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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung eines Verfahrens
einer Laserbearbeitung oder des Ausbildens eines kleinen Loches
in einem Bearbeitungsgegenstand.
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Ein
Verfahren der Einarbeitung kleiner Löcher, bei dem Führungslöcher
in einem Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls
ausgebildet werden und dann durch elektrische Entladungsbearbeitung
oberflächenbehandelt werden, ist in der
japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer
2001-150248 (
JP
2001-150248 A ) beschrieben. Unter Bezugnahme auf die
7 hierin,
wird das offenbarte Bearbeitungsverfahren im Folgenden beschrieben.
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Wie
in 7 beschrieben, bewegt sich ein Laserbearbeitungskopf 101 unmittelbar über
eine Stelle zur Einarbeitung eines Loches in ein Werkstück 102,
ein Laserstrahl 103 wird von dem Laserbearbeitungskopf 101 auf
das Werkstück 102 abgestrahlt, und ein Führungsloch
wird in dem Werkstück 102 in einem Bearbeitungsfluid
ausgebildet.
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Wenn
kleine Löcher unter Verwendung des Laserstrahls 103 geöffnet
werden, kann der Querschnitt des Laserstrahls 103 in Fokuslage
nicht kreisförmig sein, und die Genauigkeit des Innendurchmessers
und die Rundheit der geöffneten, kleinen Löcher
können schlecht ausfallen, selbst wenn der Laserstrahl 103 fokussiert
ist. Es gibt ein Verfahren, bei dem der Laserstrahl 103 unter
Verwendung eines Strahldrehers, eines Galvanospiegels oder dergleichen
rotiert wird, um die Bearbeitungsgenauigkeit zu steigern, aber dies
beeinträchtigt die Gestalt des zuvor beschriebenen Fokusquerschnitts,
was eine erhebliche Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit schwierig
macht.
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Um
genauer zu sein, eine thermische Modifikationsschicht, in der der
Aufbau des Basismaterials verändert ist, wird leicht in
der Peripherie des Loches, welches unter einem stationären
Zustand des Laserstrahls 103 bearbeitet wurde, ausgebildet,
da die Energiedichte des Laserstrahls 103 hoch ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit
der Einarbeitung eines kleinen Loches zu steigern und das Auftreten
einer thermischen Modifikationsschicht weniger wahrscheinlich zu
machen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Lasereinarbeitung
eines kleinen Loches in einem Bearbeitungsgegenstand durch Abstrahlung
eines Laserstrahls auf den Gegenstands bereitgestellt, wobei das
Verfahren die Folgenden Schritte umfasst:
Rotieren des Bearbeitungsgegenstands;
Ausstrahlen des Laserstrahls auf den rotierten Bearbeitungsgegenstand
mit einer örtlich festliegenden optischen Achse des Laserstrahls;
und Absaugen, nachdem das kleine Loch ausgebildet ist, einer Abgasfahne aus
einem Bereich des Bearbeitungsgegenstands auf einer von einem Bearbeitungsteil
des Gegenstand abgewandten Seite.
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Da
bei dieser Anordnung derselbe Bereich der Querschnittsform des stationären
Fokus fortlaufend auf den Rand des kleinen Loches trifft, das sich in
dem drehenden Bearbeitungsgegenstand öffnen soll, wird
die Gestalt der kleinen Löcher kreisförmig oder
nahezu kreisförmig sein, wenn die optische Achse des Laserstrahls
festliegt, während der Bearbeitungsgegenstand gedreht wird,
selbst wenn der Querschnitt im Fokus des Laserstrahls nicht kreisförmig
ist. Aus diesem Grund wird eine Kreisformbearbeitungsgenauigkeit
im Wesentlichen ohne eine Beeinträchtigung durch die Querschnittsform
im Fokus des Laserstrahls erreicht.
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Da
Abgasfahnen von der abliegenden Seite des Bearbeitungsgegenstands
entfernt werden, nachdem das Loch ausgebildet ist, wird das Laserlicht
nicht durch die Abgasfahnen behindert, absorbiert oder gestreut,
und der Laserstrahl steht in fortlaufender Berührung mit
dem rotierenden Bearbeitungsgegenstand.
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Bevorzugt
wird der Bearbeitungsgegenstand durch den Laserstrahl in einer Inertgasatmosphäre bestrahlt.
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In
einer bevorzugten Form wird die Abgasfahne, die während
der Bearbeitung des Bearbeitungsgegenstands erzeugt wird, durch
ein Saugrohr entfernt, das in der Nachbarschaft einer Öffnung
eines Lochs, das eingearbeitet wird, angeordnet ist.
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Bestimmte
bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden im Detail nachfolgend nur beispielhaft anhand der begleitenden
Figuren beschrieben, in denen:
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1 eine
Seitenansicht ist, die ein Kraftstoffeinspritzventil zeigt, das
durch ein Bearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bearbeiten ist;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht ist, die eine
Einspritzöffnung zeigt, die an einem distalen Ende einer
Düse des in 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils
ausgebildet ist;
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3 eine
Querschnittsansicht ist, die eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur
Verwirklichung des Laserbearbeitungverfahrens gemäß der
vorliegenden Erfindung ist;
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die 4A bis 4C schematische
Ansichten sind, die die Laserbearbeitung veranschaulichen, die gemäß der
vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, wobei die optische
Achse eines Laserstrahls örtlich festliegt und der Düsenkörper
in Drehung versetzt wird;
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5 eine
Querschnittsansicht ist, die die Absaugentfernung von Abgasfahnen
zeigt, die während der Laserbearbeitung erzeugt werden;
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die 6A und 6B Ansichten
sind, die ein Verhältnis zwischen dem eingearbeiteten Loch und
dem Laserstrahl bei der herkömmlichen Laserbearbeitung
und der erfindungsgemäßen Laserbearbeitung zeigen;
und
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7 eine
schematische Ansicht ist, die einen herkömmliches Kleinloch-Laserbearbeitungsverfahren
zeigt.
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Im
Folgenden wird nun Bezug genommen auf die 1 und 2,
die ein Kraftstoffeinspritzventil und eine Düse mit einem
kleinen Loch zeigen, das durch das Laserbearbeitungsverfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung geöffnet wurde.
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Das
in 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 10 umfasst
einen Düsenhalter 11 und eine Düse 12,
die an dem distalen Ende des Düsenhalters 11 gehalten
wird. Kraftstoff wird über den Einlass 15 angesaugt.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist die Düse 12 eine Lochdüse
und weist einen Düsenkörper 21 und eine Düsennadel 22 zum Öffnen/Verschließen
des Kraftstoffkanals des Düsenkörpers 21 auf.
Der Düsenkörper 21 weist einen distalen
Endbereich 21a auf, der nach unten vorsteht. Die Spitze 21 hat
mehrere Einspritzöffnungen 25 zur Kraftstoffeinspritzung.
Diese Einspritzöffnungen 25 werden unter Verwendung
eines Verfahrens zur Lasereinarbeitung eines kleinen Loches gemäß der
vorliegenden Erfindung geöffnet.
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3 zeigt
eine Laserbearbeitungsvorrichtung 30, die zur Verwirklichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
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Die
Laserbearbeitungsvorrichtung 30 umfasst einen Laseroszillator 21,
einen Bearbeitungskopf 32, der an dem unteren Bereich des
Laseroszillators 31 zum Ausstrahlen eines Laserstrahls
vorgesehen ist, und ein Werkstückhalteteil 33,
das unter dem Bearbeitungskopf 32 angeordnet ist.
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Das
Werkstückhalteteil 33 umfasst einen Basisbereich 35,
einen Rotierbereich 37, der durch Lager 36 und 36 am
Basisbereich 35 drehbar gelagert ist, einen Werkstückhaltebereich 38,
der an dem oberen Bereich des Rotierbereichs 37 vorgesehen
ist, und einen Antriebsmotor 45, um den Rotierbereich 37 über
einen Riemen 44 in Drehung zu versetzen.
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Der
Rotierbereich 37 weist ein rotierendes, zylindrisches Element 53 auf,
das durch die Lager 36 und 36 gelagert ist. Das
rotierende, zylindrische Element 53 ist an den Lager 36 und 36 durch
Verwendung eines Kragens 56 und einer Mutter 57 angebracht.
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Eine
Antriebsriemenscheibe 61 ist an einer Drehwelle 45a des
Antriebsmotors 45 montiert. Eine angetriebene Riemenscheibe 62 ist
an den unteren Bereich des rotierenden, zylindrischen Elements 53 montiert.
Der Riemen 44 ist um die Antriebsriemenscheibe 61 und
die angetriebene Riemenscheibe 62 gewickelt.
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Das
Werkstückhalteelement 38 beinhaltet eine Haltebasis 41,
die auf das rotierende, zylindrische Element 53 montiert
ist. Der Werkstück haltende Hauptkörper 43 ist
drehbar an der Haltebasis 41 mittels Lager 42 und 42 angebracht.
Ein Kragen 47 und eine Mutter 48 verhindern eine
Trennung der Lager 42 und 42 von dem Werkstück
haltenden Hauptkörper 43. Ein ringförmiges
Element 41A ist an der Haltebasis 41 angebracht,
um eine der Dichtungen 43 und 43 abzustützen,
die auf den zwei Seiten der Lager 42 und 42 angeordnet
sind.
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Das
Werkstückhalteelement 38 beinhaltet auch einen
Ausleger 51, der sich von der Haltebasis 41 zur
distalen Endseite des Werkstück haltenden Hauptkörpers
erstreckt, um ein Ende des Werkstück haltenden Hauptkörpers 43 abzustützen.
Ein angetriebenes Zahnrad, welches die Antriebskraft von der Antriebsvorrichtung
(nicht dargestellt) aufnimmt, die den Werkstück haltenden
Hauptkörper 43 in Drehung versetzt, ist an dem
distalen Ende der Werkstück haltenden Einrichtung 43 angebracht.
Ein Werkstückdrehwinkelrastmechanismus 58 positioniert
die Werkstückhalteeinrichtung 43 an jedem vorgeschriebenen
Drehwinkel.
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Der
Positionierstift 59 stoppt die Drehung des Düsenkörpers 21 bezüglich
des Werkstück haltenden Hauptkörpers 43,
wenn der Düsenkörper 21 als dem Werkstück
durch den Werkstück haltenden Hauptkörper 43 gehalten
wird.
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Der
Werkstück haltende Hauptkörper 43 weist
einen Durchgang 43a auf, der hindurch zu einem Durchgang 21b im
Innern des Düsenkörpers 21 verläuft,
und weist auch einen Durchgang 43b auf, der orthogonal
zum Durchgang 43a ist. Der Durchgang 43b steht
in Verbindung mit einem Durchgang 51a, der im Innern des
Auslegers 51 ausgebildet ist. Der Durchgang 51 steht über
einen Durchgang 41a, der in der Haltebasis 41 ausgebildet
ist, in Verbindung mit einem hohlen Bereich 53a, der in
dem rotierenden, zylindrischen Element 53 ausgebildet ist.
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Die
Durchgänge 21b, 43a, 43b, 51a und 41a und
der hohle Bereich 53a stellen einen Abgasfahnenabsaugdurchgang 65 zum
Absaugen von Abgasfahnen dar, die während der Laserbearbeitung
erzeugt werden (das heißt, ionisiertes Mischgas oder metallische
Dämpfe, die erzeugt werden, wenn der Düsenkörper 21 aufgrund
der Hitze verdampft).
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Ein
Werkstückdrehwinkelrastmechanismus 58 umfasst
mehrere Vertiefungen 43d, die zu vorgegebenen Winkeln in
der Umfangsrichtung auf der Außenumfangsfläche
eines Bereichs mit großem Durchmesser 43c ausgebildet
sind, der an dem Werkstück haltenden Hauptkörper 43 angeordnet
ist; ein Gehäuse 66, das an der Haltebasis 41 so
vorgesehen ist, dass es der Außenumfangsfläche
des Bereichs mit großem Durchmesser 43c zugewandt
ist; mehrere Kugeln 67, die im Innern des Gehäuses 66 angeordnet
sind und die jeweils in die mehreren Vertiefungen 43d passen;
und Federn 68, die im Innern des Gehäuses 66 angeordnet
sind, um jede der Kugeln 67 in jede Vertiefung 43d zu
drücken.
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Der
Umfangsabstand(-Winkel) der benachbarten Vertiefungen 43d und 43d entspricht
dem Winkel in der Umfangsrichtung, um den die mehreren Einspritzöffnungen 25 (2),
die sich in dem distalen Endbereich 21a des Düsenkörpers 21 öffnen,
untereinander benachbart zueinander sind.
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Die 4A bis 4C zeigen
einen Zustand, bei dem der Laserstrahl 71 örtlich
festgelegt ist, während der Düsenkörper 21 in
Drehung versetzt wird, während die Bearbeitung durchgeführt
wird.
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In 4 wird der Laserstrahl 71 von
dem Bearbeitungskopf in einer Erdgasatmosphäre abgestrahlt,
und bestrahlt den distalen Endbereich 21a des Düsenkörpers 21.
Auszubildende Einspritzöffnungen 25 sind durch
Linien aus abwechselnd langen und zwei kurzen Strichen gezeigt.
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In 4B ist
die optische Achse des in 3A gezeigten
Laserstrahls während der Laserbearbeitung örtlich
festgelegt, und der Düsenkörper 21 wird
in der Richtung des Pfeils durch das Werkstückhalteteil 33 (2)
in Drehung versetzt, während die Laserbearbeitung durchgeführt
wird.
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In 4C ist
der Düsenkörper 21 weiter in Richtung
des Pfeils gedreht. Der Düsenkörper 21 wird
mit konstanter Geschwindigkeit in einer festliegenden Richtung während
der Laserbearbeitung gedreht.
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5 zeigt
einen Zustand, bei dem während der Bearbeitung erzeugte
Abgasfahnen 73 entfernt werden.
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Da
Abgasfahnen 73, die während der Laserbearbeitung
erzeugt werden, den Laserstrahl 71 behindern, absorbieren
oder streuen können, werden die Abgasfahnen 73 abgesaugt
und über ein Saugrohr 76 entfernt, das in der
Nachbarschaft einer Öffnung eines Lochs 75, das
eingearbeitet wird, angeordnet ist.
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Wenn
das Loch 75 vollständig durch ein Werkstück
hindurch ausgebildet ist, werden Abgasfahnen abgesaugt und aus dem
Düsenkörper 21 über einen Abgasfahnenabsaugdurchgang 65,
der in 2 gezeigt ist, entfernt.
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Ein
Absaugen der Abgasfahnen 73 auf diese Weise verhindert,
dass die Bearbeitung, die durch den Laserstrahl 71 durchgeführt
wird, unterbrochen wird, eine kontinuierliche, konstante Bearbeitung wird
auf stabile Weise durchgeführt und die Bearbeitungspräzision wird
verbessert, da der Laserstrahl 71 nicht durch die Abgasfahnen 73 behindert,
absorbiert oder gestreut wird.
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Die 6A und 6B zeigen
das Verhältnis zwischen dem Loch und dem Laserstrahl bei
der herkömmlichen Laserbearbeitung und bei der vorliegenden
Erfindung.
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Bei
dem herkömmlichen Beispiel, das in 6A gezeigt
ist, ist der Düsenkörper 21 örtlich festgelegt
und der Laserstrahl 71 wird durch einen Strahldreher oder
dergleichen gedreht. Da die Querschnittsform im Fokus des Laserstrahls 71 nicht kreisförmig
ist, variiert die Gestalt des Laserstrahls 71, die den
Rand des Loches 75 berührt, fortlaufend, wenn
der Laserstrahl 71 rotiert. Aus diesem Grund wird die Form
des Loches 75 nicht kreisförmig sein. Anders ausgedrückt:
die Gestalt des Loches 75 wird durch die Querschnittsform
im Fokus des Laserstrahls 71 nachteilig beeinflusst. In
dem in dem Diagramm dargestellten Beispiel hat das Loch 75 eine Gestalt,
die nahezu elliptisch ist.
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In
der Ausführungsform der 6 ist
die optische Achse des Laserstrahls örtlich festgelegt
und der Düsenkörper 21 dreht sich in
Richtung des Pfeils.
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Die örtliche
Festlegung der optischen Achse des Laserstrahls 71 und
das Drehen des Düsenkörpers 21 auf diese
Weise ermöglicht ein kreisförmiges oder nahezu
kreisförmiges Loch 75, da die Querschnittsform
im Fokus des Laserstrahls 71, die den Rand des Loches 75 berührt,
immer gleich ist. Folglich wird die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert,
so dass die Einspritzöffnungen 25 (2)
eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2001-150248 [0002]
- - JP 2001-150248 A [0002]