(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の線膨張係数を有するワークに対して、応力を付与するステップと、
前記ワークに応力を付与したまま、前記ワークに対して、前記第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップと、
前記材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップの後に、前記ワークに対する応力の付与を緩和しつつ、前記ワークを冷却するステップとを備える、ワークの付加加工方法。
【請求項２】
前記第１の線膨張係数は、前記第２の線膨張係数よりも大きく、
前記応力を付与するステップは、前記ワークに対して圧縮応力を付与するステップを含む、請求項１に記載のワークの付加加工方法。
【請求項３】
前記第１の線膨張係数は、前記第２の線膨張係数よりも小さく、
前記応力を付与するステップは、前記ワークに対して引っ張り応力を付与するステップを含む、請求項１に記載のワークの付加加工方法。
【請求項４】
前記応力を付与するステップは、単位長さ当たりの前記ワークの歪み量が、前記ワークを冷却するステップ時の、前記材料粉末からなる付加加工層の単位長さ当たりの熱収縮量と、前記ワークの単位長さ当たりの熱収縮量との差分と等しくなるように、前記ワークに対して応力を付与するステップを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のワークの付加加工方法。
【請求項５】
前記ワークを冷却するステップは、前記ワークの加工点の温度が、前記材料粉末の液相点温度以下、室温以上の範囲である場合に、前記ワークに対する応力付与を緩和するステップを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のワークの付加加工方法。
【請求項６】
第１ワーク主軸により、前記ワークの一方端を保持し、前記第１ワーク主軸と対向して配置される第２ワーク主軸により、前記ワークの他方端を保持するステップをさらに備え、
前記第１ワーク主軸および前記第２ワーク主軸の間の距離を変化させることによって、前記ワークに対して付与する応力の大きさを変化させる、請求項１から５のいずれか１項に記載のワークの付加加工方法。
【請求項７】
前記ワークの冷却が完了した後、前記ワークを前記第１ワーク主軸および前記第２ワーク主軸から取り外すステップをさらに備える、請求項６に記載のワークの付加加工方法。
【請求項８】
ワークの付加加工を行なう加工機械であって、
前記ワークに対して、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射する付加加工用ヘッドと、
前記ワークに対して応力を付与する応力付与装置と、
前記加工機械を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
第１の線膨張係数を有するワークに対して応力を付与するように、前記応力付与装置の動作を制御し、
前記ワークに応力を付与したまま、前記ワークに対して、前記第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するように、前記応力付与装置および前記付加加工用ヘッドの動作を制御し、
前記材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射した後に、前記ワークに対する応力の付与を緩和しつつ、前記ワークを冷却するように、前記応力付与装置の動作を制御する、加工機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ワークの付加加工方法および加工機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、特開２０１０−４２５２４号公報（特許文献１）には、三次元形状造形物の製造方法が開示されている。三次元形状造形物の製造方法は、曲がった形状の造形用プレートを、取り付け用プレートに取り付けることによって、造形用プレートに応力を付与する工程と、造形用プレートに粉末層を形成する工程と、粉末層に光ビームを照射することにより焼結層を形成し、造形物を造形する工程と、造形後に、造形プレートを取り付けプレートから取り外す工程とを備える。
【０００３】
また、特開平９−２９５１７３号公報（特許文献２）には、ピストン母材を保持し、これを回転させる治具と、ピストン母材の外周面に沿って設けられた溝に粉末を投入する粉末供給装置および投入用ノズルと、投入された粉末を加熱溶融するためのレーザビームを発振するレーザ発振器と、ピストン母材を加温できるように、治具にシリコンオイルを循環させるためのオイル槽、ヒータおよびポンプ等とを備える内燃機関用ピストンの製造装置が開示されている。
【０００４】
また、特開昭６０−２２３６８１号公報（特許文献３）には、熱膨張係数の異なる金属部材同士を低温で焼結結合する方法が開示されている。特許文献３に開示される焼結結合する方法では、熱膨張係数が異なる複数の金属の超微粉を樹脂粘結剤により結合して、複数の粉末合金シートを作成する。熱膨張係数の異なる金属部材の間に、熱膨張係数が大きい金属部材から小さい金属部材へと熱膨張係数が段階的に変化するように複数の粉末合金シートを配置し、次いで、これらを超微粉の焼結温度まで加熱して焼結する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−４２５２４号公報
【特許文献２】特開平９−２９５１７３号公報
【特許文献３】特開昭６０−２２３６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ワークに対して材料粉末を供給しながらレーザ光を照射する指向性エネルギー堆積法（Directed  Energy  Deposition  Method）によって、ワークに３次元形状を作成するワークの付加加工方法が知られている。
【０００７】
このようなワークの付加加工方法において、ワークの線膨張係数と、材料粉末の線膨張係数とが異なる場合がある。この場合、付加加工が行なわれたワークを冷却するステップ時に、ワークの熱収縮量と、材料粉末からなる付加加工層の熱収縮量との間に差分が生じ、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じる可能性がある。
【０００８】
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、ワークの線膨張係数と、材料粉末の線膨張係数との違いに起因して、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることを防ぐワークの付加加工方法および加工機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に従ったワークの付加加工方法は、第１の線膨張係数を有するワークに対して、応力を付与するステップと、ワークに応力を付与したまま、ワークに対して、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップと、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップの後に、ワークに対する応力の付与を緩和しつつ、ワークを冷却するステップとを備える。
【００１０】
このように構成されたワークの付加加工方法によれば、予めの応力付与によりワークに歪みを生じさせ、ワークの冷却時に応力付与の緩和によりその歪みを徐々に解消することによって、ワークの熱収縮量と、材料粉末からなる付加加工層の熱収縮量との間に差分が生じることを抑制する。これにより、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることを防止できる。
【００１１】
また好ましくは、第１の線膨張係数は、第２の線膨張係数よりも大きい。応力を付与するステップは、ワークに対して圧縮応力を付与するステップを含む。
【００１２】
このように構成されたワークの付加加工方法によれば、第１の線膨張係数が第２の線膨張係数よりも大きい場合、ワークを冷却するステップ時、ワークの熱収縮量が付加加工層の熱収縮量よりも大きくなる。このため、予めの圧縮応力の付与によりワークを圧縮変形させておき、ワークの冷却時にその圧縮歪みを徐々に解消することによって、ワークの熱収縮量と、付加加工層の熱収縮量との間に差分が生じることを抑制できる。
【００１３】
また好ましくは、第１の線膨張係数は、第２の線膨張係数よりも小さい。応力を付与するステップは、ワークに対して引っ張り応力を付与するステップを含む。
【００１４】
このように構成されたワークの付加加工方法によれば、第１の線膨張係数が第２の線膨張係数よりも小さい場合、ワークを冷却するステップ時、ワークの熱収縮量が付加加工層の熱収縮量よりも小さくなる。このため、予めの引っ張り応力の付与によりワークを引っ張り変形させておき、ワークの冷却時にその引っ張り歪みを徐々に解消することによって、ワークの熱収縮量と、付加加工層の熱収縮量との間に差分が生じることを抑制できる。
【００１５】
また好ましくは、応力を付与するステップは、単位長さ当たりのワークの歪み量が、ワークを冷却するステップ時の、材料粉末からなる付加加工層の単位長さ当たりの熱収縮量と、ワークの単位長さ当たりの熱収縮量との差分と等しくなるように、ワークに対して応力を付与するステップを含む。
【００１６】
このように構成されたワークの付加加工方法によれば、ワークを冷却するステップ時、ワークの熱収縮量と、付加加工層の熱収縮量との間に差分が生じることをより効果的に抑制できる。
【００１７】
また好ましくは、ワークを冷却するステップは、ワークの加工点の温度が、材料粉末の液相点温度以下、室温以上の範囲である場合に、ワークに対する応力付与を緩和するステップを含む。
【００１８】
このように構成されたワークの付加加工方法によれば、付加加工層の熱収縮が進行するタイミングでワークに対する応力付与を緩和することによって、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることをより確実に防止できる。
【００１９】
また好ましくは、ワークの付加加工方法は、第１ワーク主軸により、ワークの一方端を保持し、第１ワーク主軸と対向して配置される第２ワーク主軸により、ワークの他方端を保持するステップをさらに備える。第１ワーク主軸および第２ワーク主軸の間の距離を変化させることによって、ワークに対して付与する応力の大きさを変化させる。
【００２０】
このように構成されたワークの付加加工方法によれば、互いに対向配置された第１ワーク主軸および第２ワーク主軸を用いて、ワークに対して付与する応力の大きさを自在に調整することができる。
【００２１】
また好ましくは、付加加工方法は、ワークの冷却が完了した後、ワークを第１ワーク主軸および第２ワーク主軸から取り外すステップをさらに備える。
【００２２】
このように構成されたワークの付加加工方法によれば、ワークを第１ワーク主軸および第２ワーク主軸により保持した状態を付加加工層の熱収縮が終了するまで継続することによって、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることをより確実に防止できる。
【００２３】
この発明に従った加工機械は、ワークの付加加工を行なう加工機械である。加工機械は、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付加加工用ヘッドと、ワークに対して応力を付与する応力付与装置と、加工機械を制御する制御装置とを備える。制御装置は、第１の線膨張係数を有するワークに対して応力を付与するように、応力付与装置の動作を制御する。制御装置は、ワークに応力を付与したまま、ワークに対して、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するように、応力付与装置および付加加工用ヘッドの動作を制御する。制御装置は、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射した後に、ワークに対する応力の付与を緩和しつつ、ワークを冷却するように、応力付与装置の動作を制御する。
【００２４】
このように構成された加工機械によれば、ワークの線膨張係数と、材料粉末の線膨張係数との違いに起因して、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上に説明したように、この発明に従えば、ワークの線膨張係数と、材料粉末の線膨張係数との違いに起因して、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることを抑制するワークの付加加工方法および加工機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】加工機械を示す前面図である。
【図２】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３】ワークおよび材料粉末の線膨張係数が異なる場合の従来の現象を示す断面図である。
【図４】ワークおよび材料粉末の線膨張係数が異なる場合の従来の現象を示す断面図である。
【図５】本実施の形態におけるワークの付加加工方法の第１ステップ（第１の線膨張係数＞第２の線膨張係数）を示す断面図である。
【図６】本実施の形態におけるワークの付加加工方法の第２ステップ（第１の線膨張係数＞第２の線膨張係数）を示す断面図である。
【図７】本実施の形態におけるワークの付加加工方法の第３ステップ（第１の線膨張係数＞第２の線膨張係数）を示す断面図である。
【図８】本実施の形態におけるワークの付加加工方法の第１ステップ（第１の線膨張係数＜第２の線膨張係数）を示す断面図である。
【図９】本実施の形態におけるワークの付加加工方法の第２ステップ（第１の線膨張係数＜第２の線膨張係数）を示す断面図である。
【図１０】図１および図２中の加工機械において、ワークの付加加工に関連する制御系を示すブロック図である。
【図１１】図１および図２中の加工機械を用いて、本実施の形態におけるワークの付加加工方法を実行するステップの流れを示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
図１は、加工機械を示す前面図である。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。
【００２９】
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。加工機械１００は、コンピュータによる数値制御によって、ワーク加工のための各種動作が自動化されたＮＣ（Numerically  Control）加工機械である。
【００３０】
本明細書においては、加工機械１００の左右方向（幅方向）に平行で、水平方向に延びる軸を「Ｚ軸」といい、加工機械１００の前後方向（奥行き方向）に平行で、水平方向に延びる軸を「Ｙ軸」といい、鉛直方向に延びる軸を「Ｘ軸」という。図１中における右方向を「＋Ｚ軸方向」といい、左方向を「−Ｚ軸方向」という。図１中における紙面の手前方向を「＋Ｙ軸方向」といい、奥方向を「−Ｙ軸方向」という。図１中における上方向を「＋Ｘ軸方向」といい、下方向を「−Ｘ軸方向」という。
【００３１】
まず、本実施の形態におけるワークの付加加工方法に用いられる加工機械１００の構造について説明する。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。
【００３２】
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、工場などの床面に設置されている。第１主軸台１１１（後述の第１ワーク主軸１１２）、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２０５により区画形成された加工エリア２００内に設けられている。
【００３３】
加工エリア２００は、ワークの除去加工および付加加工が行なわれる空間であり、これらワーク加工に伴う切屑、切削油またはヒューム等の異物が加工エリア２００の外部に漏出しないように密閉されている。
【００３４】
第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、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たり、回転工具を用いたミーリング加工時または除去加工時にワークを保持したりするための第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７を有する。第１ワーク主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１Ａを中心に回転可能に設けられ、第２ワーク主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１Ｂを中心に回転可能に設けられている。中心軸２０１Ａおよび中心軸２０１Ｂは、同一直線上で延びている。
【００３５】
第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７には、それぞれ、ワークを着脱可能に把持するためのチャック１１３およびチャック１１８が設けられている。図１に示されるように、チャック１１３が設けられる第１ワーク主軸１１２の主軸端面１１２ｆと、チャック１１８が設けられる第２ワーク主軸１１７の主軸端面１１７ｆとの間におけるＺ軸方向の距離を、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈという。
【００３６】
図２に示されるように、加工対象であるワーク５１が、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により保持されている。ワーク５１は、たとえば、ステンレス等の金属材料からなる。
【００３７】
ワーク５１は、中心軸２０１Ａおよび中心軸２０１Ｂの延長上で延びる中心軸２０１を中心とする円柱形状を有する。中心軸２０１の軸方向におけるワーク５１の一方端が、チャック１１３により把持され、中心軸２０１の軸方向におけるワーク５１の他方端が、チャック１１８により把持されている。第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７が互いに同期して回転駆動することにより、ワーク５１は、中心軸２０１を中心に回転する。
【００３８】
第２主軸台１１６（第２ワーク主軸１１７）は、各種の送り機構、案内機構および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。第２主軸台１１６が＋Ｚ軸方向に移動することによって、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈが増大し、第２主軸台１１６が−Ｚ軸方向に移動することによって、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の主軸間距離Ｈが減少する。
【００３９】
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、Ｘ軸−Ｚ軸平面に平行な中心軸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。
【００４０】
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、案内機構およびサーボモータなどにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。このような構成により、工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置が、３次元的に移動する。
【００４１】
工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な旋回中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている（Ｂ軸旋回）。工具主軸１２１の旋回範囲は、工具主軸１２１の主軸端面１２３が下方を向く姿勢（図１中および図２に示す姿勢）を基準にして±１２０°の範囲である。工具主軸１２１の旋回範囲は、図１および図２中に示す姿勢から±９０°以上の範囲であることが好ましい。
【００４２】
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（ＡＴＣ：Automatic  Tool  Changer）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。
【００４３】
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。
【００４４】
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複数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。
【００４５】
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、案内機構および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。
【００４６】
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、コバルト基合金またはＳＫＤ材等の金属粉末を利用することができる。
【００４７】
付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に着脱可能なように構成されている。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。さらに、工具主軸１２１が、旋回中心軸２０４を中心に旋回することによって、付加加工用ヘッド２１も工具主軸１２１と一体となって旋回中心軸２０４を中心に旋回する。これにより、付加加工用ヘッド２１による付加加工の向き（ワークに対するレーザ光の照射方向）を自在に変化させることができる。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
加工機械１００は、パウダーフィーダ７０と、レーザ発振装置７６と、ケーブル２４とをさらに有する。
【００５１】
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、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。
【００５２】
レーザ発振装置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、空気の流路となるエア配管と、不活性ガスの流路となるガス配管と、冷媒の流路となる冷却配管と、電気配線と、これらを収容する管部材とから構成されている。
【００５３】
続いて、本実施の形態におけるワークの付加加工方法について説明する。図３および図４は、ワークおよび材料粉末の線膨張係数が異なる場合の従来の現象を示す断面図である。
【００５４】
図３および図４中では、ワーク５１の第１の線膨張係数が、材料粉末（付加加工層５６）の第２の線膨張係数よりも大きい場合が想定されている。一例として、ワーク５１が、線膨張係数１７．３×１０−６／℃を有するＳＵＳ３０４からなり、材料粉末が、線膨張係数１０×１０−６／℃を有するコバルト基合金からなる。
【００５５】
図３を参照して、ワーク５１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と、ワーク５１の表面には、ワーク５１が溶融してなるメルトプール５２が形成され、ワーク５１の表面上には、材料粉末が溶融してなる付加加工層５６がメルトプール５２と重なって形成される。このとき、矢印６２に示すワーク５１の熱膨張量が、矢印６１に示す付加加工層５６の熱膨張量よりも大きくなる。
【００５６】
図４を参照して、ワーク５１を冷却することによって、付加加工層５６が、ワーク５１の表面上に溶着される。このとき、固化に伴うワーク５１の熱収縮量が、固化に伴う付加加工層５６の熱収縮量よりも大きいため、付加加工層５６およびワーク５１の境界に応力が生じる。その結果、付加加工層５６に亀裂、変形または破損等が発生する可能性がある。
【００５７】
図５から図７は、本実施の形態におけるワークの付加加工方法のステップ（第１の線膨張係数＞第２の線膨張係数）を示す断面図である。
【００５８】
図５から図７を参照して、これに対して、本実施の形態におけるワークの付加加工方法は、図５に示されるように、第１の線膨張係数を有するワーク５１に対して、応力を付与するステップと、図６に示されるように、ワーク５１に応力を付与したまま、ワーク５１に対して、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップと、図７に示されるように、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップの後に、ワーク５１に対する応力の付与を緩和しつつ、ワーク５１を冷却するステップとを備える。
【００５９】
ワーク５１が有する第１の線膨張係数は、材料粉末が有する第２の線膨張係数よりも大きい。図５に示される応力を付与するステップは、ワーク５１に対して、矢印６４に示す圧縮応力を付与するステップを含む。
【００６０】
図６に示されるように、予めの圧縮応力の付与によりワーク５１に圧縮歪みを生じさせることによって、矢印６３に示す、ワーク５１の力学的変形量が差し引かれたワーク５１の熱膨張量を、矢印６１に示す付加加工層５６の熱膨張量に近づけることができる。そして、図７に示されるように、ワーク５１の冷却時に圧縮応力の付与の緩和によりその圧縮歪みを徐々に解消することによって、ワーク５１の熱収縮量と、付加加工層５６の熱収縮量との間に差分が生じることを抑制できる。これにより、付加加工層５６に亀裂、変形または破損等が生じることを防止できる。
【００６１】
図８および図９は、本実施の形態におけるワークの付加加工方法のステップ（第１の線膨張係数＜第２の線膨張係数）を示す断面図である。図８および図９には、それぞれ、先出の図５および図６に対応するステップが示されている。
【００６２】
図８および図９を参照して、ワーク５１が有する第１の線膨張係数が、材料粉末が有する第２の線膨張係数よりも小さい場合、図８に示される応力を付与するステップは、ワーク５１に対して、矢印６８に示す引っ張り応力を付与するステップを含む。
【００６３】
ワーク５１が有する第１の線膨張係数が、材料粉末が有する第２の線膨張係数よりも小さい場合、ワーク５１の熱膨張量が、付加加工層５６の熱膨張量よりも小さくなる。
【００６４】
これに対して、図９に示されるように、予めの引っ張り応力の付与によりワーク５１に引っ張り歪みを生じさせることによって、矢印６７に示す、ワーク５１の力学的変形量が付加されたワーク５１の熱膨張量を、矢印６５に示す付加加工層５６の熱膨張量に近づけることができる。そして、ワーク５１の冷却時に引っ張り応力の付与の緩和によりその引っ張り歪みを徐々に解消することによって、ワーク５１の熱収縮量と、付加加工層５６の熱収縮量との間に差分が生じることを抑制できる。これにより、付加加工層５６に亀裂、変形または破損等が生じることを防止できる。
【００６５】
本実施の形態におけるワークの付加加工方法において、応力を付与するステップは、単位長さ当たりのワーク５１の歪み量が、ワーク５１を冷却するステップ時の、材料粉末からなる付加加工層５６の単位長さ当たりの熱収縮量と、ワーク５１の単位長さ当たりの熱収縮量との差分と等しくなるように、ワーク５１に対して応力を付与するステップを含むことが好ましい。
【００６６】
このような構成によれば、ワーク５１を冷却するステップ時、ワーク５１の熱収縮量と、付加加工層５６の熱収縮量との間に差分が生じることをより効果的に抑制できる。これにより、付加加工層５６に亀裂、変形または破損等が生じることをより確実に防止できる。
【００６７】
一例として、ワーク５１の線膨張係数、圧縮／引っ張り係数、および、引っ張り断面係数と、材料粉末の線膨張係数、圧縮／引っ張り係数、および、厚みと、ワーク５１の加工点の温度、室温、および、冷却速度とをパラメータとし、これらパラメータに即して、ワーク５１の冷却速度に合わせて応力を緩和することによって、付加加工層５６に亀裂、変形または破損等が生じることを効果的に防ぐことができる。
【００６８】
ワーク５１を冷却するステップは、ワーク５１の加工点の温度が、材料粉末の液相点温度以下、室温以上の範囲である場合に、ワーク５１に対する応力付与を緩和するステップを含むことが好ましい。ワーク５１に対する応力付与を緩和するステップは、ワーク５１の加工点の温度が、少なくとも材料粉末の液相点温度から固相点温度まで低下する間に、継続的に実施されることがさらに好ましい。
【００６９】
なお、ワーク５１の加工点の温度は、付加加工層５６の温度に対応している。材料粉末の液相点温度とは、材料粉末において液体から固体が出現しはじめる温度である。付加加工層５６においては、材料粉末の液相点温度から、完全に固体になる材料粉末の固相点温度までの間に、結晶の核形成が進行する。
【００７０】
このような構成によれば、付加加工層５６において結晶の核形成が開始されるタイミング、すなわち、付加加工層５６の熱収縮が始まるタイミングで、ワーク５１に対する圧縮応力の付与を緩和する。これにより、付加加工層５６に亀裂、変形または破損等が生じることをより確実に防止できる。
【００７１】
続いて、本実施の形態におけるワークの付加加工方法のより具体的な例として、図１および図２中の加工機械１００を用いて、本実施の形態におけるワークの付加加工方法を実行する場合を説明する。
【００７２】
図１０は、図１および図２中の加工機械において、ワークの付加加工に関連する制御系を示すブロック図である。図１０を参照して、加工機械１００は、制御装置８１をさらに有する。
【００７３】
制御装置８１は、加工機械１００を制御する。制御装置８１は、加工機械１００に備え付けられ、加工機械１００における各種動作を制御するための制御盤である。
【００７４】
制御装置８１は、プログラム記憶部８２と、プログラム実行部８３と、工具主軸制御部８４と、付加加工制御部８５と、第１ワーク主軸制御部８６と、第２ワーク主軸制御部８７とを有する。
【００７５】
プログラム記憶部８２には、加工機械１００の作業者によって作成されたワーク加工のための実行プログラム（数値制御プログラム）が記憶されている。プログラム記憶部８２は、一例として、フラッシュメモリである。
【００７６】
プログラム実行部８３は、プログラム記憶部８２に記憶された実行プログラムを実行する。プログラム実行部８３は、実行プログラムの命令を読み取って、工具主軸制御部８４、付加加工制御部８５、第１ワーク主軸制御部８６および第２ワーク主軸制御部８７の各々に制御信号を出力する。
【００７７】
工具主軸制御部８４は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、工具主軸１２１をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動させるための工具主軸送りモータ８９と、工具主軸１２１をＢ軸旋回させるための工具主軸旋回モータ９０とを制御する。付加加工制御部８５は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、付加加工用ヘッド２１にレーザ光を供給するためのレーザ発振装置７６と、付加加工用ヘッド２１に材料粉末を供給するためのパウダーフィーダ７０とを制御する。
【００７８】
第１ワーク主軸制御部８６は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、第１ワーク主軸１１２を回転させるための第１ワーク主軸回転モータ９１を制御する。第２ワーク主軸制御部８７は、プログラム実行部８３からの制御信号に従って、第２ワーク主軸１１７を回転させるための第２ワーク主軸回転モータ９２と、第２ワーク主軸１１７をＺ軸方向に移動させるための第２ワーク主軸送りモータ９３とを制御する。
【００７９】
制御装置８１は、記憶部９６をさらに有する。記憶部９６には、ワークおよび材料粉末に用いられる金属の種類と、各金属の線膨張係数との関係に関するデータ、ならびに、材料粉末に用いられる金属の種類と、各金属の液相点温度との関係に関するデータが記憶されている。
【００８０】
加工機械１００は、操作部９５と、温度センサ９４と、歪みゲージ９７とをさらに有する。操作部９５は、加工エリア２００の外部に設けられている。操作部９５は、作業者が加工機械１００を操作する際に用いる各種のボタンおよびスイッチ、ならびに、加工機械１００におけるワークの加工状態等を示す表示部などを含む。操作部９５は、ワークに用いられる金属の種類、および、材料粉末に用いられる金属の種類を入力可能なように構成されている。
【００８１】
温度センサ９４は、加工エリア２００内に設けられている。温度センサ９４は、加工エリア２００内の温度、および、付加加工時におけるワーク５１の加工点の温度を検出可能なように構成されている。温度センサ９４は、付加加工用ヘッド２１に取り付けられてもよい。温度センサ９４は、非接触式の温度センサであってもよい。
【００８２】
歪みゲージ９７は、ワーク５１に設けられている。歪みゲージ９７は、Ｚ軸方向におけるワーク５１の歪み量を検出可能なように構成されている。
【００８３】
図１１は、図１および図２中の加工機械を用いて、本実施の形態におけるワークの付加加工方法を実行するステップの流れを示すフローチャート図である。
【００８４】
図１、図２、図９および図１０を参照して、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により、ワーク５１を保持する（Ｓ１０１）。本ステップでは、ワーク５１を第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７の間に配置する。チャック１１３およびチャック１１８によって、Ｚ軸方向におけるワーク５１の一方端および他方端をそれぞれ把持する。
【００８５】
ワーク５１に用いられる金属の種類と、付加加工時の材料粉末に用いられる金属の種類とを、操作部９５に入力する（Ｓ１０２）。操作部９５は、入力された金属の種類を第２ワーク主軸制御部８７に出力する。
【００８６】
次に、第２ワーク主軸制御部８７は、ワーク５１の線膨張係数α１と、材料粉末の線膨張係数α２と、材料粉末の液相点温度Ｔ１とを特定する（Ｓ１０３）。
【００８７】
本ステップにおいては、第２ワーク主軸制御部８７が、Ｓ１０２のステップで得られたワーク５１に用いられる金属の種類と、材料粉末に用いられる金属の種類とを、記憶部９６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５１の線膨張係数α１と、材料粉末の線膨張係数α２とを特定する。第２ワーク主軸制御部８７は、Ｓ１０２のステップで得られた材料粉末に用いられる金属の種類を、記憶部９６に記憶されたデータに照らし合わせることによって、材料粉末の液相点温度Ｔ１を特定する。
【００８８】
次に、温度センサ９４は、加工エリア２００内の温度Ｔ０を検出する（Ｓ１０４）。温度センサ９４は、検出した加工エリア２００内の温度Ｔ０を、室温として第２ワーク主軸制御部８７に出力する。
【００８９】
次に、第２ワーク主軸制御部８７は、Ｚ軸方向における単位長さ当たりのワーク５１の目標歪み量ΔＬｔを算出する（Ｓ１０５）。
【００９０】
本ステップにおいては、第２ワーク主軸制御部８７が、Ｓ１０３のステップで特定されたワーク５１の線膨張係数α１および材料粉末の線膨張係数α２と、Ｓ１０３のステップで特定された材料粉末の液相点温度Ｔ１と、Ｓ１０４のステップで得られた室温Ｔ０とを、下記の数式に代入することによって、ワーク５１の目標歪み量ΔＬｔを算出する。
【００９１】
ΔＬｔ＝｜α１−α２｜＊（Ｔ１−Ｔ０）
次に、第２ワーク主軸制御部８７は、第２ワーク主軸１１７がＺ軸方向に移動するように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する。歪みゲージ９７は、Ｚ軸方向における単位長さ当たりのワーク５１の歪み量ΔＬを検出する（Ｓ１０６）。
【００９２】
Ｓ１０３のステップで特定されたワーク５１の線膨張係数α１および材料粉末の線膨張係数α２が、α１＞α２の関係式を満たす場合、第２ワーク主軸１１７の移動方向は、−Ｚ軸方向である。Ｓ１０３のステップで特定されたワーク５１の線膨張係数α１および材料粉末の線膨張係数α２が、α１＜α２の関係式を満たす場合、第２ワーク主軸１１７の移動方向は、＋Ｚ軸方向である。
【００９３】
歪みゲージ９７は、Ｚ軸方向における第２ワーク主軸１１７の移動に伴って生じるワーク５１の歪み量を検出する。歪みゲージ９７は、検出したワーク５１の歪み量ΔＬを、第２ワーク主軸制御部８７に出力する。
【００９４】
第２ワーク主軸制御部８７は、ワーク５１の歪み量ΔＬが、Ｓ１０５のステップで算出したワーク５１の目標歪み量ΔＬｔに達したか否かを判断する（Ｓ１０７）。ΔＬ＜ΔＬｔの場合、Ｓ１０６のステップにおける第２ワーク主軸１１７の移動と、ワーク５１の歪み量ΔＬの検出とを継続する。ΔＬ＝ΔＬｔの場合、Ｓ１０６のステップにおけＳ１０６のステップにおける第２ワーク主軸１１７の移動と、ワーク５１の歪み量ΔＬの検出とを停止し、次のＳ１０８のステップに進む。本ステップにより、ワーク５１に対して応力を付与するステップが完了する。
【００９５】
次に、ワーク５１の付加加工を実施する（Ｓ１０８）。本ステップでは、プログラム記憶部８２に記憶された実行プログラムに従ってワーク５１の付加加工を実行することにより、ワーク５１にその外周面を覆う付加加工層５６を形成する。
【００９６】
より具体的には、工具主軸制御部８４は、工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド２１がワーク５１の外周面と対向して位置決めされるように、工具主軸送りモータ８９および工具主軸旋回モータ９０を制御する。付加加工制御部８５は、付加加工用ヘッド２１からワーク５１に向けてレーザ光および材料粉末が供給されるように、レーザ発振装置７６およびパウダーフィーダ７０を制御する。第１ワーク主軸制御部８６および第２ワーク主軸制御部８７は、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７が中心軸２０１を中心に回転するように、第１ワーク主軸回転モータ９１および第２ワーク主軸回転モータ９２を制御し、工具主軸制御部８４は、工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド２１がＺ軸方向に移動するように、工具主軸送りモータ８９を制御する。
【００９７】
Ｓ１０８のステップにおける付加加工が完了したら、ワーク５１を冷却する。温度センサ９４は、ワーク５１の加工点（付加加工層５６）の温度ｔを検出する（Ｓ１０９）。
【００９８】
本ステップでは、付加加工層５６が形成されたワーク５１を第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により保持された状態で放置することによって、ワーク５１を冷却する。温度センサ９４は、検出したワーク５１の加工点の温度ｔを第２ワーク主軸制御部８７に出力する。
【００９９】
第２ワーク主軸制御部８７は、ワーク５１の加工点の温度ｔが、Ｓ１０３のステップで特定された材料粉末の液相点温度Ｔ１に達したか否かを判断する（Ｓ１１０）。ｔ＞Ｔ１の場合、Ｓ１０９のステップにおけるワーク５１の冷却と、ワーク５１の加工点の温度ｔの検出とをそのまま継続する。ｔ＝Ｔ１の場合、次のＳ１１１のステップに進む。
【０１００】
次に、第２ワーク主軸制御部８７は、第２ワーク主軸１１７がＺ軸方向に移動するように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する（Ｓ１１１）。
【０１０１】
Ｓ１０３のステップで特定されたワーク５１の線膨張係数α１および材料粉末の線膨張係数α２が、α１＞α２の関係式を満たす場合、第２ワーク主軸１１７の移動方向は、＋Ｚ軸方向である。Ｓ１０３のステップで特定されたワーク５１の線膨張係数α１および材料粉末の線膨張係数α２が、α１＜α２の関係式を満たす場合、第２ワーク主軸１１７の移動方向は、−Ｚ軸方向である。
【０１０２】
本ステップ以降では、第２ワーク主軸１１７をＺ軸方向に移動させ続けることにより、ワーク５１に対する応力付与を緩和しながら、ワーク５１の冷却と、ワーク５１の加工点の温度ｔの検出とを継続する。第２ワーク主軸制御部８７は、第２ワーク主軸１１７がＳ１０１における初期位置に戻った時点で停止するように、第２ワーク主軸送りモータ９３を制御する。本ステップにおける第２ワーク主軸１１７の移動速度は、Ｓ１０６のステップにおける第２ワーク主軸１１７の移動速度よりも遅いことが好ましい。
【０１０３】
次に、ワーク５１の冷却が完了する（Ｓ１１２）。本ステップにおいて、第２ワーク主軸制御部８７は、ワーク５１の加工点の温度ｔが、Ｓ１０４のステップで検出された加工エリア２００内の温度Ｔ０に達した場合に、ワーク５１の冷却が完了した判断してもよい。ワーク５１の冷却の完了は、操作部９５の表示部における表示、または、音などによって作業者に報知されてもよい。ワーク５１の冷却の完了時、または、ワーク５１の冷却が完了するよりも前に、第２ワーク主軸１１７がＳ１０１における初期位置に戻ることが好ましい。
【０１０４】
次に、第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７からワーク５１を取り外す（Ｓ１１３）。以上のステップにより、図１および図２中の加工機械１００を用いたワークの付加加工方法が完了する。
【０１０５】
このような構成によれば、加工機械１００において互いに対向配置された第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７を用いて、ワーク５１に対して付与する応力の大きさを自在に調整することができる。
【０１０６】
また、ワーク５１の冷却が完了した後に、ワーク５１を第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７から取り外すため、ワーク５１を第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により保持した状態が、付加加工層５６およびメルトプール５２の熱収縮が終了するまで継続される。これにより、付加加工層５６に亀裂、変形または破損等が生じることをより確実に防止できる。
【０１０７】
なお、ワーク５１の付加加工の後に除去加工を行なう場合には、Ｓ１１２のステップの後に、ワーク５１を第１ワーク主軸１１２および第２ワーク主軸１１７により保持したまま、ワーク５１の除去加工を引き続き行なってもよい。
【０１０８】
以上に説明した、本実施の形態におけるワークの付加加工方法は、第１の線膨張係数を有するワークに対して、応力を付与するステップと、ワークに応力を付与したまま、ワークに対して、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップと、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップの後に、ワークに対する応力の付与を緩和しつつ、ワークを冷却するステップとを備える。
【０１０９】
また、本実施の形態における加工機械１００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付加加工用ヘッド２１と、ワークに対して応力を付与する応力付与装置としての第２ワーク主軸１１７と、加工機械１００を制御する制御装置８１とを備える。制御装置８１は、第１の線膨張係数を有するワークに対して応力を付与するように、第２ワーク主軸１１７の動作を制御する。制御装置８１は、ワークに応力を付与したまま、ワークに対して、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するように、第２ワーク主軸１１７および付加加工用ヘッド２１の動作を制御する。制御装置８１は、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射した後に、ワークに対する応力の付与を緩和しつつ、ワークを冷却するように、第２ワーク主軸１１７の動作を制御する。
【０１１０】
このような構成によれば、ワークの線膨張係数と、材料粉末の線膨張係数との違いに起因して、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることを抑制できる。ワークの表面上に薄肉状の付加加工層を積層する場合、付加加工層に亀裂等が発生し易くなるため、本実施の形態におけるワークの付加加工方法は、このような薄肉状の付加加工層の積層工程に対してより有効に効果を発揮する。また、ヒータ、レーザまたはクーラー等を用いてワークの冷却速度を制御する場合には、その冷却速度に応じて、ワークに対する応力の付与を緩和すればよい。
【０１１１】
また、上述の特許文献１に開示される三次元形状造形物の製造方法では、造形プレートに造形物を造形する工程の後に、造形プレートに対して応力を付与するための取り付けプレートから造形プレートを取り外している。この場合、造形プレートに対して付与される応力の緩和を制御することができない。また、上述の特許文献２に開示される内燃機関用ピストンの製造装置では、ピストン母材の冷却速度を制御するためのオイル槽、ヒータおよびポンプ等が必要となるため、装置が大掛かりとなる。また、上述の特許文献３に開示される焼結結合する方法では、熱膨張係数の異なる金属部材の間に、熱膨張係数が大きい金属部材から小さい金属部材へと熱膨張係数が段階的に変化するように、複数の粉末合金シートを配置するため、粉末合金シートを形成する金属材料に制約が生じる。本実施の形態におけるワークの付加加工方法および加工機械１００は、これらの課題の解決に寄与するものである。
【０１１２】
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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
この発明は、指向性エネルギー堆積法によるワークの付加加工に適用される。
【符号の説明】
【０１１４】
２１  付加加工用ヘッド、２４  ケーブル、５１  ワーク、５２  メルトプール、５６  付加加工層、７０  パウダーフィーダ、７１  混合部、７２  パウダーホッパー、７６  レーザ発振装置、８１  制御装置、８２  プログラム記憶部、８３  プログラム実行部、８４  工具主軸制御部、８５  付加加工制御部、８６  第１ワーク主軸制御部、８７  第２ワーク主軸制御部、８９  工具主軸送りモータ、９０  工具主軸旋回モータ、９１  第１ワーク主軸回転モータ、９２  第２ワーク主軸回転モータ、９３  第２ワーク主軸送りモータ、９４  温度センサ、９５  操作部、９６  記憶部、９７  歪みゲージ、１００  加工機械、１１１  第１主軸台、１１２  第１ワーク主軸、１１２ｆ，１１７ｆ，１２３  主軸端面、１１３，１１８  チャック、１１６  第２主軸台、１１７  第２ワーク主軸、１２１  工具主軸、１３１  刃物台、１３２  旋回部、１３６  ベッド、２００  加工エリア、２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ，２０３，２０６  中心軸、２０４  旋回中心軸、２０５  スプラッシュガード。
【要約】
【課題】ワークの線膨張係数と、材料粉末の線膨張係数との違いに起因して、付加加工層に亀裂、変形または破損等が生じることを抑制するワークの付加加工方法および加工機械、を提供する。
【解決手段】ワークの付加加工方法は、第１の線膨張係数を有するワーク５１に対して、応力を付与するステップと、ワークに応力を付与したまま、ワーク５１に対して、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップと、材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射するステップの後に、ワークに対する応力の付与を緩和しつつ、ワーク５１を冷却するステップとを備える。
【選択図】図６【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
0006810823.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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