichen Stellen erlaubt.

Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform der gewählte Laser ein CO -Laser mit einer Ausgangswellenlänge von etwa 10,6 um ist, können auch Laser verwendet werden, die mit einer anderen Wellenlänge arbeiten. So könnte beispielsweise ein YAG-Laser verwendet werden, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 1,06 um aufweist. Wesentlich ist, daß sich die Wellenlänge der Laserstrahlung von der Wellenlänge der vom erhitzten Werkstück abgegebenen IR-Strahlung unterscheidet. Die parallele Strahlführung der Hohlraumstrahlung zur Laserstrahlung macht eine präzise Wärmebehandlung an jeder, vom Laserstrahl zu erreichenden Stelle des Werkstücks möglich.

Claims

E. 21334 22.7.1987 St/Pi ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

1. Werkstückbearbeitungsvorrichtung, insbesondere zum Oberflächenhärten von Werkstücken, mit einem Laser, der eine im wesentlichen
eine einzige Wellenlänge aufweisende Strahlung erzeugt sowie mit einer Fokussiervorricntung zum Bündeln des Laserstrahls auf dem Werkstück und einem Strahlungsdetektor, welcher der Wärmestrahlung des
erhitzten Werkstüc'-s ausgesetzt ist und ein von der Stärke dieser
Strahlung abhängige?. Ausgangssignal liefert, das zur Leistungssteuerung des Lasers ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im
Strahlengang des Lasers (1) ein für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls (2) durchlässiger Reflektor (10) angeordnet ist, welcher vom Werkstück (3) abgegebene Wärmestrahlung (8) zu de:n außerhalb des Strahlengangs angeordneten Strahlungsdetektor (9) lenkt.

2. Werkstückbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflektor (10) ein Wärmereflexionsfilter (12)
dient, welches im wesentlichen durchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls (2) und im wesentlichen undurchlässig ist für die vom Werkstück (3) ausgehende Wärmestrahlung (R).

3. Werkstückbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmereflexionsfilter (12) als Mehrschichten-Interferenzfilter mit einem Sperrbereich für die vom Werkstück (3)
Ausgehende wärmestrahlung (6) und einem Durchlaßbereich für die Laserstrahlung (2) ausgebildet ist·

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4. Werkstückbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß der Laser (1) ein Kohlendiosydlasar ist, der einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 um abgibt.