DE2910732C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Löchern, Schlitzen oder anderen Durch­ lässen durch eine Werkstückwand mit einer zuerst und zuletzt durchdrungenen Oberfläche durch örtlich be­ schränktes Auftreffen eines Energiestrahles auf die erste Oberfläche, wobei geschmolzene Werkstückspritzer während des Bohrens aus dem Loch herausgeschleudert werden und die erste Oberfläche eine Deckschicht trägt.

Die Verwendung von Elektronenstrahlenergie zum Bohren von einem oder mehreren Löchern in ein metallisches oder nichtmetallisches Werkstück ist an sich bekannt (s. z. B. DE-OS 19 25 547). Ein hierbei auftretendes Problem besteht darin, daß die während des Bohrens aus dem Loch herausgeschleuderten Werkstückspritzer auf die erste Oberfläche auftreffen und mit dieser um den Umfang des Loches herum verschweißt werden in Form von einem oder mehreren Graten.

Es ist weiterhin bekannt (DE-AS 15 65 864), bei einem Verfahren zur Materialbearbeitung mittels gebündelter Energiestrahlen einen zusätzlichen Hilfsstoff zu verwen­ den, der bei der Bearbeitungstemperatur einen hohen Dampfdruck entwickelt, so daß die an der Bearbeitungs­ stelle abgelösten oder geschmolzenen Materialanteile aus dem Bearbeitungsbereich herausgeblasen werden. Ein solcher Hilfsstoff kann beispielsweis als Unterlage­ schicht auf der während des Bohrvorganges zuletzt durch­ drungenen Oberfläche des Werkstücks aufgebracht sein. Der Zweck der Unterlageschicht besteht darin, über­ schüssige Elektronenstrahlenergie beim Durchdringen der zuletzt durchdrungenen Werkstückoberfläche aufzunehmen und einen ausreichenden Dampfdruck durch den auf sie örtlich wirkenden Elektronenstrahl zu erzeugen, um das geschmolzene Werkstückmaterial aus dem zu bohrenden Loch gegen die Ausbreitungsrichtung des Strahles herauszu­ schleudern, d. h. aus dem Eingang des Loches in der zuerst durchdrungenen Oberfläche des Werkstückes. Infol­ ge dieses Herausschleuderns von geschmolzenem Material aus dem Bohrloch tritt jedoch das Problem der Gratbil­ dung um den Umfang des Loches in der zuerst durchdrun­ genen Oberfläche in verstärktem Maße auf. Die Grate scheinen sich aus den aus dem Loch herausgeschleuderten geschmolzenen Spritzern zu bilden, welche sich dann auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche in der Nähe des Lochumfangs mit dem Werkstück verschweißen. Eine teure Endbehandlung des Metalls ist erforderlich, um die Grate am Bohrlochumfang zu entfernen.

Im Zuge der Entwicklung des Elektronenstrahlbohrens ist versucht worden, die Parameter des Bohrvorgangs, wie etwa die Strahlenergie, die Impulsdauer und die Brenn­ punktgröße so einzustellen, daß die Gratbildung um den Umfang herum auf ein Minimum begrenzt wird. Diese Ver­ suche haben sich jedoch nicht als wirksam erwiesen, insbesondere vom Standpunkt einer wirtschaftlichen Produktion aus.

Es ist weiterhin grundsätzlich bekannt, bei der Mate­ rialbearbeitung mittels gebündelter Energiestrahlen auf der ersten Oberfläche eine Deckschicht anzuordnen.

So ist beispielsweise in der DE-OS 22 18 393 ein Verfah­ ren beschrieben, bei dem ein mittels Energiestrahls gravierbares Werkstück zur Erzielung von sehr geringen Gravurtiefen auf einer Oberfläche eine dünne Schicht aus einem Hilfswerkstoff, beispielsweise aus Kupfer, aufweist.

Gemäß einem in DE-OS 24 16 029 beschriebenen Verfahren zur Herstellung keilförmiger Flächen oder Vertiefungen mit kleinem Neigungswinkel in einer Festkörperoberfläche ist es bekannt, auf der mit Vertiefungen zu versehenen Oberfläche eine Maskierungsschicht aufzubringen, die mit einer Struktur versehen ist.

Diese beiden bekannten Verfahren sind aber nicht geeig­ net, die Bildung von Graten um ein mittels eines Ener­ giestrahles erzeugtes Bohrloch zu verhindern.

Auch bei dem in der bereits genannten DE-OS 19 25 547 beschriebenen Verfahren zur Herstellung von durchgehen­ den Löchern mittels Energiestrahlen, bei dem ein Hilfs­ stoff als Oberflächenschicht auf den zu durchbohrenden Werkstückbereichen aufgetragen wird, dient dieser Hilfs­ stoff lediglich dazu, ein miteinander Verschweißen von mehreren übereinandergelegten Werkstücken zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs und im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 genannten Art die Bildung von Graten um das Bohrloch herum zu verhindern.

Die Lösung geschieht erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die zuerst durchdrungene Oberfläche vor dem Bohren mit einer Ver­ schleißschicht aus keramischem Abdeckmaterial zu be­ schichten, so daß die während des Bohrens aus dem Bohr­ loch herausgeschleuderten, geschmolzenen Spritzer auf dieser Verschleißschicht abgesetzt werden. Das Abdeckma­ terial ist durch eine hohe Wärmebeständigkeit gekenn­ zeichnet und beeinträchtigt die Werkstückeigenschaften nicht. Der Energiestrahl kann leicht durch die Abdeck­ schicht hindurchdringen, um die erste Oberfläche zu treffen, während die auf der Abdeckschicht abgesetzten geschmolzenen Spritzer nicht durch die Schicht hindurch­ dringen, um sich mit der ersten Oberfläche zu ver­ schweißen. Weiterhin wird die Abdeckschicht durch die im Werkstück während des Bohrens erzeugte Wärme nicht merklich abgebaut, so daß die Adhäsion an der ersten Oberfläche verlorengeht.

Das Abdeckmaterial soll die Eigenschaften oder die Struktur des Werkstückes nicht durch Einbringen von Verunreinigungen während des Bohrens beeinträchtigen. Obwohl verschiedene keramische Materialien als Abdeck­ schicht geeignet sind, stellt Bornitrid, z. B. in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen Schicht auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche ein bevorzugtes Abdeck­ material dar. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel wird die Bornitridschicht durch Mischen von Bornitrid­ teilchen mit einem flüssigen Lösungsmittel, wie etwa Wasser, und einem Bindemittel und durch gleichmäßiges Aufbürsten oder Aufsprühen der Mischung auf die zuerst durchdrungene Oberfläche erzeugt. Eine haftende Borni­ tridabdeckschicht wird durch Trocknen der Beschichtung auf der Werkstückoberfläche erreicht.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsge­ mäße Verfahren beschrieben.

In der Zeichnung ist eine schematische Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung an einem Werkstück mit einer Unterla­ geschicht und einer Abdeckschicht dargestellt.

In der Zeichnung ist eine zu durchbohrende Werkstückwand 2 dargestellt, welche eine zuerst durchdrungene Ober­ fläche 4 und eine zuletzt durchdrungene Oberfläche 6 aufweist, wobei die zuerst durchdrungene Oberfläche einer Elektrodenstrahlkanone 8 gegenüberliegt, welche einen Elektronenstrahl 8 a erzeugt und zum Bohren den Strahl auf die zuerst durchdrungene Oberfläche richtet. Auf die zuletzt durchdrungene Oberfläche ist eine Schicht 10 aus Unterlagematerial aufgebracht, um beim Durchdringen des Strahls durch diese Oberfläche die überschüssige Energie zu absorbieren und um einen aus­ reichenden Dampfdruck zu erzeugen, der das Herausschleu­ dern des geschmolzenen Werkstückmaterials aus dem Ein­ gang des Loches in der zuerst durchdrungenen Oberfläche bewirkt. In üblicher Weise besteht die Unterlageschicht aus einer entfernbaren Matrix 10 a und energieabsorbie­ renden Füllerteilchen 10 b, welche in dieser Matrix gleichförmig verteilt sind.

Die Bildung von Graten um den Umfang am Eingang des zu bohrenden Loches wird verhindert, indem auf die zuerst durchdrungene Oberfläche 4 vor dem Bohren ein Abdeckma­ terial, vorzugsweise in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen Schicht 12, aufgebracht wird. Das Abdeckmaterial besitzt eine hohe Wärmebeständigkeit, so daß heiße, geschmolzene Spritzer, die aus dem Bohrloch herausgeschleudert und auf der Schicht 12 abgesetzt werden, diese nicht aufschmelzen und/oder verdampfen, um dann mit der Oberfläche 4 in Berührung zu kommen und sich mit dieser zu verschweißen. Die in der Werkstück­ wand 2 durch das Bohren erzeugte Wärme bewirkt weder einen Haftverlust, noch ein Abschälen oder starkes Verzerren der Schicht. Solange die Abdeckschicht an der zuerst durchdrungenen Oberfläche während des Bohrvorgan­ ges haften bleibt, wird die Gratbildung um den Lochum­ fang verhindert oder bleibt minimal. Selbstverständlich wird der Teil der Abdeckschicht, auf den der Elektronen­ strahl direkt auftrifft, geschmolzen und/oder verdampft, so daß der Strahl die Oberfläche 4 zum Bohren treffen kann. Im allgemeinen sind die Leistungswerte von Elek­ tronenstrahlen, welche zum Bohren von Werkstücken, wie z. B. Metallen oder Legierungen, verwendet werden, mehr als ausreichend, um den Strahl schnell durch die Abdeck­ schicht hindurchdringen zu lassen.

Eine andere, an die Abdeckschicht zu stellende Anforde­ rung besteht darin, daß sie während des Bohrvorganges die Struktur oder sonstige Eigenschaften des Werkstückes beim Bohren nicht nachteilig verändert. So darf bei­ spielsweise beim Bohren von Metallwerkstücken die Ab­ deckschicht keine Verunreinigungselemente enthalten, welche eine Versprödung oder eine andere nachteilige Beeinflussung des Werkstückes in der Umgebung des Loches bewirken. Der Fachmann wird leicht erkennen, daß das aus der Abdeckschicht auszuschließende störende Element von der jeweiligen Art des zu bohrenden Werkstückes abhängt. Zusätzlich ist es auch wünschenswert, daß das Abdeckma­ terial keine nachteiligen oder beschädigenden Wirkungen auf die Elektronenstrahlkanone ausübt, wenn zu Beginn des Bohrvorgangs die Schicht örtlich geschmolzen und/oder verdampft wird.

Verschiedene keramische Materialien haben sich zur Verwendung als Abdeckschicht beim Bohren von metal­ lischen Werkstücken, wie etwa Nickellegierungen, als geeignet herausgestellt und werden bevorzugt verwendet. Die meisten Materialien werden vorzugsweise in flüssiger oder breiiger Form auf die zuerst durchdrungene Ober­ fläche aufgebracht. So wird z. B. flüssiges Natriumsili­ kat auf die Oberfläche in Form einer Schicht aufgebracht und dann getrocknet, um die gewünschte Abdeckschicht zu bilden. Der Brei enthält normalerweise in einer ver­ dampfbaren Verdünnungsflüssigkeit, wie etwa Wasser oder einer Flüssigkeit aus organischen Verbindungen oder einer Mischung derselben, dispergierte keramische Teil­ chen und vorzugsweise ein Bindemittel bekannter Art. Auch ein Netzmittel kann in dem Brei enthalten sein, um eine gleichmäßige und durchlaufende Beschichtung der zuerst durchdrungenen Oberfläche sicherzustellen. Bei­ spiele von in Breiform aufgebrachten Abdeckschichten sind Magnesiumoxydmilch, fein zerriebene Tonerde in einem Polystyrenbindemittel, Bornitrid in einer wäßri­ gen Lösung mit einem Aluminat oder anderen Bindemitteln, in einem organischen Binder dispergierter Glassatz, der unter der Handelsbezeichung Delta Glaze 17 von Acheson Colloids Company hergestellt wird, das unter der Han­ delsbezeichnung Nicrobraze green von der Firma Colmony Corporation hergestellte Abdeckmaterial und eine von der Firma G. W. Smith and Sons, Inc. unter der Handelsbe­ zeichnung Protect-O-Metal hergestellte Schweißspritzer­ präventivschicht.

Die Abdeckschichten in Breiform können durch Bürsten, Sprühen oder andere bekannte Techniken auf die zuerst durchdrungene Oberfläche aufgebracht werden. Selbstver­ ständlich kann der Anteil an flüssigem Verdünnungsmittel und/oder Netzmittel in der Breimischung nach Wunsch verändert werden, um die richtige Streichfähigkeit oder Viskosität für die ausgewählte Auftragtechnik zu er­ reichen. Nachdem die Breimischung auf die zuerst durch­ drungene Oberfläche des Werkstückes aufgebracht worden ist, wird sie an der Luft oder im Ofen getrocknet, um die gewünschte ununterbrochene anhaftende Abdeckschicht zu erzeugen. Ein bevorzugtes Abdeckmaterial ist Bornitrid, welches in Breiform (z. B. eine etwa 50 Gewichtsprozent Bornitridteilchen und ein Bindemittel, wie etwa Na­ triumaluminat, enthaltende wäßrige Lösung) aufgebracht wird und dann an der Luft oder im Ofen getrocknet wird, um eine im wesentlichen ununterbrochene und anhaftende Bornitridabdeckschicht auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche zu erzeugen.

Eine Abdeckschicht, welche im festen Zustand auf der Werkstückoberfläche aufgebracht werden kann, besteht aus einem Hochtemperaturglasgewebe, welches unter der Han­ delsbezeichnung Mystik Tape 2001 von Borden Incorporated hergestellt wird.

Selbstverständlich hängen die Art und die Dicke der benutzten Abdeckschicht von dem zu bohrenden Werkstück, der Tiefe des zu erzeugenden Bohrloches und anderen Faktoren ab. Der Fachmann wird leicht geeignete Kombina­ tionen aus Abdeckmaterialien, Werkstückmaterialien und Schichtdicken herausfinden. Für eine Bornitridschicht, welche auf ein Werkstück aus Nickel oder einer Legierung auf Kobaltbasis aufgebracht wird, hat sich eine Schicht­ dicke der Größenordnung von 25 bis 125 µm als zufrieden­ stellend zur Verhinderung von Graten bis zu Bohrlochtie­ fen von 2 cm herausgestellt.

Obwohl das Aufbringen des Abdeckmaterials auf die zuerst durchdrungene Oberfläche in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen Schicht am einfachsten ist und bevor­ zugt wird, ist ersichtlich, daß die tatsächlich erfor­ derliche Oberflächenabdeckung nur so groß zu sein braucht, daß sie die Gratbildung in der Nähe des Bohr­ lochumfanges verhindert. So kann in verschiedenen Fällen weniger als die Gesamtoberfläche mit einer Abdeckschicht versehen werden. Selbstverständlich wird die erforder­ liche Größe der Abdeckschicht auf der zuerst durchdrun­ genen Oberfläche von der Anzahl der zu bohrenden Löcher und deren Größe abhängen.

Weil die Abdeckschichten normalerweise von der Werk­ stückoberfläche nach Beendigung des Bohrvorganges ent­ fernt wird, ist es wichtig, daß die Schicht eine Ver­ schleißschicht ist und leicht mit herkömmlichen Mitteln entfernt werden kann. Die beschriebenen keramischen Abdeckschichten können leicht mittels solcher bekannter Techniken, wie Auflösen (in heißem Wasser, starken Säuren oder Basen), Erwärmen, Abziehen und dergleichen entfernt werden.

Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel sich auf ein Loch, dessen Längsachse senkrecht zur Werkstückober­ fläche steht, bezieht, ist es selbstverständlich, daß ein oder mehrere Löcher, deren Längsachsen schiefwinklig zu den Oberflächen stehen, gebohrt werden können. Wei­ terhin ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß die beschriebene Abdeckschicht auch bei anderen Bearbei­ tungsverfahren benutzt werden kann, die einen Energie­ strahl benutzen, um Material durch das Werkstück hin­ durch zu entfernen, wie z. B. beim Laser- oder Ionen­ bohren.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bohren von Löchern, Schlitzen oder anderen Durchlässen durch eine Werkstückwand mit einer zuerst und zuletzt durchdrungenen Oberfläche durch örtlich beschränktes Auftreffen eines Energiestrahles auf die erste Oberfläche, wobei geschmol­ zene Werkstückspritzer während des Bohrens aus dem Loch heraus­ geschleudert werden und die erste Oberfläche eine Deckschicht trägt, gekennzeichnet durch Beschichten der zuerst durchdrungenen Oberfläche vor dem Bohren mit einer Verschleißschicht aus keramischem Abdeckmaterial.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahl ein Elektronenstrahl benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bornitrid zum Beschichten benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beschichten das Abdeckmaterial in flüssiger Form auf die zuerst durchdrungene Oberfläche aufgebracht und dann getrocknet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beschichten teilchenförmiges Abdeckmaterial auf die erste Oberfläche aufgebracht wird, indem ein Brei aus den Teilchen, einem Bindemittel und einem flüssigen Verdünnungsmittel gemischt, dieser Brei auf die erste Oberfläche ausgebreitet und diese Breischicht getrocknet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Bohrvorganges das Abdeckmaterial von der ersten Oberfläche entfernt wird.