JP2015047621A - 複合加工装置及び複合加工方法 - Google Patents

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貢丸 山下
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Yoshihito Fujita
善仁 藤田
清隆 中川
Kiyotaka Nakagawa
清隆 中川
信之介 長船
Shinnosuke Nagafune
信之介 長船
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Haruhiko Niitani
春彦 二井谷
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Yoshikatsu Sato
欣且 佐藤
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Abstract

【課題】より高い精度かつ高速で加工を行うことが可能である複合加工装置および複合加工方法を提供すること。【解決手段】ステージユニットと、加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドを含む機械加工ユニットと、加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、移動ユニットと、各部の動作を制御する制御部と、を含み、レーザ加工ヘッドは、レーザを加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有し、レーザ旋回部で、レーザが加工対象物に照射される位置を回転させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドおよび機械加工ヘッドにより双方のヘッドを用いた複合加工を行う複合加工方法および複合加工装置に関する。
従来、例えば、特許文献１に記載の複合加工装置（複合加工機）は、ワークに対してレーザ加工または機械加工を選択的に施すものである。具体的に、この複合加工装置は、光ファイバの側面からレーザを入射してレーザを励起するサイドポンプ方式のファイバレーザを用いてワークを加工するレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、ワークを切削または研削するための工具を装着する主軸を有した機械加工ヘッドと、レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と機械加工ヘッドの主軸とが平行になるように、かつ両ヘッド間で相対移動できないように両ヘッドを固定する主軸台と、ワークを取付け、主軸台との間で相対移動するように設けられたテーブルと、レーザ加工ヘッドのレーザビームの焦点位置合せおよびワークの形状寸法の計測を行う計測手段であって、主軸台とテーブルとのＸ、Ｙ、Ｚ軸の相対移動の現在位置を検出する現在位置検出装置、およびレーザ加工ヘッドのレーザビームと同じ集光レンズを通るように投光された計測用光線のワーク表面からの反射光をとらえるＣＣＤカメラを有する計測手段と、を具備し、機械加工ヘッドの主軸に工具を取り付け、レーザ加工ヘッドのレーザビームの出力をＯＦＦとするか、または主軸から工具を取外し、レーザビームの出力をＯＮとするかによってレーザ加工と機械加工とを切り換え可能にする。
この特許文献１に記載の複合加工装置は、以下の効果を図る。レーザ加工と機械加工との切り換えを、機械加工ヘッドの主軸への工具の着脱またはレーザ加工ヘッドのレーザビームの出力のＯＮ、ＯＦＦにより迅速に行える。また、その切り換え時にレーザビームの光軸中心出しを行わなくても光軸振れはないので、すぐにレーザ加工を開始でき、機械の稼動率が上る。しかも光軸振れがないことは高精度な加工が行えることであり、特に微細加工に適す。また、レーザ加工ヘッドと機械加工ヘッドのＺ軸方向の位置関係、およびＸＹ平面内における位置関係を適切に設定することにより、レーザ加工または機械加工中にワークとレーザ加工ヘッドまたは機械加工ヘッドとがぶつかることはない。
特許第４７２１８４４号公報
上述した特許文献１に記載の複合加工装置は、レーザ加工と機械加工とを切り換えることを前提とし、この切り換えを迅速に行うことで加工の高速化を図っている。ここで、複合加工装置は、より高精度かつ高速で加工対象物を加工することが求められている。
本発明は上述した課題を解決するものであり、加工対象物を高精度かつ高速に加工することのできる複合加工装置および複合加工方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の複合加工装置は、加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、前記加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドを含む機械加工ユニットと、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、前記レーザ加工ヘッド及び前記機械加工ヘッドと前記ステージとをＹ軸方向に相対移動させるＹ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に相対移動させる第１Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｘ軸方向に相対移動させる第２Ｘ軸移動機構、前記第１Ｘ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向及び前記Ｘ軸方向に直交するＺ軸方向に相対移動させる第１Ｚ軸移動機構及び前記第２Ｘ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｚ軸方向に相対移動させる第２Ｚ軸移動機構を有する移動ユニットと、各部の動作を制御する制御部と、を含み、前記レーザ加工ヘッドは、前記レーザを前記加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有し、前記レーザ旋回部で、前記レーザが前記加工対象物に照射される位置を回転させることを特徴とする。
また、前記第１Ｘ軸移動機構は、前記第２Ｘ軸移動機構と同じ案内部材に沿って移動することが好ましい。
また、前記機械加工ユニットは、前記機械加工ヘッドの移動領域内に前記工具を少なくとも１つ保持する工具交換ユニットを有し、前記制御部は、前記第１Ｘ軸移動機構と前記第１Ｚ軸移動機構とで前記機械加工ヘッドを前記工具交換ユニットと対面する位置に移動させ、前記工具交換ユニットで前記機械加工ヘッドに装着する前記工具を交換することが好ましい。
また、前記ステージユニットは、前記ステージを移動させるステージ移動機構をさらに有し、前記制御部は、前記ステージ移動機構で、前記加工対象物の姿勢を変化させることが好ましい。
また、前記ステージ移動機構は、前記ステージを直交する２つの軸周りに回転させる機構を少なくとも備えることが好ましい。
また、前記機械加工ユニットは、前記加工対象物を研磨する工具を少なくとも１つ含み、前記機械加工ヘッドは、前記加工対象物を研磨する工具を回転させて、前記加工対象物を研磨することが好ましい。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドと、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドとを用いて、前記加工対象物を加工する複合加工方法であって、前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物にレーザを照射し、加工するレーザ加工工程と、前記レーザ加工ヘッドと前記機械加工ヘッドとを移動させ、前記加工対象物を加工する位置に前記機械加工ヘッドを移動させる移動工程と、前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物を機械加工する機械加工工程と、を含むことを特徴とする。
ここで、前記加工対象物は、インジェクターのノズルボディであり、前記レーザ加工工程は、前記ノズルボディの噴口穴を形成し、前記機械加工工程は、前記ノズルボディの内面を研磨することが好ましい。
本発明の複合加工装置および複合加工方法によれば、ステージに保持された加工対象物に対して、レーザ加工と機械加工とを独立して行うことができる。これにより、加工対象物を保持したまま、レーザ加工と機械加工を連続して実行することができ、加工を高精度かつ高速で行うことができるという効果を奏する。
図１は、本実施形態に係る複合加工装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、ステージユニットの概略構成を示す斜視図である。 図３は、ステージユニットの概略構成をしめす正面図である。 図４は、ステージと加工対象物の概略構成を示す側面図である。 図５は、工具の一例を示す説明図である。 図６は、工具の一例を示す説明図である。 図７は、工具の一例を示す説明図である。 図８は、レーザ加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。 図９は、インジェクターの概略構成を示す模式図である。 図１０Ａは、ニードルの概略構成を示す模式図である。 図１０Ｂは、ノズルボディの概略構成を示す模式図である。 図１０Ｃは、ノズルボディの拡大図である。 図１１は、ニードルの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１２は、ノズルボディの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１３は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１４は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１５は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１６は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１７は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１８は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１９は、複合加工装置の動作を説明するためのフローチャートである。
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。
図１は、本実施形態に係る複合加工装置の概略構成を示す模式図である。図２は、ステージユニットの概略構成を示す斜視図である。図３は、ステージユニットの概略構成をしめす正面図である。図４は、ステージと加工対象物の概略構成を示す側面図である。図５から図７は、それぞれ工具の一例を示す説明図である。図８は、レーザ加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、複合加工装置１０は、加工対象物８に対して、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形、研磨等の各種加工する装置である。なお、加工の種類は特に限定されないが、本実施形態の複合加工装置１０は、研磨、穴あけを行う。また、複合加工装置１０は、加工対象物８の計測も行う。
複合加工装置１０は、フレーム１２と、移動ユニット１４と、ステージユニット１６と、機械加工ヘッド５０を含む機械加工ユニット２０と、レーザ加工ヘッド６０を含むレーザ加工ユニット２２と、制御部２４と、を有する。複合加工装置１０は、ステージユニット１６に保持される加工対象物８を機械加工ユニット２０により機械加工する。また、複合加工装置１０は、ステージユニット１６に保持される加工対象物８にレーザ加工ユニット２２によりレーザを照射し、加工対象物８をレーザ加工する。ここで、本実施形態では、水平面をＸ軸方向とＸ軸に直交するＹ軸方向を含むＸＹ平面とし、水平面に直交する方向をＺ軸方向とする。
フレーム１２は、複合加工装置の筐体であり、地面、土台等の設置面に固定されている。フレーム１２は、門１２ａと門１２ａの空間に挿入された土台１２ｂとを有する。フレーム１２は、移動ユニット１４の固定部が固定されている。複合加工装置１０は、フレーム１２の門１２ａと土台１２ｂとに移動ユニット１４が固定され、移動ユニットにより加工対象物８と、機械加工ユニット２０及びレーザ加工ユニット２２とを相対的に移動させる、いわゆる門型の加工装置である。
移動ユニット１４は、加工対象物８と機械加工ヘッド５０とを相対移動させ、加工対象物８とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０と、第１Ｘ軸移動機構３２と、第２Ｘ軸移動機構３４と、第１Ｚ軸移動機構３６と、第２Ｚ軸移動機構３８と、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、フレーム１２の土台１２ｂ上に配置され、Ｙ軸方向に延在するレール３０ａと、レール３０ａに沿って移動するＹ軸移動部材３０ｂと、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂにステージユニット１６が固定されている。Ｙ軸移動機構３０は、レール３０ａに沿って、Ｙ軸移動部材３０ｂを移動させることで、ステージユニット１６をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂをＹ軸方向に移動させる機構として、種々の機構を用いることができる。例えば、Ｙ軸移動部材３０ｂにボールねじを挿入し、ボールねじをモータ等で回転させる機構や、リニアモータ機構、ベルト機構等を用いることができる。第１Ｘ軸移動機構３２と、第２Ｘ軸移動機構３４と、第１Ｚ軸移動機構３６と、第２Ｚ軸移動機構３８も同様に種々の機構を用いることができる。
第１Ｘ軸移動機構３２は、フレーム１２の門１２ａ上に配置され、Ｘ軸方向に延在するレール３３と、レール３３に沿って移動するＸ軸移動部材３２ａと、を有する。第１Ｘ軸移動機構３２は、Ｘ軸移動部材３２ａに第１Ｚ軸移動機構３６が固定されている。第１Ｘ軸移動機構３２は、レール３３に沿って、Ｘ軸移動部材３２ａを移動させることで、第１Ｚ軸移動機構３６をＸ軸方向に移動させる。第２Ｘ軸移動機構３４は、フレーム１２の門１２ａ上に配置され、Ｘ軸方向に延在するレール３３と、レール３３に沿って移動するＸ軸移動部材３４ａと、を有する。レール３３は、第１Ｘ軸移動機構３２のレール３３と共通のレールである。第２Ｘ軸移動機構３４は、Ｘ軸移動部材３４ａに第２Ｚ軸移動機構３８が固定されている。第２Ｘ軸移動機構３４は、レール３３に沿って、Ｘ軸移動部材３４ａを移動させることで、第２Ｚ軸移動機構３８をＸ軸方向に移動させる。第１Ｚ軸移動機構３６は、第１Ｘ軸移動部材３２ａに固定され、Ｚ軸方向に延在するレール３６ａと、レール３６ａに沿って移動するＺ軸移動部材３６ｂと、を有する。第１Ｚ軸移動機構３６は、Ｚ軸移動部材３６ｂに機械加工ヘッド５０が固定されている。第１Ｚ軸移動機構３６は、レール３６ａに沿って、Ｚ軸移動部材３６ｂを移動させることで、機械加工ヘッド５０をＺ軸方向に移動させる。第２Ｚ軸移動機構３８は、第２Ｘ軸移動部材３４ａに固定され、Ｚ軸方向に延在するレール３８ａと、レール３８ａに沿って移動するＺ軸移動部材３８ｂと、を有する。第２Ｚ軸移動機構３８は、Ｚ軸移動部材３８ｂにレーザ加工ヘッド６０が固定されている。第２Ｚ軸移動機構３８は、レール３８ａに沿って、Ｚ軸移動部材３８ｂを移動させることで、レーザ加工ヘッド６０をＺ軸方向に移動させる。
移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０と第１Ｘ軸移動機構３２と第１Ｚ軸移動機構３６とを用いて、加工対象物８と機械加工ヘッド５０とをＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに相対移動させ、Ｙ軸移動機構３０と第２Ｘ軸移動機構３４と第２Ｚ軸移動機構３８とを用いて、加工対象物８とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに相対移動させる。
ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０のＹ軸移動部材３０ｂ上に配置されている。ステージユニット１６は、支持台４０と、ステージ移動機構４２と、ステージ４４と、を有する。支持台４０は、Ｙ軸移動部材３０ｂに固定された板状の部材であり、ステージ移動機構４２を支持している。ステージ移動機構４２は、支持台４０上に固定されており、支持台４０に対してステージ４４を移動させる。ステージ移動機構４２は、図２及び図３に示すように、Ｂ軸回転機構４６と、Ｃ軸回転機構４８と、を有する。Ｂ軸回転機構４６は、支持台４０に固定されており、Ｃ軸回転機構４８を、支持台４０に対して、Ｂ軸に回転させる。ここで、Ｂ軸は、Ｘ軸と一致する軸である。Ｃ軸回転機構４８は、Ｂ軸回転機構４６に固定されており、ステージ４４を、Ｂ軸回転機構４０に対して、Ｃ軸周りに回転させる。ここで、Ｃ軸は、Ｂ軸つまりＸ軸に直交する軸方向である。ステージ移動機構４２は、ステージ４４を支持台４０に対して、直交する２軸のそれぞれ回りにステージ４４を回転させることができる。また、ステージ４４は、加工対象物８を支持する機構である。本実施形態のステージ４４は、図４に示すように、板状部材に加工対象物８が固定されている。また、ステージ４４は、板状部材に固定され、加工対象物８と接触するローラが設けられており、ローラが加工対象物８の回転を抑制している。ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０に設定され、加工対象物８をステージ４４上に固定する。また、ステージユニット１６は、ステージ移動機構４２でステージ４４を回転させることで、加工対象物８の向き、つまり姿勢を調整する。
機械加工ユニット２０は、機械加工ヘッド５０と、工具交換ユニット５２と、を有する。機械加工ヘッド５０は、加工対象物８を機械加工する機構であり、ヘッド本体５４と、ヘッド本体５４に着脱可能な工具５６とを有する。機械加工ヘッド５０は、加工対象物８に工具５６を接触させた状態でヘッド本体５４により工具５６を回転させたり、振動させたりすることで、加工対象物８を加工する。機械加工ヘッド５０は、ヘッド本体５４に測定用の工具を装着することで、加工対象物８の計測を行うこともできる。工具交換ユニット５２は、工具を支持する支持機構を複数備えた支持部５５を有し、支持部５５が複数の工具５６ａ、５６ｂ、５６ｃを支持している。工具５６ａは、図５に示すように、細長い棒状の部材であり、先端の一部に砥石面５８ａが設けられた工具である。工具５６ａは、使用時は、図５に示すように一方の端部がヘッド本体５４のジョイント部５４ａに装着される。工具５６ｂは、図６に示すように、細長い棒状の部材であり、側面に砥石面５８ｂが設けられた工具である。図７に示すように、工具５６ｃは、計測用の工具であり、空気を供給する空気通路５９が設けられている。機械加工ユニット２０は、例えば、測定対象物（加工対象物でもある）９０を密閉した状態で、空気通路５９から空気を供給し、測定対象物９０の開口部９２から空気が排出されることによって生じる内圧の変化を計測することで、内部空間の容積や、開口部９２の径を計測したり、開口部９２が開口しているかを計測したりする。工具交換ユニット５２は、機械加工ヘッド５０の移動可能な範囲内に配置されている。工具交換ユニット５２は、支持部５５の工具を支持する支持機構のうち工具が配置されていない支持機構に、機械加工ヘッド５０に装着されている工具を保持させることで、ヘッド本体５４から工具５６を取り外し、支持機構に保持されている別の工具をヘッド本体５４に取り付けることで、別の工具をヘッド本体５４に装着させる。機械加工ユニット２０は、加工対象物８に対する加工に応じて、ヘッド本体５４に装着する工具を切り換えることで、目的に応じた加工を行うことができる。また、工具の数は特に限定されない。
レーザ加工ユニット２２は、レーザ加工ヘッド６０と、ファイバレーザ光源６２と、パルスレーザ光源６４と、を有する。ファイバレーザ光源６２は、光ファイバを媒質としてレーザを出力する装置である。ファイバレーザ出力装置としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができ、これらの出力装置が励起されることによりレーザが発振される。ファイバレーザ出力装置のファイバは、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加されたシリカガラスを用いることができる。パルスレーザ光源６４は、レーザを短パルス、例えば、周波数２０ｋＨｚで出力する。パルスレーザ出力装置としては、レーザの発振源として例えば、チタンサファイアレーザを用いることができ、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスを発振することができる。また、ＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ等のナノ秒オーダーパルス発振をするレーザも使用可能である。
次にレーザ加工ヘッド６０について、説明する。レーザ加工ヘッド６０は、図８に示すように、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザと、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザと、が入射され、入射されたレーザのうち一方を加工対象物８に照射することで、加工対象物８をレーザ加工する。なお、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザと、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザとは、光ファイバ等のレーザ光を導く光学部材でレーザ加工ヘッド６０まで案内される。
レーザ加工ヘッド６０は、コリメート光学系７０、７２と、切換機構７４と、レーザ旋回部７６と、集光光学系８０と、を含む。コリメート光学系７０は、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザをコリメートする光学部材であり、コリメートしたファイバレーザを切換機構７４に向けて射出する。コリメート光学系７２は、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザをコリメートする光学部材であり、コリメートしたパルスレーザを切換機構７４に向けて射出する。
切換機構７４は、レーザ旋回部７６にファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザを入射させるか、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザを入射させるかを切り換える機構である。切換機構７４は、レーザを反射するミラー７４ａと、ミラー７４ａに連結された支持棒７４ｂと、支持棒７４ｂを移動させる駆動部７４ｃと、を有する。切換機構７４は、駆動部７４ｃでミラー７４ａを図８に示す位置、具体的には、ファイバレーザとパルスレーザとが重なる位置に配置し、パルスレーザをミラー７４ａで反射し、ファイバレーザを遮ることで、パルスレーザがレーザ旋回部７６に入射する状態とする。また、切換機構７４は、駆動部７４ｃでミラー７４ａをファイバレーザの経路からはずれた位置に配置し、ファイバレーザをそのまま通過させることで、ファイバレーザがレーザ旋回部７６に入射する状態とする。ファイバレーザをそのまま通過させる場合、パルスレーザは、ミラーで反射させてレーザを吸収する位置に照射するようにしてもよいし、コリメータ光学系７２とミラー７４ａとの間にシャッタを設けて遮るようにしてもよい。
レーザ旋回部７６は、光路の中心周りにレーザを回転させて、加工対象物８に照射するレーザ、つまりレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。レーザ旋回部７６は、図８に示すように、第１プリズムユニット８２と、第２プリズムユニット８４と、を有する。
第１プリズムユニット８２は、レーザＬを屈折させて、光軸に対して傾ける第１プリズムと、第１プリズムを回転させる回転機構と、を有する。第２プリズムユニット８４は、第１プリズムユニット８２で屈折されたレーザを再度屈折させ、集光する位置を制御する第２プリズムと、第２プリズムを回転させる回転機構と、を有する。第１プリズム、第２プリズムとしては、例えばウェッジプリズムを用いることができる。
レーザ旋回部７６は、第１プリズムユニット８２の第１プリズムと、第２プリズムユニット８４の第２プリズムとを回転させることで、レーザの照射位置を回転させる。レーザ旋回部７６は、第１プリズムユニット８２の第１プリズムと、第２プリズムユニット８４の第２プリズムとを同期回転および相対回転可能である。
また、レーザ旋回部７６は、第１プリズムと第２プリズムの相対的な位置、回転数を検出するエンコーダや、レーザ旋回部７６を冷却する冷却機構を備えていてもよい。レーザ旋回部７６は、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を変えることができる。これにより、レーザ照射点を回転軸の光路の中心から第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差に対応する距離だけ離れた照射位置まで偏心させることができる。この第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を維持しながら、第１プリズムと第２プリズムとを同回転周期で同期回転させる場合、レーザ照射点は旋回径の円軌道を描く。また、第１プリズムと第２プリズムとを非同期回転（異なる回転周期で回転）させる場合には、レーザ照射点の旋回径を増減させながらレーザ照射点を旋回させることができ、任意の曲線軌道を描くことも可能である。
また、旋回径Ｒとは、光路の中心から加工対象物８に照射されるレーザの照射位置までの距離のことをいい、加工対象物８に照射されるレーザが中心周りに旋回する半径のことをいう。旋回径Ｒは、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を変えることにより加工対象物８に照射されるレーザの旋回径Ｒが変わるので、可変である。旋回数とは、加工対象物８に照射されるレーザの照射位置が中心周りに旋回する単位時間当たりの回数のことをいう。
集光光学系８０は、複数のレンズを有し、複数のレンズにより、レーザ旋回部７６を通過したレーザを集光し、所定の焦点距離、焦点深度となるレーザを形成する。集光光学系８０は、加工対象物８に所定のスポット径のレーザを照射する。また、集光光学系８０は、冷却機構を有することが好ましい。冷却機構は、例えば、上記複数のレンズを冷却するための冷却ジャケット等である。
また、レーザ加工ヘッド６０は、加工対象物８に照射するレーザに沿って、アシストガスを供給するアシストガス供給機構を設けてもよい。本実施形態において、アシストガスは、例えば、空気、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、キセノンガス、ヘリウムガス、または、これらの混合ガスを用いることができる。アシストガスとして、酸化反応熱を加工処理に利用できる酸素ガスを用いた場合、金属等の加工対象物８に対する加工速度をより向上させることができる。また、アシストガスとして、熱影響層としての酸化被膜の生成を抑える窒素ガスやアルゴンガス等を用いた場合、金属等の加工対象物８に対する加工精度をより向上させることができる。アシストガスのガス種、混合比、および、噴出量（圧力）などは、加工対象物８の種類や加工モード等の加工条件に応じて変えることができる。また、レーザ加工ユニット２２は、レーザを照射する位置の画像を撮影する撮影手段、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等を有するカメラを備えていてもよい。これにより、取得した画像に基づいてレーザの照射位置等を調整することができる。
制御部２４は、移動ユニット１４、ステージユニット１６、機械加工ユニット２０と、レーザ加工ユニット２２と、の各部の動作を制御する。制御部２４は、移動ユニット１４とステージユニット１６のステージ移動機構４２の動作を制御し、加工対象物８と機械加工ヘッド５０とを相対移動させ、加工対象物８とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。また、制御部２４は、機械加工ユニット２０と、レーザ加工ユニット２２との駆動を制御し、機械加工、レーザ加工を制御する。
次に、図９から図１９を用いて、複合加工装置１０の動作、つまり複合加工方法の一例について説明する。図９は、インジェクターの概略構成を示す模式図である。図１０Ａは、ニードルの概略構成を示す模式図である。図１０Ｂは、ノズルボディの概略構成を示す模式図である。図１０Ｃは、ノズルボディの拡大図である。図１１は、ニードルの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１２は、ノズルボディの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１３から図１８は、それぞれ複合加工装置の動作を説明するための説明図である。図１９は、複合加工装置の動作を説明するためのフローチャートである。
ここで、本実施形態では、複合加工装置１０を用いて図９に示すインジェクター１００を製造する場合とし説明する。なお、インジェクター１００は、複合加工装置１０による加工とその他の各種加工装置による加工によって製造される。インジェクター１００は、所定以上の圧力で流体を噴射する装置であり、ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃料噴射機構として用いられる。インジェクター１００は、ニードル１０２とノズルボディ１０４とを有する。インジェクター１００は、ノズルボディ１０４の中空部分にニードル１０２が挿入されている。ニードル１０２は、図１０Ａに示すように、細長い棒状の部材である。ノズルボディ１０４は、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、内部に中空部分が形勢されており、先端に中空部分の径に対して径が小さい噴口穴１０６が複数形成されている。噴口穴１０６は、外部から中空部分まで貫通している穴である。本実施形態の複合加工装置１０は、ノズルボディ１０４の製造に用いることができる。
まず、図１１を用いて、ニードルの製造方法について説明する。ニードルの製造方法は、棒状の部材に対して切削加工を行い（ステップＳ１２）、ニードルの外形形状を形成し、熱処理を行い（ステップＳ１４）、仕上げ加工として外面の研磨を行い（ステップＳ１６）製造する。また、製造方法は、製造したニードルの外形形状、特に、先端部近傍の外径を計測する。なお、ニードルは、複合加工装置１０以外の装置で製造してもよい。
次に、図１２から図１８を用いて、ノズルボディの製造方法について説明する。まず、ノズルボディの製造方法は、鋳造等で外形形状がノズルボディの形状となる加工対象物を製造する。製造方法は、製造した部材に対して内径ドリル加工を行い（ステップＳ２０）、内部の空間を形成し、その後、加工対象物に内径ザグリ電解加工を行い（ステップＳ２２）、熱処理を行う（ステップＳ２４）。ノズルボディの製造方法は、熱処理を行った加工対象物のステージ４４に固定し、複合加工装置１０で加工する。
複合加工装置１０は、レーザ加工ヘッド６０でレーザ加工を行い、固定された加工対象物に噴口穴を開ける（ステップＳ２６）。具体的には、図１３に示すように、ステージ移動機構４２で加工対象物の向きを調整し、加工対象物の噴口穴を形成する部分が反対側の端部よりもＺ軸方向上側となる向きで、かつ、形成する噴口穴の中心がＺ軸方向と平行となる向きに移動させ、レーザ加工ヘッド６０でレーザ加工を行うことで、加工対象物に噴口穴を形成する。さらに、複合加工装置１０は、Ｃ軸回転機構４８でＣ軸周りにステージ４４を回転させることで、図１４に示すように、加工対象物８を長手方向の軸中心に回転させることができる。複合加工装置１０は、Ｃ軸回転機構４８でＣ軸周りにステージ４４を回転させ、加工対象物８を一定角度回転させ、レーザ加工ヘッド６０でレーザ加工を行うことで、複数個所に噴口穴を形成する。複合加工装置１０は、Ｃ軸回転機構４８でＣ軸周りにステージ４４を回転させ、加工対象物８に噴口穴を形成することで、同心円上に噴口穴を形成することができる。
複合加工装置１０は、噴口穴を形成したら、機械加工ヘッド６０で先端加工を行う（ステップＳ２８）。具体的には、図１５に示すように、ステージ移動機構４２で加工対象物８の向きを調整し、加工対象物の中空部分の中心軸（長手方向に平行でかつ断面の中心を通る軸）がＺ軸方向と平行となる向きに移動させる。その後、複合加工装置１０は、工具５６ａをヘッド本体５４に装着し、工具５６ａを中空部分に挿入し、砥石面５８ａで中空部分の先端部分を研磨する。なお、ヘッド本体５４は、例えば、工具５６ａを中空部分の中心軸周りに回転させることで研磨加工を行うことができる。これにより、図１６に示すように、加工対象物１１４ａの中空部分の先端１１６、つまり、噴口穴１０６が形成されている部分の周辺部である先端１１６が研磨された状態となる。
複合加工装置１０は、先端加工を行ったら、内面研磨を行う（ステップＳ３０）。複合加工装置１０は、工具５６ｂをヘッド本体５４に装着し、工具５６ｂを中空部分に挿入し、砥石面５８ｂで中空部分の内周面を研磨する。なお、ヘッド本体５４は、例えば、工具５６ａを中空部分の中心軸周りに回転させることで研磨加工を行うことができる。これにより、図１７に示すように、加工対象物１１４ｂの中空部分の内周面１１８が研磨された状態となる。
複合加工装置１０は、内面研磨を行ったら、マッチング加工として、流体研磨を行う（ステップＳ３２）。具体的には、図１８に示すように、複合加工装置１０は、工具をヘッド本体５４に装着し、加工対象物１１４ｃの中空部分に研磨用の流体を供給し、内面を研磨することで、内面の仕上げ加工を行う。
複合加工装置１０は、マッチング加工として、流体研磨を行ったら、内径を計測する（ステップＳ３４）。製造方法は、内径を計測したら、複合加工装置１０から加工対象物（ノズルボディ）を取り外し、性能を評価し（ステップＳ３６）、本処理を終了する。性能評価を行って、要求性能を満たしていないノズルボディは、不良品として排除することで、性能を満たすインジェクターを製造することができる。以上のようにして製造したニードルとノズルボディは、ノズルボディにニードルを挿入し、その他仕上げを行うことで、インジェクターとなる。
複合加工装置１０は、ステージ４４に保持された加工対象物８を、機械加工ユニット２０とレーザ加工ユニット２２の両方で加工できる。これにより、加工対象物８の固定状態を維持したまま、加工を行うことができ、レーザ加工した部分と機械加工した部分との間で軸ズレが生じることを抑制できる。また、レーザを回転させることで、効果的にレーザ加工を行うことができる。
また、複合加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２と、パルスレーザ光源６４と、を設け、切換機構７４により照射するレーザを切り換え可能とすることで、加工対象物の大きさ、厚み、材料等に応じて、使用するレーザを切り換えることができる。これにより用途に応じた加工を高い精度かつ短時間で行うことができる。
また、複合加工装置１０は、ステージ移動機構４２で加工対象物８を直交する２軸に回転できる機構とすることで、加工対象物８を同じステージ４４で保持した状態を維持しつつ、種々の向きで加工対象物８を加工することができる。
複合加工装置１０は、製造されたニードル、ノズルボディの情報に基づいて加工条件を補正（変更）することが好ましい。図１９に示すように、複合加工装置１０は、ノズルボディの内径の計測結果を取得し（ステップＳ７０）、ニードルの外径の計測結果を取得し（ステップＳ７２）、計測結果の比較に基づいて、加工条件の補正を行い（ステップＳ７４）、本処理を終了する。具体的には、仕上げ加工前の研磨処理の工程にかかる時間また工程数を減らすことができるように、各ステップでの切削量や研磨量を調整する。これにより、製造に係る時間を低減することができ、さらに工具にかかる負荷も少なくすることができる。
ここで、加工対象物８としては、ノズルボディ以外の種々の部材を対象とすることができる。また、加工対象物８の材料も種々の材料を用いることができ、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、Ｎｉ基耐熱合金等で作成された部材を用いることができる。また、加工対象物８として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ：Glass-mat Reinforced Thermoplastics）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、種々の複合材等で作成された部材も用いることができる。
また、上記実施形態において、移動ユニット１４により加工対象物８をＹ軸方向移動させ、かつ機械加工ヘッド５０とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸方向、Ｚ軸方向に移動させたがこれに限定されない。複合加工装置１０は、加工対象物８をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３方向に移動させても、機械加工ヘッド５０とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３方向に移動させてもよい。また、本実施形態では、ステージ移動機構４２により加工対象物８の姿勢（向き、回転方向の位置）を調整したが、機械加工ヘッド５０とレーザ加工ヘッド６０の姿勢を調整してもよい。
８ 加工対象物
１０ 複合加工装置
１２ フレーム
１４ 移動ユニット
１６ ステージユニット
２０ 機械加工ユニット
２２ レーザ加工ユニット
２４ 制御部
３０ Ｙ軸移動機構
３２ 第１Ｘ軸移動機構
３４ 第２Ｘ軸移動機構
３６ 第１Ｚ軸移動機構
３８ 第２Ｚ軸移動機構
４０ 支持台
４２ ステージ移動機構
４４ ステージ
４６ Ｂ軸回転機構
４８ Ｃ軸回転機構
５０ 機械加工ヘッド
５２ 工具交換ユニット
５４ ヘッド本体
５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ 工具
５８ａ、５８ｂ 砥石面
６０ レーザ加工ヘッド
６２ ファイバレーザ光源
６４ パルスレーザ光源

Claims (9)

  1. 加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、
    前記加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドを含む機械加工ユニットと、
    前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、
    前記レーザ加工ヘッド及び前記機械加工ヘッドと前記ステージとをＹ軸方向に相対移動させるＹ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に相対移動させる第１Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｘ軸方向に相対移動させる第２Ｘ軸移動機構、前記第１Ｘ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向及び前記Ｘ軸方向に直交するＺ軸方向に相対移動させる第１Ｚ軸移動機構及び前記第２Ｘ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｚ軸方向に相対移動させる第２Ｚ軸移動機構を有する移動ユニットと、
    各部の動作を制御する制御部と、を含み、
    前記レーザ加工ヘッドは、前記レーザを前記加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有し、前記レーザ旋回部で、前記レーザが前記加工対象物に照射される位置を回転させることを特徴とする複合加工装置。
  2. 前記第１Ｘ軸移動機構は、前記第２Ｘ軸移動機構と同じ案内部材に沿って移動することを特徴とする請求項１に記載の複合加工装置。
  3. 前記機械加工ユニットは、前記機械加工ヘッドの移動領域内に前記工具を少なくとも１つ保持する工具交換ユニットを有し、
    前記制御部は、前記第１Ｘ軸移動機構と前記第１Ｚ軸移動機構とで前記機械加工ヘッドを前記工具交換ユニットと対面する位置に移動させ、前記工具交換ユニットで前記機械加工ヘッドに装着する前記工具を交換することを特徴とする請求項１または２に記載の複合加工装置。
  4. 前記ステージユニットは、前記ステージを移動させるステージ移動機構をさらに有し、
    前記制御部は、前記ステージ移動機構で、前記加工対象物の姿勢を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の複合加工装置。
  5. 前記ステージ移動機構は、前記ステージを直交する２つの軸周りに回転させる機構を少なくとも備えることを特徴とする請求項４に記載の複合加工装置。
  6. 前記機械加工ユニットは、前記加工対象物を研磨する工具を少なくとも１つ含み、
    前記機械加工ヘッドは、前記加工対象物を研磨する工具を回転させて、前記加工対象物を研磨することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の複合加工装置。
  7. 前記レーザ加工ユニットは、ファイバレーザを出力するファイバレーザ光源と、パルスレーザを出力するパルスレーザ光源と、
    前記ファイバレーザを前記レーザ旋回部に入射させる状態と、前記パルスレーザを前記レーザ旋回部に入射させる状態と、を切り換える切換機構と、を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の複合加工装置。
  8. 加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドと、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドとを用いて、前記加工対象物を加工する複合加工方法であって、
    前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物にレーザを照射し、加工するレーザ加工工程と、
    前記レーザ加工ヘッドと前記機械加工ヘッドとを移動させ、前記加工対象物を加工する位置に前記機械加工ヘッドを移動させる移動工程と、
    前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物を機械加工する機械加工工程と、
    を含むことを特徴とする複合加工方法。
  9. 前記加工対象物は、インジェクターのノズルボディであり、
    前記レーザ加工工程は、前記ノズルボディの噴口穴を形成し、
    前記機械加工工程は、前記ノズルボディの内面を研磨することを特徴とする請求項８に記載の複合加工方法。
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