JP6535821B2 - 付加加工用ヘッドおよび加工機械 - Google Patents

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。

付加加工を実現するための従来の装置として、たとえば、特開２００９−２５９８６０号公報（特許文献１）には、良好な加工品質で加工を行なうことを目的とした、レーザ加工装置が開示されている。

特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持台と、レーザ光源を出射したレーザビームから、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成し、保持台に保持された加工対象物に半径可変に入射させる光学系と、輪帯状のレーザビームの半径が変化した時に、輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変化を抑制する向きに、レーザ光源の出力または輪帯状のレーザビームの幅を変化させる制御装置を備える。

そのほか、特開２００９−１８６９３６号公報（特許文献２）、特開２００８−２６００３５号公報（特許文献３）、特開２００８−１３４４６８号公報（特許文献４）、特開２０１２−１１５８５４号公報（特許文献５）、特開昭６２−１７７１０７号公報（特許文献６）、特開昭５７−１０２２６７号公報（特許文献７）および特開２００４−３２２１８３号公報（特許文献８）にも、付加加工を実現するための各種装置が開示されている。

特開２００９−２５９８６０号公報 特開２００９−１８６９３６号公報 特開２００８−２６００３５号公報 特開２００８−１３４４６８号公報 特開２０１２−１１５８５４号公報 特開昭６２−１７７１０７号公報 特開昭５７−１０２２６７号公報 特開２００４−３２２１８３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。そのような付加加工法の一例として、指向性エネルギー堆積法（Directed Energy Deposition Method）と、粉末床溶融法（Powder Bed Fusion Method）とがある。指向性エネルギー堆積法のプロセスでは、付加加工用ヘッドからワークに対して材料粉末を供給するとともに、レーザ光を照射する。粉末床溶融法のプロセスでは、粉末床の表面付近を熱により選択的に溶融・固化して積層する。

指向性エネルギー堆積法の有利な点を挙げると、次のとおりである。
（ａ）粉末床溶融法と比較して、材料粉末を高速で堆積することができる。
（ｂ）複数の材料粉末を、同時に堆積することができる。
（ｃ）ベースとなる材料とは異なる種類の材料粉末が供給されることにより、堆積される材料を被覆することができる。
（ｄ）付加加工用ヘッドを広域で移動させることにより、大きいサイズのワークに対して付加加工を行なうことができる。
（ｅ）材料粉末を部分的に堆積させることが可能であるため、指向性エネルギー堆積法を用いて、金型やブレードなどを修復するプロセスに利用することができる。

他方、指向性エネルギー堆積法の不利な点を挙げると、次のとおりである。
（ａ）材料粉末の堆積精度が、粉末床溶融法よりも劣る。
（ｂ）レーザ出力、材料粉末供給量、キャリアガス供給量および送り速度など、プロセスのパラメータの組み合わせが、複雑である。そのことが、これらパラメータの最適化を困難としている。

このように指向性エネルギー堆積法は、多くの有利な点を有するが、材料粉末の利用効率は、プロセスにおけるパラメータの組み合わせに依存する。材料粉末の利用効率が低いと、以下の問題が生じる。
（ａ）材料粉末が高価であるため、加工チャンバに積もった材料粉末を集める装置が必要となる。集められなかった材料粉末は、廃棄されることになる。
（ｂ）加工チャンバのメンテナンスが困難になる。材料粉末がガイドのような機構に侵入した場合、加工機械の故障の原因となる。
（ｃ）アルミニウムのような材料粉末は、適切な処理が必要となる。

しかしながら、上記のとおり、指向性エネルギー堆積法では、プロセスのパラメータの組み合わせが複雑であり、また、レーザ光の外周側から材料粉末を供給すると、メルトプールの外側に材料粉末が飛散することを解消することが難しいため、材料粉末の利用効率を１００％に近い状態にすることは極めて困難である。

一方、材料粉末の利用効率を向上させることを目的に、付加加工用ヘッドからワークに向けてリング状レーザ光を出射するとともに、材料粉末をそのリング状レーザ光の内側からワークに向けて供給する方法が考えられる。しかしながら、このような方法を用いた場合、リング状レーザ光の大きさは、レーザ光の焦点位置からの距離に応じて、その外径側および内径側の双方において変化するため、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを自在に制御するための手段を設ける必要がある。

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、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを自在に制御することが可能な付加加工用ヘッドおよび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粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう付加加工用ヘッドである。付加加工用ヘッドは、レーザ光の光軸方向において対向して配置される第１アキシコンレンズおよび第２アキシコンレンズと、第１アキシコンレンズおよび第２アキシコンレンズの間に配置される凸レンズとを有し、第１アキシコンレンズに入射されたレーザ光をリング状にして第２アキシコンレンズより出射するリング状レーザ光形成部と、凸レンズをレーザ光の光軸方向に移動させる第１移動機構部と、リング状レーザ光をワークに向けて出射するレーザ光出射部と、レーザ光出射部から出射されるリング状レーザ光の内側に配置され、材料粉末を排出する排出口を有し、排出口からワークに向けて材料粉末を供給する材料供給部とを備える。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、第１移動機構部による凸レンズの移動によって、レーザ光の光軸方向における第１アキシコンレンズおよび凸レンズ間の距離を変化させる。これにより、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを自在に制御することが可能となる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドは、排出口およびワークの間の距離が変化するように、材料供給部を移動させる第２移動機構部をさらに備える。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、ワーク上におけるレーザ光の照射領域と、ワークに向けて供給される材料粉末の拡散範囲とを適切に対応させることによって、ワークの付加加工を効率良く行なうことができる。

この発明に従った加工機械は、ワークの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、付加加工用ヘッドおよびワークの少なくともいずれか一方を移動させる第３移動機構部と、第１移動機構部による凸レンズの移動、ならびに、第３移動機構部による付加加工用ヘッドおよびワークの少なくともいずれか一方の移動を制御する制御装置とを備える。制御装置は、ワークおよびレーザ光出射部間の距離、ならびに、レーザ光の光軸方向における第１アキシコンレンズおよび凸レンズ間の距離と、ワーク上に形成されるレーザ光の照射領域の大きさとの関係に関するデータを記憶する記憶部と、ワーク上に形成するレーザ光の照射領域の大きさを特定し、特定したレーザ光の照射領域を記憶部に記憶されたデータに照らし合わせることにより、ワークおよびレーザ光出射部間の距離、ならびに、レーザ光の光軸方向における第１アキシコンレンズおよび凸レンズ間の距離を決定する制御部とを含む。

このように構成された加工機械によれば、ワークおよびレーザ光出射部間の距離と、第１アキシコンレンズおよび凸レンズ間の距離とを制御することによって、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを自在に制御することができる。

また好ましくは、加工機械は、リング状レーザ光形成部に向かうレーザ光を発振するレーザ光発振装置をさらに備える。制御装置は、レーザ光発振装置において発振するレーザ光の出力をさらに制御する。制御部は、レーザ光の照射領域を変化させた場合に、レーザ光の照射領域の単位面積当たりのエネルギー密度およびメルトプールの温度が一定となるように、レーザ光の出力を決定する。

このように構成された加工機械によれば、ワーク上におけるレーザ光の照射領域を変化させた場合であっても、ワークの付加加工を安定して行なうことができる。

また好ましくは、半径方向におけるリング状レーザ光の厚みは、レーザ光の光軸方向における第１アキシコンレンズおよび凸レンズ間の距離が増大するのに従って、極小値に向けて徐々に減少する第１区間と、極小値から徐々に増大する第２区間とを有するように変化する。第２区間におけるリング状レーザ光の厚みの変化の割合は、第１区間におけるリング状レーザ光の厚みの変化の割合よりも小さい。制御部は、記憶部に記憶されたデータに基づき、第２区間の範囲内において、レーザ光の光軸方向における第１アキシコンレンズおよび凸レンズ間の距離を決定する。

このように構成された加工機械によれば、リング状レーザ光の厚みをより高精度に制御することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを自在に制御することが可能な付加加工用ヘッドおよび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加工機械を示す正面図である。 図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。 図１および図２中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す図である。 付加加工時のワーク表面を示す断面図である。 図４中のワーク表面を示す平面図である。 ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを示す図である。 図３中の付加加工用ヘッドにおいて、凸レンズの位置を示す図である。 図３中の付加加工用ヘッドにおいて、レーザ光出射部およびワーク間の位置関係を示す図である。 ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを制御するための機構を示すブロック図である。 ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを制御する方法のより具体的な例を示す図である。 レーザ光の焦点距離Ｌ_ｆｏｃと、チューブワーク間距離Ｌ_ｔ−ｗｐとの関係を示す図である。 図４中の付加加工時のワーク表面の変形例を示す断面図である。 図１２中のワーク表面を示す平面図である。

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加工機械を示す正面図である。図１中には、加工機械の外観をなすカバー体を透視することにより、加工機械の内部が示されている。図２は、図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。

図１および図２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。

まず、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、ベッド１３６、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を有する。

ベッド１３６は、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を支持するためのベース部材であり、工場などの据付け面に設置されている。第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１は、スプラッシュガード２１０により区画形成された加工エリア２００に設けられている。

第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、水平方向に延びるＺ軸方向において、互いに対向して設けられている。第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、それぞれ、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第１主軸１１２および第２主軸１１７を有する。第１主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられ、第２主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能に設けられている。第１主軸１１２および第２主軸１１７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１１６は、各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｚ軸方向に移動可能に設けられている。

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１３６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に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に移動する。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。

なお、図１中には示されていないが、第１主軸台１１１の周辺には、工具主軸１２１に装着された工具を自動交換するための自動工具交換装置と、工具主軸１２１に装着する交換用の工具を収容する工具マガジンとが設けられている。

下刃物台１３１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１３１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。

より具体的には、下刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０６を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、固定工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が中心軸２０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

下刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１３６上に支持されている。下刃物台１３１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をさらに有する。付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を供給するとともにレーザ光（レーザビーム）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））。材料粉末としては、たとえば、ステンレス、インコネル（登録商標）またはチタン合金などを利用することができる。

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。除去加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１から分離され、図示しないヘッドストッカに格納される。

工具主軸１２１には、クランプ機構が設けられており、工具主軸１２１に対する付加加工用ヘッド２１の装着時、そのクランプ機構が動作することによって、付加加工用ヘッド２１が工具主軸１２１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。

加工機械１００は、パウダーフィーダ７０と、レーザ光発振装置７６と、ケーブル２４とをさらに有する。

パウダーフィーダ７０は、付加加工に用いられる材料粉末を、加工エリア２００内の付加加工用ヘッド２１に向けて導入する。パウダーフィーダ７０は、タンク部としてのパウダーホッパー７２と、混合部７１とを有する。パウダーホッパー７２は、付加加工に用いられる材料粉末を収容するための密閉空間を形成する。混合部７１は、パウダーホッパー７２に収容された材料粉末と、材料粉末のキャリア用のガスとを混合する。

レーザ光発振装置７６は、付加加工に用いられるレーザ光を発振する。ケーブル２４は、レーザ光発振装置７６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ーと、パウダーフィーダ７０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。

続いて、付加加工用ヘッド２１の構造について詳細に説明する。図３は、図１および図２中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す図である。

図３を参照して、付加加工用ヘッド２１は、外部から導入されたレーザ光をワークに向けて出射するための光学系として、レーザ光コリメート部３１と、リング状レーザ光形成部３２と、レーザ光案内部３３と、レーザ光出射部３４とを有する。

レーザ光コリメート部３１、リング状レーザ光形成部３２、レーザ光案内部３３およびレーザ光出射部３４は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並ぶ。

レーザ光コリメート部３１には、ケーブル２４（図１および図２を参照のこと）からのレーザ光が光ファイバー４１を通じて導入される。レーザ光コリメート部３１は、コリメーションレンズ４２を有する。コリメーションレンズ４２は、中心軸１０２の軸上に設けられている。レーザ光コリメート部３１は、コリメーションレンズ４２により光ファイバー４１から入力されたレーザ光を平行光にして、リング状レーザ光形成部３２に向けて送る。

リング状レーザ光形成部３２は、アキシコンレンズ４３およびアキシコンレンズ４５と、凸レンズ４４とを有する。アキシコンレンズ４３、凸レンズ４４およびアキシコンレンズ４５は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並んで設けられている。アキシコンレンズ４３、凸レンズ４４およびアキシコンレンズ４５は、中心軸１０２の軸上に設けられている。

アキシコンレンズ４３は、円錐面からなる一方面４３ｍと、平面からなる他方面４３ｎとを有する。アキシコンレンズ４５は、円錐面からなる一方面４５ｍと、平面からなる他方面４５ｎとを有する。アキシコンレンズ４３およびアキシコンレンズ４５は、アキシコンレンズ４３の一方面４３ｍとアキシコンレンズ４５の一方面４５ｍとが向かい合わせとなるように配置されている。凸レンズ４４は、アキシコンレンズ４３およびアキシコンレンズ４５の間に設けられている。凸レンズ４４は、平凸レンズ（片側が凸で、もう片側が平らなレンズ）であってもよいし、両凸レンズであってもよい。

リング状レーザ光形成部３２は、レーザ光コリメート部３１から入力されたレーザ光を、アキシコンレンズ４３、凸レンズ４４およびアキシコンレンズ４５によりリング状に形成する。リング状レーザ光形成部３２から出力されるレーザ光は、リング形状、言い換えれば、レーザ光の進行方向に直交する平面により切断された場合に中心軸１０２の軸周りで帯状に周回する形状を有する。本実施の形態では、リング状レーザ光形成部３２が、レーザ光コリメート部３１から入力されたレーザ光を、円形のリング形状に形成する。より具体的には、アキシコンレンズ４３により、レーザ光を円形のリング状に形成し、凸レンズ４４により、そのリング状レーザ光を（その厚みが小さくなるように）集光させ、アキシコンレンズ４５により、リング状レーザ光を平行光にする。リング状レーザ光形成部３２から出射されるリング状のレーザ光は、中心軸１０２を中心にしてその軸方向に進行する。

レーザ光案内部３３は、ガイドミラー４６およびガイドミラー４７を有する。ガイドミラー４６およびガイドミラー４７は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並んで設けられている。ガイドミラー４６は、中心軸１０２の軸上に設けられている。ガイドミラー４６は、中心軸１０２に対して傾斜して設けられている。ガイドミラー４７は、中心軸１０２に平行な中心軸１０１の軸上に設けられている。ガイドミラー４７は、中心軸１０１に対して傾斜して設けられている。

レーザ光案内部３３は、ガイドミラー４６およびガイドミラー４７による反射により、リング状レーザ光形成部３２から入力されたリング状のレーザ光をレーザ光出射部３４に向けて案内する。レーザ光案内部３３から出力されるリング状のレーザ光は、中心軸１０１を中心にしてその軸方向に進行する。

レーザ光出射部３４は、集光レンズ５１および集光レンズ５４と、保護レンズ５６とを有する。集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並んで設けられている。集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６は、中心軸１０１の軸上に設けられている。

レーザ光出射部３４は、レーザ光案内部３３から入力されたリング状のレーザ光をワークに向けて出射する。レーザ光出射部３４は、集光レンズ５１および集光レンズ５４により、ワークに向けて出射されるリング状のレーザ光を集光させる。レーザ光出射部３４から出射されるリング状のレーザ光は、中心軸１０１を中心にしてその軸方向に進行する。保護レンズ５６は、付加加工用ヘッド２１に内蔵されるレンズ系を外部雰囲気から保護するために設けられている。

なお、ワークに向けて出射するレーザ光の形状は、リング形状であれば特に限定されない。リング状レーザ光形成部３２において各種のプリズムを用いることによって、レーザ光を種々なリング形状に形成することができる。

付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を供給するための機構として、材料粉末供給チューブ６１を有する。

材料粉末供給チューブ６１は、材料粉末を送り出し可能な管形状を有する。材料粉末供給チューブ６１は、中心軸１０１の軸上に沿って設けられている。材料粉末供給チューブ６１には、ケーブル２４（図１および図２を参照のこと）からの材料粉末が導入される。材料粉末供給チューブ６１は、排出口６２を有する。排出口６２は、材料粉末を排出する材料粉末供給チューブ６１の開口部である。材料粉末供給チューブ６１は、排出口６２からワークに向けて材料粉末を供給する。

排出口６２は、レーザ光出射部３４から出射されるリング状のレーザ光の内側に配置されている。排出口６２は、中心軸１０１の軸上に配置されている。排出口６２からワークに向けた材料粉末の供給と、レーザ光出射部３４からワークに向けたリング状のレーザ光の出射とは、ともに中心軸１０１の軸上であって、共軸である。

排出口６２は、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路上において、集光レンズ５１および集光レンズ５４よりも下流側に配置されている。排出口６２は、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路上において、保護レンズ５６よりも下流側に設けられている。

ガイドミラー４７には、貫通孔４８が形成されている。貫通孔４８は、中心軸１０１の軸上においてガイドミラー４７を貫通するように形成されている。貫通孔４８は、中心軸１０１に直交する平面により切断された場合に、材料粉末供給チューブ６１の断面よりも大きい開口面を有する。貫通孔４８には、材料粉末供給チューブ６１が挿通されている。

集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６には、それぞれ、貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７が形成されている。貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７は、中心軸１０１の軸上において、それぞれ、集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６を貫通するように形成されている。貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７は、中心軸１０１に直交する平面により切断された場合に、材料粉末供給チューブ６１の断面よりも大きい開口面を有する。貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７には、材料粉末供給チューブ６１が挿通されている。

付加加工用ヘッド２１は、カバー体２６を有する。カバー体２６は、筐体形状を有し、集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６を収容する空間を形成する。カバー体２６には、開口部２７が形成されている。開口部２７は、中心軸１０１の軸上に配置されている。開口部２７は、付加加工時にワーク表面と対面する位置に設けられている。開口部２７は、集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６を収容する空間と、外部空間との間を連通させる。リング状のレーザ光は、レーザ光出射部３４から開口部２７を通じて外部空間に出射される。

排出口６２は、中心軸１０１の軸方向において、開口部２７よりも外部空間側に突出した位置に設けられることが好ましい。この場合、排出口６２をワークにより近接して配置することができる。

なお、排出口６２は、中心軸１０１の軸方向において開口部２７と重なる位置に設けられてもよいし、カバー体２６内に設けられてもよい。また、排出口６２の位置は、レーザ光出射部３４から出射されるリング状のレーザ光の内側であれば特に限定されず、中心軸１０１の軸上からずれた位置であってもよい。

図４は、付加加工時のワーク表面を示す断面図である。図５は、図４中のワーク表面を示す平面図である。

図４および図５を参照して、レーザ光出射部３４からワーク４００に向けてリング状のレーザ光３１１を出射することにより、ワーク表面にレーザ光照射領域３１２を形成する。材料粉末供給チューブ６１の排出口６２から材料粉末を排出することにより、ワーク４００に向けて出射されるリング状のレーザ光３１１の内側から、レーザ光照射領域３１２の外周縁３１２ｐよりも内側の範囲を含むワーク表面上の領域に向けて材料粉末を供給する。

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（第１主軸１１２）の回転によって、付加加工用ヘッド２１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。この際、ワーク４００に向けてリング状のレーザ光３１１を出射する工程と、ワーク表面に向けて材料粉末を供給する工程とを同時に実行することによって、ワーク表面に材料粉末を溶着させる。

なお、図４中の曲線４１０は、ワーク表面上における正規化されたレーザ光の強度分布を示す。

続いて、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを制御するための機構について説明する。

図３を参照して、付加加工用ヘッド２１は、レンズ移動機構部（第１移動機構部）８１と、チューブ移動機構部（第２移動機構部）８６とを有する。

レンズ移動機構部８１は、凸レンズ４４に接続されている。レンズ移動機構部８１は、凸レンズ４４をレーザ光の光軸方向（中心軸１０２の軸方向）に移動させる。

レンズ移動機構部８１としては、凸レンズ４４の移動量を制御可能なものであれば特に限定されないが、たとえば、オートフォーカスレンズにおける公知のモータ駆動を利用することができる。

チューブ移動機構部８６は、材料粉末供給チューブ６１に接続されている。チューブ移動機構部８６は、その排出口６２とワークとの間の距離が変化するように材料粉末供給チューブ６１を移動させる。チューブ移動機構部８６は、材料粉末供給チューブ６１を、付加加工用ヘッド２１から出射されるリング状レーザの光軸方向（中心軸１０１の軸方向）に移動させる。

チューブ移動機構部８６としては、材料粉末供給チューブ６１の移動量を制御可能なものであれば特に限定されないが、たとえば、モータ駆動や、油圧または空圧による駆動機構を利用することができる。材料粉末供給チューブ６１には、チューブ移動機構部８６による移動時にチューブの伸縮を吸収する機構（たとえば、蛇腹機構）が設けられてもよい。

図６は、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを示す図である。図７は、図３中の付加加工用ヘッドにおいて、凸レンズの位置を示す図である。図８は、図３中の付加加工用ヘッドにおいて、レーザ光出射部およびワーク間の位置関係を示す図である。

図６を参照して、ワーク上におけるレーザ光照射領域３１２の直径（外径）を、「Ｄ_ｒｉｎｇ」という（以下、「リングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇ」ともいう）。ワーク上におけるレーザ光照射領域３１２の半径方向における厚みを、「Ｌ_ｒｉｎｇ」という（以下、「リング厚みＬ_ｒｉｎｇ」ともいう）。リングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇおよびリング厚みＬ_ｒｉｎｇが決定されることによって、ワーク上におけるレーザ光照射領域３１２の大きさが定まる。

なお、図６中には、リング形状を有するレーザ光照射領域３１２が示されているが、ワーク上におけるレーザ光の照射領域は、円形であってもよい。

図７を参照して、付加加工用ヘッド２１のリング状レーザ光形成部３２において、レーザ光の光軸方向におけるアキシコンレンズ４３および凸レンズ４４間の距離を、「Ｌ_ｌｅｎｓ」という（以下、「レンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓ」ともいう）。

レンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓの値は、図３中のレンズ移動機構部８１による凸レンズ４４の移動に伴って変化する。このとき、レーザ光の光軸方向におけるアキシコンレンズ４３およびアキシコンレンズ４５間の距離は、一定である。

図８を参照して、レーザ光出射部３４（より具体的には、保護レンズ５６）と、レーザ光出射部３４から出射されるリング状レーザ光の焦点位置との間の距離を「Ｌ_ｆｏｃ」という（以下、「焦点距離Ｌ_ｆｏｃ」ともいう）。ワーク（より具体的には、付加加工が行なわれるワーク表面）と、レーザ光出射部３４から出射されるリング状レーザ光の焦点位置との間の距離を「Ｌ_{ｌｆ−ｗｐ}」という（以下、「焦点ワーク間距離Ｌ_{ｌｆ−ｗｐ}」ともいう）。レーザ光出射部３４（より具体的には、保護レンズ５６）と、ワーク（より具体的には、付加加工が行なわれるワーク表面）との間の距離を「Ｌ_ｈ−ｗｐ」という（以下、「ワーク距離Ｌ_ｈ−ｗｐ」ともいう）。ここで、ワーク距離Ｌ_ｈ−ｗｐ＝焦点距離Ｌ_ｆｏｃ−焦点ワーク間距離Ｌ_{ｌｆ−ｗｐ}の関係が成立する。

材料粉末供給チューブ６１の排出口６２と、ワーク（より具体的には、付加加工が行なわれるワーク表面）との間の距離を「Ｌ_ｔ−ｗｐ」という（以下、「チューブワーク間距離Ｌ_ｔ−ｗｐ」ともいう）。チューブワーク間距離Ｌ_ｔ−ｗｐの値は、図３中のチューブ移動機構部８６による材料粉末供給チューブ６１の移動に伴って変化する。

なお、ワーク４００に向けて出射されるレーザ光は、その進行方向において、焦点位置に近づくに従って収束する収束区間と、焦点位置から遠ざかるに従って拡散する拡散区間とを有する。図８中に示す例では、ワーク４００が、レーザ光の収束区間に位置決めされている。ワーク４００がレーザ光の焦点位置付近に位置決めされた場合、ワーク上におけるレーザ光の照射領域が円形となる。

図９は、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを制御するための機構を示すブロック図である。

図３および図６から図９を参照して、加工機械１００は、制御装置９１を有する。制御装置９１は、典型的には、加工機械１００に備え付けられる制御盤（コントロールパネル）である。

制御装置９１は、レンズ移動機構部８１による凸レンズ４４の移動と、工具主軸１２１による付加加工用ヘッド２１の移動と、第１主軸台１１１によるワークの移動とを制御する。制御装置９１は、記憶部９２と、制御部９３とを有する。

記憶部９２には、ワーク距離Ｌ_ｈ−ｗｐおよびレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓと、ワーク上に形成されるレーザ光の照射領域の大きさ（リングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇ、リング厚みＬ_ｒｉｎｇ）との関係に関するデータが記憶されている。

制御部９３は、ワーク上に形成するレーザ光の照射領域の大きさ（リングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇ、リング厚みＬ_ｒｉｎｇ）を特定する。ワーク上に形成するレーザ光の照射領域の大きさの特定は、たとえば、加工機械１００の操作パネルを通じてリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇおよびリング厚みＬ_ｒｉｎｇが入力されることによって行なわれる。

制御部９３は、特定したレーザ光の照射領域の大きさ（リングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇ、リング厚みＬ_ｒｉｎｇ）を、記憶部９２に記憶されたデータに照らし合わせることによって、ワーク距離Ｌ_ｈ−ｗｐおよびレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓを決定する。

制御部９３は、決定されたワーク距離Ｌ_ｈ−ｗｐが得られるように、工具主軸１２１および第１主軸台１１１（第１主軸１１２）の少なくともいずれか一方の駆動を制御する。制御部９３は、決定されたレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓが得られるように、レンズ移動機構部８１の駆動を制御する。

図１０は、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを制御する方法のより具体的な例を示す図である。

図１０を参照して、記憶部９２には、リングスポット直径Ｄ１_ｒｉｎｇ、Ｄ２_ｒｉｎｇおよびＤ３_ｒｉｎｇにおける、レンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓおよびリング厚みＬ_ｒｉｎｇの関係を示すグラフ９８と、リングスポット直径Ｄ１_ｒｉｎｇ、Ｄ２_ｒｉｎｇおよびＤ３_ｒｉｎｇにおける、レンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓおよび焦点距離Ｌ_ｆｏｃの関係を示すグラフ９９とが記憶されている。

まず、制御部９３は、ワーク上に形成しようとしているレーザ光の照射領域のリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇ（今回のケースでは、Ｄ１_ｒｉｎｇ、Ｄ２_ｒｉｎｇおよびＤ３_ｒｉｎｇのいずれか）と、リング厚みＬ_ｒｉｎｇとを特定する。次に、制御部９３は、グラフ９８を参照することにより、先のステップで特定したリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇの曲線において、先のステップで特定したリング厚みＬ_ｒｉｎｇの値に対応するレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓの値を求める。

次に、制御部９３は、グラフ９９を参照することにより、先のステップで特定したリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇの曲線において、先のステップで得られたレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓの値に対応する焦点距離Ｌ_ｆｏｃの値を求める。次に、制御部９３は、先のステップで得られた焦点距離Ｌ_ｆｏｃの値に基づいて、先のステップで特定したリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇの値が得られるワーク４００の位置を求める。

以上のステップにより、制御部９３は、ワーク上におけるレーザ光の照射領域が特定したリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇおよびリング厚みＬ_ｒｉｎｇの大きさとなる、ワーク距離Ｌ_ｈ−ｗｐ（焦点ワーク間距離Ｌ_{ｌｆ−ｗｐ}）と、レンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓとを決定する。

リング状レーザ光の大きさは、レーザ光の焦点位置からの距離に応じて、その外径側および内径側の双方において変化するため、単に付加加工用ヘッド２１およびワーク間の距離を調整するだけでは、ワーク上におけるレーザ光の照射領域を所望の大きさに設定することができない。本実施の形態では、付加加工用ヘッド２１に、凸レンズ４４をレーザ光の光軸方向に移動させるレンズ移動機構部８１を設けることによって、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを自在に制御することが可能となる。

制御装置９１は、図１中のレーザ光発振装置７６において発振するレーザ光の出力をさらに制御する。制御部９３は、レーザ光の照射領域を変化させた場合に、レーザ光の照射領域の単位面積当たりのエネルギー密度およびメルトプールの温度が一定となるように、レーザ光発振装置７６におけるレーザ光の出力を決定してもよい。

このような構成によれば、ワークの付加加工中にワーク上におけるレーザ光の照射領域を変化させた場合であっても、ワークに対する材料粉末の積層効率を一定に保つことができる。

図１０中のレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓおよびリング厚みＬ_ｒｉｎｇの関係を示すグラフ９８を参照して、リング厚みＬ_ｒｉｎｇは、レンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓが増大するのに従って、極小値に向けて徐々に減少する第１区間９６と、極小値から徐々に増大する第２区間９７とを有するように変化する。ここで、第２区間９７におけるリング厚みＬ_ｒｉｎｇの変化の割合は、第１区間９６におけるリング厚みＬ_ｒｉｎｇの変化の割合よりも小さい。言い換えれば、グラフ９８において、第２区間９７における曲線の傾きは、第１区間９６における曲線の傾きよりも緩やかである。

このようなグラフ９８において、制御部９３が、特定したリング厚みＬ_ｒｉｎｇの値に対応するレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓの値を求める際に、対応するレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓの値が、第１区間９６および第２区間９７のそれぞれに存在する場合がある。この場合に、制御部９３は、第２区間９７の範囲内において、対応するレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓの値を決定することが好ましい。

このような構成によれば、リング状レーザ光の厚み（リング厚みＬ_ｒｉｎｇ）をより高精度に制御することができる。

なお、本発明は、制御部９３が、第１区間９６の範囲内において、対応するレンズ間距離Ｌ_ｌｅｎｓの値を決定することを排除していない。

記憶部９２には、ワーク上のスポットにおけるレーザ光の強度分布（図４中の２峰性の正規（ガウス）分布で示される曲線４１０）と、ワーク上に形成されるレーザ光の照射領域の大きさ（リングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇ、リング厚みＬ_ｒｉｎｇ）との関係に関するデータが記憶されてもよい。

この場合に、制御部９３は、ワーク上に形成するレーザ光の照射領域の大きさ（リングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇ、リング厚みＬ_ｒｉｎｇ）を特定するに際して、ワーク上のスポットにおけるレーザ光の強度分布を考慮してもよい。制御部９３は、入力されたリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇに対してリング厚みＬ_ｒｉｎｇを変化させることによって、または、入力されたリング厚みＬ_ｒｉｎｇに対してリングスポット直径Ｄ_ｒｉｎｇを変化させることによって、ワーク上のスポットにおけるレーザ光の強度分布を制御する。

図３、図８および図９を参照して、制御装置９１は、チューブ移動機構部８６による材料粉末供給チューブ６１の移動を制御する。

チューブ移動機構部８６による材料粉末供給チューブ６１の移動に伴い、チューブワーク間距離Ｌ_ｔ−ｗｐの値が変化すると、ワーク上における材料粉末の拡散範囲が変化する。制御部９３は、ワーク上におけるレーザ光の照射領域に合わせて材料粉末の拡散領域が最適化されるように、チューブ移動機構部８６の駆動を制御する。このような構成によれば、ワークの付加加工をより効率的に行なうことができる。

図１１は、レーザ光の焦点距離Ｌ_ｆｏｃと、チューブワーク間距離Ｌ_ｔ−ｗｐとの関係を示す図である。図１１（Ａ）中には、レーザ光の焦点距離Ｌ_ｆｏｃが相対的に短い場合が示され、図１１（Ｂ）中には、レーザ光の焦点距離Ｌ_ｆｏｃが相対的に長い場合が示されている。

図１１を参照して、ワークへの材料粉末の付着量を増やすには、チューブワーク間距離Ｌ_ｔ−ｗｐが小さいことが好ましい。その一方で、材料粉末供給チューブ６１の排出口６２をワーク表面に近づけすぎると、材料粉末供給チューブ６１の先端部がレーザ光に干渉するおそれが生じる。また、レーザ光の焦点距離Ｌ_ｆｏｃの値が大きいと、レーザ光の先端角が小さくなり、材料粉末供給チューブ６１の先端部がレーザ光に干渉し易くなる。

そこで、制御部９３は、図１０中のグラフ９９において求められるレーザ光の焦点距離Ｌ_ｆｏｃの値に基づいて、材料粉末供給チューブ６１とレーザ光との干渉を避けつつ、ワークへの材料粉末の付着量が最大となるように、チューブワーク間距離Ｌ_ｔ−ｗｐを決定してもよい。

図１２は、図４中の付加加工時のワーク表面の変形例を示す断面図である。図１３は、図１２中のワーク表面を示す平面図である。

図１２および図１３を参照して、本変形例では、ワーク４００をリング状のレーザ光３１１の焦点位置付近に位置決めすることによって、ワーク表面に円形のレーザ光照射領域３１２を形成する。

この際、制御部９３は、ワーク表面においてトップハット形のレーザ光の強度分布（図１２中の曲線４２０）が得られるように、レンズ移動機構部８１の駆動を制御する。具体的には、ワーク４００に向けて照射されるリング状のレーザ光３１１のリング厚みを増大させることによって、トップハット形のレーザ光の強度分布を得る。

上部が平坦なプロファイルのトップハット形は、上部が尖ったプロファイルのガウシアン形と比較して、レーザ光照射領域３１２におけるレーザ強度がより均一であるため、ワークの付加加工をより安定して行なうことができる。

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の基本的な構造についてまとめると、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粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう。付加加工用ヘッド２１は、レーザ光の光軸方向において対向して配置される第１アキシコンレンズとしてのアキシコンレンズ４３および第２アキシコンレンズとしてのアキシコンレンズ４５と、アキシコンレンズ４３およびアキシコンレンズ４５の間に配置される凸レンズ４４とを有し、アキシコンレンズ４３に入射されたレーザ光をリング状にしてアキシコンレンズ４５より出射するリング状レーザ光形成部３２と、凸レンズ４４をレーザ光の光軸方向に移動させる第１移動機構部としてのレンズ移動機構部８１と、リング状レーザ光をワークに向けて出射するレーザ光出射部３４と、レーザ光出射部３４から出射されるリング状レーザ光の内側に配置され、材料粉末を排出する排出口６２を有し、排出口６２からワークに向けて材料粉末を供給する材料供給部としての材料粉末供給チューブ６１とを備える。

また、本実施の形態における加工機械１００は、ワークの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、付加加工用ヘッド２１およびワークを移動させる第３移動機構部としての工具主軸１２１および第１主軸台１１１と、レンズ移動機構部８１による凸レンズ４４の移動、ならびに、工具主軸１２１および第１主軸台１１１による付加加工用ヘッド２１およびワークの移動を制御する制御装置９１とを備える。制御装置９１は、ワークおよびレーザ光出射部３４間の距離、ならびに、レーザ光の光軸方向におけるアキシコンレンズ４３および凸レンズ４４間の距離と、ワーク上に形成されるレーザ光の照射領域の大きさとの関係に関するデータを記憶する記憶部９２と、ワーク上に形成するレーザ光の照射領域の大きさを特定し、特定したレーザ光の照射領域を記憶部９２に記憶されたデータに照らし合わせることにより、ワークおよびレーザ光出射部３４間の距離、ならびに、レーザ光の光軸方向におけるアキシコンレンズ４３および凸レンズ４４間の距離を決定する制御部９３とを含む。

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、ワーク上におけるレーザ光の照射領域の大きさを自在に制御することができる。

なお、本実施の形態では、付加加工および除去加工が可能な加工機械１００について説明したが、本発明は、付加加工のみ可能な加工機械に適用することも可能である。

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請求の範囲によって示され、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、主に、指向性エネルギー堆積法による付加加工に適用される。

２１ 付加加工用ヘッド、２４ ケーブル、２６ カバー体、２７ 開口部、３１ レーザ光コリメート部、３２ リング状レーザ光形成部、３３ レーザ光案内部、３４ レーザ光出射部、４１ 光ファイバー、４２ コリメーションレンズ、４３，４５ アキシコンレンズ、４３ｍ，４５ｍ 一方面、４３ｎ，４５ｎ 他方面、４４ 凸レンズ、４６，４７ ガイドミラー、４８，５２，５５，５７ 貫通孔、５１，５４ 集光レンズ、５６ 保護レンズ、６１ 材料粉末供給チューブ、６２ 排出口、７０ パウダーフィーダ、７１ 混合部、７２ パウダーホッパー、７６ レーザ光発振装置、８１ レンズ移動機構部、８６ チューブ移動機構部、９１ 制御装置、９２ 記憶部、９３ 制御部、９６ 第１区間、９７ 第２区間、９８，９９ グラフ、１００ 加工機械、１０１，１０２，２０１，２０２，２０３，２０４，２０６ 中心軸、１１１ 第１主軸台、１１２ 第１主軸、１１６ 第２主軸台、１１７ 第２主軸、１２１ 工具主軸、１３１ 刃物台、１３２ 旋回部、１３６ ベッド、２００ 加工エリア、２１０ スプラッシュガード、３１１ レーザ光、３１２ レーザ光照射領域、３１２ｐ 外周縁、４００ ワーク、４１０ 曲線。

Claims (5)

1. ワークに対して材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう付加加工用ヘッドであって、
   レーザ光の光軸方向において対向して配置される第１アキシコンレンズおよび第２アキシコンレンズと、前記第１アキシコンレンズおよび前記第２アキシコンレンズの間に配置される凸レンズとを有し、前記第１アキシコンレンズに入射されたレーザ光をリング状にして前記第２アキシコンレンズより出射するリング状レーザ光形成部と、
   前記凸レンズをレーザ光の光軸方向に移動させる第１移動機構部と、
   リング状レーザ光をワークに向けて出射するレーザ光出射部と、
   前記レーザ光出射部から出射されるリング状レーザ光の内側に配置され、材料粉末を排出する排出口を有し、前記排出口からワークに向けて材料粉末を供給する材料供給部とを備える、付加加工用ヘッド。
2. 前記排出口およびワークの間の距離が変化するように、前記材料供給部を移動させる第２移動機構部をさらに備える、請求項１に記載の付加加工用ヘッド。
3. ワークの付加加工が可能な加工機械であって、
   請求項１または２に記載の付加加工用ヘッドと、
   前記付加加工用ヘッドおよびワークの少なくともいずれか一方を移動させる第３移動機構部と、
   前記第１移動機構部による前記凸レンズの移動、ならびに、前記第３移動機構部による前記付加加工用ヘッドおよびワークの少なくともいずれか一方の移動を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   ワークおよび前記レーザ光出射部間の距離、ならびに、レーザ光の光軸方向における前記第１アキシコンレンズおよび前記凸レンズ間の距離と、ワーク上に形成されるレーザ光の照射領域の大きさとの関係に関するデータを記憶する記憶部と、
   ワーク上に形成するレーザ光の照射領域の大きさを特定し、特定したレーザ光の照射領域を前記記憶部に記憶されたデータに照らし合わせることにより、ワークおよび前記レーザ光出射部間の距離、ならびに、レーザ光の光軸方向における前記第１アキシコンレンズおよび前記凸レンズ間の距離を決定する制御部とを含む、加工機械。
4. 前記リング状レーザ光形成部に向かうレーザ光を発振するレーザ光発振装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記レーザ光発振装置において発振するレーザ光の出力をさらに制御し、
   前記制御部は、レーザ光の照射領域を変化させた場合に、レーザ光の照射領域の単位面積当たりのエネルギー密度およびメルトプールの温度が一定となるように、レーザ光の出力を決定する、請求項３に記載の加工機械。
5. 半径方向におけるリング状レーザ光の厚みは、レーザ光の光軸方向における前記第１アキシコンレンズおよび前記凸レンズ間の距離が増大するのに従って、極小値に向けて徐々に減少する第１区間と、極小値から徐々に増大する第２区間とを有するように変化し、
   前記第２区間におけるリング状レーザ光の厚みの変化の割合は、前記第１区間におけるリング状レーザ光の厚みの変化の割合よりも小さく、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶されたデータに基づき、前記第２区間の範囲内において、レーザ光の光軸方向における前記第１アキシコンレンズおよび前記凸レンズ間の距離を決定する、請求項３または４に記載の加工機械。

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