DE4443148C2 - Verfahren zum Verrunden eines Grates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verrunden eines Stanzgrates gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist allgemein üblich, Durchbrüche an einem Werkstück durch Stanzen herzustellen. Durch den mittlerweile erreich­ ten hohen Präzisionsstandard ist es möglich geworden, Mikro­ durchbrüche in äußerst dünnwandige Teile zu stanzen, wobei sich gegenüber traditionellen Alternativen, wie beispiels­ weise Bohren oder Erodieren, erhebliche Kostenvorteile erzielen lassen. Dies gilt insbesondere auch für den Bereich einer automatisierten Massenfertigung, bei der die Bauteile an einem Trägerband aneinandergereiht und in sehr kurzen Zykluszeiten gestanzt werden.

Ein besonders interessanter und wichtiger Anwendungsfall betrifft die Herstellung von Spritzlochscheiben, wie sie in Einspritzanlagen von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Typischerweise bestehen derartige Spritzlochscheiben aus einer flachen Stahl- oder Edelstahlscheibe mit einer Dicke von 0,3 mm oder weniger, die mit einer kleinen Bohrung bzw. einem kreisförmigen Durchbruch mit einem Durchmesser von etwa 0,1 bis 0,5 mm versehen ist. Äußerst kritisch ist hierbei das präzise Einhalten des vorgegebenen Durchmessers, um eine bestimmte Durchflußmenge je Zeiteinheit innerhalb enger Grenzen einhalten zu können. So ist beispielsweise gefordert, daß der Durchmesser mit einer Genauigkeit von bis zu 1 µm eingehalten werden muß. Auch darf das Bauteil keine Deformationen aufweisen, insbesondere nicht im Bereich des Durchbruchs selbst.

Im Sinne einer optimalen Geometrie dem austretenden Treib­ stoffstrahls müssen weitere Randbedingungen eingehalten werden, wie beispielsweise eine exakte Rundheit des Durch­ bruchs, eine optimale Beschaffenheit der Lochwandung oder die Einhaltung eines vorgegebenen Winkels der Durchbruch­ achse in Bezug auf die Scheibenoberfläche.

Fertigungsbedingt weist der Durchbruch nach dem Stanzen verschiedene axiale Abschnitte auf, nämlich den sogenannten Einzug, den sich anschließenden Glattschnittbereich, die sich hieran anschließende Bruchzone sowie einen Abschnitt, der durch den Stanzgrat gebildet ist. Der Stanzgrat umgibt den Rand des Durchbruchs und überragt die übrige Oberfläche der Spritzlochscheibe. Die Höhe des Grats beträgt beim vorstehend beschriebenen Anwendungsfall typischerweise etwa 0,02 mm.

Dieser Stanzgrat muß aus verschiedenen Gründen verrundet werden. Falls die Teile als Schüttgut gehandhabt werden oder anderweitig einer Berührung ausgesetzt sind, kann der Stanz­ grat in die Bohrung umgelegt werden. Dies hat negative Auswirkungen auf die Durchflußeigenschaften, insbesondere auf die Strahlgeometrie, zudem stellen sich Probleme bei der Einbindung in einem automatisierten Fertigungsprozeß. Es wurden deshalb eine Reihe von Versuchen unternommen, den Stanzgrat einer Spritzlochscheibe zu verrunden. Eine grund­ sätzliche Möglichkeit besteht darin, den Grat durch Gleit­ schleifen zu entfernen. Nachteilig ist jedoch, daß hierbei ein Sekundärgrat erzeugt wird, das angestrebte Verrunden somit kaum erreicht werden kann. Zudem besteht die Gefahr, daß Sägespäne aus dem Trocknungsvorgang und/oder Scheuermit­ telreste im Durchbruch hängen bleiben und diesen verstopfen und eine nachgeschaltete Kontrolle der Teile erforderlich machen.

Auch führt eine chemische Behandlung des Grats nicht zu dem gewünschten Erfolg, da diese nicht gezielt auf den Grat ausgerichtet werden kann, sondern die gesamte Spritzloch­ scheibe erfaßt. Insbesondere unterliegt auch der eigentliche Durchbruch dem durch die chemische Behandlung erzielten Abtrag von Material, so daß ein maßgenaues Einhalten eines bestimmten Durchmessers kaum möglich ist.

Dem Grunde nach ist aus der DE 40 20 700 A1 bekannt, einen Stanzgrat, wie er bei Federn von Mikroschleifkontakten auftritt, durch einen Laserstrahl zu verrunden. Dort wird vorgeschlagen, einen vorzugsweise defokussierten Laserstrahl auf die Kante auszurichten und solange einwirken zu lassen, bis die Oberfläche so weit erweicht bzw. aufgeschmolzen ist, daß sich die gewünschte Verrundung einstellt. Daraufhin wird der Erwärmungsvorgang abgebrochen und die Kante erstarrt abgerundet. Eine Übertragung dieser Technologie auf den vorliegenden Anwendungsfall scheitert jedoch daran, daß es mit vertretbarem Aufwand nicht gelingt, die Spritzloch­ scheibe ausreichend präzise so zu positionieren, daß der Stanzgrat exakt innerhalb des defokussierten Laserstrahls zu liegen kommt. Dies hätte zur Folge, daß der Stanzgrat nicht ausreichend gleichmäßig erwärmt und damit verrundet wird.

Nun ist es zwar denkbar, den Laserstrahl stärker zu defoku­ sieren, so daß auch bei Abweichungen von der idealen Posi­ tion der Stanzgrat vollständig vom Laserstrahl erfaßt wird, jedoch stellt sich dann das Problem, daß nicht nur der Stanzgrat, sondern benachbarte Bereiche der Spritzlochschei­ be erwärmt werden. Dies muß jedoch vermieden werden, um eine Deformation der Scheibe zu verhindern. Im ungünstigsten Fall kann es auch zu einem partiellen Aufschmelzen des Durch­ bruchs und damit zu einer unzulässigen Änderung der Geo­ metrie kommen. Diese Erwärmungsproblematik resultiert aus den geringen Abmessungen der Scheibe, da die vom Laserstrahl eingetragene Wärmeenergie nicht in dem erforderlichen Umfang abgeführt werden kann.

Aus der DE 33 44 709 A1, von der die Erfindung ausgeht, ist ein Verfahren zum Verrunden eines Grates am Rand eines Durch­ bruchs bekannt, bei dem der Grat durch einen Laserstrahl eines Dauerstrichlasers geringer Leistung lokal erwärmt wird. Gemäß einer von mehreren Varianten überstreicht der Laser­ strahl zeilenweise den gratbehafteten Bereich des Durch­ bruchs. Die Leistung des Lasers ist hierbei so gewählt, daß der Grat durch Verdampfen des Materials vollständig entfernt wird.

Eine Anwendung dieses bekannten Verfahrens bei dünnwandigen Bauteilen, beispielsweise zum Entfernen eines Stanzgrates von Mikrodurchbrüchen, scheitert daran, daß die durch den Dauer­ strichlaser eingetragene Wärmemenge das Stanzteil thermisch zu stark belastet und damit deformiert.

Schließlich ist aus der EP 0 038 297 B1 ein weiteres Verfah­ ren bekannt, mit dessen Hilfe eine gratbehaftete Kante, bei­ spielsweise die Schneide eines chirurgischen Instruments, durch ein einmaliges Entlangführen eines Laserstrahls be­ arbeitet wird. Die örtlich zugeführte Energiemenge wird hier­ bei so hoch gewählt, daß nicht nur der Grat entfernt wird, sondern die Oberflächenschichten im behandelten Bereich ge­ härtet werden. Eine Übertragung dieses Verfahrens auf den hier vorgesehenen Anwendungsfall scheitert ebenfalls an dem zu hohen Energieeintrag.

Der Erfindung lag deshalb das Problem zugrunde, ein gat­ tungsgemäßes Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches zuverlässig die Verrundung eines Grats am Rand eines Mikrodurchbruches, insbeson­ dere einer als dünnwandiges Stanzteil hergestellten Spritzlochscheibe, ermöglicht, ohne das Teil, vor allem den Durchbruch als solchen, zu deformieren oder in sonstiger Weise zu verändern.

Das Problem wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Die Erfindung basiert auf der Idee, den Grat lediglich lokal zu erwärmen und den für die Verrundung erforderlichen Erweichungs- bzw. Aufschmelzvorgang in mehreren Teilschrit­ ten ablaufen zu lassen. Damit wird erreicht, daß das Teil bzw. die Spritzlochscheibe im übrigen nicht nennenswert erwärmt wird, so daß die Gefahr einer Deformation zuverläs­ sig vermieden wird. Durch das Aufteilen der Verrundung in mehrere Einzelschritte ergibt sich zudem eine sehr viel feinere und präzisere Struktur im Verrundungsbereich, die auf andere Art und Weise bisher nicht erzielbar war.

Konkret wird zu diesem Zweck ein gepulster Laserstrahl geringer Leistung zeilenweise über den stanzgratbehafteten Bereich des Durchbruchs geführt, wobei die Leistung in Verbindung mit der Geschwindigkeit, mit der der Strahl die Bearbeitungszone bestreicht, so gewählt wird, daß lediglich lokal begrenzt und auf den unmittelbaren Bereich der Grat­ oberfläche beschränkt das Material erweichen, aufschmelzen und im begrenzten Umfang an exponierten Strukturen verdamp­ fen kann und lediglich der jeweils gerade überstrichene Oberflächenabschnitt partiell verrundet wird. Auf diese Weise wird zeilenweise eine Art Raster über den Bearbei­ tungsbereich gelegt. Danach wird der Vorgang wiederholt und zwar so oft, bis die gewünschte Verrundung vollständig erreicht ist.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Bearbei­ tungsrichtung bei jedem Bearbeitungsschritt zu ändern, so daß die einzelnen Raster winkelversetzt zueinander verlau­ fen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Ablenkrichtung des Laserstrahls, der die jeweiligen Zeilen vorgibt, bei jedem neuen Arbeitsschritt einen anderen Wert annimmt.

Bevorzugt wird der jeweilige Winkelversatz so gewählt, daß nach Abschluß des Bearbeitungsvorgangs sämtliche Winkelsek­ toren gleichmäßig belegt sind. Mathematisch ausgedrückt beträgt der Winkelversatz

wobei n die Anzahl der einzelnen (Teil-)Bearbeitungsschritte angibt. Hierbei ist an sich unerheblich, ob der gemäß vor­ stehender Formel errechnete Winkelversatz durch umlaufendes Weiterrücken erreicht wird, oder aber beispielsweise im zweiten Teilschritt zunächst ein um 90° versetztes Raster gelegt und erst danach die dazwischen liegenden Winkelsekto­ ren überstrichen werden.

Bevorzugt wird der vom Laserstrahl überstrichene Bereich zumindest etwas größer gewählt als der stanzgratbehaftete Bereich, so daß hinsichtlich der Positioniergenauigkeit des zu bearbeitenden Teils keine allzu hohen Anforderungen stehen. Aufgrund der geringen Leistung des Laserstrahls besteht hier keine Gefahr, daß das Teil außerhalb des Grats zu stark erwärmt wird. Die lokal auftreffende Wärme­ menge kann problemlos abgeführt werden und sorgt lediglich beim Grat selbst zu der für die Verrundung erforderli­ chen Erweichung bzw. Aufschmelzung. Dies rührt daher, daß im Bereich des Grats der Materialquerschnitt sehr viel geringer ist als in den übrigen Bereichen des Stanzteils, so daß insbesondere an der zerklüfteten Oberfläche eines Stanzgrats örtlich ein Hitzestau entsteht, der den erwünschten Verrun­ dungseffekt ergibt.

Weitere Vorteile, insbesondere Kostenvorteile lassen sich erzielen, sofern zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls geringer Leistung ein an sich bekannter und handelsüblicher Beschriftungslaser verwendet wird. Derartige Beschriftungs­ laser sind äußerst kostengünstig und sind zudem mit einer Steuerung ausgestattet, die auf einfache Art und Weise das zeilenweise Abtasten des Bearbeitungsbereichs nach Art eines mehrfachen Scannens ermöglichen. Auch lassen sich die Lei­ stungsabgabe und die Pulsfolgefrequenz in weiten Grenzen variieren. Häufig befindet sich ohnehin ein derartiger Beschriftungslaser in der Produktionslinie, um die Teile zu kennzeichnen bzw. zu beschriften. Dieser läßt sich somit zusätzlich für das Verrunden des Grats verwenden, ohne daß es eines größeren Eingriffs bedürfte.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines konkreten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert.

Bei den zu entgratenden Teilen handelt es sich um Spritzlochscheiben mit einer Dicke von weniger als 0,3 mm, in die ein kreisrunder Durchbruch mit einem Durchmesser von 0,3 mm gestanzt ist. Der Grat wird durch mehrfaches Scannen mit einem Beschriftungslaser verrundet, der folgende Daten aufweist:

Laserleistung: max. 150 W
Pulsfolgefrequenz: max. 100 kHz
Vorschubgeschwindigkeit: max. 3 m/sec
Fokusdurchmesser: min. 0,02 mm.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verrunden eines Grates am Rand eines (Mi­ kro-)Durchbruchs, insbesondere einer als dünnwandiges Stanz­ teil hergestellten Spritzlochscheibe, bei dem der Grat durch einen Laserstrahl geringer Leistung, welcher zeilenweise und damit sukzessive zumindest den gesamten gratbehafteten Bereich des Durchbruchs überstreicht, lokal erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Grat mit einem gepulsten Laserstrahl, der maximal eine Leistung von 150 W aufweist, durch Erweichen und Aufschmelzen der überstrichenen Oberfläche partiell ver­ rundet wird, und daß dieser Bearbeitungsschritt so oft wie­ derholt wird, bis die gewünschte Verrundung vollständig er­ reicht ist, wobei die Zeilenrichtung eines Bearbeitungs­ schritts jeweils mit der Zeilenrichtung des vorangegangenen Bearbeitungsschritts einen Winkel einschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstanter Winkel (V) von 180°/n gewählt wird, wobei n der Anzahl der Bearbeitungsschritte entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Laserstrahl überstrichene Bereich größer gewählt wird als der gratbehaftete Bereich des Durchbruchs.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser mit geringer Ausgangsleistung verwendet wird.