JP6877297B2 - Laser processing equipment, cylinder block manufacturing method, and cylinder block - Google Patents

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Description

本発明は、被加工物の表面に線状の溝を形成するレーザ加工装置、シリンダブロックの製造方法、及び、シリンダブロックに関する。 The present invention relates to a laser machining apparatus for forming a linear groove on the surface of a work piece, a method for manufacturing a cylinder block, and a cylinder block.

従来、材料表面にレーザ光を照射して多数の独立した微細な窪みを形成し、その窪みに潤滑油脂を保持させることで、面粗度を極小化した平滑面を作り出し、相手側部材との良好な摺動特性を得る技術が知られている。 Conventionally, the surface of a material is irradiated with laser light to form a large number of independent fine dents, and the lubricating oil and fat are retained in the dents to create a smooth surface with minimal surface roughness, which is used with the mating member. A technique for obtaining good sliding characteristics is known.

例えば、特許文献1による、シリンダブロックの内周面(シリンダ面)に微細周期性溝を形成する装置では、フェムト秒レーザを発振するフェムト秒レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、シリンダブロックを把持するとともに三次元方向(X軸,Y軸,Z軸の三方向)に移動させるワーク制御テーブルを備えている。レーザ加工ヘッドには、加工種別に応じて異なるホモジナイザが配置される。シリンダ面に微細周期性溝を加工する場合には、周期性溝用ホモジナイザが用いられる。周期性溝用ホモジナイザは、入射したレーザ光のエネルギ分布を矩形に整形することで、エネルギ効率を高めた1本のレーザ光を生成する。シリンダブロックを三次元方向に移動させながらレーザ光を照射することによって、シリンダ面に微細周期性溝を形成する。また、シリンダ面にディンプルを加工する場合には、ディンプル加工用ホモジナイザが用いられる。ディンプル加工用ホモジナイザは、入射したレーザ光のエネルギ分布をエネルギ密度の高い複数のスポットに分けることで、多数のレーザ光を生成する。この多数のレーザ光を、シリンダ面に照射することによって、シリンダ面にディンプルを形成する。 For example, in the device for forming a fine periodic groove on the inner peripheral surface (cylinder surface) of a cylinder block according to Patent Document 1, a femtosecond laser oscillator that oscillates a femtosecond laser, a laser processing head, and a cylinder block are gripped. It also has a work control table that moves in three-dimensional directions (X-axis, Y-axis, and Z-axis). Different homogenizers are arranged on the laser machining head according to the machining type. When machining a fine periodic groove on the cylinder surface, a periodic groove homogenizer is used. The periodic groove homogenizer generates a single laser beam with improved energy efficiency by shaping the energy distribution of the incident laser beam into a rectangular shape. By irradiating the laser beam while moving the cylinder block in the three-dimensional direction, a fine periodic groove is formed on the cylinder surface. Further, when dimples are machined on the cylinder surface, a dimple machining homogenizer is used. The dimple processing homogenizer generates a large number of laser beams by dividing the energy distribution of the incident laser beams into a plurality of spots having high energy densities. By irradiating the cylinder surface with this large number of laser beams, dimples are formed on the cylinder surface.

特許文献1によるレーザ加工装置において、周期性溝用ホモジナイザを用いた溝の加工では、ワーク制御テーブルの動きを正確に制御すれば、精度の高い溝を形成することができるが、1本のレーザ光で1本の溝を加工することになるので、加工時間が長くなるという問題がある。ディンプル加工用ホモジナイザによるディンプル形成時に、ワーク制御テーブルを移動させ、ディンプルを線状に形成させたとしても、そのような溝は、溝幅が大き過ぎ、さらには溝同士がランダムに重なってしまい、意図された摺動特性が得られないという問題が生じる。 In the laser processing apparatus according to Patent Document 1, in groove processing using a periodic groove homogenizer, a highly accurate groove can be formed by accurately controlling the movement of the work control table, but one laser Since one groove is machined with light, there is a problem that the processing time becomes long. Even if the work control table is moved to form the dimples linearly when the dimples are formed by the dimple processing homogenizer, the groove width is too large and the grooves are randomly overlapped with each other. The problem arises that the intended sliding characteristics cannot be obtained.

特開2008−200700号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-200700

上述した実情に鑑み、被加工物の表面に適切な間隔で延びる複数の溝を短い加工時間で形成することができるレーザ加工装置が要望されている。 In view of the above-mentioned circumstances, there is a demand for a laser machining apparatus capable of forming a plurality of grooves extending at appropriate intervals on the surface of a workpiece in a short machining time.

被加工物であるエンジンのシリンダブロックの円筒内壁面に線状の隣接する複数の溝を形成する、本発明によるレーザ加工装置は、1本のレーザ光から分岐した複数の分岐レーザ光をそれぞれ独立して同一方向に向かう分岐レーザ光群として同一の前記円筒内壁面に照射する照射口を有する照射プローブと、前記分岐レーザ光の照射点によって前記円筒内壁面が走査されるように、前記シリンダブロックを取り付ける加工台とを備え、1つ以上の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の1つを形成すると同時に、他の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の他の1つを形成する。 The laser processing apparatus according to the present invention, which forms a plurality of linear adjacent grooves on the inner wall surface of the cylinder of the cylinder block of the engine to be processed, independently separates a plurality of branched laser beams branched from one laser beam. The cylinder block so that the inner wall surface of the cylinder is scanned by the irradiation probe having an irradiation port for irradiating the same inner wall surface of the cylinder as a group of branched laser light heading in the same direction and the irradiation point of the branched laser light. One or more of the branched laser beams form one of the plurality of grooves, and at the same time, the other branched laser beams form another one of the plurality of grooves.

この構成によれば、複数の分岐レーザ光のそれぞれが、独立して被加工物に向かい、所定の照射ポイントで被加工物の表面を照射する。これにより、被加工物の表面の各照射ポイントには窪みが形成される。その際、被加工物と分岐レーザ光との間には相対的な移動が生じており、その相対的な移動により、分岐レーザ光によって形成された窪みは、線状の溝となる。その際、複数の分岐レーザ光が共通して1つの溝を形成するのではなく、少なくとも複数の溝を形成するように、分岐レーザ光の分布が調整されている。これにより、このレーザ加工装置では、1本のレーザ光から分岐された分岐レーザ光の走査によって、同時に複数の溝が形成されるので、良好な摺動特性を生み出す微細溝の形成が短時間で達成される。 According to this configuration, each of the plurality of branched laser beams independently directs to the workpiece and irradiates the surface of the workpiece at a predetermined irradiation point. As a result, dents are formed at each irradiation point on the surface of the workpiece. At that time, a relative movement occurs between the workpiece and the branched laser beam, and the recess formed by the branched laser beam becomes a linear groove due to the relative movement. At that time, the distribution of the branched laser light is adjusted so that the plurality of branched laser beams do not form one groove in common, but form at least a plurality of grooves. As a result, in this laser processing apparatus, a plurality of grooves are formed at the same time by scanning the branched laser beam branched from one laser beam, so that fine grooves that produce good sliding characteristics can be formed in a short time. Achieved.

本発明の好適な実施形態の1つでは、前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点が、複数の互いに平行な直線上に位置するように構成されている。この構成では、分岐レーザ光と被工作物の相対移動を直線運動とするだけで、複数の分岐レーザ光による互いに平行な直線状の溝が形成される。この構成は、互いに平行な直線状の溝の形成が要望される場合に適している。なお、ここでの直線は広い意味で用いられており、湾曲面上でのみなし直線(最短線など)も含まれている。 In one of the preferred embodiments of the present invention, the irradiation points of the branched laser beam in the branched laser beam group are configured to be located on a plurality of straight lines parallel to each other. In this configuration, only by making the relative movement of the branched laser beam and the workpiece a linear motion, linear grooves parallel to each other are formed by the plurality of branched laser beams. This configuration is suitable when the formation of linear grooves parallel to each other is desired. The straight line here is used in a broad sense, and includes a deemed straight line (shortest line, etc.) on a curved surface.

同時に多くの溝を形成するためには、多数の分岐レーザ光が必要となる。また、多数の分岐レーザ光をコンパクトに分布させるためには、多数の分岐レーザ光を線上に配置するのではなく、面上に配置(2次元配置)することが好ましい。さらに、多数の溝を一様な分布で形成するためには、多数の分岐レーザ光の照射点が格子点を形成するような配置が好適である。このため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点が、複数の互いに交差する直線上に位置するように構成されている。また、多数の分岐レーザ光の照射点が正方格子点を構成することで、形成される溝の分布が一様なものになる。したがって、分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点の間隔を同じにすることも好適な実施形態の1つである。 In order to form many grooves at the same time, a large number of branched laser beams are required. Further, in order to compactly distribute a large number of branched laser beams, it is preferable to arrange a large number of branched laser beams on a surface (two-dimensional arrangement) instead of arranging them on a line. Further, in order to form a large number of grooves with a uniform distribution, it is preferable to arrange the irradiation points of a large number of branched laser beams to form lattice points. Therefore, in one of the preferred embodiments of the present invention, the irradiation points of the branched laser beams in the branched laser beam group are configured to be located on a plurality of straight lines intersecting each other. Further, since the irradiation points of a large number of branched laser beams form a square lattice point, the distribution of the formed grooves becomes uniform. Therefore, it is also one of the preferred embodiments that the intervals between the irradiation points of the branched laser beam in the branched laser beam group are the same.

本発明の好適な実施形態の1つでは、前記分岐レーザ光群における少なくとも2つ以上の前記分岐レーザ光が同一の溝を形成するように構成されている。この構成では、複数の分岐レーザ光によって形成される溝は、与えられるエネルギが倍加されるので、より大きな断面を有することができる。この構成は、同時に形成される溝の本数を減じても、より大きな溝断面を形成したい場合に適している。これとは逆に、同時にできるだけ多くの溝を形成したい場合には、前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光のそれぞれが異なる溝を形成するように、構成される。この構成では、1つの分岐レーザ光が1つの溝形成に割り与えられるので、分岐レーザ光の数だけ、同時に溝が形成され、多数の溝を短時間で形成することができる。 In one of the preferred embodiments of the present invention, at least two or more of the branched laser beams in the branched laser beam group are configured to form the same groove. In this configuration, the groove formed by the plurality of branched laser beams can have a larger cross section because the energy given is doubled. This configuration is suitable when it is desired to form a larger groove cross section even if the number of grooves formed at the same time is reduced. On the contrary, when it is desired to form as many grooves as possible at the same time, the branched laser beams in the branched laser beam group are configured to form different grooves. In this configuration, since one branched laser beam is allocated to one groove formation, as many grooves as the number of branched laser beams are formed at the same time, and a large number of grooves can be formed in a short time.

表面に微細な窪みを形成することによって摺動特性を改善する技術は、エンジンシリンダの内壁面に適用することで、良好な結果をもたらす。本発明では、円筒内壁面全体に形成されるべき溝は、同時照射される複数の分岐レーザによって形成されるので、この加工時間は、1本の光ビームによる加工に比べて、大幅に短縮される。
また、本発明のシリンダブロックの製造方法は、
エンジンのシリンダブロックの円筒内壁面に線状の隣接する複数の溝を形成する方法であり、1本のレーザ光から分岐した複数の分岐レーザ光をそれぞれ独立して同一方向に向かう分岐レーザ光群として同一の前記円筒内壁面に照射する工程と、1つ以上の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の1つを形成すると同時に、他の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の他の1つを形成するように、前記分岐レーザ光の照射点が前記円筒内壁面を走査する工程とを備える。
また、本発明のシリンダブロックは、レーザ光源からのレーザ光を複数の分岐レーザ光に分岐した分岐レーザ光が照射されることにより形成された溝を有する内周壁を備え
Techniques for improving sliding properties by forming fine depressions on the surface, when applied to the inner wall of an engine cylinder, yield good results. In the present invention, since the groove to be formed on the entire inner wall surface of the cylinder is formed by a plurality of branched lasers simultaneously irradiated, this processing time is significantly shortened as compared with processing by a single light beam. To.
Further, the method for manufacturing a cylinder block of the present invention is as follows.
This is a method of forming a plurality of linear adjacent grooves on the inner wall surface of the cylinder of the cylinder block of the engine. A group of branched laser beams in which a plurality of branched laser beams branched from one laser beam are independently directed in the same direction. The step of irradiating the same inner wall surface of the cylinder and one or more of the branched laser beams form one of the plurality of grooves, and at the same time, the other branched laser beam is formed by the other one of the plurality of grooves. The step of scanning the inner wall surface of the cylinder with the irradiation point of the branched laser beam is provided so as to form the above.
Further, the cylinder block of the present invention, Ru includes an inner wall having grooves branching laser light branching the laser beam from the laser light source into a plurality of branch laser beam is formed by being irradiated.

本発明によるレーザ加工装置の構成例を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structural example of the laser processing apparatus by this invention. 回折光学素子によって分岐された複数の分岐レーザ光による同時複数溝加工の加工開始時の状態を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the state at the time of the start of processing of simultaneous multiple groove processing by a plurality of branched laser beams branched by a diffractive optical element. 回折光学素子によって分岐された複数の分岐レーザ光による同時複数溝加工の加工途中の状態を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the state in the process of processing of simultaneous multiple groove processing by the plurality of branched laser beams branched by a diffractive optical element. シリンダ内壁面に形成された溝を示す正面図である。It is a front view which shows the groove formed in the inner wall surface of a cylinder. シリンダ内壁面に形成された溝を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the groove formed in the inner wall surface of a cylinder. 溝加工の実験結果を示す、溝群の拡大図である。It is an enlarged view of the groove group which shows the experimental result of grooving. 溝加工の実験結果を示す、溝群の断面状態をグラフ化した図である。It is a figure which graphed the cross-sectional state of a groove group which shows the experimental result of grooving.

以下、エンジンのシリンダブロックの内壁面に多数の溝を形成する溝加工に、本発明によるレーザ加工装置を適用した例を説明する。図1は、そのような適用例でのレーザ加工装置の構成を模式的に示している。被加工物であるシリンダブロック1は、そのごく一部だけが図示されている。 Hereinafter, an example in which the laser processing apparatus according to the present invention is applied to the groove processing for forming a large number of grooves on the inner wall surface of the cylinder block of the engine will be described. FIG. 1 schematically shows the configuration of a laser processing apparatus in such an application example. Only a small part of the cylinder block 1 which is a work piece is shown.

レーザ加工装置は、レーザ装置本体2、照射プローブ3、加工台4、走査機構5、制御コントローラ6を備えている。レーザ装置本体2には、高エネルギのレーザ光である超短パルスレーザを生成するレーザ光源20と、ミラー21を含む一次レーザ光学系が含まれている。照射プローブ3は、レーザ装置本体2と光学的に接続されており、対物レンズユニット31、回折光学素子32、ミラー33を含む二次レーザ光学系が内蔵されている。レーザ光源20から送られてきたレーザ光は、対物レンズユニット31によってフォーカシングされ、回折光学素子32に入射する。回折光学素子32は、入射したレーザ光を、それぞれ独立して実質的に同一方向に向かう、複数の分岐レーザ光に分岐させる機能を有する。複数の分岐レーザ光は所定の断面形状を有する分岐レーザ光群として、ミラー33で方向転換し、シリンダブロック1の円筒内壁面1aを、実質的に垂直に照射する。つまり、円筒内壁面1aには、分岐レーザ光の数だけの照射点が生じる。円筒内壁面1aないしは仮想平面での照射点の分布パターンとして、複数の互いに平行な直線上に位置するパターンや、複数の互いに交差(直交を含む)する直線上に位置するパターンなどが用いられる。回折光学素子32は着脱自在であり、回折光学素子32を交換することで、分岐レーザ光の数やその分布形状を変更することができる。 The laser processing apparatus includes a laser apparatus main body 2, an irradiation probe 3, a processing table 4, a scanning mechanism 5, and a control controller 6. The laser apparatus main body 2 includes a laser light source 20 that generates an ultrashort pulse laser that is a high-energy laser beam, and a primary laser optical system that includes a mirror 21. The irradiation probe 3 is optically connected to the laser apparatus main body 2, and has a built-in secondary laser optical system including an objective lens unit 31, a diffractive optical element 32, and a mirror 33. The laser light sent from the laser light source 20 is focused by the objective lens unit 31 and incident on the diffractive optical element 32. The diffractive optical element 32 has a function of branching the incident laser light into a plurality of branched laser beams, which are independently directed in substantially the same direction. The plurality of branched laser beams are directed by the mirror 33 as a group of branched laser beams having a predetermined cross-sectional shape, and irradiate the inner wall surface 1a of the cylinder of the cylinder block 1 substantially vertically. That is, as many irradiation points as the number of branched laser beams are generated on the inner wall surface 1a of the cylinder. As the distribution pattern of the irradiation points on the inner wall surface 1a of the cylinder or the virtual plane, a pattern located on a plurality of straight lines parallel to each other, a pattern located on a plurality of straight lines intersecting (including orthogonalities) with each other, and the like are used. The diffractive optical element 32 is removable, and the number of branched laser beams and the distributed shape thereof can be changed by exchanging the diffractive optical element 32.

対物レンズユニット31、回折光学素子32、ミラー33は、ハウジング30内に収納されている。ハウジング30は、少なくともシリンダブロック1に接近する可能性のある部分は密閉構造となっているが、分岐レーザ光群が通過するための照射口30aを形成するため、その部分だけは開放されている。照射口30aの大きさは、できるだけハウジング30の内部にガスや加工くずや異物が侵入しないように、分岐レーザ光群の断面とほぼ同じとしている。さらに、図示されていないが、照射口30a周辺の空気を吸引する吸引ユニットが設けられており、照射口30aに侵入する異物あるいは侵入した異物を吸引除去する。その際、少なくとも、シリンダブロック1と照射プローブ3とを覆うカバーが設けられ、その中の空気を吸引するようにすれば、吸引効率が改善される。また、吸引ユニットに代えて、エアカーテン等の遮断ユニットを設けてもよい。 The objective lens unit 31, the diffractive optical element 32, and the mirror 33 are housed in the housing 30. The housing 30 has a closed structure at least in a portion that may approach the cylinder block 1, but only that portion is open in order to form an irradiation port 30a through which the branched laser beam group passes. .. The size of the irradiation port 30a is substantially the same as the cross section of the branched laser beam group so that gas, processing debris, and foreign matter do not enter the inside of the housing 30 as much as possible. Further, although not shown, a suction unit for sucking the air around the irradiation port 30a is provided to suck and remove the foreign matter that has entered the irradiation port 30a or the foreign matter that has entered. At that time, if at least a cover covering the cylinder block 1 and the irradiation probe 3 is provided and the air in the cover is sucked, the suction efficiency is improved. Further, instead of the suction unit, a shutoff unit such as an air curtain may be provided.

加工台4は、被加工物を取り付けて固定する構造を有し、被加工物に応じて異なる構造が採用される。この実施形態では、加工台4にはシリンダブロック1が取り付けられるが、その構造は、良く知られているので、ここでは、模式的にしか示されていない。 The processing table 4 has a structure for attaching and fixing the work piece, and a different structure is adopted depending on the work piece. In this embodiment, the cylinder block 1 is attached to the processing table 4, but since the structure thereof is well known, it is shown only schematically here.

加工台4に取り付けられたシリンダブロック1は、照射プローブ3、つまり分岐レーザ光群との間でその相対位置を変えることで、分岐レーザ光の照射点を照射面である円筒内壁面1a上で走査することができる。そのような相対位置の変更は、加工台4または照射プローブ3あるいはその両方を、X軸、Y軸、Z軸の3軸、またはそのうちの2軸に沿っての移動や、当該軸周りの回転運動によって実現される。この実施形態では、この相対位置の変更のために、走査機構5が加工台4及び照射プローブ3に組み付け、または組み込まれている。具体的には、照射プローブ3には、第1走査機構51として、Y軸周りの回転駆動機構が組み付けられている。さらに、加工台4には、第2走査機構52として、X軸、Y軸、Z軸方向の移動駆動機構が組み込まれている。なお、ここでは、Y軸方向はシリンダブロック1の軸心方向であり、X軸方向とZ軸方向は、シリンダブロック1の軸心方向である。 The cylinder block 1 attached to the processing table 4 changes its relative position with the irradiation probe 3, that is, the branched laser beam group, so that the irradiation point of the branched laser beam is set on the cylindrical inner wall surface 1a which is the irradiation surface. Can be scanned. Such a relative position change is the movement of the processing table 4 and / or the irradiation probe 3 along the X-axis, the Y-axis, the Z-axis, or two of them, and the rotation around the axis. Realized by exercise. In this embodiment, the scanning mechanism 5 is assembled or incorporated in the processing table 4 and the irradiation probe 3 in order to change the relative position. Specifically, the irradiation probe 3 is assembled with a rotation drive mechanism around the Y axis as the first scanning mechanism 51. Further, the processing table 4 incorporates a moving drive mechanism in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions as the second scanning mechanism 52. Here, the Y-axis direction is the axial direction of the cylinder block 1, and the X-axis direction and the Z-axis direction are the axial directions of the cylinder block 1.

制御コントローラ6には、加工管理部60、レーザ制御部61、走査制御ユニット62が備えられている。レーザ制御部61は、レーザ光源20の駆動を制御し、被加工物であるシリンダブロック1に要求される溝を形成するために適正なレーザ光を所定の周期で励起する。走査制御ユニット62は、第1走査機構51の動作を制御する第1走査制御部621と、第2走査機構52の動作を制御する第2走査制御部622とを備えている。走査制御ユニット62は、第1走査制御部621と第2走査制御部622との組み合わせ制御により被加工物であるシリンダブロック1に円筒内壁面1aに種々のパターンの溝を形成するためのプログラムを格納することができる。加工管理部60は、シリンダブロック1の円筒内壁面1aに形成されるべき溝パターンに応じて、レーザ制御部61と走査制御ユニット62とに与える制御パラメータを決定する。このような制御パラメータは、ユーザが直接入力することが可能であり、予め設定されているパラメータテーブルから任意に選択することも可能である。 The control controller 6 includes a machining control unit 60, a laser control unit 61, and a scanning control unit 62. The laser control unit 61 controls the drive of the laser light source 20 and excites an appropriate laser beam at a predetermined period in order to form a groove required for the cylinder block 1 which is a workpiece. The scanning control unit 62 includes a first scanning control unit 621 that controls the operation of the first scanning mechanism 51, and a second scanning control unit 622 that controls the operation of the second scanning mechanism 52. The scanning control unit 62 provides a program for forming various patterns of grooves on the inner wall surface 1a of the cylinder in the cylinder block 1 which is a workpiece by controlling the combination of the first scanning control unit 621 and the second scanning control unit 622. Can be stored. The machining control unit 60 determines the control parameters given to the laser control unit 61 and the scanning control unit 62 according to the groove pattern to be formed on the inner wall surface 1a of the cylinder of the cylinder block 1. Such control parameters can be directly input by the user and can be arbitrarily selected from a preset parameter table.

シリンダブロック1の円筒内壁面1aに同時に複数の溝を、所望の溝パターンで形成する基本原理を、図2と図3とを用いて説明する。図2は加工開始時の状態を示しており、図3はその後の加工途中の状態を示している。照射プローブ3とシリンダブロック1とが所定の開始位置にセットされると、レーザ光源20が駆動される。レーザ光源20から出たレーザ光は、回折光学素子32に入射すると、複数の分岐レーザ光に分岐する。図2と図3の例では、3×3の正方格子状の分布で9つの分岐レーザ光が生じている。各分岐レーザ光は互いに独立して同方向に向かっており、シリンダブロック1の円筒内壁面1aを実質的に垂直に照射している。分岐レーザ光は円筒内壁面1aに窪みを形成するエネルギ強度を有するので、円筒内壁面1aでの照射点には窪み(図2では、P11・・・P33で示されている)が形成される。同時に、走査制御ユニット62からの走査制御信号に基づいて第1走査機構51が動作し、照射プローブ3がシリンダブロック1の軸心周りで回転する。これにより、分岐レーザ光の照射点が円筒内壁面1aの周方向に沿って移動し、照射点に形成される窪みが線上に延びて直線状の溝(図3では、L11・・・L33で示されている)を形成する。図3では、照射点の分布が3×3の正方格子状であり、走査方向がその正方格子の横方向に沿ったものとなっている。したがって、そのまま横方向走査を続けると、L11とL12とL13の溝、及びL21とL22とL23の溝、さらにL31とL32とL33の溝は1本の溝となり、合計3本の溝が形成される。この各溝は、3つの分岐レーザ光によって形成されたことになる。これは特殊な例であり、走査方向を傾斜させることにより、1つ以上の分岐レーザ光が1つの溝を形成し、他の分岐レーザ光が他の溝を形成するように変化する。走査方向を適切に選択することで、各分岐レーザ光が互いに独立した溝を形成することも可能であり、その場合、この例では、9本の溝が同時に形成される。 The basic principle of forming a plurality of grooves simultaneously on the inner wall surface 1a of the cylinder of the cylinder block 1 with a desired groove pattern will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 shows a state at the start of machining, and FIG. 3 shows a state during subsequent machining. When the irradiation probe 3 and the cylinder block 1 are set at predetermined start positions, the laser light source 20 is driven. When the laser light emitted from the laser light source 20 enters the diffractive optical element 32, it branches into a plurality of branched laser lights. In the examples of FIGS. 2 and 3, nine branched laser beams are generated in a 3 × 3 square grid-like distribution. The branched laser beams are independently directed in the same direction, and irradiate the inner wall surface 1a of the cylinder of the cylinder block 1 substantially vertically. Since the branched laser beam has the energy intensity to form a depression on the inner wall surface 1a of the cylinder, a depression (indicated by P11 ... P33 in FIG. 2) is formed at the irradiation point on the inner wall surface 1a of the cylinder. .. At the same time, the first scanning mechanism 51 operates based on the scanning control signal from the scanning control unit 62, and the irradiation probe 3 rotates around the axis of the cylinder block 1. As a result, the irradiation point of the branched laser beam moves along the circumferential direction of the inner wall surface 1a of the cylinder, and the recess formed at the irradiation point extends on the line to form a linear groove (L11 ... L33 in FIG. 3). (Shown) to form. In FIG. 3, the distribution of irradiation points is in the form of a 3 × 3 square grid, and the scanning direction is along the lateral direction of the square grid. Therefore, if the lateral scanning is continued as it is, the grooves of L11, L12 and L13, the grooves of L21, L22 and L23, and the grooves of L31, L32 and L33 become one groove, and a total of three grooves are formed. To. Each of these grooves is formed by three branched laser beams. This is a special case, in which the scanning direction is tilted so that one or more branched laser beams form one groove and the other branched laser beam forms another groove. By appropriately selecting the scanning direction, it is also possible for each branched laser beam to form grooves that are independent of each other, in which case, in this example, nine grooves are formed at the same time.

シリンダブロック1の円筒内壁面1aの溝加工によって摺動特性を向上、さらにはエンジン自体の性能を向上させるためには、多数の精密な溝形成が要求される。図4と図5とに、そのような多数の溝が形成された円筒内壁面1aの一部が模式的に示されている。なお、シリンダブロックはねずみ鋳鉄製で、溝の幅は百分の数ミリ、溝の深さは、千分の数ミリ、溝ピッチは、溝幅の数倍となっている。シリンダブロック1の軸方向に対する溝の傾斜は45°〜75°程度である。多数の溝を同時に形成するレーザ加工装置では、多数の分岐レーザ光、例えば、7×7の格子状分布を有する49本の分岐レーザ光からなる分岐レーザ光群が用いられる。レーザ光は回折光学素子32によって49本の分岐レーザ光に分岐されるので、レーザ光源20は高エネルギレーザ光を励起する必要がある。逆に、レーザ光ないしは分岐レーザ光の強度が強すぎると、溝加工面にバリが生じ、またレーザ光学系の負担も大きくなる。このため、レーザ光源20は超短パルスレーザを励起する装置として構成されている。 In order to improve the sliding characteristics by grooving the inner wall surface 1a of the cylinder of the cylinder block 1 and further to improve the performance of the engine itself, a large number of precise grooving is required. 4 and 5 schematically show a part of the inner wall surface 1a of the cylinder in which such a large number of grooves are formed. The cylinder block is made of gray cast iron, the width of the groove is several hundredths of a millimeter, the depth of the groove is several thousandths of a millimeter, and the groove pitch is several times the width of the groove. The inclination of the groove with respect to the axial direction of the cylinder block 1 is about 45 ° to 75 °. In a laser processing apparatus that simultaneously forms a large number of grooves, a large number of branched laser beams, for example, a branched laser beam group consisting of 49 branched laser beams having a 7 × 7 lattice distribution is used. Since the laser beam is branched into 49 branched laser beams by the diffractive optical element 32, the laser light source 20 needs to excite the high-energy laser beam. On the contrary, if the intensity of the laser beam or the branched laser beam is too strong, burrs are generated on the grooved surface and the burden on the laser optical system is increased. Therefore, the laser light source 20 is configured as a device for exciting an ultrashort pulse laser.

図6と図7には、実際のシリンダブロック1の円筒内壁面1aに対して行われた溝形成の実験結果が示されている。この実験では、超短パルスレーザ光と、7×7の格子状分布を有する49本の分岐レーザ光を作り出す回折光学素子32とが用いられている。図6は、円筒内壁面1aの拡大図であり、この図から明らかなように、菱形の格子を作り出しために、シリンダブロック1の軸方向に対する溝の傾斜が約60°の溝群と、約−60°の溝群とが交差するように形成されている。図7は、形成された溝群の断面状態をグラフ化した図であり、この図から、各溝が一様な深さと断面形状を有するとともに、加工時の溝端部の盛り上がり(バリ)も一定で、抑制されたものとなっていることが読み取れる。 6 and 7 show the results of an experiment on groove formation performed on the inner wall surface 1a of the cylinder of the actual cylinder block 1. In this experiment, an ultrashort pulse laser beam and a diffractive optical element 32 that produces 49 branched laser beams having a 7 × 7 grid pattern are used. FIG. 6 is an enlarged view of the inner wall surface 1a of the cylinder, and as is clear from this figure, in order to create a diamond-shaped lattice, a groove group having a groove inclination of about 60 ° with respect to the axial direction of the cylinder block 1 and a groove group of about 60 ° It is formed so as to intersect with a group of -60 ° grooves. FIG. 7 is a graph showing the cross-sectional state of the formed groove group. From this figure, each groove has a uniform depth and cross-sectional shape, and the swelling (burr) of the groove end portion during processing is also constant. It can be read that it is suppressed.

〔別実施の形態〕(1)本発明において、1本のレーザ光から複数の分岐レーザ光に分岐する光学素子として回折光学素子32が用いられていたが、この回折光学素子32はレーザ光を分岐する光学素子という広い概念を有する語句として用いられており、これには、例えば、ホログラムレンズなども含まれる。
(2)上述した実施形態では、走査機構5として、照射プローブ3に組み付けられる第1走査機構51と加工台4に組み込まれる第2走査機構52とが用いられていたが、どちらか一方でもよい。例えば、ロボットマニピュレータなどに照射プローブ3取り付け、加工台4には被加工物を固定するだけの機能を持たせてもよい。
(3)上述した実施形態では、レーザ光学系が、レーザ装置本体2と照射プローブ3との2つの構成要素から構成されていたが、レーザ装置本体2及び照射プローブ3はさらに種々の構成要素に分割してもよい。また、レーザ光学系の幾何学的な配置、つまりレーザ光や分岐レーザ光の伝播経路は、種々に改変可能である。
[Another Embodiment] (1) In the present invention, the diffractive optical element 32 is used as an optical element that branches from one laser beam to a plurality of branched laser beams, and the diffractive optical element 32 uses the laser beam. It is used as a phrase having a broad concept of a branched optical element, and includes, for example, a hologram lens.
(2) In the above-described embodiment, the first scanning mechanism 51 assembled on the irradiation probe 3 and the second scanning mechanism 52 incorporated in the processing table 4 are used as the scanning mechanism 5, but either one may be used. .. For example, the irradiation probe 3 may be attached to a robot manipulator or the like, and the processing table 4 may have a function of fixing the workpiece.
(3) In the above-described embodiment, the laser optical system is composed of two components, the laser device main body 2 and the irradiation probe 3, but the laser device main body 2 and the irradiation probe 3 are further composed of various components. It may be divided. Further, the geometrical arrangement of the laser optical system, that is, the propagation path of the laser beam or the branched laser beam can be modified in various ways.

本発明によるレーダ加工装置は、被加工物の表面に複数の溝を同時形成する加工に適用することができる。 The radar processing apparatus according to the present invention can be applied to processing for simultaneously forming a plurality of grooves on the surface of a work piece.

1 :シリンダブロック(非加工物)
1a :円筒内壁面
2 :レーザ装置本体
20 :レーザ光源
21 :ミラー
3 :照射プローブ
30 :ハウジング
30a :照射口
31 :対物レンズユニット
32 :回折光学素子
33 :ミラー
4 :加工台
5 :走査機構
51 :第1走査機構
52 :第2走査機構
6 :制御コントローラ
60 :加工管理部
61 :レーザ制御部
62 :走査制御ユニット
621 :第1走査制御部
622 :第2走査制御部
1: Cylinder block (non-processed product)
1a: Cylindrical inner wall surface 2: Laser device body 20: Laser light source 21: Mirror 3: Irradiation probe 30: Housing 30a: Irradiation port 31: Objective lens unit 32: Diffractive optical element 33: Mirror 4: Processing table 5: Scanning mechanism 51 : 1st scanning mechanism 52: 2nd scanning mechanism 6: Control controller 60: Machining control unit 61: Laser control unit 62: Scan control unit 621: 1st scanning control unit 622: 2nd scanning control unit

Claims (7)

エンジンのシリンダブロックの円筒内壁面に線状の隣接する複数の溝を形成するレーザ加工装置であって、
1本のレーザ光から分岐した複数の分岐レーザ光をそれぞれ独立して同一方向に向かう分岐レーザ光群として同一の前記円筒内壁面に照射する照射口を有する照射プローブと、
前記分岐レーザ光の照射点によって前記円筒内壁面が走査されるように、前記シリンダブロックを取り付ける加工台とを備え、
1つ以上の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の1つを形成すると同時に、他の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の他の1つを形成するレーザ加工装置。
A laser machining device that forms a plurality of linear adjacent grooves on the inner wall surface of a cylinder of an engine cylinder block.
An irradiation probe having an irradiation port for irradiating a plurality of branched laser beams branched from one laser beam onto the same inner wall surface of the cylinder as a group of branched laser beams heading in the same direction independently.
A processing table for mounting the cylinder block is provided so that the inner wall surface of the cylinder is scanned by the irradiation point of the branched laser beam.
A laser processing apparatus in which one or more of the branched laser beams form one of the plurality of grooves, and at the same time, the other branched laser beams form another one of the plurality of grooves.
前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点の軌跡が、前記円筒内壁面に対応する仮想平面上において、複数の互いに平行な直線上に位置する請求項1に記載のレーザ加工装置。 The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the locus of the irradiation point of the branched laser beam in the branched laser beam group is located on a plurality of straight lines parallel to each other on a virtual plane corresponding to the inner wall surface of the cylinder. 前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点の軌跡が、前記円筒内壁面に対応する仮想平面上において、複数の互いに交差する直線上に位置する請求項1または2に記載のレーザ加工装置。 The laser processing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the locus of the irradiation point of the branched laser beam in the branched laser beam group is located on a plurality of straight lines intersecting each other on a virtual plane corresponding to the inner wall surface of the cylinder. .. 前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光の照射点の間隔が同じである請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the intervals between the irradiation points of the branched laser beams in the branched laser beam group are the same. 前記分岐レーザ光群における少なくとも2つ以上の前記分岐レーザ光が同一の溝を形成する請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein at least two or more of the branched laser beams in the branched laser beam group form the same groove. 前記分岐レーザ光群における前記分岐レーザ光のそれぞれが異なる溝を形成する請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein each of the branched laser beams in the branched laser beam group forms a different groove. エンジンのシリンダブロックの円筒内壁面に線状の隣接する複数の溝を形成するシリンダブロックの製造方法であって、
1本のレーザ光から分岐した複数の分岐レーザ光をそれぞれ独立して同一方向に向かう分岐レーザ光群として同一の前記円筒内壁面に照射する工程と、
1つ以上の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の1つを形成すると同時に、他の前記分岐レーザ光が前記複数の溝の他の1つを形成するように、前記分岐レーザ光の照射点が前記円筒内壁面を走査する工程と、
を備えたシリンダブロックの製造方法。
A method for manufacturing a cylinder block in which a plurality of linear adjacent grooves are formed on the inner wall surface of a cylinder of an engine cylinder block.
A step of irradiating the same inner wall surface of the cylinder as a group of branched laser beams heading in the same direction independently of a plurality of branched laser beams branched from one laser beam.
The irradiation point of the branched laser beam so that one or more of the branched laser beams form one of the plurality of grooves and at the same time the other branched laser beam forms another one of the plurality of grooves. And the process of scanning the inner wall surface of the cylinder
A method for manufacturing a cylinder block.
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