JP7101321B1 - ワークの加工方法および加工機械 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性エネルギー堆積法を用いたワークの付加加工において、ワークの加工精度を高く維持することが可能なワークの加工方法および加工機械、を提供する。【解決手段】ワークの加工方法は、互いに離れて配置される第１保持部５１および第２保持部５２によりワークＷを保持するステップと、第１保持部５１および第２保持部５２により保持されたワークＷに対して、材料粉末Ｐを供給するとともにレーザ光Ｌを照射することにより、ワークＷに対する付加加工を行なうステップと、ワークＷに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、第１保持部５１および第２保持部５２を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させるステップとを備える。【選択図】図４

Description

この発明は、ワークの加工方法および加工機械に関する。

たとえば、特許第６８１０８２３号公報（特許文献１）には、第１の線膨張係数を有するワークに対して、応力を付与するステップと、ワークに応力を付与したまま、ワークに対して、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップと、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップの後に、ワークに対する応力を緩和しつつ、ワークを冷却するステップとを備えるワークの付加加工方法が開示されている。

特許第６８１０８２３号公報

上述の特許文献１に開示されるように、ワークに対して材料粉末を供給しながらレーザ光を照射する指向性エネルギー堆積法（Directed Energy Deposition Method）によって、ワークに３次元形状を作成するワークの加工方法が知られている。

このようなワークの加工方法においては、加工対象となるワークを支持するために、互いに離れて配置された第１保持部および第２保持部によりワークを保持する。この場合に、ワークに対してレーザ光が照射されると、ワークが熱膨張することによって、ワークの表面が第１保持部および第２保持部の間で歪む。これにより、材料粉末を意図した通りにワークの表面上に供給することができず、ワークの加工精度が低下するという問題を起こり得る。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、指向性エネルギー堆積法を用いたワークの付加加工において、ワークの加工精度を高く維持することが可能なワークの加工方法および加工機械を提供することである。

この発明に従ったワークの加工方法は、互いに離れて配置される第１保持部および第２保持部によりワークを保持するステップと、第１保持部および第２保持部により保持されたワークに対して、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、ワークに対する付加加工を行なうステップと、ワークに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、第１保持部および第２保持部を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させるステップとを備える。

このように構成されたワークの加工方法によれば、付加加工時、ワークに対してレーザ光が照射されることによって、ワークが第１保持部および第２保持部の間で熱膨張する。この場合に、ワークに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、第１保持部および第２保持部を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させることによって、ワークの表面が第１保持部および第２保持部の間で歪むことを抑制できる。これにより、材料粉末を意図した通りにワークの表面上に供給することが可能となるため、ワークの加工精度を高く維持することができる。

また好ましくは、第１保持部は、所定軸を中心にワークを回転させるための第１ワーク主軸である。第２保持部は、第１ワーク主軸と所定軸の軸方向に対向して配置され、所定軸の軸方向にスライド動作が可能であり、所定軸を中心にワークを回転させるための第２ワーク主軸である。第１保持部および第２保持部を相対的に移動させるステップは、第２ワーク主軸を所定軸の軸方向にスライド動作させるステップを含む。

このように構成されたワークの加工方法によれば、付加加工時のワークの熱膨張に起因してワークの表面が歪むことを、簡易な構成で抑制することができる。

また好ましくは、ワークの加工方法は、ワークに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、ワークの温度を検出するステップと、検出されたワークの温度に基づいて、ワークの熱膨張量を算出するステップとをさらに備える。第１保持部および第２保持部を相対的に移動させるステップは、算出されたワークの熱膨張量に対応する距離だけ、第１保持部および第２保持部を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させるステップを含む。

このように構成されたワークの加工方法によれば、付加加工時のワークの熱膨張量を正確に把握することが可能となるため、ワークの表面が歪むことをより確実に抑制できる。

また好ましくは、ワークの加工方法は、ワークに対する付加加工を行なうステップの後に、第１保持部および第２保持部を互いに近づく方向に相対的に移動させつつ、ワークを冷却するステップをさらに備える。

このように構成されたワークの加工方法によれば、冷却時のワークの熱収縮に合わせて、第１保持部および第２保持部を互いに近づく方向に相対的に移動させることによって、ワークに残留応力が生じることを抑制できる。

この発明に従った加工機械は、ワークの付加加工を行なう加工機械である。加工機械は、ワークに対して、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射する付加加工用ヘッドと、所定軸を中心にワークを回転させるための第１ワーク主軸と、第１ワーク主軸と所定軸の軸方向に対向して配置され、所定軸の軸方向にスライド動作が可能であり、所定軸を中心にワークを回転させるための第２ワーク主軸と、加工機械を制御する制御装置とを備える。制御装置は、第１ワーク主軸および第２ワーク主軸により保持されたワークに対して、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、ワークに対して付加加工を行なうように、付加加工用ヘッドの動作を制御し、ワークに対する付加加工時の少なくとも一部の間に、第２ワーク主軸が第１ワーク主軸から遠ざかる方向に移動するように、第２ワーク主軸のスライド動作を制御する。

このように構成された加工機械によれば、材料粉末を意図した通りにワークの表面上に供給することが可能となるため、ワークの加工精度を高く維持することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、指向性エネルギー堆積法を用いたワークの付加加工において、ワークの加工精度を高く維持することが可能なワークの加工方法および加工機械を提供することができる。

加工機械を示す前面図である。 図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。 本実施の形態におけるワークの加工方法を実行する第１ステップを示す前面図である。 本実施の形態におけるワークの加工方法を実行する第２ステップを示す前面図である。 本実施の形態におけるワークの加工方法を実行する第３ステップを示す前面図である。 本実施の形態におけるワークの加工方法を実行する第４ステップを示す前面図である。 図１および図２中の加工機械において、ワークの付加加工に関連する制御系を示すブロック図である。 図１および図２中の加工機械を用いて、本実施の形態におけるワークの加工方法を実行するステップの流れを示すフローチャート図である。 図７中のワークの付加加工に関連する制御系の変形例を示すブロック図である。 図８中のワークの加工方法を実行するステップの流れの変形例を示すフローチャート図である。 付加加工の対象となるワークの一例を示す斜視図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、加工機械を示す前面図である。図１中には、加工機械の外観をなすカバー体を透視することにより、加工機械の内部が示されている。図２は、図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。

図１および図２を参照して、加工機械１００は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive manufacturing）加工）と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機である。加工機械１００は、ＳＭ加工の機能として、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する。加工機械１００は、コンピュータによる数値制御によって、ワーク加工のための各種動作が自動化されたＮＣ（Numerically Control）加工機械である。

本明細書においては、加工機械１００の左右方向（幅方向）に平行で、水平方向に延びる軸を「Ｚ軸」といい、加工機械１００の前後方向（奥行き方向）に平行で、水平方向に延びる軸を「Ｙ軸」といい、鉛直方向に延びる軸を「Ｘ軸」という。図１中における右方向を「＋Ｚ軸方向」といい、左方向を「－Ｚ軸方向」という。図１中における紙面の手前方向を「＋Ｙ軸方向」といい、奥方向を「－Ｙ軸方向」という。図１中における上方向を「＋Ｘ軸方向」といい、下方向を「－Ｘ軸方向」という。

まず、本実施の形態におけるワークの加工方法に用いられる加工機械１００の基本的な構造について説明する。加工機械１００は、ベッド１３６、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を有する。

ベッド１３６は、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１等を支持するためのベース部材であり、工場などの床面に設置されている。第１主軸台１１１（後述の第１ワーク主軸１１２）、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１は、スプラッシュガード２０５により区画形成された加工エリア２００内に設けられている。

加工エリア２００は、ワークの除去加工および付加加工が行なわれる空間であり、これらワーク加工に伴う切屑、切削油またはヒューム等の異物が加工エリア２００の外部に漏出しないように密閉されている。

第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、Ｚ軸方向において、互いに対向して設けられている。第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、それぞれ、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させたり、回転工具を用いたミーリング加工時または除去加工時にワークを保持したりするための第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７を有する。第１ワーク主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１Ａを中心に回転可能に設けられ、第２ワーク主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１Ｂを中心に回転可能に設けられている。中心軸２０１Ａおよび中心軸２０１Ｂは、同一直線上で延びており、中心軸２０１を構成している。

第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７は、それぞれ、ワークを着脱可能に把持するチャック１１３およびチャック１１８を有する。本実施の形態では、チャック１１３において、ワークを把持するための爪部を支持するブロックの端面を、第１ワーク主軸１１２の主軸端面１１２ｆといい、チャック１１８において、ワークを把持するための爪部を支持するブロックの端面を、第２ワーク主軸１１７の主軸端面１１７ｆという。この場合に、第１ワーク主軸１１２の主軸端面１１２ｆと、第２ワーク主軸１１７の主軸端面１１７ｆとの間におけるＺ軸方向の距離が、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈに対応している。

図２に示されるように、加工対象となるワークＷが、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により保持されている。ワークＷは、たとえば、ステンレス等の金属材料からなる。

ワークＷは、中心軸２０１の軸上で延びている。中心軸２０１の軸方向におけるワークＷの一方端が、チャック１１３により把持され、中心軸２０１の軸方向におけるワークＷの他方端が、チャック１１８により把持されている。第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７が互いに同期して回転駆動することにより、ワークＷは、中心軸２０１を中心に回転可能である。

第２主軸台１１６（第２ワーク主軸１１７）は、各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどにより、Ｚ軸方向にスライド動作が可能である。第２ワーク主軸１１７が第１ワーク主軸１１２から遠ざかる方向（＋Ｚ軸方向）に移動することによって、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈが増大し、第２ワーク主軸１１７が第１ワーク主軸１１２に近づく方向（－Ｚ軸方向）に移動することによって、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈが減少する。

工具主軸（上刃物台）１２１は、回転工具を用いたミーリング加工時に回転工具を回転させる。工具主軸１２１は、Ｘ軸－Ｚ軸平面に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸１２１には、回転工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構が設けられている。

工具主軸１２１は、図示しないコラム等によりベッド１３６上に支持されている。工具主軸１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にスライド動作が可能である。このような構成により、工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置が、３次元的に移動する。

工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な旋回中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている（Ｂ軸旋回）。工具主軸１２１の旋回範囲は、工具主軸１２１の主軸端面１２３が下方を向く姿勢（図１中および図２に示す姿勢）を基準にして±１２０°の範囲である。工具主軸１２１の旋回範囲は、図１および図２中に示す姿勢から±９０°以上の範囲であることが好ましい。

なお、図１中には示されていないが、第１主軸台１１１の周辺には、工具主軸１２１に装着された工具を自動交換するための自動工具交換装置（ＡＴＣ：Automatic Tool Changer）と、工具主軸１２１に装着する交換用の工具を収容するための工具マガジンとが設けられている。

下刃物台１３１は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。下刃物台１３１は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、下刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０６を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、固定工具を保持するための複数の工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が中心軸２０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

下刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１３６上に支持されている。下刃物台１３１は、サドル等に設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向にスライド動作が可能である。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１をさらに有する。付加加工用ヘッド２１は、ワークＷに対して材料粉末Ｐを供給するとともにレーザ光Ｌを照射することにより付加加工を行なう（指向性エネルギー堆積法（Directed Energy Deposition））。材料粉末Ｐとしては、たとえば、コバルト基合金またはＳＫＤ材等の金属粉末を利用することができる。材料粉末Ｐは、ワークＷと同一の材料であってもよいし、ワークＷと異なる材料であってもよい。

図２に示されるように、付加加工用ヘッド２１は、ノズル２６を有する。ノズル２６は、材料粉末Ｐが流通可能な管部材からなる。ノズル２６は、材料粉末ＰをワークＷに向けて吐出する。

付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に着脱可能なように構成されている。付加加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に装着される。工具主軸１２１が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にスライド動作することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の加工位置が３次元的に移動する。さらに、工具主軸１２１が、旋回中心軸２０４を中心に旋回することによって、付加加工用ヘッド２１も工具主軸１２１と一体となって旋回中心軸２０４を中心に旋回する。これにより、付加加工用ヘッド２１による付加加工の向き（ワークＷに対するレーザ光Ｌの照射方向）を自在に変化させることができる。

除去加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１から分離され、図示しないヘッドストッカに格納される。

工具主軸１２１には、クランプ機構が設けられており、工具主軸１２１に対する付加加工用ヘッド２１の装着時、そのクランプ機構が動作することによって、付加加工用ヘッド２１が工具主軸１２１に連結される。クランプ機構の一例として、バネ力によりクランプ状態を得て、油圧によりアンクランプ状態を得る機構が挙げられる。

図１に示されるように、加工機械１００は、パウダーフィーダ７０と、レーザ発振装置７６と、ケーブル２４とをさらに有する。

パウダーフィーダ７０は、付加加工に用いられる材料粉末を、加工エリア２００内の付加加工用ヘッド２１に向けて導入する。パウダーフィーダ７０は、パウダーホッパー７２と、混合部７１とを有する。パウダーホッパー７２は、付加加工に用いられる材料粉末を収容するための密閉空間を形成する。混合部７１は、パウダーホッパー７２に収容された材料粉末と、材料粉末のキャリア用のガスとを混合する。

レーザ発振装置７６は、付加加工に用いられるレーザ光を発振する。ケーブル２４は、レーザ発振装置７６から付加加工用ヘッド２１に向けてレーザ光を導くための光ファイバーと、パウダーフィーダ７０から付加加工用ヘッド２１に向けて材料粉末を導くための配管と、空気の流路となるエア配管と、不活性ガスの流路となるガス配管と、冷媒の流路となる冷却配管と、電気配線と、これらを収容する管部材とから構成されている。

続いて、本実施の形態におけるワークの加工方法について説明する。図３から図６は、本実施の形態におけるワークの加工方法を実行するステップを示す前面図である。

図３から図６を参照して、本実施の形態におけるワークの加工方法は、図３に示されるように、第１保持部５１（第１ワーク主軸１１２）および第２保持部５２（第２ワーク主軸１１７）によりワークＷを保持するステップと、図４に示されるように、第１保持部５１および第２保持部５２により保持されたワークＷに対して、材料粉末Ｐを供給するとともにレーザ光Ｌを照射することにより、ワークＷに対する付加加工を行なうステップと、図５に示されるように、ワークＷに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、第１保持部５１および第２保持部５２を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させるステップとを有する。

ワークＷの付加加工時、ワークＷに対してレーザ光Ｌが照射されると、ワークＷが熱膨張する。ワークＷは、第１保持部５１および第２保持部５２により保持されているため、ワークＷの熱膨張に伴って、レーザ光Ｌが照射された側のワークＷの表面ｆａが中心軸２０１の半径方向外側に突出するように歪む。この場合、材料粉末Ｐを意図したワークＷの表面ｆａ上の位置に積層することができず、ワークＷの付加加工の精度が低下する可能性がある。

これに対して、本実施の形態におけるワークの加工方法では、ワークＷに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、第１保持部５１および第２保持部５２を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させることによって、ワークＷの表面ｆａがワークＷの熱膨張に伴って歪むことを抑制できる。これにより、材料粉末ＰをワークＷの表面ｆａ上の意図した位置に積層することが可能となるため、ワークＷに対して高精度な付加加工を施すことができる。

なお、第１保持部５１および第２保持部５２の相対的な移動は、ワークＷに対して付加加工が行なわれる間の一部で実行されてもよい。第１保持部５１および第２保持部５２の相対的な移動は、ワークＷに対する付加加工時に連続的に実行されてもよいし、断続的に実行されてもよい。

図４に示されるように、本実施の形態におけるワークの加工方法は、ワークＷに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、ワークＷの温度を検出するステップと、検出されたワークＷの温度に基づいて、ワークＷの熱膨張量を算出するステップとをさらに有する。図５に示されるように、第１保持部５１および第２保持部５２を相対的に移動させるステップ時、算出されたワークＷの熱膨張量に対応する距離だけ、第１保持部５１および第２保持部５２を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させる。

このような構成によれば、ワークＷの温度に基づいて、付加加工時のワークＷの熱膨張量を正確に把握することができる。これにより、ワークＷの表面ｆａがワークＷの熱膨張に伴って歪むことをより確実に抑制できる。

図６に示されるように、ワークの加工方法は、ワークＷに対する付加加工を行なうステップの後に、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７を互いに近づく方向に相対的に移動させつつ、ワークＷを冷却するステップをさらに有する。

ワークＷに対する付加加工が終了した後、ワークＷをある程度の温度まで冷却してから第１保持部５１および第２保持部５２から取り外す。この場合、ワークＷがその冷却に伴って熱収縮すると、ワークＷは、第１保持部５１および第２保持部５２により保持されているため、ワークＷに残留応力が生じる可能性がある。

これに対して、本実施の形態におけるワークの加工方法では、冷却時のワークＷの熱収縮に合わせて、第１保持部５１および第２保持部５２を互いに近づく方向に相対的に移動させる。これにより、ワークＷに残留応力が生じることを抑制できる。

続いて、本実施の形態におけるワークの加工方法のより具体的な例として、図１および図２中の加工機械１００を用いて、本実施の形態におけるワークの加工方法を実行する場合を説明する。

図７は、図１および図２中の加工機械において、ワークの付加加工に関連する制御系を示すブロック図である。図７を参照して、加工機械１００は、制御装置８１をさらに有する。

制御装置８１は、加工機械１００を制御する。制御装置８１は、加工機械１００に備え付けられ、加工機械１００における各種動作を制御するための制御盤である。

制御装置８１は、プログラム記憶部８２と、プログラム実行部８３と、工具主軸制御部８４と、付加加工制御部８５と、第１ワーク主軸制御部８６と、第２ワーク主軸制御部８７とを有する。

プログラム記憶部８２には、加工機械１００の作業者によって作成されたワーク加工のための実行プログラム（数値制御プログラム）が記憶されている。プログラム記憶部８２は、一例として、フラッシュメモリである。

プログラム実行部８３は、プログラム記憶部８２に記憶された実行プログラムを実行する。プログラム実行部８３は、実行プログラムの命令を読み取って、工具主軸制御部８４、付加加工制御部８５、第１ワーク主軸制御部８６および第２ワーク主軸制御部８７の各々に制御信号を出力する。

工具主軸制御部８４は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、工具主軸１２１をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にスライド動作させるための工具主軸送りモータ８９と、工具主軸１２１をＢ軸旋回させるための工具主軸旋回モータ９０とを制御する。付加加工制御部８５は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、付加加工用ヘッド２１にレーザ光を供給するためのレーザ発振装置７６と、付加加工用ヘッド２１に材料粉末を供給するためのパウダーフィーダ７０とを制御する。

第１ワーク主軸制御部８６は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、第１ワーク主軸１１２を回転させるための第１ワーク主軸回転モータ９１を制御する。第２ワーク主軸制御部８７は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、第２ワーク主軸１１７を回転させるための第２ワーク主軸回転モータ９２と、第２ワーク主軸１１７をＺ軸方向にスライド動作させるための第２ワーク主軸送りモータ９３とを制御する。

制御装置８１は、記憶部９６をさらに有する。記憶部９６には、ワークに用いられる金属の種類と、各金属の線膨張係数との関係に関するデータが記憶されている。

加工機械１００は、操作部９５と、温度検出部９４とをさらに有する。操作部９５は、加工エリア２００の外部に設けられている。操作部９５は、作業者が加工機械１００を操作する際に用いる各種のボタンおよびスイッチ、ならびに、加工機械１００におけるワークの加工状態等を示す表示部などを含む。操作部９５は、ワークに用いられる金属の種類と、Ｚ軸方向におけるワークの全長とを入力可能なように構成されている。

温度検出部９４は、加工エリア２００内に設けられている。温度検出部９４は、付加加工時におけるワークの温度を検出可能なように構成されている。温度検出部９４は、非接触方式により、ワークの温度を検出する。温度検出部９４は、たとえば、ワークの表面から放出される赤外線放射エネルギーを検知し、温度に換算して出力する赤外線温度センサである。温度検出部９４は、検出したワークの温度を第２ワーク主軸制御部８７に出力する。

図８は、図１および図２中の加工機械を用いて、本実施の形態におけるワークの加工方法を実行するステップの流れを示すフローチャート図である。

図３、図７および図８を参照して、まず、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により、ワークＷを保持する（Ｓ１０１）。本ステップでは、ワークＷを第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の間に配置する。チャック１１３およびチャック１１８によって、Ｚ軸方向におけるワークＷの一方端および他方端をそれぞれ把持する。

ワークＷに用いられる金属の種類と、Ｚ軸方向におけるワークＷの全長Ｓとを操作部９５に入力する（Ｓ１０２）。操作部９５は、入力された金属の種類と、全長Ｓとを第２ワーク主軸制御部８７に出力する。

次に、第２ワーク主軸制御部８７は、ワークＷの線膨張係数αを特定する（Ｓ１０３）。本ステップにおいては、第２ワーク主軸制御部８７が、Ｓ１０２のステップで得られたワークＷに用いられる金属の種類を、記憶部９６に記憶されたデータに照らし合わせることによって、ワークＷの線膨張係数αを特定する。

温度検出部９４は、ワークＷの温度Ｔ（ｎ＝０）を検出する（Ｓ１０４）。温度検出部９４は、検出したワークＷの温度Ｔ（ｎ＝０）を第２ワーク主軸制御部８７に出力する。

図４、図７および図８を参照して、次に、工具主軸制御部８４および付加加工制御部８５等は、ワークＷの付加加工を開始する（Ｓ１０５）。本ステップにおいては、プログラム記憶部８２に記憶された実行プログラムに従ってワークＷの付加加工を実行する。

より具体的には、工具主軸制御部８４は、工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド２１がワークＷの直上に配置され、工具主軸１２１の主軸端面１２３が－Ｘ軸方向を向くように、工具主軸送りモータ８９および工具主軸旋回モータ９０を制御する。第１ワーク主軸制御部８６および第２ワーク主軸制御部８７は、ワークＷの表面ｆａが＋Ｘ軸方向を向くように、第１ワーク主軸回転モータ９１および第２ワーク主軸回転モータ９２をそれぞれ制御する。付加加工制御部８５は、付加加工用ヘッド２１からワークＷの表面ｆａに向けてレーザ光Ｌおよび材料粉末Ｐが供給されるように、レーザ発振装置７６およびパウダーフィーダ７０を制御する。工具主軸制御部８４は、プログラム記憶部８２に記憶された実行プログラムに従って付加加工用ヘッド２１が移動するように、工具主軸送りモータ８９を制御する。

次に、温度検出部９４は、Ｓ１０５のステップにおける付加加工の開始から所定時間だけ経過した後に、ワークＷの温度Ｔ（ｎ＝１）を検出する（Ｓ１０６）。温度検出部９４は、検出したワークＷの温度Ｔ（ｎ＝１）を第２ワーク主軸制御部８７に出力する。

次に、第２ワーク主軸制御部８７は、Ｚ軸方向におけるワークＷの熱膨張量ΔＵ（ｎ＝１）を算出する（Ｓ１０７）。本ステップにおいては、第２ワーク主軸制御部８７が、Ｓ１０３のステップで特定されたワークＷの線膨張係数αと、Ｓ１０４のステップで温度検出部９４により検出されたワークＷの温度Ｔ（ｎ＝０）と、Ｓ１０６のステップで温度検出部９４により検出されたワークＷの温度Ｔ（ｎ＝１）とを、下記の数式に代入することによって、Ｚ軸方向におけるワークＷの熱膨張量ΔＵ（ｎ＝１）を算出する。

ΔＵ（ｎ）＝α＊Ｓ＊［Ｔ（ｎ）－Ｔ（ｎ－１）］
すなわち、レーザ光Ｌの照射を受けたワークＷが、付加加工の開始から所定時間だけ経過する間に、Ｚ軸方向においてΔＵ（ｎ＝１）だけ伸張したということである。

図５、図７および図８を参照して、次に、第２ワーク主軸制御部８７は、第２ワーク主軸１１７がＳ１０７のステップで算出されたΔＵ（ｎ＝１）だけ＋Ｚ軸方向に移動するように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する（Ｓ１０８）。

次に、Ｓ１０８のステップが完了した後であって、Ｓ１０６のステップから所定時間だけ経過した後に、Ｓ１０６のステップに戻る。温度検出部９４および第２ワーク主軸制御部８７は、Ｓ１０５のステップで開始されたワークＷの付加加工が実行される間、Ｓ１０６、Ｓ１０７およびＳ１０８のステップを繰り返す。Ｓ１０６、Ｓ１０７およびＳ１０８のステップを繰り返す毎に、上記の数式におけるｎの値は、１から順に増加する整数値をとる。＋Ｚ軸方向における第２ワーク主軸１１７の移動に伴って、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈが増大する（Ｈ２＞Ｈ１）。

なお、上記の算出方法は、説明を簡単にするために、ワークＷの温度分布がＺ軸方向において一様であるという仮定に基づいているが、実際には、Ｚ軸方向におけるワークＷの温度分布には、レーザ光Ｌの照射領域を最高温度とし、そのレーザ光Ｌの照射領域から離れるほど低下する勾配が生じる。このような温度分布を考慮しつつ、ワークＷの熱膨張量ΔＵ（ｎ）を求める場合、たとえば、ワークＷをＺ軸方向に並ぶ複数の領域に分割し、各領域においてワークＷの代表温度を検出するとともに、その検出された代表温度に基づいて各領域におけるワークＷの熱膨張量を算出し、最後に、複数の領域におけるワークの熱膨張量を全て足し合わせればよい。

図６から図８を参照して、次に、工具主軸制御部８４および付加加工制御部８５等がワークＷの付加加工を終了する。温度検出部９４が、付加加工終了時のワークＷの温度Ｔ（ｍ＝０）検出する（Ｓ１０９）。温度検出部９４は、検出したワークＷの温度Ｔ（ｍ＝０）を第２ワーク主軸制御部８７に出力する。これ以降、付加加工が施されたワークＷを第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により保持された状態で放置することによって、ワークＷを冷却する。

次に、温度検出部９４は、Ｓ１０９のステップにおける付加加工終了から所定時間だけ経過した後に、ワークＷの温度Ｔ（ｍ＝１）を検出する（Ｓ１１０）。温度検出部９４は、検出したワークＷの温度Ｔ（ｍ＝１）を第２ワーク主軸制御部８７に出力する。

次に、第２ワーク主軸制御部８７は、Ｚ軸方向におけるワークＷの熱収縮量ΔＶ（ｍ＝１）を算出する（Ｓ１１１）。本ステップにおいては、第２ワーク主軸制御部８７が、Ｓ１０３のステップで特定されたワークＷの線膨張係数αと、Ｓ１０９のステップで温度検出部９４により検出されたワークＷの温度Ｔ（ｍ＝０）と、Ｓ１１０のステップで温度検出部９４により検出されたワークＷの温度Ｔ（ｍ＝１）とを、下記の数式に代入することによって、Ｚ軸方向におけるワークＷの熱収縮量ΔＶ（ｍ＝１）を算出する。

ΔＶ（ｍ）＝α＊Ｓ＊［Ｔ（ｍ－１）－Ｔ（ｍ）］
すなわち、加工エリア２００に放置されたワークＷが、付加加工終了から所定時間の間に、Ｚ軸方向においてΔＶ（ｍ＝１）だけ短縮したということである。

次に、第２ワーク主軸制御部８７は、第２ワーク主軸１１７がＳ１１１のステップで算出されたΔＶ（ｍ＝１）だけ－Ｚ軸方向に移動するように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する（Ｓ１１２）。

次に、Ｓ１１２のステップが完了した後であって、Ｓ１１０のステップから所定時間だけ経過した後に、Ｓ１１０のステップに戻る。温度検出部９４および第２ワーク主軸制御部８７は、ワークＷの冷却が実行される間、Ｓ１１０、Ｓ１１１およびＳ１１２のステップを繰り返す。Ｓ１１０、Ｓ１１１およびＳ１１２のステップを繰り返す毎に、上記の数式におけるｍの値は、１から順に増加する整数値をとる。－Ｚ軸方向における第２ワーク主軸１１７の移動に伴って、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈが減少する（Ｈ３＜Ｈ２）。

なお、Ｚ軸方向におけるワークＷの温度分布を考慮しつつ、ワークＷの熱収縮量ΔＶ（ｍ）を求める方法は、上記のワークＷの熱膨張量ΔＵ（ｎ）を求める場合と同様である。

次に、ワークＷの冷却が完了したら、ワークＷを第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７から取り外す（Ｓ１１３）。以上のステップにより、図１および図２中の加工機械１００を用いたワークの加工方法が完了する。

このような構成によれば、加工機械１００において互いに対向配置された第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７を用いて、ワークＷを保持する第１保持部５１および第２保持部５２の軸間距離を自在に調整することができる。このため、本実施の形態におけるワークの加工方法を、簡易な構成で実現することができる。

図９は、図７中のワークの付加加工に関連する制御系の変形例を示すブロック図である。図１０は、図８中のワークの加工方法を実行するステップの流れの変形例を示すフローチャート図である。

図９および図１０を参照して、本変形例では、加工機械１００が、図９中の温度検出部９４を有さない。加工機械１００は、モータ監視部９７を有する。モータ監視部９７は、第２ワーク主軸送りモータ９３の状態を監視する。より具体的には、モータ監視部９７は、第２ワーク主軸送りモータ９３のモータ電流（負荷電流値）を検出する。

本変形例では、第２ワーク主軸制御部８７が、モータ監視部９７により検出された第２ワーク主軸送りモータ９３のモータ電流に基づいて、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する。

代表的に、ワークＷの付加加工の間における制御ステップについて説明する。ワークＷの付加加工を開始する（Ｓ２０１）。Ｓ２０１のステップで付加加工が開始されたら、第２ワーク主軸制御部８７は、第２ワーク主軸１１７が所定速度で＋Ｚ軸方向に移動を開始するように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する（Ｓ２０２）。

次に、モータ監視部９７は、第２ワーク主軸送りモータ９３のモータ電流を検出する（Ｓ２０３）。モータ監視部９７は、検出した第２ワーク主軸送りモータ９３のモータ電流を第２ワーク主軸制御部８７に出力する。

次に、第２ワーク主軸制御部８７は、モータ監視部９７により検出されるモータ電流値が一定であるか否かを判断する（Ｓ２０４）。Ｓ２０４のステップでモータ監視部９７により検出されるモータ電流値が一定であると判断された場合、Ｓ２０３のステップに戻る。

Ｓ２０４のステップでモータ監視部９７により検出されるモータ電流値が一定でないと判断された場合、第２ワーク主軸制御部８７は、＋Ｚ軸方向における第２ワーク主軸１１７の移動速度が変更されるように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する（Ｓ２０５）。モータ監視部９７および第２ワーク主軸制御部８７は、Ｓ２０１のステップで開始されたワークＷの付加加工が実行される間、Ｓ２０３～Ｓ２０５のステップを繰り返すことによって、第２ワーク主軸送りモータ９３のモータ電流を一定に維持する。この場合、第２ワーク主軸送りモータ９３に対する負荷が一定であるため、Ｚ軸方向におけるワークＷの伸張に合わせて、第２ワーク主軸１１７が＋Ｚ軸方向に移動している。

最後に、工具主軸制御部８４および付加加工制御部８５等がワークＷの付加加工を終了する。第２ワーク主軸制御部８７は、＋Ｚ軸方向における第２ワーク主軸１１７の移動が停止するように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する。

図１１は、付加加工の対象となるワークの一例を示す斜視図である。図１１を参照して、本実施の形態におけるワークの加工方法を、タービンブレード５００の補修に適用することが可能である。

タービンブレード５００は、リーディングエッジ５１０と、トレーリングエッジ５２０と、翼面５４０と、一対のタービン側面５３０とを有する。

リーディングエッジ５１０は、タービンブレード５００の回転時に空気等の流体が流入するブレード前端部であり、エッジ形状をなしている。トレーリングエッジ５２０は、タービンブレード５００の回転時に流体が流出するブレード後端部であり、エッジ形状をなしている。

翼面５４０は、リーディングエッジ５１０およびトレーリングエッジ５２０の間で延在している。翼面５４０は、リーディングエッジ５１０およびトレーリングエッジ５２０の間において、湾曲しながら延在している。タービンブレード５００の回転時にリーディングエッジ５１０を通じて流入した流体は、翼面５４０上を流れてトレーリングエッジ５２０に向かう。翼面５４０は、正圧面５４０Ｐと、負圧面５４０Ｎとを有する。正圧面５４０Ｐには、翼面５４０上を流れる流体によって相対的に大きい圧力が作用し、負圧面５４０Ｎには、翼面５４０上を流れる流体によって相対的に小さい圧力が作用する。

一対のタービン側面５３０は、翼面５４０の両端部にそれぞれ配置されている。タービン側面５３０は、平面からなる。タービン側面５３０は、リーディングエッジ５１０およびトレーリングエッジ５２０の延伸方向に直交する平面からなる。

タービンブレード５００は、たとえば、ニッケル基合金、または、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖなどの金属材料から構成されている。

タービンブレード５００の使用回数が増えると、リーディングエッジ５１０またはトレーリングエッジ５２０に欠損が生じたり、翼面５４０に比較的小さな亀裂または比較的大きい窪みが生じたりする。このような欠損等が生じたタービンブレード５００に対して補修が行なわれる。

より具体的には、図１および図２中に示される加工機械１００において、リーディングエッジ５１０、トレーリングエッジ５２０および翼面５４０が、中心軸２０１の半径方向外側を向いて配置され、タービン側面５３０が、中心軸２０１の軸方向を向いて配置されるように、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７によりタービンブレード５００を保持する。

次に、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７を中心軸２０１を中心に回転させることによって、補修の対象となるリーディングエッジ５１０、トレーリングエッジ５２０または翼面５４０と、工具主軸１２１とを対向して配置する。工具主軸１２１により、タービンブレード５００の補修箇所において、亀裂部分を除去したり、付加加工に適した表面形状に整地したりする。

次に、タービンブレード５００に付加加工を行なう。工具主軸１２１に付加加工用ヘッド２１を装着し、タービンブレード５００を構成する金属材料と同じ材料粉末を用いて付加加工を行なうことにより、タービンブレード５００の補修箇所に肉盛りする。この際、図８または図１０中のフローチャートに従って、付加加工時の第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の軸間距離を制御する。

次に、タービンブレード５００に付加加工後の切削加工を行なう。工具主軸１２１から付加加工用ヘッド２１を取り外し、工具主軸１２１により、タービンブレード５００に付加された肉盛りを切削加工することによって、タービンブレード５００の表面を仕上げる。

他の例として、本実施の形態におけるワークの加工方法を、フィルムまたは不織布などの加工に用いられるダイカットロールの製造に適用することも可能である。

以上に説明した、この発明の実施の形態におけるワークの加工方法および加工機械１００の構成をまとめると、本実施の形態におけるワークの加工方法は、互いに離れて配置される第１保持部５１および第２保持部５２によりワークＷを保持するステップと、第１保持部５１および第２保持部５２により保持されたワークＷに対して、材料粉末Ｐを供給するとともにレーザ光Ｌを照射することにより、ワークＷに対する付加加工を行なうステップと、ワークＷに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、第１保持部５１および第２保持部５２を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させるステップとを備える。

本実施の形態における加工機械１００は、ワークの付加加工を行なう加工機械である。加工機械は、ワークＷに対して、材料粉末Ｐを供給するとともにレーザ光Ｌを照射する付加加工用ヘッド２１と、所定軸としての中心軸２０１を中心にワークＷを回転させるための第１ワーク主軸１１２と、第１ワーク主軸１１２と中心軸２０１の軸方向に対向して配置され、中心軸２０１の軸方向にスライド動作が可能であり、所定軸としての中心軸２０１を中心にワークＷを回転させるための第２ワーク主軸１１７と、加工機械１００を制御する制御装置８１とを備える。制御装置８１は、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により保持されたワークＷに対して、材料粉末Ｐを供給するとともにレーザ光Ｌを照射することにより、ワークＷに対して付加加工を行なうように、付加加工用ヘッド２１の動作を制御し、ワークＷに対する付加加工時の少なくとも一部の間に、第２ワーク主軸１１７が第１ワーク主軸１１２から遠ざかる方向に移動するように、第２ワーク主軸１１７のスライド動作を制御する。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるワークの加工方法および加工機械１００によれば、指向性エネルギー堆積法を用いたワークの付加加工において、ワークの加工精度を高く維持することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、指向性エネルギー堆積法によるワークの付加加工に適用される。

２１ 付加加工用ヘッド、２４ ケーブル、２６ ノズル、５１ 第１保持部、５２ 第２保持部、７０ パウダーフィーダ、７１ 混合部、７２ パウダーホッパー、７６ レーザ発振装置、８１ 制御装置、８２ プログラム記憶部、８３ プログラム実行部、８４ 工具主軸制御部、８５ 付加加工制御部、８６ 第１ワーク主軸制御部、８７ 第２ワーク主軸制御部、８９ 工具主軸送りモータ、９０ 工具主軸旋回モータ、９１ 第１ワーク主軸回転モータ、９２ 第２ワーク主軸回転モータ、９３ 第２ワーク主軸送りモータ、９４ 温度検出部、９５ 操作部、９６ 記憶部、９７ モータ監視部、１００ 加工機械、１１１ 第１主軸台、１１２ 第１ワーク主軸、１１２ｆ，１１７ｆ，１２３ 主軸端面、１１３，１１８ チャック、１１６ 第２主軸台、１１７ 第２ワーク主軸、１２１ 工具主軸、１３１ 刃物台、１３２ 旋回部、１３６ ベッド、２００ 加工エリア、２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ，２０３，２０６ 中心軸、２０４ 旋回中心軸、２０５ スプラッシュガード、５００ タービンブレード、５１０ リーディングエッジ、５２０ トレーリングエッジ、５３０ タービン側面、５４０ 翼面、５４０Ｎ 負圧面、５４０Ｐ 正圧面、Ｈ 主軸間距離、Ｌ レーザ光、Ｐ 材料粉末、Ｔ 温度、Ｗ ワーク、ｆａ 表面。

Claims (5)

1. 互いに離れて配置される第１保持部および第２保持部によりワークを保持するステップと、
   前記第１保持部および前記第２保持部により保持された前記ワークに対して、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、前記ワークに対する付加加工を行なうステップと、
   前記ワークに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、前記第１保持部および前記第２保持部を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させるステップとを備える、ワークの加工方法。
2. 前記第１保持部は、所定軸を中心に前記ワークを回転させるための第１ワーク主軸であり、
   前記第２保持部は、前記第１ワーク主軸と前記所定軸の軸方向に対向して配置され、前記所定軸の軸方向にスライド動作が可能であり、前記所定軸を中心に前記ワークを回転させるための第２ワーク主軸であり、
   前記第１保持部および第２保持部を相対的に移動させるステップは、前記第２ワーク主軸を前記所定軸の軸方向にスライド動作させるステップを含む、請求項１に記載のワークの加工方法。
3. 前記ワークに対する付加加工を行なうステップの少なくとも一部の間に、前記ワークの温度を検出するステップと、
   検出された前記ワークの温度に基づいて、前記ワークの熱膨張量を算出するステップとをさらに備え、
   前記第１保持部および第２保持部を相対的に移動させるステップは、算出された前記ワークの熱膨張量に対応する距離だけ、前記第１保持部および前記第２保持部を互いに遠ざかる方向に相対的に移動させるステップを含む、請求項１または２に記載のワークの加工方法。
4. 前記ワークに対する付加加工を行なうステップの後に、前記第１保持部および前記第２保持部を互いに近づく方向に相対的に移動させつつ、前記ワークを冷却するステップをさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のワークの加工方法。
5. ワークの付加加工を行なう加工機械であって、
   前記ワークに対して、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射する付加加工用ヘッドと、
   所定軸を中心に前記ワークを回転させるための第１ワーク主軸と、
   前記第１ワーク主軸と前記所定軸の軸方向に対向して配置され、前記所定軸の軸方向にスライド動作が可能であり、前記所定軸を中心に前記ワークを回転させるための第２ワーク主軸と、
   前記加工機械を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記第１ワーク主軸および前記第２ワーク主軸により保持された前記ワークに対して、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、前記ワークに対して付加加工を行なうように、前記付加加工用ヘッドの動作を制御し、
   前記ワークに対する付加加工時の少なくとも一部の間に、前記第２ワーク主軸が前記第１ワーク主軸から遠ざかる方向に移動するように、前記第２ワーク主軸のスライド動作を制御する、加工機械。

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