JP7320889B2

JP7320889B2 - レーザ加工方法

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Publication number: JP7320889B2
Application number: JP2022575311A
Authority: JP
Inventors: 文広糸魚川; 修近田
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: WO2022180774A1; JPWO2022180774A1

Description

本発明は、レーザによる加工を行うレーザ加工方法に関する。

近年、レーザの光軸方向に延びる円筒状の照射領域を、その光軸と交差する方向へ変位させることにより、この照射領域が通過する加工対象物の表面側に加工面を形成する技術が提案されている（特許文献１）。この加工方法は、機械的な加工方法に比べて機械的損傷を減らし滑らかに加工面を形成できるという点で優れた加工方法である。

特許６５６２５３６号公報

この種の加工方法は、例えば、すくい面および逃げ面で形成された角部を有する切削工具のように、それぞれ隣接する２つの面で形成された角部を有する加工対象物における角部の再生、といった用途でも用いられている。具体的には、すくい面または逃げ面の拡がる方向に沿って光軸が延びるようにレーザを照射させ、このレーザを変位させることによって、角部に加工面として新たなすくい面または逃げ面を形成することができる。

ただ、この加工に際しては、レーザの照射に伴う熱が角部に集中してアブレーションを引き起こし、これにより角部における表面粗さが全体にわたって一様ではなくなり、部分的に表面粗さが大きく異なった状態になる懸念がある。そのため、レーザによる加工は、精密加工用の切削工具のように高い加工精度を求められる加工対象物の加工には必ずしも有効ではない、という課題があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い加工精度を求められる加工対象物の加工に対しても有効に用いることのできるレーザ加工方法を提供することである。

上記課題を解決するため第１局面は、所定の面に沿って拡がる第１領域、および、前記第１領域のなす面と交差する面に沿って拡がる第２領域が隣接して形成された角部を有する加工対象物を準備する準備手順と、前記加工対象物に対し、前記第２領域の拡がる面方向に沿って光軸が延びるようにレーザを照射させる照射手順と、前記レーザの光軸を、前記第２領域のなす面と交差する方向、および、前記第２領域の拡がる面方向のいずれか一方または両方に沿って変位させることで、前記レーザにより前記角部に新たな前記第２領域となる加工面を形成する加工手順と、を備え、前記加工対象物として、前記加工対象物の１／２０以上となる熱伝導率を有する材料により、少なくとも前記第１領域から前記第２領域に至る境界領域がマスキングされたものを用いる、レーザ加工方法である。

また、この局面においては、以下に示す第２局面のようにしてもよい。

第２局面においては、前記加工対象物として、前記加工対象物の１／１１以上となる熱伝導率を有する材料により、少なくとも前記第１領域から前記第２領域に至る境界領域がマスキングされたものを用いる。

また、上記各局面においては、以下に示す第３局面のようにしてもよい。

第３局面において、前記照射手順では、前記第２領域の拡がる面方向に沿い、かつ、前記第１領域から第２領域に至る方向または前記第２領域から前記第１領域に至る方向に光軸が延びるようにレーザを照射させる。

また、この局面においては、以下に示す第４局面のようにしてもよい。

第４局面において、前記加工手順では、前記レーザの光軸を、前記第２領域の拡がる面方向に沿って変位させる際、前記第１領域と前記第２領域とで形成される稜線に沿って変位させる。

本願出願人は、それぞれ隣接する２つの面で形成された角部を有する加工対象物をレーザで加工する場合に、レーザの照射に伴う熱が角部に集中することを抑制する方法として、角部をマスキングすることに着想し、後述のように、どのような材料によりマスキングすることが効果的であるか、評価試験を実施している。その結果、加工対象物の１／２０（より望ましくは１／１１）以上という熱伝導率を有する材料によりマスキングすることが、レーザの照射に起因するアブレーションの発生を効果的に抑制できることを見出した。

そのため、上記各局面のような加工対象物を用いる加工方法であれば、レーザの照射に起因するアブレーションの発生が抑制され、角部の表面粗さを一様なものとすることができる結果、精密加工用の切削工具のように高い加工精度を求められる加工対象物の加工にも有効に用いることができる。

レーザ加工装置の全体構成を示すブロック図照射部の構成を示すブロック図加工対象物の要部拡大図加工処理の処理手順を示すフローチャートレーザにおけるエネルギー分布を示す図評価試験におけるサンプルの顕微鏡画像別の実施形態における加工対象物を示す図

本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。

（１）装置構成
レーザ加工装置１は、図１に示すように、所定方向にレーザを照射させる照射部１０と、加工対象物１００を保持するための保持部２０と、加工対象物１００に対して照射部１０を相対的に変位させるための変位機構３０と、レーザ加工装置１全体の動作を制御する制御部４０と、を備えている。

照射部１０は、図２に示すように、パルスレーザを出力する発振器１１、レーザの振動数の次数を調整する振動調整器１３、レーザの出力を調整するアッテネータ（ＡＴＴ）１５、レーザの径を調整するためのビームエキスパンダー（ＥＸＰ）１７などを備え、これらを経たレーザが光学レンズ１９を介して出力されるように構成されており、所定の方向（本実施形態ではＺ軸方向）に光軸を向けてレーザを照射させる。これらのうち、発振器１１には、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザが用いられている。

なお、ここでは、単一の光学レンズ１９からなる構成となっているが、所定間隔を空けて配置された一組の光学レンズと、この光学レンズの間隔を調整するための機構を備えた構成としてもよい。

保持部２０は、レーザの光軸と交差する方向（本実施形態ではＹ軸方向）に延びる棒状の部材であり、その先端に加工対象物１００を保持可能に構成されている。この加工対象物１００は、その端部が保持部２０の先端から突出する位置関係で保持される。

変位機構３０は、照射部１０の変位を行う機構本体３１と、外部からの指令に基づいて機構本体３１を動作させる駆動部３３と、を備えている。本実施形態において、機構本体３１は、照射部１０をレーザの光軸とそれぞれ交差する２方向（本実施形態ではＸ軸方向およびＹ軸方向）に変位させるように構成されている。なお、機構本体３１は、照射部１０に対して保持部２０を変位させるように構成してもよい。

制御部４０は、各部への制御指令により、照射部１０によるレーザの照射、変位機構３０による照射部１０の相対的な変位などを制御するコンピュータである。

加工対象物１００は、所定の面（本実施形態ではＸ－Ｙ平面）に沿って拡がる第１領域１１１、および、第１領域１１１と交差する面（本実施形態ではＹ－Ｚ平面）に沿って拡がる第２領域１１３が隣接して形成された角部１１０を有している。本実施形態において、加工対象物１００は、第１領域１１１および第２領域１１３のいずれか一方がすくい面、他方が逃げ面として形成された切削工具であり、超硬合金をその材料とするものである。

この加工対象物１００は、図３に示すように、第１領域１１１から第２領域１１３との境界領域１２０に至る領域が、加工対象物１００の１／２０（望ましくは１／１１）以上となる熱伝導率を有する材料でマスキングされている。本実施形態において、このマスキングによるマスク層１３０は、第１領域１１１に沿って拡がり、後述する加工面となる新たな第２領域１１３’を超えて境界領域１２０全体にわたっているが、少なくとも新たな第２領域１１３’（つまり境界領域１２０の一端側）に到達するまでの範囲をマスキングできていればよい。なお、このマスク層１３０は、レーザにおける照射領域２００の直径に相当する厚さ（本実施形態では、１０μｍ～２０μｍ）の層として形成されている。

そして、この加工対象物１００は、角部１１０の第１領域１１１がレーザの光軸と交差する平面（本実施形態ではＸ－Ｙ平面）に沿って拡がり、第２領域１１３がレーザの光軸方向に沿って拡がる位置関係で設置される。

このような構成のレーザ加工装置１では、第２領域１１３の拡がる面方向に沿い、かつ、第１領域１１１から第２領域１１３に至る方向または第２領域１１３から第１領域１１１に至る方向（本実施形態では、Ｚ軸と平行に第１領域１１１から第２領域１１３へと至る方向）に沿って光軸が延びるようにレーザを照射させ、このレーザを変位させることによって、角部１１０に加工面として新たな第２領域１１３’を形成することができる。

（２）制御部４０による処理手順
以下に、制御部４０が内蔵メモリ４１に格納されたプログラムにより実行する「加工処理」の手順を図４に基づいて説明する。この加工処理は、保持部２０に加工対象物１００を保持させて位置決めした後に実行させるものであり、図示されないインタフェース（操作装置または通信装置）からの起動指令を受けた際に起動される。

この加工処理が起動されると、まず、内蔵メモリ４１にあらかじめ格納されている設定情報が読み出される（ｓ１１０）。この設定情報は、事前にユーザが設定した情報であって、照射部１０により照射されるレーザの出力Ｐ０［ｗ］と、保持部２０に設置された加工対象物１００の材料特性に応じた加工しきい値Ｐｔｈ［ｗ］と、加工対象物１００に形成すべき１以上の加工面それぞれを規定した座標情報と、からなる。

この座標情報は、加工対象物１００における加工面が、角部１１０の第２領域１１３に沿った位置関係として定められたものである。なお、この加工しきい値Ｐｔｈは、使用するパルスレーザを用いた事前の実験や文献情報から得られるものであり、レーザの出力Ｐ０は、この加工しきい値Ｐｔｈとレンズのｆ値、レーザ波長入力ビーム径に基づいて決定されるものである。

また、レーザの出力レベルは、照射領域２００の加工可能領域における光軸方向に沿った距離が、少なくとも加工対象物１００における加工面の光軸方向に沿った距離よりも長くなるよう、上記座標情報との関係も踏まえて設定されたものである。具体的には、出力レベルＰ０として、加工しきい値Ｐｔｈより大きくなるような値（Ｐ０＞Ｐｔｈ）が設定されている。

続いて、上記ｓ１１０にて読み出された設定情報に基づいて加工可能領域が規定される（ｓ１２０）。この加工可能領域とは、照射部１０の照射するレーザにおいて筒状に延びる照射領域２００において、加工対象物１００の材料特性に応じた加工しきい値Ｐｔｈ［ｗ］以上のエネルギー分布となっている領域のことであり、この領域でもって加工対象物１００を加工することができる。

このｓ１２０では、上記ｓ１１０にて読み出された設定情報のうち、レーザの出力Ｐ０［ｗ］および加工しきい値Ｐｔｈ［ｗ］に基づき、レーザの光軸上における各位置でのエネルギー分布Ｐ（ｒ）が算出された後、加工しきい値Ｐｔｈ以上のエネルギー分布となる所定半径ｒｔｈの面状領域を光軸に沿ってつないでなる筒状の領域が特定される（図５参照）。そして、この領域における半径ｒｔｈが加工可能領域を規定するパラメータとして特定される。

なお、この加工可能領域は、レーザの出力Ｐ０が大きくなるほど、直線的な筒状から、焦点位置に向けて直径が小さくなるくびれた筒状へと変化していくことが実験により確認されている。つまり、レーザの出力Ｐ０が大きくなるほど、加工可能領域の外周が直線的だったところから、曲線的な形状へと変化していくことになるため、レーザの出力Ｐ０は、加工面として求められる形状に応じた値が選択的に上述した設定情報に含められることとなる。

次に、未形成の加工面が存在しているか否かがチェックされる（ｓ１３０）。ここでは、上記ｓ１１０にて読み出された設定情報のうちの座標情報の中に、本加工処理の今回の起動以降、参照していない座標情報が残されている場合に、未形成の加工面が存在していると判定される。

このｓ１３０にて未加工の加工面が存在していると判定された場合（ｓ１３０：ＹＥＳ）、以降の処理にて参照していないいずれかの座標情報が抽出され、この座標情報で規定される加工面が、以降の処理にて形成すべき対象の加工面として設定される（ｓ１４０）。

次に、照射部１０によるレーザの照射が開始される（ｓ１５０）。ここでは、制御部４０からの指示を受けた照射部１０によるレーザの照射が開始される。

こうして、加工対象物１００に対し、第２領域１１３の拡がる面方向に沿い、かつ、第１領域１１１から第２領域１１３に至る方向または第２領域１１３から第１領域１１１に至る方向（本実施形態では、Ｚ軸と平行に第１領域１１１から第２領域１１３へと至る方向）に光軸が延びるようにレーザが照射される。

次に、変位機構３０により、照射部１０の照射するレーザにおける照射領域２００が加工対象物１００に接近させられる（ｓ１６０）。ここでは、照射部１０が保持部２０側へと相対的に変位するよう変位機構３０への制御指令がなされ、これを受けた変位機構３０が、加工対象物１００と加工可能領域とが重なるまで、照射部１０の相対的な変位を行う。

この加工対象物１００と加工可能領域との重なりは、上記ｓ１２０で規定された半径ｒｔｈと上記ｓ１４０にて設定された加工面の座標情報に基づき、レーザの光軸と加工対象物１００における加工面との間隔（本実施形態ではＹ軸方向に沿った間隔）が、照射領域２００の加工可能領域を規定する半径ｒｔｈに相当する距離となるまで、照射領域２００を加工対象物１００に接近させることにより実現される。

次に、変位機構３０により、照射部１０の照射するレーザにおける照射領域２００が加工対象物１００の第２領域１１３に沿って走査させられる（ｓ１７０）。ここでは、照射部１０が第２領域１１３に沿って相対的に変位するよう変位機構３０への制御指令がなされ、これを受けた変位機構３０が、加工面の全体を照射領域２００が通過するまで、照射部１０の相対的な変位を行う。なお、ここで、レーザの光軸は、第２領域１１３の拡がる面方向に沿って変位するに際し、第１領域１１１と第２領域１１３とで形成される稜線に沿って変位する。

こうして、上記ｓ１６０～ｓ１７０を経て、加工対象物１００の角部１１０が加工可能領域に加工され、加工面として新たな第２領域１１３’が形成される。このｓ１７０の後、上記ｓ１５０で開始された照射部１０によるレーザの照射が終了する（ｓ１８０）。ここでは、制御部４０からの指示を受けた照射部１０がレーザの照射を終了させる。

こうして、ｓ１８０を終えた後、プロセスが上記ｓ１３０へ戻り、以降、未加工の加工面が存在しなくなるまで、ｓ１３０～ｓ１８０が実施される。その後、上記ｓ１３０で未加工の加工面が存在していないと判定された場合（ｓ１３０：ＮＯ）、本加工処理が終了する。

こうして加工された加工対象物１００は、角部１１０からマスク層１３０を除去した状態で使用される。

なお、上述したｓ１５０が本発明における照射手順であり、ｓ１６０～１７０が本発明における加工手順である。また、加工処理に先立って行われる保持部２０への加工対象物１００の保持および位置決めが本願発明における準備手順である。

（３）評価試験
上述した加工対象物１００のように、それぞれ隣接する２つの面で形成された角部を有する加工対象物をレーザで加工する場合には、レーザの照射に伴う熱が角部に集中してアブレーションを引き起こし、これにより角部における表面粗さが全体にわたって一様ではなくなり、部分的に表面粗さが大きく異なった状態になる懸念がある。

例えば、精密加工用の切削工具のように、工具としての高い加工精度を求められるものを加工対象物として加工するにあたり、角部における表面粗さが一様でないことは、工具としての加工精度に悪影響を及ぼすため望ましいことではない。

本願出願人は、このようにレーザの照射に伴う熱が角部に集中することを抑制する方法として、角部のマスキングに着想し、どのような材料によりマスキングすることが効果的であるか、複数の材料を用いた評価試験を実施した。

まず、加工対象物となるサンプルには、円柱形状にした住友電工株式会社製の超硬合金Ｋ種Ｇ１０Ｅ（熱伝導率１０５Ｗ／ｍ・℃）を採用し、円柱形状の端面を第１の材料でマスキングしたサンプルＡ、円柱形状の端面を第２の材料でマスキングしたサンプルＢ、を用意した。ここでサンプルＡは、第１の材料として株式会社アサヒメタル工場製のＵアロイ７８（熱伝導率９．６Ｗ／ｍ・℃）を用い、サンプルＢは、第２の材料としてフェノール樹脂（熱伝導率０．１３～０．２５Ｗ／ｍ・℃）を用いている。そして、各サンプルについて、それぞれ円柱形状の端面を第１領域１１１、外周面を第２領域１１３とみなして上記加工処理により同じ加工面を形成させた。

こうして加工面を形成させた各サンプルにつき、洗浄のうえ円柱形状の端面を顕微鏡により観察したところ、サンプルＡは、図６Ａに示すように、全体的に表面粗さの大きな変化はなく、アブレーションが発生していないことが見て取れる。その一方、サンプルＢは、図６Ｂに示すように、角部の部分的な溶融や脱落、溶融後に再凝固した形跡がみられるなど、角部としての表面粗さが一様ではなくなっているばかりか、部分的に表面粗さが大きく異なっている可能性が高い。

この結果からは、加工対象物よりも熱伝導率の低い材料であっても、上記サンプルを含む材料のように加工対象物の数十分の１（例えば１／２０）以上の熱伝導率を有する材料で角部をマスキングしてレーザ加工を実施すればアブレーションの発生を効果的に抑制できることが示唆されている。一方、加工対象物の１／１００を下回るような熱伝導率を有する材料では、マスキングによりアブレーションの発生を抑制できないといえる。つまり、加工対象物の１／２０（より望ましくは１／１１）以上という熱伝導率を有する材料により角部をマスキングすれば、レーザの照射に起因するアブレーションの発生を効果的に抑制できるということがわかる。

（４）変形例
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、第２領域１１３の拡がる面方向に沿い、かつ、Ｚ軸と平行に第１領域１１１から第２領域１１３へと至る方向に光軸が延びるようにレーザを照射させる構成を例示した。しかし、レーザは、第２領域１１３の拡がる面方向に沿って光軸が延びるように照射されていればよく、光軸がＺ軸に対して傾斜していてもよく、また、第１領域１１１および第２領域１１３のいずれか一方から他方へと至る方向に沿っていなくてもよい。

また、上記実施形態においては、加工対象物１００の第１領域１１１が平面（Ｘ－Ｙ平面）状に拡がっており、この平面に沿ってレーザを走査させるように構成されたものを例示した。しかし、加工対象部１００の第１領域１１１は平面状のものに限られず、図７に示すように、例えば、加工対象物１００として、円筒形状の端面が第１領域１１１であり、外周面が第２領域１１３であるものを採用することもできる。この場合、第２領域１１３の拡がる面方向に沿い、かつ、第１領域１１１から第２領域１１３へと至る方向に光軸が延びるようにレーザを照射させたうえで、レーザの光軸を、第２領域１１３の拡がる面方向に沿い、かつ、第１領域１１１と第２領域１１３とで形成される稜線に沿って変位させるようにすればよい。

（５）作用効果
上記実施形態の加工方法であれば、レーザの照射に起因するアブレーションの発生が抑制され、角部の表面粗さを一様なものとすることができる結果、精密加工用の切削工具のように高い加工精度を求められる加工対象物の加工にも有効に用いることができる。

本発明の加工方法は、精密加工用の切削工具のように高い加工精度を求められる加工対象物の加工にも有効に用いることができる。

１…レーザ加工装置、１０…照射部、１１…発振器、１３…振動調整器、１５…アッテネータ（ＡＴＴ）、１７…ビームエキスパンダー（ＥＸＰ）、１９…光学レンズ、２０…保持部、３０…変位機構、３１…機構本体、３３…駆動部、４０…制御部、４１…内蔵メモリ、１００…加工対象物、１１０…角部、１１１…第１領域、１１３…第２領域、１２０…境界領域、１３０…マスク層、２００…照射領域。

Claims

所定の面に沿って拡がる第１領域、および、前記第１領域のなす面と交差する面に沿って拡がる第２領域が隣接して形成された角部を有する加工対象物を準備する準備手順と、
前記加工対象物に対し、前記第２領域の拡がる面方向に沿って光軸が延びるようにレーザを照射させる照射手順と、
前記レーザの光軸を、前記第２領域と交差する方向、および、前記第２領域のなす面に沿った方向のいずれか一方または両方に沿って変位させることで、前記レーザにより前記角部に新たな前記第２領域となる加工面を形成する加工手順と、を備え、
前記加工対象物として、前記加工対象物の１／２０以上となる熱伝導率を有する材料により、少なくとも前記第１領域から前記第２領域との境界領域に至る領域がマスキングされたものを用いる、
レーザ加工方法。
前記加工対象物として、前記加工対象物の１／１１以上となる熱伝導率を有する材料により、少なくとも前記第１領域から前記第２領域に至る境界領域がマスキングされたものを用いる、
請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記照射手順では、前記第２領域の拡がる面方向に沿い、かつ、前記第１領域から第２領域に至る方向または前記第２領域から前記第１領域に至る方向に光軸が延びるようにレーザを照射させる、
請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。
前記加工手順では、前記レーザの光軸を、前記第２領域の拡がる面方向に沿って変位させる際、前記第１領域と前記第２領域とで形成される稜線に沿って変位させる、
請求項３に記載のレーザ加工方法。