Wisniewski, Horst (Dorfstr. 33, Aalen, 73433, DE)
Hansch, Stefan (Sperberweg 67, Aalen, 73434, DE)
Wisniewski, Horst (Dorfstr. 33, Aalen, 73433, DE)
| 1. | Vorrichtung zum Bruchtrennen eines ringförmigen Abschnitts (12) eines Werkstücks (10) , mit einer Aufnahme (34) zum Lagern des Werkstücks (10) während der Bearbeitung, einer Lasereinrichtung (30) zum Ausbilden von Kerben in einer Umfangsflache (16) des ringförmigen Abschnitts (12) , und einer Bruchtrenneinrichtung (32) zum Bruchtrennen des ringförmigen Abschnitts (12) des Werkstücks (10) entlang einer durch die Kerben vorgegebenen Bruchebene (S) , dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (30) und die Bruchtrenneinrichtung (32) eine einzige Bearbeitungsstation bilden und mit ihnen das Ausbilden der Kerben und das Bruchtrennen des Werkstücks (10) von gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks (10) aus ausführbar sind. |
| 2. | Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Werkstück in einer Beförderungsrichtung (B) durch die Bearbeitungsstation hindurch befördert wird und die Lasereinrichtung (30) und die Bruchtrenneinrichtung (32) in einer Richtung voneinander beabstandet sind, die im rechten Winkel zu dieser Beförderungsrichtung (B) verläuft. |
| 3. | Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Lasereinrichtung (30) und die Bruchtrenneinrichtung (32) vertikal oder horizontal voneinander beabstandet sind. |
| 4. | Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem einen Schlitten (42) aufweist, mittels dessen die Bruchtrenneinrichtung (32) zu der Aufnahme (34) hin und von dieser weg bewegbar ist. |
| 5. | Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem einen Schlitten (44) aufweist, mittels dessen die Aufnahme (34) zu der Lasereinrichtung (30) und/oder der Bruchtrenneinrichtung (32) hin und von dieser weg bewegbar ist. |
| 6. | Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Lasereinrichtung (30) und die Aufnahme (34) für das Werkstück (10) relativ zueinander derart angeordnet sind, dass ein von der Lasereinrichtung (30) erzeugter Laserstrahl (L) im wesentlichen parallel zur Umfangsflache (16) des Werkstückes (10) verläuft . |
| 7. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Lasereinrichtung (30) zumindest einen Laserstrahl (L) im wesentlichen im rechten Winkel zur Mittelachse (M) des ringförmigen Abschnitts (12) des Werkstücks (10) erzeugt. |
| 8. | Vorrichtung zum Erzeugen von Kerben in einer Umfangsflache (16) eines ringförmigen Abschnitts (12) eines Werkstücks (10) , mit einer Aufnahme (34) zum Lagern des Werkstücks (10) während der Bearbeitung, und einer Lasereinrichtung (30) zum Ausbilden von Kerben in der Umfangsflache (16) des ringförmigen Abschnitts (12) , dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (30) und die Aufnahme (34) für das Werkstück (10) relativ zueinander derart angeordnet sind, dass ein von der Lasereinrichtung (30) erzeugter Laserstrahl (L) im wesentlichen parallel zur Umfangsflache (16) des Werkstückes (10) verläuft. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem einen Schlitten (40) aufweist, mittels dessen die Lasereinrichtung (30) zu der Aufnahme (34) hin und von dieser weg bewegbar ist. |
| 10. | Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6 oder 8, bei welcher die Lasereinrichtung (30) zumindest einen Laserstrahl (L) im wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) des ringförmigen Abschnitts (12) des Werkstücks (10) erzeugt. |
| 11. | Verfahren zum Bruchtrennen eines ringförmigen Abschnitts (12) eines Werkstücks (10) , in welchem zunächst mittels Laserenergie Kerben in einer Umfangsflache (16) dieses ringförmigen Abschnitts (12) ausgebildet werden, die den Verlauf einer Bruchebene (S) vorgeben, und in welchem der ringförmige Abschnitt (12) des Werkstücks (10) in einem anschließenden Bruchtrennvorgang entlang dieser Bruchebene (S) bruchgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden der Kerben und das Bruchtrennen des Werkstücks (10) in einer einzigen Bearbeitungsstation von gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks (10) aus ausgeführt werden. |
| 12. | Verfahren nach Anspruch 11, in welchem zum Ausbilden der Kerben in der Umfangsflache (16) des ringförmigen Abschnitts (12) des Werkstücks (10) zumindest ein Laserstrahl (L) im wesentlichen parallel zur Mittelachse dieses ringförmigen Abschnitts (12) gerichtet wird. |
| 13. | Verfahren nach einem der Ansprüche 11 und 12, in welchem zum Ausbilden der Kerben in der Umfangsflache (16) des ringförmigen Abschnitts (12) zumindest ein Laserstrahl (L) im wesentlichen parallel zur Umfangsflache (16) gerichtet wird. |
| 14. | Verfahren nach Anspruch 11, in welchem zum Ausbilden der Kerben in der Umfangsflache (16) des ringförmigen Abschnitts (12) des Werkstücks (10) zumindest ein Laserstrahl (L) im wesentlichen im rechten Winkel zur Mittelachse dieses ringförmigen Abschnitts (12) gerichtet wird. |
| 15. | Verfahren zum zum Erzeugen von Kerben in einer Umfangsflache (16) eines ringförmigen Abschnitts (12) eines Werkstücks (10) mittels Laserenergie, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden der Kerben in der Umfangsflache (16) des ringförmigen Abschnitts (12) zumindest ein Laserstrahl (L) im wesentlichen parallel zur Umfangsflache (16) gerichtet wird. |
| 16. | Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 15, in welchem die in der Innenumfangsflache (16) des ringförmigen Abschnitts (12) des Werkstücks (10) erzeugten Kerben eine Breite bis etwa 0,5 mm und eine Tiefe bis etwa 1,0 mm haben. |
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren für das Bruchtrennen eines ringförmigen Abschnitts eines Werkstücks .
Stand der Technik
Das Bruchtrennen von Werkstücken findet beispielsweise bei der Herstellung von Pleueln oder Kurbelgehäusen für Verbrennungsmotoren Anwendung. Dabei werden in der Innenumfangsfläche eines Lagerabschnitts zwei einander diametral gegenüberliegende Kerben ausgebildet, die eine Bruchebene vorgeben, entlang der das Werkstück in zwei Teile getrennt werden kann. Das Ausbilden der Kerben, auch Ritzen genannt, findet in einer Raumstation oder Laserstation statt.
Das Bruchtrennen als solches erfolgt in einer räumlich getrennten Bruchtrennstation, in der ein Spreizelement - beispielsweise ein Spreizdorn oder ein Paar Spreizbacken - in den zu trennenden Abschnitt eingebracht wird, so dass das Werkstück durch die aufgebrachten Spreizkräfte und die Spannungskonzentration in den Kerbscheiteln entlang der vorgegebenen Bruchebene getrennt wird.
Nach dem Bruchtrennvorgang (Cracken) und einigen Zwischenbearbeitungsschritten können die beiden Teile wieder zusammengefügt werden. Durch die beim Bruchtrennen entstehende unregelmäßige, vergleichsweise großflächige Bruchfläche wird ein definiertes Zusammenfügen des Werkstücks erleichtert, wobei die Verzahnungen der Bruchflächen ein seitliches Verschieben der Werkstückteile verhindern. Die die Bruchebene vorgebenden Kerben können beispielsweise mittels eines Räumverfahrens ausgebildet werden. Bedingt durch die Form des Räumwerkzeugs werden dabei V-förmige Kerben ausgebildet, die eine vergleichsweise große Kerbweite aufweisen.
Aus US 5,208,979 ist ein Verfahren bekannt, in welchem ein Laser zum Erzeugen solcher Kerben verwendet wird. Dabei wird der schräg zur zu ritzenden Oberfläche verlaufende Laserstrahl zusätzlich zu seinem Axialvorschub quer zur entstehenden Kerbe verschwenkt. Die entstehende Kerbe ist ebenfalls V-förmig.
In Weiterbildung dieses Verfahrens werden solche Kerben auch gemäß EP 0 808 228 Bl mittels eines Lasers in der Innenumfangsflache eines Pleuellagerabschnitts erzeugt. Hier wird der Laser aber derart angesteuert, dass eine Vielzahl von voneinander beabstandeten und linienförmig hintereinander liegenden Kerbabschnitten ausgebildet werden. Der Winkel zwischen der Achse der Kerbabschnitte und der Pleuelachse beträgt vorzugsweise zwischen 30° und 60°.
Schließlich beschreibt auch WO 97/22430 ein Verfahren zum Erzeugen einer Anrißstelle zum Bruchtrennen eines Pleuels, bei dem die Anrißstelle entlang einer Seite einer Bruchtrennebene durch von der Bauteiloberfläche aus angeordnete Vertiefungen mit Stegen ausgebildet wird. Bei einem Bauteil aus duktilem Metall werden zumindest die Stege zur Erzeugung erster Starterrisse zur Bruchauslösung zumindest abschnittsweise versprödet bzw. durchgehärtet.
In all diesen bekannten Verfahren wird der Laser in einer Laserstation meist von oben zu dem Werkstück hin bewegt, oder alternativ das Werkstück aufwärts zu dem stationär angeordneten Laser geführt, um die Kerben oder Anrißstellen auszubilden. Anschließend wird das Werkstück zu einer separaten Bruchtrennstation befördert und dort bruchgetrennt, wobei das zum Bruchtrennen verwendete W
Spreizelement ebenfalls meist von oben in den ringförmigen Abschnitt des Werkstücks eingebracht wird.
Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bruchtrennen eines ringförmigen Abschnitts eines Werkstücks der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen der Arbeitsablauf beim Bruchtrennen des Werkstücks vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird einerseits gelöst mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß dem Anspruch 11.
Demzufolge sind die Lasereinrichtung und die Bruchtrenneinrichtung von gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks aus zu dem Werkstück hin zustellbar.
Die Lasereinrichtung und die Bruchtrenneinrichtung sind erfindungsgemäß in einer einzigen Bearbeitungsstation integriert, in der sie von gegenüberliegenden Seiten aus auf das Werkstück zugreifen können. In dieser Station können zunächst mittels der Lasereinrichtung von einer Seite des Werkstücks aus die die Bruchebene vorgebenden Kerben ausgebildet werden, und anschließend kann das Werkstück sofort von der anderen Seite aus mittels der Bruchtrenneinrichtung bruchgetrennt werden. Das Werkstück muss nach dem Ausbilden der Kerben nicht mehr von einer Lasereinrichtung hin zu einer Bruchtrennstation befördert werden. Dies vereinfacht den Arbeitsablauf spürbar und verringert außerdem auch die Anschaffungskosten der Vorrichtung, da statt zwei separater Stationen - der Laserstation und der Bruchtrennstation - nur eine einzige Bearbeitungsstation vorgesehen werden muss.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen abhängigen Ansprüchen beschrieben. Wenn das Werkstück in einer Beförderungsrichtung durch die Bearbeitungsstation hindurch befördert wird, sind die Lasereinrichtung und die Bruchtrenneinrichtung vozugsweise in einer Richtung voneinander beabstandet, die im rechten Winkel zu dieser Beförderungsrichtung verläuft. Die Lasereinrichtung und die Bruchtrenneinrichtung können beispielsweise vertikal oder horizontal voneinander beabstandet, d.h. übereinander oder nebeneinander angeordnet sein.
Mittels jeweiliger Schlitten können die Lasereinrichtung, die Bruchtrenneinrichtung und/oder die Aufnahme zur Bearbeitung des Werkstücks beweglich gelagert sein. Zum Ausbilden der Kerben wird demnach entweder die Lasereinrichtung oder die Aufnahme zugestellt. In gleicher Weise kann zur Bruchtrennung entweder die Bruchtrenneinrichtung oder die Aufnahme mit dem Werkstück geeignet zugestellt werden.
Die Lasereinrichtung kann zur Ausbildung der Kerben in der Innenumfangsfläche des ringförmigen Abschnitts des Werkstücks Laserstrahlen in jedem Winkel zwischen 0° und 90° zur Mittelachse dieses ringförmigen Abschnitts erzeugen, beispielsweise parallel zu dieser Achse bzw. parallel zur Umfangsflache, oder im rechten Winkel dazu.
Andererseits wird die oben angegebene Aufgabe auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kerben in einer Umfangsflache eines ringförmigen Abschnitts eines Werkstücks gemäß dem Anspruch 10 sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Kerben in einer Umfangsflache eines ringförmigen Abschnitts eines Werkstücks mittels Laserenergie gemäß dem Anspruch 15.
Demzufolge wird zum Ausbilden der Kerben in der Umfangsflache des ringförmigen Abschnitts zumindest ein Laserstrahl im wesentlichen parallel zur Umfangsflache gerichtet. Die in der Umfangsfläche des ringförmigen Abschnitts des Werkstücks erzeugten Kerben können dabei eine Breite bis etwa 0,5 mm und eine Tiefe bis etwa 1,0 mm haben.
Die Ausrichtung des Laserstrahls parallel zur zu ritzenden Oberfläche war bisher aufgrund der relativ zur Länge der zu ritzenden Oberfläche kurzen Fokuslänge des Laserstrahls nicht für möglich gehalten worden. Untersuchungen der Erfinder haben überraschenderweise ergeben, dass diese Vorstellung irrig war. Bruchtrennversuche mit so geritzten Kerben haben zu qualitativ hochwertigen Werkstücken bei niedriger Bruchkraft geführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den anliegenden Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Pleuel, das mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bruchgetrennt werden kann, Fig. 2 das Pleuel nach dem Bruchtrennen, Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 5 eine alternative erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bruchtrennen von Werkstücken, Fig. 6 eine in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbare Laseroptik in der Draufsicht, und Fig. 7 eine Schnittansicht der Laseroptik aus Fig. 6. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Pleuel 10, dessen ringförmiger Lagerabschnitt 12 mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bruchgetrennt werden kann.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind an der Innenumfangsfläche 16 des Lagerabschnitts 12 mittels der Lasereinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits zwei einander diametral gegenüberliegende Kerben 18 ausgebildet worden. Diese Kerben 18 geben eine Bruchebene vor, entlang der der Lagerabschnitt 12 mittels der Bruchtrenneinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bruchgetrennt werden kann.
Fig. 2 zeigt schematisch den Lagerabschnitt 12 des Pleuels nach dem Bruchtrennen: er ist entlang der Bruchebene S in zwei Teile 20, 22 geteilt worden.
Nach dem Bruchtrennen kann der ringförmige Lagerabschnitt 12 an einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle angebracht werden, indem die beim Bruchtrennen entstandenen beiden Teile 20, 22 mittels zweier Pleuelschrauben 14 (Fig. 1) wieder miteinander verbunden werden.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. In einer einzigen Bearbeitungsstation sind eine Lasereinrichtung 30 zum Ausbilden der Kerben sowie eine Bruchtrenneinrichtung 32 zum Bruchtrennen des Werkstücks integriert.
Eine Aufnahme 34 dient dazu, das Werkstück, dessen ringförmiger Abschnitt 12 hier im Schnitt dargestellt ist, während der Bearbeitung zu lagern.
Mittels einer unterhalb der Aufnahme 34 vorgesehenen, vertikal zustellbaren Lasereinrichtung 30 werden die diametral gegenüberliegenden Kerben in der Innenumfangsfläche 16 des Abschnitts 12 des Werkstücks ausgebildet. Die Lasereinrichtung 30 ist dazu an einem Schlitten 40 gelagert, der seinerseits bezüglich eines stationären Gehäuseteils vertikal auf- und abwärts beweglich ist. Diese vertikale auf- und Abwärtsbewegung erfolgt im rechten Winkel zu einer Beförderungsrichtung B, in der das Werkstück in die Bearbeitungsstation hinein und aus ihr heraus befördert wird.
In der dargestellten Ausführungsform verlaufen die Achsen der Laserstrahlen L zum Ausbilden der Kerben parallel zur Mittelachse M des ringförmigen Abschnitts 12, und ferner parallel zur Innenumfangsflache 16. Bei der Erzeugung der Kerben als Vorbereitung für das Bruchtrennen des ringförmigen Abschnitts des Werkstücks wird der Laserstrahl somit parallel zur zu ritzenden Fläche gerichtet. Dies hat auch den wesentlichen Vorteil, dass der Laserstrahl ausgehend von der Lasereinrichtung direkt auf das Werkstück treffen kann und nicht zusätzlich umgelenkt zu werden braucht .
Nach dem Ausbilden der Kerben mittels der Lasereinrichtung 30 kommt eine Bruchtrenneinrichtung 32 zum Einsatz, die oberhalb der Aufnahme 34 angeordnet ist und ebenfalls vertikal, d.h. rechtwinklig zur Beförderungsrichtung B des Werkstücks, in Richtung der Aufnahme 34 zustellbar ist. Die Bruchtrenneinrichtung 32 ist dazu an einem Schlitten 42 gelagert, der seinerseits bezüglich eines stationären Gehäuseteils vertikal ab- und aufwärts beweglich ist. Zum Bruchtrennen dient wie in herkömmlichen Vorrichtungen ein Spreizelement wie beispielsweise ein Spreizdorn oder ein Paar Spreizbacken.
Anschließend kann das Werkstück in der durch den Pfeil B gekennzeichneten Beförderungsrichtung aus der Bearbeitungsstation heraus befördert und abschließend bearbeitet werden.
Alternativ zu der gemäß Fig. 3 verwendeten Lasereinrichtung kann auch jede andere, an sich bekannte Lasereinrichtung verwendet werden. Es kann sich dabei auch um eine solche Lasereinrichtung handeln, die nur einen einzigen Laserstrahl erzeugt, der durch geeignetes Verfahren der Lasereinrichtung oder des Werkstücks zum Ausbilden beider Kerben dienen kann. Auch die an sich bekannten Lasereinrichtungen mit sich kreuzenden Strahlen können eingesetzt werden.
Die Laserstrahlen L können dabei zwar grundsätzlich einen beliebigen Winkel zwischen 0° und 90° mit der Mittelachse des Werkstücks bilden, aber Winkel von 0° und 90° haben entsprechend einen besonders niedrigen Energieeinsatz und eine besonders gut definierte Risseinleitung bei niedriger Brechkraft ergeben. In Fig. 4 ist beispielsweise der Fall dargestellt, in dem die Lasereinrichtung 30 so ausgestaltet ist, dass die Achsen der Laserstrahlen L im rechten Winkel zur Mittelachse M des ringförmigen Abschnitts 12 sowie zur Umfangsflache 16 verlaufen. Ansonsten gleicht die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung der in Fig. 3 gezeigten.
Statt die Lasereinrichtung 30 und die Bruchtrenneinrichtung 32 mittels der Schlitten 40, 42 zu dem Werkstück auf der Aufnahme 34 hin und davon weg zu bewegen, kann auch die Aufnahme 34 verschiebbar ausgestaltet sein. Eine solche Variante ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist die Aufnahme 34 ihrerseits an einem vertikal beweglichen Schlitten 44 angebracht, während die Lasereinrichtung 30 und die Bruchtrenneinrichtung 32 stationär sind. Die Zustellbewegung der Aufnahme 34 erfolgt wiederum im rechten Winkel zur Beförderungsrichtung B des Werkstücks.
In den Ausführungsformen der Figuren 3 bis 5 sind die Lasereinrichtung 30 und die Bruchtrenneinrichtung 32 übereinander angeordnet, und das Werkstück wird horizontal durch die Bearbeitungsstation hindurchbewegt (Richtung B) . Es ist jedoch ebenso gut denkbar, die Lasereinrichtung 30 und die Bruchtrenneinrichtung 32 nebeneinander, d.h. horizontal beabstandet anzuordnen.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht einer Laseroptik 100, wie sie in einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 30 verwendet werden könnte.
Aus Fig. 6 ergibt sich zunächst der Strahlengang des Laserstrahls L durch diese Laseroptik 100 hindurch: ausgehend von dem Laser 140 durchläuft der Laserstrahl L zunächst einen justierbaren 50% / 50%-Strahlteiler 110, der den Laserstrahl L in zwei Teilstrahlen L1, L" aufteilt. Mittels dieser beiden Teilstrahlen L', L" können gleichzeitig zwei Kerben in einem bruchzutrennenden Werkstück erzeugt werden. Dazu werden die Teilstrahlen L', L" mittels justierbarer Strahlumlenkungen 120, 121 umgelenkt und zu zwei Schwenkeinheiten 130 geleitet.
Wie aus der Schnittansicht in Fig. 7 deutlich wird, weisen diese Schwenkeinheiten 130 jeweils eine um 180° schwenkbare Bearbeitungseinheit 131 auf; die Schwenkrichtung ist in Fig. β jeweils mittels eines Pfeils V gekennzeichnet. Die Teilstrahlen L1 , L" werden in den entsprechenden Bearbeitungseinheiten 131 noch mittels einer weiteren justierbaren Strahlumlenkung 122 umgelenkt. Durch die Bearbeitungseinheiten 131 hindurch werden die Laserstrahlen L1, L" dann zu zwei Laserköpfen 132 geleitet, die sich am Ende der Bearbeitungseinheiten 131 befinden und aus denen die Laserstrahlen L', L" zum Ausbilden von Kerben in einem Werkstück austreten.
Die Gestaltung der Strahlumlenkung 133 am Ende der Bearbeitungseinheit 131 ermöglicht es durch eine besondere Form der Spiegelfläche, den Laserstrahl zylindrisch bzw. oval in Quer- und Längsrichtung aus den Laserköpfen 132 zu leiten.