AT410642B

AT410642B - Schutzvorrichtung zum herstellen von kleinstbohrungen in rohrartigen bauteilen, insbesondere in kraftstoff-einspritzdüsen für brennkraftmaschinen, sowie verfahren zum herstellen von in einen hohlraum mündenden bohrungen, insbesondere von kleinstbohrungen, in rohrförmigen werkstücken, insbesondere in kraftstoff-einspritzdüsen für

Info

Publication number: AT410642B
Application number: AT0124899A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Dr Schmid; Hartmut Gross
Original assignee: Hydraulik Ring Gmbh
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2003-06-25
Also published as: ATA124899A; DE19832774A1; DE19832774B4; US6407362B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zum Herstellen von Kleinstbohrungen in rohrarti- gen Bauteilen nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen von solchen Kleinstbohrungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 15.

Mikrobohrungen werden durch spanende oder elektroerosive Bearbeitung hergestellt. Solche
Verfahren sind zeitaufwendig, werkzeugintensiv und ausserdem relativ ungenau. Schliesslich kön- nen mit solchen Verfahren auch nur Werkstückbohrungen mit kreisförmigem Durchmesser herge- stellt werden. Darüber hinaus haben die Bohrungswände nach der Herstellung eine relativ hohe
Rauhigkeit.

Beim gattungsgemässen Verfahren (US 5 227 098 A) werden kleine Bohrungen mittels Laser- strahlen hergestellt. Damit sie den der Bohrung gegenüberliegenden Wandungsbereich des Werk- stückes nicht beschädigen, wird in den Hohlraum, in den die Bohrungen münden, ein Material eingebracht, das aus einem Acrylharzmonomer und aus Polytetrafluorethylen besteht. In diesem
Material wird die Laserenergie so verringert, dass die den Bohrungen gegenüberliegende Wandung des Hohlraumes durch den Laserstrahl nicht beschädigt werden kann. Das Einbringen des Materi- als in den Hohlraum sowie das Entfernen des Materials nach der Herstellung der Bohrungen ist aufwendig und schwierig und verteuert das Verfahren.

Es ist auch bekannt (EP 0 376 682 A1),den Laserstrahl auf den die Bohrungen enthaltenden
Wandungsabschnitt eines Rohres zu fokussieren. Dadurch wird erreicht, dass der Laserstrahl nach dem Durchdringen der Rohrwandung nur noch mit so geringer Energie auf den der Bohrung gege- nüberliegenden Wandungsabschnitt auftrifft, dass er dort keine Bohrung erzeugen kann.

Bei einem älteren Recht (WO 99/11419) werden Bohrungen in einer Einspritzdüse mittels eines
Laserstrahles hergestellt. Zum Schutz des den Bohrungen gegenüberliegenden Wandungsberei- ches wird ein Fluid in die Einspritzdüse eingebracht, welches die Laserenergie so weit verringert, dass der den Bohrungen gegenüberliegende Wandungsabschnitt nicht beschädigt wird. Zur Einfüh- rung dieses Fluids in den Hohlraum der Einspritzdüse ist ein erheblicher Aufwand notwendig, der das Verfahren verteuert.

Schliesslich ist ein Wellenleiter bekannt (GB 2 180 363 A), mit dem ein Laserstrahl durch Mehr- fachreflexion gezielt vom Eintritts- zum Austrittsende des Wellenleiters gelenkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kleinstbohrungen kostengünstig und genau herstel- len zu können.

Diese Aufgabe wird bei der Schutzvorrichtung erfindungsgemäss mit den Merkmalen des An- spruches 1 und beim gattungsgemässen Verfahren erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 15 gelöst.

Infolge der erfindungsgemässen Ausbildung der Schutzvorrichtung wird der nach der Herstel- lung der Mikrobohrung aus der Wandung des Werkstückes austretende Laserstrahl in seiner Energie so stark verringert, dass er zu keiner Beschädigung des Werkstückes sowie der Schutzvor- richtung führt. Mit dem Laserstrahl lassen sich hochgenaue Mikrobohrungen herstellen, deren Wandung sehr glatt ist. Bevor mit dem Laserstrahl die Bohrungen hergestellt werden, wird in den Hohlraum des Werkstückes die als Hohlkörper ausgebildete Schutzvorrichtung eingeführt. Im Hohlraum des Werkstückes wird sie so angeordnet, dass der Laserstrahl nach Durchdringen der Wandung des Werkstückes nicht auf den gegenüberliegenden Wandungsbereich des Werkstück- hohlraumes, sondern auf die Schutzvorrichtung trifft.

An ihr wird der Laserstrahl reflektiert und aus ihr herausgeführt. Nach der Herstellung der Boh- rung kann die Schutzvorrichtung einfach aus dem Werkstück herausgezogen werden.

Die Lebensdauer der erfindungsgemässen Schutzvorrichtung kann vorteilhaft dadurch verlän- gert werden, dass sie mit Druckluft beaufschlagt und/oder an diese ein Vakuum angelegt wird, was zu einer Kühlung der Schutzvorrichtung führt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschrei- bung und der Zeichnung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spieles näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 im Axialschnitt eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen,
Fig. 2 in vergrösserter Darstellung das Düsenende der Kraftstoff-Einspritzdüse gemäss Fig. 1 mit einer in der Düse angeordneten erfindungsgemässen Schutzvorrichtung während der Herstellung von Bohrungen in der Einspritzdüse.

Die in Fig. 1 dargestellte Einspritzdüse 1 dient zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennkraftma- schinen. Die Einspritzdüse 1 weist in bekannter Weise einen verjüngten, zylindrischen Düsenkör- per 2 auf, der beispielhaft einen Durchmesser von etwa 4 mm hat und an seinem freien Ende in einen Spritzkegel 3 übergeht. Der Düsenkörper 2 dient zur Vor- und Haupteinspritzung des Kraft- stoffes. In den Spritzkegel 3 werden mehrere Einspritzbohrungen 4 eingebracht, die sowohl sym- metrisch als auch asymmetrisch angeordnet sein können. Bei diesen Einspritzbohrungen handelt es sich um Mikrobohrungen mit einem Durchmesser von etwa 0,10 bis 0,18 mm, die hochgenau bearbeitet werden müssen. Hierzu werden energiereiche, hochgepulste Spezial-Laser verwendet.

Zur Herstellung der Einspritzbohrungen 4 wird mit einem Laserstrahl 11 die Wandung 12 des
Spritzkegels 3 durchbrochen. Der Laserstrahl 11hat eine so hohe Energie, dass er die Wandung 12 unter Bildung der Mikrobohrung 4 durchbricht. Nach dem Durchtritt durch die Wandung 12 hat der
Laserstrahl 11noch so viel Energie, dass er den gegenüberliegenden Bereich der Innenwand 5 beschädigen würde. Um eine solche Beschädigung durch den Laserstrahl 11 zu vermeiden, wird in die Bohrung 7 des Düsenkörpers 2 eine Schutzvorrichtung 8 (Fig. 2) eingeführt, die sich bis an den
Boden des Spritzkegels 3 erstreckt.

Die Schutzvorrichtung 8 ist als Rohr ausgebildet, das in einer Kegelspitze 9 mündet. Sie weist eine Öffnung 10 auf, durch die der Laserstrahl 11 nach dem Durchbrechen der Wand 12 des
Spritzkegels 3 gelangt. Vorzugsweise besteht die Schutzvorrichtung 8 aus hochfestem Glas. Die
Kegelspitze 9 ist vorzugsweise an einen Rohrkörper 13 der Schutzvorrichtung 8 angeschmolzen.

Dadurch wird eine einwandfreie Verbindung zwischen der Kegelspitze 9 und dem Rohrkörper 13 gewährleistet.

Der der Öffnung 10 gegenüberliegende Bereich der Schutzvorrichtung 8 ist mit einer
Reflexionsschicht 14 versehen, an der der durch die Öffnung 10 eintretende Laserstrahl 11 reflektiert wird. Die Reflexionsschicht 14 erstreckt sich vorteilhaft über die gesamte Innenwandung des Rohrkörpers 13 sowie der Kegelspitze 9, so dass die Innenwandung der Schutzvorrichtung 8 vollständig mit dem reflektierenden Material bedeckt ist. Die Reflexionsschicht 14 besteht aus einer
Gold- oder Silberschicht, die vorteilhaft auf die Innenwand der Kegelspitze 9 und des Rohrkörpers
13 aufgedampft ist. Als Reflexionsschicht 14 kann auch eine Kupferschicht bzw.-beschichtung oder eine Molybdänschicht bzw.-beschichtung verwendet werden, die entsprechend poliert sind.

Die Reflexionsschicht 14 reflektiert den Laserstrahl 11 in der in Fig. 2 dargestellten Weise, so dass dieser an Energie und damit an Wirksamkeit verliert. Wie Fig. 2 zeigt, wird der Laserstrahl 11nach dem Eintritt in der Schutzvorrichtung 8 an der Reflexionsschicht 14 hin- und her reflektiert und auf diese Weise aus der Schutzvorrichtung herausgeführt bzw. in seiner Energie verringert.

Vorzugsweise ist der Ringraum 16, der zwischen der Innenwandung 17 des Düsenkörpers 2 und der Aussenwand 18 der Schutzvorrichtung 8 gebildet ist, mit Druckluft beaufschlagt. Dadurch kann eine Überhitzung der Schutzvorrichtung 8 durch den Laserstrahl 11vermieden werden. Der
Innenraum der Schutzvorrichtung 8 kann in Abhängigkeit von Länge und Querschnitt an eine Vakuumquelle angeschlossen werden, was in Verbindung mit der Entspannung der Druckluft im Ringraum 16 zu einem Kühleffekt im Bereich der Öffnung 10 der Schutzvorrichtung 8 führt. Ausser- dem hat die Verbindung der Schutzvorrichtung 8 mit der Vakuumquelle den Vorteil, dass über die Bohrung 19 Metalldämpfe und Schmelzpartikel, die beim Herstellen der Einspritzbohrungen ent- stehen, auf einfache Weise abgesaugt werden können.

Durch die beschriebene Zwangskühlung mittels des Vakuums kann die Einsatzdauer der Schutzvorrichtung 8 erheblich verlängert werden.

Wie bereits erwähnt, kann die Schutzvorrichtung auch aus einem anderen Material als aus Glas bestehen, wie zum Beispiel aus demselben Material wie die Reflexionsschicht. In jedem Fall muss der Werkstoff jedoch Reflexionseigenschaften aufweisen. So kann die Schutzvorrichtung 8 aus massivem poliertem Kupfer oder Molybdän bestehen.

Die beschriebene Schutzvorrichtung 8 wird vor der Herstellung der Einspritzbohrungen 4 in Richtung des Pfeiles P in Fig. 1 in die Einspritzdüse 1 eingeführt, bis sie mit ihrer Kegelspitze 9 am Grund der Sacklochbohrung 7 der Einspritzdüse 1 anliegt. Danach wird die Schutzvorrichtung 8 so verdreht, dass ihre Öffnung 10 so liegt, dass sie unterhalb der zu bohrenden Einspritzbohrung 4 zu liegen kommt. Anschliessend wird mit dem Laserstrahl 11die Mikrobohrung 4 im Spritzkegel 3 der Einspritzdüse 1 hergestellt. Nach dem Durchdringen der Wandung 12 tritt der Laserstrahl 11 durch die Öffnung 10 in die Schutzvorrichtung 8 ein und wird dort, wie zuvor beschrieben, an der reflek- tierenden Schicht 14 reflektiert, wobei er an Energie und Wirksamkeit verliert.

Gleichzeitig wird der

Ringraum 16 mit Druckluft beaufschlagt, um eine Kühlung der Schutzvorrichtung 8 zu erreichen.

Darüber hinaus wird der Innenraum 19 der Schutzvorrichtung 8 unter Vakuum gesetzt, um die Kühlwirkung der Druckluft noch zu verstärken und ausserdem in die Schutzvorrichtung eindringende Schmutzteilchen, wie Metalldampf und Schmelzpartikel, zu entfernen.

Durch die Verwendung der Schutzvorrichtung 8 in der beschriebenen Weise, ist es möglich, in rohrähnlichen Bauteilen, wie Einspritzdüsen, Bohrungen zuverlässig und kostengünstig einzubrin- gen, deren Bohrungsdurchmesser im Mikrobereich liegt. Die beschriebene Schutzvorrichtung er- möglicht eine industrielle Nutzung des Laserbohrens bei Einspritzdüsen oder ähnlichen Bauteilen.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Schutzvorrichtung zum Herstellen von Kleinstbohrungen in rohrartigen Bauteilen, insbe- sondere Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, wobei die Schutzvorrichtung (8) als Hohlkörper ausgebildet ist, der für Laserstrahlen (11) mindestens teilweise wenigs- tens energieverringernd ausgebildet ist.

Claims

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (8) für Laserstrahlen (11) mindestens teilweise reflektierend ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reflexion an der Innenwandung (17) der Schutzvorrich- tung (8) eine reflektierende Schicht (14) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus bruchfestem Glasmaterial besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rohrkörper (13) aufweist, dessen Endbereich (9) als Kegelspitze (9) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (9) an den Rohrkörper (13) angeschmolzen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (8) im Endbereich (9) mindestens eine Eintrittsöffnung (10) für den Laserstrahl (11) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (9) mindestens in einem der Eintrittsöffnung (10) gegenüberliegenden Bereich (15) mit der reflektierenden Schicht (14) versehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die reflektierende Schicht (14) über die gesamte Innen- wandung (17) der Schutzvorrichtung (8) erstreckt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht (14) auf die Innenwandung (17) aufgedampft ist, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht (14) aus einer Silber-, Gold-, Kup- fer- oder Molybdänbeschichtung besteht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (8) aus metallischem Werkstoff be- steht, vorzugsweise aus Kupfer oder Molybdän.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Schutzvorrichtung (8) poliert ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie an ih- rem vom Endabschnitt (9) abgewandten Ende an eine Vakuumvorrichtung anschliessbar ist.

15. Verfahren zum Herstellen von in einen Hohlraum mündenden Bohrungen eines Werkstü- ckes, bei dem die Wandung des Werkstückes zur Herstellung der Bohrung mit einem <Desc/Clms Page number 4> Laserstrahl durchdrungen wird, der innerhalb des Hohlraumes so weit in seiner Energie verringert wird, dass er die der hergestellten Bohrung gegenüberliegende Wandung des Hohlraumes des Werkstückes nicht beschädigt, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohl- raum (7) des Werkstückes (1) vor der Herstellung der Bohrung (4) eine als Hohlkörper ausgebildete Schutzvorrichtung (8) eingeführt und so angeordnet wird, dass der Laserstrahl (11) nach Durchdringen der Wandung (12) des Werkstückes (1) auf die Schutzvorrichtung (8) trifft, an der der Laserstrahl (11) reflektiert wird.

16. Verfahren zum Herstellen von in einen Hohlraum mündenden Bohrungen eines Werkstü- ckes, bei dem die Wandung des Werkstückes zur Herstellung der Bohrung mit einem La- serstrahl durchdrungen wird, der innerhalb des Hohlraumes so weit in seiner Energie ver- ringert wird, dass er die der hergestellten Bohrung gegenüberliegende Wandung des Hohl- raumes des Werkstückes nicht beschädigt, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlraum (7) des Werkstückes (1) vor der Herstellung der Bohrung (4) eine als Hohlkörper ausgebil- dete Schutzvorrichtung (8) eingeführt und so angeordnet wird, dass der Laserstrahl (11) nach Durchdringen der Wandung (12) des Werkstückes (1) auf die Schutzvorrichtung (8) trifft, an der der Laserstrahl (11) reflektiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (11) an der Schutzvorrichtung (8) durch Mehrfachreflexion aus dem Bearbeitungsbereich herausge- führt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Wandung (17) des Hohlraumes (7) des Werkstückes (1) und der Aussenwandung (18) der Schutzvorrichtung (8) gebildeter Ringraum (16) mit Druckluft beaufschlagt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Innen- raum (19) der Schutzvorrichtung (8) unter Vakuum gesetzt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser- strahl (11) nach Herstellen der Bohrung (4) durch eine Öffnung (10) in einen Hohlraum (19) der Schutzvorrichtung (8) eindringt und dort reflektiert wird.

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN