JP2020110827A - 加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆膜の形成及び除去するための装置等を必要とせず、生産性に優れ、コスト削減が可能であるとともに、被加工物形状のダレ部の発生を抑制可能な加工方法を提供する。【解決手段】加工方法は、超短パルスレーザ光を発生するレーザ加工装置１による加工方法であって、被加工物１８とダミー部材１６を準備する工程と、被加工物を受け治具２３の載置部２３ｂ上に載置する工程と、被加工物上にダミー部材を載置する工程と、押え治具と受け治具により被加工物とダミー部材とを固定する工程と、被加工物及びダミー部材を超短パルスレーザ光により加工する加工工程と、その後、前記被加工物と前記ダミー部材との固定を解除し、前記ダミー部材を取り除く工程と、を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、加工方法に関する。

特許文献１には、被加工体の上に被覆膜を形成した後にレーザ光を照射し、照射後に被覆膜を溶媒等で除去／剥離するレーザ加工方法が開示されている。この加工方法によれば、レーザ光照射時に発生するダレを被覆膜で吸収し、被加工物にダレが発生することを防止できる。

特開２００４−１８１７１２号公報

特許文献１に記載された技術は、被覆膜形成のための装置、工程管理が必要となる。また、被覆膜を除去／剥離するための工程管理が必要となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被覆膜の形成及び除去するための装置等を必要とせず、生産性に優れ、コスト削減が可能であるとともに、被加工物形状のダレ部の発生を抑制可能な加工方法を提供することである。

請求項１に記載した加工方法は、超短パルスレーザ光を発生するレーザ加工装置（１）による加工方法であって、被加工物（１８）とダミー部材（１６）を準備する工程と、被加工物を受け治具（２３）の載置部（２３ｂ）上に載置する工程と、被加工物上にダミー部材を載置する工程と、押え治具と受け治具により被加工物とダミー部材とを固定する工程と、被加工物及びダミー部材を超短パルスレーザ光により加工する加工工程と、その後、前記被加工物と前記ダミー部材との固定を解除し、前記ダミー部材を取り除く工程と、を含む。

このように、被加工物１８上にダミー部材１６を載置することにより、ダレ部２０を、簡単に除去可能なダミー部材１６に形成させ、これにより、被加工物１８におけるダレ部２０の発生を抑制可能となる。また、加工終了後に、ダレ部２０が形成されたダミー部材１６を取り出して除去すればよいため、ダミー部となる被覆膜の形成及びこれを除去するための装置等を必要としない。従って、生産性に優れ、コスト削減が可能な加工方法を提供することができる。

第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図 被加工物及びダミー部材の概略構成を示す縦断面図 押え治具の概略構成を示す縦断面図 受け治具の概略構成を示す縦断面図 加工時の概略構成を示す縦断面図 第２実施形態における押え治具の概略構成を示す縦断面図 受け治具の概略構成を示す縦断面図 加工時の概略構成を示す縦断面図 第３実施形態における押え治具の概略構成を示す斜視図 被加工物及びダミー部材を固定した状態を示す図 第４実施形態の概略構成を示す図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明において、以下の説明において前出と同様の要素については同様の符号を付し、その説明については省略する。

（第１実施形態）
以下に第１実施形態に係る加工方法について説明する。図１に示すように、実施形態に係る加工方法が用いられるレーザ加工装置１は、レーザ発振器１０、反射ミラー１２、集光レンズ１４を備えている。レーザ発振器１０はレーザ光１１を発生する。ここで発生されるレーザ光１１は、超短パルスレーザ光であり、例えば１０ｐｓｅｃ程度のパルス幅を有している。レーザ発振器１０で発生したレーザ光１１は、反射ミラー１２により反射されて方向を変え、集光レンズ１４を介して集光され、被加工物１８上に設置されたダミー部材１６に照射される。

この超短パルスレーザ光の照射を用いると、加工対象物をレーザアブレーション加工、すなわち非熱処理により加工することができる。この非熱処理加工によれば、加工対象物を溶融することなく固体状態から直接気体状態に状態変化させることができる。従って、物質が溶融することがないため、加工対象物とこれに近接する部材との接続を回避することができる。

ここで、実施形態において、被加工物１８の上面にはダミー部材１６が配置されている。被加工物１８及びダミー部材１６は金属で構成されている。ダミー部材１６は被加工物１８と同一材料で構成されていてもよいし、異種材料で構成されていてもよい。ここでは、円板形状の被加工物１８上に、同じく略同径の円板形状のダミー部材１６が、被加工物１８上面を覆うようにして配置されている。従って、レーザ発振器１０で発生したレーザ光１１は、まず上部に位置するダミー部材１６に照射され、その後、ダミー部材１６が局所的に開口された部分から被加工物１８に照射されて、被加工物１８を加工することになる。

レーザ光１１は、照射方向に対する垂直面において、ガウス分布に従って分布している。従ってレーザ光１１の強度は、光線中心から離間するに従ってガウス分布に従って弱くなる。このような強度分布を持ったレーザ光１１を用いて被加工物１８を加工すると、光線中心から離間するに従いレーザ光１１の強度が小さくなるが、光線中心から離間した領域では加工量が少ないながらも加工される。このため、レーザ光１１の中心から離間するに従って被加工物１８は弱く加工されて丸く曲率を有した形状、いわゆるダレ形状が生じる。しかし、被加工物１８の加工においては、ダレ形状のない形状で加工を行いたいという要求が有る。以下、ダレ形状部分をダレ部２０と称する。

第１実施形態においては、被加工物１８上にダミー部材１６を載置した状態でレーザ光１１の照射を行う。ダミー部材１６の厚さは、光線中心から離間した領域での加工量により消滅しない程度の厚さ以上あればよい。ここで、ダレ形状が生じる深さをダレ深さと定義すると、ダミー部材１６の厚さは、ダレ深さ以上に設定される。

発明者らは、このダレ深さを、レーザ光１１のシングルショット時における、ダミー部材１６を構成する材料の加工深さの３分の２として見積もった。ここで、加工深さとレーザ光１１のシングルショットの投入エネルギーＥ、照射面積Ｓ、加工閾値Ｆｔｈとの間には、下記式（１）の関係がある。加工閾値は、ダミー部材１６を構成する材料物質に応じて設定される。
加工深さ∝ｌｎ｛Ｅ／（Ｓ・Ｆｔｈ）｝ ・・・（１）

例えば、照射面積Ｓ＝７８．５μｍ^２（Φ１０）、投入エネルギーＥ＝２．０μＪで加工した場合、加工深さが１８μｍ、ダレ深さが１２μｍであるとすると、投入エネルギーＥを２倍の８．０μでレーザ光１１を照射した場合、ダレ深さは１２×ｌｎ（８．０／２．０）＝１６μｍとなる。従って、この場合、ダミー部材１６の厚さを１６μｍ以上とする。

第１実施形態による加工方法によれば、ダミー部材１６の厚さを、ダレ深さよりも厚くする。つまり、ダレ部２０が形成される厚さ分すなわちダレ深さ分以上となるようにダミー部材１６の厚さを設定し、加工後に、ダレ部２０が形成されたダミー部材１６を除去することで、被加工物１８にダレ部２０が形成されることを抑制することができる。ここで、ダミー部材１６が、レーザ加工装置１によるレーザ加工による加工量がより小さい材料で形成されている場合、ダミー部材１６の厚さを薄くすることができる。

図２はレーザ光１１による加工後の状態を示す図であり、レーザ光１１のよって被加工物１８を加工し、孔１９を形成する場合の状況を説明するための図である。図２に示す様に、被加工物１８及びダミー部材１６の被加工領域にレーザ光１１を照射すると、孔１９の肩部に丸い曲率を有したダレ形状を備えるダレ部２０が形成される。ダミー部材１６の厚さはダレ深さよりも厚くなるように設定されているため、ダレ部２０はダミー部材１６に形成され、被加工物１８にはダレ部２０は形成されない。孔１９は例えば自動車エンジンの燃料噴射装置の噴射孔として使用される。

次に、図３から図５を参照して、被加工物１８を固定するための押え治具２２、受け治具２３、及び、被加工物１８等の固定方法について説明する。以下、押え治具２２及び受け治具２３の組合せによる治具を治具２１と称する。

第１実施形態に係る押え治具２２は中心部に開口部２２ａを有し、全体的にはリング形状の部材である。受け治具２３は中心部に開口部２３ａを有し、全体的にはリング形状の部材である。押え治具２２は、受け治具２３と嵌め合い結合するための嵌め合い部２２ｂを備えている。受け治具２３は、押え治具２２と嵌め合い結合するための嵌め合い部２３ｃを備えている。押え治具２２の嵌め合い部２２ｂ内側面には受け治具２３と螺設固定するためのネジ溝２２ｃが設けられている。受け治具２３の嵌め合い部２３ｃ外側面には押え治具２２と螺設固定するためのネジ溝２３ｄが設けられている。

押え治具２２の中央部に設けられた開口部２２ａにより、治具２１に被加工物１８及び受け治具２６を固定した状態でダミー部材１６表面が露出する。被加工物１８及びダミー部材１６の加工時には、レーザ光１１は開口部２２ａを通過して被加工物１８及びダミー部材１６に照射される。受け治具２３には、被加工物１８及びダミー部材１６を載置するための載置部２３ｂが設けられている。押え治具２２及び受け治具２３はいずれも全体としては円板形状であるが、これは円板形状の被加工物１８を載置固定するためであり、押え治具２２及び受け治具２３の形状、大きさ等は被加工物１８に対応して形成される。

被加工物１８は、超短パルスレーザ光を発生する上記レーザ加工装置１を用いて、下記の工程を含む加工方法により加工される。
（１）被加工物１８とダミー部材１６を準備する。
（２）被加工物１８を、受け治具２３の載置部２３ｂ上に載置する。
（３）被加工物１８上にダミー部材１６を載置する。

（４）載置部２３ｂ上に被加工物１８及びダミー部材１６が載置された状態で、押え治具２２の嵌め合い部２２ｂの内径側に受け治具２３の嵌め合い部２３ｃを嵌め込み、ネジ溝２２ｃとネジ溝２３ｄにより押え治具２２と受け治具２３を螺設固定する。この時、被加工物１８及びダミー部材１６は、押え治具２２と受け治具２３により上下より挟まれて挟持固定される。固定時には、被加工物１８とダミー部材１６とは密着している。

（５）被加工物１８が固定された治具２１をレーザ加工装置１に設置し、レーザ光１１により被加工物１８及びダミー部材１６を加工する（加工工程）。この時、レーザ光１１は超短パルスレーザ光であるため、レーザ加工装置１における加工は非熱処理でありアブレーション加工となる。このため、被加工物１８及びダミー部材１６の溶融を防止できるため、被加工物１８とダミー部材１６の溶融による接続を防止することができる。

（６）加工後、押え治具２２と受け治具２３の固定を解除する。
（７）ダミー部材１６を被加工物１８上から取り除く。ダミー部材１６と被加工物１８は接続していないため、ダミー部材１６を持ち上げれば容易に取り除くことができる。

上記工程により、被加工物１８が加工されて孔１９が形成される。レーザ光１１による加工時に、被加工物１８上にダミー部材１６が配置されるため、ダレ部２０はダミー部材１６に形成され、被加工物１８には形成されない。

第１実施形態に係る加工方法によれば以下の効果を奏する。
第１実施形態に係る加工方法は、超短パルスレーザ光を用いるレーザアブレーション加工を用いる。加工時において、被加工物１８上にダミー部材１６が載置される。加工時において、被加工物１８とダミー部材１６は治具２１によって密着固定される。ダミー部材１６の厚さは、ダレ部２０が形成されるダレ深さ以上に設定される。レーザ光１１のシングルショットによるダミー部材１６を構成する材料の加工深さは、下記式（１）によって求められ、ダレ深さは加工深さの３分の２とする。
加工深さ∝ｌｎ｛Ｅ／（Ｓ・Ｆｔｈ）｝ ・・・（１）
ここで、投入エネルギー＝Ｅ、照射面積＝Ｓ、加工閾値＝Ｆｔｈである。

第１実施形態に係る加工方法は、以下の工程を含む。
（１）被加工物１８とダミー部材１６とを準備する。
（２）被加工物１８を、受け治具２３の載置部２３ｂ上に載置する。
（３）被加工物１８上にダミー部材１６を載置する。

（４）押え治具２２と受け治具２３とにより被加工物１８とダミー部材１６とが挟持固定される。
（５）被加工物１８及びダミー部材１６を超短パルスレーザ光によりアブレーション加工する（加工工程）。

（６）加工後、押え治具２２と受け治具２３の固定を解除する。
（７）ダミー部材１６を被加工物１８上から取り除く。

上記第１実施形態にかかる加工方法によれば、被加工物１８上にダミー部材１６を載置してレーザ光１１により加工することにより、ダレ部２０を、簡単に除去可能なダミー部材１６に形成させるようにし、これにより、被加工物１８におけるダレ部２０の発生を抑制する。これにより、ダレ部２０の形成が抑制もしくは防止された被加工物１８を得ることができる。また、超短パルスレーザ光を用いて加工するため、被加工物１８及びダミー部材１６の溶融を防止でき、これらの溶融による接続を防止することができる。このため、被加工物１８とダミー部材１６が接続されることがなく、加工後にダレ部２０が形成されたダミー部材１６を容易に取り除くことができる。また、光学系の変更やマスクなどの外付け部品を用いずに、低コストで被加工物１８に発生するダレを抑制することができる。また、ダレ部２０の除去加工を必要とせず加工費低減に貢献することができる。

（第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態）
次に、第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態について説明する。第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態は、被加工物１８及びダミー部材１６を固定するための治具に関するものである。

以下に、第２実施形態にについて説明する。第２実施形態において、図６から図８に示す様に、被加工物１８及びダミー部材１６は、押え治具２５と受け治具２６の組合せによる治具２４により固定される。

第２実施形態に係る押え治具２５は中心部に開口部２５ａを有し、全体的にはリング形状の部材である。受け治具２６は中心部に開口部２６ａを有し、全体的にはリング形状の部材である。押え治具２５は、受け治具２６と嵌め合い結合するための嵌め合い部２５ｂを備えている。受け治具２６は、押え治具２５と嵌め合い結合するための嵌め合い部２６ｃを備えている。嵌め合い部２５ｂには受け治具２６とボルト固定するためのボルト穴２５ｃが設けられている。ボルト穴２５ｃにはネジ溝が設けられている。押え治具２５と受け治具２６とが嵌め合った状態で、ボルト２７をボルト穴２５ｃに螺設することで押え治具２５と受け治具２６とを固定する。

押え治具２５の中央部に設けられた開口部２５ａにより、被加工物１８及びダミー部材１６を治具２４に固定した状態でダミー部材１６表面が露出する。被加工物１８の加工時には、レーザ光１１は開口部２５ａを通過して被加工物１８及びダミー部材１６に照射される。受け治具２６には、被加工物１８を載置するための載置部２６ｂが設けられている。押え治具２５及び受け治具２６はいずれも円板形状の被加工物１８及び受け治具２６を載置固定するためのものであり、押え治具２５及び受け治具２６の形状、大きさ等は被加工物１８の形状、大きさ等に対応して設定される。

次に、第３実施形態にについて説明する。第３実施形態において、図９及び図１０に示す様に、被加工物１８及びダミー部材１６は、対面して配置される一対の押え治具２８により固定される。押え治具２８は、一方の面が「くの字」形状の部材であり、被加工物１８及びダミー部材１６は、くの字形状側が対面するように配置された一対の押え治具２８によって図において左右から挟持されて固定される。一対の押え治具２８は台座２９上を図の左右方向に摺動可能に構成されており、図示しない留め具もしくはばね機構等により被加工物１８及びダミー部材１６を挟持固定する。

次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態においては、被加工物１８及びダミー部材１６は三爪チャック３０により固定される。三爪チャック３０は、図示しない回転ハンドルを回転させることにより内部の図示しない渦巻スクロールを回転させ、当該渦巻スクロールに対して円周方向に摺動可能にギア固定された３つの固定爪３１を径方向に移動させることにより被加工物１８及びダミー部材１６を挟持固定する。

上記第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態において実施される加工方法は、使用される治具以外については、第１実施形態に係る加工方法と同様である。第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態に係る治具を用いて実施される加工方法において、第１実施形態に係る加工方法と同様の効果を奏する。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

１…レーザ加工装置、１６…ダミー部材、１８…被加工物、２０…ダレ部、２１、２４…治具、２２、２５、２８…押え治具、２３、２６…受け治具、３０…三爪チャック

Claims (6)

1. 超短パルスレーザ光を発生するレーザ加工装置（１）による加工方法であって、
   被加工物（１８）とダミー部材（１６）を準備する工程と、被加工物を受け治具（２３）の載置部（２３ｂ）上に載置する工程と、被加工物上にダミー部材を載置する工程と、押え治具と受け治具により被加工物とダミー部材とを固定する工程と、被加工物及びダミー部材を超短パルスレーザ光により加工する加工工程と、その後、前記被加工物と前記ダミー部材との固定を解除し、前記ダミー部材を取り除く工程と、を含む加工方法。
2. 前記被加工物は金属である、請求項１に記載の加工方法。
3. 前記ダミー部材は金属である、請求項１または２に記載の加工方法。
4. 前記加工工程は非熱処理である請求項１から３の何れか一項に記載の加工方法。
5. 前記超短パルスレーザ光は、パルス幅が１０ｐｓｅｃ以下である請求項１から４の何れか一項に記載の加工方法。
6. 前記前記ダミー部材の厚さは、前記超短パルスレーザ光のシングルショット時の前記ダミー部材の加工深さの３分の２以上である請求項１から５の何れか一項に記載の加工方法。
   

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