DE102013100706A1

DE102013100706A1 - Durchflussgesteuertes Laserverrunden von Durchbrüchen

Info

Publication number: DE102013100706A1
Application number: DE201310100706
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Siebers
Original assignee: Hugo Kern und Liebers & Co KG GmbH; Kern & Liebers
Current assignee: Hugo Kern und Liebers & Co KG GmbH; Kern & Liebers
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: DE102013100706B4

Abstract

Verfahren zum Einstellen eines Durchflusses durch einen Durchbruch eines Werkstücks, welches am Rand seines Durchbruchs ein Grat aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: a. Leiten eines Testmediums durch den Durchbruch, b. Richten eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, auf den Grat, wobei der Strahl eine Leistungsdichte aufweist, die hinreichend groß ist, ein partielles Verrunden des Grats durch Erwärmen und Aufschmelzen oder Verdampfen der Oberfläche des Grats zu bewirken, c. Verrunden des Grats mit dem Strahl und Messen des Durchflusses des Testmediums durch den Durchbruch, d. Abschalten, oder Ablenken des Strahls vom Grat, sobald ein vorbestimmter Soll-Durchflusswert des Testmediums durch den Durchbruch (19) erreicht ist und Vorrichtung dazu.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Durchflusses durch einen Durchbruch nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zum durchflussgesteuerten Laserverrunden von Durchbrüchen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Einstellen des Durchflusses von Werkstücken, wie Spritzlochscheiben, gebohrten Blenden und Bohrungen, die gewissen Anforderungen an den Durchfluss genügen müssen, mittels Verrunden des Grats bzw. der Strömungskanten.
Es ist allgemein üblich, Durchbrüche an einem Werkstück durch Stanzen, Bohren, Fräsen, Erodieren oder Lasern herzustellen. Dabei können heute bereits Lochdurchmesser zwischen 40 µm und 500 µm bei Toleranzen von weniger als 1 µm durch das Stanzen des Durchbruchs in Werkstücke erreicht werden. Das Stanzen hat gegenüber den anderen genannten Verfahren den Vorteil erheblicher Kostenersparnisse, und es ist besonders für die Massenproduktion von Werkstücken geeignet, da das Stanzen eine rasche Herstellung von solchen Werkstücken ermöglicht.
Besonders interessant in diesem Zusammenhang ist die Herstellung von Spritzlochscheiben, wie sie beispielsweise für die Medizintechnik, die Hydraulik (Hydraulikdrosseln) oder das Motormanagement von Kraftfahrzeugen (Benzineinspritzung) verwendet werden. Spritzlochscheiben von Kraftfahrzeugen beispielsweise haben typischerweise eine Dicke von weniger als 0,5 mm, und sie weisen wenigstens eine kleine Bohrung beziehungsweise einen kleinen kreisförmigen Durchbruch mit einem Durchmesser von etwa 0,1 bis 0,5 mm auf. Um die Durchflussmenge durch die Spritzlochscheibe innerhalb enger Grenzen einhalten zu können, ist es besonders wichtig, dass diese Durchbrüche präzise gefertigt werden. Fertigungsbedingt weist der Durchbruch nach dem Stanzen jedoch einen Grat auf, der dazu führt, dass sich beim Durchleiten der Flüssigkeit oder des Gases durch den Mikrodurchbruch hindurch im Bereich von hervorstehenden Graten oder Gratabschnitten oder auch bei scharfen Kanten oder Rändern oder Kantenabschnitten im Durchbruchsbereichs Wirbel bilden, die den Durchfluss behindern. Dies hat zur Folge, dass der tatsächliche Durchfluss durch die Bohrung hindurch geringer ist, als der erwartete. Besonders störend macht sich dieser Effekt bemerkbar, wenn die Flüssigkeit oder das Gas unter höherem Druck durch die Bohrung hindurch gepresst werden soll.
Die DE 44 43 148 A1 offenbart ein Verfahren welches zuverlässig die Verrundung eines Stanzgrats am Rand eines Mikrodurchbruchs eines dünnwandigen Stanzteils, insbesondere einer Spritzlochscheibe ermöglicht, bei dem das Stanzteil, und vor allem der Durchbruch als solcher nicht deformiert oder in sonstiger Weise verändert wird. Der Stanzgrat wird hierzu durch einen gepulsten Laserstrahl geringer Leistung, welcher zeilenweise und damit sukzessive zumindest den gesamten stanzgratbehafteten Bereich des Durchbruchs überstreicht, lokal erwärmt und durch Erweichen und Aufschmelzen der überstrichenen Oberfläche partiell verrundet, wobei dieser Bearbeitungsschritt sooft wiederholt wird, bis die gewünschte Verrundung vollständig erreicht ist. Nach dem Verrunden des Stanzgrats kann es jedoch sein, dass der Durchfluss durch den Durchbruch immer noch zu klein ist, oder dass der Durchfluss, d. h. die Durchflussmenge pro Zeiteinheit bereits zu groß ist. In beiden Fällen ist das Werkstück dann für den geplanten Einsatzzweck nicht brauchbar und muss ausgesondert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein dünnwandiges, wenigstens einen Durchbruch aufweisendes Werkstück, wie beispielsweise ein Stanzteil, insbesondere eine Spritzlochscheibe bereitzustellen, dessen Grat oder Durchbruchkante so verrundet ist, dass der Durchfluss bei vorgegebenem Druck innerhalb gewünschter Toleranzen liegt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere ein Verfahren zum Einstellen eines Durchflusses durch einen Durchbruch eines Werkstücks, wie beispielsweise eines dünnwandigen Stanzteils vor, wobei das Werkstück am Rand seines Durchbruchs ein Grat aufweist. Das Verfahren sieht zunächst das Leiten eines Testmediums durch den Durchbruch vor, wobei das Testmedium beispielsweise Wasser, ein nicht entflammbares Öl oder eine andere Flüssigkeit sein kann, oder ein Gas wie beispielsweise Stickstoff oder ein Inertgas. Das Testmedium muss hinreichend durchlässig für die verwendete elektromagnetische Strahlung sein, da ansonsten eine Bearbeitung des Werkstücks mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle durch das Testmedium hindurch nicht möglich ist. Unter einem Inertgas soll in diesem Zusammenhang ein bei Einsatzbedingungen wie beispielsweise bei einem bestimmten Druck und bei einer bestimmten Temperatur reaktionsträges Gas verstanden werden. Bei Raumtemperatur und einem Druck von 1 bar ist beispielsweise Luft, oder ein Stickstoff-Luftgemisch oder Stickstoff ein Inertgas. Inertgase sind auch alle Edelgase.
Unter dem Begriff Grat soll die zu verrundende Durchbruchkante verstanden werden. Es sollen daher in dieser Schrift darunter sowohl den Rand des Durchbruchs umgebende und diesen und die übrige Oberfläche des Werkstücks überragende aber auch in den Durchbruch hineinragende Materialerhebungen verstanden werden, als auch stufen- oder bruchzonenartige Materialausformungen an der Durchbruchkante, wie beispielsweise scharfe Kanten in Randbereichen des Durchbruchs.
Ein Stanzgrat ist ein Grat der beim Stanzen entstanden ist.
Ein Stanzteil ist ein Werkstück, dessen Durchbohrung durch Stanzen entstanden ist.
Unter dem Begriff Werkstück sollen in dieser Schrift immer scheibenartige Gegenstände, die mit einem Durchbruch oder einer Durchbohrung versehen sind, wie beispielsweise Spritzlochscheiben, gebohrte Blenden und andere durchbohrte Gegenständen, die gewissen Anforderungen an den Durchfluss genügen müssen, verstanden werden.
Der Begriff Durchfluss soll in dieser Schrift immer Durchflussmenge pro Zeiteinheit bedeuten.
Um das Durchflussverhalten möglichst realitätsgetreu abzubilden, hat das durch den Durchbruch geleitete Testmedium vorzugsweise die gleiche Viskosität, wie die Flüssigkeit oder das Gas, das im späteren, verbauten Zustand durch den Durchbruch hindurch geleitet wird.
Während das Testmedium durch den Durchbruch hindurch geleitet wird, wird ein Strahl einer elektromagnetischen Strahlungsquelle auf den Grat gerichtet, wobei der Strahl eine Leistungsdichte aufweist, die hinreichend groß ist, ein partielles Verrunden des Grats durch Erwärmen und Aufschmelzen oder Auflösen oder Verdampfen der Oberfläche des Grats zu bewirken. Nun wird der Grat mit dem Strahl verrundet und der Durchfluss des Testmediums durch den Durchbruch gemessen. Dabei können sich die beiden Schritte: Verrunden des Grats mit dem Strahl und Messen des Durchflusses des Testmediums durch den Durchbruch gegenseitig abwechseln oder gleichzeitig stattfinden. Sobald ein vorbestimmter Solldurchflusswert des Testmediums durch den Durchbruch erreicht ist, wird der Strahl vom Grat abgelenkt, defokussiert oder abgeschaltet.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, den Durchfluss durch den Durchbruch während der Bearbeitung des Werkstücksauf einen vorbestimmten Solldurchflusswert einzustellen. Auf diese Weise kann man beispielsweise mit der Bearbeitung eines Grats, wie beispielsweise eines Stanzgrats genau dann aufhören, wenn der Ist-Durchflusswert gleich dem Solldurchflusswert wird, oder der Ist-Durchflusswert in einen vorbestimmten Bereich um den Solldurchflusswert herum gelangt.
Die für die Verrundung verwendete Strahlungsquelle ist vorzugsweise ein Laser, insbesondere ein gepulster Laser. Ein Laser kann im Gegensatz zu anderen elektromagnetischen Strahlungsquellen besonders fein gebündelt werden, und es treten keine chromatischen Aberrationen auf, wie dies beispielsweise bei normalen Lichtquellen häufig der Fall ist.
Vorzugsweise wird als Laser ein Beschriftungslaser verwendet. Beschriftungslaser sind kostengünstig und die Leistungsangabe und Pulsfolgefrequenz kann in weiten Grenzen variiert werden. Sie sind zudem mit einer Steuerung ausgestattet, die ein Abtasten und Verrunden des Grats mit dem Laserstrahl leicht ermöglicht.
Das Verrunden eines Grats mit dem Strahl erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der Strahl über den Grat geführt wird. Der Laser kann zu diesem Zweck beispielsweise auf einen Strahldurchmesser am Ort des Grats fokussiert werden, der etwa die Breite des Grats aufweist. So kann auch mit Lasern geringerer Leistung eine Leistungsdichte erreicht werden, die hinreichend groß ist, den Grat mit dem Strahl zu verrunden.
Nicht nur bei hervorstehenden Graten, sondern auch bei Kanten ist das Verfahren anwendbar. Eine scharfkantige Bohrung beispielsweise hat auch bei nicht hervorstehenden Graten einen geringeren Durchfluss als eine verrundete. In einer ersten Phase des Prozesses kann daher ein hervorstehender Grat entfernt werden. Danach kann eine weitere Erhöhung des Durchflusses durch eine stärkere Verrundung der Einlasskante stattfinden. Durch das Verrunden von Kanten kann der Durchfluss um mehr als 50% erhöht werden.
Die Form der Verrundung kann beispielsweise damit beeinflusst werden, dass die Leistungsdichte der Strahlungsquelle, beispielsweise des Lasers, während der Verrundung variiert wird. Auf diese Weise kann der Durchfluss durch das Werkstück exakt eingestellt werden: So kann beispielsweise ein entlang des Randes der Durchbohrung verlaufender Grat zunächst mit einer Strahlungsquelle (z.B. einem Laser) geringerer Leistungsdichte eingeebnet werden, um den Strömungswiderstand für das durch den Durchbruch hindurch fließende Testmedium zu erniedrigen. Stufen oder Brüche am Rand der Durchbohrung können dann mit der gleichen oder einer anderen Strahlungsquelle (z.B. mit dem gleichen Laser) geglättet oder verrundet werden, um den Ist-Durchfluss weiter zu erhöhen. Die Strahlungsquelle kann dabei auf eine geeignete andere Leistungsdichte eingestellt werden. Es können andererseits auch Stufen in den Rand des Durchbruchs mit der Strahlungsquelle hinein geformt werden, um den Strömungswiderstand des Testmediums durch den Durchbruch hindurch zu erhöhen und einen zu hohen Durchfluss damit wieder zu erniedrigen.
Vorteilhafterweise überstreicht der Strahl zeilenweise und damit sukzessive zumindest den gesamten gratbehafteten Bereich des Durchbruchs, erwärmt den Bereich lokal und verrundet ihn durch Erweichen und Aufschmelzen der überstrichenen Oberfläche partiell. Dieser Arbeitsschritt kann sooft wiederholt werden, bis der vorbestimmte Solldurchflusswert erreicht ist.
Besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, die Bearbeitungsrichtung bei jedem Bearbeitungsschritt zu ändern, so dass die einzelnen Rasterwinkel versetzt zueinander verlaufen. Dabei wird vorzugsweise ein konstanter Winkelversatz von 180°/n gewählt, wobei n der Anzahl der bearbeitenden Schritte entspricht. Andererseits ist es natürlich auch möglich, stattdessen das den Durchbruch aufweisende Werkstück, welches beispielsweise ein Stanzteil ist, bei jedem Bearbeitungsschritt um einen Winkel von 180°/n zu drehen, wobei als Drehachse in diesem Fall natürlich eine Achse, die durch den Durchbruch hindurch verläuft, genommen werden muss.
Beim zeilenweisen Abtasten des Werkstücks, des Grats und des Durchbruchs mit dem Laserstrahl ist natürlich darauf zu achten, dass die vom Laserstrahl in das Werkstück eingetragene Wärmeenergie einerseits groß genug ist, ein Verrunden des Grats zu bewirken, andererseits aber nicht so groß sein darf, dass das Werkstück durch einen Wärmeeintrag, der nicht rasch genug abgeführt werden kann, deformiert wird.
Eine Möglichkeit den Grat solange zu verrunden, bis der Durchfluss einen bestimmten Solldurchflusswert erreicht hat, ist es, den Strahl der elektromagnetischen Strahlungsquelle durch den Durchbruch hindurchzuführen, wobei der Strahl am Ort des Durchbruchs einen Durchmesser aufweist, der größer ist, als der kleinste Durchmesser des Durchbruchs, und wobei der Strahl im Bereich des Grats eine Leistungsdichte aufweist, die hinreichend groß ist, das Verrunden des Grats zu bewirken. Auf diese Weise kann der gesamte, den Durchbruch umlaufende Grat gleichmäßig verrundet werden. Andererseits ist bei einer derartigen Bearbeitungsweise natürlich dafür Sorge zu tragen, dass das Werkstück um den Durchbruch herum nicht zu heiß wird und in der Folge deformiert. Die überschüssige Wärme kann hier jedoch beispielsweise durch das den Durchbruch durchströmende Testmedium, welches beispielsweise ein hochsiedendes nicht entflammbares Öl oder auch eine wasserbasierte Flüssigkeit sein kann, abtransportiert werden.
Das Testmedium kann mit einem vorbestimmten Druck durch den Durchbruch geleitet werden und optional, bevor es durch den Durchbruch geleitet wird, auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht werden. Dadurch ist es möglich, den Solldurchflusswert durch den Durchbruch bei einem bestimmten Druck bzw. bei einer bestimmten Temperatur einzustellen, insbesondere dann, wenn das Testmedium die gleiche oder eine ähnliche Viskosität aufweist, wie die Flüssigkeit oder das Gas, die einsatzgemäß durch den Durchbruch geleitet werden.
Das Werkstück kann ein dünnwandiges Stanzteil, beispielsweise eine Spritzlochscheibe oder eine Bohrung oder Blende zur Steuerung des Einspritzverlaufs in Kraftfahrzeugen sein. Da der Kraftstoff bei einer bestimmten Temperatur und mit einem bestimmten Druck durch die Spritzlochscheibe hindurch gedrückt wird, weist das Testmedium, das für die Verrundung einer Spritzlochscheibe verwendet wird, vorteilhafterweise die gleiche Viskosität, die gleiche Temperatur und die gleiche oder eine ähnliche Dichte wie der Kraftstoff oder das Kraftstoffgemisch auf, und es wird vorzugsweise mit dem gleichen Druck durch die Spritzlochscheibe hindurch gedrückt. Die Durchflussmessung kann sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Werkstücks erfolgen. Als Durchflusssensoren können beispielsweise Volumensensoren eingesetzt werden. Da Volumensensoren häufig jedoch zu ungenau sind, werden vorzugsweise Sensoren, die nach dem Coriolisprinzip arbeiten, für die Messung des Durchflusses verwendet. Dem Fachmann sind jedoch viele andere Möglichkeiten der Durchflussmessung bekannt.
Die Messeinrichtungen für Druck, Temperatur und Durchfluss befinden sich bevorzugt im Zuströmbereich, stromaufwärts des Werkstücks. Die Messung und Einstellung des Drucks beispielsweise kann automatisch, halbautomatisch oder manuell geschehen. Gleiches gilt für die Temperatur.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Einstellen eines Durchflusses durch einen Durchbruch umfasst einen umwandeten Behälter zur Aufnahme eines Testmediums, mit einer ersten, mit einem Zulauf verbundenen Öffnung zum Einleiten des Testmediums, sowie mit einer zweiten Öffnung zum Ausleiten des Testmediums. Die Vorrichtung weist eine vorzugsweise außerhalb des umwandeten Behälters angeordnete elektromagnetische Strahlungsquelle auf, die beispielsweise ein Laser sein kann, sowie ein transparentes, mit dem umwandeten Behälter verbundenes Fenster zum Einkoppeln eines Strahls der elektromagnetischen Strahlungsquelle in das Innere des Behälters. Weiterhin weist die Vorrichtung einen vorzugsweise gegenüber dem transparenten Fenster angeordneten Objektaufnahmebereich mit einem darin aufgenommenen, wenigstens einen Durchbruch aufweisenden Werkstück, wie beispielsweise einem dünnwandigen Stanzteil auf. Der Objektaufnahmebereich ist um die zweite Öffnung herum und diese überdeckend so angeordnet, dass das Testmedium, wenn das Werkstück im Objektaufnahmebereich aufgenommen ist, im Wesentlichen nur durch den wenigstens einen Durchbruch hindurch die zweite Öffnung passieren kann.
Das Werkstück sollte am umwandeten Behälter abgedichtet anliegen, damit zwischen Behälter und Werkstück kein Testmedium austritt. Vorzugsweise ist das Werkstück mit einer O-Ring Dichtung am umwandeten Behälter abgedichtet. So kann zumindest bei Werkstücken, die nur einen Durchbruch aufweisen, sicher gestellt werden, dass das die Vorrichtung durchströmende Testmedium auch durch den Durchbruch des Werkstücks austritt. Weist ein Werkstück mehrere Bohrungen oder Durchbrüche auf, so muss direkt um die Bohrung, die gerade bearbeitet werden soll, abgedichtet werden.
Der Objektaufnahmebereich kann auf einer Wechselvorrichtung zum Austausch von Werkstücken ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein bereits bearbeitetes Werkstück schnell gegen ein noch zu bearbeitendes Werkstück ausgetauscht werden.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise einen Durchflussmesser auf, der besonders bevorzugt stromaufwärts des Werkstücks am Zulauf zum Einleiten des Testmediums oder am umwandeten Behälter angeordnet ist und entweder am Zulauf oder am umwandeten Behälter den Durchfluss misst. Der Sensor für die Messung des Durchflusses misst den Durchfluss somit vorzugsweise entweder im Zulauf oder im Inneren des umwandeten Behälters. Die Vorrichtung umfasst weiterhin vorzugsweise Mittel zum Abschalten der Strahlungsquelle bei Erreichen eines Solldurchflusswerts oder eines Werts innerhalb eines bestimmten Bereichs um den Solldurchflusswert herum, um den Bearbeitungsvorgang zu beenden, sobald der Solldurchflusswert oder ein Wert innerhalb des Solldurchflussbereichs erreicht ist.
Der Zulauf oder der umwandete Behälter können einen Druckmesser und/oder einen Temperaturmesser umfassen zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur des Testmediums. Die Vorrichtung kann vorzugsweise automatisch regelbare Mittel zum Einstellen des Drucks und/oder der Temperatur aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei sich ändernden Durchflusswerten während der Bearbeitung des Werkstücks, also beispielsweise während der Verrundung des Grats Druck und Temperatur rasch nachzuregeln.
Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Bezeichnungen wie oben, unten, links und rechts und ähnliches beziehen sich auf Ausführungsbeispiele und sollen in keiner Weise einschränkend sein, auch dann nicht, wenn sie sich auf bevorzugte Ausführungsformen beziehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Einstellen eines Durchflusses durch einen Durchbruch eines Werkstücks am Beispiel eines dünnwandigen Stanzteils,
2a in vergrößerter Darstellung ein Schnittbild einer Durchbruchkante eines Durchbruchs eines dünnwandigen Stanzteils,
2b in vergrößerter Darstellung ein Schnittbild einer anderen Durchbruchkante eines Durchbruchs eines dünnwandigen Stanzteils.
In 1 ist eine Bearbeitungsvorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zum Einstellen eines Durchflusses durch den Durchbruch eines dünnwandigen Stanzteils dargestellt. Die Vorrichtung weist einen umwandeten Behälter 3 zur Aufnahme eines Testmediums 5 über eine erste mit einem Zulauf 7 verbundene Öffnung 9 auf, sowie eine zweite Öffnung 11 zum Ausleiten des Testmediums 5. Die zweite Öffnung 11 kann mit einem Fluidablauf 13 verbunden sein. Sie ist in einem Objektträger 15 angeordnet, der mit dem umwandeten Behälter 3 abnehmbar verbunden ist. Der Objektträger 15 weist einen Objektaufnahmebereich auf, in den ein Stanzteil 17 aufgenommen ist. Das Stanzteil 17 weist einen Durchbruch 19, sowie einen den Durchbruch 19 umlaufenden Stanzgrat 21 auf. Der Durchbruch 19 ist in der zweiten Öffnung 11 angeordnet. Das Stanzteil 17 ist über eine umlaufende Dichtung 20 mit dem umwandeten Behälter 3 verbunden. Dadurch wird sichergestellt, dass zwischen dem Stanzteil 17 und dem umwandeten Behälter 3 das Testmedium nicht austreten kann. Zwischen Stanzteil 17 und Objektträger 15 kann optional eine weitere Dichtung 22 angeordnet sein, die dafür sorgt, dass das Testmedium, welches bereits in den Fluidablauf 13 gelangt ist, nicht entlang der Grenzfläche zwischen Objektträger 15, Stanzteil 17 und umwandeten Behälter 3 kriechen und nach außen gelangen kann. Der umwandete Behälter 3 weist weiterhin ein transparentes Fenster 23 auf, das den oberen Teil des Behälters 3 bildet. Das Fenster 23 ist über eine O-Ringdichtung 24 mittels eines am Behälter 3 befestigbaren Haltering 25 fest und fluiddicht verbunden. Der umwandete Behälter 3 weist darüber hinaus einen Entlüftungskanal 27 auf, der oben in der Nähe des transparenten Fensters 23 angeordnet ist. Der Entlüftungskanal 27 sorgt dafür, dass wenn Testmedium 5 in den Behälterinnenraum 30 eingebracht wird, ein im Behälterinnenraum 30 eventuell noch vorhandenes Gas durch den Entlüftungskanal nach außen gedrängt werden kann, sodass der Behälter vollständig bis zur innenseitigen Oberfläche des transparenten Fensters 23 aufgefüllt werden kann. Anschließend wird der Entlüftungskanal zur Vermeidung von Leckage verschlossen. Ein von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle 31 durch das transparente Fenster 23 hindurch emittierter elektromagnetischer Strahl 33 kann dann auf seinem Weg zum zu bearbeitenden Stanzteils 17 vor Erreichen des Stanzteils 17 nur an der Grenzfläche zwischen Glas und Testmedium reflektiert und gestreut werden. Die elektromagnetische Strahlungsquelle 31 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Laser, dessen Strahl 33 auf den Grat 21 des mit dem Durchbruch versehenen Werkstücks 17 gerichtet wird. Der Sensor eines Durchflussmessers 35 misst über eine Messverbindung 37 eingangsseitig im Zulauf 7 den Durchfluss.
Die elektromagnetische Strahlungsquelle 31 ist mit dem Durchflussmesser 35 weiter über eine Abschaltverbindung 39 verbunden, die einen Befehl zum Abschalten der Strahlungsquelle 31 geben kann, sobald ein bestimmter Solldurchflusswert erreicht ist.
2a zeigt die vergrößerte Darstellung der Form eines möglichen Durchbruchs 19 durch ein dünnwandiges Stanzteil 17 in der Nähe einer Stanzteiloberfläche. Die Durchbruchkante weist Stufen 21a, 21b, 21c, und 21d auf, die mit einem Laser geglättet werden können. Zur Glättung der Stufe 21a ist meist eine geringere Leistungsdichte erforderlich, als zur Glättung der Stufe 21d. Die Leistungsdichte des Lasers ist daher vorteilhafterweise für jeden Bearbeitungsschritt individuell einstellbar. In 2a erhitzt der Laser die Fläche rechts der Strahlbegrenzung 33.
2b zeigt einen über den Rand des Werkstücks 17 hinausragenden Grat 21, der mit einem Laser, welcher links der Strahlbegrenzung 33 den Grat 21 beleuchtet, erwärmt wird. Durch die Erwärmung wird der Grat 21 verrundet. Dieser Grat kann beispielsweise durch einen Stanz- oder Bohrprozess entstehen. Die Verrundung von hinausragenden Graten erfordert eine andere, meist eine kleinere Laserleistungsdichte, als beispielsweise die Verrundung von Graten, wie Stufen oder Bruchkanten. Die Leistungsdichte des Lasers ist daher vorzugsweise individuell so einstellbar, dass je nach dem Ort der Bestrahlung die zur Bearbeitung erforderliche Leistungsdichte bereitgestellt werden kann.
Das mit der Vorrichtung 1 durchgeführte Bearbeitungsverfahren funktioniert folgendermaßen:
Der Objektträger 15 wird vom umwandeten Behälter 3 gelöst und nimmt in seinen Objektaufnahmebereich ein zu bearbeitendes dünnwandiges Werkstück 17 auf, das einen Durchbruch 19 aufweist. Der Objektträger 15 wird dann mit dem Werkstück 17 am umwandeten Behälter 3 über eine Dichtung 20 befestigt. Dann wird ein Testmedium 5 durch den Zulauf 7 und die erste Öffnung 9 mit einer vorgegebenen Temperatur und einem vorbestimmten Druck in den Behälterinnenraum 30 geleitet. Der Behälterinnenraum 30 wird vollständig mit dem Testmedium 5 aufgefüllt. Ein eventuell noch vorhandenes Gas kann über den Entlüftungskanal 27 nach außen geleitet werden. Wenn der Behälterinnenraum vollständig gefüllt ist, kann der Entlüftungskanal 27 mit einem optional vorhandenen Absperrventil verschlossen werden. Nun wird das Testmedium 5 unter einem vorgegebenen Druck durch den Durchbruch 19 des Werkstücks 17 gepresst und über die zweite Öffnung 11 und den optional vorhandenen Fluidablauf 13 nach außen befördert. Während dieses Vorgangs wird der Durchfluss mit dem Durchflussmesser 35 über die Messverbindung 37 am Zulauf 7 gemessen. Wenn der Durchfluss nicht innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um einen vorgegebenen Solldurchflusswert liegt, wird die Strahlungsquelle 31 eingeschaltet und der Strahl 33 wird auf den Grat 21 gelenkt. Der Grat 21 wird nun bei gleichzeitigem oder intermittierendem Messen des Durchflusses mit dem Durchflussmesser 35 solange bearbeitet und verrundet, bis der Solldurchflusswert erreicht ist. Bei hochgenauen Anwendungen kann es notwendig sein, dass die Behandlung mit der Strahlungsquelle zwischendurch unterbrochen wird, damit sich Bauteil und Testmedium abkühlen können, und sich wieder eine definierte Viskosität des Testmediums einstellt. Sobald der Solldurchflusswert erreicht ist, wird über die Abschaltverbindung 39 von Durchflussmesser 35 ein Befehl an die elektromagnetische Strahlungsquelle 31 zum Abschalten gegeben. Der Strahl 33 wird abgeschaltet. Der Zulauf 7 kann nun abgeschlossen werden und der Objektträger 15 kann vom umwandeten Behälter 3 entfernt werden. Das bearbeitete Werkstück 17 wird nun dem Objektträgeraufnahmebereich entnommen und ein neues Werkstück 17 wird in den Objektträgeraufnahmebereich gelegt.
Bei der Bearbeitung des Grats mit elektromagnetischer Strahlung 33 ist darauf zu achten, dass das Testmedium 5 möglichst transparent für die elektromagnetische Strahlung 33 ist und dass das Werkstück 17 die Strahlung 33 aus der elektromagnetische Strahlungsquelle 31 möglichst gut absorbiert. Auch das transparente Fenster 23 sollte keinen nennenswerten Teil der elektromagnetischen Strahlung absorbieren.
Als elektromagnetische Strahlungsquelle für die Bearbeitung der Grate kann beispielsweise ein Beschriftungslaser mit einer Laserleistung von ca. 150 Watt einer Pulsfolgefrequenz von etwa 100 Kiloherz, einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 3 m/s und einem Fokusdurchmesser von wenigstens 0,02 mm verwendet werden.
Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Die Merkmale des Ausführungsbeispiels sind frei mit anderen Merkmalen kombinierbar oder austauschbar, sofern Kompatibilität vorliegt.
Insbesondere kann das Verfahren zum Einstellen des Durchflusses durch den Durchbruch eines dünnwandigen Werkstücks, wie beispielsweise eines dünnwandigen Stanzteils, welches am Rand seines Durchbruchs ein Grat aufweist, auch so durchgeführt werden, dass zunächst der Durchfluss gemessen wird, dann die Strahlungsquelle eingeschaltet wird und der Stanzgrat verrundet wird, dann die Strahlungsquelle wieder ausgeschaltet wird, dann wieder der Durchfluss gemessen wird usw., bis der Solldurchflusswert erreicht ist.
Das Werkstück 17 kann beispielsweise auch so in die Vorrichtung gelegt werden, dass die hervorstehenden Grate 21 zur elektromagnetischen Strahlungsquelle hin gerichtet sind.
Außerdem ist es natürlich möglich, anhand des gemessenen Durchflusswerts Parameter nach zu justieren: Beispielsweise kann bis zu einem Schwellwert, der etwas unter dem zu erzielenden Ergebnis liegt, mit einer Strahlungsquelle hoher Leistungsdichte am zu bearbeitenden Ort des Werkstücks gearbeitet werden. Im Anschluss kann die Strahlungsquelle auf geringere Leistungsdichten umgeschaltet werden, um sicher den geforderten Endwert zu erreichen.
Auch ist es denkbar, das zuströmende Testmedium während des Verrundens abzuschalten und nach jedem Verrundungsschritt wieder einzuschalten um den Durchfluss zu messen. Dem Fachmann eröffnen sich viele Alternativen zur Durchführung des Verfahrens.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungsvorrichtung
3: umwandeter Behälter
5: Testmedium
7: Zulauf
9: erste Öffnung
11: zweite Öffung
13: Fluidablauf
15: Objektträger
17: Stanzteil, Werkstück
19: Durchbruch
20: Dichtung
21: Stanzgrat, Grat
22: Dichtung
23: transparentes Fenster
24: O-Ring Dichtung
25: Halteriemen
27: Entlüftungskanal
30: Behälterinnenraum
31: elektromagnetische Strahlungsquelle
33: Strahl
35: Durchflussmesser
37: Messverbindung
39: Abschaltverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4443148 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Einstellen eines Durchflusses durch einen Durchbruch (19) eines Werkstücks, insbesondere eines dünnwandigen Stanzteils (17), welches am Rand seines Durchbruchs ein Grat (21, 21a, 21b, 21c, 21d) aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: a. Leiten eines Testmediums (5) durch den Durchbruch (19), b. Richten eines Strahls (33) einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (31), auf den Grat (21, 21a, 21b, 21c, 21d), wobei der Strahl eine Leistungsdichte aufweist, die hinreichend groß ist, ein partielles Verrunden des Grats durch Erwärmen, Aufschmelzen, oder Verdampfen der Oberfläche des Grats zu bewirken, c. Verrunden des Grats mit dem Strahl (33) und Messen des Durchflusses des Testmediums (5) durch den Durchbruch (19), d. Abschalten, oder Weglenken des Strahls vom Grat sobald ein vorbestimmter Soll-Durchflusswert des Testmediums durch den Durchbruch (19) erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (31) ein Laser, insbesondere ein gepulster Laser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser ein Beschriftungslaser oder ein Laser mit steuerbarer Strahlablenkeinheit verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (33) über den Grat geführt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (33) zeilenweise und damit sukzessive zumindest den gesamten gratbehafteten Bereich des Durchbruchs (19) überstreicht, lokal erwärmt und durch Erweichen und Aufschmelzen oder Verdampfen der überstrichenen Oberfläche partiell verrundet, und dass dieser Bearbeitungsschritt so oft wiederholt wird, bis der vorbestimmte Soll-Durchflusswert erreicht ist.
Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bearbeitungsschritt winkelversetzt zu dem vorangegangenen Bearbeitungsschritt durchgeführt wird, wobei vorzugsweise ein konstanter Winkelversatz von 180 Grad/n gewählt wird, wobei n der Anzahl der Bearbeitungsschritte entspricht.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (33) durch den Durchbruch (19) des Werkstücks geführt wird, wobei der Strahl am Ort des Durchbruchs einen Durchmesser aufweist, der größer ist, als der kleinste Durchmesser des Durchbruchs, und der Strahl im Bereich des Grats eine Leistungsdichte aufweist, die hinreichend groß ist, das Verrunden des Grats zu bewirken.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmedium (5) mit einem vorbestimmten Druck durch den Durchbruch (19) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmedium (5) auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bevor es durch den Durchbruch (19) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmedium (5) eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder ein nicht entflammbares Öl, oder ein Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Inertgas ist, wobei das Testmedium für die verwendete elektromagnetische Strahlung durchlässig ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (17) eine Spritzlochscheibe ist.
Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, aufweisend: eine elektromagnetische Strahlungsquelle (31) einen umwandeten Behälter (3) zur Aufnahme eines Testmedium mit einer ersten mit einem Zulauf (7) verbundenen Öffnung (9) zum Einleiten des Testmedium (5), einer zweiten Öffnung (11) zum Ausleiten des Testmedium, einem transparenten Fenster (23) zum Einkoppeln eines Strahls (33) der Strahlungsquelle (31) in das Innere (30) des Behälters (3), einem Objektaufnahmebereich mit einem darin aufgenommenen, wenigstens einen Durchbruch aufweisenden Werkstück (17) dadurch gekennzeichnet, dass der Objektaufnahmebereich um die zweite Öffnung (11) herum, und diese überdeckend so angeordnet ist, dass das Testmedium (5), wenn das Werkstück im Objektaufnahmebereich aufgenommen ist, im Wesentlichen nur durch den wenigstens einen Durchbruch (19) hindurch die zweite Öffnung (11) passieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (17) am umwandeten Behälter (3), vorzugsweise mit einer O-Ring Dichtung (20), abgedichtet anliegt, so dass zwischen Behälter (3) und Werkstück (17) kein Testmedium (5) austreten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektaufnahmebereich auf einer Wechselvorrichtung (15) zum Austausch von Werkstücken (17) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (7) oder der umwandete Behälter (3) wenigstens einen Sensor zur Messung des Durchflusses aufweist, und dass die Vorrichtung vorzugsweise Mittel zum Abschalten der Strahlungsquelle bei Erreichen eines Soll-Durchflusswerts umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (7) oder der umwandete Behälter (3) einen Druckmesser und/oder einen Temperaturmesser umfassen, und dass die Vorrichtung Mittel, vorzugsweise automatisch regelbare Mittel, zum Einstellen des Drucks und/oder der Temperatur aufweist.