DE19832774B4

DE19832774B4 - Schutzvorrichtung zum Herstellen von Kleinstbohrungen in rohrartigen Bauteilen sowie Verfahren zum Herstellen von in einen Hohlraum mündenden Bohrungen

Info

Publication number: DE19832774B4
Application number: DE19832774A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Schmid; Hartmut Gross
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: US6407362B1; DE19832774A1; AT410642B; ATA124899A

Abstract

Schutzvorrichtung zum Herstellen von Laser-Kleinstbohrungen in rohrartigen Bauteilen, insbesondere Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, wobei die Schutzvorrichtung (8) als Hohlkörper ausgebildet ist, der in einer mit einer Öffnung (10) versehenen Kegelspitze (9) mündet und für einen Laserstrahl (11) mindestens teilweise wenigstens energieverringernd ausgebildet ist, wobei eine Innenwandung (17) der Schutzvorrichtung (8) für Laserstrahlen (11) mindestens teilweise reflektierend ausgebildet ist, so dass der Laserstrahl 11 durch die Öffnung (10) in die Schutzvorrichtung 8 eintreten kann und dabei an einem der Öffnung (10) gegenüberliegenden Bereich reflektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zum Herstellen von Kleinstbohrungen in rohrartigen Bauteilen, insbesondere in Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, sowie ein Verfahren zum Herstellen von solchen Kleinstbohrungen in rohrförmigen Werkstücken, insbesondere in Kraftstoff-Einspritzdüsen.
Mikrobohrungen werden durch spanende oder elektroerosive Bearbeitung hergestellt. Solche Verfahren sind zeitaufwendig, werkzeugintensiv und außerdem relativ ungenau. Schließlich können mit solchen Verfahren auch nur Werkstückbohrungen mit kreisförmigen Durchmesser hergestellt werden. Darüber hinaus haben die Bohrungswände nach der Herstellung eine relativ hohe Rauhigkeit.
Die DD 254 543 A1 offenbart eine Vorrichtung zur materialdurchdringenden Bearbeitung von rohrförmigen Werkstücken mittels Laserstrahl, wobei sich im Inneren des Werkstückes gegenüber einer Strahlaustrittsöffnung eines Laserschneidkopfs eine rohrförmige Strahlfangeinrichtung mit einem axial verschieblichen Reinigungsstößel mit Gasaustrittsöffnungen befindet. Die Strahlfangeinrichtung verhindert ein Auftreffen divergenten Laserlichts und von Verbrennungsrückständen auf einer Innenwandung des Werkstückes. Nach jedem Bearbeitungsvorgang erfolgt eine Reinigung der Strahlfangeinrichtung mittels Pressluft durch die Gasaustrittsöffnungen im Reinigungsstößel.
Die JP 09 066 381 A offenbart ein Laser-Bohrverfahren für Einspritzöffnungen von Kraftstoff-Einspritzdüsen, wobei innerhalb eines Düsenkörpers im Bereich der entstehenden Einspritzöffnungen ein verspiegelter Körper angeordnet wird, der einen Laserstahl beim Durchbruch durch den Düsenkörper in Richtung des entfernten Endes des Düsenkörpers innerhalb des Düsenkörpers ablenkt, wobei am entfernten Ende ein laserabsorbierendes Material angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kleinstbohrungen kostengünstig und genau herstellen zu können.
Diese Aufgabe wird bei der Schutzvorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schutzvorrichtung sowie des Verfahrens wird der nach der Herstellung der Mikrobohrung aus der Wandung des Werkstückes austretende Laserstrahl in seiner Energie so stark verringert, daß der Laserstrahl zu keiner Beschädigung des Werkstückes sowie der Schutzvorrichtung führt. Mit dem Laserstrahl lassen sich hochgenaue Mikrobohrungen herstellen, deren Wandung sehr glatt ist. Die Lebensdauer der Schutzvorrichtung kann vorteilhaft dadurch verlängert werden, daß sie mit Druckluft beaufschlagt und/oder an diese ein Vakuum angelegt wird, was zu einer Kühlung der Schutzvorrichtung führt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt:
1 im Axialschnitt eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen,
2 in vergrößerter Darstellung das Düsenende der Kraftstoff-Einspritzdüse gemäß 1 mit einer in der Düse angeordneten erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung während der Herstellung von Bohrungen in der Einspritzdüse.
Die in 1 dargestellte Einspritzdüse 1 dient zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen. Die Einspritzdüse 1 weist in bekannter Weise einen verjüngten, zylindrischen Düsenkörper 2 auf, der beispielhaft einen Durchmesser von etwa 4 mm hat und an seinem freien Ende in einen Spritzkegel 3 übergeht. Der Düsenkörper 2 dient zur Vor- und Haupteinspritzung des Kraftstoffes. In den Spritzkegel 3 werden mehrere Einspritzbohrungen 4 eingebracht, die so wohl symmetrisch als auch asymmetrisch angeordnet sein können. Bei diesen Einspritzbohrungen handelt es sich um Mikrobohrungen mit einem Durchmesser von etwa 0,10 bis 0,18 mm, die hochgenau bearbeitet werden müssen. Hierzu werden energiereiche, hochgepulste Spezial-Laser verwendet. Zur Herstellung der Einspritzbohrungen 4 wird mit einem Laserstrahl 11 die Wandung 12 des Spritzkegels 3 durchbrochen. Der Laserstrahl 11 hat eine so hohe Energie, daß er die Wandung 12 unter Bildung der Mikrobohrung 4 durchbricht. Nach dem Durchtritt durch die Wandung 12 hat der Laserstrahl 11 noch so viel Energie, daß er den gegenüberliegenden Bereich der Innenwand 5 beschädigen würde. Um eine solche Beschädigung durch den Laserstrahl 11 zu vermeiden, wird in die Bohrung 7 des Düsenkörpers 2 eine Schutzvorrichtung 8 (2) eingeführt, die sich bis an den Boden des Spritzkegels 3 erstreckt.
Die Schutzvorrichtung 8 ist als Rohr ausgebildet, das in einer Kegelspitze 9 mündet. Sie weist eine Öffnung 10 auf, durch die der Laserstrahl 11 nach dem Durchbrechen der Wand 12 des Spritzkegels 3 gelangt. Vorzugsweise besteht die Schutzvorrichtung 8 aus hochfestem Glas. Die Kegelspitze 9 ist vorzugsweise an einen Rohrkörper 13 der Schutzvorrichtung 8 angeschmolzen. Dadurch wird eine einwandfreie Verbindung zwischen der Kegelspitze 9 und dem Rohrkörper 13 gewährleistet.
Der der Öffnung 10 gegenüberliegende Bereich der Schutzvorrichtung 8 ist mit einer Reflexionsschicht 14 versehen, an der der durch die Öffnung 10 eintretende Laserstrahl 11 reflektiert wird. Die Reflexionsschicht 14 erstreckt sich vorteilhaft über die gesamte Innenwandung des Rohrkörpers 13 sowie der Kegelspitze 9, so daß die Innenwandung der Schutzvorrichtung 8 vollständig mit dem reflektierenden Material bedeckt ist. Die Reflexionsschicht 14 besteht aus einer Gold- oder Silberschicht, die vorteilhaft auf die Innenwand der Kegelspitze 9 und des Rohrkörpers 13 aufgedampft ist. Als Reflexions schicht 14 kann auch eine Kupferschicht bzw. -beschichtung oder eine Molybdänschicht bzw. -beschichtung verwendet werden, die entsprechend poliert sind. Die Reflexionsschicht 14 reflektiert den Laserstrahl 11 in der in 2 dargestellten Weise, so daß dieser an Energie und damit an Wirksamkeit verliert. Wie 2 zeigt, wird der Laserstrahl 11 nach dem Eintritt in der Schutzvorrichtung 8 an der Reflexionsschicht 14 hin- und her reflektiert und auf diese Weise aus der Schutzvorrichtung herausgeführt bzw. in seiner Energie verringert.
Vorzugsweise ist der Ringraum 16, der zwischen der Innenwandung 17 des Düsenkörpers 2 und der Außenwand 18 der Schutzvorrichtung 8 gebildet ist, mit Druckluft beaufschlagt. Dadurch kann eine Überhitzung der Schutzvorrichtung 8 durch den Laserstrahl 11 vermieden werden. Der Innenraum der Schutzvorrichtung 8 kann in Abhängigkeit von Länge und Querschnitt an eine Vakuumquelle angeschlossen werden, was in Verbindung mit der Entspannung der Druckluft im Ringraum 16 zu einem Kühleffekt im Bereich der Öffnung 10 der Schutzvorrichtung 8 führt. Außerdem hat die Verbindung der Schutzvorrichtung 8 mit der Vakuumquelle den Vorteil, daß über die Bohrung 19 Metalldämpfe und Schmelzpartikel, die beim Herstellen der Einspritzbohrungen entstehen, auf einfache Weise abgesaugt werden können. Durch die beschriebene Zwangskühlung mittels des Vakuums kann die Einsatzdauer der Schutzvorrichtung 8 erheblich verlängert werden.
Wie bereits erwähnt, kann die Schutzvorrichtung auch aus einem anderen Material als aus Glas bestehen, wie zum Beispiel aus demselben Material wie die Reflexionsschicht. In jedem Fall muß der Werkstoff jedoch Reflexionseigenschaften aufweisen. So kann die Schutzvorrichtung 8 aus massivem poliertem Kupfer oder Molybdän bestehen.
Die beschriebene Schutzvorrichtung 8 wird vor der Herstellung der Einspritzbohrungen 4 in Richtung des Pfeiles P in 1 in die Einspritzdüse 1 eingeführt, bis sie mit ihrer Kegelspitze 9 am Grund der Sacklochbohrung 7 der Einspritzdüse 1 anliegt. Danach wird die Schutzvorrichtung 8 so verdreht, daß ihre Öffnung 10 so liegt, daß sie unterhalb der zu bohrenden Einspritzbohrung 4 zu liegen kommt. Anschließend wird mit dem Laserstrahl 11 die Mikrobohrung 4 im Spritzkegel 3 der Einspritzdüse 1 hergestellt. Nach dem Durchdringen der Wandung 12 tritt der Laserstrahl 11 durch die Öffnung 10 in die Schutzvorrichtung 8 ein und wird dort, wie zuvor beschrieben, an der reflektierenden Schicht 14 reflektiert, wobei er an Energie und Wirksamkeit verliert. Gleichzeitig wird der Ringraum 16 mit Druckluft beaufschlagt, um eine Kühlung der Schutzvorrichtung 8 zu erreichen. Darüber hinaus wird der Innenraum 19 der Schutzvorrichtung 8 unter Vakuum gesetzt, um die Kühlwirkung der Druckluft noch zu verstärken und außerdem in die Schutzvorrichtung eindringende Schmutzteilchen, wie Metalldampf und Schmelzpartikel, zu entfernen.
Durch die Verwendung der Schutzvorrichtung 8 in der beschriebenen Weise, ist es möglich, in rohrähnlichen Bauteilen, wie Einspritzdüsen, Bohrungen zuverlässig und kostengünstig einzubringen, deren Bohrungsdurchmesser im Mikrobereich liegt. Die beschriebene Schutzvorrichtung ermöglicht eine industrielle Nutzung des Laserbohrens bei Einspritzdüsen oder ähnlichen Bauteilen.

Claims

Schutzvorrichtung zum Herstellen von Laser-Kleinstbohrungen in rohrartigen Bauteilen, insbesondere Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, wobei die Schutzvorrichtung (8) als Hohlkörper ausgebildet ist, der in einer mit einer Öffnung (10) versehenen Kegelspitze (9) mündet und für einen Laserstrahl (11) mindestens teilweise wenigstens energieverringernd ausgebildet ist, wobei eine Innenwandung (17) der Schutzvorrichtung (8) für Laserstrahlen (11) mindestens teilweise reflektierend ausgebildet ist, so dass der Laserstrahl 11 durch die Öffnung (10) in die Schutzvorrichtung 8 eintreten kann und dabei an einem der Öffnung (10) gegenüberliegenden Bereich reflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reflexion an einer Innenwandung (17) der Schutzvorrichtung (8) eine reflektierende Schicht (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (8) aus bruchfestem Glasmaterial besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (8) einen Rohrkörper (13) aufweist, an dessen Endbereich (9) die Kegelspitze (9) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelspitze (9) an den Rohrkörper (13) angeschmolzen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (8) an der Kegelspitze (9) zwei oder mehr Eintrittsöffnungen (10) für Laserstrahlen (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (9) mindestens in einem der Eintrittsöffnung (10) gegenüberliegenden Bereich (15) mit der reflektierenden Schicht (14) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die reflektierende Schicht (14) über die gesamte Innenwandung (17) der Schutzvorrichtung (8) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht (14) auf die Innenwandung (17) aufgedampft ist, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht (14) aus einer Silber-, Gold-, Kupfer- oder Molybdänbeschichtung besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (8) aus metallischem Werkstoff besteht, vorzugsweise aus Kupfer oder Molybdän.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Schutzvorrichtung (8) poliert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie an ihrem vom Endabschnitt (9) abgewandten Ende an eine Vakuumvorrichtung anschließbar ist.
Verfahren zum Herstellen von in einen Hohlraum mündenden Bohrungen, insbesondere von Laser-Kleinstbohrungen in rohrförmigen Werkstücken, insbesondere in Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, wobei die Wandung (12) des Werkstücks (1) zur Herstellung der Bohrung (4) mit einem Laserstrahl (11) durchdrungen wird, und der Laserstrahl (11) nach dem Durchdringen der Wandung (12) innerhalb des Hohlraums (7) mittels einer in den Hohlraum (7) eingeführten Schutzvorrichtung (8) so weit in seiner Energie verringert wird, dass er die der hergestellten Bohrung (4) gegenüberliegende Wandung (5) des Hohlraums (7) des Werkstücks (1) nicht beschädigt, und zur Kühlung der Schutzvorrichtung (8) diese während der Herstellung einer Bohrung mit Druckluft beaufschlagt und/oder an diese ein Vakuum angelegt wird, wobei ein zwischen der Wandung (17) des Hohlraums (7) des Werkstücks (1) und der Außenwandung (18) der Schutzvorrichtung (8) gebildeter Ringraum (16) mit Druckluft beaufschlagt wird und wobei der Innenraum (19) der Schutzvorrichtung (8) unter Vakuum gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Hohlraum (7) des Werkstücks (1) eingeführte Schutzvorrichtung (8) den Laserstrahl (11) nach dem Durchdringen der Wandung (12) des Werkstücks (1) reflektiert.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (11) an der Schutzvorrichtung (8) durch Mehrfachreflexion aus dem Bearbeitungsbereich herausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (11) nach Herstellen der Bohrung (4) durch eine Öffnung (10) in einen Hohlraum (19) der Schutzvorrichtung (8) eindringt und dort so reflektiert wird, dass er an Energie verliert.