JP5764343B2 - 円筒状ワーク切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属製の円筒状ワークを輪切り状に切断して金属リングを形成する円筒状ワーク切断装置に関する。

従来、このような円筒状ワーク切断装置として、金属製薄板の両端縁を接合して得られる円筒状のワークを、円筒軸の周りに回転させながら、円筒軸に直交する方向に照射するレーザ光で輪切り状に切断し、金属リングを形成するようにしたものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

ワークの回転は、円筒状の外面を有するワーク保持部によりワークを内面側から保持し、ワーク保持部を円筒の中心軸の周りに回転させることにより行われる。ワーク保持部は円筒軸方向に複数のスリットが設けられており、弾性的に径が変更可能となっている。ワークの保持は、ワークの内面をワーク保持部の外面に対向させ、ワーク保持部の径を拡大することによって行われる。

このようにしてワークを切断する場合、ワークを構成する金属が、レーザ光の照射により溶融し、スパッタとして飛散したり、再び凝固してドロスとして切断部分に付着したりするという問題がある。かかる問題に対処するため、従来、スパッタの飛散を阻止するフードを設けたり、溶融金属の発生を抑制する冷却媒体を供給したりする措置が講じられている。

たとえば、特許文献１に記載された円筒状ワーク切断装置では、円筒状のワークを保持して回転させる保持部材の側壁に冷却媒体用通路を形成し、該通路に冷却媒体を流通させてワークを冷却することにより、切断部分以外のワーク部分が溶融するのを回避し、ドロスやスパッタの発生を抑制するようにしている。

この装置においては、また、ワークに対するレーザ光の照射により発生する昇華金属ガスや溶融金属等を、吐出ノズルから吐出される圧縮エアや上述の冷却媒体とともに吸引ノズルで吸引することにより、切断箇所を清浄に保つようにしている。

特開２０１０−１８４２４６号公報

しかしながら、溶融金属の発生を抑制したり、切断個所を清浄に保持したりする措置を講じたとしても、不可避的に発生するスパッタが、ワーク保持部内にスリットを介して侵入し、ワーク保持部のスムーズな径の拡大縮小を妨げるおそれがある。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、円筒状ワーク切断装置において、スパッタによりワーク保持部のスムーズな径の拡大縮小が妨げられるのを防止することにある。

本発明は、金属製の円筒状ワークを保持手段により保持し、該保持手段を回転させながらワークにレーザ光を照射することによりワークを輪切り状に切断して金属リングを形成する円筒状ワーク切断装置であって、前記保持手段は、径方向に伸縮自在な円筒状の外壁を有し、該外壁によりワークを内壁側から保持する中空円筒状の保持部材と、内側面が内錐面となっていて円筒状の外壁を有し、該外壁が前記保持部材の内壁を押圧して該保持部材の径を増大させる押圧部材と、前記内錐面に対応する外錐面を備え、該外錐面の軸方向に移動されたとき、該内錐面に該外錐面が作用し、前記押圧部材の径を増大させる径変化部材とを備え、前記保持部材及び押圧部材は、軸方向に沿って一方の端部から他方の端部の近傍まで設けられたスリット、及び該他方の端部から該一方の端部の近傍まで設けられたスリットを周方向に交互に備え、これにより径方向に弾性的に伸縮自在となっている。

この構成においてはワークがレーザ光の照射により切断されるとき、ワークを構成する金属が溶融して生ずるスパッタが、保持部材のスリットを経て、さらに押圧部材のスリットなどに侵入すると、保持部材や押圧部材の径方向への伸縮に支障を来すおそれがある。

そこで、本発明は、前記ワークの切断時に生じるスパッタが前記保持部材のスリットより内側に侵入し、前記径変化部材による前記保持部材及び前記押圧部材の伸縮を妨げるのを阻止するシート部材が、前記保持部材の内壁と前記押圧部材の外壁との間に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、上記シート部材が設けられているので、保持部材のスリット内に飛散したスパッタがさらに押圧部材のスリットなどに侵入するのを阻止することができる。したがって、スパッタの侵入により保持部材や押圧部材の伸縮に支障を来すのを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る円筒状ワーク切断装置の正面図である。 図１の装置における保持部の断面図である。 図１の装置における保持部材の詳細図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る円筒状ワーク切断装置の正面図である。同図に示すように、この装置は、円筒状ワークＷを保持してその円筒軸の周りに回転可能な保持部１００と、保持部１００により回転されるワークＷにレーザ光を照射してワークＷを輪切り状に切断する加工ヘッド２００と、保持部１００の基端側に連結されたスピンドル３００と、スピンドル３００を回転させるモータ４００とを備える。

モータ４００の回転軸及びスピンドル３００には、それぞれ図示していないプーリが設けられる。これらのプーリ間にはタイミングベルト５００が掛け渡されており、スピンドル３００はモータ４００の回転に応じて回転するようになっている。保持部１００の下方には、ワークＷの切断時に生じるスパッタについての集塵を行う集塵手段７００が設けられる。

集塵手段７００は、上面が開放した直方体形状の箱のような集塵部７０１と、所定方向に沿って飛散するスパッタを集塵部７０１に向けて反射する平板状の反射部７０２とを備える。集塵手段７００は、集塵部７０１が保持部１００の下方に位置し、反射部７０２が集塵部７０１に向けて、所定方向のスパッタを反射できる位置に配置される。

円筒状ワーク切断装置はさらに、加工ヘッド２００を保持してＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるＸＹＺステージ６００を備える。ＸＹＺステージ６００上には、ワークＷの径を測定するレーザセンサ８００が設けられる。円筒状ワーク切断装置の制御部は、レーザセンサ８００の出力に基づき、レーザ光の焦点位置がワークＷを適切に切断し得る位置となるように、ＸＹＺステージ６００により、加工ヘッド２００のＸ軸方向位置を制御する。

ワークＷは矩形状の金属製薄板の両端を接合して円筒状に形成したものである。これを円筒状ワーク切断装置によって所定幅毎に切断することにより、ＣＶＴ用金属ベルトが製造される。金属製薄板としては、たとえば、厚さが０．３〜０．４ｍｍ程度のマルエージング鋼が用いられる。

図２は回転軸を含む面で切断した保持部１００部分の断面図である。同図に示すように、保持部１００は、ワークＷの内面に接してワークＷを支持するほぼ円筒形状の保持部材１１０と、保持部材１１０の内壁を押圧するほぼ円筒状の押圧部材１２０と、押圧部材１２０の径を変化させるための円錐面（外錐面）１３１及び１４１をそれぞれ有する第１径変化部材１３０及び第２径変化部材１４０と、第１径変化部材１３０及び第２径変化部材１４０間の位置を調整するための連結バー１５０及びコイルスプリング１６０とを備える。

図３（ａ）は保持部材１１０の断面図であり、同図（ｂ）は保持部材１１０を同図（ａ）の左方である基端側から見た図である。また、同図（ｃ）は、保持部材１１０の基端から先端近傍まで形成された第１スリット１１１部分を、保持部材１１０の回転軸に垂直な方向における保持部材１１０の外側から見た様子を示す。同図（ｄ）は、保持部材１１０の先端から基端近傍まで形成された第２スリット１１２部分を、同様に外側から見た様子示す。

第１スリット１１１及び第２スリット１１２は同数、たとえば８個ずつが交互に配置されており、これにより保持部材１１０は径方向に弾性的に伸縮自在となっている。保持部材１１０の外周側には、回転軸方向に所定間隔を置いて複数の周方向溝１１３が設けられる。各周方向溝１１３は、上述の第１スリット１１１及び第２スリット１１２と交差する。加工ヘッド２００によるレーザ光の照射は、周方向溝１１３上に位置するワークＷ部分に対して行われる。

保持部材１１０の内壁には、保持部材１１０の基端から先端にかけて、第１スリット１１１及び第２スリット１１２を塞ぐ帯状のシート１１４が設けられる。シート１１４は各第１スリット１１１毎及び第２スリット１１２毎に設けられる。このために、保持部材１１０の内壁には、シート１１４を収容するための凹部１１５が設けられる。

シート１１４は、第１スリット１１１及び第２スリット１１２上のワークＷがレーザ光の照射により切断される際に生じるスパッタが、第１スリット１１１及び第２スリット１１２より内側に侵入するのを阻止する機能を有する。したがって、シート１１４としては、保持部材１１０の伸縮を妨げないように弾力性を有するとともに、スパッタに対する耐熱性を備え、スパッタが付着しないような材質のものが用いられる。

このような材質のものとしては、たとえば、厚さが０．５ｍｍ程度のテフロン（登録商標）シートが該当する。テフロン（登録商標）をコーティングしたシートであってもよい。

保持部材１１０の基端及び先端の近傍は、ワークＷを支持する支持面よりも径が小さな小径部１１６ａ及び１１６ｂとなっている。小径部１１６ａ及び１１６ｂの周面には、該周面を一周する周溝１１７ａ及び１１７ｂが設けられる。周溝１１７ａ及び１１７ｂ内に保持部材１１０を収縮させるＯリング１１８（図２）が配置され、保持部材１１０を収縮方向に付勢している。

周溝１１７ａよりも基端側の小径部１１６ａの部分には、所定の角度範囲にわたり、周方向に沿った凸部１１９が設けられる。凸部１１９は、相互に１８０°離れた位置に位置する２つの第２スリット１１２の基端側の２箇所に設けられる。

図２に示すように、保持部材１１０は、スピンドル３００の先端に固定された２つの円環状の連結部材３１０及び３２０を介してスピンドル３００に連結される。このために、連結部材３２０は、保持部材１１０側端部において、環状の挿入口３２１を備える。挿入口３２１の入り口側における外側の周壁は、凸部１１９に対応する導入部を除き、径が小さくなった小径部３２２となっている。

保持部材１１０は、凸部１１９が前記導入部に対応するように小径部１１６ａが連結部材３２０の挿入口３２１に嵌合され、回転されることにより、小径部３２２によって凸部１１９の軸方向への移動が阻止され、連結部材３２０に固定される。

押圧部材１２０の外周面は、保持部材１１０の内壁を押圧し得るように、該内壁に対向する。押圧部材１２０の基端側の内側には、第１径変化部材１３０の円錐面１３１に対応する円錐面（内錐面）１２１が設けられる。押圧部材１２０の先端側の内側には、第２径変化部材１４０の円錐面１４１に対応する円錐面（内錐面）１２２が設けられる。円錐面１２１及び１２２はいずれも頂部側が押圧部材１２０の中心に向いている。

押圧部材１２０には、その円筒軸方向に沿った図示していない基端側スリットが基端側端面から先端近傍まで形成される。また、同様の先端側スリットが、先端側端面から基端近傍まで形成される。基端側スリット及び先端側スリットは同数、たとえば１２個ずつが交互に配置されており、これにより、押圧部材１２０は径方向に弾性的に伸縮自在となっている。

第１径変化部材１３０は、基端側の円柱状の部分と、その先端側に位置し、円錐面１３１を有する円錐台部分とを備える。該円柱状部分の径と、該円錐台部分の底面の径は同一であり、両部分は段差なく接続している。第１径変化部材１３０の中心軸上において、連結バー１５０が貫通する。第１径変化部材１３０の基端部に、連結バー１５０の基端部が固定される。

第２径変化部材１４０は円錐台状の形状を有し、円錐面１４１を形成する。第２径変化部材１４０の中心軸上において連結バー１５０が貫通する。コイルスプリング１６０は、第１径変化部材１３０の円錐台部分の頂部と、円錐台状の第２径変化部材１４０の頂部との間に介在し、両者が離れる方向に付勢する。コイルスプリング１６０内を、連結バー１５０が通る。

円錐台状の第２径変化部材１４０の底面には、円盤状のカバー部材１７０が固定される。カバー部材１７０の外周部は、保持部材１１０の小径部１１６ｂが嵌合可能な環状の嵌合溝１７１が設けられる。

カバー部材１７０の中心を、連結バー１５０が貫通する。カバー部材１７０の軸方向外側に隣接する連結バー１５０部分に嵌合するナット１８０により、カバー部材１７０に対する第１径変化部材１３０の位置を調整することができるようになっている。

スピンドル３００は、基盤９１０（図１）上において、支持部材９２０により支持される。支持部材９２０とスピンドル３００との間にはベアリング９３０が介在する。これにより、スピンドル３００は、その回転軸の回りに回転自在となっている。

スピンドル３００には、保持部１００にエアを供給するための貫通孔３３０が中心軸上に設けられる。第１径変化部材１３０の円柱状部分と、スピンドル３００、第１連結部材３１０、第２連結部材３２０、及び保持部材１１０の基端部との間には隙間が形成される。貫通孔３３０はこの隙間に接続する。これにより、スピンドル３００の貫通孔３３０から、保持部材１１０の第１スリット及び第２スリットに通じるエア供給路３４０が形成される。

保持部１００とは反対側の貫通孔３３０の端部は、図示していない送気管に接続される。この送気管は、冷却媒体としての圧縮エアを供給する圧縮エア供給源に接続される。

この構成において、ワークＷの切断加工を行う際には、まず、保持部材１１０の外周に対してワークＷの内周が対向するように、ワークＷが保持部材１１０に装着される。次に、ナット１８０が回転され、第２径変化部材１４０が第１径変化部材１３０の方向に変位される。これに伴ってコイルスプリング１６０が圧縮する。

これにより、第１径変化部材１３０及び第２径変化部材１４０は相互に近接する方向に変位するので、押圧部材１２０は、第１径変化部材１３０及び第２径変化部材１４０の円錐面１３１及び１４１から受ける力により径が増大する。

押圧部材１２０の径が増大すると、保持部材１１０の内壁が、押圧部材１２０の側面により押圧され、保持部材１１０の径が増大する。これにより、ワークＷは、歪みが矯正されるとともに、保持部材１１０によってクランプされる。この後、ナット１８０を逆方向に回し、コイルスプリング１６０の反発力により第１径変化部材１３０及び第２径変化部材１４０を離間させて、押圧部材１２０の径を若干元に戻し、又は初期の径に戻すようにしてもよい。

次に、モータ４００が駆動される。これにより、スピンドル３００を介してワークＷが回転される。ワークＷの回転速度は、図示していない制御手段により制御され、たとえば３０〜２００ｍ／分の周方向に沿った速度に設定される。また、図示していないエア供給源からは、冷却媒体としての圧縮エアの供給が開始される。

エア供給源から供給される圧縮エアは、エア供給路３４０を介して、保持部材１１０の第１スリット及び第２スリットに供給され、さらには、周方向溝１１３に供給される。このとき、上述の押圧部材１２０の径の戻しが行われていた場合には、保持部材１１０とワークＷとの間には若干のクリアランスが存在するので、供給される圧縮エアは、このクリアランスにおいて空気膜を形成する。

また、このようにして保持部材１１０の側壁に圧縮エアが到達することにより、該側壁が冷却効率に優れた冷やし金として機能する。なお、上述の押圧部材１２０の径の戻しが行われていなかった場合でも、圧縮エアが保持部材１１０とワークＷとの間に侵入し、空気膜を形成する。

これに応じ、円筒状ワーク切断装置の制御手段は、与えられているワークＷの材料と厚み、及び要求されるドラグラインの傾き、並びに自身が把握しているワークＷ（保持部材１１０）の回転速度に基づき、所定の対応テーブルを参照し、距離Ｄを求める。そして、ＸＹＺテーブル６００を制御し、図１に示すように、加工ヘッド２００の位置を、その光軸がワークＷの回転軸に向かうラインＬ１上の位置から距離Ｄだけ離れたラインＬ２上の位置となるように加工ヘッド２００をＹ軸の負の方向へ平行移動させる。

対応テーブルには、試行結果に基づき、各ワークＷの材料毎に、少なくとも１つのドラグラインの傾き、並びに該傾きに対応するワークＷの厚み、保持部材１１０（ワークＷ）の回転速度、及び距離Ｄが対応付けられている。対応テーブルに含められる少なくとも１つのドラグラインの傾きとしては、ドロスの付着量が少なかったときの値が採用される。

なお、ドラグラインとは、レーザ光によりワークＷを切断するときに発生した溶融金属が凝固するときに切断面に形成される層状の線である。ドラグラインの傾きは、レーザ光による切断部分へのドロスの付着量に関係する。ドラグラインがワークＷの表面に対して垂直であるほど、ドロスの付着量が少ないことがわかっている。

次に、レーザセンサ８００の出力に基づいて得られるワークＷの直径に基づき、レーザ光の焦点位置がワークＷを適切に切断し得る位置となるように加工ヘッド２００のＸ軸方向位置を制御する。また、最初の金属リングの切断位置となるように、ＸＹＺステージ６００のＺ方向位置を制御する。

最初の金属リングの切断位置は、保持部材１１０の最も先端側の周方向溝１１３上に位置するワークＷに対してレーザ光が照射される位置である。次に、加工ヘッド２００からワークＷに対し、レーザ光が照射される。レーザ光が照射されたワークＷの部分は温度が上昇して溶融し、切断されてゆく。このようにしてワークＷが１回転すると、ワークＷの最も先端側の部分が、１つ目の金属リングとして、他の部分から切り離される。

このレーザ光による切断に際しては、レーザ光の照射によりワークＷの一部が昇華して発生する昇華金属ガスが凝集して切断部分に付着したり、溶融金属が切断部分に付着したりしてドロスが発生するおそれがある。かかるドロスの付着は、保持部材１１０とワークＷとの間に形成される空気膜や、加工ヘッド２００からのアシストガスの吐出により抑制される。

また、このとき、図１に示すように、レーザ光の照射により溶融した金属が、スパッタとなってワークＷの内側方向ｄ１及び外側方向ｄ２に飛散する。内側方向ｄ１に飛散したスパッタは、保持部１００の保持部材１１０等に衝突して反射し、集塵手段７００の集塵部７０１内に落下する。また、外側方向ｄ２に飛散したスパッタは反射部７０２により反射され、集塵部７０１に落下する。これにより、スパッタは支障なく集塵手段７００により集塵される。

このとき、ワークＷの内側方向ｄ１に飛散するスパッタは、シート１１４に衝突するが、シート１１４に付着することはなく、加工ヘッド２００から吐出されるアシストガスや、エア供給路３４０から周方向溝１１３に供給される圧縮エアによるパージ作用によって支障なく排出される。また、シート１１４が存在するため、スパッタが保持部材１１０と押圧部材１２０との間や、押圧部材１２０の基端側スリット又は先端側スリットへ侵入することはない。

このようにして１つ目の金属リングの切断が終了すると、加工ヘッド２００が、ワークＷにおける次の切断位置に対応する位置に位置するように、ワークＷの軸方向に沿って移動される。すなわち、保持部材１１０の先端側から２番目の周方向溝１１３上に位置するワークＷにレーザ光が照射される位置に移動される。

そして、この位置において、再び上述と同様にしてレーザ光が照射され、ワークＷが切断され、２つ目の金属リングが形成される。このようにして、順次、周方向溝１１３上に加工ヘッド２００が位置決めされ、金属リング形成されてゆく。ただし、この間、Ｙ軸方向における加工ヘッド２００の位置は、常に、図１で示されるラインＬ２上の位置に維持される。

以上説明したように、本実施形態によれば、保持部材１１０の内壁及び押圧部材１２０の外壁との間に、保持部材１１０の第１スリット１１１及び第２スリット１１２の開口部を覆うシート１１４を設けたため、ワークＷの切断により生じるスパッタが保持部材１１０と押圧部材１２０との間や、押圧部材１２０の基端側スリット又は先端側スリットへ侵入するのを阻止することができる。したがって、スパッタにより保持部材１１０及び押圧部材１２０の径のスムーズな増減に支障を来たすのを防止することができる。

１００…保持部（保持手段）、１１０…保持部材、１１１…第１スリット、１１２…第２スリット、１１３…周方向溝、１１４…シート、１２０…押圧部材、２００…加工ヘッド、１３０…第１径変化部材、１４０…第２径変化部材、３００…スピンドル、４００…モータ、５００…タイミングベルト、６００…ＸＹＺステージ、７００…集塵手段、Ｗ…ワーク。

Claims (1)

1. 金属製の円筒状ワークを保持手段により保持し、該保持手段を回転させながらワークにレーザ光を照射することによりワークを輪切り状に切断して金属リングを形成する円筒状ワーク切断装置であって、
   前記保持手段は、
   径方向に伸縮自在な円筒状の外壁を有し、該外壁によりワークを内壁側から保持する中空円筒状の保持部材と、
   内側面が内錐面となっていて円筒状の外壁を有し、該外壁が前記保持部材の内壁を押圧して該保持部材の径を増大させる押圧部材と、
   前記内錐面に対応する外錐面を備え、該外錐面の軸方向に移動されたとき、該内錐面に該外錐面が作用し、前記押圧部材の径を増大させる径変化部材とを備え、
   前記保持部材及び押圧部材は、軸方向に沿って一方の端部から他方の端部の近傍まで設けられたスリット、及び該他方の端部から該一方の端部の近傍まで設けられたスリットを周方向に交互に備え、これにより径方向に弾性的に伸縮自在となっており、
   前記ワークの切断時に生じるスパッタが前記保持部材のスリットより内側に侵入し、前記径変化部材による前記保持部材及び前記押圧部材の伸縮を妨げるのを阻止するシート部材が、前記保持部材の内壁と前記押圧部材の外壁との間に設けられていることを特徴とする円筒状ワーク切断装置。

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