(57)【要約】【課題】フライス及びレーザで材料を機械加工するための組み合わせ装置を提供する。【解決手段】本発明は、フライス３及びレーザ放射線を用いて材料を切削するための装置に関する。本装置は、フライスユニット１、工作スピンドル２、フライス３、レーザ４、偏向要素５、焦点レンズ６、及び工作テーブル７を備える。本発明によれば、工作物は、レーザビームがフライス軸線に対し同軸のチャネル内に結合されることによって、同時に又は連続して同一の切削位置でフライス加工及びレーザ加工することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライスユニット（１）と、フライス（３）及び該フライス（３）を収容するためのモータ駆動の工作スピンドル（２）と、光伝送システムに接続されたレーザ（４）と、工作物をクランプするための工作テーブル（７）と、３つの空間次元における前記フライスユニット（１）及び前記工作テーブル（７）の相対運動を発生しかつ制御するための、及び前記レーザ（４）を制御するための駆動ユニット及び制御ユニットと、を有する材料を切削するための装置において、
中空チャネルが、フライス軸線に対し同軸に前記フライス（３）に設けられ、前記光伝送システムが前記レーザビームを前記チャネル内に同軸に結合することを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記光伝送システムが、調整可能な焦点レンズ（６）を備え、該焦点レンズによって、前記フライス（３）の面からの前記レーザビームの焦点距離を変更できることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記フライス（３）が、レーザ切削中に生じる燃焼ガスの放出を促進するために、前記フライスの円周の切刃の間に切欠きを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
切削レンズ又はカバーガラスが前記フライス（３）のチャネル内にはめ込まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
洗浄通路が前記フライス（３）に設けられ、前記洗浄通路の出口開口部が前記切削レンズ又は前記カバーガラスの直下のチャネル内に開口することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライス及びレーザを用いて工作物から材料を部分的に除去できる装置に関する。このタイプの装置は、特許文献１から一般に知られている。
【背景技術】
【０００２】
特許文献２は、レーザ機械加工に加えて他の機械加工方法によって工作されるべき工作物が、異なる機械加工装置で工作される従来技術に由来する。工作物は、機械加工装置の間で搬送され、各々の機械加工装置の工具に向けられなければならない。
【０００３】
レーザ機械加工のほかに、工作物を搬送又は変位させることなく、他の機械加工方法を実施できる機械加工装置を提供する目的について、特許文献２は、一方がレーザヘッドのために設けられ、他方が他の工具を締結するために設けられる２つのクイルが、共有の駆動装置と結合されることを提案している。したがって、機械加工を実施するために同一の制御ユニットを使用することができる。
【０００４】
日本特許出願（特許文献３）の要約は、工作物を加工するために、レーザ、又はドリル、フライス、特に同様にエンドミルカッタなどの機械工具が代わりに使用される複合マシニング装置を開示している。異なる工具を使用するために、ドリル又はカッタは、スピンドルヘッドのスピンドルに直接締結される。レーザを使用するために、モジュールがスピンドルに締結され、この位置で、スピンドルに対し同軸方向にレーザビームが工作物に方向付けられ、レーザビームは入力側で結合される。工具のすべては、同一のスピンドルにすべて配向されるので、工作物に対し同一の作用方向を有する。この場合も、時間的に連続してのみ異なる機械加工方法を実施することができる。
【０００５】
レーザ放射線による又は切削工具によって工作物を代わりに工作するための工作機械が、特許文献１から公知である。ミリングヘッド及びレーザ放射線源は、Ｘ−Ｙテーブルに支持されかつ工作物に対する工具の水平移動を可能にするヘッドストックに共に締結される。レーザ放射線源は、ビーム供給チャネルによって、ミリングヘッドに横方向に配列されるレーザヘッドに接続される。工作物の表面の上方に集束してレーザビームを誘導するスキャナシステムは、レーザヘッドに締結される。層毎の材料除去は、工作機械の可能な用途として言及されている。個々の機械加工方法は、この場合も、時間的に連続して実施される。
【０００６】
レーザ補助による切断によって、特別な材料、例えば、セラミック又はある鋼を有利に除去できることが知られている。レーザビームは、材料の切断を促進する温度に切削ゾーンの周りの工作物を部分的に加熱する。旋盤では、工作物が回転され、１つのナイフのみを有する切削工具が単に前進させられるが、この旋盤上のレーザ補助による工作物の旋削により、レーザビームは、前方送り方向にナイフの真正面の工作物に方向付けられる。このことは、レーザビームが、機械加工中に切削工具に対し同一の相対位置を維持し、したがって、切削工具に対し固定可能であることを意味する。
【０００７】
レーザ補助によるフライスでは、切削ゾーンの加熱はより難しいが、この理由は、フライスが通常複数の先端を有し、これらのすべてが同時に材料の除去に関与するからである。
【０００８】
特許文献４に開示されているフライス盤は、３次元表面、特に自由成形面のレーザ補助によるフライス加工のために使用でき、このフライス盤では、レーザ装置は、球頭フライスの周りで旋回可能であるように調整可能な締結部に配列される。
【０００９】
要約すると、レーザと切削工具とを有する基本的に異なる２つの群の装置（工作機械）が、従来技術から知られる。
【００１０】
材料の切削除去がレーザによる加熱によって補助される第１の群の装置では、レーザ放射線及び従来のチップ除去工具が同時に使用され、レーザ放射線は、チップ除去工具の一時的な機械加工領域の外側に、すなわち外周の外側のフライスのために、工作物に衝突する。レーザ及びフライスは、隣接する領域を工作するので、レーザヘッド及びフライスはまた、互いに隣接して位置決めされなければならない。
【００１１】
材料が代わりにレーザによって又は切削工具によって除去される第２の群の装置では、レーザ放射線及び従来のチップ除去工具が、同一の機械加工位置で又は異なる機械加工位置で、時間的に連続して使用される。機械加工方法は、互いに干渉することなく進行する。同一の機械加工位置で工作するために、機械加工方法が変更されるとき、工作物に対する工具の位置を変更しなければならない。この種類の装置は、少なくとも２層の異なる材料にわたって材料を部分的に除去しなければならない多層の工作物に使用される。チップ除去方法が、第１の層の材料に少なくとも有利であり、次の層の材料は、切削ビームで有利に除去することができる。
【００１２】
従来技術から知られ、かつそこに記載されている装置は、フライスによって除去されるべき体積が除去される（２つの工作ステップ）までレーザを始めることができない、すなわち、機械加工領域全体を２回加工しなければならないという欠点を有する。機械加工時間（サイクル時間）は、所望の体積が機械加工領域全体にわたって一回（１つの工作ステップ）の工程によって除去される方法と比較して増大する。
【００１３】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９１０８８０Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第４１１３６３３Ａ１号明細書
【特許文献３】特開平１１−１１４７４１号公報
【特許文献４】独国特許出願公開第１０１２８５３６Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、チップ除去工具によって工作物内の溝のフライス加工が可能であり、同時にレーザビームによって溝に沿って工作物を切削又は穿孔できる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的は、本発明によれば請求項１の特徴によって達成される。有利な構造が従属請求項に示されている。
【００１６】
実施形態例を参照して、本発明について以下により詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、中空フライス３を、特にエンドミルを収容するためのモータ駆動の工作スピンドル２を有するフライスユニット１、中空フライス３内にレーザビームを結合するための偏向要素５を有する光伝送システムに接続されたレーザ４、調整可能な焦点レンズ６、及び工具をクランプするための工作テーブル７を示している。ガイド、３つの空間次元におけるフライスユニット１及び工作テーブル７の相対運動を発生しかつ制御するための、及びレーザ４を制御するための駆動ユニット及び制御ユニット、及び調整可能な焦点レンズ６は、示されていない。フライス３は、標準のクランプ装置、好ましくはクイッククランプチャックによって工作スピンドル２に接続される。さらに、チップ抽出のため、切削ガスの供給及び放出のため、及び冷却のためのユニットを設けることができる。
【００１８】
本装置は、一般型の従来技術の装置とは、レーザ放射線がフライスユニット１内に、及びフライス軸線に対し同軸の中空フライス３を通して、同様に中空である工作スピンドル２を介して工作物に方向付けられる点で異なる。レーザがフライス３を通過する領域のレーザビーム束の直径及びフライス３の自由直径は、フライス３が縁部を切断しない、すなわち、ビーム束が自由通過を有するように互いに適合されなければならない。適切に、フライス３は、この領域のレーザビーム束の直径よりも大きなシャフト軸線の周りの自由直径を有する連続的なチャネルを有する。
【００１９】
レーザ４と工作物との間の光学的に活性のすべての要素を意味する光伝送システムの計算に応じて、フライス３それ自体の工作物の前に、最後のレンズ（切削レンズ）を配置することが必要な場合がある。このため、フライス３は、切削レンズの意図する位置によって決定される深さまで、例えば、穴開けヘッドシャンクに対しより大きな孔を有することができ、この結果、生じるカラーに配置されるレンズは、切削レンズの意図する位置に固定できることが好ましい。切削レンズの代わりに、チャネルによるフライスユニット１の汚損を防止するために、カバーガラスも配列できるであろう。
【００２０】
冷却チャネルをフライス３の基体に形成して、より高いレーザ出力で切削レンズを冷却することができる。
【００２１】
工作スピンドル２の強制的な中空形成によって、該工作スピンドルも光学素子用ならびに切削レンズ用のマウントとして機能できる。
【００２２】
フライス３の前部からのレーザビームの焦点距離を変更できる調整可能な焦点レンズ６、及び偏向要素５による光伝送システムが、図１に示されている。伝送システムはまた、レーザビームを細長く束ねて鮮明に集束して、フライス３のチャネルを通して工作物又は工作物の層に方向付けるために、撮像素子又は偏向素子、例えば、テレスコープを備えることができ、さもなければ、焦点レンズ６は調整不可能であることが、当業者には明らかであろう。
【００２３】
燃焼残渣による切削レンズ又はカバーガラスの汚損を防止するため、洗浄通路がフライス３に設けられることが有利である。洗浄通路の出口開口部は、切削レンズ又はカバーガラスの直下に配置され、これによって、工作物側面は吹き付けられて洗浄されることができ、チップをフライス３のチャネルから排出でき、侵入する燃焼ガスを吹いて排出することができる。さらに、洗浄空気はまた、切削レンズ又はカバーガラスの冷却に役立つことができる。洗浄は、特に機械加工中に行われる。図２は、上述のタイプの構造を示しているが、切削ブレードは示していない。切削ブレードの構造及びフライス３の基体におけるそれらの配置は、本発明にとって重要でなく、むしろ、従来のエンドミルに対応する、考えられる任意の構造が可能である。
【００２４】
レーザ切削の結果生じる燃焼ガスの放出を促進するために、隙間（切欠き）がフライス３の面の円周切刃の間に導入される。これらの隙間は、深さに関しフライス３の芯円周からチャネル内に、及び可能な限り幅に関して切削ブレードの距離にわたって延在することが有利である。図３は、この種類の構造を示しており、切削ブレードなしのフライス３の基体のみが示されている。
【００２５】
冷却チャネル、洗浄通路及び開口部を有するフライス３の構造は、図面に見られるように代替構造を示しておらず、むしろ組み合わせ構造を示していることが、当業者には明らかであろう。
【００２６】
フライス３の中空構造のため、前部フライスは、限定的にのみ面に形成でき、フライス３の自由直径内に突出してはならない。
【００２７】
したがって、フライス３が工作物内を垂直に切削するとき、チャネルの下の材料体積を直接除去できない。この問題に対する様々な解決方法が提案されてきた。
【００２８】
円周切刃のみを有するフライスを使用するときにしばしば当てはまるように、切り込みは、従来のスロットエンドミルカッタで行うことができるが、本発明によるフライス３にレーザビームを一体化することによって得られる時間的な利点を無効にするであろう。
【００２９】
この代わりに、フライス３は、傾斜して材料内に切り込み、所望の切削深さに達したとき、その垂直の工作位置に直立させられることができる。しかし、フライス３は、垂直の工作位置の材料内に切り込まず、この距離に沿って材料の完全な除去を行うことができない。このことは、意図するフライス方向と逆にフライス３を走行させることによって解決できるであろう。
【００３０】
フライス３はまた、内側の切刃で形成できるであろう。これらの内側の切刃は、フライス３の基体にわたって、円周の切刃よりも大きな有効長を有することが好ましい。次に、フライス３は、切削方向の前方送り移動の開始時に貫入深さに達した後に残余の材料を除去することができる。
【００３１】
しかし、この残余の材料は、切り込み時にレーザ放射線によってすでに蒸発されていることが特に有利である。このため、レーザビームは、チャネルよりも僅かに小さな直径のみを有するように、焦点レンズ６によってデフォーカスされる。レーザ出力、パルス周波数及びパルス持続時間などのレーザパラメータは、フライス３の内側の材料除去が、フライス３による材料の切削よりも速く実施されないように選択される。フライス３が所望の切り込み深さに達すると、レーザビームの焦点は、フライス３の下に留まる材料の工作に適切な面からの距離に調整される。次に、フライス３は、工作物に対する所望の前方送り方向に移動される。一定の深さの溝が形成される。同時に、この溝は基部内にレーザ加工される。連続的な切削は、レーザ４によって実施することができるか、あるいは異なる深さ及び異なる距離の止まり穴又は微小穿孔を切削することができる。
【００３２】
本発明は、穿孔が次の層にレーザ加工される少なくとも第１の層において、エアバッグカバーなどの多層工作物に溝をフライスするために、特に有利な方法で適用できる。
【００３３】
２つの機械加工方法を重ね合わせることによって、時間の節減は別として、チップがビーム領域に達して、レーザ切削に干渉することも防止される。
【００３４】
切削ビームをフライス３に一体化するための本発明の基本的な構想はまた、ウォータジェット切削のために適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】装着されたレンズ及び洗浄通路を有するフライス３の構造を示す。
【図３】切欠きを有するフライス３の構造を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１  フライスユニット
２  工作スピンドル
３  フライス
４  レーザ
５  偏向要素
６  焦点レンズ
７  工作テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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