JP2007105777A - 凹部の形成方法及び形成装置並びに金属製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な工程を経ずに労力を低減でき、また加工対象の数が増えた場合でも加工コストの増大を抑えつつ、開口部よりも内部が拡大した凹部を形成できる凹部の形成方法及びその方法を実現できる製造装置並びにそのような凹部を有した金属製品の製造方法を提供する。
【解決手段】金属製の被加工体Ｗの上に、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔５ａ…５ａが形成され、かつ被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成されたマスク部材５を配置し、その後マスク部材５を介して被加工体Ｗに向けてレーザ光を照射して開口部よりも内部が拡大した凹部１００を被加工体Ｗに形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属製の被加工体に開口部よりも内部が拡大した凹部を形成する凹部の形成方法及び凹部の形成装置並びに金属製品の製造方法に関する。

塗装用下地における塗料の密着性を向上させるため、ステンレス製の複数の針が互いに同一の向き及び高さに並べられた針状治具を塗装用下地であるアルミニウム製の金属板に打ちつけて略均一形状の穴を形成し、その後、その穴が形成された金属板の表面をステンレス製のロールで軽く潰すことにより、内部に広がりを持ち口部がすぼまった壷状の穴を金属板に形成する凹部の形成方法が知られている（特許文献１）。

また、この特許文献には、上記のような壷状の穴を形成する凹部の形成方法として、塩化ナトリウムの粉体をアルミニウム製の金属板にロールで加圧しながら押し込み、押し込まれた粉体を温水で溶解除去し、その後粉体が除去された金属板の表面をステンレス製のロールで軽く潰す方法、水酸化ナトリウムの粉体をアルミニウム製の金属板にロールで加圧しながら押し込み、押し込まれた粉体を温水で溶解して金属板をエッチングし、その後硝酸水溶液で中和して洗浄除去する方法、及び一方の開口部の広さよりも他方の開口部の広さが狭い円錐状の貫通孔を形成したアルミニウム製の金属板を用意し、その金属板を開口部の広さが広い側を相手側のアルミニウム製の金属板に向けてこれらの金属板を互いに熱圧着する方法がそれぞれ開示されている。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特許第２５８４０８０号公報 特開平４−１５９０８０号公報

これらの方法のうち、金属板に穴を形成してからその穴の形状を変化させる方法では、所望の穴が完成するまでにロールで表面を押し潰す工程の介在が必須となるので、工程の切り替えに手間がかかる。また、水酸化ナトリウムの粉体を利用してエッチングする方法では、エッチングを終了させる中和操作が必要になる。更に、貫通孔が形成された金属板を相手側の金属板に熱圧着する方法では、貫通孔が形成された金属板を加工対象の数だけ準備しなければならないので、加工対象の増加に応じて加工コストも増大する。

そこで、本発明は、複雑な工程を経ずに労力を低減でき、また加工対象の数が増えた場合でも加工コストの増大を抑えつつ、開口部よりも内部が拡大した凹部を形成できる凹部の形成方法及びその方法を実現できる製造装置並びにそのような凹部を有した金属製品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の凹部の形成方法は、開口部よりも内部が拡大した凹部を金属製の被加工体に形成する凹部の形成方法であって、前記被加工体の上に、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔が形成され、かつ前記被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成された板状体を配置し、その後前記被加工体の上に配置された前記板状体を介して前記被加工体に向けてレーザ光を照射することにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この形成方法によれば、多数の孔が形成された板状体が被加工体の上に配置されるので、被加工体には板状体で隠された部分と露出した部分が存在する。そして、被加工体の上に板状体が配置された状態で、レーザ光が板状体を介して被加工体に向けて照射される。それにより、被加工体の露出した部分がレーザ光により加熱されて溶融し始める。板状体は被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成されているため、板状体に近いほど被加工体に加えられた熱が奪われ易い。そのため、板状体に近いほど被加工体の溶融が制限される一方で、板状体から離れる側の溶融の進行が許容される。これにより、板状体に近い側の開口部よりも遠い側の内部が拡大した凹部を形成することができる。

この形成方法においては、前記板状体のレーザ光が照射される側にレーザ光による熱の移動を妨げる断熱層が設けられていてもよい（請求項２）。この態様によれば、レーザ光の熱が板状体の内部に移動し難くなるので、被加工体の加熱を防止することができる。これにより、凹部の形成中に板状体が被加工体から熱を奪う上記の作用を促進することができ、凹部形成の確実性が向上する。この態様においては、前記多数の孔の内壁に前記断熱層が設けられいてもよい（請求項３）。この場合には、多数の孔の内壁側から板状体の内部への熱の移動も制限されるので更に効果的である。

これらの態様においては、前記断熱層の上に、レーザ光の吸収を妨げる吸収妨害手段が設けられていてもよい（請求項４）。この場合には、吸収妨害手段によって断熱層に対するレーザ光の吸収が妨げられるので、断熱層を保護することができ、なおかつ板状体への熱の移動量を低減することができる。この吸収妨害手段は、例えば、レーザ光を反射する機能を持つ反射層で実現してもよいし、断熱層の表面を磨き表面粗さを小さくして実現してもよい。

本発明の製造装置は、金属製の被加工体の上に配置されるとともに、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔が形成され、かつ前記被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成された板状体と、前記被加工体の上に配置された前記板状体を介して前記被加工体に向けてレーザ光を照射可能なレーザ照射手段と、開口部よりも内部が拡大した凹部が前記被加工体に形成されるように、前記レーザ照射手段から照射されるレーザ光の出力を制御するレーザ制御手段と、を備える（請求項５）。この製造装置によれば、上述の加工方法を実現して上述した課題を解決することができる。

この製造装置においては、前記レーザ制御手段は、レーザ光がパルス状に照射されるように前記レーザ照射手段を制御するとともに、前記板状体と前記レーザ照射手段との間隔を考慮してパルス状に照射されるレーザ光のデューティ比と照射開始から終了までの照射時間とをそれぞれ制御してもよい（請求項６）。この態様によれば、板状体とレーザ照射手段との間隔が考慮されて被加工体に照射されるレーザ光の出力が調整されるので、その間隔が変化した場合でも被加工体に与える熱量が不足したり、逆に熱量が過大となることを防止できる。それにより、所定形状の凹部を安定して形成することができる。

本発明の金属製品の製造方法は、開口部よりも内部が拡大した凹部が表面に形成された金属製品の製造方法であって、金属製の被加工体の上に、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔が形成され、かつ前記被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成された板状体を配置し、その後前記被加工体の上に配置された前記板状体を介して前記被加工体に向けてレーザ光を照射するものである（請求項７）。これにより、製造すべき金属製品の数が増大した場合でも、所定形状の凹部が形成された金属製品を安価に提供できる。

以上説明したように、本発明によれば、被加工体の上に、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔が形成され、かつ被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成された板状体を配置し、その被加工体の上に配置された板状体を介して被加工体に向けてレーザ光を照射するようにしたので、凹部を形成する過程で労力を低減でき、また加工対象の数が増えた場合でも加工コストの増大を抑えつつ、開口部よりも内部が拡大した凹部を形成できる。

図１は本発明の一実施形態に係る加工装置を模式的に示した全体構成図である。加工装置１は、被加工体Ｗを設置できるように水平方向に延びるステージ２と、ステージ２と直交する方向に所定波長のレーザ光を照射可能な可動レーザ照射装置３と、可動レーザ照射装置３に接続されて可動レーザ照射装置３の動作を制御するレーザ制御装置４とを備えている。可動レーザ照射装置３は水平面内（図１の紙面と直交する面内）及び鉛直方向（図１の上下方向）のそれぞれで位置決め自在に構成され、可動レーザ照射装置３の位置を変化させることで被加工体Ｗとの位置関係を調整できる。可動レーザ照射装置３としては、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザ等を採用でき、可動レーザ照射装置３はレーザ光をパルス状に出力できる。レーザ制御装置４は、図示しないマイクロプロセッサやＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶装置が組み込まれたコンピュータであり、ＲＯＭに保持された所定のプログラムを読み出して実行することにより可動レーザ照射装置３が照射するレーザ光の出力を制御できる。可動レーザ照射装置３の動作はオペレータによる手動でもよいし、ステッピングモータ等の駆動手段を取付けて、この駆動手段の動作をレーザ制御装置４で制御することにより自動化してもよい。

また、加工装置１はステージ２に設定された被加工体Ｗの上に配置するためのマスク部材５を備えている。図２にも示すように、マスク部材５は板状体であり、かつ板厚方向に延びて両端が開口する多数の孔５ａ…５ａが形成されている（図２では６個の孔５ａが図示されている）。そして、マスク部材５は外部から内部への熱移動を制限できる断熱層６が被加工体Ｗと対向する側を除き、可動レーザ照射装置３によりレーザ光が照射される側及び各孔５ａの内壁にそれぞれ設けられて断熱コーティングされている（図３参照）。なお各孔５ａの内壁に断熱層６を設けずに、レーザ光が照射される側のみに断熱層６を設けた場合でも一定の断熱効果を発揮できる。マスク部材５の材料は被加工体Ｗの材料よりも熱伝導率が高いものが選択される。マスク部材５は例えば市販のパンチングメタルに市販の断熱コーティング材を吹き付けて実現できる。

次に、加工装置１を使用した凹部の加工方法について図３を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は凹部の形成過程におけるマスク部材５及び被加工体Ｗの各断面を模式的に示したものである。この加工例は、可動レーザ照射装置３として炭酸ガスレーザを採用し、被加工体Ｗとしてアルミニウム材料が選択され、マスク部材５としてアルミニウムよりも熱伝導率の高い銅材料が選択されている。マスク部材５の板厚は例えば０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内で適宜に設定される。また、マスク部材５として、孔５ａ…５ａを千鳥状に配置し、孔径を０．５〜１．０ｍｍ、隣接する孔５ａ、孔５ａの中心間距離（ピッチ）を１．２〜１０．０ｍｍの範囲内にそれぞれ設定してもよい。なお、図３（ａ）〜（ｃ）は、一つの凹部１００の形成過程を模式的に示したものであって、孔５ａのピッチの大きさによってはこれらに図示した過程を経て複数の凹部１００が同時に形成される。

まず、図３（ａ）に示すように、被加工体Ｗの上にマスク部材を配置し、そのマスク部材５を介在させた状態でレーザ光Ｌの照射を開始する。レーザ制御装置４は可動レーザ照射装置３からレーザ光Ｌをパルス状に照射させる。パルス状に照射されるレーザ光Ｌのデューティ比は、可動レーザ照射装置３とマスク部材５との間隔Ｇの大きさを考慮して制御される。その間隔Ｇが大きいほどデューティ比が大きく、逆に間隔Ｇが小さいほどデューティ比が小さくなるように可動レーザ照射装置３が制御される。そのため、レーザ光Ｌにより被加工体Ｗに与えられる熱量が不足したり、逆に過大になることが防止される。

次に図３（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌの照射を継続すると、被加工体Ｗの露出部分はレーザ光Ｌにより加熱されて溶融し始める。マスク部材５の熱伝導率は被加工体Ｗよりも高いため、レーザ光Ｌによって被加工体Ｗに加えられた熱は、矢印Ｆで示すようにマスク部材５に近い側ほどマスク部材５によって奪われ易くなる。そのためマスク部材５に近いほど被加工体Ｗの溶融が制限される一方で、マスク部材５から離れる側の溶融の進行が許容される。

そして、図３（ｃ）に示すように、レーザ光Ｌの照射を適時に終了することで、開口部よりも内部が拡大した凹部１００が被加工体Ｗに形成される。レーザ光Ｌの照射開始から照射終了までのトータルの照射時間は使用するレーザの種類や可動レーザ照射装置３とマスク部材５との間隔Ｇの大きさを考慮してレーザ制御装置４にて制御される。

以上の加工方法は、被加工体Ｗが増えた場合でもマスク部材５を使い回して何度も加工できる。従って、マスク部材５を被加工体Ｗ毎に用意する必要がなく、凹部１００が形成された金属製品を安価に提供できる。

図示の凹部１００は開口部よりも内部が拡大した形状であり、壷のような形状を有している。このため、例えば、図４に示すように、凹部１００が形成された金属製品１４、１４を互いにろう付け等の接合加工により接合する際には、ろう材１６が凹部１００へ進入して固化することにより、アンカー効果を発揮して金属製品１４同士の接合強度が向上する。また、金属製品の摺動面に凹部１００を形成した場合には、その摺動面を潤滑する際に潤滑油が凹部１００に取り込まれる。例えば、図５に示すように、仮に金属製品１５の摺動面１５ａが水平方向に向けられた場合でも凹部１００に取り込まれた潤滑油１７が凹部１００のくびれた部分で堰き止められて流れ落ちにくくなる。従って、凹部１００の形成により潤滑油を保持する機能を向上させることができる。このような凹部１００はシリンダボアの内面や、ピストンスカート等の摺動面に形成することができる。

以上の実施形態においては、可動レーザ照射装置３が本発明のレーザ照射手段に、レーザ制御装置４が本発明のレーザ制御手段に、マスク部材５が本発明の板状部材に、それぞれ相当する。但し、本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の形態で実施してよい。例えば、本発明の板状部材として、図６に示すマスク部材５０で実施してもよい。このマスク部材５０には、断熱層６の上にレーザ光の吸収を妨げる吸収妨害手段としての反射層７が設けられている。この反射層７によってレーザ光が反射されて断熱層６へのレーザ光の吸収が妨げられるので、断熱層６を保護することができ、かつマスク部材５０への熱の移動量を低減することができる。また、図示を省略するが、断熱コーティング材に反射物質を混合し、これによって断熱層を形成して吸収妨害手段を実現してもよいし、また、吸収妨害手段として、断熱層の表面を磨き表面粗さを小さくして実現してもよい。

以上に述べた各種の数値範囲は、あくまで一例であって本発明の技術的範囲はこれらに制限されない。例えば、所定の凹部の大きさや数を調整するために板状部材に形成された孔の数、ピッチの大きさを適宜に変更してもよい。また、板状部材の厚さや、板状部材とレーザ制御手段との間隔も適宜に変更することができる。そして、その間隔とレーザ照射手段のレーザ光の波長等を考慮してレーザ光のデューティ比や照射時間を適宜に調整してもよい。

本発明の一実施形態に係る加工装置を模式的に示した全体構成図。 マスク部材の構成の一部を示す斜視図。 凹部の形成過程におけるマスク部材及び被加工体の各断面を模式的に示した図。 凹部が形成された金属製品の利用形態を模式的に示した断面図。 凹部が形成された金属製品の他の利用形態を模式的に示した断面図。 マスク部材の他の形態を示す断面図。

符号の説明

１ 加工装置
３ 可動レーザ照射装置（レーザ照射手段）
４ レーザ制御装置（レーザ制御手段）
５、５０ マスク部材（板状部材）
５ａ、５０ａ 孔
６ 断熱層
７ 反射層（吸収妨害手段）
１４、１５ 金属製品
１００ 凹部
Ｇ 間隔
Ｗ 被加工体

Claims (7)

1. 開口部よりも内部が拡大した凹部を金属製の被加工体に形成する凹部の形成方法であって、
   前記被加工体の上に、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔が形成され、かつ前記被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成された板状体を配置し、その後前記被加工体の上に配置された前記板状体を介して前記被加工体に向けてレーザ光を照射することを特徴とする凹部の形成方法。
2. 前記板状体には、レーザ光が照射される側にレーザ光による熱の移動を妨げる断熱層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の凹部の形成方法。
3. 前記板状体には、前記多数の孔の内壁に前記断熱層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の凹部の形成方法。
4. 前記断熱層の上に、レーザ光の吸収を妨げる吸収妨害手段が設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の凹部の形成方法。
5. 金属製の被加工体の上に配置されるとともに、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔が形成され、かつ前記被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成された板状体と、
   前記被加工体の上に配置された前記板状体を介して前記被加工体に向けてレーザ光を照射可能なレーザ照射手段と、
   開口部よりも内部が拡大した凹部が前記被加工体に形成されるように、前記レーザ照射手段から照射されるレーザ光の出力を制御するレーザ制御手段と、
   を備えることを特徴とする凹部の形成装置。
6. 前記レーザ制御手段は、レーザ光がパルス状に照射されるように前記レーザ照射手段を制御するとともに、前記板状体と前記レーザ照射手段との間隔を考慮してパルス状に照射されるレーザ光のデューティ比と照射開始から終了までの照射時間とをそれぞれ制御することを特徴とする請求項５に記載の凹部の形成装置。
7. 開口部よりも内部が拡大した凹部が表面に形成された金属製品の製造方法であって、
   金属製の被加工体の上に、厚さ方向に延びて両端が開口する多数の孔が形成され、かつ前記被加工体よりも熱伝導率の高い材料で構成された板状体を配置し、その後前記被加工体の上に配置された前記板状体を介して前記被加工体に向けてレーザ光を照射することを特徴とする金属製品の製造方法。
   

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