JP2017001078A - 加工機械 - Google Patents

Abstract

【課題】付加加工時の生産性に優れた加工機械、を提供する。
【解決手段】加工機械１００は、ワークの除去加工のための工具を保持する工具主軸１２１と、工具主軸１２１に着脱可能に装着され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにレーザ光を照射する付加加工用ヘッド２１と、付加加工用ヘッド２１を加工エリア外２５０に格納するヘッドストッカ１５１とを備える。付加加工用ヘッド２１は、レーザ光が導入されるヘッド本体２２と、ヘッド本体２２に着脱可能に設けられ、レーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定めるレーザツール２６とを有する。加工機械１００は、複数のレーザツール２６を格納するレーザツールストッカ１７１と、ヘッド本体２２およびレーザツールストッカ１７１の間でレーザツール２６を交換するレーザツール交換装置１６１とをさらに備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、加工機械に関し、より特定的には、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械に関する。

従来の加工機械に関して、たとえば、特開２００４−３１４１６８号公報には、母材に割れを発生させることなく、迅速かつ正確に肉盛することを目的とした、ポンプ機器類のレーザ肉盛装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたレーザ肉盛装置は、アルゴンガスをキャリアガスとして金属材料（粉末）を供給する粉末供給機と、供給された金属材料をアルゴンガスと均一に混合し、同時にシールドガスとしてアルゴンおよび窒素の混合ガスを用いる過流式粉末供給ノズルと、過流式粉末供給ノズルを移動させる多軸ロボットとを有する。

また、特開２０１２−２０６１３７号公報には、人手を介さずに容易に肉盛溶接することを目的とした、補修装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された補修装置は、材料供給部と、レーザスポット光を照射するレーザ装置と、多関節のアームを有し、レーザスポット光を３次元方向に移動させる溶接ロボットとを有する。

特開２００４−３１４１６８号公報 特開２０１２−２０６１３７号公報

材料を付着することによってワークに３次元形状を作成するものとして、付加加工法（Additive manufacturing）がある。他方、材料を除去することによってワークに３次元形状を作成するものとして、除去加工法（Subtractive manufacturing）がある。付加加工では、加工前後でワークの質量が増加し、除去加工では、加工前後でワークの質量が減少する。それぞれの加工法の特性を生かして、付加加工および除去加工を組み合わせ、ワークの最終的な形状を得る加工が行われる。

ここで付加加工法のうちの１つに指向性エネルギ堆積法（Directed Energy Deposition）がある。指向性エネルギ堆積法では、付加加工用ヘッドからワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する。しかしながら、付加加工に適したエネルギー線の照射領域の形状や大きさは、実行する付加加工によって異なる。このため、付加加工用ヘッドにエネルギー線の照射領域の形状や大きさを変更するための手段が設けられない場合、付加加工時の生産性が大きく損なわれてしまう。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、付加加工時の生産性に優れた加工機械を提供することである。

この発明に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、加工エリア内で移動可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、工具保持部に着脱可能に装着され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、付加加工用ヘッドを加工エリア外に格納するヘッドストッカとを備える。付加加工用ヘッドは、エネルギー線が導入される本体部と、本体部に着脱可能に設けられ、エネルギー線を出射するとともに、ワークにおけるエネルギー線の照射領域を定める出射部とを有する。加工機械は、加工エリア外に設けられ、ワーク上に定めるエネルギー線の照射領域が互いに異なる複数の出射部を格納する出射部ストッカと、本体部および出射部ストッカの間で出射部を交換する出射部交換装置とを備える。

このように構成された加工機械によれば、出射部交換装置によって本体部および出射部ストッカの間で出射部を交換することにより、実行する付加加工に適した出射部を付加加工用ヘッドに装着することができる。これにより、付加加工時の生産性を向上させることができる。

また好ましくは、工具保持部は、所定軸を中心に旋回可能に設けられる。出射部からのエネルギー線の照射方向が、工具保持部の旋回に伴って変化する。

このように構成された加工機械によれば、ワークに対するエネルギー線の照射方向を自在に変化させることができる。

また好ましくは、出射部交換装置による出射部の交換時、工具保持部が旋回することにより、付加加工用ヘッドが、本体部および出射部ストッカの間で出射部を交換可能な姿勢に位置決めされる。

このように構成された加工機械によれば、出射部の交換時の付加加工用ヘッドの姿勢を自在に設定することが可能であるため、出射部交換装置の設計の自由度を高めることができる。

また好ましくは、工具保持部は、工具を回転させるための工具主軸である。工具主軸は、工具の回転軸に沿って筒状に延びる筒部を有する。付加加工用ヘッドは、筒部に着脱可能に装着される。

このように構成された加工機械によれば、付加加工用ヘッドを工具の回転軸の延長上に装着する場合と比較して、工具保持部から工具の回転軸方向に突出する付加加工用ヘッドの長さを小さくすることができる。これにより、ワークと付加加工用ヘッドとの干渉を避けて、より大きいワークの付加加工を可能とできる。

また好ましくは、加工機械は、開閉可能な第１開閉部材を有し、加工エリアの内外の間を隔てる第１カバーと、開閉可能な第２開閉部材を有し、加工エリア外において、出射部ストッカに格納された複数の出射部を覆うように設けられる第２カバーとをさらに備える。

このように構成された加工機械によれば、第１カバーの第１開閉部材が開状態とされた場合にも、第２カバーにより出射部ストッカに格納された複数の出射部を覆うことができる。これにより、出射部が加工エリア内の雰囲気に晒されることを防止できる。

以上に説明したように、この発明に従えば、付加加工時の生産性に優れた加工機械を提供することができる。

この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。 図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。 工具主軸に対する付加加工用ヘッドの装着状態を示す図である。 図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す別の斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの光学系を模式的に表した図である。 図１中の付加加工用ヘッドの先端部を示す斜視図である。 付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。 図１中の工具主軸の旋回範囲を説明するための図である。 図１中の加工機械において、付加加工な可能なワークの最大径の一例を示す正面図である。 図１中の加工機械において、付加加工が可能なワークの最大長さの一例を示す正面図である。 図１中の矢印ＸＩＩに示す方向から見た加工機械を示す斜視図である。 付加加工時におけるレーザツール交換の第１工程を模式的に表す図である。 付加加工時におけるレーザツール交換の第２工程を模式的に表す図である。 付加加工時におけるレーザツール交換の第３工程を模式的に表す図である。 付加加工時におけるレーザツール交換の第４工程を模式的に表す図である。 付加加工時におけるレーザツール交換の第５工程を模式的に表す図である。 除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の第１工程を模式的に表す図である。 除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の第２工程を模式的に表す図である。 除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の第３工程を模式的に表す図である。 除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の第４工程を模式的に表す図である。 除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の第５工程を模式的に表す図である。 除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の第６工程を模式的に表す図である。 除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の第７工程を模式的に表す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。図１中には、加工機械の外観をなすカバー体を透視することにより、加工機械の内部が示されている。図２は、図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。

図１および図２を参照して、加工機械１００は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive manufacturing）加工）と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機である。加工機械１００は、ＳＭ加工の機能として、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する。

まず、加工機械１００の全体構造について説明すると、加工機械１００は、ベッド１３６、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を有する。

ベッド１３６は、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を支持するためのベース部材であり、工場などの据付け面に設置されている。第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１は、スプラッシュガード２１０により区画形成された加工エリア２００に設けられている。

第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、水平方向に延びるＺ軸方向において、互いに対向して設けられている。第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、それぞれ、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させるための第１主軸１１２および第２主軸１１７を有する。第１主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられ、第２主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能に設けられている。第１主軸１１２および第２主軸１１７には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構が設けられている。

第２主軸台１１６は、各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｚ軸方向に移動可能に設けられている。

工具主軸（上刃物台）１２１は、回転工具を用いたミーリング加工時に回転工具を回転させる。工具主軸１２１は、鉛直方向に延びるＸ軸に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸１２１には、回転工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構が設けられている。

工具主軸１２１は、図示しないコラム等によりベッド１３６上に支持されている。工具主軸１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に移動する。工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている。

なお、図１中には示されていないが、第１主軸台１１１の周辺には、工具主軸１２１に装着された工具を自動交換するための自動工具交換装置と、工具主軸１２１に装着する交換用の工具を収容する工具マガジンとが設けられている。

下刃物台１３１は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。下刃物台１３１は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、下刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０６を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、固定工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が中心軸２０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

下刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１３６上に支持されている。下刃物台１３１は、サドル等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１をさらに有する。付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射することにより付加加工を行なう（指向性エネルギ堆積法（Directed Energy Deposition））。エネルギー線としては、代表的に、レーザ光および電子ビームが挙げられる。本実施の形態では、付加加工にレーザ光が用いられる。

付加加工用ヘッド２１は、ヘッド本体（本体部）２２と、レーザツール（出射部）２６と、ケーブル継手２３とを有する。

ヘッド本体２２には、レーザ光および材料粉末が導入される。レーザツール２６は、ワークに向けてレーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める。レーザツール２６は、ヘッド本体２２に着脱可能に設けられている（後で詳細に説明する）。ケーブル継手２３は、後述するケーブル２４をヘッド本体２２に接続するための継手として設けられている。

加工機械１００は、材料粉末供給装置７０、レーザ発振装置７６およびケーブル２４をさらに有する。

材料粉末供給装置７０は、付加加工に用いられる材料粉末を付加加工用ヘッド２１に向けて供給する。材料粉末供給装置７０は、付加加工に用いられる材料粉末を貯留する材料粉末タンク７２と、材料粉末とキャリアガスとを混合する混合部７１とを有する。レーザ発振装置７６は、付加加工に用いられるレーザ光を発振する。

ケーブル２４は、レーザ発振装置７６から付加加工用ヘッド２１に向けてレーザ光を導くための光ファイバと、材料粉末供給装置７０から付加加工用ヘッド２１に向けて材料粉末を導くための配管と、これらを収容する管部材とから構成されている。

図３は、工具主軸に対する付加加工用ヘッドの装着状態を示す図である。図１から図３を参照して、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。付加加工用ヘッド２１のうちのヘッド本体２２が、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。

付加加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に装着される。工具主軸１２１が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の加工位置が３次元的に変位する。除去加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１から分離され、後述するヘッドストッカ１５１に格納される。

工具主軸１２１には、クランプ機構が設けられており、工具主軸１２１に対する付加加工用ヘッド２１の装着時、そのクランプ機構が動作することによって、付加加工用ヘッド２１が工具主軸１２１に連結される。クランプ機構の一例として、バネ力によりクランプ状態を得て、油圧によりアンクランプ状態を得る機構が挙げられる。

工具主軸１２１は、装着部カバー１５６を有する（図１から図３では不図示。図１２を参照のこと）。装着部カバー１５６は、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。

除去加工時、装着部カバー１５６は、付加加工用ヘッド２１に替わって工具主軸１２１に装着される。装着部カバー１５６は、付加加工用ヘッド２１が装着される工具主軸１２１の部分を覆うように設けられる。これにより、除去加工時に発生するクーラントやミスト、切粉が、付加加工用ヘッド２１が装着される工具主軸１２１の部分に付着することを防止する。付加加工時、装着部カバー１５６は、工具主軸１２１から分離され、後述するヘッドストッカ１５１に格納される。

続いて、図１中の付加加工用ヘッド２１の構造についてより詳細に説明する。
図４は、図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す斜視図である。図５は、図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す別の斜視図である。図中には、レーザツール２６がヘッド本体２２から分離された状態が示されている。

図４および図５を参照して、まず、ヘッド本体２２およびレーザツール２６の連結機構について説明する。ヘッド本体２２およびレーザツール２６は、それぞれ、連結部５１および連結部５２を有する。連結部５１および連結部５２には、クランプ機構が内蔵されており、ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、そのクランプ機構が動作することによって、連結部５１および連結部５２が互いに連結される。クランプ機構の一例として、バネ力によりクランプ状態を得て、油圧によりアンクランプ状態を得る機構が挙げられる。

次に、付加加工用ヘッド２１においてワークに対してレーザ光を照射するための機構について説明する。ケーブル継手２３およびヘッド本体２２は、光ファイバ４１、レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５を有する。

光ファイバ４１には、ケーブル２４からのレーザ光が導かれる。光ファイバ４１は、レーザ光入射管４２に接続されている。レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５は、挙げた順に連なって設けられている。レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５は、ヘッド本体２２におけるレーザ光の通路を形成している。

レーザツール２６は、レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９を有する。レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９は、連なって設けられている。レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９は、レーザツール２６におけるレーザ光の通路を形成している。

ヘッド本体２２およびレーザツール２６は、それぞれ、接続部４６および接続部４７を有する。ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、接続部４６に接続部４７が接続されることによって、ヘッド本体２２およびレーザツール２６間でレーザ光の通路が連通する。

図６は、図１中の付加加工用ヘッドの光学系を模式的に表した図である。図４から図６を参照して、ケーブル継手２３およびヘッド本体２２は、コリメーションレンズ６１、反射鏡６２、反射鏡６３および保護ガラス６４を有する。

コリメーションレンズ６１は、レーザ光入射管４２に収容されている。コリメーションレンズ６１は、光ファイバ４１から入力されたレーザ光を平行光にして、反射鏡６２および反射鏡６３に向けて送る。反射鏡６２および反射鏡６３は、それぞれ、レーザ光通路筐体４３およびレーザ光通路筐体４５に収容されている。反射鏡６２および反射鏡６３は、コリメーションレンズ６１からのレーザ光を反射させてレーザツール２６に向けて送る。

保護ガラス６４は、接続部４６に設けられている。保護ガラス６４は、ヘッド本体２２に内蔵された光学部品を外部雰囲気から保護するために設けられている。

レーザツール２６は、保護ガラス６５、集光レンズ６６および保護ガラス６７を有する。集光レンズ６６は、レーザ光通路筐体４８に収容されている。集光レンズ６６は、レーザ光をワーク上に集光するためのレンズであり、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める光学部品として設けられている。ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める光学部品は、集光レンズ６６に限られず、たとえば、ミラーであってもよい。

保護ガラス６５および保護ガラス６７は、それぞれ、接続部４７およびレーザ光出射筐体４９に設けられている。保護ガラス６５および保護ガラス６７は、レーザツール２６に内蔵された光学部品を外部雰囲気から保護するために設けられている。

ヘッド本体２２には、実行する付加加工の条件に合わせて、複数のレーザツール２６（図６中では、レーザツール２６Ａ、レーザツール２６Ｂおよびレーザツール２６Ｃ）のうちいずれか１つのレーザツール２６が選択的に装着される。複数のレーザツール２６は、ワーク上に定められるレーザ光の照射領域の形状や大きさが互いに異なる。

図６中に示す例でいえば、レーザツール２６Ａは、集光レンズ６６Ａを有し、この集光レンズ６６Ａによって、ワーク上に直径２ｍｍの円形の照射領域を定める。レーザツール２６Ｂは、ホモジナイザー６８および集光レンズ６６Ｂを有し、このホモジナイザー６８および集光レンズ６６Ｂによって、ワーク上に３ｍｍ×８ｍｍの矩形の照射領域を定める。レーザツール２６Ｃは、集光レンズ６６Ｃを有し、この集光レンズ６６Ｃによって、ワーク上に直径４ｍｍの円形の照射領域を定める。

図７は、図１中の付加加工用ヘッドの先端部を示す斜視図である。図４から図７を参照して、付加加工用ヘッド２１においてワークに対して材料粉末を吐出するための機構について説明する。レーザツール２６は、固定部材８１、回転部材８６およびノズル部７８を有する（図４および図５中では、ノズル部７８が省略されている）。

固定部材８１は、レーザ光出射筐体４９と隣り合って設けられている。固定部材８１は、レーザ光出射筐体４９に対して、レーザ光通路筐体４８の反対側に設けられている。固定部材８１は、レーザツール２６を構成する他の部品に固定して設けられている。

回転部材８６は、中心軸２２１（図７を参照のこと）を中心に回転可能に設けられている。中心軸２２１は、レーザツール２６からワークに向けて照射されるレーザ光３１１の光軸に沿った方向に延びる。本実施の形態では、中心軸２２１が、レーザ光３１１の光軸と重なる。回転部材８６は、中心軸２２１の軸方向において、固定部材８１と連設されている。すなわち、回転部材８６および固定部材８１は、中心軸２２１の軸方向において並んで設けられている。

ノズル部７８は、ワークに向けて材料粉末を吐出する。ノズル部７８は、配管継手８７（図５を参照のこと）を介して回転部材８６に接続されている。図１中のケーブル２４から付加加工用ヘッド２１に導入された材料粉末は、固定部材８１および回転部材８６を通じてノズル部７８に供給される。

ノズル部７８は、回転部材８６からレーザ光３１１の照射方向に沿って延出している。ノズル部７８は、中心軸２２１（レーザ光３１１の光軸）からその半径方向に離れた位置に設けられている。ノズル部７８は、回転部材８６から延出する先端に、材料粉末を吐出する吐出口７８ｊを有する。吐出口７８ｊは、中心軸２２１（レーザ光３１１の光軸）からその半径方向に離れた位置で開口している。吐出口７８ｊは、ワーク上に形成されるレーザ光３１１の照射領域（スポット）と対向して開口している。

ノズル部７８は、回転部材８６が中心軸２２１を中心に回転するのに伴って、ワークに向けて照射されるレーザ光３１１の周りで周方向に移動する。特に本実施の形態では、回転部材８６の回転中心である中心軸２２１が、レーザ光３１１の光軸と重なるため、ノズル部７８はレーザ光３１１の光軸を中心に回転移動する。

ヘッド本体２２は、回転駆動源としてのサーボモータ３１と、クラッチ板３２とを有する。レーザツール２６は、クラッチ板３３と、回転シャフト３４と、プーリベルト３５とを有する。

クラッチ板３２は、サーボモータ３１の出力軸に接続されている。回転シャフト３４は、クラッチ板３３に接続されている。ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、クラッチ板３３がクラッチ板３２に摩擦係合することにより、サーボモータ３１から出力された回転が回転シャフト３４に伝達される。プーリベルト３５は、回転シャフト３４および回転部材８６に設けられたプーリ（不図示）間に掛け渡されている。回転シャフト３４の回転がプーリベルト３５を介して回転部材８６に伝達されることによって、回転部材８６が中心軸２２１を中心に回転する。

本実施の形態における付加加工用ヘッド２１においては、サーボモータ３１の制御によって、ワークに対する付加加工用ヘッド２１の相対移動方向を基準にして、材料粉末がノズル部７８からワークに向けて吐出される方向が一定となるように、ノズル部７８が回転駆動される。

図８は、付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。図２および図８を参照して、付加加工時、付加加工用ヘッド２１が装着された工具主軸１２１の移動、および／または、ワーク４００を保持する第１主軸台１１１の第１主軸１１２の回転によって、レーザツール２６をワーク４００に対向させつつ、付加加工用ヘッド２１およびワーク４００を相対的に移動させる。このとき、付加加工用ヘッド２１（レーザツール２６）からワーク４００に向けて、レーザ光３１１と、材料粉末３１２と、シールドおよびキャリア用のガス３１３とが吐出される。これにより、ワーク４００の表面に溶融点３１４が形成され、その結果、材料粉末３１２が溶着する。

具体的には、ワーク４００の表面に肉盛層３１６が形成される。肉盛層３１６上には、肉盛素材３１５が盛られる。肉盛素材３１５が冷却されると、ワーク４００の表面に加工可能な層が形成された状態となる。材料粉末としては、アルミニウム合金およびマグネシウム合金等の金属粉末や、セラミック粉末を利用することができる。

図９は、図１中の工具主軸の旋回範囲を説明するための図である。図９を参照して、工具主軸１２１は、中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている。工具主軸１２１の旋回範囲は、工具主軸１２１の主軸端面１２３が下方を向く姿勢（図１中に示す姿勢）を基準にして±１２０°の範囲である。図９中には、図１中に示す姿勢から＋１２０°の角度だけ旋回する工具主軸１２１が示されている。工具主軸１２１の旋回範囲は、図１中に示す姿勢から±９０°以上の範囲であることが好ましい。

付加加工用ヘッド２１が工具主軸１２１に装着される付加加工時、工具主軸１２１を旋回させると、付加加工用ヘッド２１も工具主軸１２１と一体となって旋回する。これにより、付加加工用ヘッド２１による付加加工の向き（ワークに対するレーザ光の照射方向）を自在に変化させることができる。

図１０は、図１中の加工機械において、付加加工な可能なワークの最大径の一例を示す正面図である。図１１は、図１中の加工機械において、付加加工が可能なワークの最大長さの一例を示す正面図である。

図９から図１１を参照して、工具主軸１２１は、筒部１２２を有する。筒部１２２は、工具主軸１２１の外観をなすケース体であり、中心軸２０３に沿って筒状に延び、その先端で主軸端面１２３に連なる。

付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１のうちの筒部１２２（すなわち、工具主軸１２１の側面）に着脱可能に装着される。筒部１２２に装着された付加加工用ヘッド２１は、中心軸２０３から見てその半径方向に距離を隔てた位置に配置される。

このような構成によれば、工具主軸１２１の主軸端面１２３から突出する付加加工用ヘッド２１の長さが小さくなるため、付加加工が可能なワークの寸法を大きく設定することができる。

たとえば、図１０中では、ワーク４００の外周面に付加加工を行なう場合が想定されている。このとき、付加加工用ヘッド２１をワーク４００の外周面と対向させて走査するため、工具主軸１２１を主軸端面１２３が下方を向く姿勢に保持する。本実施の形態では、工具主軸１２１の主軸端面１２３から突出する付加加工用ヘッド２１の長さが小さいため、付加加工が可能なワーク４００の最大径Ｄをより大きく設定することができる。

また、図１１中では、第１主軸台１１１に装着されたワーク４００の端面に付加加工を行なう場合が想定されている。このとき、付加加工用ヘッド２１をワーク４００の端面と対向させて走査するため、工具主軸１２１を主軸端面１２３が側方を向く姿勢に保持する。本実施の形態では、工具主軸１２１の主軸端面１２３から突出する付加加工用ヘッド２１の長さが小さいため、付加加工が可能なワークの最大長さＬをより大きく設定することができる。

続いて、図１中の付加加工用ヘッド２１の格納構造について説明する。
図１２は、図１中の矢印ＸＩＩに示す方向から見た加工機械を示す斜視図である。図１および図１２を参照して、加工機械１００は、ヘッドストッカ１５１、レーザツールストッカ１７１およびレーザツール交換装置１６１をさらに有する。

ヘッドストッカ１５１は、付加加工用ヘッド２１を加工エリア外２５０に格納する。ヘッドストッカ１５１は、Ｚ軸方向において加工エリア２００と隣り合った位置に設けられている。ヘッドストッカ１５１は、第２主軸台１１６の上方に設けられている。付加加工用ヘッド２１は、レーザツール２６が分離された状態で（ヘッド本体２２およびケーブル継手２３の状態で）、ヘッドストッカ１５１に格納される。

ヘッドストッカ１５１は、ヘッド支持部１５２、カバー支持部１５７、リッド１５４および移動機構部１５３を有する。

ヘッド支持部１５２は、付加加工用ヘッド２１を支持可能なように構成されている。本実施の形態では、ヘッド支持部１５２が台座形状を有し、付加加工用ヘッド２１は、ヘッド支持部１５２に載置される。

カバー支持部１５７は、装着部カバー１５６を支持可能なように構成されている。カバー支持部１５７は、Ｙ軸方向においてヘッド支持部１５２と隣り合った位置に設けられている。カバー支持部１５７は、ヘッド支持部１５２と一体に設けられている。

リッド１５４は、付加加工時にヘッド支持部１５２を覆うためのカバー部材として設けられている。リッド１５４は、平板形状を有する。リッド１５４は、Ｚ軸に平行な中心軸２０７を中心に揺動可能に設けられている。リッド１５４は、中心軸２０７を中心とする揺動運動に伴って、ヘッド支持部１５２を上方から覆う第１状態と、ヘッド支持部１５２から退避する第２状態との間で変化する。

移動機構部１５３は、ヘッド支持部１５２およびカバー支持部１５７を、加工エリア２００と加工エリア外２５０との間で移動させる。移動機構部１５３は、ヘッド支持部１５２およびカバー支持部１５７を案内する案内機構（不図示）や、ヘッド支持部１５２およびカバー支持部１５７を動かすアクチュエータなどから構成されている。アクチュエータの種類は特に限定されないが、本実施の形態では、エアシリンダが用いられている。より具体的には、エアシリンダのピストンロッドが、ヘッド支持部１５２およびカバー支持部１５７に接続されている。Ｚ軸方向におけるピストンロッドの伸縮運動に伴って、ヘッド支持部１５２およびカバー支持部１５７が加工エリア２００および加工エリア外２５０の間を往復移動する。

レーザツールストッカ１７１は、加工エリア外２５０に設けられ、ワーク上に定めるレーザ光の照射領域が互いに異なる複数のレーザツール２６（図６中に示す例でいえば、レーザツール２６Ａ、レーザツール２６Ｂおよびレーザツール２６Ｃ）を格納する。レーザツール交換装置１６１は、ヘッド本体２２（工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド２１）と、レーザツールストッカ１７１との間でレーザツール２６を交換する。

レーザツールストッカ１７１およびレーザツール交換装置１６１は、加工エリア外２５０に設けられている。レーザツールストッカ１７１およびレーザツール交換装置１６１は、加工エリア２００から見て、Ｚ軸方向においてヘッドストッカ１５１よりもさらに奥まった位置に設けられている。

レーザツールストッカ１７１は、レーザツール支持部１７２を有する。レーザツール支持部１７２は、複数のレーザツール２６を支持可能なように構成されている。

本実施の形態では、レーザツール支持部１７２が、Ｚ軸に平行な中心軸２０８を中心とするリング形状を有し、中心軸２０８を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０８を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、レーザツール２６を保持するためのレーザツールホルダが取り付けられている。レーザツールホルダの数は特に限定されないが、本実施の形態では、５つである。レーザツール支持部１７２が中心軸２０８を中心に旋回することによって、レーザツールホルダに保持されたレーザツール２６が周方向に移動し、付加加工に用いられるレーザツール２６が所定位置（以下、「レーザツール割り出し位置」という）に配置される。

本実施の形態では、レーザツール割り出し位置が、リング形状を有するレーザツール支持部１７２の頂部に位置する。ヘッドストッカ１５１は、Ｚ軸方向から見て、レーザツール割り出し位置と重ならない位置に設けられている。

レーザツール交換装置１６１は、移動機構部１６３を有する。移動機構部１６３は、レーザツール２６を加工エリア２００および加工エリア外２５０の間で移動させる。移動機構部１６３は、レーザツール２６を案内する案内機構（不図示）や、レーザツール２６を動かすアクチュエータなどから構成されている。アクチュエータの種類は特に限定されないが、本実施の形態では、エアシリンダが用いられている。より具体的には、エアシリンダのピストンロッドが、レーザツール支持部１７２においてレーザツール割り出し位置に配置されたレーザツール２６に連結される。Ｚ軸方向におけるピストンロッドの伸縮運動に伴って、レーザツール２６が加工エリア２００および加工エリア外２５０の間を往復移動する。

加工機械１００は、ヘッドストッカカバー（第１カバー）１４１およびレーザツールストッカカバー（第２カバー）１４３をさらに有する。

ヘッドストッカカバー１４１は、加工エリア２００および加工エリア外２５０の間を隔てるように設けられている。ヘッドストッカカバー１４１は、加工エリア２００を区画形成するスプラッシュガード２１０の一部をなしている。レーザツールストッカカバー１４３は、レーザツールストッカ１７１に格納された複数のレーザツール２６を覆うように設けられている。レーザツールストッカカバー１４３は、加工エリア外２５０において、ヘッドストッカ１５１が配置される空間と、レーザツールストッカ１７１が配置される空間とを隔てるように設けられている。

ヘッドストッカカバー１４１は、ヘッドストッカ扉（第１開閉部材）１４２を有する。ヘッドストッカ扉１４２が閉状態とされることにより、加工エリア２００および加工エリア外２５０の間が隔てられ、ヘッドストッカ扉１４２が開状態とされることにより、加工エリア２００および加工エリア外２５０の間が開通する。ヘッドストッカ扉１４２が開状態とされると、加工エリア２００および加工エリア外２５０の間における付加加工用ヘッド２１の移動が可能となる。ヘッドストッカ扉１４２の形態は特に限定されないが、本実施の形態では、ヘッドストッカ扉１４２が折り畳み式の扉の形態で設けられている。

レーザツールストッカカバー１４３は、レーザツールストッカ扉（第２開閉部材）１４４を有する。レーザツールストッカ扉１４４が閉状態とされることにより、ヘッドストッカ１５１が配置される空間と、レーザツールストッカ１７１が配置される空間との間が隔てられ、レーザツールストッカ扉１４４が開状態とされることにより、ヘッドストッカ１５１が配置される空間と、レーザツールストッカ１７１が配置される空間との間が開通する。ヘッドストッカ扉１４２およびレーザツールストッカ扉１４４が開状態とされると、加工エリア２００および加工エリア外２５０の間におけるレーザツール２６の移動が可能となる。レーザツールストッカ扉１４４の形態は特に限定されないが、本実施の形態では、レーザツールストッカ扉１４４が一方向にスライドするシャッターの形態で設けられている。

続いて、付加加工時におけるレーザツール２６の交換の流れについて説明する。図１３から図１７は、付加加工時におけるレーザツール交換の工程を模式的に表す図である。

図１３を参照して、加工エリア２００において、工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド２１には、レーザツール２６Ａが装着されている。付加加工時、レーザツールストッカ扉１４４が閉状態とされている。その一方、材料粉末およびレーザ光を導入するためのケーブル２４が加工エリア２００および加工エリア外２５０の間で延びるため、ヘッドストッカ扉１４２は開状態とされている。レーザツール２６の交換に先立って、レーザツール支持部１７２において、レーザツール割り出し位置を空きスペースとする。

まず、加工エリア２００において、工具主軸１２１をヘッドストッカ扉１４２に隣り合う位置（以下、「レーザツール交換位置」という）に移動させる。このとき、工具主軸１２１を中心軸２０４を中心に旋回させることにより、主軸端面１２３が側方を向く姿勢とする。

図１４を参照して、レーザツールストッカ扉１４４を開状態とする。移動機構部１６３を動作させることによって、移動機構部１６３のピストンロッドを、加工エリア外２５０から加工エリア２００に進入させる。移動機構部１６３のピストンロッドを、付加加工用ヘッド２１に装着されたレーザツール２６Ａに連結するとともに、付加加工用ヘッド２１におけるレーザツール２６Ａのクランプを解除する。

図１５を参照して、移動機構部１６３を動作させることによって、移動機構部１６３のピストンロッドを、加工エリア２００から加工エリア外２５０に戻す。レーザツール支持部１７２において、レーザツール２６Ａをレーザツール割り出し位置に保持する。

図１６を参照して、レーザツール支持部１７２を中心軸２０８を中心に旋回することにより、レーザツール２６Ｂをレーザツール割り出し位置に配置する。このとき、移動機構部１６３のピストンロッドがレーザツール２６Ｂに連結される。

図１７を参照して、移動機構部１６３を動作させることによって、移動機構部１６３のピストンロッドを、加工エリア外２５０から加工エリア２００に進入させる。これにより、レーザツール２６Ｂをレーザツール支持部１７２から付加加工用ヘッド２１まで移動させる。付加加工用ヘッド２１においてレーザツール２６Ｂをクランプする。

その後、移動機構部１６３を動作させることによって、移動機構部１６３のピストンロッドを、加工エリア２００から加工エリア外２５０に戻す。レーザツールストッカ扉１４４を閉状態とする。以上の工程により、レーザツール２６の交換が完了する。

本実施の形態では、レーザツール交換装置１６１によって、付加加工用ヘッド２１に装着されるレーザツール２６を実行する付加加工に適したレーザツール２６に迅速に交換することができる。これにより、付加加工時の生産性を向上させることができる。

また、付加加工時、ヘッドストッカ扉１４２は開状態とされているため、付加加工に伴って加工エリア２００を舞う材料粉末が加工エリア外２５０に侵入する。本実施の形態では、レーザツールストッカ扉１４４が閉状態とされたレーザツールストッカカバー１４３により、材料粉末がレーザツールストッカ１７１に格納されたレーザツール２６に付着することを防止できる。また、除去加工時においても、ヘッドストッカカバー１４１およびレーザツールストッカカバー１４３による２重カバー構造により、除去加工時に発生するクーラントやミスト、切粉がレーザツールストッカ１７１内に侵入することをより確実に防止できる。

なお、レーザツールストッカカバー１４３内への異物の侵入をさらに確実に防ぐため、エアパージによってレーザツールストッカカバー１４３内の圧力を高める構成としてもよい。

続いて、除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド２１の装着の流れについて説明する。

図１８から図２４は、除去加工から付加加工への移行時における付加加工用ヘッド装着の工程を模式的に表す図である。

図１８を参照して、除去加工時、ヘッドストッカ扉１４２およびレーザツールストッカ扉１４４は、閉状態とされている。加工エリア２００において、第１主軸台１１１には、除去加工がなされたワーク４００が装着されている。加工エリア外２５０において、ヘッドストッカ１５１には、付加加工用ヘッド２１が格納されている。レーザツールストッカ１７１では、次の付加加工時に用いられるレーザツール２６がレーザツール割り出し位置に配置されている。

まず、加工エリア２００において、ヘッドストッカ扉１４２に隣り合う位置に工具主軸１２１を移動させる。このとき、工具主軸１２１は、主軸端面１２３が下方を向く姿勢とされている。

図１９を参照して、ヘッドストッカ扉１４２を開状態とすることにより、加工エリア２００および加工エリア外２５０の間を開通させる。移動機構部１５３を動作させることによって、ヘッド支持部１５２およびカバー支持部１５７を、加工エリア外２５０から加工エリア２００に移動させる。カバー支持部１５７を工具主軸１２１に近接移動させることにより、工具主軸１２１に装着された装着部カバー１５６をカバー支持部１５７に受け渡す（不図示）。

図２０を参照して、工具主軸１２１をヘッド支持部１５２により支持された付加加工用ヘッド２１に近接移動させるとともに、工具主軸１２１により付加加工用ヘッド２１をクランプする。これにより、付加加工用ヘッド２１を工具主軸１２１に装着する。

図２１を参照して、移動機構部１５３を動作させることによって、ヘッド支持部１５２およびカバー支持部１５７を、加工エリア２００から加工エリア外２５０に移動させる。リッド１５４を中心軸２０７を中心に揺動させることにより、リッド１５４をヘッド支持部１５２から退避する第２状態からヘッド支持部１５２を覆う第１状態に変化させる。このような構成により、付加加工時の材料粉末がヘッド支持部１５２に付着することを防止できる。

図２２を参照して、工具主軸１２１を中心軸２０４を中心に９０°旋回させるとともに、レーザツール交換位置に移動させる。このとき、工具主軸１２１は、主軸端面１２３が側方を向く姿勢とされる。

図２３を参照して、レーザツールストッカ扉１４４を開状態とする。移動機構部１６３を動作させることによって、レーザツール交換位置に配置されたレーザツール２６を、加工エリア外２５０から加工エリア２００に移動させる。レーザツール２６を、工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド２１に装着する。

図２４を参照して、移動機構部１６３を動作させることによって、移動機構部１６３のピストンロッドを、加工エリア２００から加工エリア外２５０に戻す。レーザツールストッカ扉１４４を閉状態とする。付加加工用ヘッド２１をワーク４００に近接移動させることにより、付加加工を開始する。

以上に説明した、この発明の実施の形態における加工機械１００の基本的な構造について説明すると、本実施の形態における加工機械１００は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械１００は、加工エリア２００で移動可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部としての工具主軸１２１と、工具主軸１２１に着脱可能に装着され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線としてのレーザ光を照射する付加加工用ヘッド２１と、付加加工用ヘッド２１を加工エリア外２５０に格納するヘッドストッカ１５１とを備える。付加加工用ヘッド２１は、レーザ光が導入される本体部としてのヘッド本体２２と、ヘッド本体２２に着脱可能に設けられ、レーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める出射部としてのレーザツール２６とを有する。加工機械１００は、加工エリア外２５０に設けられ、ワーク上に定めるレーザ光の照射領域が互いに異なる複数のレーザツール２６を格納する出射部ストッカとしてのレーザツールストッカ１７１と、ヘッド本体２２およびレーザツールストッカ１７１の間でレーザツール２６を交換する出射部交換装置としてのレーザツール交換装置１６１とをさらに備える。

なお、本実施の形態では、旋削機能とミーリング機能とを有する複合加工機をベースにＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を構成した場合について説明したが、このような構成に限られず、たとえば、ミーリング機能を有するマシニングセンタをベースにＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を構成してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、ワークの除去加工および付加加工が可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機に適用される。

２１ 付加加工用ヘッド、２２ ヘッド本体、２３ ケーブル継手、２４ ケーブル、２６，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ レーザツール（出射部）、３１ サーボモータ、３２，３３ クラッチ板、３４ 回転シャフト、３５ プーリベルト、４１ 光ファイバ、４２ レーザ光入射管、４３，４５，４８ レーザ光通路筐体、４４ レーザ光通路管、４６，４７ 接続部、４９ レーザ光出射筐体、５１，５２ 連結部、６１ コリメーションレンズ、６２，６３ 反射鏡、６４，６５，６７ 保護ガラス、６６，６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ 集光レンズ、６８ ホモジナイザー、７０ 材料粉末供給装置、７１ 混合部、７２ 材料粉末タンク、７６ レーザ発振装置、７８ ノズル部、７８ｊ 吐出口、８１ 固定部材、８６ 回転部材、８７ 配管継手、１００ 加工機械、１１１ 第１主軸台、１１２ 第１主軸、１１６ 第２主軸台、１１７ 第２主軸、１２１ 工具主軸、１２２ 筒部、１２３ 主軸端面、１３１ 下刃物台、１３２ 旋回部、１３６ ベッド、１４１ ヘッドストッカカバー、１４２ ヘッドストッカ扉、１４３ レーザツールストッカカバー、１４４ レーザツールストッカ扉、１５１ ヘッドストッカ、１５２ ヘッド支持部、１５３，１６３ 移動機構部、１５４ リッド、１５６ 装着部カバー、１５７ カバー支持部、１６１ レーザツール交換装置、１７１ レーザツールストッカ（出射部ストッカ）、１７２ レーザツール支持部、２００ 加工エリア、２０１，２０２，２０３，２０４，２０６，２０７，２０８，２２１ 中心軸、２１０ スプラッシュガード、２５０ 加工エリア外、３１１ レーザ光、３１２ 材料粉末、３１３ ガス、３１４ 溶融点、３１５ 肉盛素材、３１６ 肉盛層、４００ ワーク。

Claims (5)

1. ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械であって、
   加工エリア内で移動可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部に着脱可能に装着され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、
   前記付加加工用ヘッドを加工エリア外に格納するヘッドストッカとを備え、
   前記付加加工用ヘッドは、
   エネルギー線が導入される本体部と、
   前記本体部に着脱可能に設けられ、エネルギー線を出射するとともに、ワークにおけるエネルギー線の照射領域を定める出射部とを有し、さらに、
   加工エリア外に設けられ、ワーク上に定めるエネルギー線の照射領域が互いに異なる複数の前記出射部を格納する出射部ストッカと、
   前記本体部および前記出射部ストッカの間で前記出射部を交換する出射部交換装置とを備える、加工機械。
2. 前記工具保持部は、所定軸を中心に旋回可能に設けられ、
   前記出射部からのエネルギー線の照射方向が、前記工具保持部の旋回に伴って変化する、請求項１に記載の加工機械。
3. 前記出射部交換装置による前記出射部の交換時、前記工具保持部が旋回することにより、前記付加加工用ヘッドが、前記本体部および前記出射部ストッカの間で前記出射部を交換可能な姿勢に位置決めされる、請求項２に記載の加工機械。
4. 前記工具保持部は、工具を回転させるための工具主軸であり、
   前記工具主軸は、工具の回転軸に沿って筒状に延びる筒部を有し、
   前記付加加工用ヘッドは、前記筒部に着脱可能に装着される、請求項１から３のいずれか１項に記載の加工機械。
5. 開閉可能な第１開閉部材を有し、加工エリアの内外の間を隔てる第１カバーと、
   開閉可能な第２開閉部材を有し、加工エリア外において、前記出射部ストッカに格納された複数の前記出射部を覆うように設けられる第２カバーとをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の加工機械。

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