MX2012011690A - Metodo para dividir mediante fractura piezas de trabajo, pieza de trabajo y unidad laser. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para dividir mediante fractura piezas (1) de trabajo y a una pieza de trabajo producida de acuerdo con este método. De conformidad con la invención, por ejemplo el tipo de láser, el ritmo de repetición de impulsos, la duración del impulso, el material de la pieza de trabajo y/o la potencia del láser se seleccionan de manera que la distancia de las secciones (6) de muesca es considerablemente mayor que la distancia (K) de muesca que se obtendría mediante computación de la velocidad (B) de avance del rayo (12) láser y/o de la pieza (1) de trabajo y el ritmo de repetición de impulsos del láser. La modulación del avance descrita también permite la formación de muescas de láser oblicuas para superficies de rodadura, como ocurren por ejemplo en guías por esferas o por rodillos. De conformidad con la invención la velocidad de avance también se modula durante el maquinado láser en función de la geometría de la pieza de trabajo y/o periódicamente.

Description

METODO PARA DIVIDIR MEDIANTE FRACTURA PIEZAS DE TRABAJO, PIEZA DE TRABAJO Y UNIDAD LASER DESCRIPCION DE LA INVENCION La invención se refiere a un método para dividir mediante fractura piezas de trabajo de acuerdo al preámbulo de la reivindicación 1, a una pieza de trabajo producida según un método de este tipo y a una unidad láser.

En el documento EP 0 808 228 B2 la solicitante describió un método para dividir mediante fractura del tipo bajo consideración, en el cual en un ojo de biela que se deberá dividir mediante fractura por medio de energía láser se forma una muesca que preestablece el plano de fractura. Esta muesca consta de una multitud de secciones de muesca cuya distancia resulta esencialmente por el ritmo de repetición de impulsos del láser y la velocidad de avance del rayo láser con relación al ojo de biela. Se comprobó que mediante estas secciones de muesca es posible aumentar de manera muy considerable el valor eficaz de muesca en comparación con las muescas continuas, de manera que resulta posible formar una muesca con una potencia láser relativamente baja. Mediante esta baja potencia de láser y la menor energía térmica concomítantemente introducida se evita un cambio de estructura profundo, indeseado en la región de la muesca, con lo que solamente determinadas zonas del borde REF: 236279 de la muesca sufren una transformación de estructura y por consiguiente mejoran el comportamiento de la división mediante fractura.

En el documento DE 2005 031 335 Al de la solicitante se describe un método perfeccionado, en el cual la muesca no se configura recta sino en forma sinusoidal con secciones extremas que se extienden rectas . Sorprendentemente se comprobó que mediante un diseño de muesca de este tipo es posible mejorar una vez más el comportamiento de la división mediante fractura.

Una determinada desventaja de la forma de proceder precedentemente descrita es que - como se explicó - es necesario adaptar mutuamente la velocidad de avance y el ritmo de repetición de impulsos de manera que se forman secciones de muesca que mejoran el comportamiento de la muesca. Se comprobó además, que en particular con la formación de muescas de forma sinusoidal o de ojos de biela con gran longitud axial es necesario reenfocar el rayo láser, en virtud de que la profundidad de campo no es suficiente para efectuar las secciones de muesca (perforación) con la precisión requerida.

Frente a esto la invención tiene por objeto crear un método que con poco gasto permite una elaboración de secciones de muesca de una muesca para dividir mediante fractura. Además es un objeto de la invención crear una pieza de trabajo producida de acuerdo a este método y una unidad de láser para llevar a cabo el método.

Este problema se resuelve mediante un método que tiene la combinación de características de la reivindicación 1, mediante una pieza de trabajo que tiene las características de la reivindicación 12 subordinada y una unidad de láser que tiene las características de la reivindicación 14.

En el método de conformidad con la invención - de manera similar que en las formas de proceder convencionales -se configura una muesca láser mediante energía de láser, siendo que esta muesca tiene una multitud de secciones de muesca. De conformidad con la invención, el tipo de láser, el ritmo de repetición de impulsos, el material de la pieza de trabajo y la potencia media de láser se adaptan mutuamente de manera que la distancia de las secciones de muesca es sustancialmente mayor que aquella distancia de muesca que resulta mediante computación de la velocidad de avance, el movimiento relativo y el ritmo de repetición de impulsos (frecuencia) del láser.

Un acoplamiento del rayo láser se efectúa preferiblemente en forma oblicua al eje longitudinal de la muesca.

Sorprendentemente se comprobó que mediante la elección adecuada de los criterios precedentemente mencionados es posible producir una muesca provista con una perforación incluso con un ritmo de repetición de impulsos muy alto y un avance rápido, siendo que esta distancia de muesca entonces es sustancialmente más grande que la distancia de muesca obtenida por computación. Esta forma de proceder aúna la ventaja de que es posible usar un láser de alta frecuencia con velocidad de avance muy alta, de manera que la formación de la muesca láser se puede efectuar sustancialmente más rápido y con menor introducción de calor que con las soluciones convencionales.

En una variante particularmente preferida del método, la velocidad de avance varía durante el maquinado láser, de manera que se configura una muesca con secciones de muesca de diferente profundidad. Por "profundidad" de la sección de muesca se entiende la profundidad de penetración en la dirección del rayo láser. Adicionalmente , mediante la variación de la velocidad de avance es posible variar la profundidad de una zona continua, que a continuación se denomina base de la muesca. Una muesca así tiene un valor efectivo de muesca mejorado una vez más y por consiguiente una mecánica de fractura mejorada.

De conformidad con la invención se prefiere que la variación de la velocidad de avance se efectúe de acuerdo a una función periódica, por ejemplo una función sinusoidal o en función de la geometría del componente.

La velocidad de avance durante el mecanizado de láser puede variar entre 100 mm/min y 1500 mm/min.

En la reivindicación 1 válida se reivindica que los parámetros de mecanizado y el tipo de láser se seleccionan de manera que se ajusta una distancia de muesca mayor que la distancia de muesca computada. La solicitante se reserva el derecho de proseguir adicionalmente una reivindicación independiente, por ejemplo dentro del aspecto de una solicitud parcial, con la cual se reivindica la variación de la velocidad de avance durante el mecanizado de láser independientemente de la elección de los parámetros de mecanizado y del tipo de láser. Es decir, entonces una reivindicación ' independiente de este tipo se dirigiría al mecanizado de láser de una muesca para dividir mediante fractura con velocidad de avance variable (características de la reivindicación 3 sin referencia a la reivindicación 1) .

El rayo láser se puede mover frente a la pieza de trabajo estacionaria, pero en inversión cinemática también es posible mover la pieza de trabajo frente al láser estacionario, también son favorables las formas mixtas. El rayo láser se puede acoplar radial, es decir perpendicular a la muesca para dividir mediante fractura o inclinado con respecto a la muesca para dividir mediante fractura.

Por consiguiente, en un acoplamiento radial las secciones de muesca se encuentran perpendiculares con respecto al eje de muesca, en tanto que con un acoplamiento inclinado se colocan oblicuos con respecto al eje de muesca. El acoplamiento se efectúa preferiblemente con un ángulo de < 45° (con relación al plano perpendicular al eje longitudinal de la muesca (en una biela este es el plano radial del ojo de biela) ) . En una biela que se apoya horizontal y dirección de avance (eje de muesca) que se extiende perpendicular a esta el ángulo sería por consiguiente por ejemplo 30° con respecto a la horizontal y 60° con respecto a la perpendicular (ver figura 11) .

En una variante de la invención la distancia de muesca real que se ajusta en virtud de la elección de los parámetros es mayor que 10 veces la distancia de muesca computada, que resulta del ritmo de repetición de impulsos y la velocidad de avance .

Con una elección adecuada es posible incluso obtener una distancia de muesca mayor por 50 veces.

De conformidad con la invención se prefiere que como láser se use lo que se llama un láser de fibra. Estos láser de fibra son conocidos por el estado de la técnica, de manera que se puede prescindir de descripciones detalladas de la estructura.

En una variante de la invención se usa un láser con una potencia media inferior a 50 Watts y un ritmo de repetición de impulsos sustancialmente superior a 1 KHz, preferiblemente superior a 10 KHz, siendo que el avance se puede encontrar en más de 1000 mm/min. En comparación con esto, el ritmo de repetición de impulsos en los procesos convencionales se encuentra aproximadamente en el mismo orden de magnitud, siendo que la frecuencia de impulso es notablemente más larga, por ejemplo 50 a 140 Hz.

En una modalidad preferida de la invención, las secciones de muesca se extienden fuera de una base de muesca continua .

La pieza de trabajo producida de conformidad con el método puede ser por ejemplo una biela o una caja de cigüeñal u otra pieza de trabajo cualquiera en que es necesario dividir un ojo de cojinete u otra zona cualquiera por medio de un proceso para dividir mediante fractura.

La pieza de trabajo producida de conformidad con el método puede tener secciones de muesca con diferente profundidad mediante la variación de la velocidad de avance del láser. En este aspecto se prefiere particularmente que estas variaciones se repitan periódicamente a lo largo de la sección de muesca.

Una unidad láser para llevar a cabo el método tiene un módulo láser, una cabeza de láser para enfocar el rayo láser emitido por vía del módulo láser sobre una pieza de trabajo a ser mecanizada, y un eje de avance efectivo en la dirección de avance . Este se controla mediante una unidad de mando de manera que el avance se varía periódicamente durante el mecanizado de láser.

Se prefiere un eje de avance altamente dinámico con el cual es posible llevar a cabo variaciones de la velocidad de avance con una aceleración superior a 0.5 g, preferiblemente en el intervalo de 1 a 2 g. Es decir, los perfiles de velocidad de avance se pueden llevar a cabo en forma sinusoidal con alta precisión, en el caso umbral incluso casi en forma rectangular.

Las modalidades ejemplares preferidas de la invención se explican a continuación con más detalle mediante figuras esquemáticas. Muestran: Figura 1 una representación del principio de una unidad láser para producir una muesca para dividir mediante fractura en un ojo de biela grande; Figura 2 una representación muy amplificada de una muesca para dividir mediante fractura producida según el método de conformidad con la invención; Figura 3 una representación análoga con potencia láser y/o ritmo de repetición de impulsos diferentes; Figura 4 representación de muescas para dividir mediante fractura en función del avance; Figura 5 representaciones de muescas para dividir mediante fractura en función de la potencia media de láser; Figura 6 un diagrama para aclarar como una profundidad de muesca depende de un avance del rayo láser; Figura 7 un diagrama para aclarar una modulación de la velocidad de avance en función del tiempo; Figura 8 un diagrama y una ilustración para aclarar la profundidad de muesca que se presenta en función de la velocidad media de avance con una modulación de la velocidad de avance; Figura 9 ilustraciones de muescas para dividir mediante fractura en condiciones comparables con y sin modulación de la velocidad de avance; Figura 10 una representación esquemática de una unidad láser que se puede usar en un método láser con modulación de la velocidad de avance, y Figura 11 una representación del principio de una cabeza de láser de la unidad láser de acuerdo a la figura 10.

La figura 1 muestra una representación en sección de un ojo 1 de biela grande que se deberá dividir por medio de división mediante fractura en un medio cojinete y una parte de la biela. El desarrollo de este plano 2 de división mediante fractura se preestablece mediante dos muescas 4 para dividir mediante fractura diametrales (en la figura 1 se muestra sólo una) que preferiblemente se configura en la forma de una perforación con una multitud de secciones 6 de muesca. Como se explica en el estado de la técnica descrito al principio, después de conformar en la pared izquierda y derecha del ojo 1 de biela de la figura 1 las muescas 4 para 1Q dividir mediante fractura, en el ojo de biela se inserta un mandril de esparrancar, y luego, esparrancando el mandril de esparrancar y apoyando el ojo de biela adecuadamente, el medio cojinete se separa de la parte de la biela, con lo que la geometría del plano de división mediante fractura que se produce simplifica el ensamble bien ajustado de ambas partes en virtud de la estructura cristalina.

Para configurar la muesca 4 para dividir mediante fractura, de conformidad con la invención se usa un láser de fibra cuya cabeza 8 de láser se representa esquemáticamente en la figura 1. Este tipo de láser de fibra pueden en principio ser láser de cuerpo sólido bombeados por diodo, en donde un núcleo de una fibra de vidrio constituye el medio activo. La radiación de láser de cuerpo sólido se introduce mediante un acoplamiento en la fibra, en la cual entonces tiene lugar la intensificación real del láser. Las propiedades del rayo y la calidad del rayo del láser se puede ajustar mediante la geometría de la fibra (fibra de vidrio) , de manera que el láser permanece considerablemente inafectado de las influencias externas y tiene una estructura muy sencilla .

Tras la salida de la fibra activa mencionada, el rayo láser se introduce en una fibra de vidrio por vía de la cual la radiación se conduce entonces a la cabeza 8 de láser ilustrada en la figura 1 y por vía de su óptica 10 de enfoque se dirige sobre la pieza 1 de trabajo que se debe mecanizar. En la modalidad ejemplar mostrado, un rayo 12 láser incide en dirección radial, es decir, perpendicular al eje de muesca (la vertical en la figura 1) . Esta disposición puede tener la ventaja de que la óptica 10 de enfoque se ensucia mediante el material que se funde, ya que en virtud del acoplamiento de 90° , las reflexiones y eventualmente fundición residual regresan directamente por la vía del láser. Si el acoplamiento se efectúa en forma oblicua, por ejemplo con 30° o 45°, las reflexiones y residuos de fundición que eventualmente se presentan se apartan con el ángulo de reflexión (ver figura 1: 12""), de manera que no tiene lugar un ensuciamiento. Una unidad láser con acoplamiento oblicuo se describe mediante las figuras 10 y 11.

Una desventaja adicional del acoplamiento de 90° consiste en que no es posible una guía de rayo retrasada o penetrante. Con una posición inclinada es posible influir adicionalmente en la geometría de la muesca mediante una guía de rayo retrasada (hacia arriba en la figura 11) o penetrante (hacia abajo en la figura 11) . En la geometría de la muesca puede fluir adicionalmente la corriente de aire que incide sobre la fundición a través de la boquilla. También sobre estos dos aspectos precedentemente mencionados se puede dirigir una reivindicación subordinada.

Estos láser de fibra se caracterizan por muy buenos grados de efectividad eléctrica-óptica y una excelente calidad de haz con gran profundidad de campo con una construcción muy compacta, de manera que con poco espacio de construcción es posible crear soluciones más económicas que con los láser convencionales. En virtud de la elevada potencia pico y de la buena capacidad de enfoque de los láser de fibra, la densidad de potencia es relativamente alta, de manera que es predominante la porción de material evaporado. Pero en virtud de que una parte de la energía se transforma en calor, no obstante todavía existe fundición e influencia térmica del entorno. Es posible que el calor residual se acumule, de manera que se obtienen fenómenos de fusión marcados que pueden conducir a que la distancia de muesca computada resulta notablemente menor que la distancia de muesca que realmente se presenta, y que esta distancia de muesca también es comparativamente estable con la variación de los otros parámetros .

Después de mecanizar la pared de biela que se encuentra a la izquierda en la figura 1, la cabeza de láser se gira por 180° y se procesa la pared de biela derecha. Pero en principio también es posible usar cabezas cruzadas con las que ambas secciones de pared se mecanizan simultáneamente.

En la modalidad ejemplar descrita, la pieza de trabajo, es decir la biela se encuentra firmemente sujeta y la cabeza 8 de láser se mueve en la dirección axial o paralela al eje con una velocidad V de avance, en que la potencia de láser se encuentra en aproximadamente 50 W y la frecuencia de impulso del láser aproximadamente en 20 KHz en la modalidad ejemplar representado. El diámetro de punto se encuentra en aproximadamente 30 µp?, el avance V es de aproximadamente 1500 mm/min. Con estos parámetros resultaría mediante computación una distancia de muesca de aproximadamente 0.00125 mm. Realmente la distancia K de muesca se encuentra (aquí con rayo láser acoplado con inclinación de 45°) en aproximadamente 0.1 mm.

La figura 2 muestra una representación muy amplificada de un ojo de biela mecanizado de acuerdo al método de conformidad con la invención con los parámetros precedentemente mencionados, siendo que en este modalidad ejemplar el rayo láser se acopla oblicuo (45°). La potencia media de láser es de aproximadamente 50 W y la potencia de impulso en aproximadamente 8 kW. La distancia K de la perforación (distancia de muesca) es de aproximadamente 0.1 mm, con lo que resulta un fondo (G) de muesca continuo desde el cual se extienden hacia fuera las secciones 6 de muesca individuales que forman la perforación. La profundidad del fondo G de muesca es de aproximadamente 0.51 mm en la modalidad ejemplar de acuerdo a la figura 2, en tanto que la profundidad P (vista en dirección radial) de las secciones 6 de muesca es de aproximadamente 0.78 mm (medida desde la pared 14 periférica del ojo 1 de biela) .

La figura 3 muestra una modalidad ejemplar similar con potencia láser reducida (40 ) , y acoplamiento menos inclinado (30°) del rayo 12 láser - se puede apreciar que no resulta un cambio sustancial de la distancia K de muesca, con el acoplamiento menos inclinado y la menor potencia láser (40 ) la profundidad G del fondo de muesca y la profundidad P de las secciones de muesca son levemente mayores. Por consiguiente, con el acoplamiento un poco menos inclinado es posible con aún menor potencia que en la modalidad ejemplar descrito precedentemente formar una muesca que mejora el comportamiento de fractura.

La figura 4 muestra cómo la muesca para dividir mediante fractura depende de la velocidad V de avance (ver figura 1) ajustada con la que el rayo láser se mueve en la dirección longitudinal de la muesca.

Se aprecia claramente que con diferentes velocidades de avance (500 mm/min; 1000 mm/min, 1500 mm/min) la distancia de muesca casi no sufre variación. Sin embargo es claro que con menores velocidades de avance por una parte es mayor la profundidad G del fondo de muesca y también la longitud axial de las secciones (P-G) de muesca se comporta inversamente proporcional al avance, siendo que las diferencias entre los 500 mm/min y 1000 mm/min son comparativamente mínimas.

La figura 5 muestra cómo la muesca para dividir mediante fractura depende de la potencia del láser. En la figura 5 en la parte superior se ajustó una potencia láser media de 50 W. La muesca para dividir mediante fractura que se ilustra abajo resulta con una potencia láser media de 100 , siendo que los demás parámetros no sufren variación. Se aprecia claramente que con menor potencia láser se forma una estructura de muesca un poco más fina con secciones de muesca más largas, siendo que sin embargo la distancia de muesca -como ya se indicó en lo precedente - casi no sufre variación. Con la menor potencia láser se forma además - como es de esperarse - un fondo de muesca continuo con una profundidad G un poco menor que con una mayor potencia láser. Por consiguiente, con relación a la mecánica de fractura debería ser óptimo el uso de un láser con potencia láser comparativamente baja (50 W y menos) con una velocidad media de avance en el intervalo entre 500 y 1500 mm/min.

La calidad del rayo se puede mejorar mediante lo que se llama un interruptor Q. Un interruptor Q de este tipo es un elemento de construcción óptico con el cual en un láser pulsado se retarda el impulso, se reduce la duración del impulso y se aumenta la altura de impulso (potencia pico) , de manera que se obtiene un impulso láser muy agudo que sube rápidamente y tras alcanzar un máximo agudo decae nuevamente con rapidez . Si un interruptor Q de este tipo el impulso se configura notablemente más ancho y plano.

La figura 6 muestra cómo la profundidad de muesca que resulta depende del avance que se varía entre 100 y 3000 mm/min. La medida S2 corresponde a la medida G precedentemente descrita (profundidad de la base de muesca) y la medida SI a la profundad P total (ver figuras 2 y 3) de la muesca, de manera que la longitud de las secciones de muesca corresponde a la diferencia (G-P) . La curva superior muestra el desarrollo de la profundidad SI total de la muesca, en tanto que la curva inferior reproduce el desarrollo de la profundidad de la base S2 de muesca. Se aprecia claramente que con velocidades de avance comparativamente bajas en el intervalo de hasta aproximadamente 800 mm/min, la profundidad (SI, S2) de muesca depende de manera comparativamente importante de la velocidad de avance. En el caso de velocidades de avance mayores (aproximadamente 800-3000 mm/min) esta dependencia es notablemente menos acusada. Estas pruebas se llevaron a cabo con una frecuencia de impulso de 50 kHz y una potencia de impulso media de 50 W. El como depende la geometría de muesca de la velocidad de avance que se explicó mediante las figuras precedentemente descritas se confirmó por consiguiente mediante las pruebas que se reproducen en la figura 6.

Como será explicado con más detalle a continuación, con muy bajas velocidades de avance (inferiores a 200 mm/min) se pudo comprobar que la calidad de muesca es insuficiente en virtud de los sobrecalentamientos térmicos en la región del fondo de muesca. Se produjeron zonas carbonizadas que rindieron prácticamente inútil la pieza de trabajo mecanizada con láser. Estas zonas carbonizadas se representan ejemplarmente arriba en la figura 9, sobre las que se entrará en detalle más adelante.

Por lo tanto, en el mecanizado de láser se debe tener cuidado que la velocidad de avance se controle de manera que se evitan estas pérdidas de calidad al formar la muesca para dividir mediante fractura.

Se comprobó que este tipo de fenómenos se pueden evitar mediante una variación de la velocidad de avance durante el mecanizado de láser, siendo que entonces se produce una muesca para dividir mediante fractura que por una parte tiene una suficiente profundidad de muesca y por otra parte se puede formar con elevadas velocidades de avance y por consiguiente en poco tiempo, siendo que no son de esperarse pérdidas de calidad que resultan en una peor mecánica de fractura.

La figura 7 muestra ejemplos para una modulación de la velocidad de avance, siendo que esta se efectúa conforme a una función sinusoidal. Naturalmente que la modulación de velocidad también se puede efectuar de acuerdo con otras funciones, preferiblemente periódicas. Se muestra el desarrollo de las velocidades de avance en función del tiempo dentro de una determinada zona de avance que no corresponde a la longitud total de la muesca para dividir mediante fractura que se deberá configurar. En concreto se muestra aquí la zona de avance entre 67.5 y 69.5 mm, es decir, solamente se representan 2 mm de toda la muesca para dividir mediante factura, pero sin embargo la modulación de la velocidad en las zonas no representadas de la muesca para dividir mediante fractura se efectúa de manera análoga. Las curvas que se representan ligeramente onduladas de arriba a la izquierda hacia abajo a la derecha (curva superior a rayas/curva inferior de línea continua) muestran el avance real en la dirección de la muesca para dividir mediante fractura en función del tiempo t. Durante este avance ligeramente ondulado la velocidad de avance se varía de acuerdo a las funciones sinusoidales dibujadas, siendo que la función sinusoidal con una mayor amplitud se asocia a la curva láser a rayas, en tanto que la función sinusoidal con menor amplitud se asocia a la curva de movimiento láser continua. Se puede reconocer que la velocidad de avance se modifica con relativa alta frecuencia, de manera que es necesario acelerar y frenar fuertemente la cabeza 8 de láser dentro de un corto tiempo para ajustar el perfil de movimiento a lo largo de la muesca para dividir mediante fractura que se deberá formar.

En la gráfica de acuerdo a la figura 7 se representan a la derecha los valores reales de velocidad de avance en cada caso ajustados. De acuerdo con esto, en la modulación de velocidad que se encuentra arriba la velocidad se vario en el intervalo entre 117 y 1157 mm/min. En la formación de la muesca para dividir mediante fractura con una modulación de velocidad así resulta una geometría de las muescas para dividir mediante fractura como la que se representa ejemplarmente en las figuras 8 y 9. La figura 8 muestra un diagrama en el cual la profundidad de muesca que se presenta se ajusta en función del avance medio Vra, es decir el valor medio de la modulación de velocidad precedentemente descrita. En la figura 8 se puede apreciar que por ejemplo con una velocidad de avance media de 800 mm/min (en realidad la velocidad de avance varía de acuerdo a la función sinusoidal conforme a la figura 7) se presenta una muesca para dividir mediante fractura con la extensión sobreimpresa en la figura 8. Se ve claramente que de una base de muesca con la medida S2 (G) se forman diferentes secciones de muesca de acuerdo al periodo sinusoidal. Las secciones que se caracterizan con S3 se forman en las zonas en las que la velocidad de avance es comparativamente baja. Las secciones de muesca caracterizadas con SI se forman en las zonas en las que la velocidad de láser se mueve con una velocidad comparativamente alta.

El desarrollo de las magnitudes SI (G) , S2, S3 (P) distintivas en función del avance medio se representa en el diagrama de acuerdo a la figura 8. La curva que se encuentra arriba reproduce el desarrollo de la profundidad (S3) de muesca total con baja velocidad de avance, la curva SI el desarrollo de la profundidad de muesca con velocidad de avance comparativamente alta (siempre durante la modulación de velocidad) y la curva S2 el desarrollo de la profundidad de la base de muesca. Se aprecia que la profundidad de muesca disminuye con el aumento de la velocidad de avance media. Sin embargo es claramente visible que con la modulación de velocidad correspondiente es posible formar secciones de muesca con profundidades de muesca variables. Se comprobó que una muesca de este tipo tiene una mecánica de fractura notablemente mejorada en comparación con las muescas mencionadas al principio. Dicho con otras palabras, mediante la modulación de la velocidad de avance es posible formar muescas iniciales comparativamente profundas y agudas que mejoran notablemente la tenacidad al desgarre inicial y la tenacidad al desgarre de arresto en comparación con muescas para dividir mediante fractura con perforación continua sin la modulación de la velocidad de avance.

Mediante esto resulta posible fracturar también componentes complejos, siendo que la modulación de la velocidad de avance también se puede efectuar en función de la geometría del componente. Es decir, en componentes muy complejos que tienen por ejemplo boquetes en la zona de la muesca para dividir mediante fractura es posible adaptar la velocidad de avance a la geometría del componente de manera que en las zonas no problemáticas se puede trabajar con una velocidad de avance o amplitud de la modulación de la velocidad de avance comparativamente alta, en tanto que en las zonas más críticas la modulación de la velocidad se retira de manera correspondiente de manera que se ajusta una velocidad de avance media baja o también una velocidad de avance constante.

La ventaja de la modulación de la velocidad de avance descrita se aclara mediante la figura 9. Esta ilustra arriba una muesca para dividir mediante fractura como la que se presentaría con una velocidad de avance constante comparativamente baja de 200 mm/min. Se aprecia claramente la profundidad comparativamente grande de la muesca y las quemaduras/carbonizaciones que se pueden producir en virtud de la elevada introducción de calor con baja velocidad de avance. Una muesca para dividir mediante fractura de este tipo prácticamente es inservible.

En cambio, en la figura 9 inferior se representa una muesca producida según el método de conformidad con la invención con modulación de la velocidad de avance, siendo que la modulación de la velocidad del avance se efectuó en el intervalo entre 117 y 1157 mm/min. Se aprecia claramente que mediante esta modulación es posible evitar de manera confiable las quemaduras en la zona de la base de muesca. Se identifican además las secciones de muesca con mayor o menor profundidad configuradas mediante la respectiva modulación de velocidad, siendo que la profundidad también depende del ángulo de colocación de láser. En las modalidades ejemplares representados el ángulo de colocación, es decir el ángulo de acoplamiento fue de aproximadamente 30° con relación a la horizontal en la figura 9.

Mediante las figuras 10 y 11 se describe una unidad láser que es particularmente bien adecuada para llevar a cabo el método precedentemente descrito con modulación de la velocidad de avance. De acuerdo a la figura 10 la unidad láser tiene un modulo 16 de láser que contiene por ejemplo un láser de fibra y el control de este láser de fibra. El control de la unidad 16 láser se diseña de modo que la velocidad de avance del rayo láser se puede modular de la manera precedentemente descrita.

El rayo 12 láser producido por el módulo 16 de láser se guía por vía de conductores 18 de luz hacia un recolimador 20 que en la figura 10 únicamente se esboza. En este el rayo láser se transforma en un rayo paralelo, siendo que el diámetro de rayo se encuentra en el intervalo de aproximadamente 6 mm. Este rayo paralelo se conduce entonces por vía de conductores 18 de luz hacia la cabeza 8 de láser, por vía de la cual entonces se dirige un rayo láser sobre la pieza de trabajo que se deberá mecanizar, en el presente caso un ojo 1 de biela de una biela. El rayo láser enfocado se acopla con un ángulo de 30° con respecto a la horizontal en la figura 10. La cabeza 8 de láser se realiza con un eje 22 de avance Z, por vía del cual tiene lugar el avance en el eje longitudinal de muesca. Este eje de avance se realiza como eje altamente dinámico con el cual se pueden llevar a cabo aceleraciones extremadamente altas con un elevado incremento circular y un gran arranque, de manera que se requiere un control extremadamente preciso de la modulación. Las aceleraciones se pueden encontrar por ejemplo en el intervalo entre 1 a 2 g, el incremento circular en el intervalo de 10 n/min/mm (166.71/s) y un arranque superior a 400 m/s3. Para el mecanizado bilateral del ojo 1 de biela, la cabeza 8 de láser se realiza además con un eje 24 de giro por vía del cual la cabeza 8 de láser puede bascular alrededor del eje 22 de avance Z . La unidad láser tiene adicionalmente todavía un eje 26 de regulación X, por vía del cual es posible mover toda la cabeza 8 de láser en la dirección X (radial con relación al ojo 1 de biela) . Con un dispositivo de este tipo es posible formar también muescas para dividir mediante fractura de forma sinusoidal .

La figura 11 muestra la estructura en principio de la conducción del rayo en la cabeza 8 de láser. Se representa el conductor 18 de luz acoplado al láser de fibra (módulo 16 de láser) . El rayo de láser se transforma en el recolimador 20 en un rayo paralelo con un diámetro de aproximadamente 6 mm, y luego se desvía por vía de un espejo 28 reflector por 90° en dirección al eje del ojo de biela. El rayo 12 láser reflejado se enfoca entonces sobre la pared del ojo de biela mediante una óptica con una distancia focal de por ejemplo 100 mm, siendo que la alineación hacia la pared periférica de la biela se efectúa por medio de otro espejo 32 reflector, el cual en la modalidad ejemplar representado se coloca con un ángulo de 60° con respecto a la horizontal, de manera que el rayo láser resultante incide sobre la pared periférica de la biela con un ángulo de acoplamiento de 30° con respecto a la horizontal o un ángulo de incidencia de 60° con respecto a la parte perpendicular del rayo 12 láser que incide sobre el espejo 32 reflector (desviación de 60°). El rayo láser sale por vía de una boquilla 34, y se enfoca de manera que el punto láser se encuentra aproximadamente 3 mm delante del plano de salida de la boquilla 34. Para evitar un ensuciamiento de la óptica 30 y de los espejos 28, 32, en el decurso del rayo entre la boquilla 34 y el espejo 32 reflector se proporciona un vidrio 34 protector. En la representación de acuerdo a la figura 11 se identifica también el eje 24 de giro, la cabeza 8 de láser se monta giratoria en cojinete por vía de un cojinete 38 y mediante un motor no representado puede bascular alrededor del eje 22 de avance Z, de manera que prácticamente es posible llegar a cualquier zona de pared periférica de la biela.

Con el uso de un láser de fibra y mediante la elección adecuada de una modulación de la velocidad de avance y un ritmo de repetición de impulsos comparativamente alto (en comparación con las soluciones convencionales) es posible por consiguiente formar una perforación que tiene un valor de efectividad de muesca óptimo, pero que sin embargo se puede formar con sustancialmente menor introducción de energia y con velocidades de avance considerablemente más rápidas de lo que es posible con los sistemas convencionales.

Las pruebas efectuadas demuestran que por ejemplo con un láser de fibra que tiene una potencia de 50 Watts con una frecuencia de impulso de 20 kHz es posible formar una muesca 4 para dividir mediante fractura en la cual las secciones de muesca tienen una distancia en el intervalo de 1/10 de mm, preferiblemente en el intervalo de 0.1 a 0.3 mm. Se comprobó que incluso utilizando un láser que tiene una potencia de solamente 30 Watts es posible formar una muesca 4 perforada para dividir mediante fractura altamente efectiva.

Se describen un método para dividir mediante fractura piezas de trabajo y una pieza de trabajo producida de acuerdo con este método. De conformidad con la invención se seleccionan por ejemplo el tipo de láser, el ritmo de repetición de impulsos, la duración de los impulsos, el material de la pieza de trabajo y/o la potencia de láser de manera que la distancia de las secciones de muesca es sustancialmente más grande que la distancia de muesca que resultaría por computación de la velocidad de avance del rayo láser y/o de la pieza de trabajo y el ritmo de repetición de impulsos del láser. La modulación de avance descrita permite también la formación de muescas del láser oblicuas para superficies de rodadura, como por ejemplo guías por esferas o por rodillos.

De conformidad con la invención se describe además que la velocidad de avance se modula en función de la geometría de la pieza de trabajo y/o de manera periódica durante el mecanizado de láser.

Lista de símbolos de referencia 1 Ojo de biela 2 Plano de fractura 4 Muesca para dividir mediante fractura 6 Secciones de muesca 8 Cabeza de láser 10 Optica de enfoque 12 Rayo láser 14 Pared periférica 16 Módulo láser 18 Conductor de luz 20 Recolimador 22 Eje de avance 24 Eje de giro 26 Eje de regulación 28 Espejo reflector 30 Optica 32 Espejo reflector 34 Boquilla 36 Vidrio protector 38 Cojinete Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (15)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Método para dividir mediante fractura piezas de trabajo por medio de energía láser, siendo que mediante el desplazamiento relativo entre un rayo láser y la pieza de trabajo se forma una muesca para dividir mediante fractura que determina el plano de división por fractura, siendo que esta se configura en forma de una perforación con secciones de muesca, caracterizado porque los parámetros de mecanizado, por ejemplo el tipo de láser, el ritmo de repetición de impulsos, la duración del impulso, el material de la pieza de trabajo y la potencia de láser se seleccionan de manera que la distancia de las secciones de muesca es sustancialmente mayor que la distancia de muesca resulta por computación de la velocidad de avance del rayo láser y/o de la pieza de trabajo y el ritmo de repetición de impulsos.

2. Método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el rayo láser se acopla oblicuo al eje longitudinal de la muesca.

3. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque la velocidad de avance se varía durante el mecanizado.

4. Método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la velocidad de avance varía de acuerdo a una función periódica, por ejemplo una función sinusoidal.

5. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, caracterizado porque la velocidad de avance varía entre 100 mm/min y 1500 mm/min.

6. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la distancia de muesca real es en cada caso 10 veces mayor que la distancia de muesca computada.

7. Método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la distancia de mezcla es mayor por más de 50 veces que la distancia de muesca computada.

8. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque como láser se usa un láser de fibra.

9. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la potencia media del láser es de 50 Watt y menor con un ritmo de repetición de impulsos superior a 1 KHz, preferiblemente superior a 10 KHz.

10. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el ángulo de acoplamiento es de aproximadamente 30°.

11. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la muesca para dividir mediante fractura tiene una base de mezcla continua fuera de la cual se extienden las secciones de muesca.

12. Pieza de trabajo, en particular una biela o una caja de cigüeñal, caracterizado porque es producida según un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones l a 11.

13. Pieza de trabajo de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque tiene secuencias que se repiten periódicamente de una o varias secciones de muesca con poca profundidad y una o varias secciones de muesca con mayor profundidad o en función de la geometría de la pieza de trabajo tiene diferentes profundidades de muesca.

14. Unidad láser para llevar a cabo el método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque comprende un láser, una cabeza de láser para enfocar un rayo láser sobre la pieza de trabajo que se deberá mecanizar, con al menos un eje de avance que actúa en la dirección de avance y con una unidad de control para variar la velocidad de avance durante el mecanizado de láser.

15. Unidad láser de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque el eje de avance se diseña de manera que las variaciones de la velocidad de avance son posibles con una aceleración > 0.5g, preferiblemente de hasta 2 g.