und Werkstück

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Bruchtrennverfahren zum Bruchtrennen eines Werk- Stücks entlang einer Bruchtrennebene, ein Werkstück, das nach einem derartigen Bruchtrennverfahren bruchgetrennt werden kann und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der EP 0 808 228 B3 ist ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken be- schrieben, bei dem vor dem eigentlichen Bruchtrennen im Bereich der Bruchtrennebene am Umfang des Werkstücks zumindest eine Bruchtrennkerbe ausgebildet wird. Diese wird mit einem Laser ausgebildet, wobei eine Vielzahl von Kerbabschnitten entstehen, die linienförmig hintereinander anliegend angeordnet sind. Die Kerbabschnitte sind als längliche Ausnehmungen ausgebildet, die eine Art Perforation bilden und sich aus einer durchgehenden Kerbbasis heraus erstrecken können.

Als besonders gut geeignet zur Durchführung des Verfahrens haben sich sogenannte Faserlaser herausgestellt, die mit vergleichsweise geringer Energie von etwa 50 Watt betrieben werden können.

Der Laserstrahl wird bei derartigen Faserlasern über eine die eigentliche Ausgangslinse der Optik bildende„Düse" auf das Werkstück gerichtet, wobei die Laserstrahleinkopplung erfindungsgemäß schräg erfolgt. Dieses Verfahren hat sich insbesondere bei dem Bruchtrennen von Pleueln, Kurbelgehäusen und dergleichen weitgehend durchgesetzt und hat das mechanische Bearbeiten der Bruchtrennkerben, beispielsweise durch Honen, ersetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Vorgehensweise weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Bruchtrennverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , ein Werkstück mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Bruchtrennverfahren erfolgt das Bruchtrennen eines Werkstücks entlang einer im weitesten Sinn vorgegebenen Bruchtrennebene, wobei, ähnlich wie beim Stand der Technik, im Bereich der Bruchtrennebene mittels Laserenergie Kerbabschnitte eingebracht werden. Unter einem„Kerbabschnitt" wird dabei eine längliche einseitig oder beidseitig geschlossene Ausnehmung im Werkstück verstanden. Der Laser ist derart angesteuert, dass im Umfangsbereich des Werkstücks eine Schweißnaht gebildet wird, aus der heraus sich die Kerbabschnitte erstrecken. Dieses Verfahren wendet sich ab von herkömmlichen Verfahren, bei dem sich die Kerbabschnitte aus einer durchgehenden Kerbbasis heraus erstrecken. Diese Kerbbasis konnte zwar teilweise mit Schmelze gefüllt sein - die Ausbildung einer Schweißnaht mit den damit einhergehenden Gefügeänderungen wurde jedoch bisher vermieden.

Dementsprechend hat die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Lasereinheit und eine Bruchtrenneinheit, wobei die Lasereinheit derart ausgelegt ist, dass sich im Bereich der Bruchtrennebene eine Schweißnaht und daraus heraus erstreckende Kerbabschnitte ausbilden.

Als besonders gut geeignet für die Ausbildung einer derartigen Schweißnaht haben sich sogenannte 3D-Laserscanner herausgestellt, mit denen sich der Laserstrahl mittels eines Umlenkspiegels und gegebenenfalls entsprechender Ansteuerung der Laseroptik in X-, Y- und Z-Richtung steuern lässt, so dass über diesen 3D-Scanner auch sehr komplexe Werkstückgeometrien bearbeitbar sind. Ein besonderer weiterer Vorteil besteht darin, dass derartige 3D-Scanner versetzt zum Werkstück aufgestellt werden, da über den Schwenkspiegel eine exakte Fokussierung auf das Werkstück möglich ist. Dadurch kann eine Verschmutzung der Laseroptik beim Schweißen vermieden werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung des Lasers derart, dass die Schweißnaht eine größere Härte als das Grundmatehal des Werkstücks hat. Die Schweißnaht kann dabei porös ausgebildet werden.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Tiefe der Schweißnaht gleich oder größer als die Tiefe der Kerbabschnitte. Liegt die Gesamttiefe (Schweißnaht + Kerbabschnitte) im Bereich zwischen 0,4 bis

1 mm, beträgt die Tiefe der Schweißnaht dabei mehr als 50 %.

Eine besonders effektive Rissfortpflanzung erhält man, wenn die Schweißnaht in einem Schnitt quer zur Schweißnahtlängsachse in etwa V-förmig oder konkav verrundet ausgebildet ist, wobei sich die Kerbabschnitte aus dem Boden der V-Kerbe heraus erstrecken.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Verfahrens, mit dem eine Schweißnaht in ein bruchzutrennendes Werkstück eingebracht wird,

Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung eines Kerbabschnittmechanismus und Figur 3 ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit der Bruchtrennkraft aus der Tiefe der Kerbabschnitte ableitbar ist.

Eine Bearbeitungseinheit zum Bruchtrennen von Werkstücken, beispielsweise Pleuel, Kurbelgehäuse, Bolzen etc., hat eine nicht dargestellte Bruchtrenneinheit, durch die das Bruchtrennen des Werkstücks erfolgt. Dieses Werkstück kann eine Lageraus- nehmung, beispielsweise ein großes Pleuelauge aufweisen, in das dann zum Bruchtrennen ein Crackdorn eintaucht. Prinzipiell möglich ist es jedoch auch, bolzenformige Werkstücke bruchzutrennen, wobei dann auf den Außenumfang des Werkstücks eine Bruchtrennkraft aufgebracht wird. Erfindungsgemäß wird im Bereich der Bruchtrenn- ebene mittels einer anhand Figur 1 schematisch erläuterten Lasereinheit 1 eine

Schweißnaht ausgebildet, die dementsprechend an diametral gegenüberliegenden Abschnitten bzw. Umfangsbereichen der Lagerausnehmung oder umlaufend am Außenumfang des Werkstücks ausgebildet ist. Die Bearbeitungseinheit kann des Weiteren noch Stationen zur Zu- und Abführung der Werkstücke, eine Schraubstation, eine Buchseneinpressstation etc. aufweisen.

Die in Figur 1 angedeutete Lasereinheit 1 ist als 3D-Laserscanner ausgebildet. Derartige Laserscanner werden mit verringerter Leistung zum Beschriften von Werkstücken eingesetzt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Leistung im Bereich von 50 W. Der Laser selbst ist ein Faserlaser, dessen über Lichtleiter geführter Laserstrahl über einem Schwenkspiegel 2 und ein lediglich angedeutetes Austrittsfenster 4 auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird. Der 3D-Scanner ist dabei so ausgelegt, dass der Laserstrahl in X-, Y- und Z-Richtung verstellbar ist, so dass der Laserstrahl 6 exakt auf den zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks 8 fokussiert werden kann. Wie dargestellt, ist das Ausgangsfenster 4 im Abstand zum Werkstück 8 ausgebildet, so dass eine Verschmutzung durch beim Bearbeiten auftretende Dämpfe vermieden wird.

Der Laserstrahl 6 wird derart angesteuert, dass am Außenumfang eines bolzen- förmigen Werkstücks beziehungsweise am Innenumfangsbereich eines Lagerauges oder dergleichen eine Schweißnaht 10 ausgebildet wird, die sich in der Darstellung gemäß Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Diese Schweißnaht 10 ist in der Darstellung gemäß Figur 1 in etwa V-förmig ausgebildet, wobei sich aus einem Scheitel 12 Kerbabschnitte 14 heraus erstrecken, die nicht oder zumindest nur teilweise mit Schmelze gefüllt sind und somit hohl ausgebildet sind.

Zur Verdeutlichung ist in Figur 1 a ein Schnitt entlang der Linie A, B in Figur 1 dargestellt. Dementsprechend sieht man die Schräganstellung der Kerbabschnitte 14. die durch den Einkoppelwinkel des Laserstrahls 6 vorgegeben ist. Das Austrittsfenster 4 der Lasereinheit 1 (3D-Scanner) ist dementsprechend relativ weit weg vom Bearbeitungsbereich angeordnet, so dass eine Verschmutzung des Austrittsfensters 4 durch Dämpfe vermieden wird. In den meisten Fällen beträgt die Gesamttiefe S1 + S2 etwa 0,4 bis 0,6 mm. Die Tiefe S1 der Schweißnaht 10 beträgt dabei zumindest 50, vorzugsweise etwas mehr als 50 % der Gesamttiefe, so dass entsprechend die Tiefe der Kerbabschnitte etwas ge- ringer als die Schweißnahttiefe sein kann. Selbstverständlich sind auch Abweichungen von diesen Geometrievorgaben möglich.

Das Gefüge der Schweißnaht 10 hat eine größere Shore-Härte als das Grundmaterial des Werkstückes. Des Weiteren ist diese Schweißnahtgefügestruktur nicht homogen, sondern leicht porös ausgebildet. Dies wird in der Darstellung gemäß Figur 1 a mit einem Riss 16 gekennzeichnet. Die Kerbabschnitte 14 entstehen durch sogenannte„Tiefschweißeffekte", bei denen durch den nach dem Q-Switch-Verfahren betriebenen Faserlaser des 3D-Laserscanners sogenannte Keyholes ausgebildet werden, die durch Verdampfen des Materials aufgrund der Laserenergie entstehen.

Es entsteht eine sogenannte Dampfkapillare, durch die hindurch der Metalldampf abströmt. Durch die Q-Switchsteuerung und den damit einhergehenden periodischen Zusammenbruch der zugeführten Laserenergie entstehen die dargestellten Kerbabschnitte 14 und die in der Darstellung gemäß Figur 1 darüber liegende Schweißnaht 10, die dadurch entsteht, dass das Material nicht vollständig aus der Dampfkapillare abströmt, so dass diese wieder gefüllt wird und eine durchgängige Schweißnaht entsteht.

Dieser Effekt ist in Figur 2 dargestellt. Beim sich anschließenden Bruchtrennen, beispielsweise durch einen Crackdorn wird die Bruchtrennkraft zunächst in den Bereich der vergleichsweise harten Schweißnaht eingeleitet. Aufgrund der großen Härte und Porosität dieser Schweißnaht entsteht dort ein Riss, der sich dann über die hohlen Kerbabschnitte 14 ins Material fortsetzt, so dass das Werkstück entlang der Bruchtrennebene mit hoher Präzision und Reprodu- zierbarkeit bricht. Die Rissfortpflanzung ist durch die Schweißnaht 10 und die sich daraus heraus erstreckenden Kerbabschnitte 14 verursacht. Ohne diese Kerbabschnitte 14 müssen deutlich höhere Bruchtrennkräfte aufgebracht werden, um das Werkstück bruch zu trennen. Dies ist anhand Figur 3 erläutert, die mittig ein Diagramm zeigt, bei dem die Kerbtiefe durch Variation des Vorschubs des Lasers, das heißt der Bewegung des Laserstrahls in der Pfeilrichtung in Figur 1 a variiert ist. Man erkennt aus diesem Diagramm, dass ab einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit die Tiefe der Kerbabschnitte S2 gegen Null geht. In den rechts dargestellten Diagrammen sind die bei den in Figur 3 eingezeichneten Pfeilen erforderlichen Bruchtrennkräfte dargestellt. Man erkennt, dass die Bruchtrennkräfte bei nicht vorhandenen Kerbabschnitten (Kerbtiefe S2 gleich Null) deutlich höher ist als bei Schweißnähten, die mit Kerbabschnitten ausgebildet sind. Die Tiefe der Schweißnähte ist in der Darstellung gemäß Figur 3 mit S1 gekennzeichnet.

Beispielsweise bei der Pleuelbearbeitung wird das gecrackte Pleuel nach dem Bruchtrennen verschraubt und dann gegebenenfalls in einer weiteren Bearbeitungsstation stirnseitig plan geschliffen. Anschließend wird das große Pleuelauge vorgebohrt, wobei das Vorbohren derart erfolgt, dass die harten Bereiche der nach dem Bruchtrennen verbliebenen Teile der Schweißnaht nahezu vollständig entfernt werden. Das Material im Bereich der Kerbabschnitte ist demgegenüber vergleichsweise weich, so dass diese Kerbabschnitte nicht oder nur teilweise entfernt werden müssen. Im An- schluss an das Vorbohren erfolgt eine Feinbearbeitung, bei der beispielsweise etwa 150 μιτι entfernt werden. Im Anschluss daran erfolgt das Feinbohren, bei dem die eigentliche Geometrie des Pleuelauges, beispielsweise eine Ovalität oder eine Trompetenform mittels eines radial verstellbaren Feinbohrkopfs ausgebildet wird. Dieses Feinbohren erfolgt dann entsprechend in dem vergleichsweise weichen Material, so dass die Standzeit des Feinbohrwerkzeuges nicht beeinträchtigt ist.

Offenbart ist ein Verfahren zum Bruchtrennen eines Werkstücks, wobei im Bereich einer Bruchtrennebene eine Schweißnaht mit sich darauf heraus erstreckenden Kerbabschnitten ausgebügelt wird. Bezugszeichen:

1 Lasereinheit

2 Spiegel des 3D-Laserscanners

4 Austrittsfenster

6 Laserstrahl

8 Werkstück

10 Schweißnaht

12 Boden

14 Kerbabschnitt

16 Riss