JP4812172B2 - レーザによるr面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザによるR面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
特に、食品加工機械業界ではステンレス鋼板の薄板が多く使用されており、レーザ切断された部材端部で作業者が怪我をしない様に部材端部の面取り加工が行われている。この面取り加工は、通常はヤスリまたはサンダーなどを用いて人手によって行われている。
【0003】
また、上述の面取り加工をレーザで行う技術もある。例えば、本願出願人の出願である特開平11−138283号公報には、マグネシュウム合金をレーザ切断したときに生じるばり(かえり)の除去および切断端面の溶融仕上げ方法が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述の人手による面取り作業は、手間がかかり製品コストの増加につながる上に作業環境を粉塵で汚染する。また、人手による目視作業のため面取り量が不均一となり製品の価値を低下させるという問題もある。
【0005】
特開平11−138283号に開示される方法は、切断端面を溶融仕上げする前に前工程として部材表裏からのケービング加工または面取り加工等が必要でありやはり製造コストが増加する。
【0006】
本発明は上述の如き問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、高生産性、高品質、低コストでかつ品質が安定したレーザによるR面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッドを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述課題を解決する手段として請求項1に記載のレーザ加工ヘッドは、被加工材端部のエッジ部にレーザ光を集光照射して前記エッジ部にR面取り加工を実施するのに適したレーザ加工ヘッドにして、シールドガス噴射用ノズルとレンズマウントに支持された集光レンズとを備え、前記シールドガス噴射用ノズルに前記シールドガスを加工部以外の方向へ放出する複数の小径穴を設けた放熱部からなるノズル冷却手段を設け、前記レンズマウントの少なくとも下面を高反射率の鏡面仕上げに形成すると共に前記ノズルの内外にレーザ光に対して高反射率を有するニッケルクロムメッキを施したことを特徴とするものである。
【0011】
請求項2に記載のレーザ加工ヘッドは、請求項1記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記放熱部は前記ノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した上段の放熱部と、該上段の放熱部の下に前記上段の小径穴の配置と位相をずらして設けたノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した下段の放熱部とからなることを特徴とするものである。
【0012】
請求項3に記載のレーザ加工ヘッドは、請求項2記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記放熱部は前記ノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した上段の放熱部と、該上段の放熱部の下に前記上段の小径穴の配置と位相をずらして設けたノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した下段の放熱部とからなることを要旨とするものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面によって説明する。
【0014】
図1はレーザ加工機(図示省略)によって板金素材から製品(被加工材)Wとスクラップ材Sとにレーザ切断された状態において、製品(被加工材)Wのエッジを本発明に係るR面取り加工方法で加工する状況を示したものである。
【0015】
さて、図1に示す様に、レーザ発振器(図示省略)からのレーザ光LBは、レーザ加工ヘッド1に設けた集光レンズ3によって製品(被加工材)W上の所望の高さに焦点を合わせることが可能に設けてあり、レーザ光の照射位置はレーザ加工ヘッド1を後述の制御装置19で制御することによって任意の位置に移動位置決め自在である。
【0016】
前記集光レンズ3の下方には、シールドガスSGまたはアシストガスAGを噴射するためのノズル5が設けてある。なお、集光されたレーザ光LBもこのノズル5のノズル口から製品(被加工材)W上に照射される様になっている。
【0017】
上述のシールドガスSGは素材を溶接または溶融する場合に大気中の酸素と素材とが化学反応するのを阻止するためのものであり、不活性ガスである窒素ガスまたはアルゴンガスなどが使用される。
【0018】
一方、アシストガスAGは素材を切断加工する場合に切断部の酸化反応を促進させたり、溶融した金属を加工部から下方へ排除する目的で用いられるものであり酸素、窒素またはエアー等が使用されている。
【0019】
上述のレーザ加工ヘッド1を用いて製品(被加工材)Wのエッジ7をR面取りする方法について加工条件等の数値を具体的に挙げて説明する。
【0020】
始めに、R面取り加工の基本的条件は集光したレーザ光LBの焦点FPの位置を製品(被加工材)Wの上方の適宜な高さHに設定すると共に、集光位置を切断面から製品の内側方向(図1では左方向)へ適宜な距離Lだけオフセット(Offset)して設定する。
【0021】
この状態で製品(被加工材)Wにレーザ光LBを照射することによって製品(被加工材)Wの表面側のエッジ7の部分が溶融し、鋭利なエッジ7が溶融金属の表面張力の作用によってR面取り9された形状に凝固する。 そして、レーザ加工ヘッド1と製品(被加工材)Wとを適宜な速度でエッジ7に沿って相対的に移動させることによりR面取り加工が進行する。
【0022】
上述の焦点FPの位置Hとオフセット量Lとは安定したR面取り加工を行う上で密接な関係がある。さらに、シールドガスSGの圧力または流量も良好なR面取り加工を行う上で関係している。
【0023】
R面取り加工の品質とシールドガスSGの圧力(または流量)との関係は実験の結果図2に示す様になっている。
【0024】
すなわち、シールドガスSGの流量は、標準状態(0℃,1atm=0.101325Mpa)において約40〜50[Nl/min](ノズル径φ3)、圧力では0.005[Mpa] 前後の範囲に保持するのが最良であることが判明している。
【0025】
図2に示す様に、圧力0(流量0)では、空気中の酸素によって加工部が黒く焦げてしまう。圧力が0.010Mpa の前後ではR面取り加工部9の部分的な波打ちやエッジ7の溶融不良を生じRの大きさが減少することがある。
【0026】
また、圧力がほぼ0.013Mpa以上になると、溶融部の波打ち現象の度合いがより強くなる。
【0027】
なお、ノズル5の口径はφ3以上にするのが望ましい。また、加工が安定しているときには、プラズマ、粉塵、火花、および加工音はほとんど発生せず、ノズル5や集光レンズ3が汚れる心配が無い。
【0028】
次に、下記表1の加工条件によって安定加工範囲を調べた結果を表2に示す。
【0029】
【表1】
【表2】
表2において、FPは被加工材W上の焦点位置(mm)を示し、「OFFSET 0.1」は、レーザ光中心を製品端面から製品側へ0.1mmオフセットしたことを意味する。また、表2中の記号の意味は次の通り。
【0030】
〇:良好,k:焦げ付き,SR: 面取りRが小(0.2mm以下),H:面取りRが変形。
【0031】
図3は、表2結果をオフセット量Lをパラメータとして焦点位置FP[mm]と面取りR[mm]の関係を示したグラフであり、横軸に焦点位置FP[mm]をとり、縦軸に面取りR[mm]の大きさをとってある。図3のグラフにおいて、「OFFSET 0.1」の曲線と「OFFSET 0」の曲線に挟まれる領域が良好なR面取り加工となるための加工条件を表している。
【0032】
上述の結果は、焦点(最小スポット)FPを製品(被加工材)Wの表面または表面直近に合わせると、レーザ光のパワー密度が大ききすぎて加工部に焦げが発生し、焦点FPを製品(被加工材)Wの上方数ミリ(4mm〜7mm)の位置にデフォーカス (defocus)すると、すなわち焦点をずらすと、焦げの無い安定したR面取り加工が可能になることを示している。かつ、レーザ光の照射位置を切断端面から製品の内側方向へ0.1mmオフセットし、その位置から±0.1mmの範囲内でずれても、R面取り品質は許容範囲内にあることを示している。
【0033】
なお、一般的に形状曲線を加工するときは、形状曲線の接線の傾きの変化が不連続のところや微小な曲率を有する部分では、レーザ加工機における加工速度は制御装置に与えた指令速度よりも実際の加工速度の方が小さくなる傾向があり、特に指令速度が大きいほどこの傾向が大きくなる。
【0034】
従って、レーザ加工機のレーザ出力が同一で加工速度だけがが低下すると、加工部が焦げたりあるいは溶融量が増加したりするので、速度変化に対応したレーザ出力制御を行っている。
【0035】
図4に示す如く、レーザによるR面取り加工においては加工中における加工部からの戻り光RLが多く、この戻り光RLによるノズル5、ノズル5に設けたギャップ検出用の静電容量センサー(図示省略)および集光レンズ3等の温度上昇を防止するための温度上昇防止手段が必要である。
【0036】
上述の温度上昇防止手段として、前記レーザ加工ヘッド1には加工ヘッド1の中で特に熱に弱いZnSe集光レンズ3を支持するレンズマウント11全体または下面11aに炭酸ガスレーザ光に対する反射率の高い金属メッキ、例えば金メッキ、ニッケルクロムメッキ等を施し、このメッキ面を鏡面に仕上げに加工して戻り光RLの吸収を抑えるようにしてある。これによりレンズマウント11の温度が40度以上に上昇することを防止することができる。
【0037】
また、ノズル5の温度上昇防止手段については、鏡面仕上げの金属メッキをノズルに施すのみでは、ノズル5の温度は100℃以上に上昇し、センサーコーン13内の部品であるOリングや絶縁用樹脂の使用可能最高温度を超えてしまう可能性があるため、さらにノズル外部から冷却ガス15を吹き付けてノズル温度を100℃以下にするなどの温度上昇防止手段をとることが望ましい。
【0038】
本発明においては、上述の如きノズル外部からノズル5を冷却する温度上昇防止手段の代わりに、図5、図6および図7に示す様に、ノズル5の内部から外部に連通するほぼ水平方向の放射状の小径穴17を複数個設けた放熱部(19、19’)を重ねて設け、この小径穴17を介して加工に使用する前記シールドガスSGを大気中へ放出することによりノズル5の温度上昇を防止する手段が設けてある。
【0039】
なお上述の小径穴17を設ける場合には、加工部のシールドガスが攪乱されない様に、かつ加工部にシールドガス以外の物質を巻き込まない様に、小径穴17の方向およびその穴数に配慮しなくてはならない。
【0040】
実施例では、ノズル5の内部から外部に連通する直径1.0mmの小径穴16個をノズル5の中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配(360度を16等分)した上段の放熱部19を設けると共にこの放熱部19の下に同様な放熱部19’が設けてある。なお、上段の放熱部19と下段の放熱部19’とで穴が重ならないように、上段の穴の配置と下段の穴の配置の位相を11.25度ずらしてある。
【0041】
上述の如く放熱部を2段にし、かつ上段の放熱部と下段の放熱部とで穴が重ならないように上段の穴の配置と下段の穴の配置の位相をずらしたので、ノズル下方の高温部から上方の低温部への熱流が下段の冷却用の穴の間を抜けた後、上段の冷却用の穴にぶつかるため冷却効率が向上し、ノズル上方のセンサーコーン部への熱が伝わりにくくなる。
【0042】
また、ノズル5の内壁および外部の表面には、ノズル5の材質である銅が錆びたり傷ついたりして反射率が低下するのを防止するために、レーザ光に対する反射率が大きいニッケルクロムメッキを施してある。なお、ニッケルクロムメッキに代えて硬質クロムメッキまたは金メッキ等を施しても構わない。
【0043】
図4に示す様に前記ノズル5とレンズマウント11には、例えば熱電対などの温度検出センサー21が設けてあり、この温度検出センサー21からの信号がレーザ加工ヘッド1を制御する制御装置23に入力される様に設けてある。
【0044】
上述の制御装置23はノズル5の温度およびレンズマウント11の温度を常時監視しており、例えばノズル5の温度が100℃以上、またはレンズマウント11の温度が50℃以上になったら制御装置のディスプレー(図示省略)上に「ノズル温度上昇」、「レンズマウント温度上昇」などのアラームを表示すると同時に加工が一時停止される様に設けてある。
【0045】
従って、ノズル5またはレンズマウント11が設定温度以上に達し、集光レンズおよびセンサーコーン13内の部品であるOリングや絶縁用樹脂が損傷するのを未然に防ぐことができる。
【0046】
アラームが発生したらオペレータはノズル5および集光レンズ3をチェックし、清掃または必要によっては修理交換等を行いR面取り加工を再開することができる。なお前記制御装置23はレーザ発振器25の出力およびレーザ加工ヘッド1の位置決め用モータ27等を総括的に制御するものである。
【0047】
次に、温度上昇防止手段としてφ1.0の穴16個からなる放熱部19を1段設けたノズル5を装着したレーザ加工ヘッド1と、φ1.0の穴16個からなる放熱部19を2段設けたノズル5を装着したレーザ加工ヘッド1とを用いてR面取り加工を実施した場合の温度抑制効果について下記試験条件で試験した結果について説明する。
【0048】
[試験条件]
材質:SUS304板厚1mm、レンズ焦点距離:5インチ、ノズル口径:φ3、ノズルギャップG:2.5mm、オフセットL:0.1mm、焦点位置FP:5mm、加工速度:F10000、指令出力:S1500、デューティ:CW、ガス:窒素、流量:120[Nl/min]、ガス圧:0.005[Mpa]、測定用温度計:不可逆性サーモラベル上述の試験条件で連続加工を行い、時間の経過と共にノズル温度(VI-VI断面の真上)がどの様に変化するかを調べた結果を図8に示す。
【0049】
図8のグラフから次のことがわる。(1)放熱部が2段のノズル温度上昇の飽和温度は60℃である。(2)放熱部が1段のノズルに比較して、放熱部が2段のノズルでは飽和温度が約25℃低下する。(3)放熱部なしでノズル口径φ3の標準ノズルと比較すると約50℃低下する。
【0050】
次に、ガス圧力とガス流量との関係の実測値は図9に示す様になっている。図9から、放熱部が2段のノズルは1段のノズルより流量が2〜3割増加する程度であることがわかる。これは、例えばガス圧力が0.005[Mpa]においては120[Nl/min]であり、軟鋼の厚板をアシストガスの酸素を用いてレーザ切断する場合のガス流量とほぼ同等である。
【0051】
これは、溶接でもレーザ面取り加工でもシールドガスの圧力が切断加工に比較して小さいので、ノズル口以外に小口径の穴を複数個設けても全体でのガス消費量はさほど多くならないのである。
【0052】
次に、放熱部が2段のノズルにおける消費ガス流量と、ノズル温度上昇における飽和温度との関係についての測定結果について説明する。加工条件は前記「試験条件」において、加工時間を80秒とし、ガス消費流量を60[Nl/min]〜160[Nl/min]の範囲で変化させて飽和温度との関係を調べた結果をグラフにしたのが図10である。
【0053】
図10からガス流量を160[Nl/min]まで増加させると、ノズルの飽和温度は45℃まで下降する。一方、ガス流量を60[Nl/min]まで減少させると、飽和温度は75℃まで上昇する。
【0054】
このように、同一のノズルであってもガス流量の増減により飽和温度が大きく左右される。従って、ガス流量の設定は加工が安定している範囲であっても、低めに設定するのは避けた方がよいことが理解される。
【0055】
【発明の効果】
請求項1、請求項2の発明によれば、加工部からの戻り光(反射光)が特に多い面取り加工において、集光レンズを保持するレンズマウントが戻り光(反射光)で加熱されるのを抑えて熱に弱い集光レンズを保護することができる。
【0059】
また、ノズルにレーザ光に対する反射率の高いニッケルクロムメッキ等の金属メッキを施すと共に、シールドガスを利用してノズルを冷却し、ノズル部からセンサーコーンへの熱の伝導を抑制したので、センサーコーン内の部品であるOリングや絶縁用の樹脂の温度を使用最高温度以下に保持することができる。
【0060】
さらに、シールドおよび冷却に使用するガスの消費量は軟鋼の厚板をレーザ切断する場合のガス流量とほぼ同等でありランニングコストを低く抑えることができる。また、標準ノズルに加えてシールドガスによる冷却機構を設けたノズルを部品として追加するだけなので設計コストが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るR面取り加工方法の説明図。
【図2】R面取り加工の品質とシールドガスSGの圧力(または流量)との関係を示した図。
【図3】オフセット量Lをパラメータとして焦点位置FP[mm]と面取りR[mm]の関係とを示したグラフ。
【図4】本発明に係るレーザ加工ヘッドの説明図。
【図5】図4におけるP部拡大図。
【図6】図5におけるVI-VI断面図。
【図7】図5におけるVII-VII断面図。
【図8】本発明に係るレーザ加工ヘッドの試験結果で、時間の経過とノズル温度(VI-VI断面の真上)変化を示した図。
【図9】本発明に係るレーザ加工ヘッドの試験結果で、ガス圧力とガス流量との関係を示した図。
【図10】本発明に係るレーザ加工ヘッドの試験結果で、ガス消費流量と飽和温度との関係を示した図。
【符号の説明】
1 レーザ加工ヘッド
3 集光レンズ
5 ノズル
7 エッジ
9 R面取り
11 レンズマウント
11aレンズマウント下面
13 センサーコーン
15 冷却ガス
17 小径穴
19、19’ 放熱部
21 温度検出センサー
23 制御装置
25 レーザ発振器
27 レーザ加工ヘッドの位置決め用モータ
LB レーザ光
RL 戻り光(反射光)
S スクラップ材
SG シールドガス
W 製品(被加工材)
Claims (2)
- 被加工材端部のエッジ部にレーザ光を集光照射して前記エッジ部にR面取り加工を実施するのに適したレーザ加工ヘッドにして、シールドガス噴射用ノズルとレンズマウントに支持された集光レンズとを備え、前記シールドガス噴射用ノズルに前記シールドガスを加工部以外の方向へ放出する複数の小径穴を設けた放熱部からなるノズル冷却手段を設け、前記レンズマウントの少なくとも下面を高反射率の鏡面仕上げに形成すると共に前記ノズルの内外にレーザ光に対して高反射率を有するニッケルクロムメッキを施したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
- 請求項1記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記放熱部は前記ノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した上段の放熱部と、該上段の放熱部の下に前記上段の小径穴の配置と位相をずらして設けたノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した下段の放熱部とからなることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
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