JP7173926B2 - 肉盛方法及びマシニングセンタ - Google Patents

Description

本発明は、肉盛方法に係り，特に，粉末を吐出するとともにレーザーを照射して，ワークに肉盛層を積層する肉盛方法，及びそれを実現する多軸マシニングセンタに関する。

金属製機械部品同士の摩擦摺動面には，耐摩耗性を付与するために，ワーク表面に耐摩耗性を有する合金材料を溶接して積層構造体を形成する硬化肉盛溶接工法が用いられる。この硬化肉盛溶接工法は，用いる熱源により大きく２種類に大別される。一つは気体放電現象を利用したアーク肉盛溶接であり，もう一つはレーザー熱源を利用したレーザー肉盛溶接である。アーク肉盛溶接の場合，入熱域が大きいため，厚い肉盛層を施工可能であるが，ワークへの熱影響も大きく，製品自体の機械的性質を損なう恐れがある。一方，レーザー肉盛溶接は，アークと比較して高いエネルギー密度を持っており，ワークへの入熱域を最小限に抑えられるため，ワークへの機械的性質の劣化を抑制したい製品には有効な肉盛手法である。

こうしたレーザー肉盛手法に関しては，下記特許文献１に，「垂直姿勢とした金属母材の表面に対し、軸方向が該表面に直交する水平姿勢でトーチを配置し、該トーチの先端に位置するチップの中心部からプラズマアークを放出し、且つ該プラズマアークの先端部付近の上側に肉盛すべき金属粉末を上記チップの先端面の上部に開口する放出孔から供給すると共に、上記金属母材あるいは上記トーチの何れか一方を垂直方向に沿って移動させて立向下進溶接を行う、粉末肉盛溶接方法」と記載されている。

特開２０１４－１７２０５７号公報

しかし，従来のレーザー肉盛手法では，中空孔を有するワークの場合，中空孔内壁に均一な肉盛層を施工するのが困難であった。
本発明の目的は，中空孔を有するワークの中空孔内壁に均一な肉盛層を積層する肉盛方法及びマシニングセンタを提供することにある。

上記の課題を解決するために，本発明は，粉末を吐出するとともにレーザーを照射して，ワークに肉盛層を積層する肉盛方法において，中空孔を有する前記ワークの一方の開口端と他方の開口端との間の所定位置で，中空孔内壁に環状の第１肉盛層を積層した後，前記中空孔を軸として前記ワークを回転させながら，前記粉末及び前記レーザーの放出位置を鉛直方向上向きへ移動させることで，前記中空孔内壁に前記所定位置から一方の開口端に向けて第２肉盛層を積層し，その後，前記中空孔を軸として前記ワークを回転させながら，前記粉末及び前記レーザーの放出位置を鉛直方向上向きへ移動させることで，前記中空孔内壁に前記所定位置から他方の開口端に向けて第３肉盛層を積層する。

本発明によれば，環状の第１肉盛層が重力による肉盛層の垂れ下がりを抑制し，結果として，中空孔の内壁に全体として均一の厚さの肉盛層を形成できる。

実施例におけるマシニングセンタを示すブロック図。 実施例におけるレーザー肉盛装置の構造を示す図。 実施例において肉盛される中空孔を有するワークを示す図。 実施例の積層構造体製造のフローチャート。 レーザー肉盛時の肉垂れを防止する第１肉盛層を示す図。 らせん状に形成される第２肉盛層を示す図。 レーザー肉盛全体の流れを示す図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、以下の実施例は本発明を実施する一例であり、これに限定するわけではない。

図１は本実施例におけるマシニングセンタの構成を示すブロック図である。本実施例のマシニングセンタは，ワークを支持するチャック装置２２と，ワークに対して肉盛層を積層するレーザー肉盛装置２１と，チャック装置２２及びレーザー肉盛装置２１を制御するコントローラ２０と，を備えている。チャック装置２２は，２つの回転軸（Ｘ軸周りのａ軸とＺ軸周りのｃ軸）で回転できるチャック移動機構１６を有しており，レーザー肉盛装置２１は，鉛直方向の直線軸（Ｚ軸）で並進できるヘッド移動機構１５を有している。なお，レーザー肉盛装置２１の軸は、鉛直方向のＺ軸だけでなく，Ｘ軸及びＹ軸を含む３軸とした方が、ヘッド本体１４の位置調整がし易いため，合計５軸以上の多軸マシニングセンタとするのが望ましい。

図２は本実施例におけるレーザー肉盛装置の構造を示す図である。本実施例のレーザー肉盛装置２１は，ヘッド本体１４と，図示しないヘッド移動機構１５と，レーザー発振機１０と，混合機１３と，を備えている。ここで，ヘッド本体１４は，レーザーノズル１と，このレーザーノズル１と一定の間隔を空けて設置された金属粉末ノズル２と，を組み合わせて構成されている。このレーザー肉盛装置２１は，マシニングセンタ内に搭載されており，少なくとも上記ヘッド本体１４のＺ方向移動を制御できるヘッド移動機構１５を具備している。また，このレーザー肉盛装置２１は，レーザーノズル１と金属粉末ノズル２の間に形成された空隙６に，硬化肉盛材料と気体とを混合した流体を噴射しながら，レーザーノズル１内を流通したレーザー３をワーク７に照射する。そして，スポット部５にて硬化肉盛材料がレーザー溶融されることで，ある角度だけ傾斜させたワーク７の内壁面９に積層構造体を形成できる。

レーザー３は、レーザー発振機１０で発振された後，レーザー流通向き１１に沿ってレーザー光路を進行し，レーザーノズル１に到達する。レーザーノズル１内では，レーザー３が，図示しない集光レンズにて集光されて，ヘッド本体１４の先端で焦点４を結ぶように光路設計されている。なお，本実施例では，焦点４の外側のレーザー光が用いられる，いわゆるデフォーカス状態でワーク７に照射して用いられるものである。ヘッド本体１４と施工点（ワーク７）との距離８は，Ｚ方向に駆動する軸モータによって調整可能となっており，積層構造体を形成する際には２０．６ｍｍに保つようになっている。

硬化肉盛材料と気体の混合は，混合機１３内で行なわれ，混合流体流通向き１２に従い空隙６まで移送される。具体的には，混合機１３内で定量計測された硬化肉盛材料が，気体で押し出される形で混合および移送される。そして，混合された硬化肉盛材料と気体は，金属粉末ノズル２先端から噴射される。

ここで硬化肉盛材料の例としては，耐摩耗性を有する材料として一般的に多用される，ステライト材やコルモノイ材が挙げられる。ただし，ワーク７と硬化肉盛材料の熱膨張係数が大きく異なる場合には，ワーク７の予熱を行う必要がある。一方で気体は，硬化肉盛材料が溶融固化する段階で酸化しない材料であれば良く，アルゴンや窒素などが用いることが出来る。

図３は，本実施例で用いる円筒形状のワーク７を示す図であり，外径φが１００ｍｍ，内径φが５７．６ｍｍ，軸方向長さが５２ｍｍとなっている。ワーク７は，チャック本体１７によって把持されている。チャック本体１７は，チャック移動機構１６によって，Ｘ軸周り(ａ軸)とＺ軸周り(ｃ軸)に回転運動が可能となっている。なお本実施例では多軸マシニングセンタを採用しているので，円筒形状のワークに限らず，内壁面が多角形形状を有する様々な中空孔形状ワークを用いることができる。

図４は，本実施例の多軸マシニングセンタによる，中空孔内壁面への積層構造体の製造方法の流れを示すフローチャートである。まず，「ワーク予熱」工程３１では，図示しないマイコン付小型電気炉中で，４５０℃で２時間ワーク７の予熱を行い，ワーク７全体が均一に４５０°となるようにする。ただし，この熱処理条件は，硬化肉盛材料としてコルモノイを用い，ワーク７としてＳＵＳを用いた場合の条件であり，硬化肉盛材料とワークの組み合わせが異なる場合には，この限りではない。

次に，「第１肉盛層形成」工程３２で，中空孔内壁面の中間部に第１肉盛層を形成する。この工程では，前工程で予熱を行ったワーク７を，チャック本体１７に設置し，ａ軸（第１回転軸）のチャック移動機構１６によって，ワーク７の中空孔を鉛直軸に対してＸ軸周りに傾斜させる。このようにチャック移動機構１６がワーク７を傾斜させた状態で，ヘッド移動機構１５は，施工点がワーク中空孔の内壁面中央部（中空孔の一方の開口端と他方の開口端との中間位置）に合致するように，ヘッド本体１４を，鉛直軸に沿って（Ｚ方向へ）ワーク７に近づく向きに並進させる。その後，チャック移動機構１６は，ｃ軸（第２回転軸）によってワーク７をＺ軸周りに３５０ｍｍ／ｍｉｎで回転させながら，ヘッド本体１４は，硬化肉盛材料の粉末を９ｇ／ｍｉｎ，レーザーを２０００Ｗとして，施工点に向けて放出する。このとき，図７のＳ１に示すように，ヘッド本体１４は静止した状態となっている。その結果，ワーク中空孔の内壁面中央部には，図５に示すような第１肉盛層４１が施工される。この第１肉盛層４１は，その後の肉盛工程において，重力による肉垂れを防止する役割を果たすものであり，詳細は後述する。

そして，「第２肉盛層形成」工程３３で，中空孔内壁面の上半分に肉盛を行う。この工程では，図７のＳ２に示すように，ヘッド移動機構１５が，鉛直軸に沿ってワーク７から離れる向き（図６の矢印５１の鉛直上向き）にヘッド本体１４を移動させながら，チャック移動機構１６が，ｃ軸によってワーク７をＺ軸周りに３５０ｍｍ／ｍｉｎで回転させる。このとき，ヘッド本体１４からは，硬化肉盛材料の粉末を９ｇ／ｍｉｎで，レーザーを２０００Ｗで，施工点に向けて放出を継続する。すると施工点が，ワーク７の内壁面中央から一方の開口端に向かって１．５ｍｍピッチの螺旋状に移動し，ワーク中空孔の内壁面の上半分に金属積層構造体５２が形成されていく。そして，図７のＳ３のように施工点が端面に到達する直前に，レーザー肉盛装置２１は，硬化肉盛材料及びレーザーの放出を停止させ，ヘッド本体１４を機械原点に復帰させる。その後，チャック装置２２も，ｃ軸を原点復帰する。ここで，施工点が端面直上まで到達すると，内壁面だけでなく端面にも肉盛され，後工程である天地換え時に，ワーク７が適切に着座できず，施工点がズレる恐れがある。よって，あらかじめ所望の長手方向寸法よりも長いワーク７を用意し，肉盛を終えた後の仕上げ加工で余分な部分を取り除くことが好ましい。

次に，「天地換え」工程３４では，前工程でレーザー肉盛したワーク７を天地換えする。上半分の肉盛が終わってヘッド本体１４が原点復帰し，作業者による天地換えが必要になった場合には，マシニングセンタの図示しないドアが自動的に開くようになっている。なお，作業者に天地換えを促す方法としては，コントローラによって画面表示や音声によって知らせる等，様々な方法が考えられる。天地換えする際には，チャック本体１７による支持が解除されたワーク７を，作業者が，るつぼばさみ等で支持しながら上下反転させ，図７のＳ４のように，作業者がワーク７を再度チャック本体１７に設置する。

その後，「第３肉盛形成」工程３５で，中空孔内壁面の下半分に肉盛を行う。この工程でも，図７のＳ５のように，鉛直軸に沿ってワーク７から離れる向きに，ヘッド本体１４をヘッド移動機構１５が移動させながら，ワーク７をチャック移動機構１６がＺ軸周りに回転させつつ，ヘッド本体１４は，硬化肉盛材料の粉末（９ｇ／ｍｉｎ）とレーザー（２０００Ｗ）の放出を継続する。このときワーク７は，「第１肉盛形成」工程３２及び「第２肉盛形成」工程３３と同様にＸ軸周りに傾斜させた状態にある。すると施工点が，ワーク７の内壁面中央から他方の開口端に向かって，「第２肉盛形成」工程３３と同じ１．５ｍｍピッチの螺旋状に移動し，ワーク中空孔の内壁面の下半分に金属積層構造体５２が形成されていく。そして，図７のＳ６のように施工点が端面に到達する直前に，レーザー肉盛装置２１は，硬化肉盛材料及びレーザーの放出を停止させ，ヘッド本体１４を機械原点に復帰させる。その後，チャック装置２２も，ｃ軸を原点復帰する。

最後に，「仕上げ加工」工程３６で，ワーク７の端面及び内径の仕上げ加工を行う。このとき，ヘッド本体１４はマシニングセンタ内の元の場所に格納され，レーザー肉盛装置２１とは異なる加工装置（図示せず）が動作し，エンドミル等の切削工具を機械原点位置に待機させる。その後，チャック装置２２によってワーク７を支持した状態で，ワーク７の端面や内壁を切削加工し，所望の寸法精度に仕上げる。

本実施例による効果について説明する。本実施例では，ワーク７の一方の開口端と他方の開口端との間の所定位置において，環状の第１肉盛層４１を最初に形成するので，その後の第２肉盛層及び第３肉盛層を形成する際に，重力によって肉垂れして肉盛層が局所的に厚くなるのを抑制でき，中空孔の内壁面であっても均一に積層することが可能である。ここでの「環状」とは，無端状に循環していて途中に隙間がなく，肉垂れを堰き止められるものであれば，円形以外に楕円形や多角形であっても良い。

一方で，第２肉盛層及び第３肉盛層については，螺旋状に積層したので，肉盛層を均一にできる。仮に，第１肉盛層のような環状の積層を，軸方向に断続的に行って第２肉盛層及び第２肉盛層を積層した場合，積層の途切れる箇所が必然的に生じ，これらの箇所で積層が局所的に薄くなってしまうためである。

また，本実施例では，上述の第１肉盛層４１が，ワーク７の両開口端からの中間位置に形成されているので，第２肉盛層と第３肉盛層とが同一のパスで積層できて効率が良い。ただし，第１肉盛層４１は，一周で積層するのが望ましい。仮に，一部で２周以上すると，螺旋状の１パスで形成される第２肉盛層及び第３肉盛層と比べて厚くなってしまい，均一な積層が困難となるためである。

さらに，本実施例では，ワーク７を支持するチャック装置２２が，２つの回転軸を含む軸により移動可能であり，レーザー肉盛装置２１が，鉛直方向の直線軸を含む軸により以降可能である，多軸マシニングセンタを構成しているので，ヘッド本体１４がワーク７等と機械干渉することなく容易に制御できる。

また，本実施例では，レーザー肉盛装置２１の他に切削工具を有しているため，レーザー肉盛装置２１による肉盛から切削工具による仕上げ加工までを、一貫して同一のマシニングセンタ内で行え，手作業のプロセスが（天地換え等の一部の手作業を除き）省略できる。

１：レーザーノズル，２：金属粉末ノズル，３：レーザー，４：レーザー焦点，５：スポット部，６：空隙，７：ワーク，８：ヘッド本体と施工点との距離，９：ワーク表面，１０：レーザー発振機，１１：レーザー流通向き，１２：混合流体流通向き，１３：混合機，１４：ヘッド本体，４１：第１肉盛層，４２：肉盛時のc軸回転向きを示す矢印，４３：効果肉盛材料及びレーザーの放出イメージ，５１：ヘッド本体のＺ方向の移動向きを示す矢印，５２：螺旋状に積層された金属積層構造体。

Claims (6)

1. 粉末を吐出するとともにレーザーを照射して，ワークに肉盛層を積層する肉盛方法において，
   中空孔を有する前記ワークの一方の開口端と他方の開口端との間の所定位置で，中空孔内壁に環状の第１肉盛層を積層した後，
   前記中空孔を軸として前記ワークを回転させながら，前記粉末及び前記レーザーの放出位置を鉛直方向上向きへ移動させることで，前記中空孔内壁に前記所定位置から一方の開口端に向けて第２肉盛層を積層し，
   その後，前記中空孔を軸として前記ワークを回転させながら，前記粉末及び前記レーザーの放出位置を鉛直方向上向きへ移動させることで，前記中空孔内壁に前記所定位置から他方の開口端に向けて第３肉盛層を積層することを特徴とする肉盛方法。
2. 請求項１に記載の肉盛方法において，
   前記第２肉盛層及び前記第３肉盛層は，螺旋状に積層することを特徴とする肉盛方法。
3. 請求項１に記載の肉盛方法において，
   前記第２肉盛層と前記第３肉盛層とは，前記ワークを傾斜させた状態で，積層することを特徴とする肉盛方法。
4. 請求項１に記載の肉盛方法において，
   前記所定位置は、両前記開口端からの中間位置であって，
   前記第２肉盛層と前記第３肉盛層とは，同じピッチで積層することを特徴とする肉盛方法。
5. ワークを支持するチャック装置と，
   前記ワークに対して肉盛層を積層するレーザー肉盛装置と，
   前記チャック装置及び前記レーザー肉盛装置を制御するコントローラと，
   を備えたマシニングセンタにおいて，
   前記チャック装置は，２つの回転軸を含む軸により移動するものであり，
   前記レーザー肉盛装置は，鉛直方向の直線軸を含む軸により移動するものであり，
   前記チャック装置を第１回転軸周りに傾斜させた状態で，前記レーザー肉盛装置を前記直線軸に沿って前記ワークに近づく向きに並進させ，
   前記レーザー肉盛装置が静止した状態で，前記ワークの中空孔を第２回転軸として前記チャック装置を回転させつつ，前記レーザー肉盛装置から前記中空孔の内壁に粉末及びレーザーを放出した後，
   前記レーザー肉盛装置を前記直線軸に沿って前記ワークから離れる向きに並進させながら，前記第２回転軸を中心に前記チャック装置を回転させつつ，前記レーザー肉盛装置から前記中空孔内壁に粉末及びレーザーを放出することを特徴とするマシニングセンタ。
6. 請求項５において，
   前記マシニングセンタは，切削工具をさらに備え，
   前記レーザー肉盛装置によって前記ワークの中空孔内壁に肉盛した後，前記チャック装置によって前記ワークを支持した状態で，前記切削工具によって前記ワークを仕上げ加工することを特徴とするマシニングセンタ。

Images