JP6087493B2 - 回転対称ツールを製造するレーザ加工装置及び方法 - Google Patents

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本願は、２０１０年３月１５日に出願された独国特許出願第１０ ２０１０ ０１１ ５０８．８−３４号の優先権を主張する。

本発明は、ブランクからツール、特に、回転対称ツールを製造するレーザ加工装置及び方法に属する。ブランクには、１つ又は数個のチップ溝、切削エッジ、切削面、及び端フランクが形成される。また、このブランクは、例えば、硬質金属シャフト及びダイヤモンドツールインサートとして、数層の材料層又は数個の接合要素も含み得る。

このようなブランクを加工するのに、様々なアブレーション方法（例えば、研削）が知られている。非常に硬質な材料（例えば、多結晶ダイヤモンド（ＰＫＤ）又はＣＶＤ（化学蒸着）ダイヤモンド）の研削は、技術的にも経済的にも制限される。特に寸法が非常に小さい場合、研削では、一定の形状寸法のチップ溝しか作成できない。更に、ブランクへの力の効果が非常に大きく、望まない変形に至ることがある。短パルスレーザを用いるレーザアブレーションは、例えばツールの製造において、これらの材料を経済的に加工する新しい可能性を提供する。

しかしながら、高品質のツールを製造することは困難である。現在の最先端技術では、レーザスキャナを用いてツールの輪郭をスキャンするレーザシステムが知られており、このシステムでは、スキャナに対してブランクは静止している。これらのレーザスキャナは、個々のレーザビームインパルスによるブランクのスキャン中、非常に速いスキャン速度で作動する。しかしながら、達成可能な精度は、今日の要求に応じていない。更に、この処理において形成される表面及びエッジは、直線のコースからずれて、不揃いなギザギザのコースをしている。

更に、レーザがブランクに対し機械軸に沿って移動されるレーザ加工装置が知られている。このようにして、ブランクに形成される表面及びエッジの精度及び品質は高めることができるが、これにより達成され得るアブレーション速度は遅い。その理由は、機械軸の動力及び速度が制限されるからである。機械軸の動力を高めるには、多くの労力と費用が必要であり、レーザ加工装置が非常に高価となる。

ブランクをレーザ加工する方法及び装置が、例えば、独国実用新案第２９９ ０８ ３８５（Ｕ１）号から知られている。この装置は、レーザインパルスを生成するレーザを含む。レーザ及び／又はツールブランクホルダは、駆動装置を介して、レーザの光軸の方向及び光軸を横断する方向に移動される。この処理において、レーザビームは、除去される表面の全幅にわたる数本の隣接したライン又は重なり合ったラインに沿って移動される。従って、材料は、レーザインパルスの衝突位置において、１点１点除去される。材料のアブレーションを連続的に行うため、衝突位置は５〜２５％重なっている。そのため、パルスレーザの周波数が高い場合、それに対応する速い進行速度が必要である。既に述べたように、この手順におけるアブレーション速度は遅く、それに対応して加工時間が長い。

国際公開第２００６／０３８０１７（Ａ２）号には、レーザ加工装置の２つの異なる実施形態が説明されている。第１の実施形態では、レーザスキャナを用いて、数個の隣接したレーザインパルス衝突位置から成るパルス領域が形成される。このパルス領域内のレーザインパルス衝突位置において、材料のアブレーションが行われる。第２の実施形態では、実際には材料のアブレーションは行われないが、ブランクは切除される。まず、ブランクに通路が開けられる。通路の完成後、一挙にブランクを切削する進行運動が開始される。これは、レーザ加工の最初に説明した変形例に相当する。

独国特許出願公開第１０ ２００７ ０１２ ８１５（Ａ１）号は、レーザビームインパルスの衝突位置がスキャナにより格子パターンに沿って配置される方法を開示している。これに重ねて、格子パターンと衝突位置の一次元又は二次元相対運動が行われ得る。このような重ね合わせ相対運動は、スキャナによるレーザインパルスの通路移動よりも速くなければならない。このような高速重ね合わせ運動の達成方法については、開示されていない。既知の機械軸では、このような高速重ね合わせ運動をとてももたらせない。

独国実用新案第２９９０８３８５号明細書 国際公開第２００６／０３８０１７号パンフレット 独国特許出願公開第１０２００７０１２８１５号明細書

これらの既知の方法及び装置に基づいて、本発明の目的は、ツールを製造する改良された方法及びレーザ加工装置を提供することにある。

本発明は、ブランク（２７）からツール、詳細には、その長手方向軸（Ｌ）を中心に回転する回転ツールを製造する方法及び装置に属する。この回転ツールは、少なくとも１つの切削エッジ（６０）及びチップ溝（６１）を含む。この回転ツールは、その作動領域（６３）において、断面が長手方向軸（Ｌ）に対して半径方向に対称的であるのが好ましい。その作動領域は、レーザ加工装置（２０）を用い、例えば矩形の輪郭をしたパルス領域（５５）をレーザスキャナが使用することによって、レーザアブレーションが行われることにより、円柱形ブランク（２７）から切除するようにして（exclusively）作成される。レーザビームインパルス（２４）は、このパルス領域（５５）内において、所定のパルス通路（Ｂ）に沿って配置された複数の衝突位置（２５）に向けられる。このパルス領域（５５）は、ブランク（２７）の表面（２６）に沿って、ツールのように移動される。これにより、チップ溝（６１）とその次に切削エッジ（６０）が、ブランク（２７）から材料が昇華することによって形成される。ブランク（２７）を支持するツールホルダ（１８）とレーザビームインパルス（２４）を送給するレーザヘッド（１９）との相対運動は、数個の軸を有する位置決め装置（３０）によって行われる。

本発明によれば、所定のパルス周波数のレーザビームインパルスを生成するパルスレーザが設けられている。このレーザビームインパルスは、方向転換装置を介して、ブランクの表面上にある多数の衝突位置に、特に、予め決められた一定の順序で向けられる。これら所定の衝突位置によって、ブランクの表面上に二次元のパルス領域が形成される。このようにして、一連のレーザビームインパルスが生成され、パルス領域における互いに異なる衝突位置に向けられる。この手順が、所定の順序で繰り返される。

位置決め装置は、ブランク及び／又は方向転換装置を、場合によってはレーザと共に、形成されるエッジ若しくは表面領域に沿って、相対運動方向に移動させる。本発明では、パルス面は、位置決め装置がブランクの表面上における相対運動に対してもたらす速度で移動する。このようにして、ツールのようにブランクに対して移動されるパルス面領域において、材料のアブレーションが行われる。その結果、一方では、アブレーション速度が速くなり、他方では、所望のコースラインに対してほとんどずれ若しくは誤差のない非常に正確なエッジ及び表面コースを生成することができる。ブランクには、少なくとも１つのチップ溝と少なくとも１つの切削エッジが形成され、まずチップ溝が形成されるのが好ましい。このようにして、追加の成形処理（詳細には、材料アブレーション処理）を省略することができる。このツールは、ブランクから、レーザアブレーションによって切除するようにして製造することができる。詳細には、直径が２ｍｍ未満又は更には０．５ｍｍ未満の小型回転ツールを製造することが可能である。

本発明は、これまで選択的に使用されてきた２つのレーザ加工方法を組み合わせる。パルス領域を形成するには、高速スキャナレンズが用いられる。このスキャナレンズは、レーザビームインパルスを、形成される表面若しくはエッジの所望の輪郭に沿って位置決めするのではなく、パルス領域の衝突位置に向ける。機械軸を介してパルス領域とブランクが同時に相対運動することによって、所望の精度が確実になり、表面及びエッジコースが、所定のコースからほんの少しずれるだけで維持される。

チップ溝を形成するために材料をアブレーションしている間、パルス領域とブランクの相対運動方向は、チップ溝のシャフト側端部において反転される。方向反転中、レーザビームインパルスはオフにされ、このチップ溝の端部において、チップ溝を所望の形状にするため、パルス領域におけるレーザインパルスの衝突位置の数及び／又は位置が変更される。

これに対し、切削エッジの形成中には、パルス領域とブランクの相対運動が維持され、これにより、ブランクの表面上におけるパルス領域は停止されないため、連続相対運動と呼ばれ得る。例えば、相対運動の方向反転中に小休止が生じる場合、このような休止状態中、パルス領域はブランクの外側にある。パルス領域の一部だけでもブランクの表面に衝突するとすぐに、相対運動は停止せずに行われる。

まず、１つの又は全てのチップ溝が形成されるのが好ましい。このようにして、次に少なくとも１つの切削エッジを形成するのに必要とされる材料のアブレーションを軽減することができる。また、これにより、ほとんど不均一性若しくは凹凸のない切削エッジコースがもたらされる。チップ溝が形成された後、且つ、切削エッジが形成される前に、切削エッジの形成によってもたらされる自由領域付近に、解放位置凹部を形成してもよい。この解放位置凹部によって、約１５゜〜３０゜の範囲の大きな逃げ角が作りやすくなる。

切削エッジを形成するためのレーザビームインパルスの強度は、チップ溝を形成するためのものより低くてもよい。好適な実施形態において、レーザビームインパルスのビームは均一化される。ゆえに、レーザビームインパルスにおけるエネルギー分布は、レーザビームインパルスの断面積全体にわたって、従って衝突領域全体にわたって均一である。ゆえに、ツールの製造中におけるブランクの加熱を更に軽減することができると共に、熱損傷（特に、熱変形）を回避することができる。これは、例えばマイクロツールに関連する、極めて繊細なツールを製造する際に、特に重要である。

位置決め装置は、加工される円柱形ブランクの長手方向軸と一致する回転軸を含み得る。ブランクは、チップ溝の加工中、及び／又は、２つのチップ溝の加工と加工との間に、この回転軸を中心に回転される。また、このようにして、少なくとも一部がブランクの長手方向軸を横断するように延びるチップ溝（例えば、螺旋状のチップ溝）を作成することもできる。

周波数が１〜１０ＭＨｚのパルスレーザを用いるのが好ましい。

位置決め装置は、少なくとも時々、且つ、少なくともチップ表面又は自由表面の作成中に、レーザビームインパルスの進行方向とブランクに形成される表面領域との間の傾斜角を、０よりも大きくなるように調整するのが好ましい。本発明では、レーザビームインパルスは、相対運動方向に対して直角に延びるのが好ましい。パルス領域は、形成される表面領域を横断するように方向付けられる。形成される表面領域に対し斜めに方向付けられたレーザビームインパルスによって、材料のアブレーション中に追加の自由空間が形成され、これにより、アブレーション領域に形成されたプラズマの除去が向上する。この手順の始め、傾斜角は０であってよく、この手順が所定状態に到達した後、傾斜角は増加され得る。

傾斜角は、例えば、ブランクの材料に応じて調整されてもよい。この傾斜角は、０゜〜４５゜の領域、好ましくは５゜〜２５゜の範囲であり得る。また、傾斜角は、位置決め装置によって、ブランクの加工中に変更され、所望の値に調整されてもよい。特に、ブランクが異なる材料の数層から構成されていて、加工されている材料が加工中に変わる場合、所定の傾斜角は、それぞれの材料に合わせて、異なる値に調整されてもよい。

パルス領域は、基本的に長方形の輪郭を有し得る。パルス領域を形成する衝突位置は、この長方形の輪郭内に互いに隣り合わせで配置され、レーザビームインパルスによってこれらの衝突位置に形成されるクレータのうちの数個は、この長方形の輪郭に接する。別の言い方をすれば、パルス領域の外側の衝突位置は、矩形のラインに沿って配置される。長方形のパルス領域の代わりに、その他の多角形領域、楕円形若しくは円形領域、又は、扇形（annular segment-shaped）領域を形成してもよい。パルス領域の形状は、行われる材料アブレーション、及び、ブランクから形成される加工物の所望の輪郭に合わせてもよい。

パルス領域のサイズは、チップ溝の形成中に変化してもよい。パルス領域は、例えば、チップ溝の深さが深くなるにつれて、小さくなってもよい。このようにして、異なる形状寸法をしたチップ溝を、単純な方法で形成することができる。パルス領域は、１本のパルスライン又は１つの衝突位置まで縮小することができる。

方向転換装置は、所定のパルス通路に沿って配置された衝突位置の方へ、レーザビームインパルスを向けるのが好ましい。パルス通路は、パルス領域の形状によって決まり、好ましくは、蛇行形状若しくは螺旋状のコースを有する。本発明では、このパルス通路は、始点としての衝突位置及び終点としての衝突位置を含み得る。終点は、形成される輪郭に割り当てられる、パルス領域のエッジに配置される。この終点を含む通路部分は、相対運動方向に対して平行に又は接線方向に延びるのが好ましい。終点から始点へのリセット移動中には、比較的長い調整距離を通過し、この距離は、その他の、パルス通路に沿った２つの連続する衝突位置間における調整通路よりも、実質的に長い。レーザインパルスの位置決め精度は方向転換装置によって制限されると共に、方向転換装置は行き過ぎる傾向にあるので、リセット移動の移動方向は、形成されるエッジ及び／又は領域から離れるように向けられる。このようにして、作成されている輪郭に対する定量的悪影響が回避される。

パルス通路に沿った２つの連続する衝突位置間の距離は、特に、インパルスの調整周波数及び方向転換装置の調整速度を選択することによって、所望通り、予め決定され得る。

２つの連続するレーザビームインパルスは、パルス領域における異なる衝突位置に向けられてもよい。或いは、２つ以上のレーザビームインパルスから成るインパルスシリーズを同じ衝突位置に向けたり、次のインパルスシリーズのみを異なる衝突領域に向けたりすることも可能である。１つの衝突位置に向けられる個々のインパルスのエネルギー又はインパルスシリーズのエネルギーは、使用されるインパルスの数に応じて、予め決められて分配される。１つのインパルスシリーズに含まれるレーザビームインパルスの数が多いほど、１つのレーザビームインパルスに含まれるエネルギーは小さい。

ブランクの、形成される表面領域を覆っている部分の材料は、パルス面領域に対し基本的に平行に延びる数層のアブレーション層の一層ずつ、有益に除去される。レーザビーム放射方向におけるアブレーション層の厚さは、レーザのインパルス周波数及びパルス面領域のブランクに対する相対速度によって決まる。この層の厚さは、１００分の数ｍｍにすることができる。アブレーション層は、形成される表面領域を横断するように延びる。

各アブレーション層をアブレーションした後、レーザビームインパルスの焦点は、集束レンズ系又は位置決め装置によって、調節若しくは調整されるのが好ましい。

また、材料に応じて、加工パラメータが追加されてもよい。例えば、材料のアブレーション中、レーザインパルスの強度は変更されてもよい。このようにして、所望のツール形状からのずれを小さくすることができる。

プロセスガス流は、プロセスガス供給部を介して、ブランクに向けることができる。このプロセスガス流は、便宜的に、パルス面領域に対して斜めに向けられる。昇華中に形成されたプラズマは、このプロセスガス流を介して、レーザの加工領域から除去される。プロセスガス供給部は、離間された数個のプロセスガスノズルを含むのが好ましく、これらのノズルはそれぞれ、異なる方向からの部分流を、パルス面領域付近の加工領域に向ける。

本発明の有益な特徴は、本発明を例示する以下の図面から明らかである。

レーザ加工装置の一例示的な実施形態のブロック図である。 レーザ加工装置の一例示的な実施形態の略側面図である。 パルス面領域の様々な形状の１つを示す図である。 パルス面領域の様々な形状の１つを示す図である。 パルス面領域の様々な形状の１つを示す図である。 ２つの衝突領域の略断面図である。 チップ溝作成中における、ブランクの断面図である。 切削エッジ形成前に行われる外側の材料アブレーション中における、ブランクの断面図である。 切削エッジ作成中における、ブランクの断面図である。 長手方向軸の方向に延びるチップ溝を備えた、ブランクの略斜視図である。 長手方向軸に対して斜めに延びるチップ溝を備えた、ブランクの略斜視図である。 図１０及び図１１に示されているブランクの、チップ溝のシャフト側端部領域における長手方向断面図であり、ブランクとパルス面領域の相対運動を概略的に示している。 螺旋状のチップ溝を備えた、ブランクの略側面図である。 レーザビームインパルス又はインパルスシリーズの強度を経時的に示すグラフである。 真空室を含む、レーザ加工装置の別の実施形態の、ブロック図に似た略式の略図である。 図１４による例示的な実施形態の変形例の、ブロック図のような略図である。 切削エッジ付近に形成された支持ベースを備える、完成ツールの作動領域の部分斜視図である。 切削エッジ付近にチップガイドステージを備える、完成ツールの作動領域の部分斜視図である。

図１は、レーザ加工装置２０を概略的に示している。このレーザ加工装置は、パルスレーザ２１を含み、このパルスレーザ２１は、パルスレーザビーム２２を発生させて、方向転換装置２３を含むレーザヘッド１９へ供給する。方向転換装置２３は、もたらされるレーザビームインパルスの方向を変更することができ、その結果、そのレーザビームインパルス２４をブランク２７の表面２６上にある所定の衝突位置２５に向けることができる。この方向転換装置２３は、スキャナ装置とも呼ばれる。また、この方向転換装置２３は、集束レンズ系２８も備える。ブランク２７は、収容領域４７においてツール支持部１８に支持される。

このレーザ加工装置２０は、更に制御装置２９を含み、この制御装置２９は、レーザヘッド１９とブランク２７の相対位置を調整且つ変更することのできる位置決め装置３０を制御する。この位置決め装置３０の直線軸及び回転軸の数は、様々であってよい。

レーザ加工装置の一例示的な実施形態が、図２に側面図で示されている。このレーザ加工装置２０は、装置台を形成するベース部材３１を含む。装置台を形成するため、このベース部材３１上には、第１ガイドトラック３２が取り付けられ、この第１ガイドトラック３２によって、キャリッジ３３が装置台上を第１方向ｘに移動することができる。この第１キャリッジ３３には、第２方向ｚに移動することができるようにツールホルダ１８が支持されている。第２方向ｚは、第１方向ｘに対して直角に延びる。ゆえに、第１キャリッジ３３には、第２方向ｚに延びて第２キャリッジ３５が移動可能に支持される第２ガイドトラック３４が設けられる。第２キャリッジ３５には、旋回軸３７が、第１方向ｘに対しても第２方向ｙに対しても垂直に延びる第３方向ｙに延びる、第１旋回装置３６が配置されている。この第１旋回装置３６は、第２旋回軸３９を備えた第２旋回装置３８を保持している。この第２旋回装置３８の第２旋回軸３９は、第１旋回軸３７に対して直角に延びる。この例示的な実施形態では、ブランク２７と係合するツールホルダ１８は、第２旋回軸３９と同軸上に延びる。ゆえに、このツールホルダ１８に係合される円柱形ブランクは、第２旋回軸３９と同軸上に支持される。第２旋回装置が回転されると、ブランク２７はその長手方向軸Ｌに沿って回転する。

ベース部材３１には、更なる第３ガイドトラック４０が配置され、この第３ガイドトラック４０には、レーザヘッド１９を支持する第３キャリッジ４１が、第３方向ｙに移動することができるように支持されている。この第３キャリッジ４１は、レーザヘッド１９が配置されている上部４２を含む。レーザビームインパルス２４は、収容領域４７内へベース部材３１の方向に向けられる。

これらのキャリッジ３３、３５、４１は、例えば直線的に移動することができる。

パルスレーザ２１によって発生されたレーザビームは、このレーザ２１からレーザヘッド１９へ、管状レーザビームダクト４３内を延びる。第１ダクト部分４３ａは、ベース部材３１内を第３方向ｙに延びる。この第１ダクト部分４３ａは、伸縮自在管の形態であるため、その長さを第３キャリッジ４１の第３方向ｙにおける移動に合わせやすい。第１ダクト部分４３ａには、方向転換ミラー４４ａを介して第２ダクト部分４３ｂが結合されている。この第２ダクト部分４３ｂは、ベース部材３１から第３キャリッジ４１内をその上部４２まで延びる。ここで、第２ダクト部分４３ｂは、第２方向転換ミラー４４ｂを介して第３ダクト部分４３ｃに結合され、この第３ダクト部分４３ｃの端部に、レーザヘッド１４が配置される。

位置決め装置３０は駆動装置を含み、この駆動装置によって、キャリッジ３３、３５、４１及び旋回装置３６、３８が移動されて位置決めされる。このようにして、レーザビームインパルス２４とブランク２７の相対位置及び相対運動は、制御装置２９によって提供される制御信号に従い、位置決め装置３０によって調整することができる。旋回駆動装置としては、例えばトルクモータが用いられてもよく、キャリッジ３３、３５、４１を動かす駆動装置としては、リニア駆動装置（例えば、リニアモータシャフト）や直接駆動装置が用いられるのが好ましい。位置決め装置３０は、レーザヘッド１９とツールホルダ１８（従って、これに係合されるブランク）の相対運動をもたらす。この相対運動は、３つの方向ｘ、ｙ、ｚによって画定される空間内であれば、いずれの通路を辿ってもよい。

図示されているこの例示的な実施形態から離れ、レーザヘッド１９は、ベース部材３１に対して移動不可能に配置されてもよい。この場合、レーザヘッド１９とツールホルダ１８の第３方向ｙにおける相対運動は、ベース部材３１と第１キャリッジガイドトラック３２の間、又は、第１キャリッジガイドトラック３２と第１キャリッジ３３の間に、更なるキャリッジを配置することによって、行うことができる。加えて、更なる第３旋回軸及びこれに関連する旋回装置を設けることも可能である。より単純なレーザ加工装置では、機械軸の数を減らしてもよい。

制御装置２９は、レーザヘッド１９を制御して、例えば、ブランク２７を加工する動作パラメータを調整又は変更してもよい。この動作パラメータとは、例えば、レーザインパルス２４の強度Ｉ、及び／又はレーザ２１のインパルス周波数ｆ、及び／又は集束レンズ系２８の焦点距離であり得る。周波数範囲は、１ＭＨｚから１０ＭＨｚまで幅があってもよいし、この周波数範囲のうちの一部範囲のみから成っていてもよい。

このレーザ加工装置２０は、更に、収容領域４７においてプロセスガス流Ｐを生成するプロセスガス供給部４５及びプロセスガス吸引装置４６を含む。プロセスガス流Ｐは、レーザアブレーション中に材料が昇華することによって形成されるプラズマを除去する機能を果たす。加工されているブランク２７の領域にプラズマ雲があると、レーザビームインパルスに含まれるエネルギーの一部がこのプラズマによって吸収されてしまうので、材料のアブレーション効率が低下する可能性がある。ブランク２７からプラズマを除去することによって、レーザビームインパルスによる材料のアブレーションが確実に制約されなくなる。

第２方向ｚに見て、プロセスガス吸引装置４６は、例えば、加工されるブランク２７のレベルに配置される（図２に、破線によって可能な動作位置が示されている）。プロセスガス流Ｐは、ブランク２７からこのプロセスガス吸引装置４６へ、およそ第３方向ｙに流れる。プロセスガス供給部４５は、レーザヘッド１９付近に配置されるのが好ましい。図２に示されているように、レーザヘッド１９とプロセスガス供給部４５は、第３キャリッジ４１の上部４２に隣り合わせで配置されている。ゆえに、このプロセスガス供給部４５から放出されるプロセスガスは、加工されるブランク２７の方へ斜めに向けられる。プロセスガス流Ｐは、プロセスガス供給部４５とブランク２７の間において、例えば、第１方向ｘ及び第３方向ｙによって画定される平面に対して斜めに流れる。このプロセスガス供給部４５は、１つ又は数個のプロセスガスノズル５２を含み得る。本明細書中で説明するこの例示的な実施形態では、第１方向ｘにおいて、３つのプロセスガスノズル５２が隣り合わせで配置されている。各プロセスガスノズル５２は、加工されているブランク２７の領域付近へ向けられる部分的な流れを放出する。また、プロセスガスの流れ出ていく方向を制御するよう調整できる、旋回可能なプロセスガスノズル５２を設けることも可能である。プロセスガス吸引装置４６は、第３方向ｙにおいて、第３キャリッジ４１と共に移動することができる。更に、このプロセスガス吸引装置４６は、第２方向ｚ及び／又は第１方向ｘにおいても調整できるように、キャリッジ４１に支持されていてもよい。

図１５及び図１６に示されているような例示的な実施形態では、プロセスガス流Ｐを生成する代わりに、真空室４８が設けられており、この真空室４８内には、ツールホルダ１８及びブランク２７の収容領域４７が配置されている。収容領域４７を真空状態にすることができるように、この真空室４８は、吸引ライン４９を介して真空ポンプ５０に接続されている。この場合、方向転換装置２３は、真空室４８の内部に配置されてもよいし（図１５）、或いは、例えば図２及び図１６に示されているように、真空室４８の外部に配置されてもよい。後者の場合、真空室４８は、用いられるレーザ波長が透過する、レーザインパルス２４の入射位置５１の領域になければならない。

方向転換装置２３を用いて、レーザビームインパルス２４は、パルス領域５５の領域において、ブランク２７の表面２６へ向けられる。レーザビームインパルス２４が衝突位置２５において表面２６に衝突し、そこで材料のアブレーションが生じることによって、図６に概略的に示されているように、漏斗状のクレータ５６が形成される。衝突位置２５としては、この場合、クレータの中心点又は中心軸が示されている。所定間隔の複数の衝突位置２５が、パルス領域５５を形成している。

制御装置２９は、方向転換装置２３に、連続する衝突位置２５を配置するパルス通路Ｂを提供する。方向転換装置２３は、レーザビームインパルス２４を次々と、パルス通路Ｂの衝突位置２５に向ける。パルス通路Ｂのコースは、パルス領域５５の形状によって決まり、図３による長方形のパルス領域５５では、直線通路部分５７から構成される蛇行形状をしている。エッジ６０又は自由表面６２’から離間した、パルス領域５５の角地点にある衝突位置２５が、始点Ｓを成す。この始点Ｓから始まり、レーザビームインパルス２４は、パルス領域の対角線上に反対の角にある、パルス通路Ｂの終点Ｅを務める衝突位置２５まで、パルス通路Ｂに沿って位置付けられる。

終点Ｅを含むパルス通路の通路部分５７は、切削エッジの作成において、エッジ６０付近のチップ若しくは自由表面６２’に対して平行に延びる。この通路部分５７は、形成される自由表面領域６２’又はエッジ６０に直接接する。終点Ｅに到達すると、方向転換装置２３においてリセット移動が開始され、レーザビームインパルス２４は、始点Ｓから始まるパルス通路Ｂに再び位置付けられる。このリセット移動は、形成される輪郭６０、６１から離れる方向に行われる。このリセット移動は、図３〜図５に、破線の矢印によって示されている。

パルス通路Ｂに沿った２つの連続する衝突位置２５間の距離Ａは、レーザ２１のインパルス周波数ｆ及び方向転換装置２３の調整速度によって決定される。パルス通路Ｂの方向転換中、この距離Ａは様々であってもよい。

パルス領域５５が、円形、楕円形、又は別の曲線形である場合、終点Ｅを含む通路部分は、形成される輪郭６０、６１に対して接線方向に延びていてもよい（図４）。この場合、パルス通路Ｂは螺旋形をしている。また、パルス領域５５は、扇形（form of ring segments）をしていてもよい（図５）。

連続するレーザビームインパルス２４を蛇行した若しくは蛇のような通路に沿って位置合わせする代わりに、制御装置２９に格納されている別のパルス通路を選択して、画定された全ての衝突位置２５を始点Ｓから終点Ｅまで順々に訪れてもよい。始点Ｓと終点Ｅは、互いにできるだけ離れているのが好ましく、プロセスガスは、終点Ｅから始点Ｓへ向かって流れる。

この好適な例示的な実施形態では、各衝突位置２５にレーザビームインパルス２４が１つだけ向けられ、次のレーザビームインパルス２４は、パルス領域５５の別の衝突位置２５に向けられる。このような手順が、図１４の上部に示されている。２つの連続するレーザビームインパルス２４間の時間距離は、レーザ２１の瞬時インパルス周波数ｆの逆数である。パルスレーザ２１は、ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、又はフェムト秒レーザの形態であり得る。

連続するレーザビームインパルス２４が異なる衝突位置２５に向けられる場合、これらのレーザビームインパルス２４は強度Ｉ１を有する。図１４のその他２つのグラフに示されているように、２つ以上のレーザビームインパルス２４が１つの衝突位置２５に向けられてもよく、その後、次の衝突位置２５が指定される。つまり、方向転換装置２３は、数個のレーザビームインパルス２４から成るインパルスシリーズ６５を１つの衝突位置２５に向け、その後、次のインパルスシリーズ６５を別の衝突位置２５に向ける。この場合、１つのインパルスシリーズ６５に含まれてその衝突位置２５に効果をもたらすエネルギーは、強度Ｉ１を有する１つのレーザビームインパルス２４のエネルギーに対応しなければならない。従って、１つのインパルスシリーズ６５の個々のレーザビームインパルス２４の強度Ｉは低くなる。本明細書中に示されているこの例示的な実施形態では、レーザインパルスシリーズ６５全体の強度Ｉは一定である。ゆえに、１つのインパルスシリーズ６５の個々のレーザビームインパルス２４の強度Ｉは、強度Ｉ１を、このインパルスシリーズ６５を構成するレーザビームインパルス２４の数で割った商に対応する。

クレータ５６の直径Ｄは、衝突位置２５におけるレーザビームインパルス２４の有効径によって決まり、集束レンズ系２８によって予め決められ、好ましくは一定の値に調整されるが、加工中に変更されてもよい。

レーザヘッド１９は、パルスレーザビーム２２を均一化する装置６６も含み得る。このビーム均一化装置６６は、レーザビームインパルスの断面積におけるエネルギー分布をより均一にする。このビーム均一化装置６６としては、屈折型又は回折型のビームホモジナイザが用いられ得る。このようにして、長方形の強度プロファイルの不均一性を２％未満にすることも可能である。このようなビーム均一化装置６６を用いた場合、図１４に概略的に示されているように、個々のレーザビームインパルス２４の上がり下がりは非常に急勾配である。レーザスポットの領域における衝突位置２周囲では、アブレーションされる材料が均一に昇華される。このようにして、加工されているブランク２７の加熱が更に軽減される。

二次元空間的に制限されたパルス領域５５が方向転換装置２３によって加工されるのと同時に、位置決め装置３０は、ブランク２７の表面２６上においてこのパルス領域５５を相対的に移動させる。つまり、レーザビームインパルス２４の複数の衝突位置２５を含むパルス領域５５によって形成される材料アブレーション領域は、所定の相対速度Ｖ_ｒｅｌで移動する。

図７〜図９には、円柱形ブランク２７から、１つ又は数個の切削エッジ６０及び１つ以上のチップ溝６１を備えた回転ツールを形成する、３つの方法ステップが示されている。

図７による第１方法ステップにおいて、チップ溝６１がブランク２７に形成される。そのために、ブランク２７の表面上をパルス領域５５が移動することによって、材料が一層５９ずつ除去され、これにより、所望のチップ溝６１が形成される。パルス領域５５のサイズは、変更されてもよい。このようにして、パルス領域５５のサイズは、形成されるチップ溝６１の所望の形状に合わせることができる。例えば、底部に向けて狭くなっていくチップ溝６１に関し、パルス領域５５のサイズは、アブレーション層５９毎に、より小さくなり得る。パルス領域５５がブランク２７に沿って移動されることにより、チップ溝６１は、ほとんどどんな形状にもすることができる。このチップ溝６１には、鈍角又は鋭角のエッジを形成することができる。また、１つ又は数個の溝フランクにアンダーカットを施すことも可能である。図１０、図１１、及び図１３に、チップ溝６１の異なる形態が概略的に示されている。

チップ溝６１は、長手方向軸Ｌに対して平行に延びていてもよい（図１０）。また、これとは異なり、チップ溝６１は、円柱形ブランク２７の長手方向軸Ｌに対して斜めに延びていてもよい。図１１の実施形態では、チップ溝６１は、直線に沿って延びており、この溝のエッジは、円柱形ブランク２７の長手方向軸Ｌに対して平行に延びる線に対し鋭角をなしている。別のツールの形態では、チップ溝６１は、長手方向軸Ｌの方向において、螺旋状に延びていてもよい。このような実施形態が、図１３に概略的に示されている。

ブランク２７から製造されるツールは、シャフト６２を含み、このシャフト６２から、チップ溝６１と、切削エッジ６０を備えた作動領域６３とが延びている。これらのシャフト６２及び作動領域６３は、互いに接合される２つの異なる部品であってもよい。例えば、ブランク２７は、硬質金属シャフト６２に配置されたピンの形態であってもよい。このピンは、多結晶ダイヤモンド（ＰＫＤ）又はＣＶＤ（化学蒸着）ダイヤモンドから成る、ダイヤモンドツールインサートであってよい。或いは、これらのシャフト６２及び作動領域６３は、接合又は結合ゾーンのない一部品の材料要素から構成されていてもよい。

シャフト６２付近のチップ溝端部６４の領域では、長手方向軸Ｌから半径方向に測定されるチップ溝６１の深さがより浅くなっている。チップ溝６１は、チップ溝端部６４へ向かって、例えば傾斜して延びていてもよい。傾斜したチップ溝端部６４を備えるチップ溝６１を形成するには、図１２に概略的に示されているように、パルス領域５５が、形成されるチップ溝６１に沿って、ブランク２７上を数回移動される。パルス領域５５が相対運動方向Ｖにおいて移動される毎に、１つのアブレーション層５９が除去される。アブレーション層５９は、長手方向軸Ｌに対して半径方向に互いに積み重ねられている。パルス領域５５の最初の相対運動により、ブランク２７の自由端部６７からシャフト端部６４へ向かう方向に、材料のアブレーションが行われる。チップ溝端部６４に到達すると、パルス領域５５とブランク２７の相対運動方向は反転されなければならない。この運動反転中、レーザビームインパルス２４はオフにされる。相対運動方向Ｖが反転されると共に、この除去されたアブレーション層の終点６８及び新しいアブレーション層５９の始点６９間のチップ溝方向における変位ｄＳが到達されて初めて、レーザビームインパルスは再びオンにされる。この変位ｄＳの量は、溝のシャフト側端部６４における溝底部の所望のピッチによって決まる。チップ溝のシャフト側端部６４から自由端部６７へパルス領域５５が移動する場合には、パルス領域５５がブランク２７を離れたときのみ、この相対運動方向の反転が行われる。自由端部６７において運動方向が反転される際には、レーザインパルス２４はオフにされる必要がない。アブレーション層の終点６８及び次のアブレーション層の始点６９間の変位ｄＳは、溝の深さによって決まり、チップ溝のシャフト側端部６４の領域における溝底部のピッチが変動する場合、長さが異なり得る。

この例示的な実施形態では、図７による第１方法ステップにおいて、２つのチップ溝６１が形成される。ブランク２７のマーキング領域６３において得られた断面形状は、長手方向軸Ｌに対して半径方向に対称的である。

図８による選択的な第２方法ステップでは、形成されるチップ溝６１付近の外側７０において、材料のアブレーションが行われる。この例示的な実施形態では、円柱形ブランク２７の元々の外面の一部が半径方向内側にアブレーションされ、その結果、凹部７１が形成される。このアブレーション深さは、長手方向軸Ｌに対して半径方向に測定すると一定である。この処理において、パルス領域５５は、ブランク２７の長手方向軸Ｌに沿って数回移動される。従って、アブレーション層は、半径方向に互いに積み重ねられる。

凹部７１の形成は、次に切削エッジ６０を形成するのに必要な材料のアブレーションを減らすため、必要又は得策であり得る。これは、例えば、大きな自由角を作成する場合に当てはまり得る。チップ溝６１が周方向において非常に大きい場合、或いは、十分なチップ溝６１がある場合には、本明細書中に提示したこの第２方法ステップによる、外側７０における凹部７１の形成は、省略されてもよい。

次に、第３方法ステップ（図９）では、少なくとも１つの切削エッジ６０が生成される。本明細書中に説明するこの例示的な実施形態では、２つの切削エッジ６０が形成される。この切削エッジ６０の生成中に、空間７２が形成される。この空間７２は、凹部７１とチップ溝６１との間に形成される。チップ溝６１において、切削エッジ６０の隣にチップガイド領域７３が形成される。このチップガイド領域７３は、チップ溝６１が形成されるのに伴って形成されている。

空間７２又は切削エッジ６０の作成中において、パルス領域５５の少なくとも一部がブランク２７の表面２６に到達している限り、パルス領域５５とブランク２７の相対運動は決して０にはならない。これにより、非常に平らなエッジ及び領域が形成される。特に、切削ツールの切削エッジ６０の作成においては、平滑なコースが非常に重要である。

切削エッジ６０の作成中、位置決め装置３０によって、レーザビームインパルス２４のビーム方向Ｒと空間７２が位置する平面Ｆとの間における傾斜角αを設けることができる。空間７２の表面輪郭は湾曲しているため、平面Ｆとは、パルス領域５５が作動する領域に対する長手方向面である。傾斜角αは、制御装置２９によって予め決定され、加工中に変更されてもよい。例えば、この傾斜角αは、加工されるブランク２７の材料に合わせてもよい。

選択的な更なる方法ステップでは、加工動作中におけるチップの粉砕を向上させるため、切削エッジ６０の作成後、チップガイドステップ７５を、チップガイド領域７３に、切削エッジ６０に沿って形成してもよい（図１８）。更に、ブランク２７の元々の外面領域に、支持面７６を維持することも可能であり、この支持面７６は、長手方向軸Ｌを中心に切削エッジ６０と同一半径上に又はそれよりわずかに下に位置する。この支持面７６は、微細構造を備える。詳細には、この支持面は、その半径方向外面に数個の凹部７７を備え、これらの凹部７７には、ツールの動作中に冷却潤滑剤を収容することができる。このようにして、摩擦力を減らすことができると共に、ツールの寿命を延ばすことができる。図１７において、これらの凹部は、サイズを拡大して概略的に示されている。

ツールの製造中、アブレーション層６２のアブレーション速度は、レーザビームインパルス２４の強度Ｉによって変更されてもよい。例えば、切削エッジ６０及び空間７２の作成中よりもチップ溝６１及び／又は凹部７１の作成中の方が、強度Ｉが高くてもよい。アブレーション層５９の厚さは、これに対応して変更される。また、その他のパラメータ（例えば、パルス領域５５とブランク２７の相対速度）も、エッジコース又は表面の均一性要件が異なるため、異なる方法ステップにおいて、異なるように設定されてもよい。チップ溝６１では、切削エッジ６０に比べて、不均一性が高くても許容され得る。

アブレーション層が除去されることによって、ブランク２７の表面２６とレーザヘッド１９との間の距離が、除去されたアブレーション層５９の厚さ分だけ変更されるため、アブレーション層５９が除去された後、焦点位置は、位置決め装置３０及び／又は集束レンズ系２８によって、確実に次のアブレーション層５９に合わせられる。この焦点位置は、各アブレーション層５９の除去後に調整される。

本発明は、ブランク２７からツール（詳細には、その長手方向軸Ｌを中心に回転する回転ツール）を製造する方法及び装置に属する。この回転ツールは、少なくとも１つの切削エッジ６０及びチップ溝６１を含む。この回転ツールは、その作動領域６３において、断面が長手方向軸Ｌに対して対称的であるのが好ましい。その作動領域６３は、レーザ加工装置２０によって、円柱形ブランク２７から切除するようにして作成される。レーザ加工装置２０は、レーザスキャナを介して、例えば長方形のパルス領域５５を生成する。レーザビームインパルス２４は、このパルス領域５５内において、多数の衝突位置２５を含む所定のパルス通路Ｂを辿る。このパルス領域５５は、ブランク２７の表面２６に沿って、ツールのように移動される。この処理において、チップ溝６１とその次に切削エッジ６０が、ブランク２７から材料が昇華することによって加工される。ツール支持部１８とレーザビームインパルス２４を供給するレーザヘッド１９との相対運動は、数個の軸を含む位置決め装置３０によって行われる。チップ溝６１の作成中における動作パラメータは、切削エッジ６０の作成中における加工パラメータと異なる。加工パラメータとしては、レーザビームインパルス２４の強度Ｉ、及び／又はパルス領域５５とブランク２７の相対速度、及び／又はインパルス周波数ｆ、及び／又はパルス領域５５のサイズが、制御装置２９を介して提供され得る。

１８ ツール支持部
１９ レーザヘッド
２０ レーザ加工装置
２１ パルスレーザ
２２ パルスレーザビーム
２３ 方向転換装置
２４ レーザビームインパルス
２５ 衝突位置
２６ ２７の表面領域
２７ ブランク
２８ 集束レンズ系
２９ 制御装置
３０ 位置決め装置
３１ ベース部材
３２ 第１ガイドトラック
３３ 第１キャリッジ
３４ 第２ガイドトラック
３５ 第２キャリッジ
３６ 第１旋回装置
３７ 第１旋回軸
３８ 第２旋回装置
３９ 第２旋回軸
４０ 第３ガイドトラック
４１ 第３キャリッジ
４２ ４１の上部
４３ レーザビームダクト
４３ａ 第１ダクト部分
４３ｂ 第２ダクト部分
４３ｃ 第３ダクト部分
４４ａ 第１方向転換ミラー
４４ｂ 第２方向転換ミラー
４５ プロセスガス供給部
４６ プロセスガス吸引装置
４７ 収容領域
４８ 真空室
４９ 吸引ライン
５０ 真空ポンプ
５１ 入射位置
５２ プロセスガスノズル
５５ パルス領域
５６ クレータ
５７ 通路部分
５９ アブレーション層
６０ 切削エッジ
６１ チップ溝
６２ シャフト
６２’ （自由表面）シャフト
６３ 作動領域
６４ チップ溝端部
６５ インパルスシリーズ
６６ ビーム均一化装置
６７ ２７の自由端部
６８ ５９の終点
６９ ５９の始点
７０ 外側
７１ 凹部
７２ 空間
７３ チップガイド領域
７５ チップガイドステップ
７６ 支持面
７７ 凹部
α 傾斜角
Ａ 距離
Ｂ パルス通路
Ｄ 直径
ｄＳ 変位
Ｅ 終点
ｆ インパルス周波数
Ｆ 平面
Ｉ 強度
Ｌ ２７の長手方向軸
Ｐ プロセスガス流
Ｒ 放射方向
Ｓ 始点
Ｖ 相対運動方向
ｘ 第１方向
ｙ 第３方向
ｚ 第２方向

Claims (18)

1. ブランク（２７）からツールを製造するレーザ加工装置であって、
   レーザビームインパルス（２４）を生成するレーザ（２１）と、
   前記レーザ（２１）のレーザビームインパルス（２４）の方向を転換する方向転換装置（２３）を含む、レーザヘッド（１９）と、
   前記ブランク（２７）と前記レーザヘッド（１９）とを相対移動させる位置決め装置（３０）と、
   を備え
   前記レーザヘッド（１９）においては、前記ブランク（２７）の面（２６）上において、所定のパルス領域（５５）内に、始点をＳとし、終点をＥとする所定のパルス通路（Ｂ）に沿って互いに距離（Ａ）で離れて配置された衝突位置（２５）に、前記方向転換装置（２３）によって前記レーザビームインパルス（２４）を向けて、前記レーザビームインパルス（２４）を前記衝突位置（２５）に衝突させ、
   前記位置決め装置（３０）においては、前記ブランク（２７）と前記レーザヘッド（１９）とを相対移動させることにより、前記ブランク（２７）と前記パルス領域（５５）との相対運動をもたらし、これによって、１つのアブレーション層（５９）とそれに続くアブレーション層（５９）とを形成してブランク材（２７）を一層ずつ除去し、前記ブランク（２７）にチップ溝（６１）及び切削エッジ（６０）を生成するとともに、
   前記パルス通路（Ｂ）の終点Ｅは始点Ｓから離れており、且つ
   レーザビームインパルス（２４）が終点Ｅに到達したら、方向転換装置（２３）においてリセット移動が行われ、レーザビームインパルス（２４）が再び始点Ｓに位置付けられる
   レーザ加工装置。
2. 前記位置決め装置（３０）が、加工される円柱型ブランク（２７）の長手方向軸（Ｌ）と一致する旋回軸（３９）を有する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザビームインパルス（２４）のビームを均一化するビーム均一化装置（６６）を更に備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記位置決め装置（３０）を制御し、前記レーザビームインパルス（２４）を放射する前記レーザヘッド（１９）の光軸（Ｒ）と前記ブランク（２７）に形成される表面領域若しくはエッジ（６０）との間における傾斜角（α）を決定すると共に、前記傾斜角（α）を適宜調整する、制御装置（２９）を更に含む、請求項１に記載のレーザ加工装置。
5. 前記制御装置（２９）が更に、前記ブランク（２７）の加工中に前記傾斜角（α）を変更するように、前記位置決め装置（３０）を制御する、請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記制御装置（２９）が更に、前記ブランク（２７）の材料アブレーション中に前記レーザビームインパルス（２４）の強度（Ｉ）を変更するために、前記レーザヘッド（１９）を制御する、請求項４に記載のレーザ加工装置。
7. 前記方向転換装置（２３）が、更に、所定の順序で前記パルス領域（５５）の前記衝突位置（２５）に前記レーザビームインパルス（２４）を向ける、請求項１に記載のレーザ加工装置。
8. 前記ブランク（２７）へ、前記パルス領域（５５）に対して斜めに延びる方向に向けられた、プロセスガス流（Ｐ）を生成する、プロセスガス供給部（４５）を更に含む、請求項１に記載のレーザ加工装置。
9. 前記プロセスガス供給部（４５）が、それぞれが、異なる方向からの前記プロセスガス流（Ｐ）の部分流を前記パルス領域（５５）付近の加工領域に向ける、数個のプロセスガスノズル（５２）を更に含む、請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 前記レーザ（２１）と前記レーザヘッド（１９）との間に作動するように配置されて、前記レーザビームインパルス（２４）を前記レーザヘッド（１９）に向ける、レーザビームダクト（４３）を更に含む、請求項１に記載のレーザ加工装置。
11. ブランク（２７）から輪郭（６０、６１）を備えたツールを製造する方法であって、
    前記ブランク（２７）を用意するステップと、
    レーザビームインパルス（２４）を生成し、前記ブランク（２７）上の所定のパルス領域（５５）内に、始点をＳとし、終点をＥとする所定のパルス通路（Ｂ）に沿って配置され、互いに距離（Ａ）で離間した所定の衝突位置（２５）に前記レーザビームインパルス（２４）を向けて前記レーザビームインパルス（２４）を前記衝突位置（２５）に衝突させるステップと、
    前記ブランク（２７）と前記パルス領域（５５）の相対運動（Ｖ）を行うことにより、１つのアブレーション領域（５９）とそれに続くアブレーション領域（５９）とを形成してブランク材（２７）を一層ずつ除去し、前記ブランク（２７）にチップ溝（６１）及び切削エッジ（６０）を生成する、ステップと、
    を含み、
    前記パルス通路（Ｂ）の終点Ｅは始点Ｓから離れており、且つ
    レーザビームインパルス（２４）が終点Ｅに到達したらリセット移動を行い、レーザビームインパルス（２４）を再び始点Ｓに位置付る
    方法。
12. 前記ブランク（２７）が円柱形をしており、製造される前記ツールが回転ツールである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ブランク（２７）に少なくとも１つの前記チップ溝（６１）を形成するステップと、次に前記ブランク（２７）の外側（７０）に少なくとも１つの前記切削エッジ（６０）を形成する別のステップとを更に含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記チップ溝（６１）を形成する前記ステップの後、且つ、前記切削エッジ（６０）を形成する前記ステップの前に、前記切削エッジ（６０）の形成によって作られる空間（７２）の付近に凹部（７１）を形成する追加ステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. １つのアブレーション層（５９）を形成後、前記パルス領域（５５）のサイズを変更して次のアブレーション層（５９）を形成することによって、前記チップ溝（６１）を形成する請求項１１に記載の方法。
16. 最大直径が２ｍｍ未満で回転対称であり、前記レーザビームインパルス（２４）によって切除するようにして加工される、用意された前記ブランク（２７）から、前記ツールが製造される、請求項１１に記載の方法。
17. 前記少なくとも１つの切削エッジ（６０）を形成する前記ステップの後に、前記ツールの加工動作中におけるチップの粉砕を向上させる少なくとも１つのチップガイドステップ（７５）を、チップガイド領域（７３）に、前記少なくとも１つの切削エッジ（６０）に沿って形成する追加ステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記ブランク（２７）の元々の外面に、長手方向軸（Ｌ）を中心に前記切削エッジ（６０）と同一半径上に又はそれよりわずかに下に位置する支持面（７６）を維持すると共に、前記支持面（７６）の半径方向外面に、前記ツールの動作中に冷却潤滑剤を収容することによって、摩擦力を減らし前記ツールの寿命を延ばすことのできる、数個の凹部（７７）を形成する、追加ステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。

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