JP2008055478A - 仕上げ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ワーク23に下穴23Lを開けた後、この下穴23Lの内壁(凝固部23k)にピコ秒レーザ光17を照射して内壁を平滑に仕上げ加工する。ピコ秒レーザ光17では、従来のような放電加工で仕上げ加工するのに比べてエネルギー密度を大きくすることが可能であり、ピコ秒レーザ光17がワーク23に照射された時にはワーク23の照射部分の温度が瞬時に高温になり、仕上げ加工をより短時間で行える。また、ピコ秒レーザ光17のパルス幅T4が非常に小さい、即ち、ピコ秒レーザ光17の照射時間が非常に短いため、ピコ秒レーザ光17の照射部分に近い部分の温度が上昇しにくく、熱影響部が生じにくいから、下穴23Lの内壁の仕上げ精度が向上し、下穴内壁がより平滑になる。
【選択図】図3
Description
図4(a),(b)は従来の仕上げ加工方法を示す作用図である。
(a)はレーザーヘッド101から発射されたレーザー光線102でノズル部品103に過小穴104を開けた状態を示す。
作用として、部材に予め下穴を開け、次に、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射する。
ピコ秒レーザ光では、従来のような放電加工で仕上げ加工するのに比べてエネルギー密度を大きくすることが可能であり、ピコ秒レーザ光が部材に照射された時には部材の照射部分の温度が瞬時に高温になり、仕上げ加工をより短時間で行える。
作用として、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で徐々に除去すれば、下穴内壁の仕上げ精度が向上する。更に、ピコ秒レーザ光による熱影響部が生じにくいことからも、下穴内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴内壁がより平滑になる。
作用として、ピコ秒レーザ光が下穴内壁の各部に均等に照射され、内壁の仕上げ精度がより向上する。また、ピコ秒レーザ光が下穴に局部的に照射されることがないため、熱影響部がより一層生じにくい。
作用として、発生した蒸気が蒸気除去装置で吸引又は圧送されるため、蒸気によってピコ秒レーザ光が遮られることがない。
作用として、レーザ発振器のピーク出力が300kW未満では、例えば、部材を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
レーザ発振器のピーク出力が1MWを超えると、下穴の内壁に熱影響部が生じやすくなる。
作用として、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間が、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の500倍未満であると、部材への入熱量が大きくなり、下穴内壁で熱影響部が生じやすくなる。
図1は本発明に係るレーザ加工装置の説明図であり、レーザ加工装置10は、ナノ秒レーザ光11を発振するナノ秒レーザ発振器12と、ピコ秒レーザ光13を発振する超短パルスレーザ発振器14と、この超短パルスレーザ発振器14から発振されたピコ秒レーザ光13を増幅する増幅器16と、この増幅器16から出力されたピコ秒レーザ光17を反射させるミラー18と、ピコ秒レーザ光17を透過させるとともにナノ秒レーザ発振器12で発振されたナノ秒レーザ光11を反射させるミラー21と、これらのナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17の集光位置を変化させるビームローテータ22と、ナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17をワーク23(例えば、鋼材)に集光させる集光レンズ24と、ワーク23を載せるテーブル26と、ワーク23にナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17を照射したときにワーク23から発生する蒸気を吸引する吸引装置27と、ナノ秒レーザ発振器12、超短パルスレーザ発振器14、ビームローテータ22の作動及びテーブル26の水平移動を制御する制御装置28とからなる。なお、31は吸引装置27に備える吸引ダクトである。
ナノ秒レーザ発振器12は、レーザ媒質(即ち、発光物質)としてYAG等を用いたものである。
図2(a)〜(e)は本発明に係るレーザ加工装置による下穴加工工程を示す作用図である。
(a)において、ワーク23の上面23aに集光レンズの焦点が一致するように調整してワーク23の上面23aにナノ秒レーザ光11を照射する。なお、D0は焦点におけるナノ秒レーザ光11の集光径(即ち、スポット径)であり、例えば、集光径D0=約100μmである。
これにより、ワーク23の上面23aは融点に達して溶融し始める。23bは溶融部である。
溶融部23dの中央部は、周囲よりも温度が高いために、沸点に達して蒸気23eが盛んに発生するため、蒸気23eの圧力で外側に押し退けられる。この蒸気23eがナノ秒レーザ光11を遮ると、ワーク23の穴開けに支障をきたすので、吸引装置の吸引ダクト31から吸引する。
以降は、(b)及び(c)と同様な照射と非照射とを繰り返す。
ここで、下穴23Lの内径(即ち、凝固部23kの内径)をD1、凝固部23kの外径をD2、熱影響部23mの外径をD3、下穴23Lの穴深さ(ここでは、ワーク23の厚さに一致する。)をdeとする。下穴23Lの穴深さdeは、例えば、小さくとも1mmである。
上記した凝固部23kの層厚さ(D2−D1)/2は、下穴23Lの内径D1の10〜40%である。
ナノ秒レーザ発振器の出力はゼロからピーク出力P1までパルス状に変化する。図中のT1はパルス幅、即ちナノ秒レーザ光の照射時間(即ち、パルス幅T1は10−9秒のオーダーである。)、T2はナノ秒レーザ光の非照射時間、T0はパルス繰返し周期である。このパルス繰返し周期T0から求められるパルス繰返し周波数(発振周波数)は、例えば、1kHz〜50kHzである。
図3(a)〜(d)は本発明に係るレーザ加工装置による下穴の仕上げ加工工程を示す作用図である。
(a)において、前工程である下穴加工工程では、下穴23Lの表層に精度を低下させる凝固部23kが残っているので、この凝固部23k(あるいは凝固部23kとこの周囲の熱影響部23m)をピコ秒レーザ光17で除去する。本実施形態では下穴23Lに出来ている凝固部23kを厚さを有する内壁とし、この内壁にピコ秒レーザ光17を照射して除去し、内面の精度が高い平滑な穴を形成する。
これにより、ワーク23の凝固部23kは渦巻き状に除去される。
凝固部23kと熱影響部23mとの両方をピコ秒レーザ17で蒸発除去加工した場合には、熱影響部23mに隣接していた母材には熱影響部が生じにくい。
超短パルスレーザ発振器の出力はゼロからピーク出力P2までパルス状に変化する。図中のT4はパルス幅、即ちピコ秒レーザ光の照射時間(即ち、パルス幅T4は10−12秒のオーダーである。)、T5はピコ秒レーザ光の非照射時間、T3はパルス繰返し周期である。
パルス繰返し周期T3から求められるパルス繰返し周波数(発振周波数)は、例えば、100kHz〜1.1MHzである。
ピコ秒レーザ光17を下穴23Lの内径D1よりも小さく集光させ、下穴23Lの内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で小さな範囲を徐々に除去すれば、下穴23Lの内壁の仕上げ精度を向上させることができる。
更に、ピコ秒レーザ光17による熱影響部が生じにくいことからも、下穴23Lの内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴23Lの内壁をより平滑にすることができる。
これにより、ピコ秒レーザ光17を下穴23Lの内壁の各部により均等に照射することができ、下穴23Lの内壁をより平滑に仕上げることができる。また、下穴23Lの内壁に局部的に照射されることがないため、熱影響部をより一層生じにくくすることができる。
これにより、蒸気23eによってピコ秒レーザ光17が遮られることがなく、良好に仕上げ加工することができる。
超短パルスレーザ発振器14のピーク出力が300kW未満では、例えば、ワーク23を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
超短パルスレーザ発振器14のピーク出力が1MWを超えると、下穴23Lの内壁に熱影響部が生じやすくなる。
Claims (6)
- 部材に下穴を開けた後、この下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して前記内壁を平滑に仕上げ加工することを特徴とする仕上げ加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光を前記下穴の内径よりも小さく集光させ、前記下穴の内壁を蒸発除去加工することを特徴とする請求項1記載の仕上げ加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光を前記部材と相対的に旋回させながら照射することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の仕上げ加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光を前記内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気を蒸気除去装置で吸引又は圧送することを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項3記載の仕上げ加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光を発振するレーザ発振器のピーク出力は、300kW〜1MWであることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項記載の仕上げ加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間は、前記パルス繰返し周期のうちのパルス幅の500倍以上であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項記載の仕上げ加工方法。
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