JP2728388B2 - ガラスセラミック材料のレーザ機械加工方法 - Google Patents

ガラスセラミック材料のレーザ機械加工方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスセラミック
材料の機械加工方法、特にガラスセラミックラドームの
レーザ機械加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガラスセラミック材料は種々の応用で使
用されるよく知られたクラスのハイブリッド材料であ
る。ガラスセラミック材料は上昇温度で強固であり、堅
牢で耐腐食性であり、良好な耐熱衝撃性で耐亀裂伝播性
を有する。これらは良好な電磁波透過特性を示し、これ
はミサイルおよび高速度飛行ビークルの他の応用のラド
ームにおいて使用する場合、特別重要である。
【０００３】ガラスセラミック材料は第１にガラスセラ
ミックを上昇温度で鋳型で鋳造することにより便利な物
品に製造される。選択的に熱処理される鋳造材料は“ブ
ランク”と呼ばれる。多数の応用では、ブランクはその
表面層を除去するために機械加工される。最終的な物品
品目が高速度の空気流に露出されるラドームその他の構
造であると、外部に面する表面は非常に平滑であり正確
に構成されなければならない。
【０００４】通常、高速度応用の円錐形のラドームは３
０年以上ガラスセラミック材料で作られた。その期間
中、精巧な機械加工技術は正確に構成された最終物品を
製造するためにラドームブランクの内部および外部から
全体で約２．５４ｍｍ（０．１００インチ）除去するた
めに開発された。これらの機械加工技術は表面の機械的
研磨による材料の除去に基づいている。典型的なケース
では、研磨は単位通過当り約０．１２７ｍｍ（０．００
５インチ）除去し１分当り約０．８立方センチメートル
の材料除去を行う材料供給速度のカーボランダムまたは
ダイヤモンド研磨ホイールを使用して達成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】研磨によるガラスセラ
ミックブランクの機械加工は比較的低速度で、ワークピ
ースの冷却を必要とし、労力を要する。この方法は動作
可能であり、ラドームのようなガラスセラミック製品を
製造するための時間と価格を減少することによりプロセ
スの経済性を改良する必要がある。本発明はこの必要性
を達成し、さらに関連する利点を与える。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はガラスセラミッ
ク物体、特にガラスセラミックラドームを製造する方法
を提供する。本発明は通常の研磨技術の価格の約半分の
価格で良好な品質の物体を生成する。この方法は接触性
ではなくワークピースの冷却を必要とせず労力を要さな
い。
【０００７】本発明によると、ガラスセラミックラドー
ムを製造する方法は、ガラスセラミック材料から作られ
たラドームブランクを提供することを含んでおり、縦方
向の軸を有する。ブランクがその縦方向の軸を中心に回
転され、ガラスセラミック材料の層は高パワーレーザを
使用してラドームの粗機械加工された表面から粗機械加
工され、レーザビームの供給点がラドームブランクに沿
って移動する通常縦方向の軸に平行である。粗機械加工
された表面はラドームブランクの内部表面あるいは外部
表面である。粗機械加工の後、ガラスセラミック材料は
最終的な機械加工技術、好ましくは粗機械加工された表
面から材料を少なくとも約０．０５ｍｍ（０．００２イ
ンチ）機械研磨することにより粗機械加工表面から最終
的に機械加工される。
【０００８】レーザは好ましくは１．０６マイクロメー
トル出力波長で動作するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レ
ーザは連続波モード、好ましくは約５００乃至約２００
０ワットからの平均パワーレベルで動作する。レーザは
パルス波モード、好ましくは方形波パルスと約０．３乃
至約３ミリ秒のパルス継続期間、１秒当り約５０乃至約
５００パルスのパルス周波数、１平方センチメートル当
り少なくとも約３×１０4 ワットのパルス強度でも動作
する。レーザは約０．５１乃至２．５４ｍｍ（０．０２
０乃至約０．１００インチ）のカット深さで材料を除去
することができ、１−５通過で全体で２．５４ｍｍ
（０．１００インチ）の材料除去を許容する。毎分１立
方センチメートルを越えるガラスセラミック材料がこの
方法により除去される。
【０００９】レーザ機械加工技術はさらに機械加工する
必要なくある種のガラスセラミック製品用に使用される
ことができる。しかしながら、ラドームの場合、レーザ
機械加工は最終的な機械加工動作により除去されるレー
ザの影響を受けた表面層を残す。最終的な機械加工はレ
ーザ機械加工された粗い表面から少なくとも約０．０５
ｍｍ（０．００２インチ）研磨することにより達成され
る。
【００１０】レーザ機械加工パラメータの最適な制御に
よるレーザ機械加工で現在好ましい方法は通常の方法よ
りも改良され許容可能な最終製品を製造するプロセスの
経済性を生む。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の他の特徴および利点は、
本発明の原理を例示により示した添付図面を参照にした
好ましい実施例の後述のより詳細な説明から明白であろ
う。図１は好ましいラドームブランク20の場合のガラス
セラミック体を示している。ラドームブランク20はコー
ニンググラス社のパイロセラム（商標名）材料のような
ガラスセラミック材料から鋳造される。ガラスセラミッ
ク材料はセラミックとガラス相のハイブリッドである特
別なクラスの材料であるが、純粋なセラミックまたは純
粋なガラスのいずれともその構成、構造および性質は異
なっている。図２は典型的なガラスセラミック材料22の
理想的な微細構造を示している。ガラスセラミック材料
は結晶相の粒子24とアモルファス相の領域36とを含んで
いる。結晶粒子24は典型的に材料22の容積の約９０％を
構成し、残りがアモルファス領域26である。ガラスセラ
ミック材料22はシリケート、典型的には変性されたＭ
ｇ，Ａｌシリケートのようなガラス構成素子を含む組成
を有している。好ましいパイオセラム（商標名）9606材
料は５６重量％のＳｉＯ2 と、２０重量％のＡｌ2Ｏ3
と、１５重量％のＭｇＯと、９重量％のＴｉＯ2 の組成
を有している。ガラスセラミックが蒸発するとき、固体
上にプラズマを形成する揮発性ガス相は典型的にほとん
ど発生しない。
【００１２】ラドームブランク20は縦方向の軸28を中心
にして対称のほぼ円筒形状である。鋳造されたラドーム
ブランク20の外部表面30は通常良好な表面仕上げ、形
状、対称性を有しているが、典型的に最終的なラドーム
の航空力学的前端部エッジと外部表面に対して必要な完
全性ではない。ラドームブランク20の内部表面32は通常
良好な形状および対称性であるが、最終的なラドームの
内部表面で必要な完全性は有していない。外部表面30と
内部表面32はまた鋳造過程から生じる不規則な構造のガ
ラスセラミック材料領域も含んでいる。レーダトランシ
ーバはミサイルのノーズに位置される最終的なラドーム
により包囲されている。ラドームの最終的な内部および
外部表面はその材料組成および構造と共に、歪みのない
レーダ信号の送受信を許容する完全性が高く、外部表面
の場合に航空力学的に許容可能でなければならない。必
要な完全性を達成するため、製造中に、それぞれ約２．
５４ｍｍ（０．１００インチ）の厚さだけ外部表面層34
と内部表面層36を除去することが実用上の標準である。
本発明の好ましい実施例はこれらの表面層34,36 の除去
に関する。
【００１３】図３は製造動作の適切な機械加工の観点に
対する好ましい方法を示している。ガラスセラミック材
料で作られているブランクが符号40で示される段階で準
備されている。好ましい実施形態では、ブランクは図１
のラドームブランク20である。
【００１４】高パワーレーザは符号42の過程で与えられ
ている。レーザは好ましくは１．０６マイクロメートル
のコヒーレント光出力、最も好ましくはＮｄ：ＹＡＧレ
ーザで動作する。（レーザタイプのこの明記は工業上標
準的な慣例に従う。“Ｎｄ：ＹＡＧ”レーザはネオジム
（Ｎｄ）でドープされたイットリウムアルミニウム−ガ
ーネット（ＹＡＧ）固体レーザ素子で構成されたレーザ
である。）種々のレーザは本発明の開発中に使用され、
１．０６マイクロメートルで動作するＮｄ：ＹＡＧレー
ザはこれらのガラスセラミックの経済的なレーザ機械加
工に必要とされる高パワーレベルで最良な結果を与える
ことが発見された。
【００１５】レーザは１組の動作パラメータに応じて動
作される。レーザは連続波（ｃｗ）またはパルスレーザ
であってもよい。いずれの場合にも、機械加工された表
面に与えられるエネルギは１平方センチメートル当り約
１８５０ジュール以上である。連続波レーザが使用され
るならば、レーザの平均パワーは約５００乃至２０００
ワットの範囲である。
【００１６】パルスレーザが使用されるならば、パルス
は好ましくは約０．３乃至約３ミリ秒のパルス継続期間
と、１秒当り約５０乃至約５００パルスの周波数と、１
平方センチメートル当り約３×１０4 ワット以上のレー
ザパルス強度を有する方形波パルスである。方形波パル
スは過剰な不所望な表面溶融を生じるように決定された
パルスよりも長いテールを避けることが好ましい。約
０．３乃至約３ミリ秒のパルス継続期間は機械加工され
た表面に高いパワーレベルを伝送されることを許容し、
（ガラスセラミックとは異なる）セラミックのレーザ機
械加工の技術との重要な相違を表す。例えば、米国特許
第5,138,130 号明細書は、プラズマを発生するように蒸
気化する揮発性物質を含んだセラミックがＱスイッチさ
れたまたはマイクロ秒またはナノ秒範囲の非常に短い継
続期間のパルスを有するエキシマレーザで機械加工され
なければならず、それによって機械加工を受ける表面に
与えられるパワーが限定されることを示している。
【００１７】レーザとブランクは符号44の工程で相互に
関して移動される。相対運動を達成する方法はブランク
の特性に依存する。図４、５はレーザ60とラドームブラ
ンク20の好ましい方法を示しており、図４は外部表面30
の機械加工に関連し、図５は内部表面32の機械加工に関
する。それぞれの場合に、ラドームブランクは少なくと
もほぼ円錐形状および対称性を有し、縦方向の軸28を中
心に回転され、支持装置および固定装置（図示せず）に
より縦方向の軸28に平行に同時に移動される。図４のよ
うな外部機械加工では、レーザ60は、レーザ60により発
生されるレーザビーム62が外部表面30にほぼ垂直に衝突
するように位置される。レーザ60は本発明の好ましい実
施例では約１１．４３ｃｍ（４．５インチ）のレーザ光
学系の焦点距離により決定された距離だけ外部表面30か
ら隔てられている。レーザ60は所望の距離を維持するた
め外部表面30に関して内部方向および外部方向に移動す
ることを許容する運動体（図示せず）に取付けられてい
る。内部表面32のレーザ機械加工の場合、レーザ64はラ
ドームブランク20の内部の外側に位置され、１組のミラ
ーおよびレンズまたは示されているように、内部表面32
に隣接する所望位置に移動することを許容する支持装置
（図示せず）に支持された光パイプまたは光ファイバ束
66によって、レーザエネルギはラドームブランク20の内
部に送信される。エネルギは好ましくは内部表面32に垂
直に導かれる。所望ならば、ラドームブランクとレーザ
支持台の支持装置の運動はレーザ機械加工の制御可能な
供給速度を維持するように制御機構（図示せず）により
調整される。
【００１８】ラドームブランク20は符号46でレーザを使
用して粗機械加工される。ラドームブランク20の供給速
度は好ましくは１分当り約乃至２．５４乃至２０．３２
ｍ（１００乃至８００インチ）である。レーザカットの
深さ、すなわち各通過で除去される材料の深さは好まし
くは約０．５１乃至２．５４ｍｍ（０．０２０乃至０．
１００インチ）である。レーザビームは螺旋形パターン
で機械加工される表面に沿って移動し、進行速度は隣接
通路がオバーラップする程度を決定する。
【００１９】図６はレーザの粗機械加工が完了した後の
表面68近くのガラスセラミック材料を概略して示してい
る。表面68は幾つかの表面の粗さを示している。付加的
に変形された領域70は表面68で発見される。領域70は２
つの方法で変更される。第１に、領域の一部が通常より
も高い割合のアモルファスガラス材料を示す。第２に、
化学変化が領域70に存在する。
【００２０】領域70は典型的に約０．５１ｍｍ（０．０
０２インチ）の厚さであり、所望に最終的な機械加工ス
テップ48で除去される。より好ましくは、ラドームの表
面は最終的な機械加工ステップで、符号72で示されてい
るように、約２．５４ｍｍ（０．０１０インチ）程度、
僅かに材料を除去することにより航空力学的な平滑さに
機械加工される。
【００２１】最終的な機械加工48は粗機械加工ステップ
46で使用される高パワーレーザ機械加工以外の技術によ
り達成される。好ましくはラドームブランク20の最終的
な機械加工は、モータ76により回転されるカーボランダ
ムまたはダイヤモンド研磨ホイールを使用する研磨によ
り達成される。最終的な機械加工では、ラドームブラン
クは縦方向の軸28を中心に回転され、縦方向の軸28に平
行に移動され、研磨ホイールとモータはラドームブラン
クに関する必要な位置付けを維持する。非常に少量の材
料が除去されるので、この最終機械加工の研磨による材
料の除去は高速であり、ラドーム内のガラスセラミック
材料と同一の構造および構成を有する航空力学的に平滑
な表面を生成する。
【００２２】本発明は標準ミサイルおよび試験標本で使
用されるタイプのラドームで実施するように変形されて
いる。図８はルモニックス（Lumonics）ＭＷ２０００
２ｋＷ多重波レーザのレーザビームのエネルギ密度の関
数として立方センチメートルの単位での材料除去を示し
ている。図９はガラスセラミックを機械加工するために
使用される３つの異なったタイプのレーザ、即ちルモニ
ックスＭＷ２０００２ｋＷ多重波レーザ（ｍ波）、ルモ
ニックスＪＫ７０４ ４００Ｗレーザ（lumo）、ＥＢ T
ech （ＥＢ）からのレイセオン（Raytheon）４００Ｗレ
ーザのエネルギ密度の関数として２．５４ｃｍ（１イン
チ）の単位で切取った深さの図である。３つのタイプの
レーザの使用にもかかわらず、実質上データはエネルギ
密度に対して線形である。
【００２３】パイロセラムガラスセラミックの機械加工
表面の化学的研究がＥＤＳにより行われた。粗機械加工
46により生成される変性された領域70はベース材料ガラ
スセラミックに関してＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉが豊富であるこ
とを示している。しかしながら約０．０５ｍｍ（０．０
０２インチ）の材料の除去後、最終的な機械加工ステッ
プ48に対応して、表面構成は実質上ベース材料ガラスセ
ラミックと同一であった。
【００２４】ラドーム用では、レーザ機械加工はガラス
セラミックの誘電特性に悪影響を与えることはできず、
これはレーダ性能に悪影響を及ぼす。誘電特性を決定す
るため、それぞれ約２．５４ｃｍ×５．０８ｃｍ×０．
６３５ｃｍ（１インチ×２インチ×０．２５０インチ）
である２片のパイオセラムガラスセラミックは１つの広
い表面上でレーザ機械加工された。標本はレーザ機械加
工エッジ近くおよび中心近くの片から切断され、これら
は制御標本としてレーザ機械加工により影響を受けな
い。標本は８．２８または７．６ＧＨｚでＸ帯域伝送ラ
インおよび共振空洞で試験された。以下の表は、共振空
洞試験の誘電定数（ε）と損失タンジェント（ｔａｎ
δ）の結果を要約しており、星印（＊）のない結果は
８．２８ＧＨｚでの試験を示し、星印のある結果は７．
６ＧＨｚでの試験を示している。
【００２５】 表１ 標本識別 ε ｔａｎδ ＃３ 中心−１ 5.43 0.0005 ＃３ 中心−２ 5.43 ,5.47* 0.0006, 0.0005* ＃３ エッジ−１ 5.47* 0.0005* ＃４ 中心−１ 5.45* 0.0005* ＃４ エッジ−１ 5.44* 0.0003* レーザの影響を受けたエッジ近辺で取られた標本の結果
は中心近くで取られた標本と比較可能である。
【００２６】以上説明したように、本発明はガラスセラ
ミックから品目を機械加工するための改良された方法を
提供する。本発明の特定の実施例を例示の目的で詳細に
説明したが、種々の変形と強化は本発明の技術的範囲を
逸脱することなく行われよう。従って、本発明は特許請
求の範囲を除いて限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラスセラミックミサイルラドームブランクの
一部の断面図。
【図２】図１の領域２−２で切取ったラドームブランク
で使用されるガラスセラミックの微細構造図。
【図３】ラドームの製造方法のブロック図。
【図４】ラドームブランクの外部表面のレーザの粗機械
加工の概略図。
【図５】ラドームブランクの内部表面のレーザの粗機械
加工の概略図。
【図６】レーザ機械加工されたガラスセラミックラドー
ムブランクの表面領域の拡大概略断面図。
【図７】ラドームブランクの外部表面の研磨による最終
的な機械加工の概略図。
【図８】材料除去速度が示されているレーザエネルギ密
度の関数としての材料除去のグラフ。
【図９】３つの形式のＮｄ：ＹＡＧレーザのレーザエネ
ルギ密度の関数としてのカットの深さのグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドルーク・エンジン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91125、パサデナ、カルテク 128−95 (72)発明者 トニー・ジャンキービッツ アメリカ合衆国、アリゾナ州 85748、 タクソン、エヌ・ナイトフォール・アベ ニュー 171 (72)発明者 ジョーゼフ・ダブリュ・バーバー アメリカ合衆国、アリゾナ州 85742、 タクソン、シーエムオー・デル・ソース 9960

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガラスセラミックラドームの製造方法に
    おいて、 ガラスセラミック材料から作られ、縦方向の軸と内部表
    面と外部表面とを有するラドームブランクを準備するス
    テップと、 １組の動作パラメータを使用する高パワーレーザを使用
    し、供給速度に対応した回転速度で縦方向の軸を中心に
    ラドームブランクを回転させ、回転と同時に、高パワー
    レーザを使用してラドームの粗機械加工表面からガラス
    セラミック材料の粗く切断した表面を粗機械加工するス
    テップとを有しており、この粗機械加工するステップに
    おいて高パワーレーザからレーザビームを供給する点を
    ラドームブランクの縦方向軸にほぼ平行にラドームブラ
    ンクに沿って移動させ、粗機械加工表面はラドームブラ
    ンクの内部表面および外部表面から構成されるグループ
    から選択され、 高パワーレーザの供給速度および１組の動作パラメータ
    は粗機械加工するステップ期間に材料除去速度を生成
    し、さらに、 最終的機械加工技術により粗機械加工された表
    面からガラスセラミック材料を最終的に機械加工するス
    テップを有することを特徴とするガラスセラミックラド
    ームの製造方法。
  2. 【請求項２】 ラドームブランクを準備するステップに
    おいて、 ガラスマトリックスにセラミック結晶の混合物を具備し
    た微細構造を有するガラスセラミック材料から作られて
    いるラドームブランクを準備する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 ラドームブランクを準備するステップに
    おいて、 変性されたＭｇ，Ａｌシリケート組成からなるラドーム
    ブランクを準備する請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 粗機械加工するステップにおいて前記高
    パワーレーザとして約１．０６マイクロメートル波長で
    動作するレーザを使用する請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 粗機械加工するステップにおいて前記高
    パワーレーザとして連続波モードで動作するＮｄ：ＹＡ
    Ｇレーザを使用する請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 粗機械加工するステップにおいて前記高
    パワーレーザとして約５００乃至約２０００ワットの平
    均パワーレベルでＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する請求項
    ５記載の方法。
  7. 【請求項７】 粗機械加工するステップにおいて前記高
    パワーレーザとして約０．３乃至約３ミリ秒のパルス継
    続期間と、１秒当り約５０乃至５００パルスのパルス周
    波数と、１方形センチメートル当り少なくとも約３×１
    ０4 ワットのパルス密度を有してパルス波モードで動作
    するＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する請求項１記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 粗機械加工するステップにおいて前記高
    パワーレーザとして方形波パルス形態のパルス波モード
    で動作するレーザを使用する請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 粗機械加工するステップにおいて、１分
    当り少なくとも約１立方センチメートルの材料除去速度
    でガラスセラミック層を粗機械加工する請求項１記載の
    方法。
  10. 【請求項１０】 粗機械加工するステップにおいて、 １つの通過で、約０．５１乃至約２．５４ｍｍ（０．０
    ２０乃至約０．１００インチ）の深さへ粗い切断層を粗
    機械加工する請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 最終的な機械加工するステップにおい
    て、 粗機械加工表面から少なくとも約０．０５１ｍｍ（０．
    ００２インチ）の厚さでガラスセラミック材料の最終的
    に機械加工された層を機械的に研磨する請求項１記載の
    方法。
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