JP2018024006A - 付加加工用ヘッドおよび加工機械 - Google Patents

Abstract

【課題】周方向に移動するノズルに材料を供給する機構を、簡易な構成により実現するとともに、ノズルの移動に伴ってワークへの材料の供給量が変動することを抑制する付加加工用ヘッド、および、そのような付加加工用ヘッドを備える加工機械、を提供する。【解決手段】付加加工用ヘッドは、材料粉末が導入される連結部５２と、ワークに向けて照射されるレーザ光３１１の周りで周方向に移動可能に設けられ、材料粉末を吐出するノズル７８と、連結部５２およびノズル７８の間に設けられ、連結部５２に導入された材料粉末をノズル７８に向けて供給するチューブ８１とを備える。チューブ８１は、可撓性を有し、レーザ光３１１の周りで周回するように設けられる。【選択図】図５

Description

この発明は、付加加工用ヘッドおよび加工機械に関する。

付加加工を実施するための従来の装置として、たとえば、特開平１１−７７５号公報には、レーザ照射部の位置がどのように変化しても、同一量の粉末を安定して供給することを目的とした、レーザクラッディング装置が開示されている（特許文献１）。

特許文献１に開示されたレーザクラッディング装置は、材料上に、金属、高分子材料またはセラミックス等の粉末を供給し、この粉末をレーザビームにより加熱溶融することによって、クラッド層を形成する。このようなレーザクラッディング装置において、材料上に供給する粉末の粉末供給管が複数、設けられるとともに、これらの粉末供給管の先端部が、ホルダの旋回収束溝に連結される。

特開平１１−７７５号公報

材料を付着することによってワークに３次元形状を作成するものとして、付加加工法（Additive manufacturing）がある。付加加工では、加工前後でワークの質量が増加する。このような付加加工を用いたワークの加工工程では、ワークおよび付加加工用ヘッドを相対移動させながら、付加加工用ヘッドからワークに向けて、材料を吐出するとともにレーザ光や電子ビーム等のエネルギー線を照射する。この際、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、ワークに対する材料の吐出方向との間には、ワークへの材料の付着効率が良好となる最適な角度関係が存在する。

一方、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向は、加工の進行とともに変化する。このため、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、ワークに対する材料の吐出方向との間で最適な角度関係を保つには、材料を吐出するノズルをエネルギー線の周りで周方向に移動させる必要がある。

しかしながら、ノズルがエネルギー線の周りで周方向に移動する付加加工用ヘッドにおいては、ノズルに材料を供給するための機構を簡易な構成とすることが困難である。また、付加加工の加工精度を高く維持するため、ノズルの移動に伴う材料の供給量の変動を抑制することが求められる。

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、周方向に移動するノズルに材料を供給する機構を、簡易な構成により実現するとともに、ノズルの移動に伴ってワークへの材料の供給量が変動することを抑制する付加加工用ヘッド、および、そのような付加加工用ヘッドを備える加工機械を提供することである。

この発明に従った付加加工用ヘッドは、ワークに対して材料を吐出するとともにエネルギー線を照射しながら相対移動可能な付加加工用ヘッドである。付加加工用ヘッドは、材料が導入される導入部と、ワークに向けて照射されるエネルギー線の周りで周方向に移動可能に設けられ、材料を吐出するノズルと、導入部およびノズルの間に設けられ、導入部に導入された材料をノズルに向けて供給する管部材とを備える。管部材は、可撓性を有し、エネルギー線の周りで周回するように設けられる。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、ノズルの周方向における移動に伴って、エネルギー線の周りで周回する管部材が変形することにより、導入部およびノズル間の相対的な位置関係の変化を吸収することができる。これにより、周方向に移動するノズルに材料を供給する機構を、簡易な構成により実現することができる。また、ノズルの周方向における移動に伴って、管部材の管路長が変化することがない。このため、ワークへの材料の供給量が変動することを抑制できる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドは、管部材を、エネルギー線の周りで周回する形態に保持する保持部をさらに備える。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、ノズルの周方向における移動に伴って、管部材をエネルギー線の周りでより円滑に変形させることができる。

また好ましくは、管部材は、導入部およびノズルの間に着脱可能に設けられる。
このように構成された付加加工用ヘッドによれば、管部材の交換が容易になる。これにより、付加加工用ヘッドのメンテナンス性を向上させることができる。

また好ましくは、管部材は、エネルギー線の周りで複数回、周回するように設けられる。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、ノズルの周方向における移動に伴う管部材の変形量が小さく抑えられる。これにより、付加加工用ヘッドをコンパクトに構成することができる。

また好ましくは、管部材は、エネルギー線の軸方向に沿って螺旋状に設けられる。
このように構成された付加加工用ヘッドによれば、エネルギー線の軸中心に対する半径方向において、付加加工用ヘッドをコンパクトに構成することができる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドは、ノズルが接続され、ノズルをエネルギー線の周りで周方向に移動させるように、±Ａ°の範囲で回転する回転部材と、エネルギー線が通される中空部を有し、回転部材の回転軸方向において回転部材と連設される固定部材とをさらに備える。管部材は、固定部材の周りで周回するように設けられる。回転部材が０°の位相位置にある時の管部材の周回径を基準にして、回転部材が０°から＋Ａ°の位相位置に向けて回転する間、管部材は、その周回径が大きくなるように変形し、回転部材が０°から−Ａ°の位相位置に向けて回転する間、管部材は、その周回径が小さくなるように変形する。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、管部材が、固定部材の周りにおける周回径が変化するように変形することにより、導入部およびノズル間の相対的な位置関係の変化を吸収することができる。

また好ましくは、回転部材が−Ａ°の位相位置にある時、管部材は、固定部材と接触する。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、エネルギー線の軸中心に対する半径方向において、付加加工用ヘッドをコンパクトに構成することができる。

この発明に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、上述のいずれかに記載の付加加工用ヘッドと、ワークを保持するワーク保持部と、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部とを備える。

このように構成された加工機械によれば、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械が備える付加加工用ヘッドにおいて、周方向に移動するノズルに材料を供給する機構を、簡易な構成により実現するとともに、ノズルの周方向における移動に伴ってワークへの材料の供給量が変動することを抑制できる。

以上に説明したように、この発明に従えば、周方向に移動するノズルに材料を供給する機構を、簡易な構成により実現するとともに、ノズルの移動に伴ってワークへの材料の供給量が変動することを抑制する付加加工用ヘッド、および、そのような付加加工用ヘッドを備える加工機械を提供することができる。

この発明の実施の形態における付加加工用ヘッドを備える加工機械を示す斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す別の斜視図である。 図１中の付加加工用ヘッドの光学系を模式的に表した図である。 図１中の付加加工用ヘッドの先端部を示す斜視図である。 付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。 ワークに行なわれる付加加工の一例を示す斜視図である。 図７中の付加加工において、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、材料粉末の吐出方向との関係を示す図である。 図５中のＩＸ−ＩＸ線上の矢視方向から見たレーザツールを示す断面図である。 図５中のＩＸ−ＩＸ線上の矢視方向から見たレーザツールを示す別の断面図である。 図５中のＩＸ−ＩＸ線上の矢視方向から見たレーザツールを示すさらに別の断面図である。

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、この発明の実施の形態における付加加工用ヘッドを備える加工機械を示す斜視図である。図１中には、加工機械の加工エリア内の様子が示されている。

図１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の全体構造について説明すると、加工機械１００は、第１主軸台１１１と、第２主軸台（不図示）と、工具主軸１２１と、下刃物台（不図示）とを有する。第１主軸台１１１、第２主軸台、工具主軸１２１および下刃物台は、スプラッシュガード２０６により囲われた加工エリア２００内に設けられている。

第１主軸台１１１は、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させるための主軸１１２を有する。主軸１１２は、水平方向に延びるＺ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられている。主軸１１２には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構が設けられている。第２主軸台（不図示）は、第１主軸台１１１と同様の構造を有し、Ｚ軸方向において第１主軸台１１１と対向して設けられている。

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、鉛直方向に延びるＸ軸に平行な中心軸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や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。工具主軸１２１がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動することによって、工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に変位する。工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている。

下刃物台（不図示）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。下刃物台は、図示しないサドル等によりベッド上に支持されている。下刃物台は、サドル等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１を有する。付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線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））。エネルギー線としては、代表的に、レーザ光および電子ビームが挙げられる。本実施の形態では、付加加工にレーザ光が用いられる。

付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。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軸方向に移動することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の加工位置が３次元的に変位する。さらに本実施の形態では、工具主軸１２１が中心軸２０４を中心に旋回することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の向き（ワークに対するレーザ光の照射方向）が変化する。除去加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１から離脱される。

なお、付加加工用ヘッド２１を加工エリア２００内で移動させるためのヘッド移動機構が、工具主軸１２１とは別に設けられてもよい。

付加加工用ヘッド２１は、ヘッド本体（本体部）２２と、レーザツール（エネルギー線出射部）２６と、ケーブル継手２３とから構成されている。

ヘッド本体２２には、レーザ光および材料粉末が導入される。付加加工用ヘッド２１のうちヘッド本体２２が、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。レーザツール２６は、ワークに向けてレーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める。

なお、本実施の形態では、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める手段がレーザツール２６に設けられる場合について説明するが、このような構成に限られず、レーザ光の照射領域を定める手段の全部または一部が、ヘッド本体２２および／またはケーブル継手２３に設けられてもよい。

ケーブル継手２３は、ケーブル２４をヘッド本体２２に接続するための継手として設けられている。ケーブル２４は、加工エリア外に設置されたレーザ発振装置（不図示）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と、加工エリア外に設置された材料粉末供給装置（不図示）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、これらを収容する管部材とから構成されている。

なお、付加加工用ヘッド２１を備える加工機械は、上記のＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械に限られない。たとえば、付加加工用ヘッド２１を備える加工機械は、旋盤ベースのＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械であってもよいし、マシニングセンタベースのＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械であってもよい。マシニングセンタベースのＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械の場合、ワークを保持するワーク保持部としてテーブルが用いられる。また、付加加工用ヘッド２１を備える加工機械は、付加加工のみ実行可能な加工機械であってもよい。

続いて、図１中の付加加工用ヘッドの構造についてより詳細に説明する。図２は、図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す斜視図である。図３は、図１中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す別の斜視図である。図中には、レーザツール２６がヘッド本体２２から分離された状態が示されている。

図２および図３を参照して、まず、ヘッド本体２２およびレーザツール２６の連結機構について説明する。ヘッド本体２２およびレーザツール２６は、それぞれ、連結部５１および連結部５２を有する。連結部５１および連結部５２には、クランプ機構が内蔵されており、ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、そのクランプ機構が作動することによって、連結部５１および連結部５２が互いに連結される。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。

次に、付加加工用ヘッド２１においてワークに対してレーザ光を照射するための機構について説明する。ヘッド本体２２は、光ファイバ４１、レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５を有する。

光ファイバ４１には、図１中のケーブル２４からレーザ光が導かれる。光ファイバ４１は、レーザ光入射管４２に接続されている。レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５は、挙げた順に連なって設けられている。レーザ光入射管４２、レーザ光通路筐体４３、レーザ光通路管４４およびレーザ光通路筐体４５は、ヘッド本体２２におけるレーザ光の通路を形成している。

レーザツール２６は、レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９を有する。レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９は、連なって設けられている。レーザ光通路筐体４８およびレーザ光出射筐体４９は、レーザツール２６におけるレーザ光の通路を形成している。

ヘッド本体２２およびレーザツール２６は、それぞれ、接続部４６および接続部４７を有する。ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、接続部４６に接続部４７が接続されることによって、ヘッド本体２２およびレーザツール２６間でレーザ光の通路が連通する。

図４は、図１中の付加加工用ヘッドの光学系を模式的に表した図である。図２から図４を参照して、ヘッド本体２２は、コリメーションレンズ６１、反射鏡６２、反射鏡６３および保護ガラス６４を有する。

コリメーションレンズ６１は、レーザ光入射管４２に収容されている。コリメーションレンズ６１は、光ファイバ４１から入力されたレーザ光を平行光にして、反射鏡６２および反射鏡６３に向けて送る。反射鏡６２および反射鏡６３は、それぞれ、レーザ光通路筐体４３およびレーザ光通路筐体４５に収容されている。反射鏡６２および反射鏡６３は、コリメーションレンズ６１からのレーザ光を反射させてレーザツール２６に向けて送る。

保護ガラス６４は、接続部４６に設けられている。保護ガラス６４は、ヘッド本体２２に内蔵された光学部品を外部雰囲気から保護するために設けられている。

レーザツール２６は、保護ガラス６５、集光レンズ６６および保護ガラス６７を有する。集光レンズ６６は、レーザ光通路筐体４８に収容されている。集光レンズ６６は、レーザ光をワーク上に集光するためのレンズであり、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める光学部品として設けられている。ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める光学部品は、集光レンズ６６に限られず、たとえば、ミラーであってもよい。

保護ガラス６５および保護ガラス６７は、それぞれ、接続部４７およびレーザ光出射筐体４９に設けられている。保護ガラス６５および保護ガラス６７は、レーザツール２６に内蔵された光学部品を外部雰囲気から保護するために設けられている。

ヘッド本体２２には、実行する付加加工の条件に合わせて、複数のレーザツール２６（図４中では、レーザツール２６Ａ、レーザツール２６Ｂおよびレーザツール２６Ｃ）のうちいずれか１つのレーザツール２６が選択的に装着される。複数のレーザツール２６は、ワーク上に定められるレーザ光の照射領域の形状や大きさが互いに異なる。

図４中に示す例でいえば、レーザツール２６Ａは、集光レンズ６６Ａを有し、この集光レンズ６６Ａによって、ワーク上に直径２ｍｍの円形の照射領域を定める。レーザツール２６Ｂは、ホモジナイザー６８および集光レンズ６６Ｂを有し、このホモジナイザー６８および集光レンズ６６Ｂによって、ワーク上に３ｍｍ×８ｍｍの矩形の照射領域を定める。レーザツール２６Ｃは、集光レンズ６６Ｃを有し、この集光レンズ６６Ｃによって、ワーク上に直径４ｍｍの円形の照射領域を定める。

図５は、図１中の付加加工用ヘッドの先端部を示す斜視図である。図２から図５を参照して、次に、付加加工用ヘッド２１においてワークに対して材料粉末を吐出するための機構について説明する。

レーザツール２６は、固定部材７１、回転部材７６およびノズル７８を有する（図２および図３中では、ノズル７８の図示が省略されている）。

固定部材７１は、レーザ光出射筐体４９と隣り合って設けられている。固定部材７１は、レーザ光出射筐体４９に対して、レーザ光通路筐体４８の反対側に設けられている。固定部材７１は、レーザツール２６を構成する他の部品に固定して設けられている。

回転部材７６は、中心軸２２１（図５を参照のこと）を中心に回転可能に設けられている。中心軸２２１は、レーザツール２６からワークに向けて照射されるレーザ光３１１の光軸に沿った方向に延びる。本実施の形態では、中心軸２２１が、レーザ光３１１の光軸と重なる。回転部材７６は、中心軸２２１の軸方向において、固定部材７１と連設されている。すなわち、回転部材７６および固定部材７１は、中心軸２２１の軸方向において並んで設けられている。

固定部材７１には、中空部７４が形成されている（図５を参照のこと）。回転部材７６には、中空部７７が形成されている（図３を参照のこと）。レーザ光３１１は、中空部７４および中空部７７を通り、レーザツール２６からワークに向けて照射される。

固定部材７１および回転部材７６の構造についてより具体的に説明すると、固定部材７１は、基部７２および円筒部７３から構成されている。基部７２は、レーザ光出射筐体４９と隣り合って設けられている。円筒部７３は、中空部７４を備えた円筒形状を有する。円筒部７３は、基部７２からレーザ光３１１の光軸方向に沿って円筒状に延出するように設けられている。回転部材７６は、基部７２から円筒状に延出する円筒部７３の先端に設けられている。回転部材７６は、中空部７７を備えた円板形状を有する。

ノズル７８は、回転部材７６に接続されている。ノズル７８は、ワークに向けて材料粉末を吐出する。図１中のケーブル２４から付加加工用ヘッド２１に導かれた材料粉末は、後述するチューブ８１を通じてノズル７８に供給される。

ノズル７８は、回転部材７６からレーザ光３１１の光軸方向に沿って延出している。ノズル７８は、中心軸２２１（レーザ光３１１の光軸）からその半径方向に離れた位置に設けられている。ノズル７８は、回転部材７６から延出する先端に、材料粉末を吐出する吐出口７８ｊを有する。吐出口７８ｊは、中心軸２２１（レーザ光３１１の光軸）からその半径方向に離れた位置で開口している。吐出口７８ｊは、ワーク上に形成されるレーザ光３１１の照射領域（スポット）と対向して開口している。

ノズル７８は、回転部材７６が中心軸２２１を中心に回転するのに伴って、ワークに向けて照射されるレーザ光３１１の周りで周方向に移動する。特に本実施の形態では、回転部材７６の回転中心である中心軸２２１が、レーザ光３１１の光軸と重なるため、ノズル７８はレーザ光３１１の光軸を中心に回転移動する。

ヘッド本体２２は、回転駆動源としてのサーボモータ３１と、クラッチ板３２とを有する。レーザツール２６は、クラッチ板３３と、回転シャフト３４と、プーリベルト３５とを有する。

クラッチ板３２は、サーボモータ３１の出力軸に接続されている。回転シャフト３４は、クラッチ板３３に接続されている。ヘッド本体２２に対するレーザツール２６の装着時、クラッチ板３３がクラッチ板３２に摩擦係合することにより、サーボモータ３１から出力された回転が回転シャフト３４に伝達される。プーリベルト３５は、回転シャフト３４および回転部材７６に設けられたプーリ（不図示）間に掛け渡されている。回転シャフト３４の回転がプーリベルト３５を介して回転部材７６に伝達されることによって、回転部材７６が中心軸２２１を中心に回転する。

図６は、付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。図６を参照して、付加加工時、付加加工用ヘッド２１が装着された工具主軸１２１の移動、および／または、ワーク４００を保持する第１主軸台１１１の主軸１１２の回転によって（図１を参照のこと）、レーザツール２６をワーク４００に対向させつつ、付加加工用ヘッド２１およびワーク４００を相対的に移動させる。このとき、付加加工用ヘッド２１（レーザツール２６）からワーク４００に向けて、レーザ光３１１と、材料粉末３１２と、シールドおよびキャリア用のガス３１３とが吐出される。これにより、ワーク４００の表面に溶融点３１４が形成され、その結果、材料粉末３１２が溶着する。

具体的には、ワーク４００の表面に肉盛層３１６が形成される。肉盛層３１６上には、肉盛素材３１５が盛られる。肉盛素材３１５が冷却されると、ワーク４００の表面に加工可能な層が形成された状態となる。材料粉末としては、アルミニウム合金およびマグネシウム合金等の金属粉末や、セラミック粉末を利用することができる。

本実施の形態における付加加工用ヘッド２１においては、サーボモータ３１の制御によって、ワークに対する付加加工用ヘッド２１の相対移動方向を基準にして、材料粉末がノズル７８からワークに向けて吐出される方向が一定となるように、ノズル７８が回転駆動される。以下、そのような制御が行なわれる理由について説明する。

図７は、ワークに行なわれる付加加工の一例を示す斜視図である。図８は、図７中の付加加工において、ワークおよび付加加工用ヘッドの相対移動方向と、材料粉末の吐出方向との関係を示す図である。

図７および図８を参照して、付加加工用ヘッド２１による付加加工により、ワーク４００の表面上に波形状の肉盛層４０１を形成する場合が想定されている。この場合、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１を波状に相対移動させながら、肉盛層４０１を積層してゆく。このとき、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向は、図８中の矢印２１３に示す方向となり、加工の進行とともに連続的に変化する。

材料粉末は、ノズル７８の吐出口７８ｊからワーク４００上のレーザ光３１１のスポット３１１ｐに向けて吐出される。レーザ光３１１の光軸方向から見て、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向は、図８中の矢印２１４に示す方向となる。この際、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向との間には、ワーク４００への材料粉末の付着効率が良好となる最適な角度関係が存在する。このような角度関係は、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向との角度を変えながら、ワーク４００への材料粉末の付着状況を調べることによって特定することができる。図中に示す付加加工の一例では、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向とがなす角度がθである場合に、ワーク４００への材料粉末の付着効率が最も良好となる（たとえば、ノズル７８からの材料粉末の吐出量に対して７０〜９０％の割合）。

本実施の形態における付加加工用ヘッド２１においては、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向の変化にかかわらず、ワーク４００および付加加工用ヘッド２１の相対移動方向と、ワーク４００に対する材料粉末の吐出方向とがなす角度がθに保たれるように、ノズル７８がレーザ光３１１の周りで回転駆動される。

これにより、付加加工の全体に渡ってワーク４００への材料粉末の付着効率が良好となり、材料粉末の歩留まりを向上させることができる。また、ワーク４００への材料粉末の付着効率にばらつきが生じないため、周方向において一定の厚みを備えた肉盛層４０１を形成することができる。

続いて、付加加工用ヘッド２１におけるノズル７８への材料粉末の供給機構について説明する。

図２、図３および図５を参照して、付加加工用ヘッド２１に導かれた材料粉末は、ヘッド本体２２から、レーザツール２６における連結部５２に導入される。レーザツール２６は、チューブ８１を有する。チューブ８１は、連結部５２およびノズル７８の間に設けられている。チューブ８１は、連結部５２に導入された材料粉末をノズル７８に向けて供給する。

本実施の形態では、チューブ８１が、連結部５２およびノズル７８の間に着脱可能に設けられている。より具体的には、連結部５２には、配管継手８６が接続されている。ノズル７８の端部（吐出口７８ｊとは反対側の端部）には、配管継手８５が接続されている。チューブ８１の一方端が配管継手８６を介して連結部５２に接続され、チューブ８１の他方端が配管継手８５を介してノズル７８に接続されている。

このような構成によれば、材料粉末の供給路を形成するチューブ８１の内壁が摩耗した場合であっても、チューブ８１を容易に交換することができる。これにより、付加加工用ヘッド２１のメンテナンス性を向上させることができる。

チューブ８１は、可撓性を有する。チューブ８１は、たとえば、樹脂製のフレキシブルチューブである。チューブ８１の内周面には、耐摩耗性を向上させるためのコーティング層が設けられてもよい。

チューブ８１は、レーザ光３１１の周りで周回するように設けられている。チューブ８１の周回中心軸は、レーザ光３１１の光軸に略一致する。チューブ８１は、レーザ光３１１の周りで複数回、周回するように設けられている。図５中に示す例では、チューブ８１は、レーザ光３１１の周りで５回、周回するように設けられている。チューブ８１は、レーザ光３１１の光軸方向に沿って螺旋状に設けられている。すなわち、チューブ８１は、レーザ光３１１の光軸方向にずれながらレーザ光３１１の周りを周回している。

チューブ８１は、固定部材７１（より具体的には、円筒部７３）の周りで周回するように設けられている。チューブ８１の周回中心軸は、回転部材７６の回転中心である中心軸２２１に略一致する。

固定部材７１（より具体的には、基部７２）には、留め具８２が取り付けられている。回転部材７６には、留め具８３が取り付けられている。チューブ８１は、レーザ光３１１の周りで周回する区間の一方端にて、留め具８２により固定部材７１に支持され、レーザ光３１１の周りで周回する区間の他方端にて、留め具８３により回転部材７６に支持されている。

レーザツール２６は、複数の保持ピン８８を有する。複数の保持ピン８８は、チューブ８１をレーザ光３１１（円筒部７３）の周りで周回する形態に保持するように構成されている。

より具体的には、保持ピン８８は、ピン形状を有する。保持ピン８８は、円筒部７３の外周面から径方向外側に突出するように設けられている。複数の保持ピン８８は、円筒部７３におけるチューブ８１の経路に沿って設けられている。すなわち、複数の保持ピン８８は、中心軸２２１の軸方向に位置をずらしながら、中心軸２２１の周方向に所定間隔（本実施の形態では、９０°間隔）を隔てて設けられている。チューブ８１は、中心軸２２１の軸方向に隣り合う保持ピン８８の間に位置決めされることにより、レーザ光３１１の周りで周回する形態に保持されている。

なお、周方向において保持ピン８８が設けられる間隔は、特に限定されず、たとえば、１２０°間隔であってもよいし、６０°間隔であってもよい。周方向において保持ピン８８が設けられる間隔は、等間隔であることが好ましい。チューブ８１をレーザ光３１１の周りで周回する形態に保持する機構は、上記のピン構造に限られず、たとえば、円筒部７３の外周面上において中心軸２２１を中心に螺旋状に延びるリブ構造であってもよい。

チューブ８１は、直線状のチューブ材であってもよいし、予め螺旋状に成形されたチューブ材であってもよい。

図９から図１１は、図５中のＩＸ−ＩＸ線上の矢視方向から見たレーザツールを示す断面図である。

図５および図９から図１１を参照して、本実施の形態では、回転部材７６が、中心軸２１１を回転中心として±１８０°の範囲で回転する。図９中には、回転部材７６が０°の位相位置にある時のノズル７８の吐出口７８ｊおよびチューブ８１が示され、図１０中には、回転部材７６が＋１８０°の位相位置にある時のノズル７８の吐出口７８ｊおよびチューブ８１が示され、図１１中には、回転部材７６が−１８０°の位相位置にある時のノズル７８の吐出口７８ｊおよびチューブ８１が示されている。

付加加工用ヘッド２１においては、ノズル７８の周方向における移動に伴って、材料粉末が導入される連結部５２と、材料粉末を吐出するノズル７８との間の相対的な位置関係が変化する。これに対して、レーザ光３１１の周りを周回するチューブ８１が、ノズル７８の移動方向に合わせて拡径方向または縮径方向に変形することによって、連結部５２およびノズル７８間の相対的な位置関係を吸収することができる。

より具体的には、回転部材７６が０°の位相位置にある時のチューブ８１の周回径を基準にして、回転部材７６が０°から＋１８０°の位相位置に向けて回転する間、チューブ８１は、その周回径が大きくなるように変形する（図９に示すチューブ８１から図１０に示すチューブ８１への変形）。回転部材７６が０°から−１８０°の位相位置に向けて回転する間、チューブ８１は、その周回径が小さくなるように変形する（図９に示すチューブ８１から図１１に示すチューブ８１への変形）。

この際、チューブ８１をレーザ光３１１の周りで複数回、周回させる構成によって、ノズル７８の移動に伴うチューブ８１の周回径の変化量を小さく抑えることができる。これにより、付加加工用ヘッド２１をコンパクトに構成することができる。また、チューブ８１は、レーザ光３１１の光軸方向に沿って螺旋状に設けられるため、特にレーザ光３１１の光軸に対する半径方向（中心軸２１１の半径方向）において、付加加工用ヘッド２１をコンパクトに構成することができる。

さらに本実施の形態では、回転部材７６が−１８０°の位相位置にある時、チューブ８１が、固定部材７１（円筒部７３の外周面）に接触する。このような構成によれば、ノズル７８の移動に伴って変化するチューブ８１の周回径の最大値を小さく抑えることができる。

なお、回転部材７６の回転範囲は、上記の±１８０°に限られず、付加加工時におけるレーザ照射の軌跡などを考慮して適宜、設定してもよい。この際、回転部材７６の回転範囲に合わせて、チューブ８１の周回数や全長などを変更してもよい。

チューブ８１の周回形態は、上記のレーザ光３１１の光軸方向に沿った螺旋状に限られず、たとえば、レーザ光３１１の光軸を中心とする渦巻き形状であってもよい。

本発明が適用される付加加工法は、指向性エネルギー堆積法に限られず、たとえば、材料上に原料ガスを供給しながらレーザ光を照射するレーザＣＶＤ法であってもよい。

以上に説明した、この発明の実施の形態における付加加工用ヘッド２１および加工機械１００の構造を、本発明の構成と対応させて説明すると、本実施の形態における付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料としての材料粉末を吐出するとともにエネルギー線としてのレーザ光３１１を照射しながら相対移動可能な付加加工用ヘッドである。付加加工用ヘッド２１は、材料粉末が導入される導入部としての連結部５２と、ワークに向けて照射されるレーザ光３１１の周りで周方向に移動可能に設けられ、材料粉末を吐出するノズル７８と、連結部５２およびノズル７８の間に設けられ、連結部５２に導入された材料粉末をノズル７８に向けて供給する管部材としてのチューブ８１とを備える。チューブ８１は、可撓性を有し、レーザ光３１１の周りで周回するように設けられる。

また、加工機械１００は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１と、ワークを保持するワーク保持部としての第１主軸台１１１および第２主軸台と、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部としての工具主軸１２１および下刃物台とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態における付加加工用ヘッド２１および加工機械１００によれば、周方向に移動するノズル７８に材料粉末を供給する機構を、簡易な構成により実現するとともに、ノズル７８の移動に伴ってワークへの材料粉末の供給量が変動することを抑制できる。

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、たとえば、指向性エネルギー堆積法による付加加工を実行するための付加加工用ヘッドに適用される。

２１ 付加加工用ヘッド、２２ ヘッド本体、２３ ケーブル継手、２４ ケーブル、２６，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ レーザツール、３１ サーボモータ、３２，３３ クラッチ板、３４ 回転シャフト、３５ プーリベルト、４１ 光ファイバ、４２ レーザ光入射管、４３，４５，４８ レーザ光通路筐体、４４ レーザ光通路管、４６，４７ 接続部、４９ レーザ光出射筐体、５１，５２ 連結部、６１ コリメーションレンズ、６２，６３ 反射鏡、６４，６５，６７ 保護ガラス、６６，６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ 集光レンズ、６８ ホモジナイザー、７１ 固定部材、７２ 基部、７３ 円筒部、７４，７７ 中空部、７６ 回転部材、７８ ノズル、７８ｊ 吐出口、８１ チューブ、８２，８３ 留め具、８５，８６ 配管継手、８８ 保持ピン、１００ 加工機械、１１１ 第１主軸台、１１２ 主軸、１２１ 工具主軸、２０１，２０３，２０４，２１１，２２１ 中心軸、２０６ スプラッシュガード、３１１ レーザ光、３１１ｐ スポット、３１２ 材料粉末、３１３ ガス、３１４ 溶融点、３１５ 肉盛素材、３１６，４０１ 肉盛層、４００ ワーク。

Claims (8)

1. ワークに対して材料を吐出するとともにエネルギー線を照射しながら相対移動可能な付加加工用ヘッドであって、
   材料が導入される導入部と、
   ワークに向けて照射されるエネルギー線の周りで周方向に移動可能に設けられ、材料を吐出するノズルと、
   前記導入部および前記ノズルの間に設けられ、前記導入部に導入された材料を前記ノズルに向けて供給する管部材とを備え、
   前記管部材は、可撓性を有し、エネルギー線の周りで周回するように設けられる、付加加工用ヘッド。
2. 前記管部材を、エネルギー線の周りで周回する形態に保持する保持部をさらに備える、請求項１に記載の付加加工用ヘッド。
3. 前記管部材は、前記導入部および前記ノズルの間に着脱可能に設けられる、請求項１または２に記載の付加加工用ヘッド。
4. 前記管部材は、エネルギー線の周りで複数回、周回するように設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッド。
5. 前記管部材は、エネルギー線の軸方向に沿って螺旋状に設けられる、請求項４に記載の付加加工用ヘッド。
6. 前記ノズルが接続され、前記ノズルをエネルギー線の周りで周方向に移動させるように、±Ａ°の範囲で回転する回転部材と、
   エネルギー線が通される中空部を有し、前記回転部材の回転軸方向において前記回転部材と連設される固定部材とをさらに備え、
   前記管部材は、前記固定部材の周りで周回するように設けられ、
   前記回転部材が０°の位相位置にある時の前記管部材の周回径を基準にして、前記回転部材が０°から＋Ａ°の位相位置に向けて回転する間、前記管部材は、その周回径が大きくなるように変形し、前記回転部材が０°から−Ａ°の位相位置に向けて回転する間、前記管部材は、その周回径が小さくなるように変形する、請求項１から５のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッド。
7. 前記回転部材が−Ａ°の位相位置にある時、前記管部材は、前記固定部材と接触する、請求項６に記載の付加加工用ヘッド。
8. ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械であって、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッドと、
   ワークを保持するワーク保持部と、
   ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部とを備える、加工機械。

Images