專利名稱：用激光束在工件中制造空腔的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用激光束在實心工件中制造空腔的方法和裝置，其中，激光束通過緊密相鄰設(shè)置的軌跡上作往返進給運動，對材料進行切削加工。
此外，本發(fā)明還涉及用激光束在實心工件中制造空腔的裝置，它具有一個電動的往返運動的工作臺，一個具有激光束聚焦元件和導向元件的激光裝置和一個用于激光裝置和工作臺進給電機的程序控制裝置。
至今，在實心工件中制造較大的盒形或箱形空腔，特別是鍛具和成形刀具，一般是對在電動可移動的工作臺上夾緊的工件進行電蝕和/或材料切削加工來實現(xiàn)的，隨著大功率激光裝置的發(fā)展，其在工件加工方面的應用范圍還可進一步擴大。
作為實例，DE-GM8701354.1公開了一種方法，該法是將兩個相反傾斜的并在一條直線上相交的傾斜切割施加到工件上。通過端面?zhèn)惹懈畹倪B續(xù)進行，就產(chǎn)生縱向延伸的楔形件，并在它們?nèi)〕鲋笮纬衫庑蔚陌疾邸＿@些是在兩個相鄰凹槽之間遺留的縱向延伸的凸起則用相反傾斜的激光束通過相同形式的加工過程隨后去掉。但是，已經(jīng)證明，用這種方法則不能制造出平整和足夠光滑的凹槽底面。此外，在相交的切割線區(qū)域還可能通過再凝固的材料產(chǎn)生焊接作用，這就妨礙了取出已切割的扇形件。
在DE2443334A1中公開了一種用激光束雕刻表面的方法和裝置，其中，激光束以彼此緊密相鄰的平行線方式滑過工件表面，并同時將材料從要加工成的溝紋中加工掉。在JP-OS-59-47086中公開了一種類似的在的陶瓷工件中加工平坦凹槽的方法，其中，通過激光束沿緊密相鄰設(shè)置的軌跡作往返運動以使材料熔化，并通過一種壓力流體除掉。但是，用這種公知的方法，不能制造具有垂直的或后傾的邊墻的較深凹槽。亦即在邊墻區(qū)域，對于垂直投射到工件表面的激光束來說，要產(chǎn)生變化的吸收和反射條件，由此則導致邊墻不與工件表面相垂直，而是向里有一個基本的傾斜。在加深度較小的類似溝紋的凹槽時，這種邊墻傾斜以及在邊墻基部的倒圓溝槽還可以接受，但在凹槽較深時，這種傾斜的內(nèi)墻則通常是不希望的。
在DE3544396A1中，公開了一種在板形體中制造具有傾斜切削棱的開口的加工方法，其中，工件按與激光束的縱軸線成一個予定的銳角進行定位，然后，在平板上通過一次或數(shù)次的行形掃描而切割出上述通孔。
在CH453523中描述了一種激光切割機，它具有一個電動往返運動的工作臺。一個具有激光源，電動激光導向件和聚焦元件的激光裝置，以及用于激光裝置和進給電機的程控裝置。為切割隙縫式開口，激光導向件將激光束原有的圓形橫截面變換成一種矩形的橫截面。
本發(fā)明的任務是，揭示一種在實心的工件中用激光束制造空腔的加工方法，用此方法，能夠制造較深的凹槽，它具有相當光滑的與工件表面垂直的或后傾的邊墻，還具有平整光滑的底部。
這一任務在本發(fā)明的第一個解決方案中是如此解決的，即，激光束在每個線性的加工過程期間都回轉(zhuǎn)一個予定的轉(zhuǎn)角，同時，工件在圍繞激光束的回轉(zhuǎn)軸的圓弧上同步作往返運動，其中，在加工一層材料之后，這種線性的加工過程是層狀方式重復的，直至達到規(guī)定的空腔深度。
本發(fā)明另外一個解決方案的特點是，激光束在每個線性加工過程期間作直線往返運動，同時，工件作同步旋轉(zhuǎn)和提升運動，其中，在加工一層材料之后，這個線性的加工過程以層狀方式進行重復直至達到空腔規(guī)定的深度。
本發(fā)明第三個解決方案的特點是，該垂直夾緊的工件，在每個線性加工過程期間，圍繞一個垂直的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一個予定的角度，而聚焦的激光束的焦點在水平的射線軸上作同步移動，同時，在加工一層材料之后，這個線性的加工過程以層狀方式重復進行直至達到空腔的規(guī)定深度。
通過本發(fā)明對激光束和工作臺的不同運動形式的合理安排，使激光束按照一個可調(diào)節(jié)的角度投射在工件上，同時，加工點或焦點的位置就在工件中保持在一個不變的水平上。而激光束在每個線性加工過程的終了時的相對傾斜位置就能夠制造相對工件表面垂直的邊墻和有可后傾邊墻的凹槽，并可獲得一個幾乎具有平整和光滑底面的，在邊墻過渡處有明顯銳角的空腔。當激光束在一個線性的加工過程終了時即垂直地投射到工件表面上時，在這一區(qū)域則由于部分反射或吸收現(xiàn)象而產(chǎn)生一個不完全的加工，這樣在應用重復實施加工過程來制造較深的凹槽的情況下導致了一種輪廓向里傾斜的邊墻。這種現(xiàn)象可通過使投射到工件表面上的激光束作相對傾斜而得以避免。此外，通過本發(fā)明對回轉(zhuǎn)運動和直線運動的組合，還可使激光束相對于工件實現(xiàn)一個均勻的相對速度，依此確保對激光束具有一個不變的吸收作用，進而確保一個平整的底面。對這些效應起輔助作用的還有，對激光束的位置根據(jù)焦點的進給速度進行一個相應的功率控制，例如，在凹槽相應的邊墻區(qū)域?qū)⒓す夤β蕼p少，也就是說，在每個線性加工過程終了時減少激光功率，以便補償在這一區(qū)域由于被迫出現(xiàn)的焦點停留時間的增長而造成的影響。
當激光束從一個至少供有一種壓力流體的噴咀中射出時，該壓力流體在每個加工過程的始點和終點以大致和激光束相同的傾斜度射在工件上，這樣，就正好在臨界的角形區(qū)域?qū)鈶B(tài)的和液態(tài)的材料顆粒產(chǎn)生一種強化的沖吹作用。這一效應還可通過有目的將流體傾斜輸送到焦點上而得到加強，同時，這種流體可以是一種壓力氣體，如空氣、氧氣或惰性氣體，和/或一種適當?shù)囊后w、懸浮液或彌散物。
在第一個解決方案中，該水平的激光束在一個反射器上被偏轉(zhuǎn)到垂直方向，而投射到工件上的激光則通過反射器的轉(zhuǎn)動而偏轉(zhuǎn)。這一方法揭示了這種可能性，即，在實心圓柱體中加工出盒形或環(huán)形的凹槽，并在這一加工過程到達實心圓柱的水平旋轉(zhuǎn)軸時，就將其切斷并且使其具有光滑的端面。這一加工方法實際上對于高硬度的特殊材料具有重要的意義，因為它們不能進行切削加工或是極其困難。
第三個變型方法的方案可提供一個較高的能量收益，其中，激光束不進行使功率減少的反射器上的偏轉(zhuǎn)，而是水平投射到工件上，同時，它在由圓弧形運動分量和直線運動分量組合成的軌跡上運動。
為了補償制造凹槽邊墻和底部加工條件的不規(guī)則性，按照本發(fā)明一個優(yōu)選的方案是，在層狀方式的加工過程重復之前，將工件繞其垂直軸轉(zhuǎn)動90°。而層狀方式加工過程的重復數(shù)目就決定了凹槽的深度以及底部的表面粗糙度或光滑度，同時，通過控制其他的運動參數(shù)，如激光功率，旋轉(zhuǎn)運動的速度，掃描頻率等類似參數(shù)，就能對底表面的平整度和光滑度產(chǎn)生進一步有利的影響。
此外，對所制造的凹槽的邊墻輪廓有特別意義的是本發(fā)明按目的要求而設(shè)置的這樣一個技術(shù)方案，其中，工件表面和激光束之間的傾斜角在每個直線的加工過程終了時，隨著增加凹槽深度而增加，也就是說隨著增加的層狀加工過程的深度而增大。同時，激光束和工件表面之間的這一傾斜角在第一次加工過程開始時可以計為90°，然后在進一步的層狀方式加工過程中，按希望的方式進行調(diào)節(jié)。
此外，本發(fā)明技術(shù)方案還有一個用激光束在實心工件中制造空腔的裝置，它是由一個電動往返運動的工作臺，一個具有激光束聚焦元件和導向元件的激光裝置，一個用于激光裝置和工作臺進給電機的程序控制裝置所組成。按照本發(fā)明要求，在一個支架的前端安裝一個電動的可繞水平激光束軸線轉(zhuǎn)動的含有一個反射器的回轉(zhuǎn)頭，該反射器使激光束偏轉(zhuǎn)90℃進入垂直平面。在這個裝置中，該工作臺是在垂直和水平方向上可移動的，以便在一個弧形軌跡上完成往返的進給運動。
本發(fā)明另外一個用激光束在實心工件中制造盒形或箱形空腔的裝置同樣包括一個電動的往返運動的工作臺，一個帶有激光束聚焦元件和導向元件的激光裝置和一個用于激光裝置和工作臺的進給電機的程序控制裝置。在本發(fā)明這一裝置中，激光裝置和聚焦元件在縱向是可移動設(shè)置的，并在設(shè)置成旋轉(zhuǎn)臺的工作臺上安裝一個具有垂直的工件夾緊面的工件架。
另外的結(jié)構(gòu)設(shè)置和特點是從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案。
本發(fā)明一個根本的優(yōu)點是，在相同機器上不用較多的改裝時間就能夠以高的加工效率制造不同材料的工件，至今為止還沒有另外的加工方法能夠做到這一點。它能夠加工由陶瓷、玻璃、特種鋼、鈦和特殊合金材料制成的工件，同樣能加工連接材料的工件，例如強纖維材料，燒結(jié)體和層狀設(shè)置的結(jié)構(gòu)體。相對于傳統(tǒng)的切削加工工藝而言，本發(fā)明用激光束加工材料不產(chǎn)生一般加工時的作用力，而在切削加工時，這種切削作用力一般是擺動和振動噪聲的誘因。此外，還可以通過加工兩側(cè)面的工藝在實心工件中制造出薄壁的隔板，其壁厚為十分之幾毫米并具有垂直或后傾的邊側(cè)面。最后，還能夠在復雜的工件中如由陶瓷或鈦制造的渦輪上加工出狹窄而深的溝槽如1毫米寬，而這種加工至今只能由電蝕加工完成，既費時又很昂貴。本發(fā)明另外的優(yōu)點和特性由附圖描繪的實施例中得以實現(xiàn)，下面對這些實施例作詳細說明。


圖1是描繪第一種激光加工方法的工作原理的簡圖。
圖2是描繪應用圖1中工作原理加工圓柱工件的情況圖。
圖3是描繪另一種激光加工方法的工作原理的簡圖。
圖4A，4B.是描繪其他的激光加工方法的工作原理的簡圖。
圖5為本發(fā)明帶積分式激光裝置的加工設(shè)置立體圖。
圖6為帶有單獨的激光裝置的加工設(shè)備。
圖7為帶有水平的激光裝置的加工設(shè)備。
圖8、9為在激光裝置頭部安置了噴咀的兩個實施結(jié)構(gòu)圖。
在正視圖的圖1中，描繪了一個箱形的殼體1，它在機床支架2的平滑表面上即沿垂直圖面的方向上是可移動的，并在其端側(cè)支承著一個回轉(zhuǎn)頭3。箱形殼體1的水平軸向運動和回轉(zhuǎn)頭3圍繞軸線4的轉(zhuǎn)動是通過未劃出的電機實現(xiàn)的，而電機是用一個程序控制裝置來操縱的。在回轉(zhuǎn)頭3上固定一具導管5，在其下端部安裝一個多通道噴咀6。一股按箭頭指示的激光射線7，7′，在箱形殼體1中沿回轉(zhuǎn)軸4的水平方向傳送的，并通過在導管5的上端部傾斜(45°)安置的鏡面8折射到垂直平面中。
在工作臺10上夾緊一個實心工件12，其上要加工兩個箱形的凹槽13，它們以一個薄壁的中間墻隔開。該工作臺10在一個由箭頭14指示的圓弧形軌跡上完成往返進給運動，這種進給運動是與回轉(zhuǎn)頭3以及激光束7的回轉(zhuǎn)運動是同步的。而工件12的運動軌跡是由水平和垂直分量合成的，這運動分量是工作臺的水平運動和垂直運動，它們形成復合運動，在線性加工周期終了時，該回轉(zhuǎn)頭3與其上固定的導管5處于實線描繪的位置上。這樣，激光束7就按照一個予定的傾斜角α投射到待加工工件12的表面上或者投射在已經(jīng)部分制成的凹槽13的垂直或后傾的邊墻15上。在這時，工作臺與所夾緊的工件處在其上邊的右邊終端位置上。從這一終端位置起，回轉(zhuǎn)頭3和所攜帶的激光束7以及工作臺10與夾緊的工件12同時向左運動。在中間位置，工作臺10按照其圓弧形運動軌跡是下降的，而在左邊終端位置又升高一個相應的量。該激光束回轉(zhuǎn)運動的速度以及工作臺10進給運動的速度是如此相互確定的，即激光束7的焦點是根據(jù)不同參數(shù)、例如工件材料，決定最理想的相對速度運動的。在圖1左邊的終端位置，同樣向左轉(zhuǎn)動的激光束7′按照一個相同的傾斜角α′投射到工件表面上以及凹槽13的邊墻15′上。如果邊墻15和15′的輪廓是不同的(一個邊墻15是垂直的，另一個邊墻15′是后傾的)，那么，傾斜角α和α′也是不同的。通過這一操作方式就可實現(xiàn)，在對材料以彼此緊密相鄰地曲紋線性方式進行多層次重復加工時，制出垂直的邊墻，還可特別在邊墻的根處避免殘留物。通過對激光束7的擺動角α、α′進行適當?shù)倪x擇，也能制造出后傾的邊墻，這在鍛模中是經(jīng)常需要的。不僅邊墻15、15′(如圖1所示)而且凹槽13的兩個縱向墻也能制造成垂直的或后傾的。那么該工作臺10在每個線性加工材料層之后圍繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)90°，以使凹槽13的縱向墻的走向與進給運動相垂直。同時，該工作就可以按已加工層的厚度作垂直進給，激光束的聚焦和焦點大小保持不變。在加工最后的材料層時，為獲得光滑平整的底部，將激光束作散焦調(diào)節(jié)是符合目的的要求的，以便通過不太強烈的聚焦作用在底部表面上實現(xiàn)一種光滑效果。還可以通過降低激光功率來達到一個類似的作用。
在圖2中描繪的變型方法的方案中，一個實心圓柱工件16按一般方式兩端夾緊在例如車床上，并繞其縱軸17周期轉(zhuǎn)動，同時，旋轉(zhuǎn)角是如此選定的，即，該往返擺動的激光束7，7′的線性加工軌跡是相互緊密設(shè)置的。當例如在圓柱體16上要求以不變的深度加工縱向或環(huán)形槽時，那么該圓柱體就按虛線箭頭的方向作水平和垂直運動，這樣，就產(chǎn)生一個與圖1相對應的圓弧形軌跡，并因此使該焦點在激光束的擺動期間保持在相同的水平上。但是，將要求將圓柱體切斷(橫向分割)時，正如圖2中虛線描繪的那樣，不需要工件的水平以及垂直的運動就可以進行加工。此外，還有一種與傳統(tǒng)的切削加工旋轉(zhuǎn)過程相似的加工方式，其中，該工件16作連續(xù)的轉(zhuǎn)動，而激光束7、7′保持在一個固定調(diào)好的傾斜度上，以在工件上加工制造出一個徑向臺肩表面。
按照圖3的變型方法的方案，與圖1中方法不同之處僅在于，應用了一個繞水平軸18可用電動機帶動轉(zhuǎn)動的并在該軸18的方向可移動的轉(zhuǎn)動臺20，它與圖1中工作臺10一樣，安裝在一個可垂直移動的托架上(參見圖5和6)并可圍繞其中心軸B旋轉(zhuǎn)。通過其端側(cè)裝有回轉(zhuǎn)頭3的殼體箱1到虛線描繪的前邊位置的進給運動和工作臺20繞軸18所做的與此同步的回轉(zhuǎn)及傾斜運動，就可以以這種實施方案實現(xiàn)工件12和激光束7之間一種傾斜的相對位置。因此在這一變型方案中，回轉(zhuǎn)頭繞軸4的回轉(zhuǎn)運動就不是絕對必需的，這樣就可以簡化機床的結(jié)構(gòu)。
在圖4A的4B的變型方法方案之中，工作臺40是可繞垂直軸線41轉(zhuǎn)動的，并可在箭頭42指示的方向上作水平往返運動。一個箱形殼體1在其前端置有一個噴咀6，通過它，激光束不用轉(zhuǎn)彎地穿行。殼體1在機床支座2上可按箭頭43的方向作往返的移動。在工作臺40上豎直地安裝一個工架44，在可繞中心軸C轉(zhuǎn)動的垂直夾緊板46上，固定一個工件45。在俯視4B之中，描繪了一個線性加工過程。在每次線性加工過程中，該工作臺繞垂直軸線41都從實線描繪的下邊位置運動至虛線描繪的上邊位置，同時，將繞垂直軸線41的回轉(zhuǎn)運動和一個沿箭頭42的方向的水平進給運動相聯(lián)合起來。為了補償由于圓弧形的運動軌跡而變化的距離(指工件中凹槽13的底面和噴咀前端之間的距離)，該殼體箱1和其中安裝的聚焦和導向元件一起沿箭頭43的方向要進行短行程的同步運動。此外，在一個層狀的加工過程結(jié)束以后，也要通過殼體箱1在箭頭43方向上的線性運動實現(xiàn)進刀運動。
圖5表示一個在工件中用激光銑削箱形空腔的加工機床，其中，一個公知CO2激光裝置23通過適當?shù)闹С薪Y(jié)構(gòu)24安裝在機床支架2上。一個在殼體箱1安置的伸縮管24起著導送水平激光束7的作用。在殼體箱1端部安裝的回轉(zhuǎn)頭3，在雙箭頭C的方向上，可與此處設(shè)置的箱形噴咀保持器5一起轉(zhuǎn)動。在支架2端側(cè)的垂直導軌25上，安置一個在雙箭頭Y方向上可垂直移動的升降臺，它在其端側(cè)置有水平導軌26用于安置一個在雙箭頭X方向可移動的滑臺27。在這個滑臺27的端側(cè)固定一個安置槽28，其中，容置一個在雙箭頭A方向可轉(zhuǎn)動的支承臺29。工作臺20安置在上述支承臺29的上側(cè)面上并可繞其垂直軸線在雙箭頭B方向上轉(zhuǎn)動。這些不同構(gòu)件的單獨運動是通過未劃出的電動機和公知的傳動裝置完成的，它們的運行由一個傳統(tǒng)的程序控制來操縱。
在圖6中描繪的加工裝置基本上與圖5的實施例相一致，與其區(qū)別僅在于，這單獨設(shè)置的激光裝置是安裝在一個自己的支架21上的。
圖5和圖6的兩種機床是實施圖1和圖3中描述的方法的專用設(shè)備。
圖7中描繪的加工機床是為實施圖4A和4B中所描述的方法而設(shè)計的。它具有一個固定在機床支架2上的箱形殼體1，其中，用于激光束的導管46在箭頭43方向上是可縱向移動的。在導管46的前端固定一個噴咀6，而在其后端螺母47與螺紋軸48相嚙合，而螺紋軸48由一個電機49驅(qū)動以完成線性運動43。一根通有壓力流體的管道50在導管46中延伸至噴咀6。在支架后側(cè)固定的支承件51上安裝著激光裝置53。
在機床支架的前側(cè)安裝一個滑臺55，它可在電機帶動下沿雙箭頭Y方向作垂直移動。在滑臺的外側(cè)設(shè)置了導軌57，以便安裝升降臺58并使其在X軸線上可作水平移動。在這個升降臺58上，固定著旋轉(zhuǎn)臺61的下邊部分60，該旋轉(zhuǎn)臺61是設(shè)置成整體式角形構(gòu)件，它的垂直夾緊板63可圍繞中心軸C轉(zhuǎn)動，并大致與旋轉(zhuǎn)導向件64的外邊棱相對準成直線。與圖4A和4B中臺的結(jié)構(gòu)相反，該用于此處描繪的為已完工的工件56垂直夾緊的平板63在臺的下部分60以及旋轉(zhuǎn)導向件64是不可調(diào)節(jié)的。正如從圖7可明顯看出的，還可以通過線性的層狀加工材料方式，用一種實心毛坯制造出結(jié)構(gòu)復雜的凹腔以及堅實的結(jié)構(gòu)體。在圖8、9中描繪了用于特殊目的兩個激光噴咀6的變型方案。它們能夠在緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)置和較小的橫截面尺寸情況下將不同的流體分別輸送到激光束7的焦點。按照圖8的噴咀包含一個錐形的外殼30，在其內(nèi)腔中，安置一個芯體31并構(gòu)成一個狹窄通道32。這個通道32可以是一個連續(xù)的錐形結(jié)構(gòu)或者也可以設(shè)置成數(shù)個同樣形式的單獨通道。在外殼30和芯體31的平坦上側(cè)面上固定一個中間件33，其中，設(shè)置一個環(huán)形通道34，它與錐形通道32的上邊進口相通。這個環(huán)形通道34通過一個套管35與高壓氣體相連接，例如3至10巴的壓力的空氣。在芯體31中。設(shè)置一個中心多階梯式通孔36，該孔包圍著激光束7，并用來同心地輸送一種輔助氣體至激光束7的沖擊點以及焦點37處。
在圖9中詳細描繪的噴咀結(jié)構(gòu)中有一個外殼71，它帶有一個擴大的中間部分72和一個錐形的咀件73，在殼體71的內(nèi)腔中，同心地安置一個大致空心圓筒形的階梯式芯體74。該芯體74在左邊的圖中作了剖視，而在右邊圖中描繪的是其側(cè)視圖。殼體71之中間擴大部分72包含一個徑向法蘭75作為環(huán)76的支承座。在殼體71的錐形咀件73中，延伸著芯體74的端部體77，它的錐形外壁和咀件73同樣的錐形內(nèi)壁限定成一個連續(xù)的錐形流道78，其在咀件端部通入設(shè)置成環(huán)形隙縫的流出口79中，這個流出口79在通其整個套筒芯體74而同心延伸的流道81的端部處包含一個同心的中心內(nèi)流道80而用于氧化物氣體，特別是氧氣，而激光束沿其縱軸線穿行。如在芯體右邊部分所示，在其錐形的外表面上，至少可以設(shè)置一個螺旋轉(zhuǎn)槽82，以使流道78中流動的壓力氣體產(chǎn)生一個繞縱軸線83的旋轉(zhuǎn)運動。
在錐形段77的上方，該芯體74置有一個由4個與軸線平行的表面84構(gòu)成的4棱段，它與殼體內(nèi)壁一起構(gòu)成一個分配腔85。在殼體71的中間加厚部分72中，設(shè)置4個彼此相對、按角度分布的傾斜橫孔86，它們總是分別與每個平滑表面84相對應地通入到分配腔85中。
芯體74的四棱段鄰接一個圓柱形的中心段87，其上連有一個螺紋段88。通過這兩部段87、88，使該芯體74在殼體71的內(nèi)腔中同心安置，并可精確調(diào)節(jié)固定在某高度上。在芯體74的螺紋段88上，通過安裝臺階90上擴展的中間件89，一個帶外螺紋92的連接套筒91與其相連，臺階90用于環(huán)形體76。這個結(jié)構(gòu)中穩(wěn)固的連接套筒91可確保噴咀頭緊固地連接到必要時可運動的激光束導向件上，并同時固定連接到氧氣輸送件上。
如圖9所示，環(huán)體76具有一個徑向螺紋孔93，其中，可以擰入一個連接套管用來輸送壓力空氣(未畫出)。這個螺紋孔93與一個內(nèi)環(huán)通道94相通，該通道94和殼體件72中的橫向孔86相連。在法蘭75的上支承表面設(shè)置一個環(huán)形槽裝有O形密封環(huán)95，它將殼體與環(huán)形體密封。另一個O形密封環(huán)96置于殼體72上端表面的一個環(huán)形槽中用以和芯體74的中間件89的密封。
在前面描述的噴咀中，在軸向流道81中單獨輸送的氧氣和在錐形流道78中輸送的壓力空氣，這兩種氣體在從各自的開口79、80流出以后獲得一個強烈的混合，同時，通過芯體74的螺紋段88的或多或少的擰入深度，可以精確調(diào)節(jié)縫隙的寬度，依此精確調(diào)節(jié)這個錐形流道的流通橫截面。以這種方式就可使混合氣體的組成相應調(diào)節(jié)，并且使壓力空氣射流的動能與相應的運行條件相適應，特別是與不同工件材料的性質(zhì)相適應。
本發(fā)明并不局限于所描述的或前面所述的各種方法及裝置的變型方案。而是還可以將一個裝置變型的部件與另一個裝置變型的零部件進行組合，以便能夠完成特別的加工任務。
圖7中描述的加工機床，相對圖5和6的實施方案來說，具有結(jié)構(gòu)簡單和輕便的優(yōu)點。同時，該導管包括其進給驅(qū)動和噴咀都可以設(shè)置得緊湊，這樣，可改善工件的可接近性以及對加工過程的視覺監(jiān)視。從此意義上說，在導管中集合的流體輸送裝置，它們在導管的總長度上以一個或數(shù)個縱向通道延伸并與外部的總源流通相連，使其工作得以改善。當工件45在圖4A和4B的操作方法中與支架44、46一起，在旋轉(zhuǎn)臺40上沿箭頭R的方向可水平調(diào)節(jié)地安裝時，該工件45在箭頭42方向上就可得到一個較小的水平移動，使得激光束7和工件45的相對傾斜位置所引起的距離變化得到補償。該加工至或焦點就可以靠近垂直軸線41設(shè)置，這樣，只需在箭頭42方向上設(shè)置相對較小的位移行程用以補償由于旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動而引起的“縱向偏移”。這是水平激光束一個根本的優(yōu)點，而激光束轟擊工件的部分也不必與旋轉(zhuǎn)臺作用步轉(zhuǎn)動。圖7中機床的，亦即激光束水平定位的另一優(yōu)點是，安全可靠地防止高能量的激光束投射到周圍環(huán)境之中，而這種外泄是絕不希望的。因為，這種類型的機床基本上都裝有保護罩，可在與激光束對置的罩壁中安置一種熱效安全板，在其遭到高能量激光束的沖擊時就被激勵而起作用，將機床關(guān)閉。這一安全設(shè)施相對圖5和6的實施方案來說具有明顯的意義，因為，本圖5和6的方案中，相應的安全墻壁件必須安置在保護罩的幾乎所有內(nèi)部區(qū)域。最后，圖7的實施結(jié)構(gòu)還有一個有條件的優(yōu)點是，它可比帶反射器8的實施方案達到一個明顯較大的功率收益。例如，使用一個750W的這種激光裝置就可以產(chǎn)生與具有1500W的激光裝置但帶有反射器進行多次偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的加工效率相同。
在以往很難加工的工件材料中，采用本發(fā)明加工方法可以按不同的擴展方式去制造相當深的空腔。例如，一個可能的方案是，不用壓力氣體，而將一種固體一氣體或一種固體一液體懸浮液在相當高的壓力下噴射至加工位置上，以使懸浮狀態(tài)的耐高溫固體顆粒以“砂射線”的形式去沖蝕熔為液體的材料，并依此提高加工效率。此外，還可以通過往懸浮液和液體或氣體中加入適當?shù)幕瘜W物質(zhì)，以在空腔的表面附近區(qū)域得到予先確定的合金效應。
為了在一個或數(shù)個工件上能夠?qū)嵤┎煌庸み^程的自動轉(zhuǎn)換，一個可能方案是，在激光裝置的頭部的噴咀是可拆卸連接的，以便通過一個適當?shù)淖儞Q裝置來更換噴咀，得以實施不同形式的加工，例如，激光切割、激光焊接、和激光銑削等等。
用本發(fā)明的方法，還可以在陶瓷材料、鈦或類似材料中制造出帶有數(shù)個彼此緊密排列的袋(盒)形凹槽的球形或半球形的結(jié)構(gòu)件，例如在醫(yī)學界所應用的關(guān)節(jié)組件或骨肢件等。通過這種數(shù)個盒形的相當深的具有后傾壁的空腔結(jié)構(gòu)，就可產(chǎn)生這種可能性，即，骨體物質(zhì)可長入處于植入人體的這種空腔之中，這樣就在骨肢與植入體之間獲得非常堅固的連接。除了這種特殊的應用之外，本發(fā)明的方法還適合于石英玻璃的切削加工，特別是制造大型望遠鏡，它們是由數(shù)個精確加工的單個部件組裝而成的。最后，還可以由實心毛坯，通過對材料的層狀式邊緣加工制造三維結(jié)構(gòu)體。同時，按目的要求，應使用一種Nα-YAG-激光裝置，但不用壓力流體。在激光束和工件或其表面之間的相對傾斜角應該從一層到另一層增大，同時，這個夾角在第一個加工層時可以是很小的，或者計為O，而當50層加工層的時候可增加至相對垂直線的夾角為20°。這種夾角的增大不必是階梯式線性的，也可是一種直線或彎曲的曲線，為了實現(xiàn)理想的加工效率，這些加工方法參數(shù)，層與層之間是變化的，為的是開始有一個最大的材料加工量，以便實現(xiàn)精確加工和最終獲得一種精細層效果。當最后應制出角形的凹槽時，在加工過程的終了，這整個的輪廓要再一次“走刀”，以便將槽根部可能形成的圓弧形過渡去掉，以在底表面和邊墻之間獲得一個銳利的角形。
權(quán)利要求
1.用激光束在實心工件中加工空腔的方法，其中，通過激光束在緊密相鄰設(shè)置的軌跡上的往返進給運動切除材料，其特征在于該激光束在每個線性的加工過程期間被回轉(zhuǎn)一予定的轉(zhuǎn)角，同時，工件在圍繞激光束的回轉(zhuǎn)軸的一圓弧上同步作往返運動，并且，在加工一層材料之后，這種線性加工過程就進行重復，直至達到規(guī)定的空腔深度。
2.用激光束在實心工件中制造空腔的方法，其中，通過激光束在緊密相鄰設(shè)置的軌跡上往返的進給運動切除材料，其特征在于該激光束在每個線性加工過程中作往返運動，而工件同時并同步地實行轉(zhuǎn)動和提升運動，和，在加工一層材料之后，這種線性加工過程就重復進行直至達到規(guī)定的空腔深度。
3.按權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于該水平的激光束通過一個傾斜位置上的反射器，被偏轉(zhuǎn)到垂直平面，而投射到工件上的激光束隨反射器的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。
4.按權(quán)利要求1至3之一的方法，其特征在于該工件繞其縱向軸線作旋轉(zhuǎn)運動。
5.用激光束在實心工件中加工空腔的方法，其中，通過激光束在緊密相鄰設(shè)置的軌跡上作往返的進給運動切除材料，其特征在于該工件在每個線性加工過程期間繞一個垂直軸線轉(zhuǎn)動一個規(guī)定的夾角，而被聚焦的激光束的焦點在激光射線加上同步地移動，并在加工一層材料之后，這種線性加工過程就重復進行直至達到規(guī)定的空腔深度。
6.按權(quán)利要求1至5之一的方法，其特征在于激光束以及工件的旋轉(zhuǎn)角隨著每個層狀的切除量連續(xù)增大，或者按一定規(guī)定的數(shù)量增大。
7.按權(quán)利要求1至6之一的方法，其特征在于工件在每個層狀的加工過程之后被轉(zhuǎn)動90°。
8.按權(quán)利要求1至7之一的方法，其特征在于至少一股壓力流體射流與激光束同軸地和/或傾斜地輸送到加工位置上。
9.按權(quán)利要求1至8之一的方法，其特征在于激光束的功率在加工凹槽的底表面時被減少。
10.按權(quán)利要求1至9之一的方法，其特征在于激光束在加工凹槽的底表面時作有針對性目的散焦。
11.用激光束在實心工件中加工空腔的裝置，包括一個電動的可往返運動的工作臺，一個帶有激光束聚焦元件和導向元件的激光裝置，一個用于激光裝置和工作臺進給電機的程序控制裝置，共特征在于在支架(2)的前側(cè)安裝一個電動的可繞水平激光束(7)的軸線轉(zhuǎn)動的含有一個反射器(8)的回轉(zhuǎn)頭(3)，該反射器(8)將激光束偏轉(zhuǎn)90°而通過垂直平面，和，工作臺(10)是在垂直方向和水平方向可移動安置的以便在一個弧形軌跡上實施往返的進給運動。
12.按權(quán)利要求11的裝置，其特征在于工作臺(10)被設(shè)置成在規(guī)定的界限內(nèi)可圍繞一與進給運動平行的水平軸(18)電動式轉(zhuǎn)動。
13.按權(quán)利要求11或12的裝置，其特征在于回轉(zhuǎn)頭(3)安裝在一個置于機床支架(2)上并可水平移動的殼體的端側(cè)。
14.用激光束在實心工件中制造空腔的裝置，包括一個電動的往返運動的工作臺，一個具有激光束聚焦元件和導向元件的激光裝置，一個用于激光裝置和工作臺進給電機的程序控制裝置，其特征在于一個具有聚焦元件和噴咀的激光束導管(46)在縱向(43)上是可移動的，和，在設(shè)置成旋轉(zhuǎn)臺的工作臺上(40;61)安裝一個帶垂直的工件(45)夾緊面的工件架(44;63)。
15.按權(quán)利要求14的裝置，其特征在于工件架(44;63)是偏心地安裝在旋轉(zhuǎn)臺(40;61)上的。
16.按權(quán)利要求14的裝置，其特征在于該工件架(44)是水平可調(diào)節(jié)地安裝在旋轉(zhuǎn)臺(40)上的。
17.按權(quán)利要求11至16之一的裝置，其特征在于激光裝置(23)通過一個支承結(jié)構(gòu)(51)安裝在機床支架(2)上。
18.按權(quán)利要求11至17之一的裝置，其特征在于在回轉(zhuǎn)頭(3)上安裝一個用于噴咀(6)的空心圓筒形支架(5)，它具有在截錐形外殼(30)和錐形芯體(31)之間分布的流體通道(32)以及一個中心多階梯式通道孔(36)以用于激光束(7)和附加的輔助氣體。
19.按權(quán)利要求11至17之一的裝置，其特征在于在回轉(zhuǎn)頭(3)上安裝一個用于噴咀的空心圓筒形支架(5)，其空心圓筒形的殼體的端部為一個錐孔式咀件，該空心筒殼體還具有連接件和內(nèi)部的流動通道以將不同的流體分別地軸向和傾斜地輸送到激光束(7)在工件上的作用區(qū)域之中，同時，在殼體(71)的咀件(73)中安置一個芯體(74)，芯體(74)的錐形外表面和咀(73)的錐形內(nèi)壁限定成一個用于壓力氣體的流動通道(78)，而芯體(74)的內(nèi)腔則形成朝噴咀開口(80)方向變窄的軸向流動通道(81)，以用于另外的壓力流體，同時，該錐形流動通道(78)的環(huán)形出口(79)同心地包圍著軸向流動通道(81)的中心出口(80)。
20.按權(quán)利要求19的裝置，其特征在于該芯體(74)是高度可調(diào)地和軸線對中地定位在殼體(71)之中，以便按目的的改變錐形流動通道(78)的流通橫截面。
全文摘要
一種用激光束在實心工件中加工相對深的空腔的方法和裝置，通過激光束在緊密相鄰安置的軌跡上作往返進給運動切除材料。被偏轉(zhuǎn)到垂直平面的激光束，在每個線性加工過程期間，要轉(zhuǎn)動一個規(guī)定的角度，同時工件在一個圓弧上圍繞激光束的回轉(zhuǎn)軸做同步往返運動。在加工一層材料之后，這種線性加工過程要重復進行直至達到規(guī)定的空腔深度。應用本發(fā)明的方法，可以在通常不適合于切削加工的材料上以高效率加工出盒形及箱形的并具有垂直或后傾壁的空腔。
文檔編號B23K26/36GK1048996SQ90107078
公開日1991年2月6日 申請日期1990年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月14日
發(fā)明者彼得·格隆德, 岡特·埃伯爾, 尤里·蘇托 申請人:馬霍股份公司