WO2015029515A1 - 複合加工装置及び複合加工方法 - Google Patents

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WO2015029515A1
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machining
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workpiece
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山下　貢丸
善仁 藤田
清隆 中川
信之介 長船
二井谷　春彦
欣且 佐藤
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三菱重工業株式会社
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    • Y10T483/1793—Spindle comprises tool changer
    • Y10T483/1795—Matrix indexes selected tool to transfer position

Definitions

  • the present invention relates to a combined processing method and a combined processing apparatus for performing combined processing using both heads by a laser processing head and a machining head.
  • a combined processing apparatus (combined processing machine) described in Patent Document 1 selectively performs laser processing or machining on a workpiece.
  • this combined processing apparatus includes a laser processing head that irradiates a laser beam that processes a workpiece using a side pump type fiber laser that excites the laser by entering a laser from the side surface of the optical fiber, and a workpiece.
  • the machining head having a spindle for mounting a tool for grinding, the optical axis of the laser beam of the laser machining head, and the spindle of the machining head are parallel to each other, and the relative movement between the two heads is prevented.
  • Current position detection device for detecting the current position of relative movement of the headstock and the table in the X, Y, and Z axes
  • laser processing Measuring means having a CCD camera for capturing reflected light from the work surface of a measuring beam projected so as to pass through the same condenser lens as the laser beam of the laser beam, and a tool on the spindle of the machining head It is possible to switch between laser processing and machining depending on whether the laser beam output of the laser processing head is turned off or the tool is removed from the spindle and the laser beam output is turned on.
  • the combined machining apparatus described in Patent Document 1 achieves the following effects. Switching between laser machining and machining can be performed quickly by attaching / detaching a tool to / from the spindle of the machining head or turning on / off the laser beam output of the laser machining head. Further, since the optical axis does not fluctuate without performing the centering of the optical axis of the laser beam at the time of switching, laser processing can be started immediately, and the operating rate of the machine increases. In addition, the absence of shake of the optical axis means that highly accurate processing can be performed, and is particularly suitable for fine processing.
  • the workpiece and the laser processing head or the machining head can be moved during laser processing or machining. There is no collision.
  • Patent Document 1 The composite processing apparatus described in Patent Document 1 described above is premised on switching between laser processing and machining, and speeds up the processing by quickly performing this switching.
  • the combined machining apparatus is required to process a workpiece with higher accuracy and higher speed.
  • This invention solves the subject mentioned above, and aims at providing the compound processing apparatus and compound processing method which can process a process target object with high precision and high speed.
  • a combined machining apparatus includes a stage unit including a stage that supports a workpiece, and a machining head having a tool that processes the workpiece.
  • a laser processing unit including a machining unit, a laser processing head that irradiates a laser for processing the workpiece, and a Y-axis movement that relatively moves the laser processing head, the machining head, and the stage in the Y-axis direction.
  • the first X-axis movement mechanism moves along the same guide member as the second X-axis movement mechanism.
  • the machining unit includes a tool change unit that holds at least one of the tools in a moving area of the machining head, and the control unit includes the first X-axis moving mechanism and the first Z-axis moving mechanism. It is preferable that the machining head is moved to a position facing the tool change unit, and the tool attached to the machining head is changed by the tool change unit.
  • the stage unit further includes a stage moving mechanism for moving the stage, and the control unit changes the posture of the workpiece by the stage moving mechanism.
  • the stage moving mechanism includes at least a mechanism for rotating the stage around two axes orthogonal to each other.
  • the machining unit includes at least one tool for polishing the workpiece, and the machining head rotates the tool for polishing the workpiece to polish the workpiece. preferable.
  • the laser processing unit includes: a fiber laser light source that outputs a fiber laser; a pulse laser light source that outputs a pulse laser; a state in which the fiber laser is incident on the laser swivel unit; It is preferable to have a switching mechanism for switching between the state of incidence on the light source and the state of incidence.
  • the present invention uses a machining head having a tool for machining a workpiece and a laser machining head for irradiating a laser for machining the workpiece.
  • a combined machining method for machining the workpiece, a laser machining step of irradiating the workpiece with a laser after adjusting a posture of the workpiece, machining the laser machining head, and the machine A moving step of moving a machining head to move the machining head to a position for machining the workpiece, and a machining step of machining the workpiece after adjusting the posture of the workpiece.
  • the object to be processed is a nozzle body of an injector
  • the laser processing step forms a nozzle hole of the nozzle body
  • the machining step polishes the inner surface of the nozzle body.
  • laser processing and machining can be performed independently on the processing object held on the stage. Thereby, it is possible to continuously perform laser processing and machining while holding the object to be processed, and there is an effect that the processing can be performed with high accuracy and at high speed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a combined machining apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the stage unit.
  • FIG. 3 is a front view showing a schematic configuration of the stage unit.
  • FIG. 4 is a side view showing a schematic configuration of the stage and the workpiece.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a tool.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a tool.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of a tool.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the laser processing head.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the injector.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a combined machining apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the stage unit.
  • FIG. 3 is a front view showing a schematic configuration of the
  • FIG. 10A is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a needle.
  • FIG. 10B is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the nozzle body.
  • FIG. 10C is an enlarged view of the nozzle body.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of a needle manufacturing method.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of a nozzle body manufacturing method.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • FIG. 19 is a flowchart for explaining the operation of the
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a combined machining apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the stage unit.
  • FIG. 3 is a front view showing a schematic configuration of the stage unit.
  • FIG. 4 is a side view showing a schematic configuration of the stage and the workpiece. 5 to 7 are explanatory diagrams showing examples of the tools.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the laser processing head.
  • the composite processing apparatus 10 performs cutting processing, drilling processing, welding processing, cladding processing, surface modification processing, surface finishing processing, laser additive manufacturing, polishing, etc. It is a device for various processing. In addition, although the kind of process is not specifically limited, The composite processing apparatus 10 of this embodiment performs grinding
  • the combined machining apparatus 10 includes a frame 12, a moving unit 14, a stage unit 16, a machining unit 20 including a machining head 50, a laser machining unit 22 including a laser machining head 60, and a control unit 24. Have.
  • the combined machining apparatus 10 machines the workpiece 8 held by the stage unit 16 by the machining unit 20.
  • the combined machining apparatus 10 irradiates the workpiece 8 held by the stage unit 16 with a laser beam by the laser machining unit 22 to laser machine the workpiece 8.
  • the horizontal plane is the XY plane including the X-axis direction and the Y-axis direction orthogonal to the X-axis, and the direction orthogonal to the horizontal plane is the Z-axis direction.
  • the frame 12 is a housing of the composite processing apparatus 10 and is fixed to an installation surface such as a ground surface or a foundation.
  • the frame 12 has a gate 12a and a base 12b inserted into the space of the gate 12a.
  • the fixed part of the moving unit 14 is fixed to the frame 12.
  • the moving unit 14 is fixed to the gate 12 a and the base 12 b of the frame 12, and the workpiece 8, the machining unit 20, and the laser machining unit 22 are relatively moved by the moving unit 14. This is a so-called gate-type processing device.
  • the moving unit 14 moves the workpiece 8 and the machining head 50 relative to each other and moves the workpiece 8 and the laser machining head 60 relative to each other.
  • the moving unit 14 includes a Y-axis moving mechanism 30, a first X-axis moving mechanism 32, a second X-axis moving mechanism 34, a first Z-axis moving mechanism 36, and a second Z-axis moving mechanism 38.
  • the Y-axis moving mechanism 30 includes a rail 30a that is disposed on the base 12b of the frame 12 and extends in the Y-axis direction, and a Y-axis moving member 30b that moves along the rail 30a. In the Y-axis moving mechanism 30, the stage unit 16 is fixed to the Y-axis moving member 30b.
  • the Y-axis moving mechanism 30 moves the stage unit 16 in the Y-axis direction by moving the Y-axis moving member 30b along the rail 30a.
  • the Y-axis moving mechanism 30 can use various mechanisms as a mechanism for moving the Y-axis moving member 30b in the Y-axis direction.
  • a mechanism that inserts a ball screw into the Y-axis moving member 30b and rotates the ball screw with a motor, a linear motor mechanism, a belt mechanism, or the like can be used.
  • Various mechanisms can be used for the first X-axis moving mechanism 32, the second X-axis moving mechanism 34, the first Z-axis moving mechanism 36, and the second Z-axis moving mechanism 38 as well.
  • the first X-axis moving mechanism 32 includes a rail 33 that is disposed on the gate 12 a of the frame 12 and extends in the X-axis direction, and an X-axis moving member 32 a that moves along the rail 33.
  • the first Z-axis moving mechanism 36 is fixed to the X-axis moving member 32a.
  • the first X-axis moving mechanism 32 moves the first Z-axis moving mechanism 36 in the X-axis direction by moving the X-axis moving member 32 a along the rail 33.
  • the second X-axis moving mechanism 34 is disposed on the gate 12 a of the frame 12 and includes a rail 33 that extends in the X-axis direction and an X-axis moving member 34 a that moves along the rail 33.
  • the rail 33 is a common rail with the rail 33 of the first X-axis moving mechanism 32.
  • the second Z-axis moving mechanism 38 is fixed to the X-axis moving member 34a.
  • the second X-axis moving mechanism 34 moves the X-axis moving member 34 a along the rail 33 to move the second Z-axis moving mechanism 38 in the X-axis direction.
  • the first Z-axis moving mechanism 36 includes a rail 36a that is fixed to the X-axis moving member 32a and extends in the Z-axis direction, and a Z-axis moving member 36b that moves along the rail 36a.
  • the machining head 50 is fixed to the Z-axis moving member 36b.
  • the first Z-axis moving mechanism 36 moves the machining head 50 in the Z-axis direction by moving the Z-axis moving member 36b along the rail 36a.
  • the second Z-axis moving mechanism 38 includes a rail 38a that is fixed to the X-axis moving member 34a and extends in the Z-axis direction, and a Z-axis moving member 38b that moves along the rail 38a.
  • the laser processing head 60 is fixed to the Z-axis moving member 38b.
  • the second Z-axis moving mechanism 38 moves the laser processing head 60 in the Z-axis direction by moving the Z-axis moving member 38b along the rail 38a.
  • the moving unit 14 uses the Y-axis moving mechanism 30, the first X-axis moving mechanism 32, and the first Z-axis moving mechanism 36 to move the workpiece 8 and the machining head 50 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis.
  • the Y-axis moving mechanism 30, the second X-axis moving mechanism 34, and the second Z-axis moving mechanism 38 are used to move the workpiece 8 and the laser processing head 60 in the X-axis direction and the Y-axis direction. And relative movement in the Z-axis direction.
  • the stage unit 16 is disposed on the Y-axis moving member 30b of the Y-axis moving mechanism 30.
  • the stage unit 16 includes a support base 40, a stage moving mechanism 42, and a stage 44.
  • the support base 40 is a plate-like member fixed to the Y-axis moving member 30 b and supports the stage moving mechanism 42.
  • the stage moving mechanism 42 is fixed on the support base 40 and moves the stage 44 relative to the support base 40.
  • the stage moving mechanism 42 includes a B-axis rotating mechanism 46 and a C-axis rotating mechanism 48.
  • the B-axis rotation mechanism 46 is fixed to the support base 40 and rotates the C-axis rotation mechanism 48 about the B axis with respect to the support base 40.
  • the B axis is an axis that coincides with the X axis.
  • the C-axis rotation mechanism 48 is fixed to the B-axis rotation mechanism 46 and rotates the stage 44 about the C-axis with respect to the B-axis rotation mechanism 46.
  • the C axis is an axial direction orthogonal to the B axis, that is, the X axis.
  • the stage moving mechanism 42 can rotate the stage 44 around each of two orthogonal axes with respect to the support base 40.
  • the stage 44 is a mechanism that supports the workpiece 8. As shown in FIG. 4, the stage 44 of the present embodiment has a workpiece 8 fixed to a plate-like member.
  • the stage 44 is provided with a roller fixed to the plate-like member and in contact with the workpiece 8, and the roller suppresses the rotation of the workpiece 8.
  • the stage unit 16 is set to the Y-axis moving mechanism 30 and fixes the workpiece 8 on the stage 44. Further, the stage unit 16 adjusts the orientation, that is, the posture of the workpiece 8 by rotating the stage 44 with the stage moving mechanism 42.
  • the machining unit 20 includes a machining head 50 and a tool change unit 52.
  • the machining head 50 is a mechanism for machining the workpiece 8 and includes a head main body 54 and a tool 56 that can be attached to and detached from the head main body 54.
  • the machining head 50 processes the workpiece 8 by rotating or vibrating the tool 56 with the head body 54 in a state where the tool 56 is in contact with the workpiece 8.
  • the machining head 50 can also measure the workpiece 8 by attaching a measurement tool to the head main body 54.
  • the tool change unit 52 has a support portion 55 provided with a plurality of support mechanisms for supporting tools, and the support portion 55 supports a plurality of tools 56a, 56b, and 56c. As shown in FIG.
  • the tool 56 a is an elongated rod-like member, and is a tool in which a grindstone surface 58 a is provided at a part of the tip.
  • the tool 56a is used, one end thereof is attached to the joint portion 54a of the head main body 54 as shown in FIG.
  • the tool 56b is a long and narrow bar-like member, and is a tool having a grindstone surface 58b on the side surface.
  • the tool 56c is a measurement tool, and is provided with an air passage 59 for supplying air.
  • the machining unit 20 supplies air from the air passage 59 in a state where the measurement target (also a processing target) 90 is sealed, and the air is discharged from the opening 92 of the measurement target 90.
  • the measurement target also a processing target
  • the tool change unit 52 is disposed within a movable range of the machining head 50.
  • the tool change unit 52 holds the tool mounted on the machining head 50 in a support mechanism in which no tool is arranged among the support mechanisms that support the tool of the support portion 55, so that the tool 56 is changed from the head main body 54 to the tool 56.
  • the machining unit 20 can perform processing according to the purpose by switching the tool to be mounted on the head main body 54 in accordance with the processing on the workpiece 8. Further, the number of tools is not particularly limited.
  • the laser processing unit 22 has a laser processing head 60, a fiber laser light source 62, and a pulse laser light source 64.
  • the fiber laser light source 62 is a device that outputs a laser using an optical fiber as a medium.
  • the fiber laser output device for example, a Fabry-Perot type fiber laser output device or a ring type fiber laser output device can be used, and the laser is oscillated when these output devices are excited.
  • the fiber of the fiber laser output device for example, silica glass to which a rare earth element such as erbium (Er), neodymium (Nd), ytterbium (Yb) is added can be used.
  • the pulse laser light source 64 outputs a laser with a short pulse, for example, with a frequency of 20 kHz.
  • a titanium sapphire laser can be used as a laser oscillation source, and a pulse having a pulse width of 100 picoseconds or less can be oscillated.
  • a laser that oscillates in nanosecond order pulses such as a YAG laser or a YVO4 laser, can also be used.
  • the laser processing head 60 receives the fiber laser output from the fiber laser light source 62 and the pulse laser output from the pulse laser light source 64, and processes one of the incident lasers. By irradiating the object 8, the object 8 is laser processed.
  • the fiber laser output from the fiber laser light source 62 and the pulse laser output from the pulse laser light source 64 are guided to the laser processing head 60 by an optical member that guides laser light such as an optical fiber.
  • the laser processing head 60 includes collimating optical systems 70 and 72, a switching mechanism 74, a laser turning unit 76, and a condensing optical system 80.
  • the collimating optical system 70 is an optical member that collimates the fiber laser output from the fiber laser light source 62, and emits the collimated fiber laser toward the switching mechanism 74.
  • the collimating optical system 72 is an optical member that collimates the pulse laser output from the pulse laser light source 64, and emits the collimated pulse laser toward the switching mechanism 74.
  • the switching mechanism 74 is a mechanism for switching whether the fiber laser output from the fiber laser light source 62 is incident on the laser turning unit 76 or the pulse laser output from the pulse laser light source 64 is incident.
  • the switching mechanism 74 includes a mirror 74a that reflects the laser, a support bar 74b that is coupled to the mirror 74a, and a drive unit 74c that moves the support bar 74b.
  • the switching mechanism 74 arranges the mirror 74a in the position shown in FIG. 8 by the drive unit 74c, specifically, the position where the fiber laser and the pulse laser overlap, and reflects the pulse laser by the mirror 74a to block the fiber laser. In this state, the pulse laser enters the laser swivel unit 76.
  • the switching mechanism 74 places the mirror 74a at a position off the fiber laser path by the driving unit 74c and allows the fiber laser to pass through the fiber laser as it is, so that the fiber laser enters the laser swivel unit 76.
  • the pulse laser may be reflected by the mirror 74a and applied to a position where the laser is absorbed, or may be shielded by providing a shutter between the collimating optical system 72 and the mirror 74a. It may be.
  • the laser turning unit 76 rotates the laser around the center of the optical path to turn the irradiation position IP of the laser to be irradiated on the workpiece 8, that is, the laser L.
  • the laser swivel unit 76 includes a first prism unit 82 and a second prism unit 84.
  • the first prism unit 82 includes a first prism that refracts the laser L and tilts it with respect to the optical axis, and a rotation mechanism that rotates the first prism.
  • the second prism unit 84 includes a second prism that refracts the laser L refracted by the first prism unit 82 again and controls a position where the laser L is condensed, and a rotation mechanism that rotates the second prism.
  • a wedge prism can be used as the first prism and the second prism.
  • the laser swivel unit 76 rotates the irradiation position IP of the laser L by rotating the first prism of the first prism unit 82 and the second prism of the second prism unit 84.
  • the laser turning unit 76 can synchronously rotate and relatively rotate the first prism of the first prism unit 82 and the second prism of the second prism unit 84.
  • the laser swivel unit 76 may include an encoder that detects the relative positions and rotation speeds of the first prism and the second prism, and a cooling mechanism that cools the laser swivel unit 76.
  • the laser swivel unit 76 can change the phase angle difference between the first prism and the second prism.
  • the laser irradiation point can be decentered to an irradiation position away from the center of the optical path of the rotation axis by a distance corresponding to the phase angle difference between the first prism and the second prism.
  • the laser irradiation point draws a circular orbit of the turning diameter. Further, when the first prism and the second prism are asynchronously rotated (rotated at different rotation periods), the laser irradiation point can be rotated while increasing or decreasing the turning diameter of the laser irradiation point, and an arbitrary curved orbit can be obtained. It is also possible to draw.
  • the turning diameter refers to the distance from the center of the optical path to the irradiation position of the laser L irradiated to the workpiece 8, and is the radius at which the laser L irradiated to the workpiece 8 turns around the center. That means.
  • the turning diameter is variable because the turning diameter of the laser L irradiated to the workpiece 8 is changed by changing the phase angle difference between the first prism and the second prism.
  • the number of turns refers to the number of times per unit time that the irradiation position of the laser L applied to the workpiece 8 turns around the center.
  • the condensing optical system 80 includes a plurality of lenses, and condenses the laser L that has passed through the laser swivel unit 76 with the plurality of lenses to form a laser having a predetermined focal length and depth of focus.
  • the condensing optical system 80 irradiates the workpiece 8 with a laser L having a predetermined spot diameter.
  • the condensing optical system 80 has a cooling mechanism.
  • the cooling mechanism is, for example, a cooling jacket for cooling the plurality of lenses.
  • the laser processing head 60 may be provided with an assist gas supply mechanism for supplying an assist gas along the laser L irradiated to the workpiece 8.
  • the assist gas for example, air, nitrogen gas, oxygen gas, argon gas, xenon gas, helium gas, or a mixed gas thereof can be used.
  • oxygen gas that can use oxidation reaction heat for processing is used as the assist gas, the processing speed for the processing object 8 such as metal can be further improved.
  • generation of the oxide film as a heat influence layer as assist gas can be improved more.
  • the gas type of the assist gas, the mixing ratio, the ejection amount (pressure), and the like can be changed according to the processing conditions such as the type of the processing object 8 and the processing mode.
  • the laser processing unit 22 may include a photographing unit for photographing an image at a position where the laser is irradiated, for example, a camera having a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or the like. Thereby, the laser irradiation position and the like can be adjusted based on the acquired image.
  • CCD Charge Coupled Device
  • the control unit 24 controls the operations of the moving unit 14, the stage unit 16, the machining unit 20, and the laser processing unit 22.
  • the control unit 24 controls the operation of the stage moving mechanism 42 of the moving unit 14 and the stage unit 16, relatively moves the workpiece 8 and the machining head 50, and relatively moves the workpiece 8 and the laser machining head 60. Move.
  • the control unit 24 controls driving of the machining unit 20 and the laser machining unit 22, and controls machining and laser machining.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the injector.
  • FIG. 10A is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a needle.
  • FIG. 10B is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the nozzle body.
  • FIG. 10C is an enlarged view of the nozzle body.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of a needle manufacturing method.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of a nozzle body manufacturing method.
  • 13 to 18 are explanatory diagrams for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • FIG. 19 is a flowchart for explaining the operation of the combined machining apparatus.
  • the injector 100 shown in FIG. 9 is manufactured using the combined machining apparatus 10
  • the injector 100 is manufactured by processing by the combined processing apparatus 10 and processing by other various processing apparatuses.
  • the injector 100 is a device that injects a fluid at a predetermined pressure or more, and is used as a fuel injection mechanism of an internal combustion engine such as a diesel engine.
  • the injector 100 has a needle 102 and a nozzle body 104.
  • a needle 102 is inserted into a hollow portion of a nozzle body 104.
  • the needle 102 is an elongated rod-shaped member.
  • the nozzle body 104 has a hollow portion formed inside, and a plurality of nozzle holes 106 having a diameter smaller than the diameter of the hollow portion are formed at the tip.
  • the nozzle hole 106 is a hole penetrating from the outside to the hollow portion.
  • the composite processing apparatus 10 of this embodiment can be used for manufacturing the nozzle body 104.
  • a rod-shaped member is cut (step S12), the outer shape of the needle is formed, heat treatment is performed (step S14), and the outer surface is polished as a finishing process (step S16). To do. Further, the manufacturing method measures the outer shape of the manufactured needle, particularly the outer diameter in the vicinity of the tip.
  • the needle may be manufactured by an apparatus other than the composite processing apparatus 10.
  • the manufacturing method of a nozzle body manufactures the processing target object whose outer shape becomes the shape of the nozzle body by casting or the like.
  • inner diameter drilling is performed on the manufactured member (step S20)
  • an internal space is formed, and then inner diameter counterbore electrolytic processing is performed on the workpiece (step S22), and heat treatment is performed (step S24).
  • the heat-treated object to be processed is fixed to the stage 44 and processed by the combined processing apparatus 10.
  • the composite processing apparatus 10 performs laser processing with the laser processing head 60 and opens a nozzle hole in the fixed processing target (step S26). Specifically, as shown in FIG. 13, the direction of the workpiece is adjusted by the stage moving mechanism 42, and the portion that forms the nozzle hole of the workpiece is on the upper side in the Z-axis direction from the opposite end. The nozzle hole is formed in a direction to be processed, and the center of the nozzle hole to be formed is moved in a direction parallel to the Z-axis direction, and laser processing is performed by the laser processing head 60, thereby forming the nozzle hole in the workpiece. Further, the combined machining apparatus 10 can rotate the workpiece 8 about the longitudinal axis as shown in FIG.
  • the combined machining apparatus 10 rotates the stage 44 around the C axis by the C axis rotation mechanism 48, rotates the workpiece 8 by a certain angle, and performs laser machining with the laser machining head 60, thereby forming nozzle holes at a plurality of locations.
  • the combined machining apparatus 10 can form the nozzle hole on the concentric circle by rotating the stage 44 around the C axis by the C-axis rotating mechanism 48 and forming the nozzle hole in the workpiece 8.
  • the composite processing apparatus 10 After forming the nozzle hole, the composite processing apparatus 10 performs tip processing with the machining head 50 (step S28). Specifically, as shown in FIG. 15, the direction of the workpiece 8 is adjusted by the stage moving mechanism 42, and the central axis of the hollow portion of the workpiece (the axis parallel to the longitudinal direction and passing through the center of the cross section). Is moved in a direction parallel to the Z-axis direction. Thereafter, the combined machining apparatus 10 attaches the tool 56a to the head body 54, inserts the tool 56a into the hollow portion, and polishes the tip portion of the hollow portion with the grindstone surface 58a. The head body 54 can be polished by rotating the tool 56a around the central axis of the hollow portion, for example. As a result, as shown in FIG. 16, the tip 116 of the hollow portion of the workpiece 114a, that is, the tip 116 that is the periphery of the portion where the nozzle hole 106 is formed is polished.
  • the composite processing apparatus 10 performs inner surface polishing after the tip processing (step S30).
  • the combined machining apparatus 10 mounts the tool 56b on the head main body 54, inserts the tool 56b into the hollow portion, and polishes the inner peripheral surface of the hollow portion with the grindstone surface 58b.
  • the head body 54 can be polished by rotating the tool 56b around the central axis of the hollow portion, for example. Thereby, as shown in FIG. 17, the inner peripheral surface 118 of the hollow part of the workpiece 114b is polished.
  • the composite processing apparatus 10 performs fluid polishing as matching processing (step S32). Specifically, as shown in FIG. 18, the combined machining apparatus 10 attaches a tool to the head main body 54, supplies a polishing fluid to the hollow portion of the workpiece 114c, and polishes the inner surface. Finish the inner surface.
  • the combined machining apparatus 10 measures the inner diameter after performing the fluid polishing as the matching process (step S34). After measuring the inner diameter, the manufacturing method removes the processing object (nozzle body) from the composite processing apparatus 10, evaluates the performance (step S36), and ends this processing.
  • the nozzle body that does not satisfy the required performance after performing the performance evaluation is excluded as a defective product, so that an injector that satisfies the performance can be manufactured.
  • the needle and the nozzle body manufactured as described above become an injector by inserting the needle into the nozzle body and performing other finishing.
  • the combined machining apparatus 10 can machine the workpiece 8 held on the stage 44 by both the machining unit 20 and the laser machining unit 22. Thereby, it can process while maintaining the fixed state of the workpiece 8 and it can suppress that an axial shift
  • the composite processing apparatus 10 is provided with a fiber laser light source 62 and a pulse laser light source 64 so that the laser irradiated by the switching mechanism 74 can be switched, so that the size, thickness, material, etc. of the processing object can be changed. Accordingly, the laser to be used can be switched. Thereby, the process according to a use can be performed in high precision and for a short time.
  • the combined machining apparatus 10 is a mechanism that allows the workpiece 8 to be rotated about two orthogonal axes by the stage moving mechanism 42, thereby maintaining various conditions while holding the workpiece 8 on the same stage 44.
  • the processing object 8 can be processed in the direction.
  • the composite processing apparatus 10 preferably corrects (changes) the processing conditions based on information on the manufactured needle and nozzle body. As shown in FIG. 19, the combined machining apparatus 10 acquires the measurement result of the inner diameter of the nozzle body (step S70), acquires the measurement result of the outer diameter of the needle (step S72), and based on the comparison of the measurement results. Then, the machining conditions are corrected (step S74), and this process is terminated. Specifically, the amount of cutting and the amount of polishing at each step are adjusted so that the time and number of steps required for the polishing process before finishing can be reduced. Thereby, the time concerning manufacture can be reduced and the load concerning a tool can also be reduced.
  • various members other than the nozzle body can be targeted.
  • Various materials can be used as the material of the workpiece 8, for example, Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark), stainless steel, ceramic, steel, carbon steel, heat resistant steel, ceramics, silicon, titanium, A member made of tungsten, resin, plastics, Ni-base heat-resistant alloy, or the like can be used.
  • carbon fiber reinforced plastic CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • GFRP Glass Fiber Reinforced Plastics
  • GTT Glass-mat Reinforced Thermoplastics
  • Members made of fiber reinforced plastic, iron alloys other than steel plates, various metals such as aluminum alloys, various composite materials, and the like can also be used.
  • the workpiece 8 was moved to the Y-axis direction by the moving unit 14, and the machining head 50 and the laser processing head 60 were moved to the X-axis direction and the Z-axis direction, it is not limited to this. .
  • the combined machining apparatus 10 moves the machining head 50 and the laser machining head 60 in the three directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis even when the workpiece 8 is moved in the three directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis. Also good.
  • the posture (direction, position in the rotational direction) of the workpiece 8 is adjusted by the stage moving mechanism 42, but the postures of the machining head 50 and the laser processing head 60 may be adjusted.

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Abstract

　より高い精度かつ高速で加工を行うことが可能である複合加工装置および複合加工方法を提供する。ステージユニットと、加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドを含む機械加工ユニットと、加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、移動ユニットと、各部の動作を制御する制御部と、を含み、レーザ加工ヘッドは、レーザを加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有し、レーザ旋回部で、レーザが加工対象物に照射される位置を回転させる。

Description

複合加工装置及び複合加工方法
　本発明は、レーザ加工ヘッドおよび機械加工ヘッドにより双方のヘッドを用いた複合加工を行う複合加工方法および複合加工装置に関する。
　従来、例えば、特許文献１に記載の複合加工装置（複合加工機）は、ワークに対してレーザ加工または機械加工を選択的に施すものである。具体的に、この複合加工装置は、光ファイバの側面からレーザを入射してレーザを励起するサイドポンプ方式のファイバレーザを用いてワークを加工するレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、ワークを切削または研削するための工具を装着する主軸を有した機械加工ヘッドと、レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と機械加工ヘッドの主軸とが平行になるように、かつ両ヘッド間で相対移動できないように両ヘッドを固定する主軸台と、ワークを取り付け、主軸台との間で相対移動するように設けられたテーブルと、レーザ加工ヘッドのレーザビームの焦点位置合せおよびワークの形状寸法の計測を行う計測手段であって、主軸台とテーブルとのＸ、Ｙ、Ｚ軸の相対移動の現在位置を検出する現在位置検出装置、およびレーザ加工ヘッドのレーザビームと同じ集光レンズを通るように投光された計測用光線のワーク表面からの反射光をとらえるＣＣＤカメラを有する計測手段と、を具備し、機械加工ヘッドの主軸に工具を取り付け、レーザ加工ヘッドのレーザビームの出力をＯＦＦとするか、または主軸から工具を取外し、レーザビームの出力をＯＮとするかによってレーザ加工と機械加工とを切り換え可能にする。
　この特許文献１に記載の複合加工装置は、以下の効果を図る。レーザ加工と機械加工との切り換えを、機械加工ヘッドの主軸への工具の着脱またはレーザ加工ヘッドのレーザビームの出力のＯＮ、ＯＦＦにより迅速に行える。また、その切り換え時にレーザビームの光軸中心出しを行わなくても光軸振れはないので、すぐにレーザ加工を開始でき、機械の稼動率が上る。しかも光軸振れがないことは高精度な加工が行えることであり、特に微細加工に適す。また、レーザ加工ヘッドと機械加工ヘッドのＺ軸方向の位置関係、およびＸＹ平面内における位置関係を適切に設定することにより、レーザ加工または機械加工中にワークとレーザ加工ヘッドまたは機械加工ヘッドとがぶつかることはない。
特許第４７２１８４４号公報
　上述した特許文献１に記載の複合加工装置は、レーザ加工と機械加工とを切り換えることを前提とし、この切り換えを迅速に行うことで加工の高速化を図っている。ここで、複合加工装置は、より高精度かつ高速で加工対象物を加工することが求められている。
　本発明は上述した課題を解決するものであり、加工対象物を高精度かつ高速に加工することのできる複合加工装置および複合加工方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の複合加工装置は、加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、前記加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドを含む機械加工ユニットと、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、前記レーザ加工ヘッド及び前記機械加工ヘッドと前記ステージとをＹ軸方向に相対移動させるＹ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に相対移動させる第１Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｘ軸方向に相対移動させる第２Ｘ軸移動機構、前記第１Ｘ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向及び前記Ｘ軸方向に直交するＺ軸方向に相対移動させる第１Ｚ軸移動機構及び前記第２Ｘ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｚ軸方向に相対移動させる第２Ｚ軸移動機構を有する移動ユニットと、各部の動作を制御する制御部と、を含み、前記レーザ加工ヘッドは、前記レーザを前記加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有し、前記レーザ旋回部で、前記レーザが前記加工対象物に照射される位置を回転させることを特徴とする。
　また、前記第１Ｘ軸移動機構は、前記第２Ｘ軸移動機構と同じ案内部材に沿って移動することが好ましい。
　また、前記機械加工ユニットは、前記機械加工ヘッドの移動領域内に前記工具を少なくとも１つ保持する工具交換ユニットを有し、前記制御部は、前記第１Ｘ軸移動機構と前記第１Ｚ軸移動機構とで前記機械加工ヘッドを前記工具交換ユニットと対面する位置に移動させ、前記工具交換ユニットで前記機械加工ヘッドに装着する前記工具を交換することが好ましい。
　また、前記ステージユニットは、前記ステージを移動させるステージ移動機構をさらに有し、前記制御部は、前記ステージ移動機構で、前記加工対象物の姿勢を変化させることが好ましい。
　また、前記ステージ移動機構は、前記ステージを直交する２つの軸周りに回転させる機構を少なくとも備えることが好ましい。
　また、前記機械加工ユニットは、前記加工対象物を研磨する工具を少なくとも１つ含み、前記機械加工ヘッドは、前記加工対象物を研磨する工具を回転させて、前記加工対象物を研磨することが好ましい。
　また、前記レーザ加工ユニットは、ファイバレーザを出力するファイバレーザ光源と、パルスレーザを出力するパルスレーザ光源と、前記ファイバレーザを前記レーザ旋回部に入射させる状態と、前記パルスレーザを前記レーザ旋回部に入射させる状態と、を切り換える切換機構と、を有することが好ましい。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドと、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドとを用いて、前記加工対象物を加工する複合加工方法であって、前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物にレーザを照射し、加工するレーザ加工工程と、前記レーザ加工ヘッドと前記機械加工ヘッドとを移動させ、前記加工対象物を加工する位置に前記機械加工ヘッドを移動させる移動工程と、前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物を機械加工する機械加工工程と、を含むことを特徴とする。
　ここで、前記加工対象物は、インジェクターのノズルボディであり、前記レーザ加工工程は、前記ノズルボディの噴口穴を形成し、前記機械加工工程は、前記ノズルボディの内面を研磨することが好ましい。
　本発明の複合加工装置および複合加工方法によれば、ステージに保持された加工対象物に対して、レーザ加工と機械加工とを独立して行うことができる。これにより、加工対象物を保持したまま、レーザ加工と機械加工を連続して実行することができ、加工を高精度かつ高速で行うことができるという効果を奏する。
図１は、本実施形態に係る複合加工装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、ステージユニットの概略構成を示す斜視図である。 図３は、ステージユニットの概略構成を示す正面図である。 図４は、ステージと加工対象物の概略構成を示す側面図である。 図５は、工具の一例を示す説明図である。 図６は、工具の一例を示す説明図である。 図７は、工具の一例を示す説明図である。 図８は、レーザ加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。 図９は、インジェクターの概略構成を示す模式図である。 図１０Ａは、ニードルの概略構成を示す模式図である。 図１０Ｂは、ノズルボディの概略構成を示す模式図である。 図１０Ｃは、ノズルボディの拡大図である。 図１１は、ニードルの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１２は、ノズルボディの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１３は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１４は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１５は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１６は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１７は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１８は、複合加工装置の動作を説明するための説明図である。 図１９は、複合加工装置の動作を説明するためのフローチャートである。
　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。
　図１は、本実施形態に係る複合加工装置の概略構成を示す模式図である。図２は、ステージユニットの概略構成を示す斜視図である。図３は、ステージユニットの概略構成を示す正面図である。図４は、ステージと加工対象物の概略構成を示す側面図である。図５から図７は、それぞれ工具の一例を示す説明図である。図８は、レーザ加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。
　図１に示すように、複合加工装置１０は、加工対象物８に対して、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形、研磨等の各種加工する装置である。なお、加工の種類は特に限定されないが、本実施形態の複合加工装置１０は、研磨、穴あけを行う。また、複合加工装置１０は、加工対象物８の計測も行う。
　複合加工装置１０は、フレーム１２と、移動ユニット１４と、ステージユニット１６と、機械加工ヘッド５０を含む機械加工ユニット２０と、レーザ加工ヘッド６０を含むレーザ加工ユニット２２と、制御部２４と、を有する。複合加工装置１０は、ステージユニット１６に保持される加工対象物８を機械加工ユニット２０により機械加工する。また、複合加工装置１０は、ステージユニット１６に保持される加工対象物８にレーザ加工ユニット２２によりレーザを照射し、加工対象物８をレーザ加工する。ここで、本実施形態では、水平面をＸ軸方向とＸ軸に直交するＹ軸方向を含むＸＹ平面とし、水平面に直交する方向をＺ軸方向とする。
　フレーム１２は、複合加工装置１０の筐体であり、地面、土台等の設置面に固定されている。フレーム１２は、門１２ａと門１２ａの空間に挿入された土台１２ｂとを有する。フレーム１２は、移動ユニット１４の固定部が固定されている。複合加工装置１０は、フレーム１２の門１２ａと土台１２ｂとに移動ユニット１４が固定され、移動ユニット１４により加工対象物８と、機械加工ユニット２０及びレーザ加工ユニット２２とを相対的に移動させる、いわゆる門型の加工装置である。
　移動ユニット１４は、加工対象物８と機械加工ヘッド５０とを相対移動させ、加工対象物８とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０と、第１Ｘ軸移動機構３２と、第２Ｘ軸移動機構３４と、第１Ｚ軸移動機構３６と、第２Ｚ軸移動機構３８と、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、フレーム１２の土台１２ｂ上に配置され、Ｙ軸方向に延在するレール３０ａと、レール３０ａに沿って移動するＹ軸移動部材３０ｂと、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂにステージユニット１６が固定されている。Ｙ軸移動機構３０は、レール３０ａに沿って、Ｙ軸移動部材３０ｂを移動させることで、ステージユニット１６をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂをＹ軸方向に移動させる機構として、種々の機構を用いることができる。例えば、Ｙ軸移動部材３０ｂにボールねじを挿入し、ボールねじをモータ等で回転させる機構や、リニアモータ機構、ベルト機構等を用いることができる。第１Ｘ軸移動機構３２と、第２Ｘ軸移動機構３４と、第１Ｚ軸移動機構３６と、第２Ｚ軸移動機構３８も同様に種々の機構を用いることができる。
　第１Ｘ軸移動機構３２は、フレーム１２の門１２ａ上に配置され、Ｘ軸方向に延在するレール３３と、レール３３に沿って移動するＸ軸移動部材３２ａと、を有する。第１Ｘ軸移動機構３２は、Ｘ軸移動部材３２ａに第１Ｚ軸移動機構３６が固定されている。第１Ｘ軸移動機構３２は、レール３３に沿って、Ｘ軸移動部材３２ａを移動させることで、第１Ｚ軸移動機構３６をＸ軸方向に移動させる。第２Ｘ軸移動機構３４は、フレーム１２の門１２ａ上に配置され、Ｘ軸方向に延在するレール３３と、レール３３に沿って移動するＸ軸移動部材３４ａと、を有する。レール３３は、第１Ｘ軸移動機構３２のレール３３と共通のレールである。第２Ｘ軸移動機構３４は、Ｘ軸移動部材３４ａに第２Ｚ軸移動機構３８が固定されている。第２Ｘ軸移動機構３４は、レール３３に沿って、Ｘ軸移動部材３４ａを移動させることで、第２Ｚ軸移動機構３８をＸ軸方向に移動させる。第１Ｚ軸移動機構３６は、Ｘ軸移動部材３２ａに固定され、Ｚ軸方向に延在するレール３６ａと、レール３６ａに沿って移動するＺ軸移動部材３６ｂと、を有する。第１Ｚ軸移動機構３６は、Ｚ軸移動部材３６ｂに機械加工ヘッド５０が固定されている。第１Ｚ軸移動機構３６は、レール３６ａに沿って、Ｚ軸移動部材３６ｂを移動させることで、機械加工ヘッド５０をＺ軸方向に移動させる。第２Ｚ軸移動機構３８は、Ｘ軸移動部材３４ａに固定され、Ｚ軸方向に延在するレール３８ａと、レール３８ａに沿って移動するＺ軸移動部材３８ｂと、を有する。第２Ｚ軸移動機構３８は、Ｚ軸移動部材３８ｂにレーザ加工ヘッド６０が固定されている。第２Ｚ軸移動機構３８は、レール３８ａに沿って、Ｚ軸移動部材３８ｂを移動させることで、レーザ加工ヘッド６０をＺ軸方向に移動させる。
　移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０と第１Ｘ軸移動機構３２と第１Ｚ軸移動機構３６とを用いて、加工対象物８と機械加工ヘッド５０とをＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに相対移動させ、Ｙ軸移動機構３０と第２Ｘ軸移動機構３４と第２Ｚ軸移動機構３８とを用いて、加工対象物８とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに相対移動させる。
　ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０のＹ軸移動部材３０ｂ上に配置されている。ステージユニット１６は、支持台４０と、ステージ移動機構４２と、ステージ４４と、を有する。支持台４０は、Ｙ軸移動部材３０ｂに固定された板状の部材であり、ステージ移動機構４２を支持している。ステージ移動機構４２は、支持台４０上に固定されており、支持台４０に対してステージ４４を移動させる。ステージ移動機構４２は、図２及び図３に示すように、Ｂ軸回転機構４６と、Ｃ軸回転機構４８と、を有する。Ｂ軸回転機構４６は、支持台４０に固定されており、Ｃ軸回転機構４８を、支持台４０に対して、Ｂ軸に回転させる。ここで、Ｂ軸は、Ｘ軸と一致する軸である。Ｃ軸回転機構４８は、Ｂ軸回転機構４６に固定されており、ステージ４４を、Ｂ軸回転機構４６に対して、Ｃ軸周りに回転させる。ここで、Ｃ軸は、Ｂ軸つまりＸ軸に直交する軸方向である。ステージ移動機構４２は、ステージ４４を支持台４０に対して、直交する２軸のそれぞれ回りにステージ４４を回転させることができる。また、ステージ４４は、加工対象物８を支持する機構である。本実施形態のステージ４４は、図４に示すように、板状部材に加工対象物８が固定されている。また、ステージ４４は、板状部材に固定され、加工対象物８と接触するローラが設けられており、ローラが加工対象物８の回転を抑制している。ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０に設定され、加工対象物８をステージ４４上に固定する。また、ステージユニット１６は、ステージ移動機構４２でステージ４４を回転させることで、加工対象物８の向き、つまり姿勢を調整する。
　機械加工ユニット２０は、機械加工ヘッド５０と、工具交換ユニット５２と、を有する。機械加工ヘッド５０は、加工対象物８を機械加工する機構であり、ヘッド本体５４と、ヘッド本体５４に着脱可能な工具５６とを有する。機械加工ヘッド５０は、加工対象物８に工具５６を接触させた状態でヘッド本体５４により工具５６を回転させたり、振動させたりすることで、加工対象物８を加工する。機械加工ヘッド５０は、ヘッド本体５４に測定用の工具を装着することで、加工対象物８の計測を行うこともできる。工具交換ユニット５２は、工具を支持する支持機構を複数備えた支持部５５を有し、支持部５５が複数の工具５６ａ、５６ｂ、５６ｃを支持している。工具５６ａは、図５に示すように、細長い棒状の部材であり、先端の一部に砥石面５８ａが設けられた工具である。工具５６ａは、使用時は、図５に示すように一方の端部がヘッド本体５４のジョイント部５４ａに装着される。工具５６ｂは、図６に示すように、細長い棒状の部材であり、側面に砥石面５８ｂが設けられた工具である。図７に示すように、工具５６ｃは、計測用の工具であり、空気を供給する空気通路５９が設けられている。機械加工ユニット２０は、例えば、測定対象物（加工対象物でもある）９０を密閉した状態で、空気通路５９から空気を供給し、測定対象物９０の開口部９２から空気が排出されることによって生じる内圧の変化を計測することで、内部空間の容積や、開口部９２の径を計測したり、開口部９２が開口しているかを計測したりする。工具交換ユニット５２は、機械加工ヘッド５０の移動可能な範囲内に配置されている。工具交換ユニット５２は、支持部５５の工具を支持する支持機構のうち工具が配置されていない支持機構に、機械加工ヘッド５０に装着されている工具を保持させることで、ヘッド本体５４から工具５６を取り外し、支持機構に保持されている別の工具をヘッド本体５４に取り付けることで、別の工具をヘッド本体５４に装着させる。機械加工ユニット２０は、加工対象物８に対する加工に応じて、ヘッド本体５４に装着する工具を切り換えることで、目的に応じた加工を行うことができる。また、工具の数は特に限定されない。
　レーザ加工ユニット２２は、レーザ加工ヘッド６０と、ファイバレーザ光源６２と、パルスレーザ光源６４と、を有する。ファイバレーザ光源６２は、光ファイバを媒質としてレーザを出力する装置である。ファイバレーザ出力装置としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができ、これらの出力装置が励起されることによりレーザが発振される。ファイバレーザ出力装置のファイバは、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加されたシリカガラスを用いることができる。パルスレーザ光源６４は、レーザを短パルス、例えば、周波数２０ｋＨｚで出力する。パルスレーザ出力装置としては、レーザの発振源として例えば、チタンサファイアレーザを用いることができ、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスを発振することができる。また、ＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ等のナノ秒オーダーパルス発振をするレーザも使用可能である。
　次にレーザ加工ヘッド６０について、説明する。レーザ加工ヘッド６０は、図８に示すように、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザと、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザと、が入射され、入射されたレーザのうち一方を加工対象物８に照射することで、加工対象物８をレーザ加工する。なお、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザと、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザとは、光ファイバ等のレーザ光を導く光学部材でレーザ加工ヘッド６０まで案内される。
　レーザ加工ヘッド６０は、コリメート光学系７０、７２と、切換機構７４と、レーザ旋回部７６と、集光光学系８０と、を含む。コリメート光学系７０は、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザをコリメートする光学部材であり、コリメートしたファイバレーザを切換機構７４に向けて射出する。コリメート光学系７２は、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザをコリメートする光学部材であり、コリメートしたパルスレーザを切換機構７４に向けて射出する。
　切換機構７４は、レーザ旋回部７６にファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザを入射させるか、パルスレーザ光源６４から出力されたパルスレーザを入射させるかを切り換える機構である。切換機構７４は、レーザを反射するミラー７４ａと、ミラー７４ａに連結された支持棒７４ｂと、支持棒７４ｂを移動させる駆動部７４ｃと、を有する。切換機構７４は、駆動部７４ｃでミラー７４ａを図８に示す位置、具体的には、ファイバレーザとパルスレーザとが重なる位置に配置し、パルスレーザをミラー７４ａで反射し、ファイバレーザを遮ることで、パルスレーザがレーザ旋回部７６に入射する状態とする。また、切換機構７４は、駆動部７４ｃでミラー７４ａをファイバレーザの経路からはずれた位置に配置し、ファイバレーザをそのまま通過させることで、ファイバレーザがレーザ旋回部７６に入射する状態とする。ファイバレーザをそのまま通過させる場合、パルスレーザは、ミラー７４ａで反射させてレーザを吸収する位置に照射するようにしてもよいし、コリメート光学系７２とミラー７４ａとの間にシャッタを設けて遮るようにしてもよい。
　レーザ旋回部７６は、光路の中心周りにレーザを回転させて、加工対象物８に照射するレーザ、つまりレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。レーザ旋回部７６は、図８に示すように、第１プリズムユニット８２と、第２プリズムユニット８４と、を有する。
　第１プリズムユニット８２は、レーザＬを屈折させて、光軸に対して傾ける第１プリズムと、第１プリズムを回転させる回転機構と、を有する。第２プリズムユニット８４は、第１プリズムユニット８２で屈折されたレーザＬを再度屈折させ、集光する位置を制御する第２プリズムと、第２プリズムを回転させる回転機構と、を有する。第１プリズム、第２プリズムとしては、例えばウェッジプリズムを用いることができる。
　レーザ旋回部７６は、第１プリズムユニット８２の第１プリズムと、第２プリズムユニット８４の第２プリズムとを回転させることで、レーザＬの照射位置ＩＰを回転させる。レーザ旋回部７６は、第１プリズムユニット８２の第１プリズムと、第２プリズムユニット８４の第２プリズムとを同期回転および相対回転可能である。
　また、レーザ旋回部７６は、第１プリズムと第２プリズムの相対的な位置、回転数を検出するエンコーダや、レーザ旋回部７６を冷却する冷却機構を備えていてもよい。レーザ旋回部７６は、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を変えることができる。これにより、レーザ照射点を回転軸の光路の中心から第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差に対応する距離だけ離れた照射位置まで偏心させることができる。この第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を維持しながら、第１プリズムと第２プリズムとを同回転周期で同期回転させる場合、レーザ照射点は旋回径の円軌道を描く。また、第１プリズムと第２プリズムとを非同期回転（異なる回転周期で回転）させる場合には、レーザ照射点の旋回径を増減させながらレーザ照射点を旋回させることができ、任意の曲線軌道を描くことも可能である。
　また、旋回径とは、光路の中心から加工対象物８に照射されるレーザＬの照射位置までの距離のことをいい、加工対象物８に照射されるレーザＬが中心周りに旋回する半径のことをいう。旋回径は、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を変えることにより加工対象物８に照射されるレーザＬの旋回径が変わるので、可変である。旋回数とは、加工対象物８に照射されるレーザＬの照射位置が中心周りに旋回する単位時間当たりの回数のことをいう。
　集光光学系８０は、複数のレンズを有し、複数のレンズにより、レーザ旋回部７６を通過したレーザＬを集光し、所定の焦点距離、焦点深度となるレーザを形成する。集光光学系８０は、加工対象物８に所定のスポット径のレーザＬを照射する。また、集光光学系８０は、冷却機構を有することが好ましい。冷却機構は、例えば、上記複数のレンズを冷却するための冷却ジャケット等である。
　また、レーザ加工ヘッド６０は、加工対象物８に照射するレーザＬに沿って、アシストガスを供給するアシストガス供給機構を設けてもよい。本実施形態において、アシストガスは、例えば、空気、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、キセノンガス、ヘリウムガス、または、これらの混合ガスを用いることができる。アシストガスとして、酸化反応熱を加工処理に利用できる酸素ガスを用いた場合、金属等の加工対象物８に対する加工速度をより向上させることができる。また、アシストガスとして、熱影響層としての酸化被膜の生成を抑える窒素ガスやアルゴンガス等を用いた場合、金属等の加工対象物８に対する加工精度をより向上させることができる。アシストガスのガス種、混合比、および、噴出量（圧力）などは、加工対象物８の種類や加工モード等の加工条件に応じて変えることができる。また、レーザ加工ユニット２２は、レーザを照射する位置の画像を撮影する撮影手段、例えば、ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）イメージセンサ等を有するカメラを備えていてもよい。これにより、取得した画像に基づいてレーザの照射位置等を調整することができる。
　制御部２４は、移動ユニット１４、ステージユニット１６、機械加工ユニット２０と、レーザ加工ユニット２２と、の各部の動作を制御する。制御部２４は、移動ユニット１４とステージユニット１６のステージ移動機構４２の動作を制御し、加工対象物８と機械加工ヘッド５０とを相対移動させ、加工対象物８とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。また、制御部２４は、機械加工ユニット２０と、レーザ加工ユニット２２との駆動を制御し、機械加工、レーザ加工を制御する。
　次に、図９から図１９を用いて、複合加工装置１０の動作、つまり複合加工方法の一例について説明する。図９は、インジェクターの概略構成を示す模式図である。図１０Ａは、ニードルの概略構成を示す模式図である。図１０Ｂは、ノズルボディの概略構成を示す模式図である。図１０Ｃは、ノズルボディの拡大図である。図１１は、ニードルの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１２は、ノズルボディの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１３から図１８は、それぞれ複合加工装置の動作を説明するための説明図である。図１９は、複合加工装置の動作を説明するためのフローチャートである。
　ここで、本実施形態では、複合加工装置１０を用いて図９に示すインジェクター１００を製造する場合として説明する。なお、インジェクター１００は、複合加工装置１０による加工とその他の各種加工装置による加工によって製造される。インジェクター１００は、所定以上の圧力で流体を噴射する装置であり、ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃料噴射機構として用いられる。インジェクター１００は、ニードル１０２とノズルボディ１０４とを有する。インジェクター１００は、ノズルボディ１０４の中空部分にニードル１０２が挿入されている。ニードル１０２は、図１０Ａに示すように、細長い棒状の部材である。ノズルボディ１０４は、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、内部に中空部分が形勢されており、先端に中空部分の径に対して径が小さい噴口穴１０６が複数形成されている。噴口穴１０６は、外部から中空部分まで貫通している穴である。本実施形態の複合加工装置１０は、ノズルボディ１０４の製造に用いることができる。
　まず、図１１を用いて、ニードルの製造方法について説明する。ニードルの製造方法は、棒状の部材に対して切削加工を行い（ステップＳ１２）、ニードルの外形形状を形成し、熱処理を行い（ステップＳ１４）、仕上げ加工として外面の研磨を行い（ステップＳ１６）製造する。また、製造方法は、製造したニードルの外形形状、特に、先端部近傍の外径を計測する。なお、ニードルは、複合加工装置１０以外の装置で製造してもよい。
　次に、図１２から図１８を用いて、ノズルボディの製造方法について説明する。まず、ノズルボディの製造方法は、鋳造等で外形形状がノズルボディの形状となる加工対象物を製造する。製造方法は、製造した部材に対して内径ドリル加工を行い（ステップＳ２０）、内部の空間を形成し、その後、加工対象物に内径ザグリ電解加工を行い（ステップＳ２２）、熱処理を行う（ステップＳ２４）。ノズルボディの製造方法は、熱処理を行った加工対象物をステージ４４に固定し、複合加工装置１０で加工する。
　複合加工装置１０は、レーザ加工ヘッド６０でレーザ加工を行い、固定された加工対象物に噴口穴を開ける（ステップＳ２６）。具体的には、図１３に示すように、ステージ移動機構４２で加工対象物の向きを調整し、加工対象物の噴口穴を形成する部分が反対側の端部よりもＺ軸方向上側となる向きで、かつ、形成する噴口穴の中心がＺ軸方向と平行となる向きに移動させ、レーザ加工ヘッド６０でレーザ加工を行うことで、加工対象物に噴口穴を形成する。さらに、複合加工装置１０は、Ｃ軸回転機構４８でＣ軸周りにステージ４４を回転させることで、図１４に示すように、加工対象物８を長手方向の軸中心に回転させることができる。複合加工装置１０は、Ｃ軸回転機構４８でＣ軸周りにステージ４４を回転させ、加工対象物８を一定角度回転させ、レーザ加工ヘッド６０でレーザ加工を行うことで、複数個所に噴口穴を形成する。複合加工装置１０は、Ｃ軸回転機構４８でＣ軸周りにステージ４４を回転させ、加工対象物８に噴口穴を形成することで、同心円上に噴口穴を形成することができる。
　複合加工装置１０は、噴口穴を形成したら、機械加工ヘッド５０で先端加工を行う（ステップＳ２８）。具体的には、図１５に示すように、ステージ移動機構４２で加工対象物８の向きを調整し、加工対象物の中空部分の中心軸（長手方向に平行でかつ断面の中心を通る軸）がＺ軸方向と平行となる向きに移動させる。その後、複合加工装置１０は、工具５６ａをヘッド本体５４に装着し、工具５６ａを中空部分に挿入し、砥石面５８ａで中空部分の先端部分を研磨する。なお、ヘッド本体５４は、例えば、工具５６ａを中空部分の中心軸周りに回転させることで研磨加工を行うことができる。これにより、図１６に示すように、加工対象物１１４ａの中空部分の先端１１６、つまり、噴口穴１０６が形成されている部分の周辺部である先端１１６が研磨された状態となる。
　複合加工装置１０は、先端加工を行ったら、内面研磨を行う（ステップＳ３０）。複合加工装置１０は、工具５６ｂをヘッド本体５４に装着し、工具５６ｂを中空部分に挿入し、砥石面５８ｂで中空部分の内周面を研磨する。なお、ヘッド本体５４は、例えば、工具５６ｂを中空部分の中心軸周りに回転させることで研磨加工を行うことができる。これにより、図１７に示すように、加工対象物１１４ｂの中空部分の内周面１１８が研磨された状態となる。
　複合加工装置１０は、内面研磨を行ったら、マッチング加工として、流体研磨を行う（ステップＳ３２）。具体的には、図１８に示すように、複合加工装置１０は、工具をヘッド本体５４に装着し、加工対象物１１４ｃの中空部分に研磨用の流体を供給し、内面を研磨することで、内面の仕上げ加工を行う。
　複合加工装置１０は、マッチング加工として、流体研磨を行ったら、内径を計測する（ステップＳ３４）。製造方法は、内径を計測したら、複合加工装置１０から加工対象物（ノズルボディ）を取り外し、性能を評価し（ステップＳ３６）、本処理を終了する。性能評価を行って、要求性能を満たしていないノズルボディは、不良品として排除することで、性能を満たすインジェクターを製造することができる。以上のようにして製造したニードルとノズルボディは、ノズルボディにニードルを挿入し、その他仕上げを行うことで、インジェクターとなる。
　複合加工装置１０は、ステージ４４に保持された加工対象物８を、機械加工ユニット２０とレーザ加工ユニット２２の両方で加工できる。これにより、加工対象物８の固定状態を維持したまま、加工を行うことができ、レーザ加工した部分と機械加工した部分との間で軸ズレが生じることを抑制できる。また、レーザを回転させることで、効果的にレーザ加工を行うことができる。
　また、複合加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２と、パルスレーザ光源６４と、を設け、切換機構７４により照射するレーザを切り換え可能とすることで、加工対象物の大きさ、厚み、材料等に応じて、使用するレーザを切り換えることができる。これにより用途に応じた加工を高い精度かつ短時間で行うことができる。
　また、複合加工装置１０は、ステージ移動機構４２で加工対象物８を直交する２軸に回転できる機構とすることで、加工対象物８を同じステージ４４で保持した状態を維持しつつ、種々の向きで加工対象物８を加工することができる。
　複合加工装置１０は、製造されたニードル、ノズルボディの情報に基づいて加工条件を補正（変更）することが好ましい。図１９に示すように、複合加工装置１０は、ノズルボディの内径の計測結果を取得し（ステップＳ７０）、ニードルの外径の計測結果を取得し（ステップＳ７２）、計測結果の比較に基づいて、加工条件の補正を行い（ステップＳ７４）、本処理を終了する。具体的には、仕上げ加工前の研磨処理の工程にかかる時間また工程数を減らすことができるように、各ステップでの切削量や研磨量を調整する。これにより、製造に係る時間を低減することができ、さらに工具にかかる負荷も少なくすることができる。
　ここで、加工対象物８としては、ノズルボディ以外の種々の部材を対象とすることができる。また、加工対象物８の材料も種々の材料を用いることができ、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、Ｎｉ基耐熱合金等で作成された部材を用いることができる。また、加工対象物８として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon　Fiber　Reinforced　Plastics）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass　Fiber　Reinforced　Plastics）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ：Glass-mat　Reinforced　Thermoplastics）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、種々の複合材等で作成された部材も用いることができる。
　また、上記実施形態において、移動ユニット１４により加工対象物８をＹ軸方向移動させ、かつ機械加工ヘッド５０とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸方向、Ｚ軸方向に移動させたがこれに限定されない。複合加工装置１０は、加工対象物８をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３方向に移動させても、機械加工ヘッド５０とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３方向に移動させてもよい。また、本実施形態では、ステージ移動機構４２により加工対象物８の姿勢（向き、回転方向の位置）を調整したが、機械加工ヘッド５０とレーザ加工ヘッド６０の姿勢を調整してもよい。
　　８　加工対象物
　１０　複合加工装置
　１２　フレーム
　１４　移動ユニット
　１６　ステージユニット
　２０　機械加工ユニット
　２２　レーザ加工ユニット
　２４　制御部
　３０　Ｙ軸移動機構
　３２　第１Ｘ軸移動機構
　３４　第２Ｘ軸移動機構
　３６　第１Ｚ軸移動機構
　３８　第２Ｚ軸移動機構
　４０　支持台
　４２　ステージ移動機構
　４４　ステージ
　４６　Ｂ軸回転機構
　４８　Ｃ軸回転機構
　５０　機械加工ヘッド
　５２　工具交換ユニット
　５４　ヘッド本体
　５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ　工具
　５８ａ、５８ｂ　砥石面
　６０　レーザ加工ヘッド
　６２　ファイバレーザ光源
　６４　パルスレーザ光源

Claims (9)

  1. 　加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、
    　前記加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドを含む機械加工ユニットと、
    　前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、
    　前記レーザ加工ヘッド及び前記機械加工ヘッドと前記ステージとをＹ軸方向に相対移動させるＹ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に相対移動させる第１Ｘ軸移動機構、前記Ｙ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｘ軸方向に相対移動させる第２Ｘ軸移動機構、前記第１Ｘ軸移動機構に固定され、前記機械加工ヘッドを前記Ｙ軸方向及び前記Ｘ軸方向に直交するＺ軸方向に相対移動させる第１Ｚ軸移動機構及び前記第２Ｘ軸移動機構に固定され、前記レーザ加工ヘッドを前記Ｚ軸方向に相対移動させる第２Ｚ軸移動機構を有する移動ユニットと、
    　各部の動作を制御する制御部と、を含み、
    　前記レーザ加工ヘッドは、前記レーザを前記加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回されたレーザを集光させる集光光学系と、を有し、前記レーザ旋回部で、前記レーザが前記加工対象物に照射される位置を回転させることを特徴とする複合加工装置。
  2. 　前記第１Ｘ軸移動機構は、前記第２Ｘ軸移動機構と同じ案内部材に沿って移動することを特徴とする請求項１に記載の複合加工装置。
  3. 　前記機械加工ユニットは、前記機械加工ヘッドの移動領域内に前記工具を少なくとも１つ保持する工具交換ユニットを有し、
    　前記制御部は、前記第１Ｘ軸移動機構と前記第１Ｚ軸移動機構とで前記機械加工ヘッドを前記工具交換ユニットと対面する位置に移動させ、前記工具交換ユニットで前記機械加工ヘッドに装着する前記工具を交換することを特徴とする請求項１または２に記載の複合加工装置。
  4. 　前記ステージユニットは、前記ステージを移動させるステージ移動機構をさらに有し、
    　前記制御部は、前記ステージ移動機構で、前記加工対象物の姿勢を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の複合加工装置。
  5. 　前記ステージ移動機構は、前記ステージを直交する２つの軸周りに回転させる機構を少なくとも備えることを特徴とする請求項４に記載の複合加工装置。
  6. 　前記機械加工ユニットは、前記加工対象物を研磨する工具を少なくとも１つ含み、
    　前記機械加工ヘッドは、前記加工対象物を研磨する工具を回転させて、前記加工対象物を研磨することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の複合加工装置。
  7. 　前記レーザ加工ユニットは、ファイバレーザを出力するファイバレーザ光源と、パルスレーザを出力するパルスレーザ光源と、
    　前記ファイバレーザを前記レーザ旋回部に入射させる状態と、前記パルスレーザを前記レーザ旋回部に入射させる状態と、を切り換える切換機構と、を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の複合加工装置。
  8. 　加工対象物を加工する工具を有する機械加工ヘッドと、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドとを用いて、前記加工対象物を加工する複合加工方法であって、
    　前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物にレーザを照射し、加工するレーザ加工工程と、
    　前記レーザ加工ヘッドと前記機械加工ヘッドとを移動させ、前記加工対象物を加工する位置に前記機械加工ヘッドを移動させる移動工程と、
    　前記加工対象物の姿勢を調整した後、前記加工対象物を機械加工する機械加工工程と、
    　を含むことを特徴とする複合加工方法。
  9. 　前記加工対象物は、インジェクターのノズルボディであり、
    　前記レーザ加工工程は、前記ノズルボディの噴口穴を形成し、
    　前記機械加工工程は、前記ノズルボディの内面を研磨することを特徴とする請求項８に記載の複合加工方法。
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