JP2004082192A

JP2004082192A - レーザショック加工装置

Info

Publication number: JP2004082192A
Application number: JP2002249216A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Obo; 於保　辰哉; Katsuya Murakami; 村上　克哉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】従来のレーザショック加工装置では点状に集光したレーザで凹部を形成し、レーザを移動させ、別の凹部を形成するため、粗面加工に時間がかかった。
【解決手段】表面粗面加工するシリンダライナ１は、前記黒色ペイント２を塗布され、乾燥された状態にある。スクリーン８上に載せられた水７は、スクリーン８上のはけ６により、スクリーン８のスクリーン穴部９を通じて、シリンダライナ１の黒色ペイント２の表面に凹部を形成したい水による形状パターン３となるように塗布される。シリンダライナ１は回転させられているため、次々に水３が黒色ペイント２の上に印刷される。印刷された水による形状パターン３は、シリンダライナ１の回転によってレーザ光４の照射点まで移動する。レーザ光４の照射により下面の黒色ペイント２が気化、膨張する。印刷された水３により黒色ペイント２がカバーされた部分のみが凹部５となり、シリンダライナ１の表面の粗面化が随時、完成していく。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザショック加工装置、特にワークの表面を粗面加工するレーザショック加工装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
ワーク表面を粗面化する技術は、ショットピーニング、機械加工など様々なものが知られ、金属材料、自動車部品等のワークにおいて既に実用化されている。
【０００３】
上記表面の粗面化技術が適用されているワークとしては、エンジンのシリンダライナが挙げられる。シリンダライナは鋳鉄製であり、これがアルミニウムのシリンダブロックに鋳ぐるみされ、これと密着している。そして、ライナの表面に凸凹を付加したりすることで、シリンダブロックと噛み合うことで引っかかるようになり、シリンダブロックとの密着性が向上し、ボアの変形を抑制することができる。これによってピストンリングの張力を低くし、摩擦損失を低減することができる。例えば特開２０００−３１０１５４公報はシリンダライナの外周面に沿って所定ピッチの凹溝を多段に鋳造形成したシリンダライナを提供している。
【０００４】
ところで、現在の自動車は、外形寸法を小型化しつつ、車室スペースを確保することが要求されており、このため、エンジンルームはより縮小される傾向にある。したがって、エンジンルームに搭載されるエンジンも小型であることが求められている。従って、シリンダブロックに鋳込まれるシリンダライナ肉厚も、薄くすることが望まれている。シリンダライナの薄肉化は、特に直列気筒エンジンの全長を短縮することに貢献し、車両前部に横置きされるエンジンの場合、車幅方向の寸法を短縮することができる。
【０００５】
しかし、シリンダブロックとシリンダライナの密着性を向上させるために、シリンダライナの表面をショットピーニングや旋盤加工などの機械的加工で粗面化する場合、シリンダライナは肉厚が薄いと変形するおそれがある。例えば、ショットピーニングでは激しいショットにより、旋盤加工などでは加工工具などで直接加工する力と、それを支えるチャックなどの部材に強力に締め付けられる力などの作用により、シリンダライナの変形を生じる場合がある。
【０００６】
そこで、薄いシリンダライナのようなワークを変形させることなく、その表面を粗面加工する方法として、特開平８−１１２６８１号公報などで報告されているレーザショック加工法がある。該方法はレーザ光によってワーク表面の気体を膨張させてワーク表面に凹部を形成することで、ワーク表面を粗面加工することができる。
【０００７】
レーザショック加工法は、薄いシリンダライナのようなワークを変形させるおそれなくその表面を粗面加工できることは勿論、ワークに対し、表面の硬さが増し、表面層に付与された圧縮残留応力により疲れ強さが増す他、耐摩耗性の向上、耐応力腐食割れ特性の向上、放熱性の向上などの優れた材料特性を付加できることが報告されている。
【０００８】
ここで、一般的なレーザショック加工方法について図３に基づいて説明する。表面を粗面加工したいワーク１００の表面に光吸収性物質（例えば黒色ペイント）１０１を塗布する（図３ａ）。前記光吸収性物質１０１が乾燥した後、その上に重ねて光透過性物質（例えば水）１０２を塗布する（図３ｂ）。次にワーク１００の凹部としたい箇所に、点状に集光したレーザ光１０３を、前記光透過物質１０２の上方向から入射する（図３ｃ）。レーザ光１０３が照射された点状範囲のワーク１００表面の光吸収性物質１０１は、一瞬にして気化、膨張する。しかし、光吸収性物質１０１の上は、水１０２で覆われているため、上方向に対する光吸収性物質１０１の膨張は押さえられる。そのため、ワーク１００方向への圧力１０４が作用し、ワーク１００を圧迫する。この圧力１０４がワーク１００の表面を凹ませ、凹部１０５を形成する（図３ｄ）。
【０００９】
レーザ光１０３で凹部１０５を形成したら、再びレーザ照射を行う。レーザ照射を停止し、レーザ照射点を別の凹部１０５を形成したい箇所に移動させる。最終的にワーク１００表面の凹部を形成させたい箇所全てを凹部１０５とするまで、レーザ光１０３の照射点を凹部１０５にしたい全ての箇所に移動させて、レーザ光１０３の照射を断続的に行い、凹部１０５の形成を続ける。こうして、ワーク１００の表面を粗面加工することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レーザショック加工法は、前述の図３で示される工程で説明されるように、点状に集光したレーザで１カ所凹部を形成したら、レーザ照射点を別の凹部を形成したい箇所にその都度、移動させるための工程が必要である。即ち、ワーク表面の凹部を形成させたい箇所全てを凹部とするまで、レーザ照射点を凹部にしたい全ての箇所に移動させてレーザ照射することに多くの工程を費やすために粗面加工に時間がかかる。さらに、円筒形などのシリンダライナやそれ以上複雑な形状を持つワークに対してはレーザ照射点を正確に決定することが容易でなく、一層時間を要してしまう可能性がある。よってレーザショック加工法は上記理由などにより、コストがかかるなど実用化にあたっての問題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的はワークの表面を粗面加工するレーザショック加工法を、迅速且つ正確にできるレーザショック加工装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザショック加工装置は、ワークの表面に光吸収性物質を塗布し、さらに重ねて光透過性物質を塗布し、レーザの照射によって、前記光吸収性物質を気化、膨張させて、この膨張の圧力によって前記ワークの表面に凹部を形成し、粗面に加工するレーザショック加工装置において、レーザを放射する前のワーク表面に前記光吸収性物質と前記光透過性物質の少なくとも一方を粗面加工の形状パターンに塗布する手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、上記発明における前記粗面加工の形状パターンに塗布する手段は印刷手段であってもよい。
【００１４】
また、上記発明における前記光透過性物質が前記粗面加工の形状パターンに塗布する手段により塗布されてもよい。
【００１５】
また、上記発明におけるレーザショック加工装置で形成される凹部の少なくとも２つを含む範囲にレーザが照射される手段であってもよい。
【００１６】
また、上記発明における前記ワークがエンジンのシリンダライナであってもよい。
【００１７】
また、上記発明における前記レーザの照射範囲が前記シリンダライナの円筒軸の方向に延びてもよい。
【００１８】
また、上記発明における前記レーザの照射範囲が前記シリンダライナの円筒軸の方向に粗面加工領域以上の幅であってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について説明する。なお、本実施形態は本発明の実施に関しての好ましい一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１にはワークであるシリンダライナ１の外周表面の粗面化を行うことができる本発明のレーザショック加工装置１０が図示される。
【００２１】
シリンダライナ１は光吸収性物質として黒色ペイント２が塗られており、回転手段（図示せず）によって円筒軸を中心軸として右回転させられている。シリンダライナ１の上には、スクリーン８が設置され、このスクリーン８は多数のスクリーン穴部９を有している。スクリーン穴部９は粗面化された際に、凹部５となる位置に対応して配置されている。また、シリンダライナ１の中心軸の真上に位置するスクリーン８の上には、はけ６を有している。はけ６はスクリーン８が右方向へ移動したときにスクリーン８上に載せられる水７をスクリーン穴部９から押し出し、前述のスクリーン穴部９の配置に対応した形状パターン３で水７を印刷する。本実施形態のレーザショック加工装置１０は、このようにして水の形状パターン３を印刷できるスクリーン印刷手段を有している。
【００２２】
シリンダライナ１の右側にはレーザ光４を照射するレーザ光源（図示せず）を有している。ここでレーザ光４は黒色ペイント２を瞬時にして気化、膨張させる能力を有し、円筒軸上に延びる線状のレーザ照射範囲を持つ。また、その照射範囲は凹部５を少なくとも２つ以上含む範囲であって、かなり広い範囲での照射を可能とするもので、ひいては粗面加工領域以上であってもよい。
【００２３】
図２は図１で示される本発明の実施形態であるレーザショック加工装置１０を用いて、シリンダライナ１の外周表面が加工される各段階を断続的に示す側面図である。なお、図２の（ａ）〜（ｃ）は図１におけるａ〜ｃで示される領域におけるシリンダライナ１の外周表面の状態に対応しており、図２の（ｄ）は外周表面全体の粗面加工を完了したシリンダライナ１を示している。以下、シリンダライナ１が本実施形態のレーザショック加工装置１０により表面粗面加工される段階を主に図１を用いて説明する。
【００２４】
図１の領域ａでは、シリンダライナ１は、予め外周全面に乾燥させられた黒色ペイント２が一様に塗布されている状態であり、シリンダライナ１の外周表面は図２（ａ）の状態となっている。シリンダライナ１が右回転することにより、図１の領域ａは次第にスクリーン印刷される図１の領域ｂへと移っていく。
【００２５】
図１の領域ｂでは、乾燥させられた黒色ペイント２上に、シリンダライナ１の外周表面の凹部５とするところに水による形状パターン３がスクリーン印刷される。即ち、図１の領域ｂに入った箇所より、順次、凹部５としたい箇所にスクリーン８のスクリーン穴部９から水７がはけ６により押し出される。よって図１のｂの領域では水による形状パターン３が印刷され、シリンダライナ１の外周表面は図２（ｂ）の状態となっている。図１の領域ｂはシリンダライナ１の回転により、次第に線状のレーザ照射範囲を有する図１の領域ｃへと移っていく。
【００２６】
図１の領域ｃでは、図１の領域ｃに入った箇所に前述した線状の照射範囲を持つレーザ光４が照射される。このレーザ光４は具体的には図２（ｃ）に示すように、円筒軸方向に延びる線状の照射範囲を持つレーザ光である。図１の領域ｃに入った図１の領域ｂで水による形状パターン３が印刷・塗布されたシリンダライナ１は、一様な線状の照射範囲を持つレーザ光４を照射される。レーザ光４により、黒色ペイント２は瞬間的に気化、膨張する。その膨張による圧力は、黒色ペイント２の上で水による形状パターン３がカバーしている箇所においては、水がカバーしているためにシリンダライナ１表面に作用し、ここを凹ませ、凹部５を形成する（従来技術を説明した図３と同じメカニズムである）。一方、レーザ光４が照射された箇所であっても水による形状パターン３が形成されていない箇所は黒色ペイント２の膨張力をカバーする水がないために、凹部５は形成されない。したがって、水による形状パターン３が印刷された箇所がそのまま凹部５となり、図２（ｃ）のように粗面化できる。
【００２７】
上記工程により、外周全体にレーザ光４が照射されると、最終的にシリンダライナ１の外周表面全体が図２（ｄ）で示されるように粗面化されて粗面加工工程は完了する。
【００２８】
本発明のレーザショック加工装置によれば印刷工程２工程（図２（ａ）及び（ｂ）の黒色ペイント２と水による形状パターン３の印刷工程）とレーザ光照射工程１工程（図２（ｃ）のレーザ光照射工程）だけである。即ち、本発明の表面粗面化の工程は予めスクリーン印刷により表面の凹凸をパターニングした、シリンダライナなどのワークの表面をレーザ光で一様に照射するだけである。したがって点状に集光したレーザで１カ所凹部を形成したら、レーザ照射点を別の凹部を形成したい箇所にその都度、移動させなければならない従来技術と比べ工程が少ないために極めて短時間での加工が可能である。よって低コスト化が可能となる。近年、レーザ装置の価格が一段と低下していることも含め、本発明のレーザショック加工装置は、レーザショック加工法をより現実的なコストで実用可能としたと言える。なお、本実施形態はシリンダライナのような円筒形以上に複雑な形状のワークを加工する場合に適用してもよい。複雑な形状のワークでは、従来法の点状のレーザを断続的に照射させ、凹部を形成させる場合、レーザの各照射点を定めることに時間を要したが、本発明では、そのような照射点を定める必要がない。従って、このような複雑な形状のワークを加工する場合、本発明はさらに従来法に比べて時間短縮が可能となる。
【００２９】
さらに本実施形態ではレーザの照射部は固定しておけばよく、その照射点を定めるための労力が必要がない。複雑な形状を持つワークであったとしても、レーザ照射点を位置決めする工程が必要がないために、工程能力が向上する。
【００３０】
また、本実施形態ではシリンダライナを例として挙げたが、本発明の粗面加工となる対象物はこれに限定されない。
【００３１】
また、本実施形態ではレーザの照射方法は線状のレーザを用いたが、点状のレーザを連続的に照射しつつシリンダライナの円筒軸方向にスイープしてもよい。さらには要望に応じて粗面加工領域全体でなくとも一部を粗面化するために任意にレーザの照射範囲は変えてもよい。
【００３２】
また、本発明でワークに塗布される光吸収性物質（黒色ペイント等）及び光透過性物質（水等）、レーザ光の波長、照射するレーザ光の数等はワークの性質等に応じて最適に設計変更してよい。
【００３３】
さらには、本発明で用いられる塗布手段はスクリーン印刷でなくとも良い。オフセット印刷、凹板印刷、電子写真方式など、最適な印刷方式を選択して印刷してよい。また、印刷よりも適当な塗布手段がある場合はその手段が適用されるべきである。
【００３４】
本実施形態では、水をスクリーン印刷する手段のほうが本実施形態の粗面加工においては、工程としては簡単であるので水を印刷する工程を示している。しかし、光吸収性物質または光透過性物質のどちらか又は両方を印刷するかはワークの目的・用途に合わせて設計変更されるべきである。スクリーン印刷される物質は光吸収性物質であってもよく、光吸収性物質と光透過性物質の両方であっても良い。例えば本実施形態で最初にシリンダライナ１に黒色ペイント２を印刷により塗布しても良い。黒色ペイントを上記印刷により塗布し、その後、水をシリンダライナ１全体に塗布しても良い。その場合、乾燥した黒色ペイント２は水が印刷される場合と比べ、正確に印刷された箇所に留まっているため、レーザショック加工の凹部５を形成させる位置の精度が向上する。本実施形態のシリンダライナ１では凹部５の位置の精度よりも、粗面化される箇所がどこであるかは重要な問題ではなく、加工スピードを向上させた方が生産上よいため水７を印刷させたものである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のレーザショック加工装置は、ワーク表面に印刷などの塗布手段で粗面加工の形状パターンを形成したことにより、ワーク表面のレーザショック加工法による粗面加工時間を短縮できるようにした。したがって、レーザショック加工法をより加工時間短縮などで現実的に実用化できるレーザショック加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のレーザショック加工装置を示す図であり、シリンダライナの外側表面の粗面加工を行っている様子を示す図である。
【図２】本実施形態のレーザショック加工装置による粗面加工の各工程を説明するために示した図である。
【図３】従来のレーザショック加工工程を示した図である。
【符号の説明】
１　シリンダライナ、２　黒色ペイント、３　形状パターン、４　レーザ光、５　凹部、６　はけ、７　水、８　スクリーン、９　スクリーン穴部、１０　レーザショック加工装置、１００　ワーク、１０１　光吸収性物質、１０２　光透過性物質、１０３　レーザ光、１０４　圧力、１０５　凹部。

Claims

ワークの表面に光吸収性物質を塗布し、さらに重ねて光透過性物質を塗布し、レーザの照射によって、前記光吸収性物質を気化、膨張させて、この膨張の圧力によって、前記ワークの表面に凹部を形成し、粗面に加工するレーザショック加工装置において、
レーザを放射する前のワーク表面に前記光吸収性物質と前記光透過性物質の少なくとも一方を粗面加工の形状パターンに塗布する手段によることを特徴とするレーザショック加工装置。
前記粗面加工の形状パターンに塗布する手段は印刷手段であることを特徴とする請求項１に記載のレーザショック加工装置。
前記光透過性物質が前記粗面加工の形状パターンに塗布する手段により塗布されることを特徴とする請求項１記載のレーザショック加工装置。
前記レーザショック加工装置で形成される凹部の少なくとも２つを含む範囲にレーザが照射されることを特徴とする請求項１記載のレーザショック加工装置。
前記ワークがエンジンのシリンダライナであることを特徴とする請求項１に記載のレーザショック加工装置。
前記レーザの照射範囲が前記シリンダライナの円筒軸の方向に延びることを特徴とする請求項５に記載のレーザショック加工装置。
前記レーザの照射範囲が前記シリンダライナの円筒軸の方向に粗面加工領域以上の幅であることを特徴とする請求項５に記載のレーザショック加工装置。