DE3934587C2

DE3934587C2 - Verfahren zum Herstellen von mittels Laserstrahlung erzeugter, hochpräziser Durchgangsbohrungen in Werkstücken

Info

Publication number: DE3934587C2
Application number: DE3934587A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl Ing Schmidt-Hebbel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2009-10-18
Also published as: GB9022446D0; DE3934587A1; GB2236973B; JPH03133588A; GB2236973A; US5093548A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mittels Lasterstrahlung erzeugter, hochpräziser Durch gangsbohrungen in Werkstücken, insbesondere durchflußbe stimmender Spritzbohrungen für die Kraftstoffeinspritzung in Einspritzdüsen.

Aus der US 4 737 613 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bohrungen bekannt, bei dem eine bestimmte Form eines Durchbruchs bzw. einer Bohrung dadurch erzielt wird, daß das Werkstück bezogen auf den Laserstrahl verschoben bzw. gedreht wird. Es entsteht ein trichterförmiger Eintritts bereich und Austrittsbereich des Laserstrahls, wodurch sich am Eintrittsbereich ein größerer Durchmesser ausbil det. Die Ausbildung der Durchgangsbohrung erfolgt dabei in einem Arbeitsgang bei gleichbleibender Laserstrahlung.

Aus der GB 2 049 045 A ist eine Einspritzdüse zum Ein spritzen von Kraftstoff bekannt, bei der eine Mehrzahl hochpräziser durchflußbestimmender Einspritzbohrungen vorgesehen sind. Die hochpräzise durchflußbestimmende Bohrung ist dabei mit einer Senkbohrung auf der Seite der Druckbeaufschlagung versehen. Über die Art der Herstel lung der Durchgangsbohrung mit unterschiedlichen Durch messern werden keine Ausführungen gemacht.

Aus der EP-A 02 99 143 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Bohrungen mit kleinem Durchmesser in Einspritzdüsen bekannt geworden. Bei die sem Verfahren wird zunächst mittels eines Laserstrahls eine Bohrung mit Untergröße, das heißt mit kleinerem Durchmesser als dem Solldurchmesser, hergestellt. An schließend wird die Laserbohrung durch elektrisches Ent ladungsbohren auf ihren Solldurchmesser gebracht. Hierzu wird in die Laserbohrung eine Drahtelektrode eingeführt, die an der Bohrungswand durch Funkenerosion einen Mate rialabtrag vorgegebener Größe bewirkt. Die ringförmige Zone zwischen dem Außenmantel der Elektrode und der Boh rungswand wird von einem Elektrolyten durchflossen, wel cher die Erodierpartikel wegspült. Damit lassen sich glattflächige, zylindrische Bohrungen mit hohem Genauig keitsgrad in Werkstücken herstellen, deren die Bohrung enthaltende Wand wegen auftretender Belastungen, bei spielsweise wegen hoher Drücke verhältnismäßig dick sein muß.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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 Brennpnkte mit P₁ beziehungsweise 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

1. Verfahren zum Herstellen von mittels Laserstrahlung er zeugter, hochpräziser Durchgangsbohrung in Werkstücken, insbesondere durchflußbestimmender Spritzbohrungen für die Kraftstoffeinspritzung in Einspritzdüsen, wobei ein Teil der Durchgangsbohrung mit einem größeren Durchmesser als dem Solldurchmesser hergestellt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Laserstrahlung in mehrere unterschied liche Brennpunkte und/oder Öffnungswinkel aufweisende Bohrstrahlen (9, 10) aufgegliedert wird und daß die Boh rungsbereiche (3, 4) mit den unterschiedlichen Durchmes sern durch die unterschiedliche Brennpunkte und/oder Öff nungswinkel aufweisenden Bohrstrahlen (9, 10) nacheinan der hergestellt werden.

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 Anspruch 5, 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.