JP4390627B2 - レーザ焼き入れ工具 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の工具保持部に係脱自在となるように構成されたレーザ焼き入れ工具に関する。

従来、工具を交換することができる工作機械が使用されており、該工作機械を用いて種々の機械加工が行われていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−０７７４６７号公報

このような工作機械においては、機械加工だけでなく、レーザ光による表面焼き入れをワークに施したい場合もあるが、適切な構造のものは提案されていなかった。

本発明は、工作機械の工具保持部に係脱自在となるように構成されたレーザ焼き入れ工具を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、図１(a) 及び図２(a) に例示するものであって、工作機械（２００）の工具保持部（２０２）に係合可能な係合部（１０１）と、
供給されたレーザ光の通路となる導波路（１０２，１１２）と、
該導波路（１０２，１１２）を通過したレーザ光をワーク（Ｗ）に照射するトーチ部（１０３，１１３）と、
前記係合部（１０１）が前記工具保持部（２０２）に係合されている場合には前記導波路（１０２，１１２）の端部を開口させてレーザ光の供給を許容し、前記係合部（１０１）が前記工具保持部（２０２）に係合されていない場合には前記導波路（１０２，１１２）の端部を閉塞して該端部への異物の付着を抑制するシャッター手段（１０５，１１５，１２５）と、
を備えたレーザ焼き入れ工具（１００，１１０）についてのものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記導波路のレーザ光が供給される端部（１０２ａ，１１２ａ）は、前記係合部（１０１）の軸（１０１ａ）に対してオフセットした位置に配置された（図１，図２の符号ΔＸ参照）、ことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記導波路（１１２）は、外周面に反射処理が施された導光体により構成され、かつ、
レーザ光は前記外周面にて反射されながら前記導光体（１１２）を透過される、ことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記シャッター手段（１２５）は、前記導波路の端部を閉塞する閉塞位置と該端部を開口させる開口位置とに移動可能なシャッター部材（１２５１）と、該シャッター部材（１２５１）を前記閉塞位置に付勢するバネ部材（１２５２）と、からなり、
前記シャッター部材（１２５１）は、前記係合部（１０１）が前記工具保持部（２０２）に係合される際に前記バネ部材（１２５２）に抗して前記開口位置に移動され、前記係合部（１０１）が前記工具保持部（２０２）から取り外された場合に前記バネ部材（１２５２）の付勢力によって前記閉塞位置に移動される、ことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明において、前記導波路（１０２，１１２）の近傍に、流体の流れる冷却通路（１０６，１１６）が形成された、ことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明において、前記流体がガスであり、前記冷却通路（１０６，１１６）が前記ワーク（Ｗ）に対向する位置で開口され、かつ、
該ワークに対して、レーザ光の照射とガスの噴射とを行う、ことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発明において、前記トーチ部（１０３，１１３）におけるレーザ光の通路（１０３ａ，１１３ａ）は、断面積が漸次減少するようにテーパ状に形成された、ことを特徴とする。

なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

請求項１に係る発明によれば、工作機械においてレーザ焼き入れ加工を行うことができる。また、前記導波路の端部への異物の付着等を抑制でき、導波路中の異物の存在に起因するレーザ光のパワーダウンを回避することができる。

請求項２に係る発明によれば、前記導波路にレーザ光を供給する光路（光導波部）と、工具保持部との干渉を回避することができる。

請求項３に係る発明によれば、前記導光体の位置を変えるだけで、レーザ光の光路位置を簡単に調整することができる。

請求項４に係る発明によれば、レーザ焼き入れ工具の装着／脱着に応じてシャッター部材が勝手に移動するので、該部材を移動させるという手間が無くなるだけでなく、誤操作や操作忘れを防止できる。

請求項５に係る発明によれば、レーザ光の通過に伴う発熱を抑えることができる。

請求項６に係る発明によれば、ワーク表面の異物の除去、並びにワークの冷却を行うことができる。また、ガスに不活性ガスを用いた場合には、焼き入れ部のシールドを行うことができる。

請求項７に係る発明によれば、テーパ状の通路により、パワー密度が高められたレーザ光をワークに照射することができる。

図１(a)は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具の構造の一例を示す部分断面図であり、同図(b)はトーチ部１０３の構造を示す側面図であり、同図(c)はシャッター手段１０５の構成を示す側面図である。図２(a)は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具の構造の他の例を示す部分断面図であり、同図(b)はトーチ部１１３の構造を示す側面図である。図３は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具が装着される工作機械の構造の一例を示す断面図である。図４は、導波路（レーザ光の通路）の端部を適宜閉塞するシャッター手段の構成を示す図であり、(a)は閉塞位置にある状態を示す断面図、(b)は開口位置にある状態を示す断面図、(c)は閉塞位置にある状態を示す側面図である。図５は、レーザ焼き入れ工具を装着した工作機械の構造の一例を示す断面図である。

本発明に係るレーザ焼き入れ工具は、図３に示すような工作機械２００において、レーザ焼き入れ加工をしたい場合に、符号２０１で示す機械加工用工具を刃物台などの工具保持部２０２から取り外し、該工具の代わりに装着されるものである。その装着／脱着は自動交換装置(ATC, Automatic Tool Changer)によって行うと良い。

本発明に係るレーザ焼き入れ工具は、図１(a)に符号１００で例示するような形状であって、工作機械２００の工具保持部２０２に係合可能な係合部１０１と、供給されたレーザ光の通路となる導波路１０２と、該導波路１０２を通過したレーザ光をワークＷに照射するトーチ部１０３と、を備えている。このようなレーザ焼き入れ工具を使用すれば、工作機械２００において機械加工の他にレーザ焼き入れ加工を行うことができる。なお、係合部１０１は、軸１０１ａを中心とした略円錐形状（断面が円形）に形成すると良く、先端部（符号１０１ｂ参照）には係止部を形成すると良い。

ここで、図１(a)に示す導波路１０２は、所定の部材１０４の内部に形成された中空通路であって、該通路の内面には反射処理が施されており、レーザ光は前記面にて反射されながら前記中空通路を透過されるようになっている。反射処理としては、ラッピング仕上げや鏡面仕上げや、金や銀のコーティング等を挙げることができる。部材１０４としては金属を挙げることができ、例えば、アルミニウムを使用すると良い。中空通路を形成する方法としては、部材１０４を複数に分割できるようにしておき、その合わせ面に溝を形成する方法を挙げることができる。このように複数の部材に分割する場合、その合わせ面の隙間から光が漏れないようにする必要がある。そして、導波路を中空通路１０２にて構成する場合には(該中空通路を機械加工にて形成することができ）導波路の位置精度を高めることができる。

ところで、導波路を中空通路とするのではなく、図２(a)に例示するように、外周面に反射処理が施された導光体１１２により構成しても良い。この場合、レーザ光は前記外周面にて反射されながら前記導光体１１２を透過されることとなる。反射処理としては、金や銀のコーティングを挙げることができる。導光体１１２としては、ガラス等を挙げることができる。このように導光体１１２で導波路を形成した場合には、導光体１１２の位置を変えるだけで、レーザ光の光路位置を簡単に調整することができる。

一方、レーザ光の断面積（横断面の面積）が漸次減少されるように導波路１０２，１１２やトーチ部１０３，１１３を構成して、パワー密度が高められたレーザ光がワークＷに照射されるようにしても良い。中空の導波路１０２においてレーザ光の断面積を漸次減少させるには、図１４(a)(b)に示すように、トーチ部１０３の手前側（レーザ光照射方向の上流側で、図示右側）で前記導波路１０２を湾曲させてコーナ部１０２ｂを形成し、該コーナ部１０２ｂに鏡１０７を配置し、該鏡１０７にて反射されたレーザ光１０８が収束されてワークＷに照射されるようにすると良い。また、トーチ部１０３，１１３においてレーザ光の断面積を漸次減少させるには、図１５に例示するように、トーチ部におけるレーザ光の通路１０３ａを、その断面積（横断面の面積）が漸次減少するようにテーパ状に形成すると良い。なお、鏡１０７は、部材１０４（導波路１０２のコーナ部１０２ｂ）に鏡として作用する曲面を直接削り出して、反射処理する形で加工することにより、配置しても良い（つまり、コーナ部１０２ｂの壁面を鏡として機能させても良い）。この場合、鏡１０７と部材１０４は物理的に同一の部材から構成されることとなる。なお、この鏡１０７は図示のように凹面鏡としても良いが、平面鏡としても良い。

なお、前記導波路１０２，１１２の端部（レーザ光が供給される供給口）１０２ａ，１１２ａは、前記係合部１０１の軸１０１ａに対してオフセットした位置に配置されていると良い（図１，図２の符号ΔＸ参照）。そのように構成した場合には、導波路１０２，１１２にレーザ光を供給する光路（図７の符号３１参照）と、工具保持部２０２との干渉を回避することができる。

この導波路１０２，１１２の端部にシャッター手段（図１(a)の符号１０５、図２(a)の符号１１５、図４の符号１２５参照）を配置し、前記係合部１０１が前記工具保持部２０２に係合されている場合には前記導波路１０２，１１２の端部１０２ａ，１１２ａを開口させてレーザ光の供給を許容し、前記係合部１０１が前記工具保持部２０２に係合されていない場合には前記導波路１０２，１１２の端部を閉塞して該端部への異物の付着や侵入を抑制するようにすると良い。工作機械の場合、空気中にオイルミストが浮遊しているのが一般的であり、上述のようなシャッター手段１０５，１１５，１２５はそのようなオイルミストの導波路１０２，１１２への付着や侵入を抑制できて非常に好適である。そして、レーザ焼き入れ工具を使用する場合において、導波路中の異物の存在に起因するレーザ光のパワーダウンを回避することができる。

このシャッター手段は図１(a)(c)に示すように構成しても、図４に示すように構成しても良い。

図１(a)(c)に示すシャッター手段１０５は、回動自在（自転可能）な軸部１０５１と、該軸部１０５１に取り付けられたシャッター部材１０５２と、により構成され、軸部１０５１を矢印Ａ，Ｂ間に移動させることにより、図示しないカム機構によりシャッター部材１０５２が、
・ 導波路端部を開口させる回転位置と、
・ 導波路端部を閉塞する回転位置と、
に選択的に移動されるように構成されている。

図４(a)(b)(c)に示すシャッター手段１２５は、前記導波路１１２の端部を閉塞する閉塞位置（同図(a)及び(c)参照）と該端部を開口させる開口位置（同図(b)参照）とに移動可能なシャッター部材１２５１と、該シャッター部材１２５１を前記閉塞位置に付勢するバネ部材１２５２と、からなり、
・ 前記シャッター部材１２５１は、同図(b)に示すように、前記係合部１０１が前記工具保持部２０２に係合される際に前記バネ部材１２５２に抗して前記開口位置に移動され、
・ 前記係合部１０１が前記工具保持部２０２から取り外された場合に前記バネ部材１２５２の付勢力によって前記閉塞位置に移動される、
ようになっている。なお、シャッター部材１２５１は復元力のあるゴム板等で形成すると良く、該シャッター部材１２５１は略円筒状の部材１２５３にて保持すると良い。シャッター手段を図１又は図４のように構成した場合、レーザ焼き入れ工具の工作機械への装着／脱着に応じて部材１０５１，１２５３が工具保持部２０２と当接してシャッター部材１０５２，１２５１が移動するので、該部材１２５１を移動させるという手間が無くなるだけでなく、誤操作や操作忘れを防止できる。

ところで、前記導波路１０２，１１２の近傍に、流体の流れる冷却通路１０６，１１６を形成すると良い。その場合、レーザ光の通過に伴う発熱を抑えることができる。流体としては、液体（水等）やガスが考えられるが、冷却通路１０６，１１６を前記ワークに対向する位置で開口して（流体にガスを用い）ワークＷにガスを噴射させるようにした場合には、ワーク表面の異物の除去、並びにワークの酸化防止及び冷却を行うことができる。例えば、切削加工を行った後にレーザ焼き入れを行うような場合であっても、ワーク表面に残留している切削用水や切削粉を除去でき、レーザ加工を品質良く行うことができる。また、焼き入れ加工中にワークが過熱されると、焼き入れ性能が低下するので、その場合、エアパージによりワークの冷却をして、焼き入れ性能の低下を低減することも可能となる。また、ガスに不活性ガスを用いた場合には、焼き入れ部のシールドを行うことができる。

図５は、レーザ焼き入れ工具１００を工作機械に装着した状態を示す断面図であり、図中の符号Ａはレーザ光を該工具１００に供給するレーザ光発生装置を示す。このレーザ光発生装置Ａとしては、様々な構造のものを挙げることができるが、その一例を図６乃至図１３に沿って説明する。

このレーザ光発生装置は、図６及び図７に示すように、レーザ光を出射する半導体レーザ光源２と、該出射されたレーザ光を上述したレーザ焼き入れ工具１００（或いは１１０）に供給する通路である光導波部３と、を備えている。

以下、半導体レーザ光源２、及び光導波部３について詳述する。

半導体レーザ光源２は、図８に詳示するように、レーザ光を出射するエミッタ２０を複数有している。この光源２は、
・ エミッタ２０を一列に並べた“アレイ型”としても、
・ 該アレイを複数積層させた“スタック型”としても、
良い。また、図６では半導体レーザ光源２を３つ設けているが、１つや２つでも、或いは４つ以上設けても良い。このような半導体レーザ光源２としては、米国コヒレント社製の半導体レーザスタックアレー「Ｌｉｇｈｔ Ｓｔａｃｋ」を挙げることができる。例えば、１９個のエミッタ（４０Ｗ）によりアレイを構成し、該アレイを２５段積層（スタック）して、エミッタの総数を１９個×２５段＝４７５個（４０Ｗ×２５段＝１ｋＷ）とすると良い。このようなレーザスタックを図６に示すように３個用いた場合には、エミッタの総数は４７５個×３＝１４２５個（１ｋＷ×３＝３ｋＷ）となる。

前記光導波部３は、図７に詳示するように、複数の光ファイバ３００の束からなる第１光導波部３０と、該第１光導波部３０からの光を通過させるように配置された第２光導波部３１と、により構成すると良い。そして、各光ファイバ３００は、一端を前記エミッタ２０に対向するように配置し（図８参照）、各エミッタ２０から出射されるレーザ光をそれぞれ伝送するようにすると良い。各光ファイバ３００の端末部は、樹脂３０１に埋め込んだ状態で各エミッタ２０に対向配置させると良い。なお、光ファイバ３００の端末部とエミッタ２０との間にマイクロレンズ（速軸集光レンズや遅軸集光レンズ）２１を配置して、エミッタ２０からのレーザ光を光ファイバ３００の端面に集光させると良い。このようなマイクロレンズ２１はシート状にして、半導体レーザ光源２に貼着すると良い。その貼着は、接着剤やハンダ付けによって行うと良い。光ファイバ３００の他端は束ねてバンドル構造にすると良い。光ファイバ３００は、エミッタ２０の数と同数にすると良い。

ところで、前記光導波部３は、断面積（横断面の面積）が漸次減少するように構成されたテーパ光路部を有し、前記半導体レーザ光源２からのレーザ光は、前記テーパ光路部を通過する過程でパワー密度が高められ、ワークＷに照射される、ようにすると良い。

例えば、第１光導波部３０におけるバンドル構造にした部分（以下、“バンドル部”とする）の光ファイバ３００を、断面積が漸次減少するように構成し、テーパ光路部とすると良い（図９の符号３０２参照）。エミッタ２０の数を１４２５個とした場合には光ファイバ３００の数も１４２５本必要となり、１本の光ファイバ３００の径を２５０μｍとした場合にはバンドル径は２５０μｍ×１４２５本＝φ１１ｍｍとなり、１本の光ファイバ３００の径を５００μｍとした場合にはバンドル径は５００μｍ×１４２５本＝φ２２ｍｍとなる。しかし、バンドル径がφ１１ｍｍやφ２２ｍｍのままでは、レーザ光のパワー密度は高められず、レーザ加工は到底行うことはできない。そこで、バンドル径がφ４〜５ｍｍ程度になるように、バンドル部３０２の光路断面積を漸次減少させ、１００Ｗ／ｍｍ^２のパワー密度（２ｋＷの出力）を得るようにすると良い。光路断面積を漸次減少させる方法としては、
・ 各光ファイバ３００の端末部をテーパ状に加工してからバンドルする方法や、
・ テーパ型ファイバ（特開２００３−１００１２３号公報、特開２００３−０７５６５８号公報、特開２００２−２８９０１６号公報参照）を使用する方法、
がある。図１０(a)はテーパ状に加工される前の１本のファイバ３００を示し、符号３００ａはクラッドを示し、符号３００ｂはコアを示す。同図(b)はテーパ状に加工された後のファイバ３００を示し、同図(c)はテーパ加工後のファイバをバンドル構造とした状態を示し、符号３０３は、新たに被覆したクラッドを示す。

一方、テーパ光路部を第１光導波部３０にではなく第２光導波部３１に設けても良い。その方法としては、
・ 図１０(c)に示すようなテーパ状のバンドル部を、第１光導波部３０に用いるのではなく、第２光導波部３１に用いる方法
・ 上述のようなテーパ型ファイバを、第１光導波部３０に用いるのではなく、第２光導波部３１に用いる方法
・ レーザ光を透過する部材（導光部材）によりテーパ状通路（中実通路）を形成する方法（不図示）
・ 所定の部材（以下、“通路形成部材”とする）の内部にテーパ状中空通路を形成する方法（図１１参照）
を挙げることができる。通路形成部材としては金属を挙げることができ、例えば、アルミニウムを使用すると良い。中空通路を形成する方法としては、図１１に示すように、通路形成部材を複数の部材３１０に分割できるようにしておき、その合わせ面３１０ａに溝３１０ｂを形成する方法を挙げることができる。該溝３１０ｂの部分には、鏡面仕上げやラッピング仕上げや金属コーティングを行うと良い。上述した第２光導波部３１には、断面積がほとんど変化せずにレーザ光の伝送だけを目的とした通路（符号３１０ｃ参照）を形成すると良い。図１１の構成とした場合には、全ての通路を機械加工で形成することができ、導光体としてのガラスやレンズを不要とし、製作が簡単となる。この第２光導波部３１にも、レーザ焼き入れ工具と同様に、冷却用の通路を設けると良い。

ところで、レーザ焼き入れ工具は上述のように取り外し自在に構成するので、レーザ焼き入れ工具１００，１１０が取り外された状態では第２光導波部３１の開口端部を閉塞し、空気中のオイルミスト等の異物が導波通路に付着したり侵入したりしないようにする必要がある。そのための構成としては図１２及び図１３に示すものがある。図中の符号３１１は、図１３(a)の符号Ｅに示すように回動自在で、かつ同図(b)の符号Ｆに示すように回転軸の軸方向に出入り自在となるように構成されていて、３１１Ａの状態では第２光導波部３１の開口端３１ａを開放してレーザ焼き入れ工具を接続できる状態にし、３１１Ｂから３１１Ｃに移動した状態では該開口端３１ａを閉塞して、該開口端３１ａに異物が侵入したり付着したりしないように構成されている。

図１(a)は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具の構造の一例を示す部分断面図であり、同図(b)はトーチ部１０３の構造を示す側面図であり、同図(c)はシャッター手段１０５の構成を示す側面図である。 図２(a)は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具の構造の他の例を示す部分断面図であり、同図(b)はトーチ部１１３の構造を示す側面図である。 図３は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具が装着される工作機械の構造の一例を示す断面図である。 図４は、導波路（レーザ光の通路）の端部を適宜閉塞するシャッター手段の構成を示す図であり、(a)は閉塞位置にある状態を示す断面図、(b)は開口位置にある状態を示す断面図、(c)は閉塞位置にある状態を示す側面図である。 図５は、レーザ焼き入れ工具を装着した工作機械の構造の一例を示す断面図である。 図６は、レーザ発生装置の構造やレーザ焼き入れ工具の配置状態を示す斜視図である。 図７は、レーザ発生装置の構造やレーザ焼き入れ工具の配置状態を示す部分断面図である。 図８は、半導体レーザ光源等の外観を示す斜視図である。 図９は、レーザ焼き入れ工具の装着部分の構造を示す部分断面図である。 図１０は、テーパ光路部の構造の一例を示す図である。 図１１は、第２導波部３１の構造の一例を示す分解斜視図である。 図１２は、レーザ発生装置やレーザ焼き入れ工具を示す斜視図である。 図１３は、第２導波部３１の開口端の閉塞機構の一例を示す図である。 図１４(a)は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具の構造の他の例を示す部分断面図であり、同図(b)は、導波路１０２のコーナ部に配置された鏡１０７にてレーザ光が反射される様子を示す詳細断面図である。 図１５は、本発明に係るレーザ焼き入れ工具の構造の他の例を示す部分断面図である。

符号の説明

１００ レーザ焼き入れ工具
１０１ 係合部
１０２ 導波路
１０２ａ コーナ部
１０３ トーチ部
１０３ａ レーザ光の通路
１０４ 中空通路が形成される部材
１０５ シャッター手段
１０６ 冷却通路
１０７ 凹面鏡
１１０ レーザ焼き入れ工具
１１２ 導波路
１１３ トーチ部
１１３ａ レーザ光の通路
１１５ シャッター手段
１１６ 冷却通路
１２５ シャッター手段
２００ 工作機械
２０２ 工具保持部
１２５１ シャッター部材
１２５２ バネ部材
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. 工作機械の工具保持部に係合可能な係合部と、
   供給されたレーザ光の通路となる導波路と、
   該導波路を通過したレーザ光をワークに照射するトーチ部と、
   前記係合部が前記工具保持部に係合されている場合には前記導波路の端部を開口させてレーザ光の供給を許容し、前記係合部が前記工具保持部に係合されていない場合には前記導波路の端部を閉塞して該端部への異物の付着を抑制するシャッター手段と、
   を備えたレーザ焼き入れ工具。
2. 前記導波路のレーザ光が供給される端部は、前記係合部の軸に対してオフセットした位置に配置された、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ焼き入れ工具。
3. 前記導波路は、外周面に反射処理が施された導光体により構成され、かつ、
   レーザ光は前記外周面にて反射されながら前記導光体を透過される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ焼き入れ工具。
4. 前記シャッター手段は、前記導波路の端部を閉塞する閉塞位置と該端部を開口させる開口位置とに移動可能なシャッター部材と、該シャッター部材を前記閉塞位置に付勢するバネ部材と、からなり、
   前記シャッター部材は、前記係合部が前記工具保持部に係合される際に前記バネ部材に抗して前記開口位置に移動され、前記係合部が前記工具保持部から取り外された場合に前記バネ部材の付勢力によって前記閉塞位置に移動される、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ焼き入れ工具。
5. 前記導波路の近傍に、流体の流れる冷却通路が形成された、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ焼き入れ工具。
6. 前記流体がガスであり、前記冷却通路が前記ワークに対向する位置で開口され、かつ、
   該ワークに対して、レーザ光の照射とガスの噴射とを行う、
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ焼き入れ工具。
7. 前記トーチ部におけるレーザ光の通路は、断面積が漸次減少するようにテーパ状に形成された、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ焼き入れ工具。
   

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