KR970010888B1 - 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 가공 장치 Download PDF

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KR970010888B1
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cutting
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standoff
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요시노리 나까따
아쯔시 모리
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화낙 가부시끼가이샤
이나바 세이우에몬
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Abstract

내용없음.

Description

[발명의 명칭]
레이저 가공 장치
[도면의 간단한 설명]
제 1 도는 절단 홈 폭의 변화 상태를 도시하는 도면이고,
제 2 도는 본 발명의 레이저 가공 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이며,
제 3 도는 본 발명에 관련된 절단 가공의 수순을 도시하는 도면이고
제 4 도는 본 발명에 관련된 절단 가공을 실행하기 위한 플로우챠트이며,
제 5 도는 가공 조건을 도시하는 도면이다.
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 워크피스(workpiece:공작물)에 레이저 빔을 조사(照射)하여 절단 가공을 행하는 레이저 가공장치에 관한 것으로, 특히 워크피스의 재질이 알루미늄, 황동, 스테인레스강 및 이들의 합금으로서, 어시스트 가스(assist gas)로서 산소 이외의 불활성 가스나 공기를 사용하여 절단 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
최근, 레이저 가공 장치는 금속의 절단 가공을 중심으로 폭넓게 이용되고 있다. 그런데, 금속이 알루미늄, 황동, 스테인레스강 등의 비철금속인 경우, 그 절단가공은 절단 가공 개시점에 있어서의 구멍뚫기 가공(piercing)시와 그 이후의 절단 가공시에서, 가공 조건을 변화시킨다. 예를 들면, 구멍뚫기 가공시의 어시스트 가스로서는 산소 가스를 사용하고, 절단 가공시의 어시스트 가스에는 질소 가스 등의 불활성 가스를 사용한다.
그러나, 이들의 비철금속은 하기의 이유에서 매우 절단 가공하기 힘든 재질로 되어 있다.
(1) 탄산 가스 래이저 광의 파장 10.6μm에 대하여 높은 반사율을 갖기 때문에, 절단 가공 개시점에 있어서의 구멍뚫기 가공이 곤란하다.
(2) 절단 가공시에 절단홈의 하단에 발생하는 드로스(dross;용융 금속의 덩어리)의 량이 많아, 간단하게 제거되지 않는다.
(3) 절단 가공시의 어시스트 가스로서 불활성 가스나 공기를 이용하기 때문에 절단홈 폭이 작아져 버린다.
이 때문에, 알루미늄 등 비철금속의 절단 가공을 효율좋고 안정하게 행할 수 없어, 절단불량의 발생 빈도가 높아지는 문제점을 갖고 있었다. 예를 들면, 출력 3.0KW의 탄산 가스 레이저를 이용하여 절단 가공한 경우, 어떠한 재질에 관해서도 안정하게 가공할 수 있는 것은 판 두께 5mm 정도가 한계였다.
상기의 절단 불량은 가공 개시점에 있어서의 구멍뚫기 가공으로부터 절단가공으로 이행(移行)할때, 특히 많이 발생하고, 그 경향은 판 두께가 두꺼우면 두꺼울수록 현저히 나타난다, 원인으로서는, 주로 절단 가공시에 있어서의 어시스트 가스가 불활성 가스나 공기이기 때문에 절단홈 폭이 작고, 그 영향은 구멍 뚫기 가공으로부터 절단 가공을 이행할 때에 크게 나타나기 때문이라고 생각할 수 있다.
한편, 가공 개시점의 구멍 뚫기 기공을 행하지 않고, 워크피스 단부의 외측으로부터 직접 절단 가공을 개시한 경우에는, 항상 안정하여, 보다 두꺼운 판 두께까지 절단 가공이 가능한 것을 경험적으로 알고 있다.
[발명의 개시]
본 발명은 이와같은 점에 비추어 이루어진 것으로, 알루미늄 등의 비철금속의 절단 가공을 효율이 좋고 안정하게 행함과 동시에, 두꺼운 판두께까지 절단 가공을 행할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여, 워크피스에 레이저 빔을 조사하여 절단가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 절단 가공의 개시점에 있어서의 구멍뚫기 가공을 제1의 가공 조건으로 행하는 구멍뚫기 가공 지령 수단과, 상기 구멍뚫기 가공을 행한 직후에 있어서의 절단 홈 폭의 확대 처리 가공을 제2의 가공 조건으로 행하는 확대 처리 가공 지령 수단과, 상기 절단홈 폭의 확대 처리 가공 완료 후의 절단 가공을 제3의 가공 조건으로 행하는 절단 가공 지령 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 창치가 제공된다.
구멍뚫기 가공 지령 수단은 가공의 개시점에 있어서의 구멍뚫기 가공을 제 1 의 가공 조건으로 행한다. 확대 처리 가공 지령 수단은 그 구멍뚫기 가공을 행한 직후에 있어서의 절단 홈 폭의 확대 처리가공을 제 2의 가공 조건으로 한다. 절단 가공 지령 수단은 절단 홈 폭의 확대 처리 가공 완료 후의 절단 가공을 제 3의 가공 조건으로 행한다.
즉, 가공 개시점에서의 구멍뚫기 가공을 한 직후에, 절단 홈 폭을 확대하는 확대 처리 가공을 행하고, 그확대 처리 가공 완료 후에 절단 가공을 행한다. 이 때문에, 절단 가공은 실질적으로 워크피스 단부의 외측으로부터 직접 절단 가공을 개시하는 것과 동일한 상태에서 행하여진다. 따라서, 절단 가공을 효율좋게 안정하게 행할 수가 있고, 또, 두꺼운 판두께까지 절단 가공을 행할 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 본 발명의 레이저 가공 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 레이저 가공 장치는 CNC(수치 제어 장치)(1) 및 가공기 본체(2)레이저 가공 장치 구성된다. CNC(1)는 프로세서를 중심으로 구성되고, 가공 본체(2)에 구멍뚫기 가공, 확대 처리 가공 및 절단 가공을 지령하여 가공기 본체(2)의 동작을 제어한다. 그 상세는 후술한다.
가공기 본체(2)에서는, CNC(1)로부터의 지령에 따라서 레이저 발진기(도시하지 않음)로부터 레이저 빔(20)이 출사된다. 그 레이저 빔(20)은 가공 헤드(2l)을 경유하여 가공 노즐(22)로부터 워크피스(30)로 조사된다. 한편, 가스 봄베(bomb)(도시하지 않음)로부터의 어시스트 가스(23)가 가스 도입구(24)를 경유하여 가공헤드(21)내에 도입되고, 다시 가공 노즐(22)로부터 워크피스(30)에 공급된다. 워크피스(30)의 표면에서는 레이저 빔(20) 및 어시스트 가스(23)에 의하여 열적, 화학적 반응이 이러한 워크피스(30)의 절단 가공이 달성된다. 여기에서, 워크 피스(30)는 비철금속(예를 들면, 알루미늄, 황동, 스테인레스강, 이들의 합금)이다.
제 3 도는 본 발명에 관련되는 절단 가공의 수순을 도시하는 도면이다. 워크피스(30)에 절단가공을 실시하기 위하여, 우선 가공 개시점인 A점에서 구멍 뚫기 가공이 행하여지고, 다음에, A점∼B점 사이에서 확대처리 가공이 행하여진다. 이 A점 및 A점∼B점 사이에서의 스탠드오프(L)[가공노즐(22) 선단으로부터 워크피스(30) 표면까지의 거리는 비교적 큰 거리(Ll)(예를 들면 2mm)로 유지된다. B점에서 스탠드오프(L)은 가능한한 작은 거리(L2)(예를 들면 0.5mm)로 변경되고, 그 스탠드오프(L2)를 유지한 상태에서 절단 가공이 개시된다. 상기의 A에서의 구멍뚫기 가공은 가공 조건 A로 행하고, A점∼B점 간에서의 확대 처리 가공은 가공 조건 B 로 행하여, B점 이후의 절단 가공은 가공 조건 C로 행하게 된다. 이 가공 조건 A,B,C에 대한 상세는 후술한다.
제 1 도는 절단홈 폭의 변화 상태를 도시하는 도면이다. 제 1 도에 있어서, 절단 홈(300)은 워크피스(30)을 위에서 보았을 때의 가공 홈이다. A점에서는 가공 조건 A하에서 구멍뚫기 가공이 행해져서 원호 부분(arc-shaped portion:31)이 형성된다. 이 구멍 뚫기 가공이 완료되면, 가공 조건이 가공 조건 B로 전환되어 확대 처리 가공이 행하여진다. 그 결과, 원호(31)를 그대로 연장한 형태로 확대 절단 홈(32)이 형성된다. B점에 있어서, 확대 처리 가공이 완료되면, 상술한 바와 같이 스탠드오프(L)가 가능한 한 작은 거리(L2)로 설정됨과 동시에, 가공 조건이 가공 조건 C로 전환되고 절단 가공이 개시된다. 그때의 절단 홈(33)은 확대처리 홈(32)으로부터 감축(減縮)되어, 일정 폭으로 유지된다.
제 4 도는 본 발명에 관련되는 절단 가공을 실행하기 위한 플로우챠트이다. 제 4 도에 있어서, S에 붙는 숫자는 스템 번호를 나타낸다.
[S] A점에서 구멍뚫기 가공을 행한다. 이 구멍뚫기 가공은 사전에 메모리(11)에 저장된 가공 조건 A로 행하게 된다.
[S] A 점에서의 구멍뚫기 가공을 완료한다. 이 구멍뚫기 가공 완료는 가공 조건 A내에서 설정된 시간을 카운트하여 검출한다. 또는, A점에서 반사 광량을 검출하는 센서를 설치하고, 그 센서를 사용하여 취득한 구멍뚫기 가공 완료 신호에 의하여 검출한다.
[S] A점에서 가공 조건 A를 가공 조건 B로 변경한다. 또, 가공 조건 B는 상기의 가공 조건 A와 마찬가지로 메모리(11)에 미리 저장되어 있다.
[S] A점으로부터 B점까지 이동하면서, 가공 조건 B에 따라서 확대 처리 가공을 행한다.
[S] B점에서 확대 처리 가공을 완료하고, 가공 조건 B를 가공 조건 C로 변경한다. 또, 가공 조건 C는상기 가공 조건 A,B와 마찬가지로 메모리(11)에 미리 저장되어 있다.
[S] B점에서 C점까지 이동하면서 가공 조건 C에 따라서 절단 가공을 행한다.
제 5 도는 가공 조건을 도시하는 도면이다. 제 5 도에 있어서, 가공 조건 A,B 및 C는, 워크피스(30)의 재질별, 또 그 판 두께별에 설정된다. 가공 조건 A의 각 항목은 레이저 출력 지령치인 피크 출력(S), 주파수(P)및 튜티비(Q), 스탠드오프(L), 어시스트 가스 가스 압력(GP), 어시스트 가스 종류(GA), 및 구멍뚫기 설정시간(R)이다. 가공 조건 B의 각 항목은 피크 출력(S), 주파수(P) 및 듀티브(Q), 스탠드오프(D, 어시스트 가스압력(GP), 어시스트 가스 종류(GA), 절단 가공 속도, 및 확대 처리 가공 계속 거리 또는 계속 시간(H)이다. 가공 조건 C의 각 항목은 피크 출력(S), 주파수(P) 및 듀티비(Q), 스탠드오프(L), 어시스트 가스 압력(GP), 어시스트 가스 종류(GA), 및 절단 가공 속도(F)이다.
여기에서, 각 항목 중 스탠드오프(L), 어시스트 가스 압력(GP) 및 어시스트 가스 종류(GA)에 착안하여 설명한다. 구멍뚫기 가공시 및 확대 처리 가공시의 스탠드오프(L)[가공 조건 A 및 B에 있어서의 스탠드오프(L)]는 상술한 바와 같이, 비교적 큰 거리(2mm)로 설정된다. 또, 어시스트 가스(23)로는 산소가 사용되고,그 압력 압력(GP)은 낮게(2kg/cm2) 설정된다. 이와같이, 구멍뚫기 가공 및 확대 처리 가공에는 산소 가스를 사용하기 때문에, 그 산화 작용에 의하여 워크피크(30)는 간단하게 녹고, 그 결과 구멍뚫기 및 그 확대 처리를 용이하게 행할 수 있다. 또, 스탠드오프(L)를 크게 하였기 때문에, 반사광이나 스퍼터(비산 용융 금속)가 가공노즐(22)로부터 가공 헤드(21) 내에 들어가는 것을 방지할 수 있어, 가공 헤드(21)내의 집광 렌즈를 보호할 수 있다.
한편, 절단 가공시의 스탠드오프(L)[가공 조건. C에 있어서의 스탠드오프(L)]는 가공한 한 작은 거리(0.5mm)로 설정된다. 또, 어시스트 가스(23)에는 질소 등의 불활성 가스 또는 공기가 사용되고, 그 가로 압력(GP)은 높게(6.0∼9.9kg/cm2) 설정된다. 이와같이, 어시스트 가스의 압력(GP)을 높게 설정함과 동시에 스탠드오프(L)를 가능한 한 작게 하였기 때문에, 충분한 량과 압력의 어시스트 가스가 워크피스(30)의 절단홈(33)에 공급된다. 이때문에, 절단 가공시에 절단 홈(33)에 발생하는 드로스(dross)는 어시스트 가스(23)에 의하여 비산(飛散)한다. 따라서, 절단면의 가공 품질은 대폭 향상한다. 이 어시스트 가스에 의한 드로스 비산효과 어시스트 가스의 압력[GP)을 높게 함과 동시에, 스탠드오프(L)을 작게함으로써 보다 한층 현저히 나타난다.
이상 설명한 바와 같이, 알루미늄등의 비철금속에 절단 가공을 실시할때에, 가공 개시점(A점)에서의 구멍뚫기 가공을 행한 후에, 즉시 절단 가공으로 이행하는 것이 아니고, 일단 절단홈 폭을 확대하는 확대 처리 가공을 행하고, 그 확대 처리 가공 완료후에 절단 가공을 행하도록 하였다. 이 때문에, 절단 가공은 실질적으로 워크피스 단부의 외측으로부터 직접 절단 가공을 개시하는 것과 똑같은 상태로 행하여지게 된다. 또, 그 절단 가공시에는 어시스트 가스의 압력(GP)를 높게 설정함과 동시에, 스탠드오프(L)을 작게 설정하였기 때문에, 어시스트 가스에 의하여 드로스 비산 효과가 한층 현저하게 나타난다. 따라서, 절단 가공을 효율좋고 안정하게 행할 수 있다.
그 결과, 구멍뚫기 가공으로붙 절단가공까지 문제없이 행할 수 있는 워크피스(30)의 판 두께로서, 절단가공 속도(F)를 250mm/min으로 한 경우, 알루미늄은 10mm, 황동은 8mm, 스데인레스강은 8mm로 된다. 이와같이 종래의 한계판 두께 5mm를 대표적으로 초과하여 절단 가공을 안정하게 행할 수가 있게 되었다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 알루미늄 등의 비첨금속에 절단 가공을 행할 때에, 가공 개시점에서의 구멍뚫기 가공을 행한 직후에, 절단 홈 폭을 확대하는 확대 처리 가공을 행하고, 그 확대 처리 가공완료 후에 절단 가공을 행하도록 하였다. 이 때문에, 절단 가공은 실질적으로 워크피스 단부의 외측으로부터 직접 절단 가공을 개시하는 것과 똑같은 상태로 행하여지게 된다. 따라서, 절단 가공을 효율좋고 안정하게 행할 수 있고 또, 두꺼운 판 두께까지 절단 가공을 행할 수 있다.

Claims (6)

  1. 워크피스에 레이저빔을 조사하여 절단 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 절단 가공의 개시점에 있어서의 구멍뚫기 가공을 제1의 가공 조건으로 행하는 구멍뚫기 가공 지령 수단과, 상기 구멍뚫기 가공을 행한 직후에 있어서의 절단홈 폭의 확대 처리 가공을 제2의 가공 조건으로 행하는 확대 처리 가공 지령 수단과, 상기 절단 홈 폭의 확대 처리 가공 완료 후의 절단 가공을 제3의 가공 조건으로 행하는 절단 가공 지령 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1의 가공 조건은 상기 레이저 빔의 출력 지령치, 스탠드오프(가공 노즐 선단으로부터 상기 워크피스 표면까지의 거리), 어시스트 가스의 종류 및 압력, 및 설정시간인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2의 가공 조건은 상기 레이저 빔의 출력 지령치, 스탠드오프, 어시스트 가스의 종류 및 압력, 절단 가공 속도, 및 상기 가공 조건을 상기 제2의 가공 조건에서 상기 제3의 가공 조건으로 변경하는 위치 또는 설정 시간인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제3의 가공 조건은 상기 레이저 빔의 출력 지령치, 스탠드오프, 어시스트 가스의 종류 및 압력, 및 절단 가공 속도인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제3의 가공 조건에 있어서의 스탠드오프는 상기 제1의 제2의 가공 조건에 있어서의 스탠드오프값에 비해서 작은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 가공 조건에 있어서의 어시스트 가스는 산소이며, 상기 제3의 가공 조건에 있어서의 어시스트 가스는 불활성 가스 또는 공기인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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