JP2007313525A - 孔加工方法及び孔加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管状ワークの閉塞端に、必要な開口面積の孔をより精密に加工する。
【解決手段】閉塞端を有する管状ワーク内にアシストガスを加圧供給して、前記閉塞端にレーザビームを照射し、開けられた孔からのアシストガス流出量に基づき孔径を把握することにより、必要な開口面積の孔を加工する方法。穿孔中、一回又は数回レーザビームＬをオフにすることによって、それ以前の比較的小さなアシストガス流出量Ｑの振れに対し、比較的大きなアシストガス流量Ｑの振れｆ_１、ｆ_２が、レーザビームのオン・オフの時間に対応して発生した場合には、ドロスが発生していると判断することができる。かかる場合には、アシストガス流出量Ｑの触れｆ_１、ｆ_２を抑制するように、レーザ加工条件を変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、管状ワークの閉塞端に、必要な開口面積の孔をレーザ加工する孔加工方法及び孔加工装置に関するものである。

自動車用エンジンの燃料供給手段として、今日では、電子燃料噴射装置が一般的になっており、この電子燃料噴射装置により、エンジンの運転状態に応じて最適量の燃料を供給することが可能となり、燃費の向上や、低排出ガス化が促進されている。
この電子燃料噴射装置に用いられるインジェクタは、燃料噴射量を高精度に制御するために、燃料噴射孔の加工を高精度に行う必要がある。そこで、インジェクタの燃料噴射孔を穿孔する際に、レーザ孔開け加工法を用い、その際に、インジェクタ内部に、加圧されたアシストガスを供給して、アシストガスの供給量を計測することにより、レーザビームで開けられた孔径を把握して、必要な開口面積の孔を穿孔する方法が発明されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる孔加工方法は、インジェクタに限らず、他の管状ワークの閉塞端に必要な開口面積の孔を精密加工する際にも有効である。

特開２００３−３２６３８０号公報

しかしながら、上記従来の孔加工方法においても、孔径にばらつきが生じることが指摘され、その原因として、以下の理由が挙げられる。図５（ａ）に示されるように、ワークＷに対しレーザビームＬを照射すると、ワークＷの固体金属部Ｗ_ｓが加熱され蒸発することで、孔Ｗ_ｈが形成され、孔Ｗ_ｈからアシストガスＧが流出する。この際、孔Ｗ_ｈの周辺部は、レーザビームＬの熱を受けて液体金属部Ｗ_ｌが形成され、この液体金属部Ｗ_ｌが、順次蒸発していくことにより、孔Ｗ_ｈの開口面積が拡大していく。そして、アシストガスＧの流出量が所定量となった時点、すなわち、孔Ｗ_ｈの開口面積が規定の面積に達した時点で、レーザビームＬをオフにする。

しかしながら、レーザビームＬをオフにすると、液体金属部Ｗ_ｌが、アシストガスＧの圧力を受けて、レーザビームＬのオフと同時に孔Ｗ_ｈの周囲に押し広げられるようにして、開口面積を変化させながら固まり、再凝固部Ｗ_ｒｓ（ドロス）となる。前述のごとく、レーザビームＬをオフにするタイミングは、孔Ｗ_ｈの周囲に液体金属部Ｗ_ｌが存在した状態でのアシストガス流出量に基づき決定されているが、実際の孔Ｗ_ｈの開口面積は、再凝固部Ｗ_ｒｓの凝固形状如何によって、ばらつきが生じることとなる。
このように、孔径のばらつきは、ワーク内部に加圧供給されるアシストガスと、レーザビームのオン・オフによる温度変化とに起因するものである。これらは、何れも上記孔加工方法の必須の要件であることから問題解消が困難であり、従来は、試験片に対して孔加工を行って、孔の状態を、逐次顕微鏡観察や断面観察により把握し、レーザ加工条件を変更して、ドロスの発生を抑えるといった作業が必要であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、管状ワークの閉塞端に必要な開口面積の孔をレーザ加工する際の、ドロスの有無の把握を容易とし、ドロスの発生を抑えるようにレーザ加工条件の適正化を図ることで、必要な開口面積の孔をより精密に加工することを目的とするものである。

上記課題を解決するための、本発明に係る孔加工方法は、閉塞端を有する管状ワーク内にアシストガスを加圧供給して、前記閉塞端にレーザビームを照射し、開けられた孔からのアシストガス流出量に基づき孔径を把握することにより、必要な開口面積の孔を加工する方法であって、穿孔中にレーザ照射をオン・オフさせて、この際の、前記閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量の振れを計測し、該レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の振れを抑制するように、レーザ加工条件を変更することを特徴とするものである。

本発明において、レーザビームの照射により、管状ワークの閉塞端に開けられた孔の周辺部に液体金属部が形成された状態で、穿孔中にレーザ照射をオフにすると、レーザビームのオフと同時に液体金属部が孔周辺部へと押し広げられながら凝固し、この際、孔の開口面積が変化する。その結果、孔からのアシストガス流出量が急激に変化する。そこで、このアシストガス流出量の振れが、レーザビームをオフにする前よりも大きく計測された場合には、ドロスが発生していると判断することができる。そして、レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の触れを抑制するように、レーザ加工条件を変更することで、ドロスの発生が抑制され、孔からのアシストガス流出量と孔の開口面積とを、正確に対応させることが可能となる。

又、本発明においては、前記穿孔中にレーザビームの照射をオン・オフさせ、この際の、前記閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量の振れ量を測定し、該レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の振れを抑制するように、レーザ加工条件を変更する作業を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に行うことが望ましい。
本発明によれば、レーザ加工条件を変更する作業を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に行うことで、最適なレーザ加工条件を維持することができる。

又、本発明において、前記レーザ加工条件には、レーザビームの、出力、パルス数、パルス幅、インターバル、パルス周波数のうち、少なくとも一つが含まれることが望ましい。
そして、これらのレーザ加工条件を変更することで、ドロスの発生が抑制され、孔からのアシストガス流出量と孔の開口面積とを、正確に対応させることが可能となる。

又、上記課題を解決するための、本発明に係る孔加工装置は、閉塞端を有する管状ワーク内にアシストガスを加圧供給して、前記閉塞端にレーザビームを照射し、開けられた孔からのアシストガス流出量に基づき孔径を把握することにより、必要な開口面積の孔を加工する装置であって、レーザ照射手段と、前記管状ワーク内にアシストガスを供給する供給手段と、前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量を計測する計測手段と、前記レーザ照射手段のレーザ加工条件を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、穿孔中にレーザ照射をオン・オフさせ、この際に前記計測手段により計測される前記アシストガス流出量の振れを把握し、該レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の振れを抑制するように、前記レーザ照射手段のレーザ加工条件を変更する制御ロジックを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ照射手段によるレーザビームの照射により、管状ワークの閉塞端に開けられた孔の周辺部に液体金属部が形成された状態で、制御手段により、穿孔中にレーザ照射をオフにすると、レーザビームのオフと同時に液体金属部が孔周辺部へと押し広げられながら凝固し、この際孔の開口面積が変化する。その結果、孔からのアシストガス流出量が急激に変化する。そこで、計測手段において、このアシストガス流出量の振れが、レーザビームをオフにする前よりも大きく計測された場合には、ドロスが発生していると判断することができる。かかる場合には、制御手段により、レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の触れを抑制するように、レーザ加工条件を変更することで、ドロスの発生が抑制され、孔からのアシストガス流出量と孔の開口面積とを、正確に対応させることが可能となる。

又、本発明において、前記制御手段は、前記レーザ照射手段のレーザ加工条件を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に変更する制御ロジックを備えることが望ましい。
本発明によれば、レーザ加工条件を変更する作業を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に行うことで、最適なレーザ加工条件を維持することができる。

又、本発明において、前記レーザ加工条件には、レーザビームの、出力、パルス数、パルス幅、インターバル、パルス周波数のうち、少なくとも一つが含まれることが望ましい。
そして、これらのレーザ加工条件を変更することで、ドロスの発生が抑制され、孔からのアシストガス流出量と孔の開口面積とを、正確に対応させることが可能となる。

本発明はこのように構成したので、管状ワークの閉塞端に必要な開口面積の孔をレーザ加工する際の、ドロスの有無の把握が容易となり、ドロスの発生を抑えるようにレーザ加工条件の適正化を図ることで、必要な開口面積の孔をより精密に精密加工することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示される、本発明の実施の形態に係る孔加工装置１０は、管状ワークＷの閉塞端に、必要な開口面積の孔をレーザ加工する装置である。又、管状ワークＷは、図示の例では、自動車用エンジンの電子燃料噴射装置に用いられるインジェクタである。孔加工装置１０は、レーザ発振器１２と、レーザ発振器１２から発振されたレーザビームＬを折り返すミラー１４と、レーザビームＬを絞り込むための集光光学系１６とからなるレーザ照射手段を備えている。レーザ発振器１２及びミラー１４は、孔加工装置１０のフレーム１８に固定されているが、集光光学系１６は、位置調整が可能なように、スライドテーブル２０を介してフレーム１８に固定されている。又、管状ワークＷの加工姿勢を調整するための治具２２が、フレーム１８に固定されている。治具２２は、管状ワークＷを簡単な操作で確実に保持することができるように、クランプ構造を有していることが望ましい。

又、孔加工装置１０は、図１（ｂ）に示されるように、管状ワークＷ内にアシストガスを加圧供給する供給手段２４と、管状ワークＷの閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量を計測する計測手段２６とを備えている。供給手段２４は、窒素ガス等の不活性ガスを充填したガスボンベ等が用いられ、ガス管２８を介して、治具２２に密閉状態で固定された管状ワークＷ内部のガス流路Ｗａに、アシストガスを供給するものである。計測手段２６は、ガス管２８に接続された流量計であり、アシストガス流量Ｑの計測データを孔加工装置１０の制御手段３０に送信するものである。なお、ガス管２８には、更に、アシストガスの流量調整弁が設けられている。

制御手段３０は、パーソナルコンピュータ等の電子計算機により構成されている。そして、レーザ照射手段のレーザ発振器１２から、管状ワークＷの閉塞端に照射されるレーザビームＬの、レーザ加工条件を、任意に調節することができる。なお、レーザ加工条件は、図４に示される、出力Ｏ、パルス数Ｎ、パルス幅Ｄ、インターバルＥ、パルス周波数Ｆである。

制御手段３０には、穿孔中にレーザ発振器１２のレーザ照射をオン・オフさせ、この際、計測手段２６により計測されるアシストガス流出量の振れを把握し、アシストガス流出量の振れを抑制するように、レーザ発振器１２のレーザ加工条件を変更する制御ロジック３２が格納されている。又、制御ロジック３２には、レーザ発振器１２のレーザ加工条件を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に変更する、制御ロジックも含まれている。
更に、孔加工装置１０は、管状ワークＷの温度を測定する測定手段３４として、非接触型の温度測定器（例えば、赤外線放射温度計）を備えている。

上記構成を有する本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能となる。
まず、レーザ照射手段（１２、１４、１６）によるレーザビームＬの照射により、図５（ａ）に示されるように、管状ワークＷの閉塞端に開けられた孔Ｗ_ｈの周辺部に液体金属部Ｗ_ｌが形成された状態で、制御手段３０により、穿孔中にレーザ照射をオフにする。すると、レーザビームのオフと同時に液体金属部が孔周辺部へと押し広げられながら凝固してドロスＷ_ｒｓとなり、孔の開口面積が変化する。その結果、孔Ｗ_ｈからのアシストガスＧの流出量が急激に変化するので、計測手段２６により、アシストガス流出量Ｑの振れｆ_１、ｆ_２を計測することができる。

すなわち、図２に示されるように、一回又は数回レーザビームＬをオフにする（出力Ｏを零にする）ことによって、それ以前の比較的小さなアシストガス流出量Ｑの振れに対し、比較的大きなアシストガス流量Ｑの振れｆ_１、ｆ_２が、レーザビームのオン・オフの時間に対応して発生した場合には、この振れは、レーザ照射のオン・オフに起因するものであり、ドロス発生原因（図５参照）からして、アシストガス流出量Ｑの振れに基づきドロスが発生していると判断することができる。かかる場合には、制御手段３０により、レーザ照射のオン・オフに起因する、アシストガス流出量Ｑの触れｆ_１、ｆ_２を抑制するように、レーザ発振器１２のレーザ加工条件（出力Ｏ、パルス数Ｎ、パルス幅Ｄ、インターバルＥ、パルス周波数Ｆのうち、少なくとも一つ）を変更することで、ドロスの発生が抑制され、孔からのアシストガス流出量と孔の開口面積とを正確に対応させることが可能となる。
なお、レーザ加工条件は、穿孔するワークの材質（ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼等）、形状等によっても異なるものであり、本発明の実施の形態によれば、材質等の如何に関わらず、ドロスの発生の有無の把握と、ドロスの発生を抑制するためのレーザ加工条件の最適化とを実現することが可能となる。

図３には、レーザ加工条件が最適化された状態で、図２の場合と同様にレーザビームＬをオン・オフしたときのアシストガス流出量Ｑの変化を示している。図３のように、レーザ加工条件が最適化された場合には、レーザ照射のオン・オフ（レーザ出力Ｏの増減）に起因するアシストガス流出量Ｑの振れは発生せず、孔の開口面積の増加のみに応じて、アシストガス流出量Ｑは、比較的小さなアシストガス流出量Ｑの振れを伴いながら、巨視的には、単純な増加傾向となる。
従って、本発明の実施の形態によれば、孔の状態を逐次顕微鏡観察や断面観察により把握することなく、ドロスの有無を容易に把握することが可能となる。又、ドロスの発生時には、ドロスの発生を抑えるようにレーザ加工条件の適正化を図ることで、必要な開口面積の孔を、より精密に加工することが可能となる。

又、本発明において、穿孔中にレーザビームＬの照射をオン・オフさせ、この際の、閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量Ｑの振れ量を測定し、レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の振れ（図２のｆ_１、ｆ_２）を抑制するようにレーザ加工条件を変更する作業を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に行うことにより、最適なレーザ加工条件を維持することができる。よって、高精度の孔が開けられた製品を、安定供給することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る孔加工装置の模式図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は管状ワーク内にアシストガスを加圧供給する供給手段と、アシストガスの供給量を計測する計測手段とを示す図である。 ドロス発生時の、レーザ出力と、開けられた孔からのアシストガス流出量との関係を示すグラフである。 レーザ加工条件を最適化したとき（ドロス不発生時）のレーザ出力と、開けられた孔からのアシストガス流出量との関係を示すグラフである。 レーザ加工条件の説明図である。 従来の孔加工方法において、孔径にばらつきが生じる原因を示す説明図であり、（ａ）はレーザオン時の、ワークの孔近傍の断面図、（ｂ）はレーザオフ時の、ワークの孔近傍の断面図である。

符号の説明

１０：孔加工装置、１２：レーザ発振器、１４：ミラー、１６：集光光学系、２４：供給手段、２６：計測手段、３０：制御手段、３２：制御ロジック、３４：測定手段、Ｗ：管状ワーク、Ｑ：アシストガス流出量、 ｆ_１、ｆ２：アシストガス流出量の振れ

Claims (6)

1. 閉塞端を有する管状ワーク内にアシストガスを加圧供給して、前記閉塞端にレーザビームを照射し、開けられた孔からのアシストガス流出量に基づき孔径を把握することにより、必要な開口面積の孔を加工する方法であって、
   穿孔中にレーザ照射をオン・オフさせて、この際の、前記閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量の振れを計測し、該レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の振れを抑制するように、レーザ加工条件を変更することを特徴とする孔加工方法。
2. 前記穿孔中にレーザビームの照射をオン・オフさせ、この際の、前記閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量の振れ量を測定し、該レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の振れを抑制するように、レーザ加工条件を変更する作業を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に行うことを特徴とする請求項１記載の孔加工方法。
3. 前記レーザ加工条件には、レーザビームの、出力、パルス数、パルス幅、インターバル、パルス周波数のうち、少なくとも一つが含まれることを特徴とする請求項１又は２記載の孔加工方法。
4. 閉塞端を有する管状ワーク内にアシストガスを加圧供給して、前記閉塞端にレーザビームを照射し、開けられた孔からのアシストガス流出量に基づき孔径を把握することにより、必要な開口面積の孔を加工する装置であって、
   レーザ照射手段と、前記管状ワーク内にアシストガスを供給する供給手段と、前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔からの、アシストガス流出量を計測する計測手段と、前記レーザ照射手段のレーザ加工条件を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、穿孔中にレーザ照射をオン・オフさせ、この際に前記計測手段により計測される前記アシストガス流出量の振れを把握し、該レーザ照射のオン・オフに起因するアシストガス流出量の振れを抑制するように、前記レーザ照射手段のレーザ加工条件を変更する制御ロジックを備えることを特徴とする孔加工装置。
5. 前記制御手段は、前記レーザ照射手段のレーザ加工条件を、任意の管状ワークに対する加工サイクル中に変更する制御ロジックを備えることを特徴とする請求項４記載の孔加工装置。
6. 前記レーザ加工条件には、レーザビームの、出力、パルス数、パルス幅、インターバル、パルス周波数のうち、少なくとも一つが含まれることを特徴とする請求項４又は５記載の孔加工装置。

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