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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung eines Verfahrens
einer Laserbearbeitung oder des Ausbilden 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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DE 100 54 853 A1 offenbart
ein Verfahren zum Einbringen eines Mikrolochs in ein metallisches Werkstück mittels
eines Laserstrahls, bei dem der Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert
und der Fokus fortlaufend auf einer zur Lochachse konzentrischen
Kreisbahn entlang bewegt wird. Dabei wird zur Erzielung einer hohen
Lochqualität
ohne Materialaufwürfe
und -grate der Laserstrahl aus einer Folge von kurzen Laserpulsen zusammengesetzt,
die eine konstante, sehr kurze Pulsdauer im Nanosekundenbereich
aufweisen.
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JP 2005 211 962 A offenbart
ein Laserstrahlbohrverfahren, bei welchem ein stationärer Werkstückhalter
eingesetzt wird.
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EP 1 295 647 A1 behandelt
allgemein ein Laserverfahren, bei dem eine externe Absaugvorrichtung
verwendet wird, um Abgasfahnen zu entfernen.
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Es
ist 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 Werkstück durch Abstrahlung eines
Laserstrahls auf das Werkstück
bereitgestellt, wobei das Verfahren die Folgenden Schritte umfasst:
Rotieren des Werkstücks
in einem drehbar gelagerten das Werkstück haltenden Hauptkörper; Ausstrahlen
des Laserstrahls auf das rotierte Werkstück mit einer örtlich festliegenden
optischen Achse des Laserstrahls; und Absaugen, nachdem das kleine
Loch ausgebildet ist, einer Abgasfahne aus einem Bereich des Werkstücks auf
einer von einem Bearbeitungsteil des Werkstücks abgewandten Seite durch
einen in dem das Werkstück
haltenden Hauptkörper
ausgebildeten Abgasfahnenabsaugdurchgang.
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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 Werkstück öffnen soll,
wird die Gestalt der kleinen Löcher
kreisförmig
oder nahezu kreisförmig
sein, wenn die optische Achse des Laserstrahls festliegt, während das
Werkstück
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 Werkstücks 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 Werkstück.
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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 Werkstücks 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 49 und 49 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 Werkstückhalteeinrichtung 143 angebracht.
Ein Werkstückdrehwinkelrastmechanismus 58 positioniert
die Werkstückhalteeinrichtung 143 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 Inertgasatmosphäre 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.
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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.