JP5947941B1 - 付加加工用ヘッドおよび加工機械 - Google Patents

Abstract

【課題】無限回転するノズル部に材料粉末を供給する機構を、簡易な構成により実現する付加加工用ヘッド、およびそのような付加加工用ヘッドを備えた加工機械、を提供する。【解決手段】付加加工用ヘッドは、材料粉末を吐出するノズル部と、ノズル部が接続され、材料粉末をノズル部に導く材料粉末通路９１が形成され、ワークに向けて照射されるレーザ光の周りでノズル部が周方向に移動するように回転する回転部材７６と、材料粉末が導入される材料粉末通路９２が形成され、回転部材７６の回転軸方向において回転部材７６と連設される固定部材７１とを備える。固定部材７１および回転部材７６の間には、材料粉末通路９１および材料粉末通路９２が連通し、回転部材７６の回転軸の周りで環状に延びる材料粉末通路９３が形成される。【選択図】図１０

Description

この発明は、付加加工用ヘッドおよび加工機械に関する。

従来の付加加工を用いた物品の製造方法として、たとえば、特開２００８−１９００３８号公報には、ブリスク、圧縮機ブレード、タービンブレードおよび圧縮機構成部品のような物品を製作および補修するレーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）方法が開示されている（特許文献１）。ＬＮＳＭ方法では、レーザを使用して、適応ツールパス堆積法を用いてベース材料上に金属粉末の薄層を正確にクラッディングすることによって３次元幾何学形状を形成する。

特開２００８−１９００３８号公報

材料を付着することによってワークに３次元形状を作成するものとして、付加加工法（Additive manufacturing）がある。付加加工では、加工前後でワークの質量が増加する。このような付加加工を用いたワークの加工工程では、ワークおよび付加加工用ヘッドを相対移動させながら、付加加工用ヘッドからワークに向けて、材料粉末を吐出するとともにレーザ光や電子ビーム等のエネルギー線を照射する。この際、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、ワークに対する材料粉末の吐出方向との間には、ワークへの材料粉末の付着効率が良好となる最適な角度関係が存在する。

一方、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向は、加工の進行とともに変化する。このため、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、ワークに対する材料粉末の吐出方向との間で最適な角度関係を保つには、材料粉末を吐出するノズル部をエネルギー線の周りで周方向に移動させる必要がある。しかしながら、ノズル部がエネルギー線の周りで無限回転する付加加工用ヘッドにおいては、ノズル部に材料粉末を供給するための機構を簡易な構成とすることが困難である。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、無限回転するノズル部に材料粉末を供給する機構を、簡易な構成により実現する付加加工用ヘッド、およびそのような付加加工用ヘッドを備えた加工機械を提供することである。

この発明に従った付加加工用ヘッドは、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射しながら相対移動可能な付加加工用ヘッドである。付加加工用ヘッドは、材料粉末を吐出するノズル部と、ノズル部が接続され、材料粉末をノズル部に導く第１材料粉末通路が形成され、ワークに向けて照射されるエネルギー線の周りでノズル部が周方向に移動するように回転する回転部材と、材料粉末が導入される第２材料粉末通路が形成され、回転部材の回転軸方向において回転部材と連設される固定部材とを備える。固定部材および回転部材の間には、第１材料粉末通路および第２材料粉末通路が連通し、回転部材の回転軸の周りで環状に延びる第３材料粉末通路が形成される。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、材料粉末が、固定部材に形成され、材料粉末が導入される第２材料粉末通路と、固定部材および回転部材の間に形成され、回転部材の回転軸の周りで環状に延びる第３材料粉末通路と、回転部材に形成され、材料粉末をノズル部に導く第１材料粉末通路とを順に流れて、ノズル部に供給される。これにより、無限回転するノズル部に材料粉末を供給する機構を、簡易な構成により実現することができる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドは、ワークに対する付加加工用ヘッドの相対移動方向を基準にして、材料粉末がノズル部からワークに向けて吐出される方向が一定となるように、ノズル部を回転駆動する駆動部をさらに備える。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、ワークへの材料粉末の付着効率を良好にできる。

また好ましくは、第１材料粉末通路および第２材料粉末通路は、第３材料粉末通路が延びる周方向に変位しながら、回転部材の回転軸方向に延びる。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、材料粉末を、第２材料粉末通路、第３材料粉末通路および第１材料粉末通路と順に円滑に流すことができる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドは、固定部材および回転部材の間に設けられ、環状に延びる第３材料粉末通路を所定の位相位置で遮断する遮断部材をさらに備える。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、遮断部材により第３材料粉末通路における材料粉末の流れを所定の位相位置で遮ることによって、第３材料粉末通路から第１材料粉末通路への材料粉末の流入を円滑にすることができる。

また好ましくは、遮断部材は、回転部材と一体に設けられ、第１材料粉末通路が第３材料粉末通路に連通する位置より、第３材料粉末通路における材料粉末の流れ方向の下流側に隣り合った位相位置に配置される。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、第３材料粉末通路から第１材料粉末通路への材料粉末の流入をさらに円滑にすることができる。

また好ましくは、回転部材には、環状に延びる第３材料粉末通路の互いに異なる位相位置に連通する複数の第１材料粉末通路が形成される。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、第３材料粉末通路における材料粉末の経路長のばらつきを緩和することにより、ワークに対して吐出される材料粉末の脈動を抑制することができる。

また好ましくは、複数の第１材料粉末通路は、材料粉末が第３材料粉末通路から流入し、ノズル部に流出するまで経路長が互いに等しくなるように設けられる。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、複数の第１材料粉末通路間における材料粉末の経路長のばらつきをなくすことにより、ワークに対して吐出される材料粉末の脈動をさらに効果的に抑制することができる。

また好ましくは、固定部材には、環状に延びる第３材料粉末通路の互いに異なる位相位置に連通する複数の第２材料粉末通路が形成される。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、第３材料粉末通路における材料粉末の経路長のばらつきを緩和することにより、ワークに対して吐出される材料粉末の脈動を抑制することができる。

この発明に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、上述のいずれかに記載の付加加工用ヘッドと、ワークを保持するワーク保持部と、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部とを備える。

このように構成された加工機械によれば、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械が備える付加加工用ヘッドにおいて、無限回転するノズル部に材料粉末を供給する機構を、簡易な構成により実現することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、無限回転するノズル部に材料粉末を供給する機構を、簡易な構成により実現する付加加工用ヘッド、およびそのような付加加工用ヘッドを備えた加工機械を提供することができる。

この発明の実施の形態１における付加加工用ヘッドを備える加工機械を示す斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す別の斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの光学系を模式的に表した図である。 図１中の付加加工用ヘッドの先端部を示す斜視図である。 付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。 ワークに行なわれる付加加工の一例を示す斜視図である。 図７中の付加加工において、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、材料粉末の吐出方向との関係を示す図である。 付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構を示す斜視図である。 図９中の材料粉末の供給機構の内部構造を説明するための断面図である。 図９および図１０中の固定部材および回転部材において、材料粉末通路の経路を平面的に展開して表した模式図である。 図１１中の材料粉末通路における材料粉末の流れのバリエーションを表した図である。 図１１中の２点鎖線ＸＩＩＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構の第１変形例を示す斜視図である。 図１４中の付加加工用ヘッドにおける回転部材を示す斜視図である。 図１４中の固定部材および回転部材において、材料粉末通路の経路を平面的に展開して表した模式図である。 付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構の第２変形例を示す模式図である。 付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構の第３変形例を示す模式図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における付加加工用ヘッドを備える加工機械を示す斜視図である。図１中には、加工機械の加工エリア内の様子が示されている。

図１を参照して、加工機械１００は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive manufacturing）加工）と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機である。加工機械１００は、ＳＭ加工の機能として、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する。

加工機械１００の全体構造について説明すると、加工機械１００は、第１主軸台１１１と、第２主軸台（不図示）と、工具主軸１２１と、下刃物台（不図示）とを有する。第１主軸台１１１、第２主軸台、工具主軸１２１および下刃物台は、スプラッシュガード２０６により囲われた加工エリア２００内に設けられている。

第１主軸台１１１は、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させるための主軸１１２を有する。主軸１１２は、水平方向に延びるＺ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられている。主軸１１２には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構が設けられている。第２主軸台（不図示）は、第１主軸台１１１と同様の構造を有し、Ｚ軸方向において第１主軸台１１１と対向して設けられている。

工具主軸（上刃物台）１２１は、回転工具を用いたミーリング加工時に回転工具を回転させる。工具主軸１２１は、鉛直方向に延びるＸ軸に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸１２１には、回転工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構が設けられている。

工具主軸１２１は、図示しないコラム等によりベッド上に支持されている。工具主軸１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。工具主軸１２１がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動することによって、工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に変位する。工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている。

下刃物台（不図示）は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。下刃物台は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。下刃物台は、図示しないサドル等によりベッド上に支持されている。下刃物台は、サドル等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１を有する。付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射することにより付加加工を行なう（指向性エネルギ堆積法（Directed Energy Deposition））。エネルギー線としては、代表的に、レーザ光および電子ビームが挙げられる。本実施の形態では、付加加工にレーザ光が用いられる。

付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。付加加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に装着される。工具主軸１２１が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の加工位置が３次元的に変位する。さらに本実施の形態では、工具主軸１２１が中心軸２０４を中心に旋回することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の向き（ワークに対するレーザ光の照射方向）が変化する。除去加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１から離脱される。

なお、付加加工用ヘッド２１を加工エリア２００内で移動させるためのヘッド移動機構が、工具主軸１２１とは別に設けられてもよい。

付加加工用ヘッド２１は、ヘッド本体（本体部）２２と、レーザツール（エネルギー線出射部）２６と、ケーブル継手２３とから構成されている。

ヘッド本体２２には、レーザ光および材料粉末が導入される。付加加工用ヘッド２１のうちヘッド本体２２が、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。レーザツール２６は、ワークに向けてレーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める。

なお、本実施の形態では、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める手段がレーザツール２６に設けられる場合について説明するが、このような構成に限られず、レーザ光の照射領域を定める手段の全部または一部が、ヘッド本体２２および／またはケーブル継手２３に設けられてもよい。

ケーブル継手２３は、ケーブル２４をヘッド本体２２に接続するための継手として設けられている。ケーブル２４は、加工エリア外に設置されたレーザ発振装置（不図示）から付加加工用ヘッド２１に向けてレーザ光を導くための光ファイバと、加工エリア外に設置された材料粉末供給装置（不図示）から付加加工用ヘッド２１に向けて材料粉末を導くための配管と、これらを収容する管部材とから構成されている。

なお、付加加工用ヘッド２１を備える加工機械は、上記のＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械に限られない。たとえば、付加加工用ヘッド２１を備える加工機械は、旋盤ベースのＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械であってもよいし、マシニングセンタベースのＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械であってもよい。マシニングセンタベースのＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械の場合、ワークを保持するワーク保持部としてテーブルが用いられる。また、付加加工用ヘッド２１を備える加工機械は、付加加工のみ実行可能な加工機械であってもよい。

続いて、図１中の付加加工用ヘッドの構造についてより詳細に説明する。図２は、図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す斜視図である。図３は、図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す別の斜視図である。図中には、レーザツール２６がヘッド本体２２から分離された状態が示されている。

図２および図３を参照して、まず、ヘッド本体２２およびレーザツール２６の連結機構について説明する。ヘッド本体２２およびレーザツール２６は、それぞれ、連結部５１および連結部５２を有する。連結部５１および連結部５２には、クランプ機構が内蔵されており、ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、そのクランプ機構が作動することによって、連結部５１および連結部５２が互いに連結される。クランプ機構の一例として、バネ力によりクランプ状態を得て、油圧によりアンクランプ状態を得る機構が挙げられる。

次に、付加加工用ヘッド２１においてワークに対してレーザ光を照射するための機構について説明する。ヘッド本体２２は、光ファイバ４１、レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５を有する。

光ファイバ４１には、図１中のケーブル２４からレーザ光が導かれる。光ファイバ４１は、レーザ光入射管４２に接続されている。レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５は、挙げた順に連なって設けられている。レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５は、ヘッド本体２２におけるレーザ光の通路を形成している。

レーザツール２６は、レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９を有する。レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９は、連なって設けられている。レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９は、レーザツール２６におけるレーザ光の通路を形成している。

ヘッド本体２２およびレーザツール２６は、それぞれ、接続部４６および接続部４７を有する。ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、接続部４６に接続部４７が接続されることによって、ヘッド本体２２およびレーザツール２６間でレーザ光の通路が連通する。

図４は、図１中の付加加工用ヘッドの光学系を模式的に表した図である。図２から図４を参照して、ヘッド本体２２は、コリメーションレンズ６１、反射鏡６２、反射鏡６３および保護ガラス６４を有する。

コリメーションレンズ６１は、レーザ光入射管４２に収容されている。コリメーションレンズ６１は、光ファイバ４１から入力されたレーザ光を平行光にして、反射鏡６２および反射鏡６３に向けて送る。反射鏡６２および反射鏡６３は、それぞれ、レーザ光通路筐体４３およびレーザ光通路筐体４５に収容されている。反射鏡６２および反射鏡６３は、コリメーションレンズ６１からのレーザ光を反射させてレーザツール２６に向けて送る。

保護ガラス６４は、接続部４６に設けられている。保護ガラス６４は、ヘッド本体２２に内蔵された光学部品を外部雰囲気から保護するために設けられている。

レーザツール２６は、保護ガラス６５、集光レンズ６６および保護ガラス６７を有する。集光レンズ６６は、レーザ光通路筐体４８に収容されている。集光レンズ６６は、レーザ光をワーク上に集光するためのレンズであり、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める光学部品として設けられている。ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める光学部品は、集光レンズ６６に限られず、たとえば、ミラーであってもよい。

保護ガラス６５および保護ガラス６７は、それぞれ、接続部４７およびレーザ光出射筐体４９に設けられている。保護ガラス６５および保護ガラス６７は、レーザツール２６に内蔵された光学部品を外部雰囲気から保護するために設けられている。

ヘッド本体２２には、実行する付加加工の条件に合わせて、複数のレーザツール２６（図４中では、レーザツール２６Ａ、レーザツール２６Ｂおよびレーザツール２６Ｃ）のうちいずれか１つのレーザツール２６が選択的に装着される。複数のレーザツール２６は、ワーク上に定められるレーザ光の照射領域の形状や大きさが互いに異なる。

図４中に示す例でいえば、レーザツール２６Ａは、集光レンズ６６Ａを有し、この集光レンズ６６Ａによって、ワーク上に直径２ｍｍの円形の照射領域を定める。レーザツール２６Ｂは、ホモジナイザー６８および集光レンズ６６Ｂを有し、このホモジナイザー６８および集光レンズ６６Ｂによって、ワーク上に３ｍｍ×８ｍｍの矩形の照射領域を定める。レーザツール２６Ｃは、集光レンズ６６Ｃを有し、この集光レンズ６６Ｃによって、ワーク上に直径４ｍｍの円形の照射領域を定める。

図５は、図１中の付加加工用ヘッドの先端部を示す斜視図である。図２から図５を参照して、次に、付加加工用ヘッド２１においてワークに対して材料粉末を吐出するための機構について説明する。レーザツール２６は、固定部材７１、回転部材７６およびノズル部７８を有する（図２および図３中では、ノズル部７８が省略されている）。

固定部材７１は、レーザ光出射筐体４９と隣り合って設けられている。固定部材７１は、レーザ光出射筐体４９に対して、レーザ光通路筐体４８の反対側に設けられている。固定部材７１は、レーザツール２６を構成する他の部品に固定して設けられている。

回転部材７６は、中心軸２２１（図５を参照のこと）を中心に回転可能に設けられている。中心軸２２１は、レーザツール２６からワークに向けて照射されるレーザ光３１１の光軸に沿った方向に延びる。本実施の形態では、中心軸２２１が、レーザ光３１１の光軸と重なる。回転部材７６は、中心軸２２１の軸方向において、固定部材７１と連設されている。すなわち、回転部材７６および固定部材７１は、中心軸２２１の軸方向において並んで設けられている。

ノズル部７８は、ワークに向けて材料粉末を吐出する。ノズル部７８は、配管継手７７（図３を参照のこと）を介して回転部材７６に接続されている。後で詳細に説明するが、図１中のケーブル２４から付加加工用ヘッド２１に導入された材料粉末は、固定部材７１および回転部材７６を通じてノズル部７８に供給される。

ノズル部７８は、回転部材７６からレーザ光３１１の照射方向に沿って延出している。ノズル部７８は、中心軸２２１（レーザ光３１１の光軸）からその半径方向に離れた位置に設けられている。ノズル部７８は、回転部材７６から延出する先端に、材料粉末を吐出する吐出口７８ｊを有する。吐出口７８ｊは、中心軸２２１（レーザ光３１１の光軸）からその半径方向に離れた位置で開口している。吐出口７８ｊは、ワーク上に形成されるレーザ光３１１の照射領域（スポット）と対向して開口している。

ノズル部７８は、回転部材７６が中心軸２２１を中心に回転するのに伴って、ワークに向けて照射されるレーザ光３１１の周りで周方向に移動する。特に本実施の形態では、回転部材７６の回転中心である中心軸２２１が、レーザ光３１１の光軸と重なるため、ノズル部７８はレーザ光３１１の光軸を中心に回転移動する。

ヘッド本体２２は、回転駆動源としてのサーボモータ３１と、クラッチ板３２とを有する。レーザツール２６は、クラッチ板３３と、回転シャフト３４と、プーリベルト３５とを有する。

クラッチ板３２は、サーボモータ３１の出力軸に接続されている。回転シャフト３４は、クラッチ板３３に接続されている。ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、クラッチ板３３がクラッチ板３２に摩擦係合することにより、サーボモータ３１から出力された回転が回転シャフト３４に伝達される。プーリベルト３５は、回転シャフト３４および回転部材７６に設けられたプーリ（不図示）間に掛け渡されている。回転シャフト３４の回転がプーリベルト３５を介して回転部材７６に伝達されることによって、回転部材７６が中心軸２２１を中心に回転する。

図６は、付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。図６を参照して、付加加工時、付加加工用ヘッド２１が装着された工具主軸１２１の移動、および／または、ワーク４００を保持する第１主軸台１１１の主軸１１２の回転によって（図１を参照のこと）、レーザツール２６をワーク４００に対向させつつ、付加加工用ヘッド２１およびワーク４００を相対的に移動させる。このとき、付加加工用ヘッド２１（レーザツール２６）からワーク４００に向けて、レーザ光３１１と、材料粉末３１２と、シールドおよびキャリア用のガス３１３とが吐出される。これにより、ワーク４００の表面に溶融点３１４が形成され、その結果、材料粉末３１２が溶着する。

具体的には、ワーク４００の表面に肉盛層３１６が形成される。肉盛層３１６上には、肉盛素材３１５が盛られる。肉盛素材３１５が冷却されると、ワーク４００の表面に加工可能な層が形成された状態となる。材料粉末としては、アルミニウム合金およびマグネシウム合金等の金属粉末や、セラミック粉末を利用することができる。

本実施の形態における付加加工用ヘッド２１においては、サーボモータ３１の制御によって、ワークに対する付加加工用ヘッド２１の相対移動方向を基準にして、材料粉末がノズル部７８からワークに向けて吐出される方向が一定となるように、ノズル部７８が回転駆動される。以下、そのような制御が行なわれる理由について説明する。

図７は、ワークに行なわれる付加加工の一例を示す斜視図である。図８は、図７中の付加加工において、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、材料粉末の吐出方向との関係を示す図である。

図７および図８を参照して、付加加工用ヘッド２１による付加加工により、ワーク４００の表面上に円筒形状の肉盛層４０１を形成する場合が想定されている。この場合、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１を円周方向に相対移動させながら、肉盛層４０１を積層してゆく。このとき、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向は、図８中の矢印２１３に示す方向となり、加工の進行とともに連続的に変化する。

材料粉末は、ノズル部７８の吐出口７８ｊからワーク４００上のレーザ光３１１のスポット３１１ｐに向けて吐出される。レーザ光３１１の光軸方向から見て、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向は、図８中の矢印２１４に示す方向となる。この際、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向との間には、ワーク４００への材料粉末の付着効率が良好となる最適な角度関係が存在する。このような角度関係は、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向との角度を変えながら、ワーク４００への材料粉末の付着状況を調べることによって特定することができる。図中に示す付加加工の一例では、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向とがなす角度がθである場合に、ワーク４００への材料粉末の付着効率が最も良好となる（たとえば、ノズル部７８からの材料粉末の吐出量に対して７０〜９０％の割合）。

本実施の形態における付加加工用ヘッド２１においては、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向の変化にかかわらず、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向とがなす角度がθに保たれるように、ノズル部７８がレーザ光３１１の周りで回転駆動される。

これにより、付加加工の全体に渡ってワーク４００への材料粉末の付着効率が良好となり、材料粉末の歩留まりを向上させることができる。また、ワーク４００への材料粉末の付着効率にばらつきが生じないため、周方向において一定の厚みを備えた肉盛層４０１を形成することができる。

続いて、付加加工用ヘッド２１におけるノズル部７８への材料粉末の供給機構について説明する。

図９は、付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構を示す斜視図である。図９中では、固定部材７１および回転部材７６が部分的に透視して描かれている。図１０は、図９中の材料粉末の供給機構の内部構造を説明するための断面図である。

図９および図１０を参照して、回転部材７６は、フランジ（第１部材）８１およびリッド（第２部材）８６が組み合わさって構成されている。フランジ８１およびリッド８６は、互いに締結されており、一体となって中心軸２２１を中心に回転する。

フランジ８１は、その構成部位として、円筒部８３および鍔部８２を有する。円筒部８３は、中心軸２２１を中心とする円筒形状を有する。鍔部８２は、円筒部８３の一方端から鍔状に広がって設けられている。円筒部８３が後述する固定部材７１の中空部５７に挿入され、鍔部８２が中心軸２２１の軸方向において固定部材７１に当接されている。

リッド８６は、その構成部位として、底板部８８および周壁部８７を有する。底板部８８は、中心軸２２１を中心とする円盤形状を有する。周壁部８７は、底板部８８の周縁から中心軸２２１の軸方向に立ち上がって設けられている。底板部８８は、中心軸２２１の軸方向において固定部材７１とは反対側から鍔部８２に当接している。周壁部８７は、鍔部８２の外周上を覆うように設けられている。

回転部材７６には、中空部５６が形成されている。中空部５６は、中心軸２２１の軸方向において回転部材７６を貫通している。中空部５６は、フランジ８１およびリッド８６に渡って連続している。前述の集光レンズ６６（図４を参照のこと）から出射したレーザ光は、中空部５６を通ってワークに向けて進行する。

固定部材７１は、中心軸２２１の軸方向が板厚方向となるブロック形状を有する。固定部材７１には、中空部５７が形成されている。中空部５７は、円形の開口断面を有し、中心軸２２１の軸方向において固定部材７１を貫通している。回転部材７６（フランジ８１の円筒部８３）は、中空部５７に挿入されている。回転部材７６は、固定部材７１により中心軸２２１を中心に回転可能なように支持されている。

ノズル部７８への材料粉末の供給機構として、回転部材７６には、材料粉末通路９１が形成され、固定部材７１には、材料粉末通路９２が形成され、回転部材７６および固定部材７１の間には、材料粉末通路９３が形成されている。

材料粉末通路９３には、材料粉末通路９１および材料粉末通路９２が連通する。材料粉末通路９２、材料粉末通路９３および材料粉末通路９１は、挙げた順に、材料粉末の流れ方向の上流側から下流側に並んで設けられている。

図１０中では、材料粉末通路９２、材料粉末通路９３および材料粉末通路９１が現れる固定部材７１および回転部材７６の断面が示されている。

より具体的に説明すると、固定部材７１には、貫通孔７２が形成されている。貫通孔７２は、固定部材７１の外壁から、回転部材７６（フランジ８１の鍔部８２）に当接する固定部材７１の端面まで延びて、固定部材７１を貫通している。中心軸２２１の外周上から固定部材７１を見た場合に、貫通孔７２は、中心軸２２１と斜めに交差するように設けられている。

貫通孔７２の一方の開口端には、配管継手８０が接続されている。貫通孔７２は、配管継手８０を介して、図１中のケーブル継手２３内の材料粉末の配管から延びる管部材が接続される。貫通孔７２の他方の開口端は、後述する環状溝８４に開口している。材料粉末通路９２は、貫通孔７２により形成されている。

フランジ８１には、環状溝８４が形成されている。環状溝８４は、鍔部８２に形成されている。環状溝８４は、固定部材７１と当接する鍔部８２の端面と、周壁部８７と対向する鍔部８２の外周面との隅部から凹む溝形状を有し、中心軸２２１を中心に環状に（３６０°に渡って）延びている。環状溝８４は、固定部材７１およびリッド８６の周壁部８７とともに閉空間を区画している。材料粉末通路９３は、環状溝８４により形成されている。

フランジ８１には、外周溝８５が形成されている。外周溝８５は、鍔部８２に形成されている。外周溝８５は、周壁部８７と対向する鍔部８２の外周面から凹む溝形状を有する。外周溝８５は、固定部材７１と当接する鍔部８２の一方の端面から、リッド８６（底板部８８）と当接する鍔部８２の他方の端面まで延びている。外周溝８５は、中心軸２２１の周方向に沿って変位しながら、中心軸２２１の軸方向に延びている。外周溝８５の一方の端部は、環状溝８４に連なり、外周溝８５の他方の端部は、後述する貫通孔８９に連なっている。

リッド８６には、貫通孔８９が形成されている。貫通孔８９は、底板部８８に形成されている。貫通孔８９は、フランジ８１の鍔部８２に当接する底板部８８の端面から、リッド８６の外壁まで延びて、リッド８６を貫通している。中心軸２２１の外周上からリッド８６を見た場合に、貫通孔８９は、中心軸２２１と斜めに交差するように設けられている。貫通孔８９は、外周溝８５の延長線上に延びている。

貫通孔８９の他方の開口端には、配管継手７７が接続されている。貫通孔８９には、配管継手７７を介して、ノズル部７８が接続されている。材料粉末通路９１は、外周溝８５および貫通孔８９により形成されている。

図１１は、図９および図１０中の固定部材および回転部材において、材料粉末通路の経路を平面的に展開して表した模式図である。図１２は、図１１中の材料粉末通路における材料粉末の流れのバリエーションを表した図である。

図９から図１２を参照して、材料粉末通路９２には、材料粉末が導入される。この際、材料粉末通路９２は固定部材７１に形成されているため、ノズル部７８の回転駆動のために回転部材７６が中心軸２２１を中心に回転しても、固定部材７１と、材料粉末の配管との間に捩れが生じるということがない。

材料粉末通路９２に導入された材料粉末は、材料粉末通路９３に流入する。材料粉末は、材料粉末通路９３において周方向に流れ、材料粉末通路９１に流入する。この際、材料粉末通路９２が材料粉末通路９３に連通する位置と、材料粉末通路９１が材料粉末通路９３に連通する位置との相対的な位置関係は、中心軸２２１を中心とする回転部材７６の回転とともに変化する。材料粉末が材料粉末通路９３において周方向に流れることによって、そのような相対的な位置関係の変化にもかかわらず、固定部材７１側の材料粉末通路９２から回転部材７６側の材料粉末通路９１に向けて材料粉末を導くことができる。

材料粉末通路９１に流入した材料粉末は、ノズル部７８を通じてワークに向けて吐出される。

本実施の形態では、材料粉末通路９２は、材料粉末通路９３が延びる周方向に変位しながら、中心軸２２１の軸方向に延びている。材料粉末通路９１は、材料粉末通路９３が延びる周方向に変位しながら、中心軸２２１の軸方向に延びている。

周方向における材料粉末通路９２の変位方向（図１１中において、材料粉末通路９３に対する材料粉末通路９２の傾き方向）と、周方向における材料粉末通路９１の変位方向（図１１中において、材料粉末通路９３に対する材料粉末通路９１の傾き方向）とは、同じであることが好ましい。

このような構成によれば、材料粉末を、材料粉末通路９２、材料粉末通路９３および材料粉末通路９１と挙げた順に円滑に流すことができる。

図１３は、図１１中の２点鎖線ＸＩＩＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図１３を参照して、固定部材７１および回転部材７６の間には、突起部（遮断部材）９５が設けられている。突起部９５は、中心軸２２１の軸周りにおいて環状に延びる材料粉末通路９３を所定の位相位置で遮断するように設けられている。

突起部９５は、回転部材７６（フランジ８１の鍔部８２）と一体に設けられている。突起部９５は、環状溝８４の底壁から突出し、その先端で固定部材７１と当接するように設けられている。突起部９５は、材料粉末通路９１が材料粉末通路９３に連通する位置より、材料粉末通路９３における材料粉末の流れ方向（図１３中の矢印に示す方向）の下流側に隣り合った位置に設けられている。

このような構成によれば、材料粉末通路９３において周方向に流れる材料粉末をより円滑に材料粉末通路９１に流入させることができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態１における付加加工用ヘッド２１の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線としてのレーザ光を照射しながら相対移動可能な付加加工用ヘッドである。付加加工用ヘッド２１は、材料粉末を吐出するノズル部７８と、ノズル部７８が接続され、材料粉末をノズル部７８に導く第１材料粉末通路としての材料粉末通路９１が形成され、ワークに向けて照射されるレーザ光の周りでノズル部７８が周方向に移動するように回転する回転部材７６と、材料粉末が導入される第２材料粉末通路としての材料粉末通路９２が形成され、回転部材７６の回転軸方向において回転部材７６と連設される固定部材７１とを備える。固定部材７１および回転部材７６の間には、材料粉末通路９１および材料粉末通路９２が連通し、回転部材７６の回転軸の周りで環状に延びる第３材料粉末通路としての材料粉末通路９３が形成される。

また、本実施の形態における加工機械１００は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１と、ワークを保持するワーク保持部としての第１主軸台１１１および第２主軸台（不図示）と、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部としての工具主軸１２１および下刃物台（不図示）とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態１における付加加工用ヘッド２１および加工機械１００によれば、無限回転するノズル部７８に材料粉末を供給する機構を、簡易な構成により実現することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１において説明した、付加加工用ヘッド２１におけるノズル部への材料粉末の供給機構の各種変形例について説明する。

図１４は、付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構の第１変形例を示す斜視図である。図１５は、図１４中の付加加工用ヘッドにおける回転部材を示す斜視図である。図１６は、図１４中の固定部材および回転部材において、材料粉末通路の経路を平面的に展開して表した模式図である。

図１４から図１６を参照して、本変形例では、図９中の固定部材７１および回転部材７６に対応して、それぞれ、固定部材１７１および回転部材１７６が設けられ、図９中のフランジ８１およびリッド８６に対応して、それぞれ、円筒１８１およびリッド１８６が設けられている。円筒１８１およびリッド１８６は、互いに締結されており、一体となって中心軸２２１を中心に回転する。

ノズル部への材料粉末の供給機構として、回転部材１７６には、複数の材料粉末通路９１（本実施の形態では、材料粉末通路９１Ａ、材料粉末通路９１Ｂ、材料粉末通路９１Ｃおよび材料粉末通路９１Ｄ）が形成され、固定部材１７１には、複数の材料粉末通路９２（本実施の形態では、材料粉末通路９２Ａ、材料粉末通路９２Ｂ、材料粉末通路９２Ｃおよび材料粉末通路９２Ｄ）が形成され、回転部材１７６および固定部材１７１の間には、材料粉末通路９３が形成されている。

固定部材７１には、複数の貫通孔７２が形成されている。複数の貫通孔７２により、複数の材料粉末通路９１が形成されている。円筒１８１には、環状溝８４が形成されている。環状溝８４により、材料粉末通路９３が形成されている。円筒１８１およびリッド１８６には、それぞれ、外周溝８５および貫通孔８９が形成されている。外周溝８５および貫通孔８９により、材料粉末通路９１が形成されている。

複数の材料粉末通路９２は、互いに独立して延びている。複数の材料粉末通路９２は、環状に延びる材料粉末通路９３の互いに異なる位相位置に連通している。複数の材料粉末通路９２は、中心軸２２１を中心にして互いに等間隔（等位相間隔）に設けられている。材料粉末通路９２は、材料粉末通路９３が延びる周方向に変位しながら、中心軸２２１の軸方向に延びている。

複数の材料粉末通路９１は、互いに独立して延びている。複数の材料粉末通路９１は、環状に延びる材料粉末通路９３の互いに異なる位相位置に連通している。複数の材料粉末通路９１は、中心軸２２１を中心にして互いに等間隔（等位相間隔）に設けられている。材料粉末通路９１は、材料粉末通路９３が延びる周方向に変位しながら、中心軸２２１の軸方向に延びている。材料粉末通路９１は、材料粉末通路９３に連通する一方端から配管継手７７（図９を参照のこと）が接続される他方端に渡って、湾曲して延びている。中心軸２２１の外周上から回転部材１７６（円筒１８１）を見た場合に、材料粉末通路９１は、上記一方端から上記他方端に向かうほど中心軸２２１に対する傾きが小さくなるように湾曲している。

複数の材料粉末通路９１と複数の材料粉末通路９２とは、同数である。複数の材料粉末通路９１は、複数の材料粉末通路９２よりも多い数であってもよいし、複数の材料粉末通路９２よりも少ない数であってもよい。

複数の材料粉末通路９１から流出した材料粉末は、ノズル部（不図示）において合流し、ワークに向けて吐出される。

図１２を参照して分かるように、材料粉末通路９２が材料粉末通路９３に連通する位置と、材料粉末通路９１が材料粉末通路９３に連通する位置との相対的な位置関係によって、材料粉末が材料粉末通路９３において周方向に流れる距離は変化する。この場合、ノズル部に供給される材料粉末の経路長が刻々と変化するため、ワークに対して吐出される材料粉末が脈動を起こすおそれがある。

これに対して、本変形例では、複数の材料粉末通路９２および複数の材料粉末通路９１が設けられることによって、中心軸２２１の軸周りにおける回転部材１７６の位相位置にかかわらず、材料粉末通路９２が材料粉末通路９３に連通する位置と、材料粉末通路９１が材料粉末通路９３に連通する位置との距離が短くなる。これにより、材料粉末が材料粉末通路９３において周方向に流れる距離にばらつきが生じることを抑制して、材料粉末の脈動を防止することができる。

図１７は、付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構の第２変形例を示す模式図である。図１７は、第１変形例における図１６に対応する図である。

図１７を参照して、本変形例では、ノズル部への材料粉末の供給機構として、回転部材１７６に、複数の材料粉末通路９１（本実施の形態では、材料粉末通路９１Ａ、材料粉末通路９１Ｂ、材料粉末通路９１Ｃ、材料粉末通路９１Ｄ、材料粉末通路９１Ｅ、材料粉末通路９１Ｆ、材料粉末通路９１Ｇ、材料粉末通路９１Ｈおよび材料粉末通路９１Ｉ）が形成され、固定部材１７１に、材料粉末通路９２が形成され、回転部材１７６および固定部材１７１の間に、材料粉末通路９３が形成されている。

複数の材料粉末通路９１は、環状に延びる材料粉末通路９３の互いに異なる位相位置に連通している。複数の材料粉末通路９１は、材料粉末通路９３から離れた位置で合流通路９７に合流し、ノズル部（不図示）との接続位置９８まで延びている。

複数の材料粉末通路９１は、材料粉末が材料粉末通路９３から流入し、ノズル部（不図示）に流出するまでの経路長が互いに等しくなるように設けられている。より具体的には、合流通路９７を延長して材料粉末通路９３に交わる位置を位置９９とした場合に、材料粉末通路９１Ａ〜９１Ｉの各材料粉末通路９１において、各材料粉末通路９１の長さＬ１と、各材料粉末通路９１が合流通路９７に交わる位置および位置９９間の長さＬ２とが等しくなる。

本変形例においても、複数の材料粉末通路９１が設けられることによって、中心軸２２１の軸周りにおける回転部材１７６の位相位置にかかわらず、材料粉末通路９２が材料粉末通路９３に連通する位置と、材料粉末通路９１が材料粉末通路９３に連通する位置との距離が短くなる。これにより、材料粉末の脈動を防止することができる。特に、複数の材料粉末通路９１間において、材料粉末が材料粉末通路９３から流入してノズル部（不図示）に流出するまでの経路長が互いに等しいため、材料粉末の脈動をより効果的に防ぐことができる。

図１８は、付加加工用ヘッドにおけるノズル部への材料粉末の供給機構の第３変形例を示す模式図である。図１８は、第１変形例における図１６に対応する図である。

図１８を参照して、本変形例では、ノズル部への材料粉末の供給機構として、回転部材１７６に、材料粉末通路９１が形成され、固定部材１７１に、複数の材料粉末通路９２（本実施の形態では、材料粉末通路９２Ａ、材料粉末通路９２Ｂ、材料粉末通路９２Ｃおよび材料粉末通路９２Ｄ）が形成され、回転部材１７６および固定部材１７１の間に、材料粉末通路９３が形成されている。

複数の材料粉末通路９２は、互いに独立して延びている。複数の材料粉末通路９２は、環状に延びる材料粉末通路９３の互いに異なる位相位置に連通している。複数の材料粉末通路９２は、中心軸２２１を中心にして互いに等間隔（等位相間隔）に設けられている。材料粉末通路９２は、材料粉末通路９３が延びる周方向に変位しながら、中心軸２２１の軸方向に延びている。

本変形例においても、複数の材料粉末通路９２が設けられることによって、中心軸２２１の軸周りにおける回転部材１７６の位相位置にかかわらず、材料粉末通路９２が材料粉末通路９３に連通する位置と、材料粉末通路９１が材料粉末通路９３に連通する位置との距離が短くなる。これにより、材料粉末の脈動を防止することができる。

本変形例において、複数の材料粉末通路９２に異なる種類の材料粉末が導入される構成としてもよい。たとえば、材料粉末がＡ材料およびＢ材料の混合粉末からなる場合に、Ａ材料およびＢ材料の混合比を複数の材料粉末通路９２間で異ならせてもよい。付加加工に合わせて複数の材料粉末通路９２のうちから選択された材料粉末通路９２に材料粉末を導入することにより、適当な混合比の材料粉末をワークに向けて吐出することができる。

このように構成された、この発明の実施の形態２における付加加工用ヘッドによれば、実施の形態１に記載の効果を同様に奏することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、指向性エネルギ堆積法による付加加工を実行するための付加加工用ヘッドに適用される。

２１ 付加加工用ヘッド、２２ ヘッド本体、２３ ケーブル継手、２４ ケーブル、２６，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ レーザツール、３１ サーボモータ、３２，３３ クラッチ板、３４ 回転シャフト、３５ プーリベルト、４１ 光ファイバ、４２ レーザ光入射管、４３，４５，４８ レーザ光通路筐体、４４ レーザ光通路管、４６，４７ 接続部、４９ レーザ光出射筐体、５１，５２ 連結部、５６，５７ 中空部、６１ コリメーションレンズ、６２，６３ 反射鏡、６４，６５，６７ 保護ガラス、６６，６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ 集光レンズ、６８ ホモジナイザー、７１，１７１ 固定部材、７２，８９ 貫通孔、７６，１７６ 回転部材、７７，８０ 配管継手、７８ ノズル部、７８ｊ 吐出口、８１ フランジ、８２ 鍔部、８３ 円筒部、８４ 環状溝、８５ 外周溝、８６，１８６ リッド、８７ 周壁部、８８ 底板部、９１，９１Ａ〜９１Ｉ，９２，９２Ａ〜９２Ｄ，９３ 材料粉末通路、９５ 突起部、９７ 合流通路、９８ 接続位置、９９ 位置、１００ 加工機械、１１１ 第１主軸台、１１２ 主軸、１２１ 工具主軸、１８１ 円筒、２０１，２０３，２０４，２２１ 中心軸、２０６ スプラッシュガード、３１１ レーザ光、３１１ｐ スポット、３１２ 材料粉末、３１３ ガス、３１４ 溶融点、３１５ 肉盛素材、３１６，４０１ 肉盛層、４００ ワーク。

Claims (9)

1. ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射しながら相対移動可能な付加加工用ヘッドであって、
   材料粉末を吐出するノズル部と、
   前記ノズル部が接続され、材料粉末を前記ノズル部に導く第１材料粉末通路が形成され、ワークに向けて照射されるエネルギー線の周りで前記ノズル部が周方向に移動するように回転する回転部材と、
   材料粉末が導入される第２材料粉末通路が形成され、前記回転部材の回転軸方向において前記回転部材と連設される固定部材とを備え、
   前記固定部材および前記回転部材の間には、前記第１材料粉末通路および前記第２材料粉末通路が連通し、前記回転部材の回転軸の周りで環状に延びる第３材料粉末通路が形成される、付加加工用ヘッド。
2. ワークに対する付加加工用ヘッドの相対移動方向を基準にして、材料粉末が前記ノズル部からワークに向けて吐出される方向が一定となるように、前記ノズル部を回転駆動する駆動部をさらに備える、請求項１に記載の付加加工用ヘッド。
3. 前記第１材料粉末通路および前記第２材料粉末通路は、前記第３材料粉末通路が延びる周方向に変位しながら、前記回転部材の回転軸方向に延びる、請求項１または２に記載の付加加工用ヘッド。
4. 前記固定部材および前記回転部材の間に設けられ、環状に延びる前記第３材料粉末通路を所定の位相位置で遮断する遮断部材をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッド。
5. 前記遮断部材は、前記回転部材と一体に設けられ、前記第１材料粉末通路が前記第３材料粉末通路に連通する位置より、前記第３材料粉末通路における材料粉末の流れ方向の下流側に隣り合った位相位置に配置される、請求項４に記載の付加加工用ヘッド。
6. 前記回転部材には、環状に延びる前記第３材料粉末通路の互いに異なる位相位置に連通する複数の前記第１材料粉末通路が形成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッド。
7. 複数の前記第１材料粉末通路は、材料粉末が前記第３材料粉末通路から流入し、前記ノズル部に流出するまで経路長が互いに等しくなるように設けられる、請求項６に記載の付加加工用ヘッド。
8. 前記固定部材には、環状に延びる前記第３材料粉末通路の互いに異なる位相位置に連通する複数の前記第２材料粉末通路が形成される、請求項１から７のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッド。
9. ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械であって、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッドと、
   ワークを保持するワーク保持部と、
   ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部とを備える、加工機械。

Images