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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen und gleich zeitigen Prüfen der Dichtheit einer Tieflochbohrung
in einem Bauteil gemäß Patentanspruch
1.
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Tieflochbohrungen werden mit langen
Bohrwerkzeugen und Spezialmaschinen hergestellt. Sie dienen z.B.
in Verbrennungsmotoren als ölführende Zuleitungen
und durchdringen dann häufig
ganze Bauteile, beispielsweise Zylinderköpfe oder Kurbelgehäuse. Diese
Tieflochbohrungen müssen
auf Dichtheit geprüft
werden, da einerseits an manchen Stellen die Wandung der Bohrung
sehr dünn
sein kann, so dass während
des Bohrens Durchbrüche
in der wandung auftreten können.
Andererseits können Undichtheiten
durch Fehler im Bauteil, z.B. Lunker in Gussbauteilen auftreten.
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Aus der
DE 2 364 743 A ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Prüfung
eines Bauteils mit einer Blind- oder Durchgangsbohrung auf Dichtheit
bekannt. Bei der Testgasmethode wird der Prüfling in ein geschlossenes
Gehäuse
gelegt und mit einem unter Druck stehendem Prüfgas beaufschlagt. Durch vorhandene
undichte Stellen entweichende Gas wird durch eine im Gehäuse angeordnete
gasspezifische Detektionseinheit (z.B. ein Massenspektrometer) registriert
und bewertet. Alternativ können
auch der Druckabfall oder der Durchfluss des Prüfgases erfasst werden.
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Dieses Verfahren erfordert einen
separaten Verfahrensschritt nach dem Herstellen der Bohrung und
ist daher aufwendig und verursacht Zusatzkosten.
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Ferner ist aus der
DE 22 55 354 B2 ein Verfahren
bekannt, bei dem Tieflochbohrungen in einem Verfahrensschritt mit
dem eigentlichen Bohrvorgang gereinigt werden. Diese Reinigung erfolgt
durch Einblasen von Druckluft in den Kühlmittelkanal, während der
Bohrer sich noch in der Bohrung befindet. Dieses Verfahren dient
jedoch ausschließlich
der Reinigung der Bohrung, und es lässt sich kein Hinweis auf die Prüfung der
Dichtheit derselben entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren vorzuschlagen, mit dem die Herstellung und die Dichtheitsprüfung einer
Tieflochbohrung gleichzeitig in einem Verfahrensschritt durchgeführt werden
können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Danach umfasst das Verfahren die folgenden Einzelschritte: Zunächst wird
mit einem Bohrwerkzeug die Tieflochbohrung in das Bauteil eingebracht.
Im Anschluss daran wird die Bohrung mit Hilfe eines am Bohrwerkzeug
vorgesehenen Dichtelements abgedichtet. Im letzten Schritt wird
die Dichtheit mit Hilfe eines unter Druck stehenden Fluids, das
durch einen Hohlraum im Bohrwerkzeug in die Tieflochbohrung eingeleitet wird,
geprüft.
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So kann das Herstellen der Bohrung
und die Dichtheitsprüfung
in einem Schritt durchgeführt
werden. Das Bohrwerkzeug bleibt während des gesamten Verfahrens
innerhalb der Bohrung und dient neben dem eigentlichen Bohrvorgang
zur Abdichtung der Bohrung bei der Dichtheitsprüfung.
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So ist auch keine zusätzliche
Bearbeitungsstation für
die Prüfung
der Dichtheit des Werkstücks erforderlich.
In der Serienproduktion kann daher Fertigungsraum eingespart werden,
und dadurch können
Kosten gesenkt werden. Weiterhin entfallen Rüstzeiten zwischen dem Bohr-
und dem Dichtheitsprüfvorgang,
so dass das erfindungsgemäße Verfahren
zeitsparender ist als zwei getrennte Verfahrensschritte.
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Ferner ist es auf diese Weise sehr
einfach möglich,
routinemäßig jede
Tieflochbohrung nach deren Herstellung auf Dichtheit zu prüfen, was
die Fertigungsqualität
erhöht.
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Falls es sich bei der Tieflochbohrung
um eine Durchgangsbohrung handelt, muss vor der Dichtheitsprüfung die
Bohrung mit einem zusätzlichen
Abdichtelement von der dem Bohrwerkzeug abgewandten Seite verschlossen
werden. Auf diese Weise können
auch Durchgangsbohrungen ohne hohen zusätzlichen Aufwand mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt und auf Dichtheit geprüft werden (Anspruch 2).
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Zweckmäßigerweise werden vor dem Abdichten
der Tieflochbohrung beim Bohren erzeugte Späne aus dem Innenraum der Bohrung
abgeführt. So
ist die Bohrung vor der Dichtheitsprüfung frei von Verunreinigungen
(Anspruch 3).
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
erfolgt diese Abfuhr der Späne
durch einen Hohlraum im Bohrwerkzeug mit Hilfe einer durch die Bohrung geleiteten
Bohremulsion. Diese Bohremulsion wird auch zur Kühlung und Schmierung während des Bohrvorgangs
verwendet und erfüllt
so einen doppelten Zweck. Da die Abfuhr durch den Hohlraum erfolgt,
kann das Bohrwerkzeug in einfacher Weise während des Verfahrens in der
Bohrung verbleiben (Anspruch 4).
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In einer alternativen Ausführungsform
wird die Abfuhr der Späne
mit einem nebelartigen Gas- / Flüssigkeitsgemisch
(Minimalmengenschmierung) durchgeführt. Dann wird vorteilhafterweise
die Dichtheitsprüfung
mit dem gleichen Gas- / Flüssigkeitsgemisch
durchgeführt.
So wird ein Verfahrensschritt eingespart, da die Zuleitung für das Gemisch
vom eigentlichen Bohrvorgang sowieso vorhanden ist und für die Dichtheitsprüfung verwendet
werden kann (Anspruch 5 und 6).
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Vorteilhafterweise wird die Dichtheitsprüfung durch
die Messung des nach Einleitung des Fluids auftretenden Differenzdrucks
zwischen dem Innenraum der Bohrung und der Umgebung durchgeführt. Dabei
handelt es sich um ein sehr einfach und schnell durchführbares
Verfahren, welches ohne Anpassungen mit einem kommerziell erhältlichen
Gerät zur
Dichtheitsprüfung
ausgeführt
werden kann (Anspruch 7).
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Alternativ wird die abgedichtete
Bohrung ständig
mit Druck beaufschlagt, und die Dichtheitsprüfung wird durch Messung des Volumenstroms
des nachfließenden
Fluids durchgeführt.
So kann in einfacher Weise ein Rückschluss
auf die Größe der Undichtheit
gezogen werden; da der nachfließende
Volumenstrom dem durch die Undichtheit entweichenden Volumenstrom
entspricht (Anspruch 8).
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Als dritte Alternative wird die Dichtheitsprüfung durchgeführt, indem
mit einer Sonde aus der abgedichteten Tieflochbohrung entweichendes
Fluid („Schnüffel-Methode" mit Testgas) detektiert
wird. So kann direkt die Stelle ermittelt werden, an der eine Undichtheit
im Bauteil auftritt, indem die Sonde beispielsweise mit einem Roboter
außen
am Bauteil entlang geführt
wird.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile
der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung
anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen
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1 einen
Aufbau zur Durchführung
des Verfahrens,
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2 einen
Bohrer während
der Durchführung
des Verfahrens sowie
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3 einen
Querschnitt durch den Bohrer.
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In 1 ist
ein möglicher
Aufbau zur Durchführung
des Verfahrens zum Herstellen und gleichzeitigen Prüfen der
Dichtheit einer Tieflochbohrung 1 in einem Bauteil 2 dargestellt.
Zur Durchführung
des Verfahrens dienen hier ein Bohrwerkzeug 3, ein Dichtheitsprüfgerät 4 mit
einer Druckquelle für
das gasförmige
Fluid 5 sowie eine Druckquelle für das flüssige Fluid 6 mit
einem Manometer 7. Die Druckquelle für das flüssige Fluid 6 ist über eine
Zufuhrleitung 8 mit einem Zuleitungsanschluss 9 am
Bohrwerkzeug 3 verbunden. Über die Zufuhrleitung 8 wird der
flüssige
Anteil des vernebelten Fluids 10 in das Bohrwerkzeug 3 eingeleitet.
Das Dichtheitsprüfgerät 4 wird
durch die Druckquelle 5 mit Prüfluft versorgt, welche über die
Prüfleitung 12 mit
einem Ableitungsanschluss 11 zum Bohrwerkzeug 3 geführt wird.
Im Bohrwerkzeug 3 selbst findet die Vermischung der gasförmigen und
der zerstäubten
flüssigen
Anteile des Fluids 10 statt, was durchaus auch außerhalb des
Bohrwerkzeugs 3 erfolgen kann. Ferner weist das Bohrwerkzeug 3 ein
beweglich daran angebrachtes Dichtelement 13 auf. Dieser Aufbau
wird gewählt, wenn
ein Durchflussmessverfahren zur Prüfung der Dichtheit verwendet
wird. Soll ein anderes Prüfverfahren,
wie unten erläutert,
zum Einsatz kommen, muss entsprechend ein anderer Aufbau vorgesehen werden.
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Im Bohrwerkzeug 3 ist ein
Bohrer 14 zum Herstellen der Tieflochbohrung 1 eingespannt.
Er weist in seinem Inneren einen Hohlraum 15 auf, durch
den das Fluid 10 sowohl in die Bohrung 1 hinein
als auch aus der Bohrung 1 hinaus transportiert werden
kann. In diesem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Fluid 10 um ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch 16,
d.h. ein Gas, z.B. Luft, in das kleine Tröpfchen einer Schmierstoff-Flüssigkeit,
insbesondere Öl,
eingebracht sind.
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In 2 ist
der Bohrer 14 im Detail gezeigt. Dargestellt ist wiederum
das Bauteil 2 mit der in das Bauteil 2 eingebrachten
Tieflochbohrung 1, in der sich der Bohrer 14 befindet.
Der Bohrer 14 weist eine Zuleitung 17 zur Zufuhr
des Gas-/Flüssigkeitsgemischs 16 in
die Bohrung 1 sowie eine Ableitung 18 zur Abfuhr
desselben aus der Bohrung 1 auf. Die Ableitung 18 ist,
wie im Querschnitt 20 in 3 zu
erkennen, durch eine radiale Aussparung 19 im Bohrer 14 realisiert.
Zu erkennen ist ferner das Dichtelement 13.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft nun wie
folgt ab:
Zunächst
wird die Tieflochbohrung
1 mit dem Bohrwerkzeug
3 in
das Bauteil
2 eingebracht. Bei der hier dargestellten Verfahrensvariante,
der sogenannten Minimalmengenschmierung, wird während des Bohrvorgangs zum
Schmieren und zum Kühlen
das Gas/Flüssigkeitsgemisch
16 aus
der Druckquelle für flüssiges Fluid
6 und
der Druckquelle für
gasförmiges Fluid
5 durch
die Zuleitung
17 im Bohrer
14 in die Bohrung
1 eingebracht.
Mit diesem Gas-/Flüssigkeitsgemisch
16 werden
gleichzeitig beim Bohrvorgang entstehende Späne aus der Bohrung
1 abgeführt. Das
Verfahren der Minimalmengenschmierung ist zum Beispiel in der
DE 198 08 070 A1 ausführlich dargestellt.
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Anschließend wird das Dichtelement 13 so auf
das Bauteil 2 aufgeschoben, dass es die Bohrung 1 komplett
abdichtet, wie in 2 dargestellt.
Dabei verbleibt der Bohrer 14 innerhalb der Bohrung 1. Handelt
es sich um eine Durchgangsbohrung, die das Bauteil 2 komplett
durchsetzt, so wird ein zusätzliches
Abdichtelement verwendet, mit dem die Durchgangsbohrung von der
dem Bohrwerkzeug 3 abgewandten Seite des Bauteils 2 dicht
verschlossen wird.
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Im letzten Verfahrensschritt wird
die Dichtheitsprüfung
mit Hilfe des Dichtheitsprüfgeräts 4 durchgeführt. Dazu
wird über
die Zufuhrleitung 8 und die Prüfleitung 12 wiederum
das Gas/Flüssigkeitsgemisch 16 unter
einem bestimmten Druck, der in der Regel zwischen 1,5 und 5 bar
liegt, in die nun dicht abgeschlossene Bohrung 1 eingeleitet.
Ob die Bohrung 1 dicht ist bzw. keine Lecks aufweist, kann
auf drei verschiedene Arten geprüft
werden.
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Zum einen ist es möglich, die
Druckabfallmethode anzuwenden: Hier wird die Zufuhr 8 und 12 des Gas-/Flüssigkeitsgemischs 16 abgestellt
und eine gewisse Zeit abgewartet, bis sich im Innenraum der Tieflochbohrung 1 ein
stabiler Zustand eingestellt hat. In der folgenden Messphase kann
festgestellt werden, ob bei einem möglichen Leck der Druck innerhalb
der Bohrung 1 abfällt.
Dies kann mit Relativ-, Absolut- oder Differenzdrucksensoren, die
im Dichtheitsprüfgerät 4 integriert
sind, gemessen werden. Dabei wird der Druckabfall in einer bestimmten
Zeitein heit erfasst. Der flüssige
Anteil des Fluids 10 (Zufuhrleitung 8) bleibt
während
des ganzen Prüfablaufs abgesperrt.
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Eine zweite Methode ist die Durchflussmethode.
Auch hier bleibt der flüssige
Anteil des Fluids 10 abgesperrt. In diesem Fall wird das
Bauteil 2 bzw. die Bohrung 1 ständig mit
dem unter Druck stehenden Gas-/Flüssigkeitsgemisch 16 beaufschlagt.
Gemessen wird in diesem Fall der Durchfluss des nachfließenden gasförmigen Anteils
des Fluids 10 aus der Druckquelle 5, der dem Teil
des Gas-/Flüssigkeitsgemischs 16 entspricht,
der durch ein eventuelles Leck entweichen würde.
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Als dritte Methode kann die Testgasmethode verwendet
werden. Hier wird mittels einer Sonde, die sich außerhalb
des Bauteils 2 befindet, detektiert, ob der gasförmige Anteil
des Fluids 10 aus der Bohrung 1 entweicht. Die
Sonde kann manuell oder robotergeführt an der Außenwand
des Bauteils 2 entlang geführt werden. Alternativ kann
das gesamte Bauteil 2 mit einer dichten Haube (Haubenverfahren)
abgedeckt werden, in der der gasförmige Anteil des Fluids 10 detektiert
werden kann (z.B. mit einem Massenspektrometer).
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Neben der oben beschriebenen Verwendung desselben
Gas-/Flüssigkeitsgemischs 16 zum
Bohren wie auch zum Durchführen
der Dichtheitsprüfung ist
es mit dem Verfahren auch möglich,
Bohren und Dichtheitsprüfen
mit zwei verschiedenen Medien durchzuführen. Dann wird während des
Bohrvorgangs eine herkömmliche
Bohremulsion zum Kühlen und
Schmieren verwendet. Mit dieser Bohremulsion erfolgt dann auch die
Abfuhr der Späne
aus der Tieflochbohrung 1. Danach wird eine Dichtheitsprüfung mit
einem anderen Prüfmedium
durchgeführt.
Als Prüfmedium
wird in diesem Fall vorzugsweise Luft verwendet. Die Dichtheitsprüfung wird
dann mit den oben erläuterten
Methoden durchgeführt.
Alternativ kann beispielsweise die Dichtheitsprüfung auch mit der gleichen
Bohremulsion erfolgen, die während
des Einbringens der Bohrung 1 verwendet wird, so dass der
Wechsel der Leitungen für
die Dichtheitsprüfung entfällt. Dieses
Verfahren ist jedoch gegen über
einer Dichtheitsprüfung
mit Gasen deutlich unsensibler, es können nur grobe Lecks detektiert
werden.
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Ferner ist bei der Durchführung des
Verfahrens die Spanabfuhr nicht zwingend erforderlich, die Dichtheitsprüfung kann
auch durchgeführt
werden, wenn sich noch Späne
innerhalb der Tieflochbohrung 1 befinden.