JP6876083B2 - Method of forming a fracture start part of a metal part - Google Patents
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Description
本発明は、例えば自動車のコネクティングロッド(以下、単に「コンロッド」とする)などの金属製部品の破断開始部を形成する金属製部品の破断開始部形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a fracture start portion of a metal part, for example, for forming a fracture start portion of a metal part such as an automobile connecting rod (hereinafter, simply referred to as a “connecting rod”).
金属製部品を引張り破断して半割りされた部品を再び組み合せた一対の製品として使用する場合がある。このような部品の一例として自動車用部品として知られるコネクティングロッド(以下、単に「コンロッド」とする)があげられる。 It may be used as a pair of products in which metal parts are pulled and broken and the parts divided in half are recombined. An example of such a component is a connecting rod (hereinafter, simply referred to as a "connecting rod") known as an automobile component.
例えば特許文献1には、金属製部品の破断開始部に対応する部分に溝部をブローチ加工によって形成するステップと、溝部の底の部分に複数の凹み部を互いに所定間隔隔てて形成するステップとを有する金属製部品の破断開始部形成方法が開示されている。
For example,
例えば特許文献2には、焦点を貫通孔内周面から一定量だけデフォーカスして貫通孔内周面に照射すると同時に、アシストガスをレーザ光照射位置に供給することで凹み部を形成し、レーザ光を一定のパルスで貫通孔内周面に照射しながらレーザ光を貫通孔内周面の一側開口部から他側開口部まで所定の速度で直線的に移動させる金属製部品の破断開始部形成方法が開示されている。 For example, in Patent Document 2, the focal point is defocused from the inner peripheral surface of the through hole by a certain amount to irradiate the inner peripheral surface of the through hole, and at the same time, an assist gas is supplied to the laser beam irradiation position to form a recessed portion. While irradiating the inner peripheral surface of the through hole with a constant pulse of laser light, the laser light is linearly moved from one side opening to the other side opening of the through hole inner peripheral surface at a predetermined speed. The method of forming a part is disclosed.
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、レーザ加工の前にブローチ等の機械(刃物)加工が必要となる。また、特許文献2に記載の方法では、加工中に除去物を吹き飛ばすためのアシストガスが必要となる。
However, in the method described in
本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で金属製部品の破断開始部を形成する方法を提供することである。 The present invention, on the one hand, has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for forming a fracture start portion of a metal part with a simple configuration.
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above-mentioned problems.
すなわち、本発明の一側面に係る金属製部品の破断開始部形成方法は、所定の貫通孔を有する金属製部品の当該貫通孔内周面に破断開始部を形成する金属製部品の破断開始部形成方法であって、貫通孔の一方の開口部から他方の開口部までを結ぶ貫通孔内周面上の経路に沿って、レーザ光を一定のパルスで照射しながらレーザ光の照射位置を経路に沿って移動させることで、所定距離離間した多数の凹み部を形成するステップを含む。 That is, the method for forming a fracture start portion of a metal part according to one aspect of the present invention is a fracture start portion of a metal part having a predetermined through hole and forming a fracture start portion on the inner peripheral surface of the through hole. It is a forming method, and is a path along the path on the inner peripheral surface of the through hole connecting one opening of the through hole to the other opening, while irradiating the laser beam with a constant pulse at the irradiation position of the laser beam. Including a step of forming a large number of recesses separated by a predetermined distance by moving along.
上記構成では、個々のレーザパルスによって金属が液化し且つヒュームが生じても、レーザ光の出力が低い期間において、液化した金属は凝固しヒュームは拡散する。そのため、レーザパルスが、液化した金属やヒュームに遮られることなく、金属製部品に到達することができる。よって、十分な深さを有し且つ周辺に盛り上がり部が形成されない凹み部から成る破断開始部が形成される。 In the above configuration, even if the metal is liquefied and fume is generated by each laser pulse, the liquefied metal is solidified and the fume is diffused during the period when the output of the laser beam is low. Therefore, the laser pulse can reach the metal part without being blocked by the liquefied metal or fume. Therefore, a fracture starting portion is formed, which is composed of a recessed portion having a sufficient depth and in which a raised portion is not formed in the periphery.
上記一側面に係る金属製部品の破断開始部形成方法において、多数の凹み部を形成するステップは、経路の第1箇所にレーザ光を一定のパルスで所定回数だけ照射することにより一の凹み部を形成した後、経路の第2箇所にレーザ光を一定のパルスで所定回数だけ照射することにより他の凹み部を形成することを含んでもよい。当該構成によれば、加工幅を数値設定するだけで調節できるため多品種生産への対応が容易となる。 In the method for forming a fracture start portion of a metal part according to the above one side surface, in the step of forming a large number of recessed portions, one recessed portion is formed by irradiating the first portion of the path with a laser beam a predetermined number of times with a constant pulse. After forming the above, another recess may be formed by irradiating the second portion of the path with a laser beam with a constant pulse a predetermined number of times. According to this configuration, since the processing width can be adjusted only by setting a numerical value, it becomes easy to support high-mix production.
上記一側面に係る金属製部品の破断開始部形成方法において、多数の凹み部を形成するステップは、レーザ光を一定のパルスで照射しながらレーザ光の照射位置を経路に含まれる所定の範囲内で走査させることを含んでもよい。当該構成によれば、レーザパルスの焦点位置の調節の時間が短縮できる。 In the method for forming a fracture start portion of a metal part according to the above one side surface, the step of forming a large number of dents is within a predetermined range included in the path while irradiating the laser beam with a constant pulse. May include scanning with. According to this configuration, the time for adjusting the focal position of the laser pulse can be shortened.
上記一側面に係る金属製部品の破断開始部形成方法において、レーザ光は、金属に印字するためのレーザマーカによって供給されてもよい。当該構成によれば、レーザマーカという簡易なレーザ光供給源によって、金属製部品に破断開始部を形成することが可能となる。 In the method for forming a break start portion of a metal part according to the one side surface, the laser light may be supplied by a laser marker for printing on the metal. According to this configuration, a fracture start portion can be formed on a metal part by a simple laser beam source called a laser marker.
本発明によれば、簡易な構成で金属製部品の破断開始部を形成する方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for forming a fracture start portion of a metal part with a simple structure.
以下、本発明の一側面に係る実施の形態(以下、「本実施形態」とも表記する)を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。なお、本実施形態において登場するデータを自然言語により説明しているが、より具体的には、コンピュータが認識可能な疑似言語、コマンド、パラメータ、マシン語等で指定される。 Hereinafter, embodiments according to one aspect of the present invention (hereinafter, also referred to as “the present embodiment”) will be described with reference to the drawings. However, the embodiments described below are merely examples of the present invention in all respects. Needless to say, various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. That is, in carrying out the present invention, a specific configuration according to the embodiment may be appropriately adopted. Although the data appearing in the present embodiment is described in natural language, more specifically, it is specified in a pseudo language, a command, a parameter, a machine language, etc. that can be recognized by a computer.
§1 適用例
まず、図1を用いて、本発明が適用される場面の一例について説明する。図1は、本実施の形態に係る破断開始部形成装置1の構成の一例を模式的に例示する。破断開始部形成装置1は、一部に貫通孔を有し、引張り応力をかけて特定の破断部から2分割して半割り部をつくり、当該半割り部の破断面を再び当接させて使用するような金属製部品に、破断開始部を形成するための装置である。本実施の形態に係る破断開始部形成装置1は、例えば、レーザ光照射装置50を有する。レーザ光照射装置50は、本発明の「レーザ光を一定のパルスで照射」する機能を有する装置の一例である。また、レーザ光照射装置50は、本発明の「金属に印字するためのレーザマーカ」の一例であってもよい。本実施の形態に係る金属製部品の破断開始部形成方法では、例えばレーザ光照射装置50が発するパルス状のレーザ光を所定の破断開始部形成位置に照射することにより、金属製部品に破断開始部を形成することができる。
§1 Application example First, an example of a situation in which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 1 schematically illustrates an example of the configuration of the fracture start
図2は、コンロッドの原材料であるコンロッド粗材の破断開始部を、コンロッド粗材の貫通孔の一部を削除して示した斜視図の一例を模式的に例示する。ここで、コンロッドは、本発明の「金属製部品」の一例である。「金属製部品」は、コンロッドに限らず、一部に貫通孔を有し、引張り応力をかけて特定の破断部から2分割して半割り部をつくり、当該半割り部の破断面を再び当接させて使用する部品であれば、例えばベアリングや半割りスペーサ等であってもよい。図2の例では、コンロッド粗材の貫通孔の内周面の半径方向一側において一端開口部から他端開口部にわたる位置(破断開始部形成位置)に破断開始部が形成される。すなわち、破断開始部形成位置において、多数の凹み部が破断開始部として互いに一定距離離間して形成される。 FIG. 2 schematically illustrates an example of a perspective view showing a fracture start portion of a connecting rod rough material, which is a raw material of a connecting rod, with a part of a through hole of the connecting rod rough material removed. Here, the connecting rod is an example of the "metal part" of the present invention. "Metal parts" are not limited to connecting rods, but have through holes in some parts, and apply tensile stress to divide them into two parts from a specific fractured part to make a half-split part, and re-create the fracture surface of the half-split part. As long as the parts are used in contact with each other, for example, a bearing or a half-split spacer may be used. In the example of FIG. 2, a fracture start portion is formed at a position extending from one end opening to the other end opening (break start portion forming position) on one side in the radial direction of the inner peripheral surface of the through hole of the connecting rod rough material. That is, at the fracture start portion forming position, a large number of recessed portions are formed as the fracture start portions at a certain distance from each other.
図3は、破断位置におけるコンロッド粗材の断面図の一例を模式的に例示する。ここで、図3には、本発明の「所定距離離間した多数の凹み部」の一例が示されている。図3の例では、コンロッド粗材の貫通孔の内周面と、レーザパルスの照射方向(凹み部が形成される方向)との角度は約30度であり、凹み部のピッチPは約0.1mmであり、凹み部の深さDは約0.2〜0.5mmである。 FIG. 3 schematically illustrates an example of a cross-sectional view of the connecting rod rough material at the breaking position. Here, FIG. 3 shows an example of "a large number of recessed portions separated by a predetermined distance" of the present invention. In the example of FIG. 3, the angle between the inner peripheral surface of the through hole of the connecting rod rough material and the irradiation direction of the laser pulse (the direction in which the recess is formed) is about 30 degrees, and the pitch P of the recess is about 0. It is .1 mm, and the depth D of the recessed portion is about 0.2 to 0.5 mm.
図4は、本実施の形態に係る破断開始部形成方法におけるレーザパルスの波形図の一例を模式的に例示する。図4の横軸は時間、縦軸は出力を示す。図4に示すレーザパルスは、本発明の「一定のパルス」の一例である。本実施の形態に係る破断開始部形成方法においては、例えば図4に示すような、複数のパルスからなるレーザ光(レーザパルス)を金属製部品に照射することによって破断開始部が形成される。「一定のパルス」の各種パラメータ(レーザパルスの出力、レーザパルスの繰り返し周波数、レーザパルスのパルス幅等)は特に限定されないが、例えば図4に示す例では、レーザパルスの間隔は約15nsであり、繰り返し周波数は約30kHzであり、加工点出力は約16Wである。 FIG. 4 schematically illustrates an example of a waveform diagram of a laser pulse in the method for forming a fracture start portion according to the present embodiment. In FIG. 4, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents output. The laser pulse shown in FIG. 4 is an example of the "constant pulse" of the present invention. In the method for forming a fracture start portion according to the present embodiment, for example, as shown in FIG. 4, a fracture start portion is formed by irradiating a metal part with a laser beam (laser pulse) composed of a plurality of pulses. Various parameters of "constant pulse" (output of laser pulse, repetition frequency of laser pulse, pulse width of laser pulse, etc.) are not particularly limited, but in the example shown in FIG. 4, for example, the interval between laser pulses is about 15 ns. The repetition frequency is about 30 kHz, and the processing point output is about 16 W.
図5は、本実施の形態に係るレーザパルスによって形成された凹み部500の一例を模式的に例示する。図5に示す凹み部500の例では、十分な深さを有し且つ周辺に盛り上がり部が形成されない。これは次のような理由による。すなわち、レーザパルスが照射されると、金属製部品の表面の金属の一部が液化すると共にヒュームが発生する。ここで、本実施の形態に係るレーザパルスでは、個々のレーザパルス間にレーザ光の出力が低い期間(レーザ光の出力が0である期間を含む)が生じる。個々のレーザパルスによって金属が液化し且つヒュームが生じても、当該レーザ光の出力が低い期間において、液化した金属は凝固し、ヒュームは拡散する。次のレーザパルスは、液化した金属やヒュームに遮られることなく、凹み部500の底に到達することができる。そのため、十分な深さを有し且つ周辺に盛り上がり部が形成されない凹み部500が形成される。
FIG. 5 schematically illustrates an example of the recessed
以上のとおり、本実施の形態に係る破断開始部の形成方法は、比較例の破断開始部の形成方法と比較して、凹み部の加工の精度が高く、エネルギー効率にも優れる。 As described above, the method for forming the fracture start portion according to the present embodiment has higher accuracy in processing the recessed portion and is also excellent in energy efficiency as compared with the method for forming the fracture start portion in the comparative example.
§2 構成例
<破断開始部形成装置>
図1に示す例では、破断開始部形成装置1は、細長矩形状の厚板からなるベッド(土台)10と、ベッド10の長手方向に移動可能なスライダ25を備えたX軸テーブル装置20と、ベッド10の上面に垂直方向に設置されて垂直方向への移動可能なスライダ35を備えたY軸テーブル装置30と、X軸テーブル装置20のスライダ25に取り付けられたコンロッド粗材支持部40と、Y軸テーブル装置30のスライダ35に取り付けられたレーザ光照射装置50等を備えている。
§2 Configuration example <Break start part forming device>
In the example shown in FIG. 1, the break start
X軸テーブル装置20は、箱型のハウジング21と、ハウジング21の一端部に取り付けられたサーボモータ22と、ハウジング21の上面にハウジング長手方向全体にわたって取り付けられた2本のガイドレール23a,23bと、ガイドレール上を移動可能なスライダ25と、ハウジング内部に備えられかつサーボモータ22の回転に応じてスライダ25をX軸方向に移動させるボールねじ(図示せず)等を備えている。
The
また、Y軸テーブル装置30は、側面視台形形状のハウジング31と、ハウジング31の上面に取り付けられたサーボモータ32と、ベッド10の上面と垂直方向をなしてハウジング31に互いに平行に取り付けられた2本のガイドレール33a,33bと、ガイドレール上をY軸方向に動くスライダ35と、ハウジング内部に備えられサーボモータ32の回転に応じてスライダ35をY軸方向に移動させるハウジング31に内蔵されたボールネジ(図示せず)とを備えている。
Further, the Y-
コンロッド粗材支持部40は、X軸テーブル装置20のスライダ25に取り付けられたブラッケット部41と、ブラッケット部41の上方においてコンロッド粗材の大端部と小端部に対応する間隔で離間して配置されたプレート42,43と、コンロッド粗材の小端部を押さえ付ける押さえ部44と、コンロッド粗材の押さえ部44をコンロッド粗材小端部に向かって押し付けるエアシリンダ45と、コンロッド粗材大端部の周囲所定部分を拘束する拘束部(図示せず)とを備えている。なお、コンロッド粗材支持部40のプレート42,43にはコンロッド粗材をベッド10の上面に対して平行に配置するための一定厚さの座面(スペーサ)42a,43aが取り付けられている。
The connecting rod rough
レーザ光照射装置50は、レーザ光発信部51と、レーザ光発信部51によって励起されたレーザ光を所定の光路を介して誘導するレーザ光誘導部52と、レーザ光誘導部52の両端に取り付けられ、互いに一定の角度をなした状態でレーザ光誘導部52に取り付けられた2つのレーザ光照射部55,56とからなる。レーザ光照射部55,56はレーザ光誘導部52の側面に取り付けられ、互いのレーザ光照射部55,56が照射するレーザ光が交差するようにレーザ光を照射する先端部55a,56aが互いに一定の角度をなして配置されている。
The laser
<レーザ光照射装置>
次に、図6を用いて、本実施の形態に係るレーザ光照射装置50の機能構成の一例について説明する。図6は、本実施の形態に係るレーザ光照射装置50の機能構成の一例を模式的に例示する。本実施の形態に係るレーザ光照射装置50は、金属に印字するためのレーザマーカとしての機能を有していてもよい。すなわち、以下で説明するとおり、本実施の形態に係る金属製部品の破断開始部形成方法によれば、レーザマーカとして用いられる簡易なレーザ光照射装置50によっても、他の付帯設備等を必要とせずに簡易な構成によって、金属製部品に破断開始部を形成することが可能となる。
<Laser light irradiation device>
Next, an example of the functional configuration of the laser
レーザ光照射装置50は、コントローラ201と、マーカーヘッド202とを含む。コントローラ201と、マーカーヘッド202とは、上述したレーザ光発信部51と、レーザ光誘導部52と、レーザ光照射部55、56等に対応する。
The laser
レーザ光照射装置50は、典型的には、MOPA(Master Oscillator and Power Amplifier)方式のファイバ増幅器を含む。この実施の形態では、レーザ光照射装置50は、2段のファイバ増幅器を含む。より具体的には、コントローラ201は、光増幅ファイバ210と、シード用レーザダイオード(LD)202と、励起用レーザダイオード203,207と、アイソレータ204,206と、コンバイナ205,208と、駆動回路221,222と、制御部220とを含む。
The laser
マーカーヘッド202は、光増幅ファイバ209と、光カプラ216と、アイソレータ211と、ビームエキスパンダ212と、Z軸走査レンズ213と、ガルバノスキャナ214,215とを含む。なお、以下の説明においては、レーザダイオードを単に「LD」と表記することもある。
The
光増幅ファイバ210、シード用LD202、および励起用LD203は、MOPA方式のファイバ増幅器の基本的な構成要素である。光増幅ファイバ210は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを含む。光増幅ファイバ209は、光増幅ファイバ210と同じく、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを含む。
The
光増幅ファイバ210,209のコアに添加される希土類元素の種類は、特に限定されないが、例えば、Yb(イッテルビウム)、Er(エルビウム)、Nd(ネオジム)などを用いることができる。本実施の形態においては、希土類元素としてYbが添加された光増幅ファイバを用いる場合について例示する。光増幅ファイバ210,209は、例えば、コアの周囲に一層のクラッドが設けられたシングルクラッドファイバでもよいし、コアの周囲に二層のクラッドが設けられたダブルクラッドファイバでもよい。
The type of rare earth element added to the cores of the
光増幅ファイバ210は、シード用LD202からのシード光を励起用LD203からの励起光によって増幅する。すなわち、MOPA方式のファイバ増幅器では、励起用LD203からの励起光およびシード用LD202からのパルス状のシード光が、光増幅ファイバ210へ与えられる。光増幅ファイバ210に入射した励起光は、コアに含まれる希土類元素の原子に吸収され、原子の励起を生じる。原子の励起が生じた状態で、シード光が光増幅ファイバ210のコアを伝搬すると、シード光により励起された原子が誘導放出を生じるため、シード光が増幅される。このように、光増幅ファイバ210は、励起光を用いてシード光を増幅することになる。
The
シード用LD202は、レーザ光源であり、シード光を発生するシード光源である。シード光の波長は、例えば、1000〜1100nmの範囲から選択される。駆動回路21は、制御部220からの指令に従って、シード用LD202にパルス状の電流を繰り返して印加することにより、シード用LD202をパルス駆動する。すなわち、シード用LD202はパルス状のシード光を出射する。
The seed LD202 is a laser light source and is a seed light source that generates seed light. The wavelength of the seed light is selected, for example, from the range of 1000 to 1100 nm. The
シード用LD202から出射されるシード光は、アイソレータ204を通過した後に、光増幅ファイバ210へ入射する。アイソレータ204は、光を一方向のみに通過させ、それとは逆方向に入射する光を遮断する機能を有する。アイソレータ204は、シード用LD202からのシード光を通過させるとともに、光増幅ファイバ210からの戻り光を遮断する。これによって、光増幅ファイバ210からの戻り光がシード用LD202に入射するのを防止することができる。これは、光増幅ファイバ210からの戻り光がシード用LD202に入射した場合には、シード用LD202が損傷するおそれがあるからである。
The seed light emitted from the seed LD202 passes through the
励起用LD203は、レーザ光源であり、光増幅ファイバ210のコアに添加された希土類元素の原子を励起するための励起光を発生する励起光源である。希土類元素としてYbを添加した場合、励起光の波長は、例えば915±10nmに設定される。励起用LD203は、駆動回路222によって駆動される。
The excitation LD203 is a laser light source, and is an excitation light source that generates excitation light for exciting the atoms of rare earth elements added to the core of the
シード用LD202からのシード光と励起用LD203からの励起光とは、コンバイナ205により結合されて光増幅ファイバ210に入射する。光増幅ファイバ210がシングルクラッドファイバである場合には、シード光および励起光はいずれもコアに入射する。これに対し、光増幅ファイバ210がダブルクラッドファイバである場合には、シード光はコアに入射し、励起光は第1クラッドに入射する。ダブルクラッドファイバの第1クラッドは励起光の導波路として機能する。第1クラッドに入射した励起光が第1クラッドを伝搬する過程で、コアを通過するモードによりコア中の希土類元素が励起される。
The seed light from the seed LD202 and the excitation light from the excitation LD203 are combined by the
光増幅ファイバ210で増幅されたレーザ光は、アイソレータ206を通り、コンバイナ208において、励起用LD207からの励起光と結合される。励起用LD207は、光増幅ファイバ209のコアに添加された希土類元素の原子を励起するための励起光を発生する。励起用LD207は、駆動回路222によって駆動される。
The laser light amplified by the
光増幅ファイバ209は、光カプラ216によって、コントローラ201からのファイバに光学的に結合される。光増幅ファイバ210によって増幅されたレーザ光は、光増幅ファイバ209の内部において、励起用LD207からの励起光によってさらに増幅される。
The
光増幅ファイバ209から出射されたレーザ光は、アイソレータ211を通過する。アイソレータ211は、光増幅ファイバ209で増幅され、かつ光増幅ファイバ209から出射されたレーザ光を通過させるとともに、光増幅ファイバ209に戻るレーザ光を遮断する。
The laser beam emitted from the
アイソレータ211を通過したレーザ光は、ビームエキスパンダ212によって、そのビーム径が拡大される。Z軸走査レンズ213は、レーザ光をZ軸方向(すなわち上下方向)に走査する。ガルバノスキャナ214,215は、レーザ光を、X軸方向およびY軸方向にそれぞれ走査する。これにより、レーザ光がコンロッド粗材等の加工対象物250の表面において、二次元方向に走査される。なお、図示しないが、レーザ光を集光するためのfθレンズ等の他の光学部品がマーカーヘッド202に含まれてもよい。
The beam diameter of the laser beam that has passed through the
加工対象物250の表面上でレーザ光、すなわち光増幅装置からのレーザパルスを二次元方向に走査することにより、樹脂、金属等を素材とする加工対象物250の表面に加工が施される。 By scanning the laser beam, that is, the laser pulse from the optical amplifier in the two-dimensional direction on the surface of the object to be processed 250, the surface of the object to be processed 250 made of resin, metal or the like is processed.
本実施の形態では、光増幅装置は、1段目の増幅(コントローラ201における光増幅)において励起光を増大するように構成される。しかしながら、マーカーヘッド202が光増幅を行うことは、必ずしも必須ではない。すなわちマーカーヘッド202から光増幅ファイバ209が省略されてもよい。
In the present embodiment, the optical amplifier is configured to increase the excitation light in the first stage amplification (optical amplification in the controller 201). However, it is not always necessary for the
制御部220は、主として、シード用LD202(シード光源)および励起用LD203(励起光源)による光の発生を制御する。より具体的には、制御部220は、上位装置300から、レーザ光の走査のために必要な指令を受信する。さらに、制御部220は、設定装置301を介して、ユーザからの設定を受付ける。制御部220は、設定装置301からのユーザ操作に従って、駆動回路221,222を制御するとともに、ガルバノスキャナ214,215等を制御する。
The
制御部220は、制御指令を与える構成であれば、どのようなハードウェア用いてもよい。例えば、所定のプログラムを実行するコンピュータを用いて、制御部220を実装してもよい。設定装置301としては、例えば、パーソナルコンピュータを使用することができる。パーソナルコンピュータは、入力部として、マウス、キーボード、タッチパネル等を備えることができる。
The
シード用LD202、励起用LD203,7、アイソレータ204,6,11などの光学素子の特性は、温度に依存して変化し得る。そのため、これらの光学素子の温度を一定に保つための温度コントローラをレーザ光照射装置50に設けることがより好ましい。
The characteristics of optical elements such as the seed LD202, the excitation LD203,7, and the
本実施の形態に係るレーザ光照射装置50に対して、ユーザは、加工条件としての各種パラメータを互いに独立に設定することができる。当該パラメータは、限定ではなく例として、レーザパルスの形状、レーザパルスの出力、レーザパルスの繰り返し周波数、レーザパルスのパルス幅、1つの凹み部におけるレーザパルス照射時間、各種パラメータの補正値(X補正値、Y補正値、Z補正値、θX補正値、θY補正値、θZ補正値等)等を含んでもよい。
For the laser
§3 金属製部品の破断開始部形成方法の一例
次に、本実施の形態に係る金属製部品の破断開始部形成方法について説明する。以下では、上述した破断開始部形成装置1を用いた場合を例として、金属製部品の破断開始部形成方法について説明する。
(S1)コンロッド粗材の設置
まず、破断開始部形成装置1のX軸テーブル装置20のスライダ25をガイドレール23a,23bの一側端部に位置させることによって、破断開始部を形成しようとするコンロッド粗材をコンロッド粗材支持部40の所定の取り付け部に取り付ける。そして、X軸テーブル装置20を駆動させてコンロッド粗材支持部40をレーザ光照射部55,56の下方近傍に移動させる。
§3 Example of a method for forming a break start portion of a metal part Next, a method for forming a break start portion of a metal part according to the present embodiment will be described. Hereinafter, a method for forming a fracture start portion of a metal part will be described by taking the case of using the above-mentioned fracture start
(S1) Installation of Connecting Rod Rough Material First, the breaking start portion is formed by locating the
(S2)加工面中心とレーザ光焦点の高さ合わせ
次に、レーザ光照射部55,56の一方の照射部をコンロッド粗材の貫通孔の内周面の一方の対向する部分の半径方向一側に位置させる。このとき、コンロッド粗材の貫通孔の内周面に、レーザ光照射部55、56のレーザ光の焦点が一致するように調整する。
(S2) Matching the Height of the Center of the Machining Surface and the Laser Light Focus Next, one of the laser
(S3)加工条件の設定
次に、設定装置301を操作することにより各種の加工条件を設定する。加工条件は、例えば上述したとおり、レーザパルスの形状、レーザパルスの出力、レーザパルスの繰り返し周波数、レーザパルスのパルス幅、1つの凹み部におけるレーザパルス照射時間、各種パラメータの補正値(X補正値、Y補正値、Z補正値、θX補正値、θY補正値、θZ補正値等)等を含んでもよい。
(S3) Setting of Machining Conditions Next, various machining conditions are set by operating the
(S4)破断開始部の形成
次に、レーザ光発信部51を発信させることによって上述のとおり設定した所定のパルスで、レーザ光照射部(例えば、レーザ光照射部55)によってレーザ光をコンロッド粗材の貫通孔の内周面に照射する。このとき例えば、一の凹み部に対して規定回数のレーザパルスを照射した後、次の凹み部に対するレーザパルスの照射に移行することにより、順次凹み部を形成してもよい。より具体的には、一の凹み部形成位置に対する規定回数(本例では、例えば900回)のレーザパルスの照射が終了すると、隣接する凹み部形成位置にレーザ光照射部の焦点位置が位置するようにコンロッド粗材及びレーザ光照射部の位置が調整された上で、当該隣接する凹み部形成位置に対する規定回数のレーザパルスの照射が実行される。このようにして、コンロッド粗材の貫通孔の内周面の半径方向一側において、一端開口部から他端開口部にわたる破断開始部形成位置(例えば、図2等)に多数の凹み部(例えば、図3等)が破断開始部として互いに一定距離離間して形成される。
(S4) Formation of Breaking Start Part Next, the laser
§4 効果
次に、図7、及び図8を用いて、本実施の形態に係る破断開始部形成方法の効果について説明する。
§4 Effect Next, the effect of the fracture start portion forming method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
図7は、比較例のレーザ光の波形図の一例を模式的に例示する。図7の横軸は時間、縦軸は出力を示す。図7の例では、比較例のレーザ光の波形図は、本実施の形態に係るレーザパルスのように増加と減少とを繰り返さず、出力が0からピーク値まで所定期間をかけて上昇し、その後、所定期間をかけてピーク値から0まで下降する。 FIG. 7 schematically illustrates an example of a waveform diagram of a laser beam of a comparative example. In FIG. 7, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents output. In the example of FIG. 7, the waveform diagram of the laser beam of the comparative example does not repeat the increase and decrease as in the laser pulse according to the present embodiment, and the output increases from 0 to the peak value over a predetermined period. After that, it drops from the peak value to 0 over a predetermined period.
図8は、比較例のレーザ光によって形成された凹み部400の断面図の一例を模式的に例示し,図8は、本実施の形態に係るレーザパルスによって形成された凹み部400の断面図の一例を模式的に例示する。
FIG. 8 schematically illustrates an example of a cross-sectional view of the recessed
図8の例では、比較例のレーザ光によって形成された凹み部400は、十分な深さ400Dを有さず且つ周辺に盛り上がり部401が形成される。これは次のような理由による。すなわち、レーザ光が照射されると、金属製部品の表面の金属の一部が液化すると共にヒュームが発生する。ここで、上述したとおり、比較例のレーザ光はパルス状ではない連続的な変化を示す。そのため、金属製部品の表面の金属が液化し且つヒュームが発生した後で更に当該金属製部品に照射されるレーザ光の一部は、ヒューム又は液化した金属に遮られることにより、当該金属製部品の固体状の部分に到達することができない。そのため、レーザ光のエネルギーが金属製部品に十分に与えられず、凹み部400は十分な深さを有しない。更に、液化した金属はレーザ光が照射されることにより凹み部400の周辺に押しのけられる。そのため、液化し押しのけられた金属は凹み部400の周辺に押し出され、やがて冷却されて凝固し、盛り上がり部401が形成される。
In the example of FIG. 8, the recessed
これに対して、図4に示す例を用いて上述したとおり、本実施の形態に係るレーザパルスによって形成された凹み部500は、個々のレーザパルス間の期間において液化した金属が凝固し且つヒュームが拡散するため、十分な深さを有し且つ周辺に盛り上がり部が形成されない。
On the other hand, as described above using the example shown in FIG. 4, in the recessed
以上のとおり、本実施の形態に係る破断開始部の形成方法は、比較例の破断開始部の形成方法と比較して、凹み部の加工の精度が高く、エネルギー効率にも優れる。 As described above, the method for forming the fracture start portion according to the present embodiment has higher accuracy in processing the recessed portion and is also excellent in energy efficiency as compared with the method for forming the fracture start portion in the comparative example.
図9は、所定条件下におけるレーザパルスの周波数と凹み部の加工深さとの関係を示したグラフの一例を模式的に例示する。当該所定条件では、レーザパワーが80%、凹み部のピッチは0.1mm、凹み部に照射するレーザパルスの数は900である。 FIG. 9 schematically illustrates an example of a graph showing the relationship between the frequency of the laser pulse and the processing depth of the recessed portion under a predetermined condition. Under the predetermined conditions, the laser power is 80%, the pitch of the recessed portion is 0.1 mm, and the number of laser pulses irradiating the recessed portion is 900.
図9に示すグラフにおいて、周波数が0〜約30kHzの範囲では周波数が大きくなるほど加工深さは大きくなり、周波数が約30kHzの場合の加工深さは約0.5mmである。更に、周波数が約30〜約50kHzの範囲では、周波数が大きくなるほど加工深さは小さくなり、周波数が約50kHzの場合の加工深さは約0.1mmである。更に、周波数が約50kHz以上の範囲では、周波数が大きくなるほど加工深さは緩やかに小さくなる。 In the graph shown in FIG. 9, in the frequency range of 0 to about 30 kHz, the processing depth increases as the frequency increases, and when the frequency is about 30 kHz, the processing depth is about 0.5 mm. Further, in the frequency range of about 30 to about 50 kHz, the higher the frequency, the smaller the machining depth, and when the frequency is about 50 kHz, the machining depth is about 0.1 mm. Further, in the frequency range of about 50 kHz or more, the processing depth gradually decreases as the frequency increases.
図9に示すグラフが上述したような態様を示す理由は、以下のように説明することができる。すなわち、レーザパルスが金属製部品に照射されると、金属製部品にはレーザパルスのエネルギーが与えられる。これによりヒュームが発生すると共に、金属は温められ、そのうち一部は融点に達して液化する。ここで、周波数が高い領域では、以前のレーザパルスによって生じたヒュームや液化した金属の残存量が多くなり、これらによって凹み部の底に到達することが妨げられるレーザパルスの割合が増加する。その結果、周波数が高い領域では、周波数の増加に伴って加工深さが小さくなる。一方、周波数が低い領域では、金属が冷却される時間が相対的に長くなる。そのため、例えば融点未満ではあるが融点付近にまで温められた金属も、レーザパルス間の期間において十分に冷却されてしまい、レーザパルスを繰り返し照射されても融点に達しない場合が増加する。その結果、周波数が低い領域では、周波数の減少に伴って加工深さが小さくなる。 The reason why the graph shown in FIG. 9 shows the above-described aspect can be explained as follows. That is, when the laser pulse is applied to the metal part, the energy of the laser pulse is given to the metal part. This creates a fume and warms the metal, some of which reaches its melting point and liquefies. Here, in the high frequency region, the residual amount of fume and liquefied metal generated by the previous laser pulse increases, which increases the proportion of the laser pulse that prevents it from reaching the bottom of the recess. As a result, in the high frequency region, the machining depth decreases as the frequency increases. On the other hand, in the low frequency region, the metal is cooled for a relatively long time. Therefore, for example, a metal that is below the melting point but has been warmed to near the melting point is sufficiently cooled during the period between the laser pulses, and the case where the metal does not reach the melting point even if the laser pulse is repeatedly irradiated increases. As a result, in the low frequency region, the machining depth decreases as the frequency decreases.
図9の例では、上述した条件下において加工深さを大きくするためには、周波数は、10〜50kHzの範囲が好ましく、10〜40kHzの範囲がより好ましく、20〜35kHzの範囲がより好ましい。 In the example of FIG. 9, in order to increase the processing depth under the above-mentioned conditions, the frequency is preferably in the range of 10 to 50 kHz, more preferably in the range of 10 to 40 kHz, and more preferably in the range of 20 to 35 kHz.
§5 変形例
上述した実施の形態では、凹み部を順次に形成するようにレーザパルスの照射を移動させるものとした。すなわち、コンロッド粗材の破断開始部形成位置において、一の箇所に所定の規定回数だけレーザパルスを照射することにより凹み部を形成した後、他の箇所にレーザパルスの照射位置を移動させて、当該他の箇所に所定の規定回数だけレーザパルスを照射することにより凹み部を形成するものとした。しかしながら、これに限らず、例えば、コンロッド粗材の破断開始部形成位置内でレーザパルスの照射位置を走査させることにより、多数の凹み部を形成してもよい。これにより、加工幅を数値設定するだけで調節できるため多品種生産への対応が容易となる。或いは、コンロッド粗材の破断開始部形成位置を複数の区間に区切った上で、当該区間内でレーザパルスの照射位置を走査させることを区間毎に行うことにより、区間毎に凹み部を順次に形成してもよい。これにより、レーザパルスの焦点位置の調節の時間が短縮できる。
§5 Modification example In the above-described embodiment, the laser pulse irradiation is moved so as to sequentially form the recessed portions. That is, at the fracture start portion forming position of the conrod rough material, a recessed portion is formed by irradiating one location with a laser pulse a predetermined number of times, and then the laser pulse irradiation position is moved to another location. A dented portion is formed by irradiating the other portion with a laser pulse a predetermined number of times. However, the present invention is not limited to this, and a large number of recessed portions may be formed by scanning the irradiation position of the laser pulse within the fracture start portion forming position of the connecting rod rough material, for example. As a result, the processing width can be adjusted simply by setting a numerical value, which facilitates support for high-mix production. Alternatively, the position where the breaking start portion of the connecting rod rough material is formed is divided into a plurality of sections, and then the irradiation position of the laser pulse is scanned in each section, so that the recessed portion is sequentially formed for each section. It may be formed. As a result, the time for adjusting the focal position of the laser pulse can be shortened.
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not for limiting and interpreting the present invention. Each element included in the embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those exemplified, and can be changed as appropriate. In addition, the configurations shown in different embodiments can be partially replaced or combined.
[付記1]
所定の貫通孔を有する金属製部品の当該貫通孔内周面に破断開始部を形成する金属製部品の破断開始部形成方法であって、
貫通孔の一方の開口部から他方の開口部までを結ぶ貫通孔内周面上の経路に沿って、レーザ光を一定のパルスで照射しながらレーザ光の照射位置を経路に沿って移動させることで、所定距離離間した多数の凹み部(500)を形成するステップS4を含む、金属製部品の破断開始部形成方法。
[付記2]
多数の凹み部(500)を形成するステップ(S4)は、経路の第1箇所にレーザ光を一定のパルスで所定回数だけ照射することにより一の凹み部(500)を形成した後、経路の第2箇所にレーザ光を一定のパルスで所定回数だけ照射することにより他の凹み部を形成することを含む、付記1に記載の金属製部品の破断開始部形成方法。
[付記3]
多数の凹み部(500)を形成するステップ(S4)は、レーザ光を一定のパルスで照射しながらレーザ光の照射位置を経路に含まれる所定の範囲内で走査させることを含む、付記1に記載の金属製部品の破断開始部形成方法。
[付記4]
レーザ光は、金属に印字するためのレーザマーカ(50)によって供給される、付記1から3のいずれか一項に記載の金属製部品の破断開始部形成方法。
[Appendix 1]
A method for forming a fracture start portion of a metal part having a predetermined through hole by forming a fracture start portion on the inner peripheral surface of the through hole.
To move the irradiation position of the laser beam along the path along the path on the inner peripheral surface of the through hole connecting one opening of the through hole to the other opening while irradiating the laser beam with a constant pulse. A method for forming a fracture start portion of a metal part, comprising step S4 for forming a large number of recessed portions (500) separated by a predetermined distance.
[Appendix 2]
In the step (S4) of forming a large number of recesses (500), one recess (500) is formed by irradiating the first portion of the path with a laser beam a predetermined number of times with a constant pulse, and then the path (S4) is formed. The method for forming a break start portion of a metal part according to
[Appendix 3]
The step (S4) of forming a large number of recesses (500) includes scanning the irradiation position of the laser beam within a predetermined range included in the path while irradiating the laser beam with a constant pulse. The method for forming a fracture start portion of a metal part according to the above.
[Appendix 4]
The method for forming a fracture start portion of a metal part according to any one of
1…破断開始部形成装置
10…ベッド
20 …X軸テーブル装置
21 …ハウジング
22…サーボモータ
23a,23b…ガイドレール
25…スライダ
30 …Y軸テーブル装置
31 …ハウジング
32 …サーボモータ
33a,33b…ガイドレール
35 …スライダ
40 …コンロッド粗材支持部
41…ブラッケット部
42,43…プレート
42a,43a…座面(スペーサ)
44…押さえ部
45 …エアシリンダ
50 …レーザ光照射装置
51 …レーザ光発信部
52 …レーザ光誘導部
55、56 …レーザ光照射部
55a,56a… 先端部
201 …コントローラ
202…マーカーヘッド
203,207 …励起用レーザダイオード
204,206、211…アイソレータ
205,208…コンバイナ
209、210…光増幅ファイバ
216…光カプラ
212…ビームエキスパンダ
213 …Z軸走査レンズ
214,215… ガルバノスキャナ
220 …制御部
221,222… 駆動回路
250…加工対象物
300 …上位装置
301 … 設定装置
400 …凹み部
401…盛り上がり部
500 …凹み部
1 ... Break start
44 ... Pressing
Claims (2)
前記貫通孔の一方の開口部から他方の開口部までを結ぶ前記貫通孔内周面上の経路に沿って、波長が1000〜1100nmであるシード光及び波長が905〜925nmである励起光が結合されて増幅されたレーザ光であって金属に印字するためのレーザマーカによって供給されるレーザ光を10〜50kHzの繰り返し周波数であって出力が0である期間を含む三角波のパルス波形で凹み部毎に900回以上ずつ照射しながら前記レーザ光の照射位置を前記経路に沿って移動させることで、所定距離離間した多数の凹み部を形成するステップを含む、金属製部品の破断開始部形成方法。 A method for forming a fracture start portion of a metal part having a predetermined through hole by forming a fracture start portion on the inner peripheral surface of the through hole.
Seed light having a wavelength of 1000 to 1100 nm and excitation light having a wavelength of 905 to 925 nm are combined along a path on the inner peripheral surface of the through hole connecting one opening of the through hole to the other opening. The laser light that has been amplified and supplied by the laser marker for printing on metal is a triangular wave pulse waveform that includes a period with a repetition frequency of 10 to 50 kHz and an output of 0 for each recess. A method for forming a break start portion of a metal part, which comprises a step of forming a large number of recessed portions separated by a predetermined distance by moving the irradiation position of the laser beam along the path while irradiating the laser beam 900 times or more.
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