ОБРАБАТЫВАЮЩАЯ ГОЛОВКА И ОБРАБАТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
PROCESSING HEAD AND PROCESSING DEVICE

Изобретение касается обрабатывающей головки для обработки поверхности посредством лазерного луча и обрабатывающего устройства, включающего в себя эту обрабатывающую головку согласно ограничительной части независимых пунктов формулы изобретения.
Из уровня техники известно нанесение порошка на деталь посредством способа лазерной наплавки. Для этого порошок, в частности посредством обрабатывающей головки, подается к детали, причем этот порошок подается к пятну плавления, которое прежде было расплавлено посредством лазера. Обычно лазер ведется через канал для прохода лазера обрабатывающей головки и фокусируется на расстоянии от 10 мм до 20 мм от выходной стороны обрабатывающей головки. Кроме того, порошок подается через обрабатывающую головку по меньшей мере по одному каналу для подвода порошка. При этом обрабатывающая головка может иметь один или несколько каналов для подвода порошка, выпускные отверстия которых на выходной стороне обрабатывающей головки чаще всего расположены вокруг выходного отверстия для лазерного луча; альтернативно канал для подвода порошка может быть выполнен в виде кольцевого зазора, который расположен вокруг канала для прохода лазера.
2
Во время выполнения способа лазерной наплавки при известных обстоятельствах может происходить сильный нагрев обрабатывающей головки, так как отражаются примерно от 1/3 до 2/3 подводимой мощности лазера, которые попадают по существу на обрабатывающую головку. Отраженная доля зависит при этом от применяемого лазера, основываясь по существу на длине волны. Например, исходят из того, что у Nd:YAG-, волоконного, дискового или диодного лазеров обычно отражается примерно 1/3 мощности, а у CO-лазеров - до 2/3 мощности.
Из US 7,259,353 известно устройство для охлаждения обрабатывающей головки при лазерной наплавке. Здесь предлагается расположить вокруг обрабатывающей головки рубашку охлаждения, имеющую наибольший возможный объем, чтобы обеспечить возможность как можно более эффективного охлаждения.
Ранее известный уровень техники имеет, однако, тот недостаток, что интенсивность охлаждения не всегда является достаточной. Кроме того, рубашка охлаждения большого объема значительно увеличивает обрабатывающую головку, что может быть неудобным при эксплуатации. Кроме того, ранее известные рабочие головки, в частности, из-за трудоемкого способа изготовления или из-за высокого расхода материала могут быть слишком дорогими; это также нежелательно, так как рабочие головки должны достаточно часто заменяться. Другим недостатком является недостаточное при известных обстоятельствах охлаждение острия обрабатывающей головки, обращенного к обрабатываемой детали.
В WO 95/20458 A1 описывается обрабатывающая головка для обработки поверхности посредством лазерного луча, которая включает в себя корпус и втулку для установки на корпусе. Корпус и втулка вместе образуют канал охлаждения обрабатывающей головки. Помимо этого, обрабатывающая головка имеет еще множество других конструктивных элементов.
Поэтому, в частности, задачей настоящего изобретения является устранить недостатки известного, то есть, в частности, предоставить обрабатывающую головку, которая проста и экономична в изготовлении, которая имеет компактную конструкцию и обеспечивает высокую интенсивность охлаждения при эксплуатации.
Эта задача решается с помощью обрабатывающей головки и обрабатывающего устройства по независимым пунктам формулы изобретения.
Зависимые пункты формулы изобретения касаются предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Изобретение касается обрабатывающей головки для обработки поверхности посредством лазерного луча. Обрабатывающая головка включает в себя канал для прохода лазера, имеющий продольную ось, по меньшей мере один канал для подвода порошка и канал охлаждения для охлаждения обрабатывающей головки. Обрабатывающая головка выполнена по меньшей мере из двух частей и включает в себя корпус и втулку. Втулка предназначена для установки на корпусе. Канал для прохода лазера и канал для подвода порошка выполнены в корпусе. Корпус по меньшей мере частично образует первую боковую стенку канала охлаждения. Втулка по меньшей мере частично образует вторую боковую стенку канала охлаждения.
Это имеет то преимущество, что необходимые выемки для образования канала охлаждения могут выполняться на корпусе до установки втулки на корпусе, что делает изготовление простым и экономичным. Кроме того, расположение канала для прохода лазера и канала для подвода порошка в корпусе приводит к тому, что для обрабатывающей головки необходимо лишь небольшое количество конструктивных элементов. Кроме того, канал охлаждения может без затруднений располагаться так, чтобы могло обеспечиваться достаточное охлаждение обрабатывающей головки и, в частности, острия обрабатывающей головки, так как благодаря простому в процессе изготовления исполнению канала охлаждения возможно, например, изготовление теплообменника, выполненного в виде лабиринта. При этом выемки могут выполняться в корпусе и/или втулке, при этом канал охлаждения образуется втулкой после расположения втулки на корпусе. При этом при эксплуатации для отвода тепла через канал охлаждения подается охлаждающая среда, такая как, например, вода.
Канал охлаждения может при этом выполняться способом со снятием стружки, таким как, например, способ фрезерования. Альтернативно корпус и/или втулка с каналом охлаждения могут выполняться способом формообразования, например, способом литья под давлением.
В частности, корпус и втулка образуют первую боковую стенку и вторую боковую стенку в обрабатывающей головке на участке по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 75% и особенно предпочтительно по меньшей мере 90% общей длины канала охлаждения.
Обрабатывающая головка имеет, в частности, только один единственный канал для прохода лазера. Но возможно также, чтобы она имела несколько каналов для прохода лазера.
Вышеназванный корпус обрабатывающей головки выполнен, в частности, цельно и изготовлен, в частности, из гомогенной заготовки, например, слитка из меди или медного сплава.
Часто обрабатывающая головка называется также порошковым соплом. Корпус часто называется втулочным корпусом или корпусом сопла.
Предпочтительно корпус и втулка могут разъемно соединяться друг с другом. В частности, корпус и втулка могут привертываться друг к другу.
Это имеет то преимущество, что при необходимости может заменяться одна из двух частей. Так как втулка представляет собой наружную деталь, которая при эксплуатации подвергается более высоким тепловым нагрузкам, при известных обстоятельствах она заменяется чаще. Так как втулка чаще всего представляет собой более дешевую часть, тем самым дополнительно сокращаются расходы при эксплуатации. Кроме того, благодаря разъемному соединению втулка может просто удаляться для простой чистки канала охлаждения и просто очищаться.
Предпочтительно корпус и втулка соединены жестко. В частности, корпус и втулка спаяны друг с другом.
Это имеет то преимущество, что достижима более компактная конструкция обрабатывающей головки, так как, например, можно обойтись без выполнения резьбы.
Предпочтительно корпус имеет первый транспортировочный канал и второй транспортировочный канал для подвода и отвода охлаждающей среды к каналу охлаждения и от канала охлаждения.
Это имеет то преимущество, что для выполнения каналов для подвода и отвода охлаждающей среды к каналу охлаждения не нужен никакой другой конструктивный элемент. Это позволяет получить особенно простую и вместе с тем экономичную конструкцию обрабатывающей головки.
Предпочтительно обрабатывающая головка состоит из головки, втулки и, опционально, уплотнений, в частности только одного уплотнения, например, в виде круглого (в поперечном сечении) кольца. В частности, на обрабатывающей головке могли бы быть установлены мелкие детали, которые, однако, в этом контексте не причисляются к обрабатывающей головке.
Это имеет то преимущество, что обрабатывающая головка состоит только из очень малого количества конструктивных элементов и поэтому особенно проста и экономична.
Предпочтительно канал охлаждения выполнен в виде змеевика охлаждения или спирали охлаждения. Это имеет преимущество возможности достижения высокой интенсивности охлаждения при оптимизированном расходе охлаждающей среды. Кроме того, у змеевиков охлаждения или спиралей охлаждения области, проводящие охлаждающую среду, могут выполняться по существу без острых углов, острых кромок, а также выступающих или углубленных ступеней, так что можно избежать соответствующей потери давления. Благодаря этому дополнительно повышается интенсивность охлаждения.
Предпочтительно канал охлаждения расположен в корпусе или в втулке. Другими словами, канал охлаждения расположен только в корпусе или во втулке; когда канал охлаждения расположен только в корпусе, втулка образует только вторую боковую стенку; когда канал охлаждения расположен только в втулке, корпус образует только первую боковую стенку.
Расположение канала охлаждения только в корпусе имеет то преимущество, что втулка может выполняться с малой толщиной стенки для достижения компактной конструкции.
Расположение канала охлаждения только в втулке имеет то преимущество, что охлаждение выполнено еще эффективнее, так как канал охлаждения расположен вблизи теплой наружной стороны обрабатывающей головки.
Предпочтительно канал охлаждения расположен в корпусе и в втулке. Это имеет то преимущество, что может выполняться канал охлаждения с большим проточным поперечным сечением для дополнительно повышенной интенсивности охлаждения.
Предпочтительно в области, обращенной к выходной стороне лазерного луча, расположено уплотнение для уплотнения канала охлаждения. В частности, это уплотнение выполнено в виде уплотнительного кольца, которое предпочтительно может вставляться в паз корпуса.
Это имеет то преимущество, что может обеспечиваться хорошее уплотнение между корпусом и втулкой, так что охлаждающая среда при эксплуатации не может выходить и попадать на обрабатываемую деталь.
Разумеется, на обращенной от выходной стороны лазерного луча стороне между втулкой и корпусом, предпочтительно аналогично вышеуказанному уплотнению, может располагаться другое уплотнение. Это имеет то преимущество, что охлаждающая среда при эксплуатации не может выходить и попадать на обрабатываемую деталь.
Предпочтительно корпус и втулка в меньшей мере одном участке выполнены сходящимися в направлении выходной стороны. В частности, корпус и втулка в по меньшей мере одном участке выполнены конически сходящимися в направлении выходной стороны. Другими словами, обрабатывающая головка в по меньшей мере одном участке выполнена, в частности конически сходящейся в направлении выходной стороны.
Втулка и корпус могут быть, например, выполнены таким образом, чтобы обращенный от выходной стороны участок втулки и корпуса был выполнен цилиндрическим; обращенный к выходной стороне участок втулки и корпуса может быть конически сходящимся. В цилиндрическом участке может располагаться резьба для разъемного крепления втулки на корпусе. При этом корпус и втулка выполнены с формами, согласованными друг с другом таким образом, что втулка в соответствии с изобретением может крепиться на корпусе
Исполнение обрабатывающей головки со сходящимся, в частности конически, участком имеет то преимущество, что обрабатывающая головка в направлении детали имеет меньшее поперечное сечение и поэтому более проста в обращении.
Предпочтительно канал охлаждения по меньшей мере частично и предпочтительно полностью расположен в сходящемся участке. Это имеет то преимущество, что обращенный к выходной стороне участок, который при эксплуатации чаще всего наиболее сильно нагревается, эффективно охлаждается.
Предпочтительно по меньшей мере один участок канала охлаждения расположен параллельно плоскости, перпендикулярной продольной оси A. Это имеет то преимущество, что некоторый участок канала охлаждения ведется вокруг корпуса по существу в одном осевом положении, благодаря чему может реализовываться длинный канал охлаждения с эффективным охлаждением.
Предпочтительно по меньшей мере один первый участок и один второй участок канала охлаждения удалены друг от друга параллельно продольной оси A. Это имеет то преимущество, что достижимо эффективное охлаждение обрабатывающей головки параллельно продольной оси, так как канал охлаждения расположен вдоль обрабатывающей головки.
Предпочтительно канал охлаждения имеет первое транспортировочное отверстие и второе транспортировочное отверстие для подвода и/или отвода охлаждающей среды. Первое транспортировочное отверстие и второе транспортировочное отверстие удалены друг от друга параллельно продольной оси A. Например, охлаждающая среда через первое транспортировочное отверстие может транспортироваться в канал охлаждения, и через второе транспортировочное отверстие транспортироваться из канала охлаждения. Разумеется, транспортировка охлаждающей среды может также осуществляться в обратном направлении.
Это имеет то преимущество, что охлаждающая среда, прежде чем она транспортируется из обрабатывающей головки, используется для охлаждения обрабатывающей головки только один раз. Разумеется, возможен также режим циркулирования охлаждающей среды, при котором охлаждающая среда после транспортировки из канала охлаждения активно и/или пассивно охлаждается и затем снова подается в канал охлаждения, что предпочтительно позволяет достичь сокращения расхода охлаждающей среды.
При известных обстоятельствах предпочтительно подводить охлаждающую среду в то транспортировочное отверстие, которое расположено ближе к выходной стороне, так как выходная сторона часто является наиболее теплой. Так как охлаждающая среда во время транспортировки через канал охлаждения нагревается, то возможно более эффективное охлаждение к началу транспортировки охлаждающей среды через канал охлаждения, что предпочтительно для охлаждения горячей области, обращенной к выходной стороне.
Предпочтительно первое транспортировочное отверстие находится в проточном соединении с первым транспортировочным каналом, а второе транспортировочное отверстие находится в проточном соединении со вторым транспортировочным каналом. Первый транспортировочный канал и/или второй транспортировочный канал по меньшей мере в некотором участке расположены по существу под тем же углом наклона к продольной оси, что и канал для подвода порошка.
Это имеет то преимущество, что обрабатывающая головка может выполняться компактно.
Предпочтительно канал охлаждения расположен на обращенной от продольной оси A стороне канала для прохода лазера и, в частности, указанного по меньшей мере одного канала для подвода порошка. Другими словами, канал охлаждения расположен, находясь в обрабатывающей головке снаружи, и ведется вокруг канала для прохода лазера и, в частности, вокруг указанного по меньшей мере одного канала для подвода порошка.
Это имеет то преимущество, что может обеспечиваться охлаждение наружных областей обрабатывающей головки, которые чаще всего подвержены наиболее высоким тепловым нагрузкам.
Предпочтительно втулка и, в частности, корпус изготовлены по существу из материала, имеющего теплопроводность больше 300 Вт/(м*К). Предпочтительно этот материал имеет теплопроводность больше 340 Вт/(м*К) и особенно предпочтительно больше 380 Вт/(м*К). Например, этот материал может представлять собой медь или же медный сплав.
Это имеет то преимущество, что, дополнительно к охлаждению посредством охлаждающей среды, тепло может хорошо отводиться за счет выбора материала, например, за счет теплопередачи к охлаждающей среде.
Другой аспект настоящего изобретения касается обрабатывающего устройства для обработки поверхности посредством лазерного луча. Это обрабатывающее устройство включает в себя обрабатывающую головку, которая описана выше.
Другие признаки и преимущества изобретения для лучшего понимания поясняются подробнее ниже на примерах осуществления без ограничения изобретения этими примерами осуществления. Показано:
фиг.1: схематичное изображение предлагаемой изобретением обрабатывающей головки на виде сбоку;
фиг.2: вид спереди обрабатывающей головки в соответствии с фиг.1, с втулкой;
фиг.3: вид спереди обрабатывающей головки в соответствии с фиг.2, без втулки;
фиг.4: схематичное изображение фрагмента обрабатывающего устройства, имеющего обрабатывающую головку в соответствии с фиг.1.
На фиг.1 в схематичном изображении представлена предлагаемая изобретением обрабатывающая головка 1 на виде сбоку. Обрабатывающая головка 1 выполнена из двух частей и включает в себя корпус 5, а также разъемно закрепленную на корпусе 5 втулку 6. Разумеется, втулка 6 может быть также жестко соединена с корпусом 5, например, пайкой.
Обрабатывающая головка 1 имеет выходную сторону 10, в которой расположено выходное отверстие 18 для лазерного луча. Кроме того, на выходной стороне 10 расположено выпускное отверстие 20 канала 3 для порошка для транспортировки порошка к обрабатываемой детали; выпускное отверстие и канал 3 для порошка изображены штрихами только для иллюстрации, так как канал для порошка при вращении вокруг продольной оси A лежит в другой плоскости сечения, чем, напр., первый транспортировочный канал 13.
Обрабатывающая головка 1 в некотором участке выполнена конически сходящейся в направлении выходной стороны 10.
Корпус 5 на стороне, обращенной от выходной стороны 10, имеет не изображенную здесь резьбу, посредством которой втулка 6 может привертываться к корпусу 5; для этого втулка 6 на внутренней стороне имеет не изображенную здесь ответную резьбу.
В конически сходящемся участке корпуса расположен выполненный в виде змеевика охлаждения канал 4 охлаждения; этот канал 4 охлаждения может, например, фрезероваться в корпусе 5 фрезой. Альтернативно исполнению в виде змеевика охлаждения канал 4 охлаждения может также, разумеется, выполняться в виде спирали охлаждения.
Первый участок 22 канала 4 охлаждения расположен параллельно плоскости, перпендикулярной продольной оси A. Кроме того, первый участок 22 и второй участок 23 канала 4 охлаждения удалены друг от друга параллельно продольной оси.
Канал 4 охлаждения имеет первое транспортировочное отверстие 11 и второе транспортировочное отверстие 12 для подвода и/или отвода охлаждающей среды.
Корпус 5 имеет паз 19 для помещения уплотнительного кольца для образования уплотнения 9. Для образования другого уплотнения при необходимости может предусматриваться другой паз для помещения другого уплотнительного кольца в области резьбы, расположенной на стороне, обращенной от выходной стороны 10.
Обрабатывающая головка 1 имеет канал 2 для прохода лазера, имеющий продольную ось A. При эксплуатации лазер на стороне, обращенной от выходной стороны 10, ведется в канал 2 для прохода лазера, после чего лазерный луч распространяется по продольной оси A и выходит из обрабатывающей головки 1 через выходное отверстие 18.
Канал 4 охлаждения имеет первую боковую стенку 7, которая образуется корпусом 5. Вторая боковая стенка 8 образуется втулкой 6. Таким образом, охлаждающая среда может подаваться по каналу 4 охлаждения по существу параллельно боковым стенкам 7 и 8.
Корпус 5 имеет первое транспортировочное отверстие 11 и второе транспортировочное отверстие 12 для подвода и/или отвода охлаждающей среды. Первое транспортировочное отверстие 11 соединено проточным соединением с первым транспортировочным каналом 13. Второе транспортировочное отверстие 12 соединено проточным соединением со вторым транспортировочным каналом 14. Посредством транспортировочных каналов охлаждающая среда может транспортироваться к каналу 4 охлаждения.
Первое транспортировочное отверстие 11 и второе транспортировочное отверстие 12 удалены друг от друга параллельно продольной оси A.
Канал 4 охлаждения расположен на обращенной от продольной оси A стороне канала 2 для прохода лазера и канала 3 для подвода порошка.
Канал 3 для подвода порошка, имеющий выпускное отверстие 20 (изображено штрихами), наклонен относительно продольной оси A таким образом, что струя порошка пересекает продольную ось A на расстоянии D примерно 12 мм от выходного отверстия 18. Итак, не изображенный здесь лазер фокусируется так, чтобы посредством лазера на расстоянии D на детали могло создаваться пятно плавления.
Канал 3 для подвода порошка, первый транспортировочный канал 13 и второй транспортировочный канал 14 на некотором участке расположены по существу под одинаковым углом B наклона к продольной оси A.
На фиг.2 и 3 изображен вид спереди обрабатывающей головки 1 в соответствии с фиг.1. На фиг.2 показана обрабатывающая головка 1 с втулкой 6. На фиг.3 показана обрабатывающая головка 1 без втулки, поэтому виден канал 4 охлаждения.
Одинаковые ссылочные обозначения означают одинаковые признаки на всех фигурах и поясняются повторно только при необходимости.
На фиг.4 на схематичном изображении показан фрагмент обрабатывающего устройства 15, имеющего обрабатывающую головку 1 в соответствии с фиг.1.
Обрабатывающее устройство 15 включает в себя патронную втулку 17 для обрабатывающей головки 1. Лазерный луч 16 ведется через патронную втулку 17 и затем через обрабатывающую головку 1.
Лазерный луч 16 выходит из обрабатывающего устройства 15 через выходное отверстие 18 и при этом фокусируется так, что на расстоянии D на не изображенной здесь детали может создаваться точка плавления, на которую затем транспортируется порошок, как описано выше.
При эксплуатации обрабатывающее устройство 15 ведется по детали с помощью не изображенного здесь позиционирующего устройства, вследствие чего образуется так называемый наплавленный валик.