JP5991866B2 - レーザ加工機の加工ノズル、及び、レーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機の加工ノズル、及び、レーザ加工機に関し、特に、切断、穴あけなどのレーザ加工において、被加工物の加工点にアシストガスを供給しながらレーザ加工を行うためのレーザ加工機の加工ノズル、及び、レーザ加工機に関するものである。

図８〜図１０は、従来のレーザ加工機の加工ノズル１０１の構成を示した図である。従来のレーザ加工機の加工ノズル１０１においては、加工ノズル１０１の先端部底面１０２は図８に示すように平面状に形成され、図９に示す、加工ノズル１０１内に形成された流路１０４を経由して、先端部底面１０２に設けられた噴出口１０３から、レーザ光（図５のレーザ光Ｌ参照）とともにアシストガス１１０を被加工物１０５に対して噴出する構成となっている(例えば、特許文献１参照）。

特開２００３‐２４５７８８号公報

このようなレーザ加工機の加工ノズル１０１にあっては、例えば、図９の斜視断面図に示すように、被加工物１０５にスリット１０６を形成する加工を行うような場合に、加工ノズル１０１に形成された流路１０４を通して被加工物１０５に照射噴出されるアシストガス１１０の圧力は、図１０に示すように、被加工物１０５の表面の加工点中心部１０７において最も高くなるため、アシストガス１１０の流れは、加工点中心部１０７の高圧部分を迂回して流れることになり、スリット１０６のワーク加工断面に対して、アシストガス１１０はスムーズに流れることができず、ワーク加工断面での流れが乱れるという問題点があった。そのため、切断性能が低下するとともに、切断面の面粗さが劣化するという問題点もあった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、アシストガスの流れをスムーズにすることにより、切断性能を向上するとともに、切断面の面粗さを向上させることが可能なレーザ加工機の加工ノズル、及び、レーザ加工機を得ることを目的としている。

本発明は、アシストガスの流路と、先端部底面に設けられ、前記流路の先端部である前記アシストガスの噴出口と、前記噴出口に連結し、レーザ加工の加工方向と逆方向以外の方向に、前記アシストガスの一部を噴出させるための圧力緩和用補助流路と、前記圧力緩和用補助流路の前記アシストガスの噴出方向を回転させる回転機構とを備えたことを特徴とするレーザ加工機の加工ノズルである。

本発明は、アシストガスの流路と、先端部底面に設けられ、前記流路の先端部である前記アシストガスの噴出口と、前記噴出口に連結し、レーザ加工の加工方向と逆方向以外の方向に、前記アシストガスの一部を噴出させるための圧力緩和用補助流路と、前記圧力緩和用補助流路の前記アシストガスの噴出方向を回転させる回転機構とを備えたことを特徴とするレーザ加工機の加工ノズルであるので、アシストガスの流れをスムーズにすることにより、切断性能を向上するとともに、切断面の面粗さを向上させることができる。

本発明の参考形態１による加工ノズルの下方より眺めた斜視図である。 本発明の参考形態１による加工ノズルと被加工物を示す斜視断面図である。 本発明の参考形態１による加工ノズルのアシストガス流れを示す断面図である。 本発明の参考形態２による加工ノズルと被加工物を示す斜視断面図および斜視図である。 本発明の参考形態３による加工ノズルと被加工物を示す斜視断面図および側断面図である。 本発明の参考形態４による加工ノズルの下方より眺めた斜視図である。 本発明の実施の形態１による加工ノズルの下方より眺めた斜視図である。 従来例における加工ノズルの下方より眺めた斜視図である。 従来例における加工ノズルと被加工物を示す斜視断面図である。 従来例における加工ノズルのアシストガス流れを示す断面図である。

参考形態１．
図１は本発明の参考形態１に係るレーザ加工機の加工ノズルを下方より眺めた斜視図であり、図２は加工ノズルと被加工物を示す斜視断面図、図３はアシストガスの流れを示す断面図である。

図１に示すように、本参考形態１に係るレーザ加工機の加工ノズル１は、略円筒形状の本体と、その先端に設けられた断面形状が略台形の筒形状の加工ヘッドから構成されている。加工ノズル１内には、図２の斜視断面図に示されるように、アシストガス１０を流すための流路４が設けられている。流路４は、加工ノズル１の先端にいくほど内径が細くなるテーパ状に形成されており、流路４の先端は、加工ノズル１の先端部底面２から外部に開口している噴出口３となっている。また、加工ノズル１の先端部底面２は図１に示すように平面状に形成され、当該平面状の先端部底面２には、噴出口３に連結するように形成された圧力緩和用補助流路としての、切り欠き部４０が設けられている。

流路４の上流に設けられたアシストガス供給源（図示せず）より供給されたアシストガス１０は、加工ノズル１内に設けられた流路４を経由して、加工ノズル１の先端部底面２の噴出口３を通り、被加工物５に噴射される。加工ノズル１の先端部底面２には、上述したように、噴出口３と連結した切り欠き部４０が設けられているため、噴出口３から噴出したアシストガスの一部は、切り欠き部４０を通って、矢印Ａで示される加工方向に向かって流れる。レーザ加工は、加工ノズル１と被加工物５とを相対移動させつつ、レーザ光Ｌ（図５参照）を被加工物５に照射することにより行うため、図２で示すように、切り欠き部４０は、矢印Ａで示される加工方向となるように設置することが望ましい。

噴出口３から被加工物５に噴射されるアシストガス１０の圧力は、本来であれば、被加工物５の表面の加工点中心部７において最も高くなるが、本参考形態においては、上記構成により、噴出口３に連結させた切り欠き部４０より、矢印Ａで示される加工方向前方（切断フロント）に向かって、加工点中心部７に集まるアシストガスの一部が噴出されることで、加工点中心部７における圧力上昇が緩和される。このように、本参考形態においては、切り欠き部４０により、加工点中心部７における圧力上昇を緩和することができ、その結果、従来は高圧の加工点中心部を迂回して流れていたアシストガスがスムーズに流れるようになる。こうして、本参考形態においては、被加工物５においてレーザ加工により形成されたスリット６中に対してスムーズに適正な圧力のアシストガスを加えることができ、アシストガス１０はスリット６中をスムーズに流れることができるので、加工性能が向上するとともに、切断加工においては切断面の面粗さを向上させることができる。

なお、本参考形態の上記説明においては、切り欠き部４０の方向を矢印Ａで示す加工方向と一致するように配置したが、厳密に加工方向と同じ方向に配置する必要はなく、切り欠き部４０の切り欠き方向が加工方向と逆方向にならなければ、スリット６中の圧力が低下することなく、所望の効果が期待できる。すなわち、切り欠き部４０は、加工方向の逆方向以外の方向であれば、いかなる方向でも効果を奏する。

以上のように、本参考形態によれば、加工ノズル１の先端部底面２にアシストガス１０を噴出するための噴出口３を設けたレーザ加工機の加工ノズル１において、加工ノズル１の噴出口３と連結し、加工方向の逆方向以外の方向にアシストガス１０を噴出するための、圧力緩和用補助流路（切り欠き部４０）を設けたため、当該構成により、加工方向の逆方向に対しては、アシストガス１０の圧力を適正に保ったまま、加工点中心である加工点中心部７の圧力を緩和することができ、アシストガス１０を乱れることなく、レーザ加工により被加工物５に形成されたスリット６内に流すことができる。

また、本参考形態１においては、加工方向の逆方向以外の方向に形成されたアシストガス１０を噴出するための圧力緩和用補助流路が、加工ノズル１の先端部底面２に設けられた切り欠き部４０であるため、圧力緩和用補助流路の形成を簡易な方法にて実施することができる。

なお、本参考形態１に係る加工ノズル１の流路４は、先端に行くほど内径が細くなるとともに、先端部には、図２に示されるようにストレート部が設けられた場合について示したが、ノズルの形状はこれに限定するものではなく、流路４の先端にストレート部が無い場合、あるいは、先端部で、内径が拡大する形状に対しても、同様の効果を奏する。

参考形態２．
図４（ａ），（ｂ）は本発明の参考形態２によるレーザ加工機の加工ノズルと被加工物５を示す斜視断面図および斜視図である。上記の参考形態１においては、加工ノズル１の先端部底面２に、噴出口３に連結した切り欠き部４０を形成して、アシストガス１０を噴出させたが、本参考形態２においては、加工ノズル１の先端部底面２ではなく、図４（ａ），（ｂ）に示すように、先端部底面２の近傍（具体的には、先端部底面２よりも所定距離だけ上の位置）に、流路４の先端部である噴出口３と加工ノズル１の外側（加工ノズル１の外部）とを導通させる貫通穴５０を形成し、当該貫通穴５０を圧力緩和用補助流路として、アシストガス１０を矢印Ａで示す加工方向前方に噴出させることで、加工点中心部７における圧力上昇を緩和する。

他の構成および動作については、上記の参考形態１と同じであるため、同一符号を付して示し、ここでは、その説明は省略する。

以上のように、本参考形態２によれば、上記の参考形態１と同様の効果が得られる。本参考形態においては、加工ノズル１の先端部に設けられ、加工ノズル１の噴出口３と加工ノズル１の外部とを導通させ、加工方向の逆方向以外の方向にアシストガスを噴出させる、圧力緩和用補助流路として、加工ノズル１の先端部底面の近傍で、噴出口３と加工ノズル１の外側とを連結する貫通穴５０を形成したため、参考形態１と同様に、圧力緩和用補助流路の形成を簡易な方法にて実施することができる。

参考形態３．
図５（ａ），（ｂ）は本発明の参考形態３によるレーザ加工機の加工ノズルと被加工物５を示す斜視断面図および側断面図である。上記の参考形態１は、アシストガス１０の流路が一つであるシングルノズルに対して本発明を適用したものであるが、本参考形態３においては、図５（ａ），（ｂ）に示すように、加工ノズル１が、ノズル外筒１２とノズル内筒１１とから構成された二重ノズルで、流路４を取り囲む様にノズル外筒１２とノズル内筒１１との間に形成される環状流路８を備え、ノズル外筒１２の先端部底面に、噴出口３に導通する圧力緩和用補助流路としての切り欠き部４５を設けたものである。

基本的な動作は、参考形態１と同じであるが、異なる点は、本参考形態３においては、流路４の上流に設けられたアシストガス供給源（図示せず）より供給されたアシストガス１０が、加工ノズル１内に設けられた流路４を経由して、加工ノズル１の先端部底面２の噴出口３を通り、被加工物５に噴射される際に、流路４の途中に形成されたバイパス流路である環状流路８内に、アシストガス１０の一部が流れ込み、流路４の噴出口３手前の下流付近の合流点１３でふたたび合流して、加工ノズル１の先端部底面２の噴出口３を通り、被加工物５に噴射される点である。

他の構成および動作については、上記の参考形態１と同じであるため、同一符号を付して示し、ここでは、その説明は省略する。

この構成によれば、噴出口３から被加工物５に噴射されるアシストガス１０の圧力は、参考形態１と同様に、本来であれば、被加工物５の表面の加工点中心部７において最も高くなるが、本参考形態においては、噴出口３に連結させた切り欠き部４５より、矢印Ａで示される加工方向前方に、加工点中心部７に集まるアシストガスの一部が噴出されることで、加工点中心部７における圧力上昇が緩和される。このように、加工点中心部７における圧力上昇を緩和することができるとともに、アシストガス１０は、被加工物５においてレーザ加工により形成されたスリット６中に対してはスムーズに適正な圧力を加えることができ、アシストガス１０はスリット６中をスムーズに流れることができるので、加工性能が向上するとともに、切断加工においては切断面の面粗さを向上させることができる。

以上のように、本参考形態３によれば、上記の参考形態１と同様の効果が得られる。また、更には、環状流路８により供給されるアシストガス１０とノズル内筒１１の流路４により供給されるアシストガス１０とを合流点１３で混合させるようにしたので、ノズル内筒１１の流路４からのアシストガス１０の流れの乱れを低減することができるので、加工点において所望のガス濃度を実現することができ、加工品質の劣化を未然に防止することができる。

なお、本参考形態３に係る環状流路８の構成は、図５（ｂ）に示すものは単なる一例であって、特に、これに限定するものではない。環状流路８は、流路４を取り囲む様に、ノズル外筒１２とノズル内筒１１との間に形成された環状流路であれば、いかなる構成のものでもよい。

また、本参考形態３においては、流路４と環状流路８とが共通の１つのアシストガス供給源（図示せず）に接続されている例について説明したが、これに限定されるものではなく、流路４と環状流路８とが、それぞれ独立して、共通のあるいは別個のアシストガス供給源に接続されていてもよい。

なお、上記の説明においては、本参考形態の二重ノズルの構成を切り欠き部を設けた参考形態１に適用させた例について説明したが、その場合に限らず、本参考形態の二重ノズルの構成を貫通穴５０を設けた参考形態２に適用するようにしてもよい。その場合においても、同様の効果が得られる。

参考形態４．
上記の参考形態１および３においては、加工ノズル１に形成する切り欠き部がそれぞれ一つの場合について説明したが、本参考形態においては、図５に示すように、複数の切り欠き部４０，４１，４２を持つ構成にした。

他の構成および動作については、上記の参考形態１と同じであるため、同一符号を付して示し、ここでは、その説明は省略する。

本参考形態においては、レーザ加工機の加工ノズル１において、先端部底面２において、加工ノズル１の噴出口３に導通し、矢印Ａで示す加工方向の逆方向以外の方向に、アシストガス１０を噴出する圧力緩和用補助流路を、少なくとも３つ設けるようにした。図６の例では、圧力緩和用補助流路として、３つの切り欠き部４０，４１，４２が設けられている。

この構成によれば、それぞれの切り欠き部４０，４１，４２が、矢印Ａで示される加工方向と逆方向以外に設置されているので、アシストガス１０が、切り欠き部４０，４１，４２を通って、矢印Ａで示される加工方向前方だけでなく、加工方向とは逆方向以外の他の複数の方向にも、被加工物５の加工点中心部７に集まるアシストガスの一部が噴出されることで、レーザ加工により被加工物５に形成されたスリット６に対しては適正な圧力を確保しつつ、被加工物５の加工点中心部７の圧力を緩和できるので、アシストガス１０の流れをスムーズにすることができ、加工品質の劣化を防止することができる。なお、切り欠き部の個数、形状については、図６に示したものに限定するものではなく、スリット６に対して適正な圧力を確保しつつ、被加工物５の加工点中心部７の圧力を緩和できる構成であれば、いずれの個数、形状でも良い。

以上のように、本参考形態４によれば、上記の参考形態１と同様の効果が得られる。また、参考形態１の構成に対して、切り欠き部を複数個設ける構成にしたので、噴出口３に連結させたそれらの複数の切り欠き部より、矢印Ａで示される加工方向前方だけでなく、加工方向とは逆方向以外の他の方向にも、被加工物５の加工点中心部７に集まるアシストガスの一部が噴出されることで、加工点中心部７における圧力の上昇が、参考形態１よりもさらに一層緩和される。これにより、レーザ加工により形成されたスリット６中に対してはスムーズに適正な圧力を加えることができ、アシストガス１０はスリット６中をスムーズに流れることができるので、加工性能が向上するとともに、切断加工においては切断面の面粗さを向上させることができる。

なお、上記の説明においては、本参考形態の圧力緩和用補助流路を複数設ける構成を参考形態１に適用させた例について説明したが、その場合に限らず、貫通穴を設ける参考形態２に適用するようにしてもよい。その場合においては、当然ながら、複数の貫通穴５０を設けるようにする。また、本参考形態の複数の切り欠き部を設ける構成を、参考形態３の二重ノズル構造に適用させてもよい。いずれの場合においても、上記の本参考形態４と同様の効果が得られる。

実施の形態１．
また、上記の参考形態１の構成において、さらに、図７に示すように、切り欠き部４０の方向が、矢印Ａで示す加工方向の逆方向と一致しないように、回転機構６０を設けた構成としてもよい。直線加工の場合は、一定方向への加工となるため、加工ノズル１の切り欠き部４０の切り欠き方向は常にほぼ一定で、矢印Ａの加工方向の逆方向と一致することはないが、形状加工の場合においては、加工ノズル１が向きを変えてしまうため、加工ノズル１の切り欠き部４０の切り欠き方向が、矢印Ａの加工方向の逆方向と一致してしまう可能性がある。そのため、本実施の形態においては、回転機構６０を加工ノズル１に対して設けておき、例えば、図示しない制御装置等で、加工ノズル１の向きを制御することにより、加工ノズル１の切り欠き部４０の切り欠き方向を、常に、矢印Ａの加工方向の逆方向と一致しないように自動調整する。これにより、形状加工においても、アシストガス１０の流れの乱れを低減することができる。なお、自動調整だけでなく、制御装置を介して、オペレータがモニタを見ながら手動で、加工ノズル１の切り欠き方向を調正するようにしてもよい。

回転機構６０は、図７に示すように、略円板状もしくは略ドーナツ状に形成された平板６０ａの側面に、一般的な平歯車に設けられているような、歯すじが回転軸に平行で、かつ、直線となっている複数の歯が設けられて構成されている。当該平板６０ａは、それに連結された回転軸６０ｂによって、回転する。回転方向は、一定の方向でもよいが、切り欠き部４０の切り欠き方向を速やかに調整するためには、時計回りおよび反時計回りの両方向に回転可能に構成することが望ましい。また、加工ノズル１の本体側には、平板６０ａの複数の歯と噛みあうための複数の歯６０ｃが設けられている。これらの歯６０ｃの歯すじは、加工ノズル１の軸方向（長手方向）に平行な直線となっている。平板６０ａの側面の歯と、加工ノズル１側の歯６０ｃとが、互いにかみ合った状態で、平板６０ａが回転軸６０ｂにより回転させられることで、加工ノズル１の切り欠き部４０の切り欠き方向を精度よく調整することができる。なお、加工ノズル１の本体の外壁に、直接、歯６０ｃを形成してもよいが、リング状もしくは略ドーナツ状に形成された平板の側面に歯６０ｃを設けて、当該リングまたは平板を、加工ノズル１の外側に嵌合及び／または接合して、加工ノズル１側に歯６０ｃを設置するようにしてもよい。このように、回転機構６０は、側面に複数の歯が形成された平板６０ａと、それを回転させる回転軸６０ｂと、平板６０ａの歯と噛みあうための加工ノズル１側に設けられた複数の歯６０ｃとから構成されている。

なお、本実施の形態においては、回転機構６０を加工ノズル１の本体部分に対して設けたが、加工ノズル１の加工ヘッド部分に対して設けてもよく、あるいは、加工ヘッドの加工ノズル１の本体寄りの一部あるいは全体を回転させても、同様の効果が得られる。

また、図７に示した上記の回転機構６０の構成は単なる一例であり、加工ノズル１の切り欠き部４０の切り欠き方向を所望の方向に調整できるものであれば、他の構成の回転機構を用いるようにしてもよい。

他の構成および動作については、上記の参考形態１と同じであるため、同一符号を付して示し、ここでは、その説明は省略する。

以上のように、本実施の形態１によれば、上記の参考形態１と同様の効果が得られる。また、参考形態１の構成に対して、回転機構６０を設けて、加工ノズル１の切り欠き部４０の切り欠き方向を、常に、矢印Ａの加工方向の逆方向と一致しないように管理・調整するようにしたので、直線加工だけでなく、形状加工に際しても、所望の効果を期待できる。

なお、上記の説明においては、本実施の形態の回転機構６０を設ける構成を参考形態１に適用させた例について説明したが、その場合に限らず、参考形態２〜４に適用するようにしてもよい。いずれの場合においても、上記の本実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、上記の参考形態１〜４及び実施の形態１においては、被加工物５に対して施すレーザ加工の例として、スリット６の形成として説明したが、その場合に限らず、被加工物５に対して、切断や穴あけなどの他のレーザ加工を施す場合にも本発明のレーザ加工機の加工ノズルは適用できることは言うまでもなく、すべての任意のレーザ加工を行う際に適用可能である。

１，１０１ 加工ノズル、２，１０２ 先端部底面、３，１０３ 噴出口、４，１０４ 流路、５，１０５ 被加工物、６，１０６ スリット、７，１０７ 加工点中心部、１０，１１０ アシストガス、１１ ノズル内筒、１２ ノズル外筒、４０，４１，４２，４５ 切り欠き部、５０ 貫通穴。

Claims (5)

1. アシストガスの流路と、
   先端部底面に設けられ、前記流路の先端部である前記アシストガスの噴出口と、
   前記噴出口に連結し、レーザ加工の加工方向と逆方向以外の方向に、前記アシストガスの一部を噴出させるための圧力緩和用補助流路と、
   前記圧力緩和用補助流路の前記アシストガスの噴出方向を回転させる回転機構と
   を備えたことを特徴とするレーザ加工機の加工ノズル。
2. 前記圧力緩和用補助流路が、前記噴出口に連結させて前記加工ノズルの前記先端部底面に設けられた切り欠き部から構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機の加工ノズル。
3. 前記圧力緩和用補助流路は、前記加工ノズルの先端部に設けられ、前記噴出口と前記加工ノズルの外部とを導通させる貫通穴であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機の加工ノズル。
4. 前記加工ノズルが、ノズル外筒と、前記ノズル外筒の内側に配置されたノズル内筒と、前記ノズル外筒と前記ノズル内筒との間に形成された環状流路とから構成された、二重ノズルであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工機の加工ノズル。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の加工ノズルを備えたことを特徴とするレーザ加工機。

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