DE102011078651A1

DE102011078651A1 - Verfahren zum Erzeugen zumindest einer Durchgangsbohrung und Vorrichtung zur Durchführung solch eines Verfahrens

Info

Publication number: DE102011078651A1
Application number: DE102011078651A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Bauer; Jens Koenig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10
Also published as: CN103635281A; US20140151348A1; WO2013004475A1; CN103635281B; EP2729276A1

Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen zumindest einer Durchgangsbohrung (3, 4) in einer Wand eines Werkstücks (2), die einen Hohlraum (12) des Werkstücks (2) begrenzt, nutzt ein Laserstrahl (7), der von außen auf die Wand (9) gerichtet wird. Hierbei wird in den Hohlraum des Werkstücks (2) ein pastöses Schutzmittel (13) eingebracht. Das pastöse Schutzmittel (13) wird in einer Verlängerung (10) des durch die Durchgangsbohrung (3) geführten Laserstrahls (7) vor eine den Hohlraum (12) begrenzenden Rückwand des Werkstücks (2) gebracht. Hierdurch ist ein zuverlässiger Schutz der Rückwand (11) beim Laserbohren der Durchgangsbohrung (3) gewährleistet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Durchgangsbohrung in einer Wand eines Werkstücks und eine Vorrichtung zur Durchführung solch eines Verfahrens. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Herstellung von Düsenbohrungen, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile.
Aus der WO 2004/087364 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung in einem Werkstück mittels Laser mit Hohlraum bekannt. Diesem bekannten Verfahren liegt das Problem zugrunde, dass der Laserstrahl nach Durchbohren der Werkstückwand in den Hohlraum eintritt und auf die gegenüberliegende Wand des Hohlraums trifft. Dadurch beschädigt der Laser nach dem Durchbohren der Wand auch die dem gebohrten Loch gegenüberliegende Wand. Deshalb wird bei dem bekannten Verfahren ein Schutzelement in dem Hohlraum angeordnet, so dass nach dem Durchbruch des von dem Laser erzeugten Laserstrahls durch die Wand des Werkstücks der Laserstrahl auf das Schutzelement trifft und zwischen der Innenwand des Werkstücks und dem Schutzelement ein gegebener Mindestabstand vorhanden ist. Der Mindestabstand ist hierbei größer oder gleich 0,1 mm. Um das Auftreffen des Laserstrahls an der dem Spritzloch gegenüberliegenden Wand zu verhindern, kann in das Sackloch beispielsweise ein Schutzelement in Form einer Kugel lose eingelegt werden. Wenn nun der Laserstrahl durch die Wand der Düse hindurch bricht, dann trifft er auf die Kugel, welche in dem Hohlraum zwischen der Wand mit der Durchgangsbohrung und der gegenüberliegenden Wand angeordnet ist. Dadurch entsteht in der Kugel eine Ausnehmung. Durch den Abstand zwischen der Kugel und der Innenwand des Hohlraums wird verhindert, dass Material, welches durch den auf die Kugel auftreffenden Laserstrahl von der Kugel abgetragen wird, unmittelbar in die Durchgangsbohrung zurückspritzt und sich dort ablagert.
Das aus der WO 2004/087364 bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass das Schutzelement, das beispielsweise als Kugel ausgebildet ist, durch den Laserstrahl nach und nach immer weiter gebohrt wird. Hierdurch kommt es zum einen zu einer zunehmenden Beschädigung des Schutzelements, so dass dieses regelmäßig ausgetauscht werden muss. Gegebenenfalls können auch Teile des Schutzelements frei gebohrt werden, so dass Stücke des Schutzkörpers abgetrennt werden und als unerwünschte Reste in dem Hohlraum des zu bearbeitenden Werkstücks verbleiben. Bei der Herstellung muss dann auf eine zuverlässige Beseitigung solcher Reste geachtet werden. Außerdem besteht das Problem, dass das beim Bohren zurückspritzende Material des Schutzelements an einer ungünstigen Stelle in der Nähe der Durchgangsbohrung, insbesondere an einer Ventilsitzfläche, oder statistisch gesehen trotz des Abstands doch einmal an oder in der Durchgangsbohrung abgelagert wird. Somit kommt es zu einem gewissen Ausschuss, der nur über eine Einzelprüfung zuverlässig erkannt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben demgegenüber den Vorteil, dass die Herstellung einer Durchgangsbohrung in einer Wand eines Werkstücks verbessert ist. Speziell ist eine Durchführung des Verfahrens mit gleichbleibender Qualität und unterbrechungsfreier Taktung bei einer Vielzahl von Vorgängen möglich. Außerdem kann die Qualität der Verfahrensdurchführung verbessert werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruchs 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 9 angegebenen Vorrichtung möglich.
Vorteilhaft ist es, dass der Hohlraum des Werkstücks zumindest entlang der Verlängerung des durch die Durchgangsbohrung geführten Laserstrahls mit dem pastösen Schutzmittel gefüllt ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass während des mittels des Laserstrahls erfolgenden Laserbohrens der Durchgangsbohrung das pastöse Schutzmittel in den Hohlraum nachgefördert wird. Das pastöse Schutzmittel fließt im Unterschied zu einem flüssigen Schutzmittel nicht über eine lasergebohrte Durchgangsbohrung ab. Dies ermöglicht die Ausgestaltung mehrerer Durchgangsbohrungen an dem Werkstück. Gegebenenfalls über die bereits gebohrten Durchgangsbohrungen austretendes Schutzmittel kann auf Grund der geringen austretenden Menge pro Zeiteinheit relativ einfach nachgefördert werden. Außerdem kann gegebenenfalls durch den Laserstrahl erhitztes Schutzmittel verdampfen, wobei sich Dampfblasen bilden können. Das verdampfte Schutzmittel kann dann ebenfalls ersetzt werden, wobei sich Gas- und/oder Dampfblasen wieder zudrücken lassen. Vorteilhaft ist es hierbei auch, dass das pastöse Schutzmittel mit einem Förderdruck in den Hohlraum des Werkstücks gefördert wird, der ausreichend groß ist, um die durch den Laser in dem pastösen Schutzmittel erzeugten Gas- und/oder Dampfblasen wieder zuzudrücken.
Vorteilhaft ist es außerdem, dass das pastöse Schutzmittel metallische Partikel aufweist. Hierdurch kann eine Streuung des Lasers gezielt beeinflusst werden. Außerdem ist es vorteilhaft, dass das pastöse Schutzmittel Glasfaserstücke aufweist. Dies ermöglicht ebenfalls eine Beeinflussung der Streuung. Speziell können eine Länge und ein Durchmesser der Glasfaserstücke auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das pastöse Schutzmittel auf Basis eines keramischen Pulvers in wässriger Lösung oder in einer nicht wässriger Dispersion ausgebildet ist, in das die metallischen Partikel beziehungsweise die Glasfaserstücke eingelagert sind. Hierbei ist außerdem eine Korngrößenverteilung des keramischen Pulvers in Bezug auf die Wellenlänge des Lasers in vorteilhafter Weise abstimmbar. Die Korngröße beziehungsweise ein Bereich der Korngrößenverteilung kann hierbei in der Größenordnung der Wellenlänge des Lasers liegen, um die Streuung zu verbessern. Gegebenfalls kann das keramische Pulver zumindest teilweise auch mit einer Korngrößenverteilung im Bereich des Zehn- bis Zwanzigfachen der Wellenlänge des Lasers vorgegeben sein. Hierdurch lässt sich zum einen das Streuverhalten und zum anderen die Viskosität des pastösen Schutzmittels gezielt beeinflussen.
Vorteilhaft ist es ferner, dass eine Fördervorrichtung, die das pastöse Schutzmittel fördert, teilweise in den Hohlraum des Werkstücks eingeführt wird, dass ein Arbeitsteil des Hohlraums durch die Fördereinrichtung begrenzt wird und dass der Arbeitsteil des Hohlraums durch die Fördereinrichtung mit dem pastösen Schutzmittel aufgefüllt wird. Hierbei ist während der Bearbeitung ein Nachfüllen des verbrauchten Schutzmittels vorteilhaft. Somit kann eine optimale Nutzung des Schutzmittels bei geringem Verbrauch erfolgen.
Nach der Bohrung einer Durchgangsbohrung oder mehrerer Durchgangsbohrungen kann das in dem Hohlraum verbleibende pastöse Schutzmittel ausgespült werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Werkstück und eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Erzeugen zumindest einer Durchgangsbohrung in einer Wand des Werkstücks in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Vorrichtung 1 und ein Werkstück 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 dient hierbei zum Durchführen eines Verfahrens zum Erzeugen von Durchgangsbohrungen in dem Werkstück 2. Speziell eignet sich das Verfahren zur Ausgestaltung von Durchgangsbohrungen, die als Düsenbohrungen für Düsenkörper eines Brennstoffeinspritzventils dienen. Die Vorrichtung 1 eignet sich besonders zur Durchführung solch eines Verfahrens. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Das Werkstück 2 kann beispielsweise als Düsenkörper 2 ausgestaltet sein. Hierbei sind exemplarisch Durchgangsbohrungen 3, 4 in dem Werkstück 2 dargestellt.
Die Vorrichtung 1 weist eine schematisch dargestellte Lasereinrichtung 5 und eine schematisch dargestellte Fördervorrichtung 6 auf. Die Fördervorrichtung 6 ist hierbei exemplarisch als Förderschnecke dargestellt, aber nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt.
Die Lasereinrichtung 5 erzeugt einen Laserstrahl 7, der in einer Richtung 8 auf das Werkstück 2 eingestrahlt wird. Hierbei kann der Laserstrahl 7 an der Stelle der Durchgangsbohrung 3 beziehungsweise der zu erzeugenden Durchgangsbohrung 3 auf eine Wand 9 des Werkstücks 2 fokusiert werden. In der Richtung 8 ergibt sich eine Verlängerung 10 des durch die Durchgangsbohrung 3 geführten Laserstrahls 7. Die Verlängerung 10 des Laserstrahls 7 trifft auf eine Rückwand 11 des Werkstücks 2. Hierbei ergibt sich der Begriff Rückwand 11 in Bezug auf die Wand 9 und die Richtung 8 des Laserstrahls 7. Der Laserstrahl 7 soll hierbei nur in der Wand 9 eine Durchgangsbohrung 3 erzeugen, während die Rückwand 11 unverletzt bleiben soll.
Zwischen der Wand 9 und der Rückwand 11 befindet sich ein Hohlraum 12 des Werkstücks 2. Die erzeugten Durchgangsbohrungen 3, 4 münden in den Hohlraum 12, so dass beispielsweise Brennstoff über diese Durchgangsbohrungen 3, 4 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder dergleichen gespritzt werden kann, wenn das Werkstück 2 als Düsenkörper eines Brennstoffeinspritzventils zum Einsatz kommt.
Die Fördervorrichtung 6 fördert ein pastöses Schutzmittel 13 in den Hohlraum 12. Das pastöse Schutzmittel 13 basiert hierbei auf einem keramischen Pulver in wässriger Lösung. Eine Korngrößenverteilung des keramischen Pulvers ist hierbei auf die Wellenlänge des Laserstrahls 7 abgestimmt. Beispielsweise kann zumindest ein Teil des keramischen Pulvers eine Korngrößenverteilung in der Größenordnung der Wellenlänge des Laserstrahls 7 haben, um eine hohe Streuung zu erzielen. Ein anderer Teil des keramischen Pulvers kann auch eine Korngrößenverteilung in der Größenordnung des Zehn- bis Zwangzigfachen der Wellenlänge des Laserstrahls 7 aufweisen. Hierdurch kann die Konsistenz des pastösen Schutzmittels 13 günstig beeinflusst werden.
Das pastöse Schutzmittel 13 gewährleistet einerseits einen Schutz der Rückwand 11, da der eingestrahlte Laserstrahl 7 nicht durch das pastöse Schutzmittel 13 zu der Rückwand 11 gelangt. Außerdem verbleibt das Schutzmittel 13 auf Grund seiner Konsistenz zumindest weitgehend innerhalb des Hohlraums 12 und tritt nur mit einer geringen Rate über beispielsweise die Durchgangsbohrung 4 aus dem Hohlraum 12 aus. Dadurch eignet sich das Verfahren auch zur Erzeugung von mehreren Durchgangsbohrungen 3, 4 in einem einzigen Werkstück 2. Dies wäre beispielsweise bei einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, nicht möglich, da das Wasser mit hoher Rate über die Durchgangsbohrung 4 austreten würde. Außerdem entstehen im Wasser in großer Zahl Dampfblasen. Falls in dem pastösen Schutzmittel 13 Gas- und/oder Dampfblasen entstehen, dann können diese über den Förderdruck des in den Hohlraum 12 des Werkstücks 2 geförderten pastösen Schutzmittels wieder zugedrückt werden. Somit ist ein zuverlässiger Schutz der Rückwand 11 gewährleistet. Außerdem wird eine wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens gewährleistet. Um die Schutzwirkung des pastösen Schutzmittels 13 weiter zu verbessern, beispielsweise in Bezug auf hohe Energiedichten des Laserstrahls 7, können weitere Bestandteile dem pastösen Schutzmittel 13 zugegeben werden. Beispielsweise kann das pastöse Schutzmittel 13 metallische Partikel aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das pastöse Schutzmittel 13 auch Glasfaserstücke aufweisen. Die Länge und der Durchmesser solcher Glasfaserstücke kann hierbei auf die Wellenlänge des Laserstrahls 7 abgestimmt werden.
Für das Bohren der Durchgangsbohrungen 3, 4 mittels der Lasereinrichtung 5 können somit auch Festkörperlaser mit Wellenlängen zwischen 266 nm und 1,5 µm eingesetzt werden. Speziell können hierdurch als Mikrobohrungen 3, 4 ausgestaltete Durchgangsbohrungen 3, 4 mit Durchmessern im Bereich von 0,05 mm bis etwa 0,3 mm gebohrt werden. Somit können die Vorteile besserer Strahlqualität für das Bohren ausgenutzt werden. Außerdem kann die Lasereinrichtung 5 sehr kurze, intensive Laserpulse erzeugen, die eine vorteilhafte Bearbeitung des Werkstücks 2 ermöglichen. Der Schutz der Rückwand 11 kann hierbei über das pastöse Schutzmittel 13 zuverlässig gewährleistet werden.
Das pastöse Schutzmittel 13 kann beispielsweise auch mit einer Art Kalander, eventuell unter Verwendung einer Lanze, in den Hohlraum 12 des Werkstücks 2 gepresst werden. Durch die mögliche hochviskose Konsistenz, die durch das Einlagern metallischer Partikel erzielt werden kann, kann die Absorption auf ein Niveau angehoben werden, das über dem einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, liegt. Das Verdampfen des pastösen Schutzmittels 13 kann hierbei durch kontinuierliches Nachpressen ausgeglichen werden. Ebenso kann ein Verlust ausgeglichen werden, der durch Austreten über bereits gebohrte Durchgangsbohrungen 4 oder dergleichen auftritt.
Durch das Einlagern von metallischen Partikeln, Glasfaserstücken oder dergleichen kann der zur Verfügung stehende Absorptionsquerschnitt an den erzeugten Laserstrahl 7 angepasst werden. Somit kann auch bei geringen Abständen zur Rückwand 11 ein Schutz der Rückwand 11 gewährleistet werden.
Nach der Ausgestaltung der Durchgangsbohrungen 3, 4 in dem Werkstück 2 kann das verbleibende pastöse Schutzmittel 13 durch Waschen oder Ausblasen entfernt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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 2004/087364 [0002, 0003]

Claims

Verfahren zum Erzeugen zumindest einer Durchgangsbohrung (3) in einer Wand (9) eines Werkstücks (2), die einen Hohlraum (12) des Werkstücks (2) begrenzt, wobei ein Laserstrahl (7) von außen auf die Wand (9) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlraum (12) des Werkstücks (2) ein pastöses Schutzmittel (13) eingebracht wird und dass das Schutzmittel (13) in dem Hohlraum (12) zumindest teilweise in einer Verlängerung (10) des durch die Durchgangsbohrung (3) geführten Laserstrahls (7) vor eine den Hohlraum (12) begrenzenden Rückwand (11) des Werkstücks (2) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (12) des Werkstücks (2) zumindest entlang der Verlängerung (10) des durch die Durchgangsbohrung (3) geführten Laserstrahls (7) mit dem pastösen Schutzmittel (13) gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des mittels des Laserstrahls (7) erfolgenden Laserbohrens der Durchgangsbohrung (3) das pastöse Schutzmittel (13) in den Hohlraum (12) nachgefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand (9) und/oder in einer weiteren Wand (9) des Werkstücks (2) mittels des Laserstrahls (7) durch Laserbohren mehrere Durchgangsbohrungen (3, 4) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das pastöse Schutzmittel (13) metallische Partikel aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das pastöse Schutzmittel (13) Glasfaserstücke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das pastöse Schutzmittel (13) auf der Basis eines keramischen Pulvers in wässriger Lösung oder in einer nicht wässrigen Dispersion ausgebildet ist, in das die metallischen Partikel beziehungsweise die Glasfaserstücke eingelagert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das pastöse Schutzmittel (13) mit einem Förderdruck in den Hohlraum (12) des Werkstücks (2) gefördert wird, der durch den Laserstrahls (7) in dem pastösen Schutzmittel (13) erzeugte Gas- und/oder Dampfblasen wieder zudrückt.
Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Fördervorrichtung (6) vorgesehen ist, die zum Fördern des pastösen Schutzmittels (13) in den Hohlraum (12) des Werkstücks (2) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (6), die das pastöse Schutzmittel (13) fördert, teilweise in den Hohlraum (12) eingeführt wird, dass ein Arbeitsteil des Hohlraums (12) durch die Fördereinrichtung (6) begrenzt wird, und dass der Arbeitsteil des Hohlraums (12) durch die Fördervorrichtung (6) mit dem pastösen Schutzmittel (13) aufgefüllt wird.