DE29908585U1 - Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus diamanthaltigen Werkstoffen - Google Patents

Description

11103

12. Mai 1999

op/mal

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LASERpluss AG
Prof.-Schloßmacher-Str. 1

D-55743 Idar-Oberstein

Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus diamanthaltigen Werkstoffen

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Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus diamanthaltigen
Werkstoffen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus diamanthaltigen Werkstoffen, insbesondere zur Schneidkantenbearbeitung von Werkzeugen aus diamanthaltigen Werkstoffen.

Zur Bearbeitung abrasiver Materialien werden wegen ihrer erhöhten Standzeit zunehmend diamanthaltige Werkstoffe (PKD-Schichten) oder Diamantwerkstoffe in monokristalliner und polykristalliner Form (CVD-Schichten) eingesetzt. Werkzeuge mit Schneidkanten aus Diamantwerkstoffen nutzen sich zwar wegen der Härte des Materials nur wenig ab, die Herstellung dieser Werkzeuge ist aber sehr aufwendig.

Zur spanabhebenden Bearbeitung kann nur der Diamant selbst als Bearbeitungswerkzeug verwendet werden. Dieser wird in feiner Körnung als Staub in einer Suspension auf metallischen Trägern eingesetzt. Die Bearbeitung erfolgt durch Abrasion (Schleifen), wobei sich Werkstück und Werkzeug stark abnutzen. Die Abtragleistung des Schleifverfahrens ist sehr gering. Rotationssymetrische Werkzeuge mit vielen Schneiden können überhaupt nicht geschliffen werden, da die Schleifscheibenabnutzung von Schneide zu Schneide die Werkzeuggeometrie verändert. Daher ist das Herstellen von Profilen an mehrschneidigen Werkzeugen nicht möglich. Monokristalliner Naturdiamant kann nur in der Kristallrichtung bearbeitet werden. Existieren Strukturanomalien, kann der Diamantwerkstoff nicht bearbeitet werden.

Ein weiteres bekanntes Bearbeitungsverfahren für Diamantwerkstoffe ist die Elektroerosion, die allerdings nur für elektrisch leitfähige Diamant-

schichten (PKD) angewendet werden kann. Ein Nachteil der Erosionstechnik ist, daß ein relativ großer Bereich in der Grenzschicht des Diamanten zerstört wird. Daher ist eine Nachbearbeitung der zerstörten Zone durch Schleifen erforderlich.

Zur Werkzeugschneidenbearbeitung kann von dem Werkstück mit dem Laserstrahl schichtweise Werkstoff unter Bildung einer Schnittfuge abgetragen werden, die entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn verläuft. Um die einzelnen Werkstoffschichten abzutragen, wird der Laserstrahl in mehreren nebeneinander verlaufenden und/oder einander überlappenden Linien über die gesamte Breite der abzutragenden Fläche geführt. Der Werkstoffbearbeitung mit dem Laser sind dabei allerdings Grenzen gesetzt, da der auf die Werkstückoberfläche fokussierte Laserstrahl sich kegelförmig verbreitert. Dringt der Laserstrahl nach mehreren Durchläufen tiefer in das Material ein, wird er am oberen Rand der Schnittkante abgeschattet, wodurch seine Leistung im Fokus abnimmt. Dieser Effekt tritt bei Brennweiten von 50 mm schon ab einer Bearbeitungstiefe von 200 pm ein. Ein weiteres Problem bei der Tiefenbearbeitung von Diamanten ist die Zufuhr von Sauerstoff, die mit zunehmender Spalttiefe abnimmt und den Bearbeitungsprozeß verlangsamt, wodurch die thermische Belastung und damit die Gefahr der Zerstörung zunimmt. Hinzu kommt, daß bei metallisch gebundenen Werkstoffen mit zunehmender Tiefe Material nicht mehr aus der Schnittfuge ausgetragen werden kann. Die Folge ist, daß sich die Schnittfuge an der Eintrittskante verengt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Schneidkantenbearbeitung von Werkzeugen aus diamanthaltigen Werkstoffen mit hoher Präzision erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen desAnspuchs 1.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstükken aus diamanthaltigen Werkstoffen wird die Breite der abzutragenden Fläche, über die der Laserstrahl geführt wird, mit zunehmender Bearbeitungstiefe verringert. Dadurch lassen sich Schnittfugen mit geraden Schneidkanten ohne Radien ausarbeiten. Die Verringerung der Bearbeitungsbreite mit zunehmender Abtragtiefe führt weiterhin zu einer Verkürzung der Bearbeitungszeit. Die Bearbeitungszeit läßt sich dadurch in der Praxis auf bis zu 50 % reduzieren.

Die Bearbeitung kann an Einzelwerkzeugen wie auch an Rotationswerkzeugen mit endlicher Schneidenanzahl angewendet werden.

An die Bearbeitung von Schneidkanten für Konturwerkzeuge werden hohe Anforderungen gestellt. Die Schneidkanten sollten einen geraden Verlauf haben, häufig wird ein negativer Freiwinkel (Hinterschnitt) gefordert.

Zur Ausarbeitung einer Schneidkante mit negativem Freiwinkel ist der Laserstrahl bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhafterweise zu einer senkrecht auf der Werkstückoberfläche stehenden Achse um einen vorgegebenen Ablenkwinkel in einer Ebene schräggestellt, die mit der Normalen der Bearbeitungsbahn einen rechten Winkel einschließt, während der Laserstrahl über das Werkstück geführt wird.

Vorteilhafterweise ist der Laserstrahl derart auf das Werkstück gerichtet, daß dessen optische Achse senkrecht auf der Werkstückoberfläche steht, wobei der Laserstrahl vor dem Auftreffen auf die Werkstückoberfläche aus der optischen Achse in einer Ebene abgelenkt wird, die mit der Normalen der Bearbeitungsbahn einen rechten Winkel einschließt. Der abgelenkte Laserstrahl wird dann erneut abgelenkt und auf den Punkt der Werkstückoberfläche fokussiert, in dem die optische Achse des Laserstrahls die Werkstückoberfläche schneidet. Wenn die Bearbeitungsbahn nicht einen

geradlinigen, sondern einen gekrümmten Verlauf hat, wird der schräggestellte Laserstrahl um eine Achse gedreht, die senkrecht auf der Werkstückoberfläche steht. Dadurch wird erreicht, daß der Laserstrahl immer in einer Ebene schräggestellt ist, die mit der Normalen der Bearbeitungsbahn einen rechten Winkel einschließt.

Zur Beschleunigung des Abtrags kann der Schnittfuge Gas, insbesondere Sauerstoff, zugeführt werden. Auch kann Druckluft zur Reinigung zugeführt werden.

Es hat sich gezeigt, daß mit einem gepulsten Laserstrahl mit hoher Energiedichte im Brennpunkt auf einfache Weise diamanthaltiger Werkstoff oder Diamantwerkstoff unabhängig von der Kristallrichtung Punkt für Punkt mit relativ hoher Geschwindigkeit abgetragen werden kann.

Einkristalline Diamanten absorbieren im unbearbeiteten Zustand nur Bruchteile des Laserlichts. Beim ersten Auftreffen des Laserstrahls auf die Oberfläche muß die Energiedichte des Strahls so hoch sein, daß der absorbierte Teil des Lichts ausreicht, um eine thermische Reaktion in Gang zu setzen. Wenn die Reaktion in Gang gesetzt worden ist, besteht die Bearbeitungsfläche aus umgewandeltem Kohlenstoff, der das Licht vollständig absorbiert.

Bei polykristallinen Diamantwerkstoffen hingegen kann diese Anfangsreaktion vernachlässigt werden, da die Metallbindung der Diamantkörner ausreichend Licht absorbiert.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der Laser ein diodengepumpter Yd-YAG-Laser ist. Ein derartiger Laser hat einen kompakten Aufbau bei hoher Strahlqualität mit höherer Engergiedichte, kürzeren Laserpulsen und besserer Fokussierbarkeit als herkömmliche Laser. In der

Anschnittphase kann die Leistung präzise dosiert und für die Bearbeitung eine hohe Leistung eingestellt werden.

Vorzugsweise wird der Nd-YAG Laser im gütegeschalteten Betrieb angesteuert, so daß er kurze Lichtpulse mit hohen Energiespitzen erzeugt. Dies ist insofern vorteilhaft, als mit längerer Einwirkzeit des Laserlichts dem Material mehr Zeit bleibt, die Energie abzuleiten, wodurch die bearbeitende Wirkung des Laserstrahls abnimmt. Dieser Effekt spielt bei der guten Wärmeleitung eines Diamanten eine erhebliche Rolle.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Schneidkantenbearbeitung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 die Bearbeitung eines Werkstücks aus diamanthaltigem

Werkstoff mit einem gepulsten Laserstrahl in zeitlicher
Abfolge,

Figur 2 die Ausarbeitung einer Schnittfuge in dem Werkstück,

Figur 3 die Schneidkantenbearbeitung mit einem schräggestellten

Laserstrahl und

Figur 4 die erfindungsgemäße Schneidkantenbearbeitungsvorrichtung in vereinfachter schematischer Darstellung.

Figur 1 zeigt die Bearbeitung eines Diamanten mit einem gepulsten Laserstrahl in zeitlicher Abfolge. Der erste Laserpuls 1 trifft auf den noch unbearbeiteten Diamanten 1. Mit einem Linsensystem wird der Laserstrahl,

der einen konischen Verlauf hat, auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert. Der Laserstrahl wird mit einem diodengepumpten Nd-YAG Laser erzeugt, der im gütegeschalteten Betrieb angesteuert wird und kurze Lichtpulse mit hohen Energiespitzen erzeugt. Der Durchmesser des Laserstrahls im Brennpunkt 5 hängt von der Qualität des Lasers, dessen Strahldurchmessers und der Brennweite des Linsensystems ab.

Durch die Absorption des Lichts an der Oberfläche des Diamanten wird Plasma gezündet. Die hohen Temperaturen führen zur einer Reaktion des Kohlenstoffs im Diamanten mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft. Der Kohlenstoff verbindet sich mit dem Sauerstoff zu Kohlendioxid. An der Oberfläche des Diamanten entsteht reiner Kohlenstoff mit einer anderen Kristallstruktur. Dadurch steigt die Absorption des Materials für das Laserlicht stark an. Bei polykristallinen Diamantwerkstoffen wird die Metallbindung bei hohen Temperaturen verdampft. Je enger die zeitliche und räumliche Begrenzung des Lichtpunktes ist, desto geringer ist die Grenzschicht zwischen unbearbeitetem thermisch unbehandeltem Metall und verdampftem Material. Das Bearbeitungsergebnis wird genauer, die Nachbearbeitung geringer.

Mit jedem Laserpuls wird Material bis zu einer bestimmten Tiefe abgetragen. Die Bearbeitungstiefe hängt dabei von der Bündelung des Laserlichts, dessen Pulsleistung, Pulsdauer und dem Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft ab.

Der Laserstrahl wird mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit über die Werkstoffoberfläche geführt, so daß die Laserpulse 1,2, 3 ... &eegr; an unterschiedlichen Stellen auf das Werkstück auftreffen. Der Laserstrahl wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit über die Werkstückoberfläche geführt, daß sich die Stellen, an denen der Werkstoff punktförmig abgetragen wird, einander überlappen. Nach dem Bearbeitungsdurchlauf hinterläßt der La-

serstrahl einen Graben 4, der beispielsweise eine Breite von 25 &mgr;&igr;&tgr;&igr; und eine Tiefe von 15 &mgr;&igr;&eegr; haben kann.

Bei einem Fokusdurchmesser von 10 &mgr;&igr;&eegr; hat sich bei der Bearbeitung von Diamantschichten als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Laserpulse zwischen 5 und 25 % überlappen. Bei einer mittleren Pulsfrequenz von 5 KHz ergibt sich damit eine Vorschubgeschwinigkeit von 1,5 m pro Minute.

Figur 2 veranschaulicht wie mit dem Laserstrahl L eine breitere Schnittfuge in einem diamanthaltigen Werkstück 6 ausgearbeitet wird, um ein Schneidwerkzeug mit einer radienfreien Schneidkante 7 herzustellen, die einen positiven Freiwinkel aufweist.

Von dem Werkstück wird der Werkstoff mit dem Laserstrahl L schichtweise abgetragen. Zunächst wird der Laserstrahl L auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Der Laserstrahl wird dann in Längsrichtung der Schnittfuge 8 über deren gesamte Länge entlang einer geraden Linie 9 geführt. Daraufhin wird der Laserstrahl quer zu der Längsrichtung der Schnittfuge verschoben und wieder entlang einer Linie 10 in entgegengesetzer Richtung zurückgeführt. Die beiden Linien können nebeneinander verlaufen, oder einander überlappen. Auf dieser meanderförmigen Bahn B1 wird der Laserstrahl dann über die gesamte Breite der abzutragenden Fläche geführt, bis die erste Werkstoffschicht Aa abgetragen ist. Hierzu kann das Werkstück und/oder der Laserstrahl bewegt werden.

Um die nächste Werkstoffschicht Aa abtragen zu können, wird der Laserstrahl und/oder das Werkstück in einer senkrecht zu der Werkstückoberfläche verlaufenden Richtung verfahren, bis der Fokus des Laserstrahls im Grund der bisher ausgearbeiteten Schnittfuge liegt. Der Laserstrahl wird in dieser Ebene,wieder entlang einer meanderförmigen Bahn B2 über den Schnittfugengrund geführt. Dabei wird der Laserstrahl allerding nicht über die gesamte Breite b der Schnittfuge 8 geführt. Vielmehr wird der

Laserstrahl derart geführt, daß die äußeren Linien der meanderförmigen Bahn um den Betrag Ab nach innen versetzt sind. Die abgetragene Fläche hat somit eine Breite von b-2Ab.

In aufeinander folgenden Bearbeitungszyklen werden nun die weiteren Werkstoffschichten Aa bis zu der gewünschten Tiefe abgetragen. Dabei wird der Laserstrahl derart geführt, daß die äußeren Linien der jeweils meanderförmigen Bahn jeweils um die Strecke Ab gegenüber der darüber befindlichen Bahn nach innen versetzt sind. Die Strecke Ab ist von dem Divergenzwinkel des Laserstrahl L abhängig. Die Abtragebenen können stufenweise oder kontinuierlich tiefergelegt werden.

Da die Abtragfläche mit zunehmender Abtragtiefe verkleinert wird, kann es zu keiner Abschattung des Laserstrahls an den Kanten der Schnittfuge kommen. Somit wird in dem Werkstück eine Schnittfuge 8 mit einer geraden Schneidkante 7 ohne Radien ausgearbeitet.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein Werkstück 11 quer zur Längsrichtung der Schneidkante 12. Die Schneidkante hat einen negativen Freiwinkel &agr;, der als der von der Schneidkante und einer senkrecht auf der Werkstückoberfläche stehenden Achse 12 eingeschlossene Winkel definiert ist.

Um eine Schneidkante mit einem negativen Freiwinkel &agr; bearbeiten zu können, wird der Laserstrahl L schräggestellt.

Der Laserstrahl L wird gegenüber der senkrecht auf der Werkstückoberfläche stehende Achse 13 um einen Ablenkwinkel &bgr; in einer Ebene geneigt, die mit der Längsrichtung der Schnittkante einen rechten Winkel einschließt. Wenn die Schneidkante nicht einen geraden, sondern eine gekrümmten Verlauf hat, wird der Laserstrahl in einer Ebene schrägge-

stellt, die mit der in dem jeweiligen Bearbeitungspunkt an der Schneidkante anliegenden Normalen einen rechten Winkel einschließt.

Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Schneidkantenbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten einer Schneidkante mit negativem Freiwinkel, die einen geraden oder gekrümmten Verlauf haben kann, in vereinfachter schematischer Darstellung.

Die Vorrichtung verfügt über einen diodengepumten Nd-YAG Laser 14 und eine Antriebseinheit 15 zum Verfahren des Lasers in x-, y- und z-Richtung. Die Antriebseinheit 15 wird von einer Steuereinheit S angesteuert. Die Steuereinheit steuert die Antriebseinheit 15 nach einem vorgegebenen Steuerprogramm derart an, daß der Laser in x-, y- und z-Richtung verfahren wird. Der Laser 14 erzeugt einen gepulsten Laserstrahl L, dessen optische Achse mit 16 bezeichnet ist. Unterhalb des Lasers ist eine Halterung 17 für das zu bearbeitende Werkstück 18 angeordnet.

Zur Ausarbeitung der Schnittfuge wird der Laser von der Antriebseinheit 5 nach dem vorgegebenen Steuerprogramm derart verfahren, daß der Laserstrahl auf mäanderförmigen Bahnen über die Werkstückoberfläche geführt wird, wobei der Werkstoff schichtweise abgetragen wir, wie unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben ist.

Darüberhinaus verfügt die Vorrichtung über eine erste und zweite Ablenkeinheit 19, 20 für den Laserstrahl L sowie eine Fokussiereinheit 21, die an einem gemeinsamen Träger 22 befestigt sind.

Die erste Ablenkeinheit 19 ist ein in einem Winkel von 45 ° zu der optischen Achse 16 des Lasers schräggestellter Ablenkspiegel, der den Laserstrahl L aus der optischen Achse um 90 ° ablenkt. Die zweite Ablenkeinheit 20 ist ein neben der optischen Achse 16 im Strahlengang des Laserstrahls angeordneter zweiter Ablenkspiegel. Der zweite Ablenkspie-

gel ist derart schräggestellt, daß der Laserstrahl an einem Punkt B auf das Werkstück trifft, an dem die optische Achse des Lasers 16 das Werkstück schneidet. Bei der Fokussiereinheit 21 handelt es sich um ein im Strahlengang unterhalb des zweiten Ablenkspiegels angeordnetes Linsensystem, das den Laserstrahl auf den Bearbeitungspunkt B fokussiert.

Durch die Brennweite des Linsensystems und die Schrägstellung des zweiten Ablenkspiegels kann ein bestimmter Ablenkwinkel &bgr; eingestellt werden, um den der Laserstrahl L gegenüber einer senkrecht auf der Werkstückoberfläche stehenden Achse 16 schräggestellt ist. Je größer der Freiwinkel &ggr; der Schneidkante ist, desto größer ist der einzustellende Ablenkwinkel ß. Der Ablenkwinkel &bgr; liegt im allgemeinen zwischen 1 und 15°, vorzugsweise zwischen 8 und 12°.

Für den Fall, daß eine in z-Richtung verlaufende Schneidkante bearbeitet werden soll, werden der erste und zweite Ablenkspiegel derart eingestellt, daß der Laserstrahl in der x/y-Ebene abgelenkt wird. Für die Bearbeitung einer gekrümmten Schneidkante ist es erforderlich, den Laserstrahl nachzuführen.

Zum Nachführen des Laserstrahls verfügt die Vorrichtung über eine zweite Antriebseinheit 23, die den gemeinsamen Träger 22 für den ersten und zweiten Ablenkspiegel und das Linsensystem um die optische Achse des Lasers dreht. Die zweite Antriebseinheit 23 wird von einer zweiten Steuereinheit 24 angesteuert, die in Abhängigkeit von dem Verlauf der Schneidkante den gemeinsamen Träger derart um die optische Achse 16 des Lasers 14 rotiert, daß der Laserstrahl L immer in einer Ebene abgelenkt wird, die senkrecht auf der an dem jeweiligen Bearbeitungspunkt anliegenden Normalen liegt, d.h. der Laserstrahl in einer Ebene schräggestellt ist, die sich senkrecht zu der Normalen der Bearbeitungsbahn erstreckt. Für eine in x-Richtung verlaufende Schneidkante beispielsweise, wird der Laserstrahl in der y/z-Ebene abgelenkt.

Die Drehung der optischen Anordnung kann wegen der geringen Massen der Spiegel sehr schnell ausgeführt werden, so daß auch enge Radien mit gleichbleibender Geschwindigkeit bearbeitet werden können.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus diamanthaltigen Werkstoffen, mit
einem Laser (14) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls L,
einer Halterung (17) für das Werkstück,
einer Antriebseinheit (15) zum Verfahren des Lasers und/oder der Werkstückhalterung in Richtung und quer zur optischen Achse (16) des Lasers,
einer Fokussiereinheit (21) zum Fokussieren des Laserstrahls und
einer Steuereinheit (S) zum Ansteuern der Antriebseinheit (15), die derart zum Verfahren des Lasers und/oder der Werkstückhalterung in Richtung und quer zur optischen Achse (16) des Lasers ausgebildet ist, daß der Laserstrahl zum Abtragen einzelner Werkstoffschichten in mehreren nebeneinander verlaufenden und/oder einander überlappenden Linien unter Bildung einer Schnittfuge über die gesamte Breite der abzutragenden Fläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinheit (S) zum Ansteuern der Antriebseinheit (15) ferner derart zum Verfahren des Lasers und/oder der Werkstückhalterung in Richtung und quer zur optischen Achse (16) des Lasers ausgebildet ist, daß mit zunehmender Abtragtiefe die Breite der Fläche, über die der Laserstrahl geführt wird, verringert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Ablenkeinheit (19) zum Ablenken des Laserstrahls auf der optischen Achse des Lasers angeordnet ist und daß eine zweite Ablenkeinheit zum Ablenken des Laserstrahls neben der optischen Achse des Laserstrahls angeordnet ist, wobei die erste und zweite Ablenkeinheit (19, 20) und die Fokussiereinheit (21) derart ausgebildet sind, daß der Laserstrahl aus der optischen Achse des Lasers abgelenkt und der abgelenkte Laserstrahl auf einen Punkt (B) fokussiert wird, der auf der optischen Achse des Lasers liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Ablenkeinheit (19, 20) und die Fokussiereinheit (21) um die optische Achse 16 des Lasers L drehbar angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Antriebseinheit (23) zum Drehen der ersten und zweiten Ablenkeinheit (19, 20) und der Fokussiereinheit (21) um die optische Achse (16) des Lasers L und eine zweite Steuereinheit (24) zum Ansteuern der zweiten Antriebseinheit vorgesehen sind, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, daß der Laserstrahl aus der optischen Achse in einer Ebene abgelenkt wird, die mit der Normalen der Bearbeitungsbahn einen rechten Winkel einschließt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Ablenkeinheit (19, 20) Spiegel sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinheit (21) ein Linsensystem ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (14) ein diodengepumpter Nd-YAG Laser ist.