用于在尤其是切割工具的工件上形成导向斜面的装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于在工件上，尤其是切割工具上形成引导斜面的方法。待加工的工件被夹持在围绕旋转轴线被可旋转地驱动的夹持装置中，并且设置至少一个激光单元。夹持装置和激光单元可以通过至少一个CNC控制轴相对于彼此移动。激光单元是适于通过去除材料加工工件的类型。为了形成边缘，激光单元和夹持装置被控制成使得夹持装置中的工件围绕夹持装置的旋转轴线连续地旋转至少指定角度量，同时激光单元和夹持装置相对于彼此移动特定距离以便从工件去除材料，从而形成边缘。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在工件上形成边缘(margin)的方法，尤其是在切 割工具上形成边缘的方法，并且涉及用于执行该方法的计算机控制的加 工装置。

背景技术

边缘，也称为圆形刃带，被理解为表示在工件和切割工具(例如钻 孔工具和研磨工具)上的引导部分。边缘对于例如钻孔的壁的表面质量 是至关重要的。换句话说，边缘决定性地影响钻孔壁的粗糙度测量值， 例如诸如粗糙度深度等。为了解释“边缘”表示的意义，参照图9进行 说明。

图9示出深钻工具，具有导向块1和2、排屑槽3以及切割刃4。 在根据图9的放大局部图中，可以看到导向块2的边缘上的引导段5。 引导段5包括具有浮凸6的复杂的几何形状。

因为引导段对于将通过切割工具被加工的工件的表面质量是极为 重要的，因而边缘不得不以高精度形成。尤其地，以高精度制造边缘在 实践中被证实是困难的，因为具有浮凸和切口的边缘的几何形状复杂。

迄今为止，已经通过使用合适的圆柱形研磨机在工件上形成边缘。 使用这种圆柱形研磨机的情况下，圆形刃带或边缘的几何形状的变化只 可以是非常有限的程度，使得使用以前的方法制造的边缘大多数不得不 以圆柱形的形式形成，而不能具有例如后角。

为了形成边缘或圆形刃带，待加工的工件被夹持在圆柱形研磨机中 并随后通过研磨机加工。因为边缘不得不以高精度和尺寸精确度加工， 中间检查，即定期检查测量，是必要的。为此，工件-随后是切割工具不 得不被拆卸并从圆柱形研磨机中移除，以便能够夹持在分离的用于测量 的测量装置中。换句话说，在中间检查和最终的检查期间必须重新夹持 工件以手动测量。如果进一步的研磨操作是必需的，则工件随后再次被 夹持在研磨机中以继续研磨过程。工件的再夹持对尺寸精度和边缘形状 的精度具有负面的影响。

因为使用研磨轮研磨边缘，因此在研磨轮的进给运动中，还总是需 要考虑研磨轮本身的侵蚀，这对加工时间和加工精度具有相当大的负面 影响。而且，尤其地，在将被设置有边缘的长工件的情况下，例如钻孔 器，通过用圆柱形研磨机研磨而施加到工件的压缩力对工件的形式和形 状具有负面的影响。

通常，用于通过使用激光束加工工件的装置在现有技术中是已知 的，并且例如在文献DE4040554A1中公开。在该文献中公开的加工工 具包括壳体，其安装在机器柱状物上，并且在壳体内布置引导管以便能 够纵向运动。在壳体的后端部安装激光单元，激光单元的激光束通过聚 焦光学系统并且从喷嘴头射出，在壳体内设置用于将至少一种流体供给 至激光束的中心出口的装置。为了激光加工工件，引导管水平地移动， 直到喷嘴头紧接在待加工工件表面的前面。激光单元被驱动以层的方式 执行材料的去除，同时工作台执行组合的水平移动和围绕垂直轴线的旋 转运动。为了实施在工件上的切割加工操作，通过工具更换装置用切割 工具替换激光头。

然而，现有技术已知的通过激光束加工工件的装置不适于在工件或 切割工具上形成边缘，因为其设计成在实心工件内形成腔。这种边缘是 将要形成在工件的圆周表面上并且具有复杂的几何形状，其与简单的腔 是没有可比性的。

此外，现有技术中已知用于从坯件形成旋转对称的工具的激光加工 装置，并且例如在DE102010011508A1中公开。

根据DE102010011508A1的激光加工装置具有控制装置和定位装 置，由此可以设定和改变激光头和工具坯件之间的相对位置。经由偏转 装置，通过激光器产生的激光束脉冲在脉冲区域的区域中被引导到坯件 的表面上。为了在工具坯件上形成切割刃或排屑槽，控制装置对应偏转 装置指定用于布置连续的冲击位置的脉冲路径。脉冲路径的路线依赖于 脉冲区域的形状，并且在矩形脉冲区域内具有蜿蜒的路线，其包括直线 部分路线。圆、椭圆或曲线形状的脉冲区域也是可以的。从开始点开始， 激光束脉冲沿脉冲路径布置，直到到达脉冲路径的终点。在到达终点时， 在偏转装置中重新设定运动并且激光束脉冲随后再次被布置在在开始点 开始的脉冲路径上，使得一层接着一层去除材料。在通过偏转装置加工 二维空间上受限制的脉冲区域的同时，定位装置同时引起脉冲区域在坯 件的表面上的相对运动。为了在坯件上形成排屑槽或切割刃，通过在坯 件表面之上脉冲区域的移动、以多次去除层的方式一层接着一层去除材 料，使得在相当多的材料移除之后形成想要的排屑槽。

在文献DE102010011508A1中公开的激光加工装置的情形中，通过 在坯件表面之上移动脉冲区域、以多次去除层的方式一层接着一层去除 材料。在此期间，激光束脉冲沿着指定脉冲路径的路线。在到达脉冲路 径的终点之后，重新设定移动，并且从脉冲路径的开始点开始去除待去 除的下一材料层。

在该文献中公开的激光加工装置通过重复沿着指定脉冲路径一层 接一层去除材料并且在每种情况下总是加工相同的指定区域，即，工件 上的排屑槽或切割刃的区域，直到其完成。根据DE102010011508A1的 激光加工装置不提供在切割工具上形成边缘，也不适于此，因为使用所 公开的装置仅能够在消耗过多的时间和成本的条件下形成切割工具上的 边缘所需的几何形状，尤其是在具有多个切割刃的工具的情形中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在工件上形成边缘的方法，使用该方法 可以迅速地且以高的精度为多种工件设置边缘。

通过具有权利要求1的特征的、在工件上形成边缘的方法以及通过 具有权利要求14的特征的、计算机控制的加工装置可以实现这个目的。

在每种情况下通过从属权利要求形成根据本发明的方法的优选的 变形形式。

在根据本发明的方法的情形中，待加工的工件被夹持在可以围绕旋 转轴线被旋转驱动的夹持装置中。提供至少一个激光单元用于加工夹持 在夹持装置中的工件。激光单元是适于通过去除材料加工工件的类型。 夹持装置和激光单元可以通过至少一个CNC-控制轴相对于彼此运动。

为了形成边缘，激光单元和夹持装置被控制成使得夹持装置中的工 件围绕夹持装置的旋转轴线步进地或连续地旋转至少特定角度量，同时 激光单元和夹持装置相对于彼此移动至少特定距离，以便从工件去除材 料，从而形成边缘。

换句话说，工件在夹持装置内围绕夹持装置的旋转轴线旋转，同时 激光单元和夹持装置相对于彼此在至少一个CNC控制轴的至少一个轴 向方向上移动特定距离，即进给量，以便以指定量从工件去除材料。通 过夹持装置和激光单元之间的相对运动和/或工件围绕旋转轴线的旋转 可以确定材料去除。根据本发明，在其他因素中，通过引导工件或待加 工的区域进入激光单元产生的激光束来实现材料去除。在此过程中，由 于连续的旋转，可以引导工件的将要被加工的一个区域或多个区域，连 续地进入激光束，使得激光束可以作用在工件上以去除材料。

如果工件是(例如在相同的半径上)具有多个切割元件或切割区域 的切割工具，则由于工件围绕旋转轴线的连续旋转，切割元件可以被引 导进入激光束，使得激光束可以连续地加工其上将要形成边缘的切割刃 或切割元件的区域。在大多数情况下，该区域是在切割元件上的径向外 表面或切割工具的圆周表面。

由此，可以清楚知道，使用根据本发明的方法，与根据 DE102010011508A1的现有技术不同的是，不需要重复沿着指定脉冲路 径以从工件一层接一层地去除材料。在根据本发明的方法中，在工件或 工具的可选地连续旋转和激光单元与夹持装置之间的相对运动的条件下 将待加工区域引导进入激光束，或将激光束应用到旋转的工件。

通过夹持装置和激光单元相对于彼此的相对运动和同时发生的夹 持装置中工件的旋转，激光单元和夹持装置相对于彼此的复杂的移动模 式是可能的。通过这些移动模式，还可以形成具有浮凸、切口以及后角 的引导段的复杂几何形状。

与现有技术相比，使用根据本发明的方法可以完全消除对所用工具 (例如研磨轮)的不想要的影响，因为通过激光单元发射的激光束在工 件上形成边缘，而不施加力至工件上。结果，尤其是非常薄且长的工件 也可以设置有引导段，而不会变形。

工件，尤其是切割工具上的边缘的特定几何形状可以使得对于装有 待加工的工件的夹持装置在每种情况下均需要改变其围绕旋转轴线的旋 转方向一指定角度量，即工件围绕旋转轴线沿一个方向旋转指定角度量。 随后，围绕旋转轴线在另一方向上进行方向改变。使用夹持装置的这种 控制，加工精度可以进一步提高，同时避免不平衡影响。

进一步地，在边缘的制造期间，夹持装置可以被控制和驱动，使得 夹持装置中的工件围绕旋转轴线连续旋转。此处，例如，工件围绕旋转 轴线以大于20rpm的旋转速度旋转或工件的枢转运动是可想得到的。

为了测量夹持装置中的工件，设置测量装置，使用测量装置在夹持 装置中的工件上执行测量。可以在进行工件加工的相同的夹持装置中使 用根据本发明的方法执行中间检查和最终检查。因而现有技术中需要的 用于测量的工件的重新夹持步骤被免除了。通过免除工件的重新夹持步 骤，可以显著地提高边缘的形成的精确度。

在工件的最终检查之后，即工件加工和测量之后，可以以自动的方 法换成新的未加工工件。因而可以在已经执行工件的最终检查或最终测 量之后，通过机器人或处理装置自动地更换工件。

相应地，测量操作和工件更换都可以以自动的方式执行。正如所说， 还可以以自动的方式，执行用于检查和校正(在合适的情况下)的任何 必要的中间测量。在通过根据本发明的方法可以进行的自动操作的情况 下，可以以无人的方式制造复杂的工件或切割工具。根据本发明的方法 因此有助于显著地提高生产率和效率。

由于夹持装置和激光单元的控制以及工件的自动测量，还可以独立 地监测机器内部部件和机器元件。结果，由于例如各个机器元件上的磨 损带来的不精确度可以被独立地检测。使用根据本发明的方法的控制， 实现执行该方法的机器的一种自检查。

优选地，使用根据本发明的方法加工圆柱形或圆锥形工件或切割工 具。切割工具设置有螺旋线和/或轴向地直线延伸的切割刃。边缘的加工 的复杂度根据切割工具的切割刃的成形增大。往往是，切割工具也具有 可互换的切割刃。如果工件是切割工具，尤其是钻孔和打磨工具，夹持 装置和激光单元可以被控制，使得激光单元从切割工具的单个切割刃连 续地去除材料。换句话说，由于连续的旋转，待加工的工具的切割刃被 连续地引导通过由激光单元产生的激光束，以去除材料。

工件可以以多种方式夹持在夹持装置中。此处可以想到三种变形形 式。一方面，工件可以被夹持、非支撑的(水平地)、或悬空或直立地(垂 直地)位于夹持装置内。

另一方面，尤其是较长且薄的工件的情形中，工件有必要通过夹持 装置中的一个轴向端夹持，并且工件有必要通过其相应的另一轴向端例 如接合尾顶尖而被支撑。

尾顶尖在这种情况下可以被控制并配置成使得在完成加工之后从 尾顶尖释放工件，使得可以引入新的工件。为了释放或接合，可以沿工 件的纵向轴线方向驱动尾顶尖或驱动尾顶尖的接收装置。在此可以想到， 将可驱动的尾顶尖或用于尾顶尖的接收装置连接至激光单元和夹持装置 的控制装置。

尾顶尖还可以被控制成使得通过尾顶尖施加到工件上、以便保持工 件的最大允许保持力不被超过。根据工件的尺寸计算最大允许保持力。 在计算尾顶尖施加到工件上的最大允许保持力时，除了工件的长度和直 径以外，还考虑工件的形状和材料以便避免变形，以及尤其是由于过大 的保持力引起的工件上的沿径向方向的变形。

激光单元产生的激光束可以嵌入在水射流中，用于其引导或为了更 精确地照射工件。在这种情况下，水射流例如用作激光束的光导。

如上所述，激光单元和夹持装置相对彼此相对运动至少指定距离， 以便从工件去除材料。在边缘或圆形刃带的特定几何形状的情况下，需 要不全部一次执行相对运动的指定距离，而是分成各个分距离。换句话 说，工件在夹持装置中旋转，同时依赖于从工件去除材料的需要或去除 材料的程度以特定间隔执行指定距离的分距离的相对运动。相应地，在 单独的多个步骤中执行相对运动，这些步骤通过从工件去除材料的量确 定。

为了能够沿不同方向移动激光单元和/或夹持装置，可以通过至少四 个CNC控制轴移动激光单元和/或夹持装置。例如，激光单元和/或夹持 装置可以至少在X、Y、Z轴线方向上相对彼此移动，同时围绕X、Y、 Z轴线中的一个或多个枢转。因此可以使用根据本发明的方法加工工件 的全部表面，即径向表面和轴向表面，或这些表面的单个点。

本发明还涉及加工装置，尤其是多轴加工装置。加工装置包括在其 中实施上述种类的方法的控制装置、用于夹持工件的旋转地被驱动的夹 持装置以及激光单元。通过至少一个CNC控制轴可以相对于彼此移动 夹持装置和激光单元。

此外，本发明涉及用于接收尾顶尖的装置。该装置可以相对于工件 沿至少一个轴向方向被驱动，以便保持和释放工件。该装置还连接至控 制装置，所述控制装置设计成使得控制装置基于工件的尺寸确定最大允 许保持力。

附图说明

下面参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出待加工的切割工具的透视图；

图2示出待加工的切割工具的正视图；

图3示出图2的放大局部；

图4示出根据图1和2的切割工具的切割元件的透视图；

图5至8示出根据根据本发明的方法使用激光加工工具的情形的示 意透视图；和

图9示出用于总体上理解本发明的图。

具体实施方式

图1示出使用根据本发明的生成边缘的方法加工为工件的工具的一 个实施例的透视图。通过图1并且还通过图2至4的帮助，可以清楚地看到， 使用根据本发明的方法在切割工具上将要形成的边缘或圆形刃带表示什 么意义。此外，在此，在背景技术中给出的与图9相关的说明作参考。

切割工具10具有切割元件12和14，它们容纳并例如通过软焊固定在 工具10中的相应的凹部16和18内。切割元件12和14每一个包括切割刃20 和22。切割刃20和22位于切割元件12和14的沿径向向外突出到工具10的 外圆周之外的区域内。

图2示出工具10的正视图。在图2中，可以再次看到具有相应切割刃 20和22的切割元件12和14。切割元件12和14的切割刃20和22位于虚拟圆 24的半径上。

图3示出图2的局部A的放大的视图。在图3中，可以看到工具10的一 部分和具有其切割刃20的切割元件12的一部分。此外图中还示出具有特 定半径的虚拟圆24的一部分。在切割元件12的沿着切割刃20的区域中， 区域26在切割元件12的半径外表面上延伸。在区域26，将使用根据本发 明的方法形成边缘。边缘的区域26位于与切割刃20相同的虚拟圆24的半 径上。在边缘下面，通过使用斜面部分提供后角。

图4示出切割元件12的透视图。在图4中，与边缘对应的区域26以灰 色的方式加深颜色以清楚地显示。边缘的区域26从切割刃20开始在切割 元件12的半径外表面的特定部分上延伸。使用边缘或圆形刃带26，影响 表面质量，即，例如在其他参数中的钻孔壁的表面粗糙度。

图5示出图1至4中示出的工件的使用根据本发明的方法进行加工的 情形的示意透视图。

在这种情形中，工具10被夹持为夹持装置(未示出)中的工件，并 可以在围绕夹持装置的旋转轴线A的箭头28的方向上连续地旋转。而且， 工具10可以经由可驱动的夹持单元至少在箭头30、32、34(X、Y、Z方 向)的方向上相对于激光束36移动。进一步，产生示意地表示的激光束 36的激光单元(未示出)也可以相对于工具10在箭头30、32、34的方向 上移动。换句话说，可以在工具10连续地旋转的同时执行夹持装置(未 示出)和激光单元(未示出)产生的激光束36之间的相对移动。

为了在切割元件12和14中的一个的沿切割刃20的区域26(图3和4) 内加工边缘或圆形刃带，工具10围绕夹持装置的旋转轴线连续地旋转， 并且工具10例如以大于20rpm的旋转速度旋转，或枢转。通过工具10的 连续旋转，切割元件12和14被连续地引导通过激光束36，在此期间激光 束36从区域26去除材料以便能够形成边缘。因此在相同半径(图2)上的 切割元件12和14由于旋转而通过激光束36，并且激光束36连续地作用在 切割元件12和14上以便形成边缘。

除了工具10的连续旋转，工具10(经由未示出的夹持装置)以及产 生激光束36的激光单元(未示出)可以相对于彼此至少沿箭头30、32、 34的方向移动。激光单元和夹持装置的相对运动实现激光束36可以从不 同的角度和位置作用在待加工的切割元件12和14上的效果。换句话说， 工具10围绕旋转轴线连续地旋转，同时通过激光36和工具10之间的相对 运动，激光36被引导沿着切割元件12和14的区域26(图3和4)以便形成 边缘。夹持装置和激光单元的驱动优选通过一个或多个CNC-控制轴实 现。

由于工具围绕其旋转轴线的连续旋转，激光束基本上沿切线方向作 用在待加工的切割元件12和14的区域26上(图3和4)，这尤其在具有多个 切割元件12和14或切割刃的工具情形中有助于迅速且连续地在边缘所需 的单个切割元件12和14上形成几何形状或结构。

自然地，使用根据本发明的方法，还可以加工具有切割刃或切割元 件的工具和具有多于两个切割刃或切割元件的工具。

图6至8与图4大部分相同，但是示出夹持装置和激光单元之间的相 对运动是可以的，并且激光束也可以以不同的角度投射到待加工工件。

图5至8除了用于将激光束36引入到工件(工具)10上的不同的可能 方式，附加地示出激光束36总是用锥形表示。结果，一方面激光束聚焦 到加工位置被示出，另一方面也可以是，激光束可以实施旋转运动。

总而言之，可以知道，使用本发明可以获得对于克服在工具上形成 圆形刃带的相对困难的问题的显著的改善的可能。尤其地，假定对于复 杂工件几何外形的省时间的加工所需的复杂性增大的工件几何结构，本 发明提供相当大的优点。