JP5302036B2 - 円筒状ワーク切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属製の円筒状ワークをレーザ光の作用下に切断して複数個の金属リングを形成する円筒状ワーク切断装置に関する。

自動車の無段変速機に採用される動力伝達用ベルトとしては、複数の金属リングを積層した積層リングが用いられる。この種の積層リングを構成する前記金属リングは、例えば、特許文献１に記載されるように、先ず、矩形状の金属製薄板の両端縁を接合して円筒状のドラム（円筒状ワーク）を形成し、次に、前記ドラムを所定幅で輪切り状に切断することによって作製される。

ここで、ドラムを切断する切断手段としては、従来から、砥石や刃具等のカッタが主に採用されているが、一方においては、特許文献２、３に示されるようにレーザ光を採用する試みがなされている。

特開２００５−２９７０７４号公報 特公昭６３−５３９１２号公報 実開昭５９−６２８７９号公報

レーザ光による切断を行った場合、ドラムにレーザ光が照射されることに伴ってドラムの温度が上昇する。レーザ光は比較的高温であるため、ドラムにおいては、レーザ光の照射位置から比較的離間した位置でも温度が上昇し、このために溶融するに至ることがある。

溶融した部位は、再凝固することによってドロスと指称される塊となる。すなわち、ドラムは、このドロスによって突部が***したような形状となる。このような事態が生じると、切断によって作製された金属リング同士を積層することが困難となる。ドロスが金属リングに干渉して押圧するために、積層し得ない箇所が生じるからである。

このような不都合を回避するためには、ドロスを除去する後加工を行うようにすればよい。しかしながら、このように後加工を実施する場合、積層リングを得るための作業工数が増加するので、生産効率の低下を招いてしまう。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ドロスの発生量を低減することが可能な円筒状ワーク切断装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、回転動作可能な保持部材に保持された金属製の円筒状ワークをレーザ光の作用下に切断することで複数個の金属リングを形成する円筒状ワーク切断装置であって、
前記保持部材は、前記円筒状ワークの貫通孔に通された際、その側壁で前記円筒状ワークを冷却する冷やし金として機能するとともに、該保持部材の内部に、冷却媒体が流通する冷却媒体用通路が前記側壁の長手方向に沿って形成され、
前記冷却媒体が、前記冷却媒体用通路から分岐して前記側壁の外表面に向かって延在し且つ前記側壁の外表面で開口した複数本の分岐路を介して前記側壁の外表面と前記円筒状ワークの内周壁との間に到達することで、レーザ光によって切断される前記円筒状ワークを冷却することを特徴とする。

このような構成とすることにより、円筒状ワークを効率よく冷却することができる。すなわち、レーザ光が照射された部位は該レーザ光によって加熱され、一方、それ以外の部位は、熱伝導によって温度が上昇することが回避される。従って、切断する部位以外の部位が溶融することが回避され、このため、溶融金属の発生量、ひいてはドロスの発生量を著しく低減することができる。

なお、レーザ光の照射部位は、分岐路の位置に対応させることが好ましい。すなわち、レーザ光を照射するレーザ光照射手段を分岐路の位置で停止させ、この停止位置で、レーザ光によって前記円筒状ワークを切断することが好ましい。

この場合、切断が終了することに伴って分岐路が露呈するので、該分岐路まで到達した冷却媒体が速やかに漏出する。従って、たとえ溶融金属やドロスが発生した場合であっても、これら溶融金属ないしドロスは、冷却媒体に同伴されて外部に除去される。このため、溶融金属ないしドロスが切断箇所等に残留することを回避することができる。

また、円筒状ワークをレーザ光によって切断する際、保持部材を７４０〜２０００ｍ／分の周速で回転動作させることが好ましい。この場合、円筒状ワークを切断するに十分なエネルギを付与することができるとともに、昇華金属ガスの発生量を多く且つ溶融金属の発生量を少なくすることが可能となるからである。

さらに、円筒状ワークが切断される際に切断箇所から漏出する冷却媒体を吸引する吸引手段を設けることが好ましい。吸引を行うことにより、冷却媒体、ひいては、この冷却媒体に含まれる溶融金属ないしドロスを切断箇所から除去することが一層容易となる。

この場合、搬送媒体吐出手段をさらに設け、この搬送媒体吐出手段から搬送媒体を吐出することで、切断箇所から漏出する冷却媒体を吸引手段に指向して搬送することが好ましい。これにより、冷却媒体や、該冷却媒体に含まれる溶融金属ないしドロスを切断箇所から一層効率よく除去することが可能となる。

本発明によれば、回転動作可能な保持部材を、円筒状ワークを冷却する冷やし金として機能させると同時に、該保持部材の内部に形成された冷却媒体用通路を介して円筒状ワークに冷却媒体を到達させるようにしている。これにより円筒状ワークが効率よく冷却されるので、溶融金属が過度に発生することを回避することができるとともに、溶融金属を源とするドロスが発生することも抑制することができる。

本実施の形態に係る円筒状ワーク切断装置の一部断面側面図である。 図１の円筒状ワーク切断装置の一部断面平面図である。 図１の円筒状ワーク切断装置の正面図である。 図１の円筒状ワーク切断装置を構成する吐出ノズルと吸引ノズルを示す要部拡大正面図である。 加工ヘッドが移動した状態を示す要部拡大側面図である。

以下、本発明に係る円筒状ワーク切断装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る円筒状ワーク切断装置１０の一部断面側面図であり、図２は、その上方からの一部断面平面図である。この円筒状ワーク切断装置１０は、円筒状ワークＷの貫通孔に通されてモータ１２の作用下に回転動作する保持部材１４と、前記円筒状ワークＷの所定位置に対してレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射手段としての加工ヘッド１５とを有する。

図１に示すように、該円筒状ワーク切断装置１０を構成する基台１６は、作業ステーションの床１８（図１参照）上に設置されている。この基台１６には、平板形状の連結部材１９を介して２枚の支柱部材２０ａ、２０ｂ（図２参照）が立設されており、該２枚の支柱部材２０ａ、２０ｂにはモータ１２が連結固定されている。なお、図１では、支柱部材２０ｂのみを示している。

モータ１２の回転軸２２には、ジョイント２４が外嵌されている。このジョイント２４には、内筒部材２６の端部に設けられた軸部２８が嵌合されており、このため、前記内筒部材２６は、モータ１２の作用下に回転動作を開始する。

内筒部材２６は、小径部３０と大径部３２を有し、前記軸部２８は小径部３０に連設されている。また、小径部３０には、管継手用ソケット３４が外嵌されている。

この場合、管継手用ソケット３４には、小径部３０を中心とし、互いに４５°の角度をなすようにして離間した８個の継手部３６が放射状に形成されている。継手部３６の各々には、冷却媒体を導入するための配管が設けられた管継手（いずれも図示せず）が接続される。

一方、小径部３０には、互いに４５°の角度をなすようにして離間し、且つ小径部３０の外表面から中心に向かうようにして放射状に形成された導入孔３８が形成される。各導入孔３８は、小径部３０から大径部３２と小径部３０との境界を若干超える箇所にわたって形成された第１内孔４０に連通する。従って、内筒部材２６が回転動作する際、継手部３６と導入孔３８が同位相となったとき、継手部３６と第１内孔４０とが導入孔３８を介して連通する。

大径部３２は、外筒部材４２に囲繞されている。なお、大径部３２と外筒部材４２との間にはベアリング４４が介在され、このため、内筒部材２６が回転動作することに追従して外筒部材４２が回転動作することが防止される。

大径部３２は、中空体として構成されている。すなわち、大径部３２の内部には、前記第１内孔４０に比して大径の第２内孔４６が形成されている。

この第２内孔４６における保持部材１４に臨む側の端面は円形状に開口しており、この開口からは、その一端部が第１内孔４０に挿入された中空軸部材５０が突出している。さらに、この開口には、中空な保持部材１４を構成するフランジ部５２に突出形成された環状突起部５４が挿入される。

フランジ部５２に形成された貫通孔５６には、閉塞部材５８の小径な閉塞部６０が嵌合されている。この閉塞部６０には有底穴６２が形成され、前記開口から突出した中空軸部材５０の先端部はこの有底穴６２に嵌合されている。

中空軸部材５０において、有底穴６２に嵌合された先端部には、図１及び図２に示すように、その内周壁から外周壁に向かうようにして複数個（例えば、８個）の導出孔６４が貫通形成されている。これら導出孔６４は、前記閉塞部６０の内部に形成された複数個（例えば、８個）の連通路６６の各々に連通する。

図１及び図２に示すように、保持部材１４は、前記フランジ部５２と、該フランジ部５２の一端面に環状に突出形成された側壁部６８とを有し、このため、有底の中空円筒体形状をなす。この中のフランジ部５２は、前記閉塞部材５８を構成する大径なディスク形状部７０と、前記内筒部材２６の端面との間に介装され、且つ連結ボルト７２を介して内筒部材２６に保持されている。このため、内筒部材２６が回転動作を開始することに追従し、保持部材１４も回転動作を開始する。

フランジ部５２の内部には、その半径方向に沿って延在するようにして複数個（例えば、８個）の第１冷却媒体通路７４が放射状に形成されており、一方、保持部材１４の側壁部６８には、その長手方向に沿って延在する複数個（例えば、８個）の第２冷却媒体通路７６（冷却媒体用通路）が形成されている。すなわち、第１冷却媒体通路７４と第２冷却媒体通路７６は、互いに略直交する。

保持部材１４には、さらに、第２冷却媒体通路７６に連通し、且つ側壁部６８の外表面で開口した複数個の分岐路７８が形成される。すなわち、分岐路７８は、図１〜図３に示すように、第２冷却媒体通路７６に略直交して延在し、側壁部６８の外表面で開口する。また、第２冷却媒体通路７６の開口端部は、シール部材８０によってシールされる（図１及び図２参照）。

以上の構成において、円筒状ワークＷの外周壁の近傍には、図４に示すように、吐出機構を構成してアルゴンガスや窒素ガス、又は圧縮エア等を吐出する吐出ノズル８２と、吸引機構を構成して吸引作用を営む吸引ノズル８４とが互いに対向するようにして配置される。

本実施の形態に係る円筒状ワーク切断装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果について説明する。

無段変速機に用いられる動力伝達用ベルトを作製するための金属リングを製造するに当たっては、矩形状の金属製薄板を切り出し、この矩形状の金属製薄板を湾曲して端部同士を接合することで円筒形状体である円筒状ワークＷを得る。なお、金属製薄板としては、その厚みが０．３〜０．３５ｍｍ程度のものが一般的に使用される。また、金属製薄板は、好適にはマルエージング鋼からなる。

円筒状ワークＷを切断するに際しては、はじめに、保持部材１４の側壁部６８が円筒状ワークＷの貫通孔に通される。側壁部６８と円筒状ワークＷの内周壁との間には、若干のクリアランスが形成される。

この状態で、先ず、モータ１２が駆動される。この駆動に伴い、該モータ１２の回転軸２２が回転動作を開始する。この回転動作に追従し、軸部２８がジョイント２４に嵌合された内筒部材２６、及び該内筒部材２６に支持された保持部材１４が回転動作し始める。モータ１２の回転駆動力は、好ましくは、保持部材１４の回転速度が７４０〜２０００ｍ／分の周速となるように設定される。なお、上記したように、内筒部材２６と外筒部材４２との間にはベアリング４４が介在されているので、外筒部材４２が回転動作することはない。また、管継手用ソケット３４が回転動作することもない。

同時に、前記吐出機構及び前記吸引機構が駆動され、吐出ノズル８２から圧縮エア等（搬送媒体）が吐出されるとともに、吸引ノズル８４を介しての吸引が開始される。吐出ノズル８２と吸引ノズル８４とが互いに対向しているので、圧縮エア等は、吸引ノズル８４に向かって流通する。

次に、円筒状ワーク切断装置１０の内部に冷却媒体が供給される。具体的には、冷却媒体は、図示しない前記管継手に設けられた配管を経由して、管継手用ソケット３４の継手部３６に到達する。そして、回転動作する内筒部材２６における導入孔３８の位置と、継手部３６の位置とが一致したとき、換言すれば、導入孔３８と継手部３６とが同位相となったとき、冷却媒体が導入孔３８を通過して第１内孔４０に到達する。

冷却媒体は、さらに、第１内孔４０、中空軸部材５０の内部、導出孔６４、連通路６６、第１冷却媒体通路７４、第２冷却媒体通路７６及び分岐路７８を経由し、該分岐路７８から導出される。そして、保持部材１４の側壁部６８と円筒状ワークＷの内周壁との間のクリアランスにおいて膜を形成する。その一方で、このようにして保持部材１４の側壁部６８に冷却媒体が到達することにより、保持部材１４の側壁部６８が冷却効率に優れた冷やし金として機能する。

なお、冷却媒体は、水等の液体であってもよいし、圧縮エア等の気体であってもよいが、冷却効率が良好であり且つ低コストであることから、水が好適である。この場合、保持部材１４の側壁部６８と円筒状ワークＷの内周壁との間には液膜が形成される。以降においては、液膜が形成される場合を例として説明する。

次に、加工ヘッド１５から円筒状ワークＷに向けてレーザ光Ｌが照射される。本実施の形態においては、レーザ光Ｌが照射される部位と、分岐路７８の位置とが略合致する。

円筒状ワークＷにおけるレーザ光Ｌが入射した部位は、温度が上昇して溶融し、円筒状ワークＷから切り離される。すなわち、金属リングとして切断される。この溶融に際しては、円筒状ワークＷから、その材質である金属（例えば、マルエージング鋼）が昇華することに伴い、昇華金属ガスが発生する。なお、円筒状ワークＷの材質がマルエージング鋼以外の金属、例えば、ステンレス鋼やその他の金属であっても、上記と同様に昇華金属ガスが発生することは勿論である。

この切断の際、保持部材１４の回転速度が７４０〜２０００ｍ／分であると、円筒状ワークＷが切断するに十分なエネルギが付与される。すなわち、円筒状ワークＷを容易に切断することができる。また、回転速度がこの範囲である場合、単位時間当たりの昇華金属ガスの発生量が多くなる一方、単位時間当たりの溶融金属の発生量が少ない。この理由は、以下の通りである。

円筒状ワークＷが回転しているため、レーザ光Ｌは、該円筒状ワークＷの同一部位に対して断続的に入射する。レーザ光Ｌが入射した部位は、円筒状ワークＷの回転に伴って該レーザ光Ｌから離間するからである。

ここで、一般的なレーザ光Ｌのエネルギ密度は、スポット幅の中央で高く、端部で低くなる。すなわち、レーザ光Ｌには、エネルギ密度に分布がある。このため、円筒状ワークＷにおいて、スポット幅の中央が入射した部位は昇華が起こり易く、一方、端部が入射した部位では昇華が起こり難くなる。

回転速度が上記の範囲内であると、スポット幅の中央（高エネルギ密度）が入射した部位は瞬時に昇華して昇華金属ガスとなる。一方、端部（低エネルギ密度）が入射した部位は、温度は上昇するものの、概ね融点未満である。該部位は、円筒状ワークＷの回転に伴ってレーザ光Ｌから離間し、これにより温度が上昇することが回避されるので、該部位の温度が融点を上回ることは困難である。このため、溶融金属が発生し難くなる。このため、ドロスが発生することが回避される。

なお、この部位は、円筒状ワークＷの回転数が２回転目ないしそれ以降となったときに、レーザ光Ｌのスポット幅の中央が入射されることで昇華する。これにより、上記したように、円筒状ワークＷが切断されて金属リングが得られる。

また、発生した昇華金属ガスの略全部を吸引ノズル８４によって吸引することが可能となるので、該昇華金属ガスが円筒状ワークＷに付着すること、ひいてはドロスが発生することが回避される。

また、保持部材１４の側壁部６８は、冷却媒体（水）が供給されることで効率的な冷やし金として機能している。このため、円筒状ワークＷにおけるレーザ光Ｌが照射された部位以外の部位の温度が上昇することが回避され、結局、この部位が溶融することが回避されるとともに該部位にドロスが発生することが回避される。

しかも、本実施の形態においては、保持部材１４の側壁部６８と円筒状ワークＷの内周壁との間に液膜が形成されている。従って、仮に溶融金属やドロスが発生したとしても、これら溶融金属ないしドロスは、液膜に吸着される。

円筒状ワークＷが切断されると、レーザ光Ｌの照射部位と分岐路７８の位置とが略一致しているため、分岐路７８が露呈するとともに液膜が外部に漏出する。その後、この液膜は、遠心力によって飛散する。保持部材１４が回転動作しているからである。

この液膜には、上記したように溶融金属ないしドロスが含まれる。すなわち、溶融金属ないしドロスが発生したとしても、これら溶融金属ないしドロスは、切断箇所から効率よく除去される。

この場合、吐出ノズル８２から圧縮エア等が吐出されるとともに、吸引ノズル８４を介しての吸引が行われている。圧縮エア等が吸引ノズル８４に指向して流通しているので、液膜は、圧縮エア等に搬送されて吸引ノズル８４に向かう。このことから諒解されるように、圧縮エア等は、液膜を吸引ノズル８４に向かって搬送する搬送媒体として機能し、これにより、液膜が効率よく除去される。

勿論、レーザ光Ｌによる切断に際して切断箇所に発生する昇華金属ガスや溶融金属等も圧縮エア等によって吸引ノズル８４に搬送される。このため、切断箇所が清浄に保たれる。

このようにして１つの金属リングが得られた後、図５に示すように、加工ヘッド１５が移動し、円筒状ワークＷの別部位に対してレーザ光Ｌを照射する。この場合においても、加工ヘッド１５は分岐路７８の位置に対応する位置に移動し、その後、上記と同様にして円筒状ワークＷの切断が営まれる。

なお、上記した実施の形態においては、冷却媒体として水を用いた場合を例示して説明しているが、圧縮エア等の気体を用いるようにしてもよい。この場合、上記した液膜に代替して気膜が形成されるが、この気膜も溶融金属ないしドロスを効率的に切断箇所から除去する機能を営む。

また、吐出ノズル８２から吐出される搬送媒体は、水等の液体であってもよい。この場合、切断箇所を一層効率よく冷却することが可能となるとともに、切断箇所を一層清浄に保つことができるという利点が得られる。

さらに、保持部材１４は、中実なものであってもよい。

さらにまた、レーザ光Ｌの照射位置を分岐路７８の位置に対応させる必要は特にない。レーザ光Ｌの照射位置と分岐路７８の位置が一致していない場合であっても、液膜や気膜の漏出が妨げられることは特にないからである。

１０…円筒状ワーク切断装置 １２…モータ
１４…保持部材 １５…加工ヘッド
２６…内筒部材 ３４…管継手用ソケット
３８…導入孔 ４０…第１内孔
４２…外筒部材 ４６…第２内孔
５０…中空軸部材 ５８…閉塞部材
６４…導出孔 ６６…連通路
６８…側壁部 ７４…第１冷却媒体通路
７６…第２冷却媒体通路 ７８…分岐路
８２…吐出ノズル ８４…吸引ノズル

Claims (5)

1. 回転動作可能な保持部材に保持された金属製の円筒状ワークをレーザ光の作用下に切断することで複数個の金属リングを形成する円筒状ワーク切断装置であって、
   前記保持部材は、前記円筒状ワークの貫通孔に通された際、その側壁で前記円筒状ワークを冷却する冷やし金として機能するとともに、該保持部材の内部に、冷却媒体が流通する冷却媒体用通路が前記側壁の長手方向に沿って形成され、
   前記冷却媒体が、前記冷却媒体用通路から分岐して前記側壁の外表面に向かって延在し且つ前記側壁の外表面で開口した複数本の分岐路を介して前記側壁の外表面と前記円筒状ワークの内周壁との間に到達することで、レーザ光によって切断される前記円筒状ワークを冷却することを特徴とする円筒状ワーク切断装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記レーザ光を照射するレーザ光照射手段は、前記複数本の分岐路の位置で停止し、この停止位置で、レーザ光によって前記円筒状ワークを切断することを特徴とする円筒状ワーク切断装置。
3. 請求項１又は２記載の装置において、前記円筒状ワークをレーザ光によって切断する際に前記保持部材が７４０〜２０００ｍ／分の周速で回転動作することを特徴とする円筒状ワーク切断装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置において、前記円筒状ワークが切断される際に切断箇所から漏出する前記冷却媒体を吸引する吸引手段を備えることを特徴とする円筒状ワーク切断装置。
5. 請求項４記載の装置において、切断箇所から漏出する前記冷却媒体を前記吸引手段に指向して搬送する搬送媒体を吐出する搬送媒体吐出手段を備えることを特徴とする円筒状ワーク切断装置。

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