JP2009050901A - 孔加工方法および孔加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性と加工品質とを両立できる孔加工方法を提供する。
【解決手段】レーザヘッド１２から照射されるレーザ光Ａによりワーク１の所定部位に下孔２を明けるレーザ加工工程と、レーザ加工工程の後に行われ、下孔２よりも大きい断面積を有するパンチ２０とダイ２３とでワーク１を下孔２と重なるように打ち抜くことによって、前記所定部位に下孔２よりも大きい孔面積を有する孔３を明けるプレス加工工程とを備える。これにより、パンチ２０の座屈および破断を回避できるので、加工精度および面性状に優れたプレス加工によって孔３を明けることができる。しかも、放電加工と比べて極めて生産性が高いレーザ加工およびプレス加工を組み合わせているので、放電加工よりも高い生産性にて効率よく孔加工を行うことができる。以上のことから、生産性と加工品質とを両立することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、孔加工方法および孔加工装置に関し、燃料噴射ノズルの噴孔加工に用いて好適である。

従来、高生産性および高品質を兼ね備える孔加工方法として、パンチおよびダイを用いたプレス加工が周知である（例えば、特許文献１）。

また、プレス加工以外の孔加工方法として、放電加工やレーザ加工が周知である。
特開２００２−１０２９７７号公報

ところで、プレス加工による孔加工においては、ワークにパンチを打ち込むときにパンチに大きな加工荷重がかかる。また、パンチがワークを打ち抜く際にワークがパンチに押し広げられるように弾性変形することから、ワークからパンチを抜くときにワークが弾性復元力によってパンチに食い付いてパンチに引張応力が生じる。

このため、加工する孔の深さＬと内径Ｄとの比Ｌ／Ｄが２以上である場合には、パンチが非常に細長い円柱形状になるので、ワークにパンチを打ち込むときにパンチが加工荷重に耐えられずに座屈したり、ワークからパンチを抜くときにパンチが引張応力によって破断したりしてしまう。その結果、Ｌ／Ｄが２以上の場合にはプレス加工によって孔加工できないという問題がある。

これに対し、パンチを用いない放電加工やレーザ加工においては、Ｌ／Ｄが２以上であっても孔加工が可能である。しかしながら、放電加工の場合には加工時間が長くなってしまうので、生産性が劣り、ひいてはコスト高になってしまうという欠点がある。

一方、レーザ加工の場合には、放電加工と比べて極めて短い加工時間で孔加工が可能であるが、放電加工と比べて寸法精度および面性状が劣るので、十分な加工品質が得られないという欠点がある。

特に、燃料噴射ノズルの噴孔加工においては、噴霧燃料の微細化のために大きなＬ／Ｄと高い加工品質とが要求されることから、生産性と加工品質とを両立できる孔加工方法が切望されている。

本発明は、上記点に鑑み、生産性と加工品質とを両立できる孔加工方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、生産性と加工品質とを両立できる孔加工装置を提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、レーザヘッド（１２）から照射されるレーザ光（Ａ）によりワーク（１）の所定部位に下孔（２）を明けるレーザ加工工程と、
レーザ加工工程の後に行われ、下孔（２）よりも大きい断面積を有するパンチ（２０）とダイ（２３）とでワーク（１）を下孔（２）と重なるように打ち抜くことによって、前記所定部位に下孔（２）よりも大きい孔面積を有する孔（３）を明けるプレス加工工程とを備えることを第１の特徴とする。

これにより、ワーク（１）にパンチ（２０）を打ち込むときにパンチ（２０）にかかる加工荷重と、ワーク（１）からパンチ（２０）を抜くときにパンチ（２０）に生じる引張応力とを低減することができるので、パンチ（２０）の座屈および破断を回避できる。その結果、加工精度および面性状に優れたプレス加工によって孔（３）を明けることができるので、高い加工品質を得ることができる。

しかも、放電加工と比べて極めて生産性が高いレーザ加工およびプレス加工を組み合わせているので、放電加工よりも高い生産性にて効率よく孔加工を行うことができる。以上のことから、生産性と加工品質とを両立することができる。

本発明は、具体的には、レーザ加工工程とプレス加工工程とでレーザヘッド（１２）、パンチ（２０）およびダイ（２３）がワーク（１）に対して移動することによって、ワーク（１）を所定位置に置いたままでレーザ加工工程およびプレス加工工程を行う。

これにより、レーザ加工用のレーザヘッド（１２）と、プレス加工用のパンチ（２０）およびダイ（２３）とを別個に設置し、レーザヘッド（１２）の設置場所にてレーザ加工工程を行った後にワーク１をパンチ（２０）およびダイ（２３）の設置場所に搬送してプレス加工工程を行う場合と比較して、生産性および加工品質をより向上することができる。

また、本発明は、具体的には、下孔（２）は所定の内径（ｄ１）を有する円形孔であり、
パンチ（２０）は、下孔（２）よりも大きい所定の外径（ｄ２）を有する円柱形状になっており、
プレス加工工程において、パンチ（２０）が下孔（２）と同軸上に位置してワーク（１）を打ち抜くようにすれば、円形の孔（３）を良好に加工することができる。

なお、本発明における「パンチ（２０）が下孔（２）と同軸上に位置する」とは、厳密にパンチ（２０）が下孔（２）と同軸上に位置することのみを意味するものではなく、パンチ（２０）と下孔（２）との同軸度が０．００５ｍｍ以下であることをも含む意味のものである。

本発明は、より具体的には、下孔（２）の内径（ｄ１）とパンチ（２０）の外径（ｄ２）との比（ｄ１／ｄ２）を０．６以上、０．９以下の範囲に設定するのが望ましい。

また、本発明は、ワーク（１）の所定部位にレーザ光（Ａ）を照射して下孔（２）を明けるレーザヘッド（１２）と、
下孔（２）が明けられたワーク（１）を下孔（２）と重なるように打ち抜くことによって、前記所定部位に下孔（２）よりも大きい孔面積を有する孔（３）を明けるパンチ（２０）およびダイ（２３）とを備えることを第２の特徴とする。

これにより、上述した第１の特徴と同様の作用効果を発揮することができる。

本発明は、具体的には、ワーク（１）を所定位置に保持する保持機構（１１）と、
下孔（２）を明けるときと孔（３）を明けるときとでレーザヘッド（１２）、パンチ（２０）およびダイ（２３）をワーク（１）に対して移動させる移動機構とを備えれば、ワーク（１）を所定位置に置いたままで下孔（２）および孔（３）を明けることができるので、生産性および加工品質をより向上することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１および図２に基づいて説明する。図１は、燃料噴射ノズルの噴孔を加工する孔加工装置を示す断面図であり、図２は図１の要部拡大断面図である。なお、図１中の上下の矢印は、孔加工装置の設置状態における上下方向を示している。

本実施形態による孔加工装置は、レーザ加工を行うレーザ加工装置部とプレス加工を行うプレス加工装置部を有しており、レーザ加工装置部およびプレス加工装置部がワーク（被加工物）１に対して移動可能に構成することで、ワーク（被加工物）１を所定位置に置いたままでレーザ加工とプレス加工の両方を行うことができるようになっている。

なお、図１および図２（ａ）は、レーザ加工時の状態を示しており、図２（ｂ）はプレス加工時の状態を示している。

本例では、ワーク１が所定の板厚ｔ（後述の図６（ｃ）を参照）を有する平板形状になっている。このワーク１は固定台１０に固定されたダイプレート１１にセットされる。このダイプレート１１は本発明における保持機構に該当するものであり、ダイプレート１１の中心穴部１１ａには、ワーク１を水平面に対して所定角度だけ傾いた状態で保持する受け部（図示せず）が形成されている。

レーザ加工用のレーザヘッド１２は、ワーク１の下方側から上方側に向かってレーザを照射するように、ワーク１の下方側に配置されている。本例では、レーザヘッド１２は、発振器１３および関数発生器１４によって発振されたファイバーレーザを集光レンズ１２ａにより集光してノズル部１２ｂから照射する。レーザヘッド１２と発振器１３はファイバー１５によって接続されている。

レーザヘッド１２のうち集光レンズ１２ａよりもノズル部１２ｂ先端側の部位には、アシストガス（例えば、窒素や空気等）が流入するアシストガス流入口１２ｂが配置されており、レーザ加工時にはアシストガスがノズル部１２ｂからワーク１に向けて噴射される。

レーザヘッド１２は、図示しないスライド機構（例えば、エアーシリンダ等）によって、スライドガイド１６に沿って上下方向に移動可能になっている。なお、レーザヘッド１２のスライド機構は、本発明における移動機構に該当するものである。

レーザヘッド１２は、図１に示すレーザ加工時の状態ではノズル部１２ｂがダイプレート１１の中心穴部１１ａ内に位置しており、プレス加工時の状態ではレーザ加工時の位置から下降してダイプレート１１の下方側に移動する（後述の図４を参照）。

レーザ加工時の状態においてレーザヘッド１２のノズル部１２ｂの外周側に位置するカバー１７は、レーザ加工時にダイプレート１１の中心穴部１１ａの内周面にスパッタが付着するのを防止する役割を果たす。

このカバー１７は略円筒状に形成されており、レーザ加工時の状態ではダイプレート１１の中心穴部１１ａ内に位置して、カバー１７の内周面とノズル部１２ｂの外周面との間に環状の空間１８が形成されるようになっている。

また、カバー１７は、プレス加工時には図示しない移動機構（例えば、エアーシリンダ等）によってレーザ加工時の位置から下降してダイプレート１１の中心穴部１１ａの真下に移動し、さらに図１の紙面垂直方向に移動するようになっている（後述の図４を参照）。

レーザ加工時にワーク１を貫通したレーザを遮光する遮光板１９は、レーザ加工時の状態ではダイプレート１１の中心穴部１１ａの真上に位置しており、プレス加工時には図示しない移動機構（例えば、エアーシリンダ等）によってレーザ加工時の位置から図１の紙面垂直方向に移動するようになっている（後述の図４を参照）。

プレス加工用のパンチ２０およびパンチ２０を保持するパンチホルダ２１は、図示しない移動機構（例えば、エアーシリンダ等）によって上下方向に移動可能になっている。なお、パンチ２０およびパンチホルダ２１の移動機構は、本発明における移動機構に該当するものである。

このパンチ２０およびパンチホルダ２１の上下方向の移動は、パンチホルダ２１に配置されたガイドピン２１ａがダイプレート１１に形成されたガイド穴１１ｂに摺動することによってガイドされるようになっている。

パンチ２０およびパンチホルダ２１は、レーザ加工時の状態では遮光板１９の上方側に位置しており、プレス加工時の状態ではレーザ加工時の位置から下降してダイプレート１１の中心穴部１１ａ内に上方側から挿入される（後述の図４を参照）。

プレス加工時にパンチ２０を加圧する加圧装置２２は、パンチ２０の上方側に配置されている。本例では、加圧装置２２としてエアーシリンダを用いている。また、本例では、加圧装置２２を固定台１０に固定しているが、加圧装置２２をパンチホルダ２１に固定して、パンチ２０およびパンチホルダ２１とともに上下方向に移動させるようにしてもよい。

プレス加工用のダイ２３およびダイ２３を保持するダイホルダ２４は、レーザ加工時の状態ではレーザヘッド１２の紙面奥側に位置しており、プレス加工時には図示しない移動機構（例えば、エアーシリンダ等）によってダイプレート１１の中心穴部１１ａの真下まで図１の紙面垂直方向に移動し、さらに、ダイプレート１１の中心穴部１１ａに向かって上昇してダイプレート１１の中心穴部１１ａ内に挿入される（後述の図４を参照）。なお、ダイ２３およびダイホルダ２４の移動機構は、本発明における移動機構に該当するものである。

ダイ２３およびダイホルダ２４の位置決めを行うダイホルダガイド２５は、略円筒形状を有し、中心穴部１１ａ内に同軸上に配置されている。ダイホルダガイド２５の内周面とダイホルダ２４の外周面とのクリアランスは、ダイホルダガイド２５の軸方向下端側では０．０１ｍｍで、軸方向上端側ではほぼ０ｍｍになっている。

ダイホルダガイド２５の軸方向中間部における内周面は、ダイホルダガイド２５の内周面とダイホルダ２４の外周面とのクリアランスが軸方向下端側から軸方向上端側に向かうにつれて徐々に小さくなるようにテーパー状になっている。

次に、本実施形態による孔加工装置を用いた孔加工方法について図３〜図６に基づいて説明する。図３は、レーザ加工工程を示す工程図である。図４は孔加工装置の切り替え手順を示す説明図である。図５はプレス加工工程を示す工程図である。図６はワークの加工状態を模式的に示す断面図である。

（１）レーザ加工工程
まず、孔加工装置を図１に示すレーザ加工時の状態にする。すなわち、レーザヘッド１２のノズル部１２ｂおよびカバー１７がダイプレート１１の中心穴部１１ａ内に位置し、遮光板１９がダイプレート１１の中心穴部１１ａの真上に位置した状態にする。

そして、図３に示すようにレーザヘッド１２のノズル部１２ｂからレーザ光Ａを照射するとともにアシストガスＢを噴射して、図６（ａ）に示すようにワーク１に内径ｄ１の下孔２を明ける。ここで、下孔２の内径ｄ１は、図６（ｂ）に示すパンチ２０の外径ｄ２よりも小さく設定される。

ところで、下孔２を明ける際に飛散するスパッタは、図２（ａ）中の矢印に示すようにレーザヘッド１２のノズル部１２ｂとカバー１７との間に形成される環状の空間１８を通過して落下する。このため、ダイホルダガイド２５の内周面にスパッタが付着することを防止できる。

（２）孔加工装置の切り替え
次に、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、孔加工装置をレーザ加工時の状態からプレス加工時の状態に切り替える。具体的には、まず、図４（ａ）に示すようにレーザヘッド１２が下降する。次に、カバー１７が下降してダイプレート１１の中心穴部１１ａの真下に位置した後に図１の紙面垂直方向に移動するとともに、遮光板１９が図１の紙面垂直方向に移動する。

次に、図４（ｂ）に示すようにダイ２３およびダイホルダ２４が図１の紙面垂直方向に移動してダイプレート１１の中心穴部１１ａの真下に位置した後に、上昇してダイプレート１１の中心穴部１１ａ内に挿入される。

ここで、上述のように、下孔２を明ける際に飛散するスパッタがダイホルダガイド２５の内周面に付着することをカバー１７によって防止しているので、ダイホルダガイド２５によるダイ２３およびダイホルダ２４の位置決めを支障なく行うことができる。

次に、図４（ｃ）に示すようにパンチ２０およびパンチホルダ２１が下降してダイプレート１１の中心穴部１１ａ内に挿入される。このとき、パンチ２０は、ワーク１の下孔２に対し同軸上にセットされる。以上のようにして、孔加工装置がレーザ加工時の状態からプレス加工時の状態に切り替えられる。

（３）プレス加工工程
そして、図５に示すように加圧装置２２にてパンチ２０を押圧することによって、図６（ｂ）に示すようにワーク１を下孔２と重なるようにパンチ２０で打ち抜く。これにより、図６（ｃ）に示すように内径Ｄ、深さＬの孔３が明けられる。

図６（ａ）に示すように、下孔２は、レーザ加工によって明けられることから、面性状の粗い孔になる。一方、図６（ｃ）に示すように、孔３は、プレス加工工程にて明けられることから、面性状の良好な孔となる。

なお、孔加工装置をプレス加工時の状態からレーザ加工時の状態に切り替える手順は、上述したレーザ加工時の状態からプレス加工時の状態への切り替えと逆の手順となる。

本実施形態によると、プレス加工工程の前に下孔２を明けておき、プレス加工工程においてパンチ２０の外径ｄ２よりも小さい内径ｄ１の下孔２と重なるようにパンチ２０で打ち抜くので、パンチ２０によるプレス加工がシェービングに近いものになる。つまり、パンチ２０が下孔２の内周面を削るようにして孔３を明けることとなる。

このため、パンチ２０を打ち込む際にパンチ２０に作用する加工荷重を低減することができるので、パンチ２０の座屈を回避できる。

また、プレス加工工程の前に下孔２を明けておくことによって、パンチ２０がワーク１を打ち抜く際にワーク１がパンチ２０に押し広げられるように弾性変形することを抑制できる。

このため、ワーク１からパンチ２０を抜くときにワーク１が弾性復元力によってパンチ２０に食い付いてパンチ２０に引張応力が生じることを抑制できるので、パンチ２０の破断を回避できる。

その結果、加工精度および面性状に優れたプレス加工によって孔３を明けることができるので、高い加工品質を確保することができる。

一方、本実施形態によると、下孔２を明けるレーザ加工工程と孔３を明けるプレス加工工程の２つの工程で孔加工を行うこととなるが、レーザ加工およびプレス加工は、いずれも放電加工と比べて極めて生産性が高いので、放電加工よりも高い生産性にて効率よく孔加工を行うことができる。以上のことから、生産性と加工品質とを両立することができる。

ところで、比較例として、レーザヘッド１２等からなるレーザ加工装置部とパンチ２０およびダイ２３等からなるプレス加工装置部とを異なる場所に固定して設置し、ワーク１をレーザ加工装置部の設置場所にセットしてレーザ加工工程を行った後にワーク１をプレス加工装置部の設置場所に搬送してプレス加工工程を行う場合を考えると、ワーク１の搬送時間によって生産性が悪化するとともに、ワーク１の搬送に伴うワーク１の位置ずれによって加工品質（加工精度）が悪化してしまう。

この点に鑑みて、本実施形態は、レーザ加工工程とプレス加工工程とでレーザ加工装置部およびプレス加工装置部をワーク１に対して移動させることによって、ワーク１を所定位置に固定したままでレーザ加工とプレス加工の両方を行うので、ワーク１の搬送時間が不要であるとともに、ワーク１の搬送に伴うワーク１の位置ずれを回避できる。このため、生産性および加工品質（加工精度）をより向上することができる。

なお、本実施形態による具体的な加工例を説明すると、レーザ加工工程にて明ける下孔２の内径ｄ１を０．０７０ｍｍに設定し、プレス加工工程にて用いるパンチ２０の外径ｄ２を０．０８５ｍｍ、長さを２ｍｍに設定する。これにより、内径Ｄが０．０８５ｍｍ、深さＬが０．５ｍｍの孔３を明けることができる。本加工例によると、Ｌ／Ｄが５．９の孔３を明けることができる。

因みに、本発明者の詳細な検討によると、下孔２の内径ｄ１とパンチ２０の外径ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）を０．６以上、０．９以下の範囲に設定するのが望ましく、下孔２の軸とパンチ２０の軸とのずれ（同軸度）を０．００５ｍｍ以下に抑えるのが望ましい。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述の一実施形態における加工例に限定されるものではなく、種々の内径、深さの孔の加工に用いることができることはもちろんである。

また、上述の一実施形態では、円形の孔３を明けているが、必ずしも円形の孔に限定されるものではなく、例えば、スリット形状の孔を明けることができる。この場合には、レーザ加工工程にてスリット形状の下孔を明け、プレス加工工程にて下孔よりも大きい断面積を有するパンチでワークを下孔と重なるように打ち抜けば、下孔よりも大きい孔面積を有するスリット形状の孔を明けることができる。

また、上述の一実施形態では、平板状のワーク１に対して斜めに孔３を明けているが、必ずしも斜めの孔に限定されるものではなく、例えば、平板状のワークに対して真っ直ぐに孔を明けることができる。

また、上述の一実施形態は、孔加工装置のレーザ加工時の状態とプレス加工時の状態との切り替えの仕方の一例を示したものであり、これに限定されることなく、種々の切り替えの仕方を用いることができる。

本発明の一実施形態による孔加工装置を示す断面図である。 （ａ）はレーザ加工時の状態における孔加工装置の要部拡大断面図であり、（ｂ）はプレス加工時の状態における孔加工装置の要部拡大断面図である。 レーザ加工工程を示す工程図である。 孔加工装置の切り替え手順を示す説明図である。 プレス加工工程を示す工程図である。 （ａ）は下孔の断面を模式的に示す断面図であり、（ｂ）はパンチがワークを打ち抜く状態を模式的に示す断面図であり、（ｃ）は孔の断面を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１…ワーク、２…下孔、３…孔、２０…パンチ、Ｄ…孔の内径、ｄ１…下孔の内径、
ｄ２…パンチの外径。

Claims (6)

1. レーザヘッド（１２）から照射されるレーザ光（Ａ）によりワーク（１）の所定部位に下孔（２）を明けるレーザ加工工程と、
   前記レーザ加工工程の後に行われ、前記下孔（２）よりも大きい断面積を有するパンチ（２０）とダイ（２３）とで前記ワーク（１）を前記下孔（２）と重なるように打ち抜くことによって、前記所定部位に前記下孔（２）よりも大きい孔面積を有する孔（３）を明けるプレス加工工程とを備えることを特徴とする孔加工方法。
2. 前記レーザ加工工程と前記プレス加工工程とで前記レーザヘッド（１２）、前記パンチ（２０）および前記ダイ（２３）が前記ワーク（１）に対して移動することによって、前記ワーク（１）を所定位置に置いたままで前記レーザ加工工程および前記プレス加工工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の孔加工方法。
3. 前記下孔（２）は所定の内径（ｄ１）を有する円形孔であり、
   前記パンチ（２０）は、前記下孔（２）よりも大きい所定の外径（ｄ２）を有する円柱形状になっており、
   前記プレス加工工程において、前記パンチ（２０）が前記下孔（２）と同軸上に位置して前記ワーク（１）を打ち抜くことを特徴とする請求項１または２に記載の孔加工方法。
4. 前記下孔（２）の内径（ｄ１）と前記パンチ（２０）の外径（ｄ２）との比（ｄ１／ｄ２）が０．６以上、０．９以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の孔加工方法。
5. ワーク（１）の所定部位にレーザ光（Ａ）を照射して下孔（２）を明けるレーザヘッド（１２）と、
   前記下孔（２）が明けられた前記ワーク（１）を前記下孔（２）と重なるように打ち抜くことによって、前記所定部位に前記下孔（２）よりも大きい孔面積を有する孔（３）を明けるパンチ（２０）およびダイ（２３）とを備えることを特徴とする孔加工装置。
6. 前記ワーク（１）を所定位置に保持する保持機構（１１）と、
   前記下孔（２）を明けるときと前記孔（３）を明けるときとで前記レーザヘッド（１２）、前記パンチ（２０）および前記ダイ（２３）を前記ワーク（１）に対して移動させる移動機構とを備えることを特徴とする請求項５に記載の孔加工装置。

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