(57)【要約】      （修正有）【課題】金属圧延ロール表面に高精度な凸パターンを形成することができるレーザダル加工装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器１を用いて、回転する圧延ロールＲに対しレーザ加工ヘッドＰＨをロール軸方向に移動しながら該圧延ロール表面に圧延ロール表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、該レーザ発振器にファイバーレーザを用い、圧延ロール表面におけるレーザ光の密度を限定してレーザ照射部に連続または離散的な凸形状の溶融部を形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から出力されるレーザ光を加工ヘッドへ伝送し、前記加工ヘッドで回転する金属圧延ロールの表面にレーザ光を集光して照射するとともに、前記加工ヘッドをロール軸方向へ移動させ、前記金属圧延ロールの表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、
前記レーザ発振器がファイバーレーザであり、前記金属圧延ロール表面におけるレーザ光の集光パワー密度を１×１０７ｗ／ｃｍ２〜１×１０１０ｗ／ｃｍ２としたことを特徴とするロール加工装置。
【請求項２】
ｆθレンズとレーザ光走査ミラーと該レーザ光走査ミラーの駆動装置とからなるレーザ光走査光学系とを備え、前記回転する金属圧延ロールの表面にレーザ光をロール軸方向に走査しながら集光して照射する事を特徴とする、請求項１に記載のロール加工装置。
【請求項３】
パルス信号を発生するロール回転角度検出器を備え、該ロール回転角度検出器からのパルス信号をトリガ信号として前記レーザ光走査ミラーおよびファイバーレーザを駆動する事を特徴とする、請求項２に記載のロール加工装置。
【請求項４】
パルス信号発生器を備え、該ファイバーレーザを前記パルス信号発生器のパルス信号により駆動することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項５】
請求項１に記載のロール加工装置を用いて、金属圧延ロールを回転しながら、かつ、金属圧延ロールの軸方向に移動しながら連続出力のファイバーレーザを金属圧延ロールの表面に集光して照射し、前記圧延ロール表面に螺旋状に連続する凸形状の溶融部を形成する事を特徴とするロール加工方法。
【請求項６】
請求項２あるいは３に記載のロール加工装置を用いて、金属圧延ロールを回転しながら、連続出力のファイバーレーザを金属圧延ロールの軸方向に移動しながら金属圧延ロールの表面に集光して照射し、前記圧延ロール表面に螺旋状に連続する凸形状の溶融部を形成後、前記ファイバーレーザを再度金属圧延ロールの軸方向に移動しながら、前記レーザ光走査光学系にてレーザ光を走査しながらレーザ光を金属圧延ロールの表面に集光して照射し、該螺旋状溶融部に略直交する方向に溶融部を重畳して形成し、前記圧延ロール表面に略格子状に凸形状の溶融部を形成する事を特徴とするロール加工方法。
【請求項７】
請求項４に記載のロール加工装置を用いて、金属圧延ロールを回転しながらかつ金属圧延ロールの軸方向に移動しながらパルス出力のファイバーレーザを金属圧延ロールの表面に集光して照射し、前記金属圧延ロール表面に島状の離散的な凸形状の溶融部を形成する事を特徴とするロール加工方法。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のロール加工方法を用いて加工した表面に微細な凸形状を有する金属圧延ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ発振器にて、金属圧延ロール表面に微細凸パターンを形成するダル加工を行うロール加工装置およびそれを用いたロール加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１などにより、鋼板のプレス加工性を向上させる方法として鋼板上に微小な凹パターンを高密度で形成し、凹部による油溜り効果にてプレス時の鋼板表面の滑りを確保する方法が開示されている。鋼板への具体的な凹パターン形成方法としては、圧延ロール表面の微細パターンを圧延時に鋼板表面に転写する方法が広く用いられる。圧延ロール表面の微細パターンの形成方法としては、ショットダル加工法、放電ダル加工法、エッチングを用いた加工法、レーザダル加工法などがある。
【０００３】
ショットダル加工法、放電ダル加工法ではロール表面の微細パターン形成についての制御性に乏しく、鋼板のプレス加工性を向上させるのに有効な凹パターンの転写を発生させるロール表面形状を造り込む事は不可能である。また、鋼板に転写される凹パターンの大きさが数１００μｍ程度と大きく、鋼板表面の平坦度を悪化させ、鮮映性などの外観品位を損ねるという欠点が存在する。エッチング加工法によれば、ロール表面の高精度な微細パターン形成が可能であるが、工程が複雑で加工費用が高くなる問題がある。
【０００４】
レーザ加工により圧延ロール表面に微細パターンを形成する発明としては、特許文献２に開示されている様にレーザ照射部に溶融金属を環状に盛り上げたクレーター部を形成する方法がある。該発明はロール表面に形成された該クレーター部を鋼板に転写させる事により、鋼板上に環状の凹パターンを形成する事で油溜まり部を形成させ、プレス加工性の向上を狙ったものである。しかし、クレーターによる凹パターンの形成のため、凹パターンの個数密度に制約が発生し、プレス加工性を向上させるに必要な高密度の凹パターンを形成する事ができない。また、レーザ照射部に均一な環状のクレーター部を形成する事は非常に困難であり、複雑な加工条件および加工光学系を必要とし、装置費用が多大なものとなる。
【０００５】
また特許文献３には、レーザ加工とＣｒメッキを組み合わせてロール表面に微小突起を形成する方法が開示されている。該発明によれば微小な凹パターンを鋼板表面に転写形成する事が可能であるが、一旦ロール表面に樹脂皮膜を形成し、該樹脂皮膜をレーザ照射により局所的に除去した部分にＣｒメッキを行い、その後、残存する樹脂皮膜を除去する必要があり、工程が複雑でロール加工の為に多大な時間と費用が発生する問題がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−６９００６号公報
【特許文献２】
特公平３−２７３１３号公報
【特許文献３】
特公平６−３５６７６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決し、圧延ロール表面に高精度な凸パターンを形成するレーザダル加工装置を提供する事を目的とする。本発明の装置により加工したロールを用いて鋼板を圧延する事により、鋼板表面に微細かつ高密度の凹パターンを転写させ、該圧延鋼板のプレス加工性を向上させる事を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、
レーザ発振器から出力されるレーザ光を加工ヘッドへ伝送し、前記加工ヘッドで回転する金属圧延ロールの表面にレーザ光を集光して照射するとともに、前記加工ヘッドをロール軸方向へ移動させ、前記金属圧延ロールの表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、前記レーザ発振器がファイバーレーザであり、前記金属圧延ロール表面におけるレーザ光の集光パワー密度を１×１０７ｗ／ｃｍ２〜１×１０１０ｗ／ｃｍ２としたことを特徴とするロール加工装置、および、
ｆθレンズとレーザ光走査ミラーと該レーザ光走査ミラーの駆動装置とからなるレーザ光走査光学系とを備え、前記回転する金属圧延ロールの表面にレーザ光をロール軸方向に走査しながら集光して照射する事を特徴とする、上記ロール加工装置、および、
パルス信号を発生するロール回転角度検出器を備え、該ロール回転角度検出器からのパルス信号をトリガ信号として前記レーザ光走査ミラーおよびファイバーレーザを駆動する事を特徴とする、上記ロール加工装置、および、
パルス信号発生器を備え、該ファイバーレーザを前記パルス信号発生器のパルス信号により駆動することを特徴とする上記ロール加工装置にある。
【０００９】
また、本発明は、上記のロール加工装置を用いて、金属圧延ロールを回転しながら、かつ、金属圧延ロールの軸方向に移動しながら連続出力のファイバーレーザを金属圧延ロールの表面に集光して照射し、前記圧延ロール表面に螺旋状に連続する凸形状の溶融部を形成する事を特徴とするロール加工方法、および、
上記のロール加工装置を用いて、金属圧延ロールを回転しながら、連続出力のファイバーレーザを金属圧延ロールの軸方向に移動しながら金属圧延ロールの表面に集光して照射し、前記圧延ロール表面に螺旋状に連続する凸形状の溶融部を形成後、前記ファイバーレーザを再度金属圧延ロールの軸方向に移動しながら、前記レーザ光走査光学系にてレーザ光を走査しながらレーザ光を金属圧延ロールの表面に集光して照射し、該螺旋状溶融部に略直交する方向に溶融部を重畳して形成し、前記圧延ロール表面に略格子状に凸形状の溶融部を形成する事を特徴とするロール加工方法、および、
上記のロール加工装置を用いて、金属圧延ロールを回転しながらかつ金属圧延ロールの軸方向に移動しながらパルス出力のファイバーレーザを金属圧延ロールの表面に集光して照射し、前記金属圧延ロール表面に島状の離散的な凸形状の溶融部を形成する事を特徴とするロール加工方法、および、
上記のいずれかに記載のロール加工方法を用いて加工した表面に微細な凸形状を有する金属圧延ロールである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の装置の模式図である。ファイバーレーザ装置１の先端には集光用の加工ヘッドＰＨが備えられている。パルス発生器２からの駆動信号により、ファイバーレーザをパルス出力駆動する事もできる。加工ヘッドＰＨには、ビームコリメータレンズおよび集光レンズが装着されている。また加工ヘッドＰＨの先端部は、レーザ光と同軸にエアーを噴出する加工ノズルとなっている。圧延ロールが設置される加工テーブルは、横行テーブルＴＸ、焦点調整用の縦行テーブルＴＹ、ロール回転装置から成る。
【００１１】
ロール回転装置により圧延ロールを回転させながら、横行テーブルＴＸによりロール軸方向に加工ヘッドを移動させ、レーザ光をロール表面に照射する事で、ロール表面に螺旋状にレーザ加工が行われる。加工ヘッドＰＨは縦行テーブルＴＹ上に設置される。縦行テーブルＴＹの位置は、ロール表面との距離を測定するセンサー（図示しない）の測定値に基づき自動制御され、ロール加工中は常に最適焦点距離が保持される。
【００１２】
ファイバーレーザは、コア径１０μｍオーダのファイバー端面より出力１０００Ｗ程度のレーザ光を出射する事が可能である。また、加工点でレーザ光を１０μｍ程度まで集光する事が可能であり、これまで工業的に広く利用されてきたＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザの１００倍程度の出力密度を得る事ができる。
【００１３】
発明者らは、ファイバーレーザを走査速度ｍ／ｓｅｃオーダーの高速走査して金属表面を溶融させると、従来のＹＡＧレーザやＣＯ２レーザとは異なる溶融形状が形成される事を見いだした。ファイバーレーザを高速走査して金属表面を溶融させると、金属表面には高さ、幅とも数１０μｍの盛り上がった極細の溶融部が形成される。ファイバーレーザでは加工点のレーザ密度が従来レーザの１００倍程度になるため、溶融幅と溶融深さの比であるアスペクト比が従来の５倍程度の極細の溶融を得る事ができる。この事が従来のレーザ溶融に比べ、より急速な溶融、凝固収縮による溶融表面の盛り上がりを増長する方向に働き、前記の細い凸形状溶融部の形成となると考えられる。溶融実験の結果、微小な凸形状溶融部はファイバーレーザ集光点での出力密度を１×１０７ｗ／ｃｍ２〜１×１０１０ｗ／ｃｍ２の範囲とした際に得られた。図２はファイバーレーザにて溶融させた金属表面の断面写真である。実験によると、ファイバーレーザ出力、ビーム走査速度、集光スポット径条件を変更する事により、溶融部の凸形状の幅と高さを図３の範囲で変更する事ができる。
【００１４】
ファイバーレーザを回転している金属圧延ロール表面に集光、照射すると、上記ファイバーレーザ特有の凸状微細溶融部をロール表面に形成できる。さらに、金属圧延ロール表面に照射しているファイバーレーザの集光スポットを金属圧延ロールの軸方向に低速で移動させると、図４に示すように、金属圧延ロール全面に亘り、螺旋状に幅、高さとも数１０μｍの微細な凸模様を形成する事が出来る。
図１のロール加工装置にて、ロールＲを回転させながらロール表面にファイバーレーザを照射しながら、横行テーブルＴＸをＸ方向にロール全幅に亘り移動させる。この結果、ロール表面には螺旋状の凸状模様が形成される。
【００１５】
上記金属圧延ロールを圧延に用いると、鋼板表面に螺旋模様が転写され、圧延方向におおよそ平行な溝模様を有する鋼板を得る事ができる。この鋼板はプレス時に線状の凹部が油溜まりとして作用し、摩擦を軽減する機能を有するため、高圧プレス時においても、板の焼付きがなく成型性に優れている。ロール表面に螺旋に形成する凸状模様の間隔はロール加工時のロール回転速度と、加工ヘッドの横行速度により任意の間隔にする事が出来る。
【００１６】
本発明のレーザ光走査系部を図５に示す。レーザ光走査光学系はファイバーレーザ端から出射するレーザ光を略平行光にするコリメートレンズＬ１と、レーザ光を走査するガルバノ走査ミラーＭと、走査したレーザ光をロール表面に集光するｆθレンズＬ２からなる。前記走査ミラーＭは、駆動装置３からの信号により角度が周期的に駆動されレーザ光ＬＢのｆθレンズへの反射方向を変化させる。また、前記ガルバノ走査ミラーおよびファイバーレーザ発振器は、ロール回転位置検出器ＥＳからのロール回転位置信号をトリガー信号として動作する。
【００１７】
ガルバノミラーを用い、略軸方向のビーム走査を行う事で、加工テーブルの移動速度では実現が困難な、ｍ／ｓｅｃオーダーの高速ビーム走査をロール軸方向にも行う事ができ、ロール軸方向についても、ファイバーレーザによる微小凸形状の形成が可能となる。また、本発明ではレーザ光走査ミラーはガルバノミラーを用いたが、ポリゴンミラーを用いても良い。ロール回転位置検出器ＥＳは、通常のＮＣ装置サーボモータの位置制御などに使用されるエンコーダ方式センサなどの、回転角度位置に応じてパルス信号を発振するもので良い。上記レーザ光走査光学系を備えた本発明のロール加工装置を用いたロール加工方法を以下に説明する。
【００１８】
レーザ光走査系を停止した状態で、横行テーブルＴＸをＸ方向に移動しながらロール全面を螺旋状にレーザ加工する。その後、レーザ光走査ミラーを駆動し、ガルバノ走査ミラーによりレーザ光を走査しながら、ロール回転を低速にて回転させ、かつ横行テーブルをＸ方向に移動させながら、再度ロール表面にファイバーレーザを照射する。この時、レーザ光走査ミラーによるレーザ走査幅ｓ（ｍｍ）とＸ方向への横行テーブルの移動速度Ｖｘ（ｍｍ／ｓ）およびロール回転速度Ｖｒ２（ｒｐｓ）を同期させ、Ｖｘ／Ｖｒ２＝ｓとすると、ロール１回転で丁度レーザ走査幅だけずれた位置にレーザ光を照射する事ができる。さらに、ロール回転位置検出器ＥＳの信号をトリガーとして、ロール回転が３６０°／Ｎ（Ｎ：整数）ごとにファイバーレーザ照射および走査ミラーによるロール軸方向のビーム走査を行う。また、ファイバーレーザ発振は走査ミラーの１回の走査端位置で一旦停止する。前記の加工動作の結果、図６の様な該螺旋状溶融部に略直交方向に溶融部を重畳した、略格子状のパターンが金属圧延ロール表面に形成される。前記金属圧延ロールを圧延に用いると、表面に格子模様状の凹パターンが転写された鋼板を得る事ができる。本格子模様状の凹パターンを有する鋼板は、前記螺旋模様を転写した鋼板に対し、単位面積当たりの溝部面積率を高密度にする事が可能であり、プレス成形性能をより向上させる事が出来る。
【００１９】
ファイバーレーザは励起光源に半導体レーザを使用している。該半導体レーザは高周波数でのＯＮ／ＯＦＦ駆動が可能であり、従ってファイバーレーザの出力を高速でＯＮ／ＯＦＦ駆動する所謂ＣＷゲーティング出力を容易に得る事ができる。本発明のロール加工中にファイバーレーザを上記ＣＷゲーティング動作する事により、ファイバーレーザ出力のＯＮ／ＯＦＦ制御に対応した、離散的な島状の凸形溶融部が金属圧延ロール表面に形成される（図７）。
上記金属圧延ロールにて圧延した鋼板表面には、平坦表面の中に離散的な窪みが形成される。離散的に形成された凹部に蓄えられた潤滑油は逃げ場がないため、プレス時に潤滑油が鋼板表面に効率的にしみ出す事で、前述の螺旋あるいは格子模様を転写させた鋼板よりも高い摩擦軽減効果をもたらし、より優れたプレス特性を発揮する。
【００２０】
【実施例１】
本発明のロール加工装置にて、ファイバーレーザを連続出力動作させロール表面を加工し、ロール表面に幅２０μｍ、平均高さ１０μｍ、線間隔１５０μｍの螺旋状の凸パターンを形成した。該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面には板圧延方向にほぼ平行で、平均幅２０μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが、ロール上の凸パターンと同じ線間隔１５０μｍにて形成された。
【００２１】
【実施例２】
実施例１の加工終了後、ロール回転を停止し、ファイバーレーザ加工ヘッドをロール軸方向に往復移動しながら、ファイバーレーザを金属圧延ロール表面に照射した。前記加工により、実施例１で形成した螺旋状の凸形溶融部に略直交する方向に、幅２０μｍ、平均高さ１０μｍの凸形溶融部が重畳して形成された。その後、ロールを微小角度回転し、ファイバーレーザが照射される位置をずらして、同様の加工を繰り返した。最終的に、前記金属圧延ロールの全面に、図６の様な略格子状の凸形溶融部を形成した。格子状溶融部の間隔は軸方向、周方向とも１５０μｍとした。
上記金属圧延ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面には平均幅２０μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが、ロール上の凸パターンと同じ略格子状に、圧延方向および板幅方向の線間隔１５０μｍにて形成された。
【００２２】
【実施例３】
本発明のロール加工装置にて、パルス発生器からの信号によりファイバーレーザをパルス出力動作させ、ロール表面を加工し、ロール表面に平均直径２０μｍ、平均高さ１０μｍ、間隔８０μｍの島状の凸パターンを形成した。該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面にはロール上の凸パターンが転写された平均直径２０μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが間隔８０μｍにて形成された。
【００２３】
以下、上記実施例１〜３で製作した鋼板のプレス加工性評価の結果について説明する。評価に用いた鋼板の仕様を表１に示す。
なお、凹部の面積と深さは、レーザー式３次元顕微鏡画像より、画像処理にて算出し、凹部以外のＲａ、ＰＰＩ、Ｗｃａは、前述のレーザー式３次元顕微鏡にて凹部を通過しない計測線を選択してＪＩＳ  Ｂ  ０６０１に準じて算出した。成形性の評価方法として、円錐台絞り成形試験を実施した。
【００２４】
【表１】
2005034865.tif 000003
【００２５】
円錐台絞り成形試験は、図８に示すプレス成形を行い、ブランク押さえ圧を変化させてプレス材を観察することで、シワ発生しない最低ＢＨＦと、ワレ発生しない最高ＢＨＦを求めた。なお、プレス前のブランク径は２００ｍｍφ、ダイス径１４０ｍｍφ、ダイス肩Ｒ１０ｍｍ、ポンチ径８０ｍｍφ、ポンチ肩Ｒ１０ｍｍ、潤滑油として出光Ｚ３を塗布し、成形高さは４５ｍｍとした。
円錐台絞り成型試験による成形性の評価結果は表２のとおりである。実施例１〜３何れの鋼板も、比較例１〜２に対して成型可能範囲が拡大している。また、成形可能範囲は実施例３＞実施例２＞実施例１の順に大きくなっている。この事はロール表面に形成する微細凸パターンとして、島状＞格子状＞螺旋状の順に加工性向上により大きな効果がある事を示している。
【００２６】
【表２】
2005034865.tif 000004
【００２７】
【発明の効果】
本発明により、圧延ロール表面に高精度な微小凸テクスチャーを形成する事ができる。該ロールを用いて鋼板を圧延する事で、鋼板表面に微小凹テクスチャーを形成し、プレス成型時のワレやかじりを抑制し、かつ、プレス成型時の板押さえ圧変更の必要性が少ない、成形性良好な金属板を製造する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る加工装置の概要を示す模式図。
【図２】ファイバーレーザにて溶融させた金属表面の断面写真。
【図３】ファイバーレーザによる溶融部凸形状の幅と高さの関係を示す図。
【図４】表面に微細な凸模様を形成した金属圧延ロールを示す図。
【図５】本発明に係る加工装置のレーザ光走査系部を示す図。
【図６】表面に格子状のパターンを形成した金属圧延ロールを示す図。
【図７】金属圧延ロール表面に離散的な島状の凸形溶融部を形成した図。
【図８】円錐台絞り成形試験にてプレス成形を行う場合の仕様を示す図。
【符号の説明】
１：ファイバーレーザ発振器
２：パルス発生器
３：レーザ光走査ミラー駆動装置
４：トリガー信号線
Ｌ１：コリメートレンズ
Ｌ２：ｆθレンズ
ＬＢ：：略平行光にコリメートされたレーザ光
Ｍ：ガルバノミラー
ＥＳ：ロール回転位置検出器
ＰＨ：加工ヘッド
ＴＸ：横行テーブル
ＴＹ：縦行テーブル
Ｒ：ロール
【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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