JP5865753B2 - 複合加工方法及び複合加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、複合加工方法、特に、熱切断及び機械加工によって原板に穴を形成し、穴を含む切断部材を原板から切り出す複合加工方法に関する。

また、本発明は、以上のような複合加工方法を実施するための複合加工装置に関する。

橋梁や建設機械、産業機械等の本体フレームを構成する溶接構造物は、原板から種々の形状の切断部材を切り出すことによって得られる。このような切断部材の切り出しにおいては、プログラムによって任意の形状の切断が可能なプラズマ切断、ガス切断、レーザ切断等の熱切断が用いられている。

また、特許文献１には、プラズマトーチ、ガストーチ、レーザヘッド等が搭載された熱切断用の加工ヘッドとは別に、ドリルやエンドミル等の切削工具を装着できる機械加工用のヘッドを装備した複合加工装置が示されている。このような複合加工装置は、熱切断に加えて、熱切断では対応が困難な高精度な穴、あるいは建築用鉄骨のジョイント部の穴のように、機械加工により加工することが規格により定められている穴、あるいは溶接用の開先等の加工を行うために用いられる。

さらに、特許文献２には、パンチ加工ヘッドとレーザ加工ヘッドを有する複合加工装置が示されている。この装置では、板材にレーザ加工ヘッドによって下穴が形成され、その後、形成された下穴にパンチ加工ヘッドにより仕上げ加工が施される。

特開昭５９−１９６１１５号公報 特開平０９−２１６０２１号公報

複合加工装置においては、例えば切削加工等の機械加工を高能率で行うためには、高出力のモータと、大きな加工反力を受けるための高剛性のフレームが必要になる。また、加工時の反力による原板の移動、振動を抑えるために、原板を固定するためのクランプ機構が載置テーブルに設けられている。したがって、装置の製造コストが非常に高価になる。

なお、ドリル加工によって原板に穴を形成する場合は、特許文献１に示されたようなクランプ機構を省略することも可能である。すなわち、ドリル工具が装着された加工ヘッドは加工時に上下方向に移動するだけであるので、原板を押さえ付けるための機構を加工ヘッドに設けることによって、原板の移動及び振動を防止できる。また、そのための機構も簡単な構成で実現可能である。

しかし、他の例えばエンドミル加工では、加工ヘッドを水平方向にも移動する必要があり、原板を押さえ付けるための機構を加工ヘッドに設けることはできない。また、ドリル加工では水平方向の力がかからないのに対して、エンドミル加工では水平方向の力がかかる。したがって、機械本体の剛性がドリル加工より必要になるうえ、原板についても水平方向への移動を押さえるための強固なクランプ機構が必要になる。このため、ドリル加工及びエンドミル加工を含む種々の機械加工を行うための複合加工装置では、特許文献１に示されたような大型のクランプ機構を別に設けている。

また、熱切断装置にドリル加工用のヘッドを併設した装置では、前述のように、大型のクランプ機構を廃止することも可能である。しかし、種々の径の穴を形成するためには、対応する径を有する多数のドリル工具を用意する必要があり、自動工具交換機（ＡＴＣ：Auto Tool Changer）が必要になる。このため、装置全体が高価になる。

特許文献２の装置では、種々の異なる穴径に対してそれぞれ対応するパンチを用意する必要があり、この装置においても自動工具交換機が必要になる。したがって、前記同様に、装置の製造コストが非常に高価になる。

以上のような種々の課題を含めて、熱切断用の加工ヘッド及び機械加工用の加工ヘッドを有する従来の複合加工装置の課題をまとめると、以下の通りである。

（１）機械加工の切削量が多く加工反力が大きいため、加工ヘッドを保持する機械本体の剛性を高くする必要がある。さらに、原板を載置テーブルにクランプするためのクランプ機構や、あるいは原板を載置テーブルに押し付けるためのプッシャー等の機構を設ける必要があり、加工機が複雑で高価になる。

（２）ドリル加工の場合はＡＴＣが必要になり、加工機が高価になる。

（３）従来の複合加工機では、機械加工時における切削量が多いため、例えばプラズマトーチと原板との間の隙間（切断高さ）が数mmであるのに対して、比較的大きな糸状あるいは螺旋状の切粉が発生する。この切粉は、原板上に散乱し、熱切断時のトーチ運行の障害になる。特に糸状・螺旋状の針金状の切粉は、熱切断の切り溝にひっかかってしまうとガスで吹き飛ばしたりブラシで除去したりすることができない。

（４）従来の複合加工機では、機械加工時の切削量が多いため、加工速度が熱切断に比較して遅くなり、複合加工をすることで、全体の生産性が低下する。

（５）大サイズの原板を加工する際、原板をクレーンによって載置テーブル上に搬入し、その上でクレーンによってクランプ機構に対する位置決めを行う必要がある。このようなクレーンによる原板の位置決めは実用的でない。

以上のような種々の課題により、熱切断及び機械加工の両加工を行えるようにした複合加工機は、簡単にクランプできる比較的小サイズの原板に対して適用されることはあっても、橋梁や建設機械、産業機械等に用いられる大サイズの原板（例えば６ｍを越える長尺の原板）から大型の切断部材を切り出す分野では、用いられていない。

特に、エンドミル加工機と熱切断機との複合加工機が実用化されていない理由は以下の通りである。

熱切断機では、原板は載置テーブルの上に載置されるだけで、原板は載置テーブルにクランプ機構で固定されない。すなわち、熱切断作業においては、水平方向の負荷が原板にかからないうえに、大きな原板から複数の切断部材を切り出すという作業実体から、クランプ機構は設けられていない。また、原板交換作業では、クレーンを使って大きな原板を入れ替えるため、載置テーブル上の原板の位置はそれほど高精度のものではないことも、クランプ機構が設けられていない理由の１つである。

これに対して、ドリル加工やパンチプレス加工の場合、ドリルやパンチ金型の周囲に原板押さえ機構を設ければよいが、前述のように、エンドミル加工の場合は、工具自身が水平方向に移動するので、単なる原板押さえ機構を設けることができない。しかも、エンドミル加工では、水平方向に加工負荷が生じる。

以上のように、エンドミル加工と熱切断加工とは、作業形態において要求される条件が異なっており、したがって、エンドミル加工機とクランプ機構を持たない熱切断機との複合加工機は実用化されていない。

本発明の課題は、特に大サイズの原板に対して、簡素で安価な複合加工装置で熱切断及び機械加工を行えるようにすることにある。

本発明の第１側面に係る複合加工方法は、熱切断及び機械加工によって原板に穴を形成し、穴を含む切断部材を原板から切り出す方法であって、穴切断工程と、仕上げ工程と、外周切断工程と、を含む。穴切断工程は、仕上げ寸法に対して削り代を残して熱切断により原板に穴を形成する。仕上げ工程は、穴切断工程によって形成された穴に切削工具を挿入し、穴の内周面に沿って切削工具を周回させることで熱切断端面を切削し、穴を仕上げ寸法に加工する。外周切断工程は、熱切断によって切断部材の外周を切断し、原板より切断部材を切り出す。

なお、複数の切断部材がある場合は、以下のような順序で加工することが可能である。

（ａ）切断部材ごとに穴切断→仕上げ→外周切断の順に工程を実施する。

（ｂ）複数の切断部材について、穴切断→仕上げの各工程をまとめて実施し、その後外周切断をまとめて実施する。

（ｃ）穴切断を繰り返し、その後仕上げ加工を繰り返した後、外周切断をまとめて実施する。

以上から明らかなように、外周切断工程は、必ず仕上げ工程の後に実施する必要がある。すなわち、仕上げ加工を実施する時点は、外周切断前であり、各切断部材が原板と一体となっていることが必要である。

以上のような加工方法では、穴切断工程において、少ない削り代を残して熱切断により穴を形成することによって、仕上げ工程における切削加工時の負荷を小さくすることができる。このため、この加工方法を実施するための装置において、従来に比較してフレームの剛性を低くすることができるとともに、機械加工のためのモータを小型化することが可能になる。また、機械加工による穴の仕上げ加工を実施する時点では、外周切断工程の前であるために、仕上げ加工を行う穴部を含む切断部材は、原板と切り離されていない。このため、特に大サイズの原板においては、原板の自重で載置テーブル上に原板が保持され、切削工具の径や削り代を適切に設定することによって、クランプしなくても加工反力による原板の移動を防止できる。

本発明の第２側面に係る複合加工方法は、第１側面の方法において、穴切断工程及び外周切断工程における熱切断は、原板の表面側にプラズマアークを発生させるプラズマ切断であり、穴切断工程では、穴の原板表面側端部に削り代が残るように熱切断を行う。

プラズマ切断によって穴を形成すると、プラズマアークが当てられた側である穴の原板表面側の径は裏面側の径よりも大きくなる傾向がある。

そこで、この第２側面に係る方法では、穴切断工程において、穴の原板表面側端部に削り代が残るように熱切断を行う。この場合に、穴切断工程における穴表面側の狙い寸法を、概略仕上げ寸法にすることにより、仕上げ工程における切削量を非常に少なくすることができる。

本発明の第３側面に係る複合加工方法は、第１側面の方法において、穴切断工程及び外周切断工程における熱切断は、原板の表面からレーザを照射するレーザ切断又はガスを噴射するガス切断であり、穴切断工程では、穴の原板裏面側端部に削り代が残るように熱切断を行う。

レーザ又はガスによって穴を形成すると、プラズマ切断とは逆に、レーザ照射側あるいはガス噴射側である穴の原板表面側の径は裏面側の径よりも小さくなる傾向がある。

そこで、この第３側面に係る方法では、穴切断工程において、穴の原板裏面側端部に削り代が残るように熱切断を行う。この場合に、穴切断工程における穴裏面側の狙い寸法を、概略仕上げ寸法にすることにより、仕上げ工程における切削量を非常に少なくすることができる。

本発明の第４側面に係る複合加工方法は、第１から第３側面のいずれかの方法において、穴切断工程から外周切断工程では、原板をクランプすることなく加工を行う。

ここで、前述のように、本発明の方法を実施することによって、加工時において原板に作用する加工反力が小さくなる。このため、原板をクランプすることなく機械加工を行うことができる。

本発明の第５側面に係る複合加工方法は、第１から第４側面のいずれかの方法において、仕上げ工程では、回転する切削工具を用いて穴の熱切断端面を切削する。そして、切削工具径は原板の厚みの２倍以下である。

通常、切削加工においては、工具径の大きいものを使用すればする程、切削速度（工具径×スピンドル回転数）が大きくなり加工能率が向上するので、可能な範囲で大きな工具径のものを使用するのが通例である。

しかし、原板をクランプせずに機械加工を行う場合、原板が振動しないように工夫する必要がある。

ここで、原板の板厚が厚くなるにしたがって、自重が増大し自重による拘束力（載置テーブルへの保持力）が増す。従って、原板をクランプすることなく機械加工する場合、板厚と切削工具の径とには互いに関連性がある。

発明者らの加工テストの結果から、原板をクランプせずに切削加工する場合、切削工具径を板厚の２倍以下とすると、種々の原板に対して、原板が振動したり移動したりすることのない範囲で、最速の加工速度で良好な仕上げ加工ができることが判明した。

なお、切削工具径の下限は取付シャフト径によって規制される。また、取付シャフト径は、取り付けられた切削工具が工具として機能する強度によって定まる。したがって、切削工具径は、工具として機能する強度を有する径以上であることは言うまでもない。

そこで、この第５側面に係る方法では、切削工具の径を原板の厚みの２倍以下としている。なお、切削工具径を原板厚みの１倍以下にすれば、より好ましい。

本発明の第６側面に係る複合加工方法は、第１から第５側面のいずれかの方法において、仕上げ工程の前工程として、穴の高さ位置を計測する計測工程をさらに含む。また、仕上げ工程では、計測工程での計測結果及び原板の板厚データから切削工具の高さ位置を制御する。

ここで、熱切断機では、載置テーブル上に置かれた原板の高さは、テーブルの桟に付着したドロスや原板のたわみによって一様ではない。また、テーブルの桟は消耗品のために、桟上面の高さも数mm程度のばらつきがある。

このような状況において、予め得られているテーブル面の高さや原板の厚みのデータに基づいて穴の内周面（切断端面）を機械加工すると、穴の底部付近に未加工部分が残ったり、逆に桟やドロスを切削したりすることになる。このように、桟やドロスを切削することがあることを前提にすると、機械加工速度を遅くする必要があり、また加工反力が大きくなるのでフレームの剛性を高くする必要がある。

そこで、この第６側面に係る方法では、仕上げ工程前に、穴の高さ位置を計測し、この計測結果に基づいて切削工具の高さ位置を制御するようにしている。このため、穴の内周面のみを正確に切削することができる。

なお、穴の高さ位置は、穴近傍の原板の表面高さを計測することによって容易に計測することができる。

本発明の第７側面に係る複合加工方法は、第１から第６側面のいずれかの方法において、穴切断工程と仕上げ工程との間に、穴切断工程で熱切断された端材が穴内に残っているか否かを確認する確認工程をさらに含む。

穴切断を実行すると、通常は穴内部の端材はテーブルの桟の隙間から下方に落下する。しかし、穴切断が桟を跨ぐようにして実施されると、端材が桟の上に残ったり、端材が穴の内周面に引っかかる等によって穴に残る場合がある。このような状況では、仕上げ工程において、切削のための工具を穴内部に挿入することができない。

そこでこの第７側面に係る方法では、切断された穴の内部に端材が残っているか否かを確認するようにしている。なお、端材が残っている場合は、仕上げ工程を実行しない、あるいは端材を取り出した後に仕上げ工程を実行する等の処理が実行される。

本発明の第８側面に係る複合加工方法は、第７側面の方法において、確認工程は、仕上げ工程で用いる切削工具を穴に挿入することにより行う。

ここでは、仕上げ工程用の切削工具によって穴内の端材の有無を確認するので、特別なセンサ等が不要になる。

本発明の第９側面に係る複合加工方法は、第１から第８側面のいずれかの方法において、仕上げ工程では、穴切断工程によって形成された穴の切断端面をエンドミルにより切削する。

ここでは、エンドミルによって穴の切断端面を切削するので、種々の穴径に対して１つの工具で対応することができる。

本発明の第１０側面に係る複合加工法は、第１から第９側面のいずれかの方法において、仕上げ工程では、回転する切削工具をエアモータにより駆動する。

切削工具をエアモータにより回転させることにより、加工負荷が大きくなると、工具回転数が低下する。このため、原板の移動をより抑えることができる。

本発明の第１１側面に係る複合加工装置は、熱切断及び機械加工によって原板に穴を形成し、穴を含む切断部材を原板から切り出す装置であって、原板が載置される載置テーブルと、載置テーブル上において非クランプ状態の原板に対して熱切断するための第１ヘッドと、載置テーブル上において非クランプ状態の原板に対して機械加工するための第２ヘッドと、第１及び第２ヘッドを載置テーブルに対して相対的に水平方向及び上下方向に移動する移動機構と、載置テーブルに載置された原板の上下方向位置を検出する高さ位置検出センサと、第１及び第２ヘッドの載置テーブルに対する相対移動、及び第１及び第２ヘッドによる熱切断及び機械加工を制御する制御部と、を備えている。制御部は、穴切断機能部と、仕上げ機能部と、外周切断機能部と、を有する。穴切断機能部は仕上げ寸法に対して削り代を残して熱切断により原板に穴を形成する。第２機能部は、穴切断機能部によって形成された穴に切削工具を挿入し、穴の内周面に沿って切削工具を周回させることで熱切断端面を切削し、穴を仕上げ寸法に加工する。外周切断機能部は、熱切断によって切断部材の外周を切断し、原板より切断部材を切り出す。

この複合加工装置では、少ない削り代を残して熱切断により穴を形成することによって、穴内周面の仕上げにおいて、切削加工時の負荷を小さくすることができる。このため、従来に比較して装置フレームの剛性を低くすることができるとともに、機械加工のためのモータを小型化することが可能になる。また、原板を押さえ付けるためのクランプ機構が不要になる。

本発明の第１２側面に係る複合加工装置は、第１１側面の装置において、第２ヘッドは原板の厚みの２倍以下の径を有する切削工具を有している。

前述のように、工具径が小さくなるほど、工具が装着された主軸及び原板に作用する反力が小さくなる。このため、切削工具の径を原板の厚みの２倍以下とすることによって、機械加工時の振動等をより抑えることができる。なお、切削工具径を原板厚みの１倍以下にすれば、より好ましい。

本発明の第１３側面に係る複合加工装置は、第１１又は第１２側面の装置において、制御部は、熱切断された端材が穴内に残っているか否かを確認する確認機能部をさらに有する。

本発明の第１４側面に係る複合加工装置は、第１３側面の装置において、制御部は、第２ヘッドに装着された切削工具を穴に挿入することにより端材の有無を確認する。

本発明の第１５側面に係る複合加工装置は、第１１から第１４側面の装置において、第２ヘッドにはエンドミルが装着される。

本発明の第１６側面に係る複合加工法は、第１１から第１５側面のいずれかの装置において、第２ヘッドは切削工具を駆動するためのエアモータを有している。

切削工具をエアモータにより回転させることにより、加工負荷が大きくなると、工具回転数が低下する。このため、原板の移動をより抑えることができる。

以上のような本発明では、特に大サイズの原板に対して、簡素で安価な複合加工装置を用いて熱切断及び機械加工を行うことができる。

本発明の一実施形態による複合加工装置の外観構成図。 複合加工装置の正面図。 複合加工機のシステムブロック図。 本発明の一実施形態による複合加工方法の処理手順を示す図。 複合加工時における各部の配置を示す図。 複合加工時における各部の配置を示す図。 プラズマ切断による穴形状を説明する断面図。 原板の高さ位置を検出する作用を説明するための図。 仕上げ工程の概略平面図。 仕上げ工程において、軸方向に複数回加工する場合の一例を示す断面図。 仕上げ工程において、半径方向に複数回加工する場合の一例を示す断面図。 仕上げ工程におけるアップカットとダウンカットを説明するための平面図。

［複合加工装置の構成］
図１に本発明の一実施形態による複合加工装置１の全体構成を示す。また、図２に複合加工装置１の正面概略図を示す。

この複合加工装置１は、原板である鋼板Ｗ０が載置される載置テーブル２と、熱切断用のプラズマトーチ（第１ヘッド）３と、機械加工用のヘッド（第２ヘッド）４と、高さ検出センサ５と、コントローラ６と、を備えている。

ここでは、複合加工装置１によって、原板Ｗ０から、それぞれ穴Ｈを有する複数の切断部材Ｗ１，Ｗ２を切り出す場合について説明する。

載置テーブル２の上面には複数の桟７が配置されており、加工済みの端材等は桟７の間の隙間から下方に落下するようになっている。また、載置テーブル２の下方の空間は、図示しない集塵装置に接続されている。

載置テーブル２の側方にはＸ軸レール１０が配置されている。Ｘ軸レール１０にはＸ軸台車１１がＸ軸方向に移動自在に支持されている。Ｘ軸台車１１にはＸ軸方向と直交するＹ軸方向に延びるＹ軸アーム１２が固定されている。Ｙ軸アーム１２は載置テーブル２の上方に位置している。そして、Ｙ軸アーム１２にはＹ軸台車１３がＹ軸方向に移動自在に支持されている。なお、Ｘ軸台車１１及びＹ軸台車１３は、それぞれ図３に示すＸ軸モータＭｘ及びＹ軸モータＭｙによって駆動される。

プラズマトーチ３は、Ｙ軸台車１３に支持されたＺ軸台車１５にＺ軸方向（上下方向）に移動自在に装着されている。プラズマトーチ３は、先端部が先細りの略円筒形状のものであって、トーチケーブル等を介してプラズマ電源ユニット１７（図３参照）に接続されている。なお、プラズマトーチ３を上下方向に駆動するために、図３に示す第１Ｚ軸モータＭｚ１が設けられている。

機械加工用ヘッド４は、図３に示す第２Ｚ軸モータＭｚ２、Ｚ軸方向に移動自在な主軸１８等を有しており、主軸１８の先端にはエンドミル１９が装着されている。

ここで、エンドミル１９として、この実施形態では、切削時の反力が小さく、切削時に原板Ｗ０が移動しにくい粗削り用のラフィングエンドミルを使用している。

また、前述のように、発明者らの加工テストの結果から、原板をクランプせずに切削加工する場合、切削工具径を板厚の２倍以下とすると、種々の原板に対して、原板が振動したり移動したりすることのない範囲で、最速の加工速度で良好な仕上げ加工ができることが判明した。

そこで、エンドミル１９の径は、原板Ｗ０の板厚の２倍以下であることが好ましいが、原板Ｗ０の板厚の１倍以下がより好ましい。

なお、第２Ｚ軸モータＭｚ２としては、この実施形態では、エアモータを用いている。電動モータの場合は、削り代が多く負荷トルクが大きくなった場合、モータ容量に余裕がある場合は回転数を低下させることなく切削加工をすることになる。すると、本発明の場合、原板Ｗ０はクランプせずに切削加工されるために、原板Ｗ０が移動してしまう可能性がある。

一方、エアモータによってエンドミル１９を駆動するようにした場合、負荷トルクが大きくなるとモータの回転数が低下する。したがって、前述のように、削り代が多い場合は、無理矢理一定の回転数で切削するのではなく、低回転数で切削することになる。このため、原板Ｗ０が移動するのを防止することができ、原板Ｗ０をクランプせずに常に正確な加工を行うことができる。

高さ検出センサ５は、Ｙ軸台車１１に支持されており、Ｚ軸方向に移動自在である。なお、高さ検出センサ５を上下方向に駆動するための機構については省略している。

以上のような構成により、プラズマトーチ３及び機械加工ヘッド４を、載置テーブル２上に載置された原板Ｗ０に対して、水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）及び上下方向（Ｚ軸方向）の任意の位置に移動させることが可能である。すなわち、Ｘ軸台車１１、Ｙ軸台車１３、Ｚ軸台車１５、主軸１８のそれぞれを駆動するためのモータＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚ１，Ｍｚ２によって、プラズマトーチ３及び機械加工ヘッド４を各方向に移動するための移動機構が構成されている。

なお、後述するように、プラズマトーチ３及び機械加工ヘッド４を１つのＺ軸方向駆動用のモータと１つのエアシリンダでＺ軸方向に移動させるようにしてもよい。

コントローラ６は、図３に示すように、穴切断機能部２１と、仕上げ機能部２２と、外周切断機能部２３と、確認機能部２４と、加工ラインデータ獲得部２５と、を有している。穴切断機能部２１、仕上げ機能部２２、外周切断機能部２３、及び確認機能部２４はプログラムによって構成されている。

穴切断機能部２１は、仕上げ寸法に対して削り代を残してプラズマ切断により原板に穴を形成する機能を有する。仕上げ機能部２２は、穴切断機能部２１によって形成された穴にエンドミル１９を挿入し、穴の内周面に沿ってエンドミル１９を周回させることで熱切断端面を切削し、穴を仕上げ寸法に加工する機能を有する。外周切断機能部２３は、プラズマ切断によって切断部材の外周に沿って切断溝を形成し、切断部材を原板Ｗ０から切り出す機能を有する。確認機能部２４は、穴切断機能部２１によってプラズマ切断された端材が穴内に残っているか否かを確認する機能を有する。

コントローラ６には、自動プログラム装置２６が接続されている。自動プログラム装置２６は、切断部材の形状に応じて加工ラインのデータをプログラムする装置である。この自動プログラム装置２６でプログラムされた加工データがコントローラ６の加工ラインデータ獲得部２５に送信される。

また、コントローラ６には、高さ検出センサ５と、各軸方向の移動台車１１，１３，１５及び主軸１８を駆動するためのモータＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚ１，Ｍｚ２と、が接続されている。さらに、コントローラ６には、プラズマ電源ユニット１７が接続されており、これによりプラズマアークの発生が制御されるようになっている。

［加工方法］
以上の複合加工装置１によって実行される加工方法を、図４、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。図４は加工方法の手順を示しており、図５Ａ及び図５Ｂは各工程における各部の配置を示している。

なお、原板Ｗ０から複数の切断部材を切り出す場合、以下のような順序で加工することが可能である。

（ａ）切断部材ごとに穴切断→仕上げ→外周切断の順に工程を実施する。

（ｂ）複数の切断部材について、穴切断→仕上げの各工程をまとめて実施し、その後外周切断をまとめて実施する。

（ｃ）穴切断を繰り返し、その後仕上げ加工を繰り返した後、外周切断をまとめて実施する。

以上の各方法において、外周切断工程は、必ず仕上げ工程の後に実施する必要がある。すなわち、仕上げ加工を実施する時点では、外周切断前であり、各切断部材が原板と一体となっていることが必要である。

ここでは、１つの穴を有する１つの切断部材を原板Ｗ０から切り出す場合を例にとって説明する。

まずステップＳ１では、プラズマトーチ３を起動して、原板Ｗ０に穴の切断加工を行う（図５Ａ（ａ）参照）。ここで、プラズマ切断によって穴切断を行うと、プラズマ切断の特性から、図６に示すように、形成される穴は逆円錐台形状になる。すなわち、プラズマアークが当たる原板の表面側の穴径ｄ１が裏面側の穴径ｄ２より大きくなる。

そこで、ステップＳ１における穴切断においては、穴切断によって形成される原板表面側の穴径ｄ１が概略仕上げ寸法になるように設定する。すなわち、後工程の切削加工において、原板表面側に削り代が存在し、かつその削り代が最小になるように、穴切断での狙い寸法を設定する。なお、図６では、切削加工において削除される部分を斜線で示している。

次にステップＳ２では、原板Ｗ０の表面の高さ位置を計測する。具体的には、以下の２通りの方法のいずれかによって計測する。

（ａ）エンドミル１９の先端を原板Ｗ０の表面に当接させ、この状態でのエンドミル１９の高さ（先端位置）を検出する（図５Ａ（ｂ）参照）。この処理によって得られたデータと、予め把握されている原板Ｗ０の板厚データとから原板Ｗ０の表面の高さ位置を求める。

（ｂ）エンドミル１９の機械加工ヘッド４からの突き出し長さが予め把握できている場合は、高さ検出センサ５によって、原板Ｗ０の表面の高さを計測する（図５Ａ（ｃ）参照）。そして、この計測によって得られたデータと、エンドミルの突き出し長さと、原板Ｗ０の板厚データとから、原板Ｗ０の表面の高さを求める。

なお、エンドミル１９又は高さ検出センサ５を原板Ｗ０に当接させる位置は、ステップＳ１で形成された穴近傍である。

（ａ）の方法を用いた場合は、エンドミル１９を原板Ｗ０に当接させ、その反力や電気的な導通等の手段で原板Ｗ０の表面位置を検出するので、特殊なセンサが不要になり、構造が簡単になるというメリットがある。

一方、（ｂ）の方法を用いた場合は、高さ検出専用のセンサを設けることで、検出速度が早くなり、また検出精度が高くなるというメリットがある。

以上の処理によって、エンドミル１９をどの程度下降させたらエンドミル１９の先端が原板Ｗ０の裏面と同じ高さになるかを知ることができる。すなわち、原板Ｗ０の板厚データは予めコントローラ６に把握されているので、この板厚データと検出されたエンドミル１９の先端位置から、エンドミル１９を検出された位置から板厚分だけ下降することによって、エンドミル１９の先端と原板Ｗ０の裏面位置とが一致することになる。

そこで、エンドミル１９の下降量を、原板Ｗ０の板厚＋αに設定する。ここで、「α」は、載置テーブルの桟やドロスを削ることなく、しかも穴内周面に削り残しがないような値が設定される。

ここで、機械加工ヘッドのみを有する加工機では、定盤の上に治具及びワークが載置され、加工される。そして、定盤表面の高さ位置はコントローラに予め把握されている。したがって、機械加工ヘッドのみを有する加工機では、以上のような、原板の表面高さの位置の計測や下降量の演算は不要である。

本発明の対象とする複合加工機においても、原板Ｗ０の厚みや載置テーブル２の桟７の高さ位置は、予めデータとしてコントローラ６に把握されている。したがって、原板Ｗ０の表面を計測せずに、データに基づいて後工程の切削加工を行うことも可能である。

しかし、図７に示すように、プラズマ切断を含む熱切断を行う装置では、載置テーブル２上に置かれた原板Ｗ０の高さは、テーブル２の桟７に付着したドロスＤや原板Ｗ０のたわみによって一様ではない。また、テーブル２の桟７は消耗品のために、桟７の上面の高さも数mm程度のばらつきがある。

このような状況において、前述のように、予め得られているデータに基づいて原板Ｗ０に形成された穴の内周面を機械加工すると、図７（ａ）に示すように、エンドミル１９の先端が原板Ｗ０を貫通し、ドロスＤや桟７に到達する場合がある。このように、桟７やドロスＤを切削すると、加工時の振動が大きくなり、またエンドミル１９の損傷を招くことになる。

そこで、ステップＳ２において、実際の原板Ｗ０の高さ、特に形成された穴近傍の原板Ｗ０の高さを計測し、この計測結果に基づいて後工程におけるエンドミル１９の移動を制御するようにしている。このような処理は、本件発明の対象とする複合加工機では必須となる。以上の処理によって、図７（ｂ）に示すように、ドロスや桟を削ることなく、かつ穴の内周面に削り残しのない仕上げ加工を行うことができる。

次にステップＳ３では、ステップＳ１で形成された穴の内部に端材が残っていないか確認する。すなわち、ステップＳ１によって穴切断を行うと、通常は、穴の内部の端材は載置テーブル２の桟７の隙間から下方に落下する。しかし、場合によっては、端材が穴の端面に引っかかり、穴の内部に残る場合がある。

そこで、このステップＳ３では、穴の内部に端材が残っていないか否かを確認するようにしている。具体的には、エンドミル１９を穴の中に挿入する処理を実行する。図５Ｂ（ａ）に示すように、穴の内部に端材が残っている場合は、エンドミル１９の先端が端材に衝突し、下降しない。このエンドミル１９の位置を検出することにより、穴の内部における端材の有無を検出することができる。

穴の内部に端材が有ることが確認された場合は、ステップＳ３からステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、いったん加工処理を停止する。そして、警告ランプを点灯する等によってオペレータに報知する。オペレータは端材を除去し、加工処理の再開を指令する。

穴内部に端材がなかった場合、または端材が除去された場合は、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、エンドミル１９による切削加工（仕上げ加工）を行う。具体的には、エンドミル１９によって、図６の斜線で示した穴の内周端面を切削する（図５Ｂ（ｂ）参照）。

図８に穴Ｈの熱切断端面Ｈｆをエンドミル１９で切削加工する際の平面図を示している。仕上げ加工では、まず、エンドミル１９を穴Ｈに挿入する。そして、穴Ｈの内周面である熱切断端面Ｈｆに沿ってエンドミル１９を破線矢印で示すように、周回させて熱切断端面Ｈｆを切削し、穴Ｈを仕上げ寸法に加工する。

この仕上げ加工においては、効率の低下を防ぐために、エンドミル１９を駆動するモータ（前述のように、エアモータを用いている）の負荷を小さくし、切削速度を低下させないようにすることが好ましい。そこで、削り代によっては、図９（ａ）（ｂ）に示すように、軸方向に複数回に分けて加工したり、あるいは図１０（ａ）（ｂ）に示すように、半径方向に複数回に分けて加工したりするのが好ましい。これらの場合は、エンドミル９を複数回ほど周回させることになる。

また、エンドミル１９で切削加工する場合、図１１（ａ）で示すようなアップカットと、同図（ｂ）で示すようなダウンカットとがある。アップカットは、工具の刃が切削済みの部分に当たり、削り上げる削り方である。また、ダウンカットは、工具の刃が未切削の部分に当たり、削り下げる削り方である。これらを比較した場合、ダウンカットの方が切削面は粗いが送り速度を上げられる。また、同じ送り速度の場合は、ダウンカットの方が切削時の反力が小さく、原板Ｗ０が移動しにくい。

以上の理由から、この実施形態では、エンドミル１９で穴Hを仕上げ加工する場合は、ダウンカットで加工するようにしている。

ここで、載置テーブル２の桟７にドロスＤが付着することによって、原板Ｗ０の高さ位置が変化している場合がある。しかし、先のステップＳ２の処理によって、エンドミル１９を原板Ｗ０の裏面と同じ位置まで正確に下降させることができる。したがって、穴の内周端面の全領域を確実に切削することができる。また、同様の理由により、エンドミル１９によってドロスＤや桟７を切削するのを防止できる。

また、上記とは逆に、プラズマ切断の状況によっては桟７が磨耗し、原板Ｗ０の高さ位置が下方に下がっている場合がある。このような場合に、原板Ｗ０の表面高さを検出しなければ、エンドミル１９の先端位置は原板Ｗ０の裏面まで到達せず、削り残しができることになる。しかし、先のステップＳ２の処理によって、このような不具合を防止できる。

次にステップＳ６では、プラズマトーチ３を切断部材の外周に沿って移動させ、切断部材の外周を切断する。これにより、穴の形成された切断部材を原板Ｗ０から切り出すことができる。

［特徴］
（１）穴切断工程において、少ない削り代を残してプラズマ切断により穴を形成することによって、仕上げ工程における切削加工時の負荷を小さくすることができる。このため、切削加工時の振動を小さくでき、フレームの剛性を低くすることができるとともに、エンドミルを駆動するためのモータを小型化できる。また、加工時における加工反力が小さくなり、原板を押さえ付けるためのクランプ機構が不要になる。

（２）エンドミルの径を原板Ｗ０の厚みの２倍以下にしているので、加工時の振動を抑え、かつ加工反力を小さくできる。

（３）仕上げ加工の前に、穴近傍の原板Ｗ０の高さを計測し、この計測結果及び原板Ｗ０の板厚データからエンドミルの移動を制御している。このため、穴の内周面のみを正確に切削することができる。

（４）穴切断工程で切断された端材が穴内に残っているか否かを確認し、仕上げ加工を行うので、確実に正確な仕上げを行うことができる。また、この確認をエンドミルによって行うので、特別なセンサ等が不要になる。

（５）エンドミル１９をエアモータによって駆動しているので、切削加工時において、原板Ｗ０の移動を抑えることができる。また、エンドミル１９としてラフィングエンドミルを使用し、さらにダウンカットによって加工を行っているので、原板Ｗ０の移動をより抑えることができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

（ａ）前記実施形態では、穴の内部に端材が有る場合、加工をいったん中断してオペレータによる端材の除去を待って加工を再開するようにしたが、端材の除去は自動で行うようにしてもよい。

（ｂ）仕上げ加工に用いる工具はエンドミルに限定されない。グラインダ等の他の切削工具を用いてもよい。

（ｃ）加工される穴形状は、真円形状に限定されない。例えば、長穴や矩形等の穴を形成する場合にも本発明を同様に適用することができる。

（ｄ）前記実施形態では、プラズマトーチ３を駆動するための第１Ｚ軸モータＭｚ１と、機械加工用ヘッド４を駆動するための第２Ｚ軸モータＭｚ２とを設けたが、これらをＺ軸方向に移動させるための機構は前記実施形態に限定されない。

例えば、プラズマトーチ３及び機械加工用ヘッド４をＺ軸方向に移動自在な台車に支持し、この台車を１つのモータでＺ軸方向に駆動し、プラズマトーチ３及び機械加工用ヘッド４のいずれかをエアシリンダでＺ軸方向に駆動するようにしてもよい。

この場合、機械加工用ヘッド４に比較してプラズマトーチ３は加工時に反力を受けにくいので、プラズマトーチ３をエアシリンダで駆動するようにするのが好ましい。

（ｅ）熱切断としてプラズマ切断を用いたが、他のレーザやガスを用いた熱切断と機械加工の複合加工においても、本発明と同様に適用できる。

ここで、レーザ又はガスによって穴を形成すると、プラズマ切断とは逆に、レーザ照射側あるいはガス噴射側である穴の原板表面側の径は裏面側の径よりも小さくなる傾向がある。

そこで、レーザ又はガスによって穴を切断する場合は、穴の原板裏面側端部に削り代が残るように熱切断を行う必要がある。そして、穴切断工程における穴裏面側の狙い寸法を、概略仕上げ寸法にすることにより、仕上げ工程における切削量を非常に少なくすることができる。

１ 複合加工装置
２ 載置テーブル
３ プラズマトーチ
４ 機械加工ヘッド
５ 高さ検出センサ
６ コントローラ
１０ Ｘ軸レール
１１ Ｘ軸台車
１２ Ｙ軸アーム
１３ Ｙ軸台車
１５ Ｚ軸台車
２１ 穴切断機能部
２２ 仕上げ機能部
２３ 外周切断機能部
２４ 確認機能部

Claims (14)

1. 熱切断及び機械加工によって原板に穴を形成し、前記穴を含む切断部材を前記原板から切り出す複合加工方法であって、
   仕上げ寸法に対して削り代を残して熱切断により原板に穴を形成する穴切断工程と、
   前記穴切断工程によって形成された穴に切削工具を挿入し、前記穴の内周面に沿って前記切削工具を周回させることで熱切断端面を切削し、前記穴を仕上げ寸法に加工する仕上げ工程と、
   熱切断によって前記切断部材の外周を切断し、前記原板より前記切断部材を切り出す外周切断工程と、
   を含み、
   前記穴切断工程と前記仕上げ工程との間に、前記穴切断工程で熱切断された端材が穴内に残っているか否かを確認する確認工程をさらに含む、
   複合加工方法。
2. 前記穴切断工程及び前記外周切断工程における熱切断は、原板の表面側にプラズマアークを発生させるプラズマ切断であり、
   前記穴切断工程では、前記穴の原板表面側端部に削り代が残るように熱切断を行う、
   請求項１に記載の複合加工方法。
3. 前記穴切断工程及び前記外周切断工程における熱切断は、原板の表面からレーザを照射するレーザ切断又はガスを噴射するガス切断であり、
   前記穴切断工程では、前記穴の原板裏面側端部に削り代が残るように熱切断を行う、
   請求項１に記載の複合加工方法。
4. 前記穴切断工程から前記外周切断工程では、前記原板をクランプすることなく加工を行う、請求項１から３のいずれかに記載の複合加工方法。
5. 前記仕上げ工程では、回転する切削工具を用いて穴の熱切断端面を切削し、
   前記切削工具径は前記原板の厚みの２倍以下である、
   請求項１から４のいずれかに記載の複合加工方法。
6. 前記仕上げ工程の前工程として、前記穴の高さ位置を計測する計測工程をさらに含み、
   前記仕上げ工程では、前記計測工程での計測結果及び原板の板厚データから切削工具の高さ位置を制御する、
   請求項１から５のいずれかに記載の複合加工方法。
7. 前記確認工程は、前記仕上げ工程で用いる切削工具を前記穴に挿入することにより行う、請求項６に記載の複合加工方法。
8. 前記仕上げ工程では、前記穴切断工程によって形成された穴の熱切断端面をエンドミルにより切削する、請求項１から７のいずれかに記載の複合加工方法。
9. 前記仕上げ工程では、回転する切削工具をエアモータにより駆動する、請求項１から８のいずれかに記載の複合加工方法。
10. 熱切断及び機械加工によって原板に穴を形成し、前記穴を含む切断部材を前記原板から切り出す複合加工装置であって、
    原板が載置される載置テーブルと、
    前記載置テーブル上に載置された原板に対して熱切断するための第１ヘッドと、
    前記載置テーブル上に載置された原板に対して機械加工するための第２ヘッドと、
    前記第１及び第２ヘッドを前記載置テーブルに対して相対的に水平方向及び上下方向に移動する移動機構と、
    前記載置テーブルに載置された原板の上下方向位置を検出する高さ位置検出センサと、
    前記第１及び第２ヘッドの前記載置テーブルに対する相対移動、及び前記第１及び第２ヘッドによる熱切断及び機械加工を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    仕上げ寸法に対して削り代を残して熱切断により原板に穴を形成する穴切断機能部と、
    前記穴切断機能部によって形成された穴に切削工具を挿入し、前記穴の内周面に沿って前記切削工具を周回させることで熱切断端面を切削し、前記穴を仕上げ寸法に加工する仕上げ機能部と、
    熱切断によって前記切断部材の外周を切断し、前記原板より前記切断部材を切り出す外周切断機能部と、
    を有し、
    前記制御部は、熱切断された端材が穴内に残っているか否かを確認する確認機能部をさらに有する、
    複合加工装置。
11. 前記第２ヘッドは原板の厚みの２倍以下の径を有する切削工具を有している、請求項１０に記載の複合加工装置。
12. 前記制御部は、前記第２ヘッドに装着された切削工具を前記穴に挿入することにより端材の有無を確認する、請求項１１に記載の複合加工装置。
13. 前記第２ヘッドにはエンドミルが装着される、請求項１０から１２のいずれかに記載の複合加工装置。
14. 前記第２ヘッドは前記切削工具を駆動するためのエアモータを有している、請求項１０から１３のいずれかに記載の複合加工装置。
    

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