JP4277429B2 - 高密度エネルギビーム加工方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に空間を有した被加工部材の内外両側からアシストガスを供給しながら高密度エネルギビームを照射して切断加工を行う構成の高密度エネルギビーム加工方法およびその装置に係り、特に切断部へのドロスの付着を極力防止するようにしたものに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来、被加工部材を切断加工して、被加工部材から不要部分を切り離したり、穴を明けたり、細い透溝を形成したりする場合の加工方法として、高蜜度エネルギビームを被加工部材の切断すべき部分（以下、切断加工部）に照射し、その熱で切断加工部を溶融させて切断する方法がある。この切断の際には、通常、高蜜度エネルギビームの照射と同時に、加工ノズルから窒素や酸素などのアシストガスを噴射し、切断加工により生じたドロス（溶融物）や蒸発物を、そのアシストガスによって速やかに除去するようにして、それらが被加工部材や加工ノズルの集光レンズに付着したりしないようにしている。
【０００３】
このように高蜜度エネルギビームの照射側からアシストガスを吹き付けながら被加工部材の切断加工を行うと、多くの場合、高蜜度エネルギビームの照射によって生じたドロスＤがアシストガスにより切断部の下方に流され、切断部の周辺部に付着したりする。
【０００４】
このドロスの付着を防止するために、本出願人は、先に特願平１１−２７３３２号を出願した。これは、高密度エネルギビームの照射側と、その反対側とから供給されるアシストガスのうち、一方のアシストガスは、少なくとも一部が高密度エネルギビームの照射により被加工部材に開口形成された切断部を通じて反対側に流れ、他方のアシストガスは、少なくとも被加工部材の表面部分においてビーム照射部の内側および外側周辺のうちの一方側から他方側へと向く流れを有していることを特徴としている。
【０００５】
この構成によれば、一方のアシストガスが切断部を通じて反対側に流れる際、切断加工によって生じたドロスは、切断部を通じて被加工部材の反対側に押し流される。ドロスが押し流された反対側では、他方のアシストガスがビーム照射部の内側から外側へ、或いは外側から内側へと流れているので、反対側に押し流されたドロスはその他方のアシストガスによって吹き飛ばされる。このため、ドロスの付着を大幅に低減することができるものである。
【０００６】
しかしながら、この方法を内部に空間を有した被加工物に孔を明けるような場合、例えば円筒状の被加工部材の円筒状周壁にその内外を連通する孔を明けるような場合、図５に示すように、ガス吐出ノズル１を円筒状の被加工部材２の一端に当て、加工ノズル３から照射される高密度エネルギビームＨＢによって被加工部材２に孔４が明けられたとき、ガス吐出ノズル１から被加工部材２内に供給されたアシストガスが孔４から外部に流れ出るように構成すると、次のような問題を生ずる。
【０００７】
▲１▼ガス吐出ノズル１から被加工部材２内に供給されたアシストガスが孔４から外部に流れ出るので、ドロスが被加工部材１の内周面側に付着することはないが、孔４が明けられると、高密度エネルギビームＨＢが孔４を透過して反対側の内周面を照射するようになるので、その照射を受けた被加工部材２の内周面が部分的に焼けたり、溶けたりする。
【０００８】
▲２▼明ける孔４の数が少ない場合は良いが、多数明ける場合には、孔４から流出するアシストガスの圧力や流量が低下するので、ドロスを押し流す圧力が低下し、後から明ける孔４ほどドロスが付き易くなる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、内部に空間を有した被加工部材に高密度エネルギビームを照射して内部空間と外部とを連通させる切断加工を行う場合、切断加工によって開口形成された切断部から内部空間に侵入する高密度エネルギビームがその切断部の反対側の内面を照射するという不具合の発生を防止すると共に、切断部の周縁部へのドロスの付着を確実に防止することができる高密度エネルギビーム加工方法およびその装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加工部材の内部空間側からアシストガスを供給するためのガス吐出ノズルを当該内部空間に吐出口が被加工部材のビーム照射部側にあってエネルギービームの光軸に一致するように配置することを特徴とする（請求項１、９）。この構成によれば、切断部を通じて被加工部材の内部空間に侵入する高密度エネルギービームはガス吐出ノズルにより遮られるので、切断部とは反対側が高密度エネルギービームにより照射されることを防止できる。もちろん、切断加工によって生じたドロスは、被加工部材の内部空間から切断部を通じて流出するアシストガスによって外部に押し流され、更に被加工部材の表面を切断部の内側から外側、或いは切断部の外側から内側へと流れるアシストガスにより吹き飛ばされるので、ドロスの付着を効果的に防止できる。
【００１１】
この場合、本発明は、円筒形の被加工部材に対し、ガス吐出ノズルは、被加工部材の円周方向に関して高密度エネルギービームの照射可能範囲の中心と当該円筒形の被加工部材の中心とを結ぶ線を中心にして、一方向に９０度および他方向に９０度の範囲でアシストガスを供給可能とすることができる（請求項２、１０）。このようにすることにより、高密度エネルギービームの照射可能な範囲のうち、どの部位で加工が行われても、ガス吐出ノズルを動かすことなく、切断部からアシストガスを吹き出させることができる。
【００１２】
本発明では、被加工部材の前記内部空間側から供給されるアシストガスの圧力は、被加工部材の外部側から供給されるアシストガスの圧力よりも高くなるように設定することができる（請求項３）。
本発明では、被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルは、アシストガスを高密度エネルギービームによる切断部へのみ供給するように構成できる（請求項４、１１）。このようにすれば、ドロスの付着をより確実に防止できる。
【００１３】
また、被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルの吐出部を、被加工物の内面に接するように構成することができる（請求項５、１２）。これによれば、ガス吐出ノズルから吐出されるアシストガスが確実に切断部を通じて外部に流出するようにできるので、ドロスの付着防止効果が高い。
【００１４】
本発明は、高密度エネルギービームは動かさず、被加工部材を動かして所望の切断部位に高密度エネルギービームが照射されるようにすることができる（請求項６、１３）。これによれば、被加工部材に複数の孔（切断部）を明ける加工をするような場合、これを効率良く行うことができる。
【００１５】
また、被加工部材は動かさず、高密度エネルギービームを動かして所望の切断部位に前記高密度エネルギービームが照射されるようにすることもできる（請求項７、１４）。これによれば、被加工物が大型である場合、或いは移動や回転が困難な形状である場合でも、ドロスの付着を防止しながら高密度エネルギービームによる加工を行うことができる。
【００１６】
本発明は、被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルからのアシストガスの吐出流量または圧力を計測し、一定吐出量または一定圧力となるように調整するように構成することができる（請求項８、１５）。アシストガスは切断加工している部分にだけ供給することが好ましいが、これが困難な場合や切断部位の形状が変化することで、供給するアシストガスの圧力や流量が変動するような場合がある。このような場合、上記のように構成してアシストガスが一定吐出量または一定圧力となるように調整することによってドロスを押し流すアシストガスの流量や圧力を一定にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例をレーザ加工に適用して図１〜図３に基づいて説明する。
図１に示す加工装置において、加工ノズル１は、伝送管２を介して図示しない発振器に接続されており、その加工ノズル１の先端出口１ａの上方には保護ガラス３、更にその上に集光レンズ４が設けられている。そして、発振器から発射された高密度エネルギビームＨＢは、伝送管２中のベントミラー（図示せず）により方向を変えられ、集光レンズ４および保護ガラス３を通過して加工ノズル１の出口１ａから被加工部材に向けて照射される。なお、発振器は、レーザ発振、電子ビーム、光ビームなどが適用できるが、レーザが取扱いの面からすると好適である。
【００１８】
上記加工ノズル１の下方には図示しない加工テーブルが設けられており、その加工テーブル上に中空の回転ヘッド５が設けられている。そして、回転ヘッド５にチャック６が設けられており、このチャック６に被加工部材が取り付けられるようになっている。この実施例において、被加工部材は図３（ａ）に示すような内部に空間を有した金属円筒材７であり、この金属円筒材７に図３（ｂ）に示すような内部空間と外部とを連通させる円形の孔８を多数切断加工する。
【００１９】
上記の加工ノズル１はＺ軸方向（上下方向）に移動可能に構成され、加工テーブルはＸＹ軸方向（水平面内での縦横方向）に移動可能に構成されている。そして、発振器から発射された高密度エネルギビームＨＢは、上述のようにして集光レンズ４を通過してチャック６に取り付けられた金属円筒材７の切断部に集束される。孔８の切断加工時には、加工ノズル１および加工テーブルが移動すると共に、回転ヘッド５が回転し、これにより加工ノズル１が金属円筒材７に対し、切断すべき線に沿って高密度エネルギビームＨＢを照射するように相対移動するようになっている。
【００２０】
１つの孔８の加工を終了すると、次の孔８を切断加工するために、回転ヘッド５を搭載した図示しない加工テーブルが横方向に移動し、或いは回転ヘッド５がチャック６を所定角度回転させて、次の孔８を明ける部分（切断部）を高密度エネルギビームＨＢの照射位置に移動させるようになっている。
【００２１】
さて、切断加工は、金属円筒材７の高密度エネルギビームＨＢの照射部（以下、単にビーム照射部という）に対し、金属円筒材７の内外両側から窒素や酸素などのアシストガスを供給しながら行われる。そのうち、外側からのアシストガスの供給は、加工ノズル１（第１のガス供給手段）から行われるようになっている。すなわち、加工ノズル１には、集光レンズ４よりも出口１ａ側に位置してアシストガス導入管９が設けられており、この導入管９は図示しないガス供給源に接続されている。
【００２２】
ガス供給源からアシストガス導入管９を介して加工ノズル１内に供給されたアシストガスは、加工ノズル１の出口１ａから金属円筒材７の表面に向けて吐出される。加工ノズル１の出口１ａから吐出されたアシストガスは金属円筒材７に当たって当該金属円筒材７の表面に沿って流れる。このとき、加工ノズル１が先細の円錐状をなしていることにより、金属円筒材７の表面に当たったアシストガスのうち、より多くの量のアシストガスがビーム照射分の外側から内側に向かって流れるようになる。
【００２３】
一方、金属円筒材７の内側からのアシストガスの供給は、ガス吐出ノズル１０（第２のガス供給手段）によって行われる。すなわち、このガス吐出ノズル１０は内部にガス通路１０ａを有した円柱状に形成されており、回転ヘッド５の中空内部に当該回転ヘッド５の回転中心と同心となるように通されて先端部分がチャック６から突出している。
【００２４】
ガス吐出ノズル１０の先端部上面には、吐出口１０ｂが垂直上向きとなるように形成されている。この吐出口１０ｂは前記加工ノズル１の真下にあって当該加工ノズル１から照射される高密度エネルギビームＨＢの光軸に一致するようになっている。そして、金属円筒材７の加工に際しては、ガス吐出ノズル１０の先端部分を金属円筒材７の内部空間に挿入しながらチャック６に取り付ける。この場合、ガス吐出ノズル１０の外径寸法は、金属円筒材７の内径寸法とほぼ同一に設定されており、これによりガス吐出ノズル１０が金属円筒材７の内周面に密に嵌合接触接するようになっている。
【００２５】
また、吐出口１０ｂの径寸法は孔８の周縁部へのドロスの付着を防止する上で、孔８の径より大きくする必要があるが、余り大きくすると、加工中の孔８の他に隣の加工済みの孔８が吐出口１０ｂにかかってしまい、加工中の孔８から流れ出るアシストガスの量や圧力が減少し、ドロスの押し流し効果が減少する。そこで、この実施例では、孔８の径の他に孔８のピッチを加味して、孔８の径が０．３ｍｍに対して吐出口１０ｂの径は１．０ｍｍとして加工中の１個の孔８だけからアシストガスが流れ出るようにしてある。
【００２６】
そして、ガス吐出ノズル１０から吐出されるアシストガスは１個の孔８だけからしか流れ出ないようにしてあることから、加工ノズル１から供給されるアシストガスの圧力を０．４ＭＰａに設定するのに対し、ガス吐出ノズル１０から供給されるアシストガスの圧力は０．７ＭＰａにして切断部において金属円筒材７内から流れ出るアシストガスの方が高圧力となるようにしている。
【００２７】
次に上記構成の作用を説明する。
金属円筒材７に孔明け加工を行うには、まる金属円筒材７を図１に示すようにチャック６に取り付ける。そして、加工ノズル１から高密度エネルギビームＨＢを金属円筒材７に照射しながら、アシストガス導入管９から加工ノズル１内にアシストガスを導入し、その加工ノズル１の内部を通して出口１ａからアシストガスをビーム照射部に向けて吐出させる。また、ガス吐出ノズル１０のガス通路１０ａ内のアシストガスにガス圧を加えて置く。
【００２８】
ビームＨＢが金属円筒材７に照射されると、ビーム照射部が加熱されて溶融する。この溶融（切断）により、図２に示すように、金属円筒材７の切断加工部の一部に内外に開通する切断部Ａが明けられる。なお、図示しない加工テーブルを移動させながら回転ヘッド５を回転させてビーム照射部が切断加工部に沿って相対移動するようにすることにより、その切断部Ａが孔８の縁に沿って円形に連続的に移動し、孔８として形成されるものである。
【００２９】
さて、金属円筒材７に切断部Ａが明けられると、図２に矢印Ｂに示すように、ガス吐出ノズル１０の吐出口１０ｂからアシストガスが切断部Ａを通して金属円筒材７の外側へと流れ出し、このアシストガスは、切断部Ａの切断加工によって生じたドロスＤを金属円筒材７の外側へと押し流す。これにより、ドロスＤが切断部Ａの内面および金属円筒材７の内周面における切断部Ａの開口周縁部分に付着して残ることが防止される。
【００３０】
金属円筒材７の外側に押し流されたドロスＤは、図２に矢印Ｃで示すように、加工ノズル１から吹き出されて金属円筒材７の表面をビーム照射部にその外側から内側へと向かって流れるアシストガスによって切断部Ａの周縁から内側へと押し流され、そしてガス吐出ノズル１０から切断部Ａを通って外部に流れ出るアシストガスによって上方へと吹き飛ばされる。この結果、ドロスＤが金属円筒材７の外周面に付着することを防止できる。
【００３１】
一方、金属円筒材７に切断部Ａが明けられると、加工ノズル１から照射されるビームＨＢが切断部Ａを通じて金属円筒材７内に侵入するようになる。しかしながら、本実施例では、金属円筒材７内にガス吐出ノズル１０が嵌合されていてビームＨＢの光軸上にはガス吐出ノズル１０が位置しているので、切断部Ａを通過したビームＨＢはガス吐出ノズル１０により遮断され、金属円筒材７の内周面を照射するような事態に至るおそれはない。
【００３２】
このようにして１個の孔８を加工した後、別の孔８を加工するには、加工ノズル１とガス吐出ノズル１０を動かすことなく、つまりビームＨＢを動かすことなく、加工テーブルを横方向に移動させたり、回転ヘッド５を回転させたりすることによって別の孔８を形成する部位を加工ノズル１とガス吐出ノズル１０の吐出口１０ａとを結ぶ線上に次の孔加工部位を位置させる。この孔加工時においても上記と同様にしてドロスの付着と内周面に対するビーム照射が防止される。この場合、明いた孔８の数が増加しても、ガス吐出ノズル１０から供給されるアシストガスは切断加工中の孔８部分にしか供給されず、しかも吐出口１０ａの周縁部は金属円筒材７の内周面に接していて金属円筒材７内に漏れ出ないようになっているので、ガス吐出ノズル１０から吐出されたアシストガスは全て切断加工中の孔８部分から外部に流れ出るようになる。このため、ドロスを外に流し出すように当該ドロスに作用する圧力が大きくなり、ドロスの付着防止をより確実に行うことができる。
【００３３】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
例えば金属円筒材７に、径の異なる孔を複数形成するような場合、ガス吐出ノズル１０の吐出口１０ｂの径を最大の孔の径に合わせ、形成する孔の径に応じてアシストガスの流量や圧力を調整するようにしても良い。
金属円筒材７内から切断部Ａを通じて外部に流れ出るアシストガスの圧力、或いは流量をセンサにより検出し、その検出結果からガス吐出ノズル１０のアシストガスの圧力、吐出量を調整弁（調整手段）によって調整するように構成しても良い。
金属円筒材７に孔８を多数形成する場合、金属円筒材７を水平方向に動かすことなく、加工ノズル１およびガス吐出ノズル１０を横方向に移動させたり、金属円筒材７の軸心を中心に回転させることによって孔８の形成位置を変えるようにしても良い。
図４に示すように、加工ノズル１を水平方向だけに動かして金属円筒材７への孔８の形成位置を変える場合、金属円筒材７の上半分に対しては、どの位置でも加工可能である。この場合において、ビームＨＢの照射可能範囲の中心Ｐと当該金属円筒材７の中心Ｏとを結ぶ線Ｅを中心にして、一方向に９０度および他方向に９０度の範囲でアシストガスを供給可能なようにガス吐出ノズル１１を半円形のものにして金属円筒材７の内部の下半分に配置するようにすれば、金属円筒材７の上半分のどの位置で加工が行われようと、アシストガスをその加工部分から外部に流し出すことができ、ガス吐出ノズル１１を回転させて加工部分に吐出口１１ａを合致させる操作が不要となる。
本発明は円筒材に限らず、中空部材であれば、四角や楕円などであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す要部の断面図
【図２】作用を説明するための主要部の断面図
【図３】孔明け加工前後の形態を示す金属円筒材の斜視図
【図４】本発明の他の実施例を示す断面図
【図５】金属円筒材にレーザビームで孔明け加工する場合の問題点を説明するための図１相当図
【符号の説明】
図中、１は加工ヘッド（第１のガス供給手段）、５は回転ヘッド、７は金属円筒材（被加工部材）、８は孔、９はアシストガス導入管、１０ガス吐出ノズル（第２のガス供給手段）である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に空間を有した被加工部材の内外両側からアシストガスを供給しながら高密度エネルギビームを照射して切断加工を行う構成の高密度エネルギビーム加工方法およびその装置に係り、特に切断部へのドロスの付着を極力防止するようにしたものに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来、被加工部材を切断加工して、被加工部材から不要部分を切り離したり、穴を明けたり、細い透溝を形成したりする場合の加工方法として、高蜜度エネルギビームを被加工部材の切断すべき部分（以下、切断加工部）に照射し、その熱で切断加工部を溶融させて切断する方法がある。この切断の際には、通常、高蜜度エネルギビームの照射と同時に、加工ノズルから窒素や酸素などのアシストガスを噴射し、切断加工により生じたドロス（溶融物）や蒸発物を、そのアシストガスによって速やかに除去するようにして、それらが被加工部材や加工ノズルの集光レンズに付着したりしないようにしている。
【０００３】
このように高蜜度エネルギビームの照射側からアシストガスを吹き付けながら被加工部材の切断加工を行うと、多くの場合、高蜜度エネルギビームの照射によって生じたドロスＤがアシストガスにより切断部の下方に流され、切断部の周辺部に付着したりする。
【０００４】
このドロスの付着を防止するために、本出願人は、先に特願平１１−２７３３２号を出願した。これは、高密度エネルギビームの照射側と、その反対側とから供給されるアシストガスのうち、一方のアシストガスは、少なくとも一部が高密度エネルギビームの照射により被加工部材に開口形成された切断部を通じて反対側に流れ、他方のアシストガスは、少なくとも被加工部材の表面部分においてビーム照射部の内側および外側周辺のうちの一方側から他方側へと向く流れを有していることを特徴としている。
【０００５】
この構成によれば、一方のアシストガスが切断部を通じて反対側に流れる際、切断加工によって生じたドロスは、切断部を通じて被加工部材の反対側に押し流される。ドロスが押し流された反対側では、他方のアシストガスがビーム照射部の内側から外側へ、或いは外側から内側へと流れているので、反対側に押し流されたドロスはその他方のアシストガスによって吹き飛ばされる。このため、ドロスの付着を大幅に低減することができるものである。
【０００６】
しかしながら、この方法を内部に空間を有した被加工物に孔を明けるような場合、例えば円筒状の被加工部材の円筒状周壁にその内外を連通する孔を明けるような場合、図５に示すように、ガス吐出ノズル１を円筒状の被加工部材２の一端に当て、加工ノズル３から照射される高密度エネルギビームＨＢによって被加工部材２に孔４が明けられたとき、ガス吐出ノズル１から被加工部材２内に供給されたアシストガスが孔４から外部に流れ出るように構成すると、次のような問題を生ずる。
【０００７】
▲１▼ガス吐出ノズル１から被加工部材２内に供給されたアシストガスが孔４から外部に流れ出るので、ドロスが被加工部材１の内周面側に付着することはないが、孔４が明けられると、高密度エネルギビームＨＢが孔４を透過して反対側の内周面を照射するようになるので、その照射を受けた被加工部材２の内周面が部分的に焼けたり、溶けたりする。
【０００８】
▲２▼明ける孔４の数が少ない場合は良いが、多数明ける場合には、孔４から流出するアシストガスの圧力や流量が低下するので、ドロスを押し流す圧力が低下し、後から明ける孔４ほどドロスが付き易くなる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、内部に空間を有した被加工部材に高密度エネルギビームを照射して内部空間と外部とを連通させる切断加工を行う場合、切断加工によって開口形成された切断部から内部空間に侵入する高密度エネルギビームがその切断部の反対側の内面を照射するという不具合の発生を防止すると共に、切断部の周縁部へのドロスの付着を確実に防止することができる高密度エネルギビーム加工方法およびその装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加工部材の内部空間側からアシストガスを供給するためのガス吐出ノズルを当該内部空間に吐出口が被加工部材のビーム照射部側にあってエネルギービームの光軸に一致するように配置することを特徴とする（請求項１、９）。この構成によれば、切断部を通じて被加工部材の内部空間に侵入する高密度エネルギービームはガス吐出ノズルにより遮られるので、切断部とは反対側が高密度エネルギービームにより照射されることを防止できる。もちろん、切断加工によって生じたドロスは、被加工部材の内部空間から切断部を通じて流出するアシストガスによって外部に押し流され、更に被加工部材の表面を切断部の内側から外側、或いは切断部の外側から内側へと流れるアシストガスにより吹き飛ばされるので、ドロスの付着を効果的に防止できる。
【００１１】
この場合、本発明は、円筒形の被加工部材に対し、ガス吐出ノズルは、被加工部材の円周方向に関して高密度エネルギービームの照射可能範囲の中心と当該円筒形の被加工部材の中心とを結ぶ線を中心にして、一方向に９０度および他方向に９０度の範囲でアシストガスを供給可能とすることができる（請求項２、１０）。このようにすることにより、高密度エネルギービームの照射可能な範囲のうち、どの部位で加工が行われても、ガス吐出ノズルを動かすことなく、切断部からアシストガスを吹き出させることができる。
【００１２】
本発明では、被加工部材の前記内部空間側から供給されるアシストガスの圧力は、被加工部材の外部側から供給されるアシストガスの圧力よりも高くなるように設定することができる（請求項３）。
本発明では、被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルは、アシストガスを高密度エネルギービームによる切断部へのみ供給するように構成できる（請求項４、１１）。このようにすれば、ドロスの付着をより確実に防止できる。
【００１３】
また、被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルの吐出部を、被加工物の内面に接するように構成することができる（請求項５、１２）。これによれば、ガス吐出ノズルから吐出されるアシストガスが確実に切断部を通じて外部に流出するようにできるので、ドロスの付着防止効果が高い。
【００１４】
本発明は、高密度エネルギービームは動かさず、被加工部材を動かして所望の切断部位に高密度エネルギービームが照射されるようにすることができる（請求項６、１３）。これによれば、被加工部材に複数の孔（切断部）を明ける加工をするような場合、これを効率良く行うことができる。
【００１５】
また、被加工部材は動かさず、高密度エネルギービームを動かして所望の切断部位に前記高密度エネルギービームが照射されるようにすることもできる（請求項７、１４）。これによれば、被加工物が大型である場合、或いは移動や回転が困難な形状である場合でも、ドロスの付着を防止しながら高密度エネルギービームによる加工を行うことができる。
【００１６】
本発明は、被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルからのアシストガスの吐出流量または圧力を計測し、一定吐出量または一定圧力となるように調整するように構成することができる（請求項８、１５）。アシストガスは切断加工している部分にだけ供給することが好ましいが、これが困難な場合や切断部位の形状が変化することで、供給するアシストガスの圧力や流量が変動するような場合がある。このような場合、上記のように構成してアシストガスが一定吐出量または一定圧力となるように調整することによってドロスを押し流すアシストガスの流量や圧力を一定にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例をレーザ加工に適用して図１〜図３に基づいて説明する。
図１に示す加工装置において、加工ノズル１は、伝送管２を介して図示しない発振器に接続されており、その加工ノズル１の先端出口１ａの上方には保護ガラス３、更にその上に集光レンズ４が設けられている。そして、発振器から発射された高密度エネルギビームＨＢは、伝送管２中のベントミラー（図示せず）により方向を変えられ、集光レンズ４および保護ガラス３を通過して加工ノズル１の出口１ａから被加工部材に向けて照射される。なお、発振器は、レーザ発振、電子ビーム、光ビームなどが適用できるが、レーザが取扱いの面からすると好適である。
【００１８】
上記加工ノズル１の下方には図示しない加工テーブルが設けられており、その加工テーブル上に中空の回転ヘッド５が設けられている。そして、回転ヘッド５にチャック６が設けられており、このチャック６に被加工部材が取り付けられるようになっている。この実施例において、被加工部材は図３（ａ）に示すような内部に空間を有した金属円筒材７であり、この金属円筒材７に図３（ｂ）に示すような内部空間と外部とを連通させる円形の孔８を多数切断加工する。
【００１９】
上記の加工ノズル１はＺ軸方向（上下方向）に移動可能に構成され、加工テーブルはＸＹ軸方向（水平面内での縦横方向）に移動可能に構成されている。そして、発振器から発射された高密度エネルギビームＨＢは、上述のようにして集光レンズ４を通過してチャック６に取り付けられた金属円筒材７の切断部に集束される。孔８の切断加工時には、加工ノズル１および加工テーブルが移動すると共に、回転ヘッド５が回転し、これにより加工ノズル１が金属円筒材７に対し、切断すべき線に沿って高密度エネルギビームＨＢを照射するように相対移動するようになっている。
【００２０】
１つの孔８の加工を終了すると、次の孔８を切断加工するために、回転ヘッド５を搭載した図示しない加工テーブルが横方向に移動し、或いは回転ヘッド５がチャック６を所定角度回転させて、次の孔８を明ける部分（切断部）を高密度エネルギビームＨＢの照射位置に移動させるようになっている。
【００２１】
さて、切断加工は、金属円筒材７の高密度エネルギビームＨＢの照射部（以下、単にビーム照射部という）に対し、金属円筒材７の内外両側から窒素や酸素などのアシストガスを供給しながら行われる。そのうち、外側からのアシストガスの供給は、加工ノズル１（第１のガス供給手段）から行われるようになっている。すなわち、加工ノズル１には、集光レンズ４よりも出口１ａ側に位置してアシストガス導入管９が設けられており、この導入管９は図示しないガス供給源に接続されている。
【００２２】
ガス供給源からアシストガス導入管９を介して加工ノズル１内に供給されたアシストガスは、加工ノズル１の出口１ａから金属円筒材７の表面に向けて吐出される。加工ノズル１の出口１ａから吐出されたアシストガスは金属円筒材７に当たって当該金属円筒材７の表面に沿って流れる。このとき、加工ノズル１が先細の円錐状をなしていることにより、金属円筒材７の表面に当たったアシストガスのうち、より多くの量のアシストガスがビーム照射分の外側から内側に向かって流れるようになる。
【００２３】
一方、金属円筒材７の内側からのアシストガスの供給は、ガス吐出ノズル１０（第２のガス供給手段）によって行われる。すなわち、このガス吐出ノズル１０は内部にガス通路１０ａを有した円柱状に形成されており、回転ヘッド５の中空内部に当該回転ヘッド５の回転中心と同心となるように通されて先端部分がチャック６から突出している。
【００２４】
ガス吐出ノズル１０の先端部上面には、吐出口１０ｂが垂直上向きとなるように形成されている。この吐出口１０ｂは前記加工ノズル１の真下にあって当該加工ノズル１から照射される高密度エネルギビームＨＢの光軸に一致するようになっている。そして、金属円筒材７の加工に際しては、ガス吐出ノズル１０の先端部分を金属円筒材７の内部空間に挿入しながらチャック６に取り付ける。この場合、ガス吐出ノズル１０の外径寸法は、金属円筒材７の内径寸法とほぼ同一に設定されており、これによりガス吐出ノズル１０が金属円筒材７の内周面に密に嵌合接触接するようになっている。
【００２５】
また、吐出口１０ｂの径寸法は孔８の周縁部へのドロスの付着を防止する上で、孔８の径より大きくする必要があるが、余り大きくすると、加工中の孔８の他に隣の加工済みの孔８が吐出口１０ｂにかかってしまい、加工中の孔８から流れ出るアシストガスの量や圧力が減少し、ドロスの押し流し効果が減少する。そこで、この実施例では、孔８の径の他に孔８のピッチを加味して、孔８の径が０．３ｍｍに対して吐出口１０ｂの径は１．０ｍｍとして加工中の１個の孔８だけからアシストガスが流れ出るようにしてある。
【００２６】
そして、ガス吐出ノズル１０から吐出されるアシストガスは１個の孔８だけからしか流れ出ないようにしてあることから、加工ノズル１から供給されるアシストガスの圧力を０．４ＭＰａに設定するのに対し、ガス吐出ノズル１０から供給されるアシストガスの圧力は０．７ＭＰａにして切断部において金属円筒材７内から流れ出るアシストガスの方が高圧力となるようにしている。
【００２７】
次に上記構成の作用を説明する。
金属円筒材７に孔明け加工を行うには、まる金属円筒材７を図１に示すようにチャック６に取り付ける。そして、加工ノズル１から高密度エネルギビームＨＢを金属円筒材７に照射しながら、アシストガス導入管９から加工ノズル１内にアシストガスを導入し、その加工ノズル１の内部を通して出口１ａからアシストガスをビーム照射部に向けて吐出させる。また、ガス吐出ノズル１０のガス通路１０ａ内のアシストガスにガス圧を加えて置く。
【００２８】
ビームＨＢが金属円筒材７に照射されると、ビーム照射部が加熱されて溶融する。この溶融（切断）により、図２に示すように、金属円筒材７の切断加工部の一部に内外に開通する切断部Ａが明けられる。なお、図示しない加工テーブルを移動させながら回転ヘッド５を回転させてビーム照射部が切断加工部に沿って相対移動するようにすることにより、その切断部Ａが孔８の縁に沿って円形に連続的に移動し、孔８として形成されるものである。
【００２９】
さて、金属円筒材７に切断部Ａが明けられると、図２に矢印Ｂに示すように、ガス吐出ノズル１０の吐出口１０ｂからアシストガスが切断部Ａを通して金属円筒材７の外側へと流れ出し、このアシストガスは、切断部Ａの切断加工によって生じたドロスＤを金属円筒材７の外側へと押し流す。これにより、ドロスＤが切断部Ａの内面および金属円筒材７の内周面における切断部Ａの開口周縁部分に付着して残ることが防止される。
【００３０】
金属円筒材７の外側に押し流されたドロスＤは、図２に矢印Ｃで示すように、加工ノズル１から吹き出されて金属円筒材７の表面をビーム照射部にその外側から内側へと向かって流れるアシストガスによって切断部Ａの周縁から内側へと押し流され、そしてガス吐出ノズル１０から切断部Ａを通って外部に流れ出るアシストガスによって上方へと吹き飛ばされる。この結果、ドロスＤが金属円筒材７の外周面に付着することを防止できる。
【００３１】
一方、金属円筒材７に切断部Ａが明けられると、加工ノズル１から照射されるビームＨＢが切断部Ａを通じて金属円筒材７内に侵入するようになる。しかしながら、本実施例では、金属円筒材７内にガス吐出ノズル１０が嵌合されていてビームＨＢの光軸上にはガス吐出ノズル１０が位置しているので、切断部Ａを通過したビームＨＢはガス吐出ノズル１０により遮断され、金属円筒材７の内周面を照射するような事態に至るおそれはない。
【００３２】
このようにして１個の孔８を加工した後、別の孔８を加工するには、加工ノズル１とガス吐出ノズル１０を動かすことなく、つまりビームＨＢを動かすことなく、加工テーブルを横方向に移動させたり、回転ヘッド５を回転させたりすることによって別の孔８を形成する部位を加工ノズル１とガス吐出ノズル１０の吐出口１０ａとを結ぶ線上に次の孔加工部位を位置させる。この孔加工時においても上記と同様にしてドロスの付着と内周面に対するビーム照射が防止される。この場合、明いた孔８の数が増加しても、ガス吐出ノズル１０から供給されるアシストガスは切断加工中の孔８部分にしか供給されず、しかも吐出口１０ａの周縁部は金属円筒材７の内周面に接していて金属円筒材７内に漏れ出ないようになっているので、ガス吐出ノズル１０から吐出されたアシストガスは全て切断加工中の孔８部分から外部に流れ出るようになる。このため、ドロスを外に流し出すように当該ドロスに作用する圧力が大きくなり、ドロスの付着防止をより確実に行うことができる。
【００３３】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
例えば金属円筒材７に、径の異なる孔を複数形成するような場合、ガス吐出ノズル１０の吐出口１０ｂの径を最大の孔の径に合わせ、形成する孔の径に応じてアシストガスの流量や圧力を調整するようにしても良い。
金属円筒材７内から切断部Ａを通じて外部に流れ出るアシストガスの圧力、或いは流量をセンサにより検出し、その検出結果からガス吐出ノズル１０のアシストガスの圧力、吐出量を調整弁（調整手段）によって調整するように構成しても良い。
金属円筒材７に孔８を多数形成する場合、金属円筒材７を水平方向に動かすことなく、加工ノズル１およびガス吐出ノズル１０を横方向に移動させたり、金属円筒材７の軸心を中心に回転させることによって孔８の形成位置を変えるようにしても良い。
図４に示すように、加工ノズル１を水平方向だけに動かして金属円筒材７への孔８の形成位置を変える場合、金属円筒材７の上半分に対しては、どの位置でも加工可能である。この場合において、ビームＨＢの照射可能範囲の中心Ｐと当該金属円筒材７の中心Ｏとを結ぶ線Ｅを中心にして、一方向に９０度および他方向に９０度の範囲でアシストガスを供給可能なようにガス吐出ノズル１１を半円形のものにして金属円筒材７の内部の下半分に配置するようにすれば、金属円筒材７の上半分のどの位置で加工が行われようと、アシストガスをその加工部分から外部に流し出すことができ、ガス吐出ノズル１１を回転させて加工部分に吐出口１１ａを合致させる操作が不要となる。
本発明は円筒材に限らず、中空部材であれば、四角や楕円などであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す要部の断面図
【図２】作用を説明するための主要部の断面図
【図３】孔明け加工前後の形態を示す金属円筒材の斜視図
【図４】本発明の他の実施例を示す断面図
【図５】金属円筒材にレーザビームで孔明け加工する場合の問題点を説明するための図１相当図
【符号の説明】
図中、１は加工ヘッド（第１のガス供給手段）、５は回転ヘッド、７は金属円筒材（被加工部材）、８は孔、９はアシストガス導入管、１０ガス吐出ノズル（第２のガス供給手段）である。
Claims (15)
- 内部に空間を有した被加工部材に高密度エネルギービームを照射して、被加工部材と内部空間と外部とを連通させる切断加工を行う高密度エネルギービーム加工方法において、
前記被加工部材のビーム照射部へ、前記高密度エネルギービームの照射側である外部側と、その反対側である内部空間側とからアシストガスを供給し、この被加工部材の内外両側から供給されるアシストガスのうち、前記内部空間側から供給されるアシストガスは、少なくとも一部が前記高密度エネルギービームの照射により前記被加工部材に開口形成された切断部を通じて外側に流れ、外部側から供給されるアシストガスは、少なくとも前記被加工部材の表面部分において前記ビーム照射部の内側および外側周辺のうちの一方側から他方側へと向く流れを有していると共に、
前記内部空間側からアシストガスを供給するために、１つの吐出口を有するガス吐出ノズルを、当該内部空間に前記吐出口が前記被加工部材の前記ビーム照射部側にあって前記エネルギービームの光軸に一致するように配置し、これにより、前記切断部を通じて被加工部材の内側に侵入する前記高密度エネルギービームを前記ガス吐出ノズルにより遮って前記切断部とは反対側が高密度エネルギービームにより照射されないようにしたことを特徴とする高密度エネルギービーム加工方法。 - 内部に空間を有した円筒形の被加工部材に高密度エネルギービームを照射して、被加工部材と内部空間と外部とを連通させる切断加工を行う高密度エネルギービーム加工方法において、
前記被加工部材のビーム照射部へ、前記高密度エネルギービームの照射側である外部側と、その反対側である内部空間側とからアシストガスを供給し、この被加工部材の内外両側から供給されるアシストガスのうち、前記内部空間側から供給されるアシストガスは、少なくとも一部が前記高密度エネルギービームの照射により前記被加工部材に開口形成された切断部を通じて外側に流れ、外部側から供給されるアシストガスは、少なくとも前記被加工部材の表面部分において前記ビーム照射部の内側および外側周辺のうちの一方側から他方側へと向く流れを有していると共に、
前記内部空間側からアシストガスを供給するために、ガス吐出ノズルを当該内部空間に配置することにより、前記切断部を通じて被加工部材の内側に侵入する前記高密度エネルギービームを前記ガス吐出ノズルにより遮って前記切断部とは反対側が高密度エネルギービームにより照射されないようにし、且つ、前記ガス吐出ノズルは、前記円筒形の被加工部材の円周方向に関して前記高密度エネルギービームの照射可能範囲の中心と当該円筒形の被加工部材の中心とを結ぶ線を中心にして、一方向に９０度および他方向に９０度の範囲でアシストガスを供給可能であることを特徴とする高密度エネルギービーム加工方法。 - 前記被加工部材の前記内部空間側から供給されるアシストガスの圧力は、前記被加工部材の前記外部側から供給されるアシストガスの圧力よりも高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の高密度エネルギービーム加工方法。
- 前記被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルは、アシストガスを前記高密度エネルギービームによる切断部へのみ供給することを特徴とする請求項１または３記載の高密度エネルギービーム加工方法。
- 前記被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルの吐出部は、前記被加工物の内面に接することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工方法。
- 前記高密度エネルギービームは動かさず、前記被加工部材を動かすことにより所望の切断部位に前記高エネルギービームが照射されるようにしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工方法。
- 前記被加工部材は動かさず、前記高密度エネルギービームを動かすことにより所望の切断部位に前記高密度エネルギービームが照射されるようにしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工方法。
- 前記被加工部材の内部空間のガス吐出ノズルからのアシストガスは、吐出流量または圧力を計測し、一定吐出量または一定圧力となるように調整することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工方法。
- 被加工部材に高密度エネルギービームを照射して切断加工を行う高密度エネルギービーム加工装置において、
前記被加工部材のビーム照射部へ当該被加工部材の外部側からアシストガスを供給する第１のガス供給手段と、
前記高密度エネルギービームの照射部へ当該被加工部材の内部空間側からアシストガスを供給し、そのアシストガスの少なくとも一部を前記高密度エネルギービームの照射によって前記被加工部材に開口形成された切断部から外部に流す第２のガス供給手段と、
前記第１のガス供給手段から供給されるアシストガスの少なくとも一部を、前記被加工部材の表面部分において前記ビーム照射部の内側および外側周辺のうちの一方側から他方側へと向くように流す手段とを備え、
前記第２のガス供給手段を１つの吐出口を有するガス吐出ノズルから構成し、そのガス吐出ノズルを前記被加工部材の内部空間に前記吐出口が前記被加工部材の前記ビーム照射部側にあって前記エネルギービームの光軸に一致するように配置することにより、前記切断部を通じて被加工部材の内側に侵入する前記高密度エネルギービームを前記ガス吐出ノズルにより遮って前記切断部とは反対側が高密度エネルギービームにより照射されないようにしたことを特徴とする高密度エネルギービーム加工装置。 - 円筒形の被加工部材に高密度エネルギービームを照射して切断加工を行う高密度エネルギービーム加工装置において、
前記被加工部材のビーム照射部へ当該被加工部材の外部側からアシストガスを供給する第１のガス供給手段と、
前記高密度エネルギービームの照射部へ当該被加工部材の内部空間側からアシストガスを供給し、そのアシストガスの少なくとも一部を前記高密度エネルギービームの照射によって前記被加工部材に開口形成された切断部から外部に流す第２のガス供給手段と、
前記第１のガス供給手段から供給されるアシストガスの少なくとも一部を、前記被加工部材の表面部分において前記ビーム照射部の内側および外側周辺のうちの一方側から他方側へと向くように流す手段とを備え、
前記第２のガス供給手段をガス吐出ノズルから構成し、そのガス吐出ノズルを前記被加工部材の内部空間に配置することにより、前記切断部を通じて被加工部材の内側に侵入する前記高密度エネルギービームを前記ガス吐出ノズルにより遮って前記切断部とは反対側が高密度エネルギービームにより照射されないようにすると共に、前記ガス吐出ノズルを、前記円筒形の被加工部材の円周方向に関して前記高密度エネルギービームの照射可能範囲の中心と当該円筒形の被加工部材の中心とを結ぶ線を中心にして、一方向に９０度および他方向に９０度の範囲でアシストガスを供給可能なように略半円形に形成されていることを特徴とする高密度エネルギービーム加工装置。 - 前記被加工部材の内部空間に配置されたガス吐出ノズルは、アシストガスを前記高密度エネルギービームによる切断部へのみ供給するように構成されていることを特徴とする請求項９記載の高密度エネルギービーム加工装置。
- 前記被加工部材の内部空間に配置されるガス吐出ノズルの吐出部は、前記被加工物の内面に接していることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工装置。
- 前記高密度エネルギビームは動かさず、前記被加工部材を動かすことにより、所望の切断部位に前記高エネルギービームが照射されるように構成されていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工装置。
- 前記被加工部材は動かさず、前記高密度エネルギービームを動かすことにより、所望の切断部位に前記高密度エネルギービームが照射されるように構成され ていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工装置。
- 前記被加工部材の内部空間のガス吐出ノズルからのアシストガスの吐出流量または圧力を計測する計測手段と、この計測手段による計測に基づいて前記被加工部材の内部空間のガス吐出ノズルからのアシストガスの吐出量または圧力が一定となるように調整する調整手段とを備えていることを特徴とする請求項９ないし１４のいずれかに記載の高密度エネルギービーム加工装置。
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