Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Bauelement,
insbesondere ein Gehäuse einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
in dem mindestens ein erster Hochdruckkanal und ein
zweiter Hochdruckkanal vorhanden sind, wobei die Längsachse
des ersten Kanals in einem Winkel >0° zur Längsachse der
zweiten Bohrung steht und wobei der zweite Kanal in den
ersten Kanal mündet, so dass eine Verschneidung gebildet
wird.
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Eine derartiges Bauelement ist beispielsweise als Gehäuse
einer 3-Zylinder-Kolbenpumpe eines Kraftstoffsystems
bekannt. Mit ihr wird der Kraftstoff auf einen sehr hohen
Druck verdichtet und in eine Kraftstoff-Sammelleitung
("Rail") gepresst. Dort ist der Kraftstoff unter sehr hohem
Druck gespeichert. An die Kraftstoff-Sammelleitung sind
mehrere Einspritzventile angeschlossen, welche den
Kraftstoff direkt in jeweilige, den Einspritzventilen
zugeordnete Brennräume einspritzen.
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Bei der bekannten Hochdruck-Kraftstoffpumpe wird der
Kraftstoff in Förderräumen, welche in dem Gehäuse vorhanden
sind, von entsprechenden Kolben verdichtet. Über
Hochdruckkanäle, welche in Form von Bohrungen in das
Gehäuse oder in Gehäuseteile der Hochdruck-Kraftstoffpumpe
eingebracht sind, gelangt der hochverdichtete Kraftstoff
von den einzelnen Förderräumen zu einem gemeinsamen
Auslass. Da dies aus fertigungstechnische Gründen auf
geradem Wege nicht möglich ist, wird der Strömungsweg durch
einzelne geradlinige Bohrungen gebildet, welche in einem
Winkel >0° zueinander stehen. Der Schnittbereich zweier
derartiger Strömungskanäle wird als "Bohrungsverschneidung"
bezeichnet.
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Ohne entsprechende Maßnahmen würden aufgrund der
herrschenden hohen Betriebsdrücke im Bereich der
Bohrungsverschneidungen unzulässig hohe Materialspannungen
auftreten, welche die Lebensdauer der Hochdruck-
Kraftstoffpumpe erheblich reduzieren könnten. Daher werden
die nach dem Einbringen der Bohrungen im Bereich der
Bohrungsverschneidungen zunächst vorhandenen scharfen
Kanten durch verschiedene Verrundungsverfahren, wie
beispielsweise TEM-Entgraten oder/und AFM-Verrunden
bearbeitet.
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Beim TEM-Entgraten handelt es sich um eine thermische
Entgratungsmethode, welche nach dem Verbrennungsprinzip
arbeitet. Beim AFM-Verrunden handelt es sich um
Strömungsschleifen, bei dem eine polymere Kunststoffmasse
einer bestimmten Viskosität als Trägermaterial und in ihm
eingebundenes, in Art, Größe und Konzentration auf die
Bearbeitungsaufgabe abgestimmtes Schleifkorn als Werkzeug
durch die Bohrungen zyklisch oder alternierend geführt
wird. Durch die abrasive Wirkung des Schleifkorns werden
die für das Strömungsschleifen charakteristischen
Bearbeitungsspuren in Strömungsrichtung erzeugt und Kanten
abgerundet. Auch ein sog. Cascading-Verfahren ist
anwendbar, bei dem kleine Kugeln durch die Bohrungen
geführt werden, was ebenfalls vorhandene Kanten verrundet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Bauteil der
eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass es
einfacher und somit preiswerter hergestellt werden kann und
es außerdem für sehr hohe Betriebsdrücke geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Bauteil der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass die Mantelfläche des ersten Kanals
im Bereich der Verschneidung des ersten Kanals mit dem
zweiten Kanal eine Durchstoßungsfläche aufweist, deren
Ebene im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse des zweiten
Kanals ist und in die der zweite Kanal mündet.
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Vorteile der Erfindung
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Mittels Finite-Element-Berechnungen wurde festgestellt,
dass eine derartige orthogonale Durchstoßungsfläche im
Bereich einer Verschneidung in dem Bauteil eine erhebliche
Spannungsreduzierung von bis zu 50% bewirken kann. Somit
werden die Betriebsfestigkeit des Bauteils und seine
Lebensdauer erhöht. Ggf. ist sogar eine dauerfeste
Auslegung des Gehäuses der Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit
den bisher verwendeten Werkstoffen möglich. Alternativ
können höhere Betriebsdrücke realisiert werden, ohne dass
andere und teurere Materialien verwendet werden müssen. Bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils kann somit
auf die vergleichsweise aufwändigen Reinigungs- und
Verrundungsverfahren (AFM-, TEM- sowie Cascading-Verfahren)
verzichtet werden.
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Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in Unteransprüchen angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die
Durchstoßungsfläche in einer Begrenzungsfläche einer
taschenförmigen Erweiterung der Mantelfläche des ersten
Kanals ausgebildet ist. Hierzu wird beispielsweise durch
ein einfaches elektrochemisches Verfahren im Bereich der
Verschneidung die Mantelfläche des ersten Kanals
taschenartig "aufgeweitet". Dies erleichtert die Ausbildung
der Durchstoßungsfläche und reduziert nochmals die
Spannungen.
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Zusätzlich kann auch mindestens der Übergang von der
Durchstoßungsfläche zu den benachbarten Bereichen gerundet
sein. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung der
Spannungen in dem kritischen Verschneidungsbereich.
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Besonders bevorzugt ist, wenn die Kanäle unterschiedliche
Weiten aufweisen und der Kanal mit kleinerer Weite in den
Kanal mit größerer Weite mündet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Hochdruck-
Kraftstoffpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Mantelfläche des ersten Kanals eine Mehrzahl von
Durchstoßungsflächen aufweist, in welche jeweils ein Kanal
mündet, wobei letztere Kanäle zueinander koaxial sind. Der
erste Kanal weist also gegenüberliegende Mündungs- bzw.
Verschneidungsbereiche auf, deren Kanten bei den bisherigen
Rundungsverfahren nur schwer gerundet werden konnten. Bei
der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe können auch
derartige Mündungsbereiche problemlos realisiert werden,
ohne dass kritische Spannungen in diesen Bereichen zu
befürchten sind.
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Möglich ist auch, dass die Mantelfläche des ersten Kanals
eine Mehrzahl von Durchstoßungsflächen aufweist, in welche
jeweils ein Kanal mündet, wobei die letzteren Kanäle in
Längsrichtung des ersten Kanals gesehen axial in etwa auf
gleicher Höhe sind und in einem Winkel >0° zueinander
stehen. Die letztgenannten Kanäle bilden also in etwa ein
"V". Selbst dann, wenn die Mündungsbereiche dieser Kanäle
relativ nah beieinander sind, können bei der
erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe die Spannungen
in den Verschneidungen gering gehalten werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen
eines Bauelements, insbesondere eines Gehäuses einer
Hochdruck-Kraftstoffpumpe, bei dem in das Bauelement
mindestens ein erster Kanal und ein zweiter Kanal
eingebracht werden, deren Längsachsen in einem Winkel >0°
zueinander stehen, wobei der zweite Kanal in den ersten
Kanal mündet, so dass eine Verschneidung gebildet wird.
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Um ein Bauelement herstellen zu können, welches mit hohen
Betriebsdrücken arbeiten kann und eine lange Lebensdauer
aufweist, wird vorgeschlagen, dass im Bereich der
Verschneidung des ersten Kanals mit dem zweiten Kanal durch
elektrochemische Materialbearbeitung ("ECM") in der
Mantelfläche des ersten Kanals eine Durchstoßungsfläche
gebildet wird, deren Ebene im Wesentlichen orthogonal zur
Längsachse des zweiten Kanals ist und in die der zweite
Kanal mündet.
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Das oben angegebene Verfahren kann mit hoher Präzision
durchgeführt werden. Das Bauelement weist eine hohe
Lebensdauer und eine gute Betriebsfestigkeit auf. Im
übrigen wird auf die weiter oben dargelegten Vorteile der
erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe verwiesen.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass in der
Mantelfläche des ersten Kanals eine taschenförmigen
Erweiterung hergestellt und in deren Begrenzungsfläche die
Durchstoßungsfläche ausgebildet wird.
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Vorgeschlagen wird auch, dass ein zweiter Kanal und ein
dritter Kanal eingebracht werden, welche koaxial zueinander
sind und in den ersten Kanal münden, und dass in die Kanäle
eine Elektrode eingeführt wird, welche mindestens einen
isolierten Bereich und mindestens einen nicht isolierten
Bereich aufweist, derart, dass der mindestens eine nicht
isolierte Bereich im jeweiligen Mündungsbereich des zweiten
Kanals und des dritten Kanals in den ersten Kanal liegt.
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Eine solche Elektrode ist preiswert und kann auf einfache
Art und Weise in dem Kanal an der gewünschten Stelle
platziert werden. Bei der Durchströmung der Kanäle mit
einem entsprechenden Elektrolyt und beim Anlegen einer
entsprechenden Spannung werden sog. "ECM-Taschen" im
Bereich der beiden Verschneidungen ausgebildet, welche zur
Längsachse der zweiten und der dritten Bohrung orthogonale
Durchstoßungsflächen zu aufweisen und zu einer erheblichen
Spannungsreduktion in diesen Bereichen führen.
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Möglich ist aber auch, dass eine Mehrzahl von Kanälen
derart eingebracht wird, dass ihre Längsachsen in einem
Winkel >0° zueinander stehen und sie auf axial gleicher
Höhe in den ersten Kanal münden, und dass in den ersten
Kanal eine zylindrische Elektrode, welche einen elektrisch
isolierten Mantelbereich und einen elektrisch nicht
isolierten Mantelbereich aufweist, eingeführt, im
Mündungsbereich der Mehrzahl von Kanälen angeordnet und so
ausgerichtet wird, dass der elektrisch nicht isolierte
Oberflächenbereich den einmündenden Kanälen zugewandt und
der elektrisch isolierte Mantelbereich von den einmündenden
Kanälen abgewandt ist.
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Auch dieses Verfahren ist einfach durchzuführen, da die
entsprechende Elektrode preiswert und leicht handhabbar
ist.
Zeichnung
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Nachfolgend werden besonders vorteilhafte
Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
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Fig. 1 einen Schnitt durch einen Bereich eines Gehäuses
einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit mehreren
Hochdruckkanälen;
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Fig. 2 eine Detaildarstellung eines Bereichs von Fig.
1;
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Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 2
dargestellten Bereichs;
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Fig. 4 eine Darstellung eines anderen Details aus Fig.
1;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung des in Fig. 4
dargestellten Bereichs vor Beginn einer
elektrochemischen Bearbeitung;
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Fig. 6 eine Darstellung ähnlich Fig. 5 nach Beendigung
der elektrochemischen Bearbeitung; und
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Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Realisierung
einer elektrochemischen Bearbeitung des in Fig.
2 dargestellten Bereichs.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Gehäuse einer
Hochdruck-Kraftstoffpumpe dargestellt. Das Gehäuse trägt in
Fig. 1 das Bezugszeichen 10. Bei der Hochdruck-
Kraftstoffpumpe, welche in der Zeichnung nicht dargestellt
ist, handelt es sich um eine 3-Zylinder-Kolbenpumpe. Sie
verfügt über eine Antriebs-Exzenterwelle, welche drei
sternförmig angeordnete und in radialer Richtung bewegliche
Kolben in eine Hin- und Herbewegung versetzt.
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Jedem Kolben ist ein Förderraum zugeordnet, in den bei
einem Saughub über ein Einlassventil Kraftstoff aus einem
Niederdruckbereich gelangt. Bei einem Förderhub eines
Kolbens wird der sich im Förderraum befindliche Kraftstoff
komprimiert und über ein Auslassventil in ein System von
Hochdruckkanälen ausgestoßen, welche wiederum an eine
Kraftstoff-Sammelleitung angeschlossen sind. In dieser ist
der Kraftstoff unter sehr hohem Druck gespeichert. An die
Kraftstoff-Sammelleitung sind wiederum Injektoren
angeschlossen, welche den Kraftstoff direkt in
entsprechende Brennräume einer Brennkraftmaschine
einspritzen.
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Ein Teil der Hochdruckkanäle ist durch Bohrungen in das
Gehäuse 10 ausgebildet. Durch diese Kanäle werden die drei
Zylinder fluidisch mit einem gemeinsamen Hochdruck-Auslass
verbunden. Ein Teil der Kanäle liegt dabei in der
Schnittebene von Fig. 1, ein anderer Teil der Kanäle ist
senkrecht zur Schnittebene Fig. 1.
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Ein erster in der Schnittebene von Fig. 1 liegender Kanal
trägt das Bezugszeichen 12, ein zweiter derartiger Kanal
das Bezugszeichen 14. Beide Kanäle 12 und 14 werden in
Fig. 1 von unten schräg in das Gehäuse 10 eingebohrt.
Beide münden in einen Kanal 16, welcher senkrecht zur
Schnittebene von Fig. 1 in das Gehäuse 10 eingebohrt wird.
Die beiden Kanäle 12 und 14 erstrecken sich also umgekehrt
V-förmig in einem Winkel von ungefähr 60° von dem in Fig.
1 im oberen Bereich des Gehäuses 10 angeordneten Kanal 16.
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Bei dem Kanal 16 handelt es sich um eine Stufenbohrung,
welche zu einem Elementraum (nicht sichtbar) führt. Dieser
sitzt mittig im Gehäuse 10. Bei den beiden Kanälen 12 und
14 dagegen handelt es sich letztlich um Sacklöcher, welche
in dem Kanal 16 enden.
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In dem Gehäuse sind noch zwei weitere Kanäle vorhanden,
nämlich ein in Fig. 1 im linken unteren Bereich des
Gehäuses 10 angeordneter und zur Ebene des Gehäuses 10
senkrechter Kanal 18 sowie ein hierzu identischer, jedoch
in Fig. 1 im rechten unteren Bereich des Gehäuses 10
angeordneter Kanal 20. Die Kanäle 18 uns 20 sind identisch
zum Kanal 16 ausgebildet.
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Der in Fig. 1 im rechten unteren Bereich des Gehäuses 10
angeordnete Kanal 20 und der Bereich seiner Verschneidung
mit dem Kanal 14 sind stärker im Detail in Fig. 2
dargestellt. Aus dieser geht auch hervor, dass der
Durchmesser des Kanals 20 größer ist als der Durchmesser
des Kanals 14. Bei Fig. 3 handelt es sich um eine
dreidimensionale Darstellung der Mantelfläche des
Endbereichs des Kanals 20 sowie der Mantelflächen der
Endbereiche der Abschnitte 14a und 14b des in der Ebene des
Gehäuses 10 liegenden Kanals 14.
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Aus den Darstellungen in den Fig. 2 und 3 erkennt man,
dass die Mantelfläche des Kanals 20 im Bereich der
Verschneidungen mit den Abschnitten 14a und 14b des Kanals
14 taschenförmige Erweiterungen 22 und 24 aufweist. Diese
werden jeweils von einer Fläche 26 bzw. 28 begrenzt, deren
Ebene im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 30a bzw.
30b des Abschnitts 14a bzw. 14b des Kanals 14 ist.
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Da der Kanal 14 relativ zur Bohrung 20 etwas außermittig
angeordnet ist, sind auch die taschenförmigen Erweiterungen
22 bzw. 24 mit ihren Flächen 26 und 28 etwas außermittig
angeordnet. Die Flächen 26 bzw. 28 werden von den
Abschnitten 14a bzw. 14b des Kanals 14 sozusagen in einem
rechten Winkel "durchstoßen", weswegen sie auch als
Durchstoßungsflächen 26 bzw. 28 bezeichnet werden.
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Durch diese relativ zu den Längsachsen 30a und 30b
orthogonalen Durchstoßungsflächen 26 und 28 können im
Betrieb der Hochdruck-Kraftstoffpumpe die Spannungen in den
Bereichen der Bohrungsverschneidungen erheblich reduziert
werden. Bei gleichem Material können somit höhere
Betriebsdrücke realisiert werden, oder/und es kann bei
gleichem Material die Lebensdauer der Hochdruck-
Kraftstoffpumpe erheblich verlängert werden.
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Das Gehäuse 10 von Fig. 1 ist gegenüber einer in Fig. 1
vertikalen Linie spiegelsymmetrisch aufgebaut. Dies
bedeutet, dass die Verschneidung des in Fig. 1 linken
Kanals 12 mit dem Kanal 18 ebenfalls entsprechende
taschenförmige Erweiterungen mit Durchstoßungsflächen
aufweist, welche jedoch nicht mit Bezugszeichen versehen
sind.
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Die Bereiche der Verschneidungen der Kanäle 12 bzw. 14 mit
dem Kanal 16 sind im Detail in Fig. 4 dargestellt. Aus
dieser erkennt man, dass die Mantelfläche des Kanals 16 in
den Bereichen der Verschneidung mit den Kanälen 12 und 14
taschenförmige Erweiterungen 32 und 34 aufweist. Auch diese
werden von einer Durchstoßungsfläche 36 bzw. 38 begrenzt,
welche orthogonal zur Längsachse 40 bzw. 30a der Kanäle 12
bzw. 14 ist. Dabei stoßen die beiden Durchstoßungsflächen
36 und 38 aneinander an und stehen in einem Winkel von
ungefähr 60° zueinander.
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Die Herstellung der taschenförmigen Erweiterungen 32 und 34
im Bereich der Verschneidungen der Kanäle 12 und 14 mit dem
Kanal 16 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6
erläutert: Die Kanäle 12 und 14 sowie 16 werden zunächst
auf herkömmliche Art und Weise in den Körper des Gehäuses
10 eingebohrt. Anschließend wird in den Kanal 16 eine
zylindrische Elektrode 44 derart eingebracht, dass sie auf
Höhe der Einmündungen der Kanäle 12 und 14 zum Liegen
kommt.
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Geringfügig mehr als ein Halbmantel 46 der Mantelfläche der
Elektrode 44 ist mit einer dünnen, elektrisch isolierenden
Beschichtung (ohne Bezugszeichen) bedeckt. Dieser mit der
elektrisch isolierenden Beschichtung bedeckte Bereich 46
hat in etwa den gleichen Außendurchmesser wie der
Innendurchmesser des Kanals 16, liegt also vergleichsweise
satt am Kanal 16 an. Auch die endseitigen Stirnflächen
(ohne Bezugszeichen) der Elektrode 44 sind elektrisch
isoliert. Die verbleibende Mantelfläche der Elektrode 44
ist elektrisch nicht isoliert. Sie trägt das Bezugszeichen
48.
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Die Elektrode 44 wird so angeordnet, dass der nicht
isolierte Bereich 48 zu den Einmündungen der Kanäle 12 und
14 zeigt. Zwischen dem nicht isolierten Bereich 48 der
Mantelfläche der Elektrode 44 und der Innenwand der Bohrung
16 ist ein geringer Spalt vorhanden. Dieser sowie die
Kanäle 12 und 14 werden mit einem Elektrolyt 49 gefüllt
bzw. durchströmt. Wird nun eine elektrische Spannung
angelegt, wird, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, Material
abgetragen. Am Ende dieser elektrochemischen
Metallbearbeitung sind jene Materialbereiche 50 abgetragen
worden, welche in Fig. 6 schraffiert dargestellt sind. Auf
diese Weise werden die taschenförmigen Erweiterungen 32
bzw. 34 geschaffen, durch die die Spannungen im Bereich der
Verschneidungen der Kanäle 12 und 14 mit dem Kanal 16
erheblich vermindert werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung der taschenförmigen
Erweiterungen 22 und 24 im Bereich der Verschneidungen der
Abschnitte 14a und 14b des Kanals 14 mit dem Kanal 20 wird
nun unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert: Danach werden
in das Gehäuse 10 wieder zunächst auf herkömmliche Art und
Weise die Sackbohrung 14 und die Stufenbohrung 20
eingebohrt. Dabei ist auch hier zu beachten, dass der Kanal
14 leicht außermittig zum Kanal 20 angeordnet ist.
Anschließend wird in den Kanal 14 eine zylindrische
Elektrode 52 eingebracht, welche einen mit einem
Isoliermaterial beschichteten oberen Endbereich 54 und
einen ebenfalls mit Isoliermaterial beschichteten unteren
Endbereich 56 aufweist.
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Ein zwischen den Endbereichen 54 und 56 liegender
Zentralbereich 58 ist nicht mit einem Isoliermaterial
bedeckt. Er weist darüber hinaus einen etwas geringeren
Durchmesser als die beiden Endbereiche 54 und 56 auf. Die
Durchmesser der Endbereiche 54 und 56 entsprechen in etwa
den Innendurchmessern der Abschnitte 14a bzw. 14b des
Kanals 14. Sie liegen also relativ satt an den Innenwänden
der Abschnitte 14a und 14b des Kanals 14 an. Die Kanäle
14a, 14b und 20 werden mit Elektrolyt 49 gefüllt und
durchströmt. Anschließend wird eine elektrische Spannung in
üblicher Weise an die Elektrode 44 angelegt. Durch die nun
einsetzende elektrochemische Metallbearbeitung werden die
taschenförmigen Erweiterungen 22 und 24, welche in Fig. 7
durch gestrichelte Linien dargestellt sind, hergestellt.