(57)【要約】【課題】加工されるワークの全体と一部分を加熱することができる熱処理装置、熱処理方法、及びこれを使用した複合加工機を提供することにある。【解決手段】加工されるワークを囲む炉と、この炉の内部に配置され、ワークを局所的に加熱する局所加熱ユニットと、を有する熱処理装置とする。加熱炉または断熱炉とレーザ等の局所加熱ユニットを複合させた熱処理装置としているので加熱時間の短縮が可能で、また、焼入れ、焼戻し、焼ならし、焼きなまし等の種々の熱処理が可能なコンパクトな熱処理装置が可能となる。【選択図】図１
2008214750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工されるワークを囲む炉と、
前記炉の内部に配置され、前記ワークを局所的に加熱する局所加熱ユニットと、
を有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記炉は、分割可能とされ、前記ワークを囲むことにより前記ワークを炉内に位置するものとし、前記炉を分割して前記ワークを囲まないことにより前記ワークを炉外に位置するものとすることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記局所加熱ユニットは、レーザ発振器を有して構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記炉は、加工されるワークの全体を加熱するための加熱炉であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記炉は、前記炉内の内面をレーザ吸収性の高い黒体とした断熱炉であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項６】
加工されるワークの全体を加熱すると共に、前記ワークを局所的に加熱することにより、前記ワークの所定の領域に熱処理を施すことを特徴とする熱処理方法。
【請求項７】
前記ワークの全体加熱は、加熱炉により行なわれると共に、前記局所的加熱は、レーザ発振器を有して構成された局所加熱ユニットにより行なわれることを特徴とする請求項６記載の熱処理方法。
【請求項８】
前記ワークの前記局所的加熱は、レーザ発振器を有して構成された局所加熱ユニットにより行なわれると共に、全体加熱は、前記レーザ発振器から照射されるレーザ光の一部を内面をレーザ吸収性の高い黒体とした断熱炉により吸収して炉内温度を上昇させることにより行なわれることを特徴とする請求項６記載の熱処理方法。
【請求項９】
予め定めた方向に設定されたX軸、及び前記X軸に直交するＺ軸のＸＺ平面内で移動するワーク加工ユニットと、
ワークに加工を施す所定の加工ツールを前記ワーク加工ユニットに装着するツール装着ユニットと、
前記ワークを囲む炉と、前記炉の内部に配置され前記ワークを局所的に加熱する局所加熱ユニットを有する熱処理装置と、
を有することを特徴とする複合加工機。
【請求項１０】
前記熱処理装置の前記炉は、分割可能とされ、前記ワーク加工ユニットにより前記ワークに加工を施すときには、前記炉を分割して前記ワークを囲まないことにより前記ワークを炉外に位置させることを特徴とする請求項９記載の複合加工機。
【請求項１１】
前記炉は、加工されるワークの全体を加熱するための加熱炉であることを特徴とする請求項９記載の複合加工機。
【請求項１２】
前記炉は、前記炉内の内面をレーザ吸収性の高い黒体とした断熱炉であることを特徴とする請求項９記載の複合加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理装置、熱処理方法、及びこれを使用した複合加工機に関し、特に、加工されるワークの全体と一部分を加熱することができる熱処理装置、熱処理方法、及びこれを使用した複合加工機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属ワークの熱処理は、そのワークの材質、形状等を基に固有の温度に加熱し、加熱後に冷却することにより処理される。ワーク全体を加熱する装置としては、電気加熱方式、燃焼加熱方式等により、大型の加熱炉を用いて複数のワークを一度に加熱するバッチ式と、加熱炉内をコンベアで流しながら処理する連続式の加熱炉が一般的に使用される。
【０００３】
例えば、一連の連続炉が開閉扉で仕切られることにより区画形成された昇温室、浸炭室、冷却室、再昇温室及び窒化室と、被処理物を上記一連の連続炉に沿って順次移送する移送手段とを備えた熱処理装置がある（例えば、特許文献１）。これによれば、複数のワークのそれぞれ全体を加熱して所定の熱処理を施すことができ、一度に大量の熱処理が可能である。
【０００４】
また、複合加工機の近傍にレーザ発振器を備え、この発振器から加工機に取り付けたミラーを介して集光レンズによりワークの被加工部分へレーザ照射することにより加熱して熱処理を行なう熱処理装置がある（例えば、特許文献２）。これによれば、ワークを局所的に加熱して熱処理を行なうことができるので、ワークの一部分を急加熱でき、高精度な熱処理をすることができる。
【特許文献１】特開平０５−５１７１号公報
【特許文献２】特開昭５９−５０９８３号公報
【０００５】
しかし、特許文献１に示された熱処理装置は、加熱炉が大型で少量生産に向かない、一連のワーク加工ラインへのインライン化が困難、高精度な温度制御が困難、および、熱処理に時間を要する等の問題がある。一方、特許文献２に示された熱処理装置は、ワーク全体を加熱することが困難で、焼入れ以外の熱処理が困難であり、熱処理方法が限られるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、加工されるワークの全体と一部分を加熱することができる熱処理装置、熱処理方法、及びこれを使用した複合加工機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］本発明は、上記目的を達成するために、加工されるワークを囲む炉と、前記炉の内部に配置され、前記ワークを局所的に加熱する局所加熱ユニットと、を有することを特徴とする熱処理装置を提供する。
［２］前記炉は、分割可能とされ、前記ワークを囲むことにより前記ワークを炉内に位置するものとし、前記加熱炉を分割して前記ワークを囲まないことにより前記ワークを炉外に位置するものとすることを特徴とする上記［１］に記載の熱処理装置であってもよい。
［３］また、前記局所加熱ユニットは、レーザ照射ユニットまたは高周波加熱ユニットであることを特徴とする上記［１］に記載の熱処理装置であってもよい。
［４］また、前記炉は、加工されるワークの全体を加熱するための加熱炉であることを特徴とする上記［１］に記載の熱処理装置であってもよい。
［５］また、前記炉は、前記炉内の内面をレーザ吸収性の高い黒体とした断熱炉であることを特徴とする上記［１］に記載の熱処理装置であってもよい。
［６］本発明は、上記目的を達成するために、加工されるワークの全体を加熱すると共に、前記ワークを局所的に加熱することにより、前記ワークの所定の領域に熱処理を施すことを特徴とする熱処理方法を提供する。
［７］前記ワークの全体加熱は、加熱炉により行なわれると共に、前記局所的加熱は、レーザ発振器を有して構成された局所加熱ユニットにより行なわれることを特徴とする上記［６］に記載の熱処理方法であってもよい。
［８］また、前記ワークの前記局所的加熱は、レーザ発振器を有して構成された局所加熱ユニットにより行なわれると共に、全体加熱は、前記レーザ発振器から照射されるレーザ光の一部を内面をレーザ吸収性の高い黒体とした断熱炉により吸収して炉内温度を上昇させることにより行なわれることを特徴とする上記［６］に記載の熱処理方法であってもよい。
［９］本発明は、上記目的を達成するために、予め定めた方向に設定されたX軸、及び前記X軸に直交するＺ軸のＸＺ平面内で移動するワーク加工ユニットと、ワークに加工を施す所定の加工ツールを前記ワーク加工ユニットに装着するツール装着ユニットと、前記ワークを囲む炉と、前記加熱炉の内部に配置され前記ワークを局所的に加熱する局所加熱ユニットを有する熱処理装置と、を有することを特徴とする複合加工機を提供する。
［１０］前記熱処理装置の前記炉は、分割可能とされ、前記ワーク加工ユニットにより前記ワークに加工を施すときには、前記炉を分割して前記ワークを囲まないことにより前記ワークを炉外に位置させることを特徴とする上記［９］に記載の複合加工機であってもよい。
［１１］前記炉は、加工されるワークの全体を加熱するための加熱炉であることを特徴とする上記［９］に記載の複合加工機であってもよい。
［１２］また、前記炉は、前記炉内の内面をレーザ吸収性の高い黒体とした断熱炉であることを特徴とする上記［９］に記載の複合加工機であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、加工されるワークの全体と一部分を加熱することができる熱処理装置、熱処理方法、及びこれを使用した複合加工機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（本発明の第1の実施の形態）
［熱処理装置１の構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置１の正面図である。熱処理装置１は、加工されるワークＷを囲み全体を加熱する加熱炉２と、この加熱炉２の内部に配置されワークＷを局所的に加熱する局所加熱ユニット３とを有して構成されている。
【００１０】
加熱炉２は、加熱外装体２１と加熱炉ベース２２とが分割及び合体可能に構成されている。加熱外装体２１の内部には、電熱線２３、局所加熱ユニット３、スライダ４１、送り機構レール４２、赤外線放射温度計４３、熱電対５０、撹拌ファン５１が所定の位置に設けられている。また、加熱炉ベース２２上には、ワーククランプ６０、回転駆動機６１が所定の位置に設けられている。
【００１１】
電熱線２３は、抵抗発熱体としてのニクロム線が加熱外装体２１の内部に設けられている。電熱線２３は、外部への熱の拡散を抑制するために断熱層を介して加熱外装体２１の内壁に設けられるのが好ましい。また、必要に応じて、加熱炉ベース２２に設けることもできる。
【００１２】
局所加熱ユニット３は、ワークＷを局所的に加熱するレーザヘッド３１、レーザヘッド３１をワークＷに対して移動させるためのスライダ４１を有して構成される。スライダ４１は、加熱外装体２１の内部に取付けられた送り機構レール４２にガイドされることによりワークＷに対して相対的に移動可能な構成とされている。スライダ４１と送り機構レール４２は、いわゆるリニアガイド、Ｘ軸ステージ等が使用できるが、これらの組合せによりワークＷに対して３軸方向に移動可能な構成としてもよい。尚、スライダ４１の駆動は図示しないアクチュエータによるが、例えば、ボールネジ駆動、リニアモータ駆動等が使用できる。
【００１３】
レーザヘッド３１は、ワークＷに対して所定の距離（ワーキングディスタンス）で設けられ、ワークＷを所定のスポット径のレーザ光で局所的に加熱する。レーザ光として、高出力の半導体レーザをレーザヘッド３１に内蔵し、レーザスポット径を微小に絞ることでワークＷの表面を局所的に加熱することができる。より広範囲に、また、ワークＷの表面から深く、かつ、急加熱を行なうためには、加熱炉２の外部にレーザ発振器３２を備え、光ファイバでレーザヘッド３１に接続してワークＷをレーザ照射、加熱することができる。
【００１４】
図２は、レーザヘッド３１が光ファイバ３３および光ファイバカップラ３４を介して高出力のレーザ発振器３２によりレーザ照射、加熱する構成を示す図である。
【００１５】
高出力のレーザ発振器３２は、加熱炉２の外部に載置され、光ファイバカップラ３４を介して光ファイバ３３の一端に光学的に接続され、光ファイバ３３の他端は光ファイバカップラ３４を介してレーザヘッド３１へ光学的に接続されている。レーザヘッド３１は、ワークＷに対する距離を制御して所定のレーザビームサイズでレーザ発振器３２から導光したレーザビームを照射するための集光レンズを有する。
【００１６】
レーザ発振器３２は、レーザスタックモジュール３５ａ、３５ｂ、３５ｃ及び３５ｄ、偏光カップリング板３６、波長カップリング板３７を有して構成されている。レーザスタックモジュール３５は、レーザ発光素子を多数積層（スタック）して高出力化したものである。各レーザスタックモジュール３５は、ビーム整形し、所定の直線偏光状態のコリメート光にした後、偏光カップリング板３６によりビーム合成を行う。
【００１７】
合成されるレーザスタックモジュール３５ａと３５ｂの偏光方向は互いに直交しており、例えばポラロイドフィルムで構成された偏光カップリング板３６では、レーザスタックモジュール３５ａから出射するレーザビームは透過し、３５ｂから出射するレーザビームは反射することで、1つのレーザビームに合成される。３５ｃ及び３５ｄのレーザビームも同様に合成される。
【００１８】
レーザスタックモジュール３５ａ、３５ｂの発振波長と、レーザスタックモジュール３５ｃ、３５ｄの発振波長とを異なる発振波長に設定しておき、波長カップリング板３７を上記異なる発振波長の一方を透過し他の一方を反射する波長フィルタで構成することにより、波長カップリング板３７の出射側で１つのレーザビームに合成される。
【００１９】
このように構成されたレーザ発振器３２は、例えば、発光点間隔２ｍｍで２５段スタックとすることにより、合成されたレーザビームの光出力は１ｋＷとなる。また、発振波長は、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの近赤外光であり、本構成では、８００ｎｍと８３０ｎｍの２波長を有する構成となっている。
【００２０】
レーザヘッド３１は、光ファイバカップラ３４を介して光ファイバ３３から導光されたレーザビームをワークＷの加工表面に所定のビーム径で集光させる。
【００２１】
集光されるレーザビーム径は、レーザヘッド３１のワークＷの加工表面に対する位置により制御することができ、例えば、１ｍｍ〜１０ｍｍまで変化するよう設定できる。あるいは、レーザヘッド３１内の集光レンズを光軸方向へ移動させる機構を有する構成とすることにより、ワークＷの加工表面までの距離を変化させるようにして、集光されるレーザビームの径を変化させることもできる。
【００２２】
尚、レーザヘッド３１によりワークＷを局所的に加熱する以外に、高周波誘導加熱装置を使用してもよい。高周波誘導加熱装置は、コイルに交流電源を接続し、交流電流によってワークＷの表面付近に高密度のうず電流を発生させてそのジュール熱でワークＷの表面を局所的に加熱するものである。
【００２３】
赤外線放射温度計４３は、ワークＷの局所的に加熱される位置の温度を測定するためのスポット温度計であり、スライダ４１の所定の位置に装着されている。局所加熱ユニット３と一緒に移動するので、常にレーザヘッド３１によるワークＷの局所的加熱位置の温度を非接触で測定できる。
【００２４】
熱電対５０は、炉内の温度を測定するためのセンサーであって、異なる金属材料、例えば、ニッケルおよびクロムを主とした合金（クロメル）とニッケルを主とした合金（アルメル）を接合させ、このふたつの接点に温度差を与えるとゼーベック効果により熱起電力が発生する。この熱起電力は温度差により決まるのでこれに対応させて炉内の温度を測定することができる。
【００２５】
撹拌ファン５１は、電熱線２３の発熱による炉内温度を均一にするために、プロペラを回転させて炉内の空気を撹拌させる構成とされている。撹拌ファン５１は、電熱線２３への通電中は回転駆動させておくことが好ましい。
【００２６】
ワークＷは、端部を両センターでワーククランプ６０により回転可能な状態で支持され、回転駆動機６１により図示しない回し金等により所定の回転速度で回転される。
【００２７】
（第１の実施の形態の作用）
熱処理されるワークＷを加熱炉ベース２２上のワーククランプ６０により回転可能な状態で支持する。この状態で、加熱炉ベース２２の上に加熱外装体２１を被せてワークＷが加熱外装体２１により囲まれることにより炉内に位置するようセットする。
【００２８】
例えば、熱処理として焼入れを行なう場合は、ワークＷを回転駆動機６１により所定の回転速度で回転させながら、レーザヘッド３１からレーザ照射を行いながらワークＷの外周面を局所的に急加熱する。赤外線放射温度計４３によりワークＷの加熱部の温度を測定しながら、オーステナイト変態温度（約７３０℃）まで加熱し、所定の時間だけその温度をほぼ一定に維持する。レーザヘッド３１は、スライダ４１と送り機構レール４２により、ワークＷの軸方向に所定の送り速度で所定の量だけ移動されるので、レーザヘッド３１からレーザ照射されたワークＷの所定の幅の外周面だけが変態温度に上昇する。その後、レーザヘッド３１からのレーザ照射を停止して油冷または水冷等により急冷することで、上記したワークＷの所定の幅の外周面だけを焼入れ処理することができる。
【００２９】
また、例えば、ワークＷが炭素鋼で、熱処理として焼戻しを行なう場合は、電熱線２３に所定の電流を通電し、炉内を加熱していく。撹拌ファン５１を回転させることにより炉内の温度を均一にしながら、また、熱電対５０により炉内の温度を測定しながら、炉内が所定の温度になるまで電熱線２３に通電を行なう。約２００℃になるまで炉内の温度を上昇させ、所定の時間だけその温度をほぼ一定に維持する。
【００３０】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第1の実施の形態に係る熱処理装置によれば、次のような効果を有する。
（１）加熱炉とレーザ等の局所加熱ユニットを複合させた熱処理装置としているので、加熱時間の短縮が可能となる。すなわち、ある温度までは加熱炉でワーク全体を加熱し、レーザ等である領域だけ局所的に急加熱することで短時間での熱処理が可能となる。例えば、鋼の焼入れをする場合に、加熱炉でワーク全体を変態温度近くまで加熱しておき、レーザ等で焼入れをする部分だけを急加熱することにより極めて短時間で焼入れすることが可能となる。
（２）加熱炉とレーザ等の局所加熱ユニットを複合させているので、焼入れ、焼戻し、焼ならし、焼きなまし等の種々の熱処理が可能なコンパクトな熱処理装置が可能となる。すなわち、加熱炉とレーザ等の併用により、主に焼入れ、焼戻しができ、加熱炉中の炉内温度をコントロールすることでワークの保温または炉冷が可能となり、主に焼ならし、焼きなましが可能となる。
（３）加熱炉による炉内温度とレーザ等の局所加熱ユニットによるワークの局所加熱により、高精度な熱処理制御が可能となる。特に、ワークの焼入れにおいて、焼入れ深さの制御を高精度に行なうことが出来るようになる。
【００３１】
（本発明の第２の実施の形態）
［熱処理装置１の構成］
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る熱処理装置１の正面図である。熱処理装置１は、加工されるワークＷを囲む断熱炉７０と、この断熱炉７０の内部に配置されワークＷを局所的に加熱する局所加熱ユニット３とを有して構成されている。
【００３２】
断熱炉７０は、断熱外装体７１と断熱炉ベース７２とが分割及び合体可能に構成されている。断熱外装体７１の内部には、局所加熱ユニット３、スライダ４１、送り機構レール４２、赤外線放射温度計４３、熱電対５０、撹拌ファン５１が所定の位置に設けられている。また、断熱炉ベース７２上には、ワーククランプ６０、回転駆動機６１が所定の位置に設けられている。ここで、図６に示すように、断熱外装体７１の内面は、レーザ吸収性の高い黒体７３とされており、必要に応じて断熱炉ベース７２上もレーザ吸収性の高い黒体７３とすることができる。
【００３３】
局所加熱ユニット３は、ワークＷを局所的に加熱するレーザヘッド３１、レーザヘッド３１をワークＷに対して移動させるためのスライダ４１を有して構成される。スライダ４１は、断熱外装体７１の内部に取付けられた送り機構レール４２にガイドされることによりワークＷに対して相対的に移動可能な構成とされている。スライダ４１と送り機構レール４２は、いわゆるリニアガイド、Ｘ軸ステージ等が使用できるが、これらの組合せによりワークＷに対して３軸方向に移動可能な構成としてもよい。尚、スライダ４１の駆動は図示しないアクチュエータによるが、例えば、ボールネジ駆動、リニアモータ駆動等が使用できる。
【００３４】
レーザヘッド３１は、ワークＷに対して所定の距離（ワーキングディスタンス）で設けられ、ワークＷを所定のスポット径のレーザ光で局所的に加熱する。レーザ光として、高出力の半導体レーザをレーザヘッド３１に内蔵し、レーザスポット径を微小に絞ることでワークＷの表面を局所的に加熱することができる。より広範囲に、また、ワークＷの表面から深く、かつ、急加熱を行なうためには、断熱炉７０の外部にレーザ発振器３２を備え、光ファイバでレーザヘッド３１に接続してワークＷをレーザ照射、加熱することができる。尚、レーザヘッド３１が光ファイバ３３および光ファイバカップラ３４を介して高出力のレーザ発振器３２によりレーザ照射、加熱する構成は、図２に示す第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
撹拌ファン５１は、断熱炉７０の炉内温度を均一にするために、プロペラを回転させて炉内の空気を撹拌させる構成とされている。撹拌ファン５１は、レーザ発振器３２によるレーザ照射、加熱中は回転駆動させておくことが好ましい。
【００３６】
ワークＷは、端部を両センターでワーククランプ６０により回転可能な状態で支持され、回転駆動機６１により図示しない回し金等により所定の回転速度で回転される。
【００３７】
（第２の実施の形態の作用）
熱処理されるワークＷを断熱炉ベース７２上のワーククランプ６０により回転可能な状態で支持する。この状態で、断熱炉ベース７２の上に断熱外装体７１を被せてワークＷが断熱外装体７１により囲まれることにより炉内に位置するようセットする。
【００３８】
図７は、ワークＷを回転させながら、レーザ照射により熱処理を行なう場合の動作説明図である。例えば、熱処理として焼入れを行なう場合は、ワークＷを回転駆動機６１により所定の回転速度で回転させながら、レーザヘッド３１からレーザ照射を行いながらワークＷの外周面を局所的に急加熱する。赤外線放射温度計４３によりワークＷの加熱部の温度を測定しながら、オーステナイト変態温度（約７３０℃）まで加熱し、所定の時間だけその温度をほぼ一定に維持する。レーザヘッド３１は、スライダ４１と送り機構レール４２により、ワークＷの軸方向に所定の送り速度で所定の量だけ移動されるので、レーザヘッド３１からレーザ照射されたワークＷの所定の幅の外周面だけが変態温度に上昇する。その後、レーザヘッド３１からのレーザ照射を停止して油冷または水冷等により急冷することで、上記したワークＷの所定の幅の外周面だけを焼入れ処理することができる。
【００３９】
上記の熱処理動作において、レーザ照射によりワークＷで反射された反射光８０は、断熱外装体７１の内面に形成されたレーザ吸収性の高い黒体７３に吸収され、断熱炉７０内の温度上昇に寄与する。すなわち、第１の実施の形態で使用した電熱線２３による加熱動作によらずに効率よく断熱炉７０内の温度を上昇させることができる。
【００４０】
（第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態に係る熱処理装置によれば、第１の実施の形態の効果に加え、次のような効果を有する。
（１）種々のレーザの中で吸収性の高い半導体レーザであっても、金属への吸収率は約４０％と低く、残りのエネルギーは反射により拡散してしまっている。第２の実施の形態によれば、この反射光を有効に活用することができ、鉄鋼材料へのレーザ照射による焼入れの効率を約２倍に向上させることができる。
（２）焼戻しや焼きならしなど、ワークＷの熱処理部位を一定時間等温にする処理（例えば、炭素の均一な拡散を行なうために一定時間均熱する）に関しても断熱炉７０内の温度を高め、一般の熱処理炉と同様に雰囲気温度によりワークＷを一定温度に保つことができる。
（３）焼入れ効率の向上に伴い、焼入れランニングコスト低減に繋がり、更に効率を上げる事で、低出力発振器での熱処理が可能となる事から、レーザ発振器コスト（イニシャルコスト）も低減することができる。
（４）レーザ反射光を再利用する熱処理の対象加工物として、従来は平板に適用する例（例えば、特開平５−５１６２７）があった。この従来技術では、平板の面粗状態や対象形状が丸棒の場合には対応が困難であるが、本実施の形態によれば、丸棒に対応することも可能となる。
（５）第２の実施の形態において、第１の実施の形態で使用した電熱線２３を併用することができる。電熱線２３による加熱と黒体７３によるレーザ吸収により、さらに効率的な熱処理が可能となる。
【００４１】
（本発明の第３の実施の形態）
［本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置の複合加工機への適用例］
本発明の第３の実施の形態は、本発明の第１又は第２の実施の形態に係る熱処理装置１を複合加工機１００に適用したもので、以下に、本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置１を複合加工機１００に適用した場合について説明する。
【００４２】
図３および４は、本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置１を適用した複合加工機１００の平面図である。図３は、複合加工機１００に搭載された熱処理装置１を使用して、ワークＷの熱処理を行なっている場合を示す平面図である。また、図４は、複合加工機１００に搭載された熱処理装置１を使用せず、砥石車６００により研削加工を行なっている場合を示す平面図である。尚、図３および４において、加熱外装体２１のみを断面することにより内部に位置するワークＷを図示している。詳細は後述する図５Ａ〜５Ｄに示す。また、上下にＸ方向及び左右にＺ方向を規定する。
【００４３】
この複合加工機１００は、図示しないコンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）により全体の駆動が制御されるものであり、複合加工機本体と図示しない付属装置からなる。主な付属装置は、オイル供給装置、冷却装置、エア供給機器、クーラント供給装置、切屑収集装置及びこれらの装置を複合加工機本体と接続するダクト装置等からなっている。
【００４４】
複合加工機１００は、ベッド１１０上に載置され軸物あるいは長尺状のワークＷを回転駆動可能に支持するワーク支持駆動ユニット１２０と、ベッド１１０上に装架されてＸ及びＺ方向の移動及び位置決めを行なうＸステージ３０１及びＺステージ３０２と、Ｚステージ３０２上に載置され各種の加工ツールを着脱可能に搭載するワーク加工ユニット２００と、加工ツール５０１をワーク加工ユニット２００の所定位置に着脱するツール装着ユニット４００とを有する。尚、ワーク加工ユニット２００は、Ｘステージ３０１及びＺステージ３０２によりＸ及びＺ方向の移動を行うだけでなく、例えば、閉リンク機構を並列に配置したいわゆるパラレル機構等によりＸＺ平面内で移動するものであってもよい。
【００４５】
ワーク支持駆動ユニット１２０は、ベッド１１０上に載置された主軸台ベース１２１に、左右の主軸台スライドガイド１２２を介してスライド可能に移動可能な左右の主軸台１２３を有し、主軸台１２３には、主軸１２５を所定の回転数で回転駆動する主軸駆動モータ１２４が搭載されている。各々左右の主軸台１２３は、左右独立にＺ方向にスライドして、ワークＷを所定の心間で挟持して、その位置を固定できる構成となっている。ワークＷは、図示しない回し金を介して主軸１２５の回転によって回転駆動される。
【００４６】
ワーク加工ユニット２００は、ユニットハウジング２０１により回転可能に支持されたツール回転主軸２０２と、このツール回転主軸２０２を所定の回転速度で回転駆動するためのツール駆動モータ２０３を有して構成されている。図３および４には、加工ツールとして、砥石車６００をツール回転主軸２０２に装着した図が示されている。
【００４７】
図５Ａ〜５Ｄは、図３および４で示した熱処理装置１の部分を詳細に示す図である。図５Ａは、図３および４と同様に、複合加工機１００の熱処理装置１の部分を詳細に示した平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ断面を示す断面図である。図５Ｃは、図５ＡのＢ−Ｂ断面を示す断面図であって、加熱外装体２１が閉じた状態、すなわち、加熱炉２がワークＷの部分において加熱外装体２１と加熱炉ベース２２とが合体した状態を示す図である。図５Ｄは、図５ＡのＢ−Ｂ断面を示す断面図であって、加熱外装体２１が開いた状態、すなわち、加熱炉２がワークＷの部分において加熱外装体２１と加熱炉ベース２２とが分割された状態を示す図である。尚、図５Ｂ〜５Ｄにおいては加熱外装体２１と加熱炉ベース２２を断面で示し、その他の部分は他の図を参照すれば位置関係が不明確とならない限りにおいて断面とせずに形状を示している。
【００４８】
熱処理装置１は、加工されるワークＷの全体を加熱する加熱炉２とワークＷを局所的に加熱する局所加熱ユニット３とを有して構成されている。熱処理装置１は、ワークＷが加熱炉２の内部に収容可能な位置関係で、図５Ｂに示すようにベッド１１０上の所定の位置に載置されている。加熱炉２を構成する加熱外装体２１と加熱炉ベース２２は、図５Ｃおよび５Ｄに示すように回転軸２５を中心にして、固定された加熱炉ベース２２に対して加熱外装体２１が回転して開閉できる構成とされている。加熱外装体２１は、加熱炉ベース２２に取り付けられた回転アクチュエータ２４により、回転軸２５を中心にして開閉可能とされている。回転アクチュエータ２４としては、回転モータあるいは回転ソレノイド等が使用可能である。
【００４９】
図５Ｃの状態は、加熱外装体２１が閉じた状態である。この状態では、ワークＷを囲むことによりワークＷを炉内に位置するものとでき、加熱炉２がワークＷを全体として加熱可能な状態である。また、ワークＷは、加熱外装体２１の略半円形状に形成された半円窓部２１ａと加熱炉ベース２２の略半円形状に形成された半円窓部２２ａとにより、加熱炉２の外部に位置する主軸１２５がワークＷを両センタで回転可能な状態で支持できる。
【００５０】
図５Ｄの状態は、加熱炉ベース２２から加熱外装体２１が開いた状態であり、加熱炉２が分割された状態である。この状態では、ワークＷを囲まないことによりワークＷを炉外に位置するものとすることができる。よって、ワークＷを冷却剤等による急冷、空気中での徐冷等に適した状態である。また、加熱外装体２１がワークＷを囲んでない状態であるので、加工ツールにより研削、切削等の機械加工ができる。
【００５１】
加熱外装体２１の内部に設けられる、電熱線２３、局所加熱ユニット３（レーザヘッド３１）、スライダ４１、送り機構レール４２、赤外線放射温度計４３、熱電対５０、撹拌ファン５１は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【００５２】
尚、レーザヘッド３１がレーザ発振器を外部に備えている場合は、図示しない光ファイバによりレーザ発振器と接続される。
【００５３】
ツール装着ユニット４００は、ベッド１１０上の所定の位置に載置され、種々の加工ツール５０１を保持可能な複数のツールポッド４０２を有したツールタレット４０３と、Ｘ軸回りに割出し制御をするサーボモータ４０４により構成されている。ツールポッド４０２には、加工ツール５０１の結合部に形成されたＶ溝部を保持するためのクリック部が形成され、また、加工ツール５０１のテーパ穴部５１０とツール回転主軸２０２とのクランプ及びアンクランプ動作の一部を行なう機構が組み込まれている。
【００５４】
加工ツール５０１は、砥石車６００以外に、図３および４に図示されているツールポッド４０２に装着されている旋削加工に使用される旋削用電着ホイール６０１等の旋削工具、穴あけ、溝加工等に使用されるドリル、エンドミル等の切削工具、超仕上げ、ＥＬＩＤ研削等に使用される表面仕上げ工具がある。
【００５５】
図３および4において、ツール回転主軸２０２に装着された砥石車６００を、他の加工ツール５０１、例えば、旋削用電着ホイール６０１に交換する場合について説明する。Ｘステージ３０１及びＺステージ３０２により、加工ツールが交換可能な所定の位置まで移動させ、図３に図示された加工ツール５０１が装着されていないツールポッド４０２に砥石車６００を把持させる。この後、ツール回転主軸２０２と加工ツール５０１とのクランプ状態を解除してアンクランプ状態にして、砥石車６００をツール装着ユニット４００側へ回収する。
【００５６】
サーボモータ４０４により割出し制御をして、加工ツール５０１（旋削用電着ホイール６０１）をツール回転主軸２０２に装着可能な位置にセットする。Ｚステージ３０２によりツール回転主軸２０２を移動させて、加工ツール５０１のテーパ穴部にツール回転主軸２０２を装着し、クランプ状態にすることで加工ツール５０１をツール回転主軸２０２に装着する。
【００５７】
上記示したような一連の操作により、所望の加工ツール５０１をツール回転主軸２０２に着脱して自動工具交換できる。この加工ツールの交換は、コンピュータ数値制御装置によりプログラムされて行なうことができるので、ワークＷに種々の加工（旋削、研削、切削、熱処理等）を施す間に工具交換を行う自動工具交換装置（ＡＴＣ）を備えた複合加工機が可能となる。
【００５８】
（本発明の第３の実施の形態に係る複合加工機１００による加工工程例）
図８は、第３の実施の形態に係る複合加工機１００による加工工程の例を時間軸に沿って説明する図である。この加工工程例は、切削加工、焼入れ、焼戻し、および研削加工の各工程を順に行うものである。
【００５９】
［切削加工工程］０≦ｔ≦ｔ１
加熱炉２が分割された状態（図５Ｄの状態）で、ワークＷが主軸１２５により両センタで回転可能な状態で支持されている。この状態では、加工温度は常温（外気温）で約２５℃である。ワーク加工ユニット２００には、ツール装着ユニット４００により旋削用電着ホイール６０１が装着され、主軸駆動モータ１２４によりワークＷが回転駆動されると共に旋削用電着ホイール６０１が所定の回転速度および送り速度でワークＷの外周面を切削加工する。
【００６０】
［焼入れ工程］ｔ１≦ｔ≦ｔ５
加熱外装体２１が回転アクチュエータ２４により回転駆動されて、加熱外装体２１が閉じることにより、加熱外装体２１と加熱炉ベース２２とが合体した状態（図５Ｃの状態）となる（ｔ＝ｔ１）。
【００６１】
ワークＷが加熱炉２の炉内に位置する状態で、電熱線２３に通電し、熱電対５０により炉内温度をモニタリングしながら炉内温度を上昇させる。また、レーザヘッド３１から赤外線放射温度計４３によりワークＷの表面温度をモニタリングしながらレーザを照射させることにより、ワークＷの表面を局所的に変態温度以上（約８００℃）に加熱する（ｔ１≦ｔ≦ｔ２）。この変態温度以上の温度を維持した状態で、ワークＷは主軸駆動モータ１２４により所定の回転速度で回転駆動されると主に、レーザヘッド３１がスライダ４１と送り機構レール４２とにより所定の送り速度でワークＷの軸方向に移動しながらワークＷの所定の外周領域に所定の焼入れ深さまで焼入れする（ｔ２≦ｔ≦ｔ３）。
【００６２】
加熱外装体２１を回転アクチュエータ２４により回転駆動して、加熱外装体２１が開いた状態にする。ワークＷは炉外にあり、油冷または水冷等により急冷させる（ｔ３≦ｔ≦ｔ４）。
【００６３】
上記の急冷時に、赤外線放射温度計４３によりワークＷの表面温度をモニタリングしながら、危険温度に到達する前に急冷から空冷などの徐冷に移行する（ｔ４≦ｔ≦ｔ５）。
【００６４】
以上のｔ１からｔ５までの一連の工程により焼入れ工程が終了する。
【００６５】
［焼戻し工程］ｔ５≦ｔ≦ｔ８
加熱外装体２１を回転アクチュエータ２４により回転駆動して、再び、加熱外装体２１が閉じた状態にする（ｔ＝ｔ５）。
【００６６】
ワークＷが加熱炉２の炉内に位置する状態で、電熱線２３に通電すると共にレーザヘッド３１からレーザを照射させることにより、熱電対５０または赤外線放射温度計４３により温度をモニタリングしながら短時間で焼戻し温度（約２００℃）に到達させる（ｔ５≦ｔ≦ｔ６）。
【００６７】
ワークＷの温度を一定にするため、加熱炉２の炉内温度を管理すると共に、必要に応じて局所加熱ユニット３によるワークＷの局所加熱を行なうことで加熱時間の短縮を行なう（ｔ６≦ｔ≦ｔ７）。
【００６８】
再び、加熱外装体２１を回転アクチュエータ２４により回転駆動して、加熱外装体２１が開いた状態にする。ワークＷを空冷などにより徐冷して常温にする（ｔ７≦ｔ≦ｔ８）。
【００６９】
以上のｔ５からｔ８までの一連の工程により焼戻し工程が終了する。
【００７０】
［研削加工工程］ｔ８≦ｔ≦ｔ９
Ｘステージ３０１及びＺステージ３０２により、加工ツールが交換可能な所定の位置まで移動させ、ツール装着ユニット４００により、加工ツールを旋削用電着ホイール６０１から砥石車６００に工具交換する（ｔ＝ｔ８）。再び、Ｘステージ３０１及びＺステージ３０２により、砥石車６００がワークＷを加工可能な位置にセットされ、主軸駆動モータ１２４によりワークＷが回転駆動されると共に砥石車６００が所定の回転速度でワークＷの外周面を常温にて研削加工する（ｔ８≦ｔ≦ｔ９）。
【００７１】
以上の一連の加工工程（切削加工、焼入れ、焼戻し、研削加工）により、複合加工機１００による所定の加工が終了する。
【００７２】
（第３の実施の形態の効果）
本発明の第３の実施の形態に係る複合加工機によれば、次のような効果を有する。
（１）従来の工作機械では困難であった機上焼入れ等の熱処理加工を、ワークＷを主軸から取り外すことなくインライン化して、切削または研削等の加工の間に行なうことが可能となり、工程集約してプロセス一貫した効率のよい加工方法を実現することができる。
（２）熱処理加工をインライン化できワークＷを主軸から取り外すことがないので、無駄な加熱工程が大幅に低減できる。これにより、ワークＷの全体加工時間が大幅に低減でき、製造コストの大幅な低減が可能となる。
（３）工作機械にコンパクトな熱処理装置を組み込むことで、１個生産または少量生産において大型の熱処理装置を使用する必要がなく、熱処理工程を含む少量生産において大きなメリットが生じる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置１の正面図である。
【図２】図２は、レーザヘッド３１が光ファイバ３３および光ファイバカップラ３４を介して高出力のレーザ発振器３２によりレーザ照射、加熱する構成を示す図である。
【図３】図３は、複合加工機１００に搭載された熱処理装置１を使用して、ワークＷの熱処理を行なっている場合を示す平面図である。
【図４】図４は、複合加工機１００に搭載された熱処理装置１を使用せず、砥石車６００により研削加工を行なっている場合を示す平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図３および４と同様に、複合加工機１００の熱処理装置１の部分を詳細に示した平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５ＡのＢ−Ｂ断面を示す断面図であって、加熱外装体２１が開いた状態、すなわち、加熱炉２がワークＷの部分において加熱外装体２１と加熱炉ベース２２とが分割された状態を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５ＡのＢ−Ｂ断面を示す断面図であって、加熱外装体２１が閉じた状態、すなわち、加熱炉２がワークＷの部分において加熱外装体２１と加熱炉ベース２２とが合体した状態を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施の形態に係る熱処理装置１の正面図である。
【図７】図７は、ワークＷを回転させながら、レーザ照射により熱処理を行なう場合の動作説明図である。
【図８】図８は、第３の実施の形態に係る複合加工機１００による加工工程の例を時間軸に沿って説明する図である。
【符号の説明】
【００７４】
１     熱処理装置
２     加熱炉
３     局所加熱ユニット
２１   加熱外装体
２１ａ 半円窓部
２２   加熱炉ベース
２２ａ 半円窓部
２３   電熱線
２４   回転アクチュエータ
２５   回転軸
３１   レーザヘッド
３２   レーザ発振器
３３   光ファイバ
３４   光ファイバカップラ
３５ａ、３５ｃ       レーザスタックモジュール
３６   偏光カップリング板
３７   波長カップリング板
４１   スライダ
４２   送り機構レール
４３   赤外線放射温度計
５０   熱電対
５１   撹拌ファン
６０   ワーククランプ
６１   回転駆動機
７０   断熱炉
７１   断熱外装体
７２   断熱炉ベース
７３   黒体
８０   反射光
１００ 複合加工機
１１０ ベッド
１２０ ワーク支持駆動ユニット
１２１ 主軸台ベース
１２２ 主軸台スライドガイド
１２３ 主軸台
１２４ 主軸駆動モータ
１２５ 主軸
２００ ワーク加工ユニット
２０１ ユニットハウジング
２０２ ツール回転主軸
２０３ ツール駆動モータ
３０１ Ｘステージ
３０２ Ｚステージ
４００ ツール装着ユニット
４０２ ツールポッド
４０３ ツールタレット
４０４ サーボモータ
５０１ 加工ツール
５１０ テーパ穴部
６００ 砥石車
６０１ 旋削用電着ホイール
Ｗ     ワーク
【図１】
2008214750.tif 000003
【図２】
2008214750.tif 000004
【図３】
2008214750.tif 000005
【図４】
2008214750.tif 000006
【図５Ａ】
2008214750.tif 000007
【図５Ｂ】
2008214750.tif 000008
【図５Ｃ】
2008214750.tif 000009
【図５Ｄ】
2008214750.tif 000010
【図６】
2008214750.tif 000011
【図７】
2008214750.tif 000012
【図８】
2008214750.tif 000013