专利名称：利用激光束加工槽的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光束在金属工件内圆柱面上加工直槽的装置和方法。
背景技术：
迄今为止，已有装置和方法将激光束用于金属制工件，利用激光束产生的热量切割或加工工件。
根据这些激光束加工方法，如图6所示，激光振荡器射出的激光束1被导入到应用管嘴2的聚光透镜3上。该管嘴2和激光振荡器同轴设置。上述激光束1由聚光透镜3所会聚，并从应用管嘴2笔直地作用到金属工件4的表面上。作用这种激光束1的应用管嘴2和工件4的表面倾斜成一定角度，因而激光束1也倾斜地和工件4成相同角度。当激光束1作用到工件4上时，工件4被激光束1施加的能量所加热，工件4的表面被切割，从而加工成槽。
当工件4的表面被激光束1加工时，由于工件4被加热，所以在工件4的表面上会产生熔渣。在施加有激光束1的工件4的表面区域附近设置有喷嘴5，在应用管嘴2的侧壁上连有供气管7。辅助气体6经由喷嘴5和供气管7朝向工件4的表面喷出，将上述熔渣吹走(详细请参见日本未审专利公开JP58-125391)。
通常，对于利用激光束来加工由金属制成的工件，激光束基本上垂直于被加工工件的表面，以保证加工操作的高精度和高稳定性。
根据日本未审专利公开JP58-125391中公开的加工工艺，射出激光束1的激光振荡器和应用管嘴2彼此同轴设置，激光束1从应用管嘴2笔直地作用到工件4的表面上。因此，在工件4的被加工表面上需要有足够的空间来放置激光振荡器和应用管嘴2，以便于将激光束1作用到工件4上。
如果在圆柱形工件的孔内、例如在车载发动机内连杆的大端孔内，由激光束在内壁面上加工槽，由于这种孔的尺寸限制，所以激光振荡器和应用管嘴不可能插入到上述孔内，从而不可能基本垂直于上述孔内的内壁面。
在这种情况下，激光振荡器和应用管嘴就不得不和工件的内壁面倾斜成一定角度，且要设置在上述孔外。尽管在工件的孔内没有地方设置激光振荡器和应用管嘴，但是应用管嘴所施加的激光束仍然可在工件的内壁面上加工出槽。
然而，由于上述激光束和工件的内壁面相倾斜，所以很难控制保持整个槽深度恒定的加工工艺。
当利用上述加工工艺在车载发动机连杆的大端孔的内壁面内加工槽时，上述连杆的大端就会从上述槽分裂为柄和盖，从而难以保持整个槽的恒定深度。因此，就必须增加用以分裂连杆大端的冲击力。但当设置较大的冲击力来分裂连杆时，制造成本增加而连杆的屈服点却减少，因此当在较大冲击力下开裂时，易于产生劣质连杆。
发明简述本发明的主要目的就是提供一种在工件的圆柱形表面内加工槽的装置和方法，可利用基本垂直于上述内圆柱面的激光束高精确地加工。
根据附图中借助于示意性实例所示的本发明优选实施例，本发明的上述和其他目的、特征以及有益效果都将根据下列叙述变得显而易见。
附图简述
图1是本发明第一实施例中加工装置的透视图，其利用激光束实施加工槽的方法；图2是图1中加工装置沿着轴线的垂直剖图；图3是图2中加工装置靠近管状头部和反射镜的一部分部分被剖视的局部平面图；图4是本发明第二实施例中加工装置沿加工装置轴线观察的垂直剖图，其利用激光束实施加工槽的方法；
图5是图4中加工装置靠近管状头部和反射镜的一部分部分被剖视的局部平面图；图6是实施传统激光束加工方法的加工装置的垂直剖图。
优选实施例的详述根据本发明的第一实施例，图1和2示出了利用激光束加工槽的装置10(以下称为“加工装置10”)。
上述加工装置10由安装在工业关节机器人(例如数控装置)手臂端部上的外壳(体)11，设置在外壳11上用以射出激光束12的激光振荡器14，以及和激光振荡器14同轴设置的管状头部16构成。该管状头部和外壳11的下端相连。
上述加工装置10还具有固定在头部16上端的聚光透镜18，用以会聚从激光振荡器14向下射出的激光束12。在头部的下端固定安装有反射镜24，并和头部16的垂直轴线29成一定角度倾斜。上述反射镜24用以将从激光振荡器14射出的激光束12沿着轴线29反射到基本垂直于工件20例如车载发动机内连杆的内周面(内圆柱面)22的方向上。经由第一气管26和第二气管28，从气体供应源(未示出)供以辅助气体25。
上述激光振荡器14可连续的震荡或者脉冲震荡，将激光束12输入到头部16内。尤其是，上述激光束12可从连续震荡或者脉冲震荡的CO2激光器或者脉冲震荡的YAG激光器射出。上述激光束12可由100Hz或者更高的高频调制脉冲频率所震荡。
上述管状头部16由从上到下直径逐渐减小的大致圆锥状管件构成，并向下和同轴的激光振荡器14间隔一定距离。上述聚光透镜18安装在头部16的开口上端，朝向激光振荡器14开口。头部16在下端具有底壁30，该底壁基本上垂直于头部16的轴线29，用以封闭上述头部16的下端。
上述管状头部16还具有侧壁32，该侧壁在上部设有孔34。供以辅助气体25的第一气管26的端部固定在上述孔34中，第一气管26基本上和侧壁32垂直相连。第一气管26和头部16的内部相联通，用以将气体源的辅助气体25导入到头部16内的空间36内。
上述侧壁32还包括形成在下部的射出孔38，和反射镜24的反射面水平设置。头部16内，从聚光透镜18到反射镜24的激光束12由反射镜24以90°角反射，并经由射出孔38射出头部16。射出孔38从底壁30的上表面向上延伸，并水平开口。该射出孔38的开口大于激光束12经由射出孔38时的直径。
上述头部16被连接到和激光振荡器14整体成形的机器人手臂上。当机器人操作时，安装在机器人上的加工装置10就可在具有三个坐标轴X、Y、Z的三维空间内移动到任何所需的位置上，并定位在任何所需的方向上。
基本为圆形的上述聚光透镜18由具有上凸面和下平面的平凸透镜构成。该聚光透镜18安装在头部16上部形成的安装槽39内。当激光束12施加在聚光透镜18的上凸面时，激光束12就被会聚在聚光透镜18下的一点。该聚光透镜18还可由具有上凸面和下凸面的双凸透镜构成。
上述反射镜24是一种设置在头部16底壁30上的板状形式，由侧壁32的下部所围绕。反射镜24和头部16的垂直轴线29成45°角倾斜。该反射镜24可将向下的激光束12的中轴线对准在反射镜上表面的大致中间区域内。
该反射镜24可由钨或钼制成，或者在其上表面涂有一层钨或钼。
当激光振荡器14射出的激光束12从头部16到达反射镜24，激光束12就由反射镜24以90°角反射，该反射镜和头部16的垂直轴线29成45°度倾斜，从而面向上述射出孔38。上述反射的激光束12经由射出孔38到达放置在头部16之外的工件20上。
经由孔34基本和侧壁32上部垂直相连的第一气管26，将未示出的气体供应源的辅助气体提供到头部16中，上述供应源和第一气管26的一端相连。从第一气管26导入头部16的辅助气体25随后经由射出孔38被供给工件20的内周面22。
第二气管28和头部16间隔预定距离，且相互平行。该气管的一端和未示出的气体供给源相连，另一端作为排气口，制成锥形且朝向工件20。该第二气管28设置在朝向工件20上表面的位置上。尤其是第二气管28的排气口向上和工件20的内周面22的上边缘具有设定距离，而该内周面上具有激光束12所要加工的槽40a、40b。
供给第一气管26和第二气管28的辅助气体25包括压缩空气，氮气，氩气，或者氧气，可根据形成槽40a、40b的工件20的材料来进行选择。
第一实施例中的上述加工装置10基本上由上述构造而成。下面将描述该加工装置10的操作和有益效果。作为工件20的连杆被放在置物台(未示出)上，操作该加工装置10，在该连杆大端孔42的内周面22内形成一对裂槽40a、40b，用以有助于将该连杆开裂为柄和盖。
首先，该加工装置10被放置在工件20上的初始位置，该工件固定在上述置物台上。随后，未示出的机器人将该加工装置10从上述初始位置基本上沿水平方向(图1中箭头A所示)移动到上述连杆大端孔42中心的位置，该中心和加工装置10的头部16的轴线29并列设置。
然后，机器人将该加工装置10沿轴线29向下在箭头B所示的方向移动。当加工装置10向下移动时，容纳在外壳11内的激光振荡器14，头部16和设置在头部16内的反射镜24都在箭头B所示的方向上向下彼此共同移动。
电源(未示出)将电流供给到激光振荡器14中，该振荡器从而连续地震荡或者脉冲震荡，将激光束12射向头部16内。上述激光束12经由和激光振荡器14同轴的头部16内的空间36，被提供到反射镜24的上表面。由于反射镜24和头部16的垂直轴线29成大约45°角倾斜固定，所以激光束12由反射镜24反射和上述垂直轴线29成90°角即反射为水平方向，且激光束从形成在头部16的侧壁32上的射出孔38射出。
当激光束12从射出孔38射出时，基本垂直于头部16的垂直轴线29，上述加工装置10沿着垂直轴线29，在箭头B所示的方向逐渐向下移动。上述管状头部16移动到上述大端孔42内，将射出孔38射出的激光束12几乎垂直地施加在大端孔42的内周面22上。如图3所示，由于激光束12的热量，在上述内周面22上形成大致V形截面的槽40a，该槽40a在内周面22的径向方向上具有某一深度。
当上述加工装置10进一步沿着垂直轴线29在箭头B所示的方向逐渐向下移动时，上述宽度基本恒定的槽40a就会沿着大端孔42的内周面22笔直成形。
此时，槽40a附近的内周面22上，就会有由于激光束12加热而产生的熔渣。因此从未示出供气源供给的辅助气体25就经由第一气管26从射出孔38被喷射到大端孔42的内周面22上。该辅助气体25还可从第二气管28的排气口喷射到大端孔42的内周面22上，将槽40a附近内周面22上的熔渣吹走。
在槽40a径向相反的内周面22上形成另一槽40b。该槽40b由加工装置10在朝向上述形成的槽40a的位置所加工出。
尤其是，未示出的机器人从加工装置10定位形成槽40a的角度位置，绕轴线29将加工装置10转动180°。在并列设置轴线29和大端孔42的中心之后，在箭头B所示的方向上向下移动加工装置10到该大端孔42内。再次射出上述激光束12，径向相反于槽40a，沿着工件20的内周面22笔直成形槽40b。因此，均具有恒定深度的上述槽40a、40b就在上述内周面22内得以成形。
此时，槽40b附近的内周面22上所产生的熔渣，也借助于第一气管26喷射的辅助气体25吹走，该辅助气体经由射出孔38喷射到内周面22上，且该辅助气体25还可从第二气管28喷射到内周面22上。
内周面22上形成的上述槽40a、40b的深度D(参考图2和3)被设定在0.2-0.7mm的数值范围内。槽40a、40b的宽度W(参考图3)被设定在0.1-0.4mm的数值范围内。所不希望的是，槽40a、40b的深度D沿轴线方向改变。如果深度D改变，最深部深度D’和最窄部深度D”之间的差值应该为深度D’的50％或更少。换句话说，深度D’和深度D”之间的变化率为50％或更小。
因此，上述槽40a、40b要高精确地在工件20大端孔42的内周面22内成形得深度大致恒定。即使槽40a、40b的深度D小于和工件内壁面成一定角度倾斜的传统激光束1(参考图6)所加工的槽深，上述连杆也能可靠而又简单的从内周面22上形成的上述槽40a、40b处开裂。因此，当连杆作为工件20被加工时就能够增加屈服点。
根据第一实施例，如上所述，上述反射镜24倾斜大约45°，且固定在和激光振荡器14同轴设置的头部16上，激光振荡器15输出的激光束12被以90°反射，因而可从上述管状头部16中基本水平地射出。结果，即使在工件20内形成上述槽40a、40b的孔直径较小，容纳上述激光振荡器14的外壳11和上述管状头部16也不必相对工件20倾斜。该头部16可被插入到工件20的上述孔内，将激光束12基本垂直地施加在工件20的内周面22上，从而高精确地成形上述深度大致恒定的槽40a、40b。
根据传统激光束加工方法，激光束1以某一角度倾斜，且直接应用到工件的内周面上。但是根据第一实施例，激光束12由反射镜24基本上垂直于工件20的内周面22施加。当激光束12基本垂直内周面22时，可高精确地控制由激光束12成形的槽40a、40b深度D和形状。
由于上述槽40a、40b形成得基本相同，所以作为工件20的上述连杆可利用很小的力就从槽40a、40b裂开。所以可以减小作用于大端孔42上的应力。而且因为上述需要裂开连杆的槽40a、40b的深度D基本上恒定，所以该深度D也可以减小。
不像其他加工方法例如在内周面22上扩孔成槽，利用激光束12，可形成大致V形截面的锐角槽40a、40b。由于该锐角槽40a、40b可使得连杆易于断裂，所以屈服点就增多了。
下面参考图4和5来叙述利用激光束加工槽的装置50(以下称为“加工装置50”)。加工装置50中零件和第一实施例中加工装置10的零件相同的，都由相同的参考标记所表示，下面也就不详细描述。
本发明第二实施例中的加工装置50具有安装在头部52的底壁30上的反射面58，大致为圆锥管状元件。该反射镜58具有一对倾斜成一定角度并相对头部52的轴线29对称的镜面56a、56b。上述镜面56a、56b彼此相反设置，并面朝各自的形成在头部52的侧壁32下部上的射出孔62a、62b，这两个孔彼此在径向上相对设置。上述反射镜58将激光振荡器14中射出的激光束12分为两束60a、60b，这两束激光分别通过射出孔62a、62b到达工件20的内周面22上，又基本同时在内周面22上成形各自的槽64a、64b。
如图4所示，基本为三角形截面的反射镜58被固定在头部52的底壁30上。该反射镜58的尖肋66定位在头部52的轴线29上，镜面56a、56b从该尖肋66以和轴线29成45°角向下倾斜延伸。所以这些镜面56a、56b和轴线29成45°倾斜。
形成在头部52的侧壁32下部且彼此径向相反的上述射出孔62a、62b使各自的激光束60a、60b从头部52射出。这些激光束由反射镜58以相对于轴线29成90°的角度反射。上述射出孔62a、62b从上述底壁30的上表面向上延伸，并水平开口。这些射出孔62a、62b在经由头部52中心的直线上定位(参考图5)，朝向反射镜58的各自镜面56a、56b。
将辅助气体25喷射到工件20的内周面22的第二气管68a、68b在上述头部52的每一侧设置一个。这两个第二气管68a、68b和头部52间隔预定距离且相互平行。尤其是，上述第二气管68a、68b要设置在将要由激光束60a、60b加工槽64a、64b的工件20的内周面22之上。
由于连杆作为工件20被固定在未示出的置物台上，上述连杆之上的加工装置50被未示出的机器人沿水平方向(图4中箭头A所示)移动到上述连杆大端孔42中心的位置，该中心和加工装置50的头部52的轴线29并列设置。然后，机器人将该加工装置50沿轴线29向下在箭头B所示的方向移动。
上述激光振荡器14沿上述垂直轴线29射出经由头部52内空间36的激光束12。该激光束12被输送到反射镜58的镜面56a、56b上。由于这些镜面56a、56b从上述尖肋66成45°角对称倾斜，所以激光束12被反射分成激光束60a、60b，和上述轴线29成90°角，变为水平方向。上述反射的激光束60a、60b分别从射出孔62a、62b朝向工件20的内周面22射出。
随后，上述加工装50沿着轴线29，在箭头B所示的方向向下移动。上述加工装置50的头部52移动到上述大端孔42内，将射出孔62a、62b射出的激光束60a、60b几乎垂直地施加在内周面22上，利用激光束60a、60b的热量，笔直地在上述内周面22上形成具有预定宽度的槽64a、64b。上述槽64a、64b为大致的V形截面，彼此的形状和深度也大致相同。
此时，槽64a、64b附近的内周面22上，就会有由于激光束60a、60b加热而产生的熔渣。因此从未示出供气源供给的辅助气体25就经由第一气管26从射出孔62a、62b被喷射到上述内周面22上。与此同时，辅助气体25还可从第二气管68a、68b喷射到内周面22上，将槽64a、64b附近内周面22区域上的熔渣吹走。
因此，形状大致相同的上述槽64a、64b可同时在作为工件20的连杆大端孔的内周面22内成形。所以上述槽64a、64b的加工方法可得以简化并在相对较短的时间段内完成。因此，连杆的成本就降低了。
尽管示出并详细叙述了本发明的某些优选实施例，但是可以理解在不偏离随后权利要求的范围内，各种变化和修改是可以允许的。
权利要求
1.一种利用从激光振荡器(14)射向工件(20)的激光束(12)在工件(20)上加工槽的方法，包括以下步骤利用聚光透镜(18)，将和工件(20)内圆柱面(22)的轴线同轴的激光振荡器(14)射出的激光束(12)会聚；此后，利用反射镜(24，58)以和上述轴线基本成直角的方式将激光束(12)反射，上述反射镜和上述轴线倾斜成预定角度；将反射的激光束(12)基本垂直地施加到上述内圆柱面(22)上；向上述由激光束(12)照射的内圆柱面(22)上喷射气体(25)；当上述激光束(12)施加在上述内圆柱面(22)上时，沿着上述轴线，共同移动上述激光振荡器(14)和反射镜(24，58)，从而沿着上述内圆柱面(22)的上述轴线笔直地形成一对槽(40a，40b，64a，64b)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在上述工件(20)的内圆柱面(22)上形成上述槽的第一槽(40a)之后，上述反射镜(24，58)绕上述轴线转动180°，上述激光束(12)就作用在上述内圆柱面(22)上，从而沿着上述内圆柱面(22)的轴线，朝向上述第一槽(40a)笔直地形成第二槽(40b)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述激光束(12)由上述反射镜(58)分为两个激光束，从而在上述内圆柱面(22)上几乎同时形成上述一对槽(64a，64b)。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述气体(25)经由容纳上述激光振荡器(14)的壳体(11)被输送到上述内圆柱面(22)上，还可经由基本平行于上述壳体(11)轴线(29)延伸的气管(28，68a，68b)被输送到上述内圆柱面(22)上。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，利用上述反射镜(24，58)，基本和上述轴线成直角反射的上述激光束(12，60a，60b)，可经由射出孔(38，62a，62b)施加在上述内圆柱面(22)上，这些射出孔形成在上述壳体(11)上，朝向上述内圆柱面(22)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，上述经由壳体(11)供给的气体(25)从上述射出孔(38，62a，62b)喷射到上述内圆柱面(22)上。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述反射镜(24，58)具有反射上述激光束(12)的镜面，上述镜面相对于上述轴线成45°角朝向上述内圆柱面(22)倾斜。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述槽(40a，40b，64a，64b)为基本上V形截面的锐角形状。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，上述槽(40a，40b，64a，64b)在上述内圆柱面(22)的周向方向上的宽度(W)范围为0.1-0.4mm，在上述内圆柱面(22)的径向方向上的深度(D)范围为0.2-0.7mm。
10.一种利用从激光振荡器(14)射向工件(20)的激光束(12)在工件(20)上加工槽的装置，包括聚光透镜(18)，用以会聚和工件(20)内圆柱面(22)轴线同轴的激光振荡器(14)射出的激光束(12)；反射镜(24，58)，具有和上述轴线成预定角度倾斜的镜面，用以将上述聚光透镜(18)会聚的激光束(12)反射；气管(26，28，68a，68b)，用于将气体(25)喷到上述由激光束(12)照射的内圆柱面(22)上；其特征在于，上述激光束(12)由和上述反射镜(24，58)基本上和所述轴线成直角反射，并作用在上述内圆柱面(22)上，从而沿着上述轴线在上述内圆柱面(22)上形成一对槽(40a，40b，64a，64b)。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述反射镜(24)具有反射上述激光束(12)的镜面，上述镜面相对于上述轴线成45°角朝向上述内圆柱面(22)倾斜。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述反射镜(58)具有反射上述激光束(12)的一对镜面(56a，56b)，上述每一镜面(56a，56b)相对于上述轴线成45°角朝向上述内圆柱面(22)倾斜。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述气管(26，28，68a，68b)和容纳上述激光振荡器(14)的壳体(11)相连，并基本平行于上述壳体(11)轴线(29)延伸。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，上述壳体(11)具有面朝上述内圆柱面(22)的射出孔(38，62a，62b)，用以从其中射出由上述反射镜(24，58)以大致直角反射的激光束。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，上述从气管(26)经由壳体(11)供给的气体(25)从上述射出孔(38，62a，62b)喷射到上述工件(20)的内圆柱面(22)上。
16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述槽(40a，40b，64a，64b)为基本上V形截面的锐角形状。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，上述槽(40a，40b，64a，64b)在上述内圆柱面(22)的周向方向上的宽度(W)范围为0.1-0.4mm，在上述内圆柱面(22)的径向方向上的深度(D)范围为0.2-0.7mm。
18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述反射镜(24，58)由钨或钼制成，或者具有涂有一层钨或钼的表面。
19.如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述气体(25)包括空气，氮气，氩气，和氧气中的任一种。
20.如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述激光束(12)包括CO2激光束或者YAG激光束，由至少为100Hz的频率连续调制或者脉冲调制。
全文摘要
外壳(11)容纳有用以射出激光束(12)的激光振荡器(14)，管状头部(16)和上述激光振荡器(14)同轴设置，并连接到上述外壳(11)上。从激光振荡器(14)射出的激光束(12)由安装在上述头部(16)上的聚光透镜(18)所会聚，随后在基本和头部(16)的轴线(29)相垂直的方向上被反射镜(24)所反射。该反射镜设置在上述头部(16)上。该反射的激光束(12)被基本垂直的施加在工件(20)的内周面(22)上，从而利用该激光束(12)的热量，形成槽(40a，40b)。
文档编号F16C9/04GK1608788SQ20041008708
公开日2005年4月27日 申请日期2004年10月22日 优先权日2003年10月23日
发明者百濑保雄 申请人:本田技研工业株式会社