JP2002210577A - レーザによるr面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッド - Google Patents
レーザによるr面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッドInfo
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Abstract
定したレーザによるR面取り加工方法および同方法の実
施に適したレーザ加工ヘッドの提供。 【解決手段】 被加工材W端部のエッジ7部にレーザ光
LBを集光照射して前記エッジ部にR面取り加工を施す
面取り加工方法において、前記レーザ光の焦点を前記被
加工材上方数mmの高さに設定すると共に、該レーザ光の
照射位置を前記被加工材端部から内側へオフセットして
設定し、該レーザ光の照射位置を前記被加工材端部に沿
って相対的に移動させると共に、前記レーザ光の照射位
置に不活性ガスからなるシールドガスSGを噴射して前
記エッジ部にR面取り加工を行うことを特徴とするレー
ザによるR面取り加工方法。
Description
り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッ
ドに関する。
鋼板の薄板が多く使用されており、レーザ切断された部
材端部で作業者が怪我をしない様に部材端部の面取り加
工が行われている。この面取り加工は、通常はヤスリま
たはサンダーなどを用いて人手によって行われている。
術もある。例えば、本願出願人の出願である特開平11
−138283号公報には、マグネシュウム合金をレー
ザ切断したときに生じるばり(かえり)の除去および切
断端面の溶融仕上げ方法が開示されている。
り作業は、手間がかかり製品コストの増加につながる上
に作業環境を粉塵で汚染する。また、人手による目視作
業のため面取り量が不均一となり製品の価値を低下させ
るという問題もある。
方法は、切断端面を溶融仕上げする前に前工程として部
材表裏からのケービング加工または面取り加工等が必要
でありやはり製造コストが増加する。
なされたものであり、本発明の課題は、高生産性、高品
質、低コストでかつ品質が安定したレーザによるR面取
り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッ
ドを提供することである。
段として請求項1に記載のレーザによるR面取り加工方
法は、被加工材端部のエッジ部にレーザ光を集光照射し
て前記エッジ部にR面取り加工を施す面取り加工方法に
おいて、前記レーザ光の焦点を前記被加工材上方数mmの
高さに設定すると共に、該レーザ光の照射位置を前記被
加工材端部から内側へオフセットして設定し、該レーザ
光の照射位置を前記被加工材端部に沿って相対的に移動
させると共に、前記レーザ光の照射位置に不活性ガスか
らなるシールドガスを噴射して前記エッジ部にR面取り
加工を行うことを要旨とするものである。
工方法は、請求項1に記載のレーザによるR面取り加工
方法において、ノズル口から噴射する前記シールドガス
の圧力が0.001〜0.010[Mpa]、前記オフセットが0〜0.2
[mm]、および前記焦点位置が前記被加工材上方4〜7[mm]
の範囲であることを要旨とするものである。
工方法は、請求項2に記載のレーザによるR面取り加工
方法において、前記エッジ部の形状曲線における接線の
傾きの変化が不連続な部分近傍および微小曲率部など実
加工速度が加工指令速度より低下する部分では実加工速
度に応じてレーザ出力を低下させる出力制御を行うこと
を要旨とするものである。
工方法は、請求項2または請求項3に記載のレーザによ
るR面取り加工方法において、ノズルおよびレンズマウ
ントの温度を温度検出センサーで検出し、該検出温度が
前記ノズルおよびレンズマウントの設定温度以上に達し
たとき、R面取り加工を一時停止すると共に制御装置の
ディスプレーに温度上昇アラームを表示することを要旨
とするものである。
ールドガス噴射用ノズルとレンズマウントに支持された
集光レンズとを備えたレーザ加工ヘッドにおいて、前記
ノズルに該ノズルを冷却する冷却手段を設け、前記レン
ズマウントの少なくとも下面を高反射率の鏡面仕上げに
形成すると共に前記ノズルの内外にレーザ光に対して高
反射率を有する金属メッキを施したことを要旨とするも
のである。
求項5に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記冷却手
段は前記ノズルに前記シールドガスを加工部以外の方向
へ放出する複数の小径穴を設けた放熱部からなり、前記
金属メッキは金メッキ、ニッケルクロムメッキまたは硬
質クロムメッキであることを要旨とするものである。
よって説明する。
板金素材から製品(被加工材)Wとスクラップ材Sとに
レーザ切断された状態において、製品(被加工材)Wの
エッジを本発明に係るR面取り加工方法で加工する状況
を示したものである。
示省略)からのレーザ光LBは、レーザ加工ヘッド1に
設けた集光レンズ3によって製品(被加工材)W上の所
望の高さに焦点を合わせることが可能に設けてあり、レ
ーザ光の照射位置はレーザ加工ヘッド1を後述の制御装
置19で制御することによって任意の位置に移動位置決
め自在である。
スSGまたはアシストガスAGを噴射するためのノズル
5が設けてある。なお、集光されたレーザ光LBもこの
ノズル5のノズル口から製品(被加工材)W上に照射さ
れる様になっている。
は溶融する場合に大気中の酸素と素材とが化学反応する
のを阻止するためのものであり、不活性ガスである窒素
ガスまたはアルゴンガスなどが使用される。
する場合に切断部の酸化反応を促進させたり、溶融した
金属を加工部から下方へ排除する目的で用いられるもの
であり酸素、窒素またはエアー等が使用されている。
(被加工材)Wのエッジ7をR面取りする方法について
加工条件等の数値を具体的に挙げて説明する。
したレーザ光LBの焦点FPの位置を製品(被加工材)
Wの上方の適宜な高さHに設定すると共に、集光位置を
切断面から製品の内側方向(図1では左方向)へ適宜な
距離Lだけオフセット(Offset)して設定する。
LBを照射することによって製品(被加工材)Wの表面
側のエッジ7の部分が溶融し、鋭利なエッジ7が溶融金
属の表面張力の作用によってR面取り9された形状に凝
固する。 そして、レーザ加工ヘッド1と製品(被加工
材)Wとを適宜な速度でエッジ7に沿って相対的に移動
させることによりR面取り加工が進行する。
とは安定したR面取り加工を行う上で密接な関係があ
る。さらに、シールドガスSGの圧力または流量も良好
なR面取り加工を行う上で関係している。
圧力(または流量)との関係は実験の結果図2に示す様
になっている。
準状態(0℃,1atm=0.101325Mpa)において約40〜50[Nl
/min](ノズル径φ3)、圧力では0.005[Mpa] 前後の範
囲に保持するのが最良であることが判明している。
空気中の酸素によって加工部が黒く焦げてしまう。圧力
が0.010Mpa の前後ではR面取り加工部9の部分的な波
打ちやエッジ7の溶融不良を生じRの大きさが減少する
ことがある。
溶融部の波打ち現象の度合いがより強くなる。
が望ましい。また、加工が安定しているときには、プラ
ズマ、粉塵、火花、および加工音はほとんど発生せず、
ノズル5や集光レンズ3が汚れる心配が無い。
工範囲を調べた結果を表2に示す。
し、「OFFSET 0.1」は、レーザ光中心を製品端面から
製品側へ0.1mmオフセットしたことを意味する。また、
表2中の記号の意味は次の通り。
Rが小(0.2mm以下),H:面取りRが変形。
メータとして焦点位置FP[mm]と面取りR[mm]の関
係を示したグラフであり、横軸に焦点位置FP[mm]を
とり、縦軸に面取りR[mm]の大きさをとってある。図
3のグラフにおいて、「OFFSET 0.1」の曲線と「OFFSE
T 0」の曲線に挟まれる領域が良好なR面取り加工とな
るための加工条件を表している。
を製品(被加工材)Wの表面または表面直近に合わせる
と、レーザ光のパワー密度が大ききすぎて加工部に焦げ
が発生し、焦点FPを製品(被加工材)Wの上方数ミリ
(4mm〜7mm)の位置にデフォーカス (defocus)すると、す
なわち焦点をずらすと、焦げの無い安定したR面取り加
工が可能になることを示している。かつ、レーザ光の照
射位置を切断端面から製品の内側方向へ0.1mmオフセッ
トし、その位置から±0.1mmの範囲内でずれても、R面
取り品質は許容範囲内にあることを示している。
は、形状曲線の接線の傾きの変化が不連続のところや微
小な曲率を有する部分では、レーザ加工機における加工
速度は制御装置に与えた指令速度よりも実際の加工速度
の方が小さくなる傾向があり、特に指令速度が大きいほ
どこの傾向が大きくなる。
で加工速度だけがが低下すると、加工部が焦げたりある
いは溶融量が増加したりするので、速度変化に対応した
レーザ出力制御を行っている。
工においては加工中における加工部からの戻り光RLが
多く、この戻り光RLによるノズル5、ノズル5に設け
たギャップ検出用の静電容量センサー(図示省略)およ
び集光レンズ3等の温度上昇を防止するための温度上昇
防止手段が必要である。
ザ加工ヘッド1には加工ヘッド1の中で特に熱に弱いZ
nSe集光レンズ3を支持するレンズマウント11全体ま
たは下面11aに炭酸ガスレーザ光に対する反射率の高
い金属メッキ、例えば金メッキ、ニッケルクロムメッキ
等を施し、このメッキ面を鏡面に仕上げに加工して戻り
光RLの吸収を抑えるようにしてある。これによりレン
ズマウント11の温度が40度以上に上昇することを防
止することができる。
ては、鏡面仕上げの金属メッキをノズルに施すのみで
は、ノズル5の温度は100℃以上に上昇し、センサー
コーン13内の部品であるOリングや絶縁用樹脂の使用
可能最高温度を超えてしまう可能性があるため、さらに
ノズル外部から冷却ガス15を吹き付けてノズル温度を
100℃以下にするなどの温度上昇防止手段をとること
が望ましい。
からノズル5を冷却する温度上昇防止手段の代わりに、
図5、図6および図7に示す様に、ノズル5の内部から
外部に連通するほぼ水平方向の放射状の小径穴17を複
数個設けた放熱部(19、19’)を重ねて設け、この
小径穴17を介して加工に使用する前記シールドガスS
Gを大気中へ放出することによりノズル5の温度上昇を
防止する手段が設けてある。
加工部のシールドガスが攪乱されない様に、かつ加工部
にシールドガス以外の物質を巻き込まない様に、小径穴
17の方向およびその穴数に配慮しなくてはならない。
通する直径1.0mmの小径穴16個をノズル5の中心軸に
対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配(360度を16
等分)した上段の放熱部19を設けると共にこの放熱部
19の下に同様な放熱部19’が設けてある。なお、上
段の放熱部19と下段の放熱部19’とで穴が重ならな
いように、上段の穴の配置と下段の穴の配置の位相を1
1.25度ずらしてある。
放熱部と下段の放熱部とで穴が重ならないように上段の
穴の配置と下段の穴の配置の位相をずらしたので、ノズ
ル下方の高温部から上方の低温部への熱流が下段の冷却
用の穴の間を抜けた後、上段の冷却用の穴にぶつかるた
め冷却効率が向上し、ノズル上方のセンサーコーン部へ
の熱が伝わりにくくなる。
は、ノズル5の材質である銅が錆びたり傷ついたりして
反射率が低下するのを防止するために、レーザ光に対す
る反射率が大きいニッケルクロムメッキを施してある。
なお、ニッケルクロムメッキに代えて硬質クロムメッキ
または金メッキ等を施しても構わない。
ント11には、例えば熱電対などの温度検出センサー2
1が設けてあり、この温度検出センサー21からの信号
がレーザ加工ヘッド1を制御する制御装置23に入力さ
れる様に設けてある。
びレンズマウント11の温度を常時監視しており、例え
ばノズル5の温度が100℃以上、またはレンズマウン
ト11の温度が50℃以上になったら制御装置のディス
プレー(図示省略)上に「ノズル温度上昇」、「レンズ
マウント温度上昇」などのアラームを表示すると同時に
加工が一時停止される様に設けてある。
1が設定温度以上に達し、集光レンズおよびセンサーコ
ーン13内の部品であるOリングや絶縁用樹脂が損傷す
るのを未然に防ぐことができる。
5および集光レンズ3をチェックし、清掃または必要に
よっては修理交換等を行いR面取り加工を再開すること
ができる。なお前記制御装置23はレーザ発振器25の
出力およびレーザ加工ヘッド1の位置決め用モータ27
等を総括的に制御するものである。
穴16個からなる放熱部19を1段設けたノズル5を装
着したレーザ加工ヘッド1と、φ1.0の穴16個から
なる放熱部19を2段設けたノズル5を装着したレーザ
加工ヘッド1とを用いてR面取り加工を実施した場合の
温度抑制効果について下記試験条件で試験した結果につ
いて説明する。
m、レンズ焦点距離:5インチ、ノズル口径:φ3、ノ
ズルギャップG:2.5mm、オフセットL:0.1mm、
焦点位置FP:5mm、加工速度:F10000、指令出力:
S1500、デューティ:CW、ガス:窒素、流量:120[Nl
/min]、ガス圧:0.005[Mpa]、測定用温度計:不可逆性
サーモラベル上述の試験条件で連続加工を行い、時間の
経過と共にノズル温度(VI-VI断面の真上)がどの様に
変化するかを調べた結果を図8に示す。
放熱部が2段のノズル温度上昇の飽和温度は60℃であ
る。(2)放熱部が1段のノズルに比較して、放熱部が
2段のノズルでは飽和温度が約25℃低下する。(3)
放熱部なしでノズル口径φ3の標準ノズルと比較すると
約50℃低下する。
値は図9に示す様になっている。図9から、放熱部が2
段のノズルは1段のノズルより流量が2〜3割増加する
程度であることがわかる。これは、例えばガス圧力が0.
005[Mpa]においては120[Nl/min]であり、軟鋼の厚板を
アシストガスの酸素を用いてレーザ切断する場合のガス
流量とほぼ同等である。
ールドガスの圧力が切断加工に比較して小さいので、ノ
ズル口以外に小口径の穴を複数個設けても全体でのガス
消費量はさほど多くならないのである。
ガス流量と、ノズル温度上昇における飽和温度との関係
についての測定結果について説明する。加工条件は前記
「試験条件」において、加工時間を80秒とし、ガス消
費流量を60[Nl/min]〜160[Nl/min]の範囲で変化さ
せて飽和温度との関係を調べた結果をグラフにしたのが
図10である。
増加させると、ノズルの飽和温度は45℃まで下降す
る。一方、ガス流量を60[Nl/min]まで減少させると、
飽和温度は75℃まで上昇する。
流量の増減により飽和温度が大きく左右される。従っ
て、ガス流量の設定は加工が安定している範囲であって
も、低めに設定するのは避けた方がよいことが理解され
る。
手による目視作業によらないので、生産性が向上すると
共に品質が均一となり製品の付加価値が向上する。さら
に、加工中に粉塵がほとんど発生しないので作業環境も
よくなり、作業時間と人件費の削減によるコスト低減が
可能となる。
の傾きの変化が不連続のところや微小な曲率を有する部
分での加工において、加工部が焦げたりあるいは溶融量
が増加したりするのを防止できる。
ンズマウントが設定温度以上に達したとき、制御装置の
ディスプレーにアラームが表示されると同時に加工が一
時停止されるので加工ヘッドが損傷するのを未然に防ぐ
ことができる。
部からの戻り光(反射光)が特に多い面取り加工におい
て、集光レンズを保持するレンズマウントが戻り光(反
射光)で加熱されるのを抑えて熱に弱い集光レンズを保
護することができる。
高いニッケルクロムメッキ等の金属メッキを施すと共
に、シールドガスを利用してノズルを冷却し、ノズル部
からセンサーコーンへの熱の伝導を抑制したので、セン
サーコーン内の部品であるOリングや絶縁用の樹脂の温
度を使用最高温度以下に保持することができる。
スの消費量は軟鋼の厚板をレーザ切断する場合のガス流
量とほぼ同等でありランニングコストを低く抑えること
ができる。また、標準ノズルに加えてシールドガスによ
る冷却機構を設けたノズルを部品として追加するだけな
ので設計コストが少ない。
(または流量)との関係を示した図。
P[mm]と面取りR[mm]の関係とを示したグラフ。
時間の経過とノズル温度(VI-VI断面の真上)変化を示
した図。
ガス圧力とガス流量との関係を示した図。
で、ガス消費流量と飽和温度との関係を示した図。
Claims (6)
- 【請求項1】 被加工材端部のエッジ部にレーザ光を集
光照射して前記エッジ部にR面取り加工を施す面取り加
工方法において、前記レーザ光の焦点を前記被加工材上
方数mmの高さに設定すると共に、該レーザ光の照射位置
を前記被加工材端部から内側へオフセットして設定し、
該レーザ光の照射位置を前記被加工材端部に沿って相対
的に移動させると共に、前記レーザ光の照射位置に不活
性ガスからなるシールドガスを噴射して前記エッジ部に
R面取り加工を行うことを特徴とするレーザによるR面
取り加工方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載のレーザによるR面取り
加工方法において、ノズル口から噴射する前記シールド
ガスの圧力が0.001〜0.010[Mpa]、前記オフセットが0〜
0.2[mm]、および前記焦点位置が前記被加工材上方4〜7
[mm]の範囲であることを特徴とするレーザによるR面取
り加工方法。 - 【請求項3】 請求項2に記載のレーザによるR面取り
加工方法において、前記エッジ部の形状曲線における接
線の傾きの変化が不連続な部分近傍および微小曲率部な
ど実加工速度が加工指令速度より低下する部分では実加
工速度に応じてレーザ出力を低下させる出力制御を行う
ことを特徴とするレーザによるR面取り加工方法。 - 【請求項4】 請求項2または請求項3に記載のレーザ
によるR面取り加工方法において、ノズルおよびレンズ
マウントの温度を温度検出センサーで検出し、該検出温
度が前記ノズルおよびレンズマウントの設定温度以上に
達したとき、R面取り加工を一時停止すると共に制御装
置のディスプレーに温度上昇アラームを表示することを
特徴とすることを特徴とするレーザによるR面取り加工
方法。 - 【請求項5】 シールドガス噴射用ノズルとレンズマウ
ントに支持された集光レンズとを備えたレーザ加工ヘッ
ドにおいて、前記ノズルに該ノズルを冷却する冷却手段
を設け、前記レンズマウントの少なくとも下面を高反射
率の鏡面仕上げに形成すると共に前記ノズルの内外にレ
ーザ光に対して高反射率を有する金属メッキを施したこ
とを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 【請求項6】 請求項5に記載のレーザ加工ヘッドにお
いて、前記冷却手段は前記ノズルに前記シールドガスを
加工部以外の方向へ放出する複数の小径穴を設けた放熱
部からなり、前記金属メッキはニッケルクロムメッキで
あることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
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JP2001009277A JP4812172B2 (ja) | 2001-01-17 | 2001-01-17 | レーザによるr面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッド |
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