(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に穴を開ける穴加工方法において、
（ａ）前記被加工物にレーザ光を照射して貫通した下穴を開ける工程と、
（ｂ）前記下穴のレーザ入射側よりレーザ出射側を低圧にして、レーザ光の光軸を前記下穴の軸線回りに回転させてレーザ光で前記下穴を拡径する工程とを備え、
前記（ａ）の下穴を開ける工程では、気密に形成した隔室に前記被加工物を収容し、該隔室の前記被加工物に臨む部位に形成されたガス導入口から高圧ガスを導入し、該隔室内の前記被加工物に対して該ガス導入口と反対側の部位に形成されたガス導出口からガスを導出することを特徴とする穴加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の穴加工方法において、
前記（ｂ）の下穴を拡径する工程では、下穴が貫通するタイミングで前記ガス導入口から高圧ガスを導入する工程と、吸引ポンプで前記下穴のレーザ出射側を減圧する工程とを含むことを特徴とする穴加工方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の穴加工方法において、
前記（ａ）の下穴を開ける工程では、下穴が貫通するまでは前記下穴のレーザ入射側を一定の圧力下とし、下穴が貫通した後は前記下穴のレーザ入射側を加圧することを特徴とする穴加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物にレーザ光で穴を開ける穴加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ワーク（被加工物）に径が小さい穴（細穴）を開ける穴加工方法として、レーザ光で下穴を開ける方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
従来の技術について、図８を参照して説明すると、（ａ）に示すように、レーザ加工ヘッド１０１をワーク１０２の穴加工位置の真上に移動させる。レーザ加工ヘッド１０１からレーザ光１０３を照射して、ワーク１０２に下穴１０４を開ける。
【０００４】
次に（ｂ）に示すように、放電加工ヘッド１０５を下穴１０４の真上に移動させ、電極１０６を下降させて放電加工を実施する。この結果、下穴１０４が拡径され、穴加工が完了する。
【０００５】
しかし、下穴を開ける工程が終了した後、移動台１０７でレーザ加工ヘッド１０１を放電加工ヘッド１０６に入れ換えるために時間が掛かり、工数の増加を招いている。従って、生産性を高めるためには加工工数の低減が望まれていた。
【特許文献１】特開２００１−１５０２４８公報（図１、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、レーザ光で穴を開ける加工方法において工数を低減できる穴加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、被加工物に穴を開ける穴加工方法において、（ａ）前記被加工物にレーザ光を照射して貫通した下穴を開ける工程と、（ｂ）前記下穴のレーザ入射側よりレーザ出射側を低圧にして、レーザ光の光軸を前記下穴の軸線回りに回転させてレーザ光で前記下穴を拡径する工程とを備え、前記（ａ）の下穴を開ける工程では、気密に形成した隔室に前記被加工物を収容し、該隔室の前記被加工物に臨む部位に形成されたガス導入口から高圧ガスを導入し、該隔室内の前記被加工物に対して該ガス導入口と反対側の部位に形成されたガス導出口からガスを導出するレーザ光で前記下穴を拡径する工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の実施の形態では、前記（ｂ）の下穴を拡径する工程において、下穴が貫通するタイミングで前記ガス導入口から高圧ガスを導入する工程と、吸引ポンプで前記下穴のレーザ出射側を減圧する工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、前記（ａ）の下穴を開ける工程において、下穴が貫通するまでは下穴のレーザ入射側を一定の圧力下とし、下穴が貫通した後は下穴のレーザ入射側を加圧することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、レーザ光で下穴を開け、続いてこの下穴をレーザ光で拡径する。下穴を開ける工程（ａ）と拡径する工程（ｂ）を共にレーザ光で実施するので、加工工具の入換えは不要である。加工工具の入換えがないため、穴加工の工数を低減することができる。
【００１２】
特に、下穴のレーザ入射側よりレーザ出射側を低圧にして、圧力差を生じさせる。この圧力差により下穴のレーザ入射側からレーザ出射側に向かって気流が発生する。この気流により、レーザ光で下穴を拡径する際に生じるプリューム（plume：レーザ加工時にワークの下穴内壁の金属が熱で蒸発して生ずる金属蒸気やイオン化した混合気体）を、効率よく排出することができる。この結果、穴加工の工数を更に低減することができる。
【００１３】
更に、下穴を拡径する工程（ｂ）において、レーザ光の光軸を下穴の軸線回りに高速回転させることにより、単位時間当りにレーザ光がノズル本体に照射される面積が増加し、単位時間当りの加工体積も増加するので、穴加工の工数を低減することができる。
また、下穴を開ける工程（ａ）では、気密に形成した隔室に被加工物を収容した状態で、被加工物に臨むガス導入口から高圧ガスを導入し、反対側のガス導出口からガスを導出するようにすることで、ガスは効率よく加工穴を通ってプリュームを穴の外へ押し流すこととなり、被加工物の加工される部位からプリュームを迅速に除去することができる。
【００１４】
発明の実施の形態では、下穴を拡径する工程（ｂ）において、下穴が貫通するタイミングで前記ガス導入口から高圧ガスを導入することにより、下穴のレーザ入射側を加圧すると共に、吸引ポンプで下穴のレーザ出射側を減圧することにより、ガスをより確実に下穴内に誘導してプリュームを排除することができる。
【００１５】
また、上記下穴を開ける工程（ａ）で、下穴が貫通するまでは下穴のレーザ入射側を一定の圧力下とし、下穴が貫通した後は下穴のレーザ入射側を加圧するようにすると、レーザ光で下穴を開ける際に生じるプリュームを、効率よく排出することができる。また、プリュームがレーザ光を遮る時間を削減すると共に、プリュームが加工中の穴内壁に付着して積層するのを防止することができるので、次の下穴拡径に要する時間が短縮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図を参照して説明する。図１は、本発明に係るレーザ加工方法を適用する被加工物の説明図であり、被加工物のワークの例として燃料噴射弁を示している。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、燃料噴射弁１０は、ノズルホルダ１１と、その先端部に保持されたノズル１２と、燃料を吸入する吸入口１３とを備えている。
【００１８】
図１（ｂ）は、ノズル１２の先端部の断面図である。ノズル１２は、ホール型のものであり、ノズル本体１４と、このノズル本体１４の燃料流路を開閉するノズルニードル１５とからなる。ノズル本体１４は、突出する先端部１６に燃料を噴射する複数の噴口としての細穴１７が開けられている。これらの細穴１７が、本発明の方法によって開けられる。
【００１９】
図２は、本発明の方法を実施する穴加工装置を断面図で示す。図示の穴加工装置２０は、レーザ発振器２１と、このレーザ発振器２１の下部に設けられてレーザ光を発射する加工ヘッド２２と、この加工ヘッド２２の下方に配置されたワーク保持部２３とを備える。
【００２０】
ワーク保持部２３は、ベースとなる保持ベース２４と、この保持ベース２４にベアリング２５，２５を介して回転自在に取り付けられたワーク保持本体２６と、このワーク保持本体２６のベアリング２５，２５からの抜け止めをするカラー２７及びナット２８と、ベアリング２５，２５の近くに配置されるシール部材２９と、ベアリング２５，２５を支持するために保持ベース２４に取り付けられた環状部材３１と、保持ベースに取り付けられワーク保持本体２６を回転させる駆動装置３２と、この駆動装置３２に取り付けられ駆動力を伝える駆動ギヤ３３と、この駆動ギヤ３３から駆動力を得るためにワーク保持本体２６の基端近くに取り付けられた従動ギヤ３４と、ワーク保持本体２６の基端に配置されるシール部材３５と、ワーク保持本体２６を所定回転角度毎に位置決めするためのワーク回転角度割出し機構４０と、ワークとしてのノズル本体１４の外側と内側に圧力差を発生させるための圧力差発生機構５０とからなる。
【００２１】
また、ワーク保持本体２６でワークのノズル本体１４を支持するときにワーク保持本体２６に対してノズル本体１４の回転を止める位置決めピン４８と、ノズル本体１４とワーク保持本体２６との隙間におけるガスの流れを遮断するシール部材４９とが設けられている。
【００２２】
ワーク保持本体２６には、ノズル本体１４内の通路１８に通じる通路３６が形成され、この通路３６は、保持ベース２４内に形成された中空部３７に連通する。
【００２３】
上記通路１８、３６及び中空部３７は、レーザ加工中に発生するプリューム（この場合、ノズル本体１４の穴あけ部分が熱で蒸発して出来た金属蒸気やイオン化した混合気体）を吸引するためのプリューム吸引通路３８を構成している。
【００２４】
ワーク回転角度割り出し機構４０は、ワーク保持本体２６に設けられた大径部４１の外周面に周方向に所定角度毎に形成された複数の凹部４２と、大径部４１の外周面に対向するように保持ベース２４に設けられたケース４３と、このケース４３内に配置されるとともに複数の凹部４２にそれぞれ嵌合可能なボール４４と、このボール４４を凹部４２に押し付けるためにケース４３内に設けられた圧縮ばね４５とからなる。
【００２５】
隣り合う凹部４２，４２の周方向の間隔（角度）は、ノズル本体１４の先端部１６に開けられた細穴１７（図１（ｂ）参照）の隣り同士の周方向の角度に一致している。
【００２６】
圧力差発生機構５０は、保持ベース２４に取り付けられてノズル本体１４を囲う高圧室５２を形成している密閉部材５１と、この密閉部材５１の端部に設けられてガスの漏れを遮断するシール部材５３と、加工ヘッド２２から照射されたレーザ光５４を高圧室５２内に透過する透過板５５と、高圧室５２を大気圧より高圧にするために高圧ガスを高圧室５２に導入する高圧ガス供給源５６と、高圧室５２に設けたガス導出口５７ａから導出されたガスを導くガス通路５７と、プリューム吸引通路３８に接続されプリューム吸引通路３８から吸引されたガスを導く吸引通路５８と、吸引するガスの通路をガス通路５７又は吸引通路５８のどちらか一方に切り替える三方弁６１と、この三方弁６１の切り替えを行うソレノイド６２と、高圧室５２又はプリューム吸引通路３８からガスを吸引する真空ポンプ６３とからなる。
【００２７】
高圧室５２は気密に形成されて、被加工物（この場合、燃料噴射弁のノズル本体１４）を収容する隔室を構成しており、該隔室の被加工物に臨む部位には、高圧ガス供給源５６から高圧ガスを高圧室５２に導入するガス導入口５６ａが設けられ、図２に１点鎖線６０で示すように、該隔室内の被加工物の加工部位（この場合、ノズル本体１４の先端部１６）に対してガス導入口５６ａと反対側の位置には、第２のガス導出口５７ｂが設けられ、これは上記ガス通路５７に接続されている。
【００２８】
高圧ガス供給源５６は、ガスが空気であればコンプレッサ、ガスが窒素であればガスボンベが好適である。窒素ガスは非酸化性ガスであるため、金属における酸化が防止できて、好ましい。ただし、ガスボンベは高価である。この点、空気はコストが掛からない上に、取扱いが容易で実用的である。そこで、以下では、ガスが空気である場合について説明する。
【００２９】
次に、上記のように構成された穴加工装置による穴加工方法について説明する。
【００３０】
図３は、下穴を開ける工程を説明する図である。（ａ）に示すように、高圧室５２を大気圧又は若干高圧に保った状態で、加工ヘッド２２からレーザ光５４を発射し、ノズル本体１４の先端部１６に照射する。加工によりプリューム６５が発生する。
【００３１】
なお、下穴６６が貫通するまでは、高圧室５２に空気の逃げ場がないため、加圧しすぎると透過板５５又は密閉部材５１が破損するおそれがある。このため、高圧ガス供給源５６から空気を高圧室５２に導入する一方で、吸引ポンプ６３で高圧室５２から空気を吸引する。
【００３２】
また、加圧しすぎると加工がなかなか進まないおそれもある。すなわち、加圧しすぎると空気がプリューム６５を押さえてしまい、加工されるべき箇所からプリューム６５が除去されず、そのプリューム６５がレーザ光５４を遮ってしまうおそれがある。更に換言すると、加圧しすぎない方が、加工が進むからである。
【００３３】
更に（ａ）では、高圧室５２を大気圧又は低圧に保持した状態で、下穴を開けるレーザ光５４を発射することもできる。但し、下穴６６が貫通するまでは、低圧にしすぎると、透過板５５又は密閉部材５１が破損するおそれがある。また、上述のとおり加圧しすぎると加工がなかなか進まないおそれもある。そこで、高圧ガス供給源５６から導入口５６ａを通じて高圧室５２に高圧ガスを導入する一方、前記導入口５６ａに対向する位置に設けられた導出口５７ｂを通じて、吸引ポンプ６３により高圧室５２からガスを吸引する。こうして、下穴６６が貫通するまでは一定の圧力を保持する。なぜなら、圧力が経時的に変化する状況下では、加工される下穴の径も経時的に変化してしまうからである。
【００３４】
レーザ光５４での加工が進むと、（ｂ）に示すように、下穴６６が貫通する。下穴６６が貫通するタイミングで、高圧ガス供給源５６から導入口５６ａを通して高圧室５２内に高圧ガスを導入することにより、下穴６６のレーザ入射側を加圧して大気圧より高圧にすると共に、三方弁６１（図２参照）を切り替え、吸引ポンプ６３で通路１８（下穴６６のレーザ出射側）を減圧して大気圧より低圧にする。そうすると、圧力差が生じ、空気が下穴６６内を矢印（１）のように流れる。これに伴い、プリューム６５は通路１８に押し流される。なお、この図では、形成されるべき細穴１７を二点鎖線で示している。
【００３５】
図４は、下穴を拡径する工程を説明する図である。（ａ）に示すように、上述した圧力差を保ちながらレーザ光５４を照射し、下穴６６を拡径して仕上げ加工を施す。圧力差により、空気が矢印（２）のように流れ、プリューム６５は通路１８に押し流される。プリューム６５で照射を阻害されないので、レーザ光５４の照射効率は低下しない。
【００３６】
また、矢印（３）のように、レーザ光５４を回転させ、想像線で示すレーザ光５４により下穴６６を拡径して、細穴１７の仕上げ加工が完了する。
【００３７】
図４（ｂ）は、（ａ）の矢印ｂで示す方向から見た図である。レーザ光５４を矢印（４）のように高速回転させ、単位時間あたりにレーザ光５４がノズル本体１４に照射される面積を増やすことで、高速加工を行うことができる。
【００３８】
図５は、本発明に係る穴加工の作用を示す図である。（ａ）の実施例では、圧力差による気流のため、プリューム６５は矢印（５）のように細穴１７内から排出される。この結果、レーザ光５４の照射効率は低下することがないので、短時間で細穴１７を加工することができる。
【００３９】
（ｂ）の比較例では、圧力差がなく気流が発生しないので、レーザ光５４でノズル本体１４を加工すると、プリューム６５は細穴１７内に滞留する。この結果、レーザ光５４の照射効率は低下し、さらに、溶融金属６７、６７が付着するために加工時間が長くなる。
【００４０】
図６は、気流が加工に与える影響を示す加工穴の断面図であり、拡径工程におけるレーザ光の条件を、周波数を３ｋＨｚ、エネルギーを２ｍＪ、レーザ光の回転数を３０００ｒｐｍ、加工時間を３０秒とした。
【００４１】
図６において、（ａ）の比較例では、細穴１７に溶融金属が付着するため、加工面が荒くなる。細穴１７の図上側の開口部の直径は６３μｍ、図下側の開口部の直径は３３μｍであり、細穴１７直径が均一ではない。さらに、加工体積が９４７μｍ３であり、小さかった。
【００４２】
（ｂ）の実施例では、気流により細穴１７に溶融金属が付着しないため、加工面が細かい。細穴１７の図上側の開口部の直径は７６μｍ、図下側の開口部の直径は６３μｍであり、細穴１７の直径はほぼ均一である。さらに、加工体積が１９３０μｍ３であり、大きい。
【００４３】
図７は、圧力差の有無による加工時間を示す図である。圧力差のない状態で加工した比較例は、貫通穴加工が終了するまでに１秒、仕上げ加工が終了するまでに６０秒を要する。
【００４４】
圧力差のある状態で加工した実施例は、貫通穴加工が終了するまでに１秒、仕上げ加工が終了するまでに３０秒要する。すなわち、加工工数が半分に低減される。
【００４５】
以上、本発明の実施形態として、燃料噴射弁のノズルを穴加工する例を説明したが、本発明は、穴を加工する機械部品その他のワークに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係るレーザ加工方法を適用する被加工物の説明図である。
【図２】本発明に係る細穴加工装置を示す説明図である。
【図３】下穴を開ける工程を説明する図である。
【図４】下穴を拡径する工程を説明する図である。
【図５】本発明に係る穴加工方法の作用を示す図である。
【図６】気流が加工に与える影響を示す加工穴の断面図である。
【図７】圧力差の有無による加工時間を示す図である。
【図８】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…被加工物（燃料噴射弁）、１７…細穴（噴口）、５４…レーザ光、６６…下穴。
【図１】
0005208615.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005208615.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005208615.tif 000008
【図８】
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