JP2018083227A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の表面に適切な間隔で延びる複数の溝を短い加工時間で形成することができるレーザ加工装置の提供。【解決手段】レーザ加工装置は、複数の分岐レーザ光をそれぞれ独立して同一方向に向かう分岐レーザ光群として照射する照射口３０ａを有する照射プローブ３と、被加工物を取り付ける加工台４とを備え、１つ以上の分岐レーザ光が溝の１つを形成すると同時に、他の分岐レーザ光が溝の他の１つを形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物の表面に線状の溝を形成するレーザ加工装置に関する。

従来、材料表面にレーザ光を照射して多数の独立した微細な窪みを形成し、その窪みに潤滑油脂を保持させることで、面粗度を極小化した平滑面を作り出し、相手側部材との良好な摺動特性を得る技術が知られている。

例えば、特許文献１による、シリンダブロックの内周面（シリンダ面）に微細周期性溝を形成する装置では、フェムト秒レーザを発振するフェムト秒レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、シリンダブロックを把持するとともに三次元方向（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三方向）に移動させるワーク制御テーブルを備えている。レーザ加工ヘッドには、加工種別に応じて異なるホモジナイザが配置される。シリンダ面に微細周期性溝を加工する場合には、周期性溝用ホモジナイザが用いられる。周期性溝用ホモジナイザは、入射したレーザ光のエネルギ分布を矩形に整形することで、エネルギ効率を高めた１本のレーザ光を生成する。シリンダブロックを三次元方向に移動させながらレーザ光を照射することによって、シリンダ面に微細周期性溝を形成する。また、シリンダ面にディンプルを加工する場合には、ディンプル加工用ホモジナイザが用いられる。ディンプル加工用ホモジナイザは、入射したレーザ光のエネルギ分布をエネルギ密度の高い複数のスポットに分けることで、多数のレーザ光を生成する。この多数のレーザ光を、シリンダ面に照射することによって、シリンダ面にディンプルを形成する。

特許文献１によるレーザ加工装置において、周期性溝用ホモジナイザを用いた溝の加工では、ワーク制御テーブルの動きを正確に制御すれば、精度の高い溝を形成することができるが、１本のレーザ光で１本の溝を加工することになるので、加工時間が長くなるという問題がある。ディンプル加工用ホモジナイザによるディンプル形成時に、ワーク制御テーブルを移動させ、ディンプルを線状に形成させたとしても、そのような溝は、溝幅が大き過ぎ、さらには溝同士がランダムに重なってしまい、意図された摺動特性が得られないという問題が生じる。

特開２００８−２００７００号公報

上述した実情に鑑み、被加工物の表面に適切な間隔で延びる複数の溝を短い加工時間で形成することができるレーザ加工装置が要望されている。

被加工物の表面に線状の溝を形成する、本発明によるレーザ加工装置は、複数の分岐レーザ光をそれぞれ独立して同一方向に向かう分岐レーザ光群として照射する照射口を有する照射プローブと、前記被加工物を取り付ける加工台とを備え、１つ以上の前記分岐レーザ光が前記溝の１つを形成すると同時に、他の前記分岐レーザ光が前記溝の他の１つを形成する。

この構成によれば、複数の分岐レーザ光のそれぞれが、独立して被加工物に向かい、所定の照射ポイントで被加工物の表面を照射する。これにより、被加工物の表面の各照射ポイントには窪みが形成される。その際、被加工物と分岐レーザ光との間には相対的な移動が生じており、その相対的な移動により、分岐レーザ光によって形成された窪みは、線状の溝となる。その際、複数の分岐レーザ光が共通して１つの溝を形成するのではなく、少なくとも複数の溝を形成するように、分岐レーザ光の分布が調整されている。これにより、このレーザ加工装置では、１本のレーザ光から分岐された分岐レーザ光の走査によって、同時に複数の溝が形成されるので、良好な摺動特性を生み出す微細溝の形成が短時間で達成される。

本発明の好適な実施形態の１つでは、前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点が、複数の互いに平行な直線上に位置するように構成されている。この構成では、分岐レーザ光と被工作物の相対移動を直線運動とするだけで、複数の分岐レーザ光による互いに平行な直線状の溝が形成される。この構成は、互いに平行な直線状の溝の形成が要望される場合に適している。なお、ここでの直線は広い意味で用いられており、湾曲面上でのみなし直線（最短線など）も含まれている。

同時に多くの溝を形成するためには、多数の分岐レーザ光が必要となる。また、多数の分岐レーザ光をコンパクトに分布させるためには、多数の分岐レーザ光を線上に配置するのではなく、面上に配置（２次元配置）することが好ましい。さらに、多数の溝を一様な分布で形成するためには、多数の分岐レーザ光の照射点が格子点を形成するような配置が好適である。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点が、複数の互いに交差する直線上に位置するように構成されている。また、多数の分岐レーザ光の照射点が正方格子点を構成することで、形成される溝の分布が一様なものになる。したがって、分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点の間隔を同じにすることも好適な実施形態の１つである。

本発明の好適な実施形態の１つでは、前記分岐レーザ光群における少なくとも２つ以上の前記分岐レーザ光が同一の溝を形成するように構成されている。この構成では、複数の分岐レーザ光によって形成される溝は、与えられるエネルギが倍加されるので、より大きな断面を有することができる。この構成は、同時に形成される溝の本数を減じても、より大きな溝断面を形成したい場合に適している。これとは逆に、同時にできるだけ多くの溝を形成したい場合には、前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光のそれぞれが異なる溝を形成するように、構成される。この構成では、１つの分岐レーザ光が１つの溝形成に割り与えられるので、分岐レーザ光の数だけ、同時に溝が形成され、多数の溝を短時間で形成することができる。

表面に微細な窪みを形成することによって摺動特性を改善する技術は、エンジンシリンダの内壁面に適用することで、良好な結果をもたらす。本発明では、円筒内壁面全体に形成されるべき溝は、同時照射される複数の分岐レーザによって形成されるので、この加工時間は、１本の光ビームによる加工に比べて、大幅に短縮される。

本発明によるレーザ加工装置の構成例を模式的に示す説明図である。 回折光学素子によって分岐された複数の分岐レーザ光による同時複数溝加工の加工開始時の状態を模式的に示す説明図である。 回折光学素子によって分岐された複数の分岐レーザ光による同時複数溝加工の加工途中の状態を模式的に示す説明図である。 シリンダ内壁面に形成された溝を示す正面図である。 シリンダ内壁面に形成された溝を示す斜視図である。 溝加工の実験結果を示す、溝群の拡大図である。 溝加工の実験結果を示す、溝群の断面状態をグラフ化した図である。

以下、エンジンのシリンダブロックの内壁面に多数の溝を形成する溝加工に、本発明によるレーザ加工装置を適用した例を説明する。図１は、そのような適用例でのレーザ加工装置の構成を模式的に示している。被加工物であるシリンダブロック１は、そのごく一部だけが図示されている。

レーザ加工装置は、レーザ装置本体２、照射プローブ３、加工台４、走査機構５、制御コントローラ６を備えている。レーザ装置本体２には、高エネルギのレーザ光である超短パルスレーザを生成するレーザ光源２０と、ミラー２１を含む一次レーザ光学系が含まれている。照射プローブ３は、レーザ装置本体２と光学的に接続されており、対物レンズユニット３１、回折光学素子３２、ミラー３３を含む二次レーザ光学系が内蔵されている。
レーザ光源２０から送られてきたレーザ光は、対物レンズユニット３１によってフォーカシングされ、回折光学素子３２に入射する。回折光学素子３２は、入射したレーザ光を、それぞれ独立して実質的に同一方向に向かう、複数の分岐レーザ光に分岐させる機能を有する。複数の分岐レーザ光は所定の断面形状を有する分岐レーザ光群として、ミラー３３で方向転換し、シリンダブロック１の円筒内壁面１ａを、実質的に垂直に照射する。つまり、円筒内壁面１ａには、分岐レーザ光の数だけの照射点が生じる。円筒内壁面１ａないしは仮想平面での照射点の分布パターンとして、複数の互いに平行な直線上に位置するパターンや、複数の互いに交差（直交を含む）する直線上に位置するパターンなどが用いられる。回折光学素子３２は着脱自在であり、回折光学素子３２を交換することで、分岐レーザ光の数やその分布形状を変更することができる。

対物レンズユニット３１、回折光学素子３２、ミラー３３は、ハウジング３０内に収納されている。ハウジング３０は、少なくともシリンダブロック１に接近する可能性のある部分は密閉構造となっているが、分岐レーザ光群が通過するための照射口３０ａを形成するため、その部分だけは開放されている。照射口３０ａの大きさは、できるだけハウジング３０の内部にガスや加工くずや異物が侵入しないように、分岐レーザ光群の断面とほぼ同じとしている。さらに、図示されていないが、照射口３０ａ周辺の空気を吸引する吸引ユニットが設けられており、照射口３０ａに侵入する異物あるいは侵入した異物を吸引除去する。その際、少なくとも、シリンダブロック１と照射プローブ３とを覆うカバーが設けられ、その中の空気を吸引するようにすれば、吸引効率が改善される。また、吸引ユニットに代えて、エアカーテン等の遮断ユニットを設けてもよい。

加工台４は、被加工物を取り付けて固定する構造を有し、被加工物に応じて異なる構造が採用される。この実施形態では、加工台４にはシリンダブロック１が取り付けられるが、その構造は、良く知られているので、ここでは、模式的にしか示されていない。

加工台４に取り付けられたシリンダブロック１は、照射プローブ３、つまり分岐レーザ光群との間でその相対位置を変えることで、分岐レーザ光の照射点を照射面である円筒内壁面１ａ上で走査することができる。そのような相対位置の変更は、加工台４または照射プローブ３あるいはその両方を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸、またはそのうちの２軸に沿っての移動や、当該軸周りの回転運動によって実現される。この実施形態では、この相対位置の変更のために、走査機構５が加工台４及び照射プローブ３に組み付け、または組み込まれている。具体的には、照射プローブ３には、第１走査機構５１として、Ｙ軸周りの回転駆動機構が組み付けられている。さらに、加工台４には、第２走査機構５２として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の移動駆動機構が組み込まれている。なお、ここでは、Ｙ軸方向はシリンダブロック１の軸心方向であり、Ｘ軸方向とＺ軸方向は、シリンダブロック１の軸心方向である。

制御コントローラ６には、加工管理部６０、レーザ制御部６１、走査制御ユニット６２が備えられている。レーザ制御部６１は、レーザ光源２０の駆動を制御し、被加工物であるシリンダブロック１に要求される溝を形成するために適正なレーザ光を所定の周期で励起する。走査制御ユニット６２は、第１走査機構５１の動作を制御する第１走査制御部６２１と、第２走査機構５２の動作を制御する第２走査制御部６２２とを備えている。走査制御ユニット６２は、第１走査制御部６２１と第２走査制御部６２２との組み合わせ制御により被加工物であるシリンダブロック１に円筒内壁面１ａに種々のパターンの溝を形成するためのプログラムを格納することができる。加工管理部６０は、シリンダブロック１の円筒内壁面１ａに形成されるべき溝パターンに応じて、レーザ制御部６１と走査制御ユニット６２とに与える制御パラメータを決定する。このような制御パラメータは、ユーザが直接入力することが可能であり、予め設定されているパラメータテーブルから任意に選択することも可能である。

シリンダブロック１の円筒内壁面１ａに同時に複数の溝を、所望の溝パターンで形成する基本原理を、図２と図３とを用いて説明する。図２は加工開始時の状態を示しており、図３はその後の加工途中の状態を示している。照射プローブ３とシリンダブロック１とが所定の開始位置にセットされると、レーザ光源２０が駆動される。レーザ光源２０から出たレーザ光は、回折光学素子３２に入射すると、複数の分岐レーザ光に分岐する。図２と図３の例では、３×３の正方格子状の分布で９つの分岐レーザ光が生じている。各分岐レーザ光は互いに独立して同方向に向かっており、シリンダブロック１の円筒内壁面１ａを実質的に垂直に照射している。分岐レーザ光は円筒内壁面１ａに窪みを形成するエネルギ強度を有するので、円筒内壁面１ａでの照射点には窪み（図２では、Ｐ11・・・Ｐ33で示されている）が形成される。同時に、走査制御ユニット６２からの走査制御信号に基づいて第１走査機構５１が動作し、照射プローブ３がシリンダブロック１の軸心周りで回転する。これにより、分岐レーザ光の照射点が円筒内壁面１ａの周方向に沿って移動し、照射点に形成される窪みが線上に延びて直線状の溝（図３では、Ｌ11・・・Ｌ33で示されている）を形成する。図３では、照射点の分布が３×３の正方格子状であり、走査方向がその正方格子の横方向に沿ったものとなっている。したがって、そのまま横方向走査を続けると、Ｌ11とＬ12とＬ13の溝、及びＬ21とＬ22とＬ23の溝、さらにＬ31とＬ32とＬ33の溝は１本の溝となり、合計３本の溝が形成される。この各溝は、３つの分岐レーザ光によって形成されたことになる。これは特殊な例であり、走査方向を傾斜させることにより、１つ以上の分岐レーザ光が１つの溝を形成し、他の分岐レーザ光が他の溝を形成するように変化する。走査方向を適切に選択することで、各分岐レーザ光が互いに独立した溝を形成することも可能であり、その場合、この例では、９本の溝が同時に形成される。

シリンダブロック１の円筒内壁面１ａの溝加工によって摺動特性を向上、さらにはエンジン自体の性能を向上させるためには、多数の精密な溝形成が要求される。図４と図５とに、そのような多数の溝が形成された円筒内壁面１ａの一部が模式的に示されている。なお、シリンダブロックはねずみ鋳鉄製で、溝の幅は百分の数ミリ、溝の深さは、千分の数ミリ、溝ピッチは、溝幅の数倍となっている。シリンダブロック１の軸方向に対する溝の傾斜は４５°〜７５°程度である。多数の溝を同時に形成するレーザ加工装置では、多数の分岐レーザ光、例えば、７×７の格子状分布を有する４９本の分岐レーザ光からなる分岐レーザ光群が用いられる。レーザ光は回折光学素子３２によって４９本の分岐レーザ光に分岐されるので、レーザ光源２０は高エネルギレーザ光を励起する必要がある。逆に、レーザ光ないしは分岐レーザ光の強度が強すぎると、溝加工面にバリが生じ、またレーザ光学系の負担も大きくなる。このため、レーザ光源２０は超短パルスレーザを励起する装置として構成されている。

図６と図７には、実際のシリンダブロック１の円筒内壁面１ａに対して行われた溝形成の実験結果が示されている。この実験では、超短パルスレーザ光と、７×７の格子状分布を有する４９本の分岐レーザ光を作り出す回折光学素子３２とが用いられている。図６は、円筒内壁面１ａの拡大図であり、この図から明らかなように、菱形の格子を作り出しために、シリンダブロック１の軸方向に対する溝の傾斜が約６０°の溝群と、約−６０°の溝群とが交差するように形成されている。図７は、形成された溝群の断面状態をグラフ化した図であり、この図から、各溝が一様な深さと断面形状を有するとともに、加工時の溝端部の盛り上がり（バリ）も一定で、抑制されたものとなっていることが読み取れる。

〔別実施の形態〕（１）本発明において、１本のレーザ光から複数の分岐レーザ光に分岐する光学素子として回折光学素子３２が用いられていたが、この回折光学素子３２はレーザ光を分岐する光学素子という広い概念を有する語句として用いられており、これには、例えば、ホログラムレンズなども含まれる。
（２）上述した実施形態では、走査機構５として、照射プローブ３に組み付けられる第１走査機構５１と加工台４に組み込まれる第２走査機構５２とが用いられていたが、どちらか一方でもよい。例えば、ロボットマニピュレータなどに照射プローブ３取り付け、加工台４には被加工物を固定するだけの機能を持たせてもよい。
（３）上述した実施形態では、レーザ光学系が、レーザ装置本体２と照射プローブ３との２つの構成要素から構成されていたが、レーザ装置本体２及び照射プローブ３はさらに種々の構成要素に分割してもよい。また、レーザ光学系の幾何学的な配置、つまりレーザ光や分岐レーザ光の伝播経路は、種々に改変可能である。

本発明によるレーダ加工装置は、被加工物の表面に複数の溝を同時形成する加工に適用することができる。

１ ：シリンダブロック（非加工物）
１ａ ：円筒内壁面
２ ：レーザ装置本体
２０ ：レーザ光源
２１ ：ミラー
３ ：照射プローブ
３０ ：ハウジング
３０ａ ：照射口
３１ ：対物レンズユニット
３２ ：回折光学素子
３３ ：ミラー
４ ：加工台
５ ：走査機構
５１ ：第１走査機構
５２ ：第２走査機構
６ ：制御コントローラ
６０ ：加工管理部
６１ ：レーザ制御部
６２ ：走査制御ユニット
６２１ ：第１走査制御部
６２２ ：第２走査制御部

Claims (6)

1. 被加工物の表面に線状の溝を形成するレーザ加工装置であって、
   複数の分岐レーザ光をそれぞれ独立して同一方向に向かう分岐レーザ光群として照射する照射口を有する照射プローブと、
   前記被加工物を取り付ける加工台とを備え、
   １つ以上の前記分岐レーザ光が前記溝の１つを形成すると同時に、他の前記分岐レーザ光が前記溝の他の１つを形成するレーザ加工装置。
2. 前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点が、複数の互いに平行な直線上に位置する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点が、複数の互いに交差する直線上に位置する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点の間隔が同じである請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記分岐レーザ光群における少なくとも２つ以上の前記分岐レーザ光が同一の溝を形成する請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光のそれぞれが異なる溝を形成する請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

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