(57)【要約】【課題】金属材料等の被加工物の表面に所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を短時間に形成することができる表面加工方法を提供すること。【解決手段】被加工物の表面にレーザー光照射による熱処理を施して、被加工物表面の硬度を不均一化させる第１工程と、前記硬度が不均一化した被加工物表面に切削加工を施す第２工程とを有する。レーザー光の照射条件を制御することによって被加工物の表面の硬度を微細に変化させることができ、かかるレーザー光照射による熱処理（硬化処理）後の表面に切削加工を施すことで被加工物表面の硬度差が段差（高低差）となって現れるため、所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を短時間で形成することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面にレーザー光照射による熱処理を施して、被加工物表面の硬度を不均一化させる第１工程と、前記硬度が不均一化した被加工物表面に切削加工を施す第２工程とを有する、表面加工方法。
【請求項２】
第１工程において、被加工物の表面に、一旦形成された熱処理領域に新たな熱処理領域の一部が重なるようにレーザー光を照射する、請求項１記載の表面加工方法。
【請求項３】
第１工程において、被加工物の表面に、レーザー光照射による熱処理領域とレーザー光が非照射の未熱処理領域とが交互に形成されるようにレーザー光を照射する、請求項１記載の表面加工方法。
【請求項４】
被加工物が円柱状部材であり、第１工程が、その軸芯を回転軸として回転する円柱状部材の表面にレーザー光を円柱状部材の軸芯方向に移動させながら照射する工程である、請求項１〜３のいずれか一項記載の表面加工方法。
【請求項５】
被加工物が鉄系の金属材料よりなる部材である、請求項１〜４のいずれか一項記載の表面加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面加工方法に関し、詳しくは、金属材料等からなる被加工物の表面に所望の断面形状からなる凹部を簡単に形成できる表面加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鉄鋼材料の表面、自動車のシリンダ内面、工作機械の摺動面等に、油溜まりと呼ばれる微小な凹部（溝）を生成するために、切削、研削加工後の表面にホーニング加工を施すことが行われている。
【０００３】
また、特許文献１には、シリンダブロックの内周面等にレーザー加工で微小な凹部を形成した後、レーザー加工後の盛り上がり部が形成された表面に研削加工（仕上げ加工）を施す表面加工方法が提案され、また、同特許文献１には、かかる加工方法の更なる改良として、レーザー加工後に、レーザー加工を行った部分とレーザー加工を行っていない部分との硬度差を吸収するためのレーザー焼入れを行ってから、研削加工（仕上げ加工）を施す方法も提案されている。
【０００４】
しかし、ホーニング加工は微小な凹部（段差）を高能率に形成できる方法ではあるが、加工面の仕上がりには、砥石（大きさ、密度等）、砥石圧、スピンドル速度（ホーニング速度）、研削方向角等の種々の要因が複雑に作用するため、所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を形成することは容易ではない。
【０００５】
一方、レーザー加工は、照射するレーザー光のパワー、ビーム径等の調整により、凹部の幅（大きさ）や深さ等を比較的簡単に制御できるが、凹部は被加工物（被照射材料）がレーザー光の照射によって蒸発することで形成されるので、凹部形成のための加工時間が長くなるという問題がある。
【０００６】
また、レーザー光の照射によって被照射材料が蒸発して形成された凹部の周縁にはバリ（盛り上がり部）が形成されるので、特許文献１のように、レーザー加工を行った後、バリ（盛り上がり部）を除去するための研削加工（仕上げ加工）を行うことが必要になり、加工時間がさらに長くなってしまう。また、研削加工（仕上げ加工）でバリ（盛り上がり部）を除去すると、その研削加工（仕上げ加工）の工程中、被加工物におけるレーザー光の非照射部はレーザー光の照射部に比べて軟質であることから、優先的に削られて、被加工物表面のレーザ光の非照射部が不所望な凹面状になることがある。従って、被加工物表面における凹部の周辺（レーザー光の未照射部）の平坦性を維持するには、特許文献１のように、レーザー加工後の被加工物におけるレーザー光の未照射部にレーザー光を照射して焼入れをし、その後、研削加工（仕上げ加工）を行うことが必要になり、加工時間がさらに長くなってしまう。
【特許文献１】特開２００４−９００６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の事情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、金属材料等の被加工物の表面に所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を短時間に形成することができる表面加工方法を提供することである。
また、他の課題は、不要なバリ（盛り上がり部）を生じることなく、所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を形成できる、表面加工方法を提供することである。
また、他の課題は、所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を含む、高硬度の凹凸面を簡単に形成できる、表面加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、被加工物の表面にレーザー光照射による熱処理を施して被加工物の表面硬度を不均一化させた後、かかる被加工物の表面に刃物による切削加工（旋削加工）を施すと、該表面内の硬度差（硬度の変化状態）に対応する段差が形成されることを知見し、該知見に基いてさらに研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、
（１）被加工物の表面にレーザー光照射による熱処理を施して、被加工物表面の硬度を不均一化させる第１工程と、前記硬度が不均一化した被加工物表面に切削加工を施す第２工程とを有する、表面加工方法、
（２）第１工程において、被加工物の表面に、一旦形成された熱処理領域に新たな熱処理領域の一部が重なるようにレーザー光を照射する、上記（１）記載の表面加工方法、
（３）第１工程において、被加工物の表面に、レーザー光照射による熱処理領域とレーザー光が非照射の未熱処理領域とが交互に形成されるようにレーザー光を照射する、上記（１）記載の表面加工方法、
（４）被加工物が円柱状部材であり、第１工程が、その軸芯を回転軸として回転する円柱状部材の表面にレーザー光を円柱状部材の軸芯方向に移動させながら照射する工程である、上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の表面加工方法、及び
（５）被加工物が鉄系の金属材料よりなる部材である、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の表面加工方法、に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の表面加工方法によれば、レーザー光の照射条件（ビーム径、パワー、走査速度、送り速度等）を制御することによって被加工物の表面の硬度を微細に変化させることができ、そして、そのようにして形成された被加工物表面に切削加工を施すことで被加工物表面の硬度差が段差（高低差）となって現れるため、所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を短時間で形成することができる。
【００１１】
また、被加工物表面に、一旦形成されたレーザー光照射による熱処理領域の一部に新たなレーザー光照射による熱処理領域の一部が重なるように、レーザー光を照射することで、被加工物表面の複数の凹部を形成すべき所定の被加工領域全体の硬度を高めつつ、当該領域内に硬度差を生じさせることができる。従って、かかる被加工領域を含む被加工物表面に切削加工を施すことで、所望の大きさ及び断面形状を有する凹部を含む、表面が硬化面からなる凹凸面を簡単に形成することができる。
【００１２】
また、第１工程において、被加工物の表面に、レーザー光照射による熱処理領域とレーザー光が非照射の未熱処理領域とが交互に形成されるように、レーザー光を移動させることで、被加工物表面には硬化領域が断続的に形成される。従って、かかる被加工物表面を切削（旋削）することで、硬化領域は残り、非硬化領域はそのまま削られてその平坦性を持続し、不要なバリ（盛り上がり部）等を生じることなく、凹部を形成することができる。
【００１３】
本発明の表面加工方法によって、被加工物表面の硬度差が切削加工によってそのまま段差（高低差）として発現するのは、刃物（工具）で削る際の刃物に作用する切削力のうちの背分力が、被加工物表面の硬度に応じて変化し（すなわち、表面が柔らかい程、背分力が小さく、表面が硬い程、背分力が大きくなり）、その結果、削り深さが変動するためと考えられる。これに対し、砥石（硬質の砥粒をボンドで固めて円盤状にしたもの）を回転させつつ被加工物の表面に接触することで加工を行う研削加工（仕上げ加工、研磨加工）では、被加工物表面の硬度差が忠実に高低差として反映せず、凹部の大きさや断面形状を制御することはできない。これは、研削時に回転する砥石に背分力は作用するものの、砥石と被加工物との接触面積が大きいため、被加工物表面の硬度変化が削り深さに忠実に反映せず、被加工物表面の硬度差が段差（高低差）として現れにくいものと考えられる。
【００１４】
なお、一般に、異なる材質が混在した材料（すなわち、機械的特性が異なる材料）を切削加工（旋削加工）すると、削られる材料の切削中での弾性変形量の違いによる段差の発生や最適な仕上げ状態を得るための切削条件（最適な工具、切削速度など）がそれぞれの材質で異なることから、異なる材質が混在した材料の切削（旋削）は「共削り」と呼ばれて従来から敬遠されてきた。従って、従来、本発明のようにレーザー光照射により敢えて硬度を不均一化させた表面に切削加工を行うという発想はなかった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本発明において、「被加工物」とは、レーザー光照射による熱処理によって焼入れされる（すなわち、硬化し得る）材料であればよく、特に限定はされないが、レーザー光照射による焼入れの程度（硬化の進行度）を制御しやすい等の点から、例えば、鉄鋼材料（炭素鋼，合金鋼）、鋳鉄等の鉄系の金属材料が挙げられる。
【００１６】
本発明の表面加工方法は、先ず、被加工物の表面にレーザー光照射による熱処理を施して、被加工物の表面硬度を不均一化させる。
【００１７】
レーザー光照射の仕方は、被加工物の形状等に応じて適宜決定すればよい。すなわち、レーザー光を固定し、被加工物を移動させるか、被加工物を固定し、レーザー光を移動させるか、或いは、レーザー光及び被加工物を共に移動させるかのいずれでもよい。作業効率の点からは、レーザー光及び被加工物を共に移動させて、レーザー光照射による（熱処理領域）を移動させるのがよい。
【００１８】
図１は、炭素鋼S45Cからなる円柱状部材１をその軸心を回転軸にして回転させながら、該円柱状部材１の表面（外周側面）に炭酸ガスレーザーによるレーザー光（ビーム）２を円柱状部材１の軸心方向（図中の矢印ａの方向）に一定の速度でフィードさせながら照射して、円柱状部材１の表面硬度を不均一化させている様子の一例を模式的に示した図である。図中の符号３は遮蔽板である。
【００１９】
図１に示すように、本発明においては、被加工物が円柱状部材（円筒状部材も含む）である場合、円柱状部材１をその軸芯を回転軸として回転させ、レーザー光２を当該円柱状部材１の軸芯方向（図中の矢印ａの方向）に移動させながら照射するのが効率的である。
【００２０】
図２は、図１の方法により、レーザーパワー：９００Ｗ、レーザー光（レーザービーム）のスポット径：直径２ｍｍ、ビームスキャン速度（円柱状部材の回転速度）：１２．５ｍｍ／sec、ビーム送り速度（円柱状部材の軸心方向の移動速度）：１．６ｍｍ／rev、の照射条件で、炭素鋼S45Cからなる円柱状部材（直径φ：約６０ｍｍ）の表面にレーザー光を螺旋状に照射して熱処理した後の、円柱状部材１の表層部分の断面の光学顕微鏡写真（図２(a)）及びその要部拡大写真（図２(b)）、並びに、円柱状部材１の表層での表面からの深さ位置と硬度（ビッカース硬度）との関係図（図２(c)）を示している。なお、図２(c)における縦軸は硬度（ビッカース硬度）、横軸は写真上の横方向（円柱状部材の軸心と平行な方向）の距離と同じ長さを示し、図２(b)中の圧痕が測定位置であり、図２(c)中のプロットがその位置のビッカース硬度である。
【００２１】
図２(a)中の１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、円柱状部１の１回転毎のレーザー光（レーザービーム）照射によって形成された熱処理領域を示し、点線で囲む部分１２は、円柱状部材１の前の回転時に形成された熱処理領域１１ｂに円柱状部材１の後の回転時に形成された熱処理領域１１ｃの一部が重なった部分である。図２(b)中の点（ドット）は硬度の測定個所を示し、図２(c)は該測定個所と硬度（ビッカース硬度）の関係をグラフ化したものである。
【００２２】
図２(a)〜図２(c)から、円柱状部材１の前の回転時に形成された熱処理領域１１ｂに円柱状部材１の後の回転時に形成された熱処理領域１１ｃの一部が重なった部分１２では、レーザー光照射による熱処理（焼入れ）時間が最も長く、硬化が最も進んでおり、円柱状部材１の表層には、硬化の進行度の差による硬度差が生じていることが分かる。
【００２３】
本発明において、被加工物表面へのレーザー光の照射に使用するレーザー発振器としては種々のものを使用することができる。上述の炭酸ガスレーザーの他、アルゴンレーザー、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザ，ヘリウムネオンレーザ，ルビーレーザ等が挙げられる。これらの中でも、加工に必要な大きな熱エネルギーが得られやすい（高出力を得やすい）点から、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザが好ましい。なお、レーザー光の照射条件（ビーム径、パワー、ビーム走査速度等）は、被加工物の種類、形成すべき溝の態様等に応じて、適宜、選択すればよい。
【００２４】
なお、例えば、上述の炭素鋼S45Cを炭酸ガスレーザーによるレーザー光を照射して熱処理（焼入れ）を行う場合、表面の状態の違いによるレーザの吸収率を考慮する必要があるが、加工後の品位の点から、レーザパワー密度と処理時間を図５中の“表面焼入れ”と付した四角形の区画の範囲内で適当な値に設定して、レーザー光を照射するのが好ましい。
本発明では、上記のようにして、レーザー光照射による熱処理を施して硬度を不均一化した被加工物の表面（すなわち、硬度差を生じさせた被加工物の表面）に、切削（旋削）加工を施す。かかる切削（旋削）加工は、被加工物表面を一定の切り込み量で削る処理である。すなわち、レーザー光照射（焼入れ）を行う前の未硬化の被加工物表面に一定の切り込み量が得られる切削条件を定めておき、かかる切削条件にて切削を行う。かかる切削加工を行うと、刃物（工具）に作用する切削力のうちの背分力が、被加工物表面の硬度に応じて、被加工物表面が柔らかい程小さく（被加工物表面が硬い程大きく）なり、その結果、削り深さが変動して、被加工物表面の硬度差に対応する段差（高低差）が発現する。
【００２５】
図３は、図２で示した、レーザー光照射による熱処理（焼入れ）によって、硬度を不均一化させた炭素鋼S45Cからなる円柱状部材の表面に、ＮＣ旋盤を用いて、下記の切削条件Ａにて、切削加工を施した後の円柱状部材１の断面のスケッチ図（図３(a)）を、図２(a)の光学顕微鏡写真に対応する断面模式図である図３(b)とともに示したものである。
【００２６】
（切削条件Ａ）
Ｔｏｏｌ：Ｐ３０、円柱状部材の回転速度（ｖ）：６０ｍ／min、切り込み量（ｄ）：０．５ｍｍ、送り量（ｆ）：０．１ｍｍ／rev、切削剤：不使用
【００２７】
図３(a)は円柱状部材１の切削加工後の表面（凹凸面）の実際の形状を示し、凹凸面における頂部Ａ及び凹部１０の最底部Ｂのそれぞれのビッカース硬度（Ｈｖ）を併記している。
【００２８】
また、図３(b)中の１１ａ’、１１ｂ’、１１ｃ’はレーザー光照射によって円柱状部材１の表層に形成された熱処理領域を示し、１２ａ、１２ｂは隣接する熱処理領域の重なり部を示し、点線は切り込み量（０．５ｍｍ）の切り込み予定線を示している。
【００２９】
図３(a)と図３(b)の対比から、レーザー光照射による熱処理（焼入れ）により、表面硬度を不均一化した炭素鋼S45Cからなる円柱状部材の表面にＮＣ旋盤を用いて、軸心方向に所定の切り込み量にて切削加工を行うと、円柱状部材の表面における熱処理領域が重なった部分１２ａ、１２ｂ（当該部分はレーザー光照射による熱処理時間が最も長く、最大硬度に硬化した部分である。）での削れ量が最小になって、該部分が頂部Ａとなり、該部分から離れるにつれて硬度が低下して、削れ量が多くなり、最小硬度部にて削れ量が最大になって、該部分が凹部１０の最底部Ｂとなり、その結果、凹部１０が連続する凹凸面が形成されていることがわかる。
【００３０】
このように、本発明では、レーザー光の照射（焼入れ）により、被加工物の表面（被加工領域）の硬度を不均一化させ、次いで、切削加工（旋削加工）を行うことで、被加工物表面の硬度差に見合った段差が形成され、被加工物に所望の断面形状を有する凹部を形成できることが分かる。また、凹部の深さには被加工物の表面の硬度差が反映するため、比較的深い深さの凹部を簡単に形成することができる。ちなみに、上記図１〜図３により説明した実施形態では、開口幅約３ｍｍ、深さ約２０μｍの凹部を形成することができた。
【００３１】
なお、上記図１〜図３で説明した実施形態のように、被加工物表面へのレーザー光の照射を、一旦形成された熱処理領域に新たな熱処理領域の一部が重なるように行うことで、こうして得られた硬化面に切削加工を施すと、表面が硬化面からなる凹凸面（すなわち、内面が硬化面からなる凹部が連続した加工後面）を簡単に形成することができる。このような表面が硬化面からなる凹凸面（内面が硬化面からなる凹部が連続した加工後面）は、当該面の全域が硬化（焼入れ）されているため、例えば、凹部による油だまりを有しながら、全面が硬化（焼入れ）されていることによって、優れた耐摩耗性を示す摺動面となり得る。従って、本発明の表面加工方法を使用すれば、高耐久性の摺動部材を簡単に作製することができる。
【００３２】
図４(a)は、図１の方法で、レーザーパワー：９００Ｗ、レーザー光（レーザービーム）のスポット径：直径２ｍｍ、ビームスキャン速度（円柱状部材の回転速度）：１２．５ｍｍ／ｓｅｃ、ビーム送り速度（円柱状部材の軸心方向の移動速度）：１．６ｍｍ／ｒｅｖ、の照射条件で、炭素鋼S45Cからなる円柱状部材（直径φ：６０ｍｍ）の表面にレーザー光を螺旋状に照射して熱処理した後の、円柱状部材１の一部断面の模式図であり、図４（ｂ）は、当該熱処理後に、さらにＮＣ旋盤を用いて、前記の研削条件Ａにて、円柱状部材の表面に切削加工を施した後の、円柱状部材１の一部断面の模式図である。
【００３３】
すなわち、当該実施形態では、炭素鋼S45Cからなる円柱状部材１の１回転後に形成されるレーザー光による熱処理領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃが互いに重なることがないように、円柱状部材１の軸心方向へのレーザー光のビーム送り速度を前述の実施形態のそれよりも速めてレーザー光を照射することで、レーザー光照射による熱処理領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃを断続的に形成して、円柱状部材１の表面の硬度を不均一化させ、その後、切り込み量（０．５ｍｍ）で円柱状部材１の表面を切削加工して、凹部２０を形成している。
【００３４】
図４(a)、(b)から、切削加工によって、レーザー光照射による熱処理領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃの中心の焼入れ（硬化）が最も進行した最大硬度部で削れ量が最小になり、該中心から離れるにつれて硬度が低下して削れ量が多くなり、隣接する２つの熱処理領域（１１ａと１１ｂ、１１ｂと１１ｃ）の間の未熱処理領域は焼入れ（硬化）されていないことから、最大の削れ量で削られて、その結果、その断面形状が熱処理領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃの形状を反映した形状の凹部２０が形成されていることが分かる。なお、凹部２０は開口幅は約３ｍｍ、深さが約２０μｍであった。
【００３５】
このように、本発明では、レーザー光照射による熱処理領域とレーザー光が非照射の未熱処理領域とが交互に形成されるようにレーザー光を照射して、硬度を不均一化させた被加工物表面に切削加工を施す態様で表面加工を行えば、熱処理領域（硬化領域）の断面形状を反映した形状の凹部が形成され、しかも、隣接する２つの熱処理領域（硬化領域）の間の未熱処理領域（未硬化領域）はそのまま削られてその平坦性を持続するため、不要なバリ（盛り上がり部）等を生じることなく、凹部を形成することができる。また、かかる態様であれば、レーザー光照射による熱処理領域の硬度がそのまま凹部の深さに反映するため、より大きな深さの凹部を形成することも可能である。
【００３６】
本発明の表面加工方法での、切削加工の条件（切削速度、切り込み量、送り量等）は、被加工物の材質や形状、被加工物のレーザ光照射による熱処理領域（硬化領域）の硬度等に応じて適宜決定される。なお、上記の実施形態では、切削液を使用せず、乾式で切削加工を行ったが、切削液を使用してもよい。切削液は切削加工の分野で従来から使用されている公知の切削液を使用でき、油性、水溶性のいずれも使用できる。切削液を使用する場合、高能率切削では高速加工によって切削温度が高くなるので、切削温度を抑える観点から冷却能力の高い水溶性が好ましい。
【００３７】
なお、切削加工のみによる凹部（溝）形成によって、本発明方法で形成する凹部（溝）と同等の凹部（溝）を形成する場合、工具が移動中に削り取らない部分へ工具が干渉するのを避けるために、工具移動距離が長くなり、加工時間が大幅に増大してしまう。また、ミクロン単位で凹部の断面形状を制御するには、加工機に極めて高い加工精度が要求され、簡単に実施できない。これに対し、本発明の表面加工方法は、加工時間を短くでき、また、切削加工それ自体には極めて高い加工精度は要求されず、汎用の加工機で対応できるため、実施が容易である。
【００３８】
本発明の表面加工方法は、種々の部材の機能面の形成に使用できるが、各種摺動部材における摺動面の加工や各種部材の耐摩耗面の加工に特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の被加工物（円柱状部材）の表面にレーザー光を照射して被加工物表面の硬度を不均一化させている様子の一例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の説明図であり、図２(a)は表面にレーザー光照射による熱処理が施された円柱状部材の表層部分の断面の光学顕微鏡写真、図２(b)は図(a)の要部拡大図（写真）、図２(c)は前記表層部分の表面からの深さ位置と硬度（ビッカース硬度）の関係を示した図である。
【図３】本発明の説明図であり、図３(a)は表面にレーザー光照射による熱処理を施し、さらに切削加工を施した後の円柱状部材の要部断面のスケッチ図、図３(b)は図２(a)の光学顕微鏡写真に対応する断面の模式図である。
【図４】本発明の説明図であり、図４(a)は表面にレーザー光照射による熱処理が施された円柱状部材の表層部分の断面の模式図、図４(b)はレーザー光照射による熱処理後に切削加工を施した後の円柱状部材の表層部分の断面の模式図である。
【図５】本発明の説明図であり、炭酸ガスレーザーによるレーザー光を照射して熱処理（焼入れ）を行う場合の、レーザパワー密度と処理時間の各好適範囲を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  被加工物（円柱状部材）
２  レーザー光
３  遮蔽板
【図１】
2007290052.tif 000002
【図４】
2007290052.tif 000003
【図５】
2007290052.tif 000004
【図２】
2007290052.tif 000005
【図３】
2007290052.tif 000006