JP6717758B2 - 複合加工方法及び複合加工プログラム - Google Patents

Description

本発明は、被加工物を加工するための、複合加工方法及び複合加工プログラムに関する。

従来、工具を備えた工作機械等により、被加工物（以下、「ワーク」と呼ぶ。）に対して切削・研削・研磨等の加工を行う機械加工が一般的に行われている。また、レーザ光をワークに対して照射することによりワークを加工するレーザ加工も一般的に行われている。
例えば、１つのワークに対して、機械加工とレーザ加工の双方を行う技術が特許文献１や特許文献２に開示されている。

具体的に、特許文献１や特許文献２に開示の技術では、ワークであるウェーハに対して、研削及び研磨といった機械加工を行うことによりウェーハの厚さを最終加工厚さよりも厚い厚さとする。そして、その後、レーザダイシング装置でウェーハに対してレーザ加工を行う。
更に、レーザ加工後に行われる所定の後工程を経た後に、再度機械加工を行うことによりウェーハの厚さを最終加工厚さとする。
このように、機械加工を２回に分けて行うことにより、所定の後工程実施時に、ウェーハが割段されることを防止している。

特開２００７−２３５０６８号公報 特開２００７−２３５０６９号公報

ところで、レーザ加工は、被加工物の表面温度が融点より低い温度とする変態加工（例えば、表面焼入れ）、融点より高く沸点より低い温度とする溶融加工（例えば、溶接や溶断）、沸点より高い温度としてワークを蒸発除去させる加工の３つに大別することができる。

ここで、蒸発除去加工の場合は、ワークを沸点よりも高い温度にする必要がある。そのため、レーザ光の出力やスポットサイズを調整して、照射されるレーザ光のワーク表面におけるエネルギー密度が極力高くなるようにすればよい。

これに対して、変態加工や溶融加工を行うためには、ワークの表面を低い温度に加熱する必要がある。そのため、レーザ光の出力やスポットサイズを調整することにより、照射されるレーザ光のワーク表面におけるエネルギー密度を適切な低さになるようにする必要がある。

レーザ光による加熱の過程においては、ワーク表面がある程度の高温になると、急にレーザ光の吸収率が増大して、加熱が進むという現象がある。レーザ光の吸収率がワーク表面の温度に依存する性質があることがその理由で一つであり、また、溶融や酸化・炭化などの表面状態の変化、キーホールの形成といった表面形状の変化が、そのほかの理由である。しかしながら、照射されるレーザ光のワーク表面におけるエネルギー密度が低くい場合は、ワーク表面の温度上昇は遅く、よって、レーザ光のワーク表面における反射率の変化も小さい。ワーク表面のレーザ光の吸収率の低い場合は、そのため、ワークに吸収される熱量が小さいままとなり、適切にワークを加熱することができないという問題が発生する。

この点、レーザ光のワーク表面における吸収率を高めることができれば、より好ましい加熱が可能であるが、材料表面での光の吸収率は、表面性状や入射角に依存しており、容易に変更することが困難であった。そのため、例えば特許文献１や特許文献２に開示の技術等の、一般的な技術では、ワークの吸収率については特に考慮していなかった。

また、従来、ワークの表面に例えば黒い吸収剤を塗ることにより黒化処理を行い、レーザ光の吸収率を増大させるようなことも行われてきたが、このようにした場合、レーザ加工後に吸収剤を除去する必要があり、工程が複雑になり、コストを要するという問題があった。

そこで、本発明は、レーザ加工を行うに先立って、ワークの吸収率を簡便に調整することが可能な、複合加工方法及び複合加工プログラムを提供することを目的とする。

（１） 本発明の複合加工方法は、レーザ加工手段（例えば、後述のレーザ加工部１９０）と、機械加工手段（例えば、後述のスピンドルモータ１５４）とを備える装置（例えば、後述の複合加工装置１００）が行う複合加工方法であって、被加工物（例えば、後述のワーク１０）上のレーザ加工の対象とする領域であるレーザ加工対象領域（例えば、後述のレーザ加工対象領域１１）に対して機械加工を行うことにより、前記レーザ加工対象領域の表面形状を所定のレーザ光の吸収率を有する表面形状とする第１工程と、所定のレーザ光の吸収率を有する表面形状に機械加工を行う第１工程と、前記第１工程終了後に、前記レーザ加工対象領域に対してレーザ光（例えば、後述のレーザ光２０）を照射することにより、前記被加工物を加熱する第２工程と、を備える。

（２） 上記（１）に記載の複合加工方法において、前記第２工程終了後に、前記レーザ加工対象領域に対して機械加工を行い、前記被加工物を所望の形状及び／又は所望の表面とする第３工程を更に備えるようにしてもよい。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の複合加工方法において、前記第１工程での機械加工とは、前記レーザ加工対象領域の表面形状を、レーザ光の吸収率を高めた表面形状に形成することであるようにしてもよい。

（４） 上記（３）に記載の複合加工方法において、前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、該表面形状に対する前記レーザ光の半角で表した入射角が、前記レーザ光の半角で表した集光角以上となるように構成した表面形状であるようにしてもよい。

（５） 上記（３）又は（４）に記載の複合加工方法において、前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、該表面形状に対する前記レーザ光の入射角におけるＰ波成分の吸収率が、垂直入射時におけるＰ波成分及びＳ波成分の合計の吸収率以上となるように構成した表面形状であるようにしてもよい。

（６） 上記（３）から（５）の何れか１項に記載の複合加工方法において、前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、Ｖ溝状を含む表面形状であるようにしてもよい。

（７） 上記（３）から（６）の何れか１項に記載の複合加工方法において、前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、Ｖ溝状の反復を含む表面形状であるようにしてもよい。

（８） 上記（７）に記載の複合加工方法において、前記Ｖ溝状の反復含む表面形状における各Ｖ溝は、Ｖ溝の頂点及び／又は谷底に平坦部を有するようにしてもよい。

（９） 上記（３）から（８）の何れか１項に記載の複合加工方法において、前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、凹または凸の錐体もしくは錐体台を含む表面形状であるようにしてもよい。

（１０） 上記（１）又は（２）に記載の複合加工方法において、前記第１工程での機械加工とは、前記レーザ加工対象領域の表面形状を、レーザ光の吸収率を低めた表面形状に形成することであるようにしてもよい。

（１１） 上記（１）から（１０）の何れか１項に記載の複合加工方法において、前記第１工程での機械加工とは、前記レーザ加工対象領域の表面形状を、前記レーザ加工対象領域全体においてレーザ光の吸収率が均一となる表面形状に形成することであるようにしてもよい。

（１２） 本発明の複合加工プログラムは、複合加工プログラムであって、レーザ加工手段（例えば、後述のレーザ加工部１９０）と、機械加工手段（例えば、後述のスピンドルモータ１５４）とを備える装置（例えば、後述の複合加工装置１００）を、上記（１）から（１０）までの何れか１項に記載の方法を行う装置として機能させる。

本発明によれば、レーザ加工を行うに先立って、ワークの吸収率を簡便に調整することが可能となる。

本発明の実施形態における複合加工装置の基本的構成を表す図である。 本発明の第１の実施形態について示す図である。 本発明の実施形態における基本的動作を示すフローチャートである。 入射角について説明する図である。 表面反射率/吸収率の例について示す図である。 本発明の第２の実施形態について示す図である。 本発明の第３の実施形態について示す図である。 本発明の第４の実施形態について示す図である。 本発明の第５の実施形態について示す図である。 本発明の第６の実施形態について示す図である。 本発明の第７の実施形態について示す図（１／２）である。 本発明の第７の実施形態について示す図（２／２）である。 本発明の第８の実施形態について示す図（１／２）である。 本発明の第８の実施形態について示す図（２／２）である。 本発明の第９の実施形態について示す図である。 本発明の第１０の実施形態について示す図である。

次に、まず本発明の実施形態の概略を説明する。本発明の実施形態は、機械加工及びレーザ加工の双方を行う複合加工に関するものである。
本実施形態では、レーザ加工を行うに先立って、ワーク上のレーザ加工の対象とする領域（以下、「レーザ加工対象領域」と呼ぶ。）に対して、レーザ光の吸収率が適切となるように機械加工を行う。そして、この機械加工を行った後に、レーザ加工対象領域に対してレーザを照射することにより、レーザ加工を行う。

これにより、ワークに対して適切な熱量を吸収させることができ、想定通りにワークを加熱することができる。すなわち、［発明が解決しようとする課題］で述べた、「レーザ加工を行うに先立って、ワークの吸収率を簡便に調整することが可能な、複合加工方法及び複合加工プログラムを提供する」という課題を解決することができる。
また、本実施形態では、必要に応じて、レーザ加工後に再度機械加工を行うことにより、ワークを所望の形状とするようなこともできる。
以上が本発明の実施形態の概略である。

次に、本発明の実施形態として、第１の実施形態〜第１０の実施形態について説明をする。ここで、これら各実施形態における処理を実現するための複合加工装置１００の構成は、各実施形態において共通している。そこで、まず複合加工装置１００の構成について説明をしてから、各実施形態それぞれについて詳細に説明をする。

＜各実施形態に共通する複合加工装置１００の構成＞
図１の機能ブロック図を参照して、複合加工装置１００の構成について説明を行う。図１を参照すると、複合加工装置１００は、ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１３、ＣＭＯＳメモリ１１４、複数のインタフェース（インタフェース１１５、インタフェース１１８、インタフェース１１９）、ＰＬＣ１１６、Ｉ／Ｏユニット１１７、データ通信バス１２０、複数の軸制御回路（軸制御回路１３０〜１３４）、複数のサーボアンプ（サーボアンプ１４０〜１４４）、複数のサーボモータ（サーボモータ１５０〜１５４）、スピンドル制御回路１６０、スピンドルアンプ１６１、スピンドルモータ１６２、パルスエンコーダ１６３、表示器／ＭＤＩユニット１７０、操作盤１７１、外部機器１７２、レーザ制御部１８０、及びレーザ加工部１８１を備える。

ＣＰＵ１１１は複合加工装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に格納されたシステムプログラムを、バス１２０を介して読み出し、該システムプログラムに従って複合加工装置１００全体を制御する。
ＲＡＭ１１３には一時的な計算データや表示データ及び表示器／ＭＤＩユニット１７０を介してオペレータが入力した各種データが格納される。

ＣＭＯＳメモリ１１４は図示しないバッテリでバックアップされ、複合加工装置１００の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。ＣＭＯＳメモリ１１４中には、インタフェース１１５を介して読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット１７０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。本実施形態では、ＣＰＵ１１１が、かかる加工プログラムに基づいてレーザ加工部１９０を制御したり、ワークの移動や工具の駆動のために各軸に対応するモータを制御したりすることにより、後述の各工程におけるレーザ加工や機械加工を実行することが可能となる。

ＲＯＭ１１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理や自動運転のための処理を実施するための各種システムプログラムがあらかじめ書き込まれている。

本実施形態における制御を実行するための加工プログラム等の各種加工プログラムは、インタフェース１１５や表示器／ＭＤＩユニット１７０を介して入力し、ＣＭＯＳメモリ１１４に格納することができる。

インタフェース１１５は、複合加工装置１００とデータサーバ等の外部機器１７２との接続を可能とするものである。外部機器１７２側からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、複合加工装置１００内で編集した加工プログラムは、外部機器１７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。

ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）１１６は、複合加工装置１００に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット１７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１１８は表示器／ＭＤＩユニット１７０のキーボードからの指令やデータを受けてＣＰＵ１１１に渡す。インタフェース１１９は手動パルス発生器等を備えた操作盤１７１に接続されている。
各軸の軸制御回路１３０〜１３４はＣＰＵ１１１からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ１４０〜１４４に出力する。

サーボアンプ１４０〜１４４はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ１５０〜１５４を駆動する。各軸のサーボモータ１５０〜１５４は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路１３０〜１３４にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、ブロック図では、位置・速度のフィードバックについては省略している。

スピンドル制御回路１６０は、機械加工を行うための工具が取り付けられた主軸への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ１６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ１６１はこのスピンドル速度信号を受けて、スピンドルモータ１６２を指令された回転速度で回転させ、主軸に取り付けられた工具を駆動する。

スピンドルモータ１６２には歯車あるいはベルト等でパルスエンコーダ１６３が結合され、パルスエンコーダ１６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはバス１２０を経由してＣＰＵ１１１によって読み取られる。ＣＰＵ１１１は、帰還パルスに基づいて工作機械への主軸回転指令を制御する。

レーザ制御部１８０は、ＣＰＵ１１１から、加工プログラムに基づいた、レーザ加工のためのレーザ出力指令を受ける。ここで、レーザ出力指令には、例えば、所定の出力のレーザ光を照射するためのピークパワー、周波数及びデューティ比等の指示が含まれる。レーザ制御部１８０は、このレーザ出力指令に基づいた制御信号をレーザ加工部１９０に出力する。

レーザ加工部１９０は、レーザ光を発振して出射するレーザ発振器や、レーザ発振器から出射されたレーザ光を光学系で集光してワークに対して照射する加工ヘッドやノズルを備える部分である。レーザ加工部１９０は、レーザ制御部１８０からの制御信号に基づいて、所定の出力のレーザ光をワークに対して照射する。

なお、モータに接続された各軸によるワークや工具の一般的な移動の方法や、主軸に取り付けられる工具を用いた一般的な機械加工の方法や、レーザ加工部１９０を用いた一般的なレーザ加工の方法については当業者にとってよく知られている。そこで、これらの点についての詳細な説明及び図示は省略する。

また、上述した複合加工装置１００の構成例はあくまで一例である。例えば、本実施形態は、工具による機械加工として、ネジ切りを含む旋削、ミリング、歯切りナール（ローレット）加工を含む転写、転造、プレス、スピニング、及びサンドブラスト等の多様な機械加工を採用することができる。更に、本実施形態は、レーザによるレーザ加工として、炭酸ガスレーザ（ＣＯ２レーザ）、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、及びダイオードレーザ等の多様なレーザを利用したレーザ加工を採用することができる。これらの多様な加工を実現するために、上述した複合加工装置１００を任意に変形するようにしてもよい。

例えば、上述した構成例では、軸制御回路３０〜３４の５つの軸制御回路と、サーボモータ５０〜５４の５つのサーボモータが示されている。しかし、これに限定されることなく、任意の個数の軸制御回路及びサーボモータを備えるようにしてもよい。また、複合加工装置１００は、単一の装置で実現するようにしてもよいが、例えば、数値制御装置と工作機械とを組合せて実現するようにしてもよい。

次に、各実施形態のそれぞれについて詳細に説明をする。なお、前提として、以下の各実施形態では、レーザ光２０によるレーザ加工により、金属材料（例えば、炭素鋼であるＳ４５Ｃ）であるワーク１０に対して焼入れを行う場面を想定して説明をする。

この場合に、レーザ光２０は、例えば、炭酸ガスレーザ（ＣＯ２レーザ）、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、及びダイオードレーザ等の高出力レーザである。また、レーザ光２０の出力は、例えば１０Ｗ〜２０ｋWである。更に、レーザ光２０の波長は、例えば紫外光から赤外光に分類される波長である。

ただし、これらの前提は各実施形態を説明するための一例に過ぎず、各実施形態の適用範囲を限定するものではない。例えば、ワーク１０として金属材料以外を用いるようにしてもよい。

＜第１の実施形態＞
次に、第１の実施形態について説明する。図２に、複合加工装置１００による、ワーク１０に対する機械加工及びレーザ加工について図示をする。また、図３のフローチャートに本実施形態における各工程を図示する。以下に説明する各工程は、上述した複合加工装置１００により行われるものとする。

まず、図２の「（ａ）「処理前（素材）」に示すように、各工程における処理前のワーク１０は、円柱形状をしている。そして、ワーク１０は、円柱形状の側面の長手方向に延びる軸を回転軸（図中では、回転軸を一点鎖線で示す）として回転するように、複合加工装置１００の何れかの軸に配置される。なお以下の処理は、ワーク１０を回転させながら行われるが、その回転速度は、例えば１０００ｒｐｍであるとする。

次に、この状態で複合加工装置１００は、レーザ加工を行う前に、ワーク１０上のレーザ加工対象領域１１に対して、レーザ光の吸収率が適切となるように機械加工を行う。すなわち、第１工程としてレーザ照射前処理を行う（図３のステップＳ１）。

ここで、本実施形態における第１工程での機械加工の考え方について図４及び図５を参照して説明をする。
まず、図４に示すようにワーク１０の表面に対して垂直にレーザ光２０が入射する角度を入射角０(deg)とした場合に、図５に示すように、レーザ光２０の吸収率は、垂直入射（入射角＝０(deg)）で小さくなり、入射角が大きくなると（例えば、６０(deg)超となると）で大きくなる傾向がある。

そこで、本実施形態は、この点を考慮して第１工程での機械加工を行う。例えば、レーザ光２０の吸収率を高めたい場合には、レーザ加工対象領域へのレーザ光の入射角が大きくなるように、表面形状を機械加工する。一方で、レーザ光２０の吸収率を低めたい場合には、レーザ加工対象領域へのレーザ光の入射角が小さくなるように、表面形状を機械加工する。

機械加工の具体的な方法として、ワーク１０の表面に対して、ネジ切りを含む旋削、ミリング、歯切りナール（ローレット）加工を含む転写転造、プレス、スピニング、サンドブラストなどの機械加工を行う。

本実施形態では、レーザ光２０の吸収率を高めるために、レーザ加工対象領域へのレーザ光２０の入射角が大きくなるように、表面形状を機械加工する。そのために、旋削加工を行い、ワーク１０の表面のレーザ加工対象領域１１以外の領域については、最終的に所望する形状とする。例えば、ワーク１０の直径が最終的に所望する直径となるようにする。また、図２の「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」に示すようにレーザ加工対象領域１１に頂点及び谷底に平坦部を有するＶ溝を反復して設ける。このＶ溝は、例えば回転軸に対して並行に０．５ｍｍのピッチで設ける。また、Ｖ溝の頂点の平坦部の高さは、例えば、最終的に所望する直径から０．５ｍｍの高さとする。

この状態で複合加工装置ワーク１００は、レーザ加工対象領域１１に対してレーザ加工を行う。具体的には、レーザ加工対象領域１１に対してレーザ光２０を照射することにより、レーザ加工対象領域１１を加熱する。すなわち、第２工程としてレーザ照射処理を行う（図３のステップＳ２）。

ここで、予めレーザ光２０の吸収率が適切となるように機械加工を行っていることから、レーザ光２０は、効率よくワーク１０に吸収されることとなる。つまり、効率よくレーザ加工を行うことが可能となる。本例では、各Ｖ溝の頂点及び谷底は平坦部であるのでレーザ光２０が垂直入射することになり、レーザ光２０の多くは反射される。これに対して各Ｖ溝のそれ以外の部分は、レーザ光２０が斜めに入射することになるので、レーザ光２０は効率よく吸収されて、強く加熱される。なお、以下の各図も含めて加熱された部分は、斜線のハッチングで表す。

そして、加熱で加えられた熱は、各Ｖ溝の谷底よりレーザ加工対象領域１１内部に対して伝導する。ここで、レーザ照射を止めると、加熱部分の熱が急速に周囲の低温部分に伝導して、加熱された部分が急冷される。もしくは、油冷や水冷で急冷する。これにより、レーザ加工対象領域１１の内部の所定の深さまで焼入れを行うことができる。

なお、図２の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」に示すように、レーザ光２０をワーク１０の軸心からズラして、ワーク１０の側面に照射することにより、入射角を調整することで、レーザ光２０は、より効率よくワーク１０に吸収されるようにしている。

次に、複合加工装置ワーク１００は、機械加工による仕上げをすることにより、所望の熱処理に加えて、所望の仕上げ形状・表面を得る。すなわち、第３工程として仕上げ処理を行う（図３のステップＳ３）。例えば、図２の「（ｄ）第３工程（仕上げ）」に示すように、レーザ加工対象領域１１に対して旋削加工を行い、レーザ加工対象領域１１に設けられたＶ溝を除去して、レーザ加工対象領域１１の直径を最終的に所望する直径とする。

ここで、上述したように、レーザ加工対象領域１１の内部の所定の深さまで焼入れを行うことができていることから、このように表面を仕上げると、部分的に熱処理された部品を完成させることができる。なお、第１工程では、Ｖ溝を設けるのみにし、レーザ加工対象領域１１以外の領域については機械加工を行わないようにしてもよい。そして、第３工程にて、レーザ加工対象領域１１とレーザ加工対象領域１１以外の領域の双方を最終的に所望する直径とするようにしてもよい。

以上説明した、本実施形態では、レーザ加工対象領域１１に対して、第１工程の機械加工を行ってレーザ光２０の吸収率を高めた後に、第２工程としてレーザ加工を行うことから、ワーク１０を効率よく加熱することが可能となる、という効果を奏する。また、更にその後に、第３工程を行うことにより、所望の熱処理に加えて、所望の仕上げ形状・表面を得ることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
次に、図６を参照して第２の実施形態について説明をする。なお、第２の実施形態以降の各実施形態の説明では、第１の実施形態と重複する内容について説明を省略し、第１の実施形態と相違する点について詳細に説明をする。

第１の実施形態では、第１工程としてレーザ光２０吸収率を上げる機械加工を施した。これに対して本実施形態では、第１工程として吸収率を下げる機械加工を施す。

その理由は、ワーク１０の表面性状（表面粗さ）によっては、第１工程として吸収率を下げる機械加工を施すことが好ましいからである。例えば、ワーク１０の素材が鋳肌、鍛造、黒皮という場合には、ワーク１０の表面に微細な凹凸が存在する。図６の「（ａ）「処理前（素材）」にこのような、表面に微細な凹凸が存在するワーク１０を図示する。

このような状態で、そのままワーク１０に対してレーザ光２０を照射すると、平坦な表面よりも吸収率は高くなるが、全体として不均一な加熱となるので好ましくない。

そこで、本実施形態では、図６の「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」として図示するように、第１工程による機械加工として、レーザ加工対象領域１１に対して研磨加工等を行うことにより、レーザ加工対象領域１１を平坦な金属素地とする。

そして、この第１工程を経た後に、第２工程として、レーザ加工対象領域１１に対してレーザ光２０を照射することにより、均一な加熱を行うことが可能となる。これにより、本実施形態では、図６の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」に示すように、レーザ加工対象領域１１全体に対して均一に熱処理を行うことができる、という効果を奏する。

なお、この場合に、「（ｄ）第３工程（仕上げ）」を更に行うようにしてもよいし、ワーク１０の表面のレーザ加工対象領域１１以外の領域が黒皮等のままでよいのであれば、「（ｄ）第３工程（仕上げ）」を省略するようにしてもよい。

＜第３の実施形態＞
次に、図７を参照して第３の実施形態について説明をする。本実施形態では、レーザ光２０をワーク１０に照射した場合の反射光について考慮する。

入射光であるレーザ光２０ａ（入射光線）が、垂直入射した場合や入射角が小さい場合には、反射光であるレーザ光２０ｂ（反射光線）が、レーザ光２０を出射したレーザ発振器のアパーチャ内を通過して、レーザ発振器に戻ってしまう。そして、レーザ光２０が戻ってきてしまうと、レーザ発振器が壊れるおそれがある。

そこで、本実施形態ではこのような事態の発生を防止する。具体的には、図７の「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」として図示するように、第１工程による機械加工により、レーザ加工対象領域１１の表面に山型形状を反復して設ける。

これにより、図７の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」として示すように、この山型形状における、入射光であるレーザ光２０ａ（入射光線）の半角で表した入射角が、半角で表した集光角以上となる。このようにすれば、反射光（反射光線）がレーザ発振器に戻らない。

また、第１の実施形態でも説明をしたが、図７の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」に示すように、レーザ光２０をワーク１０の軸心からズラして、ワーク１０の側面に照射している。これによっても、入射光であるレーザ光２０ａ（入射光線）の半角で表した入射角が、半角で表した集光角以上となるので、反射光であるレーザ光２０ｂ（反射光線）がレーザ発振器に戻らない。

以上説明した本実施形態では、入射光であるレーザ光２０ａ（入射光線）の半角で表した入射角が、半角で表した集光角以上となるようにするので、反射光であるレーザ光２０ｂ（反射光線）がレーザ発振器に戻ることを防止できる、という効果を奏する。また、このようにした場合に、反射光であるレーザ光２０ｂ（反射光線）は、アパーチャの外部で、周囲に吸収されるため、特に問題は生じない。

＜第４の実施形態＞
次に、図８を参照して第４の実施形態について説明をする。本実施形態では、第１工程での機械加工において、レーザ光２０による加熱に顕著な効果を現すようにする。

本実施形態では、ランダム偏光または円偏光のレーザ光２０を材料に照射して加熱するとき、入射角０(deg)でのＳ波・Ｐ波成分合計でのレーザ光２０吸収率（図８の吸収率ｘの２倍に相当）よりも、Ｐ波成分だけでの吸収率が大きくなる（図８の吸収率ｙに相当）ようにする。つまり、図８の例では、入射角がａ(deg)以上となるようにする。入射角ａ(deg)においては、図示するように、吸収率ｙは、吸収率ｘの２倍の吸収率となる。

このように、第１工程での機械加工において、ワーク１０の表面形状を、入射角ａ(deg)以上となるようにすることにより、レーザ光２０による加熱が顕著に効率的になる。また、ワーク１０の表面形状を、Ｐ波成分での吸収率が最も大きくなる入射角ｂ(deg)となるようにすると、より顕著な効果を奏することが可能となる。本実施形態は、例えば、Ｐ波のみが含まれＳ波が含まれないようなレーザ光２０を利用する場合に特に好適である。

＜第５の実施形態＞
次に、図９を参照して第５の実施形態について説明をする。本実施形態では、図９の「（ａ）「処理前（素材）」に示すように、P偏光面に対して水平なレーザ加工対象領域１１の表面形状に対して、第１工程における機械加工を行うことにより、図９の「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」として示すようにＶ溝を、例えば０．３ｍｍピッチと細かく形成する。なお、図中では、０．３ｍｍピッチとしているが、より細かく形成してもよい。例えば０．０５ｍｍ〜３ｍｍの範囲で任意のピッチとしてもよい。ここで、Ｖ溝は、ねじ切りなどで製作が容易にできるという利点がある。

次に、図９の「（Ｃ−１）第２工程（レーザ照射）」として図示するように、第２工程としてレーザ光２０を照射する。この点、Ｖ溝のそれぞれの傾斜面に対する、レーザ光２０の入射角が大きくなる。そのため、Ｖ溝のそれぞれの傾斜面は効率よくレーザ光２０を吸収して加熱される。

この点、Ｖ溝のそれぞれ１つ１つに着目するのではなく、複数のＶ溝について巨視的に着目すると、複数のＶ溝が形成されている平面であるレーザ加工対象領域１１全体の吸収率を見かけ上高くできることが分かる。従って、図９の「（Ｃ−２）第２工程（レーザ照射）」として図示するように、レーザ光の照射により複数のＶ溝に加えられた熱は、各Ｖ溝よりレーザ加工対象領域１１内部に対して伝播する。これにより、レーザ加工対象領域１１の内部の所定の深さまで熱処理を行うことができる。

以上説明した本実施形態によれば、細かなピッチでＶ溝を形成することにより、巨視的には平面であるレーザ加工対象領域１１全体の吸収率を見かけ上高くできる、という効果を奏する。

＜第６の実施形態＞
次に、図１０を参照して第６の実施形態について説明をする。本実施形態は、第３工程を経て最終的に所望する形状が、レーザ光２０を吸収しにくい形状である場合に特に好適な実施形態である。

本実施形態では、第１工程における機械加工によって、図１０の「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、レーザ加工対象領域１１に幅０．５ｍｍ、深さ０．８ｍｍの溝の側面を８５(deg)の角度で形成する。

そして、第２工程においてレーザ光２０をレーザ加工対象領域１１に対して照射することにより、図１０の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、溝の側面にレーザ光２０を吸収させて、加熱を行う。これにより、所定の厚さの熱処理（この例では焼入れ）をすることができる。

そして、第３工程における機械加工によって、図１０の「（ｄ）第３工程（仕上げ）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、側面を矩形状に仕上げ加工する。この場合であっても、所定の厚さの焼入れをすることができているので、仕上げた加工後の側面は焼入れがなされた状態となる。
なお、仮に本実施形態のようにしなかった場合について、図１０の＜本実施形態によらない場合＞を参照して説明をする。

第１工程における機械加工によって、図１０の「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」の＜本実施形態によらない場合＞として示すように、レーザ加工対象領域１１に幅０．５ｍｍ、深さ０．８ｍｍの溝の側面を９０(deg)の角度で矩形状を形成したとする。

そして、第２工程においてレーザ光２０を照射したとする。この場合、図１０の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態によらない場合＞として示すように、溝の側面には、レーザ光２０がほとんど照射されないため、溝の側面はほとんど加熱されない。また、溝の谷底における平坦部については、レーザ光２０が垂直入射されることとなるため、谷底おける平坦部も十分には加熱されない。
結果として溝を形成する矩形状全体において加熱がなされない、そのため、焼入れをすることができない。

これに対して、上述したように、本実施形態によれば、側面において所定の厚さの焼入れをすることができているので、仕上げた加工後の側面は焼入れがされた状態となる。
つまり、本実施形態によれば、切り立った側面を熱処理できる、という効果を奏する。

＜第７の実施形態＞
次に、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して第７の実施形態について説明をする。本実施形態は、第１工程による機械加工を行った結果、レーザ加工対象領域１１の一部が過度に加熱されることを防止する実施形態である。

まず、図１１Ａを参照して、レーザ加工対象領域１１にＶ溝を反復して設けたが、平坦部は設けなかった場合について説明する。この場合、Ｖ溝の吸収率は向上する。更に、レーザ光２０は反射を繰り返してＶ溝の谷底部まで到達する。そのため、図１１Ａの「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」として示すように、反復しているＶ溝の稜線は両側面から加熱されて過度に高温となり、谷底部はレーザ光が集中して過度に加熱され易い。この場合、レーザ加工に用いるレーザ光２０の種類や、ワーク１０の材質等にもよるが、ワーク１０の融点未満の加熱で焼入れを行うはずが、ワーク１０の融点を超えてしまうようなこととなり、問題となる。

そこで、図１１Ｂの「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」として示すように、反復しているＶ溝の頂点や谷底部に平坦部を設ける。すると、その平坦部の吸収率が低いので、図１１Ａのように、頂点や谷底部といった一部分が過度に加熱すること防止できる。そのため、全体として均一な加熱が実現できる、という効果を奏する。なお、図１１Ｂのようにする場合、反復しているＶ溝のピッチは、例えば１ｍｍとする。また、Ｖ溝の頂点の平坦部の高さは、例えば０．５ｍｍとする。

＜第８の実施形態＞
次に、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して第８の実施形態について説明をする。本実施形態は、第１工程における機械加工の方法について考慮した実施形態である。

図１２Ａの「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」として示すように、レーザ加工対象領域１１に対してローレット加工を行うことにより、レーザ加工対象領域１１の表面に凹または凸の錐体もしくは錐体台の形状を無数に形成する。これにより、レーザ光２０の吸収率を高めることができる。

ローレット加工は、例えば、Ｖ溝をクロスして彫り込むような切削を行うことにより実現できる。また、他にも例えば転造により実現することもできる。具体的には、ローレット加工のための型をワーク１０に押し当てることにより、型の形状を刻印することによってワーク１０を塑性変形させることによっても実現できる。

また、図１２Ｂの「（ｂ）第１工程（レーザ照射前）」として示すように、レーザ加工対象領域１１に対して円錐状の窪みを設けることでもレーザ光２０の吸収率を高めることができる。この場合も、切削や転造により、円錐状の窪みを設けるようにするとよい。
以上説明した本実施形態によれば、第１工程における機械加工を種々の方法で実現することができる、という効果を奏する。

＜第９の実施形態＞
次に、図１３を参照して第９の実施形態について説明をする。上述した各実施形態では、第２工程でレーザ加工として、主に焼入れを例に取って説明をしていたが、本実施形態及び後述の第１０の実施形態では、第２工程でレーザ加工として、溶接を例に取って説明する。

まず、本実施形態による場合について説明をする。なお、図１３におけるワーク１０の形状は上述した各実施形態で図示したものと同様の円柱形状であるが、図１３ではワーク１０の断面図を図示する。
図１３の「（Ａ）処理前（素材）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、２つの円柱形状のワーク１０の端面を接触させる。

そして、第１工程において機械加工を行うことにより、図１３の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、２つの円柱形状のワーク１０端部をレーザ加工対象領域１１として、レーザ加工対象領域１１に対して、レーザ光２０の吸収率を高めるための形状を形成する。例えば、反復したＶ溝を形成する。

そして、第２工程においてレーザ光２０をレーザ加工対象領域１１に対して照射する。この点、第１工程によりレーザ加工対象領域１１の吸収率を高めていることから、図１３の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、２つの円柱形状の端部は十分に加熱され、ワーク１０の融点を超える。これにより、２つの円柱形状のワーク１０の端部が溶融し、２つの円柱形状のワーク１０は溶接される。
以上説明した本実施形態では、第１工程にて、レーザ加工対象領域１１の吸収率を高めることから、効率よく溶接を行うことが可能となる。

なお、この状態においても、溶接を行うという目的は達成できるが、必要に応じて更に第３工程を行うようにしてもよい。例えば、図１３の「（ｄ）第３工程（仕上げ）」に示すように、レーザ加工対象領域１１に対して旋削加工を行い、レーザ加工対象領域１１に反復して設けられたＶ溝及び溶接時に膨らんだ部分を除去して、レーザ加工対象領域１１の直径を最終的に所望する直径とするようにしてもよい。
なお、仮に本実施形態のようにしなかった場合について、図１３の＜本実施形態によらない場合＞を参照して説明をする。

図１３の「（Ａ）処理前（素材）」の＜本実施形態によらない場合＞として示すように、２つの円柱形状のワーク１０の端面を接触させる点は、本実施形態による場合と同様である。そして、本実施形態によらない場合には第１工程は行われない。

その後、第２工程においてレーザ光２０を照射したとする。この場合、図１３の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態によらない場合＞として示すように、レーザ加工対象領域１１には吸収率を向上させるような機械加工は行われていないため、２つの円柱形状の端部は十分に加熱されず、ワーク１０の融点は超えない、あるいは、融点を超えるのに時間を要する。

これに対して、本実施形態では、上述したように、第１工程にて、レーザ加工対象領域１１の吸収率を高めることから、効率よく溶接を行うことが可能となる、という効果を奏する。

＜第１０の実施形態＞
次に、図１４を参照して第１０の実施形態について説明をする。本実施形態では、第２工程でレーザ加工として、溶接を例に取って説明する。ここで、第９の実施形態では、２つの円柱形状のワーク１０の端部を溶接していたが、本実施形態では、２つの薄板形状のワーク１０の端部を溶接する。

まず、本実施形態による場合について説明をする。
図１４の「（Ａ）処理前（素材）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、２つの薄板形状のワーク１０の端面を接触させる。
そして、第１工程において機械加工を行うことにより、図１４の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、２つの薄板形状のワーク１０端部をレーザ加工対象領域１１として、レーザ加工対象領域１１に対して、レーザ光２０の吸収率を高めるための形状を形成する。例えば、反復したＶ溝を形成する。この場合、例えばローレット加工のように金型を押しつけて形状を転写する機械加工を行うことにより反復したＶ溝を形成する。

そして、第２工程においてレーザ光２０をレーザ加工対象領域１１に対して照射する。この点、第１工程によりレーザ加工対象領域１１の吸収率を高めていることから、図１４の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態による場合＞として示すように、２つの薄板形状の端部は十分に加熱され、ワーク１０の融点を超える。これにより、２つの薄板形状のワーク１０の端部が溶融し、２つの薄板形状のワーク１０は溶接される。
以上説明した本実施形態では、第１工程にて、レーザ加工対象領域１１の吸収率を高めることから、効率よく溶接を行うことが可能となる。

なお、この状態においても、溶接を行うという目的は達成できるが、必要に応じて更に第３工程を行うようにしてもよい。例えば、図１４の「（ｄ）第３工程（仕上げ）」に示すように、レーザ加工対象領域１１に対してスパロールを利用した機械加工やプレス加工を行い、レーザ加工対象領域１１を平面に仕上げるようにしてもよい。

なお、仮に本実施形態のようにしなかった場合について、図１４の＜本実施形態によらない場合＞を参照して説明をする。
図１４の「（Ａ）処理前（素材）」の＜本実施形態によらない場合＞として示すように、２つの薄板形状のワーク１０の端面を接触させる点は、本実施形態による場合と同様である。そして、本実施形態によらない場合には第１工程は行われない。

その後、第２工程においてレーザ光２０を照射したとする。この場合、図１４の「（ｃ）第２工程（レーザ照射）」の＜本実施形態によらない場合＞として示すように、レーザ加工対象領域１１には吸収率を向上させるような機械加工は行われていないため、２つの薄板形状の端部は十分に加熱されず、ワーク１０の融点は超えない、あるいは、融点を超えるのに時間を要する。

これに対して、本実施形態では、上述したように、第１工程にて、レーザ加工対象領域１１の吸収率を高めることから、効率よく溶接を行うことが可能となる、という効果を奏する。

なお、上記の複合加工装置は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。また、上記の複合加工装置により行なわれる複合加工方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ(Programmable ROM)、ＥＰＲＯＭ(Erasable PROM)、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ(random access memory）)を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

また、上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲において各実施形態を組合せてよい。

１０ ワーク
１１ レーザ加工対象領域
２０ レーザ光
１００ 複合加工装置
１１１ ＣＰＵ
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ ＣＭＯＳメモリ
１１５、１１８、１１９ インタフェース
１１６ ＰＬＣ
１１７ Ｉ／Ｏユニット
１２０ データ通信バス
１３０〜１３４ 軸制御回路
１４０〜１４４ サーボアンプ
１５０〜１５４ サーボモータ
１６０ スピンドル制御回路
１６１ スピンドルアンプ
１６２ スピンドルモータ
１６３ パルスエンコーダ
１７０ 表示器／ＭＤＩユニット
１７１ 操作盤
１７２ 外部機器
１８０ レーザ制御部
１８１ レーザ加工部

Claims (8)

1. レーザ加工手段と、機械加工手段とを、供に備える複合加工装置が行う複合加工方法であって、
   前記機械加工手段は、ネジ切りを含む旋削加工、または切削加工、歯切りナール（ローレット）加工を含む転写転造加工の何れかからなり、
   被加工物上のレーザ加工の対象とする領域であるレーザ加工対象領域に対して、前記複合加工装置による機械加工を行うことにより、前記レーザ加工対象領域の表面形状を所定のレーザ光の吸収率を有する表面形状とする第１工程と、
   前記第１工程終了後に、前記レーザ加工対象領域に対して、前記複合加工装置がレーザ光を照射することにより、前記被加工物を加熱する第２工程と、
   前記第２工程終了後に、前記レーザ加工対象領域に対して、前記複合加工装置による機械加工をさらに行い、前記被加工物を所望の形状とする第３工程と、を備え、
   前記第１工程での機械加工とは、前記レーザ加工対象領域の表面形状を、レーザ光の吸収率を高めた表面形状に形成することであり、
   前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、該表面形状に対する前記レーザ光の半角で表した入射角が、前記レーザ光の半角で表した集光角以上となるように構成した表面形状である複合加工方法。
2. レーザ加工手段と、機械加工手段とを、共に備える複合加工装置を、前記請求項１に記載の前記第１工程、前記第２工程、及び前記第３工程からなる方法を行う複合加工装置として機能させる、複合加工プログラムを備え、実行する、
   請求項１に記載の複合加工方法。
3. 前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、該表面形状に対する前記レーザ光の入射角におけるＰ波成分の吸収率が、垂直入射時におけるＰ波成分及びＳ波成分の合計の吸収率以上となるように構成した表面形状である請求項１又は２に記載の複合加工方法。
4. 前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、Ｖ溝状を含む表面形状である請求項１から３の何れか１項に記載の複合加工方法。
5. 前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、Ｖ溝状の反復を含む表面形状である請求項１から４の何れか１項に記載の複合加工方法。
6. 前記Ｖ溝状の反復を含む表面形状における各Ｖ溝は、Ｖ溝の頂点及び／又は谷底に平坦部を有する請求項５に記載の複合加工方法。
7. 前記レーザ光の吸収率を高めた表面形状とは、凹または凸の錐体もしくは錐体台を含む表面形状である請求項１から６の何れか１項に記載の複合加工方法。
8. 複合加工プログラムであって、
   レーザ加工手段と、機械加工手段とを、共に備える複合加工装置を、請求項１から７までの何れか１項に記載の方法を行う複合加工装置として機能させる、複合加工プログラム。

Images