利用雷射束加工槽的裝置和方法

2023-05-31 05:27:26

專利名稱：利用雷射束加工槽的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種利用雷射束在金屬工件內圓柱面上加工直槽的裝置和方法。
背景技術：
迄今為止，已有裝置和方法將雷射束用於金屬制工件，利用雷射束產生的熱量切割或加工工件。
根據這些雷射束加工方法，如圖6所示，雷射振蕩器射出的雷射束1被導入到應用管嘴2的聚光透鏡3上。該管嘴2和雷射振蕩器同軸設置。上述雷射束1由聚光透鏡3所會聚，並從應用管嘴2筆直地作用到金屬工件4的表面上。作用這種雷射束1的應用管嘴2和工件4的表面傾斜成一定角度，因而雷射束1也傾斜地和工件4成相同角度。當雷射束1作用到工件4上時，工件4被雷射束1施加的能量所加熱，工件4的表面被切割，從而加工成槽。
當工件4的表面被雷射束1加工時，由於工件4被加熱，所以在工件4的表面上會產生熔渣。在施加有雷射束1的工件4的表面區域附近設置有噴嘴5，在應用管嘴2的側壁上連有供氣管7。輔助氣體6經由噴嘴5和供氣管7朝向工件4的表面噴出，將上述熔渣吹走(詳細請參見日本未審專利公開JP58-125391)。
通常，對於利用雷射束來加工由金屬製成的工件，雷射束基本上垂直於被加工工件的表面，以保證加工操作的高精度和高穩定性。
根據日本未審專利公開JP58-125391中公開的加工工藝，射出雷射束1的雷射振蕩器和應用管嘴2彼此同軸設置，雷射束1從應用管嘴2筆直地作用到工件4的表面上。因此，在工件4的被加工表面上需要有足夠的空間來放置雷射振蕩器和應用管嘴2，以便於將雷射束1作用到工件4上。
如果在圓柱形工件的孔內、例如在車載發動機內連杆的大端孔內，由雷射束在內壁面上加工槽，由於這種孔的尺寸限制，所以雷射振蕩器和應用管嘴不可能插入到上述孔內，從而不可能基本垂直於上述孔內的內壁面。
在這種情況下，雷射振蕩器和應用管嘴就不得不和工件的內壁面傾斜成一定角度，且要設置在上述孔外。儘管在工件的孔內沒有地方設置雷射振蕩器和應用管嘴，但是應用管嘴所施加的雷射束仍然可在工件的內壁面上加工出槽。
然而，由於上述雷射束和工件的內壁面相傾斜，所以很難控制保持整個槽深度恆定的加工工藝。
當利用上述加工工藝在車載發動機連杆的大端孔的內壁面內加工槽時，上述連杆的大端就會從上述槽分裂為柄和蓋，從而難以保持整個槽的恆定深度。因此，就必須增加用以分裂連杆大端的衝擊力。但當設置較大的衝擊力來分裂連杆時，製造成本增加而連杆的屈服點卻減少，因此當在較大衝擊力下開裂時，易於產生劣質連杆。
發明簡述本發明的主要目的就是提供一種在工件的圓柱形表面內加工槽的裝置和方法，可利用基本垂直於上述內圓柱面的雷射束高精確地加工。
根據附圖中藉助於示意性實例所示的本發明優選實施例，本發明的上述和其他目的、特徵以及有益效果都將根據下列敘述變得顯而易見。
附圖簡述

圖1是本發明第一實施例中加工裝置的透視圖，其利用雷射束實施加工槽的方法；圖2是圖1中加工裝置沿著軸線的垂直剖圖；圖3是圖2中加工裝置靠近管狀頭部和反射鏡的一部分部分被剖視的局部平面圖；圖4是本發明第二實施例中加工裝置沿加工裝置軸線觀察的垂直剖圖，其利用雷射束實施加工槽的方法；
圖5是圖4中加工裝置靠近管狀頭部和反射鏡的一部分部分被剖視的局部平面圖；圖6是實施傳統雷射束加工方法的加工裝置的垂直剖圖。
優選實施例的詳述根據本發明的第一實施例，圖1和2示出了利用雷射束加工槽的裝置10(以下稱為「加工裝置10」)。
上述加工裝置10由安裝在工業關節機器人(例如數控裝置)手臂端部上的外殼(體)11，設置在外殼11上用以射出雷射束12的雷射振蕩器14，以及和雷射振蕩器14同軸設置的管狀頭部16構成。該管狀頭部和外殼11的下端相連。
上述加工裝置10還具有固定在頭部16上端的聚光透鏡18，用以會聚從雷射振蕩器14向下射出的雷射束12。在頭部的下端固定安裝有反射鏡24，並和頭部16的垂直軸線29成一定角度傾斜。上述反射鏡24用以將從雷射振蕩器14射出的雷射束12沿著軸線29反射到基本垂直於工件20例如車載發動機內連杆的內周面(內圓柱面)22的方向上。經由第一氣管26和第二氣管28，從氣體供應源(未示出)供以輔助氣體25。
上述雷射振蕩器14可連續的震蕩或者脈衝震蕩，將雷射束12輸入到頭部16內。尤其是，上述雷射束12可從連續震蕩或者脈衝震蕩的CO2雷射器或者脈衝震蕩的YAG雷射器射出。上述雷射束12可由100Hz或者更高的高頻調製脈衝頻率所震蕩。
上述管狀頭部16由從上到下直徑逐漸減小的大致圓錐狀管件構成，並向下和同軸的雷射振蕩器14間隔一定距離。上述聚光透鏡18安裝在頭部16的開口上端，朝向雷射振蕩器14開口。頭部16在下端具有底壁30，該底壁基本上垂直於頭部16的軸線29，用以封閉上述頭部16的下端。
上述管狀頭部16還具有側壁32，該側壁在上部設有孔34。供以輔助氣體25的第一氣管26的端部固定在上述孔34中，第一氣管26基本上和側壁32垂直相連。第一氣管26和頭部16的內部相聯通，用以將氣體源的輔助氣體25導入到頭部16內的空間36內。
上述側壁32還包括形成在下部的射出孔38，和反射鏡24的反射面水平設置。頭部16內，從聚光透鏡18到反射鏡24的雷射束12由反射鏡24以90°角反射，並經由射出孔38射出頭部16。射出孔38從底壁30的上表面向上延伸，並水平開口。該射出孔38的開口大於雷射束12經由射出孔38時的直徑。
上述頭部16被連接到和雷射振蕩器14整體成形的機器人手臂上。當機器人操作時，安裝在機器人上的加工裝置10就可在具有三個坐標軸X、Y、Z的三維空間內移動到任何所需的位置上，並定位在任何所需的方向上。
基本為圓形的上述聚光透鏡18由具有上凸面和下平面的平凸透鏡構成。該聚光透鏡18安裝在頭部16上部形成的安裝槽39內。當雷射束12施加在聚光透鏡18的上凸面時，雷射束12就被會聚在聚光透鏡18下的一點。該聚光透鏡18還可由具有上凸面和下凸面的雙凸透鏡構成。
上述反射鏡24是一種設置在頭部16底壁30上的板狀形式，由側壁32的下部所圍繞。反射鏡24和頭部16的垂直軸線29成45°角傾斜。該反射鏡24可將向下的雷射束12的中軸線對準在反射鏡上表面的大致中間區域內。
該反射鏡24可由鎢或鉬製成，或者在其上表面塗有一層鎢或鉬。
當雷射振蕩器14射出的雷射束12從頭部16到達反射鏡24，雷射束12就由反射鏡24以90°角反射，該反射鏡和頭部16的垂直軸線29成45°度傾斜，從而面向上述射出孔38。上述反射的雷射束12經由射出孔38到達放置在頭部16之外的工件20上。
經由孔34基本和側壁32上部垂直相連的第一氣管26，將未示出的氣體供應源的輔助氣體提供到頭部16中，上述供應源和第一氣管26的一端相連。從第一氣管26導入頭部16的輔助氣體25隨後經由射出孔38被供給工件20的內周面22。
第二氣管28和頭部16間隔預定距離，且相互平行。該氣管的一端和未示出的氣體供給源相連，另一端作為排氣口，製成錐形且朝向工件20。該第二氣管28設置在朝向工件20上表面的位置上。尤其是第二氣管28的排氣口向上和工件20的內周面22的上邊緣具有設定距離，而該內周面上具有雷射束12所要加工的槽40a、40b。
供給第一氣管26和第二氣管28的輔助氣體25包括壓縮空氣，氮氣，氬氣，或者氧氣，可根據形成槽40a、40b的工件20的材料來進行選擇。
第一實施例中的上述加工裝置10基本上由上述構造而成。下面將描述該加工裝置10的操作和有益效果。作為工件20的連杆被放在置物臺(未示出)上，操作該加工裝置10，在該連杆大端孔42的內周面22內形成一對裂槽40a、40b，用以有助於將該連杆開裂為柄和蓋。
首先，該加工裝置10被放置在工件20上的初始位置，該工件固定在上述置物臺上。隨後，未示出的機器人將該加工裝置10從上述初始位置基本上沿水平方向(圖1中箭頭A所示)移動到上述連杆大端孔42中心的位置，該中心和加工裝置10的頭部16的軸線29並列設置。
然後，機器人將該加工裝置10沿軸線29向下在箭頭B所示的方向移動。當加工裝置10向下移動時，容納在外殼11內的雷射振蕩器14，頭部16和設置在頭部16內的反射鏡24都在箭頭B所示的方向上向下彼此共同移動。
電源(未示出)將電流供給到雷射振蕩器14中，該振蕩器從而連續地震蕩或者脈衝震蕩，將雷射束12射向頭部16內。上述雷射束12經由和雷射振蕩器14同軸的頭部16內的空間36，被提供到反射鏡24的上表面。由於反射鏡24和頭部16的垂直軸線29成大約45°角傾斜固定，所以雷射束12由反射鏡24反射和上述垂直軸線29成90°角即反射為水平方向，且雷射束從形成在頭部16的側壁32上的射出孔38射出。
當雷射束12從射出孔38射出時，基本垂直於頭部16的垂直軸線29，上述加工裝置10沿著垂直軸線29，在箭頭B所示的方向逐漸向下移動。上述管狀頭部16移動到上述大端孔42內，將射出孔38射出的雷射束12幾乎垂直地施加在大端孔42的內周面22上。如圖3所示，由於雷射束12的熱量，在上述內周面22上形成大致V形截面的槽40a，該槽40a在內周面22的徑向方向上具有某一深度。
當上述加工裝置10進一步沿著垂直軸線29在箭頭B所示的方向逐漸向下移動時，上述寬度基本恆定的槽40a就會沿著大端孔42的內周面22筆直成形。
此時，槽40a附近的內周面22上，就會有由於雷射束12加熱而產生的熔渣。因此從未示出供氣源供給的輔助氣體25就經由第一氣管26從射出孔38被噴射到大端孔42的內周面22上。該輔助氣體25還可從第二氣管28的排氣口噴射到大端孔42的內周面22上，將槽40a附近內周面22上的熔渣吹走。
在槽40a徑向相反的內周面22上形成另一槽40b。該槽40b由加工裝置10在朝向上述形成的槽40a的位置所加工出。
尤其是，未示出的機器人從加工裝置10定位形成槽40a的角度位置，繞軸線29將加工裝置10轉動180°。在並列設置軸線29和大端孔42的中心之後，在箭頭B所示的方向上向下移動加工裝置10到該大端孔42內。再次射出上述雷射束12，徑向相反於槽40a，沿著工件20的內周面22筆直成形槽40b。因此，均具有恆定深度的上述槽40a、40b就在上述內周面22內得以成形。
此時，槽40b附近的內周面22上所產生的熔渣，也藉助於第一氣管26噴射的輔助氣體25吹走，該輔助氣體經由射出孔38噴射到內周面22上，且該輔助氣體25還可從第二氣管28噴射到內周面22上。
內周面22上形成的上述槽40a、40b的深度D(參考圖2和3)被設定在0.2-0.7mm的數值範圍內。槽40a、40b的寬度W(參考圖3)被設定在0.1-0.4mm的數值範圍內。所不希望的是，槽40a、40b的深度D沿軸線方向改變。如果深度D改變，最深部深度D』和最窄部深度D」之間的差值應該為深度D』的50％或更少。換句話說，深度D』和深度D」之間的變化率為50％或更小。
因此，上述槽40a、40b要高精確地在工件20大端孔42的內周面22內成形得深度大致恆定。即使槽40a、40b的深度D小於和工件內壁面成一定角度傾斜的傳統雷射束1(參考圖6)所加工的槽深，上述連杆也能可靠而又簡單的從內周面22上形成的上述槽40a、40b處開裂。因此，當連杆作為工件20被加工時就能夠增加屈服點。
根據第一實施例，如上所述，上述反射鏡24傾斜大約45°，且固定在和雷射振蕩器14同軸設置的頭部16上，雷射振蕩器15輸出的雷射束12被以90°反射，因而可從上述管狀頭部16中基本水平地射出。結果，即使在工件20內形成上述槽40a、40b的孔直徑較小，容納上述雷射振蕩器14的外殼11和上述管狀頭部16也不必相對工件20傾斜。該頭部16可被插入到工件20的上述孔內，將雷射束12基本垂直地施加在工件20的內周面22上，從而高精確地成形上述深度大致恆定的槽40a、40b。
根據傳統雷射束加工方法，雷射束1以某一角度傾斜，且直接應用到工件的內周面上。但是根據第一實施例，雷射束12由反射鏡24基本上垂直於工件20的內周面22施加。當雷射束12基本垂直內周面22時，可高精確地控制由雷射束12成形的槽40a、40b深度D和形狀。
由於上述槽40a、40b形成得基本相同，所以作為工件20的上述連杆可利用很小的力就從槽40a、40b裂開。所以可以減小作用於大端孔42上的應力。而且因為上述需要裂開連杆的槽40a、40b的深度D基本上恆定，所以該深度D也可以減小。
不像其他加工方法例如在內周面22上擴孔成槽，利用雷射束12，可形成大致V形截面的銳角槽40a、40b。由於該銳角槽40a、40b可使得連杆易於斷裂，所以屈服點就增多了。
下面參考圖4和5來敘述利用雷射束加工槽的裝置50(以下稱為「加工裝置50」)。加工裝置50中零件和第一實施例中加工裝置10的零件相同的，都由相同的參考標記所表示，下面也就不詳細描述。
本發明第二實施例中的加工裝置50具有安裝在頭部52的底壁30上的反射面58，大致為圓錐管狀元件。該反射鏡58具有一對傾斜成一定角度並相對頭部52的軸線29對稱的鏡面56a、56b。上述鏡面56a、56b彼此相反設置，並面朝各自的形成在頭部52的側壁32下部上的射出孔62a、62b，這兩個孔彼此在徑向上相對設置。上述反射鏡58將雷射振蕩器14中射出的雷射束12分為兩束60a、60b，這兩束雷射分別通過射出孔62a、62b到達工件20的內周面22上，又基本同時在內周面22上成形各自的槽64a、64b。
如圖4所示，基本為三角形截面的反射鏡58被固定在頭部52的底壁30上。該反射鏡58的尖肋66定位在頭部52的軸線29上，鏡面56a、56b從該尖肋66以和軸線29成45°角向下傾斜延伸。所以這些鏡面56a、56b和軸線29成45°傾斜。
形成在頭部52的側壁32下部且彼此徑向相反的上述射出孔62a、62b使各自的雷射束60a、60b從頭部52射出。這些雷射束由反射鏡58以相對於軸線29成90°的角度反射。上述射出孔62a、62b從上述底壁30的上表面向上延伸，並水平開口。這些射出孔62a、62b在經由頭部52中心的直線上定位(參考圖5)，朝向反射鏡58的各自鏡面56a、56b。
將輔助氣體25噴射到工件20的內周面22的第二氣管68a、68b在上述頭部52的每一側設置一個。這兩個第二氣管68a、68b和頭部52間隔預定距離且相互平行。尤其是，上述第二氣管68a、68b要設置在將要由雷射束60a、60b加工槽64a、64b的工件20的內周面22之上。
由於連杆作為工件20被固定在未示出的置物臺上，上述連杆之上的加工裝置50被未示出的機器人沿水平方向(圖4中箭頭A所示)移動到上述連杆大端孔42中心的位置，該中心和加工裝置50的頭部52的軸線29並列設置。然後，機器人將該加工裝置50沿軸線29向下在箭頭B所示的方向移動。
上述雷射振蕩器14沿上述垂直軸線29射出經由頭部52內空間36的雷射束12。該雷射束12被輸送到反射鏡58的鏡面56a、56b上。由於這些鏡面56a、56b從上述尖肋66成45°角對稱傾斜，所以雷射束12被反射分成雷射束60a、60b，和上述軸線29成90°角，變為水平方向。上述反射的雷射束60a、60b分別從射出孔62a、62b朝向工件20的內周面22射出。
隨後，上述加工裝50沿著軸線29，在箭頭B所示的方向向下移動。上述加工裝置50的頭部52移動到上述大端孔42內，將射出孔62a、62b射出的雷射束60a、60b幾乎垂直地施加在內周面22上，利用雷射束60a、60b的熱量，筆直地在上述內周面22上形成具有預定寬度的槽64a、64b。上述槽64a、64b為大致的V形截面，彼此的形狀和深度也大致相同。
此時，槽64a、64b附近的內周面22上，就會有由於雷射束60a、60b加熱而產生的熔渣。因此從未示出供氣源供給的輔助氣體25就經由第一氣管26從射出孔62a、62b被噴射到上述內周面22上。與此同時，輔助氣體25還可從第二氣管68a、68b噴射到內周面22上，將槽64a、64b附近內周面22區域上的熔渣吹走。
因此，形狀大致相同的上述槽64a、64b可同時在作為工件20的連杆大端孔的內周面22內成形。所以上述槽64a、64b的加工方法可得以簡化並在相對較短的時間段內完成。因此，連杆的成本就降低了。
儘管示出並詳細敘述了本發明的某些優選實施例，但是可以理解在不偏離隨後權利要求的範圍內，各種變化和修改是可以允許的。
權利要求
1.一種利用從雷射振蕩器(14)射向工件(20)的雷射束(12)在工件(20)上加工槽的方法，包括以下步驟利用聚光透鏡(18)，將和工件(20)內圓柱面(22)的軸線同軸的雷射振蕩器(14)射出的雷射束(12)會聚；此後，利用反射鏡(24，58)以和上述軸線基本成直角的方式將雷射束(12)反射，上述反射鏡和上述軸線傾斜成預定角度；將反射的雷射束(12)基本垂直地施加到上述內圓柱面(22)上；向上述由雷射束(12)照射的內圓柱面(22)上噴射氣體(25)；當上述雷射束(12)施加在上述內圓柱面(22)上時，沿著上述軸線，共同移動上述雷射振蕩器(14)和反射鏡(24，58)，從而沿著上述內圓柱面(22)的上述軸線筆直地形成一對槽(40a，40b，64a，64b)。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在上述工件(20)的內圓柱面(22)上形成上述槽的第一槽(40a)之後，上述反射鏡(24，58)繞上述軸線轉動180°，上述雷射束(12)就作用在上述內圓柱面(22)上，從而沿著上述內圓柱面(22)的軸線，朝向上述第一槽(40a)筆直地形成第二槽(40b)。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，上述雷射束(12)由上述反射鏡(58)分為兩個雷射束，從而在上述內圓柱面(22)上幾乎同時形成上述一對槽(64a，64b)。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，上述氣體(25)經由容納上述雷射振蕩器(14)的殼體(11)被輸送到上述內圓柱面(22)上，還可經由基本平行於上述殼體(11)軸線(29)延伸的氣管(28，68a，68b)被輸送到上述內圓柱面(22)上。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，利用上述反射鏡(24，58)，基本和上述軸線成直角反射的上述雷射束(12，60a，60b)，可經由射出孔(38，62a，62b)施加在上述內圓柱面(22)上，這些射出孔形成在上述殼體(11)上，朝向上述內圓柱面(22)。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，上述經由殼體(11)供給的氣體(25)從上述射出孔(38，62a，62b)噴射到上述內圓柱面(22)上。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，上述反射鏡(24，58)具有反射上述雷射束(12)的鏡面，上述鏡面相對於上述軸線成45°角朝向上述內圓柱面(22)傾斜。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，上述槽(40a，40b，64a，64b)為基本上V形截面的銳角形狀。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，上述槽(40a，40b，64a，64b)在上述內圓柱面(22)的周向方向上的寬度(W)範圍為0.1-0.4mm，在上述內圓柱面(22)的徑向方向上的深度(D)範圍為0.2-0.7mm。
10.一種利用從雷射振蕩器(14)射向工件(20)的雷射束(12)在工件(20)上加工槽的裝置，包括聚光透鏡(18)，用以會聚和工件(20)內圓柱面(22)軸線同軸的雷射振蕩器(14)射出的雷射束(12)；反射鏡(24，58)，具有和上述軸線成預定角度傾斜的鏡面，用以將上述聚光透鏡(18)會聚的雷射束(12)反射；氣管(26，28，68a，68b)，用於將氣體(25)噴到上述由雷射束(12)照射的內圓柱面(22)上；其特徵在於，上述雷射束(12)由和上述反射鏡(24，58)基本上和所述軸線成直角反射，並作用在上述內圓柱面(22)上，從而沿著上述軸線在上述內圓柱面(22)上形成一對槽(40a，40b，64a，64b)。
11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述反射鏡(24)具有反射上述雷射束(12)的鏡面，上述鏡面相對於上述軸線成45°角朝向上述內圓柱面(22)傾斜。
12.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述反射鏡(58)具有反射上述雷射束(12)的一對鏡面(56a，56b)，上述每一鏡面(56a，56b)相對於上述軸線成45°角朝向上述內圓柱面(22)傾斜。
13.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述氣管(26，28，68a，68b)和容納上述雷射振蕩器(14)的殼體(11)相連，並基本平行於上述殼體(11)軸線(29)延伸。
14.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，上述殼體(11)具有面朝上述內圓柱面(22)的射出孔(38，62a，62b)，用以從其中射出由上述反射鏡(24，58)以大致直角反射的雷射束。
15.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，上述從氣管(26)經由殼體(11)供給的氣體(25)從上述射出孔(38，62a，62b)噴射到上述工件(20)的內圓柱面(22)上。
16.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述槽(40a，40b，64a，64b)為基本上V形截面的銳角形狀。
17.如權利要求16所述的裝置，其特徵在於，上述槽(40a，40b，64a，64b)在上述內圓柱面(22)的周向方向上的寬度(W)範圍為0.1-0.4mm，在上述內圓柱面(22)的徑向方向上的深度(D)範圍為0.2-0.7mm。
18.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述反射鏡(24，58)由鎢或鉬製成，或者具有塗有一層鎢或鉬的表面。
19.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述氣體(25)包括空氣，氮氣，氬氣，和氧氣中的任一種。
20.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，上述雷射束(12)包括CO2雷射束或者YAG雷射束，由至少為100Hz的頻率連續調製或者脈衝調製。
全文摘要
外殼(11)容納有用以射出雷射束(12)的雷射振蕩器(14)，管狀頭部(16)和上述雷射振蕩器(14)同軸設置，並連接到上述外殼(11)上。從雷射振蕩器(14)射出的雷射束(12)由安裝在上述頭部(16)上的聚光透鏡(18)所會聚，隨後在基本和頭部(16)的軸線(29)相垂直的方向上被反射鏡(24)所反射。該反射鏡設置在上述頭部(16)上。該反射的雷射束(12)被基本垂直的施加在工件(20)的內周面(22)上，從而利用該雷射束(12)的熱量，形成槽(40a，40b)。
文檔編號F16C9/04GK1608788SQ20041008708
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月22日 優先權日2003年10月23日
發明者百瀨保雄 申請人:本田技研工業株式會社