(57)【要約】【解決手段】  工作物を加工機械内で加工する工具（１０）は、動作中は機械側にあり、好ましくは標準化される、工具を数値制御工作機械（３０）と接続するための接続部分（１１）と、発生したプラズマを案内するプラズマダクト（４４）と、動作中は工作物側にあり、ダクト（４４）の端部に配設され、プラズマを工作物表面に供給する１つ又は複数の出口（２２）を備える出口部分（１３）とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物を工作機械内で機械加工する工具（１０）であって、
動作中は機械側にあり、好ましくは標準化される、前記工具を数値制御工作機械（３０）と接続するための接続部分（１１）と、
特にプラズマである流体を案内する、特にプラズマダクトであるダクト（４４）と、
動作中は工作物側にあり、前記ダクト（４４）の端部に配設され、前記流体を工作物表面に供給する１つ又は複数の出口（２２）を備える出口部分（１３）とを備えることを特徴とする工具。
【請求項２】
請求項１または２に記載の工具において、
前記接続部分（１１）内に設けられるプロセスガス接続部（４８）と、
前記プロセスガス接続部（４８）及び前記プラズマダクト（４４）と接続されるプラズマ発生器（４５）と、
前記プラズマ発生器（４５）用の無線エネルギー供給源（１４、４３）とを備えることを特徴とする工具。
【請求項３】
請求項２に記載の工具において、前記プロセスガス接続部（４８）が、冷却液供給に使用することができる機械側接続部（５１）と接続されるように設計されていることを特徴とする工具。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の工具において、前記エネルギー供給源が、コイル（１４）及び該コイルと接続される電圧整形回路（４３ａ）を備えることを特徴とする工具。
【請求項５】
先行する請求項の一項以上に記載の工具において、上位制御システム（３３）及び／又は１つ若しくは複数のセンサ（４７）から信号を受信し、受信した前記信号に従って工具構成要素（４５、４６）を制御し、並びに／あるいは前記上位制御システム（３３）に信号を送信するように設計された制御システム（４３ｂ）を備えることを特徴とする工具。
【請求項６】
請求項５に記載の工具において、前記制御システムが、無線で受信したエネルギーに重畳される信号を復号するデコーダ回路を備えることを特徴とする工具。
【請求項７】
先行する請求項の一項以上に記載の工具において、複数のプラズマ出口（２２）を備え、該出口のプラズマ供給チャネルを異なる方向で配向することができるようにしたことを特徴とする工具。
【請求項８】
先行する請求項の一項以上に記載の工具において、前記工作物側の出口部分（１３）が取外し可能かつ交換可能な構成要素であることを特徴とする工具。
【請求項９】
先行する請求項の一項以上に記載の工具において、プロセスガス及び／又はプラズマのフローを制御する１つ若しくは複数の制御弁（４６）を備えることを特徴とする工具。
【請求項１０】
先行する請求項の一項以上に記載の工具において、前記機械の工具交換装置によって取り扱うように設計されていることを特徴とする工具。
【請求項１１】
先行する請求項の一項以上に記載の工具において、周囲空気からのプラズマを取り扱うか又は発生させ、並びに／あるいは複数の選択可能なガス若しくはガス混合物の１つからのプラズマを取り扱うか又は発生させるように設計されていることを特徴とする工具。
【請求項１２】
請求項２に記載の工具において、前記プラズマ発生器（４５）又はその中にセンサ（４７）を備えることを特徴とする工具。
【請求項１３】
機械フレーム（３１）と、
先行する請求項の一項以上に記載の工具（１０）用の工具接続部（３３）と、
工作台（３５）と、
機械構成要素のための数値制御システム（３７）とを備えた工作機械（３０）において、
前記工具接続部が前記工具（１０）用のプロセスガス接続部（５１）を含み、前記プロセスガス接続部が、工具側出口と前記出口の上流側に配設されるスイッチ装置（５２）とを有し、前記スイッチ装置が、前記出口と接続されると共に、前記出口をプロセスガスダクト（５３）又は冷却液ダクト（５４）又は場合によっては洗浄流体源と制御接続するように設計され、
前記出口及び前記スイッチ装置用の清浄化デバイスを備えることができるようにしたことを特徴とする工作機械。
【請求項１４】
先行する請求項の一項以上に記載の工具（１０）を備える工作機械（３０）内で工作物を加工する方法であって、前記機械に取り付けられた前記工具を用いて前記工作物表面にプラズマが供給されることを特徴とする加工方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の加工方法において、前記プロセスガスが、冷却液を工具に供給するのにも使用される接続部を介して前記工具に供給され、前記工作機械において、プロセスガス供給と冷却液供給との間の切替えが制御システム（３３）に従って行われ、前記工具の取付け前に清浄化ステップを、特に前記プロセスガス又は別のガスを機械側供給構造に流すステップを行うことができるようにしたことを特徴とする加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項のプリアンブル部分による、工作物のための工具、工作機械、及び機械加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを使用することによって工作物表面を機械加工することが知られてきた。この機械加工プロセスは様々な目的を有する場合がある。そのプロセスは、工作物表面の清浄化、又は材料の除去、又は表面コーティング若しくは表面改質に役立ち得る。この目的のため、プラズマ発生器を備え、発生したプラズマを工作物表面に供給することができる適切なプラズマ出口を有する工具が、利用可能である。工具は、手動で、あるいはロボットによる自動制御方式でガイドされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
工作物が手動でガイドされる場合、機械加工の不十分な精度によって問題が引き起こされる。更に、それには多くの時間と労力を要する。しかしながら、ロボットなど、工作物表面のプラズマ処理に適した工具を工作物表面全体にわたって自動的にガイドすることができる、別個の機械を提供することにも多くの時間と労力を要する。
【０００４】
本発明の目的は、工作物のプラズマ処理方法を簡単に実施することを可能にする、工具、工作機械、及び機械加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項は本発明の好ましい実施形態を対象としている。
【０００６】
加工機械内で工作物を機械加工する工具は、工具を数値制御工作機械の適合する接続部と接続する、好ましくは標準化された接続部分と、発生したプラズマ又は別の流体若しくは粒子のフローを案内する流体ダクトと、流体ダクトの端部にあり、プラズマ若しくは流体を工作物表面に供給する１つ又は複数の出口を有する、出口部分とを有する。
【０００７】
工具は、接続部分に設けられるプロセスガス接続部と、プロセスガス接続部及びプラズマダクトに接続されるプラズマ発生器とを有することができる。電気エネルギーを供給するエネルギー供給システムが設けられる。そのエネルギー供給システムは、インターフェースを横切る摺動接点を有することができ、又は無線誘導エネルギー供給源であるか若しくはそれを備えることができる。
【０００８】
かかる工具と併せて、工作物をプラズマ処理する従来の工作機械を使用することができる。その場合、従来の制御アルゴリズムを使用することができる。また、（場合によっては回転するインターフェースを横切って）工具にエネルギーを供給する、既存のエネルギー供給システムを使用することもできる。
【０００９】
工作機械は、機械フレームと、上述したような工具のための工具接続部と、工具側にあるプロセスガス出口及び出口の上流側にあるスイッチ装置を備える、工具のためのプロセスガス接続部とを有し、スイッチ装置は、出口と接続されると共に、プロセスガスダクト若しくは冷却液ダクト、又は場合によっては機械の洗浄流体若しくは他の流体の供給源を、出口と随意に制御接続するように設計される。出口及びスイッチ装置に対する清浄化デバイスを設けることができる。
【００１０】
このように、工作機械に対するインターフェースを含む、既設の機械側流体ダクト（例えば、冷却液、潤滑剤用）を、プロセスガスを工具に供給するのに使用することができる。機械内では、固定部品にスイッチシステムが設けられ、それを用いて、流体ダクトを通してどの流体を工具に供給するかを選択することができる。従来の工具の場合、これは冷却液又は潤滑剤であり得る。本発明による工具の場合はプロセスガスである。
【００１１】
機械に対する工具の接続は、全体的に回転可能なスピンドルの適切なインターフェースにおいてもたらされる。通常、接続はＨＳＫに従って設計される。スピンドルは通常、それ自体が回転可能であり、プラズマ工具の動作中、所望の制御可能な回転速度で回転させることもできる。流体ダクトは、スピンドル内の耐トルク性接続を介して、機械から工具まで延在する。ここで、既存の構造（冷却液若しくは潤滑剤用）も使用することができる。
【００１２】
上述したような工具を用いて工作機械内で工作物を機械加工する方法の場合、機械に取り付けられた工具を用いて、工作物表面にプラズマが供給される。工具は、従来の工具と同様に、工作物表面を横切って数値制御方式でガイドすることができる。工具は機械スピンドルに取り付けることができる。工具は動作中に回転してもよい。プロセスガスは、冷却液を工具に供給するのにも使用される接続部を介して工具に供給されてもよく、工作機械内において、制御部に従ってプロセスガス供給と冷却液供給との間で切り替えることができ、工具が取り付けられる前に清浄化ステップが、特に機械側供給構造を通してプロセスガス又は別のガスを送風するステップが行われてもよい。
【００１３】
前記方法を用いて、従来の工具に、又はわずかにのみ修正された、他の工具も使用する数値制御工作機械に、プラズマ工具を使用することができる。プラズマ工具は、工具マガジン内の複数の他の工具のうち１つとして収容することができ、他の工具の場合とも同じように、工作機械によって自動的にアクセス可能であることができる。
【００１４】
以下、本発明の個々の実施形態について、図面を参照して記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】プラズマ工具を示す斜視図である。
【図２】プラズマ工具を示す側面図である。
【図３】工作機械を示す概略図である。
【図４】一実施形態におけるプラズマ工具の内部構造を示す概略図である。
【図５】工作機械の構成要素を示す概略図である。
【図６】工具の内部構造の別のタイプを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の説明及び図面において、同じ参照番号は同じ構成要素を指す。本発明の特徴は、それらの組み合わせが技術的に不可能でない限り、組み合わせが明示的に言及されない場合であっても、互いに組み合わせ可能であると見なされるものとする。方法ステップの説明は、それらの方法ステップを実施するデバイス／手段の説明とも見なされるものとし、その逆も同様である。
【００１７】
図１及び図２は、加工機械内で工作物を加工する工具１０の斜視図及び側面図を概略的に示す。工具１０は、機械側接続部分１１及び工具側出口部分１３を備える。それらの間に、更なる構成要素のための中央部分１２があってもよい。工具１０の内部には、出口部分１３に、特にそのプラズマ出口２２にプラズマを送るプラズマダクトがあり、プラズマ出口はプラズマダクト４４の端部に配設される。１つ又は複数のプラズマ出口２２を出口部分１３に設けることができる。
【００１８】
符号２１は工具軸を表す。工具は、回転対称構造又は回転不変構造を有することができる。工具は、動作の間、回転することができる。
【００１９】
接続部分１１は、好ましくは規格に従って構築される。その部分は、ＨＳＫ構造（ＤＩＮ  ６９８９３）又は急テーパ（ＤＩＮ  ６９８７１）であることができる。接続部分１１又は工具の別の部分は、自動工具交換装置のための把持部分を有することができる。
【００２０】
プラズマダクト４４はプラズマ出口（１つ若しくは複数）２２にプラズマを送る。プラズマは、外部から供給することができるか、又は工具１０自体の中で発生させることができる。プラズマは、周囲空気から発生する大気圧プラズマであり得る。
【００２１】
このようにして、他の工具と同様に、工作機械内で使用することができる工具が得られる（即ち、挿入、除去、工作物表面に沿った／それを横切る並進及び／又は回転ガイド、マガジン内での工具の管理、機械のプログラミング等）。
【００２２】
プラズマを工具自体の中で発生させる場合、工具はプラズマ発生器４５を備え、そのプラズマ発生器は、工具の中央部分１２に収容することができると共に、一方では電気及び電子構成要素を備え、他方では機械的構造の構成要素も備えることができる。更に、この場合、エネルギー供給システム１４、４３を設けることができる。エネルギー供給システムは、好ましくは、非接触／誘導タイプのものである。工具側には、交番磁界によって分散される受信コイル１４を有する。有利には、コイルに存在する交流電圧を適切な量（周波数、振幅、定常成分等）へと変換する、電圧整形回路４３ａを更に備える。工具側コイル１４は、軸２１を中心にして対称的に設計し配置することができる。コイルは環状の設計を有することができる。
【００２３】
プラズマ又はまだイオン化されていないプロセスガスを供給するため、回転軸２１に対して同心のチャネルを使用することができる。ここで、特に、別の方法では他の工具の他の流体に使用されるチャネルが使用されてもよく、特に冷却液及び／又は潤滑剤用のチャネルが使用されてもよい。この点に関して、既知の標準化された構造が既に使用されている。プロセスガスの供給は適宜設計することができる。
【００２４】
図３は、工作機械３０を概略的に示す。符号３１は、ほぼ剛性の機械フレームである。符号３２は、工具１０を並進方向及び／又は回転方向で調節し移動させるのに用いることができる、一連のアクチュエータを表す。符号３３は、工具１０を回転させることができるスピンドルを表す。工具１０は上述したように、又は後述するように設計される。符号３４は、適切な場合は、工作台３５を同じく並進方向及び／又は回転方向で調節することができる、工作台３５のアクチュエータを表す。符号３６は工作物自体を表す。
【００２５】
符号３７は、開ループ／閉ループ制御部を表し、制御部は、他方では、プロセスの方向で、特に個々のアクチュエータ３２、３４に対して、また適切な場合は工具１０自体に対しても、また適切な場合は他の図示されない構成要素に対しても、信号を送信する。更に、信号を、特に図３には図示されないセンサからフィードバックされる信号を、工具の１つ又は複数のセンサから受信することもできる。制御システム３７は、工作物３６の加工用のプログラムに従って動作する。
【００２６】
符号３８は、流体源、特にプロセスガス源又はプラズマ源を表す。したがって、供給源３８からアクチュエータ３２及びスピンドル３３を介して工具１０までの流体ダクトが存在する。プロセスガスは周囲空気であることができ、場合によっては浄化された周囲空気であることもできる。この接続では、吸気ポート又は適切なポンプ又はフィルタ出口を供給源３８と見なすことができる。供給源は、機械フレーム３１に固定的に取り付けなくてもよい。流体の種類に応じて、工具１０のより近くに位置させることもできる。工具１０とスピンドル３３との間には、標準化された工具固定具構造（ＨＳＫ、急テーパ等）が位置する。
【００２７】
システムは、供給源から工作物の方向で流体を送る、図示されない流体駆動部を備えることができる。駆動部は、ポンプとして、又は圧縮可能な流体の加圧リザーバとして設計することができ、適切な場合、流量制御弁を備える。駆動部は、工具自体の中又は工作機械内に位置することができる。
【００２８】
図４は、工具１０の内部構造を概略的に示す。符号４８は、工具側流体入口又はプロセスガス入口を表す。入口は、接続部分１１内に位置し、その回転軸２１と同軸で延在することができる。入口は、規格又は標準に従って、特に、他の工具の冷却液入口又は潤滑剤入口が設計されるのと同じように設計することができる。符号４５は、上流側の流体ダクト４４ａ及び下流側の流体ダクト４４ｂと接続されるプラズマ発生器を表す。入口４８を通して、プロセスガスが発生器４５に供給される。
【００２９】
符号１４はエネルギー源を表す。エネルギー源は、エネルギーを誘導的に回収するコイル／リングコイルであることができる。符号４３ａは、リングコイル１４に接続される電圧整形回路を表す。電圧整形回路は、例えば、出力される電圧の整流、及び適切な場合はそれに続く反転、並びに振幅制御を含むことができる。電圧整形回路４３ａは、プラズマ発生器４５が要する電気エネルギーをプラズマ発生器に供給し、場合によっては流体駆動部及び他の構成要素にも供給する。電気エネルギーが供給される場合、プラズマ発生器４５は、その上から流入し、下から流出するプロセスガスからプラズマを発生させる。内部に、又は発生器４５の一部として、開ループ及び閉ループ構成要素、アクチュエータ、並びに機械的又は電気／電子デバイスを備えることができる。
【００３０】
コイル１４は、リングコイル１４の特定のセクタの上にのみ備えられ、ｚ方向にわずかな距離でリングコイル１４に面するようにして構成することができる、固定の図示されないコイルと協働する。図示されない送信コイルを、工作機械に電気的及び／又は機械的に固定して接続することができる。送信コイルは、特に、工具交換装置が工具にアクセスするのが妨げられないような形で取り付けられる。
【００３１】
システム設計は、工具に電気エネルギーが供給されるだけではなく、工具が制御信号も受信するような設計であることができる。これらの信号は、例えば、供給される交流電力に対する信号をエネルギー供給のために機械側で変調し、それを次に工具側で復調／復号し、次に適宜使用することによって、工具に送ることができる。符号４３ｂは、比較的複雑な構造を恐らくは有するであろう、この目的のための構成要素を表す。このようにして、外部のコマンドを受信することができる。その結果、プラズマ発生器４５に適宜作用することができる。しかしながら、外部成分を有する信号は、適切な無線インターフェース又は有線インターフェースを介して直接交換することもできる。
【００３２】
また、１つ又は複数の流量制御弁４６も設けることができる。発生器４５の下流側の弁が示される。上流側の弁も想起することができる。適切に制御可能（オン／オフ、又は更には段階的制御）であってもよい、複数の弁を想起することができる。更に、工具内で開ループ又は閉ループ制御を実施することが可能である。符号４７は、例えば、プラズマ発生器４５又はその中の状態変数を検出し、それらを回路４３ｂに搬送する、センサを表す。そこで、状態変数を、開ループ制御／閉ループ制御信号を発生させるのに直接使用することができ、又は機械に返送し、そこで使用することができる。
【００３３】
図４の下側には、プラズマ出口２２を有する出口部分１３を交換可能な部品４９として形成できることが示される。このようにして、異なる出口設計を、また場合によってはノズル設計も、簡単に提供することができる。図４の左下の符号４９’は、構成要素４９の１つとは異なる出口設計を表す。符号４９の場合、下向き（軸方向）の出口２２が示されている。しかしながら、符号４９’の場合、ほぼ横に向いた出口２２が示されている。このようにして、異なる機械加工の状況及び要件を考慮に入れることができる。
【００３４】
図５は、機械側の特徴を概略的に示す。図５の下側には、やはり概略的にのみ、工具の接続部分１１が示される。上側には、機械側の接続区域が示される。接続区域は、所望の回転速度で固定部品３３ａに対して駆動することができる、スピンドルの被動端部、即ち動作中は回転する工具接続部３３ｂであることができる。工具１０に対する機械側接続部５１は回転部品３３ｂ内に位置する。固定部品３３ａと回転部品３３ｂとの間のインターフェースを横切って、互いに対する耐トルク性の接続部を有する、固定部品の一部５１ａ及び回転部品の一部５１ｂを備えたガスダクト５１が延在する。ガスダクトは、固定部品３３ａと回転部品３３ｂとの間の移行領域に位置し、回転軸２１に対して同軸で延在することができる。
【００３５】
固定部品３３ａ内には、制御システム３７から生じることができる制御信号５５に応じて作動する、スイッチ装置５２を設けることができる。スイッチ装置５２は、出口側（導管５１ａ）を、２つ又は複数の入口導管５３、５４のうち１つに交互に接続することができる。これらの入口導管５３、５４は異なる流体を提供することができ、それらは次に、スイッチ装置５２によって選択することができる。入口導管のうち１つ５３は、例えば、冷却液及び／又は潤滑剤を供給することができる。別の１つ５４はプロセスガスを供給することができる。（図示されない）更なる入口導管は別のプロセスガスを供給することができる。更なる導管（やはり図示なし）は、工具１０の接続前に下流側構成要素（導管５１、スイッチ装置５２）を清浄化する、洗浄流体を含むことができる。清浄化は、例えば、周囲空気を構成要素に流すことによって行うことができる。
【００３６】
図５に示されるのとは異なり、単一のダクト５１を１つだけしかアクチュエータ及びスピンドルを横切って方向付けることができないように、スイッチ装置５２は、更に上流側に、例えば機械フレーム３１内に、即ちアクチュエータ３２の上流側に位置することもできる。
【００３７】
機械を用いて、プラズマを実際に発生させ工作物表面に供給すると共に、工作物表面を横切って工具をガイドするのとは別に、工作物表面を機械加工する作業方法はまた、工具１０が機械に挿入される前に、洗浄プロセスを最初に行うことを含むことができ、その間に導管が洗浄流体（プロセス流体／プロセスガスでもあり得る）で濯がれるので、他の流体（例えば、冷却液）の残留物は、例えば噴出させることによって、機械の導管（特に、スピンドル及びその上流）から除去される。必要な場合、スイッチ装置５２を用いて、所望の入口を出口側の流体ダクト５１と接続することによって、所望のプロセスガスを選択することができる。このステップの前又は後に、特に、工具をマガジンから取ることもできる自動工具ハンドラを用いて、工具１０が工作機械に挿入される。
【００３８】
上述したエネルギー供給源（金属接点及び／又は誘導エネルギー供給源）に加えて、あるいはその代わりに、エネルギー供給システムは、工具内にエネルギー蓄積部を備えることもできる。それは、例えば、交換可能な、場合によっては充電可能でもある、電池であり得る。
【００３９】
図示されるものとは異なり、工作物内に、プロセスガス又はプロセス流体のための流体リザーバを設けることもできる。交換可能なカートリッジ及びそれに対応する接続部を設けることができる。それらのための適合された適切な制御部を含む、１つ又は複数の流量制御弁を設けることができる。その結果、機械に対する流体接続部を省略することができる。
【００４０】
図６は、図４に比べて修正されている工具の内部構造を概略断面図として示す。一般に、プラズマ発生器４５及び／又は導管４４を、工具ハウジングに組み込まれる別個の構成要素として設計する必要はなく、工具本体又はその壁６１、６２自体を、ダクト壁６２及び／又は発生器壁６１として使用することができる。プラズマ発生器の領域において、壁領域６１によって画成される工具の内部空間に、符号６３によって表される、プラズマに点火し安定して発生させるために必要な電気又は電子デバイス及び装置が存在する。次に、下流側の工具壁６２自体が、プラズマを出口２２にガイドするダクトを形成することができる。
【００４１】
図１及び２の工具はまた、プラズマ以外の流体又は粒子を取り扱い、工作物表面の加工のために供給するように設計することもできる。一般に、液状若しくはガス状の流体又は粒子のフローを、工作物表面に供給するように設計することができる。この場合、ダクト４４は流体又は粒子のダクトである。出口２２は流体又は粒子の出口である。流体は液状又はガス状であることができる。発生器は省略することができ、又は必要に応じて構築することができる。流体若しくは粒子源、例えばスパッタターゲット、電子源などを含むことができる。また、出口２２の直前に位置することもできる。
【００４２】
結果的に、記載した工具１０の用途は、工作物表面のプラズマ処理に限定されない。一般に、工作物表面がガス状若しくは液状の流体によって処理される、特に改質され、材料除去又は材料蓄積によって処理される、工作物の流体加工あるいは被覆に使用することができる。流体はガス状であることができ、原子／電子は電気的に中性であるか若しくはイオン化することができ、又はプラズマとして存在することができる。プラズマ発生器の代わりに、他の適切な導管を、又は個々の所望の流体若しくはイオン若しくは粒子を発生させる他の発生器を、工具１０内に備えることができる。その結果、工具１０の制御部４３ｂは個々の条件に適合され、開ループ制御又はフィードバック制御のタスクを行うことができる。その他の点では、工具、機械、及び方法の特徴は、記載した通りであることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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