JP5249520B2 - 噴口のレーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、噴口のレーザ加工装置及びレーザ加工方法の改良に関するものである。

従来の噴口のレーザ加工方法として、放電加工の下穴を開けるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１の図１を以下に説明する。なお、符号は振り直した。
図６は従来の細穴のレーザ加工方法を示す説明図であり、レーザ加工ヘッド１０１をワーク１０２の穴加工位置の真上に移動させ、レーザ加工ヘッド１０１からレーザビーム１０３をワーク１０２に照射して、加工液中のワーク１０２に下穴加工を行う。

レーザビーム１０３で細穴を開ける場合、レーザビーム１０３を集光させたときに、集光位置のレーザビーム１０３の断面が真円にならないことがあり、開けられた細穴の内径や真円度の精度が悪くなることがある。加工精度を向上させるために、レーザビーム１０３をビームローテータ、ガルバノミラー等で回転させる方法があるが、上記した集光断面形状が影響して加工精度を大きく高めることは難しい。

また、レーザビーム１０３はエネルギ密度が高いため、レーザビーム１０３が静止した状態で加工された穴の周囲には、母材に対して組織が変化した熱変質層が出来やすい。

本発明の目的は、細穴の加工精度を高めるとともに熱変質層を発生しにくくすることにある。

請求項１に係る発明は、被加工物のノズル本体にレーザビームを照射して噴口を開けるレーザ加工装置において、ノズル本体を、ワーク保持本体を介して支持しつつ、該ワーク保持本体とともに回転させるワーク保持部と、ワーク保持部を回転筒部材を介して支持しつつ該回転筒部材が回転駆動する回転駆動源と、光軸が固定されたレーザビームを照射する加工ヘッドと、ワーク保持部を除くレーザ加工装置の部位に支持され、先端がレーザビームが照射中の穴の開口近傍に設けられ、ノズル本体に照射されることにより、該ノズル本体の材料が金属蒸気及びイオン化したものを含むプリュームを吸引する吸引管を備え、ワーク保持部は、回転駆動源に連結された保持ベースと、保持ベースに回転自在にノズル本体を直接支持しつつ、所定角度毎に複数の噴口を開けるために所定角度毎に位置決め可能なワーク保持本体とを有し、且つ、ワーク保持部、ノズル本体内の通路に連通し、穴が貫通したときに、プリュームを吸引するプリューム吸引通路及び該プリュームを吸引するための中空部を有する回転筒部材を有することを特徴とする噴口のレーザ加工装置を用いた被加工物のノズル本体にレーザビームを照射して噴口を開けるレーザ加工方法において、不活性ガス雰囲気下で、回転させたノズル本体に光軸が固定されたレーザビームを照射しつつ、ノズル本体の材料が金属蒸気及びイオン化したものを含むプリュームを、レーザビームが照射中の穴の開口部近傍に設けられ、ワーク保持部を除くレーザ加工装置の部位に支持された吸引管でレーザ加工中に吸引し、穴を貫通させ、ノズル本体の内の通路からプリュームを吸引することを特徴とする細穴のレーザ加工方法である。

例えば、被加工物を静止させ、レーザビームをビームローテータ等で回転させた場合には、レーザビームの集光断面形状が非円形であるときには、レーザビームを回転させたときに、開けるべき細穴の縁に当たるレーザビームの形状が時々刻々と変化するために、細穴の形状が円形にならない。

これに対して、被加工物を回転させ、レーザビームの光軸を固定すると、レーザビームの集光断面形状が非円形であっても、静止した集光断面形状の同一部分が、回転する被加工物の開けるべき細穴の縁に常に当たるため、細穴の形状は円形又は円形に近くなる。

また、細穴が貫通したら、被加工物の裏側からプリュームを吸引するため、レーザビームがプリュームによって遮られたり、吸収・拡散されることがなく、レーザビームが回転する被加工物に常時当たる。

請求項１に係る発明では、被加工物のノズル本体にレーザビームを照射して噴口を開けるレーザ加工装置において、ノズル本体を、ワーク保持本体を介して支持しつつ、該ワーク保持本体とともに回転させるワーク保持部と、ワーク保持部を回転筒部材を介して支持しつつ該回転筒部材が回転駆動する回転駆動源と、光軸が固定されたレーザビームを照射する加工ヘッドと、ワーク保持部を除くレーザ加工装置の部位に支持され、先端がレーザビームが照射中の穴の開口近傍に設けられ、ノズル本体に照射されることにより、該ノズル本体の材料が金属蒸気及びイオン化したものを含むプリュームを吸引する吸引管を備え、ワーク保持部は、回転駆動源に連結された保持ベースと、保持ベースに回転自在にノズル本体を直接支持しつつ、所定角度毎に複数の噴口を開けるために所定角度毎に位置決め可能なワーク保持本体とを有し、且つ、ワーク保持部、ノズル本体内の通路に連通し、穴が貫通したときに、プリュームを吸引するプリューム吸引通路及び該プリュームを吸引するための中空部を有する回転筒部材を有し、に連通し、穴が貫通したときに、プリュームを吸引するプリューム吸引通路を有し、また、噴口のレーザ加工装置を使用して、不活性ガス雰囲気下で、回転させたノズル本体に光軸が固定されたレーザビームを照射しつつ、ノズル本体の材料が金属蒸気及びイオン化したものを含むプリュームを、レーザビームが照射中の穴の開口部近傍に設けられ、ワーク保持部を除くレーザ加工装置の部位に支持された吸引管で吸引し、穴を貫通させ、ノズル本体の内の通路からプリュームを吸引するようにしたので、レーザビームの集光断面形状の同一部分が、回転するノズル本体の開けるべき噴口の縁に常に当たるため、噴口の形状は円形又は円形に近くなるため、レーザビームの集光断面形状に左右されずに噴口の穴径、真円度等の加工精度を高めることができる。

また、プリュームを吸引して取り除くことにより、レーザビームがプリュームによって遮られたり、吸収、拡散されることがないので、レーザビームによる加工が断続的にならず、常に一定の加工を継続することができ、加工精度をより一層向上させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１（ａ），（ｂ）は本発明に係るレーザ加工方法により細穴が開けられる燃料噴射弁の説明図である。
（ａ）は燃料噴射弁１０の側面図であり、燃料噴射弁１０は、ノズルホルダ１１と、このノズルホルダ１１の先端部に保持されたノズル１２とからなる。なお、１５は燃料を吸入する吸入口である。

（ｂ）はノズル１２の先端部の要部断面図であり、ノズル１２は、ホール型のものであり、ノズル本体２１と、このノズル本体２１の燃料流路を開閉するノズルニードル２２とからなる。
ノズル本体２１は、突出する先端部２１ａに燃料を噴射する複数の噴口２５が開けられている。これらの噴口２５が、本発明の細穴のレーザ加工方法によって開けられる。

図２は本発明に係るレーザ加工装置を示す説明図であり、レーザ加工装置３０は、レーザ発振器３１と、このレーザ発振器３１の下部に設けられてレーザビームを発射する加工ヘッド３２と、この加工ヘッド３２の下方に配置されたワーク支持部３３とからなる。

ワーク支持部３３は、ベース部３５と、このベース部３５にベアリング３６，３６で回転自在に支持された回転部３７と、この回転部３７の上部に設けられたワーク保持部３８と、回転部３７をベルト４４で回転駆動させる駆動用モータ４５とからなる。

回転部３７は、ベアリング３６，３６で支持された回転筒部材５３を備え、カラー５６及びナット５７でベアリング３６，３６に取付けられる。なお、６１は駆動用モータ４５の回転軸４５ａに取付けられた駆動プーリ、６２は回転筒部材５３の下部に取付けられた従動プーリであり、これらの駆動プーリ６１及び従動プーリ６２にベルト４４が掛けられている。

ワーク保持部３８は、回転筒部材５３に取付けられた保持ベース４１と、この保持ベース４１にベアリング４２，４２を介して回転自在に取付けられたワーク保持本体４３と、ワーク保持本体４３のベアリング４２，４２からの抜け止めをするカラー４７及びナット４８と、ベアリング４２，４２の両側に配置されるシール部材４９，４９のうちの一方を支持するために保持ベース４１に取付けられた環状部材４１Ａと、ワーク保持本体４３の一端を支持するために保持ベース４１からワーク保持本体４３の端部側へ延ばされた延長部材５１と、ワーク保持本体４３を回転させるための駆動装置（不図示）から駆動力を得るためにワーク保持本体４３の先端に取付けられた従動ギヤ５２と、ワーク保持本体４３を所定回転角度毎に位置決めするためのワーク回転角度割出し機構５８とからなる。なお、５９はワーク保持本体４３でワークとしてのノズル本体２１を支持するときにワーク保持本体４３に対してノズル本体２１の回転止めをする位置決めピンである。

ワーク保持本体４３は、ノズル本体２１内の通路２１ｂに通じる通路４３ａと、この通路４３ａに直交する通路４３ｂとが形成された部材であり、通路４３ｂは、延長部材５１内に形成された通路５１ａに接続され、この通路５１は保持ベース４１に形成された通路４１ａを介して回転筒部材５３に設けられた中空部５３ａに連通する。

上記通路２１ｂ，４３ａ，４３ｂ，５１ａ，４１ａ及び中空部５３ａは、レーザ加工中に発生するプリューム（即ち、ノズル本体２１が熱で蒸発して出来た金属蒸気やイオン化した混合気体）を吸引するためのプリューム吸引通路６５を構成する部分である。

ワーク回転角度割出し機構５８は、ワーク保持本体４３に設けられた大径部４３ｃの外周面に周方向に所定角度毎に形成された複数の凹部４３ｄと、大径部４３ｃの外周面に対向するように保持ベース４１に設けられたケース６６と、このケース６６内に配置されるとともに複数の凹部４３ｄにそれぞれ嵌合可能なボール６７と、このボール６７を凹部４３ｄに押し付けるためにケース６６内に設けられたスプリング６８とからなる。
隣り合う凹部４３ｄ，４３ｄの周方向の間隔（角度）は、ノズル本体２１の先端部２１ａに開けられた噴口（図１（ｂ）参照）の隣り同士の周方向の角度に一致している。

図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るレーザ加工の作用を示す第１作用図であり、（ａ）は側面図（一部断面図）、（ｂ），（ｃ）はレーザ加工中のノズル本体２１をレーザビーム７１の延びる方向から見た図である。
（ａ）において、不活性ガス雰囲気下で、加工ヘッド３２からレーザビーム７１を発射し、ノズル本体２１の先端部２１ａに照射する。なお、形成されるべき噴口２５を二点鎖線で示している。

（ｂ）において、レーザ加工中は、レーザビーム７１（（ａ）参照）の光軸を固定し、ノズル本体２１を、ワーク支持部３３（図３参照）によって矢印の向きに回転させながらレーザ加工を行う。
（ｃ）において、更にノズル本体２１を矢印の向きに回転させる。レーザ加工中はノズル本体２１を一定の方向に一定の速度で回転させる。

図４は本発明に係るレーザ加工の作用を示す第２作用図である。
レーザ加工中は、プリューム７３が発生し、レーザビーム７１を遮ったり、吸収・拡散させるため、加工中の穴７５の開口近傍に設けられた吸引管７６でプリューム７３を吸引し、取り除く。

また、穴７５が貫通したときには、プリューム７３をノズル本体２１内から図２に示されたプリューム吸引通路６５を通じて吸引し、取り除く。

このように、プリューム７３を吸引して取り除くことで、レーザビーム７１がプリューム７３によって遮られたり、吸収・拡散されることがないので、レーザビーム７１による加工が断続的にならず、常に一定の加工を継続することができ、加工精度を向上させることができる。

図５（ａ），（ｂ）は本発明に係るレーザ加工の作用を示す第３作用図である。
（ａ）の比較例は、ノズル本体２１を固定し、レーザビーム７１をビームローテータ等で回転させたものである。

レーザビーム７１の集光断面形状は、非円形であるため、レーザビーム７１を回転させたときに、穴７５の縁に当たるレーザビーム７１の形状が時々刻々と変化するため、穴７５の形状が円形にならない。即ち、穴７５の形状がレーザビーム７１の集光断面形状に左右される。図では穴７５が楕円に近い形状となる。

（ｂ）の実施例は、レーザビーム７１の光軸を固定し、ノズル本体２１を矢印の向きに回転させたものである。
このように、レーザビーム７１の光軸を固定し、ノズル本体２１を回転させることで、穴７５の縁に当たるレーザビーム７１の集光断面形状が常に同一であるため、穴７５が円形又は円形に近い形状になる。従って、噴口２５（図１参照）の穴径、真円度等の加工精度を高めることができる。

本発明の細穴のレーザ加工方法は、燃料噴射弁のノズルの噴口の加工に好適である。

本発明に係るレーザ加工方法により被加工物であるノズル本体に噴口が開けられる燃料噴射弁の説明図である。 本発明に係るレーザ加工装置を示す説明図である。 本発明に係るレーザ加工の作用を示す第１作用図である。 本発明に係るレーザ加工の作用を示す第２作用図である。 本発明に係るレーザ加工の作用を示す第３作用図である。 従来の噴口のレーザ加工方法を示す説明図である。

符号の説明

２１…被加工物（ノズル本体）、２１ｂ…ノズル本体内の通路、２５…細穴（噴口）、３０…レーザ加工装置、３２…加工ヘッド、３８…ワーク保持部、４１…保持ベース、４３…ワーク保持本体、４３ａ，４３ｂ，５１ａ，４１ａ，５３ａ…プリューム吸引通路、４５…回転駆動源、７１…レーザビーム、７３…プリューム、７６…吸引管。

Claims (1)

1. 被加工物のノズル本体にレーザビームを照射して噴口を開けるレーザ加工装置において、
   前記ノズル本体を、ワーク保持本体を介して支持しつつ、該ワーク保持本体とともに回転させるワーク保持部と、
   前記ワーク保持部を回転筒部材を介して支持しつつ該回転筒部材が回転駆動する回転駆動源と、
   光軸が固定された前記レーザビームを照射する加工ヘッドと、前記ワーク保持部を除く前記レーザ加工装置の部位に支持され、先端が前記レーザビームが照射中の穴の開口近傍に設けられ、前記ノズル本体に照射されることにより、該ノズル本体の材料が金属蒸気及びイオン化したものを含むプリュームを吸引する吸引管を備え、
   前記ワーク保持部は、前記回転駆動源に連結された保持ベースと、前記保持ベースに回転自在に前記ノズル本体を直接支持しつつ、所定角度毎に複数の前記噴口を開けるために所定角度毎に位置決め可能なワーク保持本体とを有し、
   且つ、前記ワーク保持部、前記ノズル本体内の通路に連通し、前記穴が貫通したときに、前記プリュームを吸引するプリューム吸引通路及び該プリュームを吸引するための中空部を有する前記回転筒部材を有することを特徴とする噴口のレーザ加工装置を用いた前記被加工物のノズル本体にレーザビームを照射して噴口を開けるレーザ加工方法において、
   不活性ガス雰囲気下で、回転させた前記ノズル本体に光軸が固定された前記レーザビームを照射しつつ、
   前記ノズル本体の材料が金属蒸気及びイオン化したものを含むプリュームを、前記レーザビームが照射中の穴の開口部近傍に設けられ、ワーク保持部を除く前記レーザ加工装置の部位に支持された吸引管でレーザ加工中に吸引し、
   前記穴を貫通させ、前記ノズル本体の内の通路からプリュームを吸引する、
   ことを特徴とする細穴のレーザ加工方法。

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