激光喷丸加工装置以及激光喷丸加工方法与流程

本发明的实施方式涉及激光喷丸加工装置以及激光喷丸加工方法。

背景技术：

激光喷丸加工通过在由液体覆盖的状态下对被加工物的被加工面聚光照射激光束而进行。如果对由液体覆盖的被加工物的被加工面聚光照射激光束，则能够将因激光束的照射而产生的等离子体封入液体中。其结果，冲击波的压力被施加给被加工面。由此，能够使在被加工物内部所产生的压缩应力作为残余应力而残留(例如参照专利文献1以及专利文献2)。

在激光喷丸加工中，抑制液体中的气泡的产生较为重要。这是因为到达被加工面的激光束的能量会因气泡而衰减。因此，提出了在用于供给激光喷丸用的液体的配管上设置用于从液体将气泡去除的阀的技术。另外，还提出了通过控制液体的流速以及流量而抑制因空穴作用产生气泡。

专利文献1：日本特开2008-238260号公报

专利文献2：日本特开2006-137998号公报

然而，如果对被加工物的被加工面照射激光束，则在激光束的照射点处产生气泡。即，在激光喷丸加工的施工点处产生气泡。其结果，存在如下问题，即，由气泡将激光束的光路遮挡，激光束的能量会衰减。即，存在如下问题，即，因在激光束的照射点处所产生的气泡而无法以严格设定的激光束的能量来进行激光喷丸加工。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于在激光喷丸加工中能够减弱因气泡而引起的激光束的能量的衰减。

本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工装置具有激光振荡器、喷嘴以及倾斜机构。激光振荡器使激光振荡。喷嘴朝向被加工物的被加工面一边喷射液体、一边将所述激光聚光而进行照射。倾斜机构以使得所述液体的喷射方向和所述被加工面的法线方向成为不同的方向的方式，使所述喷嘴以及所述被加工物中的至少一者倾斜，由此，对于因所述液体和所述被加工面的碰撞以及所述激光向所述被加工面照射所引起的冲击中的至少一者而产生的气泡，使该气泡连同所述液体一起在与所述被加工面相对于所述液体的喷射方向的倾斜方向相对应的方向上流动。

另外，本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工方法具有：使激光振荡的步骤；通过朝向被加工物的被加工面一边喷射液体、一边将所述激光聚光而进行照射，从而制造成品或者半成品的步骤；以及以使得所述液体的喷射方向和所述被加工面的法线方向成为不同的方向的方式，使所述喷嘴以及所述被加工物中的至少一者倾斜，由此，对于因所述液体和所述被加工面的碰撞以及所述激光向所述被加工面照射所引起的冲击中的至少一者而产生的气泡，使该气泡连同所述液体一起在与所述被加工面相对于所述液体的喷射方向的倾斜方向相对应的方向上流动的步骤。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式所涉及的激光喷丸加工装置的结构图。

图2是表示当前的激光喷丸加工方法的图。

图3是本发明的第2实施方式所涉及的激光喷丸加工装置的结构图。

标号的说明

1、1a激光喷丸加工装置

2激光振荡器

3喷嘴

4液体供给系统

5移动机构

6倾斜机构

6a机械臂

6b控制装置

7聚光透镜

8光学元件

9液体槽

11容器

12泵

13配管

14开闭阀

20旋转轴

21气缸机构

22工作台

23工作台

24高度调节机构

w被加工物

l液体

t夹具

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工装置以及激光喷丸加工方法进行说明。

(第1实施方式)

(结构以及功能)

图1是本发明的第1实施方式所涉及的激光喷丸加工装置的结构图。

激光喷丸加工装置1是通过向金属等被加工物w的被加工面一边喷射水等任意液体l、一边照射激光束而实施激光喷丸加工的装置。激光喷丸加工是通过在使液体l附着于被加工物w的被加工面的状态下聚光照射激光束而对被加工物w的被加工面施加冲击波的压力的加工。如果进行激光喷丸加工，则能够利用冲击波的压力对被加工物w的被加工面施加压缩残余应力作为反作用力。如果使压缩残余应力施加于被加工物w的被加工面，则能够利用所形成的压缩残余应力而抑制在被加工面的表面产生龟裂。由此，能够提高被加工物w的疲劳特性。

如图1举例所示，激光喷丸加工装置1能够由激光振荡器2、喷嘴3、液体供给系统4、移动机构5以及倾斜机构6构成。

激光振荡器2是使激光振荡、并将振荡的激光朝向喷嘴3照射的装置。在激光振荡器2与喷嘴3之间能够设置噪声滤波器等所需的光学系统。

喷嘴3构成为一边朝向被加工物w的被加工面喷射激光喷丸加工用的液体l、一边将激光聚光而对被加工面进行照射。喷嘴3能够利用聚光透镜7、光学元件8以及液体槽9而构成。

聚光透镜7是用于使从激光振荡器2射出的激光射入并聚光的光学元件。因此，聚光透镜7配置为在用于将从激光振荡器2射出的激光遮挡的筒状构造体的内部处于激光的光轴上。

在喷嘴3处，除了聚光透镜7以外，还能够设置用于使从聚光透镜7透过的激光的行进方向改变而对被加工物w的被加工面照射激光的光学元件8。如果设置有使激光的行进方向改变的光学元件8，则能够朝向所需的方向照射激光。

在图示的例子中，将光轴呈直角地弯曲的棱镜设置作为光学元件8。棱镜是由具有与光的入射侧以及出射侧的折射率不同的折射率的玻璃、水晶等透明的介质构成的多面体。当然，可以取代棱镜而使用反射镜。或者可以利用光纤改变激光的行进方向。

液体槽9是用于对被加工物w的激光喷丸加工用的液体l临时进行贮存并喷射的容器。在液体槽9设置有液体l的供给口和喷射口，能够将从供给口供给的液体l从喷射口朝向被加工物w的被加工面喷射。

另外，在液体槽9设置有入射窗，经由光学元件8而从入射窗透过的激光在与液体l的喷射方向相同的方向上射出。即，液体l的喷射口兼用作激光的出口，激光从液体l的喷射口朝向被加工物w的被加工面照射。

因此，激光的光轴和液体l的喷射方向大致相同。即，喷嘴3构成为，将液体l的喷射方向和激光的照射方向设为相同的方向而对液体l进行喷射、且照射激光。因此，液体槽9的入射窗和喷射口配置为处于激光的光轴上。

另外，通过设置棱镜等光学元件8，能够使液体l的喷射方向以及激光的照射方向形成为朝向铅直下方而对液体l进行喷射、且照射激光。在该情况下，能够在液压的基础上还利用重力而进行液体l的喷射。

优选液体l的喷射口的尺寸设为比激光束的直径大的尺寸。这是因为，液体l的液体流的直径比激光束的直径大，激光从液体l中透过而对被加工物w的被加工面进行照射。即，优选激光从由液体l的液体流形成的液柱内透过。

液体供给系统4是将激光喷丸加工用的液体l供给至喷嘴3的液体槽9的系统。液体供给系统4能够由对激光喷丸加工用的液体l进行贮存的容器11、泵12以及配管13构成。在配管13能够根据需要而设置开闭阀14。

配管13形成容器11与液体槽9之间的液体l的流路。泵12以及开闭阀14设置于配管13上。因此，如果使泵12工作，则能够将容器11内的液体l供给至液体槽9。另外，通过开闭阀14的开闭而能够对液压进行调整。因此，开闭阀14承担作为对朝向被加工物w的被加工面喷射的液体l的压力进行控制的压力控制机构的作用。

移动机构5是使喷嘴3以及被加工物w中的至少一者相对于另一者滑动的装置。即，移动机构5具有使喷嘴3相对于被加工物w而相对地移动的功能。移动机构5例如能够由如下3轴滑动机构构成，即，该3轴滑动机构能够使喷嘴3在相互正交的x轴、y轴以及z轴这3个轴的方向上进行平行移动。当然，也可以利用倾斜机构、旋转机构构成移动机构5。通过移动机构5的驱动而能够改变施工点、且能够连续地进行激光喷丸加工。

倾斜机构6是以使得激光喷丸加工用的液体l的喷射方向和被加工物w的被加工面的法线方向成为不同的方向的方式，使被加工物w倾斜的装置。即，倾斜机构6是如下装置，即，以使得激光的焦点处于被加工物w的被加工面上的激光喷丸加工位置的方式，将激光喷丸加工位置与喷嘴3之间的距离保持为恒定，且以使得液体l不向被加工物w的被加工面垂直地喷射的方式，使被加工物w倾斜。

如果进行激光喷丸加工，则因液体l和被加工面的碰撞、对被加工物w的被加工面照射激光所引起的冲击而从被照射了激光的被加工面产生气泡。如果气泡滞留于激光喷丸加工用的液体l中，则激光的光路被遮挡而有可能导致激光的散射或衰减。因此，为了在激光喷丸加工中对被加工面施加足够的冲击波的压力，从激光喷丸加工用的液体l中将气泡去除较为重要。

根据观察激光喷丸加工的结果能够判明，存在因激光的照射而产生的气泡滞留于液体l的液体流淤滞的淤液中的趋势。因此，如果使激光的照射区域中的淤液减少，则能够避免气泡在局部滞留于激光的照射区域。

图2是表示因当前的激光喷丸加工法而产生的淤液的情形的图。

如图2所示，如果激光喷丸加工用的液体l向被加工物w的被加工面垂直地喷射，则在激光针对被加工面的照射点周围产生液体l的淤液。因此，因激光的照射而产生的气泡会滞留于照射点周围。其结果，激光的光路被气泡遮挡而导致激光的散射或衰减。

因此，如图1举例所示，利用倾斜机构6使被加工物w倾斜，由此能够避免在液体l中产生的淤液集中于激光的照射区域附近。即，如果使被加工物w倾斜，则液体l朝向斜下方流动。即，形成液体l的液体流。其结果，能够降低液体l中的淤液的产生量。另外，假设产生淤液，淤液也会沿着液体l的液体流而从激光的照射区域朝向斜下方流动。其结果，对于因液体l和被加工面的碰撞以及激光朝被加工物w的被加工面照射所引起的冲击而产生的气泡，能够使其和液体l一起向斜下方流动而不会滞留于淤液中。

此外，在图1所示的例子中，液体l的喷射方向以及激光的照射方向朝向铅直下方，但根据被加工物w的构造，可以将液体l的喷射方向以及激光的照射方向设为与铅直下方不同的方向。即使在该情况下，只要利用倾斜机构6以使得液体l的喷射方向和被加工物w的被加工面的法线方向成为不同的方向的方式使被加工物w倾斜，也能够使液体l在与被加工面相对于液体l的喷射方向的倾斜方向相应的特定的方向上流动。因此，能够使因激光喷丸加工而产生的气泡连同液体l一起在与被加工面相对于液体l的喷射方向的倾斜方向相应的方向上流动。

倾斜机构6例如能够由如下部件构成：机械臂6a，其能够在被加工物w的被加工面上维持激光的焦点，且能够对被加工物w的被加工面相对于激光喷丸加工用的液体l的喷射方向的倾斜角度进行可变控制；以及控制装置6b，其对机械臂6a进行控制。机械臂6a能够利用所需数量的旋转机构以及伸缩机构而构成。为了能够调节2个方向上的倾斜角度，可以利用多个旋转机构构成机械臂6a。另一方面，对机械臂6a进行控制的控制装置6b可以由计算机等的电子电路构成。

在图1所示的例子中，将被加工物w安装于夹具t，利用机械臂6a对夹具t进行保持。当然也可以直接利用机械臂6a对被加工物w进行保持。即，能够由对被加工物w或者用于安装被加工物w的夹具t进行保持的机械臂6a构成倾斜机构6。

另外，并不局限于机械臂6a，还可以由起倒机构构成倾斜机构6，其中，该起倒机构具备能够使被加工物w或者用于安装被加工物w的夹具t倾斜的旋转轴。在该情况下，具备用于对起倒机构进行控制的控制装置。

另外，被加工物w的被加工面并不局限于平面。例如，如果被加工物w是飞机的部件，则有时还在被加工面存在凹凸、或者被加工面为曲面。因此，如果通过移动机构5的驱动而一边使喷嘴3和被加工物w的相对位置改变、一边进行激光喷丸加工，则有时液体l的喷射方向与被加工面的法线方向所成的角度会发生变化。因此，基于表示被加工面的形状的3维信息，能够以在喷嘴3以及被加工物w的至少一者的滑动中使得被加工面相对于液体l的喷射方向的倾斜角度恒定或者处于规定的范围内的方式使被加工物w倾斜。

在一边使被加工物w的被加工面的倾斜角度发生变化、一边进行激光喷丸加工的情况下，只要被加工物w的旋转轴与激光喷丸加工位置不重叠，则为了在被加工物w的被加工面上维持激光的焦点，在被加工物w的旋转移动的基础上还需要平行移动。例如，如图1所示，如果处于利用机械臂6a使被加工物w的倾斜角度发生变化的情况下，则需要使被加工物w进行相对于铅直方向的平行移动。因此，为了能够使被加工物w进行平行移动，可以在机械臂6a上设置多个旋转轴、或者设置由气缸机构等构成的伸缩机构。

另外，可以与被加工物w的旋转移动联动地利用移动机构5使喷嘴3进行平行移动。在该情况下，还能够基于表示被加工面的形状的3维信息，利用控制装置6b对移动机构5进行控制。因此，可以说移动机构5也作为倾斜机构6的一部分而起作用。

表示被加工面的形状的3维信息能够预先保存于控制装置6b所具备的存储装置中。而且，通过由控制装置6b参照被加工面的3维信息而对机械臂6a的控制，能够将被加工面相对于液体l的喷射方向的倾斜角度维持为恒定或者处于规定的范围内。另外，通过参照被加工面的3维信息，能够利用控制装置6b对机械臂6a以及移动机构5中的至少一者进行控制以使得激光的焦点处于被加工面上。

因液体l和被加工面的碰撞而产生的液体l的淤液的量还会因液体l的液压而变化。因此，利用作为对液体l的压力进行控制的压力控制机构的开闭阀14能够对液体l的压力进行控制以减少淤液。即，通过对开闭阀14的开度进行调节，能够降低淤液的产生量。能够通过试验并根据经验而求出用于减少淤液的适当的开闭阀14的开度。

此外，如果能够对液体l的液压进行控制，则能够将除了开闭阀14以外的装置用作压力控制机构。在该情况下，也能够利用压力控制机构对液体l的液压进行控制以降低淤液的产生量。

如上，在激光喷丸加工装置1中，通过对液体l的液压以及被加工面的倾斜角度进行调节，能够避免淤液中的气泡滞留于激光的照射区域附近。

(动作以及作用)

下面，对利用激光喷丸加工装置1的激光喷丸加工方法进行说明。

首先，经由夹具t而将被加工物w固定于机械臂6a。或者，将被加工物w直接固定于机械臂6a。然后，以使得从喷嘴3照射的激光的焦点处于被加工物w的被加工面上的激光喷丸加工的开始位置的方式，通过移动机构5的驱动而进行被加工物w的定位。并且，通过控制装置6b的控制而驱动机械臂6a，使得被加工物w的被加工面的法线方向相对于从喷嘴3喷射的液体l的喷射方向以及从喷嘴3照射的激光的照射方向以规定的角度倾斜。

然后，激光振荡器2使激光振荡。即，从激光振荡器2射出激光。射出的激光经由任意的光学系统而射入至喷嘴3内的聚光透镜7。射入至聚光透镜7的激光聚光、且从聚光透镜7透过。从聚光透镜7透过的激光射入至光学元件8。射入至光学元件8的激光的行进方向在光学元件8中改变为朝向铅直下方而射出。

另一方面，液体供给系统4的泵12工作，通过配管13将容器11内的激光喷丸加工用的液体l供给至液体槽9内。其结果，从在液体槽9的下方形成的开口部朝向被加工物w的被加工面喷射液体l。因此，从光学元件8射出的激光从液体l的内部透过而朝向被加工物w的被加工面聚光照射。即，喷嘴3朝向被加工物w的被加工面一边喷射液体l、一边将激光聚光而进行照射。

因此，在被加工物w的被加工面产生等离子体。由此，冲击波的压力施加于被加工物w的被加工面。这样，能够通过残余应力而使被加工面的强度增加。

此时，被加工物w以使得液体l的喷射方向和被加工面的法线方向成为不同的方向的方式倾斜。因此，对被加工面喷射的液体l朝向被加工面和液体l的喷射方向所成的角度最大的方向顺着被加工面而流动。其结果，降低了液体l中的淤液点的产生量。另外，即使因被加工面和液体l的碰撞而产生局部的淤液，淤液也随着液体l的液体流而迅速地从激光的照射区域流动。因此，因液体l和被加工面的碰撞以及由激光引起的冲击而产生的气泡也能够与液体l一起在与被加工面相对于液体l的喷射方向的倾斜方向相应的方向上流动。

因此，激光被照射至被加工物w的被加工面而未被大量的气泡遮挡。即，具有足够的能量密度的激光被照射至被加工物w的被加工面。其结果，能够可靠地提高被加工面的强度。

在被加工物w的被加工面较大的情况下，通过移动机构5的驱动而能够一边使被加工物w相对地移动、一边按顺序进行激光喷丸加工。而且，如果针对全部被加工面的激光喷丸加工结束，则能够获得加工品。即，能够制造实施了激光喷丸加工后的成品或半成品。

此外，在被加工物w并非为平面的情况下，能够追随被加工物w的移动而对被加工面的倾斜角度进行可变控制。在该情况下，控制装置6b基于表示被加工面的形状的3维信息对机械臂6a进行控制，以使得被加工面相对于液体l的喷射方向的倾斜角度恒定或者处于规定的范围内。由此，能够将被加工面相对于液体l的喷射方向的倾斜角度维持为恒定或者处于规定的范围内，能够避免因激光喷丸加工而产生的气泡滞留于激光的照射区域。

另外，能够对液体l的压力进行控制以使成为气泡滞留的主要原因的淤液减少。能够通过对开闭阀14的开度进行调节而控制液体l的压力。

即，如上的激光喷丸加工装置1以及激光喷丸加工方法着眼于因激光喷丸加工而产生的气泡滞留于激光喷丸加工用的液体l的淤液中的性质，能够使被加工物w的被加工面的法线方向相对于从喷嘴3喷射的液体l的喷射方向以及激光的照射方向倾斜，以便降低激光喷丸加工位置附近的淤液的产生量。

(效果)

因此，根据激光喷丸加工装置1以及激光喷丸加工方法，能够降低在激光喷丸加工的施工点附近滞留的液体l的淤液点的量。由此，能够将在激光喷丸加工的施工点附近因激光喷丸加工而产生的气泡去除。其结果，能够减弱因气泡而引起的激光束的能量的衰减。即，能够在更优选的条件下进行激光喷丸加工。

(第2实施方式)

图3是本发明的第2实施方式所涉及的激光喷丸加工装置的结构图。

在图3所示的第2实施方式的激光喷丸加工装置1a中，能够利用倾斜机构6对喷嘴3相对于被加工物w的被加工面的倾斜角度进行可变控制这一点与第1实施方式的激光喷丸加工装置1不同。关于第2实施方式的激光喷丸加工装置1a的其他结构以及作用，实质上与第1实施方式的激光喷丸加工装置1并无不同，因此对相同的结构或者相对应的结构标注相同的标号并将说明省略。

第2实施方式的激光喷丸加工装置1a的倾斜机构6与喷嘴3连结。因此，能够对喷嘴3相对于被加工物w的被加工面的倾斜角度进行可变控制。例如图3所示，能够利用旋转轴20以及伸缩的多个气缸机构21而构成倾斜机构6。即，由伸缩的多个气缸机构21对兼用作移动机构5的一部分的工作台22的一端的下方进行支撑，利用旋转轴20将工作台22的另一端支撑为可旋转，由此能够构成能够对喷嘴3的倾斜角度进行可变控制的倾斜机构6。因此，可以将倾斜机构6作为移动机构5的结构要素。

另一方面，能够设置高度调节机构24，该高度调节机构24用于对用于设置被加工物w的夹具t或者被加工物w的工作台23的高度进行调节以使得激光的焦点处于被加工物w的被加工面上的激光喷丸加工位置。能够利用控制装置6b对高度调节机构24进行控制。因此，可以说高度调节机构24也构成倾斜机构6的一部分，该倾斜机构6以将激光喷丸加工位置与喷嘴3之间的距离保持为恒定、且使得液体l不被相对于被加工物w的被加工面垂直地喷射的方式使被加工物w倾斜。高度调节机构24能够利用气缸机构、滚珠丝杠等构成。当然可以取代对用于设置被加工物w的夹具t的工作台23的高度进行调节的方式而利用移动机构5对喷嘴3的高度进行调节。另外，可以对工作台23以及喷嘴3这二者的高度进行调节。

在这样的第2实施方式的激光喷丸加工装置1a中，也能够获得与第1实施方式的激光喷丸加工装置1相同的效果。特别是在被加工物w为大型加工物的情况下、被加工物w的重量较大的情况下，无需使被加工物w倾斜，因此无需大规模的装置。

相反，在被加工物w为小型加工物的情况下、被加工物w的重量较小的情况下，能够如第1实施方式那样通过使被加工物w侧倾斜而使得液体l的喷射方向始终朝向铅直下方。因此，能够利用重力而对液体l进行喷射。另外，因为无需使喷嘴3以及移动机构5的倾斜，因而无需大规模的装置。

(其他实施方式)

以上对特定的实施方式进行了记载，但所记载的实施方式不过是一个例子而已，对发明的范围并未进行限定。这里记载的新的方法以及装置能够通过各种各样的其他方式而实现。另外，在这里记载的方法以及装置的方式中，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种各样的省略、置换以及变更。所附的权利要求书的范围以及其等同的范围包含在发明的范围以及主旨中，包含这样的各种各样的方式以及变形例。

例如，可以对第1实施方式和第2实施方式进行组合。即，可以形成为能够对喷嘴3以及被加工物w这二者的倾斜角度进行控制。因此，倾斜机构能够构成为使喷嘴3以及被加工物w中的至少一者倾斜。