DE10032194A1 - Verfahren zum Herstellen von Bohrungen, insbesondere von Spritzlöchern in Einspritzdüsen, und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen von Bohrungen in Werkstücken aus elektrischem Werkstoff, insbesondere von Spritzlöchern (11) in Einspritzdüsen (10), angegeben, bei welchem mittels eines eine Elektrode bildenden Erodierdrahts (12) durch Funkenerosion Werkstoff in dem die Gegenelektrode bildenden Werkstück gezielt abgetragen wird. Zur Herstellung von Bohrungen mit unterschiedlichen Querschnittsformen und/oder über die Lochlänge sich ändernder Querschnittsfläche wird ein Erodierdraht (12) aktiv zu einer definierten Schwingung angeregt und die Schwingungsform durch gezielte Beeinflussung der Schwingungsanregung entsprechend der gewünschten Bohrlochform eingestellt. Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens weist eine das Drahtende (122) des Erodierdrahts (12) aufnehmende Einspanneinheit (13) auf, die von zwei Aktuatoren (14, 15) zur getrennten oszillierenden Verschiebung längs einer x- und y-Achse angetrieben wird (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen von Bohrungen in Werkstücken aus elektrisch leitendem Werkstoff, insbesondere von Spritzlöchern in Einspritzdüsen von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art wird zur Herstellung von Bohrungen mittels Funkenerosion eine dünne Elektrode, auch Erodierdraht genannt, an das Werkstück angesetzt. Bei der Funkenerosion wird durch zeitlich voneinander getrennte elektrische Entladungen zwischen dem Erodierdraht und dem Werkstück zunehmend Werkstoff des Werkstücks abgetragen, wobei sich der Erodierdraht ebenfalls verbraucht. Die Entladungen erfolgen über Energiespeicher mit Spannungen von mehr als 20 V, wobei die Spannung, der Strom, die Entladungsfrequenz und die Impulsdauer der Bohraufgabe angepaßt werden (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 2. Band, 13. Auflage, Seite 669). Zum Bohren von konischen Bohrungen ist die Elektrode zum freien Ende hin konisch verjüngt, so daß eine Konizität des Bohrlochs mit in Richtung Bearbeitungsvorschub abnehmendem Durchmesser erzielbar ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Wahl der Schwingungsform des Erodierdrahts Bohrlöcher mit verschiedenartiger Querschnittsform, z. B. rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig, sowie mit über die Lochlänge sich z. B. konisch oder faßartig änderndem Querschnitt herstellbar sind. Dabei kann z. B. eine Konizität des Bohrloches mit sich verjüngendem Durchmesser auch gegen die Vorschubrichtung des Erodierdrahts erzielt werden, d. h., daß sich der kreisrunde, elliptische oder sonstige Querschnitt des Bohrlochs in Bohrrichtung stetig vergrößert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher besonders zur Herstellung von Spritzlöchern in Einspritzdüsen von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen geeignet, wo ein Bohren der Spritzlöcher an der Einspritzdüse nur von außen nach innen möglich ist, die Konizität des Spritzloches aber umgekehrt verlaufen muß, nämlich von einem großen Spritzlochdurchmesser im Innern der Einspritzdüse zu einem kleinen Spritzlochdurchmesser an der Außenseite der Einspritzdüse.

Durch die in den weiteren Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schwingungsanregung des Erodierdrahts an einem Drahtende vorgenommen, wobei die Schwingungsanregung in zwei in einer Ebene liegenden orthogonalen Achsen getrennt durchgeführt wird. Zur Erzielung der gewünschten Schwingungsform des Erodierdrahts werden die Frequenzen der Schwingungsanregungen, das Frequenz- und Amplitudenverhältnis der Schwingungsanregungen sowie die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungsanregungen in beiden orthogonalen Achsen gesteuert. Durch die Wahl des Frequenzverhältnisses, des Amplitudenverhältnisses und der Phasenverschiebung zwischen den Schwingungsanregungen kann entsprechend den bekannten Lissajous-Figuren jede Form des Bohrlochquerschnitts, z. B. rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig, realisiert werden. Durch Variation der Frequenzen der Schwingungsanregungen kann der Erodierdraht in Eigenresonanz mit verschiedenen Schwingungsmoden versetzt werden. So tritt bei der ersten Harmonischen der Resonanzfrequenz am Erodierdraht eine Schwingungsmode mit nur einem, am Einspannende des Erodierdrahts liegenden Schwingungsknoten auf. Der Erodierdraht beschreibt bei seiner Schwingung eine Kegelmantelfläche, deren Grundlinie am freien Drahtende, je nach Wahl des Amplitudenverhältnisses und der Phasenverschiebung z. B. ein Kreis oder eine Ellipse sein kann. Das erodierte Bohrloch erhält eine Konizität, bei der der lichte Querschnitt in Lochtiefe stetig zunimmt. Mit einer Schwingungsanregung, deren Frequenz der zweiten Harmonischen der Resonanzfrequenz des Erodierdrahts entspricht, wird eine Schwingungsmode mit zwei Schwingungsknoten erzielt. Werden Frequenz und Drahtlänge so aufeinander abgestimmt, daß der zweite Schwingungsknoten nahe dem freien Ende des Erodierdrahts liegt, so weist die Schwingungsform des Erodierdrahts einen über die Drahtlänge sich erstreckenden bogenförmigen Verlauf auf, und das erodierte Bohrloch zeigt über seine Bohrlochlänge eine faßartige Innenkontur.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 4 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung geben die Patentansprüche 5-7 wieder.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Spritzlochs in einer Einspritzdüse für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung in Kraftfahrzeugen,

Fig. 2 und 3 jeweils einen Erodierdraht der Vorrichtung in Fig. 1 in zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden,

Fig. 4 und 5 jeweils eine Querschnittsform eines erodierten Spritzlochs.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem mittels einer in Fig. 1 skizzierten Vorrichtung ausführbaren Verfahren zur Herstellung eines Spritzlochs 11 in einer ausschnittweise dargestellten Einspritzdüse 10 einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Kraftfahrzeuge wird ein dünner Erodierdraht 12 von außen an die aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehende Einspritzdüse 10 mit seiner Spitze 121 herangeführt und durch Funkenerosion zwischen den beiden von Erodierdraht 12 und Einspritzdüse 10 gebildeten Elektroden zur Herstellung des Spritzloches 11 Werkstoff gezielt aus der Wandung der Einspritzdüse 10 abgetragen. Die Abtragung wird durch aufeinanderfolgende, zeitlich voneinander getrennte, nichtstationäre elektrische Entladungen hervorgerufen, wobei die Entladungen aus Energiespeichern mit Spannungen von mehr als 20 V erfolgen. Spannung, Strom, Entladungsfrequenz und Impulsdauer werden zur Erzielung eines optimalen Bohrungsergebnisses entsprechend eingestellt.

Zur Erzielung unterschiedlicher Bohrlochformen, deren Bohrungsquerschnitt sich auch noch über die Länge des Spritzloches 11 verändert, z. B. - wie in Fig. 1 dargestellt ist - sich von der Außenwand 101 der Einspritzdüse 10 bis zur Innenwand 102 der Einspritzdüse 10 konisch erweitert, wird der Erodierdraht 12 an seinem von der Bearbeitungsspitze 121 abgekehrten Drahtende 122 zu einer definierten Schwingung angeregt, wobei durch gezielte Beeinflussung der Schwingungsanregung die Schwingungsform entsprechend der gewünschten Bohrlochform eingestellt wird. Die Schwingungsanregung des Drahtendes 122 wird dabei in zwei in einer Ebene liegenden orthogonalen Achsen x, y getrennt durchgeführt. Der Erodierdraht 12 steht dabei senkrecht auf der von der x- und y-Achse aufgespannten Ebene und erstreckt sich in z-Richtung eines orthogonalen dreiachsigen Koordinatensystems.

Zur Erzielung der gewünschten Schwingungsform des Erodierdrahts 12 werden die Frequenzen der Schwingungsanregungen in x-Achse und y-Achse, das Frequenz- und Amplitudenverhältnis der beiden Schwingungsanregungen sowie die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungsanregungen in beiden orthogonalen Achsen x, y gesteuert. Beispielsweise werden zur Erzielung eines Bohrlochs mit kreisrundem Querschnitt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, die Schwingungsanregungen in beiden orthogonalen Achsen x, y mit gleicher Amplitude und einer Phasenverschiebung von 90° vorgenommen. Zur Erzeugung eines Spritzlochs 11 mit elliptischer Querschnittsfläche (Fig. 5), werden die Schwingungsanregungen in beiden Achsen x, y mit unterschiedlicher Amplitude und ebenfalls einer Phasenverschiebung von 90° vorgenommen. Entsprechend den bekannten Lissajous-Figuren können auch quadratische oder rechteckförmige Querschnittsflächen des Bohrlochs erodiert werden. In diesem Fall ist das Frequenzverhältnis der Schwingungsanregungen in x- und y-Achse abweichend von 1 einzustellen, wobei die quadratische Querschnittsform durch Einstellung gleicher Amplituden und die Rechteckform durch Einstellung unterschiedlicher Amplituden realisiert werden kann.

Durch geeignete Wahl der Anregungsfrequenzen, die der Eigenresonanz des Erodierdrahts 12 oder höheren Harmonischen der Eigenresonanz entsprechen, kann der Erodierdraht 12 dazu angeregt werden, in verschiedenen Schwingungsmoden zu schwingen, wie dies in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. In Fig. 2 ist der Erodierdraht 12 in Eigenresonanz mit Grundfrequenz versetzt. Er schwingt in einer Schwingungsmode mit einem Schwingungsknoten, der am Einspannende 122 des Erodierdrahts 12 liegt. Der Erodierdraht 12 beschreibt annähernd eine Kegelmantelfläche, deren Grundkreis je nach Einstellung der Amplituden der Schwingungsanregungen in x- und y-Achse ein Kreis oder eine Ellipse ist. In dieser Schwingungsmode erodiert der Erodierdraht 12 ein konisch sich erweiterndes Spritzloch 11, wie es in Fig. 1 in der Wand der Einspritzdüse 10 dargestellt ist.

In der Darstellung der Fig. 3 ist der Erodierdraht 12 mit der zweiten Harmonischen seiner Resonanzfrequenz angeregt. Der Erodierdraht 12 schwingt in einer zweiten Schwingungsmode mit zwei Schwingungsknoten, wobei der eine Schwingungsknoten wiederum am Einspannende 122 des Erodierdrahts 12 liegt, während sich der andere Schwingungsknoten an oder nahe dem freien Ende, also der Bearbeitungsspitze 121, des Erodierdrahts 12 ausbildet. Wird mit dem in einer solchen Schwingungsmode schwingenden Erodierdraht 12 ein Spritzloch 11 erodiert, so verändert sich dessen Bohrungsquerschnitt über die Bohrungslänge etwa faßartig, d. h. mit einem größeren Bohrungsdurchmesser in Bohrungsmitte und einen kleineren Bohrungsdurchmesser am Anfang und Ende des Spritzlochs 11.

Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, wie sie in Fig. 1 schematisch in perspektivischer Ansicht dargestellt ist. Diese Vorrichtung weist eine Einspanneinheit 13 auf, in welcher das Drahtende 122 des Erodierdrahts 12 eingespannt ist. Die Einspanneinheit 13 ist in zwei quer zur Längsachse des Erodierdrahts 12 ausgerichteten orthogonalen Achse x, y verschiebbar geführt. Die Verschiebebewegungen der Einspanneinheit 13 in x-Achse und y-Achse wird jeweils von einem an der Einspanneinheit 13 angreifenden Aktuator 14 bzw. 15 erzeugt. Die beiden Aktuatoren 14, 15 werden von einer Steuereinrichtung 16 gesteuert, in der die Parameter Frequenzen f, Amplituden U und Phasenverschiebung Δϕ der gewünschten Schwingungsanregung des Erodierdrahts 12 eingegeben werden und die entsprechend den Werten der eingegebenen Parameter die Aktuatoren 14, 15 steuert.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Aktuatoren 14, 15 als sog. Piezostacks 17, 18 ausgebildet. In jedem Piezostack 17 bzw. 18 ist eine Mehrzahl von Piezoelementen 23 in Richtung ihrer Längenänderung aneinander angeordnet. An der Gegenfläche der Einspanneinheit 13, die von der Angriffsfläche des Piezostacks 17 bzw. 18 abgekehrt ist, stützt sich das eine Ende einer Andruckfeder 19 bzw. 20 ab, deren anderes Federende an einem ortsfesten Widerlager 21 bzw. 22 anliegt. Bei Anlegen einer Wechselspannung mit der Amplitude U an dem Piezostack 17 bzw. 18 erfährt der Piezostack 17 oder 18 eine Längenänderung in Richtung x- bzw. y-Achse, so daß die Einspanneinheit 13 zu einer oszillierenden Bewegung einerseits in Richtung der x- und andererseits in Richtung der y-Achse angeregt wird. Der Schwingungshub ist dabei von der Amplitude U der Wechselspannung und die Schwingungsfrequenz von der Frequenz f der Wechselspannung abhängig. Die Druckfedern 19, 20 sorgen dabei für eine zuverlässige kraftschlüssige Anlage der Piezostacks 17, 18 an der Einspanneinheit 13.

Sind nur kleine Schwingungsamplituden der Einspanneinheit 13 in x- und y-Richtung erforderlich, so genügt als Aktuator 14 bzw. 15 ein einzelnes Piezoelement 23. Alternativ können die Aktuatoren 14, 15 auch mittels elektrisch-mechanischer Schwingungsmotoren oder Ultraschallschwinger realisiert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen von Bohrungen in Werkstücken aus elektrisch leitendem Werkstoff, insbesondere von Spritzlöchern (11) in Einspritzdüsen (10) von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für Kraftfahrzeuge, bei welchem mittels eines eine Elektrode bildenden Erodierdrahts (12) durch Funkenerosion Werkstoff in dem die Gegenelektrode bildenden Werkstück gezielt abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Erodierdraht (12) aktiv zu einer definierten Schwingung angeregt wird und daß die Schwingungsform durch gezielte Beeinflussung der Schwingungsanregung entsprechend der gewünschten Bohrlochform eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsanregung des Erodierdrahts (12) an einem Drahtende (122) vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsanregung des Erodierdrahts (12) in zwei in einer Ebene liegenden orthogonalen Achsen (x, y) getrennt durchgeführt wird und daß zur Erzielung der gewünschten Schwingungsform des Erodierdrahts (12) die Frequenzen und das Frequenz- und Amplitudenverhältnis der beiden Schwingungsanregungen sowie die Phasenverschiebung zwischen den beiden Schwingungsanregungen in beiden orthogonalen Achsen gesteuert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Bohrlochs mit kreisrundem Querschnitt die Schwingungsanregungen in den beiden orthogonalen Achsen (x, y) mit gleicher Amplitude und einer Phasenverschiebung (Δϕ) von 90° durchgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Bohrlochs mit elliptischer Querschnittsfläche die Schwingungsanregungen in den beiden orthogonalen Achsen (x, y) mit unterschiedlicher Amplitude und einer Phasenverschiebung (Δϕ) Von 90° durchgeführt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende (122) des Erodierdrahts (12) in einer Einspanneinheit (13) aufgenommen ist, die längs zwei quer zur Längsachse des Erodierdrahts (12) ausgerichteten orthogonalen Achsen (x, y) verschiebbar geführt ist, und daß an der Einspanneinheit (13) zwei Akutatoren (14, 15) zur getrennten oszillierenden Verschiebung der Einspanneinheit (13) längs der beiden orthogonalen Achsen (x, y) angreifen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (14, 15) Piezoelemente (23) aufweisen, die bei Anlegen einer Wechselspannung eine definierte Längenänderung in die eine und andere Richtung erfahren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (14, 15) jeweils von einem Piezostack (17, 18) gebildet sind, in dem eine Mehrzahl von Piezoelementen (23) in Richtung ihrer Längenänderung aneinander angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (14, 15) als elektrisch-mechanische Schwingungsmotoren ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (14, 15) als Ultraschallschwinger ausgebildet sind.