DE3942299C2 - Verfahren und Vorrichtung zum laufenden Messen der Größe von Durchgangsbohrungen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum laufenden Messen der Größe hochpräziser, durch Energiestrahlung, insbesondere Laserstrahlung, hergestellter Durchgangsbohrungen in Werkstücken während des Bearbeitungsvorgangs, wobei jede Bohrung durch mehrere, aufeinander­ folgende Energieimpulse hergestellt wird, deren Brennpunkte zur Bohrungsachse gegeneinander versetzt sind.

Durch die DE-OS 17 90 128 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren von Werkstücken, insbesondere Uhrensteinen, mittels Laserstrahlung bekannt geworden, bei welchem jede Bohrung mittels mehrerer, aufeinanderfolgender Impulse bearbeitet wird, deren Brennpunkte quer zur Bohrungsachse zueinander versetzt sind. Der gewünschte Bohrungsdurchmesser läßt sich beispielsweise durch ringförmig um die Achse der zu erstellen­ den Bohrung einwirkende Einzelenergieimpulse genau vorherbestimmen, indem die Exzentrität der Brennpunkte der einzelnen Impulse, be­ zogen auf die Achse der zu erstellenden Bohrung, entsprechend einge­ stellt wird. Hierzu wird bevorzugt eine Optik mit beweglichen optischen Mitteln zur Verlagerung des Brennpunktes quer zur optischen Achse verwendet. Zahl und Stärke der Impulse muß bei dem bekannten Verfahren, abhängig vom Bohrlochdurchmesser, der Werk­ stückdicke, der Materialbeschaffenheit und anderer Parameter empirisch ermittelt werden.

Aus der DE-AS 10 51 520 ist eine Vorrichtung zum Prüfen der Öffnungen in Düsen und Kapillarrohren bekannt, bei der unterhalb der zu messenden Öffnung eine Quecksilbersäule angebracht ist, durch deren Absinken Luft durch die Öffnung gesogen wird und deren Absinkgeschwindigkeit gemessen und zur Querschnittsbestimmung herangezogen wird. Auch die DE-OS 19 53 316 beschreibt eine Vorrichtung zur pneumatischen Messung einer Öffnung, bei der ein Fluid unter konstantem Druck durch eine Öffnung strömt. Durch Messen der Zeit, die eine bestimmte Fluidmenge benötigt, um die zu messende Öffnung zu durchströmen, kann auf die Öffnungsgröße geschlossen werden. In der GB 12 47 666 ist eine Kammer beschrieben, die es erlaubt, mittels Energiestrahlung unter definierter, gespülter Atmosphäre zu arbeiten. Die Kammer wird dabei so ausgestaltet, daß die Energiestrahlung optimal ausgenutzt werden kann und die Kammer selbst bewegbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Größe hochpräziser, durch Energiestrahlung hergestellter Durchgangsbohrungen in Werkstücken zu schaffen, mit dem bzw. der es möglich wird auch während des Bearbeitungsvorgangs der Öffnung, die Öffnungsgröße zu bestimmen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die jeweilige Größe des Bohrlochs während des Bearbeitungsvorgangs laufend in adäquate Meßwerte umgesetzt wird, die zur Steuerung beziehungsweise Regelung der Impulsdauer beziehungsweise Impulsstärke sowie zum Unterbrechen der Energiestrahlung, beispielsweise durch Abschalten der Energie­ quelle, verwendet werden können. Dadurch ist es möglich, Durchgangs­ bohrungen bestimmter Größe in Materialien unterschiedlicher Dicke und Beschaffenheit innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne einzu­ bringen, wobei die Energiezufuhr bei Erreichen der Sollgröße der Bohrung automatisch unterbrochen wird. Die Meßgröße wird erfindungs­ gemäß aus einem die Durchgangsbohrung durchströmenden und der Bohr­ stelle des Werkstücks mit einem vorgegebenen, konstanten Druck zuge­ führten Fluid gewonnen. Dies erbringt bei geringem Aufwand sehr ge­ naue, von der Energiestrahlung und deren Auswirkungen weitgehend un­ beeinflußte Resultate im Gegensatz zu der im Zusammenhang mit Schweißen, Löten, Schneiden oder Perforieren bekannte Leistungs­ steuerung eine Lasers in Abhängigkeit von der reflektierten Strahlung des Werkstücks, bei welcher nach Erreichen einer vorge­ gebenen Intensität der Strahlung der Laser abgeschaltet oder der Laserstrahl mittels einer Abdeckung unterbrochen wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Um aus dem die Durchgangsbohrung durchströmenden Fluid eine adäquate Meßgröße abzuleiten, kann die Durchflußmenge pro Zeiteinheit mittels eines der Bohrung nachge­ schalteten Durchflußmengenmessers erfaßt und ausgewertet werden. Eine andere, bevorzugte Möglichkeit besteht darin, daß die Meßgröße aus dem sich während des Einbringens der Durchgangsbohrung einstellende Druckabfall des Fluids als Punktion der jeweiligen Größe der Bohrung unter Verwendung eines hochempfindlichen Drucksensors gewonnen wird. Das Fluid besteht vorzugsweise aus einem Gas oder Gasgemisch, insbesondere aus einem Schutzgas zum Beeinflussen des strahlungsinduzierten Plasmas. Bei der Bearbeitung von Materialen mit Laserstrahlung bildet sich bekanntlich bei hohen Strahlleistungen ein Plasma, das wegen seiner Absorption des Laserlichts die Energieübertragung auf das Werkstück behindert. Um die hauptsächlich für die Absorption verantwortlichen Elektronen unschädlich zu machen, beaufschlagt man die Bearbeitungsstelle mit Helium oder einem anderen geeigneten Schutzgas. Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung hat eine druckdichte Kammer zur Aufnahme des Werkstücks, in welche ein Zuflußkanal, über den ein strömendes, die Bohrstelle beaufschlagendes Fluid mit vorgegebenem, konstantem Druck zuführbar ist, und ein Abflußkanal für das Fluid mündet und welche an ihrem der Energiestrahlung zugekehrten Ende mit einem Fenster aus einem für die Energiestrahlung durchlässigen Material verschlossen ist und einen Sensor, mit dem Parameter des strömenden Fluids aufnehmbar sind.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile näher erläutert. Die Figur zeigt ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung zum Herstellen von Durchgangsbohrungen in Werkstücken durch Energiestrahlung sowie zum Messen der Größe der Bohrung während des Bearbeitungsvorgangs.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist mit 1 ein Laser an sich bekannter Bauart be­ zeichnet, der ein im wesentlichen eine einzige Wellenlänge auf­ weisendes Parallelstrahlenbündel 2 erzeugt. Das Strahlenbündel 2 durchläuft einen vertikalachsigen Tubus 3. Dieser Tubus ist mit im einzelnen nicht dargestellten, motorisch verstellbaren optischen Elementen bestückt, welche die Laserstrahlung auf einen Brennpunkt P konzentrieren, der in einer Ebene des zu bearbeitenden Werkstücks 4 liegt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Teil 4 um eine Planscheibe, in welche mittels der konzentrierten Laserstrahlung eine Durchgangsbohrung vorgegebener Größe eingebracht wird. Die Planscheibe 4 kann Bestandteil einer Kraftstoff-Einspritzdüse sein. Sie besteht in diesem Fall aus einem hochfesten metallischen oder keramischen Material.

Der Tubus 3 beinhaltet eine verstellbare Optik, mittels welcher der Brennpunkt P der Laserstrahlung quer zu der mit der Bohrungsachse zusammenfallenden optischen Achse 5 verlagerbar ist. Jede Bohrung wird durch mehrere, scharf gebündelte Laserimpulse erstellt, deren Durchmesser kleiner ist als der Solldurchmesser der Durchgangs­ bohrung nach abgeschlossener Bearbeitung. Dabei kann zweckmäßiger weise so vorgegangen werden, daß zunächst mittels eines Laserstrahl­ impulses oder mehrerer aufeinanderfolgender Impulse im Bereich der Bohrungsfläche des Werkstücks 4 eine zentrische Durchgangsbohrung mit kleinerem Durchmesser als dem Solldurchmesser hergestellt wird. Anschließend wird diese Zentralbohrung entlang ihres Umfanges durch weitere Laserimpulse auf ihren Solldurchmesser aufgebohrt. Die Brennpunkte der einzelnen Impulse können dabei konzentrisch zur Bohrungsachse entlang eines Kreises oder einer Spirale zueinander versetzt werden. Insbesondere können die Brennpunkte der Impulse nach Fertigstellung der Zentralbohrung gleichmäßig beziehungsweise zentralsymmetrisch zur Bohrungsachse verteilt werden. Die Zahl der erforderlichen Impulse und deren Energie kann je nach dem Durch­ messer der zu erstellenden Bohrung verschieden gewählt werden, wobei zumindest zu Beginn der Bearbeitung mit Impulsen zunehmender Energie gearbeitet wird.

Wie aus der Figur ersichtlich, ist für die Planscheibe 4 eine Werkstückaufnahme in einem beweglichen Verschlußblock 6 vorgesehen, welche die Scheibe in vertikaler und horizontaler Richtung zur Achse 5 der Laserstrahlung zentriert und fixiert. Die Werkstückaufnahme wird durch eine im Verschlußblock 6 angebrachte Vertikal-Durchgangs­ bohrung 7 und der Stirnfläche einer in der Bohrung 7 verankerten Hülse 8 gebildet, wobei der Bohrungsdurchmesser an den Außendurch­ messer der Scheibe 4 angepaßt ist.

Der Verschlußblock 6 ist in vertikaler Richtung zwischen einer Be­ schickungsstellung und einer Schließstellung beweglich angeordnet. In der Beschickungsstellung des Verschlußblocks läßt sich eine unge­ bohrte Scheibe 4 von oben her in die Werkstückaufnahme 7, 8 ein­ legen. In der Schließstellung liegt der Block 6 an der Unterseite eines stationären Blocks 9 an, wobei er eine in dem Block 9 ausge­ formte Kammer 10 druckdicht verschließt.

Die Druckkammer 10 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer konzen­ trisch zur Bohrung 7 und der optischen Achse 5 verlaufenden Verti­ kalbohrung, die an ihrem dem Tubus 3 zugekehrten Ende durch ein Fenster 11 aus einem für die Laserstrahlung durchlässigen Material druckdicht verschlossen ist. Hierzu dient ein mit dem Block 9 ver­ schraubter Druckring 12, welcher das Fenster 11 an eine teilweise in den Block 9 eingelassene Ringdichtung 13 anlegt.

Von der anderen Seite her wird die Druckkammer 10 durch die jeweils in der Werkstückaufnahme 7, 8 befindliche Planscheibe 4 ver­ schlossen, welche in der Schließstellung des Verschlußblocks 6 gegen eine mit dem stationären Block 9 verschraubte Dichtscheibe 14 mit zentraler Öffnung 15 angepreßt wird.

Der Block 9 hat außerdem 2 in die Kammer 10 mündende Querbohrungen 16 und 17. An die obere Querbohrung 16 ist ein nicht dargestellter Druckerzeuger, beispielsweise eine Pumpe angeschlossen, welche ein Fluid, insbesondere ein Schutzgas, in die Kammer 10 einbringt. Ein zwischen ihr und dem Druckerzeuger angeordnetes Reduzierventil 18 hält den Druck des in die Kammer einströmenden Fluids auf einen vorgegebenen, konstanten Wert.

In der Bohrung 17 ist ein Drucksensor 19 angeordnet, welcher den jeweiligen Kammer-Fülldruck erfaßt. Der Istwert des Ausgangssignals des Drucksensors 19 wird einem Komparator 20 zugeführt, an den ein Sollwertgeber 21 angeschlossen ist. Das Differenzsignal aus Istwert und Sollwert wird über eine Leitung 22 in einen dem Laser 1 zuge­ ordneten Regel- und Abschaltkreis 23 eingespeist.

Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:

Bei geschlossener Kammer 10 und eingelegtem, unbearbeiteten Werk­ stück 4 strömt nach Einschalten des Druckerzeugers über das Redu­ zierventil 18 und die Bohrung 16 ein Fluid, insbesondere ein Schutz­ gas, in die Kammer 10. Das Reduzierventil 18 hält die Menge des pro Zeiteinheit in die Kammer 10 einströmenden Fluid konstant und unter­ bricht die Fluidzufuhr, sobald sich in der Kammer ein vorgegebener Fülldruck aufgebaut hat.

Nun kann der Laser 1 eingeschaltet werden mit dem Ziel, durch mehrere, aufeinanderfolgende Energieimpulse in der Planscheibe 4 eine Durchgangsbohrung genau definierter Größe zu schaffen. Hierzu kann so vorgegangen werden, daß mit einem ersten Strahlungsimpuls beziehungsweise einer Impulsserie eine zentrale Bohrung mit kleinerem Durchmesser als dem Solldurchmesser hergestellt wird und anschließend die Bohrung durch weitere Laserimpulse, deren Brenn­ punkte durch entsprechende Einstellung des Tubus 3 quer zur Bohrungsachse zueinander versetzt sind, auf die Sollgröße aufge­ weitet wird. Diese Vorgehensweise und die hierzu erforderlichen Mittel sind durch die DE-OS 17 90 128 bekannt.

Sobald die Planscheibe 4 durchbohrt ist, entsteht in der Kammer 10 ein Druckabfall, da die über das Reduzierventil 18 zugeführte Fluid­ menge kleiner ist als die durch die Bohrung und die Hülse 8 ent­ weichende Fluidmenge. Dieser Druckabfall erhöht sich mit zunehmender Größe des Bohrlochs. Er wird durch den Drucksensor 19 erfaßt und als elektrisches Signal dem Komparator 20 zugeführt. Mit zunehmender Aufweitung der Bohrung nähert sich der Wert des Drucksensor-Signals dem Wert des vom Sollwertgeber 21 in den Komparator 20 eingespeisten Signals. Bei Erreichen einer vorgegebenen Differenz beider Signale, die den Wert "0" haben kann, wird der Laser 1 über den Kreis 23 ab­ geschaltet.

Es ist möglich, das vom Drucksensor 19 als Funktion des Druckabfalls in der Kammer gelieferte Signal laufend oder in zeitlichen Inter­ vallen mit Sollwertsignalen des Sollwertgebers 21 zu vergleichen, um auf diese Weise die Laserleistung durch Verstärkung oder Reduzierung der Impulsenergie während des Bohrvorgangs zu regulieren. Dies ist beispielsweise dann angebracht, wenn Werkstücke unterschiedlicher Dicke und/oder Materialbeschaffenheit nacheinander bearbeitet werden sollen.

Anstatt mit Überdruck zu arbeiten, kann mittels einer entsprechen­ den, an die Bohrung 16 angeschlossenen Pumpe in der Kammer 10 auch ein Unterdruck vorgegebener Größe erzeugt werden. Mit dem Einbringen der Bohrung in die Planscheibe 4 sinkt der Unterdruck in der Kammer gegenüber dem Umgebungsdruck in der Hülse 8. Der Druckabfall kann dabei mit einem Sensor erfaßt und über eine entsprechende Be­ schaltung zur Leistungssteuerung und/oder zum Unterbrechen der Laserstrahlung ausgewertet werden.

Eine auswertbare Meßgröße der jeweiligen Größe der Durchgangsbohrung läßt sich alternativ auch aus der Durchflußmenge des Fluids pro Zeiteinheit gewinnen. Hierzu kann in der Kammer 10 oder in der Bohrung 7 des Verschlußblocks ein Durchfluß-Mengenmesser 24 angeordnet sein, der ausgangsseitig an den Regelkreis 23 des Lasers 1 angeschlossen ist. Der Durchflußmengenmesser kann zur Erfassung des Ausströmens eines Fluids aus der Kammer infolge eines dort vorhandenen Überdrucks oder zum Erfassen des Einströmens von Umgebungsluft in die Kammer infolge eines dort vorhandenen Unterdrucks ausgelegt sein. Wesentlich ist, daß die Meßgröße aus einem die Durchgangsbohrung durchströmenden und der Bohrstelle des Werkstücks mit einem vorgegebenen, konstanten Druck zugeführten Fluid gewonnen wird.

Als Fluid wird vorzugsweise ein Schutzgas, beispielsweise Helium eingesetzt, um die Rekombination von Ionen und Elektronen zu steigern und damit die Elektronendichte im Plasma zu verringern. Dieses Plasma absorbiert bekanntlich einen Teil der Strahlungs­ energie und schirmt das Werkstück gegen einfallende Laserstrahlung ab. Die Abschirmung erfolgt dadurch, daß sich das Plasma von der Werkstückoberfläche ablöst. Die abschirmende Wirkung des Plasmas kann so groß sein, daß die durchdringende Reststrahlung nicht aus­ reicht, um die Schmelz- beziehungsweise Verdampfungsprozeß am Werk­ stück aufrechtzuerhalten.

Claims (15)

1. Verfahren zum laufenden Messen der Größe hochpräziser, durch Energiestrahlung, insbesondere Laserstrahlung, hergestellter Durchgangsbohrungen in Werkstücken während des Bohrprozesses, wobei jede Bohrung durch mehrere, aufeinanderfolgende Energieimpulse hergestellt wird, deren Brennpunkte zur Bohrungsachse gegeneinander versetzt sind, bei dem die Meßgröße laufend aus einem die Durchgangsbohrung durchströmenden und der Bohrstelle des Werkstücks (4) mit einem vorgegebenen, konstanten Druck zugeführten Fluid gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße aus der Durchflußmenge des Fluids pro Zeiteinheit als Funktion der jeweiligen Größe der Durchgangsbohrung gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße aus dem sich während des Einbringens der Durchgangsbohrung einstellenden Druckabfall des Fluids als Funktion der jeweiligen Größe der Durchgangsbohrung gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid aus einem Gas oder Gasgemisch besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas ein Schutzgas zum Beeinflussen des strahlungsinduzierten Plasmas verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Bohrstelle des Werkstücks (4) ein vorgegebener, konstanter Überdruck erzeugt wird und der sich während des Einbringens der Durchgangsbohrung einstellende Druckabfall als Funktion der jeweiligen Größe der Bohrung gemessen und ausgewertet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Bohrstelle des Werkstücks (4) ein vorgegebener, konstanter Unterdruck erzeugt wird und der sich während des Einbringens der Durchgangsbohrung gegenüber dem atmosphärischen Druck einstellende Druckabfall als Funktion des jeweiligen Durchmessers der Bohrung gemessen und ausgewertet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall während des Bohrvorgangs mit einem Sollwert verglichen und ein hieraus resultierendes Differenzsignal vorgegebener Größe zum Unterbrechen der Energiestrahlung benutzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall während des Bohrvorgangs mehrmals in vorgegebenen zeitlichen Abständen mit Sollwerten unterschiedlicher Größe verglichen wird und die hieraus resultierenden Differenzsignale zur Leistungssteuerung der Energiestrahlung ausgewertet werden.

10. Vorrichtung zum laufenden Messen der Größe einer hochpräzisen, durch Energiestrahlung (2), insbesondere Laserstrahlung, hergestellter Durchgangsbohrung in einem Werkstück während des Bohrprozesses, bei dem die Bohrung durch mehrere, aufeinanderfolgende Energieimpulse hergestellt wird, deren Brennpunkte zur Bohrungsachse gegeneinander versetzt sind, mit einer druckfest verschließbaren Kammer (10) für das Werkstück (4), in welche ein Zuflußkanal (16), über den ein strömendes, die Bohrstelle beaufschlagendes Fluid mit vorgegebenem, konstanten Druck zuführbar ist, und ein Abflußkanal (7) für das Fluid münden und welche an ihrem der Energiestrahlung zugekehrten Ende mit einem Fenster (11) aus einem für die Energiestrahlung durchlässigen Material druckdicht verschlossen ist, und mit einem Sensor, mit dem Parameter des strömenden Fluids aufnehmbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (10) an der dem Fenster (11) gegenüberliegenden Seite durch das zu bearbeitende Werkstück (4) druckdicht verschließbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Werkstückaufnahme (7, 8) in einem beweglichen Verschlußblock (6) vorgesehen ist, welche nach Einlegen des Werkstücks (4) an die dem Fenster (11) gegenüberliegende Seite der Kammer (10) anlegbar ist und diese druckdicht verschließt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (10) als Bohrung in einem Block (9) aus massivem Material ausgebildet ist und daß der Zuflußkanal als mindestens eine weitere Bohrung (16) in diesem Block ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein in der Kammer (10) angeordneter druckempfindlicher Sensor (19) ist, und daß die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, dessen Ausgangssignale mit einem von einem Sollwertgeber (21) gelieferten Signal zu vergleichen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein in einer Bohrung (7) des Verschlußblocks (6) angeordneter, die Menge des die Durchgangsbohrung des Werkstücks (4) durchströmenden Fluids erfassender Durchfluß-Mengenmesser (24) ist, dessen Ausgangssignale für die Steuerung und/oder das Abschalten eines Lasers (1) auswertbar sind.