JP2021154338A - レーザー加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】加工の仕上がりの質を向上できるレーザー加工装置を提供することができる。【解決手段】気体供給部90は、少なくともアシストガスG1及び空気G2を混合させた混合ガスGMを供給する。従って、成形品41の照射位置CPにおける厚み、形状、材質などの照射位置CPの条件に応じて、加工条件が適切になるように、アシストガスG1と空気G2との混合比を調整することができる。ここで、成形品41によっては、加工中に照射位置CPの条件が変化する場合がある。これに対し、コントローラ80は、レーザーヘッド72による加工中に、混合気体の流量、及びアシストガスG1と空気G2との混合比の少なくとも一方を変更可能である。従って、コントローラ80は、照射位置CPの条件の変化に応じて、加工条件を変更することができる。【選択図】図5
Description
本発明は、レーザー加工装置に関する。
従来、切断が必要な対象物を形成する装置として、特許文献1に記載された成形装置が知られている。この成形装置は、金属材料を加熱する加熱部と、加熱された金属材料を成形する成形金型と、を有する。成形装置は、加熱された金属材料に成形金型の成形面を接触させることで、金属材料の形状を成形面に対応する形状とする。
ここで、上述のような成形装置で成形された成形品は、中空のパイプ部、及びパイプ部から突出したフランジ部を有する。このような成形品は、パイプ部とフランジ部とで、厚みが互いに異なっている。従って、レーザー加工装置は、パイプ部とフランジ部とで同じ加工条件で加工を行った場合、いずれか一方の部分での加工の仕上がりの質が低下する可能性がある。
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、加工の仕上がりの質を向上できるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
本発明に係るレーザー加工装置は、対象物をレーザーを用いて加工するレーザー加工装置であって、レーザーを対象物に照射することによって対象物を加工する加工部と、対象物において、加工部がレーザーを照射する照射位置に気体を供給する気体供給部と、を備え、気体供給部は、少なくとも第1の気体及び第2の気体を混合させた混合気体を供給し、加工部による加工中に、混合気体の流量、及び第1の気体と第2の気体との混合比の少なくとも一方が変更可能である。
レーザー加工装置において、気体供給部は、対象物において、加工部がレーザーを照射する照射位置に気体を供給する。これにより、気体供給部は、加工に伴って照射位置に発生したドロスを吹き飛ばすことができる。また、気体供給部は、少なくとも第1の気体及び第2の気体を混合させた混合気体を供給する。従って、対象物の照射位置における厚み、形状、材質などの照射位置の条件に応じて、加工条件が適切になるように、第1の気体と第2の気体との混合比を調整することができる。ここで、対象物によっては、加工中に照射位置の条件が変化する場合がある。これに対し、加工部による加工中に、混合気体の流量、及び第1の気体と第2の気体との混合比の少なくとも一方が変更可能である。従って、照射位置の条件の変化に応じて、加工条件を変更することができる。以上により、加工の仕上がりの質を向上できる。
対象物は、中空のパイプ部、及びパイプ部から突出したフランジ部を有し、フランジ部の加工時には、パイプ部の加工時に比して、混合気体の流量を増加させてよい。フランジ部は、パイプ部に比して厚みが大きい。従って、混合気体の流量を増加させることで、フランジ部にてドロスを良好に吹き飛ばすことができる。
対象物は、中空のパイプ部、及びパイプ部から突出したフランジ部を有しフランジ部の加工時には、パイプ部の加工時に比して、レーザーによる加工性能が高くなるように、混合比を変更してよい。フランジ部は、パイプ部に比して厚みが大きい。従って、混合比を変更してレーザーによる加工性能を高めて、フランジ部にて十分に加工がなされなくなることを抑制することができる。
本発明によれば、加工の仕上がりの質を向上できるレーザー加工装置を提供することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図1は、本実施形態に係るレーザー加工装置70を備える成形システム100の構成を示す概略構成図である。図1に示すように、成形システム100は、成形装置1と、レーザー加工装置70と、を備える。
成形装置1は、加熱された金属材料を成形金型で成形する装置である。本実施形態では、成形装置1として、加熱された金属パイプ材料に流体を供給して成形金型の成形面に接触させることで成形及び焼き入れを行うSTAF成形装置が採用されている。この成形装置1の詳細な構成について、図2を参照して説明する。
図2は、成形システム100で用いられている成形装置1の概略図である。図2に示すように、成形装置1は、ブロー成形によって中空形状を有する金属パイプを成形する装置である。本実施形態では、成形装置1は、水平面上に設置される。成形装置1は、成形金型2と、駆動機構3と、保持部4と、加熱部5と、流体供給部6と、冷却部7と、制御部8と、を備える。なお、本明細書において、金属パイプ材料40(金属材料)は、成形装置1での成形完了前の中空物品を指す。金属パイプ材料40は、焼入れ可能な鋼種のパイプ材料である。また、水平方向のうち、成形時において金属パイプ材料40が延びる方向を「長手方向」と称し、長手方向と直交する方向を「幅方向」と称する場合がある。
成形金型2は、金属パイプ材料40から金属パイプ140を成形する型であり、上下方向に互いに対向する下側の金型11及び上側の金型12を備える。下側の金型11及び上側の金型12は、鋼鉄製ブロックで構成される。下側の金型11及び上側の金型12のそれぞれには、金属パイプ材料40が収容される凹部が設けられる。下側の金型11と上側の金型12は、互いに密接した状態(型閉状態)で、各々の凹部が金属パイプ材料を成形すべき目標形状の空間を形成する。従って、各々の凹部の表面が成形金型2の成形面となる。下側の金型11は、ダイホルダ等を介して基台13に固定される。上側の金型12は、ダイホルダ等を介して駆動機構3のスライドに固定される。
駆動機構3は、下側の金型11及び上側の金型12の少なくとも一方を移動させる機構である。図2では、駆動機構3は、上側の金型12のみを移動させる構成を有する。駆動機構3は、下側の金型11及び上側の金型12同士が合わさるように上側の金型12を移動させるスライド21と、上記スライド21を上側へ引き上げる力を発生させるアクチュエータとしての引き戻しシリンダ22と、スライド21を下降加圧する駆動源としてのメインシリンダ23と、メインシリンダ23に駆動力を付与する駆動源24と、を備えている。
保持部4は、下側の金型11及び上側の金型12の間に配置される金属パイプ材料40を保持する機構である。保持部4は、成形金型2の長手方向における一端側にて金属パイプ材料40を保持する下側電極26及び上側電極27と、成形金型2の長手方向における他端側にて金属パイプ材料40を保持する下側電極26及び上側電極27と、を備える。長手方向の両側の下側電極26及び上側電極27は、金属パイプ材料40の端部付近を上下方向から挟み込むことによって、当該金属パイプ材料40を保持する。なお、下側電極26の上面及び上側電極27の下面には、金属パイプ材料40の外周面に対応する形状を有する溝部が形成される。下側電極26及び上側電極27には、図示されない駆動機構が設けられており、それぞれ独立して上下方向へ移動することができる。
加熱部5は、金属パイプ材料40を加熱する。加熱部5は、金属パイプ材料40へ通電することで当該金属パイプ材料40を加熱する機構である。加熱部5は、下側の金型11及び上側の金型12の間にて、下側の金型11及び上側の金型12から金属パイプ材料40が離間した状態にて、当該金属パイプ材料40を加熱する。加熱部5は、上述の長手方向の両側の下側電極26及び上側電極27と、これらの電極26,27を介して金属パイプ材料40へ電流を流す電源28と、を備える。なお、加熱部は、成形装置1の前工程に配置し、外部で加熱をするものであっても良い。
流体供給部6は、下側の金型11及び上側の金型12の間に保持された金属パイプ材料40内に高圧の流体を供給するための機構である。流体供給部6は、加熱部5で加熱されることで高温状態となった金属パイプ材料40に高圧の流体を供給して、金属パイプ材料40を膨張させる。流体供給部6は、成形金型2の長手方向の両端側に設けられる。流体供給部6は、金属パイプ材料40の端部の開口部から当該金属パイプ材料40の内部へ流体を供給するノズル31と、ノズル31を金属パイプ材料40の開口部に対して進退移動させる駆動機構32と、ノズル31を介して金属パイプ材料40内へ高圧の流体を供給する供給源33と、を備える。駆動機構32は、流体供給時及び排気時にはノズル31を金属パイプ材料40の端部にシール性を確保した状態で密着させ、その他の時にはノズル31を金属パイプ材料40の端部から離間させる。なお、流体供給部6は、流体として、高圧の空気や不活性ガスなどの気体を供給してよい。また、流体供給部6は、金属パイプ材料40を上下方向へ移動する機構を有する保持部4とともに、加熱部5を含めて同一装置としても良い。
冷却部7は、成形金型2を冷却する機構である。冷却部7は、成形金型2を冷却することで、膨張した金属パイプ材料40が成形金型2の成形面と接触したときに、金属パイプ材料40を急速に冷却することができる。冷却部7は、下側の金型11及び上側の金型12の内部に形成された流路36と、流路36へ冷却水を供給して循環させる水循環機構37と、を備える。
制御部8は、成形装置1全体を制御する装置である。制御部8は、駆動機構3、保持部4、加熱部5、流体供給部6、及び冷却部7を制御する。制御部8は、金属パイプ材料40を成形金型2で成形する動作を繰り返し行う。
具体的に、制御部8は、例えば、ロボットアーム等の搬送装置からの搬送タイミングを制御して、開いた状態の下側の金型11及び上側の金型12の間に金属パイプ材料40を配置する。あるいは、制御部8は、作業者が手動で下側の金型11及び上側の金型12の間に金属パイプ材料40を配置してよい。また、制御部8は、長手方向の両側の下側電極26で金属パイプ材料40を支持し、その後に上側電極27を降ろして当該金属パイプ材料40を挟むように、保持部4のアクチュエータ等を制御する。また、制御部8は、加熱部5を制御して、金属パイプ材料40を通電加熱する。これにより、金属パイプ材料40に軸方向の電流が流れ、金属パイプ材料40自身の電気抵抗により、金属パイプ材料40自体がジュール熱によって発熱する。
制御部8は、駆動機構3を制御して上側の金型12を降ろして下側の金型11に近接させ、成形金型2の型閉を行う。その一方、制御部8は、流体供給部6を制御して、ノズル31で金属パイプ材料40の両端の開口部をシールすると共に、流体を供給する。これにより、加熱により軟化した金属パイプ材料40が膨張して成形金型2の成形面と接触する。そして、金属パイプ材料40は、成形金型2の成形面の形状に沿うように成形される。なお、フランジ付きの金属パイプを形成する場合、下側の金型11と上側の金型12との間の隙間に金属パイプ材料40の一部を進入させた後、更に型閉を行って、当該進入部を押しつぶしてフランジ部とする。金属パイプ材料40が成形面に接触すると、冷却部7で冷却された成形金型2で急冷されることによって、金属パイプ材料40の焼き入れが実施される。
図3を参照して、成形装置1の成形の手順について説明する。図3(a)に示すように、制御部8は、成形金型2を型閉すると共に、流体供給部6で金属パイプ材料40に流体を供給することで、ブロー成形を行う(一次ブロー)。一次ブローでは、制御部8は、メインキャビティ部MCでパイプ部43を成形すると共に、フランジ部44に対応する部分をサブキャビティ部SCへ進入させる。そして、図3(b)に示すように、制御部8は、成形金型2を更に型閉することで、サブキャビティ部SCに進入した部分を更に潰すことで、フランジ部44を成形する。次に、制御部8は、上側の金型12を上昇させて金属パイプ材料40から離間させることで、型開を行う。これにより、成形品41が成形される。
図4を参照して、成形品41について説明する。成形品41は、パイプ部43及びフランジ部44を有する成形本体部45と、長手方向の両端側の被保持部46と、成形本体部45と被保持部46との間の徐変部47と、を備える。成形本体部45は、レーザー加工がなされることによって最終的な製品となる部分である。パイプ部43は中空の部分である。フランジ部44は、金属パイプ材料40の一部を押しつぶすことによってパイプ部43から突出する、板状部分である。被保持部46は、電極26,27に保持される円筒状の部分である。被保持部46には、ノズル31が挿入される。徐変部47は、被保持部46の形状から、成形本体部45の形状へ変化する移行部分である。
成形品41は、成形本体部45の両端部付近が切断される。これにより、図8に示すように、最終製品となった成形品41からは、レーザー加工装置70によって、徐変部47及び被保持部46が除去される。
図1に戻り、成形装置1で成形された成形品41は、レーザー加工装置70へ供給される。成形品41は、成形装置1で成形されたものから順次、レーザー加工装置70に供給されてよい。あるいは、集積場所にある程度の数量の成形品41が集積された後に、まとめてレーザー加工装置70へ供給されてもよい。
レーザー加工装置70は、レーザーを用いて成形品41を加工する装置である。レーザー加工装置70は、レーザーを成形品41に照射することで、当該成形品41を切断する。なお、レーザー加工装置70は、切断のみならず穴あけ、切欠き形成などの加工を行う。
図4〜図7を参照して、レーザー加工装置70の構成について説明する。図4は、レーザー加工装置70によるレーザー加工の様子を示す斜視図である。図5は、レーザー加工装置70の構成を模式的に示した模式図である。図6は、レーザー加工装置70のシステム構成を示すブロック図である。図7は、レーザーが照射された成形品41の照射位置の様子を模式的に示した模式図である。図4に示すように、レーザー加工装置70は、設置部71と、レーザーヘッド72(加工部)と、気体供給部90と、を備える。また、レーザー加工装置70は、これらの構成要素を制御するコントローラ80(制御部)を備える(図6参照)。
設置部71は、成形品41をレーザーヘッド72と対向する位置に設置する部分である。設置部71は、図示されない支持部を有しており、当該支持部で成形品41を支持する。これにより、成形品41は、レーザー加工に適した位置、及び姿勢で、設置部51に設置される。
レーザーヘッド72は、成形品41にレーザーを照射することによって、成形品41を加工する部分である。レーザーヘッド72は、レーザー発振器81に接続されており(図5及び図6参照)、当該レーザー発振器81で発振されたレーザーを出力する。レーザーヘッド72は、成形品41に予め設定された切断ラインCLにレーザーを照射しながら、当該切断ラインCLに沿って相対的に移動する。これにより、レーザーヘッド72は、切断ラインCLに従って成形品41を切断することができる。
気体供給部90は、成形品41において、レーザーヘッド72がレーザーを照射する照射位置に気体を供給する。図5に示すように、気体供給部90は、アシストガスG1(第1の気体)及び高圧の空気G2(第2の気体)を混合させた混合ガスGM(混合気体)を供給する。具体的に、気体供給部90は、アシストガス供給部91と、アシストガスライン92と、空気供給部93と、空気ライン94と、混合ガスライン96と、流量バルブ97,98と、を備える。
アシストガス供給部91は、高圧のアシストガスG1をレーザーヘッド72へ供給する供給源である。アシストガス供給部91は、アシストガスG1を貯留するタンクやアシストガスG1を圧送するポンプなどによって構成される。アシストガスライン92は、アシストガス供給部91からレーザーヘッド72側へ延びて、アシストガスG1を流通させる流路である。アシストガスライン92には、アシストガスG1の流量を調整する流量バルブ97が設けられる。アシストガスG1には、例えば、酸素、アルゴン、窒素などの成分が含有される。
空気供給部93は、高圧の空気G2をレーザーヘッド72へ供給する供給源である。空気供給部93は、空気G2を貯留するタンクや空気G2を圧送するポンプなどによって構成される。空気ライン94は、空気供給部93からレーザーヘッド72側へ延びて、空気G2を流通させる流路である。空気ライン94には、空気G2の流量を調整する流量バルブ98が設けられる。
混合ガスライン96は、アシストガスG1と空気G2とが混合した混合ガスGMが流れる流路である。混合ガスライン96は、アシストガスライン92と空気ライン94とが合流することで構成され、当該合流部からレーザーヘッド72まで延びている。図7に示すように、混合ガスライン96は、レーザーヘッド72の内部へ混合ガスGMを供給する。これにより、混合ガスGMは、レーザーLと同軸状態で、レーザーヘッド72の先端から出射される。成形品41におけるレーザーLの照射位置CPでは、レーザーLのエネルギーによって金属材料が溶融し、孔が形成される。また、当該孔には、溶融した金属材料によるドロスDSが付着する。混合ガスGMは、レーザーLと共に照射位置CPへ噴射されるため、孔を通過してドロスDSを吹き飛ばすことができる。
図6に示すように、コントローラ80は、レーザー加工装置70全体を制御する装置である。コントローラ80は、レーザー発振器81と接続されており、レーザーヘッド72からのレーザーの出力を制御する。また、コントローラ80は、気体供給部90を制御する。具体的に、コントローラ80は、流量バルブ97,98とそれぞれ接続されており、これらの流量バルブ97,98の開度を調整することで、アシストガスG1及び空気G2の流量を調整する。コントローラ80は、アナログ電圧で流量バルブ97,98の弁角度を調整し、それによってアシストガスG1及び空気G2の流量を調整する。
コントローラ80は、レーザーヘッド72による加工中に、混合ガスGMの流量、及びアシストガスG1と空気G2との混合比を変更可能である。コントローラ80は、成形品41の照射位置CPの厚さ、形状、材質などの条件に合わせて、混合ガスGMの流量、及び混合比を変更可能である。例えば、レーザーヘッド72が切断ラインCL(図4参照)に沿ってレーザーを照射しているときに照射位置CPの条件が変わったら、コントローラ80は、それに合わせて、混合ガスGMの流量、及び混合比の少なくとも一方を変化させる。コントローラ80は、混合ガスGMの流量、及びアシストガスG1と空気G2との混合比の両方を制御してもよいし、いずれか一方のみを制御してもよい。
コントローラ80は、ドロスDS(図7参照)を吹き飛ばす力を大きくしたい場合には、混合ガスGMの流量を増加させる。一方、コントローラ80は、ドロスDSを吹き飛ばす力を抑制したい場合には、混合ガスGMの流量を減少させる。混合ガスGMの流量の調整方法は特に限定されず、アシストガスG1の流量を調整してもよく、空気G2の流量を調整してもよく、両者の流量を調整してもよい。混合ガスGMの流量の調整は、混合比を考慮して行われてよい。なお、混合ガスGMの流量を増加させることで、ワークの冷却効果を期待することができる。混合ガスGMの流量が増えるとガスの流量が増え、ワークに対してレーザーによる熱の入りすぎを抑制することができる。これにより、例えば精度が求められる成形品に対しては混合ガスGMの流量を増加させることにより、好適な成形を行うことができる。
コントローラ80は、レーザーが材料を焼き切る力を大きくして、加工性能を向上させたい場合には、混合ガスGMの混合比のうち、空気G2の比率を大きくする。これにより、混合ガスGMの中の酸素の比率が大きくなることで、レーザーが材料を焼き切る力が大きくなる。一方、コントローラ80は、照射位置CP付近での酸化による外観の影響を抑制したい場合は、混合ガスGMの混合比のうち、空気G2の比率を小さくする。混合ガスGMの酸素の比率の調整方法は特に限定されず、アシストガスG1の流量を調整してもよく、空気G2の流量を調整してもよく、両者の流量を調整してもよい。混合ガスGMの混合比の調整は、全体の流量を考慮して行われてよい。なお、ドロスDSは熱が入りすぎるとドロス長が長くなるため、ドロス長及び切断部位の膨張・変形抑制のために、アシストガス供給部から供給されるアシストガスG1の流量を空気供給部から供給される空気G2の流量よりも少なくしても良い。
なお、コントローラ80が、どのようなタイミングで混合ガスGMの流量、及び混合比を変更するかは、例えば、予め作成した加工手順プログラムに基づいてよいし、リアルタイムで照射位置CP付近の状態を計測して当該計測結果に基づいてもよい。
次に、本実施形態に係るレーザー加工装置70の作用・効果について説明する。
レーザー加工装置70において、気体供給部90は、成形品41において、レーザーヘッド72がレーザーを照射する照射位置CPに気体を供給する。これにより、気体供給部90は、加工に伴って照射位置CPに発生したドロスDSを吹き飛ばすことができる。また、気体供給部90は、少なくともアシストガスG1及び空気G2を混合させた混合ガスGMを供給する。従って、成形品41の照射位置CPにおける厚み、形状、材質などの照射位置CPの条件に応じて、加工条件が適切になるように、アシストガスG1と空気G2との混合比を調整することができる。ここで、成形品41によっては、加工中に照射位置CPの条件が変化する場合がある。これに対し、コントローラ80は、レーザーヘッド72による加工中に、混合気体の流量、及びアシストガスG1と空気G2との混合比の少なくとも一方を変更可能である。従って、コントローラ80は、照射位置CPの条件の変化に応じて、加工条件を変更することができる。以上により、加工の仕上がりの質を向上できる。
成形品41は、中空のパイプ部43、及びパイプ部43から突出したフランジ部44を有し、コントローラ80は、フランジ部44の加工時には、パイプ部43の加工時に比して、混合ガスGMの流量を増加させてよい。フランジ部44は、パイプ部43に比して厚みが大きい。従って、コントローラ80が混合ガスGMの流量を増加させることで、フランジ部44にてドロスDSを良好に吹き飛ばすことができる。その一方、例えば、図8に示すようなパイプ部43の一方の主面43aを加工するときに混合ガスGMの流量が多すぎると、ドロスDSの勢いが強すぎて、反対側の主面43bに付着する可能性がある。よって、コントローラ80は、薄いパイプ部43を加工する時は、混合ガスGMの流量を減少させてよい。
また、コントローラ80は、フランジ部44の加工時には、パイプ部43の加工時に比して、レーザーによる加工性能が高くなるように、混合比を変更してよい。上述のように、フランジ部44は、パイプ部43に比して厚みが大きい。従って、コントローラ80が、混合比を変更してレーザーによる加工性能を高めて、フランジ部44にて十分に加工がなされなくなることを抑制することができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態では、気体供給部は、二種類のガスを混合していたが、三種類以上の気体を混合してもよい。
上述のレーザー加工装置の構成は一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更可能である。
例えば、成形装置としてSTAF成形を行うものを例示したが、成形方法は特に限定されない。従って、対象物も必ずしも金属パイプ状のの成形品である必要はなく板材や柱材であってもよい。また、切断対象となる対象物は、成形品である必要はない。例えば、シンプルなパイプ材や鋼材であってもよい。
41…成形品(対象物)、43…パイプ部、44…フランジ部、70…レーザー加工装置、72…レーザーヘッド(加工部)、80…コントローラ(制御部)、90…気体供給部、G1…アシストガス(第1の気体)、G2…空気(第2の気体)、GM…混合気体。
Claims (3)
- 対象物をレーザーを用いて加工するレーザー加工装置であって、
前記レーザーを前記対象物に照射することによって前記対象物を加工する加工部と、
前記対象物において、前記加工部が前記レーザーを照射する照射位置に気体を供給する気体供給部と、を備え、
前記気体供給部は、少なくとも第1の気体及び第2の気体を混合させた混合気体を供給し、
前記加工部による加工中に、前記混合気体の流量、及び前記第1の気体と前記第2の気体との混合比の少なくとも一方が変更可能である、レーザー加工装置。 - 前記対象物は、中空のパイプ部、及び前記パイプ部から突出したフランジ部を有し、
前記フランジ部の加工時には、前記パイプ部の加工時に比して、前記混合気体の流量を増加させる、請求項1に記載のレーザー加工装置。 - 前記対象物は、中空のパイプ部、及び前記パイプ部から突出したフランジ部を有し、
前記フランジ部の加工時には、前記パイプ部の加工時に比して、前記レーザーによる加工性能が高くなるように、前記混合比を変更する、請求項1又は2に記載のレーザー加工装置。
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