(57)【要約】【課題】シリンダボア内周面にオイル溜まりとして形成される窪みの形状を可及的に摩擦係数の小さなものとする。【解決手段】レーザビームＬの集光系に二焦点レンズ１４を用い、それにより得られるエネルギー密度分布特性（ビームモード）として、正規分布特性曲線に近似した主特性曲線Ｒ１の裾部にピークレベルの小さな小山状の補助特性曲線Ｒ２を有する特性とする。それによって、加工される窪みＧの形状を口開き部Ｅを有する開先状のものとする。口開き部Ｅがあることによって油膜のせん断力が小さくなり、ひいては摩擦係数が小さくなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークのうち潤滑油脂を介して相手側部材と摺動することになる内筒面が面粗度を極小化した平滑面となっていて、その平滑内筒面に対し潤滑油脂を保持するための油溜まりをレーザ加工により多数の微細な窪みとして形成する方法であって、
ミラーもしくは焦点距離が異なる集光レンズをもってレーザビーム集光系を構成するとともに、
そのレーザビーム集光系で得られるレーザビームの加工位置でのエネルギー密度分布特性が主特性曲線の裾部にそれよりもピークレベルが小さい小山状の補助特性曲線をもった特性となるように予め調整し、
上記レーザビーム集光系の光軸を平滑内筒面に指向させた状態で、そのレーザビーム集光系を平滑内筒面の軸心を回転中心として回転させることにより、開先状の多数の微細な窪みを形成することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
平滑内筒面に対してレーザビームを所定のパルス周波数で照射しつつ所定速度で移動させるものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
レーザビーム集光系における集光レンズもしくはミラーの直前に、レーザビームの直径よりも小さな穴のあいた回析用スリット板を配置することにより、加工位置でのエネルギー密度分布特性が主特性曲線の裾部にそれよりもピークレベルが小さい小山状の補助特性曲線をもった特性となるように予め調整するものであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークの表面にレーザビームを照射して多数の独立した微細な溝を形成する方法に関し、例えば内燃機関のシリンダブロックにおけるシリンダボア内周面に潤滑油脂を保持するための油溜まりとなる多数の微細な窪みを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オイル消費量の低減のためにシリンダブロックのシリンダボア内周面の面粗度を極小化することでそのボアとピストンとの間の油膜厚さを小さくし、それと並行して焼き付き防止の観点からボア内周面にオイル溜まりとなる多数の微細な窪みを形成してオイル保有性を改善した技術が特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−４００６８号公報  （第２頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
シリンダボア内周面の面粗度を小さくすることで相手側部材であるピストンとの間の摩擦係数が低下していわゆるフリクション特性は良くなるが、面粗度を極小化してもある大きさとなると逆に摩擦係数が高くなり（図７の符号ａ参照）、かえってフリクション特性が悪化することがある。これはオイル溜まりとして形成される微細な窪みの形状が十二分に考慮されていないためで、微細な窪みにおける油膜のせん断抵抗が摩擦係数の増大化に影響しているものと推測される。
【０００５】
本発明は以上のような課題に着目してなされたものであり、面粗度を極小化した平滑面にオイル溜まりとなる微細な窪みを形成することを前提としつつも、その窪みの形状を積極的にコントロールすることで摩擦係数をより一層低減してフリクション特性を改善できるようにしたレーザ加工方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、ワークのうち潤滑油脂を介して相手側部材と摺動することになる内筒面が面粗度を極小化した平滑面となっていて、その平滑内筒面に対し潤滑油脂を保持するための油溜まりをレーザ加工により多数の微細な窪みとして形成する方法であって、ミラーもしくは焦点距離が異なる集光レンズをもってレーザビーム集光系を構成するとともに、そのレーザビーム集光系で得られるレーザビームの加工位置でのエネルギー密度分布特性が主特性曲線の裾部にそれよりもピークレベルが小さい小山状の補助特性曲線をもった特性となるように予め調整し、上記レーザビーム集光系の光軸を平滑内筒面に指向させた状態で、そのレーザビーム集光系を平滑内筒面の軸心を回転中心として回転させることにより、開先状すなわち奧部側よりも口元側が開いた形状の多数の微細な窪みを形成することを特徴とする。
【０００７】
この場合、平滑内筒面に対してレーザビームを所定のパルス周波数で照射しつつ所定速度で移動させるものとする。
【０００８】
また、レーザビーム集光系における集光レンズもしくはミラーの直前に、レーザビームの直径よりも小さな穴のあいた回析用スリット板を配置することにより、加工位置でのエネルギー密度分布特性が主特性曲線の裾部にそれよりもピークレベルが小さい小山状の補助特性曲線をもった特性となるように予め調整することが望ましい。
【０００９】
したがって、請求項１に記載の発明では、レーザビームのエネルギー密度分布特性が特殊な特性となるように積極的にコントロールすることにより、オイル溜まりとして形成される多数の窪みの形状が開先状のものとなる。これにより、その窪みに保有されるオイルをも含む油膜のせん断抵抗が相対的に小さくなり、その結果として相手側部材との間の摩擦係数が小さくなる。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、特殊なエネルギー密度分布特性をもってオイル溜まりとして形成される多数の窪みの形状が開先状のものとなることから、その窪みに保有されるオイルをも含む油膜のせん断抵抗ひいては相手側部材との間の摩擦係数が小さくなって、相手側部材とのフリクション特性を大幅に改善できる効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１以下の図面は本発明の好ましい実施の形態を示しており、図１から明らかなようにワークとしてのシリンダブロックＢのボア内周面Ｐにオイル溜まりとして多数の微細な窪みＧを形成する場合の例を示している。
【００１２】
図１の（Ａ）に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、照射ミラー３と、集光レンズ４が内蔵された集光部５と、集光部５の下端に設けられた伝達ミラー６と、集光部５をシリンダボアの軸心周りに回転させるとともにその軸心に沿って昇降駆動させるＮＣ駆動装置７とをもって構成されている。レーザ発振器２から出力されたレーザビームＬは反射ミラー３により集光部５に向けて折り返された後に集光レンズ４で集光され、さらに伝達ミラー６にて折り返された上でシリンダボア内周面Ｐに向けて照射される。なお、シリンダボア内周面Ｐはホーニング加工等により予め十二分に平滑化されており、レーザビームＬは所定パルス周波数でシリンダボア内周面Ｐに向けて断続的に照射され、それと同時に集光部５がシリンダボアの軸心周りに回転駆動されるとともに、集光部５の一回転ごとに集光部５が所定量だけ昇降駆動されることから、図１の（Ｂ）に示すようにシリンダボア内周面Ｐのうちシリンダヘッド側に近い部分すなわち相手側部材であるピストンの上死点位置に近い部分にオイル溜まりとしての相互に独立した多数の微細な窪みＧ，Ｇ…が規則性をもっていわゆるディンプル状に形成される。ここでの窪みＧは、後述するようにその奧部側よりも口元側の方が開いた形状であるところのいわゆる開先状のものであることを必須条件とする。
【００１３】
ここで、一般的なレーザビーム集光系では加工位置ＱでのレーザビームＬのモードすなわちレーザビームＬのエネルギー密度分布特性が図４のようにいわゆる正規分布特性曲線に似たものとなることから、本実施の形態ではこのエネルギー密度分布特性が図２，３に示すように特殊形状のものとなるように積極的にコントロールするものとする。
【００１４】
すなわち、図２に示すように、そのレーザビーム集光系５で得られるレーザビームＬの加工位置Ｑでのエネルギー密度分布特性が正規分布特性曲線相当となっている主特性曲線Ｒ１の裾部にそれよりもピークレベルが小さい小山状の補助特性曲線Ｒ２をもった特性となるように予め調整するものとする。
【００１５】
図２では、同一レンズ内に焦点距離が長い部分Ｌ１と短い部分Ｌ２とを有するいわゆる二焦点レンズ１４を集光レンズ４として用いる一方で、駆動系をさらに一軸付加してその二焦点レンズ１４を光軸周りに回転させるものとし、それによって加工位置Ｑでのエネルギー密度分布特性が正規分布特性曲線相当の主特性曲線Ｒ１の裾部にそれよりもピークレベルが小さい小山状の補助特性曲線Ｒ２をもった特性となるように設定してある。これにより、シリンダボア内周面Ｐにオイル溜まりとして形成される窪みＧの断面形状としては、あたかも皿もみを施したかの如くその奥部側よりも口元側の方がテーパ状に開いた口元開き部Ｅを有した形状のいわゆる開先形状のものとして形成される。
【００１６】
この場合、二焦点レンズ１４のうち焦点距離の短い部分Ｌ２の面積と焦点距離の長い部分Ｌ１の面積との比が、エネルギー密度分布特性のうち中央部の主特性曲線Ｒ１相当部の面積Ｍ１と主特性曲線Ｒ１の裾部での補助特性曲線Ｒ２相当部の面積Ｍ２−Ｍ１との比と同じとなり、且つ窪みＧの中央部におけるストレート孔部Ｄでの面積Ｓ１と口元開き部Ｅでの面積Ｓ２−Ｓ１との比と等しくなるように予め設定される。
【００１７】
なお、上記の二焦点レンズ１４に代えて反射ミラー３もしくは伝達ミラー６として同等の機能を有するものを用いてもよい。
【００１８】
一方、図３では、集光レンズ４の直前にレーザビーム径よりも小さい穴８のあいた回析用スリット板９を設置し、図２の場合と同様に加工位置Ｑでのエネルギー密度分布特性が正規分布特性曲線相当の主特性曲線Ｒ１の裾部にそれよりもピークレベルが小さい小山状の補助特性曲線Ｒ２をもった特性となるように設定してある。これにより、図２の場合と同様にシリンダボア内周面Ｐにオイル溜まりとして形成される窪みＧの断面形状としては、あたかも皿もみを施したかの如くその奥部側よりも口元側の方がテーパ状に開いた口元開き部Ｅを有する形状のいわゆる開先形状のものとして形成される。
【００１９】
この場合、回析用スリット板９における穴８の径ｈと板厚ｔは、エネルギー密度分布特性のうち中央部の主特性曲線Ｒ１相当部の面積Ｍ１と主特性曲線の裾部での補助特性曲線Ｒ２相当部の面積Ｍ２−Ｍ１との比が、窪みＧの中央部におけるストレート孔部Ｄでの面積Ｓ１と口元開き部Ｅでの面積Ｓ２−Ｓ１との比と等しくなるような大きさに予め設定される。
【００２０】
なお、比較対照の意味で、従来の一般的なレーザビーム集光系によるエネルギー密度分布特性とそれによって形成される窪みＧ１（Ｄ）の形状を図４に示す。
【００２１】
本発明者は、上記の実施の形態における開先状の窪みＧと従来の一般的な形状の窪みＧ１（図４参照）とではシリンダボア内周面Ｐにおける油膜のせん断力がどのように変化するのか実験を行ってみた。その結果を図５，６に示す。図５から明らかなように上記の実施の形態のように開先状の窪みＧの方が油膜Ｃのせん断力Ｆが著しく小さくなっており、図６に示すようにそれに応じて摩擦係数も大幅に小さくなることがわかる。なお、図５の符号１０は相手側部材としてのピストンを示す。その結果として、図７に示すようにシリンダボア内周面Ｐの面粗度を極端に小さくせずとも、従来の同等面粗度でのシリンダボア内周面Ｐの摩擦係数ａと比べて符号ｂに示すように大幅に小さくできることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の好ましい実施の形態としてレーザ加工装置全体の概略構成を示す説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の加工部位での要部拡大説明図。
【図２】図１の（Ａ）におけるレーザビーム集光系とビームモードおよびそれによって形成される窪み形状との関係を示す説明図。
【図３】図２の変形例としてレーザビーム集光系とビームモードおよびそれによって形成される窪み形状との関係を示す説明図。
【図４】従来の代表的なレーザビーム集光系とビームモードおよびそれによって形成される窪み形状との関係を示す説明図。
【図５】（Ａ），（Ｂ）ともに窪み形状と油膜のせん断力との関係を示す説明図。
【図６】窪み形状と摩擦係数との関係を示す説明図。
【図７】シリンダボア内周面での面粗度と摩擦係数との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
２…レーザ発振器
３…反射ミラー
４…集光レンズ
５…集光部
６…伝達ミラー
８…穴
９…回析用スリット板
１４…二焦点レンズ
Ｂ…シリンダブロック（ワーク）
Ｅ…口開き部
Ｇ…窪み（油溜まり）
Ｐ…シリンダボア内周面（平滑内筒面）
Ｑ…加工位置
Ｒ１…主特性曲線
Ｒ２…補助特性曲線
【図１】
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【図２】
2004230402.tif 000004
【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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