DE112009000138T5

DE112009000138T5 - Laserbearbeitungsvorrichtung und Laserbearbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE112009000138T5
Application number: DE112009000138T
Authority: DE
Inventors: Takashi Hagagun Kobayashi; Katsuyuki Hagagun Nakajima; Hiroaki Hagagun Yamagishi; Akihiro Hagagun Nemoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-01-17
Also published as: DE112009000138B4; CN101909808A; US20100282727A1; CN101909808B; WO2009091020A1; US8258429B2

Abstract

Laserbearbeitungsvorrichtung (10) zum Ausbilden eines Durchgangslochs (6) in einem geschlossenen Bereich eines hohlen Werkstücks (3) aus Metall, indem ein Nanosekunden-Laserstrahl und/oder ein Pikosekunden-Laserstrahl darauf angewendet wird, welche aufweist:
einen Laserbearbeitungskopf (14) mit einem ersten Laseroszillationsmechanismus (82) zum Anwenden des Nanosekunden-Laserstrahls und einem zweiten Laseroszillationsmechanismus (84) zum Anwenden des Pikosekunden-Laserstrahls;
einen Dreh- und Haltemechanismus (12) zum Halten des Werkstücks (3) aus Metall und Drehen des Werkstücks (3) aus Metall um dessen Bereich, auf den der Nanosekunden-Laserstrahl und/oder der Pikosekunden-Laserstrahl angewendet wird;
einen Dampfentfernungsmechanismus zum Absaugen eines Metalldampfs, der von dem Werkstück (3) aus Metall erzeugt wird, wenn das Durchgangsloch (6) darin ausgebildet wird; und
Steuereinrichtungen zum Steuern der Betätigung und Abschaltung des Laserbearbeitungskopfs (14), des Dreh- und Haltemechanismus (12) und des Dampfentfernungsmechanismus.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungs-(Arbeits-)Vorrichtung und ein Laserbearbeitungs-(Arbeits-)Verfahren zur Ausbildung eines Durchgangslochs in einem Werkstück durch Anwenden eines Laserstrahls auf das Werkstück.
Hintergrundtechnik
13 ist eine schematische Vorderaufrissansicht eines Brennstoffeinspritzventils 1 in seiner Gesamtheit für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Das Brennstoffeinspritzventil 1 hat eine Düsenhalterung 2 und eine Brennstoffeinspritzdüse 3 aus Metall, die auf einem Spitzenende der Düsenhalterung 2 gehalten wird. Die Bezugsnummer 4 stellt eine Einlassöffnung zum Einsaugen eines Brennstoffs dar.
14 ist eine schematische unvollständige vertikale Querschnittansicht eines Spitzenendes der Brennstoffeinspritzdüse 3. Wie in 14 gezeigt, ist das Spitzenende der Brennstoffeinspritzdüse 3 als ein hohler Abschnitt aufgebaut, in den eine Düsennadel 5 eingesetzt ist. Wenn die Düsennadel 5 verschoben wird, wird der hohle Abschnitt der Brennstoffeinspritzdüse 3 mit einer Vielzahl von Einspritzlöchern 6 (in 14 sind nur zwei gezeigt), die durch das Spitzenende der Brennstoffeinspritzdüse 3 definiert sind, in eine Fluidverbindung gebracht, oder diese wird unterbrochen, wobei ein Brennstoffdurchgang geöffnet oder geschlossen wird.
In jüngster Zeit werden Einspritzlöcher 6 unter Verwendung eines Laserstrahls als Durchgangslöcher ausgebildet. Mit anderen Worten, es wird ein Laserbearbeitungsverfahren durchgeführt, um die Einspritzlöcher 6 auszubilden.
Der Laserstrahl wird von außerhalb des Spitzenendes auf das Spitzenende angewendet. Der Laserstrahl schmilzt die Wand des Spitzenendes von dessen Außenwandoberfläche in Richtung seiner Innenwandoberfläche. Schließlich wird die Innenwandoberfläche geschmolzen, um ein Einspritzloch 6 zu bilden. Eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die einen Laserstrahl für ein derartiges Bearbeitungsverfahren anwendet, ist zum Beispiel in dem japanischen Patent. Nr. 2623296 offenbart.
Wenn das vorstehende Laserbearbeitungsverfahren durchgeführt wird, kann der fokussierte Laserstrahl keine wirklich kreisförmige Querschnittform haben, was dazu neigt, eine Verringerung der Genauigkeit des Durchmessers und der Rundheit der Einspritzlöcher zu ergeben. Zum Zwecke der Beseitigung des vorstehenden Nachteils und zur Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit schlägt die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2001-150248 ein Funkenerosionsverfahren zur Endbearbeitung eines durch ein Laserbearbeitungsverfahren ausgebildeten kleinen Lochs vor, und die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2001-212685 schlägt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks durch Anwenden eines Laserstrahls mit ultrakurzen Impulsen, wie etwa eines Femtosekunden-Laserstrahls oder ähnliches, vor, nachdem das Werkstück von einem ersten Laserstrahl vorgeheizt wurde.
Der in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2001-150248 offenbarte bisherige Stand der Technik wird nachstehend unter Bezug auf 15 und 16 kurz beschrieben.
Zuerst wird, wie in 15 gezeigt, ein Laserbearbeitungskopf 101 in eine Position direkt über einer Lochbearbeitungsposition auf einem Werkstück 102 bewegt. Der Laserbearbeitungskopf 101 wendet einen Laserstrahl 103 an, um ein Vorbohrungsloch 104 durch das Werkstück 102 auszubilden.
Dann wird, wie in 16 gezeigt, ein Funkenerosions-Bearbeitungskopf 105 entlang eines sich bewegenden Trägers 107 in eine Position direkt über dem Vorbohrungsloch 104 bewegt. Dann wird eine Elektrode 106 abgesenkt und führt ein Funkenerosionsbearbeitungsverfahren durch, um das Vorbohrungsloch 104 zu einem Durchgangsloch mit einem vorgegebenen Durchmesser zu vergrößern.
Offenbarung der Erfindung
Wie in dem vorstehenden bisherigen Stand der Technik beschrieben, wird der Laserstrahl in dem Laserbearbeitungsverfahren auf das ortsfeste Werkstück angewendet. Da der Laserstrahl eine hohe Energiedichte hat, ist es jedoch wahrscheinlich, dass der Bereich des Werkstücks, wo das Durchgangsloch ausgebildet wird, eine thermisch veränderte Schicht entwickelt. Eine derartige thermisch veränderte Schicht ist auch einer der Faktoren, die es schwierig machen, die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen.
Wenn der Laserstrahl auf das Werkstück angewendet wird, wird eine Dampffahne (die ein Mischgas ist, das Metalldampf von dem Werkstück und Dampf, der erzeugt wird, wenn der Metalldampf ionisiert wird) emittiert, während das Werkstück geschmolzen und verdampft wird. Es wurde dargelegt, dass die Dampffahne, insbesondere der Metalldampf, den Laserstrahl blockiert und es folglich schwer macht, dass das Bohrverfahren unter Verwendung des Laserstrahls vorankommt.
Der in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2001-150248 offenbarte bisherige Stand der Technik ist auch in der Hinsicht nachteilig, dass der sich bewegende Träger 107 nach dem Schritt des Ausbildens des Vorbohrungslochs durch das Werkstück den Laserbearbeitungskopf 101 durch den Funkenerosions-Bearbeitungskopf 106 ersetzt, was zu einem zeitaufwendigen Verfahren und einer erhöhten Anzahl von Arbeitsschritten führt. Daher ist es nicht einfach, die Produktivität zu erhöhen. Es wird der Wunsch gehegt, die Anzahl von Arbeitsschritten zum Zwecke der Erhöhung der Produktivität zu verringern.
Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die ein Werkstück weniger anfällig dafür macht, eine thermisch veränderte Schicht zu entwickeln, und die es folglich einfach macht, die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die verhindert, dass ein Metalldampf einen Laserstrahl blockiert, um dadurch zu erlauben, dass ein Bohrverfahren wirksam fortschreitet.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laserbearbeitungsverfahren bereitzustellen, das ein Werkstück weniger anfällig dafür macht, eine thermisch veränderte Schicht zu entwickeln.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laserbearbeitungsverfahren bereitzustellen, das es erlaubt, dass ein Bohrverfahren wirksamer fortschreitet.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laserbearbeitungsverfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, die Anzahl von Arbeitsschritten zu verringern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Ausbilden eines Durchgangslochs in einem geschlossenen Bereich eines hohlen Werkstücks aus Metall bereitgestellt, indem ein Nanosekunden-Laserstrahl und/oder ein Pikosekunden-Laserstrahl darauf angewendet wird, welche aufweist:
einen Laserbearbeitungskopf mit einem ersten Laseroszillationsmechanismus zum Anwenden des Nanosekunden-Laserstrahls und einem zweiten Laseroszillationsmechanismus zum Anwenden des Pikosekunden-Laserstrahls;
einen Dreh- und Haltemechanismus zum Halten des Werkstücks aus Metall und Drehen des Werkstücks aus Metall um dessen Bereich, auf den ein Nanosekunden-Laserstrahl und/oder ein Pikosekunden-Laserstrahl angewendet wird;
einen Dampfentfernungsmechanismus zum Absaugen eines Metalldampfs, der von dem Werkstück aus Metall erzeugt wird, wenn das Durchgangsloch darin ausgebildet wird; und
Steuereinrichtungen zum Steuern der Betätigung und Abschaltung des Laserbearbeitungskopfs, des Dreh- und Haltemechanismus und des Dampfentfernungsmechanismus.
Mit der vorstehenden Anordnung ist es möglich, das Werkstück aus Metall endzubearbeiten, während das Werkstück aus Metall sich dreht. Da ein Laserstrahl insbesondere zum Beispiel auf das sich drehende Werkstück aus Metall angewendet werden kann, während es endbearbeitet wird, wird leicht verhindert, dass das Werkstück aus Metall eine thermisch veränderte Schicht entwickelt.
Wenn der Laserstrahl auf das Werkstück aus Metall angewendet wird, um dieses endzubearbeiten, während das Werkstück aus Metall sich dreht, kann ein Durchgangsloch mit einer im Wesentlichen wirklich kreisförmigen Form ausgebildet werden, selbst wenn der konvergierte Laserstrahl eine nicht kreisförmige Querschnittsform hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es daher einfach, ein hochgenaues Durchgangsloch zu erhalten.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung hat einen Saugmechanismus zum Ansaugen des Metalldampfs, wenn das Werkstück aus Metall laserbearbeitet wird. Daher kann der erzeugte Metalldampf durch Saugen schnell entfernt werden. Da verhindert wird, dass der Metalldampf stillstehend bleibt, kann der Laserstrahl eine Stelle, die bearbeitet werden soll, leicht erreichen. Ein Laserbearbeitungsverfahren kann auf diese Weise wirksam fortschreiten.
Bevorzugt hat der Dampfentfernungsmechanismus Saugeinrichtungen zum Saugen des Metalldampfs von innerhalb des Werkstücks aus Metall. Zu diesem Zeitpunkt wird ein negativer Druck erzeugt, der höher ist als wenn der Metalldampf von außerhalb des Werkstücks aus Metall gesaugt wird. Selbst wenn folglich Metalldampf in einer großen Menge erzeugt wird, kann er leicht unter dem Sog des Saugmechanismus entfernt werden. Anders ausgedrückt kann der Metalldampf schnell entfernt werden.
Vorzugsweise hat der Dampfentfernungsmechanismus eine Gasversorgungseinrichtung zum Zuführen von Gas, nachdem das Durchgangsloch ausgebildet ist. Da der Metalldampf leicht unter Druck durch das Gas abgeführt werden kann, ist es viel einfacher, zu verhindern, dass der Metalldampf stillstehend bleibt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Laserbearbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Durchgangslochs in einem geschlossenen Bereich eines hohlen Werkstücks aus Metall bereitgestellt, indem ein Nanosekunden-Laserstrahl und/oder ein Pikosekunden-Laserstrahl darauf angewendet wird, welches die folgenden Schritte aufweist:
Ausbilden des Durchgangslochs, indem der Nanosekunden-Laserstrahl von einem ersten Laseroszillationsmechanismus auf das Werkstück aus Metall angewendet wird, das von einem Dreh- und Haltemechanismus gehalten wird; und
nach dem Drehen des Werkstücks aus Metall durch den Dreh- und Haltemechanismus, Endbearbeiten des Durchgangslochs durch Anwenden des Pikosekunden-Laserstrahls durch einen zweiten Laseroszillationsmechanismus auf eine Innenwand des Durchgangslochs in dem Werkstück aus Metall, das von dem Dreh- und Haltemechanismus gedreht wird;
wobei der Metalldampf während des Schritts des Ausbildens des Durchgangslochs von außen abgesaugt wird; und
nach dem Schritt des Ausbildens des Durchgangslochs ein Gas von außerhalb des Werkstücks aus Metall zugeführt wird und von innerhalb des Werkstücks aus Metall angesaugt wird.
Durch Ausführen der vorstehenden Schritte ist es möglich, effizient ein genaues Durchgangsloch auszubilden.
Da es gemäß der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, möglich ist, ein Laserbearbeitungsverfahren an dem Werkstück aus Metall durchzuführen, während das Werkstück aus Metall sich dreht, wird verhindert, dass das Werkstück aus Metall eine thermisch veränderte Schicht entwickelt. Da es außerdem möglich ist, die Position zu ändern, wo der Laserstrahl auf das Werkstück aus Metall angewendet wird, ist es möglich, ein Durchgangsloch auszubilden, das eine wirklich kreisförmige Form hat oder das nahe einer wirklich kreisförmigen Form ist. Anders ausgedrückt ist es möglich, einfach ein genaues Durchgangsloch auszubilden.
Da der Metalldampf, der erzeugt wird, wenn das Werkstück aus Metall laserbearbeitet wird, außerdem durch Saugen entfernt wird, wird dem Laserstrahl ermöglicht, die bearbeitete Position einfach zu erreichen. Daher kann das Laserbearbeitungsverfahren wirksam fortschreiten.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Laserbearbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Durchgangslochs in einem Werkstück bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist:
Anwenden eines Laserstrahls auf das Werkstück, um ein Vorbohrungsloch durch es auszubilden; und
Vergrößern des Vorbohrungslochs mit dem Laserstrahl, während ein Druck auf einer Laseraustrittsseite des Vorbohrungslochs niedriger als ein Druck auf einer Lasereintrittsseite des Vorbohrungslochs gehalten wird.
Zusammengefasst wird das Vorbohrungsloch durch das Werkstück durch den Laserstrahl ausgebildet, und dann wird das Vorbohrungsloch durch den Laserstrahl vergrößert. Da der Schritt des Ausbildens des Vorbohrungslochs durch das Werkstück und der Schritt des Vergrößerns des Vorbohrungslochs durch den Laserstrahl ausgeführt werden, ist es nicht notwendig, wie im in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2001-150248 offenbarten bisherigen Stand der Technik Bearbeitungswerkzeuge zu ersetzen. Insofern, als keine Bearbeitungswerkzeuge ersetzt werden, wird die Anzahl von Arbeitsschritten, die erforderlich ist, um das Durchgangsloch auszubilden, verringert.
Außerdem wird der Druck auf der Laserstrahlaustrittsseite (der Auslassseite) des Vorbohrungslochs niedriger gemacht als der Druck auf der Laserstrahleintrittsseite (der Einlassseite) des Vorbohrungslochs, wodurch sich eine Druckdifferenz zwischen der Einlassseite und der Auslassseite entwickelt. Die Druckdifferenz ist wirksam, um einen Luftstrom von der Einlassseite zu der Auslassseite des Vorbohrungslochs zu erzeugen. Der Luftstrom kann eine Dampffahne, die erzeugt wird, wenn das Vorbohrungsloch durch den Laserstrahl vergrößert wird, wirksam abführen. Als ein Ergebnis wird die Anzahl von Arbeitsschritten, die zum Ausbilden des Durchgangslochs erforderlich ist, verringert.
Um den Druck auf der Auslassseite (der Laserstrahlaustrittsseite) des Vorbohrungslochs niedriger als den Druck auf der Einlassseite (der Laserstrahleintrittsseite) des Vorbohrungslochs zu machen, kann der Druck auf der Einlassseite höher als der Atmosphärendruck gemacht werden, und der Druck auf der Auslassseite kann niedriger als der Atmosphärendruck gemacht werden.
Bevorzugt wird eine optische Achse des Laserstrahls in dem Schritt des Vergrößerns des Vorbohrungslochs mit dem Laserstrahl um eine Achse des Vorbohrungslochs gedreht. Daher wird die Fläche, auf welcher der Laserstrahl pro Zeiteinheit auf das Werkstück angewendet wird, vergrößert. Da folglich das bearbeitete Volumen pro Zeiteinheit erhöht wird, werden die für das Bearbeitungsverfahren zum Ausbilden des Durchgangslochs benötigten Arbeitsstunden verringert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine unvollständige vertikale Querschnittansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein schematischer Schaltplan eines Laserbearbeitungskopfs der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung;
3 ist eine unvollständige Querschnittansicht, welche die Weise zeigt, in der ein Nanosekunden-Laserstrahl auf eine Brennstoffeinspritzdüse angewendet wird, um ein Einspritzloch darin auszubilden;
4 ist eine unvollständige Draufsicht, welche die Weise zeigt, in der die Brennstoffeinspritzdüse mit dem darin definierten Einspritzloch um das Einspritzloch gedreht wird;
5 ist eine unvollständige Schnittperspektivansicht, welche die Weise zeigt, in der ein Pikosekunden-Laserstrahl auf eine Innenumfangswand des Einspritzlochs angewendet wird, um das Einspritzloch endzubearbeiten;
6 ist eine unvollständige vertikale Querschnittansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Ausführen eines Laserbearbeitungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7A und 7B sind Ablaufdiagramme, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Vorbohrungslochs durch eine Brennstoffeinspritzdüse darstellen;
8 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Vergrößerung des Vorbohrungslochs darstellt;
9 ist eine aus der durch den Pfeil b in 8 angezeigten Richtung gesehene Ansicht;
10A und 10B sind schematische Ansichten, die zeigen, wie ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform arbeitet;
11 ist eine Querschnittansicht eines bearbeiteten Lochs, die zeigt, wie ein Luftstrom das Bearbeitungsverfahren beeinflusst;
12 ist ein Diagramm, das verschiedene Bearbeitungszeiten abhängig davon zeigt, ob eine Druckdifferenz besteht oder nicht;
13 ist eine schematische Vorderaufrissansicht eines Brennstoffeinspritzventils für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug in seiner Gesamtheit;
14 ist eine unvollständige schematische vertikale Querschnittansicht eines Spitzenendes des Brennstoffeinspritzventils;
15 ist eine unvollständige schematische Perspektivansicht, welche die Weise zeigt, in der ein Vorbohrungsloch durch ein Werkstück gemäß dem bisherigen Stand der Technik definiert wird; und
16 ist eine unvollständige schematische Perspektivansicht, welche die Weise zeigt, in der das Vorbohrungsloch gemäß dem bisherigen Stand der Technik vergrößert wird.
Die beste Art, die Erfindung auszuführen
Bevorzugte Ausführungsformen von Laserbearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform in Bezug auf Laserbearbeitungsvorrichtungen zum Ausführen der Laserbearbeitungsverfahren werden nachstehend unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 ist eine unvollständige vertikale Querschnittansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 hat einen Dreh- und Haltemechanismus 12 zum Halten einer Brennstoffeinspritzdüse 3 (Werkstück aus Metall), einen Laserbearbeitungskopf 14 zum Anwenden eines Laserstrahls, der später beschrieben werden soll, auf die Brennstoffeinspritzdüse 3 und einen Dampfentfernungsmechanismus, der später beschrieben werden soll, zum Absaugen eines Metalldampfs, der von der Brennstoffeinspritzdüse 3 erzeugt wird, während ein Einspritzloch 6 ausgebildet wird.
Der Dreh- und Haltemechanismus 12 hat einen Sockel 16, eine durch Lager 18 drehbar auf dem Sockel 16 gehaltene Dreheinrichtung 20 und eine Werkstückhalterung 22, die auf einen oberen Abschnitt der Dreheinrichtung 20 montiert ist. Ein Drehantriebsmotor 24 ist mit dem Sockel 16 verbunden und hat eine Drehwelle 25 mit einer Antriebsriemenscheibe 26, die darauf aufgesetzt ist.
Die Dreheinrichtung 20 umfasst ein drehbares rohrförmiges Element 34, das durch eine Manschette 28 und eine Mutter 30 auf den Lager 18 montiert ist. Das drehbare rohrförmige Element 34 hat ein distales rohrförmiges Ende mit kleinem Durchmesser mit einer darüber aufgesetzten angetriebenen Riemenscheibe 36. Ein Riemen 38 ist um die angetriebene Riemenscheibe 36 und die Antriebsriemenscheibe 26 herum gelegt.
Die Werkstückhalterung 22 weist auf: einen Halterungssockel 42, der durch einen Halteschaft 40 mit dem drehbaren rohrförmigen Element 34 verbunden ist, einen Werkstückhaltekörper 44 mit einem im Wesentlichen T-förmigen Querschnitt, der durch Lager 43, eine Manschette 48 und eine Mutter 50 zum Halten des Werkstückhaltekörpers 44 gegen eine Entfernung von den Lager 43 drehbar auf den Halterungssockel 42 montiert ist, ein ringförmiges Element 54, das mit dem Halterungssockel 42 verbunden ist, um ein Dichtungselement 52 zu halten, eine Erweiterung 56, die sich von dem Halterungssockel 42 zu einem Ende des Werkstückhaltekörpers 44 erstreckt, um ein Ende des Werkstückhaltekörpers 44 zu halten, ein angetriebenes Zahnrad 58, das auf dem Ende des Werkstückhaltekörpers 44 montiert ist, um Antriebsleistung von einem (nicht gezeigten) Aktuator zum Drehen des Werkstückhaltekörpers 44 aufzunehmen, und einen Werkstückschaltmechanismus 60 zum Positionieren des Werkstückhaltekörpers 44 in jedem von vorgegebenen Winkeln. Die Bezugsnummer 62 bezeichnet einen Positionierungsstift, der dazu dient, zu verhindern, dass die Brennstoffeinspritzdüse 3 sich dreht, wenn der Werkstückhaltekörper 44 die Brennstoffeinspritzdüse 3 hält.
Der Werkstückhaltekörper 44 hat darin einen ersten Durchgang 64, der mit dem Inneren der Brennstoffeinspritzdüse 3 in Verbindung steht, und einen zweiten Durchgang 66 definiert, der sich senkrecht zu dem ersten Durchgang 64 erstreckt. Der zweite Durchgang 66 steht mit einem dritten Durchgang 68 in Verbindung, der in der Erweiterung 56 definiert ist. Der dritte Durchgang 68 steht seinerseits durch einen vierten Durchgang 70, der in dem Halterungssockel 42 definiert ist, mit einem Raum 71 in dem drehbaren rohrförmigen Element 34 in Verbindung.
Der Werkstückschaltmechanismus 60 hat eine Vielzahl von Aussparungen 74, die in einer Außenumfangsoberfläche eines Abschnitts 72 mit großem Durchmesser des Werkstückhaltekörpers 44 definiert sind und in gegebenen Winkelintervallen entlang der Umfangsrichtung beabstandet sind, ein Gehäuse 76, das in gegenüberliegender Beziehung zu der Außenumfangsoberfläche des Abschnitts 72 mit großem Durchmesser auf den Halterungssockel 42 montiert ist, eine Kugel 78, die für einen Passsitz mit einer einzelnen der Aussparungen 74 in dem Gehäuse 76 angeordnet ist, und eine Schraubenfeder 80 zum elastischen Drücken der Kugel 78 in Richtung einer einzelnen der Aussparungen 74.
Eine (nicht gezeigte) Gegengewichteinrichtung, deren Gewicht dem Gewicht des Werkstückhaltekörpers 44 und der Brennstoffeinspritzdüse 3 entspricht, um zuzulassen, dass der Halterungssockel 42 sich reibungslos dreht, ist auf einer Seitenoberfläche des Halterungssockels 42 der Werkstückhalterung 22 angeordnet, die dem Werkstückhalterungskörper 44 zugewandt ist. Die Gegengewichteinrichtung kann ein Gewicht aufweisen, das zum Beispiel dem Gewicht des Werkstückhaltekörpers 44 und der Brennstoffeinspritzdüse 3 entspricht. Alternativ kann ein Behälter zum Aufnehmen einer Flüssigkeit in dem Halterungssockel 42 angeordnet sein, und ein nicht gezeigter Sensor, der auf dem Sockel 16 montiert ist, kann Schwingungen des drehbaren rohrförmigen Elements 34 überwachen. Eine Steuerschaltung 98 (siehe 2) zum Empfangen eines Signals, das von dem Sensor abhängig von dem Schwingungsmaß erzeugt wird, kann einen Befehl ausgeben, um eine Flüssigkeit, wie etwa Wasser oder ähnliches, an den Behälter zuzuführen, um die Schwingung des drehbaren rohrförmigen Elements 34 zu verringern. In diesem Fall kann die Flüssigkeit (Wasser oder ähnliches) abhängig von dem Gewicht des Werkstückhaltekörpers 44 und der Brennstoffeinspritzdüse 3 zugeführt werden, wodurch das Gewicht ausbalanciert wird. In jedem Fall wird die Gegengewichteinrichtung abhängig von dem Gewicht der Brennstoffeinspritzdüse 3, die bearbeitet werden soll, geändert.
Der Abstand, in dem benachbarte zwei der Aussparungen 74 voneinander beabstandet sind, entspricht dem Abstand, um den zwei benachbarte der Einspritzlöcher 6 der Brennstoffeinspritzdüse 3 voneinander beabstandet sind.
Wie in 2 gezeigt, hat der Laserbearbeitungskopf 14 einen Nanosekunden-Laseroszillator 82 zum Emittieren eines Nanosekunden-Laserstrahls L1 und einen Ultrakurzimpuls-Laseroszillator 84 (Pikosekunden-Laseroszillator) zum Emittieren eines Pikosekunden-Laserstrahls L2. Der Laserbearbeitungskopf 14 hat auch einen Verstärker 86 zum Verstärken des Pikosekunden-Laserstrahls L2, der von dem Ultrakurzimpuls-Laseroszillator 84 emittiert wird, einen Spiegel 88 zum Reflektieren des Pikosekunden-Laserstrahls L2, der von dem Verstärker 86 ausgegeben wird, einen Spiegel 89 zum Reflektieren des Nanosekunden-Laserstrahls L1, der von dem Nanosekunden-Laseroszillator 82 emittiert wird, eine Strahldreheinrichtung 90 zum Ändern der fokussierten Positionen des Nanosekunden-Laserstrahls L1 und des Pikosekunden-Laserstrahls L2 und eine Kondensorlinse 92 zum Konvergieren des Nanosekunden-Laserstrahls L1 und des Pikosekunden-Laserstrahls L2 auf die Brennstoffeinspritzdüse 3.
Der Dampfentfernungsmechanismus hat einen nicht gezeigten Saugmechanismus zum Einsaugen aus dem Raum 71 in dem drehbaren rohrförmigen Element 34 durch eine Saugdüse 94 (siehe 5), die in die Brennstoffeinspritzdüse 3 eingesetzt ist, und einen Saug- und Zuführungsmechanismus mit einer Saug- und Zuführungsdüse 96 (siehe 1 und 2), die außerhalb und nahe der Brennstoffeinspritzdüse 3 angeordnet ist.
Der Drehantriebsmotor 24, der Nanosekunden-Laseroszillator 82, der Ultrakurzimpuls-Laseroszillator 84, die Strahldreheinrichtung 90, der Saugmechanismus, der Saug- und Zuführungsmechanisms und der Aktuator sind elektrisch mit der Steuerschaltung 98 elektrisch verbunden (siehe 2).
Ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform wird durch die auf diese Weise aufgebaute Laserbearbeitungsvorrichtung 10 wie folgt ausgeführt:
Zuerst wird in dem in 1 gezeigten Zustand der Drehantriebsmotor 24 nicht mit Energie gespeist, und der Laserbearbeitungskopf 14 emittiert den Nanosekunden-Laserstrahl L1. Insbesondere speist die Steuervorrichtung den Nanosekunden-Laseroszillator 82 mit Energie, um den Nanosekunden-Laserstrahl L1 zu emittieren, der von der Strahldreheinrichtung 90 und der Kondensorlinse 92 auf eine gegebene Position auf der Brennstoffeinspritzdüse 3 angewendet wird. Gleichzeitig wird der Saug- und Zuführungsmechanismus betätigt.
Wenn der Nanosekunden-Laserstrahl L1 auf die Brennstoffeinspritzdüse 3 angewendet wird, wird die Brennstoffeinspritzdüse 3 von ihrer Außenwand aus geschmolzen, wobei, wie in 3 gezeigt, ein Schmelzbereich S erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt der Schmelzbereich eine Dampffahne V, die eine große Menge an Metalldampf enthält. Wenn die Dampffahne V den Nanosekunden-Laserstrahl L1 blockiert, dann wird sie das Fortschreiten des Bohrverfahrens (Laserbearbeitungsverfahren) beeinträchtigen. Gemäß der ersten Ausführungsform wird die Dampffahne V jedoch schnell durch die Saug- und Zuführungsdüse 96 abgesaugt. Daher kann der Nanosekunden-Laserstrahl L1 leicht die gegebene Stelle auf der Brennstoffeinspritzdüse 3 erreichen, was erlaubt, dass das Laserbearbeitungsverfahren wirksam voranschreitet.
Der Bereich der Brennstoffeinspritzdüse 3, der mit dem Nanosekunden-Laserstrahl L1 bestrahlt wird, schmilzt bis zu der Innenwand der Brennstoffeinspritzdüse 3, die dem Hohlraum darin zugewandt ist. Auf diese Weise wird ein Durchgangsloch als ein Einspritzloch 6 ausgebildet.
Die Steuerschaltung 98 schaltet den Nanosekunden-Laseroszillator 82 aus und gibt danach ein Befehlssignal aus, um den Drehantriebsmotor 24 mit Energie zu speisen. Ansprechend auf das Befehlssignal dreht der Drehantriebsmotor 24 seine Drehwelle 25. Die Drehwelle 25 dreht die Antriebsriemenscheibe 26, was bewirkt, dass der Riemen 38 die angetriebene Riemenscheibe 36 bewegt, um die Drehung des drehbaren rohrförmigen Elements 34 zu beginnen.
Wenn das drehbare rohrförmige Element 34 gedreht wird, wird der Halterungssockel 42, der durch den Halteschaft 40 mit dem drehbaren Element 34 verbunden ist, gedreht. Als ein Ergebnis, wird die Brennstoffeinspritzdüse 3, wie in 4 gezeigt, um das Einspritzloch 6 gedreht.
Dann speist die Steuerschaltung 98 den Ultrakurzimpuls-Laseroszillator 84 mit Energie, um den Pikosekunden-Laserstrahl L2 zu emittieren, der von der Strahldreheinrichtung 90 und der Kondensorlinse 92 auf eine Position nahe der Öffnung des Einspritzlochs 6 angewendet wird. Gleichzeitig werden der Saug- und Zuführungsmechanismus und der Saugmechanismus betätigt. Die Saug- und Zuführungsdüse 96, die außerhalb der Brennstoffeinspritzdüse 3 positioniert ist, führt ein komprimiertes Gas zu, während der Saugmechanismus über die Saugdüse 94, die in die Brennstoffeinspritzdüse 3 eingesetzt ist, einsaugt.
Da die Brennstoffeinspritzdüse 3 gedreht wird, schreitet der Pikosekunden-Laserstrahl L2 fort, während er, wie in 5 gezeigt, ein wenig zu der Achse des Einspritzlochs 6 geneigt ist. Der Pikosekunden-Laserstrahl L2 schmilzt die Innenumfangswand des Einspritzlochs 6, wobei das Einspritzloch 6 auf einen vorgegebenen Durchmesser endbearbeitet wird und auch seine Innenumfangswand auf eine vorgegebene Oberflächenrauigkeit endbearbeitet wird. Das Einspritzloch 6 wird auf diese Weise endbearbeitet.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Dampffahne V, die erzeugt wird, wenn die Innenumfangswand geschmolzen wird, durch das komprimierte Gas, das über die Saug- und Zuführungsdüse 96 abgegeben wird, schnell unter Druck in die Brennstoffeinspritzdüse 3 zugeführt. Wie vorstehend beschrieben, ist die Saugdüse 94 in der Brennstoffeinspritzdüse 3 angeordnet, und der Saugmechanismus führt sein Saugverfahren über die Saugdüse 94 durch. Daher wird die Dampffahne V von dem Saugmechanismus schnell abgesaugt.
Während die Brennstoffeinspritzdüse 3 sich dreht, neigt die Dampffahne V dazu, in Schichten innerhalb des Einspritzlochs 6 stillstehend zu bleiben. Gemäß der ersten Ausführungsform wird die Dampffahne V jedoch, wie vorstehend beschrieben, unter Druck von außerhalb der Brennstoffeinspritzdüse 3 in die Brennstoffeinspritzdüse 3 geliefert und wird von innerhalb der Brennstoffdüse 3 angesaugt. Wenn die Dampffahne V von innerhalb der Brennstoffeinspritzdüse 3 angesaugt wird, wird ein negativer Druck erzeugt, der höher ist als wenn die Dampffahne V von außerhalb der Brennstoffeinspritzdüse 3 angesaugt wird.
Folglich kann die Dampffahne V, selbst wenn sie in einer großen Menge erzeugt wird, leicht durch Saugen entfernt werden.
Aus den vorstehenden beschriebenen Gründen kann die Dampffahne V schnell entfernt werden. Der Pikosekunden-Laserstrahl L2 kann auch diese Weise leicht die Innenumfangswand erreichen, so dass das Laserbearbeitungsverfahren auf der Innenumfangswand wirksam fortschreitet.
Da der Pikosekunden-Laserstrahl L2 auf die Brennstoffeinspritzdüse 3 angewendet wird, während die Brennstoffeinspritzdüse 3 gedreht wird, erreicht der Pikosekunden-Laserstrahl L2 jederzeit die Innenumfangswand des Einspritzlochs 6. Daher ist es, selbst wenn der Pikosekunden-Laserstrahl L2 eine nicht kreisförmige Querschnittform hat, möglich, das Einspritzloch 6 herzustellen, das eine im Wesentlichen tatsächlich kreisförmige Form hat.
Da die Brennstoffeinspritzdüse 3 gedreht wird, neigt sie außerdem weniger dazu, eine thermisch veränderte Schicht zu entwickeln, selbst wenn der angewendete Pikosekunden-Laserstrahl L2 eine hohe Energiedichte hat. Folglich wird auch die Bearbeitungsgenauigkeit erhöht.
Gemäß der ersten Ausführungsform, in welcher die Brennstoffeinspritzdüse 3 gedreht wird, ist es daher möglich, das Einspritzloch 6 auszubilden, das eine wirklich kreisförmige Form oder eine kreisförmige Form hat, die nahe einer wirklich kreisförmigen Form ist. Anders ausgedrückt ist die erste Ausführungsform in der Hinsicht vorteilhaft, dass es möglich ist, das Einspritzloch 6 genau auszubilden.
Nachdem das Einspritzloch 6 ausgebildet ist, gibt die Steuerschaltung 98 ein Befehlssignal zum Drehen der Brennstoffeinspritzdüse 3 um einen vorgegebenen Winkel aus. Ansprechend auf das Signal bewirkt der Aktuator, dass das angetriebene Zahnrad 58 den Werkstückhaltekörper 44 dreht, um die Brennstoffeinspritzdüse 3 um den vorgegebenen Winkel zu drehen. Schließlich passt die Kugel 78 in eine der Aussparungen 74 des Werkstückschaltmechanismus 60, wodurch die Brennstoffeinspritzdüse 3 positioniert wird. Das Bohrverfahren wird auf dem positionierten Spitzenende in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben durchgeführt, um ein neues Einspritzloch 6 auszubilden. Wenn eine gegebene Anzahl von Einspritzlöchern 6 ausgebildet ist, ist das gesamte Bohrverfahren beendet.
In der ersten Ausführungsform ist die Brennstoffeinspritzdüse 3 als ein hohles Werkstück aus Metall dargestellt. Jedoch ist ein hohles Werkstück aus Metall nicht auf die Brennstoffeinspritzdüse 3 beschränkt.
Außerdem kann der Saug- und Zuführungsmechanismus nur eine Saugfunktion ausführen, um die Dampffahne V sowohl von der Außenseite als auch der Innenseite des hohlen Werkstücks aus Metall (z. B. der Brennstoffeinspritzdüse 3) zu saugen.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
6 ist eine unvollständige vertikale Querschnittansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung 120 zum Ausführen eines Laserbearbeitungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 120 hat einen Laseroszillator 121, einen Bearbeitungskopf 122 zum Emittieren eines Laserstrahls, der unterhalb des Laseroszillators 121 angeordnet ist, und eine Werkstückhalterung 123, die unterhalb des Bearbeitungskopfs 122 angeordnet ist.
Die Werkstückhalterung 123 weist auf: einen Halterungssockel 124, der als ein Sockel dient, einen Werkstückhaltekörper 126, der durch Lager 125, eine Manschette 127 und eine Mutter 128 zum Halten des Werkstückhaltekörpers 126 gegen ein Entfernen von den Lager 125 drehbar auf den Halterungssockel 124 montiert ist, ein Dichtungselement 129, das dicht an den Lager 125 angeordnet ist, ein ringförmiges Element 131, das auf den Halterungssockel 124 montiert ist ist, um die Lager 125 zu halten, einen auf den Halterungssockel 124 montierten Aktuator 132 zum Drehen des Werkstückhaltekörpers 126, ein auf den Aktuator 132 montiertes Antriebszahnrad 133 zum Übertragen von Antriebsleistung, ein angetriebenes Zahnrad 134, das an dessen proximalem Ende auf den Werkstückhaltekörper 126 montiert ist, um Antriebsleistung von dem Antriebszahnrad 133 zu erhalten, ein Dichtungselement 135, das auf dem proximalen Ende des Werkstückhaltekörpers 126 angeordnet ist, einen Werkstückschaltmechanismus 140 zum Positionieren des Werkstückhaltekörpers 126 in jedem von vorgegebenen Winkeln und einen Druckdifferenzerzeugungsmechanismus 150 zum Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen dem Äußeren und Inneren der Brennstoffeinspritzdüse 3 als einem Werkstück. Die Bezugsnummer 148 bezeichnet einen Positionierungsstift, der dazu dient, zu verhindern, dass die Brennstoffeinspritzdüse 3 sich in Bezug auf den Werkstückhaltekörper 126 dreht, wenn der Werkstückhaltekörper 126 die Brennstoffeinspritzdüse 3 hält. Die Bezugsnummer 149 bezeichnet ein Dichtungselement zum Blockieren des Stroms von Gasen in eine Lücke zwischen der Brennstoffeinspritzdüse 3 und dem Werkstückhaltekörper 126.
Der Werkstückhaltekörper 126 hat darin einen Durchgang 136 definiert, der mit einem Durchgang 118 in der Brennstoffeinspritzdüse 3 in Verbindung steht. Der Durchgang 136 steht mit einem Raum 137 in Verbindung, der in dem Halterungssockel 124 definiert ist.
Die Durchgänge 118, 136 und der Raum 137 bilden zusammen einen Dampffahnensaugdurchgang 138 zum Absaugen einer Dampffahne, die während eines Laserbearbeitungsverfahrenserzeugt wird.
Der Werkstückschaltmechanismus 140 hat eine Vielzahl von Aussparungen 142, die in einer Außenumfangsoberfläche eines Abschnitts 141 mit großem Durchmesser des Werkstückhaltekörpers 126 definiert sind und in gegebenen Winkelintervallen entlang der Umfangsrichtung beabstandet sind, ein Gehäuse 143, das in gegenüberliegender Beziehung zu der Außenumfangsoberfläche des Abschnitts 141 mit großem Durchmesser auf den Halterungssockel 124 montiert ist, eine Kugel 144, die für einen Passsitz mit einer einzelnen der Aussparungen 142 in dem Gehäuse 143 angeordnet ist, und eine in dem Gehäuse 143 angeordnete Druckfeder 145 zum Drücken der Kugel 78 in eine einzelne der Aussparungen 142.
Der Abstand, um den zwei der Aussparungen 142 voneinander beabstandet sind, entspricht dem Abstand, um den benachbarte zwei der Einspritzlöcher 6 der Brennstoffeinspritzdüse 3 voneinander beabstandet sind.
Der Druckdifferenzerzeugungsmechanismus 150 weist auf: ein Schließelement 151, das auf den Halterungssockel 124 montiert ist und die Brennstoffeinspritzdüse 3 umschließt, ein Dichtungselement 153, das auf einem Ende des Schließelements 151 angeordnet ist, um Gaslecks zu versperren, eine durchlässige Platte 155 zum Durchlassen eines Laserstrahls 154, der von dem Bearbeitungskopf 122 angewendet wird, in eine Hochdruckkammer 152, eine Hochdruckgasversorgungsquelle 156 zum Einleiten eines Hochdruckgases in die Hochdruckkammer 152, um den Druck in der Hochdruckkammer 152 höher als den Atmosphärendruck zu machen, einen Gasdurchgang 157, der mit der Hochdruckkammer 152 verbunden ist, um das von der Hochdruckkammer 152 gesaugte Gas zu leiten, einen Saugdurchgang 158, der mit dem Dampffahnensaugdurchgang 138 verbunden ist, um ein von dem Dampffahnensaugdurchgang 138 gesaugtes Gas zu leiten, ein Dreiwegeventil 161 zum Umschalten auf den Gasdurchgang 157 oder den Saugdurchgang 158 als ein Durchgang, von dem Gas gesaugt wird, eine Magnetspule 162 zum Betätigen des Dreiwegeventils 161 zum Umschalten und eine Vakuumpumpe 163 zum Saugen des Gases aus der Hochdruckkammer 152 oder dem Dampffahnensaugdurchgang 138.
Die Hochdruckgasversorgungsquelle 156 sollte bevorzugt einen Kompressor aufweisen, wenn das Gas Luft ist, oder einen Gasbehälter, wenn das Gas Stickstoff ist.
Da das Stickstoffgas ein nicht oxidierendes Gas ist, wird es bevorzugt, da es verhindert, dass ein Metall, d. h. das Material, aus dem die Brennstoffeinspritzdüse 3 gefertigt ist, oxidiert wird. Jedoch ist der Glasbehälter im Allgemeinen teuer und folglich vom Standpunkt der Kosten aus nachteilig.
Andererseits ist Luft wirtschaftlich und leicht zu handhaben und ist folglich praktisch. Daher wird hier nachstehend Luft als das Gas dargestellt.
Ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform, das durch die auf diese Weise aufgebaute Laserbearbeitungsvorrichtung 120 ausgeführt wird, wird nachstehend beschrieben.
7A und 7B sind Diagramme, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Vorbohrungslochs durch eine Brennstoffeinspritzdüse darstellen. Während der Atmosphärendruck oder ein ein wenig höherer Druck in der Hochdruckkammer 152 aufrecht erhalten wird, emittiert der Bearbeitungskopf 122, wie in 7A gezeigt, einen Laserstrahl 154 und wendet ihn auf das Spitzenende 16 der Brennstoffeinspritzdüse 3 an. Wenn das Spitzenende der Brennstoffeinspritzdüse 3 durch den Laserstrahl bearbeitet wird, erzeugt es eine Dampffahne 165.
Da Luft in der Hochdruckkammer 152 eingefangen bleibt, bis ein Vorbohrungsloch 166 durch das Spitzenende der Brennstoffeinspritzdüse 3 ausgebildet ist, ist die durchlässige Platte 155 oder das einschließende Element anfällig dafür, beschädigt zu werden, wenn die Hochdruckkammer 152 übermäßig unter Druck gesetzt wird. Wenn die Hochdruckkammer 152 außerdem übermäßig unter Druck gesetzt wird, neigt das Laserbearbeitungsverfahren dazu, langsamer zu werden. Mit anderen Worten, da Luft die Dampffahne 165 drückt, so dass sie stillstehend bleibt, wird die Dampffahne 165 nicht von der Stelle, die bearbeitet werden soll, entfernt, und blockiert den Laserstrahl 154. Anders ausgedrückt macht das Laserbearbeitungsverfahren das Programm leicht, wenn die Hochdruckkammer 152 nicht übermäßig unter Druck gesetzt wird.
Während die Hochdruckgasversorgungsquelle 156 Luft in die Hochdruckkammer 152 einleitet, saugt die Vakuumpumpe 163 folglich Luft aus der Hochdruckkammer 152. Auf diese Weise werden all die vorstehenden Schwächen vermieden.
Während das Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung des Laserstrahls 154 fortschreitet, wird das Vorbohrungsloch 166 durch die Brennstoffeinspritzdüse 3, wie in 7B gezeigt, ausgebildet. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Vorbohrungsloch 166 durch die Brennstoffeinspritzdüse 3 ausgebildet wird, setzt die Hochdruckgasversorgungsquelle 156 die Hochdruckkammer 152 (die Laserstrahleintrittsseite = die Einlassseite des Vorbohrungslochs 166) auf einen Pegel unter Druck, der höher als der Atmosphärendruck ist, und das Dreiwegeventil 161 (siehe 6) wird betätigt, um zu bewirken, dass die Vakuumpumpe 163 den Druck des Durchgangs 118 (der Laserstrahlaustrittsseite = der Auslassseite des Vorbohrungslochs 166) auf einen niedrigeren Pegel als den Atmosphärendruck herabsetzt. Daher entwickelt sich eine Druckdifferenz zwischen den Einlass- und Auslassseiten des Vorbohrungslochs 166, die zulässt, dass Luft, wie durch die Pfeile (1) gezeigt, durch das Vorbohrungsloch 166 strömt. Die Dampffahne 165 wird nun gezwungen, in den Durchgang 118 zu strömen. Das Einspritzloch 6, das ausgebildet werden soll, ist durch die zwei Punkt-Strich-Linien angezeigt.
8 und 9 sind Ablaufdiagramme, die ein Verfahren zum Vergrößern des Vorbohrungslochs darstellen. Während die Druckdifferenz aufrecht erhalten wird, wird der Laserstrahl 154, wie in 8 gezeigt, angewendet, um das Vorbohrungsloch 166 zu vergrößern, um dasselbe endzubearbeiten. Unter der Druckdifferenz strömt Luft, wie durch die Pfeile (2) angezeigt, wobei die Dampffahne 165 angeschoben wird, so dass sie in den Durchgang 118 strömt. Daher wird verhindert, dass die Dampffahne 165 die Anwendung des Laserstrahls 154 blockiert, und folglich wird der Strahlungswirkungsgrad des Laserstrahls 154 nicht verringert.
Wie durch den Pfeil (3) angezeigt, wird der Laserstrahl 154 gedreht, um das Vorbohrungsloch 166 mit dem Laserstrahl 154, der durch die unwirklichen Linien angezeigt ist, zu vergrößern, wodurch das Endbearbeitungsverfahren an dem Einspritzloch 6 abgeschlossen wird.
9 ist eine Ansicht aus der durch den Pfeil b in 8 angezeigten Richtung gesehen. Der Laserstrahl 154 wird, wie durch den Pfeil (4) angezeigt, mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht, um den Bereich, in dem der Laserstrahl 154 auf die Brennstoffeinspritzdüse 3 pro Zeiteinheit angewendet wird, zu vergrößern. Auf diese Weise wird ein Hochgeschwindigkeitslaserbearbeitungsverfahren durchgeführt.
10A und 10B sind schematische Ansichten, die basierend auf einem Vergleich zwischen Erfindungs- und Vergleichsbeispielen zeigen, wie das Laserbearbeitungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform arbeitet. In dem in 10A gezeigten Erfindungsbeispiel wird die Dampffahne 165 aufgrund der Druckdifferenz, wie durch die Pfeile (5) auf dem Luftstrom gezeigt, vom Inneren des Einspritzlochs 6 abgeleitet. Als ein Ergebnis kann das Einspritzloch 6 in einer kurzen Zeitspanne bearbeitet werden, weil der Bestrahlungswirkungsgrad des Laserstrahls 154 nicht verringert wird.
Da es in dem in 10B gezeigten Vergleichsbeispiel keine Druckdifferenz gibt, wird kein Luftstrom erzeugt. Wenn die Brennstoffeinspritzdüse 3 durch den Laserstrahl 154 bearbeitet wird, bleibt die Dampffahne 165 in dem Einspritzloch 6 stillstehend. Als ein Ergebnis wird der Bestrahlungswirkungsgrad des Laserstrahls 154 verringert. Da außerdem geschmolzene Metallmassen abgelagert werden, wird die Bearbeitungszeit erhöht.
11A und 11B sind Querschnittansichten eines bearbeiteten Lochs, die zeigen, wie ein Luftstrom das Bearbeitungsverfahren beeinflusst. Der in dem Vergrößerungsverfahren verwendete Laserstrahl hatte Bedingungen, die eine Frequenz von 3 kHz, eine Energie von 2 mJ, eine Laserstrahldrehzahl von 3000 U/Min und eine Bearbeitungszeit von 30 Sekunden umfassten.
11A zeigt ein Vergleichsbeispiel, in dem die bearbeitete Oberfläche aufgrund einer in dem Einspritzloch 6 abgelagerten geschmolzenen Metallmasse rau ist. Das Einspritzloch 6 hat, wie gezeigt, an einer oberen Öffnung einen Durchmesser von 63 μm und an einer unteren Öffnung einen Durchmesser von 33 μm. Daher ist der Durchmesser des Einspritzlochs 6 nicht gleichmäßig. Außerdem ist das bearbeitete Volumen 947 μm³ und ist folglich klein.
11B zeigt ein Erfindungsbeispiel, in dem die bearbeitete Oberfläche fein ist, da aufgrund eines Luftstroms keine geschmolzene Metallmasse in dem Einspritzloch 6 abgelagert wird. Das Einspritzloch 6 hat, wie gezeigt, an einer oberen Öffnung einen Durchmesser von 76 μm und an einer unteren Öffnung einen Durchmesser von 63 μm. Daher ist der Durchmesser des Einspritzlochs 6 im Wesentlichen gleichmäßig. Außerdem ist das bearbeitete Volumen 1930 μm³ und ist folglich groß.
12 ist ein Diagramm, das verschiedene Bearbeitungszeiten abhängig davon zeigt, ob eine Druckdifferenz besteht oder nicht. Gemäß einem Vergleichsbeispiel, in dem die Brennstoffeinspritzdüse ohne Druckdifferenz bearbeitet wird, dauert es 1 Sekunde, bis das Durchgangsloch bearbeitet ist, und 60 Sekunden, bis das Endbearbeitungsverfahren beendet ist.
Gemäß einem Erfindungsbeispiel, in dem die Brennstoffeinspritzdüse mit einer Druckdifferenz bearbeitet wird, dauert es 1 Sekunde, bis das Durchgangsloch bearbeitet ist, und 30 Sekunden, bis das Endbearbeitungsverfahren beendet ist. Daher werden die für das Bearbeitungsverfahren benötigten Arbeitsstunden auf eine Hälfte reduziert.
In der zweiten Ausführungsform ist das Werkstück ebenfalls nicht insbesondere auf die Brennstoffeinspritzdüse 3 beschränkt.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Laserbearbeitungsvorrichtung und das Laserbearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind besonders wirksam bei der Ausbildung eines Einspritzlochs in einer Brennstoffeinspritzdüse eines Brennstoffeinspritzventils.
Zusammenfassung
Offenbart sind eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10) und ein Laserbearbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Durchgangslochs (6) in einem metallischen Werkstück (3). Ein erstes Laserbearbeitungsverfahren umfasst einen Schritt zum Bestrahlen des metallischen Werkstücks (3), welches durch einen Rotationshaltemechanismus (12) gehalten wird, mit einem Nanosekunden-Laserstrahl (L1) von einem ersten Laseroszillationsmechanismus (82), um dadurch das Durchgangsloch (6) zu formen, und einen Schritt des Bestrahlens, wenn das metallische Werkstück (3) durch eine Aktion des Rotationshaltemechanismus (12) gedreht wird, wobei die innere Wand des Durchgangslochs (6) des gedrehten metallischen Werkstücks (3) mit einem Pikosekunden-Laserstrahl (L2) eines zweiten Laseroszillationsmechanismus (84), um das selbe dadurch fertig zu bearbeiten. In der Mitte des Schritts des Formens des Durchgangslochs (6) wird Metalldampf von außerhalb des metallischen Werkstücks (3) abgesaugt. Dann wird das Gas von außerhalb des metallischen Werkstücks (3) zugeführt und eine Absaugung von innerhalb des metallischen Werkstücks (3) wird durchgeführt. In einem zweiten Laserbearbeitungsverfahren, wenn ein Vorbohrungsloch (166) radial vergrößert wird, wird die Ausgangsseite des Vorbohrungslochs auf einem niedrigeren Druck gehalten als die Lasereinfallsseite (oder Eingang).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2623296 [0005]
- JP 2001-150248 [0006, 0007, 0012, 0030]
- JP 2001-212685 [0006]

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung (10) zum Ausbilden eines Durchgangslochs (6) in einem geschlossenen Bereich eines hohlen Werkstücks (3) aus Metall, indem ein Nanosekunden-Laserstrahl und/oder ein Pikosekunden-Laserstrahl darauf angewendet wird, welche aufweist: einen Laserbearbeitungskopf (14) mit einem ersten Laseroszillationsmechanismus (82) zum Anwenden des Nanosekunden-Laserstrahls und einem zweiten Laseroszillationsmechanismus (84) zum Anwenden des Pikosekunden-Laserstrahls; einen Dreh- und Haltemechanismus (12) zum Halten des Werkstücks (3) aus Metall und Drehen des Werkstücks (3) aus Metall um dessen Bereich, auf den der Nanosekunden-Laserstrahl und/oder der Pikosekunden-Laserstrahl angewendet wird; einen Dampfentfernungsmechanismus zum Absaugen eines Metalldampfs, der von dem Werkstück (3) aus Metall erzeugt wird, wenn das Durchgangsloch (6) darin ausgebildet wird; und Steuereinrichtungen zum Steuern der Betätigung und Abschaltung des Laserbearbeitungskopfs (14), des Dreh- und Haltemechanismus (12) und des Dampfentfernungsmechanismus.
Laserbearbeitungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Dampfentfernungsmechanismus Saugmittel zum Saugen des Metalldampfs von innerhalb des Werkstücks (3) aus Metall hat.
Laserbearbeitungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Dampfentfernungsmechanismus eine Gasversorgungseinrichtung zum Zuführen eines Gases hat, nachdem das Durchgangsloch (6) ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Durchgangslochs (6) in einem geschlossenen Bereich eines hohlen Werkstücks (3) aus Metall, indem ein Nanosekunden-Laserstrahl und/oder ein Pikosekunden-Laserstrahl darauf angewendet wird, das die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden des Durchgangslochs (6), indem der Nanosekunden-Laserstrahl von einem ersten Laseroszillationsmechanismus (82) auf das Werkstück (3) aus Metall angewendet wird, das von einem Dreh- und Haltemechanismus (12) gehalten wird; und Endbearbeiten des Durchgangslochs (6) durch Anwenden des Pikosekunden-Laserstrahls durch einen zweiten Laseroszillationsmechanismus (84) auf eine Innenwand des Durchgangslochs (6) in dem Werkstück (3) aus Metall, das von dem Dreh- und Haltemechanismus (12) gedreht wird; wobei während des Schritts des Ausbildens des Durchgangslochs (6) ein Metalldampf von außerhalb des Werkstücks (3) aus Metall abgesaugt wird; und nach dem Schritt des Ausbildens des Durchgangslochs (6) ein Gas von außerhalb des Werkstücks (3) aus Metall zugeführt wird und von innerhalb des Werkstücks (3) aus Metall angesaugt wird.
Laserbearbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Durchgangslochs (6) in einem Werkstück (3), das die folgenden Schritte aufweist: Anwenden eines Laserstrahls (154) auf das Werkstück (3), um ein Vorbohrungsloch durch es hindurch auszubilden; und Vergrößern des Vorbohrungslochs (166) mit dem Laserstrahl (154), während ein Druck auf einer Laseraustrittsseite des Vorbohrungslochs niedriger als ein Druck auf einer Lasereintrittsseite des Vorbohrungslochs gehalten wird.
Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 5, wobei in dem Schritt des Vergrößerns des Vorbohrungslochs (166) mit dem Laserstrahl (154) eine optische Achse des Laserstrahls (154) um eine Achse des Vorbohrungslochs (166) gedreht wird.