CN102947034A - 切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种切削工具。切削工具一边旋转一边对模具进行切削加工，该切削工具具有配置在旋转轴线（250）上的切削刃（136），切削刃（136）的端刃所对应的部位（136d）与以旋转轴线（250）作为法线的面之间所成的角度θ满足式（1）的条件，－0.9°≤θ≤＋0.9°……（1）。

Description

切削工具

技术领域

本发明涉及一种切削工具，特别是涉及一种适于模具的切削加工的切削工具。

背景技术

以往，在光学透镜的制造领域研究了如下技术：通过将由固化性树脂构成的透镜部设于玻璃基板，获得耐热性高的光学透镜（例如参照专利文献1）。

作为应用了该技术的光学透镜的制造方法的一例，使用如下方法：在玻璃基板的表面形成设有多个由固化性树脂构成的光学构件的所谓的“晶圆透镜”，随后针对每个透镜部切削玻璃基板。

当在晶圆透镜的玻璃基板上制造树脂制的透镜部、或者制造树脂制的转印模的情况下，通常使用金属制成形模（模具）。

利用切削工具在模具上形成与透镜形状相对应的凹部或凸部，使用立铣刀等作为切削工具。切削工具不仅用于加工凹部、凸部，还用于形成其他部位的平滑面等。例如在专利文献2中记载了采用立铣刀工具（4）的加工方法，想要通过调整立铣刀工具的旋转轴线来实现平面精度优异的槽加工。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3926380号公报

专利文献2：日本特开2005－59155号公报（第0006段等）

发明内容

发明要解决的问题

在上述这种状况下，在想要在除了模具的凸部、凹部以外的各种部位形成平滑面的情况下，可以考虑使用能应对比较多样的形状的球头立铣刀工具。在该情况下，为了加工平滑性（镜面性）优异的平滑面，可以考虑增大工具的半径，或者缩小工具的扫描路径的宽度。前者存在越增大工具半径，能加工的形状越受制约的问题，后者存在加工时间增长的问题。

因而，本发明的主要目的在于，提供一种能够抑制工具半径的增大、加工时间的增多，并且能够形成镜面性优异的平滑面的切削工具。

用于解决问题的方案

为了解决上述课题，根据本发明，切削工具一边旋转一边对模具进行切削加工，该切削工具的特征在于，

该切削工具具有配置在旋转轴线上的切削刃，

上述切削刃的端刃（日文：底刃）所对应的部位与以上述旋转轴线作为法线的面之间所成的角度θ满足式（1）的条件，

－0.9°≤θ≤＋0.9°……（1）。

发明效果

采用本发明，通过将切削刃的端刃所对应的部位形成为与以旋转轴线作为法线的面之间所成的角度θ满足式（1）的条件的形状，能够抑制工具半径的增大、加工时间的增多，并且能够形成镜面性优异的平滑面。

附图说明

图1是表示凹状模具的大概结构的立体图。

图2是图1的I－I剖视图。

图3A是表示切削装置的大概结构的立体图。

图3B是图3A的切削装置的局部放大图。

图3C是表示图3A的切削装置的变形例的立体图。

图3D是图3C的切削装置的局部放大图。

图4A是表示球头立铣刀的大概结构的俯视图。

图4B是图4A的球头立铣刀的侧视图。

图5是表示本发明的实施方式的切削刃的大概结构的俯视图。

图6A是表示图4A和图4B的切削刃的变形例的俯视图。

图6B是图6A的切削刃的侧视图。

图7A是时间性地表示模具的制造方法的概略图，是用于说明该制造方法的最初的工序的图。

图7B是用于说明图7A的后续的工序的图。

图7C是用于说明图7B的后续的工序的图。

图7D是用于说明图7C的后续的工序的图。

图7E是用于说明图7D的后续的工序的图。

图7F是用于说明图7E的后续的工序的图。

图8是用于大概地说明精加工的情况的图。

图9A是用于大概地说明对准标记的样式等的俯视图。

图9B是大概地表示在形成对准标记时的球头立铣刀的移动方向的图。

图9C是用于大概地说明用于将形成对准标记时的毛边去除的操作的图。

图10A是对准标记的显微镜照片，是表示毛边去除前的图。

图10B是对准标记的显微镜照片，是表示毛边去除后的图。

图11A是用于大概地说明大径模具的结构及其制造方法的图，是用于说明其制造方法的最初的工序的图。

图11B是用于说明图11A的后续的工序的图。

图11C是用于说明图11B的后续的工序的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的优选实施方式。

模具（母模）

如图1所示，模具100呈大致长方体状，模具100在表面以阵列状形成有多个凹部102（型腔）。模具100是阵列透镜用模具的一例，特别适合用于成形晶圆透镜的树脂制透镜部，或者在制造其树脂制转印模的情况下，也能使用该模具100。

对形成有凹部102的1个区块进行详细剖视，如图2所示，在凹部102的周边形成有平面部104、斜面部106、平面部108、斜面部110和平面部112，以凹部102为中心呈同心圆状地依次形成这些部位。光轴（由模具100成形得到的光学系统的光轴）与凹部102的中心部正交。

模具100的形状不限定于大致长方体，也可以呈大致圆柱状、扇形状。

切削装置

如图3A所示，切削装置120A具有平台122。在平台122上设置有具有正交轴和回转轴的工作台124。工作台124能够沿X轴方向和Z轴方向移动，并且能够沿B轴方向转动。在工作台124上设置有心轴126。在平台122上设置有用于固定切削对象物（工件）的固定用具128。心轴126和固定用具128相面对地配置在平台122上。固定用具128能够沿Y轴方向移动，心轴126和切削对象物能够相对移动。

心轴126内置有心轴电动机。如图3B所示，在心轴电动机的主轴130上设置有球头立铣刀132。球头立铣刀132是切削工具的一例。

为了高精度地加工光学面，优选设置有球头立铣刀132的心轴126是具有空气轴承的心轴。使心轴126旋转的动力有内置心轴电动机的心轴电动机方式、供给高压空气的空气涡轮方式。为了实现高刚性化，优选采用心轴电动机方式作为该动力。

另外，也可以代替图3A的切削装置120A地使用图3C的切削装置120B。

如图3C所示，切削装置120B的心轴126（球头立铣刀132）也能沿A轴方向和C轴方向转动。A轴、B轴和C轴的各旋转轴线彼此正交。切削装置120B的除此以外的结构与切削装置120A相同（参照图3D）。

采用切削装置120B，可以将球头立铣刀132的姿势控制为使球头立铣刀132的前端刀尖（后述的切削刃134等）的任意点处的与刀尖轮廓线的法线、和加工面的法线始终平行。结果，能够在工具刀尖的1点进行加工，能够减小工具刀尖轮廓误差对加工形状的影响。

如图4A和图4B所示，在球头立铣刀132的前端部钎焊固定有切削刃134。

如后所述，图4A和图4B所示的切削刃134用于加工与透镜部相对应的形状的凹部102（光学转印面）。

切削刃134是由单晶金刚石构成的金刚石片。

俯视切削刃134时，如图4A所示，切削刃134包括圆弧部134a和直线部134b。侧视切削刃134时，如图4B所示，切削刃134包括直线部134c、134d、134e。圆弧部134a和直线部134b～134e相当于构成切削刃134的各平面相交的棱线。

在心轴126上，当心轴电动机旋转时，切削刃134与该心轴电动机联动而描画半球状的轨迹地旋转（参照图4A和图4B中的双点划线）。在该情况下，圆弧部134a、直线部134b、134c、134d的接点是心轴126的旋转中心部134f，旋转中心部134f实质上不旋转。

如图4A和图4B所示，切削刃134配置在球头立铣刀132的旋转轴线250（旋转中心轴线）上。切削刃134中，旋转中心部134f也配置在旋转轴线250上。

在对设于凹部102的周边的平面部104、108、112进行加工时，可以代替图4A和图4B的切削刃134地使用图5的切削刃136。

图5是从与切削刃136的前刀面垂直的方向看时的切削刃136的放大图。从侧面看图5的切削刃136时的形状与图4B所示的图同样。

如图5所示，切削刃136包括直线部136a、136b、圆弧部136c、直线部136d、136e。从直线部136a到直线部136b弯折，从直线部136b到直线部136d经由圆弧部136c而弯曲。从直线部136d到直线部136e弯折，在与直线部136e交叉的位置上配置有旋转轴线250。

直线部136d是所谓的端刃所对应的部位，利用该部位加工平面部104、108、112。特别是，与加工对象物的被加工面相接触的圆弧部136c附近是主要的加工部位。

作为该端刃所对应的部位的直线部136d与以旋转轴线250作为法线的面之间成恒定的角度θ。将与以旋转轴线250作为法线的面平行的角度设为0°，角度θ满足式（1）的条件。

－0.9°≤θ≤＋0.9°……（1）

此目的在于，利用切削刃136进行了切削加工的面的粗糙度Ry为50nm以下，且在现实中能稳定地进行高精度加工。

即，利用切削速度F（mm/min（分））和心轴转速S（rpm）以下述式（2）表示粗糙度Ry（μm），

Ry<1000×（F/S）×|tanθ|……（2）

且作为在现实中稳定地进行高精度加工时所能设定的条件，根据由进给速度F>15mm/min（分）和心轴转速S>5000（rpm）获得的θ<0.9548，作为工具制作方面的目标而设定为适当的范围。

另外，根据式（2），切削速度F与心轴转速S的关系需要满足一定的条件，可以在满足式（3）的范围内自由设定。

S>（F/0.00005）×|tanθ|……（3）

这里，在角度θ取负值的情况下，如图5所示，意味着作为端刃所对应的部位的直线部136d倾斜为越自圆弧部136c接近旋转轴线250，距加工对象物的被加工面越远。

在角度θ取正值的情况下，意味着作为端刃所对应的部位的直线部136d倾斜为越自圆弧部136c接近旋转轴线250，距加工对象物的被加工面越近。

在能够使加工痕迹不易显眼的方面、因锐角的部分减少而结果使切削刃136的寿命延长的方面，优选角度θ取负值。

角度θ优选为－0.9°～－0.1°，更优选为－0.5°～－0.1°，进一步优选为－0.3°～－0.1°。

直线部136d的宽度W1与旋转半径（从旋转轴线250到直线部136d的末端的距离）的宽度W2的关系满足式（4）的条件。

W2－W1≥1μm……（4）

W2－W1的值优选为500μm～1μm，更优选为500μm～5μm。

采用切削刃136，通过设置自直线部136a弯折的直线部136b等与切削刃136的端刃所对应的部位相邻而比旋转轴线250向外侧倾斜的刃（部位），能够容易地进行在光学转印面的周边形成与光学转印面不同的凹部的加工等。

通过像圆弧部136c那样设置凸状的弯曲部，能够延长切削刃136的寿命。

此外，采用切削刃136，由于切削刃136的端刃所对应的部位与加工对象物的被加工面相接触的接触位置位于比旋转轴线250靠外侧的位置，所以与旋转相应产生的惯性力增大，对加工有利。

另外，切削刃136也可以形成为不设置直线部136a的形状。

也可以代替图4A和图4B的切削刃134地使用图6A和图6B的切削刃138。

俯视切削刃138时，如图6A所示，切削刃138包括直线部138a、圆弧部138b和直线部138c。在与直线部138c交叉的位置配置有旋转轴线250。侧视切削刃138时，如图6B所示，切削刃138包括直线部138d、138e、138f、圆弧部138g和直线部138h。

另外，切削刃134、136、138的材质可以适当地使用单晶金刚石。

模具的制造方法

如图7A～图7F所示，大致经（a）～（g）的工序制造模具100。

图7A～图7F所示的内容与（a）～（f）的工序的处理内容相对应。

（a）准备切削对象物140并对规定区域实施坯料加工。

作为切削对象物140（模具100）的材质，从机械加工的容易性的观点出发，优选使用金属或金属玻璃。

作为金属，可以使用铬·钼钢、不锈钢、预硬钢等铁系材料、铁系合金、钢合金、铝合金、锌合金等非铁系合金等。

作为金属玻璃，可以使用PdCuSi、PdCuSiNi等。

切削对象物140也可以利用非电解或电解的镀镍磷等非晶态合金覆盖成为光学转印面的表面。

（b）对切削对象物140的规定区域实施非电解镀镍磷处理，形成镀层142。

（c）使用通用的加工中心对切削对象物140的表面（镀层142）进行粗加工，形成凹部102等的原形（凹凸形状）。

（d）对粗加工后的切削对象物140的表面进行研磨而使其平滑。

（e）使用金刚石切削刃对凹部102等进行精加工。

（f）对切削对象物140的表面进行平面加工而形成基准面，在该基准面上形成对准标记144。

基准面是和其他构件之间调整高度位置时成为基准的面。

对准标记144用于与其他构件的对位、模具100的成形物与其他构件的对位等。

根据加工面（基准面）的表面状态的不同，在（e）和（f）的工序后进行使表面平滑的研磨。

（g）清洗切削对象物140而去除加工屑等，在切削对象物140的表面形成SiO₂膜并涂敷脱模剂。

SiO₂膜作为涂敷脱模剂时的基底而发挥功能。利用蒸镀、CVD、溅射中的任一种处理形成SiO₂膜。为了在切削对象物140的表面以均匀的膜厚形成SiO₂膜，优选进行CVD处理。

脱模剂使成形物容易地自模具100脱模。

在（e）的工序中，基本上使用切削装置120A。

如图3B所示，使心轴126的心轴电动机工作，使球头立铣刀132高速旋转。并且，使工作台124的X轴方向、Z轴方向的移动与固定用具128的Y轴方向的移动协同作用，使球头立铣刀132相对于切削对象物140回转。即，使球头立铣刀132一边旋转一边呈漩涡状回转，对凹部102的表面进行精加工。

在该情况下，如图8所示，从最外侧的区域154经过区域152到中央的区域150，在将球头立铣刀132保持为与光轴平行的状态下，使球头立铣刀132一边旋转一边呈漩涡状回转，与凹部102和平面部104的表面抵接，对凹部102和平面部104的一部分或全部进行加工。

区域150是凹部102的中央部，包含与光轴正交的区域。

区域152是凹部102的周边部，是与区域150相邻的区域。

区域154是平面部104的一部分或全部，是与区域152相邻的区域。

另外，在（e）的工序中，也可以使用切削装置120B。

在使用了切削装置120B的情况下，与使用了切削装置120A的情况相同，如图3D所示，也使心轴126的心轴电动机工作，使球头立铣刀132高速旋转。并且，使工作台124的X轴方向、Z轴方向的移动与固定用具128的Y轴方向的移动协同作用，使球头立铣刀132相对于切削对象物140回转。

此时，使球头立铣刀132也沿A轴和C轴方向转动，并且以始终利用工具刀尖（切削刃134、136）的一点进行加工的方式呈漩涡状回转，对凹部102、平面部104、108、112的表面进行精加工。

在（f）的工序中，也使用切削装置120A、120B。

在该情况下，代替图5的切削刃136地使用切削刃134，使球头立铣刀132一边旋转一边回转，对平面部104（除精加工后的区域以外的其余区域）、108、112的表面进行平面（平滑）加工。

采用以上的切削刃136，由于具有特殊的形状，所以能够抑制工具半径的增大、加工时间的增多，并且能够形成镜面性优异的平滑面。即，理论上能够将产生的凹凸抑制为50nm以下，能够高精度且高效率地加工平面部104、108、112。结果，能够使由凹状模具100形成的透镜、镜面零件等的镜面部分高精度化，或减少平面部104、108、112上的污垢、树脂（自凹状模具100转印的树脂等）的附着。

随后，如图9A所示，在平面部112上形成具有一定线宽的十字状的对准标记144（槽）。对准标记144的纵线宽的中心线与横线宽的中心线的交点用于对位。

在形成对准标记144的情况下，代替图6A和图6B的切削刃138地使用切削刃136，使球头立铣刀132一边旋转一边沿图9B的正方向146（实线部）直线移动。随后，使球头立铣刀132一边不改变旋转方向地旋转，一边顺着正方向146的移动轨迹地沿与正方向146相反的反方向148（虚线部）移动。

在沿着正方向146的移动中进行顺铣，在沿着反方向148的移动中进行逆铣。

在使球头立铣刀132只沿正方向146移动时，如图9C所示，在利用球头立铣刀132沿正方向146的移动而形成的加工面160上，形成微小的凹凸（所谓的毛边162），因此这里也使球头立铣刀132沿反方向148移动，去除毛边162。

在该情况下，使球头立铣刀132以在切削刃138的前端部与加工面160之间空出间隔164的状态（使切削刃138少许浮起的状态）进行移动。优选确保20nm左右的间隔164。

观查实际形成了对准标记144的情况下的显微镜照片，得知在使球头立铣刀132只沿正方向146移动的情况下，如图10A所示，在对准标记144的侧缘部形成有毛边162。相对于此，在使球头立铣刀132也沿反方向148移动的情况下，如图10B所示，能确认到毛边162被充分去除。

采用以上的用于形成对准标记144的切削加工方法，在使球头立铣刀132沿正方向146移动后，使球头立铣刀132顺着上述正方向146的移动轨迹地沿反方向148移动，所以如图10B所示，能够将毛边162充分地去除（抑制为与间隔164相对应的20nm以下），能够高精度地加工对准标记144的形成面（加工面）。结果，能够减少在使用了模具100的树脂的转印工序中成为问题的树脂的附着。

大径模具

如图11A所示，俯视情况下的模具200比模具100（参照图1）大径，呈晶圆状。模具200形成有多个凹部102，模具200的凹部102的数量比模具100多。

另外，与模具100相同，在凹部102间以同心圆状形成有平面部104、斜面部106、平面部108、斜面部110和平面部112。

在模具200的中央部有未形成凹部102的4个区域，在该区域各形成有1个对准标记144。

模具200与模具100同样利用切削装置120A、120B进行加工，但模具200的加工范围210比模具200的平面面积窄，是模具200的1/4左右。

大径模具的制造方法

模具200的制造方法与模具100的制造方法基本相同，在下述方面不同。

由于切削装置120A、120B的加工范围210是模具200的1/4左右，所以如图11A所示，将模具200分成4个区域202、204、206、208，将图7C～图7F的（c）～（f）的工序的处理分4次反复在每个区域202、204、206、208中进行。

第1次如图11A所示，进行加工范围210所包含的区域202和该区域202周边的凹部102等的加工，并且在各区域202、204、206、208上分别形成1个对准标记144。

第2次如图11B所示，使模具200相对于加工范围210旋转1/4，进行加工范围210所包含的区域204的凹部102等的加工。

在该情况下，使区域204的对准标记144与区域202的对准标记144的位置对齐，进行从第1次切换到第2次时的模具200的定位。

第3次如图11C所示，使模具200再旋转1/4，进行加工范围210所包含的区域206的凹部102等的加工。

在该情况下，也使区域206的对准标记144与区域202的对准标记144的位置对齐，进行从第2次切换到第3次时的模具200的定位。

在最后的第4次，也与第2次和第3次同样，使模具200再旋转1/4（使区域208的对准标记144与区域202的对准标记144的位置对齐），进行加工范围210所包含的区域208的凹部102等的加工即可。

采用以上的模具200的制造方法，由于将模具200分成4个区域202、204、206、208而在每个区域202、204、206、208中一边进行对位一边加工模具200，所以即使切削装置120A、120B的加工范围210比模具200的面积窄，也能利用通用的切削装置120A、120B加工大径尺寸的模具200。结果，也不必导入大型的切削装置，不必考虑切削装置的导入成本、其设置空间的确保。

另外，模具200的加工如上所述分成4次进行，其加工时间较长，可能受到环境温度的变化的影响而使加工精度下降，所以模具200的原料优选使用低膨胀系数的材料。

当在切换区域202、204、206、208时发生了对准标记144的偏离（错位）的情况下，可以检测该偏离量，根据其检测结果，在凹部102等的加工中实施由软件控制进行的误差修正。

模具200的加工区域不限定于区域202、204、206、208这4个，也可以分成与加工范围210相对应的区域数量。

在该情况下，除了在第2次之后的处理中使用的定位用的对准标记144以外，也可以形成在从第1次到最后1次的期间内成形用的对准标记144。

实施例

使用图5所示的形状的切削刃对由无氧铜构成的工件（切削对象物）进行了加工，上述切削刃是由单晶金刚石构成的切削刃，且端刃部的旋转直径为φ100μm。

切削工具的端刃的角度θ为（1）－1.2°、（2）－0.9°、（3）－0.5°、（4）+0.5°。加工对象为1mm²范围的平面。加工条件为心轴转速是8000rpm，进给速度是20mm/min，行间距（日文：行送りピツチ）是30μm，切削深度是5μm。

使用精制煤油雾作为切削液，将该切削液喷射到工件上地进行了切削。

利用白光干涉仪确认了加工后的粗糙度，分别获得（1）61.3nm、（2）50.4nm、（3）33.4nm、（4）34.9nm的结果。

并且，使用具有上述（1）、（3）、（4）的角度θ的切削刃，对具有非电解镀镍层的工件（切削对象物）延长切削距离地进行了加工，上述非电解镀镍层具有厚度。

详细而言，对1mm²范围的平面连续加工200次。每次的加工条件为心轴转速是8000rpm，进给速度是20mm/min，行间距是30μm，切削深度是5μm。

使用精制煤油雾作为切削液，将该切削液喷射到工件上地进行了切削。

每当进行规定次数的加工，利用白光干涉仪确认加工面的粗糙度，得到如下结果：在（1）的情况下，无论切削距离为多少，粗糙度为60nm～68nm的范围的值，在（3）的情况下，无论切削距离为多少，粗糙度为30nm～37nm的范围的值，在（4）的情况下，当切削距离为3500mm以下时粗糙度大约为40nm附近的值，当切削距离大于3500mm时，粗糙度上升，为50nm～60nm的范围的值。

工业实用性

本发明可以适当地利用于模具的切削加工。

附图标记说明

100、模具；102、凹部（型腔）；104、平面部；106、斜面部；108、平面部；110、斜面部；112、平面部；120A、120B、切削装置；122、平台；124、工作台；126、心轴；128、固定用具；130、（心轴电动机的）主轴；132、球头立铣刀；134、切削刃；134a、圆弧部；134b、直线部；134c、134d、134e、直线部；134f、旋转中心部；136、切削刃；136a、136b、直线部；136c、圆弧部；136d、136e、直线部；138、切削刃；138a、直线部；138b、圆弧部；138c、直线部；138d、138e、138f、直线部；138g、圆弧部；138h、直线部；140、切削对象物；142、镀层；144、对准标记；146、正方向；148、反方向；150、152、154、区域；160、加工面；162、毛边；164、间隔；200、模具；202、204、206、208、区域；210、加工范围。

Claims (7)

1.一种切削工具，该切削工具一边旋转一边对模具进行切削加工，其特征在于，

该切削工具具有配置在旋转轴线上的切削刃，

所述切削刃的端刃所对应的部位与以所述旋转轴线作为法线的面之间所成的角度θ满足式（1）的条件，

－0.9°≤θ≤＋0.9°……（1）。

2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，

所述切削刃的切削速度F（mm/min（分））与所述切削刃的转速S（rpm）的关系满足式（3）的条件，

S>（F/0.00005）×|tanθ|……（3）。

3.根据权利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，

所述端刃的宽度W1与旋转半径的宽度W2的关系满足式（4）的条件，

W2－W1≥1μm  ……（4）。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的切削工具，其特征在于，

所述角度θ满足式（5）的条件，

－0.9°≤θ≤－0.1°……（5）。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的切削工具，其特征在于，

所述切削刃的端刃所对应的部位与加工对象物的被加工面的接触位置，位于比所述旋转轴线靠外侧的位置。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的切削工具，其特征在于，

所述切削刃设有与该切削刃的端刃所对应的部位相邻而比所述旋转轴线向外侧倾斜的部位。

7.根据权利要求6所述的切削工具，其特征在于，

在所述切削刃的端刃所对应的部位与所述倾斜的部位之间设有凸状的弯曲部。

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