DE3934587A1 - Verfahren zum herstellen von mittels laserstrahlung erzeugter, hochpraeziser durchgangsbohrungen in werkstuecken - Google Patents
Verfahren zum herstellen von mittels laserstrahlung erzeugter, hochpraeziser durchgangsbohrungen in werkstueckenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mittels
Laserstrahlung erzeugter, hochpräziser Durchgangsbohrungen in Werk
stücken, insbesondere durchflußbestimmender Spritzbohrungen für die
Kraftstoffeinspritzung in Einspritzdüsen.
Durch die EP-A 02 99 143
ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Bohrungen
mit kleinem Durchmesser in Einspritzdüsen bekannt geworden. Bei
diesem Verfahren wird zunächst mittels eines Laserstrahls eine
Bohrung mit Untergröße, das heißt mit kleinerem Durchmesser als dem
Solldurchmesser, hergestellt. Anschließend wird die Laserbohrung
durch elektrisches Entladungsbohren auf ihren Solldurchmesser ge
bracht. Hierzu wird in die Laserbohrung eine Drahtelektrode einge
führt, die an der Bohrungswand durch Funkenerosion einen Materialab
trag vorgegebener Größe bewirkt. Die ringförmige Zone zwischen dem
Außenmantel der Elektrode und der Bohrungswand wird von einem
Elekrolyten durchflossen, welcher die Erodierpartikel wegspült.
Damit lassen sich glattflächige, zylindrische Bohrungen mit hohem
Genauigkeitsgrad in Werkstücken herstellen, deren die Bohrungen ent
haltende Wand wegen auftretender Belastungen, beispielsweise wegen
hoher Drücke verhältnismäßig dick sein muß.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß Durchgangsbohrungen
in Werkstücken, welche eine relativ große Wandstärke aufweisen, aus
schließlich durch Laserbohren mit ausreichender Genauigkeit in einem
einzigen Arbeitsgang hergestellt werden können. Der Genauigkeitsge
winn gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen das Loch durch
gehend mit der gleichen Lochgeometrie durch Laserbearbeitung herge
stellt wird, ergibt sich daraus, daß die Länge des durchflußbestim
menden Teils der Bohrung nur einen Bruchteil der Wandstärke des
Werkstücks beträgt. Dadurch reduzieren sich die durch die Geometrie
des Laserstrahls bedingten Abweichungen der Bohrung hinsichtlich
Sollform und Solldurchmesser auf ein tragbares Minimum.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich. So kann in einer ersten Bohrphase
eine den größeren Durchmesser aufweisende Sacklochbohrung über einen
Teil des Werkstückquerschnitts hergestellt und daran anschließend in
einer zweiten Bohrphase der Restquerschnitt des Werkstücks mit dem
Solldurchmesser durchbohrt werden. Umgekehrt ist es möglich, in
einer ersten Bohrphase eine den Solldurchmesser aufweisende Sack
lochbohrung über einen Teil des Werkstückquerschnitts herzustellen
und daran anschließend in einer zweiten Bohrphase den Restquer
schnitt des Werkstücks mit dem größeren Durchmesser zu durchbohren.
Die beiden Teile der Durchgangsbohrung können sowohl von einer Seite
als auch von entgegengesetzten Seiten des Werkstücks hergestellt
werden. Hierzu können zwei Laser eingesetzt werden. Bevorzugt werden
jedoch die beiden Bohrungen mit Hilfe eines Lasers erzeugt, wozu
die Laserstrahlung in mehrere unterschiedliche Brennpunkte und/oder
Öffnungswinkel aufweisende Bohrstrahlen aufgegliedert wird, die eine
unterschiedliche Strahlleistung haben können. Dabei haben die zur
Herstellung des den größeren Durchmesser aufweisenden Bohrungsteils
dienenden Bohrstrahlen eine höhere Strahlleistung als diejenigen
Bohrstrahlen, mit denen der Restquerschnitt des Werkstücks mit dem
Solldurchmesser durchbohrt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten
de, schematisch dargestellte Vorrichtung zum Herstellen einer Durch
gangsbohrung in einem Werkstück,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein
vergrößert dargestelltes, fertig gebohrtes Werkstück.
Gemäß Fig. 1 wird in eine relativ dicke Wand 1 eines Werkstücks,
insbesondere einer Kraftstoff-Einspritzdüse, eine Durchgangsbohrung
2 eingeschossen. Das Werkstück wird durch einen nicht gezeigten
Halter in vorgegebenen Positionen gehalten. Die Durchgangsbohrung 2
besteht aus zwei koaxial zueinander liegenden Teilen 3 und 4
(Fig. 2). Der Bohrungsteil oder Bohrungsabschnitt 3 ist als Sack
lochbohrung ausgebildet, die einen größeren Durchmesser aufweist als
der sich daran anschließende Bohrungsabschnitt 4, welcher eine
zylindrische oder nahezu zylindrische Form mit dem für die Bohrung
vorgegebenen Solldurchmesser hat. Zum Herstellen der Durchgangs
bohrung 2 dient eine von einem Laser 5 erzeugte Strahlung. Wie aus
Fig. 1 ersichtlich, fällt das vom Laser 5 ausgehende, zylindrische
Strahlenbündel 6 auf einen Spiegel 7, welcher die Strahlung in
Richtung der Wand 1 des Werkstücks umlenkt. Der Umlenkwinkel beträgt
in dem Ausführungsbeispiel 90 Grad. Die Laserstrahlung könnte auch
unter einem anderen Umlenkwinkel oder unter Verzicht auf einen
Umlenkspiegel direkt auf die Wand 1 des Werkstücks gerichtet werden.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das vom Laser 5 erzeugte Strahlen
bündel 6 durch ein zwischen dem Umlenkspiegel 7 und der Wand 1 des
Werkstücks angeordnetes einstellbares Linsensystem 8 in einen ersten
Bohrstrahl 9 mit größerem Öffnungswinkel und in einen zweiten Bohr
strahl 10 mit kleinerem Öffnungswinkel umgeformt, deren Brennpunkte
mit P1 beziehunsweise P2 bezeichnet sind. Der Brennpunkt P1
des ersten Bohrstrahls 9 liegt innerhalb der Wand 1 unterhalb der
tiefsten Stelle der einen größeren Durchmesser als den Solldurch
messer aufweisenden Sacklochbohrung 3. Der Brennpunkt P2 des
zweiten Bohrstrahls 10 liegt außerhalb der Wand 1, damit der
Bohrungsabschnitt 4 mit dem Solldurchmesser eine möglichst
zylindrische Form erhält. Im übrigen muß die genaue Lage der Brenn
punkte abhängig von der Werkstoffart sowie der gewünschten Form der
Bohrung und deren Durchmesser empirisch ermittelt werden.
Bei der Herstellung der Durchgangsbohrung 2 kann so vorgegangen
werden, daß in einer ersten Bohrphase mittels des Bohrstrahls 9
zunächst die Sacklochbohrung 3 mittels eines oder mehrerer Laser
impulse mit vorgegebener Energieverteilung hergestellt wird. Die
Wand 1 des Werkstücks befindet sich dabei in der in Fig. 1 ausge
zogenen gezeichneten Lage unterhalb des Linsensystems 8. An
schließend daran wird nach Umstellung des Linsensystems 8 in einer
zweiten Bohrphase mittels des zweiten Bohrstrahls 10 der Restquer
schnitt der Wand 1 mit dem Solldurchmesser (Bohrungsabschnitt 4)
durchbohrt. Die Wand 1 des Werkstücks wird zuvor in Richtung der
optischen Achse des Linsensystems 8 in die in Fig. 1 gestrichelt
dargestellte Lage überführt. Die Strahlleistung der Bohrstrahlungen
9, 10 sowie die Anzahl der zum Herstellen der Bohrungsabschnitte 3,
4 erforderlichen Laserimpulse sind abhängig von der Art des Werk
stoffs und der Wanddicke des Werkstücks am Laser 5 vorwählbar. Auch
ist es denkbar, die erforderlichen Parameter zur Steuerung des
Lasers während der Bearbeitung unmittelbar am Werkstück abzufragen
und in den Laser einzuspeisen.
In anderer Weise kann die Durchgangsbohrung 2 von entgegengesetzten
Seiten der Wand 1 hergestellt werden. Hierzu kommen entweder zwei
Laseraggregate zum Einsatz oder die Bohrungen 3, 4 werden mittels
eines einzigen Lasers durch entsprechende Strahlumlenkung
oder -führung auf die Oberseite und die Unterseite der Wand 1 er
zeugt. Die Sacklochbohrung 3 wird dabei vorzugsweise per Strahl
weiche und Lichtleitkabel (z. B. bei Nd:YAG-Laserstrahlung) und die
den Solldurchmesser aufweisende Bohrung 4 über eine Linsenoptik her
gestellt.
Eine umgekehrte Bearbeitungsfolge ist ebenfalls möglich. Zunächst
wird eine Sacklochbohrung mit dem Solldurchmesser erzeugt. An
schließend daran wird eine mit der Sacklochbohrung fluchtende und in
diese übergehende Bohrung mit größerem Durchmesser von der anderen
Wandseite her eingebracht. Während des zweiten Verfahrensschrittes
wird die Erstbohrung in geeigneter Weise, beispielsweise durch ein
Schutzgas oder dergleichen vor dem Aufschmelzen und vor Werkstoffab
lagerungen geschützt. Für diese Verfahrensvariante spricht, daß
lasergebohrte Sacklochbohrungen einen höheren Genauigkeitsgrad auf
weisen als Durchgangsbohrungen.
Es wäre auch denkbar, die Lage der Brennpunkte P1 und P2 bezüg
lich des Werkstücks während des Bearbeitungsprozesses in vorgege
benen Grenzen durch Verstellung des Linsensystems 8 und/oder durch
Verlagerung der Wand 1 des Werkstücks in Richtung des in Fig. 1
eingezeichneten Doppelpfeils stufenlos zu verändern, um dadurch eine
gewünschte Kontur der Durchgangsbohrung herzustellen.
Die Länge der den Solldurchmesser aufweisenden Bohrung 4 muß so ge
halten werden, daß die Strahlrichtwirkung der Bohrung für die Ein
spritzung von Kraftstoff erhalten bleibt. Bei herkömmlichen Ein
spritzdüsen reicht hierfür etwa ein Drittel der Wandstärke aus.
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen von mittels Laserstrahlung erzeugter,
hochpräziser Durchgangsbohrungen in Werkstücken, insbesondere durch
flußbestimmender Spritzbohrungen für die Kraftstoffeinspritzung in
Einspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (3) der Durch
gangsbohrung (2) mit einem größeren Durchmesser als dem Solldurch
messer hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer
ersten Bohrphase eine den größeren Durchmesser aufweisende Sackloch
bohrung (3) über einen Teil des Werkstücksquerschnitts hergestellt
wird und daran anschließend in einer zweiten Bohrphase der Restquer
schnitt des Werkstücks (1) mit dem Solldurchmesser (4) durchbohrt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer
ersten Bohrphase eine den Solldurchmesser aufweisende Sackloch
bohrung über einen Teil des Werkstückquerschnitts hergestellt wird
und daran anschließend in einer zweiten Bohrphase der Restquer
schnitt des Werkstücks (1) mit dem größeren Durchmesser durchbohrt
wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß beide Teile (3, 4) der Durchgangsbohrung (2) von
einer Seite des Werkstücks (1) aus hergestellt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Teile (3, 4) der Durchgangsbohrung (2) von
entgegengesetzten Seiten des Werkstücks (1) aus hergestellt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Laserstrahlung (6) in mehrere unterschiedliche
Brennpunkte und/oder Öffnungswinkel aufweisende Bohrstrahlen (9, 10)
aufgegliedert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur
Herstellung des den größeren Durchmesser aufweisenden Bohrungsteils
(3) dienenden Bohrstrahlen (9) und diejenigen Bohrstrahlen (10), mit
denen der Restquerschnitt des Werkstücks (1) mit dem Solldurchmesser
(4) durchbohrt wird, unterschiedliche örtliche und zeitliche
Energieverteilungen haben.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungslaser (5) ein einstell
bares Linsensystem (8) aufweist, das die Laserstrahlung (6) in
mindestens zwei Bohrstrahlen (9, 10) mit unterschiedlichem Durch
messer aufgliedert, wobei die Brennpunkte (P1, P2) der Bohr
strahlen auf der optischen Achse gelegen sind.
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