JPH0360887A - レーザビームを用いた孔あけ加工法及びこれを利用した燃料噴射弁のノズルの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザビームを用いた孔あけ加工法、及びこ
れを利用した燃料噴射弁のノズル噴孔形成法に関する。

〔従来の技術〕

例えば、電磁式燃料噴射弁のノズル噴孔のような＊細孔
を穿設する場合には、従来は１次のようにして行われて
いた。

■先ず、ノズル本体となる被加工物に取りしろを残して
仕上り径Φｄより小さい下孔（下穴）をドリル等であけ
る（下孔径をΦｄｏとする）。

■次に、Φｄｏより小さい径の砥石を用い、下孔がΦｄ
になるまで研削加工する。

なお、このような電磁式燃料噴射弁の従来技術としては
、例えば、特開昭６０−１９９５７号公報に開示されて
いる。

また、その他の孔あけに関する従来技術としては、軟質
性ワークに対しては１例えば特開昭６２−９７９０号公
報に開示されるようにレーザビームを照射して、その熱
エネルギーによる加熱溶融を利用して、孔あけを行うも
のがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記した従来技術のうち、電磁式燃料噴射弁の孔あけ技
術のように、下孔工程と、研削による仕上げ工程を要す
るものは、焼き入れを施した硬質の被加工物に適用され
るが、仕上げ工程を機械的な研削により行う場合には、
さらに次のような作業を必要とする。

すなわち、仕上げ工程では、砥石を回転と同時に孔の軸
方向に上下運動させるために、孔の入口側と出口側に研
削時のぼりや、かえりが発生する。

そして、このようなぼり、かえりを除去するために、ノ
ズル本体の加工時に、成形砥石による機械加工や、テー
パ状の押しつけピンを使用しての剥離加工を行っていた
。しかし、これらのぼり除去作業は、砥石の摩耗、ぼり
高さの不均一による剥離加工のばらつき等により、除去
作業を行った後でも、１１品のばらつきが発生し、品質
の均一性を確保するのが難しかった。

このような品質のばらつきは１例えば、燃料噴射弁のよ
うなノズルを被加工物とした場合には、ノズルをインジ
ェクタに組み込むと１次のような現象が発生する。

これを、第８図により説明する。第８図の符号の５はボ
ール弁、６はノズル本体、７は噴射孔で、図示するよう
に、ボール弁５とノズル本体６との間を流れる燃料は、
燃料入口部ａにばり８が残留すると、通過する燃料の一
部が燃料入口部ａ付近にて渦巻流となってノズル本体６
の壁面から剥離する。そのため、燃料噴射量の安定性を
損なうばかりか、噴霧のばらつき、微粒化を低下させる
原因となる。

以上の事情を配慮して、最近では、仕上げ加工の゛取り
しろ除去を、砥石のような機械研削方式にかえて、レー
ザビームの熱エネルギーで除去することが提案されてい
る。

第２図及び第６図は、本発明者らが当初に試みたレーザ
ビームによる仕上げ工程を示し、第２図（ａ）、第６図
（ａ）はレーザビーム照射状態を、第２図（ｂ）、第６
図（ｂ）はその仕上げ後の状態を示すものである。この
試みでは、第２図（ａ）、第６図（ａ）に示すように噴
孔７仕上げ前の下孔Ｃの中心軸に対してレーザビーム１
０を平行にして、ノズル本体６を回転させつつレーザ照
射を行い〔レーザの焦点は、孔の入口側（始端位１Ｎ）
ａ）こ合わせられる〕、このレーザビームの熱エネルギ
ーのよって取りしろ８を溶解、除去する方式を採用した
。

しかしながら、この方式によれば、第２図（ｂ）第６図
（ｂ）に示すように孔の入口側ａに対して出口側（終端
位１ｆｆ）ｂの仕上げ孔径が小さくなり、孔が片側Ｏ′
６のテーパ状の孔となる。これは、レーザビームのエネ
ルギーの方向性は孔と平行となる反面、入口側ａにレー
ザビーム１０の焦点を合わせているために、レーザビー
ムが孔の出口側すに向かうにつれて、レーザエネルギー
が低減し、被加工物の取りしろ８の溶解量が徐々に減少
するので、入口側ａと出口側すとの孔径Φｄａ、Φｄｂ
とに差が生じるためと考えられる。

このようなテーパ形状の孔は、燃料噴射弁のようなノズ
ル噴孔７に適用した場合、その噴孔７の長さ悲がどの製
品にも均一に保たれれば、各製品同士の噴孔のテーパ角
θ′も同じ仕様とすることができ、問題はない。

しかし、実際には、噴孔７の長さａは、ノズル本体（被
加工物）の板厚のばらつきの影響によって、どれもが均
一性を確保することは困難である。

そのため、各製品同士の噴孔の入口側ａの孔径Φｄａ、
出ロ側すの孔径Φｄｂの仕様を同じくできても、２が変
化することでテーパ角θ′に変化が生じ、噴孔の形状の
均一性を保つことが難しい。

そして、噴孔の形状のばらつきによって、それぞれの孔
の流量係数がまちまちとなり、流量精度にばらつきが生
じることになる。従って、量産される噴射弁の場合には
、噴孔の長さ全体にわたって均一な孔径であることが、
上記問題を回避する上で望まれる。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、下孔工程、仕上げ工程等により孔あけ
加工を行う場合に、その仕上げ工程において、ぼり等の
発生がなく、作業能率の向上を図り、且つ、被加工孔の
孔径をその長さ全体にわたり略均−に仕上げることので
きる孔あけ加工法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の基本的な原理を示す。

すなわち本発明は第工図（ａ）に示すように、（イ）被
加工物６に取りしろ（点線で示す領域）８を残してΦｄ
ｏなる下孔Ｃをあける工程と、取りしろ８をレーザビー
ム１０の照射により溶解、除去して、孔径を目標径Φｄ
となるように仕上げ加工する工程とを有し、 前記仕上げ工程では、下孔Ｃの中心軸に対してレーザビ
ーム１０を傾け、且つこのレーザビーム１０の傾き角Ｏ
は、レーザビームの延長線１０’がその始端から終端に
むけて進むにつれて取りしろ８の領域よりも外側に次第
にそれる角度に設定し、このレーザビーム１０の焦点を
取りしろ８の始端位置に合わせて、被加工物６を回転さ
せながらレーザビームの照射を行うようにする。

〔作用〕

このような構成よりなる本発明によれば、先ず、仕上げ
の前提条件として、（イ）の下孔工程が行われるが、こ
の下孔Ｃは、通常、ドリルその他適宜の機械的穿孔手段
で行われる。

次いで、（０）のレーザビーム照射による仕上げ工程が
行われる。そして５本発明では、このレーザ光照射を行
う場合、前述したように、下孔Ｃの中心軸に対してレー
ザビーム１０を傾けて行う。

このレーザビーム１０の傾き角Ｏは、レーザビームの延
長線１０′がその始端から終端にむけて進むにつれて取
りしろ８の領域よりも外側に次第にそれる角度に設定す
る。そして、このレーザビーム１０の焦点を取りしろ８
の始端位ｆｉａに合わせつつ、被加工物６を回転させな
がら行うと、仕上げ孔Ｃの入口側ａ部の孔径Φｄａと出
口側す部の孔径Φｄｂとが、 Φｄａ弁Φｄｂとなり、第１図（ｂ）に示すように仕上
げ孔７の長さ全域にわたり孔径が略均−となる結果が得
られた。

その理由は次のように考えられる。すなわち、前記の如
くレーザビームの傾きを設定すると、し−ザビーム１０
の照射方向が照射の終端すに向かうにつれて、取りしろ
８の領域よりも外側に徐々にそれる。そのため、レーザ
ビーム１０の熱エネルギーは、角度Ｏにそって被加工物
６を溶解、除去しようとするわけであるが、レーザビー
ムの焦点をａの位置に合わせてレーザ照射を行っている
ので、終端すに至るにつれてレーザビームのエネルギー
が低減し、その分、溶解量が減少し、この減少分と前記
取りしろの外側に外れようとするレーザビームの働きが
相殺し合って、実際の取りしろの角度は、０よりも狭め
られ、その結果、目標の取りしろ８の幅に近づくためと
考えられる。

なお、下孔Ｃの中心軸に対するレーザビーム１０の最適
傾き角０は、被加工物の材質、仕様等に対応して変わる
。その目安としては１例えば、実際の製作にあたり、予
めシミュレーションにより。

第２図に示す如く、下孔工程のΦｄｏの孔の取りしろに
、この孔の中心軸に対して平行なレーザビーム１０を取
りしろの始端に焦点を合わせつつ照射し、この照射によ
り仕上げられた孔の始端位置の孔径Φｄａと終端位置の
孔径Φｄｂとの差で決まる孔の仕上げ精度誤差角度θ′
を求め、θ′と同程度或いはこれに近い角度にすればよ
い。換言すれば、中心軸と平行なビーム照射では、仕上
げ孔７がＯ′の傾きで徐々に孔が径小化するので、この
θ′の径小化を見込んで、これと相殺するような傾き角
Ｏを設定することが、好ましい結果が得られる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第３図、第４図、第５図。

第７図に基づき説明する。

第３図は１本発明の適用対象となる電磁式燃料噴射弁（
以下、インジェクタと称する）の縦断面図、第４図は、
その要部断面図である。

第３図のインジェクタ１は、ヨークｌ内に、ボビン２に
嵌装された電磁コイル４と、ボール弁５付きのプランジ
ャ３．戻しばね１１、固定コア１３を内蔵し、インジェ
クタ１の下部にノズル本体６が装着されている。

ノズル本体６の内部には、弁シート１２が形成され、弁
シート１２の下流に噴孔７が形成され、弁シート１２の
上流に燃料に旋回力を付与するスワラ−９が組み込まれ
る。スワラ−９の内周には。

ボール弁５を案内するようにしてセットし、ボール弁５
は、ばね１１の力により弁シート１２に圧接している。

本実施例のインジェクタは、電磁コイル４を通電すると
、ヨーク１．固定コア１３．プランジャ３が磁気回路を
形成して、プランジャ３が固定コア１３側に吸引されて
、ボール弁５が弁シート１２から離れる。

そして、インジェクタ１内に流入した燃料は、スワラ−
９の燃料旋回溝９ａを介してボール弁５と弁シート１２
間の環状すき間を通り、噴孔７で計量されつつ外部に噴
射される。

このような計量を行う噴孔７は、加工に際して、流量の
再現性を図り得るよう精度が要求される。

ここで、本実施例で適用される噴孔７の加工法の具体例
を第５図により説明する。

第５図は、噴孔７の仕上げ段階の工程を示すもので、そ
の前提としては、取りしろ８（第１図参照）を残してΦ
ｄｏなる下孔Ｃがドリル等の機械工作で穿孔されている
。

インジェクタの噴孔７の仕様は、例えば、孔径がΦ０．
３５〜１．５ｍｍで、長さが０．５〜１．５ｍｍ程度の
微細孔で、ノズルの材質は、鉄系の５Ｏ３４４０を焼き
入れ硬化したものが使用される。

そして、仕上げ工程を行う場合には、取りしろ除去にレ
ーザビームを照射して行うが、この場合、レーザ照射の
安定性を保つために、電力容量及び焦点を一定にして行
われる。この焦点は、取りしろの始端位置、すなわち噴
孔７の入口側ａ部に合わせである。

また、レーザビーム１０は、孔の中心軸に対して傾けて
行われるが、この場合の傾きは、基本的には、第１図に
示す如くレーザビーム１ｏの照射方向の延長ＮＪＡ１０
’が設定の取りしろ領域８よりも外側に次第にそれる方
向に設定する。

この設定は、予めシミュレーションにより、下孔工程の
済んだ取りしろに、第６図に示す如く、孔の中心軸に対
して平行なレーザビームを取りしろの始端位置に焦点を
合わせつつ照射し、この照射により仕上げられた孔の始
端の孔径Φｄａと終端の孔径Φｃｕｂ（第６図の場合に
は、既述したようしこΦｄｂとΦｄａとは、レーザビー
ムエネルギーが孔の始端ａより終端すに移行するにつれ
て低減するため、その分、終端に進行するほど単位時間
当たりの取りしろ溶解量が減少し、Φｃｕｂ＜Φｄａの
関係にある）との差で決まる孔の仕上げ′ＭＩ！：。

誤差角度θ′を求め、これと略等しい角度に設定してい
る。

そして、このような設定条件のもとでノズル本体６を所
定の回転速度で回転させつつ、レーザビームの照射を行
う。

このレーザビーム加工法によれば、仕上げ工程後の噴孔
７の孔径を測定した結果、噴孔７の入口側ａ部と出口側
す部との孔径ΦｄａとΦｄｂとが、ΦｄａｉΦｄｂで、
その入口ａ部から出口す部に至るまでの孔の全長にわた
り、孔径が均一な円筒状の噴孔を得ることができた。

円筒上の噴孔７が得られる理由は、発明の作用の項でも
述べたように、孔の中心軸に対するレーザビームの照射
方向が、孔の終端すに向かうにつれて、取りしろよりも
外側に徐々にそれるような傾き角Ｏに設定するため、レ
ーザビーム１０が、角度０にそって取りしろを溶解、除
去しようとする反面、焦点を始端ａの位置に合わせてレ
ーザ照射を行うので、終端すに至るにつれてレーザビー
ムのエネルギーが低減し、その分、溶解量が減少して、
実際の取りしろの角度は、０よりも狭められて、両者の
相反する作用の結果、目標の取りしろ＠ｌこ近づくため
と考えられる。

特に、本実施例のように、中心軸に対するレーザビーム
の傾き角Ｏを、第６図のような平行レーザビーム照射し
た時の仕上げの精度誤差角度０′と同程度にすれば、θ
′と０とが打消しあって、孔径の均一化を最も図ること
ができる。

本実施例では、レーザ照射により円筒状の孔７を得た後
に、その孔の入口側ａ部と出口側す部との角部に、第５
図（ｂ）の如くアール面を形成するような面取り加工を
施す。

このアール面取りを施すためｂこ、噴孔７の仕様は、孔
径をΦｄとし、長さを党とした場合。

Φｄ／ｌ≦１なる関係に設定しである。

このような関係に設定する理由は、仮に逆のΦｄ／ｌ≧
■なる関係にした場合には、Φｄのａに対する比率が大
きくなり過ぎて、アールも大きくなり過ぎ、その分、長
さａが犠牲になって、有効オリフィス長文を確保できな
くなるためである。

しかして、本実施例によれば１次のような効果を奏する
。

（イ）噴孔７の仕上げ工程をレーザビーム照射で行うの
で、従来の機械式の研削加工のように、噴孔の入口及び
出口にぼり、かえりが生ぜず、且つ、アール面取りが同
時に施すことができるので、第７図に示す如く燃料の剥
離現象がなく、噴射量の安定化、噴霧のばらつき、微粒
化の低下を防止できる。

（ロ）また、量産される製品間の噴孔７の長さＱがばら
ついても、噴孔７の孔径を長さ全体にわたって均一化で
きるので、各製品の流量係数の均一化を図ることができ
、製品間の燃料噴射の再現性をも図ることができる。

（ハ）レーザビーム照射の仕上げ加工は１機械研削によ
るものに較べて、短時間で行うことが可能で、且つ従来
のようなぼり除去作業を必要としないので、仕上げ加工
時間を従来の４１／４０と短縮することができ、生産性
の面でも大幅な向上を図ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、下孔工程、仕上げ工程等
を経て孔あけを行う場合に、その仕上げ工程において、
レーザビーム加工方式を採用するので、ぼり等の発生が
なく作業時間及び能率の向上を図り、且つ、レーザビー
ムの照射に工夫を凝らすことで、レーザビームの電力容
量、焦点位置を一定に保ちつつ、複雑なレーザビーム制
御を行うことなく、被加工孔の孔径をその長さ全体にゎ
たり略均−に仕上げることのできるといった、優れた効
果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の基本原理を示す説明図、第２図は、
本発明の前提条件となるレーザビーム加工の説明図、第
３図は、本発明の適用対象の一例たる電磁式燃料噴射弁
の縦断面図、第４図は、第３図の一部拡大断面図、第５
図は１本発明の孔あけ加工法を具体化した一例を示す説
明図、第６図は、第２図のレーザビーム加工法を具体化
した説明図、第７図は、本発明による孔あけ加工法を上
記電磁式燃料噴射弁の噴孔に適用した場合の燃料の流れ
状態を示す説明図、第８図は、従来の機械式研削により
噴孔を仕上げ加工した場合の燃料の流れ状態を示す説明
図である。 １・・・ヨーク、４・・・電磁コイル、５・・・ボール
弁。 ６・・・ノズル本体、７・・・噴孔、８・・・取りしろ
、１０・・・レーザビーム、１０′・・・ビーム延長線
、ａ・・・孔（取りしろ）の始端位置、ｂ・・・孔（取
りしろ）の終端位置、ｃ・・・下孔（下穴）。 第 図 第 図 ｆａ） （ｂ） 第 図 第 図 （ａ） （ｂ） 第 図 （ａ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被加工物に取りしろを残してΦｄｏなる下孔（下穴
   ）をあける工程と、 前記取りしろをレーザビーム照射により溶解、除去して
   、孔径を目標径Φｄとなるように仕上げ加工する工程と
   を有し、 前記仕上げ工程では、前記下孔の中心軸に対して前記レ
   ーザビームを傾け、且つこのレーザビームの傾き角θは
   、レーザビームの延長線がその始端から終端にむけて進
   むにつれて前記取りしろの領域よりも外側に次第にそれ
   る角度に設定し、このレーザビームの焦点を前記取りし
   ろの始端位置に合わせて、前記被加工物を回転させなが
   らレーザビームの照射を行うことを特徴とするレーザビ
   ームを用いた孔あけ加工法。 ２、第２請求項において、前記下孔は、ドリル等の機械
   的な穿孔手段を用いて行うようにした、レーザビームを
   用いた孔あけ加工法。 ３、第１請求項又は第２請求項において、前記レーザビ
   ームの傾き角θを設定する場合には、予めシミュレーシ
   ョンにより、前記下孔の取りしろに、この孔の中心軸に
   対して平行なレーザビームを該取りしろの始端位置に焦
   点を合わせつつ照射して、この照射により仕上げられた
   始端位置の孔径Φｄａと終端位置の孔径Φｄｂとの差で
   決まる孔の仕上げ精度誤差角度θ′を求め、このθ′に
   等しい或いはこれに近い傾き角になるようにθを設定す
   る、レーザビームを用いた孔あけ加工方法。 ４、燃料噴射弁の噴孔をノズル本体に形成する場合に、
   ノズル本体に予め取りしろを残してΦｄｏなる下孔を機
   械的な穿孔手段によりあける下孔工程と、 前記下孔工程後に、レーザビーム照射により取りしろを
   溶解、除去して、前記噴孔を目標の孔径Φｄとなるよう
   に仕上げ加工する工程とを有し、 前記仕上げ工程では、前記下孔の中心軸に対して前記レ
   ーザビームを傾け、且つこのレーザビームの傾き角θは
   、レーザビームの延長線がその始端から終端にむけて進
   むにつれて前記取りしろの領域よりも外側に次第にそれ
   る角度に設定し、このレーザビームの焦点を前記取りし
   ろの始端位置に合わせて、前記ノズル本体を回転させな
   がらレーザビームの照射を行い、 且つ、この仕上げ工程後に、前記噴孔の入口及び出口の
   少なくとも一方のエッジに対して、レーザビーム照射に
   よりアール面取りを行うことを特徴とする燃料噴射弁の
   ノズル噴孔形成法。 ５、第４請求項において、前記噴孔の孔径Φｄは、その
   孔の長さをｌとした場合、Φｄ／ｌ≦１となるような関
   係に設定してなる燃料噴射弁のノズル噴孔形成法。