JP4120333B2

JP4120333B2 - 加工方法

Info

Publication number: JP4120333B2
Application number: JP2002278694A
Authority: JP
Inventors: 佳典伊澤; 眞司西野; 晃一金井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: JP2004114071A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のエンジンでは、シリンダブロックのシリンダボア内をピストンが往復運動し、熱エネルギを機械的エネルギに変えて必要な動力を得ている。与えられた熱エネルギからできるだけ大きな動力を得るためには、シリンダとピストンの間から圧縮された混合気や燃焼した爆発ガスが漏れないようにすると同時に、ピストンの摺動による摩擦や磨耗の少ないことが必要である。
【０００３】
摩擦や磨耗を低減し、ピストンの焼き付きを防止するために、シリンダブロック内面に潤滑油が供給されている。供給された潤滑油がすぐに流れてしまってはシリンダブロックが焼き付いてしまうので、潤滑油がすぐに流れずにシリンダブロック内面に保持されるように、シリンダブロック内面には油溜まりとして、砥石を用いたホーニング加工により溝が形成されている。
【０００４】
しかし、ホーニング加工によりシリンダボアの内面に溝を形成した場合、砥石による加工である為、溝が連続的になり、潤滑油をより保持させて、耐焼き付性能を向上させるのにも限度がある。
【０００５】
そこで、近年では、ホーニング加工に代わって、レーザ光を用いて、シリンダボア内面に凹部（窪み）を形成する技術が知られている。レーザ光を用いることにより、不連続な凹部を形成したり、連続した溝の途中に窪みを形成して潤滑油を保持できるようにしたりすることができ、シリンダボア内面に形成する凹部の形状の自由度を格段に向上させることができる。
【０００６】
レーザ光照射により凹部が形成できる仕組みは、次の通りである。シリンダボア内面にレーザ光を照射すると、その表面は、沸騰しレーザ光の圧力により窪みとなり、凹部が形成される。この際、沸騰した一部が飛散して、金属粒（スパッタ）となり、凹部表面や、凹部の外に付着してしまう。これを放っておくと、製品化後、ピストンの摺動中にスパッタが脱落し、シリンダの異常な磨耗や焼き付きの原因となってしまう。このため、レーザ加工後に、高圧洗浄を実施してスパッタを除去することも行われている。
【０００７】
しかし、この方法では、凹部の外に付着したスパッタは比較的除去しやすいものの、凹部表面、すなわち、窪みの中に付着したスパッタに高圧水を衝突させにくく、これを除去しきれない場合には、製品化後の異常焼き付きや異常磨耗を完全に防止することができない虞がある。
【０００８】
上述のレーザ光を用いてシリンダボア内面に凹部を形成する技術は、次の公開公報に記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−４００６８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ加工時に凹部表面に付着したスパッタが製品化後に脱落して異常焼き付きや異常磨耗を生じることを防止することができる加工方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【００１２】
本発明の加工方法は、レーザ光を被加工物の表面に照射して凹部を形成する第１工程と、前記第１工程よりも低出力のレーザ光を前記凹部に照射して、前記第１工程の際に前記被加工物から飛散して付着した金属粒を溶融する第２工程とを有する加工方法である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の加工方法は、第１工程のレーザ光照射において被加工物から発生し該被加工物の凹部表面に付着した金属粒を、第２工程において溶融する。したがって、金属粒は、凹部表面に一体として付着し、二度と凹部表面から脱落することがなく、金属粒の脱落による異常磨耗や異常焼き付きの発生を防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は、レーザ加工装置１０の概略構成を示す図である。
【００１８】
レーザ加工装置１０は、シリンダブロック３０におけるシリンダボアのボア内周面３１を加工するための装置である。図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、伝達ミラー１２と、集光レンズ１３および該集光レンズ１３の図中下端に設けられた折り返しミラー１５が内蔵された集光部１４と、集光部１４を軸心Ｏを中心に回転するとともに軸心Ｏに沿う方向に昇降駆動する駆動装置１６とを有する。
【００１９】
レーザ発振器１１は、レーザ光２０を出力することができる。レーザ発振器１１は、所定周波数（レーザ光２０の照射の繰り返し数）のパルス波のレーザ光２０、または、連続的に照射される連続波のレーザ光２０のいずれかを選択して出力することができる。パルス波のレーザ光２０の場合、照射が連続的ではないので、照射が終わってから次の照射までの間にエネルギーが蓄えられ、照射時の出力のピークが連続波の出力のピークに比較して約１０００倍程度に強くなる。逆に、レーザ光２０が連続波の場合、照射が連続的なので、パルス波のようにエネルギーが蓄えられて出力が爆発的に大きくなるということはなく比較的弱い出力が得られる。
【００２０】
伝達ミラー１２は、レーザ発振器１１からのレーザ光２０を集光部１４に向けて反射する。集光部１４は、伝達ミラー１２からのレーザ光２０を折り返しミラー１５に向けて集光レンズ１３で集光する。折り返しミラー１５は、集光されたレーザ光２０を、反射しシリンダブロック３０におけるシリンダボアのボア内周面３１に照射する。
【００２１】
駆動装置１６は、軸心方向に移動させ、また、集光部１４を回転させることができる。駆動装置１６は、前記集光部１４を軸方向に移動させて所定の位置で停止させ該位置で回転させることにより、シリンダボアの内周方向に沿って凹部を形成することができる。これを所定の位置ごとに行うことにより複数の凹部をシリンダボアの内周面に形成することができる。
【００２２】
次に、上記レーザ加工装置１０を用いたシリンダボアの加工手順について説明する。
【００２３】
図２は本発明の加工方法の手順を示すフローチャートである。図３はステップＳ１におけるレーザ光の照射タイミングを説明するための図、図４はシリンダボアの内面を示す図、図５はステップＳ１後のボア内周面の表面形状を示す図、図６は図５に示す表面形状のＡ−Ａ断面図、図７はステップＳ２におけるレーザ光の照射タイミングを説明するための図、図８はステップＳ２後のボア内周面の表面形状を示す図、図９は図８に示す表面形状のＢ−Ｂ断面図である。
【００２４】
本発明の加工方法は、簡単には、レーザ光をボア内周面に照射して凹部を形成する第１工程（ステップＳ１）と、第１工程よりも低出力のレーザ光を凹部に照射して、第１工程の際にボア内周面から飛散して付着した金属粒を溶融する第２工程（ステップＳ２）と、ボア内周面をホーニング仕上げする工程（ステップＳ３）を有する加工方法である。
【００２５】
以下に、各ステップの詳細を説明する。
【００２６】
まず、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１よりパルス波のレーザ光２０を出力し、伝達ミラー１２、集光レンズ１３および折り返しミラー１５を介して、シリンダブロック３０のボア内周面３１にレーザ光２０を照射して、同時に駆動装置１６により集光部１４を回転させることによって、内周方向に沿って凹部を形成する（ステップＳ１）。
【００２７】
ここで、レーザ加工装置１０は、図３（Ａ）に示すように、レーザ光２０の出力時間ａと非出力時間ｂを交互に繰り返す。したがって、図４に示すように、凹部３２は、連続した溝とはならず飛び飛びの窪みとして、ボア内周面３１に形成される。
【００２８】
出力時間ａの間、集光部１４が回転しつつレーザ光が照射されるので、集光部１４が回転した回転角に従ってボア内周面３１に凹部３２が形成される。形成される凹部３２の大きさは、レーザ光２０の照射開始位置Ｓから照射終了位置Ｅまでの長さとは一致しない。これは、パルス波のレーザ光２０をボア内周面３１に照射した場合、その出力の強さからボア内周面３１が沸騰し、沸騰した金属がレーザ光２０の圧力により該レーザ光２０の照射位置を中心として押し広げられるからである。このようにレーザ光２０の照射開始位置Ｓから照射終了位置Ｅまでの長さより長い凹部３２が形成される。
【００２９】
上記のように、凹部３２は、ボア内周面３１の金属が押し広げられて形成されているので、その縁に山状のデブリ３３が形成され、その中に谷部３４が形成される。また、レーザ光２０の照射の際に沸騰した金属は、その一部の金属粒が飛散し、ボア内周面３１に付着する。付着した金属粒は、スパッタ３５と呼ばれ、図３（Ｃ）に示すように、ボア内周面３１の谷部３４等に滑らかでない凸部を形成する。
【００３０】
より詳細には、図５および図６に示すように、ステップＳ１のパルス波のレーザ加工後に、凹部３２にはデブリ３３およびスパッタ３５が形成される。さらに、凹部３２内には、デブリ３３およびスパッタ３５の他に、レーザ加工によって生じる盛り上がり部３６が形成される。このように、凹部３２内には、ステップＳ１のレーザ加工により、複数の凹凸が形成される。
【００３１】
次に、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１より連続波のレーザ光２０を出力し、ボア内周面３１に照射することによって、スパッタ３５を溶融する（ステップＳ２）。
【００３２】
スパッタ３５を溶融することによって、ボア内周面３１におけるスパッタ３５による凸部が滑らかになり、また、スパッタ３５が変形してボア内周面３１に一体不可分に付着する。
【００３３】
ここで、レーザ加工装置１０は、ステップＳ１のときと同じ回転速度で集光部１４を回転させつつ、図７（Ａ）に示すように、レーザ光２０の出力時間ｃおよび非出力時間ｄを交互に繰り返す。出力時間ｃは、ステップＳ１のレーザ光２０の出力時間ａよりも長い。これは、凹部３２に付着したスパッタ３５を全て溶融するためである。換言すると、上述の通り、ステップＳ１において凹部３２はレーザ光２０の照射開始位置Ｓから照射終了位置Ｅまでよりも長く形成されるので、ステップＳ２でステップＳ１のときと同じ出力時間ａとしたのでは、凹部３２の全体にレーザ光２０を照射することができないからである。このように、レーザ加工装置１０は、ステップＳ１よりもステップＳ２におけるレーザ光２０の出力時間を長くすることによって、図７（Ｂ）に示すように、レーザ光２０の照射区間を広範囲にし、凹部３２の一端から最も遠い他端までレーザ光２０を照射して、凹部３２全体のスパッタ３５を溶融している。
【００３４】
なお、レーザ光２０の出力時間ｃを出力時間ａより長くしても、凹部３２のある位置にレーザ光２０を照射できなくては意味がない。本実施形態のレーザ加工装置１０では、ステップＳ１およびステップＳ２共に所定の位置から集光部１４の回転およびレーザ光２０の出力を開始し、ピッチを調整することによってステップＳ１で形成した凹部３２にステップＳ２でレーザ光２０を照射できるようにしている。ピッチの調整を行わなくても、たとえば、ステップＳ２において凹部３２の位置を検出して該位置にレーザ光２０を照射するようにしてもよい。
【００３５】
連続波のレーザ光２０を凹部３２に照射することにより、スパッタ３５が溶融されて谷部３４の一部となって、図７（Ｃ）に示すように凹部３２の谷部３４が滑らかな形状となる。
【００３６】
より詳細には、図８および図９に示すように、ステップＳ２の連続波のレーザ加工後には、凹部３２の周囲にデブリ３３は残ったままであるものの、凹部３２内のスパッタ３５および盛り上がり部３６は、滑らかな形状に溶融して凹部３２と一体となり、図５および図６に示すような凹凸はなくなる。
【００３７】
最後に、ホーニング砥石を用いた研削加工により、ボア内周面３１を仕上げ加工する（ステップＳ３）。研削加工時には、ホーニング砥石は円筒状の工具とともに回転されながら、シリンダボアの軸心方向に進退移動される。さらに、ホーニング砥石は径方向外方に向けて拡張され、ボア内周面３１に押圧される。ホーニング砥石は、比較的高速で回転される一方、比較的低速で進退移動される。
【００３８】
ホーニング加工が完了すると、レーザ加工時に生じたデブリ３３や、ボア内周面３１の凹部３２外に付着したスパッタ３５が除去され、ボア内周面３１は所定の面粗度を有する平滑面に仕上げられる。
【００３９】
なお、上記レーザ光２０による加工において、レーザ光２０の平均出力および加工速度は適宜選択できる。一例を挙げれば、パルス波のレーザ光２０のレーザ平均出力は３９Ｗ、加工速度は１５ｍ／分であり、連続波のレーザ光２０のレーザ平均出力は２５Ｗ、加工速度は１５ｍ／分である。パルス波の周波数は３５ｋＨｚである。
【００４０】
以上説明したように、本発明の加工方法によれば、ステップＳ１のレーザ加工の際に飛散して凹部３２に付着したスパッタ３５をステップＳ２のレーザ加工により溶融するので、スパッタ３５を滑らかにし、凹部３２と一体不可分に付着させることができる。したがって、本発明の加工方法を、上述のように、シリンダブロック３０のボア内周面３１の加工に適用した場合には、製品化後、ピストンの摺動中にスパッタ３５が凹部３２表面から脱落することがなく、スパッタ３５の脱落によるシリンダの異常磨耗や焼き付きの発生を防止することができる。
【００４１】
また、ステップＳ２では、ステップＳ１よりも広範囲に凹部３２の一端から最も遠い他端までレーザ光２０を照射するので、凹部３２内のスパッタ３５を全て溶融することができる。
【００４２】
さらに、ステップＳ１では所定パルス周波数で照射され出力ピークの高いパルス波のレーザ光２０を用い、ステップＳ２では連続的に照射され出力ピークの低い連続波のレーザ光２０を用いるので、ステップＳ１で形成した凹部３２の形状を損なうことなく、低出力のレーザ光によりスパッタ３５を溶融し、凹部３２を滑らかな形状にすることができる。
【００４３】
加えて、ステップＳ３において、ホーニング砥石を用いてホーニング仕上げを施すので、ボア内周面３１を所望の面粗度を有する平滑面に仕上げることができる。
【００４４】
なお、上記実施の形態では、本発明の加工方法をシリンダブロック３０のボア内周面３１の加工に適用する例について説明してきたが、本発明はこれに限定されない。パルス波のレーザ光による加工が必要であるいかなる製品の加工にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】ステップＳ１におけるレーザ光の照射タイミングを説明するための図である。
【図４】シリンダボアの内面を示す図である。
【図５】ステップＳ１後のボア内周面の表面形状を示す図である。
【図６】図５に示す表面形状のＡ−Ａ断面図である。
【図７】ステップＳ２におけるレーザ光の照射タイミングを説明するための図である。
【図８】ステップＳ２後のボア内周面の表面形状を示す図である。
【図９】図８に示す表面形状のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置、
１１…レーザ発振器、
１２…伝達ミラー、
１３…集光レンズ、
１４…集光部、
１５…折り返しミラー、
１６…駆動装置、
２０…レーザ光、
３０…シリンダブロック、
３１…ボア内周面、
３２…凹部、
３３…デブリ、
３４…谷部、
３５…スパッタ。

Claims

レーザ光を被加工物の表面に照射して凹部を形成する第１工程と、
前記第１工程よりも低出力のレーザ光を前記凹部に照射して、前記第１工程の際に前記被加工物から飛散して付着した金属粒を溶融する第２工程と、
を有する加工方法。
前記第２工程では、前記第１工程よりも広範囲に、前記凹部の一端から最も遠い他端まで前記レーザ光を照射する請求項１に記載の加工方法。
前記第１工程のレーザ光は所定パルス周波数で照射されるパルス波のレーザ光であり、前記第２工程のレーザ光は連続的に照射される連続波のレーザ光である請求項１または請求項２に記載の加工方法。
前記第２工程後、さらに、前記被加工物をホーニング仕上げする工程を有する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の加工方法。
前記被加工物は、車両のエンジンに使用されるシリンダブロックであって、前記第１工程において、シリンダボアの円周面にレーザ光が照射されることにより油溜まりとして機能する前記凹部が円周方向に沿って形成される請求項１〜４のいずれか一項に記載の加工方法。