JP6868316B1

JP6868316B1 - コーナー部整形装置及びコーナー部整形方法

Info

Publication number: JP6868316B1
Application number: JP2020572561A
Authority: JP
Inventors: 宗春沓名
Original assignee: NAKASHIMA PRECISION MANUFACTURING CO., LTD
Current assignee: NAKASHIMA PRECISION MANUFACTURING CO., LTD
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: WO2021020398A1; JPWO2021020398A1

Abstract

短時間で、コーナー部を滑らかに整形する。レーザビーム４を用いて対象物のコーナー部Ｃの整形をするコーナー部整形装置１であって、前記コーナー部整形装置１は、前記コーナー部Ｃに対して、コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、レーザビーム４を前記コーナー部Ｃに照射するレーザヘッド２と、前記コーナー部に対して、コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、レーザビームにより生じた溶融池から少なくとも一部の溶融物を対象物から引き離すための0.1ＭPa〜2.0ＭPaの高圧ガスを噴射する、ガス噴射ノズル３とを含むことを特徴とするコーナー部整形装置１である。

Description

本発明は、レーザによる、切削加工部品、成形部品、鋳造品などのコーナー部のバリ取り加工や、面取り加工を行う、コーナー部整形装置およびコーナー部整形方法に関する。

二つ以上の型枠を用いる樹脂成形や、金属の鋳造や切削加工等において、バリが生じることがある。また、加工部品のコーナー部が鋭く角ばったり、凹凸部がある場合があり、このような鋭く鋭角なコーナー部に手が触れた場合、怪我をする等の安全衛生上の問題がある。このような問題を解決するために、従来は、カッター、ロータリバー、ブラシ、サンドペーパー等を用いてバリ取りや面取り加工などのコーナー部の整形を行ってきた。

しかしながら、従来のバリ取りや面取り加工は人の手によるため時間がかかる上に、樹脂等の柔らかい素材に発生したバリに関してはバリ自体のコシが柔らかく刃物から逃げてしまい切除が難しいという問題があった。また、バリの除去中や面取り加工中に切りくずが空中に舞う事による安全衛生上の問題があった。

バリ取りに関しては、レーザを用いたバリ取り装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。これらのバリ取り装置では、バリにレーザビームを照射し、金属やその他バリ取り対象物の溶融温度をはるかに超えた温度にして気化やプラズマ化させて消滅させる、アブレーションによりバリを除去している。

特開２００８−１１４４５８号公報特開昭６４−１８５９０号公報特開２０１８−１５８３７５号公報

しかしながら、レーザによるアブレーションによりバリ取りをする方法では、バリ除去後のコーナー部端面が粗く、二次バリが発生してしまうという問題があった。また、コーナー部の面取りは、主に機械切削加工により、平らで滑らかな面に仕上げているが、例えば曲面などの平面でない形状を持つコーナー部への仕上げは困難であった。さらに、バリ取りや面取り加工等のコーナー部の整形を人の手によらず短時間で精密に行いたいという要望がある。

そこで、本発明では、集光性のよい熱源であるレーザを用いて、金属や樹脂、セラミックス、石材、ガラス等の材料から成る対象物の鋭いコーナー部を、滑らかな曲面形状や平滑な面を含む任意の断面形状のコーナー部になるように、精密に、素早く整形することを目的とする。さらに、コーナー部に形成されたバリを容易に素早く取り、同時に滑らかな曲面や各種形状のコーナー部を形成することを目的とする。

本発明は、レーザビームを用いて対象物のコーナー部の整形をするコーナー部整形装置であって、前記コーナー部整形装置は、前記コーナー部に対して、コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、レーザビームを前記コーナー部に照射し、前記コーナー部に溶融池を形成するレーザヘッドと、前記コーナー部に対して、前記コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、前記コーナー部における前記溶融池から少なくとも一部の溶融物を前記対象物から引き離すための0.1ＭPa〜2.0ＭPaの高圧ガスを前記溶融池の表面に向けて噴射する、ガス噴射ノズルとを含み、前記ガス噴射ノズルの先端部はスリットであり、前記コーナー部は前記先端部のスリットの形状に近似した形状に整形されることを特徴とするコーナー部整形装置である。

これによれば、コーナー部を溶融させ、その直後に高圧ガスによりコーナー部の余分な溶融物を吹き飛ばすことができるため、容易に、短時間でコーナー部の整形ができる。吹き飛ばされずに残った少量の溶融物は、高圧ガスの影響によりノズル形状と同様の形状に形成される。効率的にコーナー部の整形ができ、装置もシンプルにできる。

前記溶融池の溶融材料の表面張力が1000〜2000dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.5〜1.5MPa、前記溶融池の溶融材料の表面張力が300〜999dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.3〜0.8MPaであることが好ましい。

また、本発明は、レーザビームを用いて、バリが形成された、対象物のコーナー部の整形をするコーナー部整形装置であって、前記コーナー部整形装置は、前記コーナー部に対して、コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、レーザビームを前記バリと製品部との間の境界部に照射し、前記境界部に溶融池を形成するレーザヘッドと、前記コーナー部に対して、前記コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、前記境界部における前記溶融池から少なくとも一部の溶融物を前記バリと共に前記製品部から引き離すための0.1ＭPa〜2.0ＭPaの高圧ガスを前記溶融池の表面に向けて噴射する、ガス噴射ノズルとを含むことを特徴とする、コーナー部整形装置である。これによれば、バリ取りと同時にコーナー部の面取り加工が出来る。

前記高圧ガスは空気、酸素、窒素、CO₂ガス、不活性ガス、またはこれらの混合ガスであり、前記高圧ガスを前記コーナー部に噴射した結果、前記溶融池に残った溶融物は表面張力により丸くなることが好ましい。

前記レーザヘッドは前記対象物に向けて前記レーザビームを照射し、前記コーナー部整形方向を水平とした場合、前記ガス噴射ノズルの中心線の水平方向から垂直方向に向かう角度が、０〜６０度であり、前記ガス噴射ノズルは、前記コーナー部整形方向の後方から前記コーナー部へ前記高圧ガスを噴射することが好ましい。

これによれば、コーナー部整形時にまだ流動状態であるコーナー部が表面張力およびガスの墳射力により滑らかになりやすい。

前記レーザヘッドおよび前記ガス噴射ノズルの、コーナー部整形方向からの角度が可変であることが好ましい。

これによれば、コーナーの形状、大きさ、材質等により、最適な角度を調整できる。

前記レーザヘッドの前記対象物に対する相対移動速度は1mm/s〜4000mm/sであり、前記ガス噴射ノズルは、ガス噴射位置がレーザ照射位置よりも後方となるように配置され、前記コーナー部を相対移動することが好ましい。

これによれば、安定的にコーナーを整形することができる。

また、本発明は、レーザビームを用いて対象物のコーナー部を整形するコーナー部整形方法であって、レーザヘッドからレーザビームを前記コーナー部に照射し、コーナー部整形方向に相対移動させながら前記コーナー部を溶融させ溶融池を形成する溶融工程と、溶融状態の前記コーナー部にガス噴射ノズルから高圧ガスを噴射し、前記溶融池から溶融物の一部を前記対象物から引き離す溶融物除去工程とを含み、前記溶融物除去工程において、前記ガス噴射ノズルの先端部はスリットであり、前記溶融池の溶融材料の表面張力が1000〜2000dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.5〜1.5MPa、前記溶融池の溶融材料の表面張力が300〜999dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.3〜0.8MPaであり、前記コーナー部は、前記先端部のスリットの形状に近似した形状で整形されることを特徴とする、コーナー部整形方法である。

また、本発明は、レーザビームを用いて、バリが形成された、対象物のコーナー部を整形するコーナー部整形方法であって、前記コーナー部整形方法は、レーザヘッドからレーザビームを前記バリと製品部との間の境界部に照射し、前記レーザビームの照射方向には、前記境界部および前記製品部が存在し、前記レーザヘッドをコーナー部整形方向に相対移動させながら前記レーザビームにより少なくとも前記境界部を溶融させ溶融池を形成する溶融工程と、溶融状態の前記境界部にガス噴射ノズルから0.1ＭPa〜2.0ＭPaの高圧ガスを噴射し、前記溶融池から溶融物の一部とともに前記バリを前記製品部から引き離す溶融物除去工程とを含む、コーナー部整形方法である。

本発明によれば、材質、コーナー部の形状、バリの有無にかかわらず、短時間でコーナー部の整形が可能になる。また、コーナー部の整形後の端面が滑らかであり、角部、縁部となるコーナー部に滑らかな曲面が形成されるため、人体に優しい形状の製品を得ることができる。また、容易にバリ取りができ、レーザビームのスポット径が数１０μｍと微細なため、コーナー部を後加工が不要なほど精密な曲面や複雑形状に面取り加工することができる。

本発明の第１実施形態におけるコーナー部整形装置１を説明する斜視図である。本発明の第１実施形態におけるコーナー部整形装置１を説明する正面図である。本発明の第１実施形態におけるコーナー部整形装置１を説明する左側面図である。本発明の第１実施形態におけるコーナー部整形装置１（コーナー部整形途中）を説明する正面図である。（a）は本発明のワークとレーザヘッドとの関係を示す概略図、(b)はアブレーション加工の場合のワークとレーザヘッドとの関係を示す概略図である。実施例によりコーナー部整形加工した後のワークの写真である。実施例によりコーナー部整形加工した後のコーナー部整形加工部（縁部）のレーザ顕微鏡による１００倍画像である。比較例によりコーナー部整形加工した後のコーナー部整形加工部（縁部）のレーザ顕微鏡による１００倍画像である。本発明の第２実施形態におけるコーナー部C整形を説明する図である。本発明の第２実施形態の先端チップの正面図、側面図、および斜視図である。

以下、図１〜５を参照しながら、本発明の好ましい第１実施形態について説明する。コーナー部整形装置１は、図示しないレーザ発振器と、レーザ発振器によりレーザを出力するレーザヘッド２と、高圧のシールドガスを噴射するガス噴射ノズル３、バリＷ_Ｖのある対象物（以下、ワークＷという。）を固定する固定治具、および図示しない制御装置を備えている。ワークＷの材料は限定されず、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、金属、セラミックス、石材、ガラス等、各種材料から成るワークＷに対応が可能である。第１実施形態においては、コーナー部整形装置１は、バリ取り装置としても作用し、バリ取りと同時に、コーナー部Ｃを曲面形状に整形する。なお、コーナー部整形装置１は、バリＷ_ＶがないワークＷにも適用可能であり、鋭角なコーナー部Ｃをなだらかな曲面形状に仕上げる面取り加工ができる。

図１〜５は、例として直方体のワークＷに、一辺から垂直に立ち上がるバリＷ_Ｖのあるコーナー部Ｃを整形している状態を表す。ワークＷは、バリＷ_Ｖと製品部Ｗ_Ｐを含む。バリＷ_Ｖと製品部Ｗ_Ｐの間の境界部Ｂはコーナー部Ｃとなる。コーナー部整形装置１は、バリＷ_Ｖを取り、かつ、バリＷ_Ｖが形成されていたコーナー部Ｃを曲面形状となるように整形する。図１の矢印で示すように、レーザヘッド２およびガス噴射ノズル３はそれぞれのバリＷ_Ｖおよびコーナー部Ｃに対する角度を保ったまま、所定速度で図１、２中の矢印で示すバリ除去方向（コーナー部整形方向）である図中Ｚ軸方向に移動し、バリ取りを行い、コーナー部Ｃの整形をする。

本実施形態では、ガス噴射ノズル３によるガス噴射位置がレーザヘッド２によるレーザ照射位置よりも所定距離後方（コーナー部整形方向の上流側）になるよう、すなわち、ガス噴射位置がレーザ照射位置とＺ軸方向において一定の距離を保って後方から追いかけるように、レーザヘッド２およびガス噴射ノズル３を移動させている（図４参照）。ガス噴射位置とレーザ照射位置との間の距離は、コーナー部Ｃ（バリＷ_Ｖと製品部Ｗ_Ｐとの間の境界部Ｂ）の各位置において、レーザにより溶融直後に高圧のシールドガスが噴射されるよう、予め設定する。

レーザ照射位置のワークＷに対する移動速度はレーザ加工条件およびワークＷの材質などにより、1mm/s〜4000mm/sであることが好ましい。また、ガス噴射位置のレーザ照射位置に対する移動速度は0mm/s〜1000mm/sであることが好ましい。好ましくは、ガス噴射位置がレーザ照射位置と同じ移動速度となるように、レーザヘッド２およびガス噴射ノズル３を移動させる。好ましくは、レーザヘッド２およびガス噴射ノズル３両方を保持する治具を備えた位置調整ロボットが、ロボットコントローラー、PLC、パソコン等の制御手段により、レーザヘッド２およびガス噴射ノズル３の角度、初期位置を決定し、バリＷ_Ｖおよびコーナー部Ｃに沿ってレーザヘッド２およびガス噴射ノズル３をＺ軸方向に移動させる。

ワークＷの正面視（図２参照）において、バリ整形方向を水平とした場合の、すなわち、コーナー部Ｃの稜線を水平とした場合の、ＹＺ平面におけるレーザヘッド２の中心線の垂直方向（Ｙ軸方向）からの角度θ１、ＹＺ平面におけるガス噴射ノズル３の中心線の水平方向（Ｚ軸逆方向）からの角度θ２、側面視（図３参照）において、ＸＹ平面におけるレーザヘッド２の中心線の垂直方向（Ｙ軸方向）からの角度θ３、ＸＹ平面におけるガス噴射ノズル３の中心線の水平方向（Ｘ軸方向）からの角度θ４は、コーナー部ＣやバリＷ_Ｖの形状、大きさにより適宜変更可能である。θ１は０〜４５度、θ２は０〜６０度、θ３は３０〜６０度、θ４は３０〜６０度が好ましい。さらに、θ２は０〜４５度がより好ましい。ロボットコントローラー、PLC、パソコン等の制御手段もしくは手動により、ガス噴射ノズル３とレーザヘッド２の角度がそれぞれ変更できる。

図１に示されるように、レーザヘッド２からのレーザビーム４は図示しない集光レンズにより集光され、ワークＷの製品部Ｗ_ＰとバリＷ_Ｖとの間の境界部Ｂに向けて照射するように調整される。境界部Ｂは、コーナー部Ｃの一部に相当する。レーザの出力および、レーザヘッド２の移動速度、レーザ照射位置の移動速度は、ワークＷの材質やバリＷ_Ｖの大きさ、コーナー部Ｃの形状等によって決定する。なお、バリＷ_ＶがないワークＷのコーナー部整形の場合でも、同様に、レーザビーム４は対象物のコーナー部Ｃに照射される。

本実施形態では、従来技術であるアブレーションさせるよりはるかに低いエネルギー密度のレーザビーム４を与え、コーナー部Ｃ（バリＷ_Ｖがある場合は境界部Ｂに相当）近傍の材料を溶融させ、溶融物は溶融池を形成し、高圧噴射ガスにより溶融池内の一部の溶融物やバリＷ_Ｖを吹き飛ばすことに特徴があり、その後の溶融池に残った溶融物がその表面張力により丸く、滑らかになる。レーザ照射によるエネルギー密度が閾値を超えれば、アブレーションが起きてしまうため、その閾値を超えないように、かつ、コーナー部Ｃ（境界部Ｂ）が十分溶融できるように、レーザの種類（波長）、レーザ出力、ビームスポット径およびレーザヘッド２の移動速度などのレーザ加工条件を決定する。例えば、樹脂のコーナー整形では、レーザ波長の長い炭酸ガスレーザ（波長１０．６μｍ）やツリウムレーザ（波長約２μｍ）を用いることが好ましい。レーザ出力は、１００〜１０００Ｗが好ましく、レーザヘッド２の移動速度は１０〜２００ｍｍ／ｓが好ましい。ビームスポット径は０．０５〜０．５ｍｍが好ましい。

レーザヘッド２とコーナー部Ｃとの距離はレーザの種類やレーザヘッドシステム（レンズの種類等）により適切に調整する。

本発明においては、図５(a)に示すように、レーザビーム４をバリＷ_Ｖと製品部Ｗ_Ｐの間の境界部Ｂ（すなわち、コーナー部Ｃ）に照射するようにレーザヘッド２とガス噴射ノズル３の位置が調整され、レーザビーム４はワークＷのコーナー部Ｃに向かって照射する。この時、レーザビーム４の進行方向に、ワークＷの製品部Ｗ_Ｐ全体が存在してよい。この際、本発明で用いるレーザは出力密度を調整しているため、レーザビーム４がワークＷの製品部Ｗ_Ｐを切断や損傷することがない。それに対して、従来技術であるアブレーションの場合には、図５(b)に示すように、高出力のレーザビーム４を照射するため、ワークＷの製品部Ｗ_Ｐの切断および損傷を防ぐためにレーザビーム４はワークＷの製品部Ｗ_Ｐが当たらないようにする。

本実施形態ではレーザビーム４を製品のコーナー部Ｃに対して照射し、コーナー部Ｃやコーナー部ＣにあるバリＷ_Ｖを溶融させ、溶融池を作る。この溶融池表面に高圧ガスを進行方向の後方かつ上方向から噴射し、溶融池表面の溶融物を吹き飛ばす。その直後には製品のコーナー部Ｃ端面全体には溶融物が一部残った状態であり、残存する溶融物は表面張力により滑らかな端面となる。また、バリＷ_Ｖが形成されていたコーナー部Ｃは表面張力により側面視で丸いエッジとなる。（図５（ａ）参照）。一方、アブレーションによりバリ取りした場合は、レーザ切断のような状態となり、バリ取り直後のコーナー部Ｃ（角部、縁部）は滑らかな曲面ではなく、また平坦な端面になる。（図５（ｂ）参照）。

ガス噴射ノズル３から噴射される高圧ガスの種類は、酸素、炭酸ガス、空気、窒素、アルゴン、ヘリウムおよびこれらの混合ガスが好ましく、ワークＷの材料によって決定する。例えば、ワークＷが炭素鋼製の場合は、酸素ガスを流すと酸化反応熱が生じて、加工速度が向上するので好ましい。ワークＷが可燃性の樹脂などでは、窒素やアルゴンを選択する。本発明において、高圧ガスは、材料の酸化、燃焼等を抑えるだけではなく、バリＷ_Ｖやコーナー部Ｃの溶融池表面の溶融物を吹き飛ばし、端面を整形する役割を担う。

ガス噴射ノズル３から噴射される高圧ガスの圧力、流量は、ガス噴射ノズル３の上流に位置する圧力調整弁等の調整により適宜変更可能であり、バリＷ_Ｖの形状、大きさ、材質及びガス噴射ノズル３のノズル径およびノズル形状によって決定する。噴出されるガスは、噴出ガス圧力0.1〜0.8MPa、流量５〜３０Ｌ／分が好ましく、溶融したコーナー部Ｃ（境界部Ｂ）からバリＷ_Ｖを引き離すのに十分な圧力と流量を有している。第１実施形態においては、整形後のコーナー部Ｃの形状は、溶融池に残った溶融物の表面張力が支配的に作用する。溶融池の溶融材料の表面張力が高い(1000〜2000dynes/cm)場合、例えば鉄の場合は、高圧ガスの圧力は０．３〜０．８ＭＰａが好ましく、溶融池の溶融材料の表面張力が低い（300〜999dynes/cm）場合、例えば、アルミニウム合金の場合には、高圧ガスの圧力は０．１〜０．４ＭＰａが好ましい。

ガス噴射ノズル３の噴出出口におけるノズル径は０．１〜２ｍｍが好ましい。ガス噴射ノズル３の先端と溶融池（境界部Ｂ）との間の距離は、５〜３０ｍｍが好ましい。上述したように、高圧のシールドガスはコーナー部Ｃの稜線に対して０〜６０度（θ２）で噴射されるため、コーナー部Ｃの溶融池表面に進行方向後方かつ上方向から溶融物の一部やバリＷ_Ｖを引き離す。なお、バリＷ_ＶがないワークＷの面取り加工等のコーナー部整形の場合でも、同様に、シールドガスは進行方向後方かつ上方向から溶融池に噴射され、溶融池からコーナー部Ｃの溶融物の一部を引き離す。

なお、シールドガスは、窒素や不活性化ガスの不燃ガスにより雰囲気ガスを形成するために、レーザビーム４の照射を始める前に低い流量で噴射してもよい。

レーザの焦点はずし距離は、ビームスポット径を変更するために、変更可能であることが好ましく、バリＷ_Ｖの大きさや形状等により、適宜決定し、変更できる。好ましくは、−２０〜＋２０ｍｍである。レーザの種類、レーザヘッドシステムの構成により適切に調整する。

本発明に使用できるレーザの種類としては、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、ツリウムレーザ、炭酸ガスレーザ、YAGレーザ等が挙げられ、適宜選択可能である。モードはシングルモードでもマルチモードでもよい。また、超短パルスＹＡＧレーザでもよい。発振モードとしては、連続発振レーザでも、パルス発振レーザでもよい。

上記のガス噴射ノズル３とレーザヘッド２の角度の決定や、レーザ出力およびレーザヘッド２の移動速度、ガス噴射ノズル３からのガス圧やガス噴出流量は、次のように制御することができる。

コーナー部整形装置１がカメラなどの画像入力システムを使用しデータを取得後ＡＩにてバリＷ_Ｖの形状の認知判断を行うか、作業者が目視によりコーナー部Ｃの形状を予め用意された選択項目の中から選択し、それをロボットコントローラー、PLC、パソコン等の制御手段に入力する。また、作業者が制御手段にワークＷの材料または物性（融点、寸法）を入力する。制御手段は、その条件を基に、ガス噴射ノズル３とレーザヘッド２の角度を決定するプログラムを有する。また、制御手段が上記アブレーションの閾値を超えないように、かつバリＷ_Ｖが十分に溶融し、溶融池が形成するように、レーザ出力およびレーザヘッド２の移動速度を決定するプログラムを有する。

また、レーザヘッド２およびガス噴射ノズル３の初期位置は、コーナー部整形装置１がカメラ等の画像入力システムによりバリＷ_Ｖの位置または鋭利なコーナー部Ｃの位置を把握するか、作業者が目視によりバリＷ_Ｖの位置または鋭利なコーナー部Ｃの位置を把握し入力することにより、決定する。

次にコーナー部整形装置１の動作について説明する。上述したように初期位置が決定されたレーザヘッド２により、レーザ発振器から出力されたレーザビーム４は、バリＷ_Ｖと製品部Ｗ_Ｐとの間の境界部Ｂに照射し、コーナー部整形方向に相対移動させながら少なくとも境界部Ｂを溶融させる。この時、バリＷ_Ｖも溶融していてもよいし、バリＷ_Ｖ全てが溶融せず一部が固体の状態のままでもよい。

境界部Ｂが溶融し流動化している状態になった直後に、レーザヘッド２と所定間隔を保持しながらバリ除去方向へ同じ速度で移動するガス噴射ノズル３が、高圧のシールドガスを溶融状態の境界部Ｂに吹きつけ、バリＷ_Ｖおよび溶融池内の一部の溶融物を吹き飛ばす。この時、ガス噴射ノズル３がバリ除去方向を水平とした場合の水平線からの角度を０〜４５度傾むけて、境界部Ｂに横方向から吹き付けるため、容易にバリＷ_Ｖは境界部Ｂから取り除かれる。

バリＷ_Ｖが吹き飛ばされた直後、吹き飛ばされずに残った製品部位のコーナー部Ｃの端面には一部溶融物が残っており、その残った溶融物の表面張力により滑らかな状態となり、固化する。上記説明は一定場所に限定した場合の順序であって、実際にはコーナー部整形方向に平行的に上記動作が行われ、すべてのコーナー部Ｃの位置において上記動作が終了した時に、コーナー部整形加工は終了する。

バリＷ_Ｖがないコーナー部Ｃの整形の場合も、同様に、レーザビーム４がコーナー部Ｃを溶融し溶融池を形成し、ガス噴射ノズル３が高圧ガスをコーナー部Ｃに吹き付け、溶融池表面の溶融物を吹き飛ばす。吹き飛ばされずに残った溶融物はその表面張力により滑らかな状態となり、固化し、コーナー部整形加工は終了する。

次に、図９〜１０を参照しながら、第２実施形態のコーナー部整形装置１０１について説明する。このコーナー部整形装置１０１は基本的にはコーナー部整形装置１と同様の構成を備えるので、共通する説明は第１実施形態の図示及び記載を援用するとともに、相違点を説明する。各要素に付す符号は実施形態１の対応番号を１００番台とする。第１実施形態では、コーナー部Ｃは表面張力により丸いエッジが形成されるのに対して、第２実施形態では、ガス噴射ノズル１０３が各種形状の孔またはスリットHが形成された先端チップ１０８を備え、先端チップ１０８の孔またはスリットHから、第１実施形態よりもさらに高圧のシールドガスを噴射する。ガス噴射ノズル１０３に先端チップ１０８がつけられることによって、孔またはスリットHからガス噴き出し時の流速が変わる。また、先端チップ１０８の形状で高圧ガスが噴出するため、噴流の影響が非常に大きくなる。それによって、第２実施形態では、コーナー部Ｃは先端チップ１０８の孔またはスリットＨの形状に似た形状に成形される。

図９は、バリＷ_Ｖが形成されていたコーナー部Ｃから、バリＷ_Ｖを除去して滑らかな平面形状となるように整形する例である。ワークＷは、バリＷ_Ｖと製品部Ｗ_Ｐを含んでおり、バリＷ_Ｖと製品部Ｗ_Ｐの間の境界部Ｂはコーナー部Ｃである。コーナー部整形装置１０１は、バリＷ_Ｖを取り、かつ、バリＷ_Ｖが形成されていたコーナー部Ｃを滑らかな平面形状となるように整形する。

図９に示すように、集光レンズ１０５により集光されたレーザビーム１０４は、コーナー部Ｃに照射される。その結果、コーナー部Ｃに溶融池１０６が形成される。その直後、溶融池１０６に向かって、Iの字のスリットをもつ先端チップ１０８が取り付けられたガス噴射ノズル１０３から高圧ガスが噴射される。高圧ガスにより、溶融池１０６の一部の溶融物や蒸気が吹き飛ばされ、同時にバリＷ_Ｖは取り除かれ、また、ガスの圧力により溶融池１０６の表面が押し付けられ、冷却固化され、Iの字に対応した平面形状のコーナー部Ｃが形成される。レーザヘッド１０２およびガス噴射ノズル１０３はそれぞれのバリＷ_Ｖおよびコーナー部Ｃに対する角度を保ったまま、所定速度で図９中の矢印で示すコーナー部整形方向に移動し、バリ取りを行い、コーナー部Ｃの整形をする。

図１０は、様々な形状の孔またはスリットＨをもつ先端チップ１０８の例を示す。先端チップ１０８は、下流側に縮径する略円錐台形状であって、先端部には孔またはスリットＨが形成されている。先端チップ１０８をつけることによって、ガス噴出口の断面積は、先端チップ１０８入口側の０．０２〜０．１倍となることが好ましい。図１０の１０８a〜１０８ｇに示すように、円形（１０８a）、矩形（１０８ｂ）、Ｓ字形（１０８ｃ）、Ｉ字形（１０８ｄ）、Ｖ字形（１０８ｅ）、Ｃ字形（１０８ｆ）またはＷ字形（１０８ｇ）の形状の孔またはスリットＨをもつことが可能である。また、図示していないが楕円形、半円等の孔またはスリットＨも可能である。先端チップ１０８の孔またはスリットＨから、圧力が０．１ＭＰａ〜２ＭＰａの高圧ガスを噴出させる。噴射される高圧ガスは、レーザヘッド１０２から照射されたレーザビーム１０４によってコーナー部Ｃに形成された溶融池１０６から余分な溶融物を吹き飛ばし、かつ、溶融池１０６表面の形状を先端チップ１０８の孔またはスリットＨと同様の形状に制御する。

コーナー部Ｃの形状は、大気の圧力、表面張力、高圧ガスのガス圧、重力、振動（液体の誘導）など様々な因子に影響されるが、各種形状の孔またはスリットＨから一定の圧力以上の高圧ガスが溶融池表面に働く場合、高圧ガスによる溶融池表面への押し付け力が大きく、またガスによる冷却作用も高まるため、整形後のコーナー部Ｃの形状は、表面張力よりも先端チップ１０８の孔またはスリットＨの形状が支配的になる。溶融池１０６の溶融材料の表面張力が高い（1000〜2000dynes/cm）の場合、例えば、鉄の場合は、高圧ガスの圧力は０．５〜１．５ＭＰａが好ましく、溶融池１０６の溶融材料の表面張力が低い（300〜999dynes/cm）の場合、例えばアルミニウム合金の場合には、高圧ガスの圧力は０．３〜０．８MPaが好ましい。

第２実施形態においても、コーナー部整形装置１０１はワークＷにバリＷｖがない場合にも適用でき、コーナー部Ｃがレーザ照射され溶融池１０６が形成され、ガス噴射ノズル１０３からの高圧ガスは、余分な溶融物を溶融池１０６から吹き飛ばし、かつ、コーナー部Cを先端チップ１０８の孔またはスリットＨに対応する目的の形状に成形できる。

以上、第１、第２実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で本発明を適宜、変更、追加等した種々なる態様を実施できる。例えば、第１、第２実施形態においては、レーザヘッド２およびガス噴射ノズル３をワークＷのバリＷ_Ｖに沿って移動させたが、レーザヘッド２とガス噴射ノズル３を固定して、ワークＷの位置を移動してもよい。

本発明において、コーナー部Ｃ（バリＷｖがある場合は境界部Ｂに相当）は基本的には溶融しているが、一部気化していてもよい。

本発明による、コーナー部整形加工の実施例を示す。第１実施形態の実施例である。本実施例における各条件は以下のとおりである。
ワークの材質：炭素鋼
バリの高さ：最高２ｍｍ
バリの長さ：３０ｍｍ
レーザー種類：ファイバーレーザ（連続発振）
レーザー出力：５００Ｗ
レーザーノズルの移動速度：３０ｍｍ／秒
焦点はずし距離：８ｍｍ
ビームスポット径：０．５ｍｍ
レーザーノズルの角度θ１：２０度
レーザーノズルの角度θ３：４５度
ガス噴射ノズルの角度θ２：３０度
ガス噴射ノズルの移動速度：３０ｍｍ／秒
ガス噴射ノズルの形状：円形
シールドガス種類：窒素ガス
シールドガス圧力：０．２ＭＰａ
シールドガス流量：流量１０L／分

ワークＷは略直方体であり、一辺から垂直にバリＷ_Ｖが連続的に形成されていた。上記条件により、バリ取り加工した結果として得られたバリ取り後の製品の写真を図６に、バリ除去した端部のレーザ顕微鏡による１００倍画像を図７に示す。なお、図７中の波形はコーナー部Ｃの表面の高度を示すものである。図中の数値は、測定範囲における高度の上限値と下限値を示しているが、コーナー部Ｃ以外の数値も拾っている。コーナー部Ｃに限定する（図中３−３間）と、高度差は０．１２５ｍｍであった。結果として鋭利なバリＷ_Ｖは無くなり、コーナー部Ｃは溶融池１０６の表面張力により、高度差の少ないきれいな曲面として変化した。

比較例

比較対象として、同形状のワークＷを、高出力レーザによりアブレーションし、バリ取り加工した。比較例における各条件は以下の通りである。高出力レーザをワークＷに照射すると製品部Ｗ_Ｐ自体が切断されてしまうため、図５（ｂ）のような方向で、バリＷ_Ｖにのみレーザを照射した。
ワークの材質：炭素鋼
バリの長さ：２ｍｍ
レーザー種類：ファイバーレーザ―
レーザー出力：５００Ｗ
レーザーノズルの移動速度：６０ｍｍ／分
焦点はずし距離：８ｍｍ
レーザーのビーム径：３ｍｍ

上記条件でアブレーションによるバリ取り加工後の端部のレーザ顕微鏡による１００倍画像を図８に示す。端面は丸みがなく表面が粗く、また端面の周囲には二次バリが発生している。

１、１０１・・・コーナー部整形装置
２、１０２・・・レーザヘッド
３、１０３・・・ガス噴射ノズル
４、１０４・・・レーザビーム
１０５・・・集光レンズ
１０６・・・溶融池
１０８・・・先端チップ
Ｗ・・・ワーク（対象物）
Ｗ_Ｖ・・・バリ
Ｗ_Ｐ・・・製品部
Ｂ・・・境界部
Ｃ・・・コーナー部
Ｈ・・・孔またはスリット

Claims

レーザビームを用いて対象物のコーナー部の整形をするコーナー部整形装置であって、
前記コーナー部整形装置は、
前記コーナー部に対して、コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、レーザビームを前記コーナー部に照射し、前記コーナー部に溶融池を形成するレーザヘッドと、
前記コーナー部に対して、前記コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、前記コーナー部における前記溶融池から少なくとも一部の溶融物を前記対象物から引き離すための0.1ＭPa〜2.0ＭPaの高圧ガスを前記溶融池の表面に向けて噴射する、ガス噴射ノズルとを含み、
前記ガス噴射ノズルの先端部はスリットであり、前記コーナー部は前記先端部のスリットの形状に近似した形状に整形されることを特徴とするコーナー部整形装置。
前記溶融池の溶融材料の表面張力が1000〜2000dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.5〜1.5MPa、前記溶融池の溶融材料の表面張力が300〜999dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.3〜0.8MPaであることを特徴とする、請求項１に記載のコーナー部整形装置。
レーザビームを用いて、バリが形成された、対象物のコーナー部の整形をするコーナー部整形装置であって、
前記コーナー部整形装置は、
前記コーナー部に対して、コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、レーザビームを前記バリと製品部との間の境界部に照射し、前記境界部に溶融池を形成するレーザヘッドと、
前記コーナー部に対して、前記コーナー部整形方向に所定速度で相対的に移動しながら、前記境界部における前記溶融池から少なくとも一部の溶融物を前記バリと共に前記製品部から引き離すための0.1ＭPa〜2.0ＭPaの高圧ガスを前記溶融池の表面に向けて噴射する、ガス噴射ノズルとを含むことを特徴とする、コーナー部整形装置。
前記高圧ガスは空気、酸素、窒素、CO₂ガス、不活性ガス、またはこれらの混合ガスであり、前記高圧ガスを前記コーナー部に噴射した結果、前記溶融池に残った溶融物は表面張力により丸くなることを特徴とする、請求項３に記載のコーナー部整形装置。
前記レーザヘッドは前記対象物に向けて前記レーザビームを照射し、
前記コーナー部整形方向を水平とした場合、前記ガス噴射ノズルの中心線の水平方向から垂直方向に向かう角度が０〜６０度であり、
前記ガス噴射ノズルは、前記コーナー部整形方向の後方から前記コーナー部へ前記高圧ガスを噴射する請求項１〜４のいずれかに記載のコーナー部整形装置。
前記レーザヘッドおよび前記ガス噴射ノズルの、前記コーナー部整形方向からの角度が可変である、請求項１〜５のいずれかに記載のコーナー部整形装置。
前記レーザヘッドの前記対象物に対する相対移動速度は1mm/s〜4000mm/sであり、前記ガス噴射ノズルは、ガス噴射位置がレーザ照射位置よりも後方となるように配置され、前記コーナー部を相対移動する、請求項１〜６のいずれかに記載のコーナー部整形装置。
レーザビームを用いて対象物のコーナー部を整形するコーナー部整形方法であって、
レーザヘッドからレーザビームを前記コーナー部に照射し、コーナー部整形方向に相対移動させながら前記コーナー部を溶融させ溶融池を形成する溶融工程と、
溶融状態の前記コーナー部にガス噴射ノズルから高圧ガスを噴射し、前記溶融池から溶融物の一部を前記対象物から引き離す溶融物除去工程とを含み、
前記溶融物除去工程において、前記ガス噴射ノズルの先端部はスリットであり、
前記溶融池の溶融材料の表面張力が1000〜2000dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.5〜1.5MPa、前記溶融池の溶融材料の表面張力が300〜999dynes/cmの場合は前記高圧ガスの圧力は0.3〜0.8MPaであり、
前記コーナー部は、前記先端部のスリットの形状に近似した形状で整形されることを特徴とする、コーナー部整形方法。
レーザビームを用いて、バリが形成された、対象物のコーナー部を整形するコーナー部整形方法であって、
前記コーナー部整形方法は、
レーザヘッドからレーザビームを前記バリと製品部との間の境界部に照射し、前記レーザビームの照射方向には、前記境界部および前記製品部が存在し、前記レーザヘッドをコーナー部整形方向に相対移動させながら前記レーザビームにより少なくとも前記境界部を溶融させ溶融池を形成する溶融工程と、
溶融状態の前記境界部にガス噴射ノズルから0.1ＭPa〜2.0ＭPaの高圧ガスを噴射し、前記溶融池から溶融物の一部とともに前記バリを前記製品部から引き離す溶融物除去工程とを含む、
コーナー部整形方法。