(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークにより加工ワークに所定の径を有する小孔を加工するプラズマ加工方法であって、
（ａ）前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチをその加工ワークに形成される小孔の中心位置に相対移動させ、そのプラズマトーチを加工ワークに対してプラズマアークの着火が可能な第１設定高さに相対位置決めする第１工程と、
（ｂ）前記プラズマトーチの位置決め後、前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成し、そのプラズマアークを保持しながら前記プラズマトーチの高さを加工ワーク付近のプラズマアーク径が前記小孔径と略同一となる第２設定高さに相対移動させる第２工程と、
（ｃ）その後、所定径の小孔の加工完了が検出されるまで前記プラズマトーチを第２設定高さに停止させた状態で前記プラズマアークを保持させる第３工程と
を有することを特徴とするプラズマ加工方法。
【請求項２】
プラズマアークにより加工ワークに所定の径を有する小孔を加工するプラズマ加工方法であって、
（ａ）前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチをその加工ワークに形成される小孔の中心位置に相対移動させ、そのプラズマトーチを加工ワークに対してプラズマアークの着火が可能な第１設定高さに相対位置決めする第１工程と、
（ｂ）前記プラズマトーチの位置決め後、前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成し、そのプラズマアークを保持しながら前記プラズマトーチの高さを加工ワーク付近のプラズマアーク径が前記小孔径と略同一となる第２設定高さに相対移動させる第２工程と、
（ｃ）その後、所定径の小孔の加工完了が検出されるまで前記プラズマトーチを第２設定高さに停止させた状態で前記プラズマアークを保持させる第３工程と、
（ｄ）前記小孔加工の終了後、前記加工ワークを切断可能な所定高さにプラズマトーチを相対移動させて切断を開始する第４工程と
を有することを特徴とするプラズマ加工方法。
【請求項３】
前記プラズマトーチを第２設定高さに停止させた時点から小孔が形成されるまでの時間を予め設定し、その設定された時間が経過した時点を前記小孔の加工完了として検出する請求項１または２に記載のプラズマ加工方法。
【請求項４】
加工ワークに形成される小孔径と前記プラズマトーチ先端に装着されるノズル孔径とにより前記第２設定高さを予め設定する請求項１〜３のうちのいずれかに記載のプラズマ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークにより加工ワークに所定の径を有する小孔を加工するプラズマ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマ加工装置には、電極と作動ガス通路を介してその電極の先端側（加工ワーク側）を覆うノズルとを備えるプラズマトーチが用いられている。このプラズマトーチの先端には小径のノズル孔が形成されており、前記ノズルと電極との間に形成されたパイロットアークが作動ガス通路を経て前記ノズル孔から噴出される作動ガスにより加工ワークに到達し、前記ノズル孔を介して電極と加工ワークとの間に強いメインアーク（以下、プラズマアークという）を形成させる。
【０００３】
このようなプラズマアークを用いて加工ワークに孔を形成する切断加工方法では、レーザを用いる孔切断加工方法と比較してその切断幅が大きいため、通常加工ワーク板厚の約２倍以上の径を有する孔にしか適用されず、それ以下の径を有する孔（以下、小孔という）はプラズマアークを用いる切断加工終了後に後工程としてドリルで形成するようにされている。このように別工程にてドリルを用いて孔開け加工を行なう場合、１回の穿鑿で所定径の孔を加工できず数回に分けて加工が行なわれている。
【０００４】
また、前記プラズマアークを用いて加工ワーク板厚の約２倍以上の径を有する孔を切断加工する場合は、まず切断形状の内部位置にピアシングを行ない、直線あるいは円弧を描くように切断形状の円弧経路に進み加工が行なわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように小孔以外の形状の切断加工をプラズマアークを用いて行い、小孔を別工程のドリル穿鑿で行う切断加工方法では、小孔を多く有する製品を加工する際に別工程の手間が多くかかるため、プラズマアークを用いて小孔の切断加工を行ないたいとの要求が高まっている。また、前述のように加工ワーク板厚の約２倍以上の径を有する孔の切断加工法を、小孔の切断加工に適用した場合には、その加工により形成された小孔はえぐれや欠けが大きく、また形状が悪いという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、プラズマアークを用いて、所定の径（例えば加工ワーク板厚の約２倍以下の径）を有する小孔の切断を簡便に行なうことができるプラズマ加工方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前述された目的を達成するために、第１発明によるプラズマ加工方法は、プラズマアークにより加工ワークに所定の径を有する小孔を加工するプラズマ加工方法であって、
（ａ）前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチをその加工ワークに形成される小孔の中心位置に相対移動させ、そのプラズマトーチを加工ワークに対してプラズマアークの着火が可能な第１設定高さに相対位置決めする第１工程と、
（ｂ）前記プラズマトーチの位置決め後、前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成し、そのプラズマアークを保持しながら前記プラズマトーチの高さを加工ワーク付近のプラズマアーク径が前記小孔径と略同一となる第２設定高さに相対移動させる第２工程と、
（ｃ）その後、所定径の小孔の加工完了が検出されるまで前記プラズマトーチを第２設定高さに停止させた状態で前記プラズマアークを保持させる第３工程と
を有することを特徴とするものである。
【０００８】
第１発明においては、プラズマトーチを加工ワークの小孔中心位置に相対移動させて、そのプラズマトーチを加工ワークに対してプラズマアークを着火可能な高さ（第１設定高さ）に相対移動させる。次いで、前記プラズマトーチ−加工ワーク間にプラズマアークを着火させて、そのプラズマアークを保持しながら前記プラズマトーチの高さを加工ワーク付近のプラズマアーク径が前記小孔径と略同一となる第２設定高さに相対移動させて、その第２設定高さでプラズマアークを保持させた状態でプラズマトーチを停止させておく。こうして加工ワークに所定径を有する小孔が形成される。
【０００９】
第１発明によれば、従来プラズマ切断加工方法では不可能とされていた径（加工ワークの板厚の２倍以下）の小孔を加工ワークに加工する場合であっても、プラズマアークを用いて容易に、かつ確実に形成することができるという効果を奏する。また、こうして形成された小孔は、予め設定された径を有しており、えぐれや欠けがほとんど発生しておらず、形状が安定しているものである。したがって、小孔を有する製品を加工する場合であっても、すべてプラズマアークを用いた切断加工を行なうことができ、別工程における手間を軽減することができる。このようにプラズマアークを用いて形成された小孔は、そのまま製品としてまたはドリルの下孔として使用することができる。
【００１０】
次に、第２発明によるプラズマ加工方法は、プラズマアークにより加工ワークに所定の径を有する小孔を加工するプラズマ加工方法であって、
（ａ）前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチをその加工ワークに形成される小孔の中心位置に相対移動させ、そのプラズマトーチを加工ワークに対してプラズマアークの着火が可能な第１設定高さに相対位置決めする第１工程と、
（ｂ）前記プラズマトーチの位置決め後、前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成し、そのプラズマアークを保持しながら前記プラズマトーチの高さを加工ワーク付近のプラズマアーク径が前記小孔径と略同一となる第２設定高さに相対移動させる第２工程と、
（ｃ）その後、所定径の小孔の加工完了が検出されるまで前記プラズマトーチを第２設定高さに停止させた状態で前記プラズマアークを保持させる第３工程と、（ｄ）前記小孔加工の終了後、前記加工ワークを切断可能な所定高さにプラズマトーチを相対移動させて切断を開始する第４工程と
を有することを特徴とするものである。
【００１１】
第２発明においては、前記第１発明と同様にして加工ワークに従来加工が不可能とされていた所定径の小孔を形成した後、プラズマトーチを加工ワークの切断高さに移動させ、そのプラズマトーチを切断形状に応じて相対移動させるようにして加工ワークが切断される。こうして、第１発明の効果に加えて、従来不可能であった小孔の加工と外周等の切断加工とを同工程内でスムーズに行うことができるという効果を奏する。また、前記所定径の小孔を形成した後、プラズマアークを形成した状態でプラズマトーチを加工ワークの切断可能高さに移動させ、そのプラズマトーチを切断形状に応じて相対移動させるようにして加工ワークを連続して切断するようにしてもよい。
【００１２】
第１および第２発明においては、前記プラズマトーチを第２設定高さに停止させた時点から小孔が形成されるまでの時間を予め設定し、その設定された時間が経過した時点を前記小孔の加工完了として検出するのが好ましい。こうすることにより、簡易な制御で小孔の切断加工を行うことができるという効果を奏する。
【００１３】
第１および第２発明においては、加工ワークに形成される小孔径と前記プラズマトーチ先端に装着されるノズル孔径とにより前記第２設定高さを予め設定するのが好ましい。こうすることにより、簡易な制御で加工ワークに形成される小孔の径の調整を行なうことができるという効果を奏する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるプラズマ加工方法の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例に係るプラズマ加工方法を行なうプラズマ加工装置のシステム構成図であり、図２は本実施例のプラズマトーチを説明する概略断面図である。
【００１６】
本実施例のプラズマ加工装置１においては、多重円筒形状のプラズマトーチ２の先方に切断される加工ワーク３が配置されており、前記プラズマトーチ２の略中心位置に配置される略円柱状の電極４（図２参照）にプラズマ電流を供給するプラズマアーク電源ユニット５のマイナス端子が接続されており、そのプラズマアーク電源ユニット５のプラス端子が前記加工ワーク３に接続されている。また、後述するプラズマトーチ２のノズル６（図２参照）には、スイッチ７を介して前記プラズマアーク電源ユニット５のプラス端子が接続されている。
【００１７】
前記プラズマトーチ２は、前記電極４の外周側を覆う略円筒形状でかつ加工ワーク３に対向する面（先端面）に細い口径のノズルオリフィス８を有するノズル６を備えており、前記電極４とノズル６との間には作動ガス通路９が形成されている。前記ノズル６の外周側には冷却水通路１０を介して円筒状の第１ノズルキャップ１１が配置され、その第１ノズルキャップ１１の外周側には二次ガス通路１２を介して第２ノズルキャップ１３が配置されている。
【００１８】
また、前記第１ノズルキャップ１１の先端部は前記ノズル６の略先端部の外周側に密着するようにされており、前記第２ノズルキャップ１３の先端開口部には、前記ノズル６の先端部を保護するとともに、前記二次ガス通路１２を通過する二次ガスを噴出させる噴出口１４を有するシールドキャップ１５が装着されている。前記作動ガス通路９および二次ガス通路１２には、環状の作動ガススワラ１６および２次ガススワラ１７がそれぞれ嵌め込まれている。
【００１９】
さらに、前記作動ガス通路９および二次ガス通路１２には、図示されない作動ガス供給系統から作動ガスおよび二次ガスがそれぞれ前記ノズル６の基端側から供給され、この作動ガス通路９を通過する作動ガスは前記作動ガススワラ１６を通る際に旋回流となり、前記ノズルオリフィス８を経て加工ワーク３へ噴出されるとともに、前記二次ガス通路２２を通過する二次ガスも同様に前記第２スワラ１７を通る際に旋回流となって前記噴出口１４から噴出される。
【００２０】
前記電極４のプラズマアーク発生点となる先端部には、プラズマアークＡの高熱に耐え得る高融点材料製（例えば、ハフニウム製，ジルコニウム製，合金製等）の耐熱インサート１８が装着されており、その電極４の内部には冷却水を通す冷却水路（図示省略）が設けられている。
【００２１】
前記電極４−加工ワーク３間にプラズマアークＡを着火させる際には、まず前記スイッチ７をＯＮ状態にして、電極４とノズル６との間にパイロットアークを着火して、そのパイロットアークが前記作動ガス通路９に供給されている導電性を持つ作動ガスにより前記ノズルオリフィス８を通じて加工ワーク３に到達し、プラズマアークＡとなる。また、このプラズマアークＡは、二次ガス通路１２を通して噴出される二次旋回気流によって取り囲まれている。なお、前記パイロットアークは、プラズマアークＡの着火後、スイッチ７をＯＦＦ状態にして消弧される。
【００２２】
前記プラズマアークＡは、ノズルオリフィス８による拘束性と作動ガス気流による熱的ピンチ作用が効果的に働いて高温で、かつ高密度エネルギーを有するプラズマアークとなっている。このプラズマアークＡは、図３にその側面図が示されるように、ノズルオリフィス８から遠ざかるにしたがってその径が大きくなる特性を有している。
【００２３】
図４には、加工ワーク板厚６ｍｍ，ノズルオリフィス孔径１．１ｍｍ，プラズマアーク電流値１２０Ａの場合（イ）および加工ワーク板厚３．２ｍｍ，ノズルオリフィス孔径０．８ｍｍ，プラズマアーク電流値１２０Ａの場合（ロ）におけるプラズマトーチ２のプラズマアーク着火位置（第１設定高さＨ１）からの上昇量と加工ワークに形成された孔径との関係図が示されている。なお、前記第１設定高さＨ１は安定してプラズマアークの着火が可能な位置であり、前記（イ）の場合、第１設定高さＨ１は６ｍｍ，（ロ）の場合、第１設定高さＨ１は５ｍｍが好ましい。
【００２４】
図示されるようにプラズマアークＡを着火させた位置からプラズマトーチ２を上昇させれば、加工ワーク３に形成される孔径を大きくすることができ、さらにその上昇量を調整することにより加工ワーク３に形成される孔径を制御できることが明らかである。したがって、ノズルオリフィス８の孔径とプラズマトーチ２の高さ位置とをパラメータとして、加工ワーク３に任意の径を有する孔を形成することができる。
【００２５】
このように構成されるプラズマトーチ２は、駆動装置２０によって加工ワーク３に対して３次元方向に移動可能に支持されており、この駆動装置２０によりプラズマトーチ２の加工ワーク３に対する高さ位置が調整され、切断形状に沿って移動させることにより切断加工が行なわれる。
【００２６】
本実施例において、前記駆動装置２０，プラズマアーク電源ユニット５および作動ガス供給系統は、それぞれ加工制御装置２１に接続され、それら作動が制御されている。また、この加工制御装置２１は、各種加工ワークに対応する切断条件データベースと、プラズマトーチ２に装着されるノズルオリフィス８の孔径に対応する孔加工データベースとを有する記憶部２２に接続されているとともに、各加工ワーク３に対する切断形状が入力される。
【００２７】
前記切断条件データベースとして、加工ワーク３の板厚および材質などに応じてプラズマトーチ２の切断設定高さ，切断速度，第１設定高さＨ１（プラズマアークＡの着火可能高さ），電流値，補正量および作動ガス圧がそれぞれ設定されている。
【００２８】
前記孔加工データベースとして、切断形状の孔径とプラズマトーチ２に装着されているノズルオリフィス８の孔径とをパラメータとするプラズマトーチ２の第１設定高さＨ１からの上昇量と、前記プラズマトーチ２を第１設定高さＨ１から前記上昇量分上昇させる上昇速度と、前記プラズマトーチ２を第１設定高さＨ１から前記上昇量分上昇させた位置（第２設定高さＨ２）で停止させる停止時間（孔加工が完了するまでの時間）とがそれぞれ設定されている。
【００２９】
次に、前記加工制御装置２１を用いてプラズマ切断加工を行なう手順について、図５に示されるプロ−チャートに基づいて説明する。
【００３０】
Ｓ１：前記加工制御装置２０が加工スタートの指令を受け、加工ワーク３に対する切断形状が加工ワーク３の切断形状が加工ワーク板厚より２倍以下の径を有する孔（以下、小孔という）であるか否かが判断される。
Ｓ２：前記切断形状が小孔である場合は、プラズマトーチ２を前記加工ワークに形成する小孔の中心位置へ移動させる。一方、前記切断形状が小孔以外の場合は、後述するステップ９以降の処理が行なわれる。
Ｓ３：次いで、前記記憶部２２より加工ワーク３に対応する切断条件データおよび孔加工データが読み込まれ、プラズマトーチ２を第１設定高さＨ１へ移動させる。
Ｓ４：前記小孔の中心位置で、かつ第１設定高さＨ１に位置決めされたプラズマトーチ２の電極４−加工ワーク３間にプラズマアークＡを着火させる。
Ｓ５：そのプラズマアークＡを保持したまま、前記プラズマトーチ２を孔加工データベースに設定される上昇速度でノズルオリフィス８の孔径と形成される小孔径とに対応する上昇量分上昇させて、第２設定高さＨ２に配置させる。
Ｓ６〜Ｓ７：前記プラズマトーチ２を第２設定高さＨ２に停止させ、前記孔加工データで設定される停止時間が経過した時点で小孔加工完了が検出され、小孔加工を終了する。
Ｓ８：次に、その加工ワーク３に前記加工制御装置２１に入力された切断形状の切断加工が全て終了したか否かが検出され、終了された場合は終了となり、他の切断形状を加工する場合は、再びステップＳ１の以降の操作を繰り返し行なう。
【００３１】
Ｓ９〜Ｓ１０：前述のステップＳ２の操作で切断形状が小孔でない場合は、プラズマトーチ２を予め切断形状とともに入力されているピアシング位置へ移動させるとともに、前記第１設定高さＨ１に移動させて位置決めする。
Ｓ１１：続いて、前記プラズマトーチ２の電極４−加工ワーク３間にプラズマアークＡを着火させる。
Ｓ１２〜Ｓ１３：ピアシング完了後、前記プラズマトーチ２を切断設定高さへ移動させて、前記切断形状に沿ってプラズマトーチ２を切断速度にて移動させて加工ワークの切断を行う。
Ｓ１４：次に、この切断形状の切断が終了した時点で、前記ステップＳ８へ進む。
【００３２】
本実施例によれば、従来プラズマ切断加工方法では不可能とされていた径（加工ワーク板厚の２倍以下）の小孔をプラズマトーチ２の加工ワーク３に対する高さを調整して容易に、かつ確実に加工することができる。こうして形成された小孔は、予め設定された径を有しており、えぐれや欠けが生じておらず、形状が安定していることが確認された。このようにプラズマアークを用いて形成された小孔は、そのまま製品としてまたはドリルの下孔として使用することができる。
【００３３】
また、本実施例によれば、小孔以外の形状のプラズマ切断加工と同工程で、小孔の切断加工をスムーズに行うことができるため、従来必要としていた別工程におけるドリル加工等の手間を軽減することができるという効果を奏する。
【００３４】
本実施例においては、孔加工データベースに切断形状の孔径とノズルオリフィス８の孔径とをパラメータとするプラズマトーチ２の上昇量と、前記プラズマトーチ２を第１設定高さＨ１から前記上昇量分上昇させる上昇速度と、前記プラズマトーチ２を第２設定高さＨ２で停止させる停止時間とがそれぞれ設定されているが、これに限らず、それら上昇量，上昇速度および停止時間は加工ワーク３の板厚，材質や切断形状等に応じて作業者が任意に設定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係るプラズマ加工方法が行うプラズマ加工装置のシステム構成図である。
【図２】図２は、本実施例のプラズマトーチを説明する概略断面図である。
【図３】図３は、プラズマアークの側面図である。
【図４】図４は、本実施例におけるプラズマトーチの第１設定高さからの上昇量と加工ワークに形成された孔径との関係図である。
【図５】図５は、本実施例の加工制御装置を用いてプラズマ切断加工を行なう手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１    プラズマ加工装置
２    プラズマトーチ
３    加工ワーク
４    電極
５    プラズマアーク電源ユニット
６    ノズル
７    スイッチ
８    ノズルオリフィス
９    作動ガス通路
１０    冷却水通路
１１    第１ノズルキャップ
１２    二次ガス通路
１３    第２ノズルキャップ
１４    噴出口
１５    シールドキャップ
１６    作動ガススワラ
１７    ２次ガススワラ
１８    耐熱インサート
２０    駆動装置
２１    加工制御装置
２２    記憶部
【図１】
0003850172.tif 000002
【図２】
0003850172.tif 000003
【図３】
0003850172.tif 000004
【図４】
0003850172.tif 000005
【図５】
0003850172.tif 000006