专利名称：用于加工喷嘴本体的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于加工喷油嘴的喷嘴本体的内部或外部几何尺寸的设备和方法。
背景技术：
近年来已知用于医药和材料加工的短脉冲激光。虽然用纳秒或皮秒脉冲的材料烧蚀反映了如今的技术现状，但是已经发现将飞秒脉冲应用到各种制造中。飞秒脉冲技术的优势在于很小的热影响区域，而根据一些参考不存在热影响区域(“冷烧蚀”)。因此，对周围材料和金属结构的改变被最小化。而且。烧蚀的精确度和可重复性很高。此外，在距离测量中越来越多地采用非接触式过程。例如，广泛使用光学计量方法，包括白光干涉测量和激光三角测量。可由各种制造商提供相应的测量装置。柴油发动机喷油嘴大致包括两个主要部件喷嘴本体和喷嘴针，该喷嘴针往复地引导在喷嘴本体中。存在用作喷嘴针的径向支承件的喷嘴本体的至少一个内表面，从而允许喷嘴针仅进行轴向运动。这种内表面称为喷嘴针导向部。在Bosch共轨喷嘴的喷嘴针与喷嘴本体之间的间隙限定为士0.5微米的许用公差，该间隙垂直于导向面。该间隙影响液态参数且会导致由喷嘴针未对齐引起的故障，因此间隙对于喷嘴的运行来说十分重要。现今，制造喷嘴本体的喷嘴针导向部的步骤包括钻孔，内部磨削，以及去毛刺，其中内部磨削工艺被认为是核心技术。然而，如今的内部磨削机床能力仅实现>1微米的直径许用公差，因此对于所需的精确度来说远远不够。因此需要相匹配的工艺。该相匹配的工艺包括以下步骤1.测量喷嘴针的导向部直径；2.根据喷嘴针的导向部直径来分类喷嘴针(通常分为10. . 18类)；3.测量喷嘴本体的导向部直径；4.用本体中的适配类别来装配喷嘴针；5.预测试装配好的喷嘴针。在不同的工厂之间单个的步骤可稍微有别，例如，有时在装配前再次测量预分类的喷嘴针。在大多数工厂中，使用具有分类好的喷嘴针的库房作为缓冲。因为这些库房是2 维的(类型和类别)，库房一般比较大。
发明内容
本发明的目的是改善针对喷嘴本体尤其是其导向面的生产链，使得不再需要进行匹配。这通常可通过用超短脉冲激光结合光学测距的非接触式材料烧蚀来实现。为了实现这个目标，根据本发明的一方面，本发明提供一种用于加工喷油嘴的喷嘴本体的内部或外部几何尺寸的喷嘴本体成形设备，该喷嘴本体成形设备包括卡盘，所述卡盘适于夹持喷嘴本体的外围部分并用于使喷嘴本体围绕其中心轴线旋转；
芯轴，所述芯轴适于移动到面向喷嘴本体要成形的部分的位置处；材料加工子组件，所述材料加工子组件包括配置在芯轴中的一组加工光学器件和与所述组加工光学器件可操作地耦合的材料加工激光器；以及光学测量子组件，所述光学测量子组件包括配置在芯轴中的一组测量光学器件和与所述组测量光学器件可操作地耦合的测量装置；其中，光学测量子组件配置成测量芯轴与喷嘴本体要成形的部分之间的距离，且材料加工子组件配置成与此同时烧蚀在喷嘴本体要成形的部分处的材料。在本发明的优选实施例中，喷嘴本体要成形的部分是喷嘴本体的内部喷嘴针导向面，用于引导喷油嘴的喷嘴针在喷嘴本体内部在喷嘴本体的中心轴线方向上运动。在本发明的优选实施例中，芯轴配置成插入到喷嘴本体中并在喷嘴本体中往复运动，且所述芯轴可具有大约l_2mm的外径。在本发明的优选实施例中，喷嘴本体成形设备还包括用于将激光烧蚀颗粒从喷嘴本体吸出的抽吸装置。在本发明的优选实施例中，光学测量子组件借由白光干涉测量或激光三角测量来测量芯轴与喷嘴本体要成形的部分之间的距离。在本发明的优选实施例中，配置在芯轴中的所述组测量光学器件包括光纤，所述光纤在一端处与测量装置耦合且延伸通过芯轴的内部；至少一个透镜，所述透镜配置成使得其一侧面向光纤的相反端；以及至少一个90°偏转反射镜，所述反射镜配置在透镜的另一侧。在本发明的优选实施例中，配置在芯轴中的所述组加工光学器件包括光纤，所述光纤在一端处与材料加工激光器耦合且延伸通过芯轴的内部；至少一个透镜，所述透镜配置成使得其一侧面向光纤的相反端；以及至少一个90°偏转反射镜，所述反射镜配置在透镜的另一侧。在本发明的优选实施例中，所述组测量光学器件的偏转反射镜和所述组加工光学器件的偏转反射镜配置成使得来自于所述两个反射镜的输出束至少部分地共用相同的输出光学路径。在本发明的优选实施例中，所述偏转反射镜中的一个位于所述偏转反射镜的另一个的输出光学路径中，所述偏转反射镜中的一个是半透光反射镜。在本发明的优选实施例中，所述组测量光学器件的偏转反射镜和所述组加工光学器件的偏转反射镜配置成使得来自于所述两个反射镜的输出束具有不同的输出光学路径。在本发明的优选实施例中，芯轴由无摩擦直线驱动机构载持。在本发明的优选实施例中，材料加工激光器是飞秒脉冲激光器。在本发明的优选实施例中，喷油嘴是柴油发动机喷油嘴。根据本发明的另一方面，本发明提供一种借由上述喷嘴本体成形设备来加工喷油嘴的喷嘴本体的内部或外部几何尺寸的喷嘴本体成形方法，所述方法包括借由喷嘴本体成形设备的卡盘夹持喷嘴本体并将其旋转；将喷嘴本体成形设备的芯轴移动到面向喷嘴本体要成形的部分的位置处；借由喷嘴本体成形设备的光学测量子组件来测量芯轴与喷嘴本体要成形的部分之间的距离；以及
与此同时借由喷嘴本体成形设备的材料加工子组件来烧蚀喷嘴本体要成形的部分处的材料。在本发明的优选实施例中，光学测量子组件执行闭环测量。在本发明的优选实施例中，基于光学测量子组件的测量来设定并调整烧蚀参数。根据本发明，可实现相比于现有技术的下述优势-对于人员、设备和操作来说降低的成本，因为不再需要上述步骤1、2、3和5；-对于喷嘴针库房来说降低的库存成本(估算利息、空间和报废)；-如果能实现更高的制造精度，那么可能增强技术功能；-如果该方法还可用于外部成形，那么可能减少设备投入。
通过下述详细说明结合附图将能更充分地理解本发明的前述和其它方面，在附图中图1是根据本发明实施例的成形设备的示意性截面图；图2是根据本发明实施例的图1中的成形设备的光学测量子组件和材料加工子组件的示意图；以及图3是根据本发明另一实施例的图1中的成形设备的光学测量子组件和材料加工子组件的示意图。
具体实施例方式现将参考附图来说明本发明的用于加工喷油嘴的喷嘴本体的内部几何尺寸的设备和方法的优选实施例。参考图1，喷油嘴(例如柴油发动机喷油嘴)大致包括喷嘴本体1和喷嘴针(未示出)。喷嘴本体1具有中心轴线“0”和限定内腔5的内壁表面。内腔5从喷嘴本体的敞口后端(图1中的右端)延伸至喷嘴本体的前尖端(图1中的左端)。内壁表面在靠近尖端的位置处呈锥形，以形成用于喷嘴针的阀座3。燃料喷射孔(未示出)穿通喷嘴的尖端形成。喷嘴针配置成在喷嘴本体的内腔5中的中心轴线“0”方向上被往复地引导，其中喷嘴针的尖端与阀座3形成阀体。当喷嘴针的尖端推靠在阀座3上时，阀体关闭且因此喷射孔被阻塞；而当喷嘴针的尖端从阀座3移开时，阀体打开且因此喷射孔也打开，以便喷射燃料。为了引导喷嘴针在喷嘴本体的内腔5中往复运动，喷嘴针导向面8由喷嘴本体1 的内壁表面形成。在如图1所示的实施例中，喷嘴针导向面8依照具有最大直径的内腔的一部分靠近喷嘴本体的后端而形成。然而，喷嘴针导向面8可形成在适于引导喷嘴针的任何合适位置处且可依照具有任何合适直径的内腔的一部分而形成。此外，喷嘴针导向面8 可通过内腔部分的整个周向表面或周向表面的一部分来形成。在进一步的变型中，可形成不止一个喷嘴针导向面。为了形成具有高精度的喷嘴针导向面8，借由本发明的喷嘴本体成形设备来将喷嘴针导向面8的材料薄层去除。
现将详细说明本发明的成形设备和相应的成形方法。根据本发明的优选实施例，喷嘴本体成形设备包括纺锤卡盘，喷嘴本体1被夹持在纺锤卡盘中且以在图1中箭头“A”所示的方向旋转。纺锤卡盘可以是具有用于在一个或多个位置处夹持喷嘴本体的外表面的一个或多个支承件2的标准纺锤卡盘。喷嘴本体成形设备还包括细芯轴30，所述细芯轴用于插入到喷嘴本体1的内腔5 中并如图1中以箭头“B”所示的在中心轴线“0 ”方向上在内腔中往复运动。芯轴30可具有大约l-2mm的外径。芯轴30的轴向运动优选地由直线驱动机构(无摩擦，未示出)来实现。芯轴30用于光学测量从芯轴30至喷嘴针导向面8的距离，还用于将激光喷流发出到在喷嘴针导向面8处的烧蚀材料上。为了光学测量上述距离，采用光学测量子组件。光学测量子组件包括测量装置20 和一组光学器件，该组光学器件配置在芯轴30中且与测量装置20可操作地耦合。测量装置20能够将测量光束发射到一组测量光学器件中，该组光学器件将测量光束导向到喷嘴针导向面8上且接收从喷嘴针导向面8反射的测量光束并将反射的测量光束往回输入到测量装置20中，测量装置20确定芯轴30与喷嘴针导向面8之间的距离。如图2和3所示，配置在芯轴30中的该组光学器件包括光纤22，该光纤在一端处与测量装置20耦合且延伸经过芯轴30的内部；透镜对，所述透镜配置使得其一侧面向光纤22的相反端，用于准直和/或会聚测量光束；以及反射镜沈，所述反射镜配置在透镜M 的另一侧，用于将照射在其上的测量光束以90度再导向。借由光学测量子组件的上述构造，测量装置20发出测量光束，于是该测量光束借由光纤22传输到透镜24。接着，透镜M准直测量光束，然后准直的测量光束被传输到反射镜沈上。测量光束由反射镜沈以90度再导向并接着朝向喷嘴针导向面8行进。测量光束到达喷嘴针导向面8并由喷嘴针导向面8反射从而返回到反射镜26。反射的测量光束被反射镜26以90度再导向并接着朝向透镜M行进，并由透镜M会聚。会聚的测量光束通过光纤22并进入到测量装置20中。于是，测量装置20可基于反馈测量光束来确定芯轴 30与喷嘴针导向面8之间的距离。因此，在本发明的喷嘴本体成形设备中建立闭环测量。同时，为了烧蚀在喷嘴针导向面8处的材料，使用材料加工子组件。材料加工子组件包括材料加工激光器10和一组加工光学器件，该组加工光学器件配置在芯轴30中且与材料加工激光器10可操作地耦合。材料加工激光器10能够将材料加工激光束(短脉冲、或例如飞秒脉冲的超短脉冲)发出到该组加工光学器件中，该组加工光学器件将材料加工激光束导向到喷嘴针导向面8上。如图2和3所示，配置在芯轴30中的该组加工光学器件包括光纤12，该光纤在一端处与材料加工激光器10耦合且延伸通过芯轴30的内部；透镜14，该透镜配置成使得其一侧面向光纤12的相反端，用于准直材料加工激光束；以及反射镜16，该反射镜配置在透镜14的另一侧，用于将照射在其上的材料加工激光以90度再导向。借由光学加工子组件的上述构造，材料加工激光器10发出材料加工激光束，该材料加工激光束接着借由光纤12传输到透镜14。于是，透镜14准直材料加工激光束，且准直的材料加工激光束接着被传输到反射镜16上。材料加工激光束被反射镜16以90度再导向并然后朝向喷嘴针导向面8行进。材料加工激光束到达喷嘴针导向面8并烧蚀在喷嘴针导向面8处的材料。当喷嘴本体由卡盘的支承件2旋转时，执行该烧蚀过程，且该过程持续直到在芯轴30与喷嘴针导向面8之间达到期望的距离为止。接下来，芯轴30在中心轴线 “0”的方向上移动到下一个加工点。上述测量和加工过程同时且持续地进行，直到获得期望的喷嘴针导向面8。激光脉冲可以将材料瞬间蒸发，而不会形成熔化颗粒，该熔化颗粒会损坏芯轴30 或芯轴中所包含的光学器件。通过使用闭环测量和材料加工，烧蚀实现很小的许用公差。需要抽吸装置40，以将烧蚀的颗粒从喷嘴本体吸出。关于材料加工激光器10，可采用用于短脉冲烧蚀(％:YAG，钛-蓝宝石)并发出具有短波长的激光束的固态激光源，激光束能够由光纤缆线12(或反射镜)传输。对于使用半导体激光器的已知计量装置来说同样适用。因此，连接材料加工激光10以及测量装置20 的优选方式是通过芯轴30的光纤12和22。需要用于每个激光束的至少一个透镜14或M(见图2和3)来将激光束准直和/ 或会聚。而且，需要至少一个反射镜16或沈(见图2和3)来将每个激光束以90度再导向， 从而使激光束指向导向面。在图2所示的优选实施例中，使用半透光反射镜16(采用光极性或波长差)，以便光束32和34两者通过相同的开口 18排出。这降低了测量误差。彼此分开的开口 18可用于测量激光束34和烧蚀激光束32，如图3所示，从而可能降低光学器件的成本。上述的成形设备和方法还可用于加工喷嘴本体的内腔的其它部分。备选地或附加地，上述的成形设备和方法还可用于加工喷嘴本体和/或喷嘴针的外侧部分。然而在该情形中，需要更换辅助设备(芯轴，喷嘴本体卡盘)。这种更换对于在阅读本发明之后的本领域技术人员来说是显而易见的。虽然本文参考具体的实施例描述和说明了本发明，但是本发明并不旨在局限于所示的细节中。而是，在不偏离本发明的情况下，可作出落入权利要求书的等同物范围内的针对细节的各种修改。
权利要求
1.一种喷嘴本体成形设备，用于加工喷油嘴的喷嘴本体的内部或外部几何尺寸，包括卡盘，所述卡盘适于夹持喷嘴本体的外围部分并用于使喷嘴本体围绕其中心轴线旋转；芯轴，所述芯轴适于移动到面向喷嘴本体要成形的部分的位置处； 材料加工子组件，所述材料加工子组件包括配置在芯轴中的一组加工光学器件和与所述组加工光学器件可操作地耦合的材料加工激光器；以及光学测量子组件，所述光学测量子组件包括配置在芯轴中的一组测量光学器件和与所述组测量光学器件可操作地耦合的测量装置；其中，光学测量子组件配置成测量芯轴与喷嘴本体要成形的部分之间的距离，且材料加工子组件配置成烧蚀在喷嘴本体要成形的部分处的材料。
2.根据权利要求1所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述喷嘴本体要成形的部分是喷嘴本体的内部喷嘴针导向面，用于引导喷油嘴的喷嘴针在喷嘴本体内部在喷嘴本体的中心轴线方向上运动。
3.根据权利要求2所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述芯轴配置成插入到喷嘴本体中并在喷嘴本体中往复运动，且所述芯轴具有l-2mm的外径。
4.根据权利要求1所述的喷嘴本体成形设备，还包括用于将激光烧蚀颗粒从喷嘴本体吸出的抽吸装置。
5.根据权利要求1所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述光学测量子组件借由白光干涉测量或激光三角测量来测量芯轴与喷嘴本体要成形的部分之间的距离。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，配置在芯轴中的所述组测量光学器件包括光纤，所述光纤在一端处与测量装置耦合且延伸通过芯轴的内部；至少一个透镜，所述透镜配置成使得其一侧面向光纤的相反端；以及至少一个90°偏转反射镜，所述反射镜配置在透镜的另一侧。
7.根据权利要求6所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，配置在芯轴中的所述组加工光学器件包括光纤，所述光纤在一端处与材料加工激光器耦合且延伸通过芯轴的内部；至少一个透镜，所述透镜配置成使得其一侧面向光纤的相反端；以及至少一个90°偏转反射镜，所述反射镜配置在透镜的另一侧。
8.根据权利要求7所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述组测量光学器件的偏转反射镜和所述组加工光学器件的偏转反射镜配置成使得来自于所述两个反射镜的输出束至少部分地共用相同的输出光学路径。
9.根据权利要求8所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述偏转反射镜中的一个位于所述偏转反射镜的另一个的输出光学路径中，所述偏转反射镜中的一个是半透光反射镜。
10.根据权利要求7所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述组测量光学器件的偏转反射镜和所述组加工光学器件的偏转反射镜配置成使得来自于所述两个反射镜的输出束具有不同的输出光学路径。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述芯轴由无摩擦直线驱动机构载持。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述材料加工激光器是飞秒脉冲激光器。
13.根据权利要求1-5中任一项所述的喷嘴本体成形设备，其特征在于，所述喷油嘴是柴油发动机喷油嘴。
14.一种喷嘴本体成形方法，其利用根据权利要求1-13中任一项的喷嘴本体成形设备来加工喷油嘴的喷嘴本体的内部或外部几何尺寸，所述方法包括借由喷嘴本体成形设备的卡盘夹持喷嘴本体并将其旋转；将喷嘴本体成形设备的芯轴移动到面向喷嘴本体要成形的部分的位置处；借由喷嘴本体成形设备的光学测量子组件来测量芯轴与喷嘴本体要成形的部分之间的距离；以及借由喷嘴本体成形设备的材料加工子组件来烧蚀喷嘴本体要成形的部分处的材料。
15.根据权利要求14所述的喷嘴本体成形方法，其特征在于，所述光学测量子组件执行闭环测量。
16.根据权利要求14或15所述的喷嘴本体成形方法，其特征在于，基于光学测量子组件的测量来设定并调整烧蚀参数。
全文摘要
本发明提供了一种加工喷油嘴的喷嘴本体的内部或外部几何尺寸的喷嘴本体成形设备和方法，其中喷嘴本体由卡盘夹持并旋转，芯轴移动到面向喷嘴本体要成形的部分的位置处，由光学测量子组件测量芯轴与喷嘴本体要成形的部分之间的距离，且在喷嘴本体要成形的部分处的材料由材料加工子组件烧蚀。
文档编号B23K26/08GK102233483SQ20101017046
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者M·维德迈尔, 施迪曼, 曹鹏, 马德福 申请人:博世汽车柴油系统股份有限公司, 罗伯特·博世有限公司