(57)【要約】【課題】加工進行に伴う再不動態化を抑制し、電解レーザ複合加工の加工速度の向上と加工品質の向上を両立させる。を可能にする。【解決手段】  金属加工物の外表面全体に陽極酸化被膜を形成し、この陽極酸化被膜のうち、パターン孔を形成する部分の不動態被膜をレーザ照射により除去する。その後、少なくともハロゲン化物イオンを含む加工液を用いて電解加工を行い、不動態被膜を除去した部分から金属を除去する。その際、電解加工時の加工電流を監視することにより、陽極酸化被膜を除去した部分の内面全体に陽極酸化被膜が再形成されたことを判断し、レーザ照射によるパターン孔底面の被膜除去および電解加工を、パターン孔が貫通または予め決められた深さに達するまで繰り返す。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属加工物の外表面全体に不動態被膜を形成する第１の工程と、
前記不動態被膜のうち、パターン孔を形成する部分の陽極酸化被膜をレーザ照射により除去する第２の工程と、
少なくともハロゲン化物イオンを含む加工液を用いて電解加工を行い、前記第２の工程により前記陽極酸化被膜を除去した部分から金属を除去する第３の工程と、
前記第３の工程において、電解加工時の加工電流を監視することにより、前記不動態被膜を除去した部分の内面全体に陽極酸化被膜が再形成されたことを判断する第４の工程と、
前記第４の工程で生成された陽極酸化被膜のうち、パターン孔底面の陽極酸化被膜をレーザ照射により除去する第５の工程と、
以下、パターン孔が貫通または予め決められた深さに達するまで、前記第３の工程から前記第５の工程を繰り返すことを特徴とする電解・レーザ複合加工方法。
【請求項２】
前記加工液が、加工対象の金属よりイオン化傾向の小さな金属のイオンを含むことを特徴とする請求項１に記載された電解・レーザ複合加工方法。
【請求項３】
少なくともハロゲン化物イオンを含有する加工液が貯留された加工液槽と、
金属加工物を把持し、その位置と姿勢を変更する加工物移動・位置決め装置と、
前記金属加工物にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、
前記金属加工物に電圧を印加する電解加工用電源と、
前記電解加工用電源から出力される加工電流を計測する加工電流計測装置と、
前記加工物移動・位置決め装置、前記レーザ照射装置および前記電解加工用電源を制御する加工工程制御装置とを備え、
前記加工工程制御装置は、前記加工物移動・位置決め装置により、前記金属加工物の加工面を前記加工液槽の加工液に浸漬し、前記電解加工用電源から印加される加工電圧を制御するとともに、
前記加工電流計測装置が検出した加工電流値に基づいて、前記金属加工物の加工面に陽極酸化被膜が再形成されたことを判定した際、前記加工物移動・位置決め装置により、前記金属加工物の加工面を前記加工液槽の加工液から取り出すとともに、前記レーザ照射装置に対する前記金属加工物の位置決めを行い、前記レーザ照射装置に対しレーザ照射の指令を送出することを特徴とする電解・レーザ複合加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、合金を含む金属などの高品位微細加工に採用される電解・レーザ複合加工方法に関し、特に、電解加工とレーザ加工を複合して高アスペクト比のパターン孔（非貫通孔及び貫通孔）の加工を行うのに好適な複合加工方法及びこの複合加工方法を実現する電解・レーザ複合加工システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電解加工とレーザ加工を複合した電解・レーザ複合加工装置が記載されている。
この電解・レーザ複合加工装置では、図１に示すように、次のような加工工程を採用している。
（１）金属加工物の外表面全体に電解絶縁被膜を形成する。
（２）（１）の工程でコートした電解絶縁被膜のうち、パターン孔を形成する部分の絶縁被膜をレーザにより除去する。（レーザにより母材表面に熱酸化被膜が形成される。）
（３）（２）の工程で電解絶縁被膜を除去した部分から電解加工により金属を除去し（熱酸化被膜が最初に除去される。）、ある程度の深さのパターン孔を形成する。
（４）パターン孔内面全体に電解絶縁被膜が生成され、絶縁被膜として作用するようになるまで（３）の電解加工による電気化学的除去工程を継続する。
（５）パターン孔内面全体に生成された電解絶縁被膜のうち、パターン孔底面の電解絶縁被膜をレーザ照射により除去し、パターン孔を深くする。
（６）パターン孔が貫通又は予め決められた深さに達するまで（３）〜（５）の工程を繰り返す。
このとき、パターン孔周面は電解絶縁被膜で覆われたままであるので、アスペクト比の高い孔の形成が可能となる。
こうした電解レーザ複合加工により、金属加工物に対する熱影響が少なく、深穴加工が可能で、しかも、レーザ加工装置は、電解絶縁被覆の除去を行うためにのみ用いることから安価で低出力なものを使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許５２８３１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的な電解加工では、高電流、高電圧、加工液噴流などで積極的に不動態被膜を除去し、加工能率を向上させている。加工中に不動態被膜が生成したとしても、破壊、溶解などにより除去されるため、再不動態化による電解加工速度の低下、停止について考慮する必要はない。
しかし、特許文献１に記載されているような電解レーザ複合加工では、加工精度を高めるためには、上記ステップ（３）の電解加工工程において、パターン孔の底面以外では、金属加工物表面に存在する電解絶縁被膜を維持することが必要となる。
そこで、電解加工で一般的に採用されている電解加工条件と比較して、電解加工電圧を低下させ、金属加工物の表面に存在する電解絶縁被膜を除去しないようにしている。
【０００５】
すなわち、電解レーザ複合加工では、レーザ加工により電解絶縁被膜によるマスク効果を減少させた領域表面が、電解加工による材料除去に伴い再不動態化する。これが次の工程のマスクとなり、深穴加工などの機能を獲得している。
しかし、再不動態化が所望より早く起こってしまった場合は、十分な電解加工量を得ることができないことから、上記工程（６）による工程（３）〜（５）の繰り返し工程数を増加させなければならない。
【０００６】
このように、電解加工電圧を低下させると電解加工速度が低下し、また、必要な繰り返し工程数が増大すると、全体の加工速度が大きく低下する。そこで、電解レーザ複合加工による加工速度を実用可能なレベルまで引き上げるため、レーザ出力を上昇させるなど、レーザ加工の速度を引き上げることが考えられる。
しかし、レーザ出力を過度に上昇させると、熱影響層の増大により加工品質の悪化を招くことになる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、不動態被膜による電解加工時のマスク効果が存在する表面に対しては電解加工が進みにくく、不動態被膜のマスク効果を減少させた領域では電解加工速度を向上させる電解レーザ複合加工、具体的には、複合加工により生じた微小空間周辺において、加工進行に伴う再不動態化を抑制した電解レーザ複合加工を提供することにより、加工速度の向上と加工品質の向上を両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の電解・レーザ複合加工方法においては、金属加工物の外表面全体に不動態被膜を形成する第１の工程と、不動態被膜のうち、パターン孔を形成する部分の不動態被膜をレーザ照射により除去する第２の工程と、少なくともハロゲン化物イオンを含む加工液を用いて電解加工を行い、第２の工程により前記不動態被膜を除去した部分から金属を除去する第３の工程と、第３の工程において、電解加工時の加工電流を監視することにより、不動態被膜を除去した部分の内面全体に不動態被膜が再形成されたことを判断する第４の工程と、第４の工程で生成された不動態被膜のうち、パターン孔底面の被膜をレーザ照射により除去する第５の工程と、以下、パターン孔が貫通または予め決められた深さに達するまで、前記第３の工程から前記第５の工程を繰り返すようにした。
【０００９】
また、本発明の電解・レーザ複合加工システムは、少なくともハロゲン化物イオンを含有する加工液が貯留された加工液槽と、金属加工物を把持し、その位置と姿勢を変更する加工物移動・位置決め装置と、金属加工物にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、金属加工物に電圧を印加する電解加工用電源と、電解加工用電源から出力される加工電流を計測する加工電流計測装置と、加工物移動・位置決め装置、レーザ照射装置および前記電解加工用電源を制御する加工工程制御装置とを備え、加工工程制御装置は、加工物移動・位置決め装置により、金属加工物の加工面を加工液槽の加工液に浸漬し、電解加工用電源から印加される加工電圧を制御するとともに、加工電流計測装置が検出した加工電流値に基づいて、金属加工物の加工面に不動態被膜が再形成されたことを判定した際、加工物移動・位置決め装置により、金属加工物の加工面を前記加工液槽の加工液から取り出すとともに、レーザ照射装置に対する金属加工物の位置決めを行い、レーザ照射装置に対しレーザ照射の指令を送出するようにした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、少なくともハロゲン化物イオンを含む加工液を用いるとともに、電解加工時の加工電流に基づいて、不動態被膜が再形成を判断することで、加工進行に伴う再不動態化を最大限抑制しながら、電解加工を限界まで行うことが可能となり、加工効率、加工品質を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、従来の電解・レーザ複合加工で用いられている加工工程を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に基づく電解レーザ複合加工で用いられている加工工程を示す図である。
【図３】図３は、レーザによる不動態被膜除去後における、複合加工領域のイオン分布を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施例に基づいて電解レーザ複合加工実験を行うためのシステムを示す図である。
【図５】図５は、電解レーザ複合加工実験で用いた加工条件を示す。
【図６】図６は、加工結果の一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明に基づいて電解加工液をＮａＣｌ加工液とした場合と、従来技術に基づいて電解加工液として硝酸ナトリウム水溶液とした場合の繰り返し数と加工深さを比較した図である。
【図８】図８は、本発明に基づいて電解加工液をＮａＣｌ加工液とした場合と、従来技術に基づいて電解加工液として硝酸ナトリウム水溶液とした場合の電解レーザ加工工程当たりの加工深さと電解加工時間の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例】
【００１３】
図２に本発明の実施例に基づく電解レーザ複合加工の工程を示す。
本実施例の工程は、前述の特許文献１における（１）から（６）と基本的に同様であるが、電解加工を行う際の加工液の選定、印加電圧の変更および印加時間の制御を行っている。
すなわち、特許文献１には、電解加工の条件についてはなんら特定されていないことから、電解加工液として硝酸ナトリウムを含有したものを用い、電解加工時の印加電圧を３−３０Ｖ程度とした、一般的な電解加工とレーザ加工を組み合わせているものと考えられる。
これに対し、本実施例では、電解加工を行う際の加工液として、少なくともハロゲン化物イオン（フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、アスタチン化物）を含み、さらに好ましくは、硫化物イオン、硫酸イオン及び加工対象の金属（母材）に対し、イオン化傾向の小さな金属イオンの少なくともひとつを含有したものとしている。特に、塩化物イオンと硫酸イオン、硫酸銅を組み合わせた加工液が好適である。
特許文献１においては、電解加工液、電解加工時の印加電圧に起因して電解除去加工に伴い電解絶縁被膜が加工物表面全体に形成されるのに対し、本実施例では、印加電圧を相対的に低下させ、電解除去量が相対的に大幅に低下しても、電解加工工程で生成した陽極酸化被膜とレーザ加工によりそれを除去するなどした不動態被膜のマスク効果を弱めた領域を存在させる。加工液中に含有するハロゲン化物イオンや硫酸イオンは負の電荷を帯びており、不動態被膜のマスク効果を弱めた領域にハロゲン化物イオンや硫酸イオンが引き寄せられることになる。
【００１４】
すなわち、図３に示すように、レーザによる陽極酸化被膜除去後、複合加工領域の微小空間内部では、一度引き寄せられたハロゲン化物イオン、硫酸イオンは拡散しにくく濃縮する。これにより水が電離しｐＨの低下が起こり、この領域での、加工材料のイオン化電位が低下する。
また、陽極酸化被膜表面にハロゲン化物イオンが吸着すると、酸化被膜である不動態被膜が除去され安くなること（孔食現象）が知られている。
こうしたハロゲン化物イオンの吸着、およびｐＨの低下による不動態被膜の除去は、本実施例において、加工液中にＮａＣｌを含む場合１．５Ｖ程度、(ＮａＮＯ３を含む場合３．０Ｖ程度)が好適であり、特許文献１に開示されている、一般的な電解加工で用いられている３−３０Ｖよりはるかに低電圧で不動態被膜の除去が進行する。
【００１５】
一方、不動態被膜を除去している間にも再不動態化が進行し、ある程度の時間が経過した時点で不動態被膜の除去が終息し、再不動態化が優勢になる。このとき、電解加工に伴う電流値が低下することになるので、電流値が所定値以下となったところで、電解加工を停止し、再びレーザによる不動態被膜除去を行う。
【００１６】
また、加工液中が加工対象の金属よりイオン化傾向の小さな金属のイオン（例えば加工対象金属が鉄の場合、銅イオン）を含有している場合、加工対象の金属を浸漬すると、加工液中で置換反応により、加工対象の金属が、不動態被膜が除去された箇所を中心にイオン化（加工対象が鉄の場合、Ｆｅ2＋あるいはＦｅ3＋）が発生し、イオン化傾向が小さい金属のイオン（Ｃｕ2＋）が加工対象の上面など不動態被膜が存在しない、あるいは、相対的に不動態被膜の効果が薄い箇所に析出することになる。析出したイオン化傾向の小さな金属（Ｃｕ）は、不動態被膜のマスク効果を減少させた領域における電位をさらに上昇、電解電流を増加させ、加工対象の金属（Ｆｅ）のイオン化を加速させることになる。
【００１７】
このように、不動態被膜のマスク効果を減少させた領域にこれらの要因が作用すると、複合加工により生じた微小空間の表面の加工速度向上と再不動態化の抑制を両立させることができる。
なお、ハロゲン化物イオン、硫化物イオン、硫酸イオンは、加工液のみならず、加工物中に存在してもよいし、化合物として存在し、電解加工等の化学変化により生成されるものでもよい。
【００１８】
電解レーザ複合加工の繰り返し工程増加に伴う加工深さ変化を明らかにするために、１５ｍｍのステンレス板に対して１．５ｍｍ×０．５ｍｍのキャビティを多数加工する実験を行った。
図４に電解レーザ複合加工実験システムを示す。
このシステムでは、プログラム制御を行う加工工程制御装置１が、例えばロボットハンドのような加工物移動・位置決め装置２、電解加工用電源３、レーザ照射装置４、加工物を加工液中から取り出した際に加工液を乾燥除去するエアノズル５を時系列順に制御する。
すなわち、加工物移動・位置決め装置２が、加工物を下向きにした状態で加工液に浸漬するよう、加工物を保持する保持具を移動し、電解加工を行う。
電解加工時の電流が所定値以上となったとき、加工物移動・位置決め装置が加工物を加工液から引き上げ、加工面がエアノズル５に対面するよう姿勢を変更する。
加工液の除去が終了したら、加工面がレーザ照射装置４に対面するよう、加工物移動・位置決め装置２が加工物の姿勢を変更し、さらに、加工孔がレーザ光照射位置４に合致するよう位置決めを行う。
【００１９】
次に、加工工程制御装置１は、レーザ照射装置４を作動させ、加工孔底面に向けてレーザ照射装置４によりレーザを照射し、電解加工により生成した陽極酸化被膜の除去を行う。
【００２０】
陽極酸化被膜除去後、加工物移動・位置決め装置２により加工物の姿勢、位置を制御し、再度、加工面を下向きにした状態で加工物を再び加工液に浸漬し、電解加工時の電流が所定値以上となるまで電解加工を継続し、最初の工程に戻り、加工孔の深さが目標値となるまで以上の工程を繰り返す。
加工工程制御装置１は、コントロールプログラム、コントロールインターフェスによりフレキシブルな加工条件制御、工程制御を行うことができ、レーザの走査経路、電解加工電圧を自由に変更した種々工程を指定の回数自動で実行することができる。
【００２１】
図５に、本実験で用いた加工条件を示す。
レーザ加工、電解加工を１工程ずつ行う組み合わせ回数を電解レーザ（ＤＥＥＬ）繰り返し数とした。またレーザ走査経路では、キャビティの長辺、短辺それぞれについて、レーザのスポット径の５０％の距離ずつ（オーバーラップ率５０％）、各辺に対して垂直な方向へ移動させて重畳走査し、経路は往復とし、長短辺についての往復走査の組み合わせを１回とした。
【００２２】
図６に、加工結果の１例を示す。加工した各キャビティの深さを、それぞれコンフォーカル顕微鏡を用いて計測することで加工深さとした。左側の列は電解加工のみを行った場合、中央の列は電解加工後の表面にレーザ加工を行った本実施例の場合、右側の列は、レーザ加工のみを行った場合を示し、上段から繰り返し数が２回の場合、５回の場合、１０回の場合、２０回の場合、５０回の場合をそれぞれ示している。
【００２３】
図７は、本発明に基づいて電解加工液をＮａＣｌ加工液とした場合を△のプロットで、硝酸ナトリウム水溶液とした場合を●のプロットで、そして、レーザ加工のみの場合を〇のプロットで示したものであり、横軸は繰り返し数、縦軸は加工深さ（μｍ）である。
なお、レーザ加工は１０スキャン、電解加工を行う場合は、いずれの場合も印加電圧を１.５Ｖ−３Ｖ、加工時間を３分とした。
この結果から明らかなように、〇で示すレーザ加工のみの場合は、スキャン数増加に伴い１スキャン当たりの加工深さの増加が鈍化している。また、●で示す、加工液を硝酸ナトリウム水溶液とした従来の電解レーザ複合加工では、繰り返し数にほぼ比例して加工深さが増加する傾向が確認できるものの、繰り返し数５０回で加工深さを２０μｍを若干超える程度である。
これに対し、加工液として塩化ナトリウムを用いた本発明の実施例では、電解加工電圧を、加工液を硝酸ナトリウム水溶液とした一般的な電解加工より約２倍の加工深さが得ることができ、加工液変更による複合加工深さの向上が確認できた。
【００２４】
電解レーザ複合加工で用いている電解加工速度を明らかにするために、各プロット間の加工深さ差（図７におけるＡ）を繰り返し数の差（図７におけるＢ）で除すことで、電解レーザ加工工程当たりの加工深さを算出した。
【００２５】
図８に、電解加工が終了するたびに陽極酸化被膜を除去するため、レーザを１０回スキャンさせた場合における、電解レーザ加工工程当たりの加工深さと電解加工時間の関係を示す。
加工深さは、電解加工時間の増加に伴い増加する傾向が確認できる。塩化ナトリウム加工液の場合は、加工時間約６０ｓまで増加し、再不動態化により、それ以降の加工深さの増加は鈍化する傾向が見て取れた。このタイミングで電解加工を終了し、再度レーザ照射により陽極酸化被膜を除去し、再び電解加工を繰り返すことで、加工効率を最大限に維持することができる。
【００２６】
図８には、各プロットの１次関数近似式が示されており、塩化ナトリウム加工液の場合は加工時間６０ｓまでのプロットを対象としている。同図から分かるように、塩化ナトリウムの場合の１次関数の傾きは、硝酸ナトリウムのそれに比べて約２倍の値を示しており、塩化ナトリウム加工液使用による電解加工速度の向上が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、加工進行に伴う再不動態化を最大限抑制しながら、電解加工を限界まで行うことが可能となるので、高効率で加工品質の高い電解・レーザ複合加工として広く採用されることが期待できる。
【符号の説明】
【００２８】
１；加工工程制御装置
２；加工物移動・位置決め装置
３；電解加工用電源
４；レーザ照射装置
５；エアノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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