JP2007319927A - 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レーザ加工する際の、孔径の把握をより正確に行い、必要な開口面積の孔をより精密に加工する。
【解決手段】管状ワークＷにレーザＬを照射して、管状ワークＷの閉塞端に孔をレーザ加工する際に、ワーク温度が急激に上昇して、供給手段から管状ワーク内部へと供給されるアシストガスが膨張する。すると、計測手段２６により計測される、管状ワーク内部へ供給されるアシストガスの供給量は、実際のアシストガスの流量よりも少なくなってしまう。そこで、管状ワークＷ内部のアシストガスの膨張量がレーザ出力に比例することを利用して、補正手段３２により、アシストガスの供給量の計測値を、アシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分で補正する。補正後の値から管状ワークＷの閉塞端に開けられた孔径を求め、正確な孔径を把握する。
【選択図】図１

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する手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

本発明は、上記のごとく、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、孔径の把握をより正確に行い、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、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であって、前記管状ワーク内にアシストガスを加圧供給してその供給量を計測し、前記管状ワークの閉塞端に照射されるレーザ出力に基づき、前記管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分で前記アシストガスの供給量の計測値を補正し、補正後の値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔径を求め、レーザ出力を調整することを特徴とするものである。

管状ワークの閉塞端に孔をレーザ加工する際に、管状ワークの閉塞端へとレーザ照射を開始してから比較的短い時間は、ワーク温度が急激に上昇して管状ワーク内部のアシストガスが膨張する。すると、管状ワーク内部のガス圧が上昇して、管状ワーク内部へ供給されるアシストガスの供給量が、穿孔された孔から実際に流出するアシストガスの流量よりも少なく計測されてしまう。
そこで、本発明では、管状ワーク内部のアシストガスの膨張量がレーザ出力に比例することを利用して、管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出す。そして、アシストガスの供給量の計測値を、アシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分で補正し、補正後の値から管状ワークの閉塞端に開けられた孔径を求めることで、孔径の把握を正確に行う。このようにして、正確な孔径を把握することで、必要な孔径を得るためのレーザ出力の調整を適切に行うことが可能となる。

又、本発明において、前記管状ワークの温度を測定し、該測定結果に基づき、前記管状ワーク内のアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分で前記アシストガスの供給量の計測値を補正し、補正後の値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔径を求め、レーザ出力を調整することとしても良い。
この構成によれば、管状ワークの温度を測定することにより、管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、管状ワークの閉塞端に照射されるレーザ出力に基づき割出された、アシストガス供給量の減少分についてのクロスチェックを行い、アシストガスの供給量の計測値を補正することで、穿孔された孔から実際に流出するアシストガスの流量の計測精度を、高めることができる。

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、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、前記レーザ照射手段から管状ワークの閉塞端に照射されるレーザの出力に基づき、前記管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分で前記アシストガスの供給量の計測値を補正する補正手段と、補正後の値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔の孔径を求め、前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。

上記構成において、レーザ照射手段から管状ワークにレーザを照射して、管状ワークの閉塞端に孔をレーザ加工する際に、管状ワークの閉塞端へとレーザ照射を開始してから比較的短い時間は、ワーク温度が急激に上昇して、供給手段から管状ワーク内部へと供給されるアシストガスが膨張する。すると、管状ワーク内部のガス圧が上昇して、計測手段により計測される、管状ワーク内部へ供給されるアシストガスの供給量は、穿孔された孔から実際に流出するアシストガスの流量よりも少なくなってしまう。
そこで、本発明では、管状ワーク内部のアシストガスの膨張量がレーザ出力に比例することを利用して、補正手段により、管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、アシストガスの供給量の計測値を、アシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分で補正する。そして、制御手段により、補正後の値から管状ワークの閉塞端に開けられた孔径を求め、正確な孔径を把握することで、必要な孔径を得るための、レーザ照射手段のレーザ出力の調整を適切に行うことが可能となる。

又、本発明において、前記管状ワークの温度を測定する測定手段と、該測定手段の測定結果に基づき、管状ワーク内のアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分だけ前記アシストガスの供給量の計測値を補正する補正手段と、補正後の計測値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔の孔径を求め、前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御する制御手段とを備えることとしてもよい。
この構成によれば、測定手段により管状ワークの温度を測定し、補正手段により、管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、管状ワークの閉塞端に照射されるレーザ出力に基づき割出された、アシストガス供給量の減少分についてのクロスチェックを行うことができる。そして、制御手段によって、アシストガスの供給量の計測値を補正することにより、穿孔された孔から実際に流出するアシストガスの流量の計測精度を、高めることができる。

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、孔径の把握をより正確に行い、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、アシストガスの供給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の出力に基づき、管状ワークＷ内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、かかる減少分で、計測手段２６により得られたアシストガスの供給量の計測値を補正する補正手段３２を備えている。

又、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。そして、補正手段３２は、レーザ発振器１２からレーザ出力データＯを、測定手段３４から管状ワークＷの温度データＴを受け、これらのデータに基づき、管状ワーク内のアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出すことができる。
具体的には、管状ワークＷ内のアシストガスの膨張量は、管状ワークの温度と、管状ワークＷ内部のガス流路Ｗａの容積（一定値）と、アシストガスのガス比熱（一定値）との積によって求められる。又、管状ワークＷの温度についても、レーザ出力（設定値）と、管状ワークＷの光吸収率（一定値）との積により求められる。従って、レーザ出力から、管状ワークＷ内のアシストガスの膨張量を算出し、かかるアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出すことができる。

そして、制御手段３０は、補正手段３２により補正された後の、アシストガスの供給量の計測値から、管状ワークＷの閉塞端に開けられた孔の孔径を求め、レーザ照射手段のレーザ発振器１２に、レーザ出力制御指令Ｓを出力し、レーザビームＬのオン・オフ制御を行う。
なお、測定手段３４により得られる温度データＴは、レーザ出力に基づき算出される管状ワークＷの温度を、確認・実証するために用いるものであり、測定手段３４を省略することも可能である。一方、必要に応じ測定手段３４により得られる温度データＴのみに基づき、管状ワークＷ内のアシストガスの膨張量を算出し、かかるアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出すこととしても良い。

図２には、実験装置３６が示されている。この実験装置３６は、孔加工装置１０の補正手段３２（図１（ａ））において、レーザ発振器１２からレーザ出力データＯに基づき、管状ワーク内のアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出すための一手順として、ワークにレーザが照射された後、アシストガス供給量が減少する様子を、実際の加工前に確認するためのものである。実験装置３６は、孔加工装置１０のレーザ発振器１２、ミラー１４を用いると共に、ガス室Ｒを備えるテストピースＷ_Ｔに対し、アシストガスの供給手段２４から、ガス管２８を介してアシストガスを供給するものである。ガス管２８には、アシストガスの流量を計測する計測手段２６が配置されており、テストピースＷ_Ｔへと供給されるアシストガスの流量を測定することができる。又、レーザ発振器１２からのレーザビームＬの照射の有無を把握するために、ＰＩＮフォトダイオード３８が用いられており、計測手段２６からの計測データとＰＩＮフォトダイオード３８からのオン・オフ信号とが、パーソナルコンピュータ等の電子計算機を用いた測定記録装置４０へと送られるようになっている。

この実験装置３６を用い、テストピースＷ_Ｔに孔を開けないように出力を調整して、レーザビームを照射した結果が図３に例示されている。縦軸において、アシストガスの流量Ｑは、レーザ照射前の流量に対する増減量を示している。図３から明らかなように、レーザ出力Ｏが０．４（arb.）を下回る値でテストピースＷ_Ｔに照射されると、照射開始から時間ｔ＝４秒程度までは、計測手段２６による流量計測値Ｑ_Ｔは比較的急速に流量を減少させ、その後は緩やかに減少して、毎分０．４リットル弱の減少量で推移している。

一方、図４には、孔加工装置１０により実際に管状ワークＷに穿孔したときの、ガス流量の推移が例示されている。図４においても、縦軸において、アシストガスの流量Ｑは、レーザ照射前の流量に対する増減量を示している。この場合には、レーザ出力Ｏが約０．４（arb.）でテストピースＷ_Ｔに照射されると、照射開始から時間ｔ＝０．６秒前後までは、計測手段２６による流量計測値Ｑ_Ａは、急速に毎分０．５リットル程度の減少を示し、照射開始から時間ｔ＝１．０秒前後で当初の流量に戻り、その後は流量増加に転じていることがわかる。このように、孔加工装置１０の計測手段２６により得られるアシストガスの流量Ｑ_Ａが変化する理由は、レーザ照射開始直後は孔が穿孔されておらず、又は穿孔された孔の開口面積も狭いものであることから、ワークの温度上昇に伴うアシストガスの膨張の影響が大きく現れるが、孔の開口面積の増加により、孔からのアシストガスの流出量が増加すると、アシストガスの膨張による流量減少の効果が小さくなることによるものである。

そこで、補正手段３２では、図３に示される、アシストガスの膨張に起因する流量減少分Ｑ_Ｔで、図４に示される、孔加工装置１０の計測手段２６により得られるアシストガスの流量Ｑ_Ａを補正し、図５に示されるように、管状ワークＷの先端に開けられた孔からの正確なアシストガスの流出量Ｑ_Ｒを割出している。
そして、制御手段３０では、補正後の値Ｑ_Ｒ（正確なアシストガスの流出量）から、管状ワークＷの閉塞端に開けられた孔の孔径を求め、必要な開口面積となるまで孔径が広げられたことを、補正後の値Ｑ_Ｒから把握した時点で、レーザ発振器１２に対し、レーザ照射を停止するように、制御指令Ｓを出力するものである。

なお、インジェクタの先端部には、同一円周上に複数の燃料噴射孔を加工する必要があることから、必要な数の燃料噴射孔が得られるまで、一つの管状ワークＷに対するレーザ穿孔作業が行われる。このため、一つの穿孔作業が終わる毎に、計測手段２６により得られるアシストガスの流量Ｑは零調整され、かつ、夫々の穿孔作業毎に、上記流量補正が行われるものである。

上記構成をなす、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。すなわち、レーザ照射手段（１２、１４、１６）から管状ワークＷにレーザＬを照射して、管状ワークＷの閉塞端に孔をレーザ加工する際に、管状ワークＷの閉塞端へとレーザ照射を開始してから比較的短い時間は、ワーク温度が急激に上昇して、供給手段から管状ワーク内部へと供給されるアシストガスが膨張する（図２）。すると、管状ワーク内部のガス圧が上昇し、計測手段により計測される、管状ワーク内部へ供給されるアシストガスの供給量は、穿孔された孔から実際に流出するアシストガスの流量よりも少なくなってしまう（図３）。
そこで、本発明の実施の形態では、管状ワークＷ内部のアシストガスの膨張量がレーザ出力に比例することを利用して、補正手段３２により、管状ワークＷ内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分Ｑ_Ｔを割出し、アシストガスの供給量の計測値Ｑ_Ａを、アシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分Ｑ_Ｔで補正し、補正後の値Ｑ_Ｒを得る（図５）。そして、制御手段３２により、補正後の値Ｑ_Ｒから管状ワークＷの閉塞端に開けられた孔径を求め、正確な孔径を把握することで、必要な孔径を得るための、レーザ照射手段のレーザ出力の調整を適切に行うことが可能となる。

又、測定手段３４により管状ワークＷの温度を測定し、補正手段３２により、管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出すことで、管状ワークＷの閉塞端に照射されるレーザ出力に基づき割出された、アシストガス供給量の減少分についてのクロスチェックを行うことができる。そして、制御手段３０によって、アシストガスの供給量の計測値を補正することにより、管状ワークＷに穿孔された孔から、実際に流出するアシストガスの流量Ｑ_Ｒの計測精度を、高めることができる。

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。 図３に示される、アシストガスの膨張に起因する流量減少の様子を確認するための実験装置の概略図である。 レーザビームの照射に起因する、アシストガスの流量変化を例示するグラフである。 図１に示される孔加工装置により、管状ワークに孔を穿孔したときの、ガス流量の推移を例示するグラフである。 図１に示される孔加工装置の補正手段により補正された、アシストガスの流量の推移を例示するグラフである。

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、２８：ガス管、３０：制御手段、３２：補正手段、３４：測定手段、Ｑ_Ａ：アシストガスの供給量、Ｑ_Ｒ：補正後のアシストガスの供給量、Ｑ_Ｔ：管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分、Ｗ：管状ワーク

Claims (4)

1. 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であって、
   前記管状ワーク内にアシストガスを加圧供給してその供給量を計測し、前記管状ワークの閉塞端に照射されるレーザ出力に基づき、前記管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分で前記アシストガスの供給量の計測値を補正し、補正後の値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔径を求め、レーザ出力を調整することを特徴とする孔加工方法。
2. 前記管状ワークの温度を測定し、該測定結果に基づき、前記管状ワーク内のアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分で前記アシストガスの供給量の計測値を補正し、補正後の値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔径を求め、レーザ出力を調整することを特徴とする請求項１記載の孔加工方法。
3. 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、前記レーザ照射手段から管状ワークの閉塞端に照射されるレーザの出力に基づき、前記管状ワーク内でのアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分で前記アシストガスの供給量の計測値を補正する補正手段と、補正後の値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔の孔径を求め、前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御する制御手段とを備えることを特徴とする孔加工装置。
4. 前記管状ワークの温度を測定する測定手段と、該測定手段の測定結果に基づき、管状ワーク内のアシストガスの膨張に起因するアシストガス供給量の減少分を割出し、該減少分だけ前記アシストガスの供給量の計測値を補正する補正手段と、補正後の計測値から前記管状ワークの閉塞端に開けられた孔の孔径を求め、前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項３記載の孔加工装置。

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