CN113165127A - 机械加工方法、机械加工装置和切削条件生成装置 - Google Patents

Abstract

机械加工装置使具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃(A～D)的切削工具(10)关于被切削材料(6)相对地进给而对被切削材料(6)的表面进行加工。机械加工装置实施用多个切削刃(A～D)对被切削材料(6)的表面进行切削的切削工序和使切削工具(10)以规定的进给量关于被切削材料(6)相对移动的进给工序，而在被切削材料(6)的表面形成多个沟槽。规定的进给量被设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度。

Description

机械加工方法、机械加工装置和切削条件生成装置

技术领域

本公开涉及使用排列有多个切削刃的切削工具对被切削材料进行加工的技术。

背景技术

近年来，在金属表面上以亚微米级至微米级的间距形成凹凸的微小周期结构备受关注。非专利文献1示出了使用具有研磨成尖锐的单个尖头的单晶金刚石工具而在硬铜上以亚微米级的进给间隔(pick feed)转印了尖头形状的周期性的微小沟槽。非专利文献2公开了使用聚焦离子束而在单晶金刚石工具上形成周期性的4个微小突起(切削刃)，并利用4个微小突起而对被切削材料表面进行切削的技术。

(现有技术文献)

(非专利文献)

非专利文献1：Chun-Wei Liu,Jiwang Yan,and Shih-Chieh Lin,“Diamondturning of high-precision roll-to-roll imprinting molds for fabricatingsubwavelength gratings”,Optical Engineering 55(6),064105,2016年6月

非专利文献2：J.Sun,et al.,“Fabrication of periodic nanostructures bysingle-point diamond turning with focused ion beam built tool tips”,Journalof micromechanics and microengineering.22(2012年)115014(11pp)

发明内容

(发明所要解决的问题)

由于非专利文献1所示的工具只具有单个尖头，因此制作周期性的微小沟槽时的加工效率低。非专利文献2所出的工具具有周期性的4个切削刃，并将进给间隔设定为4个周期量的长度，据此与一个切削刃的情况相比能够以4倍的加工效率制作出周期性的微小沟槽。如此，在通过切削加工形成微小周期结构的情况下，优选利用具有多个周期性的切削刃的切削工具。

如非专利文献2所述，若利用聚焦离子束，能够以微米级的间隔形成周期性的切削刃，但存在工具的制造成本变高的问题。因此，期望使用具有比微米级大的间隔的多个切削刃而以微米级以下的间距生成微小沟槽的技术。

本公开是鉴于这种状况而提出的，其目的之一在于，提供一种使用具有周期性的切削刃的切削工具而以比切削刃的间隔小的间距进行沟槽加工的技术。该技术可利用于形成上述微小周期结构时，但也可利用于以比切削刃的间隔小的间距形成平行的沟槽时。

(解决问题所采用的措施)

为了解决上述问题，本发明的某一方式的机械加工方法涉及使用具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具对被切削材料进行加工的方法。该方法实施用多个切削刃对被切削材料表面进行切削的切削工序和使切削工具以规定的进给量关于被切削材料相对移动的进给工序，而在被切削材料表面形成多个沟槽。规定的进给量被设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度。

本发明的另一方式涉及使具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具关于被切削材料相对地进给而对被切削材料的表面进行加工的机械加工装置。该机械加工装置实施用多个切削刃对被切削材料表面进行切削的切削工序和使切削工具以规定的进给量关于被切削材料相对移动的进给工序，而在被切削材料表面形成多个沟槽。规定的进给量被设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度。

本发明的又另一方式涉及对具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具的进给量进行运算的切削条件生成装置。该切削条件生成装置具备：确定部，其在获取切削工具的切削刃尖端的间隔p、切削工具的刃数N、在被切削材料的表面形成的沟槽间距Δp时，基于间隔p、刃数N、比间隔p小的间距Δp来确定进给量。

附图说明

图1为示出实施方式的机械加工装置的示意性结构的图。

图2为示出切削工具的刀尖的结构的图。

图3为示出基于切削工具的周期微小结构的加工步骤的图。

图4为用于说明被切削材料的表面的加工状态的图。

图5为示出在自由曲面上形成微小沟槽的状态的图。

具体实施方式

图1示出实施方式的机械加工装置1的示意性结构。机械加工装置1是使切削工具10的刀尖10a接触于被切削材料6而进行车削加工的切削装置。此外，机械加工装置1也可以是进行刨削加工的切削装置。切削工具10的刀尖10a具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃，使用多个切削刃同时切削被切削材料6。机械加工装置1在机座5上具备以能够旋转的方式支撑被切削材料6的主轴箱2和尾座3、以及用于支撑切削工具10的刀架4。

旋转机构8设置于主轴箱2的内部，使安装有被切削材料6的主轴2a旋转。进给机构7设置于机座5上，使切削工具10关于被切削材料6相对移动。在该机械加工装置1中，进给机构7使刀架4在X轴、Y轴、Z轴方向上移动，由此使切削工具10关于被切削材料6相对移动。在此，X轴方向为水平方向且与被切削材料6的轴向正交的切入方向，Y轴方向为作为铅垂方向的切削方向，Z轴方向为与被切削材料6的轴向平行的进给方向。

控制部20具备：旋转控制部21，其对基于旋转机构8的主轴2a的旋转进行控制；以及移动控制部22，其在主轴2a的旋转过程中利用进给机构7使刀尖10a与被切削材料6接触，进行基于切削工具10的加工。旋转机构8和进给机构7构成为分别具有电机等的驱动部，旋转控制部21和移动控制部22分别调整对驱动部的供电而控制旋转机构8和进给机构7各自的动作。

切削条件生成装置30基于操作员所输入的信息等来生成控制部20中所使用的切削条件。切削条件生成装置30具备：获取部31，其获取与切削相关的信息；以及确定部32，其基于所获取的信息来确定切削条件。获取部31获取操作员所输入的信息，还从工具主表(master table)等中获取与工具相关的规格。机械加工装置1可以是NC(数控)机床，切削条件生成装置30生成NC机床所利用的NC数据而提供给控制部20。切削条件生成装置30可以是机械加工装置1的一部分，也可以作为单独的装置而存在。

此外，在实施方式的机械加工装置1中，被切削材料6安装于主轴2a而在旋转机构8的作用下旋转，但在其他的示例中，也可以是切削工具10安装于主轴2a而在旋转机构8的作用下旋转。此外，进给机构7只要使切削工具10相对于被切削材料6移动即可，只要具有使切削工具10或者被切削材料6中的至少一方移动的机构即可。

图2示出切削工具10的刀尖10a的结构。在刀尖10a上形成有多个切削刃A、B、C、D，相邻刀尖的尖端的间隔被设定为相等。下面，设切削刃尖端的间隔为“p”，刃数为“N”。切削刃尖端可以由例如金刚石涂层、单晶金刚石、立方氮化硼(CBN)、多晶金刚石、纳米多晶金刚石等形成。被切削材料6的表面可以是在进给方向上具有直线形状的面(即平面)、在与纸面垂直的切削方向上具有曲率的圆筒面或圆锥面、其他的曲面、或者在进给方向上具有近似于直线形状的曲面。

实施方式的机械加工装置1实施用多个切削刃A～D对被切削材料6的表面进行切削的切削工序和使切削工具10以规定的进给量关于被切削材料6相对移动的进给工序，在被切削材料6的表面形成多个沟槽。如下面说明那样，机械加工装置1以比切削刃尖端的间隔p小的沟槽间距Δp形成多个沟槽。

图3示出基于排列有多个切削刃的切削工具的周期微小结构的加工步骤。移动控制部22控制进给机构7而使切削工具10关于被切削材料6相对移动。移动控制部22交替重复使一个以上的切削刃A～D切入到被切削材料6而对被切削材料表面进行切削的切削工序(S1)和使切削工具10在与切削方向(X轴方向)正交的进给方向(Z轴方向)上以规定的进给量(周期进给量)关于被切削材料6相对移动的进给工序(S2)，由此在被切削材料6的表面形成平行的多个沟槽。此外，进给方向不一定必须与切削方向正交，多个沟槽的平行度可以包含在不脱离实现周期微小结构的目的的范围内的实质上平行的形态。

在切削工序中，移动控制部22使切削刃A～D慢慢切入到被切削材料6而在规定的深度停止，并在该状态下至被切削材料6旋转一圈以上为止使切削刃A～D静止之后，将切削刃A～D从被切削材料6抽出。之后，移动控制部22实施进给工序而使切削工具10以规定的进给间隔关于被切削材料6相对移动，并再次实施切削工序。在进给工序期间，切削材料6的旋转可继续，也可停止。

切削工序(S1)和进给工序(S2)重复执行直至以微米级以下的沟槽间距Δp形成周期性排列多个沟槽的沟槽结构为止(S3的“否”)，若形成了微小周期结构(S3的“是”)，则结束基于切削工具10的切削加工。基于移动控制部22的移动控制是根据切削条件生成装置30所生成的切削条件而执行。

加工开始之前，操作员向切削条件生成装置30输入在被切削材料6的表面所要形成的沟槽间距Δp。若获取部31获取沟槽间距Δp，则获取部31从工具DB(未图示)获取可形成沟槽间距Δp的切削工具的规格信息。为了在被切削材料6上形成微小周期结构，获取部31将具有沟槽间距Δp的q倍(q为2以上的整数)的切削刃尖端的间隔p的切削工具作为可形成沟槽间距Δp的切削工具来确定。例如，可以在工具DB中预先使每个切削工具保持有可形成的候选的沟槽间距，获取部31参照候选信息而确定可形成沟槽间距Δp的切削工具。当获取部31确定了切削工具时，获取部31至少读取包含切削刃尖端的间隔p、刃数N在内的规格信息。确定部32根据切削刃尖端的间隔p、刃数N、比间隔p小的沟槽间距Δp来确定作为进给量的进给间隔f。

在进给间隔为切削刃尖端的间隔p的整数倍时，沟槽间距Δp成为间隔p的整数倍(1倍)，不比间隔p小。因此，确定部32将进给间隔f设定为与间隔p的整数倍不同的长度。即确定部32确定进给间隔f，使得下式成立：

进给间隔f≠切削刃间隔p×S(S为整数)

此外，为了通过使进给间隔f恒定的切削加工来在被切削材料6上转印沟槽间距Δp的微小周期结构，确定部32将进给间隔f设定为沟槽间距Δp的m倍(m为2以上的整数)。因此，

进给间隔f＝m×Δp

其中，p＝q×Δp，进给间隔f被设定为不是间隔p的整数倍的长度，因此m成为q的非整数倍的值。此外，虽在后文叙述，刃数N优选为m以上。

下面，对将切削条件设定为

刃数N＝4

沟槽间距Δp＝p/3(q＝3)

进给间隔f＝4×Δp(m＝4)

时的加工步骤进行说明。

图4中的(a)～(i)为用于说明被切削材料6的表面的加工状态的图。该说明图示出在从被切削材料表面的右侧的位置RE至左侧的位置LE之间的切削范围内以沟槽间距Δp形成多个沟槽的过程。在图4中，使用从左侧开始依次排列有切削刃A、B、C、D的切削工具10而在被切削材料6上形成沟槽。切削刃的间隔p为3Δp。黑圈表示被切削的沟槽的位置，黑圈之上的A～D表示完成切削的切削刃。

图4中的(a)示出切削刃A对成为切削范围的右端的位置RE进行了加工的状态。

图4中的(b)示出将切削工具10向-Z方向移动了进给间隔f之后，切削刃A、B对被切削材料6进行了加工的状态。如上所述，进给间隔f为4Δp，切削刃尖端的间隔p为3Δp。假设，若将进给间隔f设定为间隔p的整数倍，则沟槽间距与间隔p相等，无法实现比间隔p小的Δp(＝p/3)。因此确定部32将进给间隔f确定为与切削刃尖端的间隔p的整数倍不同的长度，从而实现比间隔p小的沟槽间距Δp。就m和q的关系而言，m被设定为q的非整数倍的2以上的整数。

图4中的(c)示出将切削工具10向-Z方向进一步移动进给间隔f之后，切削刃A、B、C对被切削材料6进行了加工的状态。

图4中的(d)示出将切削工具10向-Z方向进一步移动进给间隔f之后，切削刃A、B、C、D对被切削材料6进行了加工的状态。在该状态下，所有的切削刃A～D对被切削材料6的切削范围进行加工。

图4中的(e)～(g)示出切削刃A～D对被切削材料6进行了加工的状态。在图4中的(g)中，切削刃A正对成为切削范围的左端的位置LE进行加工。

图4中的(h)示出切削刃C、D对被切削材料6进行了加工的状态，图4中的(i)示出切削刃D对被切削材料6进行了加工的状态。

如图4中的(a)～(i)所示，机械加工装置1使切削工具10以规定的进给间隔f移动而在被切削材料6的表面形成沟槽间距Δp的微小周期结构。

在实施方式中，使用刃数N为m以上的切削工具10。在图4所示的示例中，刃数N与m相等。假设，在刃数N小于m的情况下，无法如图4所示的那样形成基于(N-m)个切削刃的沟槽。例如，在刃数N为3、不存在切削刃D的情况下，在图4中由切削刃D加工的沟槽不存在，无法形成周期结构。因此刃数N为m以上是必要的。

另一方面，参照图4，在刃数N大于m的情况下，其他切削刃会对已经形成的沟槽进行加工。例如在图4的示例中，在存在第五个切削刃E的情况下，切削刃E再次对切削刃A已加工的沟槽进行加工，不会形成新的沟槽。因此，当刃数N与m相等时，多个切削刃不会重复切削相同位置，能够进行效率良好的加工。

本公开人对m和q的关系进行研究的结果，发现了通过将m和q设定为互质的关系来能够实现具有沟槽间距Δp的微小周期结构的情况。假设，在m和q存在1以外的公约数CF的情况下，作为结果，周期结构中的沟槽间距会变为CF×Δp。因此确定部32确定与q成为互质的m，从而能够设定用于实现沟槽间距Δp的进给间隔f。

在上述示例中，在在进给方向上具有直线形状或者近似于直线的形状的面上形成微小周期结构，因此连接多个切削刃A～D的尖端的线优选为直线状。另一方面，在作为目标的加工面在进给方向上具有曲率的情况下，可以使用连接多个切削刃尖端的线成为圆弧状的切削工具10。例如，在自由曲面上形成微小沟槽表面的情况下，移动控制部22进行姿态控制，以使切削工具10绕切削方向旋转而使连接多个切削刃尖端的线大致平行于被切削的自由曲面，并沿着作为目标的加工面提供进给间隔f。在该情况下，连接多个切削刃尖端的线的曲率接近于加工面的曲率，相对于刀尖宽度w的切入深度方向的偏移有必要小于所形成的沟槽深度。将连接多个切削刃尖端的圆弧的半径设为Rt，作为目标的自由曲面的加工位置处的曲率半径设为Rw的话，偏移ε由下式近似导出。

[数1]

例如，若p＝5μm、Δp＝250nm、f＝5.25μm(m＝21)、N＝21、w＝N×Δp、Rt＝1mm、Rw＝100mm，则可计算出

ε＝0.0034μm。

该偏移对于亚微米级的超微小沟槽形状来说足够小。此外，与现有的单个切削刃的加工方法(进给间隔f为与Δp相等的250nm)相比，可实现5.25μm/250nm＝21倍的加工效率。

在上述自由曲面的加工方法中，对切削工具10的姿态进行了控制，而在下面的加工方法中，在不改变切削工具10的姿态的情况下形成微小沟槽。

图5示出切削工具10在自由曲面上形成微小沟槽的状态。在该加工方法中，使用在圆弧上以间隔p周期性地形成了无数切削刃的切削工具10。移动控制部22不改变切削工具10的旋转角度(姿态)，将进给间隔f设为上述的m×Δp，使进给间隔方向与加工完成面生成区域的自由曲面切线方向相一致。由此，加工完成面生成区域的加工变得与参照图4说明的加工相同，可实现间距Δp的超微小沟槽的生成。在该加工方法中，将Rt设计为Rt≤Rw。

在上述实施方式中，机械加工装置1采用了交替重复用多个切削刃对切削材料6的表面进行切削的切削工序和使切削工具10以规定的进给间隔关于被切削材料6相对移动的进给工序的加工方法。即，机械加工装置1间断性地实施切削工序，在这种意义上，进给间隔为间断性地实施的切削工序之间的进给量。

作为另一方法，机械加工装置1也可以采用同时实施用多个切削刃对切削材料6的表面进行切削的切削工序和使切削工具10以规定的进给间隔关于被切削材料6相对移动的进给工序的加工方法。参照图1，机械加工装置1一边用多个切削刃对被切削材料6的圆筒面进行切削，同时使切削工具10沿着进给方向以规定的进给量关于被切削材料6相对移动。根据该加工方法，可连续实施切削工序，在被切削材料6的表面形成以螺旋状相连的多个沟槽。若使用如图2所示的具有4个切削刃A～D的切削工具10，则会在被切削材料6的表面形成4条平行的螺旋沟槽。

在采用该加工方法的情况下，在连续实施的切削工序中的进给量也被定义为每一转的进给量(μm/rev)，并只要被设定为在实施方式中作为进给间隔而计算出的值f即可。在车削加工的情况下，通过将每一转的进给量设定为值f，能够利用连续加工高效率地制作周期微小结构。此外，并不限定于在直径恒定的圆筒面上连续加工螺旋状的多个沟槽的车削加工，在圆锥面、球面、近似于球面的非球面、端面(平面)、其他的轴对称曲面上连续加工出直径逐渐变化的螺旋状的多个沟槽的车削加工中，也可以将每一转的进给量设定为值f。

以上，基于实施方式对本公开进行了说明。本领域技术人员可以理解的是：该实施方式是一个示例，各构件、各处理过程的组合可产生各种各样的变形例，并且这些变形例都属于本公开的范围。

例如，在切削方向上也需要微小形状的情况下，可以改变切削方向并通过上述步骤在相同位置进行微小沟槽加工，也可以与日本特开2017-217720号公报所公开的微小加工方法进行组合。

本公开的方式的概要如下。本公开的某一方式是用具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具对被切削材料进行加工的方法，实施用多个切削刃对被切削材料表面进行切削的切削工序和使切削工具以规定的进给量关于被切削材料相对移动的进给工序而在被切削材料的表面形成多个沟槽。规定的进给量被设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度。通过将规定的进给量设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度，能够使所形成的沟槽的间隔小于切削刃尖端的间隔。

在该加工方法中，可以在被切削材料的表面以切削刃尖端的间隔p的1/q倍(q为2以上的整数)的沟槽间距Δp形成平行的沟槽。由此，即使无法在切削工具上以Δp的间距形成多个切削刃，也可以在被切削材料上以Δp的间距形成多个沟槽。

在该加工方法中，可以将规定的进给量以沟槽间距Δp的m倍(m为2以上的整数)设定。此时，使m不为q的整数倍。通过将m和q设定为互质，能够以规定的进给间隔加工出周期性的沟槽。优选使用刃数N为m以上的切削工具，刃数N可以与m相等。规定的进给量可以是间断性地实施的切削工序之间的进给量，也可以是连续实施的切削工序中的进给量。

本发明的另一方式为切削加工装置。该装置是使具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具关于被切削材料进行相对性进给而对被切削材料的表面进行加工的机械加工装置，其实施用多个切削刃对被切削材料表面进行切削的切削工序和使切削工具以规定的进给量关于被切削材料相对移动的进给工序而在被切削材料的表面形成多个沟槽。规定的进给量可被设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度。

本发明的又另一方式为对具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具的进给量进行运算的切削条件生成装置。该装置包括：获取部，其获取切削工具的切削刃尖端的间隔p、切削工具的刃数N、在被切削材料的表面形成的沟槽间距Δp；以及确定部，其基于间隔p、刃数N、比间隔p小的间距Δp来确定进给量。

(附图标记的说明)

1：机械加工装置；6：被切削材料；10：切削工具；20：控制部；

21：旋转控制部；22：移动控制部；30：切削条件生成装置；

31：获取部；32：确定部。

(产业上的可利用性)

本公开能够利用于使用排列有多个切削刃的切削工具进行沟槽加工的技术。

Claims (13)

1.一种机械加工方法，其使用具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具对被切削材料进行加工，其特征在于，

实施用多个切削刃对被切削材料表面进行切削的切削工序和使切削工具以规定的进给量关于被切削材料相对移动的进给工序，而在被切削材料表面形成多个沟槽，

规定的进给量被设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度。

2.根据权利要求1所述的机械加工方法，其特征在于，

在被切削材料的表面以切削刃尖端的间隔p的1/q倍(q为2以上的整数)的沟槽间距Δp形成平行的沟槽。

3.根据权利要求2所述的机械加工方法，其特征在于，

规定的进给量被设定为沟槽间距Δp的m倍(m为2以上的整数)，m不为q的整数倍。

4.根据权利要求3所述的机械加工方法，其特征在于，

m和q互质。

5.根据权利要求3或4所述的机械加工方法，其特征在于，

使用刃数N为m以上的切削工具。

6.根据权利要求5所述的机械加工方法，其特征在于，

刃数N为m。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的机械加工方法，其特征在于，

规定的进给量为间断性地实施的切削工序之间的进给量。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的机械加工方法，其特征在于，

规定的进给量为连续实施的切削工序中的进给量。

9.一种机械加工装置，其使具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具关于被切削材料相对地进给而对被切削材料的表面进行加工，其特征在于，

实施用多个切削刃对被切削材料表面进行切削的切削工序和使切削工具以规定的进给量关于被切削材料相对移动的进给工序，而在被切削材料表面形成多个沟槽，

规定的进给量被设定为与切削刃尖端的间隔的整数倍不同的长度。

10.根据权利要求9所述的机械加工装置，其特征在于，

在被切削材料的表面以切削刃尖端的间隔p的1/q倍(q为2以上的整数)的沟槽间距Δp形成平行的沟槽。

11.根据权利要求10所述的机械加工装置，其特征在于，

规定的进给量被设定为沟槽间距Δp的m倍(m为2以上的整数)，m不为q的整数倍。

12.根据权利要求11所述的机械加工方法，其特征在于，

m和q互质。

13.一种切削条件生成装置，其对具有相邻的切削刃的尖端的间隔相等的多个切削刃的切削工具的进给量进行运算，其特征在于，包括：

获取部，其获取切削工具的切削刃尖端的间隔p、切削工具的刃数N、在被切削材料的表面形成的沟槽间距Δp；以及

确定部，其基于间隔p、刃数N、比间隔p小的间距Δp来确定进给量。

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