JP2787990B2

JP2787990B2 - レーザ光線を用いて加工品に凹所を形成する方法および装置

Info

Publication number: JP2787990B2
Application number: JP2187831A
Authority: JP
Inventors: バベルベルナー; グルントペーター; エベルルギュンター; ストルウリ
Original assignee: ERU SHII TETSUKU REEZAA UNTO KONPYUUTAATEKUNIKU GmbH
Current assignee: ERU SHII TETSUKU REEZAA UNTO KONPYUUTAATEKUNIKU GmbH
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: ES2054166T3; CN1048996A; EP0407969A1; JPH03114688A; RU2086378C1; RU2085351C1; DE59002985D1; US5149937A; CN1034916C; EP0407969B1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、材料が、互いに近接対向した案内軌道に沿
ったレーザ光線の往復運動によって除去されるようにな
った、レーザ光線を用いて中実な加工品に凹所を形成す
る方法に関する。

さらに、本発明は、モータにより往復運動をする加工
品テーブルと、レーザ光線のための集束、伝達要素を有
するレーザ装置と、該レーザ装置と加工品テーブル移動
モータとのためのプログラム操作器とより成る、レーザ
光線を用いて中実な加工品に凹所を形成する装置に関す
る。

〔従来の技術〕

中実な加工品に比較的大きいポケット状、または室状
の凹所、特に型や成形ツールの製造は、従来は通常、電
気スパークおよび／または型削りにより、モータにより
移動されるテーブル上に取り付けられた加工品から、材
料を除去することにより実施されてきた。出力の大きい
レーザ光線装置の進歩に伴い、その応用範囲は、加工品
凹所加工作業にまで拡張されてきた。

例えば、DE−DM8701354.1から知られている方法にお
いては、互いに交差する面に沿った切断が加工品に実施
される。次いで、前面を切断することにより、長手方向
に延びる楔状のセグメントが発生し、該セグメントを取
り出した後に、三角形の凹所が形成される。２個の隣接
する凹所の間に残存する長手方向に延びる突起は、次に
行われる、反対方向に傾斜したレーザ光線を用いて行わ
れる同様の切断工程によって、除去される。しかし、指
摘すべきことは、この方法によっては、平坦な、充分に
平滑な凹所底面を加工することは出来ない。さらに、交
差する切断面において、再凝固する材料により、溶接結
合が生じる可能性があり、このことは、切断されたセグ
メントを取り出すことを阻害することになる。

DE2443334A1から、レーザ光線を用いて、上面を彫刻
するための方法と装置が知られている。この場合は、レ
ーザ光線が、近接対向する平行線に沿って、加工品の上
面を走査され、材料を、彫刻された模様から取り除く。
その他の従来技術による、セラミック加工品の平坦な凹
所を加工するための類似の方法においては、材料は、近
接対向した軌道を往復移動するレーザ光線によって溶解
され、加工流体によって除去される。しかし、この既知
の方法によっては、垂直な、またはアンダカットの側壁
を有する深い凹所を加工することは出来ない。すなわ
ち、側壁領域においては、加工品上面に直角に衝突する
レーザ光線のための変化された吸収、反射条件が生じ、
そのため、側壁は加工品上面に直角ではなく、ある一定
の傾斜を有して内方へ延びることになる。より浅い深さ
の彫刻様の凹所の場合には、この側壁傾斜や、側壁基部
における丸められた隅部は、許容出来るであろう。しか
し、深い凹所の場合には、このような傾斜した内壁は多
くの場合望ましくない。

DE3544396A1からは、板上物体に、斜めの切断縁を有
する開口を加工する方法が知られている。ここでは、加
工品が、レーザ光線の長手軸に対して所定の傾斜角を有
して位置され、貫通する開口が、１回または数回の直線
状の照射を板に行うことにより切り込まれる。

CH453523には、レーザ切断機械が記載されており、該
機械は、モータで往復運動をする加工品テーブルと、レ
ーザ源、モータ駆動の光線案内集束要素を有するレーザ
装置と、レーザ装置と駆動モータのためのプログラム操
作器とを有している。スリット形状の開口を切り取るた
めには、光線案内要素が、レーザ光線の元来円形の断面
を四角形の断面に変形させる。

本発明の課題は、比較的平滑な、加工品上面に角度を
成す側壁と、平坦平滑な底面とを有する深い凹所をも加
工することが可能な、レーザ光線を用いて、中実な加工
品に凹所を加工する方法を示すことである。

本課題は、本発明の第１の解決提案においては、レー
ザ光線が、各直線状の除去作業の間、所定の角部の回り
に揺動され、同時に、加工品がレーザ光線の揺動軸の回
りの円弧上を同期して往復移動され、材料層の除去の
後、前記直線状の除去作業が層状的に、凹所の所定の深
さに達するまで繰り返して行われることにより達成され
る。

本発明の他の１つの解決は、レーザ光線が、各直線状
の除去作業の間往復運動を行われ、同時に、加工品が同
期して揺動および直進運動を行い、材料層の除去の後、
前記直線状の除去作業が層状的に、凹所の所定の深さに
達するまで繰り返して行われることを特徴としている。

本発明の第３の解決は、垂直に取り付けられた加工品
が、各直線状の除去作業の間、垂直回転軸の回りに、所
定の角度揺動され、集束するレーザ光線の焦点が水平な
光線軸内を同期して移動され、材料層の除去の後、前記
直線状の除去作業が層状的に、凹所の所定の深さに達す
るまで繰り返して行われることを特徴としている。

本発明に従って、レーザ光線と加工品テーブルの種々
の運動を組み合わせることにより、レーザ光線は、角度
調節可能に、加工品に衝突させられ、その際、加工品に
おける作用点または焦点の位置が一定の水準に維持され
ている。各直線状の除去工程の最後において、レーザ光
線を加工物上面に対して斜めに位置させることが、加工
品上面に対して直角または鋭角（アンダカット）を成す
凹所側壁の加工することと、極めて鋭い角を有して側壁
に交差する凹所底面をほぼ平坦平滑に維持することを可
能にする。すなわち、レーザ光線が直線状の除去工程の
最後において、直角に加工品上面に衝突した場合には、
部分的な反射または吸収現象のために、この領域におい
て材料除去が不完全になる。このことは、深い凹所を加
工するために、除去工程を繰り返し実施する場合に側壁
の間隔を凹所底面に向かって狭めることになる。この現
象は、各直線状の除去工程の最後において、衝突するレ
ーザ光線を加工品上面に対して相対的に傾斜させること
により回避することが出来る。さらに、本発明に従い、
揺動運動と直線運動とを組み合わせることにより、加工
品に対しレーザ光線の一様な相対速度が達成され、この
ため、レーザ光線の一様な吸収、従って平坦な底面の形
成が保証される。この効果は、なお、焦点の移動速度に
依存してレーザ装置の出力を操作すること、例えば、凹
所の各側壁の領域、すなわち、各直線状の除去工程の最
後において、この領域において必然的に生じる焦点滞留
時間の増大を補償するために、レーザ出力を現象させる
ことによって支援される。

レーザ光線は、少なくとも一つの加圧流体を供給され
るノズルから出てくるのであるから、該加圧流体は、各
作業工程最後において、レーザ光線とほぼ同じ傾斜を有
して加工品に衝突する。このことは、重要な角部領域に
おけるガス状または流体状の材料粒子を吹き払う作用を
強く働かせることになる。この効果は、さらに、流体を
焦点に向けて斜めに当てることにより増強される。この
場合、この流体は、空気、酸素、または不活性ガスのよ
うな加圧ガス、および／または、適当な流体、懸濁液、
またはディスパーションであってよい。

第１の解決提案においては、水平なレーザ光線は、反
射器によって垂直方向に偏向され、加工品に衝突する光
線片は、反射器を回転させることにより揺動される。こ
の方法は、中実シリンダに、ポケット状またはリング状
の凹所を切り込むことを、また、この加工を中実シリン
ダの水平回転軸まで行った場合には、中実シリンダに平
滑な前面を形成することを可能にする。この方法は、機
械切削が不可能または非常に困難な、セラミック、チタ
ン、複合材料のような非常に固い特殊材料の場合に実際
的である。

第３の変形された方法は高度のエネルギー活用を提供
する。ここでは、出力を低下させるレーザ光線の反射器
における偏向は行われず、レーザ光線は水平に加工品に
衝突され、その際、加工品が、円弧状または直線状の移
動部分を組み合わせた軌道上を移動する。

加工上の制約による加工された凹所の側壁および底面
の不規則性を取り除くために、本発明の有利な形態に従
って、層状の除去工程が繰り返される前に、加工品が垂
直軸回りに90゜回転される。層状の除去工程の回数が、
凹所の深さと底面の上面粗さすなわち平滑度を決定す
る。この際、他の作業パラメータの操作、レーザ出力、
揺動速度、キー打ち周波数等により、底面の平面度、平
滑度はより向上される。

本発明の他の有利な形態は凹所の側壁加工に関し特に
重要である。ここでは、加工品上面とレーザ光線との間
の傾斜角が、凹所の深さ増加を伴う各直線状の加工工
程、すなわち、層状の除去工程の最後に、増加され、そ
の際、レーザ光線と加工品上面との間の傾斜角が最初の
除去工程において90゜に達し、それ以後の層状の除去工
程において所望の方法で調整されるようになっている。

さらに本発明の対象は、モータにより往復運動をする
加工品テーブルと、レーザ光線のための集束、伝達要素
を有するレーザ装置と、該レーザ装置と加工品テーブル
移動モータとのためのプログラム操作器とより成る、レ
ーザ光線を用いて中実な加工品に凹所を形成する装置で
ある。本発明においては、台の表側に、モータにより水
平なレーザ光線の軸回りに回転可能になっていて、反射
鏡を備え、レーザ光線を90゜回転させ垂直平面内に偏向
させる揺動頭が搭載されている。本装置においては、加
工品テーブルが、往復運動を行うために、円弧状の軌道
上を垂直および水平方向に移動可能に構成されている。

他の本発明に従うレーザ光線を用いて中実な加工品に
ポケット状または室状の凹所を形成する装置は、同様
に、モータにより往復運動をする加工品台と、レーザ光
線のための集束、伝達要素を有するレーザ装置と、該レ
ーザ装置と加工品テーブル移動モータとのためのプログ
ラム操作器とを有している。本発明に従い、本装置にお
いては、集束要素を備えたレーザ装置が長手方向に移動
可能であり、回転テーブルとして構成された加工品テー
ブル上に、垂直な加工品保持面を有する加工品支持器が
搭載されている。

他の形態および特殊性は、従属請求項の対象である。
本発明の本質的な利点の一つは、種々の材料から成る加
工品を、高い除去能率をもって、同一の機械を用いて長
い装置変換時間を要することなく加工することが可能で
あることであり、このことは、今まで他の除去方法によ
っては不可能であった。かくて、セラミック、ガラス、
特殊鋼、チタン、および特殊合金から成る加工品が、繊
維強化材料、焼結物質、および層状に形成された成形物
体のような複合材料と同様に加工されることが出来る。
従来の機械切削の方法に対して、レーザ光線を用いた本
発明の材料除去においては、機械切削の場合において通
常揺動、振動（ガタガタ振動）の原因になった材料除去
のための力が生じない。しかも、加工物上面に対して直
角または鋭角（アンダカット）を成す側面を有する1/10
ミリメータの薄い壁厚の薄壁ウエッブが、凹所の側壁並
びにその裏面に於ける両面材料除去作業によって製作さ
れることが出来る。最後に、例えば、セラミックやチタ
ンから作られたタービンベインのような複雑な加工品に
おいて、１ミリメータ幅以下の狭く深い溝を切り込むこ
とが可能である。このことは、今日まで、長時間の費用
のかかる作業によってだけ製作可能であったのである。

本発明の他の長所、特殊性は、以下詳細に説明される
図面に示された実施例において、具体化にのべられる。

〔実施例〕

第１図の正面図に、機械台２の平坦な上面を図示平面
に直角方向に移動可能にして、その前面に揺動頭３を担
持した箱状のハウジング１が示されている。箱状のハウ
ジング１の水平方向長手方向の運動と、揺動頭３の軸４
回りの揺動運動とが、図示されていないプログラム操作
器により操作される電気モータにより行われる。揺動頭
３には、下端に数チャンネルのノズルを有する案内筒５
が固定されている。矢印で示されたレーザ光線7,7′が
箱状のハウジング１内を、水平に揺動軸４に沿って走
り、案内筒５の上端に斜めに（45゜）取り付けられた鏡
８によって垂直平面内に偏向される。

加工品テーブル10には、中実の加工品12が取り付けら
れ、該加工品に２個の室状の凹所13が切り込まれ、薄壁
の中間ウエブ13aを形成する。加工品テーブル10は、矢
印14で示された円弧状の軌道上を往復運動し、該往復運
動は揺動頭３の、従ってレーザ光線７の揺動運動と同期
させられている。加工品12のこの運動軌道は、加工品テ
ーブルの水平、垂直混合運動によって実現される水平成
分と垂直成分とから構成されている。直線状の除去期間
の最後に、案内筒５を固定された揺動頭３は、実線で示
された位置にあり、該位置で、レーザ光線７は、所定の
傾斜角を有して加工すべき加工品12の上面、または、す
でに部分的に加工された凹所13の垂直またはアンダカッ
トされた側壁15に衝突する。この状態において、加工品
12を取り付けた加工品テーブルは上右方終端位置にあ
る。この終端位置から出発して、揺動頭３、レーザ光線
７と、同時に、加工品12を取り付けた加工品テーブル10
とが左方に動き、その際、中心位置において、加工品テ
ーブル10はその円弧状の軌道に対応して沈下し、左方の
終端位置において、再び、対応した量だけ持ち上げられ
る。レーザ光線７の揺動運動の速度と、加工品テーブル
10の移動運動の速度とは、レーザ光線の焦点が、種々の
パラメータ、例えば、加工品の材質に依存した最適の相
対速度を有して動くように、互いに同調して決められ
る。第１図の左端位置において、同様に左方へ揺動され
たレーザ光線７′は、同じ傾斜角α′を有して加工品上
面または凹所13の側面15′に衝突する。側壁15と15′と
の延び方を異ならせる（側壁15は加工品12の上面に直
角、側壁15′は加工品12の上面に鋭角即ちアンダカッ
ト）なら、傾斜角αとα′とを異ならせる。

この加工方法によって、模様をなして互いに密に並ん
だ線の形態に、材料を繰り返し層状に除去する場合にお
いても、垂直な側壁が成立し、特に側壁の間隔の凹所底
面に向っての狭まりが回避される。レーザ光線７の傾斜
角α，α′を対応して選択することにより、窪みを形成
するときしばしば望まれるようなアンダカットの側壁を
作ることが可能となる。第１図に示すような凹所短手方
向の側壁15,15′だけではなく、凹所13の凹所長手方向
の側壁に対しても、垂直またはアンダカットに形成可能
にするために、加工品テーブル10が、材料層の直線状の
除去の後毎に、垂直軸の回りに90゜回転され、ついで、
凹所の長手方向の側壁が移動方向に移動させられる。同
時に、加工品が既に除去された層の厚みだけ垂直方向に
動かされ、レーザ光線の集束、従って、焦点の大きさが
維持される。最後の材料層の除去の際には、集束の鋭さ
を減少させて底面の平滑効果をもたらすために、レーザ
光線の焦点を故意にぼかすことが、平滑平坦な底面を得
るのに有効である。同様の効果が、レーザ出力を減少さ
せることによっても達成される。

第２図に示した方法変形例においては、中実シリンダ
状の加工品16が、例えば旋盤の場合普通の方法によっ
て、前面において取り付けられ、その長手軸17の回りに
同調して回転され、その際、往復揺動されるレーザ光線
7,7′の直線状の除去軌道が、近接対向して位置するよ
うに、回転角が選定される。例えば、一定の深さを持つ
長手方向の、またはリング状の溝を、シリンダ体16に加
工しようとする場合には、第１図に示したような円弧状
の軌道が形成され、それによりレーザ光線の揺動運動の
間、焦点が同一水準に保持されるように、シリンダ体16
が点線の矢印の方向に水平および垂直方向に動かされ
る。さらに、第２図に破線で示されたように、シリンダ
体を切り取ろう（横に分離する）とする場合には、加工
品を水平または垂直方向に動かすことなく加工すること
が可能である。さらに、従来の回転切削作業に類似の加
工方法も可能であり、その場合は、加工品16が連続的に
回転され、レーザ光線7,7′が一定の傾斜角に保持さ
れ、加工品に半径方向の肩平面を形成する。

第３図の方法変形例が第１図の方法と相違する点は、
ただ、水平軸18の回りにモータで揺動可能であり、該軸
18の方向移動可能な、第１図の加工品テーブル10と同様
に垂直方向に動くコンソール（第５図、第６図参照）に
搭載され、中心軸回りに回転可能な回転テーブル20を設
けたことである。前面に揺動頭３を搭載したハウジング
１を破線で示された前方位置に移動させ、また、これと
同期して、加工品テーブル20を軸18回りに揺動または傾
動させることにより、この構成において、加工品12とレ
ーザ光線７との間の傾斜した相対位置関係が達成され
る。本変形例においては、従って、揺動頭３を軸４の回
りに揺動させることは必ずしも必要ではなく、そのため
機械の構造が簡単になる。

第4A図、第4B図の方法変形例においては、加工品テー
ブル40は垂直軸41回りに回転可能であり、矢印42の方向
に水平に移動可能である。箱状のハウジング１は前方の
端面にノズル６を備え、ノズル６を通り、レーザ光線７
が偏向されることなく通過する。ハウジング１は、機械
台２の上を矢印43の方向に往復運動する。加工品テーブ
ル40には、加工品支持具44が縦に搭載され、支持具44
の、中心軸回りに回転可能な垂直取り付け板46に加工品
45が固定されている。直線状の除去工程の作動経過が第
4B図に上面図として示されている。各直線状の除去工程
において、加工品テーブルが垂直軸41回りに、実線で示
した下方位置から、鎖線で示した上方位置へと動かさ
れ、その際、垂直軸41回りの揺動運動に、矢印42の方向
の水平移動運動が組み合わされる。円弧状の運動軌道の
ために生じる、加工品の凹所13の底とノズル６の前端と
の間の距離の変動を補償するために、集束、伝達要素を
内蔵したハウジング１が矢印43の方向に同期して動かさ
れる。さらに、層状の除去工程が終了した後、ハウジン
グ１を矢印43の方向に直線移動させることにより、準備
運動が行われる。

第５図は、加工品に箱状凹所をレーザ・フライス加工
するための工作機械を示し、ここでは、既知のCO₂レー
ザ光線装置23が適当な支持構造24を介して機械台２に搭
載されている。ハウジング１の中心部に配置されたテレ
スコープ管24が、水平のレーザ光線７を導く役をする。
ハウジング１の前面に取り付けられた揺動頭３は、ここ
では箱状に形成されたノズル支持具５と共に２個の矢印
Ｃの方向に揺動される。台２の前面垂直案内25に、二重
の矢印Ｙの方向に垂直に移動可能なコンソールが存在
し、該コンソールはその前面に、二重矢印Ｘ方向に移動
可能なスレッド27の保持具のための水平方向案内26を有
している。スレッド27の前面には、凹形漕28が固定さ
れ、そのなかにテーブル支持具29が二重矢印Ａの方向に
回転可能に収容されている。加工品テーブル10は、支持
具29の上側に、垂直軸回りに二重矢印Ｂの方向に回転可
能に配置されている。種々の部材の個々の運動は、支持
されていない電気モータにより、既知の伝達手段を用い
て行われ、その動作は従来のプログラム操作器により操
作される。

第６図に示した加工装置は、本質的には、第５図の実
施例に対応し、該実施例と相違するのは、適当な架台21
に搭載された特殊に構成されたレーザ光線装置23だけで
ある。

第５図と第６図の両機械は、第１図から第３図までに
示された方法変形例を実施するため構想されたものであ
る。

第７図に示した加工機械は、第4A図、第4B図の方法変
形例を実施するために構成されており、機械台２に固定
された箱状のハウジング１を有し、ハウジング内にレー
ザ光線７のための案内管46が矢印43の方向に長手方向に
移動可能に設けられている。案内管46の前方端部に、ノ
ズル６が固定されており、後方端部にねじ棒48のナット
47が把持されており、ねじ棒はモータ49により直線運動
を行うように駆動される。加圧流体に衝突される導管50
が案内管46の中をノズル６へと延びている。台背面に固
定された支持構造51に、レーザ装置53が搭載されてい
る。

機械台の前面には、スレッド55が二重矢印Ｙの方向
に、モータによって垂直方向に移動可能であり、該スレ
ッドの外側に案内軌道57が、テーブル構造58をＸ軸に沿
って水平に移動可能に保持するために形成されている。
コンソール58には、回転テーブル61の下方部分60が固定
され、該回転テーブルは折り曲げられた一体の部材とし
て構成され、その中心軸回りに回転可能な垂直取り付け
板63が、回転案内64の外縁とほぼ同列に置かれる。第4A
図、第4B図のテーブル構成とは反対に、既に加工された
ものとして示されている加工品56のための垂直取り付け
板63は、テーブル下部60または回転案内64上で水平方向
に調節されることは出来ない。第７図から明らかなよう
に、複雑な形状の凹所や中実の型体もまた、直線状の層
状材料除去によって、中実の素材から製作されることが
出来る。

第８図、第９図には、特に有効な光線ノズルが２種の
変形例で示されており、コンパクトな構造と小さい外形
寸法とをもって、種々の流体をレーザ光線７の焦点に向
けて個々に流すことを可能にしている。第８図のノズル
は、円錐状の外側覆い30を有し、その内部空間に中心部
37が配置され、その間に狭い溝32を形成している。溝32
は、１個の貫通円錐形態でもよく、また、多数の同類の
溝を有していてもよい。覆い30と中心部31の平坦な上面
には、中間部材33が固定され、その中にリング溝34が形
成され、該溝は円錐溝32の上面流体開口と連結されてい
る。このリング溝34は、カバー35を通して高圧ガス、例
えば、３〜10dyne/cm²の高圧ガスを供給される。中心部
31内には、多くの段差を有する中心貫通孔36が形成され
ており、該貫通孔は中心レーザ光線７を包囲し、補助ガ
スをレーザ光線の衝突点すなわち焦点37に同心に導く役
をしている。

第９図に示したノズル形態は、拡大された中央部72と
円錐状の出口73とを有するハウジング71を有し、その内
部空間に、ほぼ中空シリンダ状の中子74が軸中心に配置
されている。中子74は、図の左部に軸方向断面を、右部
に側面を示されている。ハウジング71の中央拡大部72
は、リング76の支持台としての半径方向のフランジ75を
備えている。ハウジング71の円錐形の出口部73内には、
中子74の端部77が延び込み、その円錐形の外壁が、同じ
く円錐形の出口部73の内壁と共に円錐形の貫通流路78を
画定しており、該流路は出口部の端部において、リング
状のスリットとして形成された出口開口79に開口してい
る。出口開口79は、全体として筒状の中子74を軸方向に
貫通して、酸化ガス例えば酸素を通し、その長手軸に沿
ってレーザ光線７が通る流体溝81の端部において、内部
中央出口開口80を同心状態で包囲している。中子74の右
部分に示したように、中子の円錐形の外面には、少なく
とも１個の螺旋溝82が形成されていて、流体溝78を通り
流れる加圧ガス、好ましくは加圧空気に、長手軸83回り
の回転運動を与えている。

円錐形部77の上方に、中子74は、軸に平行な４個の平
面84により構成された４辺部を有し、該４辺部はハウジ
ングの内壁と共に分配室85を画定している。ハウジング
71の中央拡大部72内には、４個の互いに角度をずらせて
配置された斜めの横溝86が形成されており、該横溝はそ
れぞれ分配室85の平らな表面84に対向して開口してい
る。

中子74の４辺部は、ねじ部88に接続するシリンダ状中
央部87内を通過している。両部分87,88によって、中子7
4が、ハウジング71の内部空間において、軸中心に、高
さ微調整可能に固定されている。中子74のねじ部88に、
リング部材76のための固定肩90を備えた拡大された中間
部材89を経て、外ねじ92を有する接続部91が接続されて
いる。接続部91が、ノズル頭を、場合によっては移動可
能なレーザ光線案内要素と、同時に酸素案内部材とに固
く結合することを保証する。

第９図に示すように、リング部材76は、半径方向のね
じ孔93を有し、そこへ、加圧空気を通す、図示されてい
ないニップルがねじこまれる。ねじ孔93は、リング状の
内部リング溝94に開口し、リング溝94はハウジング部分
72内の横孔86と流れ連結されている。フランジ75の上部
支持表面には、ハウジングをリング部材に対して密封す
るＯリング95を収容する環状溝が形成されている。他の
Ｏリング96がハウジング部分72の上面のリング溝内に配
置され、中子74の中間部材89に対して密封している。

前述したノズルにおいては、酸素を軸方向流れ溝81内
を通り、加圧空気を円錐形の流れ溝78内を通り個別に導
くことにより、両ガスは、各開口79,80を出た後、強く
混合され、この際、中子74のねじ部88のねじ込み深さを
加減することにより、円錐形の流れ溝の隙間すなわち流
路断面積を精密に調整することが出来る。このようにし
て、混合物の組成と、加圧空気流れの運動エネルギーと
を、各作業条件、特に、種々の加工品材料の性質に適応
させることが出来る。

本発明は、図示の、または前述の方法と装置およびそ
の変形例に制限されるものではない。一つの装置変形例
の一部を、他の装置変形例の一部と多様に組み合わせ
て、特殊な作業目的を達成することも可能である。

第７図に示した加工機械は、第５図、第６図の方法に
対して、構造が簡単で軽量であるという利点を有する。
この際、移動駆動を含む案内筒とノズルとがコンパクト
に構成されてあり、このことは、加工品に対するアクセ
スと作業工程の目視監視とを改良している。案内筒内に
一体化された、１本または数本の長手溝の形態で案内筒
の全長にわたって延びており、外部の源泉と流れ的に結
合されている流体案内部も、同様の意義を有している。
先に示した第4A図、第4B図の場合の加工品45は、支持器
44,46と共に、回転テーブル40上に、水平方向に矢印Ｒ
の方向に移動可能に搭載されることが出来るから、加工
品45の矢印42方向の水平移動運動は小さくなり、レーザ
光線７の加工品45に対する相対的傾斜姿勢に起因する距
離変化が相殺される。テーブルの回転によりもたらされ
る「長さのずれ」を相殺するために、比較的短い矢印42
方向の経路長さが残しておかれるように、作動点または
焦点が垂直軸41の近傍に置かれる。このことは、加工品
に衝突する光線片がテーブル運動に同期して揺動される
必要のない水平レーザ光線の本質的な利点である。第７
図の機械、すなわち、水平方向のレーザ光線の他の利点
は、安全性の見地から、高エネルギーのレーザ光線の予
期しない周囲への流出が防止されることである。種々の
加工機械は原則的に保護室を備えているので、レーザ光
線が当たる室壁には熱に感応する安全板を配置すること
が出来、該安全板は高エネルギーのレーザ光線が当たっ
た場合に活性化され、機械を停止させる。この安全性
は、第５図、第６図の実施例に対して非常に重要であ
る、というのは、この実施例においては、安全性壁要素
がほぼ保護室内部全体に配置されなければならないから
である。最後に、第７図の実施例もまた、反射器８を備
えた実施例に比して、相当大きいエネルギー利用が達成
されるという利点を有している。例えば、反射により数
回偏向させ場合の1500Wのレーザが行う同じ除去作業を
行うのに、750Wのレーザが代替できる。

他の方法では大きい困難を伴ってだけ加工される材料
に、比較的深い凹所を形成する本発明の加工工程は、さ
らに種々の方法に拡張することが出来る。例えば、加圧
ガスの代わりに、固体−ガス、または固体−流体の懸濁
液を比較的高い圧力で加工箇所に噴射してもよく、この
際は、溶融流体状の材料を、懸濁液中の高温の硬い固体
粒子によって、サンドブラストの方式に倣って除去し、
除去効果を向上させる。さらに、懸濁液、液体、又はガ
スに適切な化学物質を添加することにより、凹所壁面の
表面付近の領域における所望の合金効果が達成される。

１種または多種の加工品に種々の加工工程を自動機に
適用するために、ノズルとレーザ頭とを分離可能に結合
することも可能である。この際は、ノズルを適当な交換
装置を用いて交換し、レーザ切断、レーザ溶接、レーザ
切削のような種々の加工を実施することが可能となる。

本発明の方法によって、多数の近接対向して位置する
ポケット状の凹所を有するボール状または球状の部材
を、セラミック、チタンなどから製作することが出来
る。これらは、関節または骨の代用品として医術におい
て使用の道がある。アンダカットの壁を有するポケット
状の比較的深い凹所を多数形成することは、骨物質が、
挿入された移植組織の凹所内で生長することを可能に
し、それにより、骨と移植組織とが固く結合される。こ
の特殊な応用の他、本発明の方法は、石英ガラスの除去
加工、特に、多くの精密加工の部品から組み立てられる
大望遠鏡の製作に適している。最後に、三次元の型体も
また、材料の縁を層状に除去することにより、中実の材
料から製作することができる。この際は、Nd−YAGレー
ザを加圧流体なしに投射することが有効である。

レーザ光線と、加工品またはその上面との間の相対傾
斜角は、層から層へと増大されるべきである。その際、
この角は、最初の除去層において非常に小さいが零に
し、50除去された層において垂直に対し20゜に増加され
る。この角度増加は、段階的に直線状である必要はな
く、直線または曲線に従ってもよい。最適の除去能力を
達成するためには、操作パラメータを層から層へと変化
させ、最初において最大の材料除去を行い、次に微細な
加工を、最後に、微細−層−作用を行うようにする。最
後に、角のある凹所を形成しようとする場合には、ポケ
ット状凹所の底部に形成され勝ちな円弧状の経過部分を
除去し、底面と側面との間に鋭利な角を維持するため
に、加工工程の最後に、全体の輪郭を再び切り取るとよ
い。

【図面の簡単な説明】第１図は第１の除去作業の作動原理を概観的に示す図。第２図は第１図の作動原理の、シリンダ状加工品の加工
への適用を示す図。第３図は他の除去作業の作動原理を概観的に示す図。第4A図、第4B図はさらに他の除去作業の作動原理を概観
的に示す図。第５図はレーザ光線装置を一体に取り付けた本発明の加
工装置の斜視図。第６図は別個のレーザ装置を有する加工装置を示す図。図７図は水平のレーザ装置を有する加工装置を示す図。第８図、第９図はレーザ頭に配置されたノズルの２個の
実施例を示す図である。１……ハウジング２……台３……揺動頭またはレーザ頭６……ノズル７……レーザ光線８……反射鏡 10……加工品テーブル 12……加工品 13……凹所 20……回転テーブル 23……レーザ光線装置 27……スレッド 71……ハウジング 74……中子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ペーターグルントドイツ連邦共和国リーデン，ベルグブリックシュトラーセ 13 (72)発明者ギュンターエベルルドイツ連邦共和国ヴアルテンホーフェン／ランゼン，ジルベンベグ 28 (72)発明者ウリストルドイツ連邦共和国フロンテン，ドロッセルベグ２ (56)参考文献特開昭63−97391（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−56387（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−21190（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】材料が、互いに近接対向した案内軌道に沿
ったレーザ光線の往復運動によって除去されるようにな
った、レーザ光線を用いて中実な加工品に凹所を形成す
る方法において、レーザ光線が、各直線状の除去作業の間、所定の角部の
回りに揺動され、同時に、加工品がレーザ光線の揺動軸
の回りの円弧上を同期して往復移動され、材料層の除去の後、前記直線状の除去作業が、凹所の所
定の深さに達するまで繰り返して行われることを特徴と
する方法。
【請求項２】材料が、互いに近接対向した案内軌道に沿
ったレーザ光線の往復運動によって除去されるようにな
った、レーザ光線を用いて中実な加工品に凹所を形成す
る方法において、レーザ光線が、各直線状の除去作業の間往復運動を行
い、同時に、加工品が同期して揺動および直進運動を行
い、材料層の除去の後、前記直線状の除去作業が、凹所の所
定の深さに達するまで繰り返して行われることを特徴と
する方法。
【請求項３】水平方向のレーザ光線が、斜めに置かれた
反射鏡により垂直方向に偏向され、加工品に衝突した光
線片が反射鏡を回転させることにより揺動されることを
特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】加工品が、その長手軸の回りに回転される
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記
載の方法。
【請求項５】材料が、互いに近接対向した案内軌道に沿
ったレーザ光線の往復運動によって除去されるようにな
った、レーザ光線を用いて中実な加工品に凹所を形成す
る方法において、加工品が、各直線状の除去作業の間、垂直軸の回りに、
所定の角度揺動され、集束するレーザ光線の焦点が光線
軸内を同期して移動され、材料層の除去の後、前記直線
状の除去作業が、凹所の所定の深さに達するまで繰り返
して行われることを特徴とする方法。
【請求項６】レーザ光線または加工品の揺動角が、各層
状の除去と共に、連続的に、または所定量づつ増大され
ることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記
載の方法。
【請求項７】加工品が、各層状の除去作業の後、90゜回
転されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１
項に記載の方法。
【請求項８】少なくとも１本の加圧流体流が、レーザ光
線と同軸に、および／または、レーザ光線に斜めに、除
去位置に導かれることを特徴とする請求項１から７のい
ずれか１項に記載の方法。
【請求項９】凹所の底面を加工するレーザ光線の出力が
減少されていることを特徴とする請求項１から８のいず
れか１項に記載の方法。
【請求項１０】凹所の底面を加工するレーザ光線が焦点
をぼかして照準されることを特徴とする請求項１から９
のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】モータにより往復運動をする加工品テー
ブルと、レーザ光線のための集束、伝達要素を有するレ
ーザ装置と、該レーザ装置と加工品テーブル移動モータ
とのためのプログラム操作器とより成る、レーザ光線を
用いて中実な加工品に凹所を形成する装置において台（２）の表側に、モータにより水平なレーザ光線
（７）の軸回りに回転し、反射鏡（８）を備え、レーザ
光線を90゜回転させ垂直平面内に偏向させて発する揺動
頭（３）が搭載されており、加工品テーブル（10）が、往復運動を行うために、垂直
平面内のレーザ光線に直角な軸線回りの円弧上を垂直お
よび水平方向に移動することを特徴とする装置。
【請求項１２】加工品テーブル（10）が、移動運動の方
向に平行な軸（18）の回りに、所定の限界内で、モータ
により揺動可能に構成されていることを特徴とする請求
項11に記載の装置。
【請求項１３】揺動頭（３）が、装置台（２）上を水平
方向に移動可能なハウジング（１）の前面に搭載されて
いることを特徴とする請求項11または12に記載の装置。
【請求項１４】モータにより往復運動をする加工品テー
ブルと、レーザ光線のための集束、伝達要素を有するレ
ーザ装置と、該レーザ装置と加工品テーブル移動モータ
とのためのプログラム操作器とより成る、レーザ光線を
用いて中実な加工品に凹所を形成する装置において集束要素とノズルとを備えたレーザ光線案内（46）が、
長手方向（43）に移動可能であり、回転テーブルとして構成された加工品テーブル（40;6
1）上に、垂直な加工品（45）保持面を有する加工品支
持器（44;63）が搭載され、凹所の各側壁の領域におい
て、レーザ装置の出力が減少されることを特徴とする装
置。
【請求項１５】加工品支持器（44;63）が、回転テーブ
ル（40;61）上に偏心して搭載されていることを特徴と
する請求項14に記載の装置。
【請求項１６】加工品支持器（44）が、水平方向に移動
可能に回転テーブル（40）上に搭載されていることを特
徴とする請求項14に記載の装置。
【請求項１７】レーザ装置（23）が、支持構造（51）を
介して、装置台（２）上に搭載されていることを特徴と
する請求項11から16のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】揺動頭（３）に、ノズル（６）のための
中空円筒状の支持器（５）が搭載され、該支持器が、切
頭円錐状の覆い（30）と円錐状の中心部分（31）との間
に延びる流体溝（32）と、レーザ光線（７）と追加の補
助ガスのための、数回段差を付けられた貫通孔（36）と
を有することを特徴とする請求項11から17のいずれか１
項に記載の装置。
【請求項１９】揺動頭（３）に、ノズル（６）のための
中空円筒状の支持器（５）が搭載され、該支持器の中空
円筒状のハウジングが、中空円錐状のノズルで終端し、
連絡路と、種々の流体を加工品上のレーザ光線（７）の
作動領域に、個々に軸方向に斜行して導く内部流れ溝と
を有し、また、ハウジング（71）のノズルには、中子
（74）が配置され、該中子の円錐状の外壁が、ノズル
（73）の円錐状の内壁とともに、加圧ガスのための流体
溝（78）を限定し、該中子の内部空間がノズル開口（8
0）に向かって狭くなっている軸方向の流れ溝（81）
を、他の加圧流体のために形成しており、かつ、円錐状
の流れ溝（78）のリング状の出口開口（79）が、軸方向
の流れ溝（81）の中心出口開口（80）を同軸に包囲して
いることを特徴とする、請求項11から17のいずれか１項
に記載の装置。
【請求項２０】中子（74）が、円錐状の流れ溝（78）の
流通断面積を変化させるために、ハウジング（71）内
に、高さ調節可能に軸中心に位置されていることを特徴
とする請求項19に記載の方法。