[O l ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Drehbearbeitung von Werkstücken mit einem Werkzeug, bei dem das Werkstück während der Drehbearbeitung mit einem Laserstrahl erwärmt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem Werkzeug für die Drehbearbeitung und einem Laser, um den Ort der Drehbearbeitung zu erwärmen.

[02] Beim Zerspanen von Materialien sollte das Werkstück duktiles Verhalten aufweisen, damit beim Zerspanen ein Span erzeugt wird. Materialien mit sprödhartem Ver- halten können durch eine spanende Drehbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide nicht bearbeitet werden, es kommt zum Materialbruch und zur Rissinduktion. Das Zerspanverhalten (duktil oder spröd-hart) hängt sowohl von dem jeweiligen Material als auch dem sogenannten Spanvolumen oder der kritischen Spantiefe ab. Wird bei spröd-harten Materialien das Spanvolumen derart reduziert, dass ein kritisches Spanvo- lumen unterschritten wird, verändert sich das spröd-harte Verhalten in duktiles.

[03] Durch eine Überlagerung einer Ultraschalloszillation an der Werkzeugschneide wird kein kontinuierlicher Fließspan erzeugt. In Schnittrichtung wird der Kontakt zwischen Werkzeug und Bauteil kontinuierlich unterbrochen, so dass immer nur kleinste Bereiche zerspanend bearbeitet werden. Durch diesen Ansatz können auch konventio- nell nicht zerspanbare sprödharte Materialien mittels Drehbearbeitung zerspant werden. Neben der Ultraschallüberlagerung zur Spanbildungsunterbrechung sind ein kleiner Vorschub und eine geringe Zustellung notwendig, um unterhalb des jeweiligen kritischen Spanvolumens zu bleiben. Das aus Prozesssicht notwendige geringe Zerspanvolumen führt zu geringer Produktivität und langer Bearbeitungsdauer.

BESTÄTIGUNGSKOPIE [04] Alternativ zum Ultraschall wurde für sprödharte Materialien vorgeschlagen, mit einem Laser das Material zu erwärmen. Dadurch erhöhen sich die Duktilität des Materials und damit das pro Zeit erreichbare kritische Spanungsvolumen.

[05] Zur ausreichenden Entfestigung des Materials wird jedoch eine hohe Laserleis- tung benötigt, da ein Teil der Laserstrahlung reflektiert wird und eine für die Drehbearbeitung sinnvolle Eindringtiefe im Material gewährleistet sein muss. Das Temperaturfeld im Material hängt in starkem Maß von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab.

[06] Das Erwärmen von spröden Materialien mit einem Laser ist für Hochpräzisions- fertigungsanlagen nicht geeignet, da die Erwärmung des Materials zu einer Material- ausdehnung führt und reflektierte Laserstrahlung die Maschine erwärmt. Eine punktuelle Erwärmung kann auch zu Materialspannungen führen. Daher ist eine hochpräzise Drehbearbeitung von Keramiken oder Hartmetallen, wie insbesondere Werkzeugformen, mit einer herkömmlichen Drehbearbeitung mit Lasererwärmung des Werkstücks nicht möglich. [07] Die Firma MicroLAM schlägt vor, für die Erwärmung des Werkstücks bei der Drehbearbeitung einen Laserstrahl durch das Werkzeug hindurch auf die Oberfläche des Werkstücks zu führen. Hierfür wird als Werkzeug ein Diamant verwendet, an dessen Rückseite ein Laserstrahl eingekoppelt wird, während seine Schneide mit dem Werkstück im Eingriff ist. Dadurch wird das Werkstück genau am Ort der Bearbeitung in kleinem Volumen des Bulkmaterials erwärmt. Derartige Vorrichtungen sind jedoch sehr aufwändig in der Herstellung und Prozesseinstellung und mit ihnen kann auch das Problem der Wärmeausdehnung während der Werkstückbearbeitung nicht vollständig behoben werden.

[08] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfah- ren und eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass sie für hochpräzise Werkstückbearbeitungsprozesse einsetzbar sind. [09] Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und vorrichtungsmäßig mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[10] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ausdehnung des Werk- Stücks während des Eingriffs zwischen Werkzeug und Werkstück zu einer schwer kontrollierbaren Spanabhebung fuhrt und die für den Prozess notwendige Laserleistung derart hoch ist, dass die Ausdehnung des Materials im Bereich der Bearbeitung nicht vernachlässigbar ist.

[1 1] Dieses Problem wird auf einfache Art und Weise mit einem Verfahren gelöst, bei dem das Werkstück nur zeitweise im Eingriff mit dem Werkzeug ist. Dies führt überraschenderweise dazu, dass auch eine hochpräzise Bearbeitung des Werkstücks möglich wird, da das Werkzeug nicht kontinuierlich am Werkstück anliegt.

[12] Die Kombination von Materialentfestigung durch Erwärmung mit einer ange- passten Spanvolumenreduktion führt zu einem zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Pro- zessgestaltung un'd ermöglicht es, je nach Vorgabe die Präzision und/oder die Produktivität zu erhöhen.

[13] Vorteilhaft ist es, wenn die Intervalle, während denen das Werkzeug das Werkstück berührt, länger sind als die Intervalle, während denen das Werkzeug das Werkstück nicht berührt. Dies führt zu einer hohen Produktivität, da das Werkzeug nur relativ kurz außer Eingriff mit dem Werkstück ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Werkzeug 2/3 des Intervalls oder sogar noch länger im Eingriff mit dem Werkzeug ist, um den Span zu bilden.

[14] Um besonders kurze Berührintervalle zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das Werkzeug mit einem Ultraschallschwinger bewegt wird. Ein Ultraschallschwinger kann präzise immer an der relevanten Stelle das Werkzeug für einen kurzen Moment mit dem Werkstück in Verbindung bringen, um in dieser kurzen Zeit das Abheben eines Spans voranzutreiben. Die problematischen Wärmeausdehnungen und Spannungen während des Eingriffs des Werkzeugs am Werkstück werden somit auf eine minimale Zeit reduziert.

[15] Um innerhalb dieser Zeit auch eine besonders hohe Kraft auf das Werkstück auszuüben, wird vorgeschlagen, dass das Werkzeug einen Diamant aufweist. Dies ermöglicht es auch besonders harte Materialien zu bearbeiten.

[16] Daher wird weiterbildend vorgeschlagen, dass das Werkstück aus Keramik, Glas oder Hartmetall hergestellt ist. Das Werkstück kann dabei beispielsweise eine Form aus Wolframkarbid sein, die hochpräzise bearbeitet wird. [17] Erfreulicherweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, das Werkstück mit einer Formgenauigkeit von unter 5 μηι und vorzugsweise sogar unter 1 μηι herzustellen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Werkstück nach der Drehbearbeitung eine Oberflächengüte von unter 5 nm und vorzugsweise unter 3 nm Mittenrauwert hat.

[18] Ein besonders vorteilhaftes Verfahren sieht vor, dass die Temperatur im Bereich der Drehbearbeitung koaxial zum Laserstrahl gemessen wird. Damit wird sichergestellt, dass die Temperatur genau an derjenigen Stelle gemessen wird, an der der Laserstrahl auf das Werkstück auftrifft.

[19] Um für die Drehbearbeitung möglichst konstant die optimale Temperatur am Werkstück einzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Temperatur im Bereich der Dreh- bearbeitung gemessen wird und zur Steuerung der Leistung des Laserstrahls verwendet wird. Dadurch kann während der Drehbearbeitung eine bestimmte Temperatur eingehalten werden und es können auch Temperaturprofile am Werkstück erzeugt werden.

[20] Dabei hat sich herausgestellt, dass die Leistung des Laserstrahls so bemessen sein sollte, dass auf dem Werkstück eine Temperatur von über 500 °C, vorzugsweise über 1000 °C erreicht wird. [21] Vorteilhaft ist es, wenn die Leistung des Laserstrahls auf einer Eindringtiefe vom 5- bis 10-fachen der Zustelltiefe des Werkzeugs abgestimmt ist.

[22] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leistung des Laserstrahls auf einer Eindringtiefe des Werkzeugs von 5 bis 10 μηι abgestimmt ist. [23] Um einen hochpräzisen Spanabtrag zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Fläche des Laserstrahls auf dem Werkstück einer Fläche mit einem Durchmesser von 10 bis 500 μηι entspricht.

[24] Eine Ausführungsvariante des Verfahrens sieht vor, dass die Fläche des Laserstrahls auf dem Werkstück im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch ist. Die Fläche kann dabei so bemessen werden, dass der Laserstrahl nicht aktiv dem Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Bauteil nachgeführt werden muss.

[25] Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die Fläche des Laserstrahls auf dem Werkstück breiter ist als der abzuhebende Span.

[26] Eine vorteilhafte Ausführungsvariante des Verfahrens sieht vor, dass die Leis- tung des Laserstrahls bei 1 bis 100 Watt liegt.

[27] Eine spezielle Ausführungsvariante sieht vor, dass der Laserstrahl gepulst ist und die Frequenz des Laserstrahls auf die Frequenz der Bewegung des Werkzeugs abgestimmt ist. Dabei kann der Laserstrahl auch als continuous wave auf das Werkstück auftreffen und das pulsen oder die continuous wave kann auf die Frequenz eines Ultra- schallschwingers abgestimmt sein.

[28] Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert:

Es zeigt die Figur schematisch die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Ultraschallschwinger und einem Laser.

[29] Die in der Figur dargestellte Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus dem Werkzeug 2 und dem Laser 3. [30] Das Werkzeug hat eine Schneide 4, die ein Werkstück 5 berührt. Diese Schneide 4 ist an einem Ultraschallschwinger 6 befestigt, der eine auskragende Sonotrode 7 aufweist, die an der Koppelstelle 8 mit einem Piezoerreger 9 in Verbindung steht. Dieser Piezoerreger 9 weist Piezokeramiken 10 auf, die mit einem Ultraschalgenerator 1 1 in Verbindung stehen. Dies führt dazu, dass die Spitze 12 des Werkzeugs 2 sich beispiels- weise in einer elliptischen Form 13 bewegt. Dadurch wird am Werkstück 5 mit dem Werkzeug 2 ein Spanabtrag bewirkt.

[31] Der Laserstrahl 14 des Lasers 3 ist über eine Fokussieroptik 17 mit Spiegeln oder Linsen genau auf den Ort der Berührung zwischen der Spitze 12 des Werkzeugs 2 und dem Werkstück 5 ausgerichtet und an diesem Ort der Bearbeitung wird koaxial zum Laserstrahl 14 mit der Temperaturmesseinrichtung 15 die Temperatur des Werkstücks im Bearbeitungsbereich gemessen, um auf die Steuerung 16 des Lasers 3 einzuwirken. Dabei kann der Laserstrahl auch über einen vorzugsweise flexiblen Lichtleiter geführt werden.

[32] Der Laser 3 steht Uber die Leitung 17 mit dem Ultraschallgenerator 1 1 in Ver- bindung, um die Zeit des Laserstrahls, seine Leistung und die Variation des Laserstrahls mit der durch den Ultraschallgenerator erzeugten Bewegung des Werkzeugs 2 abzustimmen.

[33] Bei der Bearbeitung können Werkzeug, Werkstück und Laser mit geeigneten Einrichtungen (nicht gezeigt) derart bewegt und zueinander angeordnet werden, dass das Werkstück mit hoher Präzision und Produktivität bearbeitet wird.