JP2006334688A - Oscillating cutting device, cutting method, forming mold and optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子用の成形金型その他を形成する材料、素材等の切削加工に好適に用いられる振動切削装置及び切削加工方法、並びに、これを用いて作製される成形金型及び光学素子に関するものである。 The present invention relates to a vibration cutting apparatus and a cutting method suitably used for cutting a material, a raw material, and the like forming a molding die for an optical element, and a molding die and an optical element manufactured using the vibration cutting apparatus and the cutting method. It is about.
ダイヤモンド等の工具先端を振動させることで、難切削材料である超硬やガラス等の材料を切削加工する技術があり、振動切削と呼ばれている。これは、振動によって工具刃先が高速で微小切り込みを行い、かつ、この時に生成する切り屑を振動によって刃先が掬い出す効果によって、工具に対しても被削材料に対しても応力の少ない切削加工を実現するものである(例えば特許文献1、2、3、4等参照)。この振動切削加工により、通常の延性モード切削で必要とされる臨界切り込み量が数倍に向上し、難切削材料を高効率で切削加工することができる。
There is a technique for cutting a hard material such as cemented carbide or glass by vibrating the tip of a tool such as diamond, which is called vibration cutting. This is because the cutting edge of the tool performs fine cutting at a high speed by vibration, and the cutting edge generates a chip by the vibration, and the cutting process generates less stress on both the tool and the work material. (For example, refer to
かかる振動切削加工において、加工効率を向上するには振動周波数を高めれば上述した効果が増加し、さらに周波数にほぼ比例して工具の送り速度も高められるので、通常は20kHz以上の高速な振動が使われる。また、この周波数では人間の可聴域を超えているので、振動子やそれにより励振される振動体が不快な音を生じないという利点もある。 In such vibration cutting, if the vibration frequency is increased in order to improve the processing efficiency, the above-described effect is increased, and the feed rate of the tool is also increased almost in proportion to the frequency. used. In addition, since this frequency exceeds the human audible range, there is an advantage that the vibrator and the vibrator excited by the vibrator do not produce unpleasant sound.
このような高速振動を工具刃先に発生させる方法として、ピエゾ素子や超磁歪素子等によって工具を保持する部材を励振し、この部材を撓み振動や軸方向振動等で共振させることにより、定在波として安定振動させることが実用化されている。このような方法において、工具を保持する部材、すなわち振動体は、共振の節にあたるところで装置筐体や加工機の工具台等に連結された部材に固定されている。
上述のような振動切削工具をそのまま加工機に載せて切削を行う場合、被切削面すなわち被加工面に対する工具刃先の当たり方が、被加工面の形状によって変わることがある。例えば、工具刃先の軌跡が曲線であったり被加工面が曲面である場合には、工具刃先の加工領域が加工に伴って刃先稜線上を移動して、振動面が刃先の切り込み方向に対して垂直とならなくなるため、振動切削による効果が低下してしまうという問題があった。これは、切削加工における背分力の増加、切り屑の刃先すくい面による掻き出し効果の低下などをもたらし、被加工面に対しても刃先に対しても切削負荷を急激に増加させるという問題があった。
そのため、以上のように振動切削工具をそのまま加工機に載せる場合、被加工面の表面粗さが刃先の加工点の移動に伴って急激に劣化したり、刃先摩耗が進行して加工形状精度を低下させるなどの加工品位劣化の問題を生じ、振動切削工具においても寿命を短くし、場合によっては工具刃先が折損して加工が継続できないという深刻な問題を呈していた。
特に、加工面が光学面のような極めて高い形状精度と表面粗さを求められる用途では、前述したような振動切削に伴う工具刃先の加工点の移動は深刻であり、振動面が被加工面にほぼ垂直な例えば中央部の加工領域では形状精度も表面粗さも高い光学面が効率よく創製できていたものが、被加工面の周辺部の加工領域において工具刃先の加工点が移動して振動面に対して被加工面が45°以上の角度を成すようになると、ほとんど振動切削の効果が無くなり、急激に光学面の形状精度と表面粗さとが劣化する。それと同時に、切削材料が硬脆性材料である場合は、振動面が被加工面に垂直にならないと臨界切り込み量(延性モード切削できる最大の切り込み量)が減少するので、工具摩耗が急激に進行し、かつ被加工面が光学面にならないことも生じる。
また、剣先バイトのように刃先が細く鋭い形状の切削工具を用いる場合はさらに上述の問題が顕著であり、当初は振動切削効果により加工負荷が少なく深い切り込みを与えて切削加工が問題なく進行していたものが、被加工面の周辺部に移動して振動面と被加工面との垂直関係が崩れると、被加工面の表面粗さが急激に劣化し、ついには刃先が折損することが頻発していた。つまり、回折溝などの微細構造を有する光学面を剣先バイトのような刃先で切削加工する場合、かかる光学面の全体的形状にも依存するが、微細構造を正確に形状創製することと、工具刃先を太く頑丈にすることとが両立しない。このことは、上述のように振動切削工具をそのまま加工機に載せる場合、致命的な問題となる。このような問題は、特に、振動面と被加工面との垂直関係が大きく崩れる、法線角度45°以上の深い曲面上に微細構造を有する光学面すなわち被加工面の振動切削加工を行う際に大きな問題であった。
When performing cutting with the vibration cutting tool as described above placed on a processing machine as it is, the way the tool blade edge touches the surface to be cut, that is, the surface to be processed, may vary depending on the shape of the surface to be processed. For example, when the trajectory of the tool edge is a curve or the surface to be processed is a curved surface, the processing area of the tool edge moves along the edge of the edge of the tool as it is processed, and the vibration surface moves with respect to the cutting direction of the edge. There is a problem in that the effect of vibration cutting is reduced because it is not vertical. This causes an increase in the back component force in the cutting process and a decrease in the scraping effect due to the cutting edge rake face of the chip, and there is a problem that the cutting load is suddenly increased on both the work surface and the cutting edge. It was.
For this reason, when the vibration cutting tool is mounted on the processing machine as described above, the surface roughness of the surface to be processed deteriorates rapidly with the movement of the cutting point of the cutting edge, or the cutting edge wear progresses to improve the machining shape accuracy. This causes a problem of deterioration in processing quality such as lowering, and shortens the life of the vibration cutting tool. In some cases, the cutting edge of the tool is broken and the processing cannot be continued.
Particularly in applications where the machining surface is required to have extremely high shape accuracy and surface roughness, such as an optical surface, the movement of the machining point of the tool edge accompanying vibration cutting as described above is serious, and the vibration surface is the surface to be machined. For example, an optical surface with high shape accuracy and high surface roughness can be created efficiently in the machining area in the center, which is almost perpendicular to the center of the machine. However, the machining point on the tool edge moves and vibrates in the machining area around the work surface. When the surface to be processed forms an angle of 45 ° or more with respect to the surface, the effect of vibration cutting is almost lost, and the shape accuracy and surface roughness of the optical surface are rapidly deteriorated. At the same time, when the cutting material is a hard and brittle material, the critical cutting amount (maximum cutting amount that can be ductile mode cutting) decreases unless the vibration surface is perpendicular to the work surface. In addition, the surface to be processed may not be an optical surface.
In addition, when using a cutting tool with a thin and sharp edge like a sword cutting tool, the above-mentioned problem is further noticeable. Initially, the vibration cutting effect reduces the processing load and gives a deep cut, and the cutting progresses without any problem. However, if the vertical relationship between the vibration surface and the work surface is lost due to movement to the periphery of the work surface, the surface roughness of the work surface will deteriorate rapidly, and the cutting edge may eventually break. It occurred frequently. In other words, when cutting an optical surface having a fine structure such as a diffraction groove with a cutting edge such as a sword tip, depending on the overall shape of the optical surface, it is possible to accurately create a fine structure and to create a tool. It is not compatible with making the blade edge thick and sturdy. This becomes a fatal problem when the vibration cutting tool is directly mounted on the processing machine as described above. Such a problem occurs especially when performing vibration cutting of an optical surface having a fine structure on a deep curved surface with a normal angle of 45 ° or more, that is, the vertical relationship between the vibration surface and the processing surface is greatly broken. It was a big problem.
そこで、本発明は、多様な材料に対して迅速で効率的な切削を可能にするという振動切削の利点を損なうことなく、高い加工精度で多様な形状の被加工面を簡易に創製することができる振動切削装置及び切削加工方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention makes it possible to easily create work surfaces of various shapes with high processing accuracy without losing the advantage of vibration cutting that enables quick and efficient cutting of various materials. An object of the present invention is to provide a vibration cutting apparatus and a cutting method that can be used.
また、本発明は、上記振動切削装置を用いて高精度で作製される成形金型及び光学素子を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a molding die and an optical element that are manufactured with high accuracy using the vibration cutting apparatus.
上記課題を解決するため、本発明に係る振動切削装置は、(a)切削工具と、(b)切削工具を振動させるための振動源と、(c)先端部に切削工具を支持して、振動源からの振動を切削工具に伝達する振動体と、(d)振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させることができる工具駆動部を有する駆動装置とを備える。ここで、「加工点が旋回中心となる」とは、切削工具の刃先のうち切り屑を生成する加工点が、旋回中心に対して一致または近接した状態を意味し、上記旋回に伴って加工点の刃先が方向を変えるだけで、かかる加工点の刃先が実質的に移動しないとみなせる範囲を意味する。具体的には、加工点が旋回中心から例えば10μm程度以下の範囲内にある状態がこれに該当する。なお、切削工具を回転させる軸、すなわち旋回中心を通る旋回軸は、通常被加工体に形成すべき被加工面の接線方向に延びるものとする。 In order to solve the above problems, a vibration cutting device according to the present invention includes (a) a cutting tool, (b) a vibration source for vibrating the cutting tool, and (c) supporting the cutting tool at a tip portion. A vibrating body that transmits vibrations from a vibration source to the cutting tool; and (d) a driving device that has a tool driving unit that supports the vibrating body and can be displaced so that the machining point of the cutting tool becomes a turning center. Prepare. Here, “the machining point becomes the turning center” means that the machining point that generates chips of the cutting edge of the cutting tool coincides with or is close to the turning center. It means a range in which it can be considered that the cutting edge of the machining point does not substantially move only by changing the direction of the cutting edge of the point. Specifically, this corresponds to a state where the machining point is within a range of, for example, about 10 μm or less from the turning center. In addition, the axis | shaft which rotates a cutting tool, ie, the turning axis which passes a turning center, shall extend in the tangential direction of the to-be-processed surface which should be normally formed in a to-be-processed body.
上記装置では、工具駆動部が振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させるので、例えば切削工具の振動面が被加工面に対して垂直となるように配置することができ、或いは切削工具の振動面が被加工面に対して所望の角となるように配置することができる。つまり、加工点における刃先の角度制御が簡易かつ精密なものとなり、多様な形状の被加工面を高い加工精度で創製することができる。 In the above apparatus, the tool driving unit supports the vibrating body and displaces so that the machining point of the cutting tool becomes the center of rotation. For example, the cutting surface is arranged so that the vibration surface of the cutting tool is perpendicular to the work surface. Or the vibration surface of the cutting tool can be arranged at a desired angle with respect to the work surface. In other words, the angle control of the cutting edge at the processing point becomes simple and precise, and a workpiece surface with various shapes can be created with high processing accuracy.
加工点が旋回中心となるように切削工具を取り付けて振動切削を行うと、例えば被加工面に対して加工点での刃先の向きを常に一定に維持しながら切削加工することができ、切削工具先端の振動面を加工中に被加工面に対して垂直に維持することができる。これにより、振動切削の特徴である、背分カの低下による加工能カの向上や切り屑排除の効率化が達成され、硬脆材料や難削材料の鏡面切削加工が可能となり、高い加工形状精度と加工表面粗さを得ることができ、しかも工具寿命を飛躍的に延ばすことができるようになる。なお、切削に際しての切削工具の送り方法は、刃先を一方向に繰り返し送るルーリング加工であってもよいし、被加工体を回転させて、主に回転対称形状を切削加工する旋削加工であってもよい。 When the cutting tool is attached so that the processing point is the turning center and vibration cutting is performed, for example, the cutting tool can always perform cutting while maintaining the direction of the cutting edge at the processing point constant with respect to the processing surface. The vibration surface at the tip can be maintained perpendicular to the surface to be processed during processing. As a result, it is possible to improve the machining capability and reduce the efficiency of chip removal due to the reduction of the back part, which is a feature of vibration cutting, and to enable mirror cutting of hard and brittle materials and difficult-to-cut materials, resulting in a high machining shape. Precision and machined surface roughness can be obtained, and the tool life can be greatly extended. The cutting tool feeding method at the time of cutting may be a ruling process in which the cutting edge is repeatedly sent in one direction, or a turning process in which a workpiece is rotated to cut mainly a rotationally symmetric shape. Also good.
本発明の具体的な態様では、上記振動切削装置において、工具駆動部が、被加工体の表面若しくは当該被加工体に形成すべき被加工面に対して、切削工具に設けた刃先の姿勢を調節する。この場合、刃先の姿勢調節によって、被加工体を効率良く切削することができ、被加工面の仕上げを所期の精度に高めることができる。 In a specific aspect of the present invention, in the vibration cutting device, the tool driving unit is configured to change the posture of the cutting edge provided on the cutting tool with respect to the surface of the workpiece or the workpiece surface to be formed on the workpiece. Adjust. In this case, the workpiece can be efficiently cut by adjusting the posture of the blade edge, and the finish of the workpiece surface can be improved to the expected accuracy.
本発明の別の態様では、駆動装置が、被加工体を支持して所定の回転軸のまわりに回転させる被加工体駆動部を有する。この場合、被加工体を回転させてその姿勢を調節しつつ、被加工面に切削を施すことができる。 In another aspect of the present invention, the drive device includes a workpiece drive unit that supports the workpiece and rotates it around a predetermined rotation axis. In this case, it is possible to cut the work surface while rotating the work body and adjusting its posture.
本発明の別の態様では、駆動装置が、被加工体駆動部によって被加工体を回転させつつ、工具駆動部及び被加工体駆動部の少なくとも一方によって切削工具を被加工体の回転軸に対して相対的に移動させて、被加工体の旋削を行わせる。この場合、回転している被加工体に対して切削工具を移動させるので、回転対称形状を効率良く創製することができる。かかる駆動装置を備える振動切削装置は、特に回転対称形状が多く加工形状や表面粗さに関して高い精度を要求される光学面形状の加工に適している。 In another aspect of the present invention, the driving device rotates the workpiece by the workpiece driving unit, and the cutting tool is rotated with respect to the rotation axis of the workpiece by at least one of the tool driving unit and the workpiece driving unit. To move the workpiece relatively. In this case, since the cutting tool is moved relative to the rotating workpiece, a rotationally symmetric shape can be created efficiently. A vibration cutting device provided with such a drive device is particularly suitable for processing of an optical surface shape that has many rotationally symmetric shapes and requires high accuracy with respect to the processing shape and surface roughness.
本発明の別の態様では、駆動装置が、切削工具を被加工体の回転軸に対して少なくとも2次元的に相対移動させる。この場合、任意の回転対称形状の加工が可能になる。 In another aspect of the present invention, the drive device moves the cutting tool relative to the rotation axis of the workpiece at least two-dimensionally. In this case, processing of any rotationally symmetric shape is possible.
本発明の別の態様では、切削工具がダイヤモンドの刃先を有する。ダイヤモンドの刃先による切削では、極めて高い形状精度と微小な表面粗さとを実現できるので、光学面の創製加工に非常に適している。特に、振動切削においては、切削応力が被加工体に対しても刃先に対しても著しく低減するので、深い切り込み量が得られ、ダイヤモンドの刃先の寿命も伸びるので、切削回数や工具取り替えの手間を減らして、光学面を効率良く創製加工することができる。 In another aspect of the invention, the cutting tool has a diamond cutting edge. Cutting with a diamond cutting edge can achieve extremely high shape accuracy and minute surface roughness, and is therefore very suitable for optical surface creation. Especially in vibration cutting, the cutting stress is remarkably reduced for both the work piece and the cutting edge, so that a deep cutting depth is obtained and the life of the diamond cutting edge is extended. The optical surface can be created and processed efficiently.
本発明の別の態様では、切削工具の刃先が剣先状の切れ刃形状を有する。この場合、被加工体の表面に回折溝等の微細な構造を創製加工することが容易になる。また、剣先状の刃先が加工点となるように振動切削することによって、加工中常に、振動面が加工点に対向する被加工面に垂直になるようにできるので、切削加工の背分力が低減され、工具刃先の摩耗や折損を防ぐ。また、被加工面の表面粗さや形状精度を高く加工できる。 In another aspect of the present invention, the cutting edge of the cutting tool has a sword-like cutting edge shape. In this case, it becomes easy to create and process a fine structure such as a diffraction groove on the surface of the workpiece. Also, by performing vibration cutting so that the blade edge of the sword tip becomes the machining point, the vibration surface can be made perpendicular to the work surface facing the machining point at all times during machining, so that the cutting back force is reduced. Reduces tool edge wear and breakage. In addition, the surface roughness and shape accuracy of the surface to be processed can be increased.
本発明の別の態様では、切削工具の刃先が半月形状の切れ刃形状を有する。この場合、被加工面の表面に回折溝等の微細な構造を創製加工することが容易になる。また、被加工面が曲面である場合、円弧形状の刃先を利用して、表面粗さを剣先バイトよりも小さくでき、滑らかな光学面を創製できる。さらに、半月形状の刃先が加工点となるように振動切削することによって、加工中常に、振動面が加工点に対向する被加工面に垂直になるようにできるので、切削加工の背分力が低減され、工具刃先の摩耗や折損を防ぐ。また、被加工面の表面粗さや形状精度を高く加工できる。 In another aspect of the present invention, the cutting edge of the cutting tool has a half-moon shaped cutting edge shape. In this case, it becomes easy to create a fine structure such as a diffraction groove on the surface of the processing surface. In addition, when the surface to be processed is a curved surface, the surface roughness can be made smaller than that of the blade of the sword using an arc-shaped cutting edge, and a smooth optical surface can be created. Furthermore, by performing vibration cutting so that the half-moon shaped cutting edge becomes the machining point, the vibration surface can be made perpendicular to the work surface facing the machining point at all times during machining, so that the cutting back force is reduced. Reduces tool edge wear and breakage. In addition, the surface roughness and shape accuracy of the surface to be processed can be increased.
本発明の別の態様では、切削工具の刃先が円弧状の切れ刃形状を有する。この場合、全体として円弧状の刃先を利用するので、被加工面の切削痕が滑らかになって表面粗さを低くすることができる。よって、光学面が創製される場合、鏡面性が増して、被加工光学面の品質を高めることができる。 In another aspect of the present invention, the cutting edge of the cutting tool has an arcuate cutting edge shape. In this case, since the arcuate cutting edge is used as a whole, the cutting trace on the surface to be processed becomes smooth and the surface roughness can be lowered. Therefore, when an optical surface is created, the specularity is increased and the quality of the optical surface to be processed can be improved.
本発明の別の態様では、切削工具の加工点が振動体の工具軸の延長上に配置される。ここで、工具軸は、切削工具の切込深さ方向に延び、振動体の横方向振動の中心となる。なお、切削工具の振動面が加工点で被加工面に対して例えば垂直となるように配置した場合、工具軸は、加工点に対向する被加工面の接平面に対して垂直に延びるものとなる。この場合、切削工具の刃先が工具軸の延長線上を中心として変位し、工具軸上において振動の対称性が良好になる。よって、被加工面がより滑らかに切削され、加工精度を向上させることができる。また、被加工面に対する切削工具や振動体の先端部の配置を把握し易く、振動切削装置による加工の作業性を高めることができる。 In another aspect of the present invention, the processing point of the cutting tool is disposed on the extension of the tool axis of the vibrating body. Here, the tool axis extends in the cutting depth direction of the cutting tool and becomes the center of the lateral vibration of the vibrating body. When the vibration surface of the cutting tool is arranged so that it is perpendicular to the work surface at the machining point, for example, the tool axis extends perpendicular to the tangential plane of the work surface facing the machining point. Become. In this case, the cutting edge of the cutting tool is displaced about the extension line of the tool axis, and the symmetry of vibration is improved on the tool axis. Therefore, the surface to be processed is cut more smoothly, and the processing accuracy can be improved. Moreover, it is easy to grasp the arrangement of the cutting tool and the tip of the vibrating body with respect to the surface to be processed, and the workability of processing by the vibration cutting device can be improved.
本発明に係る切削加工方法は、振動源からの振動を振動体を介して当該振動体の先端部に支持した切削工具に伝達する切削加工方法であって、振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させる。 A cutting method according to the present invention is a cutting method for transmitting vibration from a vibration source to a cutting tool supported on a tip portion of the vibrating body via the vibrating body, and supporting the vibrating body of the cutting tool. The machining point is displaced so as to be the center of rotation.
上記方法では、振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させるので、例えば切削工具の振動面が被加工面に対して所望の角となるように配置することができ、加工点における刃先の角度制御が簡易かつ精密なものとなり、多様な形状の被加工面を高い加工精度で創製することができる。 In the above method, the vibrating body is supported and displaced so that the machining point of the cutting tool becomes the center of rotation. For example, the vibration surface of the cutting tool can be arranged at a desired angle with respect to the workpiece surface. In addition, the angle control of the cutting edge at the machining point becomes simple and precise, and a workpiece surface with various shapes can be created with high machining accuracy.
本発明の具体的な態様では、上記切削加工方法において、切削工具を旋回させる際に、被加工体の表面若しくは当該被加工体に形成すべき被加工面に対して、切削工具に形成された刃先の姿勢を調節する。 In a specific aspect of the present invention, in the cutting method, when the cutting tool is turned, the cutting tool is formed on the surface of the workpiece or on the workpiece surface to be formed on the workpiece. Adjust the posture of the blade edge.
本発明に係る成形金型は、上記振動切削装置を用いて、加工創製された光学面を有する。この場合、凹面その他の各種光学面を有する金型を、効率良く簡易に高精度で加工することができる。 The molding die according to the present invention has an optical surface created by machining using the vibration cutting device. In this case, a mold having a concave surface and other various optical surfaces can be efficiently and simply processed with high accuracy.
本発明に係る光学素子は、上記成形金型によって成形される。この場合、高精度の金型によって高精度の光学素子を得ることができる。 The optical element according to the present invention is molded by the molding die. In this case, a high-precision optical element can be obtained with a high-precision mold.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係る振動切削装置を図面を用いて説明する。図1は、レンズ等の光学素子を成形するための成形金型の光学面を加工する振動切削装置の構造を概念的に説明するブロック図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a vibration cutting apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram conceptually illustrating the structure of a vibration cutting apparatus that processes an optical surface of a molding die for molding an optical element such as a lens.
図1に示すように、振動切削装置10は、被加工体であるワークWを切削加工するための振動切削ユニット20と、振動切削ユニット20をワークWに対して支持するNC駆動機構30と、NC駆動機構30の動作を制御する駆動制御装置40と、振動切削ユニット20に所望の振動を与える振動子駆動装置50と、振動切削ユニット20に冷却用のガスを供給するガス供給装置60と、装置全体の動作を統括的に制御する主制御装置70とを備える。
As shown in FIG. 1, the
振動切削ユニット20は、Z軸方向に延びるツール部21先端に切削工具23を埋め込んだ振動切削工具であり、この切削工具23の高周波振動によってワークWを効率良く切削する。振動切削ユニット20の詳細については後述する。
The
NC駆動機構30は、台座31上に第1ステージ32と第2ステージ33とを載置した構造の駆動装置である。ここで、第1ステージ32は、第1可動部35を支持しており、この第1可動部35は、チャック37を介してワークWを間接的に支持している。第1ステージ32は、ワークWを、例えばZ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第1可動部35は、ワークWをZ軸に平行な水平回転軸RAのまわりに所望の速度で回転させることができる。一方、第2ステージ33は、第2可動部36を支持しており、この第2可動部36は、振動切削ユニット20を支持している。第2ステージ33は、第2可動部36及び振動切削ユニット20を支持して、これらを例えばX軸方向やY軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第2可動部36は、振動切削ユニット20を、Y軸に平行な鉛直旋回軸PXのまわりに所望の角度量だけ所望の速度で回転させることができる。特に、第2可動部36に対する振動切削ユニット20の固定位置や角度等を適宜調節して、振動切削ユニット20の先端点を鉛直旋回軸PX上に配置することにより、振動切削ユニット20をその先端点のまわりに所望の角度だけ回転させることができる。
The
なお、以上のNC駆動機構30において、第1ステージ32と第1可動部35とは、ワークWを駆動する被加工体駆動部を構成し、第2ステージ33と第2可動部36とは、振動切削ユニット20を駆動する工具駆動部を構成する。
In the
駆動制御装置40は、高精度の数値制御を可能にするものであり、NC駆動機構30に内蔵されたモータや位置センサ等を主制御装置70の制御下で駆動することによって、第1及び第2ステージ32,33や、第1及び第2可動部35,36を目的とする状態に適宜動作させる。例えば、第1及び第2ステージ32,33によって、振動切削ユニット20のツール部21先端に設けた切削工具23先端の加工点を低速でXZ面に平行な面内に設定した所定の軌跡に沿ってワークWに対して相対的に移動(送り動作)させつつ、第1可動部35によって、ワークWを水平回転軸RAのまわりに高速で回転させることができる。結果的に、駆動制御装置40の制御下で、NC駆動機構30を高精度の旋盤として活用することができる。この際、第2可動部36によって、切削工具23先端に対応する加工点を中心として、切削工具23先端を鉛直旋回軸PXのまわりに適宜回転させることができ、ワークWの被加工点に対して切削工具23先端を所望の姿勢(傾き)に設定することができる。
The
振動子駆動装置50は、振動切削ユニット20に内蔵された振動源に電力を供給するためのものであり、内蔵する発振回路やPLL回路によって、ツール部21先端を主制御装置70の制御下で所望の振動数及び振幅で振動させることができる。なお、詳細は後述するが、ツール部21先端は、軸(すなわち切り込み深さ方向に延びる工具軸)に垂直な撓み振動や軸に沿った軸方向振動が可能になっており、その2次元的な振動や3次元的な振動によってワークW表面にツール部21先端すなわち切削工具23を向けた微細で効率的な加工が可能になっている。
The
ガス供給装置60は、振動切削ユニット20を冷却するためのものであり、加圧された乾燥空気を供給するガス状流体源61と、ガス状流体源61からの加圧乾燥空気を通過させることによってその温度を調節する温度調整手段としての温度調節部63と、温度調節部63を通過した加圧乾燥空気の流量調節を行う流量調整手段としての流量調節部65とを備える。ここで、ガス状流体源61は、例えば熱的工程やデシケータ等を利用した乾燥機に空気を送り込むことによって空気を乾燥させ、コンプレッサで乾燥空気を所望の気圧まで昇圧させる。また、温度調節部63は、図示を省略するが、例えば冷媒を周囲に循環させた流路と、この流路の途中に設けた温度センサとを有し、冷媒の温度や供給量の調節によって、流路に通した加圧乾燥空気を所望の温度に調節することができる。さらに、流量調節部65は、例えばバルブやフローコントローラ(不図示)を有し、温度調節された加圧乾燥空気を振動切削ユニット20に供給する際の流量を調節することができるようになっている。
The
図2は、振動切削ユニット20の構造を説明する断面図である。振動切削ユニット20は、切削工具23と、振動体82と、軸方向振動子83と、撓み振動子84と、カウンタバランス85と、筐体86とを備える。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of the
ここで、切削工具23は、振動体82の先端側であるツール部21の先端部21aに埋め込むように固定されている。切削工具23は、後に詳述するが、先端23aがダイヤモンドチップの切刃になっており、共振状態とされた振動体82の開放端として振動体82とともに振動する。つまり、切削工具23は、振動体82の軸方向振動に伴ってZ方向に変位する振動を生じ、振動体82の撓み振動に伴ってY軸方向(或いはX軸方向)に変位する振動を生じる。結果的に、切削工具23の先端は、例えば誇張して図示したような楕円軌道EOを描いて高速変位する。
Here, the cutting
振動体82は、線膨張係数が6×10−6以下の材料によって形成されており、具体的には、窒化珪素、サイアロン、超硬、インバー材、ステンレスインバー材等が好適に用いられる。振動体82は、先端側のツール部21で外径が細くなっており、根元側で外径が太くなっている。振動体82の側面の適当な箇所には、板状部分である第1固定フランジ87が形成されており、振動体82は、第1固定フランジ87を介して筐体86に例えばネジ93で固定されている。なお、振動体82は、軸方向振動子83によって振動し、Z方向に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。また、振動体82は、撓み振動子84によって振動し、Y軸方向(或いはX軸方向)に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。ここで、第1固定フランジ87の位置は、振動体82にとって、軸方向振動と撓み振動とに共通の節となっており、第1固定フランジ87を介して振動体82を固定することにより、軸方向振動や撓み振動が妨げられることを防止できる。
The vibrating
図3は、第1固定フランジ87の形状を例示する。図3(a)に示す第1固定フランジ87は、完全な円板状の固定部材であり、外周部分が図2の筐体86に固定されて筐体86を封止しており、通気のない構造となっている。図3(b)に示す第1固定フランジ87は、複数の開口87aを有する固定部材であり、外周部分を図2の筐体86に固定しても、筐体86内外の通気がある程度確保できるようになっている。図3(c)に示す第1固定フランジ87は、例えば等角度で3方向に延びる支持部材87bを有する固定部材であり、支持部材87b先端を図2の筐体86に固定しても、筐体86内外の十分な通気が確保できるようになっている。
FIG. 3 illustrates the shape of the first fixing
図2に戻って、軸方向振動子83は、ピエゾ素子(PZT)や超磁歪素子等で形成され振動体82の根元側端面に接続される振動源であり、図示を省略するコネクタ等を介して図1の振動子駆動装置50に接続されている。軸方向振動子83は、振動子駆動装置50からの駆動信号に基づいて動作し高周波で伸縮振動することによって振動体82に縦波を与える。なお、軸方向振動子83は、Z方向に関しては変位可能になっているが、XY方向に関しては変位しないようになっている。
Returning to FIG. 2, the
撓み振動子84は、ピエゾ素子や超磁歪素子等で形成され振動体82の根元側側面に接続される振動源であり、図示を省略するコネクタ等を介して図1の振動子駆動装置50に接続されている。撓み振動子84は、振動子駆動装置50からの駆動信号に基づいて動作し、高周波で振動することによって振動体82に横波すなわち図示の例ではY方向の振動を与える。
The bending
カウンタバランス85は、軸方向振動子83を挟んで振動体82の反対側に接続される。カウンタバランス85の側面の適当な箇所には、第2固定フランジ88が形成されており、カウンタバランス85は、第2固定フランジ88を介して筐体86に固定されている。第2固定フランジ88の形状は、図3に示す第1固定フランジ87と同様のものとなっている。なお、カウンタバランス85は、軸方向振動子83によって振動し、Z方向に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。ここで、第2固定フランジ88の位置は、カウンタバランス85にとって、軸方向振動の節となっており、第2固定フランジ88を介して固定することにより、振動体82の軸方向振動が妨げられることを防止できる。なお、カウンタバランス85も、振動体82と同一の材料で形成されている。
The
筐体86は、円柱状の内部空間を有する部材であり、第1及び第2固定フランジ87,88を介して振動体82やカウンタバランス85を支持固定する部分である。筐体86の一端には、開口を塞ぐように上述の第1固定フランジ87が取り付けられており、他端には、端面の開口に連結された給気パイプ92が設けられている。この給気パイプ92は、図1のガス供給装置60に連結されており、所望の流量及び温度に設定された加圧乾燥空気が供給される。
The
以上の振動切削ユニット20において、振動体82と、軸方向振動子83と、カウンタバランス85とは、互いにロウ付けによって接合・固定されており、軸方向振動子83の効率的な振動が可能になっている。また、振動体82と、軸方向振動子83と、カウンタバランス85との軸心には、これらの接合面を横切るようにこれらを貫通する貫通孔91が形成されており、給気パイプ92からの加圧乾燥空気が流通する。つまり、貫通孔91は、加圧乾燥空気を送り出す供給路であり、ガス供給装置60や給気パイプ92とともに、振動切削ユニット20を内部から冷却するための冷却手段を構成する。貫通孔91の先端部は、切削工具23を差し込んで固定するための保持孔に兼用されており、貫通孔91に導入された加圧乾燥空気を切削工具23の周辺に供給できるようになっている。また、貫通孔91の先端は、切削工具23を固定した場合にも隙間を残しており、切削工具23に隣接して形成された開口91aからは、加圧乾燥空気が高速で噴射され、切削工具23先端の加工点を効率良く冷却することができるだけでなく、加工点やその周囲に付着する切り屑を気流によって確実に除去することができる。
In the
図4(a)は、図2に示すツール部21先端の側面図であり、図4(b)は、ツール部21先端の平面図である。
4A is a side view of the tip of the
図からも明らかなように、ツール部21に設けた先端部21aは、テーパ状の先細形状を有しており、切込み深さ方向に延びる工具軸AXのまわりに回転対称な截頭円錐形状を有する。また、先端部21aの先端に保持された切削工具23は、先端が三角で全体が板状のシャンク23bと、シャンク23bの尖端に固定された加工用チップ23cとを備える。このうち、シャンク23bは、超硬材料、セラミックス材料、ハイス鋼等によって形成されており、軽量でありながら撓みにくくなっている。また、加工用チップ23cは、ダイヤモンド製のチップであり、シャンク23bの先端にロウ付け等によって固定されている。切削工具23自体は、先端部21aの端面21dに埋め込むようにして固定されており、加工用チップ23cの尖端は、工具軸AXの延長上に配置されている。また、加工用チップ23cやこれを支持するシャンク23bは、先端部21aの側面形状を延長した円錐状の空間内に収まっている。ここで、先端部21aのテーパ角θは、15°〜90°の範囲となっており、好ましくは30°〜90°の範囲とする。テーパ角θが15°以上の場合、先端部21aの曲げ強度等が確保され、特に30°以上で十分な強度が確保される。また、テーパ角θが15°以上の場合、先端部21a近傍で振動モードが変化する傾向を抑制でき、切削工具23による切削加工精度が、特に30°以上で意図しない振動を回避して効果的に向上する傾向が生じる。一方、先端部21aのテーパ角θが90°以下の場合、先端部21aがワークWの被加工面SAと干渉し難くなるので、加工形状の任意性が高まる。
As apparent from the figure, the
切削工具23すなわちシャンク23bの固定部分23eは、先端部21aの端面21dから工具軸AXに沿って穿設された孔21f内に挿入されており、ツール部21の材料と同一の材料等で形成された2つの固定ネジ25,26によって、先端部21aに対して着脱可能にしっかりと固定されている。具体的には、先端部21aの上下側面間を貫通する固定穴21h,21gに固定ネジ25,26を順次ねじ込んで固定する。これらの固定穴21h,21gは、例えばY軸方向に延びており、両者の締付け方向は、工具軸AXに直交する。両固定穴21h,21gは、内径が異なっており、固定穴21gの内径の方が固定穴21hの内径よりも大きくなっている。両固定穴21h,21gは、両固定ネジ25,26のネジ付けによって充填される。つまり、固定穴21h,21gの位置には、深い凹部が残ったり高い凸部が形成されないようにしている。固定穴21hにねじ込まれる一方の固定ネジ25は、切削工具23を固定するための締結部材であり、雄ネジ部25bとヘッド部25aとを含むトルクスネジである。雄ネジ部25bを固定穴21gに差し込んだ状態でヘッド部25aを適当な工具でネジ回すことにより、雄ネジ部25bが、固定部分23eに形成された開口23hを貫通して、固定穴21gの奥に形成された固定穴21h内面の雌ネジと螺合する。この際、切削工具23の固定部分23eがヘッド部25aと孔21fの内面とに挟まれて締付けられ、固定部分23eが上面側から固定されるので、切削工具23の分離が防止され切削工具23の固定が確保される。固定穴21gにねじ込まれる他方の固定ネジ26は、先端部に直径が減少した突起部分を有するイモネジであり、固定ネジ25の抜けを防止するための係止部材として機能する。この固定ネジ26は、下端を固定穴21gにあてがって上端を適当な工具でネジ回すことにより、固定穴21g内面の雌ネジと螺合して固定穴21gにねじ込まれ固定穴21g内を充填する。こうしてねじ込まれた固定ネジ26の突起部分により、固定ネジ25が上端から締付けられ、固定ネジ25の緩みが防止されるので、切削工具23の固定がより確実なものとなり、切削工具23の振動や緩みを低減することができる。
The cutting
切削工具23を振動体82の先端部21aに固定するための固定ネジ25,26は、振動体82と同様の線膨張係数を有する材料を用いることが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体82の線膨張係数の0.75〜1.25倍程度が実用的である。この場合、ツール部21と固定ネジ25,26とが同様に膨張することになり、温度変化に拘らず切削工具23を安定して確実に固定することができる。さらに、固定ネジ25,26の材料としては、加工の容易性等を考慮すると、シャンク23bと同様に超硬材料の他、セラミックス材料、ハイス鋼等が適するが、窒化珪素、サイアロン、インバー材、ステンレスインバー材等を用いることもできる。また、固定ネジ25,26は、振動体82の振動にノイズ等を与えない観点で、振動体82の材料の比重と略等しい比重を有する材料で形成することが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体82の比重の0.75〜1.25倍程度が実用的である。一般的には、固定ネジ25,26と振動体82とを同一材料で作製することになるが、固定ネジ25,26と振動体82とを異なる材料で形成することもできる。
The fixing screws 25 and 26 for fixing the
切削工具23の固定部分23eが挿入される孔21fの内寸は、Y軸方向の厚みに関して、切削工具23の固定部分23eの外寸より僅かに大きくなっている。また、孔21fの内壁のうち切削工具23の固定部分23eを支持していない側には、貫通孔91をそのまま延長した状態の半円柱状の溝21kが形成されている。この溝21kの端部は、貫通孔91から送り出される加圧乾燥空気をツール部21の先端部21aに吐出させるための開口91aとなっている。これにより、切削工具23の上側側面を、先端部21aに埋め込まれて支持された固定部分23e側から直接的に無駄なく冷却することができる。また、ワークW上の加工点に近い開口91aから切削工具23の先端に向けて加圧乾燥空気を射出させるので、ワークWの温度上昇を抑え、加工精度を向上させることができる。また、溝21k内の気流断面は、貫通孔91内の気流断面よりも小さくなっており、溝21kの部分で加圧乾燥空気の流速を増加させることができる。この結果、ワークW上の加工点に十分な勢いの加圧乾燥空気を噴射することができるので、ワークWを確実に冷却することができ、ワークWの加工点やその近傍に付着する切り屑を迅速に除去することができ、切削工具23による加工精度を高めることができる。
The inner dimension of the
ツール部21の先端部21aは、既に説明したように例えばYZ面内で高速振動する。また、ツール部21の先端部21aは、図1のNC駆動機構30によって、被加工体であるワークWに対し、例えばXZ面内で所定の軌跡を描いて徐々に移動する。つまり、ツール部21の送り動作が行われる。また、被加工体であるワークWは、図1のNC駆動機構30によって、Z軸に平行な回転軸RAのまわりに一定速度で回転する(図4参照)。これにより、ワークWの旋削加工が可能になり、ワークWに対し回転軸RAのまわりに回転対称な例えば被加工面SA(例えば、凹凸の球面、非球面等の曲面のほか、位相素子面等の段差面)を形成することができる。この際、第2ステージ33を利用して、ツール部21の切削工具23の尖端(つまり刃先23r)をY軸方向に平行な旋回軸PXのまわりに回転させることで、図5に示すように、切削工具23先端の振動面OSがワークWに形成すべき被加工面SAに対して略垂直になるようにする。 これにより、被加工面SAの加工精度を高め、被加工面SAをより滑らかなものとすることができる。また、ワークWの加工中、ツール部21先端の開口91aから切削工具23の先端に向けて加圧乾燥空気を高速で射出させるので、切削工具23や被加工面SAを効率良く冷却することができるだけでなく、切削工具23や被加工面SAの温度を加圧乾燥空気の温度と流量とによって一定範囲に収まるようにすることも可能である。この加圧乾燥空気は、ツール部21の軸心を貫通する貫通孔91を介して導入され、振動体82、軸方向振動子83、カウンタバランス85等の内部を流れるので、振動体82等の温度を加圧乾燥空気の温度と流量とによって調整することができる。このように、加圧乾燥空気の温度を調整することにより、振動体82の温度を安定させることができるので、結果的に、その先端に保持された切削工具23の刃先位置の温度ドリフトを低減することができ、高精度で再現性の高い切削加工面が得られる。
The
以上において、加圧乾燥空気によって振動子83,84や振動体82を冷却しているが、乾燥空気は、安価で容易に入手・供給でき、かつ漏電等の原因となる水分が無いので、安全である。乾燥状態としては、相対湿度で10%以下が、結露の危険を避けられるので好ましい。
In the above, the
ここで、本実施形態の振動切削装置において、切削工具23の刃先23rを旋回軸PXのまわりに回転可能に支持し、被加工面SAに垂直に振動面OSや工具軸AXを保持する理由について説明する。本実施形態の振動切削装置の場合、第2可動部36によって、切削工具23の刃先23rが旋回軸PXのまわりで任意の角度位置に回転するので、刃先23rの加工領域を切削加工中に変化させることなく固定して延性モード切削加工を行うことができ、刃先23rの切れ刃稜線の形状精度に影響を受けない加工が可能になる。これに対し、旧来型の旋削加工(旋回軸PXを用いない加工)によって光学面を創製する場合には、旋削の進行と同時に刃先23rの加工領域が刃先稜線上を移動するので、この範囲に刃先23rを構成するダイヤモンドの摩耗し易かったり欠け易い結晶方位を含んでいると、容易にその部分で刃先23rの摩耗が進行したり、チッピングが発生したりするおそれがある。前者のように摩耗が進行した場合、その部分で加工形状に摩耗分の形状誤差が発生し、後者のようにチッピングが発生した場合、その部分で脆性モード加工となり鏡面が得られなくなる。一方、本実施形態のように、旋回軸PXのまわりに刃先23rを適宜回転させる振動切削装置の場合、刃先23rの加工領域を固定することができるので、使用するダイヤモンドの結晶方位も固定され、上記した形状誤差や加工面品位の劣化等を回避できる切削加工を実現できる。さらに、加工領域が固定されているので、その部分のダイヤモンドの結晶方位を摩耗の最も少ない結晶方位に固定して加工するならば、高い加工形状精度を容易に実現でき、しかも切削工具23の加工用チップ23cの摩耗による寿命を大幅に延ばすことができる。
Here, in the vibration cutting apparatus of this embodiment, the
図6は、切削工具23の加工用チップ23cによる加工状態を説明する拡大図である。加工用チップ23cの刃先23rは、円弧状のすくい面RBを有しており、このすくい面RBを上方(未加工面側)から見た状態が示されている。すくい面RBは、直線状の第1の縁部RB1と、第1の縁部RB1と交わる方向に延在する第2の縁部RB2と、第1の縁部RB1と第2の縁部RB2とを結ぶ円弧及び/又は非円弧の第3の縁部RB3とで輪郭付けされる。第1の縁部RB1と第2の縁部RB2とが成す角度hは、30°≦h≦60°とする。第3の縁部RB3は、円弧である場合には、その半径rは、0.003mm≦r≦5mmとする。また、第3の縁部RB3が、非円弧曲線である場合には、その平方2乗誤差が最も小さくなる近似円弧半径rを、0.003mm≦r≦5mmとする。
FIG. 6 is an enlarged view for explaining a processing state of the
以上のように、刃先23rが円弧状のすくい面RBを有する切削工具23をRバイトと呼ぶが、これは刃先形状を円弧に創製する工程で、真円度を高精度に仕上げることが比較的容易であるという利点がある。したがって、このようなすくい面RBを有するRバイトを振動切削装置に組み込んで加工を行うと、高い刃先形状精度によって高精度な光学面を容易に効率よく得ることができる。なお、旧来型の旋削加工(旋回軸PXを用いない加工)によって光学面を創製する場合には、切削加工の進行に伴い加工面の法線角が変化するに従って、加工領域(或いは加工点)が刃先23rの円弧稜にそって移動するため、一度チッピングが発生すると延性モード切削が脆性加工になって切削抵抗力が増加しかつ不安定となることから、次々にチッピングを発生して刃先を破損し続け、結局チッピングを発生した以降の刃先23rの円弧稜が全て破壊されて使えなくなってしまう。このように、Rバイトではチッピングにより破損する刃先稜の範囲が広くなることが多いため、チッピングを発生していない部分を選んで使用することが難しく、切削工具23そのものが短期に寿命を終えてしまい、大変高価な切削加工となりやすい。一方、本実施形態のように、旋回軸PXのまわりに刃先23rを回転可能に支持し、被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に垂直に振動面OSや工具軸AXを保持するならば、チッピングを大幅に減らし、上記のような広域にわたる刃先23rの破損を顕著に低減することができる。
As described above, the cutting
また、本実施形態では、被加工面SAの創製に旋削加工を用いている。旋削加工は、一度切削工具23の刃先23rをワークWに切り込むと、切り終わるまで連続的に加工が進行するので、切削工具23にとって負荷の少ない加工方法である。したがって、Rバイトすなわち円弧状の刃先23rを有する切削工具23と組み合わせることによって、飛躍的に刃先23rのチッピングを抑えることができ、切削工具23の寿命を延ばすことができるとともに、高精度な光学面を形成でき鏡面を容易に安価に得ることができるようになる。また、振動切削装置自体も可動軸の構成が簡単になり、振動切削装置を低価格で製作することができるので、軸対称形状の光学素子用成形金型の加工を安価に実現できる。
In the present embodiment, turning is used to create the work surface SA. Turning is a processing method with less load on the
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る振動切削装置について説明する。第2実施形態の振動切削装置は、第1実施形態の振動切削装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第1実施形態の装置と共通しており、図面において共通する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the vibration cutting apparatus according to the second embodiment will be described. The vibration cutting apparatus according to the second embodiment is a partial modification of the vibration cutting apparatus according to the first embodiment. Parts that are not particularly described are common to the apparatus according to the first embodiment, and are common in the drawings. Are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図7は、第2実施形態における切削工具23の加工用チップ123cによる加工状態を説明する拡大図である。加工用チップ123cの刃先123rは、半月状のすくい面RBを有しており、このすくい面RBは、直線状の第1の縁部HB1と、第1の縁部HB1と交わる方向に延在する第2の縁部HB2と、第1の縁部HB1とは滑らかに結ばれ、かつ、第2の縁部HB2とは角度付けされた円弧及び/又は非円弧の第3の縁部HB3とにより輪郭づけられる。第1の縁部HB1と第2の縁部HB2とが成す角度fは、0゜<f<90゜とする。また、第3の縁部HB3は、円弧である場合には、その半径rを、0.1μm≦r≦5mmとする。第3の縁部HB3が、非円弧である場合には、端部同士を直線で結んだ距離をgとしたとき、0.1μm≦g≦5mmとする。なお、第2の縁部HB2と第3の縁部HB3との間に、凸状である円弧もしくは直線からなる第4の縁部HB4を設けてもよい。また、第2の縁部HB2は、振動面OSや被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に対して所定の傾き角を有するものとでき、この場合、被加工面SAの段差加工部の角度を調整することができる。
FIG. 7 is an enlarged view for explaining a machining state by the
以上のように、刃先123rが半月状のすくい面RBを有する切削工具23を半月バイトと呼ぶ。このような半月バイトを振動切削装置に組み込んで加工を行うと、単なる鏡面に限らず、従来刃先の折損により加工ができなかった微細形状(回折溝など)を有する成形用型を高精度に加工することが可能となる。半月バイトであれば、ワークWの非球面部は、刃先123rのうち曲率のあるR部で加工することができ、滑らかな光学面を加工することができるので、それにより転写された光学素子の光学面における光線の散乱が少なくなる。また、ワークWの段差や位相構造、回折構造などの微小構造部は、刃先123rのうち鋭い部分で加工することができ、回折効率の低下を少なくすることができる。半月バイトで加工された光学素子用成形金型を用いることで、ブレーズ状回折構造を転写成形できるため、環境変化に強く、設計の幅を広げ、複数の波長に対して良好に収差補正できるガラスやプラスチック製の光学素子が得られるようになる。
As described above, the cutting
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る振動切削装置について説明する。第2実施形態の振動切削装置は、第1実施形態の振動切削装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第1実施形態の装置と共通している。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a vibration cutting apparatus according to the third embodiment will be described. The vibration cutting apparatus according to the second embodiment is obtained by partially changing the vibration cutting apparatus according to the first embodiment, and parts that are not particularly described are common to the apparatus according to the first embodiment.
図8は、第3実施形態における切削工具23の加工用チップ223cによる加工状態を説明する拡大図である。加工用チップ223cの刃先223rは、剣先形状のすくい面RBを有しており、このすくい面RBは、直線状の第1の縁部RB1と、第1の縁部RB1に交わる方向に延在する第2の縁部RB2と、第1の縁部RB1端と第2の縁部RB2端とを結ぶ第3の縁部RB3とから輪郭づけられる。第1の縁部RB1と第2の縁部RB2とが成す鋭角aは、10゜≦a≦45゜とする。第3の縁部RB3が円弧である場合には、その半径rは、0.05μm≦r≦3μmとする。第3の縁部RB3が非円弧である場合には、第3の縁部RB3の端部同士を直線で結んだ距離をbとして、0.1μm≦b≦5.0μmとする。
FIG. 8 is an enlarged view for explaining a machining state of the
以上のように、刃先223rが剣先状のすくい面RBを有する切削工具23を剣先バイトという。微細加工を行うのに好適な剣先バイトは、刃先223rの先端が鋭利に細く、折損し易い形状を有しているので、本実施形態の振動切削装置に好適に組み込まれる。つまり、旋回軸PXのまわりに刃先223rを回転可能に支持し、被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に垂直に振動面OSや工具軸AXを保持するならば、振動切削による低背分力や臨界切り込み量の増加といった効果を最大限に発揮できるので、チッピングだけでなく刃先の折損を大幅に低減でき、単なる鏡面に限らず、従来加工が困難であった微細形状(回折溝など)を有する高硬度材料の光学素子用成形金型の光学面を高精度かつ容易に加工することができるようになる。その光学素子用成形金型を用いることで、光学ガラスやプラスチックの成形においても、回折構造や位相構造などの光学面上の微細構造部を転写成形できるため、環境変化に強く、設計の幅を広げ、複数の波長に対して良好に収差補正できるガラス製の光学素子が得られるようになる。
As described above, the cutting
〔第4実施形態〕
以下、第4実施形態に係る成形金型について説明する。図9は、第1〜第3実施形態の振動切削ユニット20を用いて作製した成形金型(光学素子用成型金型)を説明する図であり、図9(a)は、固定型すなわち第1金型2Aの側方断面図であり、図9(b)は、可動型すなわち第2金型2Bの側方断面図である。両金型2A,2Bの光学面3a,3bは、図1〜図8に示す振動切削装置によって仕上げ加工されたものである。つまり、両金型2A,2Bの母材(材料は例えば超硬)をワークWとしてチャック37に固定し、振動子駆動装置50等を動作させて振動切削ユニット20に定在波を形成しつつ切削工具23を高速振動させる。これと並行して駆動制御装置40を適宜動作させて、振動切削ユニット20のツール部21先端をワークWに対して3次元的に任意に移動させる。これにより、金型2A,2Bの光学面3a,3bを、球面や非球面に限らず、段差面、位相構造面、回折構造面とすることができる。
[Fourth Embodiment]
The molding die according to the fourth embodiment will be described below. FIG. 9 is a diagram for explaining a molding die (optical element molding die) manufactured by using the
図10は、図9(a)の金型2Aと、図9(b)の金型2Bとを用いてプレス成形したレンズLの断面図である。図示していないが、金型2A,2Bの光学面3a,3bが段差面、位相構造面、回折構造面等を有する場合、レンズLの成形光学面も、段差面、位相構造面、回折構造面等を有するものとなる。さらに、レンズLの材料は、プラスチックに限らず、ガラス等とすることができる。なお、レンズLを第1〜第3実施形態の振動切削装置によって直接作製することもできる。
FIG. 10 is a cross-sectional view of a lens L press-molded using the
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、振動切削ユニット20において、加工用チップ23c,123c,223cの先端形状は、図6〜図8に例示されるものに限らず、ワークWに形成すべき被加工面SAの形状等に応じて適宜変更することができる。
As described above, the present invention has been described according to the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the
また、振動切削ユニット20において、振動体82や軸方向振動子83の全体的形状や寸法は、用途に応じて適宜変更することができる。さらに、カウンタバランス85から延びる第2固定フランジ88を省略することもできる。また、振動体82等の軸心に貫通孔91を設けて加圧乾燥空気を流通させているが、加圧乾燥空気の供給方法は、図2に例示する給気パイプ92に限らず様々な変形が可能であり、例えば筐体86の側面から振動体82の周囲に加圧乾燥空気を供給することもできる。また、振動切削ユニット20があまり加熱されない場合、振動体82の寸法変化を気にしなくても良くなるので、加圧乾燥空気の供給は不要である。また、図1のガス供給装置60において、空気ではなく、オイルその他の潤滑要素等をミスト化した溶媒や粒子として添加したガス状流体や、窒素ガス等の不活性ガス等を用いることができる。
In the
また、以上の振動切削装置では、主に旋削について説明したが、図1に示す振動切削装置をルーリング加工用に改変することもできる。ルーリング加工とは、切削工具23を往復移動しながらその軌跡を重畳して、被加工面SAを創製する加工方法である。特に、強曲率の凹面や複雑な加工形状でも、切削工具23が加工面に干渉することなく、高精度に加工することができる。ルーリング加工では、切削工具23の刃先23r、123r,223rが回転運動をしないため、1回の切り始めから切り終わりまで切り込み量が同じであり、そのため最初の切り込む時点で刃先23r、123r,223rに大きな切削抵抗力が働く。この加工方式では、通常切り始めのところで刃先23r、123r,223rにチッピングを発生することが最も多く、高硬度材料についてはルーリング加工が採用されていない。しかし、本実施形態の振動切削装置、すなわち、旋回軸PXのまわりに刃先23r、123r,223rを回転可能に支持し、被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に垂直に振動面OSや工具軸AXを保持する振動切削装置の場合、高硬度材料であっても、ルーリング加工によってチッピングを抑制でき自由曲面形状が切削加工できる。しかも、従来の研削加工と比べ、工具形状、工具摩耗、工具の弾性変形も全く関係ないため、加工装置の運動精度を転写した高精度な加工形状と鏡面を容易に得ることができる。
In the above vibration cutting apparatus, turning has been mainly described. However, the vibration cutting apparatus shown in FIG. 1 can be modified for ruling. The ruling process is a processing method for creating the processing surface SA by superimposing the trajectory while reciprocating the
10…振動切削装置、 20…振動切削ユニット、 21…ツール部、 21a…先端部、 21d…端面、 21f…孔、 21k…溝、 23…切削工具、 23b…シャンク、 23c…加工用チップ、 23e…固定部分、 25…固定ネジ、 26…固定ネジ、 30…駆動機構、 32…第1ステージ、 33…第2ステージ、 35…第1可動部、 36…第2可動部、 37…チャック、 40…駆動制御装置、 50…振動子駆動装置、 60…ガス供給装置、 61…ガス状流体源、 63…温度調節部、 65…流量調節部、 70…主制御装置、 82…振動体、 83,84…振動子、 85…カウンタバランス、 86…筐体、 91…貫通孔、 91a…開口、 92…給気パイプ、 AX…工具軸、 EO…楕円軌道、 RA…回転軸、 SA…被加工面、 W…ワーク
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記切削工具を振動させるための振動源と、
先端部に前記切削工具を支持して、前記振動源からの振動を前記切削工具に伝達する振動体と、
前記振動体を支持して前記切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させることができる工具駆動部を有する駆動装置と、
を備えることを特徴とする振動切削装置。 Cutting tools,
A vibration source for vibrating the cutting tool;
A vibration body that supports the cutting tool at a tip portion and transmits vibration from the vibration source to the cutting tool;
A driving device having a tool driving unit that supports the vibrating body and can be displaced so that a processing point of the cutting tool becomes a turning center;
A vibration cutting apparatus comprising:
前記振動体を支持して前記切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させることを特徴とする切削加工方法。 A cutting method for transmitting vibration from a vibration source to a cutting tool supported on the tip of the vibrating body through the vibrating body,
A cutting method characterized by supporting the vibrating body and displacing the cutting point of the cutting tool so as to be a turning center.
An optical element formed by the molding die according to claim 13.
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