(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（１１）上にレーザ（１２）のレーザビームパルス（Ｂ）を向けるレーザヘッド（１３）と、少なくとも１つの並進及び／又は回転自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ＤＸ、ＤＹ、ＤＺ）で前記ワークピース（１１）及び前記レーザヘッド（１３）を互いに対して移動させるように設計された少なくとも１つの機械加工軸駆動部（１８）を有する機械加工駆動ユニット（１６）と、を有し、前記レーザビームパルス（Ｂ）を生成する前記レーザ（１２）を有する加工機（１０）を使用して棒状ワークピース（１１）のワークピース表面（２３）を製造する方法において、
−前記レーザヘッド（１３）に対して前記ワークピース（１１）を位置決め及び／又は配向するステップと、
−パルス領域（２２）の外側輪郭（Ｋ）と、互いに分離された前記パルス領域（２２）内に配置され、指定された順序で前記レーザヘッド（１３）から前記レーザビームパルス（Ｂ）が出射される入射点（３１）とを指定及び／又は選択するステップと、
−前記ワークピース（１１）上の前記パルス領域（２２）内の指定された前記入射点（３１）上で出射方向（Ｒ）において前記レーザヘッド（１３）を介して前記レーザビームパルス（Ｂ）を出射するステップであって、加工中において、前記レーザビームパルス（Ｂ）を、前記ワークピース（１１）の加工によって生成され且つ前記パルス領域（２２）と接する前記ワークピース表面（２３）の部分に対して接線方向に配向するステップと、
−材料除去が生じる前記パルス領域（２２）が、前記ワークピース表面（２３）を生成するように前記出射方向（Ｒ）における予め与えられた動きの経路（３８）の指定された経路にしたがって前記ワークピース（１１）に対して移動されるような方法で互いに対して前記レーザヘッド（１３）及び／又は前記ワークピース（１１）を移動させるステップと、
を有する方法。
【請求項２】
レーザビームパルス（Ｂ）が機械加工中に衝突して生成される前記ワークピース表面（２３）に隣接する全てのワークピース領域が前記ワークピース表面（２３）の生成によって完全に除去され、前記ワークピース表面（２３）が生じることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パルス領域（２２）の前記入射点（３１）上に向けられた前記レーザビームパルス（Ｂ）が、少なくとも前記ワークピース表面（２３）の隣接する既に生成された部分に対して接線方向に配向されており、前記ワークピース表面（２３）のこの隣接部分の粗さを低減することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記パルス領域（２２）の前記外側輪郭（Ｋ）が、レーザヘッド（１３）に対して前記ワークピース（１１）の現在の相対的な位置及び／又は相対的な向きに応じて変化することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ワークピース（１１）が使用されるレーザ光についての異なる吸収特性を有する少なくとも２つのワークピース部分（４１）を有し、前記ワークピース表面（２３）が、前記２つのワークピース部分（４１）において連続的なプロセスシーケンスによって生成されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
２つのワークピース部分（４１）が、材料接合によって互いに接続された部分（４２、４３）から構成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記パルス領域（２２）における直接隣接する前記入射点（３１）間の距離が、前記ワークピース表面（２３）の生成中に一定のままであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ワークピース表面（２３）が溝内面（２５）によって形成されており、溝（２４）が第１の溝端部（３６）から開始されて生成されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記溝（２４）が、第１の溝端部（３６）と反対側において、最後に生成される第２の溝端部（３７）を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の溝端部（３７）の領域において、前記溝の面積を低減させることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の溝端部（３７）が生成されたときの前記パルス領域（２２）の外側輪郭（Ｋ）が、前記第１の溝端部（３６）が生成されたときの前記パルス領域（２２）の外側輪郭（Ｋ）とは異なることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
単位面積あたりのレーザビームパルス（Ｂ）のエネルギ入力は、生成中又は生成後の前記ワークピース表面（２３）から分離されるパルス領域（２２）のコア領域（３４）おいては、生成中又は生成後のワークピース表面（２３）と接するパルス領域（２２）の端縁領域（３３）よりも大きいか又はより小さいことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
ワークピース（１１）から工具（４０）を生成するために使用されることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
ワークピース（１１）のワークピース表面（２３）の１つの端縁において鋭い端縁を生成する方法において、少なくとも端縁まわりに拡大代を有する前記ワークピース（１１）上に最初に表面が生成され、その後、この拡大代が請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の方法にしたがって除去されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームパルスを生成するレーザを有する加工機を使用してワークピース表面を生成する方法に関する。加工機は、さらに、ワークピース上にレーザのレーザビームパルスを向けるレーザヘッドを有する。少なくとも１つの機械軸駆動部を有する機械駆動ユニットは、それぞれの関連する機械軸駆動部、ワークピース及びレーザヘッドを介して、少なくとも１つの並進及び／又は回転自由度で互いに配向及び移動する。
【背景技術】
【０００２】
そのような機械加工プロセスは、例えば、特許文献１によって開示されている。このプロセスは、ワークピースの機械加工中に回転工具を生産する。レーザのレーザビームパルスは、偏向装置又はレーザヘッドのレーザスキャナを使用してパルス領域上に向けられ、このパルス領域内において、それらのレーザビームパルスは、指定されたパルス経路に沿った入射点上に向けられる。パルス領域は、機械駆動ユニットによってワークピースの表面に沿って移動する。パルス領域と筒状ワークピースとの間のこの相対的な動きは、例えば軸方向において、ワークピースの機械加工面に平行であり、材料は、一層ずつ除去される。これは、例えば溝を生成するために、材料除去の深さを一層ずつ増加させるのを可能とする。パルス領域は、溝の始点からその端部まで、さらに溝の始点に戻るように複数回移動し、この動きは、溝が完成するまで繰り返される。
【０００３】
同様のプロセスはまた、特許文献２に開示されている。このプロセスはまた、レーザ光パルスについての複数の入射点によってパルス領域を定義することにより、ワークピース上に輪郭、特に刃先又はフランクを生成し、そして、このパルス領域は、一層ずつ材料層を除去し、ワークピース表面を最終的に露出させるために、ワークピース表面に沿って機械軸駆動部を介して移動される。
【０００４】
特許文献３は、ワークピースのレーザ切断プロセス又は作動される場合に工具の長手軸まわりに回転移動されるそれに適用される切断工具を有する工具を開示している。切断工具は、面取りを有することになっている。これを達成するために、レーザビームは、長手軸に対して直角に配向される。そして、ワークピースは、円形経路上で切断工具が回転されるように回転移動され、前記レーザビームは、前記円形経路に向かって接線方向に移動する。ワークピースに適用される複数の切断工具は、いわばレーザの焦点へと次々に回転されることになっており、材料を次々に切断工具上で除去させる。この材料除去は、切断工具の軸方向端縁に沿って面取りが生成され得るように、それに重畳される軸方向における動きを有することができる。
【０００５】
特許文献４は、研磨工具及びそれを生成するプロセスを記載している。この工具は、例えばダイヤモンド又は他の研磨材などの硬質材料の砥粒を含む。レーザは、鋭い隅部及び端縁を形成するために、これらの砥粒１１の平坦な外側に孔又は溝を生成するために使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第２０１０  ０１１  ５０８号明細書
【０００７】
【特許文献２】独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０１１５０８号明細書
【０００８】
【特許文献３】独国特許出願公開第１０  ２０１１  １１６  ９７４号明細書
【０００９】
【特許文献４】欧州特許出願公開第０  ８７０  ５７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
パルスレーザを使用して棒状ワークピースに例えば溝内面などの工具面を生成することは困難である。レーザビームパルスの出射方向を横切るワークピース表面にわたってパルス領域が移動される上述したプロセスを使用して、高い除去速度を達成することが可能である。しかしながら、いくつかの場合において、それらに衝突するレーザビームパルスを有する、生成されたワークピース表面は、粗さの低さが不十分である。他の既知のプロセスは良好な表面品質を有するものの、これらのプロセスは、少量の材料を除去するためにのみ適している故に、低い除去速度しか達成しない。
【００１１】
したがって、プロセスには、まず第１に、ワークピース表面、例えば溝内面の全表面において、材料が除去されたときに生成されたワークピース表面の仕上げなしに、非常に粗さの低いワークピース表面の生成を可能とすることと、高い材料除去速度を可能とすることとが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これは、請求項１の特徴を有するプロセスによって達成される。
【００１３】
本発明の方法は、棒状ワークピースを機械加工するように設計されている。未加工ワークピースは、全体的に筒形状を有し、異なる軸方向部分において異なる断面を有してよい。具体的には、未加工ワークピースは、長手軸まわりに回転対称である。本発明の方法にしたがって１回機械加工を行なうだけで、非回転対称形状が生じる。機械加工後、結果として生じる断面は、長手軸に対して点対称であってもよい。筒状ワークピースは、円柱ワークピースのみならず、むしろ任意の湾曲した及び／又は角度がある断面輪郭を有する他の筒形状を意味すると理解されるべきである。
【００１４】
ワークピースは、レーザを有する加工機を使用して機械加工される。レーザは、レーザヘッドを通り過ぎるレーザビームパルスを生成する。レーザヘッドは、例えばレーザスキャナなどの偏向装置を有し、指定された方向にレーザビームパルスを出射するように機能する。制御ユニットは、レーザビームパルスがパルス領域内の入射点に向けられるような方法でレーザヘッド又はレーザスキャナを制御する。パルス領域内の入射点の外側輪郭及び位置は、プログラミングされるか、又は、存在する予めプログラミングされたライブラリからオペレータによって選択され得る。レーザビームパルスは、パルス領域内の入射点上に指定された配列で向けられる。配列内の全ての入射点は、一回又は次々に数回選択され得る。指定された配列が完了すると、この配列が再度開始されるか、又は、例えばパルス領域の外側輪郭が機械加工中に変化した場合には他の指定された配列が実行される。
【００１５】
レーザビームパルスは、好ましくは、１２ｐ秒未満のパルス持続時間を有する。
【００１６】
加工機はまた、少なくとも１つの機械軸駆動部を有する機械駆動部を有する。各機械軸駆動部は、レーザヘッド及びワークピース用のクランプ装置を１自由度で互いに対して移動させるように設計されている。好ましくは、複数の自由度でワークピースとレーザヘッドとの間の相対的な動きがあることができるように、複数の機械軸駆動部が存在する。自由度は、並進又は回転とすることができる。それゆえに、最大で合計６自由度までが可能であり、そのうち最大で３つまでを、それぞれ、回転又は並進とすることができる。
【００１７】
それゆえに、レーザヘッド又はレーザスキャナは、それぞれ、指定されたパルス領域内の入射点上にレーザを向けるとともに、機械駆動ユニットは、レーザヘッドに対して又はレーザヘッドがパルス領域を生成する焦点の領域に対して、ワークピースとともにクランプ装置を同時に位置決めするか又は配向及び／又は移動させる。
【００１８】
この方法は、レーザヘッドに対して初期位置にワークピースを配置することを含む。初期位置は、どのワークピース表面がワークピース上に生成されることになっているのかに依存する。ワークピースの長手軸は、レーザビームパルスの出射方向に対して平行に又は特に９０°未満の傾斜角度で配向されてよい。この用途において、レーザビームパルスの出射方向は、その光軸に平行なレーザヘッドからの到来方向であると理解されたい。レーザビームパルスは、この光軸に対して実質的に平行に移動するが、また、光軸に対して直角にみたときのレーザヘッドからのパルス領域の距離及びパルス領域のサイズに応じた角度で配向することができ、この角度は、光軸に対して１０°未満、好ましくは５°未満である。
【００１９】
初期位置におけるワークピースの位置決め前、最中又は直後において、機械加工のためのパルス領域が指定されるか又は選択され、パルス領域が機械加工の過程で変化するのを可能とする。パルス領域は、パルス領域内に配置された外側輪郭及び入射点及び／又はレーザビームパルスが入射点上に向けられる配列又は順序の指定又は選択を含む。
【００２０】
機械加工のためのパルス領域が指定又は選択され、ワークピースが初期位置にあると、レーザビームパルスは、レーザによって生成され、レーザヘッドの制御を対応させることによってパルス領域の入射点上に指定された方法で出射される。パルス領域は、現在の材料除去が行われるべきであるワークピース上の所定位置に位置している。材料は、レーザアブレーションによって除去される。
【００２１】
材料除去中において、レーザビームパルスは、機械加工することによって生成されるべきワークピース表面に対して専ら接線方向に配向されることは明白である。ここで、用語「接線」は、レーザビームパルスの伝播の実際の方向が、現在の材料除去部位において生成された又は生成されているワークピース表面に接触する接線から最大遠視野発散角(maximal um den Divergenzwinkel im Fernfeld)だけ、好ましくは、最大半遠視野発散角(maximal um den halben Divergenzwinkel im Fernfeld)だけずれていることを意味すると理解されたい。発散角は、パルス領域における焦点面とレーザヘッドの集束光学系との間のレーザビーム又はレーザビームパルスの開口角である。
【００２２】
換言すれば、例えば溝内面などのワークピース表面は、生成されるべきワークピース表面に沿ったパルス領域の外側輪郭内の材料を除去することによって生成される。現在の材料除去部位において、パルス領域は、生成されるべきワークピース表面に対して又は既に生成されたワークピース表面の部分に対して実質的に直角に常に配向される。材料除去が進行するのにともない、パルス領域は、好ましくは、出射方向に対して所定角度又は直角で機械駆動ユニットを介して移動しない。パルス領域は、レーザビームパルスの出射方向において、ワークピース内にいわば穿孔する。
【００２３】
例えば溝の断面輪郭などの除去されることになる断面輪郭は、専らパルス領域の外側輪郭によって指定することができる。除去されることになる断面輪郭は、好ましくは、レーザヘッドの偏向装置によって専ら決定されるとともに、ワークピースの長手軸の配向、及びワークピース上の現在の材料除去部位の出射方向とは反対である移動方向は、専ら機械駆動ユニットによって決定される。あるいは、パルス領域の外側輪郭はまた、生成されるべき溝の断面輪郭よりも少なくとも１次元で小さくすることができ、この少なくとも１次元でワークピースに対して変位することができ、この目的のために、機械駆動ユニットのみを使用することが可能であり、あるいは、偏向装置を追加的に又は専ら使用することが可能であるのが好ましい。
【００２４】
機械駆動ユニットは、指定された経路に沿った１つ以上の並進又は回転自由度のレーザヘッドに対するワークピースの相対的な動きを生成する。それゆえに、パルス領域は、ワークピース表面を生成するために、ワークピースに対する動きの指定された経路に沿って移動される。
【００２５】
この方法において、ワークピースに衝突するレーザビームパルスは、上記定義されたように、生成されるべきワークピース表面の既に生成された部分に対して専ら接線方向に配向される。現在の材料除去部位において、既に生成されたワークピース表面は、入射レーザビームパルスに対して接線方向に移動する。これは、既に生成されたワークピース表面に隣接するパルス領域の外側輪郭に沿ってワークピースに衝突するレーザビームパルスによって除去されるように、既に生成されたワークピース表面に凹凸を生じさせる。これは、非常に低い粗さを有するワークピース表面、特に溝の内面を生成するのを可能とする。
【００２６】
しかしながら、レーザビームパルスの熱の非常に大部分が、除去されることになるパルス領域内の材料に入力される。例えば材料特性に悪影響を与える可能性があり且つ材料を脆くする可能性がある、生成されるワークピース表面上の熱の影響を受ける領域は形成されない。それゆえに、レーザビームパルスによって形成されるパルス領域は、任意の方法で調整可能であり且つ生成されるべきワークピース表面に沿ってワークピースを通って徐々に移動される可変断面を有するドリルビットを表す。好ましくは、レーザビームパルスがワークピース表面の生成における機械加工中に衝突するワークピースの全領域が除去される。それゆえに、レーザ切断に起因する、粗すぎるために仕上げが必要であるようなワークピースの表面は残らない。それゆえに、生成されたワークピース表面及び溝の溝内面は、低い粗さで生成され得、これは、さらなる仕上げを行うことなく、単一パスで行うことができる。
【００２７】
この方法は、ワークピース表面、例えば直線状又は螺旋状溝の溝内面などの少なくとも１つ以上の空間方向に湾曲した部分の生成に特に適している。特に、直線状溝が生成される場合、レーザビームパルスを遮るワークピースを回避するために、少なくとも発散角の半分だけ生成されるべきワークピース表面に対する接線に対するレーザビームパルスの伝播の方向を傾ける必要があり得る。
【００２８】
さらに、パルス領域の外側輪郭が機械加工中に変化した場合に有利である。外側輪郭の形状は維持することができ、パルス領域の面積は増減する、すなわち、パルス領域は、いわば拡縮され得る。代替的に又は追加的に、形状又は外側輪郭を変化させることが可能である。例えば、外側輪郭の曲線状の部分を角ばった部分へと変化させることができ、その逆も可能である。これは、例えば溝断面の変化などの複雑な形状を生成するのを可能とする。さらに、例えば、断面が、１つの軸方向部分において曲線状であり、他の軸方向部分において、少なくとも部分的に直線状であるか又は隅部を有するワークピース表面を作製することができる。レーザヘッド及び機械駆動ユニットの対応するプログラミング又は制御は、そのような適応を実現することができる。
【００２９】
パルス領域の外側輪郭は、好ましくは、材料除去部位においてワークピースの断面輪郭の部分と一致する部分を有する。
【００３０】
この方法は、各ワークピース部分が異なる材料から構成され、及び／又は使用されるレーザ光について異なる吸収特性を有する少なくとも２つあるいはそれ以上のワークピース部分を有するワークピースを機械加工するのに特に適している。例えば、ワークピースは、シャフトと、シャフトに固定されたダイヤモンドから構成されたワークピース先端とを有することができる。ワークピースは、一端に他の材料から構成されたコーティングを有することも可能である。そのような工具において、ワークピース表面は、連続的なプロセスシーケンス、具体的には双方のワークピース部分において中断されないもので生成される。例えば、溝は、軸方向において装着されたワークピース先端及び隣接するシャフトの双方を通って又はワークピースの長手軸まわりに螺旋状に延材することができる。ワークピース部分は、軸方向に及び／又はワークピースの長手軸に対して径方向に次々に配置することができる。
【００３１】
２つのワークピース部分は、適切な方法で、特に例えば接着又は鑞付けなどの材料接合によって互いに接続できる。材料的に接合された接続が使用される場合、２つのワークピース部分は、接着剤又は鑞から構成されるそれらの間の接続層を有することができる。この場合、溝はまた、２つのワークピース部分間に接続層を介して連続的に生成される。
【００３２】
レーザビームパルスがパルス領域における現在の材料除去部位に続くワークピース表面の既に生成された部分に対して接線方向に移動するという事実は、ワークピースの材料又は吸収特性の変化が、生成された若しくは生成されているワークピース表面の表面品質の悪影響を与えないか又は少ない悪影響しか与えないことを意味する。
【００３３】
レーザヘッド又はレーザスキャナの制御を簡略化するために、パルス領域における入射の全ての直接隣接する点間の距離は、１つの例示的な実施形態においては、ワークピース表面の生成中に変化しないままとすることができる。パルス領域の外側輪郭に応じて、パルス領域内に配置された入射されない全ての点は、同じ間隔を有しなければならない。
【００３４】
１つの例示的な実施形態において、ワークピース表面は、溝内面によって形成できる。その結果、ワーク表面の機械加工は、ワークピースに溝を生成する。この溝は、第１の溝端部から始まって生成される。パルス領域は、それぞれの場合に生成されるべき溝断面に対応する。特に、第１の溝端部に対向する第２の溝端部は、全ての最後に生成される。
【００３５】
この方法においては、１つの例示的な実施形態では溝の深さが変化する。特に、第２の溝端部における溝の深さは、低減させることができ、例えば、溝内面がワークピースの外面に合流するまで徐々に低減させることができる。
【００３６】
好ましくは、第２の溝端部が生成されたときのパルス領域の外側輪郭は、第１の溝端部が生成されたときのパルス領域の外側輪郭とは異なってよい。例えば、第１の溝端部が生成されたときのパルス領域の外側輪郭は、楕円弧又は円弧を有することができるとともに、第２の溝端部が生成されたときのパルス領域の外側輪郭は、少なくとも部分的に直線であるコースを有し、また、１つ以上の隅部を形成することができる。
【００３７】
パルス領域にあたるレーザビームパルスによって単位面積あたりのエネルギ入力がパルス領域のコア領域における単位面積あたりのエネルギ入力からパルス領域の端縁領域において異なる場合にも有利である。単位面積あたりのエネルギ入力は、好ましくは、コア領域よりも端縁領域においてより小さい。端縁領域は、ワークピース表面の既に生成された部分と直接接するパルス領域の領域である。パルス領域のコア領域は、ワークピース表面のこの既に生成された部分から分離される。この測定は、生成されたか又は生成されているワークピース表面の領域が材料特性に悪影響を有するいかなる熱影響領域も有しないことを保証することができる。これは、例えば、コア領域に対して端縁領域内の入射点の密度又は間隔によって調整できる。
【００３８】
この方法は、機械加工がフランク及び／又はすくい面及び／又は溝内面を生成したワークピースから工具を生成するために使用できる。
【００３９】
動作を平滑化するためにのみ上述した方法を使用することも可能である。ワークピース表面又は溝内面は、拡大代を残すために任意の予め機械加工プロセスによって生成でき、本発明の方法は、所望の特定の幾何学的形状の後続の生成のために使用できる。これは、除去されることになる材料の体積が比較的大きいときに特に有利であり得る。これは、例えば、ワークピース表面の端縁において例えば刃先などの鋭い端縁を生成することができる。
【００４０】
本方法の有利な実施形態は、従属請求項、明細書及び図面にしたがう。本方法の好ましい例示的な実施形態は、添付図面に基づいて以下に説明される。図面は、以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明の方法を実行するように設計された加工機の概略図である。
【図２】図２は、ワークピース表面の生成中における棒状ワークピースの概略斜視図である。
【図３】図３は、機械加工のために指定されたパルス領域の外側輪郭が図示されている機械加工中の棒状ワークピースの概略斜視図である。
【図４】図４は、パルス領域の例の概略的な平面図である。
【図５】図５は、パルス領域の例の概略的な平面図である。
【図６】図６は、本発明の方法を使用して棒状ワークピースから生成された工具である。
【図７】図７は、ワークピース表面が生成されるワークピースの例の概略縦断面図であって、ワークピース表面の生成中に変化するその輪郭及びパルス領域の外側輪郭を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、棒状ワークピース１１を機械加工するための本発明の方法を実行するように設計された加工機１０の概略図である。未加工ワークピース１１は、筒状形状を有し、この例によれば、それは円柱である。加工機１０によってワークピース１１を機械加工することは、ワークピース１１又はそれから生成される工具の長手軸Ａまわりに回転する回転工具を生成する。
【００４３】
加工機１０は、パルスレーザビーム、すなわちレーザビームパルスＢを生成するパルスレーザ１２を有する。パルスレーザビームは、レーザ１２からレーザヘッド１３に送られる。レーザヘッド１３は、その光軸Ｏに対して指定された方向にレーザビームパルスＢを出射し、機械加工領域にそれらを集光するように設計されている。ワークピース１１が機械加工されている間、ワークピース１１の現在の機械加工面、すなわち材料除去部位又は材料除去面は、機械加工領域内に位置する。
【００４４】
レーザヘッド１３は、光学レンズ又はその種の手段などの集光手段を有することができる。これは、図１に概略的に図示されたレーザビームパルスＢの発散角θを与える。遠視野における発散角は、いわばレーザヘッド１３の集光手段から機械加工領域までのレーザビームパルスの開口角である。レーザヘッド１３はまた、レーザスキャナとも称される偏向装置１４を有する。偏向装置１４は、例えば、１つ以上の偏向ミラーを有することができ、光軸Ｏに対してレーザビームパルスＢの出射方向を調整するように機能する。
【００４５】
加工機１０は、レーザ１２及びレーザヘッド１３を制御するための制御ユニット１５を有する。
【００４６】
制御ユニット１５はまた、加工機１０の機械駆動ユニット１６を制御する。機械駆動ユニット１６は、レーザヘッド１３と、加工機１０において棒状ワークピース１１をクランプするクランプ装置１７との間の相対運動を生成するように設計されている。機械駆動ユニット１６は、引っ張られたワークピース１１とレーザヘッド１３との間の相対運動を生成する。
【００４７】
レーザヘッド１３に対してクランプ装置１７を又はその逆を配向及び／又は位置決め及び／又は移動させるために、機械駆動ユニット１６は、存在する各並進自由度Ｘ、Ｙ、Ｚについての及び存在する各回転自由度ＤＸ、ＤＹ、ＤＺについての１つの機械軸駆動部１８を有する。図１は、機械軸駆動部１８の一部を非常に概略的に図示しているにすぎない。並進及び／又は回転自由度Ｘ、Ｙ、Ｚ、ＤＸ、ＤＹ、ＤＺの数は変化させることができ、最大で合計６自由度までを提供することが可能である。
【００４８】
図１の表現の代わりに、レーザヘッド１３はまた、各駆動についての１自由度で１つ以上の機械軸駆動部１８を介して移動することができる。唯一の決定的なことは、レーザヘッド１３に対するワークピース１１又はクランプ装置１７の相対運動である。
【００４９】
レーザビームパルスＢは、ワークピース１１上にレーザヘッド１３から出射方向Ｒで向けられる。レーザビームパルスＢが衝突し且つ材料除去が行われるワークピース表面の面積は、パルス領域２２によって画定される。パルス領域２２は、偏向装置１４によって生成される。
【００５０】
パルス領域２２の例は、特に図３〜図５においてみることができる。パルス領域２２は、外側輪郭Ｋを有する。外側輪郭Ｋは、ワークピース表面２３の生成されるべき外径輪郭と一致するように選択又は指定される。
【００５１】
ここで記載される例示的な実施形態において、ワークピース１１は、溝内面２５を有するその上に生成された少なくとも１つの溝２４を有する。溝内面２５は、溝２４の生成中に生じた表面全体である。すなわち、この場合、生成されるべきワークピース表面２３は、溝内面２５によって形成される。例示的な実施形態において、生成されるべき溝２４は、断面でみたときに全ての点でチャネル状に成形される。例示的な実施形態において、溝２４が元の外面２７に合流する２つの溝端縁２６は、長手軸Ａから同じ径方向距離を有する。生成されるべき溝２４は、長手軸Ａの方向に直線的に延在することができ、又は、図示されるように、長手軸Ａまわりに螺旋状とすることができる。例えば、ワークピース１１から生成されるべき工具４０のチップのための溝とすることができる。
【００５２】
記載された溝２４の代わりに、ワークピース１１上に、例えば刃先に隣接するフランク又はすくい面などの他の表面を生成するために加工機１０及び本発明の方法を使用することも可能である。
【００５３】
パルス領域２２の外側輪郭Ｋは、生成されるべきワークピース表面２３と接し且つワークピース１１から除去されるべき材料断面に対応する。それゆえに、ここで記載された例示的な実施形態において、パルス領域２２の外側輪郭Ｋは、生成されるべき溝２４の溝断面に対応する。例によれば、外側輪郭Ｋは、生成されるべき断面２３と直接接する第１の外側輪郭部Ｋ１を有するが、前記断面２３は、ワークピース機械加工中において溝内面２５である。外側輪郭Ｋはまた、少なくとも例えば１つの断面輪郭部において、ワークピース１１の機械加工中に元のワークピース断面輪郭（ワークピースの元の外面２７）に対応する第２の外側輪郭部Ｋ２を有する。例示的な実施形態において、外側輪郭部Ｋ１、Ｋ２は、双方とも、湾曲して互いに当接し、２つの隅部を形成する。溝の幾何学的形状の例によれば、生成されるべき幾何学的形状に応じて外側輪郭Ｋが直線部分を有すること又は直線部分若しくは曲線部分の組み合わせを有することも可能である。
【００５４】
複数の入射点３１は、外側輪郭面Ｋ内に位置する。入射点３１は、外側輪郭Ｋ内に分布して配置されている。直接隣接する入射点３１間の距離は、パルス領域２２内で均一としてもよいし、異ならせてもよい。これは、第１には、外側輪郭Ｋの幾何学的形状に依存し、第２には、パルス領域２２内の単位面積あたりのエネルギ入力が均一又は不均一であるべきかどうかに依存する。全ての外側輪郭Ｋについて、制御ユニット１５は、指定され及び／又はそれに記憶された入射点３１の定義された配置を有することができる。制御ユニット１５は、シーケンス中のレーザビームパルスＢが指定された順序で外側輪郭Ｋ内の入射点３１上に向けられるような方法でワークピース１１の機械加工中に偏向装置１４を制御する。シーケンスの終了後、少なくとも１つのレーザビームパルスがあらゆる入射点３１に向けられる。このシーケンスは、周期的に繰り返される。例えば、レーザビームパルスは、１つの入射点３１から次の入射点３１までのパルス経路３２に沿って移動させることができる。図４及び図５は、そのようなパルス経路３２の２つの例示的な実施形態を概略的に図示している。図４にかかるパルス経路３２は、パルス領域２２内を蛇行するとともに、例えば、パルス経路３２は、螺旋状コースを有する。レーザビームパルスＢを入射点３１上に向けるためにこれから逸脱する他のパルス経路３２又はシーケンス又は順序が可能である。
【００５５】
パルス領域２２は、図４及び図５において破線で描かれている端縁領域３３を有することができる。端縁領域３３は、第１の外側輪郭部Ｋ１に隣接する。端縁領域３３に属しないパルス領域２２の表面部分は、それゆえに第１の外側輪郭部Ｋ１から分離されたコア領域３４を形成する。例示的な実施形態において、端縁領域３３における単位面積あたりのエネルギ入力は、パルス領域２２のコア領域３４よりも小さくすることができる。少なくとも端縁領域３３における入射点３１上に向けられたレーザビームパルスの面積あたりのエネルギ入力は、指定された最大値よりも小さい。これは、材料がワークピース１１の機械加工中に除去された場合、端縁領域３３の領域における多すぎるエネルギ入力が、生成されるべきワークピース表面２３又は溝内面２５上にいかなる熱影響領域も生成しないことを保証する。そのような熱影響領域によってワークピース１１の材料が脆くなる可能性があり、したがって、生成されるべきワークピース表面２３の仕上げが必要となる可能性がある。対照的に、コア領域３４は、第１の外側輪郭部Ｋ１から、したがってワークピース１１の材料領域から十分に分離され、コア領域３４において単位面積あたりのエネルギ入力が端縁領域３３よりも多くなるように選択され得るワークピース表面２３が、後に形成される。
【００５６】
単位面積あたりのエネルギ入力は、例えば、端縁領域３３又はコア領域３４内にあるパルス領域２２内の入射点の密度を変化させることによって変化させることができる。代替的に又は追加的に、例えばレーザビームパルスＢの持続時間及び／又はレーザ出力などのレーザ１２のパラメータもまた変化させることができる。
【００５７】
加工機１０を使用して工具面２３を生成する方法は、以下のとおりである：
【００５８】
機械駆動ユニット１６は、レーザヘッド１３に対して初期位置において未加工ワークピース１１を配置するために使用される。処理中において、制御ユニット１５は、レーザヘッド１３に対してワークピース１１を移動及び／又は配向するように機械駆動ユニット１６を制御する。動作のシーケンスは指定され、特に制御ユニット１５においてプログラミングされる。特定のワークピースの種類に適したプロセスシーケンスは、例えば、ライブラリから呼び出すことができる。生成されるべきワークピース表面又はワークピースの幾何学的形状に応じて、制御ユニット１５はまた、ワークピース１１とレーザヘッド１３との間においてそれぞれの現在の相対位置に関連付けられたパルス領域２２の外側輪郭Ｋを調整するために、処理中にレーザヘッド１３又は偏向装置１４を制御する。外側輪郭Ｋは、処理中に一定のままとすることができるか又は変化させることができる。変化する外側輪郭Ｋは、外側輪郭Ｋの幾何学的形状を維持しながら、領域の拡縮においてのみ実行できる。代替的に又は追加的に、外側輪郭Ｋの幾何学的形状を変化させることも可能である。
【００５９】
ここで記載された例示的な実施形態において、溝２４は、元の筒状ワークピース１１において生成される。ワークピース１１の自由端部３５における面３４の領域において、溝２４は、第１の溝端部３６を有し、それから分離された反対側の第２の溝端部３７を有する。溝２４は、第１の溝端部３６が最初に生成されるように、ワークピースの自由端部３５から開始して生成される。そして、溝２４は、材料除去によって第１の溝端部３６から開始するそのコースの方向に沿って伸長され、第２の溝端部３７が最終的に仕上げられる。
【００６０】
機械駆動ユニット１６は、ワークピース１１の現在機械加工された部位がレーザビームパルスＢの集光された作動範囲内にあるように、レーザヘッド１３からのワークピース１１の距離を常に調整する。ワークピース１１は、出射方向Ｒの反対方向において、材料除去部位に直接隣接して配置されたワークピース表面２３又は溝内面２５の部分に対して、すなわちパルス領域２２に対して平行又は接線方向でレーザビームパルスＢがワークピース１１上に衝突するような方法で出射方向Ｒに対して配向されている。換言すれば、パルス領域２２又は入射点３１に隣接する部分において、レーザビームパルスＢは、パルス領域２２に直接当接するワークピース表面２３又は溝内面２５の既に生成された表面部分に対して接線方向に移動する。「接線方向」とは、伝播の方向又はレーザビームパルスＢの長手中心軸と材料除去部位に直接隣接して生成されるワークピース表面２３の表面部分に接触する接線との間の角度が、発散角θよりも小さいか又は発散角θの半分よりも小さいことを意味する。
【００６１】
機械加工中のパルス領域２２は、溝２４の断面に常に位置するような方法で指定される。機械加工中において、パルス領域２２は、溝２４が完全に生成されるまで、溝２４が延びる方向、いわば第１の溝端部３６から開始して第２の溝端部３７までずっとワークピース１１を移動する。このために必要な相対運動は、対応する自由度Ｘ、Ｙ、Ｚ、ＤＸ、ＤＹ、ＤＺで１つ以上の機械軸駆動部１８によって生成される。
【００６２】
あらゆる時点において、パルス領域２２の外側輪郭Ｋは、生成されるべき溝２４の断面輪郭に対応することができる。この場合、パルス領域２２が延在する平面内のパルス領域の変位はない。代わりに、パルス領域２２は、ワークピース１１に対するその法線方向、したがって出射方向Ｒにおいて移動される。あるいは、少なくとも１つの寸法において、溝２４の生成されるべき断面輪郭よりも小さくなるようにパルス領域の外側輪郭Ｋを選択することも可能である。この場合、パルス領域は、溝２４の所望の断面輪郭を達成するために、溝２４の断面内でさらに移動又はシフトされる。
【００６３】
材料が除去されるとき、レーザヘッド１３に対するワークピース１１の相対的な配向又は相対的な動きは、例によれば第１の溝端部３６から第２の溝端部３７までのいわばワークピース１１に対する動き３８の指定された経路（図２）に沿ってパルス領域２２を移動させる。
【００６４】
その結果、レーザビームパルスＢが衝突するワークピース１１の領域が既にワークピース表面２３又は溝内面２５の生成中、及びそれに起因して完全に除去される。レーザビームパルスＢが衝突する表面の領域は、概して、生成後に粗すぎるか又はエネルギ入力、すなわち熱によって影響を受けている。ワークピースの材料は前記領域では脆いことが多い。そのような熱影響領域を除去するため及び／又は粗さを低減するために、その後に仕上げが行われることが多い。ここで提案された方法においては、このようなことは防止される。材料除去部位において、生成されたワークピース表面２３は、レーザビームパルスＢが衝突する場合、常に、パルス領域２２に対して実質的に直角に配向され、その結果、既に生成された隣接するワークピース表面２３が平滑化される。より小さな領域がパルス領域２２の空間プロファイル内に突出する場合、それらは、パルス領域２２上に向けられたレーザビームパルスによって除去され、したがって、既に生成されたワークピース表面２３は、非常に低い粗さを取得する。それゆえに、材料が除去され、同時にワークピース表面２３がワンパスで生成される。
【００６５】
図６は、複数の溝２４が生成されて生成されている工具４０の例を図示している。例によれば、溝２４は、長手軸Ａまわりに螺旋状に配置されている。これらの溝２４が生成されたとき、工具４０の長手軸Ａに対して異なる軸方向位置における異なる溝断面を達成するためにパルス領域２２の外側輪郭Ｋを変化させた。溝の深さ及び同様に溝の幅は、第１の溝端部３６から開始して第２の溝端部３７まで減少する。パルス領域２２のそれぞれ調整された外側輪郭Ｋは、様々な軸方向位置で概略的に図示されている。溝２４のチャネル形状及びその結果としてのパルス領域２２の外側輪郭Ｋは同じままである。第２の溝端部３７において、生成される溝内面２５は、未加工ワークピース１１の元の外面２７に合流する。
【００６６】
そのようなプロセスは、異なる材料から構成され、又は使用されるレーザ光に対して異なる吸収特性を有する２つ以上のワークピース部分４１を有するワークピース１１を機械加工するために非常に有利に使用することができる。そのようなワークピース１１は、非常に概略化された方法で且つ図２における例のようにのみ図示される。ここにおいて、１つのワークピース部分４１は、例えば、他のワークピース部分４１を形成するエンドピース４３を有する超硬合金シャフト４２によって形成される。エンドピース４３は、例えば、例えばダイヤモンドなどの非常に耐久性のある硬質材料から構成できる。ワークピース１１が３つ以上のワークピース部分４１を有してもよいことはいうまでもない。
【００６７】
２つのワークピース部分４１は、図２に図示されるように、長手軸Ａの方向において順次軸方向に配置できる。代替的に又は追加的に、２つのワークピース部分４１はまた、長手軸Ａに対して径方向に順次配置してもよい。換言すれば、それらは、軸方向及び／又は径方向に交差又は重複することができる。他のワークピース部分４１をコーティングすることによって少なくとも１つのワークピース部分４１を形成することも可能である。
【００６８】
ここで記載される例において、２つのワークピース部分４１、例によれば、超硬合金シャフト４２及びエンドピース４３は、好ましくは材料接合によって互いに接続される。材料的に接合された接続は、接着剤又は鑞付けによって生成され得る。２つのワークピース部分４１は、それらの間に接着剤又は鑞から形成された接続層を有してよい。
【００６９】
生成されるべきワークピース表面２３が、生成されるべきワークピース表面２３に対して（材料除去部位に対して）常に接線方向に入射されるレーザビームパルスＢによって生成されるという事実はまた、材料除去が異なる吸収特性を有する様々なワークピース部分４１を介して連続的であるか又は途切れないことを可能とする。除去速度は、各ワークピース部分４１の吸収特性に応じて変化し得るものの、生成されるべきワークピース表面２３の品質及び特に粗さは、これによって影響を受けないままである。それゆえに、例えば、超硬合金シャフト４２とエンドピース４３から構成された工具先端とを有する工具を生成することが可能であり、図２に概略的に図示されるように、生成されるワークピース表面又は溝２４は、エンドピース４３及び超硬合金シャフト４２の双方を通って延びる。
【００７０】
前記方法の他の例示的な実施形態において、図６にかかる外側輪郭Ｋの変化に加えて又はそれに代えて、図７に概略的に図示されている外側輪郭Ｋの幾何学的形状を変化させることも可能である。ここで、例えば、生成されるべきワークピース表面２３の湾曲した領域は、パルス領域２２の円形の外側輪郭Ｋを使用して生成される一方で、例によれば四角形、特定の矩形又は正方形形状などの多角形の外側輪郭Ｋは、生成されるべき工具表面２３の端部領域において隅部を生成するために使用される。外側輪郭Ｋの幾何学的形状のそのような適応を使用することにより、例えば、第２の溝端部３７が工具４０上に端縁及び／又は隅部及び／又は段差を有することができる溝２４を生成することが可能である。
【００７１】
本発明は、棒状、特に筒状ワークピース１１におけるワークピース表面２３又は溝内面２５を生成する方法に関する。ワークピース１１から、回転工具が生成されることが期待される。ワークピース表面２３を生成するための材料除去は、指定された外側輪郭Ｋを有するパルス領域２２内の入射点３１においてワークピース１１上に偏向装置１４を介して導かれるレーザビームパルスＢを使用して行われる。１つ以上の機械軸駆動部１８、特にＣＮＣ軸によって、ワークピース１１及び偏向装置１４を相対的に配向、位置決め、又は移動させ、その内部に配置されたレーザビームパルスＢについての入射点３１を有するパルス領域２２は、レーザビームパルスの出射方向Ｒに対して実質的に直角に配向され、且つパルス領域２２に接する工具表面２３の既に生成された部分に対しても直角に配向される。材料が除去されている間、少なくとも１つの機械軸駆動部１８は、ワークピース表面２２のすぐ近くに隣接する既に生成された部分に対して常に直角である方向付けを維持しながら、動きの経路３８の指定された経路に沿ってワークピース１１に対してパルス領域２２を移動させる。これは、例えば、ワークピースの自由端部３５において第１の溝端部３６から開始して反対側の自由端部３７までずっと溝２４が延びる方向において溝内面２５を有する溝２４を生成するのを可能とする。パルス領域２２の外側輪郭Ｋは、溝２４の生成されるべき各断面に対応することができるか、又は溝２４の生成されるべき断面内に少なくともあることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１０  加工機
１１  ワークピース
１２  レーザ
１３  レーザヘッド
１４  偏向装置
１５  制御ユニット
１６  機械駆動ユニット
１７  クランプ装置
１８  機械軸駆動部
２２  パルス領域
２３  ワークピース表面
２４  溝
２５  溝内面
２６  溝端縁
２７  ワークピースの元の外面
３１  入射点
３２  パルス経路
３３  端縁領域
３４  面
３５  ワークピースの自由端部
３６  第１の溝端部
３７  第２の溝端部
３８  動きの経路
４０  工具
４１  ワークピース部分
４２  超硬合金シャフト
４３  エンドピース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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