用于制造構件元件的方法與流程

文檔序號：12165801閱讀：322來源：國知局

本發明涉及一種用于制造構件元件、尤其用于燃料噴射系統的構件元件的方法，并且還涉及一種適合用于實施這種方法的裝置。

背景技術：

一些構件元件共同構成結構組件并且在這些構件元件中至少一個構件元件可運動地構造，在這些構件元件中，由于構件元件相互間的運動接觸而會在構件元件的對應接觸區域上造成磨損。例如在電磁噴射器中，設置用于密封電磁噴射器的內室且為此被接收在孔中的銷構造成可在確定的路段內自由運動，其中，該銷在電磁噴射器的切換過程中由于在所述孔中形成的燃料壓力而撞向金屬板，這在隨著時間而周期性地或者非周期性地重復切換過程的情況下導致銷的端部上的以及金屬板上的磨蝕性磨損。但所述銷由于其可自由運動的構造并不是僅具有唯一的運動自由度，而是在切換過程期間除了軸向運動之外同時也可實施旋轉運動，這不僅導致銷上的更嚴重的磨損而且也導致金屬板上的更嚴重的磨損。

在已知的制造方法中不滿意的是，依此生產的構件元件典型地具有均一的材料特性，從而經受更高應力的區域或者說區段被更快地磨損，由此降低這種構件元件的使用壽命。

技術實現要素：

具有權利要求1的特征的方法具有這樣的優點：能夠限定以及以可重復的方式改性構件元件在確定區域范圍內的顯微組織，由此可能的是：將這種區域內的材料特性這樣適配于在之后的運行中在與其它的構件元件或者說部件的相互配合中預期會產生的機械應力，使得那里的磨損相對于常規地生產的構件元件而言顯著地降低。為此，選擇性地使所述區域經受輻射，以便實現該區域的組織結構改變，緊接著在測量技術上感測該區域的過程狀態，其方式是，以經調制的輻射照射該區域并且相位靈敏地探測因此從該區域發出的熱輻射，其中，求取所射入的經調制的輻射和探測到的熱輻射之間的相位關系作為所述區域的過程狀態的尺度。原則上，從該區域發出的并且然后被探測到的輻射以及由此求取的相位關系表明該區域關于射入的經調制的輻射的響應特性，因為這種響應特性取決于在所述區域中之前所達到的顯微組織改變的程度。有利地，可以由此在過程測量技術上監測或控制在所述區域中已經實現的組織改變的過程狀態或者說進展。因此，根據本發明的方法也適用于品質控制。

由在從屬權利要求中所列舉的措施可得到本發明的其他的有利擴展方案和構型。

為了產生經調制的輻射，使用至少一種調制頻率。在特定的前提條件下可能的是，僅僅使用唯一的調制頻率。

根據本發明的一種優選擴展方案，以離散的步驟在預先確定的調制頻率范圍內改變調制頻率。在此，分別針對所設定或者說所選擇的調制頻率(通過所述調制頻率對用于在過程測量技術上進行方法控制的輻射在其強度上進行調制)求取相應地所屬的相位關系。即，在預先確定的調制頻率范圍內改變經調制的輻射，其方式是，先后以各一個調制頻率調制所述輻射的強度，以便在每個調制頻率的情況下根據相應地設定的調制頻率求取射入的經調制的輻射和從所述區域發出的熱輻射之間的相位差。各個相位關系的總的變化曲線用作制造過程的進展的尺度或用作在所述區域中已經實現的組織改變的尺度。

當預先確定的調制頻率范圍選擇成或者說設定成該調制頻率范圍約處于1Hz至40kHz之間時，可以實現在測量技術上特別良好的性能并從而實現在過程測量技術上特別良好的控制。

本發明的一種擴展方案在于，將用于使組織結構改變的輻射維持一個預先確定的時長并且緊接著進行冷卻階段，該冷卻階段持續一個預先確定的時長。在此，根據本發明的一種有利的構型，在冷卻階段期間可以緩慢地降低用于使組織結構改變的輻射的功率，以避免被照射的區域的不希望的激冷。當冷卻階段的預先確定的時長處于約2至5分鐘之間的范圍內時，可以實現最佳結果。在冷卻階段結束之后，則實施對組織結構改變的在測量技術上的感測。根據一種實施變型，可以在起改變組織結構作用的輻射的作用持續時間期間實施對組織結構改變的在測量技術上的感測。有利地，由此可以“online”地感測所述區域的組織結構改變并從而感測過程進展。

通過使用激光輻射作為起改變組織結構作用的輻射以及作為經調制的輻射的方式，可以在成本上特別有利地實現根據本發明的方法，因為可以取消在以除該方式之外的其他方式實施所述方法時所必需的用于射束準直的器件。通過根據本發明的以下有利構型可以實現簡單的射束校正：使用在可見的波長范圍內的激光輻射。

根據本發明的方法的一種優選構型是，以恒定的強度發出用于改變組織結構的輻射，以便在高功率的情況下在被照射的區域的表面上產生盡可能高的熱量。替代于此，可以脈沖式地或者經調制地發出用于使組織結構改變的輻射，但所選擇的脈沖頻率確定所述輻射侵入所述區域中的深度。在此，脈沖頻率選擇得越高，則脈沖式的輻射對構件元件的所述區域的加溫或者說加熱離表面越近。

本發明的另一種有利的擴展方案可以是，至少在通過起改變組織結構作用的輻射進行處理期間使所述構件元件經受缺氧的氣氛，因為在表征缺氧氣氛的處于10^-6至10^-3bar之間的范圍內的氧氣分壓的情況下，可以在根據本發明地被照射的區域的表面上構成起減小磨損作用的氧化鐵。

確定用于實施根據本發明的方法的裝置包括：用于發出起改變組織結構作用的輻射的器件；用于發出經調制的輻射的器件，所述經調制的輻射用于測量；探測器件，用于相位靈敏地探測選擇性地從構件元件的區域發出的熱輻射，所述熱輻射是對經調制地射入的輻射所做出的反應；和分析處理器件，其用于求取經調制地射入的輻射和所探測到的熱輻射之間的相位關系來作為所述區域的過程狀態的尺度。所述探測器件包括紅外敏感的探測器，以便感測由構件元件發出的、在長波的光譜范圍內的熱輻射，并且還包括連接在紅外敏感的探測器之后的鎖相放大器，以便以與經調制的輻射相比較的方式相位靈敏地處理和分析紅外敏感的探測器的輸出信號。所述鎖相放大器將經調制的輻射用作基準信號。根據本發明的一種有利的且優選的實施方式，用于發出起改變組織結構作用的輻射的器件和/或用于發出起測量作用的輻射的器件構造為激光器、優選構造為激光二極管。優選設置唯一的激光二極管，所述激光二極管不但用于發出起改變組織結構作用的輻射而且也用于發出起測量作用的經調制的輻射。由此，可以由唯一的輻射源、優選激光二極管承擔不同的功能，即，發出起改變組織結構作用的輻射的功能和發出旨在測量技術上的控制的輻射的功能，其方式是，所述激光二極管在第一種情況下以高的功率運行并且在第二種情況下以降低了的功率并且經調制地運行。為此所需的調制器件可以構造為函數發生器，該函數發生器在輸出側電連接到激光二極管上并且調制其輻射強度。根據一種擴展措施，可設置一遮蓋件，該遮蓋件布置在構件元件和設置用于發出起改變組織結構作用的輻射的輻射源之間并且具有至少一個傳送由輻射源發出的輻射的區域和至少一個隔斷所述輻射的區域。由此可能的是，當在所述遮蓋件中設置相應數量的傳送區域時，在構件元件的表面上同時構造多個“軟”區域。符合目的地，設置有用于冷卻所述構件元件的器件，以便將射入的起改變組織結構作用的輻射的物理作用限制在被照射的區域上。

附圖說明

在后面的描述中以及在附圖中詳細地解釋本發明的實施例。附圖以示意圖示出：

圖1根據本發明的裝置，其中，構造為銷的工件被夾在用作保持部的爪式卡盤中并且以其突出的端部經受以高功率射入的輻射，而探測器用于感測從工件的所述端部發出的熱輻射，所述熱輻射是對測量輻射做出的反應，

圖2具有根據本發明的用于制造構件元件的方法的主要方法步驟的流程圖，

圖3示意圖，該示意圖示出在銷形工件未被加工的情況下在實施根據本發明的方法之前所述工件的硬度相對于其軸向延伸尺度的變化曲線，

圖4示意圖，該示意圖示出在銷形工件的情況下在實施根據本發明的方法之后所述工件的硬度相對于其軸向延伸尺度的變化曲線，

圖5示意圖，其中，按照三條測量曲線分別將經調制地射入到工件的一個區域上的測量光與對該測量光做出反應地從該區域輻射回的熱輻射之間的相位關系描繪為設定用于調制所述測量光的調制頻率的函數，其中，測量曲線記錄工件的之前被處理了或者說被加熱了不同時長的區域的對應的過程狀態，

圖6銷形工件的立體圖，在該工件中，根據本發明的方法地通過選擇性地起作用的激光輻射構成組織結構改變了的區域，

圖7作為工件的金屬板的立體圖，該金屬板具有布置在其上的遮蓋件，該遮蓋件用于在位置上選擇性地傳送所射入的激光輻射，和

圖8圖6的金屬板在根據本發明的方法地以激光照射之后的俯視圖。

具體實施方式

圖1示出裝置10，其中，銷11作為待加工的工件或者說構件被位置固定地夾緊在保持裝置12中，所述保持裝置在該實施例中構造為爪式卡盤，并且，從激光源13″發出的激光射束13沿射束方向13′聚焦地射入到銷11的從保持裝置12突出的端側端部11′上。通過由激光射束13在那里所產生的輻射熱來選擇性地加溫或者說加熱該區域11′，由此實現該區域內的顯微組織的改變。在此，保持裝置12還具有冷卻功能，以便將多余地射入的能量從構件元件導出，從而與待改性區域鄰接的未照射區域充分冷卻并從而在很大程度上保持不變；因此，多余地產生的熱量可以通過爪式卡盤流出。在該實施例中，激光源13″構造為激光二極管并且在選擇性地加溫或者說加熱所述區域11′期間優選以“連續波”模式運行，即激光源發出恒定強度的連續功率。但替代地，激光源也可以脈沖式或經調制地運行。為了在測量技術上感測區域11′的顯微組織改變或者說狀態，在冷卻階段之后以從此時起明顯降低的功率并且僅僅經調制地運行激光源13″，從而經調制的激光射束作為測量光而射入到區域11′上。作為對經調制的測量光的反應而由此從區域11′發出的熱輻射17被紅外探測器18感測，所述紅外探測器典型地與激光源13″和從其所發出的激光輻射13大致同軸地定向或者說布置。鎖相放大器19通過信號導線19′接在紅外探測器18之后并且相對于基準信號相位靈敏地處理紅外探測器的輸出信號，其中，激光源的經調制的強度作為基準信號施加到鎖相放大器19的一個輸入端上。根據從鎖相放大器19提供的輸出信號可求取從區域11′發出的熱輻射與射入到區域11′上的輻射之間的相位關系。這種相位關系可以用作區域11′的過程狀態的尺度并從而用作該區域中的組織改變的進展的尺度。未示出的計算單元用于分析處理由鎖相放大器所提供的輸出信號。此外，裝置10包括未示出的函數發生器，所述函數發生器在輸出側電連接到激光源13″上并且用于調制激光源。通過以“Sweep”模式運行函數發生器的方式，可以在預先設定的頻率范圍內借助于“頻率掃描”來調諧激光源的調制或者說其發射強度。在此，在確定的積分時間(該積分時間處于約1至3秒的范圍內并且取決于分別設定的調制頻率)之后，借助于紅外探測器和鎖相放大器記錄由所述區域發出或者說輻射回的熱輻射，所述熱輻射典型地處于長波的光譜范圍內。

圖2示出一流程圖，該流程圖包括根據本發明的、用于制造構件元件的方法100的主要方法步驟。在此，在第一方法步驟101中，構件元件的區域經受一輻射，以便在被照射的區域中引起顯微組織結構改變，所述輻射優選構造為激光輻射并且具有恒定的強度。為此，典型地，以大約30瓦特的高功率聚焦地射入到大約3mm²的表面上，其中，激光輻射強度被調到最高強度。在緊接著的方法步驟102中，進行冷卻階段，對于該冷卻階段典型地選擇約2至4分鐘的時長。在下一方法步驟103中，用經調制的輻射、優選用經調制的激光輻射，并且——與步驟101不同地——用明顯降低的功率照射所述區域并且在緊隨其后的方法步驟104中相位靈敏地探測因此由所述區域發射的熱輻射。在下一方法步驟105中，根據所述探測來求取向所述區域發射的經調制的輻射和所探測到的熱輻射之間的相位關系作為在步驟101中所實現的在區域11′中的組織結構改變的尺度。對此的物理基礎是：通過根據步驟101用這種輻射來加熱造成的在被照射的區域中的組織顯微改變，固體物理特性——如導熱能力、比熱容和密度——改變，其中，在根據本發明的方法中，大多僅導熱能力提供可測量的數值。為了求取針對預先確定的頻率范圍之內的N個調制頻率的相位關系，則針對各一個調制頻率ν_M(i)重復步驟103至105，其中，i表示運行指數，該運行指數從1走到N。在此，用于調制輻射強度或者說激光強度的調制頻率ν_M(i)處于約1Hz至40kHz的范圍之內。如果由所求取的相位關系得出：被照射的區域中的組織改變還未達到所希望的程度，則重復第一方法步驟101并且使所述區域重新經受起改變組織結構作用的激光輻射，為此，所述激光輻射又被調到恒定的強度和高功率。例如為了將銷11的所述區域的典型的初始硬度從約780HV(維氏硬度)降低到約325HV，已被證明有利的是，將根據方法步驟101改變組織結構的、持續2至4分鐘的照射與分別緊接著的根據方法步驟102的冷卻階段一起重復三次。通過根據方法步驟101地用起改變組織結構作用的輻射在缺氧氣氛中(即在表征缺氧氣氛的、處于10^-6至10^-3bar之間的范圍內的氧氣分壓的情況下)實施對所述區域的處理，在被加熱的所述區域上構成深色的氧化層，所述氧化層附加地起減小磨損的作用。

圖3示出在實施根據本發明的方法之前銷11的示意圖20，其中，相對于該銷的位于軸向上的縱向延伸尺度x描繪銷11的硬度H，其方式是，在橫坐標上示出銷11的軸向位置x。根據H測量曲線的沿著銷11的軸向位置恒定的走向可知，未經加工的銷11具有恒定的硬度。

圖4示出經激光加工的根據圖1的銷11的示意圖30作為根據本發明的方法的結果，在該示意圖中，相對于銷的位于軸向上的縱向延伸尺度x描繪硬度H。在經激光加工的端部11′的區域中——與在圖2中針對未經加工的銷所示出的走向不同地——硬度H由于起作用的激光輻射而相對于在銷11的未被激光輻射影響的區域中的硬度的除此之外恒定的走向陡降。

圖5示出示意圖40，其中，按照三條測量曲線41，42，43描繪各個相位關系或者說各個相位角與對應地設定用于調制測量光的調制頻率ν_M的函數關系，所述相位關系或者說相位角是經調制地射入到工件的區域11′上的測量光與作為對該測量光做出的反應從區域11′輻射回的熱輻射之間的相位關系或者說相位角，其中，在所述區域上在起改變組織結構作用的輻射的以不同時長作用于該區域的過程階段之后借助于紅外探測器18和接在之后的鎖相放大器19記錄測量曲線41，42，43。測量曲線41是在該區域上在一過程階段101之后記錄的，該過程階段的起改變組織結構作用的輻射的作用持續時間最短；中間的測量曲線42是在該區域上在一過程階段101之后記錄的，該過程階段的起改變組織結構作用的輻射與前者相比較長；而在最后，測量曲線43是在具有最長的作用持續時間的過程階段101之后記錄的。作用時間的時長確定所述區域中顯微組織改變的程度并從而確定其硬度，即起改變組織結構作用的輻射的作用時間越長，則經改性的區域越軟。這在測量曲線41，42，43中反映出來，因為它們視所探測到的過程狀態而定通過不同的相位角偏移與彼此區別開來。因此，測量曲線42與測量曲線41相比在所設定的調制頻率ν_M的整個走向上具有總體上較大的相位角。與測量曲線42相比——進而也與測量曲線41相比——測量曲線43在所設定的所有調制頻率ν_M上具有總體較大的相位角。因此得出在所述區域中通過使初始硬度“變軟”所實現的組織改變和所測量的相位曲線之間的關聯，所述相位曲線表征該區域的狀態。根據一個實施例，可以根據對具有限定硬度的基準試樣的測量來校準相位曲線。因此，可以根據借助于“頻率掃描”所得到的相位曲線來判斷：在構件元件的表面上的經處理的區域中是否達到所希望的硬度。

圖6以立體圖示出構造為銷的、在通過作用于不同的部位或者說區域11″′上的激光輻射進行熱處理之后的構件元件或者說工件。通過將激光輻射聚焦在銷11的不同的區域上的方式，在那里基于組織改變來構成與未經處理的區域11″′相比硬度較低的區域。

圖7示出構造為金屬板15的結構元件或者說工件和直接布置在其上的遮蓋件16。遮蓋件16具有區域16′，以便使射向工件15的激光輻射選擇性地通過，而在這些區域16′之外的區段阻斷射入的激光輻射。

圖8示出在用穿過遮蓋件16的區域16′射入的激光輻射處理之后金屬板15的俯視圖，由此，在金屬板15中構成相應于區域16′的幾何布置地被照射的區域15′，所述區域具有經改性的組織結構，所述組織結構與相鄰的未被照射的區域15″相比具有較低的硬度。由此可能的是，在唯一的方法步驟中，在構件元件的表面上同時構造多個“軟”區域。

根據本發明的方法100涉及一種光熱方法并且該方法用于制造構件元件，概括地，在該方法中，對構件元件11的至少一個區域11′進行改性，其方式是根據步驟101選擇性地使區域11′經受輻射，以便引起區域11′的組織結構改變，并且在測量技術上感測該區域的過程狀態，其方式是，根據步驟103和104用經調制的輻射照射區域11′并且緊接著相位靈敏地探測從該區域發出的熱輻射17，其中，根據步驟105求取所射入的經調制的輻射和探測到的熱輻射之間的相位關系作為區域11′的組織結構改變的尺度。在此，將用于使組織結構改變的輻射維持一個預先確定的時長，接著進行長達預先確定時長的冷卻階段，在該冷卻階段結束之后典型地實施對組織結構改變的在測量技術上的感測。然而，替代地也可能的是，在冷卻階段期間就已實施在測量技術上的感測。通過根據本發明的方法，具有經受不同負荷的摩擦區域的構件元件的磨損能通過符合目的地并且局部地適配這種區域中的顯微組織來有利地降低。有利地，根據本發明的方法使得能對構件元件的根據本發明地進行處理的區域進行“in-situ”的表征，因為起加工作用的過程步驟和過程測量技術上的過程步驟可以連貫地進行。

本發明的一種實施方式可以是，在起改變組織結構作用的輻射的作用持續時間期間也實施在測量技術上的感測，其方式是，例如對于兩種輻射類型、即對于起改變組織結構作用的輻射以及對于用于在測量技術上的感測的輻射使用唯一的激光二極管，但是所述激光二極管這樣運行，使得其針對組織結構改變發出具有恒定的并且高的光強的光，而針對測量，較低強度的調制疊加在所述光上，從而鎖相放大器可以記錄信號的改變并從而記錄相移，以便“online”地感測組織結構改變。

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種用于制造構件元件、尤其是用于燃料噴射系統的構件元件的方法，其中，改性所述構件元件(11)的至少一個區域(11′)，其方式是，選擇性地使所述區域經受輻射(101)，以便實現該區域(11′)的組織結構改變，其特征在于，在測量技術上感測該區域(11′)的過程狀態，其方式是，以經調制的輻射照射該區域(11′)并且相位靈敏地探測(104)因此從該區域(11′)發出的熱輻射(17)，其中，求取(105)所射入的經調制的輻射與探測到的熱輻射之間的相位關系作為所述區域的過程狀態的尺度，并且在預先確定的調制頻率范圍內改變所述經調制的輻射，其中，先后以各一個調制頻率來調制所述輻射的強度，以便在每個調制頻率根據相應的調制頻率來求取射入的經調制的輻射與從所述區域發出的熱輻射之間的相位差。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，以離散的步驟在所述預先確定的調制頻率范圍內改變所述調制頻率。

3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述預先確定的調制頻率范圍大致處于1Hz至40kHz之間。

4.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將用于所述組織結構改變的輻射維持預先確定的時長并且緊接著進行長達預先確定的時長的冷卻階段。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在所述冷卻階段結束之后，實施對所述組織結構改變的在測量技術上的感測。

6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在確定用于使組織結構改變的所述輻射的作用持續時間期間實施對所述組織結構改變的在測量技術上的感測。

7.根據權利要求4至6中任一項所述的方法，其特征在于，在所述冷卻階段期間，緩慢地降低用于使組織結構改變的所述輻射的功率。

8.根據權利要求4至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述冷卻階段的所述預先確定的時長處于約2至5分鐘之間的范圍內。

9.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，以恒定的強度發出用于使組織結構改變的所述輻射。

10.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，脈沖式地發出用于使組織結構改變的所述輻射。

11.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，使所述構件元件至少在通過起改變組織結構作用的所述輻射來進行處理期間經受缺氧的氣氛。

12.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，對起改變組織結構作用的所述輻射以及對所述經調制的輻射而言采用激光輻射。

13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，使用可見的波長范圍內的激光輻射。