JP6355702B2

JP6355702B2 - 細穴複合加工装置及び加工方法

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Publication number: JP6355702B2
Application number: JP2016229111A
Authority: JP
Inventors: 賢一矢田
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: JP2018083224A

Description

本発明は、レーザ加工と細穴放電加工とを実施する細穴複合加工装置及び加工方法に関するものである。

従来、切削加工を効率的に行うことのできない例えばニッケル合金あるいはチタン合金等の難削材に細穴をあけるために細穴放電加工機が用いられている。近年、そのような難削材をセラミック等の非導電性材料で被覆した難削材に細穴をあける要求も増えている。そのような場合は通常、非導電性材料に対する細穴加工にはレーザ加工が適用され、金属材料に対する細穴加工には細穴放電加工が適用される。

特許文献１には、金属材料だけからなる難削材に細穴放電加工を効率よく且つ高精度に実施するために、細穴放電加工に先立ってレーザ加工によりワークを貫通する下穴（加工先穴）をあけておく加工方法が記載されている。

特許文献２には、金属材料にレーザ切断加工を行うために、レーザ切断加工に先立って必要な細穴（ピアス）の加工に細穴放電加工を適用する複合加工システムが記載されている。特許文献２の複合加工システムは、レーザ加工ヘッドと細穴放電加工ヘッドが並列に連結された一体型の加工ヘッドを有している。

特開２０００−２４９２３号公報特開平７−１１２３３９号公報

レーザ加工により細穴をあける場合、加工中にドロスやデブリが発生すること、ワークに対する熱影響が大きいこと、及び深さ方向における穴形状の変形が生じ易いことから、高精度の細穴をあけることは容易でない。また、非導電性材料が被覆された難削材に細穴をあける場合、レーザ加工機だけで加工ができるケースは限られており、従って通常はレーザ加工機と細穴加工機の両方を使用しなければならない。そうすると、レーザ加工機から細穴放電加工機へワークを載せ替える必要があるためそれぞれの加工機において段取り作業が発生する。これらの課題は、特許文献１の方法を実施する場合でも同様に生じる。

特許文献２の複合加工システムによると、特許文献１の場合のようにワークの載せ替えは不要になる。但し、レーザ照射の光軸と細穴放電加工の電極の中心軸線はＸ方向でずれているので、加工ヘッドがＸ方向で大型化するとともに、加工ヘッドが放電加工によりピアスをあけた後にレーザ照射の光軸をピアスに合わせるためにＸ方向へ所定の距離移動する必要がある。そのため、前記移動距離にともなう加工時間の延長と加工プログラムにおけるステップ数の増加が生じる。また、特許文献２の複合加工システムにおいて、レーザ加工を切断ではなく細穴加工に適用したと仮定した場合には、やはり前述した理由から高精度の細穴をあけることは容易ではないと考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、非導電性材料層と導電性材料層とでなるワーク、又は細穴放電加工だけでは加工の難しいワークに細穴を容易に且つ高い加工品質と加工能率をもって加工し、また、設備コストを低減できる細穴複合加工装置及び細穴複合加工方法を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、レーザ加工と細穴放電加工とを実施する細穴複合加工装置において、ウォータジェットレーザ加工ヘッド部と細穴放電加工ヘッド部とを一体的に含み、ウォータジェットレーザ加工ヘッド部の光軸線と細穴放電加工ヘッド部の主軸軸線とが同軸に整列された一体型の加工ヘッドと、ウォータジェットレーザ加工ヘッド部に設けられ、細穴放電加工ヘッド部の主軸に取り付けられるパイプ電極の内壁に接しない太さの水柱を形成可能なノズルと、ワークを載置するテーブルと、加工ヘッドとテーブルとを相対的に送り動作させる送り装置と、ウォータジェットレーザ加工ヘッド部によるレーザ加工と細穴放電加工ヘッド部による放電加工とを選択的に実施させると共に送り装置の動作を制御する制御装置と、を具備する細穴複合加工装置が提供される。

さらに、前述の目的を達成するために、本発明の第２の態様によれば、レーザ加工と細穴放電加工によってワークに細穴を加工する細穴複合加工方法において、細穴放電加工に用いるパイプ電極の先端をワークに接近させて対面させるステップと、ワークに到達する水柱をパイプ電極内を通し、パイプ電極の内壁に接しない太さで形成すると共に、水柱によってレーザ光をワークへ導光し、加工すべき細穴の一部をレーザ加工するステップと、パイプ電極とワークとの間に電圧を印加すると共にレーザ加工するステップで用いる水と同じ供給源からの水をパイプ電極内に供給して細穴の他の一部を細穴放電加工するステップと、を有し、レーザ加工するステップと細穴放電加工するステップを選択的に実施することによりワークに所望の細穴を加工する細穴複合加工方法が提供される。

本発明によると、ウォータジェットレーザ加工と細穴放電加工を適切に組み合わせることによって、例えば非導電性材料が被覆された金属の難削材からなるワーク、あるいは細穴放電加工だけでは加工の難しいワークに対しても高精度且つ高効率に細穴を加工することが可能になる。また、本発明による細穴複合加工装置１台を、ウォータジェットレーザ加工装置と細穴放電加工装置を１台ずつ個別に設備するのに比較して経済的に設備することが可能になる。

また、本発明による細穴複合加工装置では、レーザ加工ヘッド部の光軸線と放電加工ヘッド部の主軸軸線とが同軸に整列されているので、少なくとも水平方向にはコンパクトな加工ヘッドが実現できる。また、ウォータジェットレーザ加工から細穴放電加工へ移行する際に加工ヘッドを移動させる必要がなく従って加工時間が短縮され、加工プログラムの作成も効率化される。

本発明の実施形態による細穴複合加工装置の主に加工ヘッドの構成を模式的に示す図である。本発明の実施形態による細穴複合加工装置の機械本体の模式的な正面図である。ウォータジェットレーザ加工を実施しているワークの模式的な断面図である。細穴放電加工を実施しているワークの模式的な断面図である。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態による細穴複合加工装置１００について説明する。図１は、本発明の実施形態による細穴複合加工装置１００の構成を、加工ヘッド２０を中心にして模式的に示す図であり、図２は細穴複合加工装置１００の機械本体の模式的な正面図である。なお、以下においては、図示されるように互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向が定義され、またそれらは、それぞれを左右方向、前後方向、上下方向とも呼ばれる。

細穴複合加工装置１００は、レーザ加工と細穴放電加工の両方の加工を選択的に実施することができる。本実施形態におけるレーザ加工は、ノズル３７ａにより形成した水柱３９によりレーザ光をワーク５まで導光するウォータジェットレーザ加工であり、また細穴放電加工はパイプ状の電極１８を利用するものである。

細穴複合加工装置１００は、加工ヘッド２０、ワーク５を載置するテーブル１０、加工ヘッド２０とテーブル１０とを相対的に送り動作させる送り装置５０、レーザ加工と放電加工とを選択的に実施させると共に送り装置５０の動作を制御する制御装置６０、放電加工電源７０、及び水供給源８０を主要構成要素として具備する。加工ヘッド２０は、ウォータジェットレーザ加工を行うためのレーザ加工ヘッド部３０と細穴放電加工を行うための放電加工ヘッド部４０とを一体的に含んでいて、レーザ加工ヘッド部３０の光軸線Ｏ_Ａと放電加工ヘッド部４０の主軸４１の回転軸線（以下、「主軸軸線」と呼ぶ）Ｒ_Ｚは同軸に整列されてＺ軸方向に延びている。

図２に示されるように、細穴複合加工装置１００は更に、ベッド１の後部から立設されたコラム２と、コラム２の上面においてＸ軸方向に移動可能に支持されたＸスライダ３と、Ｘスライダ３の上面にＹ軸方向に移動可能に支持されたラム４を具備する。ラム４の前面には加工ヘッド２０がＺ軸方向に移動可能に支持されている。加工ヘッド２０の下端から突出する主軸４１の先端部に電極ホルダ７が着脱可能に連結されている。電極ホルダ７の鉛直方向下方には、電極ガイド８が配置され、電極ガイド８は、ガイドアーム９の下端部に支持されている。ガイドアーム９は、ラム４の右側面に設けられたブラケット４ａに、上下方向に移動可能に支持されている。ガイドアーム９の上下移動軸は、Ｚ軸に平行であって、本明細書ではＷ軸と呼ぶ。ガイドアーム９は、電極ガイド８により電極１８を支持できるように傾斜部分を有する。

電極ホルダ７と電極ガイド８との間には電極１８が主軸軸線Ｒ_Ｚに沿って延在している。電極１８は、円筒状のパイプ電極１８であり、その上端部は電極ホルダ７によって把持されている。パイプ電極１８の下端部は、電極ガイド８を上下方向に貫通している。パイプ電極１８は、その外周面が電極ガイド８により支持され、前後左右方向の位置を拘束されながら、電極ガイド８内を上下方向に摺動可能となっている。パイプ電極１８の内部には、放電加工時に、例えば水などの液体が供給されて、パイプ電極１８の先端（下端）１８ａから噴射される。一方、ウォータジェットレーザ加工時には、水などの液体とともにレーザ光がパイプ電極１８の先端１８ａから噴射及び照射される。

パイプ電極１８はその上端部が電極ホルダ７によって把持されているので、放電加工中に、主軸４１が主軸軸線Ｒ_Ｚを中心に回転することによって、主軸４１に連結された電極ホルダ７と、電極ホルダ７に把持されたパイプ電極１８が回転する。放電加工の進行につれてパイプ電極１８の先端１８ａが消耗するが、パイプ電極１８の消耗につれて加工ヘッド２０がガイドアーム９に対して下降するので、パイプ電極１８の先端１８ａのＺ軸方向の位置は望ましい位置に維持される。

本実施形態においては、ベッド１の前部上面に設けられたテーブル１０の上面には、傾斜回転テーブル装置１２が搭載されている。傾斜回転テーブル装置１２は、テーブル１０の上面から上方に突設された前後一対の支持部材１３と、それら支持部材１３の間に、Ｙ軸方向に延在する旋回軸Ｒｂを中心としてＢ軸方向に旋回可能に支持された傾斜部材１４と、傾斜部材１４の左端面に、旋回軸Ｒｂに垂直な回転軸Ｒａを中心としてＡ軸方向に回転可能に支持された回転テーブル１５とを有する。回転テーブル１５にはチャック１６が設けられ、チャック１６にワーク５が取り付けられる。

テーブル１０の周囲には、テーブル１０および傾斜回転テーブル装置１２の全体を囲うように昇降可能に放電加工用の加工槽１７が設けられている。なお、図２の一点鎖線は、放電加工中に加工槽１７が上昇した状態を示しており、実線は、段取り作業時あるいはレーザ加工時において下降した状態を示している。また、作図が省略されているが、細穴複合加工装置１００は、主にレーザ光を遮蔽するために装置全体を覆うカバーも備えている。

図示は省略するが、細穴複合加工装置１００は、Ｘスライダ３を左右方向に移動させるＸ軸駆動部と、ラム４を前後方向に移動させるＹ軸駆動部と、加工ヘッド２０を上下方向に移動させるＺ軸駆動部と、主軸軸線Ｒｚを中心に主軸４１を回転させる主軸回転駆動機構４３と、ガイドアーム９を上下方向に移動させるＷ軸駆動部と、旋回軸Ｒｂに対して傾斜部材１４を傾斜させるＢ軸駆動部と、回転軸Ｒａを中心にして回転テーブル１５を回転させるＡ軸駆動部とをそれぞれ有する。これらＸ軸駆動部、Ｙ軸駆動部、Ｚ軸駆動部、Ｗ軸駆動部、主軸回転駆動機構４３、Ｂ軸駆動部およびＡ軸駆動部は、細穴複合加工装置１００の制御装置６０により制御される。また、本明細書においては、これら各種駆動部が送り装置５０と総称される。

以上の構成により、パイプ電極１８の先端１８ａはテーブル１０に固定されたワーク５に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に相対移動可能となり、かつＢ軸方向およびＡ軸方向に相対移動可能となる。

加工ヘッド２０は、放電加工ヘッド部４０とレーザ加工ヘッド部３０を一体に含んでいる。放電加工ヘッド部４０の主軸４１は、それを長手方向に貫通する中心穴を有する円筒状に形成されており、その大部分が加工ヘッド２０のハウジング２１の内に配設されていて、下端側の一部がハウジング２１から突出している。主軸４１は、やはりハウジング２１内に配設された一対の軸受４２によって主軸軸線Ｒ_Ｚ回りに回転可能に支持されている。ハウジング２１内には、主軸４１を回転駆動するためのモータ（図示せず）及び動力伝達機構（図示せず）を含む前述の主軸回転駆動機構４３も配設されている。主軸４１の上端部と、レーザ加工ヘッド部３０との境界には防水用のシール部材４４が配置されている。主軸４１の下端部には電極ホルダ７が着脱可能に連結されている。放電加工ヘッド部４０は、これら、主軸４１、軸受４２、主軸回転駆動機構４３、シール部材４４、並びにそれらを収容するハウジング２１の部分を含んでいる。

細穴放電加工の際の加工液である水は、水供給源８０から管路８１を介して、レーザ加工ヘッド部３０のノズルヘッド３７及びノズル３７ａを経由して主軸４１の中心穴に導入され、さらに電極ホルダ７内の図示しない流路を通してパイプ電極１８内に供給される。

加工ヘッド２０の放電加工ヘッド部４０の上側には、ウォータジェットレーザ加工を実施するために必要な各種構成要素が配設されている。具体的には、レーザ発振器３１からのレーザ光を光ファイバー３１ａのような導光部材を介して受け取るレーザ照射ヘッド３２、レーザ照射ヘッド３２から照射されたレーザ光を平行光にするコリメーションレンズ３３、コリメーションレンズ３３からのレーザ光を図の左側に平行にシフトするための第１のミラー３４及び第２のミラー３５、第２のミラー３５からのレーザ光を絞るフォーカスレンズ３６、水柱３９を形成するためのノズルヘッド３７及びノズル３７ａが配設されている。これらウォータジェットレーザ加工のための構成要素及びそれらを収容するハウジング２１の部分がレーザ加工ヘッド部３０に含まれる。また、図１からわかるように、フォーカスレンズ３６の光軸線Ｏ_Ａは、主軸軸線Ｒ_Ｚに一致している。

前述のミラー及びレンズは、レーザ照射ヘッド３２から照射されたレーザ光がフォーカスレンズ３６によって絞られてノズル３７ａの入口の中心で焦点を結ぶように配置されている。ただし、実際には各種の誤差があるので、焦点位置の調整が必要である。このため、レーザ加工ヘッド部３０は、第１と第２のミラー３４、３５の角度を変更するための第１モータ３４ａと第２モータ３５ａ、及びフォーカスレンズ３６の上下方向の位置を調節する図示しない第３モータ、及び焦点を撮像するアライメントカメラ３８も含んでいる。なお、第２のミラー３５は、レーザ発振器３１から照射されるレーザ光は反射するが、そのレーザ光の波長以外の波長の光を透過する誘電体多層膜が蒸着されたガラス板から形成されている。そのため、アライメントカメラ３８は、それが第２のミラー３５の上方に配置されているにもかかわらずレーザ光の焦点を撮像することができる。焦点調節は、オペレータが、操作盤（図示せず）のモニタ（図示せず）上に映し出されたアライメントカメラ３８の画像を見ながら第１〜第３モータを微小量駆動させることにより行われる。

ノズルヘッド３７は、水供給源８０から管路８１を介して水の供給を受ける中空状の部材である。ノズルヘッド３７の底壁にウォータジェットを噴出するノズル３７ａが設けられ、底壁の反対側のフォーカスレンズ３６に対面する上面にガラス等の透明な材料より成る窓３７ｂが設けられている。ノズル３７ａから噴出されたウォータジェットにより水柱３９が形成され、水柱３９は放電加工ヘッド部４０の主軸４１及び電極ホルダ７からパイプ電極１８の中を通って、テーブル１０に載置されたワーク５に達する。一方、ノズル３７ａの入口に焦点を結んだレーザ光は、形成された水柱３９の外周境界面で全反射を繰り返してワーク５まで達して、ワーク５を加工することができる。

本実施形態においてはウォータジェットレーザ加工時に供給される水と前述した細穴放電加工時に供給される水は、通常はそれらの水圧に差がある（ウォータジェットレーザ加工時の水圧の方が高い）ものの、共に同じ水供給源８０から同じ流路を通って供給されたものである。また、ノズル３７ａにより形成される水柱３９の軸線、及び従って水柱３９によって導光されるレーザ光の光軸線Ｏ_Ａは、主軸軸線Ｒ_Ｚに同軸に整列される。

上述したように構成された細穴複合加工装置１００によると、一つのワークに対して従来それぞれ別個の装置で実施されていた細穴放電加工とウォータジェットレーザ加工を選択的に実施することが可能になる。

本実施形態の細穴複合加工装置１００のテーブル１０、コラム２、ラム４や送り装置５０のような構造的あるいは機械的構成要素の相当な部分及び水供給源８０がウォータジェットレーザ加工と細穴放電加工において共用される。これは、ウォータジェットレーザ加工装置と細穴放電加工装置を個別に２台製作するよりも低コストで細穴複合加工装置１００を１台製作できることを意味する。また、設置スペースも、ウォータジェットレーザ加工装置と細穴放電加工装置を個別に準備して設置した場合に比較して縮小される。

本実施形態の細穴複合加工装置１００によると、レーザ加工においてドロスやデブリの発生が無く、加工物への熱影響が抑えられ、深さ方向において均一な穴径が得られるといったウォータジェットレーザ加工の利点が得られることは勿論、ワーク５をテーブル１０に固定したまま、つまり一回の段取り作業により、ウォータジェットレーザ加工と細穴放電加工を連続して行うことが可能になる。さらに、この細穴複合加工装置１００では、レーザ加工ヘッド部３０の光軸線Ｏ_Ａと放電加工ヘッド部４０の主軸軸線Ｒ_Ｚとが同軸に整列されているので、ウォータジェットレーザ加工から細穴放電加工へ（あるいはその逆へ）移行する際に加工ヘッド２０を移動させる必要がなく従って加工時間が短縮され、また加工プログラムの作成も効率化される。

次に、例えば前述した細穴複合加工装置１００を使って実施可能な本発明の実施形態による細穴複合加工方法について図３及び図４も参照して説明する。この実施形態におけるワーク５は、例えばガスタービン等のブレードの材料としても利用される遮熱コーティング材を材料としている。遮熱コーティング材は、ニッケル基耐熱合金からなる母材５ａが、金属のボンド層を介してセラミックス層５ｂにより被覆されたものである。なお、ボンド層は薄い層であるので、図３及び図４では作図が省略されている。加工すべき細穴５ｃは、均一な内径を有して最終的にはワーク５を貫通する。

この実施形態による方法では、最初に、細穴放電加工に用いるパイプ電極１８の先端１８ａをワーク５に接近させて、細穴５ｃをあけるべきワーク５の部分に対面させて位置決めする。

次に、図３に示されるように、ウォータジェットレーザ加工によって加工すべき細穴の一部５ｃ_１をワーク５にあける。より詳しくは、ワーク５に到達する水柱３９を形成し、形成した水柱３９によってレーザ光をワーク５へ導光し、加工すべき細穴の一部５ｃ_１をワーク５にあける。本実施形態においては、パイプ電極１８が電極ホルダ７を介して主軸４１に連結された状態でウォータジェットレーザ加工が行なわれる。そのため、水柱３９はパイプ電極１８内に形成されている。但し、水柱３９はパイプ電極１８の内壁に接しない太さで形成されている。

図３においてはレーザ光は示されないが、水柱３９の径とほぼ同じビーム径のレーザ光がワーク５に照射される。本実施形態においては、レーザ光の光軸線Ｏ_Ａが不動の場合にウォータジェットレーザ加工により得られる穴の径は最終形状の細穴５ｃの径よりもかなり小さいので、加工ヘッド２０及び従ってレーザ光の光軸線Ｏ_ＡをＸＹ水平方向に振ることによって穴径が拡大される。一方、ウォータジェットレーザ加工においてあける細穴の一部５ｃ_１の深さは、セラミック層５ｂを貫通できればよく、したがって本実施形態においてはセラミック層５ｂの厚さプラスαの深さに設定されている。

次に、細穴の他の一部５ｃ_２を細穴放電加工によって加工する。より詳しくは、主軸４１を回転させるとともに、パイプ電極１８とワーク５との間に電圧を印加し、ウォータジェットレーザ加工のときと同じ水供給源８０からの水をパイプ電極１８内に供給して加工すべき細穴の他の一部５ｃ_２を細穴放電加工により加工する。これにより、ワーク５を貫通する細穴５ｃが完成する。

上記実施形態においては、ウォータジェットレーザ加工が細穴放電加工の前に実施されたが、例えばワーク５のセラミック層５ｃが金属母材５ａの下層にある場合等には、前述の加工の順序は逆転されるであろう。また、一つの細穴に対してウォータジェットレーザ加工と細穴放電加工を繰り返し実施する実施形態も可能である。

この細穴複合加工方法によると、セラミックのような非導電性材料と金属材料とからなる材料に対して精細な細穴加工を効率的に実施することが可能になる。また、本実施形態におけるレーザ加工はウォータジェットレーザ加工であるので、通常のレーザ加工の際に問題となる、深さ方向における穴形状の乱れ、ドロスやデブリの発生、及び加工物への熱影響が発生しない。

本発明による細穴複合加工方法は、非導電性材料を有しない金属材料だけからなるワークに対して適用されてもよい。一つのワークにおいて加工すべき細穴が複数種類ある場合、細穴の深さ、内径、及び許容誤差等に応じて、最適な加工方法がウォータジェットレーザ加工と細穴放電加工のうちから選択されてよい。あるいは、金属材料だけからなるワークの一つの細穴に対してウォータジェットレーザ加工と細穴放電加工の両方を適用することにより加工時間を短縮できる場合もある。例えば、相対的に大径で深い大径部と相対的に小径で浅い小径部とからなる段付き細穴を加工する場合、大径部に対して細穴放電加工を適用し、小径部に対してウォータジェットレーザ加工を適用することにより、電極を交換することなく効率的に前記段付き細穴を得ることが可能になる。

７電極ホルダ
１０テーブル
１８電極
２０加工ヘッド
３０レーザ加工ヘッド部
３７ａノズル
３９水柱
４０細穴放電加工ヘッド部
４１主軸
５０送り装置
６０制御装置
８０水供給源

Claims

レーザ加工と細穴放電加工とを実施する細穴複合加工装置において、
ウォータジェットレーザ加工ヘッド部と細穴放電加工ヘッド部とを一体的に含み、前記ウォータジェットレーザ加工ヘッド部の光軸線と前記細穴放電加工ヘッド部の主軸軸線とが同軸に整列された一体型の加工ヘッドと、
前記ウォータジェットレーザ加工ヘッド部に設けられ、前記細穴放電加工ヘッド部の主軸に取り付けられるパイプ電極の内壁に接しない太さの水柱を形成可能なノズルと、
ワークを載置するテーブルと、
前記加工ヘッドと前記テーブルとを相対的に送り動作させる送り装置と、
前記ウォータジェットレーザ加工ヘッド部によるレーザ加工と前記細穴放電加工ヘッド部による放電加工とを選択的に実施させると共に前記送り装置の動作を制御する制御装置と、
を具備することを特徴とした細穴複合加工装置。
レーザ加工と細穴放電加工によってワークに細穴を加工する細穴複合加工方法において、
細穴放電加工に用いるパイプ電極の先端をワークに接近させて対面させるステップと、前記ワークに到達する水柱を前記パイプ電極内を通し、前記パイプ電極の内壁に接しない太さで形成すると共に、前記水柱によってレーザ光をワークへ導光し、加工すべき細穴の一部をレーザ加工するステップと、
前記パイプ電極と前記ワークとの間に電圧を印加すると共に前記レーザ加工するステップで用いる水と同じ供給源からの水を前記パイプ電極内に供給して前記細穴の他の一部を細穴放電加工するステップと、
を有し、前記レーザ加工するステップと前記細穴放電加工するステップを選択的に実施することにより前記ワークに所望の細穴を加工することを特徴とした細穴複合加工方法。