JPH02192890A - レーザービームによって加工物に穿孔する方法および装置 - Google Patents

レーザービームによって加工物に穿孔する方法および装置

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JPH02192890A
JPH02192890A JP1266086A JP26608689A JPH02192890A JP H02192890 A JPH02192890 A JP H02192890A JP 1266086 A JP1266086 A JP 1266086A JP 26608689 A JP26608689 A JP 26608689A JP H02192890 A JPH02192890 A JP H02192890A
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lens
axis
hole
mirror
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アーサー、ジョージ、コーフ
David Stroud
デイビッド、ストロード
Jonathan P W Towill
ジョナサン、ポール、ウィリアム、トーウィル
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Rolls Royce PLC
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、加工物に成形孔を、とくにガスタービンエン
ジンのブレードまたはノズル案内ベーンにフィルム冷却
孔を穿孔する方法および装置に関する。
〔従来の技術〕
ガスタービンエンジンの熱力学的効率はタービンの運転
温度の上昇に伴って増大する。公知のフィルム冷却の技
術はタービンが、ブレードおよびノズルガイドベーンの
最高許容運転温度をこえる温度で（したがって高い熱効
率で）運転することを可能にしている。
フィルム冷却技術は下記の通りである。すなわち、ター
ビンブレードまたはノズルガイドベーンは断面中空で、
先端を通してかつ翼弦に沿って種種の位置に多数の孔を
備えている。冷空気はブレードまたはノズルガイドベー
ンの根元に押込まれ、冷却孔を通って排出した、ブレー
ドまたはノズルガイドの面に冷気の薄膜を形成する。こ
の冷気の薄膜はブレードまたはベーンの面を周囲のター
ビンガス温度よりいちじるしく低い温度に維持する。
したがって、ガスタービンはエンジン内のブレードまた
はベーンの溶巖温度より約２００６高い温度で運転する
ことができる。
円筒形フィルム冷却孔を穿孔する３つの基本的方法は下
記の通りである。すなわち、 放電加工（ＥＤＭ）は低電圧、大電流源を備えた電極を
使用して火花腐蝕によって加工物を切削する。直径０．
２ｍｌ１１より大きい孔を作ることができるが、切削速
度は遅く工具のコストはきわめて高価である。
毛管穿孔は同心のガラス製毛管によって囲まれた電極を
使用する。電解によって電極と毛管との間に環状間隙が
形成され、電極と加工物との間に電圧が加えられるとき
材料は加工物から除去される。直径０．２ｍ＋ｓ以上の
孔が製造可能であるが、切削速度は遅い。
ＥＤＭおよび毛管穿孔はいずれも加工物に電気を通すた
め、これらの方法は金属材料にしか可能でない。
レーザー加工はレーザー加工機械を使用し、高エネルギ
コヒーレント放射ビーム（レーザー光線）を加工物の表
面に焦点を合わせ、材料を蒸発させかつ排出する。通孔
は加工物上の点に静止レーザービームの焦点を合わせる
ことにより、またはくり抜きによって穿孔することがで
きる。くり抜きにおいては、レーザー光線の連続ビーム
が光学装置を通過し、ビームに通常約１秒で円筒形を描
かせる。したがって、ビームは孔を一度に穿孔するより
はむしろその端部の周囲で切開する。直径０゜２５龍以
上の孔をレーザーにより、前記２つの方法によって得ら
れるよりも一層速い速度で、穿孔することができる。非
金属材料も容易にレーザービームによって穿孔すること
ができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記円筒形冷却孔は下記の欠点を有する。すなわち、冷
却孔をタービンブレードの面からフィルムを分離する危
険なしに適当な空気流を生ずるように設けることは困難
で、ある種の冷却孔は詰まり易い。これら両方の効果は
冷却効率を低下する。
円筒形冷却孔の欠点は成形された出口を有する冷却孔を
設けることによって解決される。とくに、この型の孔は
冷却空気をスムーズに拡散して有効な境界層にするため
入口区域より大きい出口区域を有する。
第１図はタービンブレード１０の一部を通る断面図で、
円筒形人口１１および円錐形（断面扇型の）出口１２を
有する。扇型出口１２は冷却空気がスムーズに拡散して
有効な境界層とすることができる。孔の入口１１は孔を
通る流量を決定する。
タービンブレードの壁圧に誤差があるため、ブレードの
一側から他側まで完全に円錐形の孔の入口面積を正確に
決定することは不可能である。
冷却孔の出口部分が入口面積より大きい出口面積を有す
る適当な形状であるにしても、通常円錐または多数の円
錐の組合わせである。２つの適当な孔の形状が第２．３
図に示されている。第２図の孔は平坦な円錐形の（“２
−Ｄ”孔）出口１２を有し、第３図の孔は通常の（“３
−Ｄ”孔）である。
従来、上記成形出口孔を製造するのに利用しうる唯一の
技術は、ＥＤＭによっていた。
１つのＥＤＭ技術において、標準的円筒形電極は穿孔中
孔の底部に向かって減少する振幅で横方向に振動した。
明らかにこれは作業が遅い。
別の技術において、孔に必要な形状と同じ形状の電極が
使用された。電極は穿孔中立線的に加工物内に送られる
。この方法は作業が遅く、各成形電極は孔を穿孔した後
に廃棄しなければならなかった。ＥＤＭ技術のさらに別
の欠点は本質的にセラミック材料を穿孔し得ないことで
ある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の第１の特徴によれば、 （ａ）ビームを加工物に指向する工程、（ｂ）加工物に
衝突する角度を孔の軸線に対して制御する工程、および （ｃ）ビームが加工物の面と交差する点および孔の軸線
との距離を制御する工程 の各工程を含むレーザービームによって成形孔を加工物
に穿孔する方法が提供される。
好ましくは、本発明の方法はさらに、ビームの方向を孔
の軸線の周りに回転して、加工物本体内に頂点を有する
円錐の湾曲面の少なくとも一部を描かせることを含んで
いる。
本発明の第２の特徴によれば、 （ａ）ビームを加工物に指向する装置、（ｂ）ビームの
加工物に衝突する角度を孔の軸線に対して制御する装置
、 （ｃ）ビームと加工物の面との交点および孔の軸線との
距離を制御し、それにより角度調節装置と距離調節装置
の組合わせがレーザービームによって加工物に成形孔を
穿孔することを可能にする装置を含むレーザー線源から
放射するレーザービームによって加工物に成形孔を穿孔
する装置が提供される。
好ましくは、本発明装置はさらに、ビームの方向を孔の
軸線の周りに回転して加工物本体内に頂点を有する円錐
の湾曲面の少なくとも一部を描くように装置を備えてい
る。
〔実施例〕
以下本発明を例示として第４図ないし第９図に基づいて
説明する。
第４，５図には、加工物２２に成形孔を穿孔する本発明
の第１実施例装置２０が示されている。
装置２０は高エネルギコヒーレント放射ビーム（レーザ
ー光線）２６を発生する線源２４、加工物にビームを指
向するように設けられた凸レンズ２８を有し、レンズの
光軸は線源を出るときのビームと整合し、また装置２０
は線源とレンズとの間の光路内に、１組のミラー３０，
３２，３４゜３６を有し、ミラーはビームを光軸から偏
心しかつそれに平行にレンズ上に指向する。保護カバー
・スライド３８がレンズ２８と加工物２２との間に設け
られ、加工物がレーザーによって穿孔されるとき加工物
から発生する蒸気または燃焼物質からレンズを保護する
。レンズ２８と加工物２２との距離は（図示しない）モ
ータ装置によって制御される。加工物２２は横方向に設
置され、穿孔される孔の軸線はほり線源２４から出ると
きのレーザービームと整合する。
ミラー３０，３２．３４は相対的に固定され、レーザー
ビーム２６をレンズ２８の光軸に対して９０°の角度回
転するように、またビームがミラー３６に衝突するよう
に光軸に向かって進むように配置されている。ミラー３
６はモータ装置４０によってミラー３４に対して前後に
移動しうるようにレンズ２８の光軸に直角方向に配置さ
れ、かつビーム２６をレンズ上に光軸に平行な方向に指
向するようにレンズの光軸に対して傾斜している。
レンズ２８を通過するときビーム２６は加工物２２に指
向され、レーザービームのエネルギは加工物の材料を焼
却または蒸発させる。
レンズ２８の光軸に直角な方向に沿うミラーの第２の位
置は点線３６１で示され、ミラー位置３６１からレンズ
を通って加工物２２に達するレーザービームの通路は破
線で示されている。このミラー３６の第２位置は、ミラ
ー３６をレンズの光軸に直角な平面内で移動するように
作動モータによって実現される。第２位置３６１におい
て、ミラーはレーザービームをレンズ上の異なった位置
に指向しくただしレンズの光軸に依然として平行である
）、ビームはレンズによって変向される加工物に異なっ
た角度および孔から異なった距離で衝突する。第２位置
３６１はモータ４０の制御によって決定される無数の位
置の１つである。
第５図に示すように、逆“Ｌ”字型断面のアルミニウム
基板４２が設けられ、基板４２はその上部水平面に軸受
４４を支持している。軸受４４はレーザー線源２４から
放射するビーム２６と同軸で、かつレーザー線源に（図
示しない）ブラケットによってクランプされている。“
Ｌ”の内側垂直面４８にはミラー３０〜３６およびミラ
ー３６の横方向運動を制御するモータ４０が取付けられ
ている。基板４２は線源２４から放射するレーザービー
ム２６の周りに軸受４４によって回転可能である。回転
は（図示しない）モータによって制御される。
ミラー３６は制御された態様で穿孔される孔の軸線の周
りに、かつモータ４０によって決定される軸線からある
距離において軌道運動可能である。
従ってレーザービーム２６は孔の軸線の周りに回転可能
で、少なくとも想像円錐の湾曲面の一部を描き、その頂
点は加工物２２の面上にあるかまたは内部にあり、加工
物に一定の角度の円錐孔を穿孔する。
したがって、（ａ）レンズの光軸からミラー３６の横方
向オフセット、従ってレーザービームが加工物にあたる
角度、（ｂ）レンズと加工物との距離、従って穿孔され
る孔の深さ、および（ｃ）ミラー３６が孔の周りで軌道
運動する角度を制御することによって、加工物に制御可
能な角度および大きさの円錐孔を穿孔することができる
。ミラー３６を３６０°軌道運動することにより完全な
くり抜き運動が実施される。
レンズ２８と加工物２２との距離はレンズまたは加工物
を共通の軸線に沿って移動することにより調節される。
ミラー３６が孔の軸線の周りに軌道運動しないときは、
望むならば“２−Ｄ”円錐孔が得られる。
円錐孔が穿孔された後、その頂点に穿孔して第２．３図
に示すように孔を得ることができる。ミラー３０〜３６
およびモータによりレーザービームをさらに制御すると
、第９図に示すような人口円錐に対向する出口円錐を有
する孔が得られる。
本発明の第４，５図の（図示しない）変型においては、
レンズをＸ−Ｙ平面において孔の軸線に対して横方向に
移動し、一方ミラー３６をミラー３０〜３４に対して固
定したま＼とし、直接に線源から放射するビームと整合
させることが好ましい。また、この変型において、ミラ
ーを廃止してビームを線源から直接レンズ上に指向する
ことも可能である。こうして円筒形くり抜きを実施する
ことができる。
本発明の説明を通じて“ミラー”なる用語は反射面ばか
りでなく反射面として作用するように構成されたプリズ
ムをも含んでいる。また“凸レンズは二重の凸面ばかり
でなく、平凸形および他の形状のレンズ、またはレンズ
形状の組合わせをも含み、それらはすべて凸面効果を奏
する。レンズは歪像型とすることもでき、また一定数の
プリズム要素から構成することもできる。レンズは非点
収差および球面収差を最少にするように構成される。
第６図の実施例は、レーザービーム２６が凸レンズ６０
を通過し、凸レンズ６０に対してレンズ光軸上に第１プ
リズム６２が固定されている。プリズム６２はビームを
レンズ光軸（Ｚ軸）の横力向に設けられた第２プリズム
６４に反射する。第２プリズム６４はＸ軸に沿って並進
しく光軸に向かって）円錐の深さを変化するように、か
つ（円錐角を変化するため）Ｙ軸の周りに回転するよう
に配置され、−万両プリズム６２．６４はＺ軸の周りに
回転するように組合わされくり抜き運動を行う。ビーム
は保護カバースライド６６を通過し加工物２２に達する
。
第７図の実施例は凸レンズ７０、中空円筒形ミラー７６
およびプリズム７２を有する。円筒形ミラー７６は反射
面が内側にあってレンズ７０の光軸（Ｚ軸）と共軸であ
り、レンズ７０はレーザー線源２４とミラーとの間に設
けられている。プリズム７２は円筒形ミラー７６の光軸
（すなわちＺ軸）上に設けられている。作用において、
レーザー線源２４から放射されたレーザービーム２６は
、レンズ７０を通り円筒形ミラー７６のＺ軸に沿ってプ
リズム７２に達する。プリズム７２はビーム２６を円筒
形ミラー７６の内側反射面に指向し、そこからＺ軸に対
して角度をなして保護カバースライド７４を通り加工物
２２に達する。プリズム７２はＺ軸の周りに回転してく
り抜き運動し、Ｙ軸の周りに回転して入射角度を変化し
、またＺ軸に沿って並進して円錐深さを変化することが
できる。
第８図の実施例はレーザービーム２６が凸レンズ８０を
通ってプリズム８２に達し、プリズム８２はビームを第
２プリズム８４に向かって９０６変向する装置を示して
いる。第２プリズム８４はＸ軸に沿って並進し、かつ限
定された瓜（約２０＠）それ自体のＸ、Ｙ軸の周りに回
転することができる。プリズム８２．８４はレンズのＺ
軸の周りに限定されたｆｆ１（約２０’）回転するよう
に組合わされている。ビームはプリズム８４からカバー
スライド８６を通って加工物２２に達する。孔およびレ
ンズ８０の軸線は平行であるが一致はしていない。
第６．７．８図の実施例は特殊な場合に有用で、それら
は第４，５図の実施例のように一般的用途をもつことを
困難にするそれぞれの欠点を有する。
〔発明の効果〕
本発明は、レーザービームを加工物に指向すること、加
工物に衝突する角度を孔の軸線に対して制御すること、
およびビームが加工物の面および孔の軸線と交差する点
の距離を制御することにより、きわめて小さい公差で、
金属、およびガスタービン部品の製造に使用されるよう
な耐熱材料に成形孔を、高エネルギレーザービームを使
用して、経済的かつ迅速に、穿孔することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はタービンブレードを通る断面図、第２図および
第３図は成形された孔の斜視図、第４図は、レーザーに
より加工物に成形された孔を穿孔する、レンズを含む装
置の第１実施例の路線図、 第５図は第４図の装置の、レンズおよび加工物を除く、
各要素の配置の線図間と斜視図、第６日ないし第８図は
レーザー装置により加工物に成形された孔を穿孔する装
置の、それぞれ、第２台３および第４実施例の路線図、 第９図は本発明により加工物に穿孔された“二重円錐孔
″を示す図である。 ２０・・・穿孔装置、２２・・・加工物、２４・・・線
源、２６・・・ビーム、２８・・・レンズ、３０，３２
，３４゜３６・・・ミラー、３８・・・保護カバースラ
イド、４０・・・モータ、４２・・・基板、４４・・・
軸受、６０・・・レンズ、６２．６４・・・プリズム、
６６・・・保護カバースライド、７０・・・レンズ、７
２・・・プリズム、７４・・・保護カバースライド、７
６・・・円筒形ミラー、８０・・・レンズ、８２．８４
・・・プリズム、８６・・・保護カバースライド 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 図面の浮び（内容に変更なし） Ｆｔ’ｇ、４゜

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）ビームを加工物に指向する工程、（ｂ）加工
    物に衝突する角度を孔の軸線に対して制御する工程、お
    よび （ｃ）ビームが加工物の面と交差する点および孔の軸線
    との距離を制御する工程 を含むレーザービームによつて加工物に穿孔する方法。 ２、孔の軸線の周りにビームの方向を回転して加工物本
    体内に頂点を有する円錐の湾曲面の少なくとも一部を描
    かせることをさらに含む、請求項１記載の方法。 ３、ビームを凸レンズを通りレンズの光軸に対して直線
    的にオフセットして通過させることにより加工物の面に
    衝突する角度を制御する工程、およびオフセット量を制
    御する工程を含む、請求項１または２記載の方法。 ４、ビームと加工物の面との交点および孔の軸線との距
    離をレンズと加工物の距離を制御することによつて制御
    する工程を含む、請求項３記載の方法。 ５、まずビームをミラーに指向しついでレンズを通す工
    程、およびレンズの軸線に直角な相対的平行運動により
    レンズとミラーとのオフセット量を制御する工程を含む
    、請求項３記載の方法。 ６、前記相対的平行運動をレンズの軸線に直角な平面に
    おけるミラーの制御された移動によつて実施する工程を
    含む、請求項５記載の方法。 ７、前記相対的平行運動をレンズの軸線に直角な平面に
    おけるレンズの制御された移動によつて実施する工程を
    含む、請求項５記載の方法。 ８、レンズと加工物の距離を制御することによりレンズ
    を使用してビームの焦点を加工物上に合わせる工程を含
    む、請求項３記載の方法。 ９、（ａ）ビームを加工物に指向する装置、（ｂ）ビー
    ムが加工物に衝突する角度を孔 の軸線に対して制御する装置、 （ｃ）ビームと加工物の面との交点および 孔の軸線との距離を制御し、それにより角度調節装置と
    距離調節装置の組合わせがレーザービームによつて加工
    物に成形孔を穿孔することを可能にする装置を含むレー
    ザー線源から放射するレーザービームによつて加工物に
    成形孔を穿孔する装置。 １０、ビームの方向を孔の軸線の周りに回転し加工物本
    体上または内部に頂点を有する円錐の湾曲面の少なくと
    も一部を描かせる装置をさらに有する、請求項９記載の
    装置。 １１、ビームが加工物に衝突する角度を孔の軸線に対し
    て制御する装置およびビームと加工物の面との交点およ
    び孔の軸線との距離を制御する装置は、 （ａ）ビームを加工物に指向する装置でもある凸レンズ
    、 （ｂ）ビームをレンズ光軸に平行に指向する装置、 （ｃ）レンズ光軸に直角な平面内のビームがレンズに衝
    突する点とレンズ軸線とを横方向に変位しそれによりビ
    ームが加工物に前記横方向変位によつて決定された角度
    で指向される装置により形成される請求項９または１０
    記載の装置。 １２、ビームをレンズ上に指向する装置は第１ミラー装
    置である、請求項１１記載の装置。 １３、線源から放射されたレーザービームはレンズ光軸
    とほゞ同軸で、線源から第１ミラーまでの光路を成形す
    るように配置された第２ミラーが設けられ、前記第２ミ
    ラー装置は線源から放射されるビームに対して固定され
    ている、請求項１２記載の装置。 １４、第２ミラー装置は前記光軸に直角な方向にビーム
    を指向するように配置された、請求項１３記載の装置。 １５、装置は相対的に固定された３つのミラーを有する
    、請求項１４記載の装置。 １６、相対的直線変位を実施する装置は第１ミラー装置
    を前記平面内で移動するように設けられたモータである
    、請求項１１記載の装置。 １７、相対的直線変位を実施する装置は第１ミラー装置
    の運動にかかわりなくレンズ装置を前記平面内で移動す
    るように設けられたモータである、請求項１１記載の装
    置。 １８、第１ミラー装置はレンズ軸線の周りに制御された
    軌道運動するように配置された、とくに請求項１０記載
    の、請求項１１記載の装置。 １９、モータ装置は第１ミラー装置をレンズ軸線の周り
    に軌道運動させうるように設けられた、請求項１８記載
    の装置。
JP1266086A 1988-10-12 1989-10-12 レーザービームによって加工物に穿孔する方法および装置 Pending JPH02192890A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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GB8823874A GB2227965B (en) 1988-10-12 1988-10-12 Apparatus for drilling a shaped hole in a workpiece
GB8823874.6 1988-10-12

Publications (1)

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JPH02192890A true JPH02192890A (ja) 1990-07-30

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ID=10645065

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JP1266086A Pending JPH02192890A (ja) 1988-10-12 1989-10-12 レーザービームによって加工物に穿孔する方法および装置

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EP (1) EP0365195B1 (ja)
JP (1) JPH02192890A (ja)
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FR (1) FR2637524B1 (ja)
GB (1) GB2227965B (ja)

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JPH08503176A (ja) * 1992-11-12 1996-04-09 ケトーネン，ラウリ，カレルボ 伐木装置の切断フランジ内のカラーマーキング装置
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