DE102010002498A1 - Lochbildungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine Lochbildungsvorrichtung zum Bilden eines Durchgangslochs (75) in einem Werkstück (66) durch Richten eines Laserlichts (70) von der Außenseite des Werkstücks in ein hohles Teil (67). Die Vorrichtung enthält einen Vibrationsmechanismus (56) zum Verursachen einer Vibration in einem Füllmaterial (65), welches das hohle Teil des Werkstücks (66) füllt, und welches nicht durch das Laserlicht geschmolzen wird, wobei der Vibrationsmechanismus derartig angeordnet ist, um mit dem Füllmaterial in Kontakt zu sein.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lochbildungsvorrichtung zum Bilden eines Durchgangslochs in einer Wand eines Werkstücks durch Bestrahlung mit Laserlicht. Zum Beispiel, wenn eine Kraftstoffeinspritzdüse hergestellt wird, wird eine Lochbildung durch Bestrahlung mit Laserlicht in einer Wand durchgeführt, um ein Durchgangsloch zu bilden. Nachdem das Loch in der Wand geöffnet worden ist, wenn das Laserlicht durch das Durchgangsloch passiert und die innere periphere Oberfläche der Kraftstoffeinspritzdüse erreicht, wird die innere periphere Oberfläche geschnitten, obwohl sie nicht geschnitten werden muss. Somit sind Techniken zum Vermeiden, dass die innere periphere Oberfläche durch das Laserlicht geschnitten wird, bekannt, wie beispielsweise die Technik, welche in der internationalen Veröffentlichung WO 99/11419 offenbart ist.
  • Gemäß der internationalen Veröffentlichung WO 99/11419 ist ein Fluid in dem distalen Ende der Kraftstoffeinspritzdüse angeordnet, und eine Hohlraumbildung wird darin eingeleitet, wodurch das Laserlicht gestreut wird. Es ist dadurch möglich, zu verhindern, dass die innere periphere Oberfläche durch das Laserlicht geschnitten wird.
  • Jedoch, sogar in Fällen, in welchen das Laserlicht gestreut wird, erreicht etwas des gestreuten Laserlichts manchmal dennoch die innere periphere Oberfläche. Die innere periphere Oberfläche könnte möglicherweise durch das Laserlicht in Fällen einer starken Laserlichtausgabe beschädigt werden.
  • Im Hinblick auf dieses besteht eine Nachfrage für eine Lochbildungsvorrichtung, wobei Laserlicht noch genauer davor bewahrt werden kann, auf die innere periphere Oberfläche gerichtet zu werden.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lochbildungsvorrichtung vorzusehen, wobei Laserlicht noch genauer davor bewahrt werden kann, auf die innere periphere Oberfläche gerichtet zu werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lochbildungsvorrichtung zum Richten von Laserlicht von einer Außenseite eines hohlen Werkstücks in ein hohles Teil des Werkstücks vorgesehen, um dadurch ein Durchgangsloch in einer Wand des Werkstücks zu bilden, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Füllmaterial, welches durch das Laserlicht nicht schmelzbar ist, und welches in das hohle Teil gefüllt ist; einen Vibrationsmechanismus, welcher angeordnet ist, um mit dem Füllmaterial in Kontakt zu stehen, zum Bewirken, dass das Füllmaterial vibriert; eine druckreduzierende Einrichtung, welche mit dem hohlen Teil verbunden ist, zum Niedrigermachen eines Luftdrucks in dem hohlen Teil als derjenige außerhalb der Wand; eine Bestrahlungskammer, welche auf solch eine Weise gebildet ist, um das Bestrahlungsteil zu schließen, zum Leiten des Laserlichts in einen Teil des Werkstücks, der mit dam Laserlicht zu bestrahlen ist; eine Gaszuführeinrichtung, welche mit der Bestrahlungskammer verbunden ist, zum Zuführen eines komprimierten Gases in die Bestrahlungskammer; eine Ausstoßeinrichtung, welche ein distales Ende aufweist, welches sich in die Bestrahlungskammer erstreckt, zum Ausstoßen eines Gases in die Bestrahlungskammer einschließlich Staub, welcher durch die Laserlichtbestrahlung erzeugt wird, zu einer Außenseite der Bestrahlungskammer; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Vibrationsmechanismus, der Tiefdruckeinrichtung, der Gaszuführeinrichtung und der Ausstoßeinrichtung.
  • Das Füllmaterial, welches durch das Laserlicht nicht geschmolzen wird, wird dem hohlen Teil zugeführt. Somit kollidiert das Laserlicht, welches das Durchgangsloch gebildet hat, mit dem Füllmaterial, welches das hohle Teil füllt. Das Füllmaterial absorbiert die Energie des Laserlichts über diese Kollision. Das Laserlicht kann davor bewahrt werden, auf die innere periphere Oberfläche aufgrund des Füllmaterials, welches diese Energie absorbiert, gerichtet zu werden.
  • Vorzugsweise ist das Werkstück drehbar durch einen Werkstückdrehtisch gelagert, welcher eine Drehachse aufweist, welche durch das Werkstück passiert. Mit anderen Worten ist das Werkstück entlang der Drehachse angeordnet. Der Winkel des Werkstücks relativ zu dem herankommenden Laserlicht kann hierbei verändert werden durch Drehen des Werkstückdrehtischs. Insbesondere ist es möglich, Löcher aus vielen verschiedenen Winkeln mit einer einzigen Vorrichtung zu bilden, was effektiv ist. Wünschenswerterweise ist die Steuervorrichtung konstruiert, um den Luftdruck in der Bestrahlungskammer derartig zu steuern, dass der Luftdruck größer ist als der Luftdruck in dem hohlen Teil und gleich oder weniger als der atmosphärische Druck, bis das Durchgangsloch gebildet ist. Demzufolge wird eine Luftströmung durch die Bestrahlungskammer durch Bilden dieses Unterschieds im Luftdruck gebildet. Staub wird effizient an die Außenseite durch diese Luftströmung ausgestoßen.
  • In einer bevorzugten Form steuert die Steuervorrichtung die Ausstoßeinrichtung, um so die Ausstoßfunktion zu stoppen, nachdem das Durchgangsloch gebildet worden ist. Mit anderen Worten ist es möglich, Staub effizient an die Außenseite auszustoßen durch Bilden einer einzigen Luftströmung zum Ausstoßen des Staubs.
  • Es ist bevorzugt, dass das Füllmaterial einen Durchmesser von 30 μm bis 20 mm aufweist, der Vibrationsmechanismus mit einer Vibrationsfrequenz von 30 kHz bis 100 kHz vibriert, und die Amplitude der Vibrationsfrequenz 5 μm bis 30 μm ist. Falls das Füllmaterial diese Größe aufweist, wird ein Raum, welcher ausreichend zum Vibrieren des Füllmaterials ist, in dem hohlen Teil gebildet. Ein Einleiten einer Vibration unter diesen Bedingungen macht es möglich, die Lebensdauer des Füllmaterials zu verlängern, da das Füllmaterial dazu gebracht wird, effizient zu vibrieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Lochbildungsvorrichtung zum Richten von Laserlicht von einer Außenseite eines hohlen Werkstücks in ein hohles Teil des Werkstücks vorgesehen, um dadurch ein Durchgangsloch in einer Wand des Werkstücks zu bilden, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Füllmaterial, welches durch das Laserlicht nicht schmelzbar ist und in das hohle Teil gefüllt ist; einen Vibrationsmechanismus, welcher angeordnet ist, um in Kontakt mit dem Füllmaterial zu sein, zum Bewirken, dass das Füllmaterial vibriert; und einen Werkstückklemmmechanismus zum Arretieren des Werkstücks. Demzufolge kollidiert das Laserlicht, welches ein Loch in der Wand gebildet hat, mit dem Füllmaterial, welches in das hohle Teil gefüllt ist. Das Füllmaterial absorbiert dadurch die Energie des Laserlichts. Daher kann das Laserlicht davor bewahrt werden, auf die innere periphere Oberfläche des hohlen Werkstücks gerichtet zu werden. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Niedrigdruckeinrichtung zum Niedrigermachen des Luftdrucks in dem hohlen Teil als derjenige außerhalb der Wand, wobei die Niedrigdruckeinrichtung mit dem hohlen Teil verbunden ist. Der Luftdruck in dem hohlen Teil wird durch die Niedrigdruckeinrichtung reduziert, um niedriger zu sein als derjenige außerhalb der Wand. Eine Zugkraft wirkt hierbei, um das Werkstück in Richtung zu dem niedrigeren Druck zu ziehen. Bevor das Loch gebildet ist, wird das Werkstück fest durch diese Kraft in Position gehalten. Nachdem das Loch gebildet worden ist, wird der Staub, welcher durch die Laserlichtbestrahlung gebildet worden ist, durch diese Kraft wiedergewonnen, und Staub sammelt sich nicht in der Nähe des Lochs. Es ist daher möglich, den Staub davor zu bewahren, wieder in der Nähe des Lochs anzuhaften, und den Betrieb effizienter zu machen.
  • Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten im Detail nur mittels eines Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
  • 1 ist eine schematische Ansicht, welche eine Gesamtkonfiguration einer Lochbildungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Werkstückträgerelement, welches in 1 gezeigt ist, zeigt;
  • 3 sind schematische Ansichten, welche eine Weise zeigen, auf welche das Werkstück auf das Werkstückträgerelement gesetzt wird;
  • 4 sind schematische Ansichten, welche das Werkstück in der Werkposition geklemmt zeigen;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, welche Details des Werkstücks in einem geklemmten Zustand zeigt;
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen entlang einer Linie 6-6 von 5;
  • 7 sind schematische Ansichten, welche eine Änderung in einem Winkel der Bestrahlung von dem Laser auf das Werkstück zeigen;
  • 8 sind schematische Ansichten, welche Vergleiche zwischen der erfinderischen Anordnung und beispielhaften Anordnungen ohne Verwendung von Ausstoßeinrichtungen und Füllmaterial zeigen; und
  • 9 ist eine schematische Ansicht, welche eine Änderung des Klemmmechanismus von 2 zeigt.
  • Bezug nehmend auf 1 umfasst eine Lochbildungsvorrichtung 10 einen Werkstückklemmmechanismus 11 zum Klemmen eines Werkstücks 66 (siehe 5), ein Werkstückträgerelement 12 zum Tragen des Werkstücks, welches durch den Werkstückklemmmechanismus 11 geklemmt ist, einen Werkstückdrehmechanismus 13 zum drehbaren Lager des Werkstückträgerelements 12 und Drehen des Werkstücks, einen Hebe-/Senk-Mechanismus 15 zum Heben und Senken eines Deckels 14, welcher das Werkstückträgerelement 12 abdeckt, einen Deckeldrehmechanismus 16 zum integralen Drehen des Hebe-/Senk-Mechanismus 15 und des Deckels 14, einen Positionierblock 18 zum Positionieren des Deckels 14, und einen Arbeitsständer 20 zum Lager des Positionierblocks 18 und des Deckeldrehmechanismus 16.
  • In dem Werkstückklemmmechanismus 11 ist eine Platte 24 mit dem distalen Ende des Klemmzylinders 23 verbunden; ein Ansteuern des Klemmzylinders 23 hebt und senkt die Platte 24, wie durch den Pfeil (1) gezeigt ist. Das Klemmen und Freigeben des Werkstücks wird dadurch betrieben.
  • Wie im Detail im Folgenden beschrieben wird, ist ein Werkstück, welches in dem Werkstückträgerelement 12 geklemmt ist, in dem Zustand, welcher in 1 gezeigt ist. Von hier wird der Klemmzylinder 23 angesteuert, und die Platte 24 wird gehoben, wodurch die Klemme freigegeben wird.
  • Der Werkstückdrehmechanismus 13 ist aus einem Drehmechanismusträger 26 und einem L-förmigen Werkstückdrehtisch 27 zum Lager des Werkstückträgerelements 12 zusammengesetzt, wobei der Tisch durch den Drehmechanismusträger 26 drehbar gelagert ist.
  • Der Werkstückdrehtisch 27 dreht sich um eine Drehachse 28, wie durch den Pfeil (2) gezeigt ist. Die Drehachse 28 trifft das Werkstück, welches in dem Werkstückträgerelement 12 gelagert ist. Mit anderen Worten ist das Werkstück entlang der Drehachse 28 des Werkstückdrehtischs 27 angeordnet.
  • In dem Hebe-Senk-Mechanismus 15 hebt und senkt ein Aufwärts- und Abwärts-Ansteuern eines Deckel-Hebe-Senkzylinders 32, wie durch den Pfeil (3) gezeigt ist, integral den Deckel 14, einen Deckelträger 33 zum Lager des Deckels 14, und einen Positionierstift 34, welcher auf der Bodenseite des Deckelträgers 33 angeordnet ist. Von dem Zustand, welcher in 1 gezeigt ist, wird der Deckel-Hebe-Senkzylinder 32 angesteuert, und der Deckel 14, der Deckelträger 33 und der Positionierstift 34 werden abgesenkt. Der Deckel 14 deckt das Werkstückträgerelement 12 ab, und der Positionierstift 34 wird in einen Positionierblock 18 eingeführt.
  • Der Deckel-Betätigungsmechanismus 16 ist aus einem Deckeldrehmotor 36 zum horizontalen Drehen des Deckels 14 und einer Lagerstrebe 37 zum Lager des Deckel- Hebe-Senkzylinders 32 zusammengesetzt, wobei die Strebe an der oberen Seite des Deckeldrehmotors 36 angeordnet ist.
  • Ein Ansteuern des Deckeldrehmotors 36 bewirkt, dass die Lagerstrebe 37 sich um eine Drehachse 38 dreht, wie durch den Pfeil (4) gezeigt ist. Dies bewirkt, dass sich der Deckel-Hebe-Senkzylinder 32, der Deckelträger 33, der Deckel 14 und der Positionierstift 34, welche durch die Trägerstrebe 37 gelagert sind, integral drehen. Zum Beispiel, wenn der Werkstückdrehtisch 27 angesteuert wird (Pfeil (2)), muss der Klemmzylinder 23 davor bewahrt werden, in Kontakt mit dem Deckel 14 zu kommen. In solchen Fällen werden der Deckel 14 und andere Komponenten aus dem Weg zu einer Stand-by-Position 39, welche durch die schwachen Linien gezeigt ist, bewegt. Der Deckel 14 umfasst eine transparente Platte 43, welche auf einem Oberseitenträgerrahmen 42 gelagert ist und durch Laserlicht durchdrungen wird, und einen Pfad 44, durch welchen Laserlicht nach Passieren durch die transparente Platte 43, wie in 2 gezeigt ist, passiert. Der Pfad 44 öffnet durch eine Trennwand 41, welche den Raum einer Bestrahlungskammer 63 zum Aufnehmen des Werkstücks bildet, welches durch das Laserlicht bestrahlt wird, welches durch den Pfad 44 passiert. Weiterhin umfasst der Deckel 14 einen Zuführkanal für komprimiertes Gas 46, welcher dem Pfad 44 beitritt und den Durchgang von komprimierten Gas, welches von der Gaszuführeinrichtung 45 zugeführt wird, erlaubt, ein distales Endteil 48, welches in einer Düsenform gebildet ist und gezwungenermaßen in der Richtung orientiert ist, in welche Laserlicht gerichtet wird, eine Ausstoßeinrichtung 49 zum Einziehen von Staub, welcher durch die Laserlichtbestrahlung von dem distalen Endteil 48 produziert wird, und ein Dichtelement 51, welches in Kontakt mit dem Werkstückträgerelement 12 gelangt, wenn das Werkstückträgerelement 12 durch den Deckel 14 abgedeckt wird. Der Staub, welcher durch die Laserlichtbestrahlung produziert wird, ist ein Metalldampf oder ein ionisiertes gemischtes Gas, welches als Dampffahne bezeichnet wird, und ist das Ergebnis davon, dass Metall auf der Oberfläche des Werkstücks durch Wärme während einer Laserbearbeitung evaporiert wird. Die Pfeile (1) und (3) sind die gleichen wie die Pfeile (1) und (3) in 1.
  • Der Deckel 14 ist konfiguriert aus einer oberen Basis 52 und einer unteren Basis 53, und das Dichtelement 51 ist angeordnet, um so zwischen der oberen Basis 52 und der unteren Basis 53 eingelegt zu sein. Das Gas, welches von der Gaszuführeinrichtung 45 zugeführt wird, kann Luft oder Stickstoff oder ein anderes inertes Gas sein, und jeglicher Typ von komprimiertem Gas kann verwendet werden.
  • Das Werkstückträgerelkement 12 ist aus einer äußeren Wand 47, welche in Kontakt mit dem Dichtelement 51 gelangt, einem konkaven Teil 62, welches eine innere Wand 54 aufweist, welches den Raum der Bestrahlungskammer 63 in einer Position entgegengesetzt zu der Trennwand 41 bildet, einem ersten Werkstückfach 55, auf welchem das Werkstück in dem Boden des konkaven Teils 62 aufsitzt, einem Vibrationsmechanismus 56, welcher einen Ultraschallvibrator verwendet, dessen distales Ende sich in Richtung zu dem ersten Werkstückfach 55 erstreckt, und einer Niedrigdruckeinrichtung (welche im Detail im Folgenden beschrieben wird) zum Reduzieren des Drucks in dem Boden des ersten Werkstückfachs 55 zusammengesetzt, wobei die Niedrigdruckeinrichtung in der Nähe zu dem distalen Ende des Vibrationsmechanismus 56 angefügt ist.
  • Ein Senken der Platte 24 bewirkt, dass eine Trägerplatte 57, die Trägerstreben 58, 58 und eine Klemmplatte 59, welche mit der Platte 24 verbunden ist, integral abgesenkt werden. Das Werkstück wird durch das erste Werkstückfach 55 und das zweite Werkstückfach 61, welches in der Bodenseite der Klemmplatte 59, wie durch die schwachen Linien gezeigt ist, gebildet ist, geklemmt.
  • Der Deckel 14 wird dann über dem Werkstückträgerelement 12, wie durch den Pfeil (3) gezeigt ist, abgesenkt. Der Bereich, welcher durch den Deckel 14 und das Werkstückträgerelement 12 zu diesem Zeitpunkt eingeschlossen wird, ist die Bestrahlungskammer 63, in welche Laserlicht gerichtet wird. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass die Gaszuführeinrichtung 45 an die Bestrahlungskammer 63 angefügt ist und komprimiertes Gas in die Bestrahlungskammer 63 zuführt. Es kann auch gesagt werden, dass das distale Endteil 48 der Ausstoßeinrichtung 49, welche in einer Düsenform gebildet ist, sich in die Bestrahlungskammer 63 erstreckt.
  • Das Festklemmen des Werkstücks wird in der nächsten Zeichnung beschrieben.
  • Von einem Zustand des distalen Endes des Vibrationsmechanismus 56, welcher nach oben, wie in 3(a) gezeigt ist, zeigt, wird der Werkstückdrehtisch 27 (1) angesteuert und das Werkstückträgerelement 12 wird in einem Zustand gedreht, welcher in 3(b) gezeigt ist, in welchem das distale Ende des Vibrationsmechanismus 56 nach oben zeigt.
  • In 3 ist das Werkstückträgerelement 12 von der Richtung gezeigt, in welcher die Drehachse 28 sich von vorn nach hinten in der Zeichnung erstreckt.
  • Als Nächstes wird in dem Zustand, welcher in 3(b) gezeigt ist, eine Niedrigdruckeinrichtung 64 angesteuert zum Reduzieren des Drucks in der Seite des ersten Werkstückfachs 55, welches dem Vibrationsmechanismus 56 gegenüberliegt. Unter Verwenden einer Kugel aus Zirkonoxid, welche nicht durch das Laserlicht geschmolzen wird, als ein Füllmaterial 65, wird ein hohles Teil 67 des Werkstücks 66 gefüllt und das Werkstück wird in dem ersten Werkstückfach 55 platziert.
  • Zu dieser Zeit bewirkt die Wirkung der Niedrigdruckeinrichtung 64 eine nach oben gerichtete Zugkraft, um auf das Werkstück 66 einzuwirken. Demzufolge fällt das Werkstück 66 nicht, sogar wenn keiner das Werkstück 66 hält, bevor es durch die Klemmplatte 59 geklemmt wird.
  • Die Zirkonooxidkugel, welche als das Füllmaterial 65 verwendet wird, ist aus Zirkonoxid hergestellt, was eine Oxidkeramik ist. Zirkonoxid, wie es gewöhnlich bekannt ist, weist einen extrem hohen Schmelzpunkt auf und schmilzt daher nicht, sogar wenn es Laserlicht ausgesetzt wird. Die Stelle in dem Füllmaterial 65, welche dem Laserlicht ausgesetzt wird, ist fragmentiert. Im Ergebnis wird ein feines Pulver erzeugt.
  • Ein Pulver kann auch als das Füllmaterial anstelle einer Zirkonoxidkugel verwendet werden. Der Durchmesser des Füllmaterials 65, welches das Zirkonoxidpulver enthält, ist basierend auf der Dauer der Laserlichtbestrahlung und der Oszillationsfrequenz eingestellt. Mit anderen Worten wird der Radius R des minimal notwendigen Füllmaterials ausgedrückt durch die folgende Gleichung (1), wobei V0 das Volumen des Zirkonoxidfüllmaterials 65 ist, bevor es mit Laserlicht bestrahlt wird, Z das Volumen ist, welches durch jeden Impuls fragmentiert wird, f die Oszillationsfrequenz des Laserlichts ist und t die Zeitdauer der Laserlichtbestrahlung ist. R = {3 V0 – tfZ/4π}1/3 (1)
  • Mit anderen Worten ist das Füllmaterial 65, welches ausgewählt wird, eines, welches einen Radius aufweist, welcher größer als der Radius R ist, welcher aus Gleichung (1) erhalten wird. Das Volumen Z, welches mit jedem Impuls in Gleichung (1) fragmentiert wird, ist ein Volumen, welches im Voraus durch Experimentieren gefunden wird, und daher kann ein anderes Füllmaterial als eines, welches Zirkonoxidpulver enthält, ausgewählt werden, solange wie das Volumen Z, welches mit jedem Impuls fragmentiert wird, im Voraus durch Experimentieren herausgefunden werden kann, sogar wenn das Füllmaterial zum Beispiel Zirkonoxid ist.
  • Während Laserlicht auf das Werkstück gerichtet wird, wird ein Durchgangsloch in der Wand des Werkstücks gebildet und das Füllmaterial 65 wird vorgesehen, um zu verhindern, dass das Laserlicht, welches durch das Durchgangsloch passiert, die innere periphere Oberfläche des Werkstücks erreicht, welche der Wand gegenüberliegt, in welcher das Durchgangsloch gebildet ist. Das Material und die Form des Füllmaterials ist nicht besonders beschränkt, solange wie es nicht unter der Bestrahlung durch Laserlicht schmilzt und der Radius größer als sowohl der Durchmesser des Durchgangslochs ist, welches in dem Werkstück gebildet wird, und der Radius R, welcher aus der obigen Gleichung (1) erhalten wird.
  • Der Durchmesser des Durchgangslochs ist 3 μm bis 200 μm und ein Pulver, welches zumindest größer als das Durchgangsloch ist, muss verwendet werden. In dem Fall, dass eine Zirkonoxidkugel verwendet wird, ist der Durchmesser der Zirkonoxidkugel vorzugsweise 30 μm bis 20 mm.
  • Als Nächstes wird die Klemmplatte 59 angehoben, wie durch den Pfeil (1) in 3(c) gezeigt ist, und das Werkstück 66 wird geklemmt. Das Fixieren des Werkstücks 66 wird dadurch beendet.
  • Wie in dieser Zeichnung gezeigt ist, vereinigt sich die Niedrigdruckeinrichtung 64 mit dem hohlen Teil 67 und reduziert den Luftdruck in dem hohlen Teil 67, um geringer zu sein als die Außenseite von der Wand 68.
  • Der Luftdruck in dem hohlen Teil 67 wird auf weniger als die Außenseite der Wand 68 durch die Niedrigdruckeinrichtung 64 reduziert. Eine Zugkraft wirkt hierbei, um das Werkstück 66 in Richtung zu dem Niedrigdruckbereich zu ziehen. Bevor ein Loch gebildet wird, wird das Werkstück 66 fest in Position durch diese Kraft gehalten. Ein Bewegen des Werkstückträgerelements zu der Arbeitsposition wird in der nächsten Zeichnung beschrieben werden.
  • Nachdem das Werkstück 66 geklemmt wird, wie in 4(a) gezeigt ist, wird der Werkstückdrehtisch 27 (1) angesteuert und das Werkstückträgerelement 12 wird zu einer Position bewegt, sodass das distale Ende des Vibrationsmechanismus 56 wieder nach oben zeigt, wie in 4(b) gezeigt ist.
  • Die Wirkung des Abdeckens des Werkstückträgerelements 12 mit dem Deckel 14 wird in der nächsten Zeichnung beschrieben.
  • Der Deckel 14 wird über das Werkstückträgerelement 12 von der Stand-by-Position 39 (1), wie in 5 gezeigt ist, bewegt, und der Deckel 14 wird dann abgesenkt, wie durch den Pfeil (3) gezeigt ist. Dieser Vorgang bewirkt, dass die Bestrahlungskammer 63 durch die Trennwand 41 von dem Deckel 14, dem Dichtelement 51 und der Innenwand 54 und der Klemmplatte 59 des Werkstückträgerelements 12 gebildet wird. Wenn der Bestrahlungskammer 63 auf diese Weise gebildet ist, wird das Werkstück mit Laserlicht bestrahlt.
  • Wenn das Laserlicht 70, wie in 6, gerichtet wird, wird ein komprimiertes Gas durch die Gaszuführeinrichtung 45 zugeführt, während Staub, der durch die Laserlicht-70-Bestrahlung gebildet wird, durch die Ausstoßeinrichtung 49 ausgestoßen wird. Der Luftdruck in der Bestrahlungskammer 63 wird erhöht durch die Zufuhr von komprimiertem Gas durch die Gaszuführeinrichtung 45. Daher kann ein Luftdruck gleich dem atmosphärischen Druck im Inneren der Bestrahlungskammer 63 durch Ansteuern der Ausstoßeinrichtung 49 aufrechterhalten werden.
  • Der Vibrationsmechanismus 56, die Niedrigdruckeinrichtung 64, die Gaszuführeinrichtung 45 und die Ausstoßeinrichtung 49 werden alle gesteuert und betätigt durch eine Steuervorrichtung 80, an welche sie angeschlossen sind. Nanosekunden-Laserlicht oder Picosekunden-Laserlicht kann für das Laserlicht verwendet werden. Sowohl eine Nanosekunden-Laserlichtbestrahlungsvorrichtung als auch Picosekunden-Laserlichtbestrahlungsvorrichtung können in dem Laserbearbeitungskopf gehalten werden. In diesem Fall kann eine hochpräzise Lochbildungsarbeit in einer kurzen Zeitmenge durch Durchführen einer allgemeinen Lochbildung mit einem Nanosekunden-Laserlicht und dann Durchführen einer Endbearbeitung mit einem Picosekunden-Laserlicht durchgeführt werden.
  • Der Winkel ϑ, welcher durch die Achse L1 des Vibrationsmechanismus 56 relativ zu dem Laserlicht 70 gebildet wird, kann durch Drehen des Werkstückdrehtischs 27 (1) geändert werden, wie in 7(a) gezeigt ist. Zum Beispiel ist ϑ1 in dem Fall in 7(a) 27° und dieser Winkel kann zu einem Winkel ϑ2 von 45° durch Drehung geändert werden, wie in 7(b) gezeigt ist. Der Bestrahlungswinkel, mit welchem das Laserlicht 70 auf das Werkstück 66 auftrifft, kann dadurch verändert werden.
  • Das Werkstück 66 ist entlang der Drehachse 28 angeordnet, welche sich in der Vor-Rück-Richtung von der Zeichnung erstreckt. Der Winkel des Werkstücks 66 relativ zu dem ankommenden Laserlicht 70 kann hierbei verändert werden durch Drehen des Werkstückdrehtischs. Mit anderen Worten können Löcher von verschiedenen Winkeln in einer einzigen Vorrichtung gebildet werden, was effektiv ist.
  • In Fällen, in welchen das Werkstück 66 weg von der Drehachse 28 platziert ist, wird das Werkstück 66 durch Drehen des Werkstückträgerelements 12 um einen großen Betrag bewegt, und das Werkstück 66 bewegt sich zu einer Position, wo es nicht durch das Laserlicht 70 bestrahlt wird. Umgekehrt kann gesagt werden, dass die Lochbildungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung eine Lochbildungsvorrichtung ist, in welcher das Werkstück 66 entlang der Drehachse 28 angeordnet ist, wobei der Bestrahlungswinkel des Laserlichts 70 mit einer einfachen Konfiguration geändert werden kann.
  • Der Staub 72, welcher in einem bestrahlten Bereich 71 gebildet wird, kann schnell durch Bestrahlen des Werkstücks 66 mit dem Laserlicht 70 rückgewonnen werden, während die Ausstoßeinrichtung 49 angesteuert wird, wie in 8(a) gezeigt ist. Bis das Durchgangsloch 75, welches in 8(c) gezeigt ist, gebildet ist, steuert die Steuervorrichtung 80 (6) den Luftdruck in der Bestrahlungskammer 63, um so höher zu sein als der Luftdruck in dem hohlen Teil 67 und gleich oder weniger zu sein als der atmosphärische Druck.
  • Mit anderen Worten steuert die Steuervorrichtung 80 die Ausstoßeinrichtung 49, um so eine größere Menge abzusaugen als die Menge von Gas, welche pro Zeiteinheit durch die Gaszuführeinrichtung 45 zugeführt wird. Zusätzlich steuert die Steuervorrichtung 80 die Niedrigdruckeinrichtung 64, um so eine größere Menge abzusaugen als die Menge, welche pro Zeiteinheit durch die Ausstoßeinrichtung 49 ausgesaugt wird. Eine Luftströmung in die Bestrahlungskammer 63 wird durch Bilden einer Differenz im Luftdruck gebildet. Der Staub wird effektiv zu der Außenseite durch diese Luftströmung ausgestoßen.
  • In einem Vergleichsbeispiel, welches keine Ausstoßeinrichtung aufweist, wie in 8(b) gezeigt ist, stoppt der vaporisierte Staub 72, wo die Ausstoßeinrichtung sein würde und haftet manchmal wieder in dem Loch an. Demzufolge ist mehr Zeit erforderlich, da das Loch gebildet wird, während der wiederanhaftende Staub 73 abgekratzt wird. Insbesondere kann durch Bestrahlen des Werkstücks 66 mit Laserlicht 70, während die Ausstoßvorrichtung 49 angesteuert wird, wie in 8(a) gezeigt ist, der Staub 72 davor bewahrt werden, wieder anzuhaften und kann schnell durch das Loch hindurchgeführt werden.
  • Mit anderen Worten enthält die Lochbildungsvorrichtung eine Steuervorrichtung 80 (6) und die Bestrahlungskammer 63 kann auf einem atmosphärischen Druck oder auf einem Druck etwas geringer als der atmosphärische Druck gehalten werden. In jedem dieser Zustände wird das Laserlicht 70 aus dem Laserbearbeitungskopf (nicht gezeigt) emittiert und auf die äußere Oberfläche des hohlen Werkstücks 66 geleitet. Staub (eine Abluftfahne) 72 wird durch diese Bearbeitung gebildet.
  • Bis das Durchgangsloch 75 gebildet ist, legt in Fällen, in welchen Gas nicht aus der Bestrahlungskammer 63 entweichen kann, wie in 8(b) gezeigt ist, eine Bearbeitung eine Last auf die transparente Platte 43 oder eine luftdichte Komponente auf, wenn Druck zu stark erhöht wird. Wenn Druck zu stark erhöht wird, wirbelt Luft den Staub 72 auf, und es besteht eine Gefahr, dass der Staub 72 nicht von der Stelle, die zu bearbeiten ist, entfernt wird und der Staub 72 wird das Laserlicht 70 blockieren. Mit anderen Worten ist eine Bearbeitung effizienter, wenn der Druck nicht zu groß ist. Wenn das Durchgangsloch 75 gebildet wird, wie in 8(c) gezeigt ist, kollidiert das Laserlicht 70 mit dem Füllmaterial 65. Diese Kollision erlaubt es dem Füllmaterial 65, die Energie des Laserlichts 70 zu absorbieren. Die innere periphere Oberfläche 76 kann davor bewahrt werden, durch das Laserlicht 70 bestrahlt zu werden, da die Energie durch das Füllmaterial 65 absorbiert wird.
  • Das Füllmaterial 65, welches durch das Laserlicht 70 bestrahlt wird, unterliegt einer Vibration durch den Vibrationsmechanismus 56. Die Steuervorrichtung 80 (6) steuert den Vibrationsmechanismus 56, um so die Vibrationsfrequenz und Amplitude einzustellen. Zum Beispiel ist die Vibrationsfrequenz 30 kHz bis 100 kHz und die Amplitude ist 5 μm bis 30 μm. Das Füllmaterial 65 wird durch diese Vibration bewegt, und die Stelle, die durch das Laserlicht 70 bestrahlt wird, kann in geringen Inkrementen geändert werden.
  • Insbesondre kann unter diesen Vibrationsbedingungen die Drehbewegung durchgeführt werden, während einer nach oben oder nach unten gerichteten Bewegung um ungefähr 0,1 mm in der vertikalen Richtung in 8(c). Es ist möglich, den Schaden, welcher durch das Laserlicht 70 verursacht wird, zu verteilen, und die Lebensdauer des Füllmaterials 65 zu verlängern durch Sicherstellen, dass die Stelle, welche durch das Laserlicht 70 bestrahlt wird, nicht an einer Stelle auf dem Füllmaterial 65 fokussiert wird.
  • Wenn eine Bearbeitung durch das Laserlicht 70 fortschreitet, wird das Füllmaterial 65 gebildet, wie in 8(c) gezeigt ist, ein Ventil 77 wird dann geschlossen, und die Steuervorrichtung 80 steuert die Ausstoßeinrichtung 49, um so zu stoppen. Der Staub 72 wird durch die Niedrigdruckeinrichtung 64 nach einem Passieren durch das Loch wiedergewonnen. Nachdem das Loch gebildet ist, wird der Staub 72, welcher durch die Laserlicht-70-Bestrahlung gebildet wird, durch die Niedrigdruckeinrichtung 64 wiedergewonnen, und der Staub 72 sammelt sich nicht in der Nähe des Durchgangslochs 75.
  • In dem Zustand in 8(a) wird der Luftdruck in dem hohlen Teil des Werkstücks, welches durch die innere periphere Oberfläche 76 gebildet wird, gesteuert, um so niedriger als die Außenseite der Wand 68 des Werkstücks zu sein. Wenn das Durchgangsloch 75 gebildet ist, wie in 8(c) gezeigt ist, verursacht die Druckdifferenz, dass Luft durch das hohle Teil des Werkstücks fließt, wie durch die Pfeile gezeigt ist, und der Staub 72 wird zusammen mit dieser Strömung durch die Niedrigdruckeinrichtung herausgezogen.
  • Wenn das Ventil 77 umgeschaltet wird, wird der Luftdruck in der Bestrahlungskammer 63 höher als der Zustand in 8(a), der Druckunterschied zwischen dem Luftdruck in der Bestrahlungskammer 63 und dem Luftdruck in dem hohlen Teil nimmt weiter zu, und Luft fließt sogar noch reibungsloser durch das hohle Teil des Werkstücks, wie durch die Pfeile in 8(c) gezeigt ist. Der Staub 72 kann davor bewahrt werden, wieder in der Nähe des Durchgangslochs 75 anzuhaften, und der Betrieb kann noch effizienter gemacht werden.
  • Nachdem das Durchgangsloch 75 gebildet worden ist, wird die Ausstoßfunktion der Ausstoßeinrichtung 49 angehalten. Die Luftströmung besteht dadurch nur aus Luft, welche von der Gaszuführeinrichtung 45 in Richtung zu der Niedrigdruckeinrichtung 64 fließt. Der Staub 72 kann effizient zu der Außenseite ausgestoßen werden durch Verwenden einer einzigen Luftströmung zum Ausstoßen des Staubs 72.
  • Die Vibrationsfrequenz, bei welcher der Vibrationsmechanismus 56 vibriert, ist 30 kHz bis 100 kHz, und die Amplitude der Vibrationsfrequenz ist 5 μm bis 30 μm. Die Größe des Füllmaterials 65 ist 30 μm bis 20 mm. Bei dieser Größe wird ein Raum, der groß genug ist, dass das Füllmaterial innerhalb des hohlen Teils 67 vibrieren kann, gebildet in Fällen, in welchen eine Kraftstoffeinspritzdüse als das Werkstück 66 verwendet wird. Es ist auch möglich, die Lebensdauer des Füllmaterials 65 zu verlängern, da das Füllmaterial 65 effizient vibriert werden kann durch Vibrieren unter den Vibrationsbedingungen, welche zuvor beschrieben wurden.
  • In Fällen, in welchen kein Füllmaterial verwendet wird, wie in 8(d) gezeigt ist, trifft das Laserlicht 70 auf die innere periphere Oberfläche 76 des Werkstücks 66, und dieser Abschnitt wird entfernt.
  • Bezug wird nun auf 9 genommen, welche ein Werkstückträgerelement 12 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Mit Gewinde versehene Bolzen 78, 78 werden in dem Klemmmechanismus verwendet, wie in 9 gezeigt ist. Der Klemmmechanismus kann mit einer einfachen Konfiguration hergestellt sein in Fällen, in welchen mit Gewinde versehene Bolzen 78, 78 verwendet werden. Sogar, wenn solch ein Klemmmechanismus verwendet wird, werden die Effekte der vorliegenden Erfindung dadurch erhalten, dass die innere periphere Oberfläche davor bewahrt wird, mit Laserlicht bestrahlt zu werden, da die Energie durch das Füllmaterial absorbiert wird.
  • Die Lochbildungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auf eine Kraftstoffeinspritzdüse in den Ausführungsformen angewandt, kann jedoch auch auf andere Vorrichtungskomponenten und dergleichen angewandt werden, wenn der Abschnitt ein gebildetes dünnes Durchgangsloch aufweist, und die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
  • Die Lochbildungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist geeignet zum Bilden von Löchern für Kraftstoffeinspritzdüsen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 99/11419 [0001, 0002]

Claims (7)

  1. Lochbildungsvorrichtung zum Richten von Laserlicht (70) von einer Außenseite eines hohlen Werkstücks (66) in ein hohles Teil (67) des Werkstücks, um dadurch ein Durchgangsloch (75) in einer Wand (68) des Werkstücks zu bilden, wobei die Lochbildungsvorrichtung umfasst: ein Füllmaterial (65), welches durch das Laserlicht nicht schmelzbar ist und in das hohle Teil gefüllt ist; einen Vibrationsmechanismus (56), welcher angeordnet ist, um in Kontakt mit dem Füllmaterial zu sein, zum Bewirken, dass das Füllmaterial vibriert; eine Druckreduzierungseinrichtung (64), welche mit dem hohlen Teil verbunden ist, zum Niedrigermachen eines Luftdrucks in dem hohlen Teil als derjenige außerhalb der Wand; eine Bestrahlungskammer (63), welche auf solch eine Weise gebildet ist, um das Bestrahlungsteil zu schließen, zum Leiten des Laserlichts in einen Teil des Werkstücks, das mit dem Laserlicht zu bestrahlen ist; eine Gaszuführeinrichtung (45), welche mit der Bestrahlungskammer verbunden ist, zum Zuführen eines komprimierten Gases in die Bestrahlungskammer; eine Ausstoßeinrichtung (49), welche ein distales Ende (48) aufweist, welches sich in die Bestrahlungskammer erstreckt, zum Ausgeben eines Gases in der Bestrahlungskammer, welches Staub enthält, welcher durch die Laserlichtbestrahlung erzeugt wird, zu einer Außenseite von der Bestrahlungskammer; und eine Steuervorrichtung (80) zum Steuern des Vibrationsmechanismus, der Niedrigdruckeinrichtung, der Gaszuführeinrichtung und der Ausstoßeinrichtung.
  2. Lochbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin einen Werkstückdrehtisch (27) umfassend zum drehbaren Lager des Werkstücks, wobei der Werkstückdrehtisch eine Achse (28) aufweist, welche durch das Werkstück hindurch passiert.
  3. Lochbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung einen Luftdruck in der Bestrahlungskammer derartig steuert, dass der Luftdruck größer wird als der Luftdruck in dem hohlen Teil und gleich oder weniger als der atmosphärische Druck, bis das Durchgangsloch gebildet ist.
  4. Lochbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung die Ausstoßeinrichtung steuert, um so eine Ausstoßfunktion davon zu stoppen, nachdem das Durchgangsloch gebildet worden ist.
  5. Lochbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Füllmaterial einen Durchmesser von 30 μm bis 20 mm aufweist, wobei der Vibrationsmechanismus bei einer Vibrationsfrequenz von 30 kHz bis 100 kHz vibriert, und die Amplitude der Vibrationsfrequenz 5 μm bis 30 μm ist.
  6. Lochbildungsvorrichtung zum Richten eines Laserlichts (70) von einer Außenseite eines hohlen Werkstücks (66) in ein hohles Teil (67) des Werkstücks, um dadurch ein Durchgangsloch (75) in einer Wand (68) des Werkstücks zu bilden, wobei die Lochbildungsvorrichtung umfasst: ein Füllmaterial (65), welches durch das Laserlicht nicht schmelzbar ist, und welches in das hohle Teil gefüllt ist; einen Vibrationsmechanismus (56), welcher angeordnet ist, um mit dem Füllmaterial in Kontakt zu sein, zum Verursachen, dass das Füllmaterial vibriert; und einen Werkstückklemmmechanismus (11) zum Festklemmen des Werkstücks.
  7. Lochbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, weiterhin eine Niedrigdruckeinrichtung (64) umfassend, welche mit dem hohlen Teil verbunden ist, zum Niedermachen des Luftdrucks in dem hohlen Teil als derjenige außerhalb der Wand.
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