WO2002070178A1 - Verfahren zur herstellung eines lochs in einem körper, insbesondere eines einspritzlochs in einem kraftstoffinjektor - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines lochs in einem körper, insbesondere eines einspritzlochs in einem kraftstoffinjektor Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hole in a body, in particular an injection hole in a fuel injector.
  • the method should be suitable for producing a hole with a diameter of less than 0.5 millimeter and with a ratio of length to diameter of greater than 3.
  • edges of the opening of the hole are rounded.
  • this short rounding process is normally used to anticipate aging processes. If the rounding process is carried out a little longer, surface roughness of the surfaces of the fuel injector which form the hole are smoothed. Such surface roughness typically have height differences of up to 3 ⁇ m.
  • the length of the rounding process can slightly increase the diameter of the hole. This allows the desired flow of fuel through the hole to be finely adjusted when the fuel injector is in operation. Flow is the amount of fuel that flows through the hole per unit of time at a certain temperature and pressure differential. However, if the rounding process is carried out for a longer period of time, the hole becomes uncontrolled, which destroys the symmetry of the hole. The hole then has large geometry errors.
  • the rounding process may only be carried out until the radial thickness of the material removed from the areas of the fuel injector that form the hole is 5 ⁇ m.
  • the rounding process usually takes about 30 seconds.
  • the invention is based on the object of specifying a method for producing a hole in a body which is faster in comparison with the prior art.
  • the object is achieved by a method for producing a hole in a body, in which the hole is produced with the aid of a laser by means of a percussion drilling process or a trepanning drilling process.
  • the percussion drilling process takes less than 3 seconds.
  • the trephine drilling process takes less than 10 seconds.
  • a smoothing process is carried out by pressing a medium with abrasive particles through the hole under pressure until unevenness of the surfaces of the body that form the hole are essentially removed.
  • the percussion drilling process can be several such consecutive Have pulses. However, there are only a few, up to e.g. B. 10 consecutive pulses are provided so that the percussion drilling process does not last longer than 3 sec.
  • the position of the laser beam is not changed during the process, so that a hole is created, the cross section of which matches the focus of the laser beam.
  • a constant laser beam is aimed at the body.
  • the body is moved relative to the laser beam during the irradiation.
  • the focus of the laser beam is smaller than the cross section of the hole created by the trephine drilling process.
  • a hole created by a short percussion drilling process or trepanning drilling process has a very large shape tolerance, i. that is, the surfaces of the body that form the hole have bumps. Due to the unevenness, which have the shape of recesses and indentations, the diameter of the hole fluctuates by up to 25 ⁇ m.
  • the subsequent smoothing process which essentially removes the unevenness, contributes significantly to the final shape and size of the hole due to the size of the unevenness. For example, the smoothing process increases the flow of fuel through the hole by at least 30% or 35%, better 50%.
  • the smoothing process additionally leads to the edges of the opening of the hole being rounded off and the aging process of the body being anticipated, so that an additional rounding process after the hole has been created is not necessary.
  • the invention is based on the surprising finding that a hole produced by short percussion drilling or trepanning drilling can be subjected to a smoothing process by which up to 30 ⁇ m of material is removed in the radial direction without the hole being enlarged in an uncontrolled manner. Due to the short duration of the percussion drilling process or trepanning drilling process, the method for producing a hole can be very fast.
  • the duration of the smoothing process can be reduced by increasing the pressure of the medium and / or the density of the abrasive particles.
  • the smoothing process is carried out with a pressure between 100 and 300 bar and with a viscoelastic medium, such as, for example, the abrasive from Extrude Hone.
  • the smoothing process takes between 20 and 100 seconds.
  • the smoothing process is carried out at a pressure between 80 and 200 bar with a liquid, preferably highly viscous medium, such as test oil.
  • the smoothing process takes between 40 and 90 seconds.
  • the percussion drilling process preferably takes no longer than one second.
  • the very short percussion drilling process creates a hardened layer directly under the surfaces of the body that form the hole. This layer is created by the rapid cooling of the material around the hole, which is heated only briefly by the laser beam. The rest of the body's material acts as a heat sink. The longer the percussion drilling process takes, the more the whole body heats up and the slower the material around the hole cools down after a pulse.
  • the hardened layer can be between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m thick. Since the layer is hardened, the smoothing process can be carried out for a long time and / or with high pressure and / or with a highly viscous or viscoelastic material without the hole becoming out of round and experiencing an uncontrolled enlargement. After the smoothing process, part of the hardened layer may remain. It has been shown that even with a percussion drilling process between one second and 3 seconds, a smoothing process is possible in which material in a radial thickness of 10 ⁇ m or more can be removed without the hole becoming out of round and experiencing an uncontrolled enlargement.
  • a fuel injector can be used as the body.
  • the hole can be created as an injection hole.
  • the hole can be created, for example, as a throttle of a fuel injector.
  • Figure 1 shows a cross section through a hole in a
  • FIG. 2 shows the cross section from FIG. 1 after a smoothing process has been carried out.
  • a fuel injector K is provided and clamped in a laser drilling machine.
  • a percussion drilling process is carried out with three approximately 100 ⁇ sec long successive pulses. The percussion drilling process takes about a second in total.
  • a hole L is created in the fuel injector K by the percussion drilling process.
  • the hole L has unevenness in the form of indentations and bulges, so that the diameter of the hole L fluctuates between 130 ⁇ m and 150 ⁇ m (see FIG. 1).
  • the percussion drilling process forms an approximately 20 ⁇ m thick hardened layer S under the surfaces F of the fuel injector K that form the hole L.
  • a smoothing process is then carried out, in which an abrasive from Extrude Hone is pressed through the hole L at a pressure of approximately 140 bar for approximately 70 seconds.
  • the current runs from bottom to top.
  • the unevenness of the surfaces of the hole L is essentially removed (see FIG. 2).
  • Hole L changes essentially uniformly between 150 ⁇ m and 170 ⁇ m.
  • the earlier bumps can still be recognized by e.g. the slight bulge in the middle of the hole L.
  • Part of the hardened layer S is still present even after the smoothing process.
  • the increase in the flow of diesel at a temperature of 40 ° C and a pressure difference of 100 bar is approximately 40%.

Abstract

Zunächst wird mit Hilfe eines Lasers durch einen Percussionbohrprozess oder einen Trepanierbohrprozess das Loch (L) erzeugt. Der Percussionbohrprozess dauert weniger als 3 Sekunden. Der Trepanierbohrprozess dauert weniger als 10 Sekunden. Nach dem Percussionbohrprozess bzw. Trepanierbohrprozess wird ein Glättungsprozess durchgeführt, indem ein mit Schleifteilchen versetztes Medium unter Druck durch das Loch gepresst wird, bis Unebenheiten von Flächen (F) des Körpers, die das Loch (L) bilden, im wesentlichen abgetragen sind.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES LOCHS IN EINEM KÖRPER, INSBESONDERE EINES EINSPRITZLOCHS IN EINEM KRAFTSTOFFINJEKTOR
Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Lochs in einem Körper, insbesondere eines Einspritzlochs in einem KraftstoffInjektor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lochs in einem Körper insbesondere eines Einspritzlochs in einem Kraftstoffinjektor. Das Verfahren soll geeignet sein, ein Loch mit einem Durchmesser kleiner als 0,5 Millimeter und mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von größer als 3 zu erzeugen.
Es ist beispielsweise aus D. Potz at al. „ Diesel Nozzle - The Determining Interface between Injection System and Com- bustion Chamber" , THIESEL 2000, Thermofluidyna ic Processes in Diesel Engines, Seiten 249 bis 258 bekannt, ein Einspritzloch eines Kraftstoffinjektors herzustellen, indem zunächst das Loch durch einen EDM-Prozess (Electro Discharge Machi- ning) erzeugt wird, bei dem durch Funkenentladung ein Teil des KraftstoffInjektors erhitzt wird und das dabei verdampfte Material von einem Dielektrikum fortgeschwemmt wird. Durch diesen Prozess werden Größe und Form des Lochs im wesentlichen festgelegt. Üblicherweise dauert der EDM-Prozess über 40 Sekunden, um das Loch mit der richtigen Geometrie und einer geringen Formtoleranz zu erzeugen. Anschließend wird ein Ver- rundungsprozess (Hydro-Erosive grinding) durchgeführt, bei dem ein mit Schleifpartikeln versehenes Medium durch das Loch gepresst wird.
Dauert der Verrundungsprozess kurze Zeit, so werden Kanten der Öffnung des Lochs verrundet. Bei der Locherzeugung wird normalerweise dieser kurze Verrundungsprozess verwendet, um Alterungsprozesse vorwegzunehmen. Wird der Verrundungsprozess etwas länger durchgeführt, so werden Oberflächenrauheiten der Flächen des Kraftstoffinjektors, die das Loch bilden, geglättet. Solche Oberflächenrauheiten weisen typischerweise Höhendifferenzen von bis zu 3 um auf. Durch einen zeitlich noch längeren Verrundungsprozess kann der Durchmesser des Lochs etwas vergrößert werden. Dadurch kann der gewünschte Durch- fluss von Kraftstoff durch das Lochs beim Betrieb des Kraftstoffinjektors fein eingestellt werden. Der Durchfluss ist die Menge an Kraftstoff, die pro Zeiteinheit bei einer bestimmten Temperatur und bei einer bestimmten Druckdifferenz durch das Loch fließt. Wird der Verrundungsprozess jedoch noch länger durchgeführt, so kommt es zu einer unkontrollierten Vergrößerung des Lochs, durch die die Symmetrie des Lochs zerstört wird. Das Loch weist dann große Geometriefehler auf.
Es hat sich gezeigt, dass zur Vermeidung einer unkontrollierten Vergrößerung des Lochs der Verrundungsprozess höchstens so lange durchgeführt werden darf, bis die radiale Dicke des Materials, das von den Flächen des Kraftstoffinjektors, die das Loch bilden, entfernt wird, 5 μm beträgt. Üblicherweise dauert der Verrundungsprozess etwa 30 Sekunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines Lochs in einem Körper anzugeben, das im Vergleich zum Stand der Technik schneller ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Lochs in einem Körper, bei dem mit Hilfe eines Lasers durch einen Percussionbohrprozess ober einen Trepanier- bohrprozess das Loch erzeugt wird. Der Percussionbohrprozess dauert weniger als 3 Sekunden. Der Trepanierbohrprozess dauert weniger als 10 Sekunden. Nach dem Percussionbohrprozess bzw. Trepanierbohrprozess wird ein Glättungsprozess durchge- führt, indem ein mit Schleifteilchen versetztes Medium unter Druck durch das Loch gepresst wird, bis Unebenheiten von Flächen des Körpers, die das Loch bilden, im wesentlichen abgetragen sind.
Bei einem Percussionbohrprozess wird ein kurzer, z. B. etwa 100 μsec langer Laserpuls auf den Körper gerichtet. Der Percussionbohrprozess kann mehrere solche aufeinanderfolgende Pulse aufweisen. Es sind jedoch nur wenige, bis zu z . B. 10 aufeinanderfolgende Pulse vorgesehen, damit der Percussionbohrprozess nicht länger als 3 sec dauert. Die Position des Laserstrahls wird während des Prozesses nicht verändert, so dass ein Loch erzeugt wird, dessen Querschnitt mit dem Fokus des Laserstrahls übereinstimmt.
Bei einem Trepanierbohrprozess wird ein konstanter Laserstrahl auf den Körper gerichtet. Der Körper wird während der Bestrahlung relativ zum Laserstrahl bewegt. Der Fokus des Laserstrahls ist kleiner als der Querschnitt des Lochs, das durch den Trepanierbohrprozess erzeugt wird.
Ein durch einen kurzen Percussionbohrprozess oder Trepanier- bohrprozess erzeugtes Loch weist eine sehr große Formtoleranz auf, d. h., die Flächen des Körpers, die das Loch bilden, weisen Unebenheiten auf. Durch die Unebenheiten, die die Form von Aus- und Einbuchtungen haben, schwankt der Durchmesser des Lochs um bis zu 25 um. Der nachfolgende Glättungsprozess, durch den die Unebenheiten im wesentlichen entfernt werden, trägt aufgrund der Größe der Unebenheiten maßgeblich zur endgültigen Form und Größe des Lochs bei. Beispielsweise nimmt durch den Glättungsprozess der Durchfluss von Kraftstoff durch das Loch um mindestens 30% oder 35%, besser 50%, zu. Der Glättungsprozess führt zusätzlich dazu, dass Kanten der Öffnung des Lochs abgerundet werden und dass der Alterungs- prozess des Körpers vorweggenommen wird, so dass ein zusätzlicher Verrundungsprozess nach Erzeugung des Lochs nicht erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass ein durch kurzes Percussionbohren ober Trepanierbohren erzeugtes Loch einem Glättungsprozess ausgesetzt werden kann, durch den in radialer Richtung bis zu 30 μm Material entfernt wird, ohne dass es zu einer unkontrollierten Vergrößerung des Lochs kommt . Aufgrund der geringen Dauer des Percussionbohrprozesses bzw. Trepanierbohrprozesses kann das Verfahren zur Erzeugung eines Lochs sehr schnell sein.
Die zeitliche Dauer des Glättungsprozesses kann durch Vergrößerung des Drucks des Mediums und/oder der Dichte der Schleifteilchen verringert werden.
Beispielsweise wird der Glättungsprozess mit einem Druck zwi- sehen 100 und 300 bar und mit einem viskoelastischen Medium, wie zum Beispiel das Schleifmittel der Firma Extrude Hone, durchgeführt. Der Glättungsprozess dauert zwischen 20 und 100 Sekunden.
Alternativ wird der Glättungsprozess bei einem Druck zwischen 80 und 200 bar mit einem flüssigen, vorzugsweise hochviskosen Medium durchgeführt, wie zum Beispiel Prüföl. Der Glättungsprozess dauert zwischen 40 und 90 Sekunden.
Vorzugweise dauert der Percussionbohrprozess nicht länger als eine Sekunde. Durch den sehr kurzen Percussionbohrprozess bildet sich eine gehärtete Schicht direkt unter den Flächen des Körpers, die das Loch bilden. Diese Schicht entsteht durch die schnelle Abkühlung des nur kurzzeitig durch den La- serstrahl erhitzten Materials um das Loch. Das restliche Material des Körpers wirkt dabei als Kühlkörper. Je länger der Percussionbohrprozess dauert, umso mehr erhitzt sich der ganze Körper und umso langsamer kühlt folglich das Material um das Loch nach einem Puls ab.
Die gehärtete Schicht kann zwischen 10 μ und 50 μm dick sein. Da die Schicht gehärtet ist, kann der Glättungsprozess über lange Zeit und/oder mit hohem Druck und/oder mit einem hochviskosen oder viskoelastischen Material durchgeführt wer- den, ohne dass das Loch unrund wird und eine unkontrollierte Vergrößerung erfährt. Nach dem Glättungsprozess kann ein Teil der gehärteten Schicht übrig bleiben. Es hat sich gezeigt, dass auch bei einem Percussionbohrprozess zwischen einer Sekunde und 3 Sekunden ein Glättungsprozess möglich ist, bei dem Material in einer radialen Dicke von 10 μm oder mehr abgetragen werden kann, ohne dass das Loch unrund wird und eine unkontrollierte Vergrößerung erfährt.
Als Körper kann beispielsweise ein Kraftstoffinjektor verwen- det werden. Das Loch kann als Einspritzloch erzeugt werden. Alternativ kann das Loch zum Beispiel als Drossel eines Kraftstoffinjektors erzeugt werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an- hand der Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Loch eines
Kraftstoffinjektors mit einer gehärteten Schicht, nachdem ein Percussionbohrprozess durchgeführt wurde.
Figur 2 zeigt den Querschnitt aus Figur 1, nachdem ein Glättungsprozess durchgeführt wurde.
Im Ausführungsbeispiel wird ein Kraftstoffinjektor K bereit- gestellt und in eine Laserbohrmaschine eingespannt. Mit Hilfe der Laserbohrmaschine wird ein Percussionbohrprozess durchgeführt mit drei circa 100 μsec langen aufeinanderfolgenden Pulsen. Der Percussionbohrprozess dauert insgesamt etwa eine Sekunde .
Durch den Percussionbohrprozess wird im Kraftstoffinjektor K ein Loch L erzeugt. Das Loch L weist Unebenheiten in Form von Ein- und Ausbuchtungen auf, so dass der Durchmesser des Lochs L zwischen 130 μm und 150 μm schwankt (siehe Figur 1) . Durch den Percussionbohrprozess wird unter den Flächen F des Kraftstoffinjektors K, die das Loch L bilden, eine circa 20 μm dicke gehärtete Schicht S gebildet.
Anschließend wird ein Glättungsprozess durchgeführt, bei dem ein Schleifmittel der Firma Extrude Hone mit einem Druck von circa 140 bar durch das Loch L circa 70 Sekunden lang ge- presst wird. Die Strömung verläuft von unten nach oben. Dadurch werden die Unebenheiten der Flächen des Lochs L im we- sentlichen abgetragen (siehe Figur 2). Der Durchmesser des
Lochs L ändert sich im wesentlichen gleichmäßig zwischen 150 μm und 170 μm. Die früheren Unebenheiten sind noch erkennbar an z.B. der leichten Ausbuchtung in der Mitte des Lochs L. Ein Teil der gehärteten Schicht S ist auch nach dem Glät- tungsprozess noch vorhanden.
Im Vergleich zum Loch L vor dem Glättungsprozess beträgt die Zunahme des Durchflusses von Diesel bei einer Temperatur von 40 °C und einem Druckunterschied von 100 bar circa 40%.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Lochs in einem Körper, insbesondere eines Einspritzlochs in einem Kraftstoffinjek- 5 tor,
- bei dem mit Hilfe eines Lasers durch einen Percussionbohrprozess das Loch (L) erzeugt wird,
- bei dem der Percussionbohrprozess weniger als 3 sec dauert,
- bei dem nach dem Percussionbohrprozess ein Glättungsprozess 10 durchgeführt wird, indem ein mit Schleifteilchen versetztes
Medium unter Druck durch das Loch (L) gepresst wird, bis Unebenheiten von Flächen (F) des Körpers, die das Loch (L) bilden, im wesentlichen abgeschliffen sind.
-15
2. Verfahren nach Anspruch 1,
- bei dem der Percussionbohrprozess nicht länger als 1 sec dauert.
3. Verfahren zur Herstellung eines Lochs in einem Körper, 20 insbesondere eines Einspritzlochs in einem Kraftstoffinjek- tor,
- bei dem mit Hilfe eines Lasers durch einen Trepanierbohrprozess das Loch (L) erzeugt wird,
- bei dem der Trepanierbohrprozess weniger als 10 sec dauert, 25 - bei dem nach dem Trepanierbohrprozess ein Glättungsprozess durchgeführt wird, indem ein mit Schleifteilchen versetztes Medium unter Druck durch das Loch (L) gepresst wird, bis Unebenheiten von Flächen (F) des Körpers, die das Loch (L) bilden, im wesentlichen abgeschliffen sind.
30
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- bei dem der Glättungsprozess derart durchgeführt wird, dass durch den Glättungsprozess der Durchfluss von Kraftstoff durch das Loch (L) um mindestens 30% zunimmt.
35
5. Verfahren nach Anspruch 4,
- bei dem durch den Glättungsprozess in radialer Richtung Material in einer Dicke von mehr als 5μm von den Flächen (F) des Körpers, die das Loch (L) bilden, entfernt wird.
5
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- bei dem der Glättungsprozess bei einem Druck zwischen 100 bar und 300 bar und mit einem viskoelastischen Medium durchgeführt wird,
10 - bei dem der Glättungsprozess zwischen 20 sec und 100 sec dauert .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- bei dem der Glättungsprozess bei einem Druck zwischen 80
-15 bar und 200 bar und mit einem flüssigen Medium durchgeführt wird,
- bei dem der Glättungsprozess zwischen 40 und 90 sec dauert.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
20 - bei dem als Körper ein Kraftstoffinjektor (K) verwendet wird,
- bei dem das Loch (L) als Einspritzloch erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
25 - bei dem das Loch (L) als Drossel eines Kraftstoffinjektors erzeugt wird.
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