Cutting machine and cutting method

本発明は、被切削物を自由な形状に切削加工する切削装置および切削方法に関する。

金属材料で構成される被切削物を平面切削するため所謂フライス加工が行われる。 フライス加工は、主軸（回転軸）に固定した、エンドミル、フェイスミル、プランジャやドリル等の切削具を高速回転させて被切削物（ワーク）を面状に切削する加工方法である。

例えば、チタン（Ｔｉ）材等は、耐食性、耐熱性、強度において非常に優れた材料であるが、それ故、難削材に分類され、上記フライス加工等を試みると、その切削に時間を要し、切削具の損耗が早まる結果を招くこととなる。 そこで、被切削物の切削を行う部位（切削予定部位）に予めレーザを照射し、その切削予定部位を加熱して切削効率を高める処理が行われている。 また、フライス加工に並行し、現在の切削位置より数ミリメートル先行させて切削横断面をレーザで昇温する技術も開示されている（例えば、特許文献１）。

しかし、特許文献１の技術では、切削具とレーザ照射装置との位置関係が固定されているため、切削具の陰となって、物理的にレーザを照射することができない領域が生じ、切削効率や利便性に劣る問題があった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、レーザの照射可能領域の制限を回避し、切削効率や利便性の向上を図ることが可能な、切削装置および切削方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の切削装置は、切削具を軸支、回動する切削駆動部と、切削具と被切削物とを相対移動させる相対移動機構と、切削駆動部の固定側に設けられ、切削駆動部の主軸を中心とする円周に沿って環状に形成されたガイドレールと、ガイドレールに沿って移動自在に形成され、所定の傾斜角で被切削物にレーザを照射するレーザ照射部と、切削具による所定時間後の切削部位である切削予定部位が十分に加熱されるように、レーザを照射する切削予定位置を導出する切削予定位置導出部と、導出された切削予定位置を目標としたガイドレールにおけるレーザ照射部の停止位置を導出する停止位置導出部と、導出された停止位置にレーザ照射部を移動するレーザ照射駆動部と、を備えることを特徴とする。

切削予定位置導出部は、切削態様と実行順が対応付けられたＮＣプログラムに基づき、現在の切削位置に、所定時間で移動する距離を加えて切削予定位置を導出してもよい。

上記課題を解決するために、切削具を軸支、回動する切削駆動部と、切削具と被切削物とを相対移動させる相対移動機構と、切削駆動部の固定側に設けられ、切削駆動部の主軸を中心とする円周に沿って環状に形成されたガイドレールと、ガイドレールに沿って移動自在に形成され、所定の傾斜角で被切削物にレーザを照射するレーザ照射部と、を備え、被切削物を予熱する、本発明の切削方法は、切削具による所定時間後の切削部位である切削予定部位が十分に加熱されるように、レーザを照射する切削予定位置を導出し、導出した切削予定位置を目標としたガイドレールにおけるレーザ照射部の停止位置を導出し、導出した停止位置にレーザ照射部を移動することを特徴とする。

本発明によれば、主軸を中心にレーザ照射部を回転移動することで、レーザの照射可能領域の制限を回避し、切削予定部位を確実に予熱することで、切削効率や利便性の向上を図ることが可能となる。

切削装置の概略的な構成を説明するための説明図である。

予熱機構の概略的な構成を説明するための正面図と底面図である。

切削予定位置導出部および停止位置導出部の処理を説明するための説明図である。

切削方法の全体的な流れを示したフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。 なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（切削装置１）
図１は、本実施形態における切削装置１の概略的な構成を説明するための説明図である。 切削装置１は、切削機構として機能する切削駆動部１０と、相対移動機構として機能する駆動移動部１２、載置台１４、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）部１６と、予熱機構として機能するガイドレール１８、回転体２０、レーザ照射部２２、レーザ照射駆動部２４、照射制御部２６とを含んで構成され、例えば、金属材料で構成される被切削物３０を平面切削する。 また、切削装置１は、５軸マシニングセンタやガントリータイプのプロファイラ等で構成することができ、本実施形態では、相対移動機構として５軸マシニングセンタを挙げて説明する。

（切削機構）
切削駆動部１０は、例えば、電動機と、その回転速度を減衰させる減速機とで構成され（図示せず）、スピンドルヘッド１０ａを介して切削具１０ｂを軸支、回動する。 切削具１０ｂとしては、エンドミル、フェイスミル、プランジャやドリル等、様々な用途の工具を適用できる。

（相対移動機構）
駆動移動部１２は、切削駆動部１０の、被切削物３０に対するＸ方向の相対直線移動を可能とするＸスライダ１２ａ、Ｙ方向の相対直線移動を可能とするＹスライダ１２ｂ、Ｚ方向の相対直線移動を可能とするＺスライダ１２ｃで構成される。 こうして、切削駆動部１０の姿勢を維持しつつ、任意の平面位置および高さで被切削物３０を切削加工することが可能となる。

載置台１４は、被切削物３０を載置する台であり、係止具１４ａ等により被切削物３０を固定できるように構成されている。 また、載置台１４は、Ｚ軸回りの相対回転移動を可能とする回転テーブル１４ｂ、切削駆動部１０の切削具１０ｂに対してＹ軸回りの相対回転移動を可能とする傾斜テーブル１４ｃで構成され、被切削物３０を任意の姿勢に傾斜することができる。

このように相対移動機構は、駆動移動部１２と、載置台１４とを相対移動することで、駆動移動部１２に固定された切削駆動部１０と、載置台１４に固定された被切削物３０とを相対移動させ、切削位置、切削高さ、被切削物３０の姿勢を調整する。

ＣＡＭ部１６は、ＮＣ（Numerical Control）プログラムを機能させるためのコンピュータである。 かかるＮＣプログラムは、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成された被切削物３０の形状データに基づき、当該被切削物３０の切削加工に供する、切削態様（移動方向、移動量、移動速度等）やその実行順が対応付けられている。

ＮＣプログラムには、Ｘ軸方向に１０００単位距離で移動する「Ｘ１０００」やＹ軸方向に１０００単位距離で移動する「Ｙ１０００」、それを同時に行うことで斜めに移動する「Ｘ１０００，Ｙ１０００」、その移動速度を変更する「Ｆ８００」等のコマンドが用いられる。 こうして、人手を介すことなく、容易かつ正確に、被切削物３０に切削加工を施すことが可能となる。 ここで、単位距離は、メートル等の実距離や画素等、様々な規格に従う距離をいう。

ＣＡＭ部１６は、このようなＮＣプログラムに基づいて駆動移動部１２および載置台１４に目標移動量や目標回転量を設定し、エンコーダ等による閉ループ制御によって、その目標移動量や目標回転量に正確に追従させる。 ここでは、駆動移動部１２と載置台１４とが連動して所望する切削状態を実現している。

（予熱機構）
上述したように、本実施形態が対象としている、例えば、チタン（Ｔｉ）材等の難削材は、単純に切削加工を行おうとすると、時間を浪費すると共に切削具１０ｂの損耗が早まることとなる。 本実施形態では、被切削物３０の切削を行う部位（切削予定部位）に予めレーザを照射し、その部位を加熱して切削効率を高めることとし、特に、そのレーザの照射において、照射可能領域の制限を回避しつつ、適切に切削予定部位の追従制御を行うことを目的とする。

図２は、予熱機構の概略的な構成を説明するための正面図と底面図である。 ガイドレール１８は、切削駆動部１０の固定側（ここでは、スピンドルヘッド１０ａ）に設けられ、主軸１０ｃを中心とする円周に沿った環状の金属部材で形成される。

回転体２０は、ガイドレール１８と中心（主軸１０ｃ）が等しく、ガイドレール１８より直径が大きい環状の金属部材２０ａと、ガイドレール１８と金属部材２０ａに狭持され、金属部材２０ａを回転自在に支持するコロ２０ｂとで構成される。 回転体２０の外周には、リングギヤ２０ｃが形成され、後述するレーザ照射部２２を回転移動するために用いられる。 ただし、回転体２０のような回転機構は、かかる金属部材２０ａとコロ２０ｂとの構成に限らず、レーザ照射部２２を円周方向に移動させるあらゆる手段を適用することができる。 また、回転体２０の外周側端部には、切削加工の安全性を確保するための安全カバー２０ｄが環状かつ鉛直方向に垂下して設けられている。

レーザ照射部２２は、アーム３２を介して、回転体２０の特に金属部材２０ａに固定され、ガイドレール１８に沿って円周方向に移動して、所定の傾斜角ψで被切削物３０にレーザを照射する。 レーザ照射部２２に必要な電力は、コードリール３４に延長自在に巻回された電力線３６を通じて受電する。 かかるレーザ照射部２２は、高出力のレーザ発振器で構成され、例えば、金属材料で形成された被切削物３０の表面における、直径２０ｍｍの円周で特定される照射領域を１秒足らずで６００℃以上にまで加熱できる。

レーザ照射部２２におけるレーザの水平面上の向きは、主軸１０ｃ方向（円周中心方向）に固定され、鉛直方向の向きは上記傾斜角ψを伴って切削具１０ｂの先端側に設定される。 したがって、レーザの照射位置は、被切削物３０の表面が水平と仮定した場合に、常に主軸１０ｃから等距離にあり、レーザ照射部２２をガイドレール１８に沿って円周方向に回動した際の照射軌跡は主軸１０ｃを中心とする連続した円となる。 レーザの照射位置に関しては後ほど詳述する。

レーザ照射駆動部２４は、後述する照射制御部２６によって導出された、ガイドレール１８の停止位置にレーザ照射部２２を移動する。 具体的に、レーザ照射駆動部２４は、ピニオン２４ａと、リングギヤ２０ｃにピニオン２４ａを介して動力を伝達する電動機２４ｂと、電動機２４ｂの回転軸の回転量を検出するエンコーダ２４ｃとからなる。 そして、エンコーダ２４ｃによる閉ループ制御を通じ、目標値である停止位置にレーザ照射部２２を正確に位置させる。

上記の例では、電動機２４ｂやエンコーダ２４ｃとレーザ照射部２２とが衝突しない構造となっているので、レーザ照射部２２の回転移動範囲は物理的に制限されていない。 しかし、本実施形態においては、電力線３６を有線で構成しているという制約により、レーザ照射部２２の回転移動範囲を−π≦回転角θ≦πに制限する。

照射制御部２６は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、ＣＡＭ部１６と協働して切削装置１全体を管理および制御する。 また、照射制御部２６は、切削予定位置導出部２６ａ、停止位置導出部２６ｂとして機能する。

切削予定位置導出部２６ａは、ＮＣプログラムに基づいて、ＣＡＭ部１６が把握している現在の切削位置（切削具１０ｂの位置）に、予め定められた所定時間で移動する距離（以下、単に移動距離という）を加算し、切削具１０ｂによる所定時間後の切削部位である切削予定部位に相当する切削予定位置を導出する。 ただし、ＮＣプログラム上では主としてＸ、Ｙ、Ｚ軸上の位置（座標）や距離が用いられているので、ここでは、時間ではなく、所定時間後における切削予定位置に相当する座標や距離を用いて説明する。 ただし、所定時間を排他するものではなく、所定時間に相当するものであればどのような単位を用いてもよい。

図３は、切削予定位置導出部２６ａおよび停止位置導出部２６ｂの処理を説明するための説明図である。 切削予定位置導出部２６ａは、設定された所定時間と、切削具１０ｂと被切削物３０との相対移動速度とに基づき、所定時間に相対移動速度を乗じた値を、移動距離として予め求めておく。 そして、切削予定位置導出部２６ａは、ＮＣプログラムを通じ、図３（ａ）に示す切削装置１の上面視における、現在の切削位置５０（座標（ｘ _０ ，ｙ _０ ））からの移動軌跡（移動距離および移動方向）５２を求める。 そして、切削予定位置導出部２６ａは、その移動軌跡５２上における切削位置５０からの距離が、予め求めておいた移動距離５４となる切削予定位置を特定し、その切削予定位置を示す座標（ｘ _１ ，ｙ _１ ）を導出する。 ここでは、理解を容易にするため、Ｚ方向の座標は同一値を示すとして考慮しない。

切削予定位置導出部２６ａは、上記現在の切削位置および切削予定位置、もしくは、現在の切削位置に対する切削予定位置の相対距離を停止位置導出部２６ｂに伝達する。

停止位置導出部２６ｂは、切削予定位置導出部２６ａによって導出された切削予定位置を目標として、レーザを照射するための、ガイドレール１８におけるレーザ照射部２２の停止位置を導出する。

具体的に、停止位置導出部２６ｂは、導出された切削予定位置を示す座標（ｘ _１ ，ｙ _１ ）と現在の切削位置５０を示す座標（ｘ _０ ，ｙ _０ ）とに基づいて、図３（ａ）に示した座標（ｘ _０ ，ｙ _０ ）を基準とした、座標（ｘ _１ ，ｙ _１ ）までの距離ｒと角度θとを、以下の数式１、２を用いて求める。
ｒ＝√（（ｘ _１ −ｘ _０ ） ^２ ＋（ｙ _１ −ｙ _０ ） ^２ ）） …（数式１）
θ＝ｓｉｎ ^−１ （（ｙ _１ −ｙ _０ ）／ｒ） …（数式２）

かかる角度θは、図３（ｂ）に示す切削装置１の底面図の如く、そのままレーザ照射部２２の回転角θとして用いることができる。

また、停止位置導出部２６ｂは、図３（ｃ）に示す切削装置１の正面図のように、上記距離ｒと、照射予定部位とのレーザ照射高さｈと、主軸１０ｃとのレーザ照射水平距離ｄとに基づく以下の数式３を用いて、傾斜角ψを求める。
ψ＝ｔａｎ ^−１ （（ｄ−ｒ）／ｈ） …（数式３）
こうして、停止位置導出部２６ｂは、レーザ照射部２２の回転角θと傾斜角ψとを導出することができる。

ただし、本実施形態では、レーザ照射部２２の回転角θのみを制御し、傾斜角ψの制御を省略する。 これは、レーザ照射部２２によるレーザの照射範囲が例えば直径２０ｍｍの円周といったように広いので、半径方向に関して照射予定位置と実際の照射位置を厳密に合わせなくとも、半径方向に固定された照射位置に照射予定位置が含まれるからである。 このような構成により、レーザの照射位置は、主軸１０ｃから等距離の円周上に現れることとなる。

したがって、停止位置導出部２６ｂは、回転角θのみレーザ照射駆動部２４に伝達する。

なお、ここでは、レーザ照射部２２の傾斜角ψを固定する例を挙げているが、照射すべき傾斜角ψは、被切削物３０の大きさや切削高さ、切削具１０ｂの突き出し寸法によって異なり得る。 そこで、ユーザは、その切削状況に応じてレーザ照射部２２の傾斜角ψを手動で変更することで、適切な切削予定部位にレーザを照射する。 そのときの傾斜角ψは、想定される距離ｒの範囲を複数サンプリングし、その距離ｒの平均値や標準偏差から数式３を用いて決定するとよい。

レーザ照射駆動部２４は、かかる停止位置に基づいて、連続してレーザ照射部２２を移動する。 したがって、切削予定部位近傍を常に予熱することが可能となり、レーザの照射可能領域の制限を回避しつつ、切削効率や利便性の向上を図ることが可能となる。

（切削方法）
図４は、切削方法の全体的な流れを示したフローチャートである。 ここでは、ＣＡＭ部１６と照射制御部２６とに区分けしてその処理を説明する。 まず、ＣＡＭ部１６は、ＮＣプログラムを参照して、切削開始位置を取得し照射制御部２６に送信する（Ｓ１００）。 照射制御部２６は、レーザ照射駆動部２４を駆動して切削開始位置にレーザ照射部２２を移動し、レーザをＯＮして照射を開始する（Ｓ１０２）。

続いて、ＣＡＭ部１６は、レーザによって切削開始位置が予熱される待機時間が経過したか否か判定し（Ｓ１０４）、待機時間が経過していない間（Ｓ１０４におけるＮＯ）、判定ステップＳ１０４を繰り返す。 待機時間が経過すると（Ｓ１０４におけるＹＥＳ）、ＣＡＭ部１６は、ＮＣプログラムを参照して、現在の切削具１０ｂがある位置（現在の切削位置）等、切削予定位置を導出するために必要な全ての情報を取得し照射制御部２６に送信する（Ｓ１０６）。

照射制御部２６の切削予定位置導出部２６ａは切削予定位置を導出し（Ｓ１０８）、停止位置導出部２６ｂは、導出された切削予定位置を目標としたガイドレール１８におけるレーザ照射部２２の停止位置を導出する（Ｓ１１０）。 そして、レーザ照射駆動部２４は、照射制御部２６の制御指令に応じ、導出された停止位置にレーザ照射部２２を移動する（Ｓ１１２）。

続いて、ＣＡＭ部１６は、ＮＣプログラムに示された切削位置を切削するように、切削駆動部１０を制御し（Ｓ１１４）、ＮＣプログラムが切削終了を示しているか判定する（Ｓ１１６）。 ＮＣプログラムが切削終了を示していなければ（Ｓ１１６におけるＮＯ）、情報送信ステップＳ１０６からを繰り返す。 ＮＣプログラムが切削終了を示していれば（Ｓ１１６におけるＹＥＳ）、ＣＡＭ部１６は、切削駆動部１０による切削を停止し（Ｓ１１８）、照射制御部２６は、レーザをＯＦＦする（Ｓ１２０）。

以上、説明した切削装置１や切削方法によれば、主軸１０ｃを中心にレーザ照射部２２を回転移動することで、レーザの照射可能領域の制限を回避し、切削予定部位を確実に予熱することで、切削効率や利便性の向上を図ることが可能となる。

また、レーザ照射部２２自体が３６０°自在に移動するので、被切削物３０の回転を伴うことなく、予熱による切削加工を行うことができ、被切削物３０の回転が困難な大型部材等の切削にも有効である。

さらに、レーザ照射部２２は、切削方向と異なる切削予定位置を、切削と並行して予熱することができるため、一旦切削が開始されると、切削加工を停止することなく、連続して被切削物３０を切削することが可能となり、切削に費やす時間を最小限に抑えることが可能となる。

また、本実施形態の予熱機構は、フライス加工を目的とする既存の切削装置をそのまま加工して利用することが可能なので、特殊な設備を要さず、低コストで、切削具１０ｂの損耗を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。 当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、本明細書の切削方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、被切削物を自由な形状に切削加工する切削装置および切削方法に利用することができる。

１ …切削装置１０ …切削駆動部１２ …駆動移動部１４ …載置台１６ …ＣＡＭ部１８ …ガイドレール２０ …回転体２２ …レーザ照射部２４ …レーザ照射駆動部２６ …照射制御部２６ａ …切削予定位置導出部２６ｂ …停止位置導出部３０ …被切削物