(57)【要約】【課題】ボア内面に形成したレーザ加工穴の良否を正確に判定するとともに、不良と判定した場合の不具合発生要因の判定を、多大な工数および時間を要することなく容易に行えるようにする。【解決手段】シリンダブロック１のボア内面３に油溜まりとして形成する多数の微細な穴２５に、レーザ光を照射して寸法測定する。この際、ボア内面３の軸線方向２箇所の円周方向の４箇所について、穴２５の深さおよび幅を測定し、これら各測定値と適正値とのずれにより、加工品質の良否および加工品質が不良となった場合の不具合要因をそれぞれ判定する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒内面にレーザ光を照射して形成する複数の微細な穴の加工品質を判定するレーザ穴加工での品質判定方法において、前記円筒内面の軸線方向複数箇所の円周方向複数箇所で、前記穴の深さおよび幅を測定し、これら各測定値と、各測定値に対応するそれぞれの適正値とのずれにより、加工品質の良否および加工品質が不良となった場合の不具合要因をそれぞれ判定することを特徴とするレーザ穴加工での品質判定方法。
【請求項２】
前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの一箇所における円周方向複数箇所すべてについて、前記穴の深さが適正値と一致した場合には、加工品質を良と判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ穴加工での品質判定方法。
【請求項３】
前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの一箇所における円周方向複数箇所すべてについて、前記穴の深さが適正値より小さくかつ前記穴の幅が適正値より大きい場合には、加工品質を不良と判定するとともに、前記不具合要因を集光レンズの取付不良による焦点位置ずれと判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ穴加工での品質判定方法。
【請求項４】
前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの一箇所における円周方向複数箇所すべてについて、前記穴の深さが適正値より小さくかつ前記穴の幅が適正値より小さい場合には、加工品質を不良と判定するとともに、前記不具合要因をレーザ光の加工点での出力低下と判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ穴加工での品質判定方法。
【請求項５】
前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの一箇所における円周方向複数箇所すべてについて、前記穴の深さが適正値より小さくかつ前記穴の幅が適正値と一致した場合には、加工品質を不良と判定するとともに、前記不具合要因を集光レンズの取付不良による焦点位置ずれおよびレーザ光の加工点での出力低下と判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ穴加工での品質判定方法。
【請求項６】
前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの一箇所における円周方向複数箇所について、前記穴の深さが、ある箇所で適正値と一致するとともに他の箇所で適正値より小さく、かつ前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの他の箇所における円周方向複数箇所について、前記軸線方向複数箇所のうちの一箇所での前記穴の深さの傾向と一致する場合には、加工品質を不良と判定するとともに、前記不具合要因を、前記円筒内面を備えたワークが規定の位置から半径方向にずれていることによる焦点位置ずれと判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ穴加工での品質判定方法。
【請求項７】
前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの一箇所における円周方向複数箇所について、前記穴の深さが、ある箇所で適正値と一致するとともに他の箇所で適正値より小さく、かつ前記円筒内面の軸線方向複数箇所のうちの他の箇所における円周方向複数箇所について、前記軸線方向複数箇所のうちの一箇所での前記穴の深さの傾向と一致しない場合には、加工品質を不良と判定するとともに、前記不具合要因を、前記円筒内面を備えたワークが規定の位置に対して傾いていることによる焦点位置ずれと判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ穴加工での品質判定方法。
【請求項８】
円筒内面にレーザ光を照射して形成する複数の微細な穴の加工品質を判定するレーザ穴加工での品質判定装置において、前記円筒内面の軸線方向複数箇所の円周方向複数箇所で、前記穴の深さおよび幅を測定する測定手段と、この測定手段により測定した各測定値と各測定値に対応するそれぞれの適正値とのずれにより、加工品質の良否および加工品質が不良となった場合の不具合要因をそれぞれ判定する判定手段とを有することを特徴とするレーザ穴加工での品質判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、円筒内面にレーザ光を照射して形成する複数の微細な穴の加工品質を判定するレーザ穴加工での品質判定方法および品質判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒内面として、例えばエンジンにおけるシリンダブロックのボア内面は、ピストンの焼き付きを防止する耐焼き付き性が良好であることが要求されるため、油溜まりとして機能する微細な穴を形成してある。
【０００３】
この微細な穴の加工方法として、例えば特許文献１，２に記載されているようなレーザ加工装置を用いる場合がある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２６３７５２３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特許第２６７７８５６号公報
【０００６】
レーザ加工装置を用いて微細な穴加工を行う際に、その加工品質を安定させるために、従来では加工穴の幅（直径）を測定している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単に加工穴の幅を測定するだけでは、加工品質の良否を正確に判定できないばかりか、不良と判定した場合の不具合発生要因の判定ができず、不具合要因を特定するためには、レーザ加工時での条件設定の試行錯誤を繰り返す必要があり、多大な工数および時間を要し、改善が望まれている。
【０００８】
そこで、この発明は、円筒内面に形成した複数の微細な穴の良否を正確に判定するとともに、不良と判定した場合の不具合発生要因の判定を、多大な工数および時間を要することなく容易に行えるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、円筒内面にレーザ光を照射して形成する複数の微細な穴の加工品質を判定するレーザ穴加工での品質判定方法において、前記円筒内面の軸線方向複数箇所の円周方向複数箇所で、前記穴の深さおよび幅を測定し、これら各測定値と、各測定値に対応するそれぞれの適正値とのずれにより、加工品質の良否および加工品質が不良となった場合の不具合要因をそれぞれ判定するレーザ穴加工での品質判定方法としてある。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、円筒内面の軸線方向複数箇所の円周方向複数箇所で、穴の深さおよび幅を測定し、これら各測定値と適正値とのずれにより、加工品質の良否および加工品質が不良となった場合の不具合要因をそれぞれ判定するようにしたので、穴の良否の判定を正確に行えるとともに、不良と判定した場合の不具合発生要因の判定も多大な工数および時間を要することなく容易に行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、ワークとして自動車用エンジンのシリンダブロック１の円筒内面としてのボア内面３に、レーザ加工装置５によって微細な穴加工を行っている状態を示す全体構成図である。
【００１３】
レーザ加工装置５は、レーザ発振器７と、伝達ミラー９と、集光レンズ１１を内蔵した集光部１３と、集光レンズ１１の図中で下方に設けた折り返しミラー１９と、集光部１３を軸心Ｏを中心に回転させるとともに軸心Ｏに沿う方向に昇降させる駆動装置２１と、をそれぞれ備える。
【００１４】
レーザ発振器７から出力されたレーザ光２３は、伝達ミラー９により集光部１３に向けて折り返して集光レンズ１１で集光し、折り返しミラー１９により折り返してシリンダブロック１のボア内面３に照射する。ボア内面３にレーザ光２３を所定パルス周波数（レーザ光２３の照射の繰り返し数）で照射しつつ駆動装置２１により集光部１３を軸心Ｏを中心に回転させることにより、油溜まりとして機能する微細な穴２５を、ボア内面３に円周方向に沿って複数形成する。
【００１５】
その後、駆動装置２１により集光部１３を軸心Ｏに沿う方向に移動させ、その位置において、再びレーザ光２３を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１３を回転させることにより、微細な穴２５を円周方向に沿って複数形成する。
【００１６】
このように、集光部１３を回転させることで円周方向に沿って複数の穴２５を形成し、さらに集光部を図１中で上下方向に移動させた位置にて上記と同様にして複数の穴２５を形成し、これを繰り返すことで、穴２５をボア内面３のほぼ全域に形成する。
【００１７】
図２は、上記のようにして形成したボア内面３の複数の微細な穴２５の加工品質について、加工穴測定装置２７によって測定している状態を示す全体構成図である。
【００１８】
加工穴測定装置２７は、支持体２９の下端に測定手段としてのレーザ変位計３１を備え、レーザ変位計３１から照射する測定レーザ光３３により、穴２５の深さおよび幅（直径）を測定する。この測定レーザ光３３は、前記図１に示したレーザ加工装置５と同様に、図示しないレーザ発振器から出力されたレーザ光が、上記した支持体２９内の光学系に導かれてレーザ変位計３１に達する。
【００１９】
また、レーザ変位計３１は、駆動装置３５により、支持体２９に連結したアーム３７を介して図１に示した集光部１３と同様にして、支持体２９とともに軸心回りに回転するとともに軸心に沿って図２中で上下方向に移動し、ボア内面３に加工してある複数の穴２５の測定を行う。
【００２０】
レーザ変位計３１での測定結果は判定手段としての制御装置３９に出力し、制御装置３９は、この測定結果に基づいて、あらかじめ設定してある適正値と比較し加工品質の良否を判定するとともに、加工品質が不良と判定したときに、不具合要因も合わせて判定し、その各判定結果を表示装置４１に表示する。
【００２１】
次に、上記したレーザ変位計３１での穴２５の測定方法について説明する。
【００２２】
図３は、シリンダブロック１のボア内面３に加工した複数の穴２５に対する測定位置を示すもので、ボア内面３の上部測定位置Ｕおよび下部測定位置Ｄの軸線方向２箇所において、それぞれ円周方向等間隔位置の４箇所Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４およびＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を測定する。なお、Ｕ１とＤ１，Ｕ２とＤ２，Ｕ３とＤ３，Ｕ４とＤ４  は、それぞれ軸線方向に沿って同一位置であるとする。
【００２３】
図４は、上部測定位置Ｕでの穴２５の深さおよび幅、ならびに下部測定位置Ｄでの穴２５の深さについて、適正であるか否かを示すとともに、その結果品質不良と判定した場合の不具合要因を示している。なお、測定値が、適正値に一致している場合には「適正」、適正値に対して大きい場合は「大」、適正値に対して小さい場合は「小」としている。
【００２４】
まず、上部測定位置Ｕにおける各測定位置Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４での穴２５の深さが、すべて適正の場合は、加工品質は「良」であり、したがってこのときの不具合要因は「なし」となる。
【００２５】
次に、上部測定位置Ｕにおける各測定位置Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４での穴２５の深さが、すべて「小」の場合でかつ、この各測定位置Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４での穴２５の幅が、（１）すべて「大」の場合、（２）すべて「小」の場合、（３）すべて「適正」の場合のいずれについても、加工品質は「不良」とする。
【００２６】
そして、上記（１）の場合、すなわち穴２５の深さが「小」で幅が「大」の場合には、図５に示すようにレーザ加工時での加工点Ｐに対してレーザ光２３の焦点Ｆが、ボア内面３より深い位置となってずれた状態であり、この状態は、集光レンズ１１の取付不良により焦点位置ずれと判定する。
【００２７】
また、上記（２）の場合、すなわち穴２５の深さが「小」で幅も「小」の場合には、レーザ光２３の焦点Ｆは加工点Ｐに一定しているものの、加工点Ｐでのレーザ光の出力が低下していると判定する。レーザ光の出力の低下は、例えば集光レンズ１１や折り返しミラー１９などの光学系の汚れや損傷による劣化、あるいはレーザ発振器７自体の不具合が考えられる。
【００２８】
一般に、レーザ光の強度分布とこれに対応する加工穴の形状との関係は、図６に示すようになる。すなわち、同図（ａ）が、レーザ光のエネルギ密度を示しており、このエネルギ密度がしきい値Ｔを超えると、穴加工可能であるとする。
【００２９】
この場合のエネルギ密度は、Ｅ１ではしきい値Ｔに達せず、したがって同図（ｂ）に示す穴の加工はできない。
【００３０】
一方、エネルギ密度がＥ１より大きいＥ２，Ｅ３の場合には、いずれもしきい値Ｔを超えているので、穴Ｈ２，Ｈ３をそれぞれ加工することができ、このときの穴の深さＬ２，Ｌ３，と幅Ｍ２，Ｍ３は、エネルギ密度が小さくなればともに小さくなる。すなわち、エネルギ密度がＥ３に対して小さいＥ２の場合には、穴の深さＬ２および幅Ｍ２が、エネルギ密度Ｅ３に対応する穴の深さＬ３および幅Ｍ３に比べてともに小さいものとなる。
【００３１】
以上のことから、穴２５の深さが「小」で幅も「小」である上記（２）の場合には、エネルギ密度すなわちレーザ光の出力が、加工点で規定の出力に対して低下（不足）しているものとなる。
【００３２】
なお、図６（ｂ）に示すように、レーザ光によって穴加工すると、加熱による膨脹や蒸発によって、穴Ｈ２，Ｈ３の周囲に盛り上がり部Ｇが形成される。この盛り上がり部は、ホーニング加工などによって除去する。
【００３３】
また、上記（３）の場合、すなわち穴２５の深さが「小」で幅が「適正」の場合には、集光レンズ１１の取付不良による焦点位置ずれおよび、加工点でのレーザ光の出力低下であると判定する。
【００３４】
一般に、レーザ光は、図７（ａ）に示すように、集光レンズ１１を出た後、焦点Ｆで収束し、焦点Ｆを境にしてその前後で対称となるよう広がる形態となる。なお、この場合焦点Ｆでは一定長さの焦点深度Ｓを有する。
【００３５】
エネルギ密度は、図７（ｂ）に示すように、レーザ光の焦点Ｆで最も高く、焦点Ｆを境にしてその前後では、焦点Ｆから離れるに従って小さくなる。
【００３６】
また、このとき、図７（ｃ）に示すエネルギ密度が規定値の場合および図７（ｄ）に示すエネルギ密度が規定値に対して不足している場合のいずれにおいても、穴２５の深さが、焦点Ｆで最も大きく、焦点Ｆを境にしてその前後では、焦点Ｆから離れるに従って小さくなる。
【００３７】
さらに、図７（ｃ）に示すエネルギ密度が規定値の場合および図７（ｄ）に示すエネルギ密度が規定値に対して不足している場合のいずれにおいても、穴２５の幅が、焦点Ｆで最も小さく、焦点Ｆを境にしてその前後では、焦点Ｆから離れるに従って大きくなる。
【００３８】
そして、上記した穴２５の深さおよび幅は、レーザ光の放射方向同一位置において、エネルギ密度が規定値の場合に比べ、規定値に対し不足してる場合のほうが小さくなる。
【００３９】
以上から、穴２５の深さが「小」で、かつ幅が「適正」である上記（３）の場合には、穴２５の深さが「小」であることから、集光レンズ１１の取付不良により焦点位置ずれが発生し、かつ焦点ずれが発生している状態で穴２５の幅が「適正」であることから、加工点でのレーザ光の出力が規定値の場合に比べて不足していることになる。
【００４０】
つまり、上記（３）の場合の品質不良の要因は、集光レンズ１１の取付不良により焦点位置ずれおよび、加工点でのレーザ光の出力低下となる。
【００４１】
次に、上部測定位置Ｕの互いに対向する２箇所の測定位置Ｕ１，Ｕ３での穴２５の深さが「適正」であるとともに、残りの互いに対向する２箇所の測定位置Ｕ２，Ｕ４での穴２５の深さが「小」の場合でかつ、（４）下部測定位置Ｄの互いに対向する２箇所の測定位置Ｄ１，Ｄ３での穴２５の深さが「適正」であるとともに、残りの互いに対向する２箇所の測定位置Ｄ２，Ｄ４での穴２５の深さが「小」の場合、（５）下部測定位置Ｄの互いに対向する２箇所の測定位置Ｄ２，Ｄ４での穴２５の深さが「適正」であるとともに、残りの互いに対向する２箇所の測定位置Ｄ１，Ｄ３での穴２５の深さが「小」の場合のいずれについても、加工品質は「不良」とする。
【００４２】
すなわち、上記（４）の場合は、ボア内面３の軸線方向２箇所の測定位置のうちの一方（上部測定位置Ｕ）での穴２５の深さの傾向が、他方（下部測定位置Ｄ）での穴２５の深さの傾向と一致している。
【００４３】
この場合には、前記図１に示してあるシリンダブロック１全体が、規定のセット位置に対し、図１中で左右方向、つまり半径方向にずれている状態に相当する。
【００４４】
シリンダブロック１の位置ずれにより、ボア内面３も同様にずれるので、このずれ方向に対向するレーザ光の焦点位置もずれることになる。したがって、このずれ方向に対向する側（測定位置Ｕ２，Ｕ４およびＤ２，Ｄ４）の穴２５の深さは「小」となる。
【００４５】
一方、シリンダブロック１の位置ずれ方向と直交する側の測定位置Ｕ１，Ｕ３およびＤ１，Ｄ３での穴２５については、焦点Ｆのずれが多少発生するが、前記図７（ａ）に示したように、焦点Ｆには焦点深度Ｓがあることから、この焦点深度Ｓの範囲内のずれであれば、穴２５の深さは「適正」となる。
【００４６】
以上から、ボア内面３の軸線方向２箇所の測定位置のうちの一方（上部測定位置Ｕ）での穴２５の深さの傾向が、他方（下部測定位置Ｄ）での穴２５の深さの傾向と一致している場合には、加工品質が不良であり、不具合要因はシリンダブロック１のレーザ光位置に対する相対的な位置ずれと判定する。
【００４７】
また、上記（５）の場合は、ボア内面３の軸線方向２箇所の測定位置のうちの一方（上部測定位置Ｕ）での穴２５の深さの傾向が、他方（下部測定位置Ｄ）での穴２５の深さの傾向と一致していない。
【００４８】
この場合には、前記図１に示してあるシリンダブロック１全体が、例えばシリンダブロック１とシリンダブロック１を設置する治具との間に異物が噛み込むなどの理由から、規定のセット位置に対し傾いていると判定する。
【００４９】
すなわち、ボア内面３の軸線方向２箇所の測定位置のうちの一方（上部測定位置Ｕ）での穴２５の深さの傾向が、他方（下部測定位置Ｄ）での穴２５の深さの傾向と一致していない場合には、加工品質が不良であり、不具合要因はシリンダブロック１が傾いていると判定する。
【００５０】
なお、上記（５）の場合での下部測定位置Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の「適正」および「小」となる位置関係は、図４に示すものに限るわけではなく、ボア内面３の軸線方向２箇所の測定位置のうちの一方（上部測定位置Ｕ）での穴２５の深さの傾向が、他方（下部測定位置Ｄ）での穴２５の深さの傾向と一致していなければよい。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ボア内面３の軸線方向複数箇所の円周方向複数箇所で、穴２５の深さおよび幅を測定し、これら各測定値と、各測定値に対応する適正値とのずれにより、加工品質の良否および加工品質が不良となった場合の不具合要因をそれぞれ判定するようにしたので、穴２５の良否の判定を正確に行えるとともに、不良と判定した場合の不具合発生要因の判定も多大な工数および時間を要することなく容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動車用エンジンのシリンダブロックのボア内面に、レーザ加工装置によって微細な穴加工を行っている状態を示す全体構成図である。
【図２】シリンダブロックのボア内面に加工した微細な穴の加工品質について、加工穴測定装置によって測定している状態を示す全体構成図である。
【図３】シリンダブロックのボア内面に加工した複数の穴に対する測定位置を示す説明図である。
【図４】図３の測定位置での穴の深さや幅について、適正であるか否かを示すとともに、品質不良と判定した場合の不具合要因を示す説明図である。
【図５】レーザ加工時での加工点に対してレーザ光の焦点が、ボア内面より深い位置となって焦点ずれした状態を示す説明図である。
【図６】レーザ光の強度分布とこれに対応する加工穴の形状との関係を示す説明図である。
【図７】レーザ光の形態（ａ）と、これに対応するエネルギ密度（ｂ）および、エネルギ密度に応じた穴の形状（ｃ），（ｄ）を示す説明図である。
【符号の説明】
１  シリンダブロック（ワーク）
３  ボア内面（円筒内面）
２３  レーザ光
２５  微細な穴
３１  レーザ変位計（判定手段）
３７  制御装置（測定手段）
【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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