JP6733055B2 - レーザ透過型ツール - Google Patents
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Description
表 1
そして、
であると仮定することができる。
a=切れ刃線の下のビームの所望の場所
θi=切れ刃に対するビームの屈折を達成するための最小入射角
上式において、R%は、レーザビームL全体が切れ刃22の線の下に位置するようにするために余剰の安全マージンに対応している。
Claims (25)
- 加工物(W)を機械加工するレーザ透過型機械加工ツール(10)であって、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)は、
入口面(12)、すくい面(14)、前記すくい面(14)に連結されたフランク面(16)、前記入口面(12)と前記すくい面(14)との間に延びるすくい側面(18)、および前記入口面(12)と前記フランク面(16)との間に延びるフランク側面(20)を備えた材料本体を有し、
前記フランク面(16)への前記すくい面(14)の連結により、切れ刃(22)が構成され、
前記入口面(12)は、レーザビーム(L)を受け入れて該レーザビームを前記すくい面(14)、前記フランク面(16)、および前記切れ刃(22)に向かって屈折させるよう構成され、前記レーザビーム(L)は、屈折して、少なくとも前記すくい面(14)の近くに延びる圧縮領域(WC)および前記フランク面(16)の近くに延びる引張り領域(WT)のところで前記加工物(W)中に入り、そして該加工物を加熱するようになっており、
前記すくい面(14)は、すくい側面側角度(θ 14 )を定めるよう前記すくい側面(18)から遠ざかって延び、前記フランク面(16)は、フランク側面側角度(θ 16 )を定めるよう前記フランク側面(20)から遠ざかって延び、
前記すくい側面(18)が前記加工物(W)の切削方向に対して垂直な方向に延びる場合、レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記すくい面(14)は、前記加工物(W)に対してすくい角を形成し、前記すくい側面側角度(θ 14 )により定められる前記すくい角は、そのすくい角として、次のすくい角のうちの1つが定められるよう設定されており、前記次のすくい角は、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が最高圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が最低引張り領域(WT)であるようにする負の程度が大のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が高圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が低引張り領域(WT)であるようにする負の程度が中のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が中圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が中引張り領域(WT)であるようにする負の程度が小のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が低圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が高引張り領域(WT)であるようにするゼロのすくい角、および
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が最低圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が最高引張り領域(WT)であるようにする正のすくい角を含み、
前記負の程度が大のすくい角は、約90°以上かつ約135°以下であり、前記負の程度が中のすくい角は、約136°以上かつ約165°以下であり、前記負の程度が小のすくい角は、約166°以上かつ約179°以下であり、
前記ゼロのすくい角は、約180°であり、
前記正のすくい角は、約181°以上かつ約210°以下である、レーザ透過型機械加工ツール(10)。 - 前記最高圧縮領域(WC)、前記高圧縮領域(WC)、前記中圧縮領域(WC)、前記低圧縮領域(WC)および前記最低圧縮領域(WC)の各々は、前記切れ刃(22)に沿って延びている、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 前記最高引張り領域(WT)、前記高引張領域(WT)、前記中引張り領域(WT)、前記低引張り領域(WT)および前記最低引張り領域(WT)の各々は、前記切れ刃(22)に沿って延びている、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 前記負の程度が大のすくい角は、前記負の程度が中のすくい角、前記負の程度が小のすくい角、前記ゼロのすくい角および前記正のすくい角の各々よりも小さい、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 前記材料は、ダイヤモンド、サファイア、炭化物、立方晶窒化硼素(CBN)、珪素、窒化物、鋼、合金、セラミックス、アルミナ、結晶およびガラス複合材から成る群から選択される、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 前記材料は、ダイヤモンドから成り、前記すくい側面側角度(θ14)は、前記負の程度が大のすくい角、前記負の程度が中のすくい角または前記負の程度が小のすくい角を定めるよう設定され、前記レーザビーム(L)に対して前記入口面(12)により定められる逃げ角(θi)が約5°である、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 前記材料は、サファイアから成り、前記すくい側面側角度(θ14)は、前記負の程度が大のすくい角、前記負の程度が中のすくい角または前記負の程度が小のすくい角を定めるよう設定され、前記レーザビーム(L)に対して前記入口面(12)により定められる逃げ角(θi)が約7°である、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 前記材料は、ダイヤモンドから成り、前記すくい側面側角度(θ14)は、前記ゼロのすくい角を定めるよう設定され、前記レーザビーム(L)に対して前記入口面(12)によって定められる逃げ角(θi)が約7°である、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 前記入口面(12)に被着された反射防止膜(32)を更に有する、請求項1記載のレーザ透過型機械加工ツール(10)。
- 加工物(W)を機械加工するシステム(100)であって、
レーザ透過型機械加工ツール(10)を含み、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)は、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の切れ刃(22)を構成するようフランク面(16)に連結されたすくい面(14)を含む複数の面(12〜20)を備えた材料本体を有し、前記すくい面(14)は、すくい側面側角度(θ 14 )を定めるよう前記複数の面(12〜20)のすくい側面(18)から遠ざかって延び、
前記すくい側面(18)が前記加工物(W)の切削方向に対して垂直な方向に延びる場合、レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記すくい面(14)は、前記加工物(W)に対してすくい角を形成し、前記すくい側面側角度(θ 14 )により定められる前記すくい角は、そのすくい角として、次のすくい角のうちの1つが定められるよう設定されており、前記次のすくい角は、
前記加工物(W)の圧縮領域(WC)が最高圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が最低引張り領域(WT)であるようにする負の程度が大のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が高圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が低引張り領域(WT)であるようにする負の程度が中のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が中圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が中引張り領域(WT)であるようにする負の程度が小のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が低圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が高引張り領域(WT)であるようにするゼロのすくい角、および
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が最低圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が最高引張り領域(WT)であるようにする正のすくい角を含み、
前記負の程度が大のすくい角は、約90°以上かつ約135°以下であり、前記負の程度が中のすくい角は、約136°以上かつ約165°以下であり、前記負の程度が小のすくい角は、約166°以上かつ約179°以下であり、
前記ゼロのすくい角は、約180°であり、
前記正のすくい角は、約181°以上かつ約210°以下であり、
前記複数の面(12〜20)は、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)のレーザビーム入口端(24)および前記レーザ透過型機械加工ツール(10)のレーザビーム出口端(26)を構成し、前記レーザビーム出口端(26)は、前記すくい面(14)、前記フランク面(16)および前記切れ刃(22)によって構成され、
上流側端(102U)および下流側端(102D)を備えたハウジング(102)を含み、前記ハウジング(102)の前記下流側端(102D)は、前記レーザ伝送機械加工ツール(10)の前記レーザビーム出口端(26)に光結合されており、
レーザ発生器(104)を含み、前記レーザ発生器(104)は、前記レーザ発生器(104)によって発生したレーザビーム(L)を前記ハウジング(102)の前記上流側端(102U)から前記レーザビーム入口端(24)まで伝送し、前記材料本体を通して、そして、
前記切れ刃(22)、および
前記すくい面(14)と前記フランク面(16)のうちの一方または両方から出すよう前記ハウジング(102)の前記上流側端(102U)に光学結合されている、システム(100)。 - 前記ハウジング(102)は、光学部品(108,110)、および
光学部品インターフェース(112,114)を有し、前記光学部品(108,110)は、少なくとも、視準レンズ(108)および一連の集束レンズ(110)を含み、前記視準レンズ(108)は、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記レーザビーム入口端(24)によって受け入れられる前に前記レーザビーム(L)を視準するために前記レーザ発生器(104)に光結合され、前記一連の集束レンズ(110)は、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記レーザビーム入口端(24)によって受け入れられる前に前記レーザビーム(L)を集束するために前記視準レンズ(108)に光結合され、前記光学部品インターフェース(112,114)は、前記一連の集束レンズ(110)に連結された集束ノブ(112)を含み、前記集束ノブは、前記レーザビーム(L)の光線(ΦR1,ΦR2)を前記すくい面(14)または前記フランク面(16)に向かって選択的にバイアス掛けするために焦平面および前記レーザビーム(L)の直径(Φ)を調節し、前記光学部品インターフェース(112,114)は、前記一連の集束レンズ(110)に連結された1つまたは2つ以上のビーム位置決めステージ(114)を含み、前記1つまたは2つ以上のビーム位置決めステージ(114)は、前記レーザビーム(L)が前記集束レンズ(108)を出るときに前記レーザビーム(L)の角度を変更する、請求項10記載のシステム(100)。 - 前記光学部品(108,110)に連結されたX軸マイクロメートル調節ノブ(124)と、
前記光学部品(108,110)に連結されたY軸マイクロメートル調節ノブ(126)と、
前記光学部品(108,110)に連結されたZ軸マイクロメートル調節ノブ(128)とを更に含み、前記X軸、前記Y軸および前記Z軸マイクロメートル調節ノブ(124,126,128)は、前記レーザビーム(L)の光線(ΦR1,ΦR2)を前記すくい面(14)または前記フランク面(16)の方へ選択的にバイアス掛けするために前記光学部品(108,110)に連結されている、請求項11記載のシステム(100)。 - 前記ハウジング(102)内に納められた光学サブハウジング(101)を更に含み、前記光学サブハウジング(101)は、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記レーザビーム入口端(24)中への前記レーザビーム(L)の入射具合を調節するために前記光学サブハウジング(101)内に納められた前記光学部品(108,110)を三次元XYZ座標系のX方向、Y方向またはZ方向のうちの任意の方向に調節するための空間調節装置(111)を備えた状態で前記ハウジング(102)に連結されている、請求項11記載のシステム(100)。
- 供給源またはリザーバ内に入れられていて、ノズル(141)から前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記レーザビーム出口端(26)に送られる熱活性化またはレーザ活性化切削油剤、スラリまたはエッチング剤(137)と、
前記供給源またはリザーバに流体結合されているポンプおよび弁のうちの1つまたは2つ以上を含むアクチュエータ(143)であって、前記アクチュエータ(143)が作動させられたとき、所定量の前記熱活性化またはレーザ活性化切削油剤、スラリまたはエッチング剤(137)を前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記レーザビーム出口端(26)に塗布させるアクチュエータ(143)とを更に含む、請求項10記載のシステム(100)。 - 第2のレーザ発生器(104)を更に含み、前記第2のレーザ発生器(104)は、前記第2のレーザ発生器(104)によって発生した第2のレーザビーム(L)を前記ハウジング(102)の前記上流側端(102U)から前記レーザビーム入口端(24)まで伝送し、前記材料本体を通し、そして、
前記切れ刃(22)、および
前記すくい面(14)と前記フランク面(16)のうちの一方または両方から出すよう前記ハウジング(102)の前記上流側端(102U)に光学結合されている、請求項10記載のシステム(100)。 - ビームアライメントソフトウェアを含む可視ビーム撮像カメラ(130)と、
前記可視ビーム撮像カメラ(130)に連結されたコンピュータワークステーション(132)とを更に含み、前記可視ビーム撮像カメラ(130)は、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)を通って伝搬する可視較正光ビーム(L)を画像化するとともに前記レーザ透過型機械加工ツール(10)を通って伝搬している前記可視較正光ビーム(L)の像を前記ビームアライメントソフトウェアに伝送し、前記ビームアライメントソフトウェアにより前記レーザ透過型機械加工ツール(10)を通過した前記可視較正光ビーム(L)がアライメントされていないことが判定されると、前記ビームアライメントソフトウェアは、前記X軸、前記Y軸および前記Z軸マイクロメートル調節ノブ(124,126,128)のうちの1つまたは2つ以上の調節または回転と関連した命令または示唆された最適化値をディスプレイ上に表示するための命令を前記コンピュータワークステーションに提供する、請求項12記載のシステム(100)。 - 前記コンピュータワークステーション(132)に連結されていて前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記切れ刃(22)を通過した前記レーザビーム(L)の出力パワーを測定するエネルギー計器またはパワーメータ(134)を更に含む、請求項16記載のシステム(100)。
- 前記コンピュータワークステーションに連結されていて前記レーザ透過型機械加工ツール(10)を通る前記レーザビーム(L)をアライメントするために前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の配向角または幾何学的形状を検出するビーム輪郭器(136)を更に含む、請求項16記載のシステム(100)。
- 前記ハウジング(102)に連結された高精度ツール高さ調節器(116)を更に含む、請求項10記載のシステム(100)。
- 前記ハウジング(102)に連結された隔離型回転支承システム(120)と、
前記ハウジング(102)の前記下流側端(102D)内に設けられるとともに該下流側端の近くに配置されていて前記レーザビーム(L)を前記レーザビーム入口面(12)の多数の場所に送り出すビームスプリッタ(122,146)とを更に含む、請求項10記載のシステム(100)。 - 加工物(W)を機械加工する方法であって、前記方法は、
レーザ発生器(104)からのレーザビーム(L)を伝送するステップと、
前記レーザ発生器(104)に光結合されたハウジング(102)の上流側端(102U)のところで前記レーザビーム(L)を受け取るステップと、
前記ハウジング(102)の下流側端(102D)に光結合されているレーザ透過型機械加工ツール(10)のレーザビーム入口端(24)を構成するレーザビーム入口面(12)のところで前記レーザビーム(L)を受け取るステップと、
前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記レーザビーム入口端(24)と前記レーザ透過型機械加工ツール(10)のレーザビーム出口端(26)との間に延びる前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の材料本体中で前記レーザビーム(L)を透過させるステップと、
前記レーザビーム(L)を前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の切れ刃(22)および前記レーザ透過型機械加工ツール(10)のすくい面(14)と前記レーザ透過型機械加工ツール(10)のフランク面(16)のうちの一方または両方から選択的に方向付けるステップとを含み、前記切れ刃(22)、前記すくい面(14)および前記フランク面(16)は、前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記レーザビーム出口端(26)を構成し、前記すくい面(14)は、すくい側面側角度(θ14)を定めるよう前記レーザ透過型機械加工ツール(10)のすくい側面(18)から遠ざかって延び、前記すくい側面側角度(θ14)は、そのすくい側面側角度(θ14)として、複数のすくい角のうちの1つが定められるよう設定され、前記複数のすくい角は、
前記加工物(W)の圧縮領域(WC)が最高圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が最低引張り領域(WT)であるようにする負の程度が大のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が高圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が低引張り領域(WT)であるようにする負の程度が中のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が中圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が中引張り領域(WT)であるようにする負の程度が小のすくい角、
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が低圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が高引張り領域(WT)であるようにするゼロのすくい角、および
前記加工物(W)の前記圧縮領域(WC)が最低圧縮領域(WC)であるとともに前記加工物(W)の前記引張り領域(WT)が最高引張り領域(WT)であるようにする正のすくい角を含み、
前記負の程度が大のすくい角は、約90°以上かつ約135°以下であり、前記負の程度が中のすくい角は、約136°以上かつ約165°以下であり、前記負の程度が小のすくい角は、約166°以上かつ約179°以下であり、
前記ゼロのすくい角は、約180°であり、
前記正のすくい角は、約181°以上かつ約210°以下である、方法。 - 前記レーザビーム(L)は、前記レーザビーム(L)の中心軸線(LA‐LA)に沿って延びる中心光線(ΦA)、前記レーザビーム(L)の前記中心軸線(LA‐LA)から第1の半径方向距離遠ざかったところに配置された第1の周囲アレイをなす光線(ΦR1)および前記レーザビーム(L)の前記中心軸線(LA‐LA)から第2の半径方向距離遠ざかったところに配置された少なくとも1つの第2の周囲アレイをなす光線(ΦR2)を有する直径(Φ)によって定められ、前記第2の半径方向距離は、前記第1の半径方向距離よりも大きく、前記レーザビーム(L)を選択的に方向付けるステップは、
前記レーザビーム(L)の前記中心光線(LA)を前記レーザ透過型機械加工ツール(10)の前記切れ刃(22)から方向付けるステップと、
前記レーザビーム(L)の前記第1の周囲アレイをなす光線(ΦR1)と前記レーザビーム(L)の前記第2の周囲アレイをなす光線(ΦR2)のうちの一方または両方を前記すくい面(14)と前記フランク面(16)のうちの一方に向かってバイアス掛けするステップとを含む、請求項21記載の方法。 - 前記レーザビーム(L)の前記第1の周囲アレイをなす光線(ΦR1)と前記レーザビーム(L)の前記第2の周囲アレイをなす光線(ΦR2)のうちの一方または両方を前記すくい面(14)と前記フランク面(16)のうちの一方に向かってバイアス掛けする前記ステップは、
前記ハウジング(102)内に設けられた一連の集束レンズ(110)に連結されていて、前記レーザビーム(L)の焦平面および前記直径(Φ)を調節する集束ノブ(112)を調節するステップを含む、請求項22記載の方法。 - 前記レーザビーム(L)の前記第1の周囲アレイをなす光線(ΦR1)と前記レーザビーム(L)の前記第2の周囲アレイをなす光線(ΦR2)のうちの一方または両方を前記すくい面(14)と前記フランク面(16)のうちの一方に向かってバイアス掛けする前記ステップは、
前記ハウジング(102)内に設けられた一連の集束レンズ(110)に連結されていて前記レーザビーム(L)が前記ハウジング(102)内に設けられた視準レンズ(108)を出るときに前記レーザビーム(L)の角度を変更する1つまたは2つ以上のビーム位置決めステージ(114)を調節するステップを含む、請求項22記載の方法。 - 前記レーザビーム(L)の前記第1の周囲アレイをなす光線(ΦR1)と前記レーザビーム(L)の前記第2の周囲アレイをなす光線(ΦR2)のうちの一方または両方を前記すくい面(14)と前記フランク面(16)のうちの一方に向かってバイアス掛けする前記ステップは、
X軸マイクロメートル調節ノブ(124)、前記光学部品(108,110)に連結されたY軸マイクロメートル調節ノブ(126)および前記ハウジング(102)内に設けられた一連の集束レンズ(110)に連結されたZ軸マイクロメートル調節ノブ(128)のうちの1つまたは2つ以上を調節するステップを含む、請求項22記載の方法。
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