DE8911733U1

DE8911733U1 - Düsenkopf für eine Laser-Fräsmaschine

Info

Publication number: DE8911733U1
Application number: DE8911733U
Authority: DE
Inventors: Werner Babel; Guenter Dr Ing Eberl; Peter Dr Ing Grund; Uli Dipl Phys Sutor
Original assignee: Maho AG
Current assignee: Maho AG
Priority date: 1989-10-02
Filing date: 1989-10-02
Publication date: 1989-11-16

Description

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Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 E"«**»" ^U** Attorneys Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 DipIHng. R. BEETZ sen. Telex 522048 - Telegramm Allpat* Müncten Dr.-Ing. R. BEETZ jun. Dr.-Ing. W. TIMPE

.,, &ldquor;, ,_A(-_r Dipl.-lng.J.SIEGFRIED

Z-4Z . 646G Prof.Dr.rer.nat W. SCHMITT-RJMIAN

Dipl.-Phys. Dr.rer.nat C-M. MAYR

DipL-lng. K. LAMPRECHT 11981 2. Oit.. 1589

MAHO Aktiengesellschaft, 8962 Pfronten

Düsenkopf für eine Laser-Fräsmaschine

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf für eine Laser-Fräsmaschine, dessen hohlzylindrisches Gehäuse ivi einem hohlkegeligen Mundstück endet und Anschlüsse sowie innere Strömungskanäle zur gesonderten axialen und schrägen Zuführung von unterschiedlichen Fluiden zu dem Auftreffbereich des Laserstrahls auf dem Werkstück aufweist.

Bei der abtragenden Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahls wird in der Regel ein Oxidationsmittel, meist Sauerstoff, achsparallel zum Laserstrahl auf das Werkstück geführt, um die Abtrageleistung des Laserstrahls durch thermo-chemische Reaktionen zu vergrößern und gleichzeitig die Abtragsprodukte aus der Wirkzone zu entfernen. Daneben gehört es auch bereits zum Stand der Technik (vgl. DE-OS 23 38 514, DE-OS 38 01 068, DE-GM 80 26 897·9) zusätzlich

H2-(x2469)-Sd-E

zum Oxidationsgas ein weiteres gasförmiges oder flüssiges Fluid auf den Einwirkbersitin ör-s Laserstrahls zu leiten, um die Abführung der Abtragsprodukte zu verbessern und insbesondere die angrenzenden Werkstückwände zu kühlen. Die zu diesem Zweck entwickelten Düsenköpfe weisen in einem Gehäuse erste koaxial zum Laserstrahl verlaufende Strömungskanäle für das Oxidationsgas sowie entweder gesonderte DUsen für die Flüssigkeitszufuhr (DE-OS 38 01 068) oder im Bereich der Austrittsöffnung des Laserstrahls schräg angeordnete Kanäle mit gesonderten Anschlußmitteln für die Kühlmittelzufuhr auf. Nachteilig bei diesen bekannten DUsenköpfen sind die relativ großen Abmessungen, die die Einsatzmöglichkeiten wegen Kollisionsgefahr mit komplizierter geformten Werkstückteilen beschränken. Darüber hinaus kann das von den Materialeigenschaften des zu bearbeitenden Werkstückes mitbestimmte optimale Mengenverhältnis zwischen den beiden zugeführten Fluiden nicht ohne weiteres verstellt werden. Darüber hinaus ist auch nicht sichergestellt, daß insbesondere das schräg auf den Einwirkbereich des Laserstrahls geführte Fluid sich mit dem Oxidationsgas möglichst innig vermischen kann und unter einem Winkel auf die jeweilige Werkstückwandung auftrifft, der unabhängig von der jeweiligen Vorschubrichtung des Werkstücks eine hochwirksame Abführung der aus Gasen, Dämpfen, Tröpfchen und festen Partikeln bestehenden Abtragsprodukte gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen für die Laser-Bearbeitung von Werkstücken unterschiedlicher Zusammensetzung und Form besonders geeigneten Düsenkopf aufzuzeigen, der bei geringen Abmessungen die gezielte Zufuhr eines fluiden

Mehrkomponenten-Gemiaches auf den Einwirkbereich des Laserstrahls gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Mundstück des Gehäuses ein Einsatz angeordnet ist, dessen konische Außenwand mit der konischen Innenwand des Mundstücks einen Strömungskanal für ein erstes Gas begrenzt und dessen Innenraum den sich zur DUsenöffnung hin verengenden axialen Strömungskanal für das Oxidationsgas bildet, wobei die Ausströmöffnung des konischen Strömungskanals die zentrale Austrittsöf fv,ung des axialen Strömungskanals koaxial umgibt.

Durch die Ausbildung des konischen Strömungskanals innerhalb des Gehäuses werden dessen Querabmessungen gegenüber bekannten Düsenkopfen wesentlich vermindert, was insbesondere für die Bearbeitung von kompliziert geformten Werkstücken vorteilhaft ist und auch größere Verschwenkbewegungen des DUsenkopfes gegenüber der zu bearbeitenden Werkstückfläche ohne Kollisionsgefahr ermöglicht. Darüber hinaus wird durch den konischen Verlauf dieses Strömungskanals sichergestellt, daß das darin zugeführte Gas stets von allen Seiten gleichmäßig in den Einwirkbereich des Laserstrahls auf dem Werkstück gelangt.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist der Einsatz höhenverstellbar und genau achszentriert im Gehäuse positioniert, was eine feinfühlige Verstellung des Durchflußquerschnitts des Strömungskanals und dessen Austrittsöffnung ermöglicht. Damit kann auf einfache Weise das Mischungsverhältnis zwischen dem axial zugeführten Oxidationsgas und der über den konischen Strömungskanal

zugefUhrten Druckluft eingestellt und an die jeweiligen Bearbeitungsbedingungen für unterschiedliche Werkstückmaterialien, wie Keramik, Kunststoff, Gummi, Metall, angepaßt werden.

Um eine über den Umfang möglichst gleichmäßige Druckverteilung im konischen Strömungskanal und in dessen Austrittsöffnung zu erzielen, ist im Gehäuse eine mit diesem konischen Strömungskanal kommunizierende Verteilerkammer angeordnet, die über mindestens eine Querbohrung im Gehäuse und einen Ringkanal mit einem Druckluftanschluß verbunden ist.

Zur genauen Zentrierung der Einlage im Gehäuse weist die Einlage einen die Verteilerkammer nach oben abschließenden hohlzylindrischen Abschnitt auf, mit dem sie in einen entsprechend zylindrischen Abschnitt im verdickten Mittelteil des Gehäuses eingepaßt und durch ein Schraubgewinde befestigt ist.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der verbreiterte mittlere Teil des Gehäuses von einem Ringkörper umgeben, der durch einen Gehäuseflansch und eine Ringschulter der Einlage festgelegt ist und den mit den Querbohrungen kommunizierenden Ringkanal sowie den Druckluftanschluß aufweist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere unter herstellungs- und montagetechnischen Gesichtspunkten vorteilhaft, da sie den Zusammenbau des gesamten DUsenkopfes lediglich durch Einschrauben der Einlage ermöglicht. Zur Erzielung einer möglichst guten Wärmeableitung besteht zumindest die Einlage zweckmäßigerweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Eine intensivierte Durchmischung der Druckluft mit den zentral aus dem Mundstück austretenden Sauerstoffstrahl und auch ein verbesserter Abfuhreffekt der Abtragsprodukt« zur Erzielung ebener hochwertiger Wand- bzw. Bodenflächen am Werkstück kann erzielt werden, wenn der ausströmenden Druckluft im konischen Strömungskanal eine Rotationsbewegung um die Längsachse, d. h. ein Drall, erteilt wird. Zu diesem Zwecke können im konischen Strömungskanal spiralförmig angeordnete Elemente, wie Nuten, in der einen oder anderen Begrenzungswand ausgebildet sein.

Weitere Vorzüge und Besonderheiten des erfindungsgemäßen DUsenkopfes ergeben sich aus der Zeichnung und der folgenden Beschreibung.

Der dargestellte Düsenkopf besitzt ein Gehäuse 1 mit einem verbreiterten Mittelteil 2 und einem konischen hohlen Mundstück 3, in dessen Innenraum eine etwa hohlzylindrische abgesetzte Einlage 4 achszentriert angeordnet ist. Diese Einlage ist im linken Teil der Zeichnung im Axialschnitt und im rechten Teil in Seitenansicht dargestellt. Der mittlere verbreiterte Teil 2 des Gehäuses 1 enthält einen Radialflansch 5 als Auflage für einen Ring 6. Im konischen Mundstück 3 des Gehäuses 1 erstreckt sich der Endteil 7 der Einlage 4j dessen konische Außenwand mit der ebenfalls konischen Innenwand des Mundstücks 3 einen durchgehenden konischen Strömungskanal 8 begrenzen, der am Mundstückende in einer als Ringschlitz ausgebildeten Austrittsöffnung 9 ausmündet. Diese Austrittsöffnung 9 umgibt konzentrisch eine innere zentrale Austrittsöffnung 10 am Ende des sich durch die gesamte hülsenförmige Einlage 4 axial erstreckenden Strömungskanals 11 für ein Oxidations-

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gas, insbesondere für Sauerstoff, in dessen Längsachse der Laserstrahl verläuft. Wie im rechten Teil der Einlage gezeigt, kann in deren konischer Außenfläche mindestens eine Spiralnut 12 ausgebildet sein, um dem im Strömungskanal 8 strömenden Druckgas, vorzugsweise Druckluft, eine Rotationsbewegung um die Längsachse 13 zu erteilen.

Oberhalb des konischen Abschnitts 7 weist die Einlage 4

) einen durch vier ebene achsparallele Flächen 14 gebildeten

Vierkantabschnitt auf, der zusammen mit der Gehäuseinnenwand eine Verteilerkammer 15 begrenzt. Im mittleren verdickten Teil 2 des Gehäuses 1 sind vier gegeneinander winkelversetzte schräge Querbohrungen l6 ausgebildet, die jeweils gegenüberliegend zu je einer der ebenen Flächen 14 in die Verteilerkammer 15 ausmünden.

Der Vierkantabschnitt der Einlage 4 geht in einen zylindrischen Zentrierabschnitt 17 über, an den sich ein Gewindeabschnitt l8 anschließt. Mit diesen beiden Abschnitten 17, 18 ist die Einlage 4 im Innenraum des Cie- \ häuses 1 achszentriert und in der Höhe feinfühlig verstellbar befestigt. An den Gewindeabschnitt 18 der Einlage 4 schließt sich über ein sich verbreiternde«* Zwischenstück 19 mit einer Fixierschulter 20 für den Ringkörper 6 ein Anschlußstutzen 21 mit Außengewinde 22 an. Dieser formstabile Anschlußstutzen 21 sichert eine feste Verbindung des Düsenkopfes an den ggf. beweglichen Führungselementen des Laserstrahls und gleichzeitig an einer Sauerstoffzufuhr.

Wie dargestellt, weist der Ringkörper 6 eine radiale Gewindebohrung 23 auf, in die ein - nicht dargestellter -

Anschlußnippel für die Druckluftzufuhr eingeschraubt werden kann. Diese Gewindebohrung 23 mündet in einen inneren Ringkanal 24, der mit den Querbohrungen 16 im Gehäuseteil 2 in Strömungsverbindung steht. In der oberen Stützfläche des Flansches 5 ist eine Ringnut zur Aufnahme eines O-Dichtungsringes 25 ausgebildet, der das Gehäuse gegenüber dem Ringkörper abdichtet. Ein weiterer O-Dichtungsring 26 befindet sich in einer Ringnut in der oberen Stirnfläche des Gehäuseteils 2 zur Abdichtung gegenüber dem Zwischenstück 19 der Einlage 4·

Bei dem vorstehend beschriebenen Düsenkopf wird durch die gesonderte Zuführung von Sauerstoff im axialen Strömungskanal 11 und von Druckluft im konischen Strömungskanal 8 eine intensive Vermischung beider Gase nach ihrem Austritt aus den jeweiligen Öffnungen 9, 10 erzielt, wobei durch ein mehr oder weniger tiefes Einschrauben des Gewindeabschnitts 18 der Einlage 4 die Spaltweite und damit der Durchflußquerschnitt dieses konischen Strömungskanals feinfühlig eingestellt werden kann. Auf diese Weise läßt sich auch die Zusammensetzung des Gemisches und die kinetische Energie des Druckluftstrahle den jeweiligen Betriebsbedingungen, insbesondere den Eigenschaften der verschiedenen Werkstückmaterialien, anpassen.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise der konische Strümungskanal 8 in eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Einzelkanälen unterteilt sein, die durch axial verlaufende Nuten in der Außenwand des Einsatz-Abschnitts 7 bzw. in der Innenwand des Mundstücke 3 eingearbeitet

sind. Darüber hinaus können durch den konischen Strömungs kanal 8 statt Druckluft auch andere Gase, Flüssigkeiten oder f eins*körnige Feststoff suspensionen in den Einwir": bereich des Laserstrahls auf das Werkstück geführt t-i-rden, um besondere Effekte, wie z. B. ebene Wand- bzw. Bodenfläc en. des bearbeiteten Werkstücks zu erzielen. Durch Zufuhr einer feinstkörnigen Feststoffsuspension können darüber hinaus, auch chsmomechanische Reaktionen im heißen Werksi-i'ckmaterial, d. h. feste oder schmelzflüssige Partikel in das Werkstückmaterial eingebracht werden.

Claims

Ansprüche

1. Düsenkopf für eine Laser-Fräsmaschine_> dessen hohlzylindrisches Gehäuse in einem hci-lkegel igen Mundstück ~ndet und Anschluss« sowie innere Strömungskanäle zur gesonderten axialen und &ckirä^-""\ Zuführung von verschiedenen

* / Fluiden aui den Einwlr*Bereich des Laserstrahls auf dem

Werkstück &iacgr;',-jLtvexat,

dadurch gekennzeichnet; ,

daß im Mundstück (3) des Gehäuses (1) ein Einsatz (4) angeordnet ist, dessen konische Außenwand mit der konischen Innenwand des Mundstücks (3) einen Strömungskanal (8) für ein Druckgas begrenzt und dessen Innenraum den sich zur DUscnöffnung (10) hin verengenden axialen Strömingskanal (11) für ein weiteres Druckgas bildet, wobei die ringförmige Austrittsöffnung (9) des konischen Strömungskanals (8) die zentrale Auetritteöffnung (10) des axialen Strömungskanals (11) koaxial umgibt.

2. Düsenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Einsatz (4) zur Änderung des Durchflußquerschnitte des konischen Strömungskanals (8) höhenverstellbar und achszentriert im Gehäuse (1) positioniert ist.

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3- Düsenkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnetj

daß im Gehäuse eine mit dem konischen Strömungskanal (8) kommunizierende Verteilerkammer (15) angeordnet ist, die über mindestens eine Querbohrung (l6) im Gehäuse (1) und einen Ringkanal (24) mit einem Druckluftanscn.'uß (23) verbunden ist.

/ 4· Düsenkopf nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einlage (4) im Bereich der Verteilerkaamer (15) einen Vierkantabschnitt (14) aufweist und über einen zylindrischen Abschnitt (17) ('sowie einen Gewindeabschnitt (l8)^chszentriert^in dem an das Mundstück (3) anschlie-

>:. ßenden verbreiterten Mittelteil (2) des Gehäuses (1) be-

* festigt ist.

■; 5· Düsenkopf nach einem des Ansprüche 1 bis 4,

/ dadurch gekennzeichnet,

:·' daß die Einlage (4) einen über das Gehäuse (1) nxia.1 vor-

.&iacgr; \ stehenden Stutzen (21) mit Befestigungsmitteln (22) für

den Anschluß an eine Sauerstoffzufuhr und an die Laserstrahl-Führung aufweist.

6. Düsenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der verbreiterte mittlere Teil (2) des Gehäuses (1) von einem Ringkörper (6) umgeben ist, der durch einen Gehäuseflansch (5) und eine Ringschulter (20) der Einlage (4) festgelegt ist und den mit den Querbohrungen (&Igr;&oacgr;) kommunizierenden Ringkanal (24) sowie den Druckluftan-

achluß (23) aufweist.

7· Düsenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem Gehäuse (1) und der Einlage (4) bzw. dem Ringkörper (6) O-Ringdichtungen (25, 26) angeordnet sind.

8. Düsenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest die einstückige Einlage (4) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

9. Düsenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß der vom Mundstück (3) und vom konischen Abschnitt (7) der Einlage (4) begrenzte Strömungskanal (8) durch spiralförmig angeordnete Leitelemente (12) als Drallkanal ausgebildet ist.