JP2013188794A - 機構部品における微細加工部の加工方法および加工装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】機構部品20に対し、ウォータジェットレーザ加工により微細加工部を形成するに当り、微細加工部を形成すべき部位に、レーザヘッド7側及び機構部品20側を作動させつつ加工を施すことで、所望形状の微細加工部を得るようにする。
【選択図】図1
Description
ドリル加工は、加工穴の径が小さくなればなるほど、対応するドリルの径も小さくする必要があるため、ドリルの折損率が増大し、機構部品の不良品発生率が高まることになる。
また放電加工は、電気加工の特性上、加工部位と電極との間には、数十〜数100μmの隙間(放電ギャップ)が必須のものであるので、加工穴径が微小になればなるほど、超極細の電極が必要となる。かかる極細電極には、高電圧を印加することはできず、加えて電極は再生不能であり、極めて高価であるが故に、ランニングコストが上昇する。
このようなウォータジェットレーザ加工装置によれば、加工部位に噴射される水柱は円筒状で、レーザ光はかかる円筒状水柱内を全反射しながら進行するので真直性が高い。従って、加工部位の位置決めを正確に行うことができ、しかも、エネルギーが水柱内に集約されるので、効率よく高い精度の加工が期待できる。
またその際、留意しなくてはならないのが、加工表面と深潭部におけるレーザパワー値の減衰率の違いである。このウォータジェットレーザ加工法は、細いウォータジェットをレーザの導波路として利用する方法なので、ウォータジェットが極微細幅の中を壁面に干渉しながら、深潭部に到達することから、深潭領域においてはウォータジェットが乱れる故に、有効性が低下するものと考えられる。すなわち、被加工物の表面近傍より、深潭近傍の面粗度は荒くなる傾向があると思われる。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、ウォータジェットレーザ加工法を生かすべく、機構部品の加工時に機構部品及びレーザ光出射側を、可動可能とすることで、加工精度も良好でより自由な形状の貫通孔を形成可能とした、機構部品における微細加工部の加工方法および加工装置を提供することを目的とする。
機構部品がインジェクタである場合、断面扇形状の噴孔として形成することができ、燃料噴霧時に抵抗なく、また、広角度な噴霧が可能で噴霧性能を向上させたインジェクタを製造することができる。
本加工装置1は、機構部品(後述)に対し、ウォータジェットレーザ加工により微細加工部を形成するための装置である。
本加工装置1は、詳細は後述するが、ウォータジェットをレーザの導波路として利用するウォータジェットレーザ加工装置2と、機構部品を載置して加工を行うための加工テーブル3とを備える。
また、加工テーブル3を揺動させる揺動駆動機構13は、例えばそれぞれ伸縮駆動機構を搭載した多軸リンク旋回支持機構で構成することができ、かかる揺動駆動機構13も制御盤(図示省略)により制御動作可能な構成としている。
これらレーザヘッド駆動機構12と揺動駆動機構13とは、機構部品の微細加工部が所望の寸法、形状のものが得られるように、互いに関連付けて動作を行うように動作プログラムが制御盤に格納されている。
機構部品20(以下、インジェクタ20)は、詳細は説明しないが燃料噴射先端側に円筒形状のノズルボディ21と、ノズルボディ21先端に嵌着可能な、被加工物である蓋部22と、後端側にインジェクタ本体(図示省略)に取り付けてなる取付部23とを有している。
また、蓋部22は、図に示すように、先端側が内側に空間を有する略円錐形状のドーム部25を有する。ドーム部25の内側空間には、円錐台状の弁座部25aを形成している。
これに対して、幅は図2に示すように内周面側のw1から外周面側のw2まで拡開しており、異径噴孔26は扇形状の縦断面形状を有する。よって、左右の側壁26aは細長い矩形状を持つが、横壁26bは扇形状を有する。
先ず、被加工物である蓋部22を、加工テーブル3に保持しておく。この場合、加工テーブル3は、当初は頂部の被加工物である蓋部22の載置面は、略水平状態にあり、かかる載置面に蓋部22が置かれ、蓋部22に対し、ウォータジェットレーザ加工装置2におけるレーザ発生部4からのレーザ光および高圧水供給部5からの高圧水に基づく水柱6が鉛直方向から当たるようになっている。
例えば、図4、図5に示すように、レーザヘッド7側は、当初、蓋部22のX軸上の適宜な位置を始点として、レーザ発生部4からのレーザ光および高圧水供給部5からの水柱6とが、鉛直軸方向から水柱6となって当たり、加工がスタートする。
レーザヘッド7は、レーザヘッド駆動機構12により、図中、X方向に、異形噴孔26の長さ方向に往復動し、これにより、レーザ光および水柱6は、孔壁面と平行に当っていき、孔壁面が徐々に削られていく。さらにレーザヘッド駆動機構12を、X方向に往復動させる毎に、微小距離、Y方向に徐々に移動させ(オフセットさせ)、その一方で、加工テーブル3側は、揺動駆動機構13により、鉛直軸Zを中心として、所定角度スイングするように、一定速度で揺動させることができる。
例えば、図5を用いて説明すると、レーザヘッド駆動機構12により、レーザヘッド7を図中、X軸方向に沿って、左方に移動させるときは、機構部品20を支える加工テーブル3を、揺動駆動機構13によって、X軸方向に沿って、右方に振るようにする。
反対に、レーザヘッド7を、X軸方向に沿って、右方に移動させるときは、機構部品20を支える加工テーブル3を、X軸方向に沿って、左方に振るようにする。
このようにレーザヘッド7と加工テーブル3とを、それぞれレーザヘッド駆動機構12、揺動駆動機構13により、制御盤に予め格納されたプログラムで、互いに対向させるように動作を行うことで、機構部品20におけるレーザ光の照射点の移動速度が倍加し、加工の進行を促進することができる。
この場合、レーザヘッド7の動作機構(図示省略)を、高圧水供給部5からの高圧円筒噴流が、微細加工部である、丸孔30の輪郭線を描くように、公転させるようにすることで任意の径の丸孔30を加工することができることになる。
勿論、レーザヘッド7側でなく、機構部品20を支える加工テーブル3側の動作機構を移動させて、丸孔30の輪郭線を描くように、レーザヘッド7からの水柱6を噴射させるようにすることで、丸孔加工を実行することもできる。
ここでは、機構部品の被加工部位(後述)に対し微細溝を形成するに際し、微細溝を形成すべき被加工部位にレーザ加工を施す際に、機構部品を揺動させながら加工を行うようにしたものである。この場合の加工装置40では、実質的には、図1に示した加工装置1におけるウォータジェットレーザ加工装置2と同様のレーザ加工装置41を備え、揺動可能な加工テーブル3を備えている。なお、レーザ加工装置41については、ウォータジェットレーザ加工装置2と同構成要素には同符号を付して詳細な説明は省略する。
図7に示すように、このレーザ加工装置41では、レーザヘッド7はレーザヘッド駆動機構12が設けられてはおらず、固定型としている。
以上のような加工装置40のレーザ加工装置41によりなされる加工では、加工テーブル3に揺動可能に保持されたインジェクタ20の蓋部22に、水を噴射して水柱6を形成すると共に、該水柱6の中を通してレーザ光を照射するようにしている。
先ず、インジェクタ20の蓋部22を、加工テーブル3に保持しておく。この場合、加工テーブル3は、当初は頂部の被加工物である蓋部22の載置面は、略水平状態にあり、かかる載置面に蓋部22が置かれると、蓋部22の中心軸が鉛直軸と一致し、且つ、レーザ加工装置41におけるレーザ発生部4からのレーザ光および高圧水供給部5からの水柱6と一致するようになっている(ニュートラル状態)。
これにより、高圧水供給部5から水柱6用の高圧水が、ノズル8を通じて蓋部22の異形噴孔26を形成すべき部位に、鉛直軸方向から水柱6となって当たる。
一方、レーザ発生部4から出射されたレーザ光は、レーザ発生部4から光ファイバ9を通じて、レーザヘッド3に導かれて所望の径に絞られ、水柱6に沿って水柱6と共に蓋部22の異形噴孔26を形成すべき部位に導かれる。
ここで、加工テーブル3は、図示しない駆動機構により、鉛直軸を中心として、所定角度スイングするように、一定速度で揺動している。
これにより、蓋部22の異形噴孔26を形成すべき部位には、水柱6と共にレーザ光が、図8に示すように、加工テーブル3のニュートラル状態における開始点から、加工テーブル3の揺動動作に基づいて、左右に、扇形状に噴射、照射され、所望の異形噴孔26が貫通形成される。
しかしながら、上述のような揺動加工を実施することで、深潭部周辺は、レーザ光の照射点の移動速度V2が、表面寄りのレーザ光の照射点の移動速度V1に比較して低下することで、レーザ光のパワー値が落ちても、加工度合いを所定の水準に維持することができる(図8参照)。
言い換えれば、深潭部周辺は、レーザ光の照射点がより狭い範囲で密集し、重なり合うことになるため、加工面の仕上がり向上につながる。
ここでは、後述するが下穴加工(ウォータジェットレーザ加工)と、仕上げ加工(ドリル加工他)を組み合わせ実行する加工法を採用する一方で、ウォータジェットレーザ加工装置によるウォータジェットレーザ加工が、精度的に向上した段階では、ウォータジェットレーザ加工のみで高精度の微細孔の加工を行うことも考えられる。
この場合のレーザ加工装置51は、参考例1で示したレーザ加工装置41と同構成であり、各構成要素に対し、同符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
そしてかかるレーザ加工装置51による下穴加工の後は、仕上げ加工としてドリル53を用いてドリル加工を施すようにしている(図11参照)。
インジェクタ60は、詳細は説明しないが筒状のハウジング61を有している。ハウジング61の上端部は燃料入口62として、燃料入口62には、図示しない燃料ポンプから燃料が供給され、燃料は、燃料フィルタ63を経由してハウジング61の内周側に流入するようになっている。
ハウジング61の下端部には、ノズルホルダ64が設けられ、内側に筒状の弁ボディ65が形成されている。かかる弁ボディ65には、軸方向において燃料入口62とは反対側の端部に開口部66を有し、かかる開口部66には、被加工物Wである噴孔プレート67を固着している。噴孔プレート67には、外側に向けて広がるように傾斜形成した微細孔52(以下、噴孔52)を設けている。なお、以上のようなハウジング61、ノズルホルダ64および弁ボディ65の内周側には、ニードル68が、軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル68は、電磁的駆動手段である駆動部69により、軸方向に上下動し、弁ボディ65との間に燃料が流れる燃料通路70を形成して、開口部66における噴孔プレート67の噴孔52に燃料を送り込み、噴孔52を介して外方に燃料を噴射する構成である。
先ず、被加工物Wである噴孔プレート67を、加工テーブル3に傾斜状態で保持しておく。この場合、加工テーブル3に対する噴孔プレート67の傾斜保持角度は、形成すべき噴孔52の傾斜角度に合わせるようにする。
次いで操作指令を、レーザ加工装置51における制御盤により、高圧水供給部5、およびレーザ発生部4に対し与え、被加工物Wの微細孔を形成すべき部位に、水を噴射して水柱6を形成すると共に、水柱6の中を通してレーザ光を照射するようにする。
これにより、高圧水供給部5から水柱6用の高圧水が、ノズル8を通じて被加工物Wの微細孔を形成すべき部位に、水柱6となって傾斜保持角度を以って当たる。
一方、レーザ発生部4から出射されたレーザ光は、レーザ発生部4から光ファイバ9を通じて、レーザヘッド7に導かれて所望の径に絞られ、水柱6に沿って水柱6と共に被加工物Wの微細孔を形成すべき部位に導かれ、加工を施すことができる。
これにより、被加工物Wの微細孔を形成すべき部位には、噴孔プレート67の傾斜保持角度、すなわち、噴孔52の傾斜角度に指向する下穴(パイロット穴)が形成される。
かかる下穴加工を繰り返すことで、被加工物Wには、所望の数の下穴Phを形成することができる。
ドリル53には、噴孔52に対応した径のドリルビット53pが装着されており、かかるドリルビット53pを、レーザ加工装置1における水柱6およびレーザ光と、同一の加工軸方向に沿って、被加工物Wにおける下穴Phに向けて進行させ、ドリル加工を施す。
この場合、ドリルビット53pは、微細な径である噴孔52に対応する極細のものであるが、ドリルビット53pを噴孔52の傾斜角度に指向する下穴Phに沿って、下穴Phをガイドとして進めていくことができるため、ドリルビット53pにかかるストレスを極力、抑えることができるので、ドリルビット53pが折損することなく、確実に穿孔することができる。
2 ウォータジェットレーザ加工装置
3 加工テーブル
4 レーザ発生部
5 高圧水供給部
6 水柱
7 レーザヘッド水柱
8 ノズル
9 光ファイバ
10 集光用レンズ
11 導入口
12 レーザヘッド駆動機構
13 揺動駆動機構
20 インジェクタ
21 ノズルボディ
21a 中空部
22 蓋部
23 取付部
24 ニードル弁
25 ドーム部
25a 弁座部
26 噴孔
26a 側壁
26b 横壁
27 燃料流通路
28 弁部
30 丸孔
40 加工装置
41 ウォータジェットレーザ加工装置
50 加工装置
51 ウォータジェットレーザ加工装置
52 微細孔
53 ドリル
53p ドリルビット
60 インジェクタ
61 ハウジング
62 燃料入口
63 燃料フィルタ
64 ノズルホルダ
65 弁ボディ
66 開口部
67 噴孔プレート
68 ニードル
69 駆動部
70 燃料通路
W 被加工物
h 溝幅
Claims (7)
- 機構部品(20)に対し、ウォータジェットレーザ加工により微細加工部を形成するための、機構部品(20)における微細加工部の加工方法であって、
前記機構部品(20)における微細加工部を形成すべき部位に、前記ウォータジェットレーザ加工を施す際に、高圧水と共にレーザ光を出射するレーザヘッド(7)及び前記機構部品(20)を作動させつつ加工を施すことで、縦断面形状が扇形状の孔である前記微細加工部を得るようにしていて、
前記孔の最外周となる位置よりも内周側を始点として、ウォータジェットレーザ加工をスタートし、ウォータジェットレーザ加工のスタート後、最外周となる位置よりも内周側で前記レーザヘッド(7)を前記機構部品(20)の前記微細加工部の形成方向に沿って往復動させる一方、前記機構部品(20)を揺動させながら加工を行うようにしてから外周側を加工することを特徴とする機構部品における微細加工部の加工方法。 - 前記レーザヘッド(7)と前記機構部品(20)とを、前記機構部品(20)の揺動動作方向に逆方向に動作させて加工を施すようにしたことを特徴とする請求項1に記載の機構部品における微細加工部の加工方法。
- 前記ウォータジェットレーザ加工により前記機構部品(20)に前記微細加工部を形成するに当り、前記微細加工部を形成すべき部位に、高圧水供給部(5)からの高圧水を鉛直方向に円筒噴流として噴射すると共に、前記高圧円筒噴流を導波路として、レーザ発生部(4)から前記レーザヘッド(7)を介してレーザ光を照射して加工を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の機構部品における微細加工部の加工方法。
- 前記微細加工部を形成すべき部位に対し、前記レーザヘッド(7)から、鉛直軸方向に前記高圧水の高圧円筒噴流と共にレーザ光を照射して、前記レーザヘッド(7)を前記機構部品(20)の前記微細加工部の形成方向に沿って往復動させる一方、前記機構部品(20)を支える加工テーブル(3)を、鉛直軸を中心として、所定角度、揺動させるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の機構部品における微細加工部の加工方法。
- 前記機構部品(20)はインジェクタであり、前記微細加工部は噴孔(26)であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の機構部品における微細加工部の加工方法。
- 機構部品(20)に対し、ウォータジェットレーザ加工により微細加工部を形成するための、機構部品(20)における微細加工部の加工装置であって、
高圧水を水柱(6)として噴射すると共にレーザ光を出射するレーザヘッド(7)を備えたウォータジェットレーザ加工装置(2)と、
前記機構部品(20)を載置して加工を行うための加工テーブル(3)と、
を具備し、
前記レーザヘッド(7)はレーザヘッド駆動機構(12)を備えると共に、前記加工テーブル(3)は揺動駆動機構(13)を備え、
前記レーザヘッド(7)を前記レーザヘッド駆動機構(12)により作動させつつ、前記加工テーブル(3)を前記揺動駆動機構(13)により揺動させて、前記機構部品(20)における前記微細加工部を形成すべき部位に、高圧水と共にレーザ光を照射して加工を施すことで、縦断面形状が扇形状の孔である前記微細加工部を得るようにしていて、
前記孔の最外周となる位置よりも内周側を始点として、ウォータジェットレーザ加工をスタートし、ウォータジェットレーザ加工のスタート後、最外周となる位置よりも内周側で前記レーザヘッド(7)を前記機構部品(20)の前記微細加工部の形成方向に沿って往復動させる一方、前記機構部品(20)を揺動させながら加工を行うようにしてから外周側を加工することを特徴とする機構部品における微細加工部の加工装置。 - 前記機構部品(20)は、インジェクタであり、前記微細加工部は噴孔(26)であることを特徴とする請求項6に記載の機構部品における微細加工部の加工装置。
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