WO2004087364A1 - Verfahren zur herstellung einer durchgangsbohrung in einem werkstück, verwendung dieses verfahrens zur herstellung eines spritzloches in einer düse und düse für einen injektor - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer durchgangsbohrung in einem werkstück, verwendung dieses verfahrens zur herstellung eines spritzloches in einer düse und düse für einen injektor Download PDF

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    • F02M2200/9007—Ceramic materials

Definitions

  • the present invention relates to a method and the use of a method for producing a through bore and the nozzle of an injector.
  • a protective element is arranged in the cavity in such a way that the laser beam strikes the protective element after the breakthrough through the wall of the workpiece.
  • the distance between the inner wall of the workpiece on which the through hole is formed and the protective element is particularly preferably greater than or equal to 0.10 mm.
  • the material of the protective element is preferably selected such that the protective element has a high abrasion resistance against the laser beam striking it. This ensures that as little material as possible is removed from the protective element by the laser. As a result, the risk is low that material of the protective element removed by the laser is deposited on the inner wall of the workpiece.
  • the protective element is preferably made of a material which has good scattering power and / or a sufficiently high absorption property in order to distribute the laser energy over the largest possible volume.
  • the protective element is particularly preferably made of a ceramic material.
  • the protective element can be provided particularly simply and inexpensively.
  • the protective element is particularly preferably made of a light ceramic material. The choice of a light color for the ceramic results in particularly good scattering and absorption properties of the ceramic.
  • the protective element is particularly preferably simply inserted loosely into the cavity. On the one hand, this means the introduction of the protective element in the cavity is extremely simple and also simplifies removal after the through-hole has been produced.
  • the protective element preferably has a shape such that the protective element positions itself when inserted into the cavity.
  • the protective element is particularly preferably designed as a ball.
  • the cavity preferably has a tapered, in particular conical shape. If a ball is used as the protective element, a distance can be realized particularly easily between the protective element and the inner wall, since a linear contact surface is formed between the tapering cavity and the ball, so that apart from this linear contact surface there is always a distance between the protective element and the inner wall of the cavity are present.
  • the ceramic material used for the protective element is preferably aluminum oxide or zirconium oxide.
  • the method according to the invention is particularly preferably used for the production of spray holes in fuel injection nozzles. Due to the large-scale production of such fuel injection nozzles, the method according to the invention can achieve great cost advantages with improved accuracy of the spray holes in the nozzle.
  • the single figure shows a schematic sectional view of a nozzle of a fuel injector, in which the inventive method for the production of spray holes is used.
  • a laser 3 generates a laser beam 4, which in a nozzle 1 generates a through hole designed as a spray hole 5.
  • the laser 3 is a short pulse laser, e.g. a femtosecond laser or a nanosecond laser.
  • the spray hole 5 is arranged in a blind hole 2 of the nozzle 1, more precisely in a front region of the blind hole 2.
  • a protective element 6 in the form of a ball is loosely inserted into the blind hole 2.
  • the laser beam 4 breaks through the wall of the nozzle 1, it strikes the ball 6, which is arranged in the cavity between the wall with a through hole and the opposite wall. This creates a recess 7 in the ball 6.
  • the ball 6 is arranged at a distance A from the inner wall of the cavity 2, more precisely, the region of the inner wall on which the through-hole 5 is formed.
  • the distance A between the ball 6 and the inner wall of the cavity 2 is 0.10 mm. This prevents material that is removed from the ball by the laser beam 4 impinging on the ball 6 from spraying back directly into the through hole 5 and being deposited there. As a result, the bore quality of the through bore 5 is significantly improved in comparison with the prior art.
  • the ball 6 is made of a ceramic material and has a light color in order to distribute the laser energy over the largest possible volume of the ball 6. Ceramic also has the advantage that material ablated by the laser beam is not able to close the inner wall when it hits the inner wall of the nozzle made of steel damage. The ablated ceramic material only forms a lightly adherent layer that can be easily removed. The slightly adhesive layer can be removed, for example, by means of hydro-erosive grinding.
  • tapering cavity 2 of the nozzle 1 means that when a ball 6 is used, the ball 6 positions itself independently. This results in a circular contact line K between the ball 6 and the conical region. This results in a maximum number of
  • the ball 6 shown in FIG. 1 is made of aluminum oxide and has a diameter of approximately 2 mm.
  • Laser 3 is a nanosecond laser and has an average laser power of less than or equal to 30 watts with pulse lengths of greater than or equal to 15 ns.
  • the ball 6 made of aluminum oxide withstands at least 30 seconds.
  • the method according to the invention can thus be used particularly advantageously in the production of spray holes in fuel injectors. Since the ceramic balls 6 are simply inserted, they can also be removed in the simplest way. Thus, the method according to the invention can be used particularly economically for large-scale production such as the production of injection nozzles, even if a new ball were used for each spray hole. However, since the spray holes are distributed around the circumference of the nozzle, only a single ceramic ball 6 can be used to produce all the spray holes in the nozzle 1. Of course, the method can also be designed in such a way that all the spray holes 5 are made simultaneously. be put. This results in a particularly short process time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung (5) mittels Laser (3) in einem Werkstück (1) mit Hohlraum (2), wobei ein Schutzelement (6) in dem Hohlraum (2) angeordnet wird, derart, dass nach dem Durchbruch eines von einem Laser (3) erzeugten Laserstrahls (4) durch eine Wand des Werkstücks (2) der Laserstrahl (4) auf das Schutzelement (6) trifft, wobei zwischen der Innenwand des Werkstücks (1) und dem Schutzelement (6) ein vorbestimmter Abstand (A) vorhanden ist.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER DURCHGANGSBOHRUNG IN EINEM WERKSTÜCK, VERWENDUNG DIESES VERFAHRENS ZUR HERSTELLUNG EINES SPRITZLOCHES IN EINER DÜSE UND DÜSE FÜR EINEN INJEKTOR
Beschreibung
Verfahren und Verwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Durchgangsbohrungen und Düse eines Injektors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und die Verwendung eines Verfahrens zur Herstellung einer Durchgangsbohrung und die Düse eines Injektors.
Die Verwendung von Laserstrahlen zur Herstellung von Durchgangsbohrungen in metallischen Werkstücken ist aus dem Stand der Technik bekannt. Wenn eine Durchgangsbohrung in ein Werkstück mit einem Hohlraum eingebracht werden soll, tritt jedoch das Problem auf, dass der Laserstrahl nach Durchbohren der Werkstückwand in den Hohlraum eintritt und auf die gegenüber liegende Wand des Hohlraumes trifft. Dadurch beschädigt der Laser nach dem Durchbohren der Wand auch die dem gebohrten Loch gegenüber liegende Wand.
Es ist von daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung mittels Laser in einem Werkstück mit Hohlraum bereitzustellen, welches einfach und kostengünstig ausführbar ist und insbesondere für die Großserienfertigung geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Verfahren zur Herstellung von Durchgangsbohrungen mittels Laser in Werkstücken mit Hohlraum wird ein Schutzelement derart in dem Hohlraum angeordnet, dass der Laserstrahl nach dem Durchbruch durch die Wand des Werkstücks auf das Schutzelement trifft. Dabei ist zwischen der Wand des Werk- stücks und dem Schutzelement ein vorbestimmter Abstand vorhanden. Dadurch kann erfindungsgemäß vermieden werden, dass Material, welches von dem Schutzelement durch den Laser abge- tragen wird, zurück in die Durchgangsbohrung spritzt und dort die Qualität der Durchgangsbohrung verschlechtert. Somit wird im Unterschied zu den bisher bekannten Verfahren durch die Einhaltung eines vorbestimmten Abstands zwischen dem Schutz- element und der Innenwand ein einfaches und kostengünstiges Verfahren bereitgestellt, bei dem zudem noch die Qualität der Durchgangsbohrung verbessert werden kann.
Besonders bevorzugt ist der Abstand zwischen der Innenwand des Werkstücks, an der die Durchgangsbohrung ausgebildet ist, und dem Schutzelement größer oder gleich 0,10 mm.
Weiterhin bevorzugt ist das Material des Schutzelements derart gewählt, dass das Schutzelement einen hohen Abtragwider- stand gegen den auf ihn treffenden Laserstrahl aufweist. Dadurch wird erreicht, dass möglichst wenig Material vom Schutzelement durch den Laser abgetragen wird. Dadurch ist die Gefahr gering, dass sich vom Laser abgetragenes Material des Schutzelements an der Innenwand des Werkstücks ablagert.
Vorzugsweise ist das Schutzelement aus einem Material hergestellt, welches ein gutes Streuvermögen und/oder eine ausreichend hohe Absorptionseigenschaft aufweist, um die Laserenergie auf ein möglichst großes Volumen zu verteilen.
Besonders bevorzugt ist das Schutzelement aus einem keramischen Material hergestellt. Dadurch kann das Schutzelement besonders einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Insbesondere bei Verwendung von Lasern im sichtbaren oder na- hen infraroten Wellenlängenbereich ist das Schutzelement besonders bevorzugt aus einem hellen keramischen Material hergestellt. Durch die Wahl einer hellen Farbe für die Keramik ergeben sich besonders gute Streu- und Absorptionseigenschaften der Keramik.
Besonders bevorzugt wird das Schutzelement einfach lose in den Hohlraum eingelegt. Dadurch ist zum einen das Einbringen des Schutzelements in den Hohlraum extrem einfach und ebenfalls das Entfernen nach Herstellung der Durchgangsbohrung vereinfacht.
Vorzugsweise weist das Schutzelement eine derartige Form auf, dass sich das Schutzelement beim Einlegen in den Hohlraum selbst positioniert.
Besonders bevorzugt ist das Schutzelement als Kugel ausgebil- det. Dadurch kann auf einfache Weise ein Abstand zwischen der Wand des Werkstücks und dem Schutzelement realisiert werden. Vorzugsweise weist der Hohlraum eine sich verjüngende, insbesondere konische Form auf. Wenn dabei als Schutzelement eine Kugel verwendet wird, kann besonders einfach ein Abstand zwi- sehen dem Schutzelement und der Innenwand realisiert werden, da sich zwischen dem sich verjüngenden Hohlraum und der Kugel eine linienförmige Kontaktfläche ausbildet, sodass außer an dieser linienförmigen Kontaktfläche immer ein Abstand zwischen dem Schutzelement und der Innenwand des Hohlraums vor- handen ist.
Vorzugsweise ist das keramische Material, welches für das Schutzelement verwendet wird, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders bevorzugt zur Herstellung von Spritzlöchern bei Kraftstoffeinspritzdüsen verwendet. Aufgrund der Großserienfertigung derartiger Kraft- stoffeinspritzdüsen können durch das erfindungsgemäße Verfahren große Kostenvorteile bei einer verbesserten Genauigkeit der Spritzlöcher der Düse erhalten werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht einer Düse eines Kraftstoffinjektors, bei dem das erfindungsge- mäße Verfahren zur Herstellung von Spritzlöchern angewandt wird.
Die Figur zeigt in schematischer Ansicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Laser 3 erzeugt einen Laserstrahl 4, welcher in einer Düse 1 eine als Spritzloch 5 ausgebildete Durchgangsbohrung erzeugt. Der Laser 3 ist ein Kurzpulslaser, wie z.B. ein Femtosekunden-Laser oder ein Na- nosekunden-Laser . Das Spritzloch 5 ist in einem Sackloch 2 der Düse 1, genauer in einem vorderen Bereich des Sacklochs 2, angeordnet.
Um ein Auftreffen des Laserstrahles 4 an der dem Spritzloch 5 gegenüber liegenden Wand zu verhindern, ist in das Sackloch 2 ein Schutzelement 6 in Form einer Kugel lose eingelegt. Wenn nun der Laserstrahl 4 durch die Wand der Düse 1 hindurchbricht, trifft er auf die Kugel 6, welche in dem Hohlraum zwischen der Wand mit Durchgangsbohrung und der gegenüber liegenden Wand angeordnet ist. Dadurch entsteht in der Kugel 6 eine Ausnehmung 7. Die Kugel 6 ist dabei von der Innenwand des Hohlraums 2, genauer, dem Bereich der Innenwand, an der die Durchgangsbohrung 5 ausgebildet ist, mit einem Abstand A angeordnet. Der Abstand A zwischen der Kugel 6 und der Innenwand des Hohlraums 2 beträgt dabei 0,10 mm. Dadurch wird ver- hindert, dass Material, welches durch den auf die Kugel 6 auftreffenden Laserstrahl 4 von der Kugel abgetragen wird, unmittelbar in die Durchgangsbohrung 5 zurückspritzt und sich dort ablagert. Dadurch wird die Bohrungsqualität der Durchgangsbohrung 5 im Vergleich mit dem Stand der Technik signi- fikant verbessert.
Die Kugel 6 ist aus einem keramischen Material hergestellt und weist eine helle Farbe auf, um die Laserenergie auf ein möglichst großes Volumen der Kugel 6 zu verteilen. Weiterhin hat Keramik den Vorteil, dass durch den Laserstrahl ablatier- tes Material nicht in der Lage ist, beim Auftreffen auf die Innenwand der aus Stahl hergestellten Düse die Innenwand zu schädigen. Das ablatierte Keramikmaterial bildet nur eine leicht haftende Schicht, welche leicht entfernt werden kann. Die leicht haftende Schicht kann beispielsweise mittels hydroersosive Schleifen entfernt werden.
Weiterhin wird durch den sich verjüngenden Hohlraum 2 der Düse 1 erreicht, dass bei Verwendung einer Kugel 6 sich die Kugel 6 selbstständig positioniert. Hierbei ergibt sich zwischen der Kugel 6 und dem konischen Bereich eine kreisförmige Kontaktlinie K. Dadurch wird an einer maximalen Anzahl von
Stellen ein vorbestimmter Abstand zwischen der Innenwand der Düse 1 und der Kugel 6 erhalten.
Die in Figur 1 gezeigte Kugel 6 ist aus Aluminiumoxid und weist einen Durchmesser von ca. 2 mm auf. Der Laser 3 ist ein Nanosekunden-Laser und hat eine mittlere Laserleistung kleiner gleich 30 Watt bei Pulslängen von größer gleich 15 ns . Bei einem derartigen Laser hält die aus Aluminiumoxid hergestellte Kugel 6 mindestens 30 Sekunden stand. Somit besteht bei der Herstellung der Durchgangsbohrung 5 keine Gefahr, dass der Laserstrahl 4 die Kugel 6 durchbohren könnte und an der gegenüber liegenden Wandseite auftreffen könnte.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit insbesondere vor- teilhaft bei der Herstellung von Spritzlöchern bei Kraftstoffinjektoren verwendet werden. Da die Keramikkugeln 6 einfach nur eingelegt werden, können sie auch auf einfachste Weise wieder entfernt werden. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders wirtschaftlich für eine Großserienproduktion wie die Produktion von Einspritzdüsen verwendbar, selbst wenn für jedes Spritzloch eine neue Kugel eingesetzt werden würde. Da die Spritzlöcher an der Düse jedoch rundum deren Umfang verteilt sind, kann auch nur eine einzige keramische Kugel 6 verwendet werden, um alle Spritzlöcher in der Düse 1 herzu- stellen. Selbstverständlich kann das Verfahren auch derart ausgestaltet sein, dass alle Spritzlöcher 5 gleichzeitig her- gestellt werden. Dadurch wird eine besonders kurze Verfahrenszeit erhalten.
Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Ä- quivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung (5) in einem Werkstück (1) mittels Laser mit Hohlraum (2), da- durch gekennzeichnet, dass ein Schutzelement (6) in dem Hohlraum (2) angeordnet wird, derart, dass nach dem Durchbruch eines von einem Laser (3) erzeugten Laserstrahls (4) durch eine Wand (9) des Werkstücks (2) der Laserstrahl (4) auf das Schutzelement (6) trifft und zwischen der Innen- wand des Wertstücks (1) und dem Schutzelement (6) ein gegebener Mindestabstand (A) vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand (A) größer oder gleich 0, 10 mm ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) aus einem Material hergestellt ist, welches einen hohen Abtragwi- derstand gegenüber dem Laserstrahl (4) aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) aus einem Material hergestellt ist, welches eine hohe Streuwir- kung bezüglich des Laserstrahls (4) aufweist und/oder welches eine ausreichende Absorptionseigenschaft für den Laserstrahl (4) aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) aus keramischem Material hergestellt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) aus einem hellen kerami- sehen Material hergestellt ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) lose in den Hohlraum (2) eingelegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) eine derartige Form aufweist, dass sich das Schutzelement (6) beim Einlegen in den Hohlraum (2) selbst positioniert.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) als Kugel ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (2) eine sich verjüngende, insbesondere konische Form aufweist, an welcher das Schutzelement (6) anliegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material Aluminiumoxid oder Zirkonoxid ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- ■ durch gekennzeichnet, dass der Laser ein Kurzpuls- Laser, insbesondere eine Femtosekunden-Laser oder ein Nanose- kunden-Laser ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (6) zu- mindest teilweise bei Auftreten des Laserstrahls (4) schmilzt und/oder verdampft.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (14) nach einem oder mehreren Laserpulsen ausgetauscht wird, vorzugsweise nach Bohren eines Loches in einer Düse.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Wand (9) gegenüberliegende Wand (8) durch das Schutzelement (6) vor dem Auf- treffen des Laserstrahls (4) geschützt wird.
16. Verwendung eines Verfahrens zur Herstellung einer Durchgangsbohrung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Spritzlochs zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine.
17. Düse eines Injektors mit Einspritzöffnungen, die nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche hergestellt wird.
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