JP5764344B2 - 円筒状ワーク切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属製で円筒状の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（例えば、特許文献１参照）。

このように、レーザ光で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、ドロスとして切断部分に付着したりする。これに対処するため、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。

例えば、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の通路を形成し、この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、ドロスの発生量を低減させるようにしている。

また、この装置においては、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、冷却媒体の供給や、吸引ノズルによる吸引によってはドロスの付着を防止できない場合もある。したがって、ドロスの付着を極力低減させる措置を講ずることが望まれる。また、かかる措置と併せて、レーザ光の照射により不可避的に発生するスパッタについても、簡便かつ効果的に集塵できる措置を講ずることが望まれる。

本発明の目的は、このような従来技術の課題に鑑み、ドロスの発生を極力低減させるとともに、スパッタについても簡便に支障なく集塵を行うことができる円筒状ワーク切断装置を提供することにある。

本発明は、金属製の円筒状の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、前記ワークをその内面に接して保持する保持部材と、前記ワークを、前記保持部材とともに、中心軸線の周りに回転させる回転手段と、前記回転手段により回転されているワークにレーザ光を照射して該ワークを切断するレーザ光照射手段と、前記レーザ光照射手段の位置が、前記レーザ光の照射に先立ち、前記ワーク上の該レーザ光の照射位置におけるワークの切断方向と該レーザ光の照射方向とが所定の鋭角をなす位置となるように制御する制御手段と、前記ワークの切断に際し、前記制御手段による制御がなされた前記レーザ光照射手段の位置に応じた方向に飛散するスパッタについての集塵を行う集塵手段とを備え、前記集塵手段は、前記ワークの内側方向へ飛散し、前記保持部材により反射され、下降してくるスパッタを受ける集塵部と、前記ワークの外側方向へ飛散するスパッタを該集塵部に向けて反射する反射部とで構成されることを特徴とする。

この構成において、レーザ光の照射によりワークが切断されるとき、切断面にはドラグラインが形成される。ドラグラインとは、溶融金属が凝固するときに形成される層状の線である。ドラグラインの傾きは、ワーク上のレーザ光の照射位置におけるワークの切断方向と、レーザ光の照射方向とがなす角度に関係する。また、ワーク表面に対するドラグラインの角度が垂直に近いほど、ドロスの付着量は少ない。

したがって、ドラグラインのワーク表面に対する角度が極力垂直となるように上述の所定の鋭角を選択し、これを目標としてレーザ光照射手段の位置を制御することにより、ドロスの付着量を減少させることができる。

このような所定の鋭角は、上述の切断方向と照射方向とがなす鋭角を種々変更しながら試行的にワークの切断を行い、その試行の結果として得られるドラグラインの傾きやドロスの付着量に基づいて得ることができる。なお、所定の鋭角は、ワークの材質や回転速度、レーザ光の強度等により異なる値となる。

このような所定の鋭角となるようにレーザ光が照射された場合、生じるスパッタは、ワークの内側及び外側の２方向に向かってほぼまとまって飛散する。この２方向は、所定の鋭角に応じて異なる２つの角度の方向となる。ワークの内側方向に飛散するスパッタは、ワークを回転させる回転手段に衝突して反射し、下方に落下してゆく。ワークの外側方向に飛散するスパッタは、障害物がなければその方向に沿って飛散してゆく。

従って、本発明によれば、ワークの切断方向とレーザ光の照射方向とが所定の鋭角をなす位置となるようにレーザ光照射手段の位置を制御することによって、スパッタの飛散方向を、該制御後の位置に応じた２方向に限定することができる。そして、該２方向に飛散するスパッタについて支障なく集塵を行うことができる形状及び寸法の集塵手段を適切な位置に配置することにより、スパッタについての集塵を効率的に行うことができる。

本発明のより具体的な態様においては、前記集塵部及び前記反射部は、前記ワーク上の所定の表面に対向する範囲に存在し、前記ワーク上の所定の表面は、前記制御手段による位置の制御がなされたレーザ光照射手段による該ワーク上のレーザ光の照射位置から、前記回転手段による回転方向上流側の所定範囲にわたる該ワーク上の表面であるようにしてもよい。

ワークの切断方向とレーザ光の照射方向とが所定の鋭角をなすようにレーザ光照射手段の位置が制御されている場合、スパッタの飛散方向は、上述のワーク上の所定の表面に対向する方向となる。したがって、本発明のより具体的な態様によれば、この方向の範囲に集塵部及び反射部が存在するので、スパッタの集塵を効率的に行うことができる。

本発明の第１の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の装置における加工ヘッド、ワーク、及び集塵手段間の位置関係を示す図である。 図１の装置によりワークが切断される様子を、従来の場合と比較して示す図である。 図１の装置により切断されたワークの切断面を示す図である。 図４（ｂ）の切断例に対する比較例を示す図である。 図６の比較例のようにして切断されたワークの切断面を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る円筒状ワーク切断装置におけるワーク、加工ヘッド、及び集塵手段の配置を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る円筒状ワーク切断装置におけるワーク、加工ヘッド、及び集塵手段の配置を示す図である。

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は本発明の第１の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。なお、モータ４００、スピンドル３００、保持部１００等により、本発明における回転手段が構成される。

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。ワークＷは、円筒状ワーク切断装置によって所定幅毎に切断され、ＣＶＴ用金属ベルトを構成する金属リングに加工される。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。

保持部材１１０には、その円筒軸方向に沿った第１スリット１１１が、基端側から先端近傍まで形成される。また、同様の第２スリット１１２が、先端側から基端近傍まで形成される。第１スリット１１１及び第２スリット１１２は同数、たとえば８個ずつ存在し、周方向に交互に配置される。これにより保持部材１１０は弾性的に径方向に伸縮自在となっている。

保持部材１１０にはまた、円筒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、第１スリット１１１及び第２スリット１１２と交差する。

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１１４及び１１５となっている。小径部１１４及び１１５の周面には、該周面を一周する周溝１１６及び１１７が設けられる。周溝１１６及び１１７内にはＯリング１１８が配置される。Ｏリング１１８は、保持部材１１０に対し、径方向に収縮する力を付与する。

周溝１１６よりも基端側の小径部１１４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。

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１１４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、同様に円筒軸方向に沿った先端側スリットが、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個ずつ存在し、周方向に交互に配置される。これにより、圧部材１２０は弾性的に径方向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は、保持部材１１０の小径部１１５が嵌合可能な環状の嵌合溝１７１を有する。

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は、保持部１００にエアを供給するための貫通孔３３０を中心軸上に有する。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存在する。この隙間に、貫通孔３３０が接続している。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１１１及び第２スリット１１２に通じるエア供給路３４０が形成されている。

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。

図３（ａ）は加工ヘッド２００、ワークＷ、及び集塵手段７００間の位置関係を示す。図中のＡはワークＷ（保持部材１１０）の回転軸、ＲはワークＷの回転方向を示す矢印、Ｐ１は加工ヘッド２００により回転軸Ａに向けてレーザ光を照射した場合のワークＷ上の照射位置、Ｐ２はワークＷの切断を行うときのワークＷに対するレーザ光の実際の照射位置である。

ワークＷについて切断加工を施す際には、図３（ａ）に示すように、加工ヘッド２００によるワークＷに対するレーザ光の照射位置が、ワークＷの回転軸Ａに向かってレーザ光を照射する場合の照射位置Ｐ１よりも、ワークＷの回転方向Ｒにおける上流側の所定の照射位置Ｐ２となるように、加工ヘッド２００のＹ軸方向の位置が制御される。ワークＷは回転方向Ｒとは反対側の方向、すなわち回転方向Ｒの上流側へ向かって切断されることになる。

このとき、図３（ｂ）に示すように、照射位置Ｐ２へのレーザ光の照射によりワークＷが切断される方向を、照射位置Ｐ２を含む回転軸Ａに垂直な面内において、照射位置Ｐ２でワークＷの表面に接しかつ該表面が移動してゆく方向とは逆の方向ｖ１であると考えることができる。

したがって、照射位置Ｐ２におけるレーザ光の入射方向をｖ２とすれば、ベクトルｖ１及びｖ２の成す角は、照射位置Ｐ２に対応する鋭角θとなる。照射位置Ｐ２へのレーザ光の入射角αで表せば、θ＝９０°−αとなる。

ワークＷの切断時には、このような加工ヘッド２００及びワークＷの位置関係となるように、加工ヘッド２００は、図３（ａ）に示すように、加工ヘッド２００の光軸がワークＷ（保持部材１１０）の回転軸Ａに向いているラインＬ１上の位置から、Ｙ軸の負の方向に所定の距離Ｄだけ移動したラインＬ２上に位置するように並進移動される。

距離Ｄは、ワークＷの厚み、回転速度等の条件に基づき、切断部分にドロスが付着しにくいように設定される。すなわち、制御手段は、ワークＷの切断に先立ち、切断対象となるワークＷの厚みや回転速度等に基づき、距離Ｄを取得し、ＸＹＺステージ６００を制御して、加工ヘッド２００をラインＬ２上の位置に位置させる。

距離Ｄは、予め各種のワークＷを用い、各種の条件下で試行的に切断を行うことにより得られた試行データに基づいて作成される対応テーブルを参照して取得することができる。試行データには、各試行におけるワークＷの材料、厚み、回転速度、ワークＷに生じたドラグラインの傾き、加工ヘッド２００のラインＬ１上の位置からのＹ軸の負の方向への移動距離ｄ、切断部分に付着したドロスの高さ等が含まれる。

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。

上述の試行データに基づき、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を対応付けた対応テーブルが構成される。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、距離Ｄの代わりに、距離Ｄに対応する上述の入射角度αや鋭角θ（＝９０°−α）を対応付けたものであってもよい。

入射角度αとしては、たとえば４０°程度が該当する。このような入射角度αでレーザ光がワークＷを照射位置Ｐ２において照射した場合、これにより生じるスパッタは、図３（ａ）に示すように、ワークＷの内側方向ｄ１及び外側方向ｄ２の２方向へほぼまとまって飛散する。たとえば、照射位置Ｐ２におけるレーザ光の入射角度αが４０°である場合、レーザ光の照射方向に対し、内側方向ｄ１が成す角βは４０°、外側方向ｄ２が成す角γは４２°となる。

したがって、集塵手段７００としては、このような方向に飛散するスパッタを効果的に捕獲できる捕獲手段を備えたものが採用される。具体的には、集塵手段７００は、スパッタの捕獲手段として、上面が開放した直方体形状の箱のような集塵部７０１と、外側方向ｄ２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。

上述のようにワークの切断方向とレーザ光の照射方向とが所定の鋭角θをなす場合、スパッタの飛散方向は所定の方向となる。この方向は、ワークＷ上のレーザ光の照射位置Ｐ２から回転方向Ｒの上流側の所定範囲にわたるワークＷの表面に対向する方向である。したがって、この方向の範囲に存在するように捕獲手段が配置される。所定範囲にわたるワークＷの表面は、例えば照射位置Ｐ２から、ワークＷの中心角で１００°程度の範囲に含まれる表面が該当する。

すなわち、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、外側方向ｄ２のスパッタを反射できる位置に配置される。集塵部７０１は、内側方向ｄ１に沿って飛散し、保持部１００に衝突し、反射して下降してくるスパッタを支障なく集塵できる大きさを有する。反射部７０２は、外側方向ｄ２に沿って飛散するスパッタを漏れなく集塵部７０１に向けて反射できる大きさを有する。

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。このとき、保持部１００は、図２の中心線Ｃの下半部で示されるように、第１径変化部材１３０及び第２径変化部材１４０は離間し、保持部材１１０は、Ｏリング１１８により径方向に収縮した状態にある。

次に、図２の中心線Ｃの上半部で示されるように、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拡大する。

押圧部材１２０の径が拡大すると、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の径が拡大する。このとき、カバー部材１７０の嵌合溝１７１に、小径部１１５が嵌合し、保持部材１１０の先端は、Ｏリング１１８を介してカバー部材１７０に固定される。

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、円筒状ワーク切断装置の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１１１及び第２スリット１１２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、上述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３（ａ）のように、加工ヘッド２００の位置が、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を平行移動させる。

このとき同時に、制御手段は、ＸＹＺテーブル６００を制御し、ワークＷの回転軸Ａの方向（Ｚ軸方向）における加工ヘッド２００の位置を、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に設定する。また、加工ヘッド２００のＹ方向位置を、レーザセンサ８００の出力や、距離Ｄに応じ、ワークＷを切断するための適切な位置に設定する。

次に、制御手段は、加工ヘッド２００を制御し、回転しているワークＷに対し、レーザ光を照射する。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。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。なお、切断の最中に発生した溶融金属が凝固するときに、レーザ光に沿ってワークＷに層状の線、すなわち上述のドラグラインが形成される。

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の付着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突出により抑制される。

また、このとき、図３（ａ）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、保持部材１１０等に衝突して反射し、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。

図４はこのようにしてワークＷが切断される様子を、従来の場合と比較して示す。図４（ａ）は、加工ヘッド２００が図３（ａ）におけるラインＬ１上に位置する状態で切断がなされる従来の場合の様子である。図４（ｂ）は、加工ヘッド２００がラインＬ２上に移動され、切断がなされる本実施形態の場合である。

従来の場合、図４（ａ）に示すように、レーザ光３１はワークＷに対し、入射角度０°で、垂直に入射する。この場合、レーザ光３１が作用してワークＷを切断し、加工が進行している部分３２は、ワークＷの表面に対して傾斜している。

このため、加工進行部分３２の長さは比較的長く、その分、溶融金属が比較的多く発生し、発生した溶融金属３４が切断部分３３に滞留する時間も比較的長い。したがって、溶融金属３４がドロスとなってワークＷの切断部分３３に付着し易い。なお、ドラグラインは加工進行部分３２に沿って形成されるので、図４（ａ）の従来の場合、ドラグラインは切断方向ｖ１に対し、反時計回りで鈍角を成す。

これに対し、本実施形態の場合、図３（ａ）のように、加工ヘッド２００がラインＬ１から距離Ｄだけ離れたラインＬ２上に位置し、ラインＬ２に沿ってレーザ光３１が照射される。このため、図４（ｂ）のように、レーザ光３１はワークＷに対し、距離Ｄに応じた入射角度αで入射する。すなわち、レーザ光の入射方向と切断方向ｖ１とが所定の鋭角θ（＝９０°−α）を成す。なお、図中のＮはワークＷの表面についての法線である。

この場合、レーザ光３１が作用し、ワークＷを切断している加工進行部分３２は、ワークＷに対してほぼ垂直となる。したがって、図４（ａ）の従来の場合に比べ、加工進行部分３２の長さは短い。つまり、加工により生じる溶融金属は最小となり、溶融金属３４が切断部分３３に滞留する時間も最短となる。

したがって、溶融金属３４は、ドロスとなって切断部分３３に付着する余裕が与えられることなくそのまま排出される。すなわち、上述の保持部材１１０とワークＷとの間に形成される空気膜によるパージ作用や加工ヘッド２００から吐出されるアシストガスにより、スムーズに排出されることになる。

図５は、本実施形態に従い、図４（ｂ）のように切断されたワークＷの切断面４１を示す。図５中の破線４２は、ワークＷに形成されたドラグラインに沿ったラインである。本実施形態の場合、図５に示すように、切断されたワークＷに形成されるドラグラインの角度は破線４２で示されるように、ワークＷの表面に対し、ほぼ直角となる。そして、切断面４１の下部に、ドロスは付着していない。

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３（ａ）で示されるラインＬ２上の位置に維持される。

図６は本実施形態に対する比較例を示す。図６の比較例では、本実施形態の場合とは逆の方向からレーザ光を入射させる場合にワークＷが切断される様子が示されている。つまり、入射角度は図４（ｂ）の場合と同じαであるが、レーザ光の入射方向と切断方向ｖ１とが鈍角（＝９０°＋α）を成す。そして、レーザ光３１が作用し、ワークＷを切断している加工進行部分３２は、ワークＷに対してかなり傾斜する。

したがって、図４（ｂ）の本実施形態の場合に比べ、加工進行部分３２は長い。このため、加工により生じる溶融金属が多くなり、切断部分３３に滞留する時間も長期化する。その分、溶融金属３４は、ドロスとなって切断部分３３に付着しやすくなる。

図７は、この比較例のようにして切断されたワークＷの切断面６１を示す。切断面６１の下部にはかなりの量のドロス６２が付着している。また、ドラグラインに沿った破線６３で示されるように、ドラグラインは切断方向ｖ１に対し、反時計回りに、大きな鈍角を成す。

以上説明したように、本実施形態によれば、加工ヘッド２００を、ワークＷの回転方向上流側へ並進移動させ、図３（ｂ）のように、レーザ光の照射位置Ｐ２における切断方向ｖ２と、レーザ光の照射方向ｖ１とが所定の鋭角θ（＝９０°−入射角α）をなすようにしたため、レーザ光の照射により発生する溶融金属を減少させ、かつ速やかに排出することができる。したがって、ドロスが切断部分に付着するのを効果的に防止することができる。

なお、ワークＷに対するレーザ光の入射角度が所望の角度αとなるようにするためには、加工ヘッド２００を回動させ、レーザ光の照射方向を変更する方法も考えられる。しかしながら、加工ヘッド２００を回動可能に固定し、その回動の中心軸の周りに所定角度だけ正確に傾けて上述の入射角度αを得る動作を繰り返し高精度で行うのは困難である。不可避的に発生する加工ヘッド２００の回動角度の調整誤差が、回動の中心軸から離れるほど拡大されるからである。

この点、本実施形態によれば、図３（ａ）のように、加工ヘッド２００を、レーザ光の照射方向が保持部材１１０の回転軸Ａに向かう方向となるラインＬ１上の位置から、ワークＷへのレーザ光の入射角度が角度αとなるラインＬ２上の位置に並進移動させるようにしたため、入射角度を簡便かつ支障なく角度αに設定することができる。

すなわち、ラインＬ１上における加工ヘッド２００の向き及び位置を、レーザ光の照射方向が保持部材１１０の回転軸Ａに向かう方向となるように高い精度で合わせておくことにより、この位置から加工ヘッド２００を、ワークＷに対するレーザ光の入射角度が角度αとなるようなラインＬ２上の位置に並進移動させることは、簡便な機構により比較的高い精度で行うことができる。

また、本実施形態によれば、上述の対応テーブルに基づいて、加工するワークＷの材料や、厚み、回転速度等に対応するラインＬ１からラインＬ２までの距離Ｄを取得し、この距離だけ加工ヘッド２００を平行移動させてレーザ光の照射を行うことにより、ワークＷの種類に応じ、所望のドラグラインの傾きが生じるようなワークＷの切断を行い、ドロスの付着量を減少させることができる。

また、ワークＷ上のレーザ光の照射位置Ｐ２から回転方向Ｒの上流側の所定範囲にわたるワークＷの表面に対向する方向の範囲において存在するように捕獲手段（集塵部７０１、反射部７０２）を配置するようにしたため、効率的にスパッタについての集塵を行うことができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る円筒状ワーク切断装置におけるワークＷ、加工ヘッド２００、及び集塵手段７００の配置を示す。同図（ａ）では上方から見た配置が示されている。同図（ｂ）では、同図（ａ）中の矢印Ｂ方向から見た様子が示されている。すなわち、ワークＷの回転軸Ａの向きは、鉛直方向に沿った向きとされる。

本実施形態の円筒状ワーク切断装置の構成要素は、図１の場合と同様であるが、モータ４００、スピンドル３００、保持部１００等のワークＷの回転手段は、回転軸Ａの向きに適合するように構成される。ワークＷの位置及び回転方向Ｒに対する加工ヘッド２００の位置関係は図３の場合と同様である。したがって、ワークＷの切断時に生じるスパッタは、図３（ａ）の場合と同様に、ワークＷの内側方向ｄ１及び外側方向ｄ２へ飛散する。

集塵手段７００は、図８に示すように、ワークＷの下方に設置される。これにより、ワークＷの内側方向ｄ１へ飛散し、保持部材１１０で反射して下降してくるスパッタＳ１については、集塵部７０１で直接集塵することができ、外側方向ｄ２へ飛散するスパッタＳ２については、反射部７０２により集塵部７０１上へ向けて反射させ、集塵することができる。他の点については、第１実施形態の場合と同様である。

図９は本発明の第３の実施形態に係る円筒状ワーク切断装置におけるワークＷ、加工ヘッド２００、及び集塵手段７００の配置を示す。同図においては正面から見た様子が示されている。本実施形態の円筒状ワーク切断装置の構成要素は、図１の場合と同様のものであるが、加工ヘッド２００は、鉛直方向に沿って上方からレーザ光を照射するように配置される。これに合わせて、ＸＹＺステージ６００が構成される。

ワークＷの位置及び回転方向Ｒに対する加工ヘッド２００の位置関係は図３の場合と同様である。したがって、ワークＷの切断時に生じるスパッタは、図３（ａ）の場合と同様に、ワークＷの内側方向ｄ１及び外側方向ｄ２へ飛散する。

集塵手段７００は、図９に示すように、レーザ光がワークＷを照射する位置の下方に設置される。これにより、ワークＷの内側方向ｄ１へ飛散し、保持部１００で反射して下降してくるスパッタＳ１については、集塵部７０１で直接集塵し、外側方向ｄ２へ飛散するスパッタＳ２については、反射部７０２により集塵部７０１上に反射させて集塵することができる。他の点については、第１実施形態の場合と同様である。

３１…レーザ光、１００…保持部、２００…加工ヘッド（レーザ光照射手段）、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（位置制御手段）、７００…集塵手段、Ｗ…ワーク、θ…所定の鋭角。

Claims (2)

1. 金属製の円筒状の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、
   前記ワークをその内面に接して保持する保持部材と、
   前記ワークを、前記保持部材とともに、中心軸線の周りに回転させる回転手段と、
   前記回転手段により回転されているワークにレーザ光を照射して該ワークを切断するレーザ光照射手段と、
   前記レーザ光照射手段の位置が、前記レーザ光の照射に先立ち、前記ワーク上の該レーザ光の照射位置におけるワークの切断方向と該レーザ光の照射方向とが所定の鋭角をなす位置となるように制御する制御手段と、
   前記ワークの切断に際し、前記制御手段による制御がなされた前記レーザ光照射手段の位置に応じた方向に飛散するスパッタについての集塵を行う集塵手段とを備え、
   前記集塵手段は、前記ワークの内側方向へ飛散し、前記保持部材により反射され、下降してくるスパッタを受ける集塵部と、前記ワークの外側方向へ飛散するスパッタを該集塵部に向けて反射する反射部とで構成されることを特徴とする円筒状ワーク切断装置。
2. 前記集塵部及び前記反射部は、前記ワーク上の所定の表面に対向する範囲にわたって存在し、
   前記ワーク上の所定の表面は、前記制御手段による位置の制御がなされたレーザ光照射手段による該ワーク上のレーザ光の照射位置から、前記回転手段による回転方向上流側の所定範囲にわたる該ワーク上の表面であることを特徴とする請求項１に記載の円筒状ワーク切断装置。

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