JP2007057008A

JP2007057008A - 貫通孔を有する断面異形線材の製造方法

Info

Publication number: JP2007057008A
Application number: JP2005243982A
Authority: JP
Inventors: Takao Karaoke; 隆男唐桶; Atsushi Sasaki; 淳佐々木; Masanori Ochiai; 正典落合
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】小断面の断面異形線材の製造方法において、スパッタの付着を低減した断面異形線材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、複数の貫通孔を線材の長手方向に具備する断面の外接円形が１０ｍｍ以下の断面異形線材の製造方法であって、少なくとも断面異形線材の貫通孔を形成する面へ油を塗布する油塗布工程と、レーザによって所定寸法よりも小さい寸法の孔を穿孔する予備穿孔工程と、次いでレーザによって所定寸法の孔を形成する仕上げ穿孔工程を有する貫通孔を有する断面異形線材、例えばオイルリング用に用いられる線材の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の貫通孔を線材の長手方向に具備する断面異形線材の製造方法に関するものである。

２ピース型のオイルリング等に用いられる所定寸法の複数の貫通孔を線材の長手方向に具備する断面異形線材の製造において、貫通孔を形成する方法としてレーザによる穿孔方法が提案されている。

たとえば特許文献１には、スチールオイルリングの半径方向に連絡する貫通孔をレーザビーム加工により形成することにより、スチールオイルリングのクラックやバリ等の形状不良が発生しないという特性を改善した提案がなされている。
特許文献１では、リング成形前の線材状態で孔あけする場合と、リング成形後に孔あけする場合の２つからなる。いずれもパンチ加工を用いないのでリングにクラックやバリが発生しないことが特徴となっている。
特許文献２には、ＹＡＧレーザを含む高熱エネルギー密度加熱法を用い加熱し、アシストガスに酸素や空気を用いることが開示されている。また、貫通孔穿孔時に生じた凝固残留物（ドロス）を出射側から再加熱溶融して吹き飛ばすことが特徴でもある。線材肉厚部の寸法や孔幅と孔長さ、アシストガス圧力など具体的な数値は記述されているが、スパッタ対策は記述が見られない。ドロス対策については、擦過（研削、切削、ハツリ）によるインラインでのドロス除去法の有効性が記述されている。
特開平３−２６０４７３号公報特開平９−１５９０２５号公報

上述した特許文献１あるいは２に開示されるスチールオイルリングの製造方法は、穿孔のための工数削減の点では有利であるものの、断面異形線材の表面にレーザ加工により溶融除去された金属（以下スパッタという）が飛散して付着するという問題があった。
この問題は、穿孔部との境界部に発生するドロスとは異なり、穿孔部よりやや距離を置いて、ランダムな位置に点在する如く発生するため、小断面の断面異形線材については後処理による除去が著しく困難になるという問題があった。スパッタが残留すると、オイルリングの内側に配置されるスプリングの取付け時に邪魔になるほか、局部的なシリンダーとの接触（局部磨耗）を生じさせる恐れがある。またエンジン使用中に、スパッタの脱落により、エンジン潤滑油中に金属の塊が混入し、シリンダー壁面に損傷を与える危険性がある。
上述したスパッタの問題は、貫通孔形成処理が必要な小断面の異形線材の用途である、リニアガイド用のレール等にも発生する。

本発明の目的は、上述した問題に鑑み、小断面の断面異形線材の製造方法において、スパッタの付着を低減した断面異形線材の製造方法を提供することである。

本発明者は、小断面の断面異形線材の貫通孔を形成する面へ油を塗布した状態で、所定寸法よりも小さい寸法の孔を穿孔する予備穿孔工程と、次いで所定寸法の孔を形成する仕上げ穿孔工程を採用することで、断面異形線材へのスパッタの付着を大きく低減できることを見いだし本発明に到達した。

すなわち本発明は、複数の貫通孔を線材の長手方向に具備する断面の外接円形が１０ｍｍ以下の断面異形線材の製造方法であって、少なくとも断面異形線材の貫通孔を形成する面へ油を塗布する油塗布工程と、レーザによって所定寸法よりも小さい寸法の孔を穿孔する予備穿孔工程と、次いでレーザによって所定寸法の孔を形成する仕上げ穿孔工程を有する貫通孔を有する断面異形線材の製造方法である。

好ましくは、前記断面異形線材は、断面が略Ｈ型のオイルリング用線材である貫通孔を有する断面異形線材の製造方法である。

本発明によれば、スパッタの付着を著しく低減することができるため、２ピース型のオイルリング等の貫通孔形成処理が必要な小断面の断面異形線材の品質向上、生産性の向上にとって欠くことのできない重要技術となる。

本発明の重要な特徴は、レーザ穿孔処理における小断面の断面異形線材に対するスパッタを防止する目的のために、油塗布と、複数回の貫通孔形成処理を組み合わせた点にある。
具体的には、まず少なくとも断面異形線材の貫通孔を形成する面へ油を塗布する油塗布工程を設ける。
油塗布は、スパッタを激減させる効果がある。その効果については飛散した金属溶滴が金属面上に着地する時、金属表面と溶滴とが直接接触するのを抑制し、溶着の発生を防ぐことによるものと考えられる。
しかし、この方法だけでは、貫通孔から近接したスパッタを完全に抑制することはできない。これは飛散距離が短く冷却されにくいことなどによるものと考えられる。

一方、レーザ穿孔処理とスパッタの関係を見ると、一旦、孔が貫通することにより、それまで、表面上に発生し、スパッタ飛散の駆動源ともなっていた、レーザ溶融による蒸発ガス、あるいはレーザ加工によって用いられるアシストガスが、貫通孔を通して反対側に抜けるようになり、レーザ加工によって飛散する溶滴が激減することが確認された。
そこで、油塗布により、スパッタの発生を貫通孔に近接した部分に限定できる効果を活用するために、まず小径の孔を穿孔する予備穿孔工程を設けることとした。穿孔工程は、小径であることから、高エネルギーを導入する必要がなくなり、このこともスパッタの抑制に効果がある。

次に、所定寸法の孔を形成する仕上げ穿孔工程を設ける。これにより、予備穿孔工程で形成した孔は拡張されるため、油塗布の効果により貫通孔近傍、即ち実質的な拡張部に限定的に存在していたスパッタの発生部は加工除去される。
そして、ガスの抜け道となる貫通孔が既に形成されているので、上述した効果により、仕上げ工程でのスパッタはさらに激減でき、油塗布の効果と合わせて、殆どスパッタの発生を皆無とすることができたのである。

本発明において断面の外接円形が１０ｍｍ以下の断面異形線材に限定したのは、１０ｍｍ以上もの大きさを有する線材の加工では、一般の機械加工に対し加工生産性に関しての優位性を維持できないこと、スチールオイルリング材のサイズには１０ｍｍを超えるものが一般的にはないためである。

また、スパッタが貫通孔を形成する面のどこに飛散してもスパッタの付着を防止するために貫通孔を形成する面の全面に油を塗布することが好ましい。
油の塗り方は、断面異形線材にはけ等により直接塗布する方法で十分効果が得られるが、生産性を考慮すると、レーザ加工直前にチューブポンプにより油を噴射する方法や、油タンク内を浸漬通過させて付着させる方法、脱脂綿などに油を含ませ断面異形線材に付着させる方法をとることも可能である。

油の種類は、圧延油、潤滑油、防錆油等の鉱物油が好ましく、植物油、エマルジョンを用いることも可能である。水は、材料の錆びの発生が懸念されることから好ましくない。粘性の低すぎる油に代わる液体では高圧のアシストガスにより容易に除去されてしまい、役に立たない。また、油の付着量は、すなわち油膜厚みは穿孔面の片側で１μｍ以上あればスパッタ付着防止の効果が明確に得られる。ただし、油膜量が少ないと溶融金属の冷却が不十分となり、スパッタが付着しやすくなる。一方油の付着量が多すぎると材料の搬送等の取扱いに問題が生じるとともに、大部分の油はアシストガスにより除去されることもあるため、レーザ加工前の油膜厚みは片側で１〜１０μｍ程度が好ましい。

予備穿孔径に合わせて、次に行なう仕上げ穿孔加工のビーム径を大きくすることにより、スパッタの飛散量は所定寸法の孔に対して影響のないレベルに抑えることができる。例えば、予備穿孔加工はφ０．４ｍｍ以下で貫通させることができる。

オイルリング材は図１に示すような断面形状を有しており、図１の断面の中央部分にオイルをシリンダー側面から掻き取った後、余剰なオイルを還流させる穴があり、以下に詳細を示す内容の役目を果たしている。図２は、貫通孔部を示す平面図である。
オイルリングは、シリンダー内壁面を往復運動することによって、シリンダー内壁面に適量の潤滑油膜をつくる。即ちピストンが燃焼部に近づく時には、下側のレール部で内壁面の潤滑油を掻き落とし、ウェブ部の貫通孔から排出する。逆にピストンが燃焼部から遠ざかる時には、上側と下側のレール部により余分な潤滑油を掻き落とす。したがって、２箇所のレール部をつなげる部分が必要であり、断面形状はＨ字形状を採る。

本発明の断面異形線材をオイルリングに適用する場合は、図１、２に示すような形状とする。このとき、ウェブ部の厚さ１が０．７ｍｍ以下、ウェブ部に形成する貫通孔の幅２が０．１〜１．２ｍｍ、貫通孔の長さ３が０．１〜５．０ｍｍ、貫通孔のピッチ４が１〜１０ｍｍと極微小な寸法とする。
２箇所あるレールの内側間の寸法５は、潤滑油の掻き落とし量の低減のために寸法が２ｍｍ以下へと縮小している。貫通孔の幅方向の寸法も１．２ｍｍ以下さらには０．４ｍｍ以下まで狭まっている。

本発明に使用可能なレーザは、ＣＯ_２レーザ、ＣＯレーザ、色素レーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、チタンサファイアレーザ、ルビーレーザ、ガラスレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザ、色素レーザがある。好ましくはＹＡＧレーザを用いることにより、波長が１μｍと短く被加工物の熱吸収率が高く、高出力が得られることである。また、設備自動化が行ないやすく、さらに加工速度を高めることが可能である。
さらに、アシストガスについても、流速をより早めることと、流れに乱れのない状態を作り出すことは、孔品位の向上と安定加工において有効である。

最近、光ファイバーの接続装置に、厚み幅とも２ｍｍ程度のリニアガイドレールが使用されている。ガイドレールの部分がオイルリングと同様な断面を有する異形線材であり、材質もステンレスあるいは工具鋼である。リニアガイドレールの固定には、ネジによる固定方法が用いられている。ネジ孔加工の際には、下孔をドリル加工し、ネジ加工が施されている。この下孔加工にレーザ穿孔加工を適用することによって加工時間短縮と下孔加工治工具省略ができ、リニアガイドレールの合理化に貢献できる。

被加工物は図１に示す寸法で、材質はＪＩＳＧ４３０３で規定されるＳＵＳ４４０Ｂ相当およびＳＵＳ４２０Ｊ２相当の圧延後の材料を使用した。油の塗布は、断面異形線材の穿孔面にはけにより塗布を行なった。油は冷間圧延用圧延油（粘度２０ｃＳｔ／４０℃）を用いた。加工条件は、使用レーザとして出力６ｋＷのＹＡＧパルスレーザを用いた。断面異形線材に穿孔する孔の大きさは、貫通孔幅０．２、０．４、および０．６ｍｍ、貫通孔長さ０．６ｍｍ、貫通孔ピッチ１０ｍｍ、ウェブ厚み０．５５ｍｍとした。予備穿孔ビーム径はφ０．２ｍｍおよびφ０．３ｍｍとし、仕上げ穿孔ビーム径をφ０．４ｍｍおよびφ０．６ｍｍとした。予備穿孔と仕上げ穿孔はパスを分けて実施した。線材の送り速度は６ｍ／分で送った。アシストガスは窒素ガス、圧縮空気および酸素ガスとした。アシストガスノズル径はφ０．１７ｍｍとし、アシストガスノズル先端と被加工物間の距離（スタンドオフ量）は０．３ｍｍとした。貫通孔の品位はオフラインで実体顕微鏡を使用して観察を行なった。表１に示す条件で、レーザによる穿孔加工におけるスパッタの付着の確認を行なった。スパッタの付着は、４０倍の実体顕微鏡で全長且つ全幅観察し、直径が２μｍ以上の付着物をカウントし、穿孔した孔の１個あたりのスパッタ付着平均個数を求めた。

本発明の実施例では、圧延油を断面異形線材の穿孔面に塗布した状態で予備穿孔加工により下孔を穿孔し、次いで仕上げ穿孔した断面異形線材の全長且つ全幅には、スパッタの付着はいずれの仕上げ穿孔ビーム径においても確認されなかった。これに対し、断面異形線材の穿孔面に圧延油を塗布した状態で予備穿孔加工を行なわず、仕上げ穿孔加工のみを行なった断面異形線材の全長且つ全幅には、穿孔した貫通孔の１個あたりに平均で２個のスパッタの付着が確認された。特に仕上げ穿孔ビーム径が大きくなると、スパッタの付着量も増加することを確認した。また、比較例である断面異形線材の穿孔面に圧延油を塗布していない線材に予備穿孔加工および仕上げ穿孔加工を施した断面異形線材の全長且つ全幅には、穿孔した貫通孔の１個あたりに平均で４個のスパッタの付着が確認された。

本発明の一例を示す構成図である。図１の貫通孔部を示す平面図である。

符号の説明

１．ウェブの厚さ、２．貫通孔の幅、３．貫通孔の長さ、４．貫通孔のピッチ、５．レール間の内側寸法、６．レール部、７．貫通孔

Claims

複数の貫通孔を線材の長手方向に具備する断面の外接円形が１０ｍｍ以下の断面異形線材の製造方法であって、少なくとも断面異形線材の貫通孔を形成する面へ油を塗布する油塗布工程と、レーザによって所定寸法よりも小さい寸法の孔を穿孔する予備穿孔工程と、次いでレーザによって所定寸法の孔を形成する仕上げ穿孔工程を有することを特徴とする貫通孔を有する断面異形線材の製造方法。
前記断面異形線材は、断面が略Ｈ型のオイルリング用線材であることを特徴とする請求項１に記載の貫通孔を有する断面異形線材の製造方法。