WO2021246247A1 - 金属製品の再加工方法 - Google Patents

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WO2021246247A1
WO2021246247A1 PCT/JP2021/019871 JP2021019871W WO2021246247A1 WO 2021246247 A1 WO2021246247 A1 WO 2021246247A1 JP 2021019871 W JP2021019871 W JP 2021019871W WO 2021246247 A1 WO2021246247 A1 WO 2021246247A1
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WO
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metal
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reworking
welding
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龍彦 栗谷
陽子 廣野
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Dmg森精機株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a method for reworking metal products using machine tools.
  • Patent Document 1 describes a head having an irradiation unit that irradiates an irradiation region with laser light and a supply unit that supplies metal powder to the irradiation region, and a moving mechanism that relatively moves the head and a workpiece.
  • This is a method of forming a modeled object on the surface of the workpiece by using a laser laminated molding apparatus equipped with the above, and the head is attached to the workpiece while irradiating the workpiece with laser light and supplying the metal powder.
  • the laminating and remelting process including the remelting step of moving the head with respect to the workpiece and irradiating the surface of the laminated piece with laser light to remelt it in a state where the process is not performed is performed at least once.
  • metal parts off-the-shelf products
  • large metal parts such as rocket nozzles and turbine blades are not disposable, but are reworked or repaired multiple times before use.
  • a machine tool when reworking a metal part that has already been machined into a shape having a predetermined function with a machine tool, it may be difficult to support the metal part with a predetermined support portion provided in the machine tool.
  • a machine tool is provided with a support portion having a chuck mechanism for fixing a workpiece. With such a support portion, it may not be possible to chuck a metal part that has already been processed into a shape having a predetermined function, and it may be difficult to stably fix the metal part.
  • One aspect of the present invention is a method of reworking a metal product, which is a welding step of welding a dummy member to the metal product, the metal product is supported by a first support portion, and the dummy member is a second.
  • a method for reprocessing a metal product which comprises a reprocessing step of reprocessing the metal product while being supported by a support portion, and a removal step of removing the dummy member from the metal product after the reprocessing step.
  • the method for reworking the metal product according to the present embodiment is as follows: (i) a welding step of welding a dummy member to the metal product, (ii) the metal product is supported by the first support portion, and the dummy member is second supported. It has a reworking step of reworking a metal product while being supported by a portion, and (iii) a removing step of removing a dummy member from the metal product after the reworking step.
  • support is a concept including fixing, holding, etc., and broadly means to suppress movements such as vibration, rocking, and chattering of the metal product in contact with the metal product (or dummy member). ..
  • the "metal product” may be an off-the-shelf product such as a metal part made of at least a part of metal.
  • An off-the-shelf product is a structure processed into a shape having a predetermined function. That is, in the reworking method according to the present embodiment, the metal product to be reworked already has a predetermined function before welding the dummy member. However, it is a metal product that requires reprocessing (or repair).
  • the metal product may be a structure in which a dummy member is already connected to the ready-made product by welding. That is, in the method according to the present embodiment, the metal product to be reprocessed is a combination of a structure already processed into a shape having a predetermined function and another dummy member before welding the dummy member. May be. In this case, at least two dummy members are connected to the metal product at the time of reprocessing by welding.
  • metal products include, but are not limited to, relatively large metal products used in the aviation industry such as rocket nozzles and turbine blades, the space industry, and the energy industry. Relatively large metal products often have a shape that is difficult to firmly support or fix with a support portion normally provided by a machine tool.
  • the material of the metal product may be, for example, at least one selected from the group consisting of titanium-based alloys, cobalt-based alloys and nickel-based alloys, but is not limited thereto.
  • the work When processing a work before it becomes a metal product (that is, a raw material for a metal product), the work is formed into a shape that can be easily supported by the support portion provided in the machine tool.
  • the support portion provided in the machine tool includes, for example, a chuck mechanism provided in the spindle, a work support, a steady rest, a tailstock, and the like.
  • a metal product that has already been processed into a shape having a predetermined function may be difficult to support with such a support portion.
  • the support portion by pre-welding a dummy member having a shape that can be easily supported by the support portion to the metal product, it is possible to facilitate the support of the metal product by the support portion.
  • the support portion For example, by supporting the metal product with the first support portion and supporting the dummy member welded to the metal product with the second support portion, it becomes possible to reprocess the metal product in a firmly fixed state. .. Since the dummy member is a material that is unnecessary for the metal part to perform a predetermined function, it may be removed from the metal product after the reprocessing is completed.
  • the welding process and the remachining process may be performed in the machining space of the machine tool provided with the welding torch used in the welding process and the tool spindle used in the remachining process.
  • the welding method is not particularly limited, and examples thereof include laser welding, electron beam welding, and arc welding.
  • the machine tool is an additive manufacturing (hereinafter referred to as AM processing) of a work or a metal product and a subtractive manufacturing (hereinafter referred to as SM processing) of the work or a metal product. It is a hybrid processing machine capable of.
  • the machine tool has, for example, a turning function using a fixed tool and a milling function using a rotary tool as SM processing functions.
  • one of the first support portion and the second support portion may be a chuck mechanism provided by the spindle (first spindle). Further, even if the other of the first support portion and the second support portion is a work support, a tailstock, a steady rest, or a chuck mechanism provided with a spindle different from the first spindle (second spindle). good.
  • a hybrid processing machine having an AM processing function it is efficient to perform the welding process by the DED (Directed Energy Deposition) method, that is, the metal lamination molding using the directed energy deposition method.
  • DED Directed Energy Deposition
  • AM processing function for example, it is possible to selectively overlay metal powder on a desired part of a metal product, and it is easy to make a dummy member on a metal product having various shapes. It is possible to weld to.
  • FIG. 1 is a front view showing an outline of the inside of an example of a machine tool used in this embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a state in the processing space 200 during AM processing by the machine tool 100.
  • the machine tool 100 is a hybrid processing machine having an AM processing function of the work W and an SM processing function of the work W.
  • the hybrid machine tool includes, for example, a lathe, a vertical or horizontal machining center, a multi-purpose machine tool having a turning function using a fixed tool and a milling function using a rotary tool, an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis, and 2 It is a machine tool in which an AM processing function is further added to a 5-axis processing machine controlled by one or more turning axes.
  • machine tools are not limited to these.
  • the machine tool 100 includes a first headstock 110, a second headstock 120, a tool spindle (first tool post) 130, a second tool table 140, an additional machining head 150, and a bed 160.
  • the bed 160 is a base member that supports the first headstock 110, the second headstock 120, the tool head shaft 130, and the second tool post 140.
  • the machine tool 100 is placed on the floor of a factory or the like via a bed 160.
  • the first headstock 110, the second headstock 120, the tool head shaft 130, and the second tool post 140 are provided in a machining space 200 surrounded by a cover body 210 called a splash guard.
  • the first headstock 110 and the second headstock 120 are arranged so as to face each other in the Z-axis direction.
  • the first headstock 110 and the second headstock 120 have a first spindle 111 and a second spindle 121 for rotating the work W during turning using a fixing tool, respectively.
  • the first spindle 111 and the second spindle 121 can each rotate about a rotation axis parallel to the Z axis.
  • the second headstock 120 is movable in the Z-axis direction.
  • the first spindle 111 and the second spindle 121 are provided with a first chuck mechanism 111a and a second chuck mechanism 121b that hold the work W detachably.
  • the spindle having a chuck mechanism can be used as a first support portion for supporting the metal product W and a second support portion for supporting the dummy member D.
  • the tool spindle 130 rotates a rotary tool during milling.
  • the tool spindle 130 can rotate about a rotation axis parallel to the X axis extending in the vertical direction.
  • the tool spindle 130 is provided with a detachable mechanism for holding the rotary tool detachably.
  • the tool spindle 130 is orthogonal to the Z-axis direction and can move in the Y-axis direction extending in the horizontal direction. Further, the tool spindle 130 can rotate around a rotation axis parallel to the Y axis.
  • the tool spindle 130 is supported on the bed 160 by a column or the like (not shown).
  • the tool spindle 130 is movable along the column in the X-axis direction.
  • the column is movable in the Z-axis direction.
  • the second tool post 140 shown in FIG. 1 is a turret type equipped with a plurality of fixing tools for turning.
  • a plurality of fixing tools are radially attached to the peripheral surface of the turret type tool post via a tool holder.
  • the second tool post 140 can be swiveled about a rotation axis parallel to the Z axis via the swivel portion 142.
  • a desired fixing tool is arranged at the machining position of the work W.
  • the second tool post 140 is movable in the X-axis direction and the Z-axis direction.
  • the machine tool 100 has a DED type AM processing head 150.
  • the AM processing head 150 has the function of a welding torch and is connected to an additional metal material and a cable 230 that guides a laser beam.
  • the AM processing head 150 has a nozzle that supplies the metal material supplied from the cable 230 to the work W and irradiates the metal material and the work W with a laser beam.
  • the work W is locally melted by the heat of the laser beam, metal powder is supplied to the melted portion and melted together, and then solidified to proceed with metal lamination molding.
  • the metal material for example, powders such as stainless steel, nickel-based alloys, and titanium-based alloys and wires can be used.
  • the AM processing head 150 can be attached to and detached from the tool spindle 130.
  • the AM machining head 150 is mounted on the tool spindle 130 during AM machining.
  • the tool spindle 130 can be moved in the X, Y and Z axis directions by each of the moving mechanisms described above. Similar to the movement of the tool spindle 130, the AM machining head 150 can also move in the X, Y and Z axis directions.
  • the AM machining head 150 can be separated from the tool spindle 130.
  • FIG. 3 shows an example of the configuration of the powder feeder 300 and the laser light oscillator 400 that introduce the metal powder and the laser beam into the cable 230.
  • a pipe for transferring the metal powder and the carrier gas to the AM processing head 150, and an optical fiber for guiding the laser beam to the AM processing head 150 are housed inside the cable 230.
  • the powder feeder 300 supplies the metal powder to the cable 230.
  • the laser light oscillating device 400 oscillates the laser light.
  • the oscillated laser beam is guided to the cable 230, formed into a beam, and then emitted from the nozzle of the AM processing head 150.
  • the powder feeder 300 includes a main tank 310, a buffer tank 330, a powder supply unit 340, and an inert gas supply unit 350.
  • the main tank 310 stocks the metal powder and sends out the metal powder from the lower outlet at a timely timing.
  • the delivered metal powder is sent to the buffer tank 330 together with the carrier gas, temporarily stored in the buffer tank 330, and then sent to the powder supply unit 340.
  • the powder supply unit 340 the metal powder is mixed with the carrier gas and guided to the cable 230.
  • the carrier gas the inert gas supplied from the inert gas supply unit 350 is used.
  • the welding process (i) for welding a dummy member to a metal product will be described.
  • the metal product is supported by the first support portion in the machining space
  • the dummy member is supported by the second support portion in the machining space
  • the first support portion Includes welding a metal product supported by and a dummy member supported by a second support.
  • the welding process may include (A) overlaying the cutting allowance on the metal product, and (B) welding a dummy member on the cutting allowance.
  • A overlaying the cutting allowance on the metal product
  • B welding a dummy member on the cutting allowance.
  • a predetermined end portion (hereinafter, first end portion) of the metal product W1 to be reprocessed is a first spindle as a first support portion. It is gripped and fixed by the first chuck mechanism 111a of 111. For the first end portion to be gripped by the first chuck mechanism 111a, a portion having a shape most easily gripped may be selected according to the metal product W1.
  • the metal product W1 does not have a portion that can be gripped by the first chuck mechanism 111a, a dummy member having a shape that can be easily gripped by the first chuck mechanism 111a is welded to the metal product W1 in advance, and then the dummy member is first welded. It may be gripped by the first chuck mechanism 111a as one end portion. That is, the metal product W1 may be a combination of the metal product W1 already processed into a shape having a predetermined function and a dummy member.
  • the metal product W1 in the illustrated example is, for example, a rocket nozzle, but the metal product W1 is not limited thereto.
  • FIG. 4B shows a state in which the cutting allowance Wa is overlaid on the second end portion on the opposite side of the first end portion of the metal product W1.
  • a cutting allowance Wa is formed on the entire circumference of the circular edge which is the second end portion of the metal product W1.
  • the position and size of the cutting allowance Wa are not particularly limited.
  • the overlay of the cutting allowance Wa is performed by the DED method using the AM processing head 150. From the nozzle of the AM processing head 150, the metal powder is ejected and the laser beam is emitted. The heat of the laser beam melts the metal powder and the second end portion of the metal product W1, so that the build-up by the metal laminated molding proceeds.
  • the formation of the shaving allowance Wa may be omitted if necessary.
  • FIG. 4C shows how the dummy member D1 is welded to the shaving allowance Wa overlaid on the metal product W1.
  • the shape of the dummy member is not particularly limited, but the dummy member D1 in the illustrated example is composed of a disk-shaped member and a columnar member projecting from one surface at the center thereof.
  • the disk-shaped member has a size that can be welded to the cutting allowance Wa formed at the second end of the metal product W1.
  • the columnar member is gripped and fixed by the second chuck mechanism 121a of the second spindle 121 as the second support portion.
  • Welding of the cutting allowance Wa and the dummy member D1 is performed by adjusting the positions of both in the Z-axis direction and the X-axis direction of the second spindle 121 so that they are butted against each other. At the time of welding, only the laser beam may be emitted from the nozzle of the AM processing head 150, or the metal powder may be supplied to the boundary between the cutting allowance and the dummy member D1 by the DED method.
  • the joint portion Wb is formed by welding the cutting allowance Wa and the dummy member D1.
  • FIG. 4D shows a state in which the metal product W1 to which the dummy member D1 is welded is supported by the first support portion (first main shaft 111) and the dummy member D1 is supported by the second support portion (second main shaft 121). It shows how the reprocessing step (ii) for reprocessing the metal product W1 is performed. Since the metal product W1 is supported at two points, the first spindle 111 and the second spindle 121, vibration of the metal product W1 is prevented and the accuracy of reworking is improved. In the reworking process of the metal product W1, for example, machining such as milling is performed using the tool spindle 130, and the reworked portion Wc is formed. In the reprocessing step, additional processing may be performed, and both removal processing and additional processing may be performed.
  • FIG. 4E shows how the removal step (iii) for removing the dummy member D1 from the metal product W1 is performed using the AM processing head 150 after the reprocessing step.
  • the tool spindle 130 may be used, or both the tool spindle 130 and the AM machining head 150 may be used.
  • the AM processing head 150 is used as shown in the illustrated example, only the laser beam may be emitted from the nozzle and irradiated to the coupling portion Wb to melt the coupling portion Wb.
  • the molten metal is divided into a metal product W1 side and a dummy member D1 side by surface tension, and the metal product W1 and the dummy member D1 are physically separated.
  • FIG. 4F shows the metal product W1 after the dummy member D1 has been removed.
  • the residue portion Wd of the shaving allowance Wa may remain on the circular edge which is the second end portion of the metal product W1.
  • the residue portion Wd may be removed by using the tool spindle 130, or may be formed so that the shape of the second end portion is adjusted. If the residue portion Wd does not affect the function of the metal product W1, it may be left as it is.
  • FIG. 5 shows a scene of another embodiment of the reworking method of the metal product W1.
  • the metal product W1 has the same shape as that of the first embodiment.
  • the first end portion of the metal product W1 is supported by the first spindle 111, which is the first support portion, as in the first embodiment.
  • the dummy member D2 has a disk shape having a diameter larger than the circle formed by the circular edge which is the second end portion of the metal product W1.
  • a welded joint Wb is formed at the boundary between the circular edge, which is the second end of the metal product W1, and the dummy member D2.
  • the second end portion of the metal product W1 is supported by pressing the tailstock 170, which is the second support portion, against the center of one surface of the dummy member D2 coupled to the second end portion. Even in such a state, vibration in the remachining process of machining the metal product W can be suppressed.
  • FIG. 6 shows a scene of an embodiment of a method for reworking a metal product W2 having a shape different from that of the metal product W1.
  • the metal product W2 in the illustrated example is a turbine blade, but is not limited thereto.
  • the first end portion of the metal product W2 is the root of the blade and is supported by the first spindle 111 which is the first support portion as in the first embodiment.
  • the dummy member D3 has a columnar shape with the X-axis direction as the central axis.
  • the blade tip which is the second end opposite to the first end, is welded to a part of the peripheral surface of the columnar dummy member D3.
  • a welded joint portion Wb is formed at the boundary between the blade tip portion, which is the second end portion of the metal product W2, and the dummy member D3.
  • the second end portion of the metal product W2 is supported by pressing the work support 180, which is the second support portion, against the center of the lower surface (one bottom surface of the cylinder) of the dummy member D3 coupled to the second end portion. Has been done. Even in such a state, vibration in the remachining process of machining the metal product W2 can be suppressed.
  • FIG. 7 shows a scene of another embodiment of the reworking method of the metal product W2.
  • the metal product W2 has the same shape as that of the third embodiment.
  • the first end portion of the metal product W2 is supported by the first spindle 111, which is the first support portion, as in the first embodiment.
  • the dummy member D4 has a columnar shape with the Z-axis direction as the central axis.
  • the second end of the metal product W2 is welded to one bottom surface of the columnar dummy member D4, and a welded joint portion Wb is formed at the boundary between the second end of the metal product W2 and the dummy member D4. Has been done.
  • the second end portion of the metal product W2 is supported by sandwiching a part of the peripheral surface of the columnar dummy member D4 coupled to the second end portion by surrounding it with a steady rest 190 which is a second support portion. ing. Even in such a state, vibration in the remachining process of machining the metal product W2 can be suppressed.
  • the maximum main surface of the virtual minimum square body accommodating the metal product and the vertical direction are 30 ° or less (preferably) before the reworking process. It is desirable to perform the step of adjusting the posture of the metal product so as to form a sharp angle (10 ° or less). This makes it possible to more accurately machine the metal product in the reworking process.
  • FIG. 8 shows an example of a turbine blade, which is a metal product W2, and a virtual minimum rectangular parallelepiped B that accommodates the turbine blade in a conceptual diagram.
  • One of the maximum main surfaces S of the virtual minimum rectangular parallelepiped B is hatched with diagonal lines.
  • the posture of the metal product W2 is adjusted so that the maximum main surface S and the vertical direction (that is, the X-axis direction) form the acute angle. It is most desirable that the angle formed by the maximum principal surface S of the virtual minimum rectangular parallelepiped B and the vertical direction is 0 ° (that is, both are parallel).
  • the present invention is suitable for reprocessing or repairing large metal products made of expensive metal materials such as nickel-based alloys and titanium-based alloys.
  • Machine tool 110 1st spindle 111: 1st spindle 111a: 1st chuck mechanism 120: 2nd spindle 121: 2nd spindle 121a, b: 2nd chuck mechanism 130: Tool spindle (1st tool post) 140: 2nd tool post 142: Swing part 150: AM processing head 160: Bed 170: Tushing table 180: Work support 190: Anti-sway 200: Processing space 210: Cover body (splash guard) 230: Cable 300: Powder feeder 310: Main tank 330: Buffer tank 340: Powder supply unit 350: Inert gas supply unit 400: Laser beam oscillator W: Work W1, W2: Metal product Wa: Shaving allowance Wb: Coupling part Wc: Reworking part Wd: Residue part D, D1, D2, D3, D4: Dummy member

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Abstract

金属製品を再加工する方法であって、金属製品にダミー部材を溶接する溶接工程と、金属製品が第１支持部で支持され、かつダミー部材が第２支持部で支持された状態で金属製品を再加工する再加工工程と、再加工工程の後、金属製品からダミー部材を除去する除去工程と、を有する、金属製品の再加工方法。これにより、金属製品の形状に制限されることなく、金属製品を固定して再加工することができる。

Description

金属製品の再加工方法
　本開示は、工作機械を利用する金属製品の再加工方法に関する。
　レーザ光と金属粉末とを供給しながら被加工物の表面に造形物を形成するレーザ積層造形方法（アディティブマニュファクチャリング）が普及しはじめている。例えば、特許文献１は、レーザ光を照射領域に照射する照射部及び前記照射領域に金属粉末を供給する供給部を有するヘッドと、前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、を備えたレーザ積層造形装置を用いて、被加工物の表面に造形物を形成する方法であって、レーザ光の照射及び金属粉末の供給を行う状態で、前記ヘッドを前記被加工物に対して移動させて積層する処理を複数回行って、前記被加工物の上に複数層からなる積層物を形成する積層工程と、前記積層工程の後、レーザ光の照射を行い金属粉末の供給を行なわない状態で、前記ヘッドを前記被加工物に対して移動させて、前記積層物の表面にレーザ光を照射して再溶融させる再溶融工程と、を含む積層、再溶融プロセスを少なくとも１回実施して前記造形物を形成することを特徴とするレーザ積層造形方法を提案している。
特開２０１９－１５７１４９号公報
　所定の機能を有する形状に加工された金属部品（既製品）を修復したいという要望がある。例えば、ロケットノズル、タービンブレードのような大型の金属部品は、使い捨てではなく、複数回にわたって再加工もしくはリペア（ｒｅｐａｉｒ）されて使用される。
　しかし、既に所定の機能を有する形状に加工された金属部品を工作機械で再加工する際には、工作機械が具備する所定の支持部で金属部品を支持することが困難な場合がある。例えば、工作機械には被加工物を固定するチャック機構を有する支持部が備えられている。このような支持部では、既に所定の機能を有する形状に加工された金属部品をチャックすることができず、安定して金属部品を固定することが困難な場合がある。
　本発明の一側面は、金属製品を再加工する方法であって、前記金属製品にダミー部材を溶接する溶接工程と、前記金属製品が第１支持部で支持され、かつ前記ダミー部材が第２支持部で支持された状態で前記金属製品を再加工する再加工工程と、前記再加工工程の後、前記金属製品から前記ダミー部材を除去する除去工程と、を有する、金属製品の再加工方法に関する。
　金属製品の形状に制限されることなく、金属製品を固定して再加工することができるようになる。
　本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本願の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
本実施形態で用いる工作機械の一例の内部の概要を示す正面図である。 工作機械によるＡＭ加工時の加工空間内の様子を示す斜視図である。 パウダーフィーダとレーザ光発振装置の構成の一例を示す図である。 第１支持部で支持された金属製品と第２支持部を示す図である。 第１支持部で支持された金属製品に削り代を形成する様子を示す図である。 第１支持部で支持された金属製品と第２支持部で支持されたダミー部材とを溶接する様子を示す図である。 金属製品が第１支持部で支持され、かつダミー部材が第２支持部で支持された状態で金属製品を再加工する様子を示す図である。 金属製品からダミー部材を切除する様子を示す図である。 ダミー部材が切除された金属製品を示す図である。 金属製品の再加工方法の別の実施形態の一場面を示す図である。 別の金属製品の再加工方法の実施形態の一場面を示す図である。 別の金属製品の再加工方法の別の実施形態の一場面を示す図である。 金属製品を収容する仮想最小直方体を示す概念図である。
　本実施形態に係る金属製品を再加工する方法は、（i）金属製品にダミー部材を溶接する溶接工程と、（ii）金属製品が第１支持部で支持され、かつダミー部材が第２支持部で支持された状態で金属製品を再加工する再加工工程と、（iii）再加工工程の後、金属製品からダミー部材を除去する除去工程とを有する。
　ここで、「支持」とは、固定、保持などを含む概念であり、金属製品（もしくはダミー部材）と接触して金属製品の振動、揺動、ビビリなどの動きを抑制することを広く意味する。
　また、「金属製品」とは、少なくとも一部が金属で構成された金属部品等の既製品であればよい。既製品とは、所定の機能を有する形状に加工された構造体である。すなわち、本実施形態に係る再加工方法において、再加工の対象となる金属製品は、ダミー部材を溶接する前において、既に所定の機能を有している。ただし、再加工（もしくはリペア（ｒｅｐａｉｒ））を要する金属製品である。
　金属製品は、既製品に既にダミー部材が溶接により接続された構造体であってもよい。すなわち、本実施形態に係る方法において、再加工の対象となる金属製品は、ダミー部材を溶接する前において、既に所定の機能を有する形状に加工された構造体と別のダミー部材との結合体であってもよい。この場合、再加工時の金属製品には溶接により少なくとも２つのダミー部材が接続されている。
　金属製品の具体例としては、例えば、ロケットノズル、タービンブレードなどの航空産業、宇宙産業、エネルギー産業で利用される比較的大型の金属製品が挙げられるが、特に限定されるものではない。比較的大型の金属製品は、工作機械が通常有する支持部でしっかりと支持もしくは固定することが困難な形状であることが多い。
　金属製品の材質は、例えば、チタン基合金、コバルト基合金およびニッケル基合金からなる群より選択される少なくとも１種であり得るが、これらに限定されない。
　一方、金属製品を再加工する場合、再加工の精度を高めるには、その金属製品をしっかりと支持もしくは固定することが要される。そうでなければ、金属製品に再加工を施している最中に金属製品が振動し、再加工の精度が低下する。
　金属製品になる前のワーク（すなわち金属製品の原料）を加工する場合、ワークは工作機械が具備する支持部で支持しやすい形状に成形されている。工作機械が具備する支持部としては、例えば、主軸が具備するチャック機構、ワークサポート、振れ止め、芯押し台などがある。しかし、既に所定の機能を有する形状に加工された金属製品は、そのような支持部で支持することが困難な場合がある。
　これに対し、支持部による支持が容易な形状のダミー部材を金属製品に予め溶接することで、支持部による金属製品の支持を容易にすることができる。例えば、金属製品を第１支持部で支持し、かつ金属製品に溶接されたダミー部材を第２支持部で支持することで、金属製品をしっかりと固定した状態で再加工することが可能になる。ダミー部材は、金属部品が所定の機能を発揮する上では不要な素材であるから、再加工の終了後、金属製品から除去すればよい。
　溶接工程と再加工工程とが、溶接工程に用いる溶接トーチと再加工工程に用いる工具主軸とを具備する工作機械の加工空間内で行われてもよい。溶接方法は、特に限定されないが、例えばレーザ溶接、電子ビーム溶接、アーク溶接などが挙げられる。この場合、工作機械とは、ワークもしくは金属製品の付加加工（Additive manufacturing）（以下、ＡＭ加工と称する。）と、ワークもしくは金属製品の除去加工（Subtractive manufacturing）（以下、ＳＭ加工と称する。）が可能なハイブリッド加工機である。工作機械は、ＳＭ加工の機能として、例えば、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。
　工作機械が、複合旋盤を具備する場合、第１支持部および第２支持部のうちの一方は、主軸（第１主軸）が具備するチャック機構であり得る。また、第１支持部および第２支持部のうちの他方は、ワークサポート、芯押し台、振れ止め、または、第１主軸とは異なる主軸（第２主軸）が具備するチャック機構であってもよい。
　ＡＭ加工機能を有するハイブリッド加工機においては、溶接工程をＤＥＤ（Directed Energy Deposition）方式、すなわち、指向性エネルギー堆積法を利用した金属積層造形により行うことが効率的である。ＤＥＤ方式のＡＭ加工機能を備えるハイブリッド加工機によれば、例えば金属粉末を金属製品の所望の箇所に選択的に肉盛りすることが可能であり、かつ様々な形状の金属製品にダミー部材を容易に溶接することが可能である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明に係る金属製品の再加工方法で用い得る工作機械の一例について説明する。各実施形態の説明において、方向を表す用語（例えば「上下」、「左右」、および「Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸」等）を適宜用いるが、これらの用語は説明のためのものであって本発明を限定するものではない。また、各図面において、工作機械の各構成部品の形状または寸法は必ずしも同一の縮尺比で表したものではない。また、各図面において同一の構成部品には同一の符号を用いて示す。
　図１は、本実施形態で用いる工作機械の一例の内部の概要を示す正面図である。図２は、工作機械１００によるＡＭ加工時の加工空間２００内の様子を示す斜視図である。工作機械１００は、ワークＷのＡＭ加工機能と、ワークＷのＳＭ加工機能とを具備するハイブリッド加工機である。ハイブリッド加工機は、例えば、旋盤、立形もしくは横形のマシニングセンタ、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複合加工機、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に加え、２つ以上の旋回軸により制御される５軸加工機などに、更にＡＭ加工機能が付与された工作機械である。ただし、工作機械はこれらに限定されるものではない。
　最初に工作機械１００の全体構造について説明する。工作機械１００は、第１主軸台１１０、第２主軸台１２０、工具主軸（第１刃物台）１３０、第２刃物台１４０、付加加工用ヘッド１５０およびベッド１６０を有する。
　ベッド１６０は、第１主軸台１１０、第２主軸台１２０、工具主軸１３０および第２刃物台１４０を支持するベース部材である。工作機械１００は、ベッド１６０を介して工場のフロアなどに据え置かれる。第１主軸台１１０、第２主軸台１２０、工具主軸１３０および第２刃物台１４０は、スプラッシュガードと称されるカバー体２１０で囲われた加工空間２００に設けられている。
　図１中、第１主軸台１１０と第２主軸台１２０とがＺ軸方向において対向するように配置されている。第１主軸台１１０および第２主軸台１２０は、それぞれ、固定工具を用いた旋削加工時にワークＷを回転させるための第１主軸１１１および第２主軸１２１を有する。第１主軸１１１および第２主軸１２１は、それぞれ、Ｚ軸と平行な回転軸を中心に回転可能である。第２主軸台１２０は、Ｚ軸方向に移動可能である。第１主軸１１１および第２主軸１２１には、ワークＷを着脱可能に保持する第１チャック機構１１１ａおよび第２チャック機構１２１ｂが設けられている。チャック機構を有する主軸は、金属製品Ｗを支持する第１支持部、ダミー部材Ｄを支持する第２支持部として利用できる。
　工具主軸１３０は、ミーリング加工時に回転工具を回転させる。工具主軸１３０は、鉛直方向に延びるＸ軸と平行な回転軸を中心に回転可能である。工具主軸１３０には、回転工具を着脱可能に保持する着脱機構が設けられている。工具主軸１３０は、Ｚ軸方向に直交し、かつ水平方向に延びるＹ軸方向に移動可能である。また、工具主軸１３０は、Ｙ軸と平行な回転軸を中心に旋回可能である。
　工具主軸１３０は、図示しないコラム等によりベッド１６０上に支持されている。工具主軸１３０は、コラムに沿ってＸ軸方向に移動可能である。コラムは、Ｚ軸方向に移動可能である。
　図１に示す第２刃物台１４０は、旋削加工のための複数の固定工具を装備したタレット形である。タレット形刃物台の周面には、複数の固定工具が、工具ホルダを介して放射状に取り付けられている。第２刃物台１４０は、旋回部１４２を介して、Ｚ軸と平行な回転軸を中心に旋回可能である。旋回部１４２が旋回することで所望の固定工具がワークＷの加工位置に配置される。第２刃物台１４０は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能である。
　工作機械１００は、ＤＥＤ方式のＡＭ加工ヘッド１５０を有する。ＡＭ加工ヘッド１５０は、溶接トーチの機能を有し、付加用金属材料とレーザビームを導くケーブル２３０に接続されている。ＡＭ加工ヘッド１５０は、ケーブル２３０から供給される金属材料をワークＷに対して供給するとともに金属材料とワークＷにレーザビームを照射するノズルを有する。例えば、レーザビームの熱でワークＷが局所的に溶融し、溶融部分に金属粉末が供給されて共に溶融し、その後、凝固することで金属積層造形が進行する。金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン基合金などの粉末やワイヤを利用することができる。
　ＡＭ加工ヘッド１５０は、工具主軸１３０に着脱可能である。ＡＭ加工ヘッド１５０はＡＭ加工時に工具主軸１３０に装着される。工具主軸１３０は、既述した各移動機構によりＸ、ＹおよびＺ軸方向に移動可能である。工具主軸１３０の移動と同様にＡＭ加工ヘッド１５０もＸ、ＹおよびＺ軸方向に移動可能である。ＳＭ加工時には、ＡＭ加工ヘッド１５０を工具主軸１３０から分離することができる。
　図３は、ケーブル２３０に金属粉末とレーザビームを導入するパウダーフィーダ３００とレーザ光発振装置４００の構成の一例を示している。ケーブル２３０の内部には、金属粉末とキャリアガスをＡＭ加工ヘッド１５０まで移送する配管と、レーザビームをＡＭ加工ヘッド１５０まで導くための光ファイバーとが収容されている。パウダーフィーダ３００は、ケーブル２３０に金属粉末を供給する。レーザ光発振装置４００は、レーザ光を発振する。発振されたレーザ光はケーブル２３０に導かれ、ビーム形成された後、ＡＭ加工ヘッド１５０のノズルから出射される。
　パウダーフィーダ３００は、メインタンク３１０、バッファタンク３３０、粉末供給ユニット３４０および不活性ガス供給部３５０を具備する。メインタンク３１０は、金属粉末をストックし、適時のタイミングで下方の出口から金属粉末を送り出す。送り出された金属粉末は、キャリアガスとともにバッファタンク３３０に送られ、バッファタンク３３０に一時的に収容された後、粉末供給ユニット３４０に送られる。粉末供給ユニット３４０では、金属粉末がキャリアガスと混合され、ケーブル２３０に導かれる。キャリアガスには、不活性ガス供給部３５０から供給される不活性ガスが用いられる。
（第１実施形態）
　次に、図４Ａ～４Ｆを参照して、上記工作機械を用いた場合の金属製品の再加工方法について更に説明する。
　まず、金属製品にダミー部材を溶接する溶接工程（i）について説明する。溶接工程は、（ａ）金属製品を加工空間内の第１支持部で支持すること、（ｂ）ダミー部材を加工空間内の第２支持部で支持すること、および（ｃ）第１支持部で支持された金属製品と第２支持部で支持されたダミー部材とを溶接することを含む。
　また、溶接工程は、（Ａ）金属製品に削り代を肉盛りすること、および、（Ｂ）削り代にダミー部材を溶接することを含み得る。この場合、削り代を有効利用することで、金属製品の寸法の減少を抑制することができる。
　具体的には、工程（ａ）では、図４Ａに示されるように、再加工対象の金属製品Ｗ１の所定の端部（以下、第１端部）が、第１支持部としての第１主軸１１１の第１チャック機構１１１ａにより把持され、固定される。第１チャック機構１１１ａで把持する第１端部は、金属製品Ｗ１に応じて最も把持しやすい形状の部位を選択すればよい。また、金属製品Ｗ１に第１チャック機構１１１ａで把持し得る箇所が無い場合には、予め金属製品Ｗ１に第１チャック機構１１１ａで把持しやすい形状のダミー部材を溶接し、その後、ダミー部材を第１端部として第１チャック機構１１１ａで把持すればよい。すなわち、金属製品Ｗ１は、既に所定の機能を有する形状に加工された金属製品Ｗ１とダミー部材との結合体であってもよい。なお、図示例の金属製品Ｗ１は、例えばロケットノズルであるが、これに限定されるものではない。
　図４Ｂは、金属製品Ｗ１の第１端部とは反対側の第２端部に削り代Ｗａが肉盛りされた状態を示している。図示例では、金属製品Ｗ１の第２端部である円形のエッジの全周に削り代Ｗａが形成されている。なお、削り代Ｗａの位置やサイズは特に限定されない。削り代Ｗａの肉盛りは、ＡＭ加工ヘッド１５０を用いてＤＥＤ方式で行われる。ＡＭ加工ヘッド１５０のノズルからは、金属粉末が噴射されるとともにレーザビームが出射される。レーザビームの熱で金属粉末と金属製品Ｗ１の第２端部が溶融することで金属積層造形による肉盛りが進行する。
　なお、削り代Ｗａの形成は、必要に応じて行えばよく省略してもよい。
　図４Ｃは、金属製品Ｗ１に肉盛りされた削り代Ｗａにダミー部材Ｄ１が溶接される様子を示している。ダミー部材の形状は、特に限定されないが、図示例のダミー部材Ｄ１は、円盤状部材と、その中央の一方の面から突出する円柱状部材とで構成されている。円盤状部材は、金属製品Ｗ１の第２端部に形成された削り代Ｗａと溶接可能なサイズである。円柱状部材は、第２支持部としての第２主軸１２１の第２チャック機構１２１ａにより把持され、固定されている。削り代Ｗａとダミー部材Ｄ１との溶接は、両者の位置を第２主軸１２１のＺ軸方向およびＸ軸方向の位置を調整して両者を突き合わせて行われる。溶接の際、ＡＭ加工ヘッド１５０のノズルからはレーザビームだけを出射させてもよく、ＤＥＤ方式で金属粉末を削り代とダミー部材Ｄ１との境界に供給してもよい。削り代Ｗａとダミー部材Ｄ１とが溶接されることで結合部分Ｗｂが形成される。
　図４Ｄは、ダミー部材Ｄ１が溶接された金属製品Ｗ１が第１支持部（第１主軸１１１）で支持され、かつダミー部材Ｄ１が第２支持部（第２主軸１２１）で支持された状態で金属製品Ｗ１を再加工する再加工工程（ii）が行われる様子を示している。第１主軸１１１と第２主軸１２１の２点で金属製品Ｗ１が支持されていることで、金属製品Ｗ１の振動が防止され、再加工の精度が向上する。金属製品Ｗ１の再加工工程では、例えば、ミーリングなどの機械加工が工具主軸１３０を用いて行われ、再加工部Ｗｃが形成される。なお、再加工工程では、付加加工が行われてもよく、除去加工と付加加工の両方が行われてもよい。
　図４Ｅは、再加工工程の後、金属製品Ｗ１からダミー部材Ｄ１を除去する除去工程（iii）がＡＭ加工ヘッド１５０を用いて行われる様子を示している。ただし、除去工程では、工具主軸１３０を用いてもよく、工具主軸１３０とＡＭ加工ヘッド１５０の両方を用いてもよい。図示例のようにＡＭ加工ヘッド１５０を用いる場合、ノズルからはレーザビームだけを出射させ、結合部分Ｗｂに照射して結合部分Ｗｂを溶融させればよい。溶融金属は表面張力で金属製品Ｗ１側とダミー部材Ｄ１側とに分断され、金属製品Ｗ１とダミー部材Ｄ１とが物理的に分離される。
　図４Ｆは、ダミー部材Ｄ１が除去された後の金属製品Ｗ１を示している。金属製品Ｗ１の第２端部である円形のエッジには削り代Ｗａの残渣部Ｗｄが残存し得る。残渣部Ｗｄは、工具主軸１３０を用いて除去してもよく、第２端部の形状が整うように成形してもよい。残渣部Ｗｄが金属製品Ｗ１の機能に影響しないようであれば放置してもよい。
（第２実施形態）
　図５は、金属製品Ｗ１の再加工方法の別の実施形態の一場面を示している。金属製品Ｗ１は第１実施形態と同様の形状を有する。金属製品Ｗ１の第１端部は、第１実施形態と同様に第１支持部である第１主軸１１１で支持されている。ダミー部材Ｄ２は、金属製品Ｗ１の第２端部である円形のエッジが形成する円よりも大きい直径を有する円盤状である。金属製品Ｗ１の第２端部である円形のエッジとダミー部材Ｄ２との境界には溶接による結合部分Ｗｂが形成されている。ここでは、金属製品Ｗ１の第２端部は、第２端部に結合するダミー部材Ｄ２の一方の面の中央に第２支持部である芯押し台１７０を押し当てることで支持されている。このような状態でも、金属製品Ｗを機械加工する再加工工程における振動を抑制することができる。
（第３実施形態）
　図６は、金属製品Ｗ１とは形状の異なる金属製品Ｗ２の再加工方法の実施形態の一場面を示している。図示例の金属製品Ｗ２は、タービンブレードであるが、これに限定されるものではない。金属製品Ｗ２の第１端部は、ブレードの根本であり、第１実施形態と同様に第１支持部である第１主軸１１１で支持されている。ダミー部材Ｄ３は、Ｘ軸方向を中心軸とする円柱状である。第１端部とは反対側の第２端部であるブレード先端部は、円柱状のダミー部材Ｄ３の周面の一部と溶接されている。金属製品Ｗ２の第２端部であるブレード先端部とダミー部材Ｄ３との境界には溶接による結合部分Ｗｂが形成されている。ここでは、金属製品Ｗ２の第２端部は、第２端部に結合するダミー部材Ｄ３の下面（円柱の一方の底面）の中央に第２支持部であるワークサポート１８０を押し当てることで支持されている。このような状態でも、金属製品Ｗ２を機械加工する再加工工程における振動を抑制することができる。
（第４実施形態）
　図７は、金属製品Ｗ２の再加工方法の別の実施形態の一場面を示している。金属製品Ｗ２は第３実施形態と同様の形状を有する。金属製品Ｗ２の第１端部は、第１実施形態と同様に第１支持部である第１主軸１１１で支持されている。ダミー部材Ｄ４は、Ｚ軸方向を中心軸とする円柱状である。金属製品Ｗ２の第２端部は、円柱状のダミー部材Ｄ４の一方の底面と溶接されており、金属製品Ｗ２の第２端部とダミー部材Ｄ４との境界には溶接による結合部分Ｗｂが形成されている。ここでは、金属製品Ｗ２の第２端部は、第２端部に結合する円柱状のダミー部材Ｄ４の周面の一部を第２支持部である振れ止め１９０で囲って挟み込むことで支持されている。このような状態でも、金属製品Ｗ２を機械加工する再加工工程における振動を抑制することができる。
　なお、タービンブレードのような非対称形状を有する金属製品の再加工を行う場合、再加工工程の前に、金属製品を収容する仮想最小直方体の最大主面と鉛直方向とが３０°以下（望ましくは１０°以下）の鋭角を成すように、金属製品の姿勢を調整する工程を行うことが望ましい。これにより、再加工工程において、金属製品の機械加工を更に精度よく行うことができる。
　図８に金属製品Ｗ２であるタービンブレードの一例と、これを収容する仮想最小直方体Ｂとを概念図で示す。仮想最小直方体Ｂの最大主面Ｓの一つには斜線でハッチングを施している。最大主面Ｓと鉛直方向（すなわちＸ軸方向）とが上記鋭角を成すように、金属製品Ｗ２の姿勢が調整される。仮想最小直方体Ｂの最大主面Ｓと鉛直方向とが成す角度は０°（すなわち両者が平行）であることが最も望ましい。
　上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
　本発明は、例えばニッケル基合金やチタン基合金のような高価な金属素材で形成されている大型の金属製品の再加工もしくはリペアに適している。
　１００：工作機械
　　１１０：第１主軸台
　　　１１１：第１主軸
　　　　１１１ａ：第１チャック機構
　　１２０：第２主軸台
　　　１２１：第２主軸
　　　　１２１ａ、ｂ：第２チャック機構
　　１３０：工具主軸（第１刃物台）
　　１４０：第２刃物台
　　　１４２：旋回部
　　１５０：ＡＭ加工ヘッド
　　１６０：ベッド
　　１７０：芯押し台
　　１８０：ワークサポート
　　１９０：振れ止め
　２００：加工空間
　　２１０：カバー体（スプラッシュガード）
　　２３０：ケーブル
　３００：パウダーフィーダ
　　３１０：メインタンク
　　３３０：バッファタンク
　　３４０：粉末供給ユニット
　　３５０：不活性ガス供給部
　４００：レーザ光発振装置
　Ｗ：ワーク
　Ｗ１、Ｗ２：金属製品
　Ｗａ：削り代
　Ｗｂ：結合部分
　Ｗｃ：再加工部
　Ｗｄ：残渣部
　Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４：ダミー部材

Claims (9)

  1. 　金属製品を再加工する方法であって、
    　前記金属製品にダミー部材を溶接する溶接工程と、
    　前記金属製品が第１支持部で支持され、かつ前記ダミー部材が第２支持部で支持された状態で前記金属製品を再加工する再加工工程と、
    　前記再加工工程の後、前記金属製品から前記ダミー部材を除去する除去工程と、
    を有する、金属製品の再加工方法。
  2. 　前記溶接工程と前記再加工工程とが、前記溶接工程に用いる溶接トーチと前記再加工工程に用いる工具主軸とを具備する工作機械の加工空間内で行われる、請求項１に記載の金属製品の再加工方法。
  3. 　前記溶接工程が、
    　前記金属製品を前記加工空間内の前記第１支持部で支持すること、
    　前記ダミー部材を前記加工空間内の前記第２支持部で支持すること、および
    　前記第１支持部で支持された前記金属製品と前記第２支持部で支持された前記ダミー部材とを溶接すること、を含む、請求項２に記載の金属製品の再加工方法。
  4. 　前記工作機械が、複合旋盤を具備し、
    　前記第１支持部および前記第２支持部のうちの一方が、主軸が具備するチャック機構であり、
    　前記第１支持部および前記第２支持部のうちの他方が、ワークサポート、芯押し台、振れ止め、または、前記主軸とは異なる主軸が具備するチャック機構である、請求項２または３に記載の金属製品の再加工方法。
  5. 　前記溶接工程が、
    　前記金属製品に削り代を肉盛りすること、および
    　前記削り代に前記ダミー部材を溶接すること、を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の金属製品の再加工方法。
  6. 　前記溶接工程が、ＤＥＤ方式の金属積層造形により行われる、請求項１～５のいずれか１項に記載の金属製品の再加工方法。
  7. 　前記再加工工程の前に、前記金属製品を収容する仮想最小直方体の最大主面と鉛直方向とが３０°以下の鋭角を成すように前記金属製品の姿勢を調整する工程、を更に含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の金属製品の再加工方法。
  8. 　前記金属製品がロケットノズルまたはタービンブレードである、請求項１～７のいずれか１項に記載の金属製品の再加工方法。
  9. 　前記金属製品がチタン基合金、コバルト基合金およびニッケル基合金からなる群より選択される少なくとも１種で形成されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の金属製品の再加工方法。
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