JP5055344B2

JP5055344B2 - レーザフォーミング加工方法およびレーザフォーミング加工装置

Info

Publication number: JP5055344B2
Application number: JP2009260078A
Authority: JP
Inventors: 泰司山谷; 均小俣; 敦尾形; 繁一田中; 明宏三田; 邦夫早川; 保中村
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: WO2011058775A1; JP2011104605A

Description

本発明は、板状のワークの表面にレーザ光を照射してワークを曲げ加工するレーザフォーミング加工方法およびレーザフォーミング加工装置に関する。

従来から、レーザフォーミング加工を行う際には、レーザ光をスポット光としてワークの表面に照射しつつ移動させることで曲げ加工を行っている（例えば下記特許文献１参照）。

特開平５−４２３３７号公報

ところが、スポット光によるレーザ光の照射では、ワークの曲げ部に対する加熱領域が充分ではないことから、一度の走査による曲げ角度が極めて小さく、このため例えば９０程度に大きく曲げる際には、スポットレーザ光を曲げ線に沿って数十回以上走査（移動）させる必要があり、加工時間が長くなって加工コストの上昇を招くことになる。

そこで、本発明は、ワークに対するレーザ光の一度の走査による曲げ角度をより大きくできるようにすることを目的としている。

本発明は、板状のワークの表面にレーザ光を照射して前記ワークを曲げ加工する際に、前記ワークを曲げようとする曲げ線に対し交差する方向に長いラインレーザ光を、前記ワークに対し前記曲げ線に沿って相対移動させることで、前記ワークを曲げ加工するレーザフォーミング加工方法であって、前記ラインレーザ光を前記ワークの表面に照射して加熱することで該加熱部位が熱膨張し、該熱膨張部位の前記表面側が凸となるよう前記曲げ線に沿って曲げられて変形し、その後、前記熱膨張部位が冷却されることで熱収縮し、該熱収縮部位の前記表面側が凹となるよう変形して曲げ加工することを特徴とする。

本発明によれば、ワークは、ラインレーザ光により曲げ線に対し交差する方向に長い領域が加熱されるので、その加熱される長い領域が熱膨張後に冷却されて大きく収縮することで、ラインレーザ光の一度の走査による曲げ角度を大きくすることができ、必要とする曲げ角度に対する曲げ加工時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態を示すレーザフォーミング加工装置の全体構成図である。ワーク上に照射されるラインレーザ光および、そのエネルギ密度（強度）を示す説明図である。図１のレーザフォーミング加工装置によりワークを曲げ加工した状態を示す斜視図である。図３の曲げ加工でのワークの要部の挙動を、（ａ）〜（ｃ）の順に示す説明図である。（ａ）は長さが短いラインレーザ光により曲げＲを小さくしたワークを示す説明図で、（ｂ）は長さが長いラインレーザ光により曲げＲを大きくしたワークを示す説明図である。（ａ）はラインレーザ光の走査回数に対する曲げ角度の大きさを示す相関図で、（ｂ）は（ａ）に対応するワークの曲げ形状を示す斜視図である。長さが短いラインレーザ光により大きな曲げＲを形成する際の動作を（ａ），（ｂ）の順に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１に示すレーザフォーミング加工装置１は、レーザ光３を発振するレーザ光発振手段としてのレーザ光発振器５と、レーザ光発振器５から発振されたレーザ光３を板状のワークＷに向けて反射させるミラー７と、このミラー７とワークＷとの間に位置してレーザ光３をラインレーザ光３ａに変換するレーザ光変換手段としてのシリンドリカルレンズ９とを備えている。

シリンドリカルレンズ９は、ミラー７で反射したレーザ光３を、図１中のＸ軸方向にのみ集束させることで、Ｙ軸方向に相当する一方向に長いラインレーザ光３ａに変換する。変換後のラインレーザ光３ａは、ワークＷの表面に照射され、この際ワークＷは、上記Ｘ軸方向を曲げ線１１として曲げ加工される。すなわち、このラインレーザ光３ａは、ワークＷを曲げようとする曲げ線１１に対し交差する方向である直交するＹ軸方向が、Ｘ軸方向に対して長くなっている。

ここで、前記したミラー７及びシリンドリカルレンズ９を含む部分は、レーザ光走査手段となるレーザ加工ヘッド１３として、レーザ光発振器５に対して移動可能であり、その際レーザ光発振器５とレーザ加工ヘッド１３とはレーザ光３を導く例えば光ファイバによって接続する。この場合、レーザ加工ヘッド１３は、例えば曲げ線１１に沿って施設されたガイドレールに沿って移動させるか、あるいは、ロボットアームの先端に取り付けて曲げ線１１に沿って移動させればよい。

ラインレーザ光３ａは、ワークＷの表面に照射すると、図２に示すように、ワーク表面上で、長軸（Ｙ軸）方向の寸法Ａと、短軸（Ｘ軸）方向の寸法Ｂとを有する細長のほぼ楕円もしくは長円形状となる。この際、ワーク表面上でのラインレーザ光３ａのエネルギ密度（強度）は、図２に示すように、長軸方向の中心部位の領域Ｃで高く、長軸方向の両端ほど低くなっている。エネルギ密度の高い領域Ｃは、曲げ加工に必要なエネルギ密度を備えた曲げ加工有効領域として作用する。

なお、ワークＷは、Ｙ軸方向の一方の端部を固定具１５により固定している。

次に作用を説明する。レーザ光発振器５から発振されたレーザ光３は、ミラー７で反射した後シリンドリカルレンズ９に達し、このシリンドリカルレンズ９により、Ｘ軸方向にのみ集束してＹ軸方向に長いラインレーザ光３ａとなる。このときレーザ加工ヘッド１３は、ラインレーザ光３ａの長手方向が、Ｘ軸方向に対応する曲げ線１１と直交するＹ軸方向に対応するように位置設定されている。また、ラインレーザ光３ａの長手方向のほぼ中心が曲げ線１１に一致している。

この状態で、レーザ加工ヘッド１３を曲げ線１１に沿ってＸ軸方向に移動させることで、ワークＷは、図３に示すように曲げ線１１を境にして曲げ加工されることになる。このとき、図４（ａ）に示すように、ラインレーザ光３ａが照射されたワークＷの曲げ部Ｗａは、加熱されることで図４（ｂ）のように熱膨張して降伏応力が低下し、上記図３の曲げ方向とは逆方向に一旦曲がることになる。この際、熱膨張した部位Ｈには、そのＹ軸方向両側や走査方向（Ｘ軸方向）前方側及び裏面側の非加熱部位が伸びないため、圧縮応力Ｐが残留応力として発生する。その後上記した部位Ｈは冷却されることで熱収縮し、図４（ｃ）のように、図３と同方向に曲がることになる。

このとき、本実施形態では、レーザ光３を曲げ線１１と直交する方向（Ｙ軸方向）に長いラインレーザ光３ａとしているため、図４（ｂ）に示す熱膨張する部位Ｈの曲げ線１１と直交する方向の領域が、スポットレーザ光の場合に比較して長く（大きく）なる。そして、その長く（大きく）なる分図４（ｃ）での熱収縮による曲げ角度θを、スポットレーザ光の場合に比較して大きくすることができる。

したがって、図５に示すように、ラインレーザ光３ａの長軸方向の寸法Ａが長い（ｂ）の方が（ａ）よりも曲げ角度θが大きくなるが、これに伴い曲げ部Ｗａの曲げＲ（曲げ半径）についても（ｂ）の方が（ａ）よりも大きくなる。

そして、ラインレーザ光３ａを曲げ線１１に沿って走査する動作を繰り返し行うことで、曲げ角度θを順次大きくすることができる。

図６（ａ）は、走査回数Ｎ（１〜９）と曲げ角度θとの関係を示しており、走査回数を増やす毎に、図６（ｂ）のように曲げ角度θが徐々に大きくなり、９回走査することで、９０度程度にまで曲げることができる。

なお、このときのレーザ出力は２０００Ｗ（ＣＯ₂レーザ）とし、走査速度は４ｍ／ｍｉｍであり、ワークＷとしては、材質がＳＵＳ３０４、板厚が１ｍｍである。また、ラインレーザ光３ａの長軸方向の長さ（図２のＡに相当）は２８ｍｍ、短軸方向の長さ（図２のＢに相当）は約０．３７ｍｍである。

上記したように、曲げ角度θを大きくするためには、走査回数Ｎを増やせばよいが、その際、ラインレーザ光３ａの形状を同一として、曲げ線１１に沿って同一部位を繰り返し走査すると、曲げＲ（曲げ半径）は小さくなり、図７に示すように、ラインレーザ光３ａの曲げ部Ｗａに対する照射位置をオーバラップさせつつ徐々にＹ軸方向にずらしながら繰り返し走査すると、曲げＲ（曲げ半径）は上記同一部位を繰り返し走査する場合に比較して大きくなる。

なお、ワークＷの材質としては、ラインレーザ光３ａの照射部位と非照射部位との温度差が大きい方がより効率よく曲げることができるので、アルミニウムや銅などよりも熱伝導率の小さい上記したステンレス鋼のほうが適している。また、熱膨張係数が大きい金属の方が曲がりやすいので、ステンレス鋼はこの点でも比較的熱膨張係数が大きな金属であるので有効である。

また、ワークＷの表面側（レーザ光照射側）と裏面側との温度差が大きい方がより効率よく曲げることができる。つまり、ワークＷの板厚方向での温度勾配が大きい方が大きな変形を得ることができる。ここで、ワークＷの板厚方向での温度勾配を大きくするためには、ワークＷの板厚を厚くすればよいが、板厚が厚くなれば、ワークＷの断面２次モーメントが大きくなって曲げにくくなってしまうので、板厚に関しては、材質も考慮して適宜設定する必要がある。

また、本実施形態では、ラインレーザ光３ａは、曲げ加工に必要なエネルギ密度を備えた曲げ加工有効領域Ｃ（図２）を、ワークＷにおける曲げ部Ｗａの曲げ方向（Ｙ軸方向）長さにほぼ等しい長さに保持している。すなわち、曲げ加工有効領域Ｃが図４（ａ）におけるワークＷの曲げ部Ｗａに照射されるよう設定することで、曲げ加工をより効率よく実施することができる。

なお、ここでの曲げ部Ｗａとは、曲げ加工を行った後のワークＷの曲げ線１１を含む曲面が形成されている部位である。

また、上記実施形態では、レーザフォーミング加工を行う際に、ワークＷに対しレーザ加工ヘッド１３側を移動させているが、ワークＷ側をレーザ加工ヘッド１３に対して移動させてもよい。したがって、この場合のレーザ光走査手段は、ワークＷを保持して移動させるワーク搬送機構となる。

１レーザフォーミング加工装置
３レーザ光
３ａラインレーザ光
５レーザ光発振器（レーザ光発振手段）
９シリンドリカルレンズ（レーザ光変換手段）
１３レーザ加工ヘッド（レーザ光走査手段）
１１曲げ線
Ｗワーク
Ｗａワークの曲げ部
Ｃラインレーザ光の曲げ加工有効領域

Claims

板状のワークの表面にレーザ光を照射して前記ワークを曲げ加工する際に、前記ワークを曲げようとする曲げ線に対し交差する方向に長いラインレーザ光を、前記ワークに対し前記曲げ線に沿って相対移動させることで、前記ワークを曲げ加工するレーザフォーミング加工方法であって、前記ラインレーザ光を前記ワークの表面に照射して加熱することで該加熱部位が熱膨張し、該熱膨張部位の前記表面側が凸となるよう前記曲げ線に沿って曲げられて変形し、その後、前記熱膨張部位が冷却されることで熱収縮し、該熱収縮部位の前記表面側が凹となるよう変形して曲げ加工することを特徴とするレーザフォーミング加工方法。
前記ラインレーザ光は、曲げ加工に必要なエネルギ密度を備えた曲げ加工有効領域を、前記ワークにおける曲げ部の前記曲げ線に交差する方向の長さにほぼ等しい長さとして保持していることを特徴とする請求項１に記載のレーザフォーミング加工方法。
板状のワークの表面にレーザ光を照射して前記ワークを曲げ加工するレーザフォーミング加工装置であって、前記レーザ光を発振するレーザ光発振手段と、このレーザ光発振手段によって発振されたレーザ光を、一方向に長いラインレーザ光に変換するレーザ光変換手段と、このレーザ光変換手段により変換した前記ラインレーザ光を、前記ワークを曲げようとする曲げ線に対して交差する方向が長手方向となるよう保持しつつ、前記曲げ線に沿ってワークに対し相対移動させるレーザ光走査手段とを有し、このレーザ光走査手段は、前記ラインレーザ光を前記ワークの表面に照射して加熱することで該加熱部位を熱膨張させて、該熱膨張部位の前記表面側が凸となるよう前記曲げ線に沿って曲がるように変形させてから、前記熱膨張部位が冷却されることで熱収縮する熱収縮部位の前記表面側が凹となるよう前記曲げ線に沿って曲がるように変形させることを特徴とするレーザフォーミング加工装置。