JP2002066801A - 切削加工方法及び光学素子及び光学素子成形用金型 - Google Patents
切削加工方法及び光学素子及び光学素子成形用金型Info
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- JP2002066801A JP2002066801A JP2000267392A JP2000267392A JP2002066801A JP 2002066801 A JP2002066801 A JP 2002066801A JP 2000267392 A JP2000267392 A JP 2000267392A JP 2000267392 A JP2000267392 A JP 2000267392A JP 2002066801 A JP2002066801 A JP 2002066801A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】環境に優しく高い加工精度を得ることができる
切削加工方法を提供する。 【解決手段】切削工具２と被加工物１とを相対的に微小
振動させることにより被加工物１を切削工具により切削
加工する切削加工方法において、被加工物１を、切削工
具２と被加工物の間の潤滑を行うための加工液１５が収
容された加工液容器１３内に配置し、被加工物の加工部
位が加工液中に位置する状態で切削加工を行う。
切削加工方法を提供する。 【解決手段】切削工具２と被加工物１とを相対的に微小
振動させることにより被加工物１を切削工具により切削
加工する切削加工方法において、被加工物１を、切削工
具２と被加工物の間の潤滑を行うための加工液１５が収
容された加工液容器１３内に配置し、被加工物の加工部
位が加工液中に位置する状態で切削加工を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自由曲面や回折格
子を有する光学素子或いはその金型の超精密切削加工に
おいて、加工に使用する切削油等の大気への拡散を防止
して環境汚染や人体の健康への悪影響を低減させるとと
もに高い加工精度を得るための技術に関するものであ
る。
子を有する光学素子或いはその金型の超精密切削加工に
おいて、加工に使用する切削油等の大気への拡散を防止
して環境汚染や人体の健康への悪影響を低減させるとと
もに高い加工精度を得るための技術に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、図３に示すように、被加工物１の
長手方向を母線方向（Ｘ方向）、短手方向を子線方向
（Ｙ方向）とした場合、母線方向と子線方向の曲率半径
が異なるトーリック形状であり、さらに子線方向の曲率
半径が母線の位置によって変化するような自由曲面を持
つ光学部品或いはその金型を高精度に加工するために
は、単結晶ダイヤモンドバイト２ａとシャンク２ｂから
なる切削工具２を切削工具ホルダ３に取り付け、静圧軸
受けで支持される高回転精度の主軸４により切削工具を
回転させてフライカット切削を行いながら、被加工物と
切削工具を図示しない超精密加工機により相対的に直交
３軸方向に移動させ所定の形状を創成している。
長手方向を母線方向（Ｘ方向）、短手方向を子線方向
（Ｙ方向）とした場合、母線方向と子線方向の曲率半径
が異なるトーリック形状であり、さらに子線方向の曲率
半径が母線の位置によって変化するような自由曲面を持
つ光学部品或いはその金型を高精度に加工するために
は、単結晶ダイヤモンドバイト２ａとシャンク２ｂから
なる切削工具２を切削工具ホルダ３に取り付け、静圧軸
受けで支持される高回転精度の主軸４により切削工具を
回転させてフライカット切削を行いながら、被加工物と
切削工具を図示しない超精密加工機により相対的に直交
３軸方向に移動させ所定の形状を創成している。
【０００３】この際、被加工物の材質は、金型の場合は
リン青銅や無電解ニッケルメッキなどの軟質金属であ
り、直接光学部品に使用する場合は光学用樹脂、ガラス
でも切り込みが１μm前後であれば切削できる。どのよ
うな材質であれ加工の進行とともにダイヤモンドバイト
は摩耗し、表面粗さや形状精度が劣化してくるため、摩
耗抑制のために精製度の高い鉱物油である切削油５を加
工点に向けノズル６から噴射する。切削油は加工点へ浸
入し易いように空気と混合されミスト状態となってお
り、加工点における冷却と潤滑及び切り粉の排出を行っ
ている。
リン青銅や無電解ニッケルメッキなどの軟質金属であ
り、直接光学部品に使用する場合は光学用樹脂、ガラス
でも切り込みが１μm前後であれば切削できる。どのよ
うな材質であれ加工の進行とともにダイヤモンドバイト
は摩耗し、表面粗さや形状精度が劣化してくるため、摩
耗抑制のために精製度の高い鉱物油である切削油５を加
工点に向けノズル６から噴射する。切削油は加工点へ浸
入し易いように空気と混合されミスト状態となってお
り、加工点における冷却と潤滑及び切り粉の排出を行っ
ている。
【０００４】以上のような加工法により、表面粗さ数十
nm、形状誤差がサブμmの超精密切削が可能である。一
般的なフライス加工やドリル加工では、クーラント（水
溶性の切削油）を大量に加工点にかけるが、振動が大き
くなるため超精密切削ではこの方式は使用されない。ま
た、フライカット切削では切削工具が高速に大きな軌道
で回転するため、クーラントの飛散が激しく、この点に
おいてもクーラントをかける方式は使用できない
nm、形状誤差がサブμmの超精密切削が可能である。一
般的なフライス加工やドリル加工では、クーラント（水
溶性の切削油）を大量に加工点にかけるが、振動が大き
くなるため超精密切削ではこの方式は使用されない。ま
た、フライカット切削では切削工具が高速に大きな軌道
で回転するため、クーラントの飛散が激しく、この点に
おいてもクーラントをかける方式は使用できない
【発明が解決しようとする課題】切削油をミスト状にし
て使用する加工では、切削油が飛散してしまうため回収
することが困難である。何割かは集塵機で吸引される
が、ほとんどはウェスなどに吸い取られウェスとともに
焼却されるか、加工機に付着してやはりウェスで拭き取
られ焼却されるか、或いは大気へ拡散・飛散する。この
ような状況は切削油の回収ができず資源の損失であると
ともに、環境や人体に悪影響を与え、また回収されない
切削油が装置の案内部等に浸入して、装置の精度を低下
させる。
て使用する加工では、切削油が飛散してしまうため回収
することが困難である。何割かは集塵機で吸引される
が、ほとんどはウェスなどに吸い取られウェスとともに
焼却されるか、加工機に付着してやはりウェスで拭き取
られ焼却されるか、或いは大気へ拡散・飛散する。この
ような状況は切削油の回収ができず資源の損失であると
ともに、環境や人体に悪影響を与え、また回収されない
切削油が装置の案内部等に浸入して、装置の精度を低下
させる。
【０００５】以上のような湿式加工における問題を解決
するため、切削油を使用しない乾式切削が提案されてい
るが、全く切削油を使用しない乾式切削では良好な切れ
味が得られず、むしれ等が発生し、光学部品に必要な数
十ｎｍレベルの鏡面を得ることができない。
するため、切削油を使用しない乾式切削が提案されてい
るが、全く切削油を使用しない乾式切削では良好な切れ
味が得られず、むしれ等が発生し、光学部品に必要な数
十ｎｍレベルの鏡面を得ることができない。
【０００６】湿式加工と乾式加工の中間的なセミドライ
加工も提案されている。例えば、特公昭６３−６２３３
９号公報や特許第２９０４２０５号公報では、加工点に
窒素等の不活性ガスを噴射させ酸素を遮断或いは酸素濃
度を低下させて、加工面、切り屑、工具の酸化を防止す
るとともに、不活性ガスが低温であるため冷却効果も得
られ乾式加工が可能であるとしている。しかしながら、
これらは酸化しやすい材質に適していること、完全な乾
式よりは焼け、割れ、チッピングが少ないこと等の効果
はあるが、軟質金属の超精密切削における効果は不明で
あり、また少なくとも室温以下の低温ガスを使用するた
め、被加工物が熱変形し、サブμmの形状精度が要求さ
れ１℃レベルの温度変化でも形状不良を起こす超精密切
削には使用することができない。
加工も提案されている。例えば、特公昭６３−６２３３
９号公報や特許第２９０４２０５号公報では、加工点に
窒素等の不活性ガスを噴射させ酸素を遮断或いは酸素濃
度を低下させて、加工面、切り屑、工具の酸化を防止す
るとともに、不活性ガスが低温であるため冷却効果も得
られ乾式加工が可能であるとしている。しかしながら、
これらは酸化しやすい材質に適していること、完全な乾
式よりは焼け、割れ、チッピングが少ないこと等の効果
はあるが、軟質金属の超精密切削における効果は不明で
あり、また少なくとも室温以下の低温ガスを使用するた
め、被加工物が熱変形し、サブμmの形状精度が要求さ
れ１℃レベルの温度変化でも形状不良を起こす超精密切
削には使用することができない。
【０００７】別の試みとして、特開平１０−８６０３６
号公報では、−１℃以下の乾燥空気と植物油等の無公害
油からなる微粒子状油を用い鏡面研削を可能にしている
が、やはり冷風のため形状精度が劣化し超精密切削には
使用できない。
号公報では、−１℃以下の乾燥空気と植物油等の無公害
油からなる微粒子状油を用い鏡面研削を可能にしている
が、やはり冷風のため形状精度が劣化し超精密切削には
使用できない。
【０００８】したがって、湿式切削における環境問題と
乾式切削における表面粗さ或いは形状精度劣化を防止す
る、環境に優しく高い加工精度を得ることができる実用
的な加工法がなかった。
乾式切削における表面粗さ或いは形状精度劣化を防止す
る、環境に優しく高い加工精度を得ることができる実用
的な加工法がなかった。
【０００９】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、環境に優しく高い加工
精度を得ることができる切削加工方法及びそれにより加
工された光学素子及び光学素子成形用金型を提供するこ
とである。
されたものであり、その目的は、環境に優しく高い加工
精度を得ることができる切削加工方法及びそれにより加
工された光学素子及び光学素子成形用金型を提供するこ
とである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明に係わる切削加工方法
は、切削工具と被加工物とを相対的に微小振動させるこ
とにより該被加工物を前記切削工具により切削加工する
切削加工方法において、前記被加工物を、前記切削工具
と前記被加工物の間の潤滑を行うための加工液が収容さ
れた加工液容器内に配置し、前記被加工物の加工部位が
前記加工液中に位置する状態で切削加工を行うことを特
徴としている。
目的を達成するために、本発明に係わる切削加工方法
は、切削工具と被加工物とを相対的に微小振動させるこ
とにより該被加工物を前記切削工具により切削加工する
切削加工方法において、前記被加工物を、前記切削工具
と前記被加工物の間の潤滑を行うための加工液が収容さ
れた加工液容器内に配置し、前記被加工物の加工部位が
前記加工液中に位置する状態で切削加工を行うことを特
徴としている。
【００１１】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記加工液を前記加工部位に噴射し、切削により
発生した切り粉が混入した前記加工液を前記加工液容器
から排出し、前記切り粉を取り除いた後に、再び前記加
工部位に噴射させて前記加工液を循環させることを特徴
としている。
いて、前記加工液を前記加工部位に噴射し、切削により
発生した切り粉が混入した前記加工液を前記加工液容器
から排出し、前記切り粉を取り除いた後に、再び前記加
工部位に噴射させて前記加工液を循環させることを特徴
としている。
【００１２】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記加工液の温度を一定に温度制御することを特
徴としている。
いて、前記加工液の温度を一定に温度制御することを特
徴としている。
【００１３】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記加工液は、水であることを特徴としている。
いて、前記加工液は、水であることを特徴としている。
【００１４】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記加工液は、水に防錆剤又は防腐剤の少なくと
も一方を添加したものであることを特徴としている。
いて、前記加工液は、水に防錆剤又は防腐剤の少なくと
も一方を添加したものであることを特徴としている。
【００１５】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記加工液は、切削油であることを特徴としてい
る。
いて、前記加工液は、切削油であることを特徴としてい
る。
【００１６】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記切削工具を、主分力方向のみに振動させるか
又は主分力方向と背分力方向の２方向に楕円状に振動さ
せるとともに、前記被加工物と前記切削工具を相対的に
直交３軸方向、又は直交３軸方向と回転１軸方向に移動
させ、所望の形状を創成することを特徴としている。
いて、前記切削工具を、主分力方向のみに振動させるか
又は主分力方向と背分力方向の２方向に楕円状に振動さ
せるとともに、前記被加工物と前記切削工具を相対的に
直交３軸方向、又は直交３軸方向と回転１軸方向に移動
させ、所望の形状を創成することを特徴としている。
【００１７】また、本発明に係わる光学素子は、上記の
切削加工方法により加工されたことを特徴としている。
切削加工方法により加工されたことを特徴としている。
【００１８】また、本発明に係わる光学素子成形用金型
は、上記の切削加工方法により加工されたことを特徴と
している。
は、上記の切削加工方法により加工されたことを特徴と
している。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施形態
について説明する。
について説明する。
【００２０】まず、本実施形態の概要について説明す
る。
る。
【００２１】本実施形態では、自由曲面や回折格子など
複雑な形状を高精度に切削加工する場合において、工具
を微小振動させて振動切削するとともに、被加工物を加
工液容器に入れ、加工点に加工液を噴射するとともに加
工点が加工液内にあるよう液面を調整し、また加工液を
加工液容器から排出し切り粉をフィルターで除去し、ま
た加工液容器に戻して循環させる。また、循環経路内に
液体温度制御装置を設け、液体温度を常に常温（室温）
に管理する。
複雑な形状を高精度に切削加工する場合において、工具
を微小振動させて振動切削するとともに、被加工物を加
工液容器に入れ、加工点に加工液を噴射するとともに加
工点が加工液内にあるよう液面を調整し、また加工液を
加工液容器から排出し切り粉をフィルターで除去し、ま
た加工液容器に戻して循環させる。また、循環経路内に
液体温度制御装置を設け、液体温度を常に常温（室温）
に管理する。
【００２２】従来のフライカット加工では切削工具が高
速で旋回するため、加工点に液体をかけると液体の飛散
が激しく、また加工液が確実に加工点に届くかどうか不
確実であるため、液体を加工点にかけることは行ってい
ない。
速で旋回するため、加工点に液体をかけると液体の飛散
が激しく、また加工液が確実に加工点に届くかどうか不
確実であるため、液体を加工点にかけることは行ってい
ない。
【００２３】しかしながら、本実施形態の構成によれ
ば、切削工具が大きな旋回運動をせず、加工点近傍で微
小に振動するのみであるため、切削工具と被加工物を加
工液体中に入れても飛散することがなく、液体状の切削
液を使用することができる。
ば、切削工具が大きな旋回運動をせず、加工点近傍で微
小に振動するのみであるため、切削工具と被加工物を加
工液体中に入れても飛散することがなく、液体状の切削
液を使用することができる。
【００２４】また、ミストを使用した場合のように大気
への拡散・飛散がなく環境劣化、人体の健康への悪影響
がない。また、液体を循環して再利用するため省資源に
もなる。
への拡散・飛散がなく環境劣化、人体の健康への悪影響
がない。また、液体を循環して再利用するため省資源に
もなる。
【００２５】また、切削油を使用する目的の大きな部分
を占める加工点、特に工具の冷却による摩耗防止に関し
ても、ミストではノズルの向きやかけ方、油粒子が加工
点にどの程度存在するかどうかの確率などで加工結果が
大きく左右される。しかし、本実施形態の方式では加工
点にはミストより多量の加工液が確実に存在するため、
冷却能力と冷却状態の安定性が高い。
を占める加工点、特に工具の冷却による摩耗防止に関し
ても、ミストではノズルの向きやかけ方、油粒子が加工
点にどの程度存在するかどうかの確率などで加工結果が
大きく左右される。しかし、本実施形態の方式では加工
点にはミストより多量の加工液が確実に存在するため、
冷却能力と冷却状態の安定性が高い。
【００２６】更に、摩耗を促進させる工具及び切り屑、
被加工面の酸化現象に対しても、加工点が液体中にあ
り、例えば水の酸素濃度は空気中の約１６％と低いため
酸化が起きにくく、工具摩耗を抑制する効果が大きい。
被加工面の酸化現象に対しても、加工点が液体中にあ
り、例えば水の酸素濃度は空気中の約１６％と低いため
酸化が起きにくく、工具摩耗を抑制する効果が大きい。
【００２７】使用する加工液体は、水或いは水に防錆
剤、防腐剤を添加したものでも、潤滑効果は低いが、冷
却効果と酸化防止効果が高いため使用可能である。被加
工物の材質が超硬合金のように硬度が高く工具摩耗が大
きな場合は、潤滑のため切削油を使用すると効果的であ
る。
剤、防腐剤を添加したものでも、潤滑効果は低いが、冷
却効果と酸化防止効果が高いため使用可能である。被加
工物の材質が超硬合金のように硬度が高く工具摩耗が大
きな場合は、潤滑のため切削油を使用すると効果的であ
る。
【００２８】ミストを加工点に噴射すると、ノズルから
出た瞬間に断熱膨張するため、ミストの温度が室温より
１〜２℃低下する。このため、同じ部分にミストが当た
っている時間が長い加工では被加工物が熱変形し形状誤
差が大きくなる。これに対し、本実施形態では被加工物
の周りを室温に制御した加工液が循環しているため、熱
変形による形状誤差がなく、高い形状精度が得られる。
出た瞬間に断熱膨張するため、ミストの温度が室温より
１〜２℃低下する。このため、同じ部分にミストが当た
っている時間が長い加工では被加工物が熱変形し形状誤
差が大きくなる。これに対し、本実施形態では被加工物
の周りを室温に制御した加工液が循環しているため、熱
変形による形状誤差がなく、高い形状精度が得られる。
【００２９】以上のような切削加工法によれば、自由曲
面や回折格子などの複雑な形状を持ち、数十ｎｍの表面
粗さとサブμmの形状精度が必要な光学部品及びその金
型を、環境や人体に悪影響を与えずに製作することが可
能である。
面や回折格子などの複雑な形状を持ち、数十ｎｍの表面
粗さとサブμmの形状精度が必要な光学部品及びその金
型を、環境や人体に悪影響を与えずに製作することが可
能である。
【００３０】以下、本実施形態について具体的に説明す
る。
る。
【００３１】図１は、本発明の一実施形態に係わる切削
加工装置の構成を示す図である。
加工装置の構成を示す図である。
【００３２】図１において、被加工物１は、母線方向
（Ｘ方向）の曲率半径と子線方向（Ｙ方向）の曲率半径
が任意に変化するような自由曲面形状を持つ樹脂成形用
金型である。母線方向の寸法は５０mm〜１００mm、子線
方向が１０mm程度である。母材はステンレスで切削加工
面には無電解ニッケルメッキが数十μmの厚さで施され
ており、このメッキ層を単結晶ダイヤモンドバイト２ａ
で切削する。２ｂはシャンクであり、全体で切削工具２
を構成している。
（Ｘ方向）の曲率半径と子線方向（Ｙ方向）の曲率半径
が任意に変化するような自由曲面形状を持つ樹脂成形用
金型である。母線方向の寸法は５０mm〜１００mm、子線
方向が１０mm程度である。母材はステンレスで切削加工
面には無電解ニッケルメッキが数十μmの厚さで施され
ており、このメッキ層を単結晶ダイヤモンドバイト２ａ
で切削する。２ｂはシャンクであり、全体で切削工具２
を構成している。
【００３３】７ａは切削工具を主分力方向（加工面に略
平行な方向）に振動させるための駆動素子であり、７ｂ
は背分力方向（加工面に略垂直な方向）に振動させるた
めの駆動素子である。駆動素子としては圧電素子或いは
超磁歪素子を使用する。駆動素子の一端はそれぞれ、ベ
ース部材８に弾性ヒンジ８ａ、８ｂを介して接着固定さ
れている。また、駆動素子の他端は弾性ヒンジ８ｃ、８
ｄを介して振動伝達部材８ｅに接着固定されている。ベ
ース部材８と振動伝達部材８ｅはもともと同一部材であ
り、平板を放電加工により、ベース部、ヒンジ部、圧電
素子挿入部、振動伝達部として形成したものである。ま
た、主分力方向の変位を拡大するための拡大機構を構成
するため弾性ヒンジ８ｆ、８ｇが設けられている。
平行な方向）に振動させるための駆動素子であり、７ｂ
は背分力方向（加工面に略垂直な方向）に振動させるた
めの駆動素子である。駆動素子としては圧電素子或いは
超磁歪素子を使用する。駆動素子の一端はそれぞれ、ベ
ース部材８に弾性ヒンジ８ａ、８ｂを介して接着固定さ
れている。また、駆動素子の他端は弾性ヒンジ８ｃ、８
ｄを介して振動伝達部材８ｅに接着固定されている。ベ
ース部材８と振動伝達部材８ｅはもともと同一部材であ
り、平板を放電加工により、ベース部、ヒンジ部、圧電
素子挿入部、振動伝達部として形成したものである。ま
た、主分力方向の変位を拡大するための拡大機構を構成
するため弾性ヒンジ８ｆ、８ｇが設けられている。
【００３４】この状態で、駆動制御装置９により駆動素
子７ａと駆動素子７ｂに位相差が９０度のｓｉｎ波電圧
を加えると、ダイヤモンドバイトの先端をＸＺ平面内で
楕円運動させることができる。振動振幅は主分力方向で
は変位がてこ機構で拡大され１００μm、背分力方向が
２０μmである。振動周波数は１００〜５００Ｈｚであ
る。構造的な共振を用いると振動周波数を２０〜３０ｋ
Ｈｚの超音波領域にすることができる。この場合は、駆
動素子の特性や駆動アンプの特性・容量等の制約で振動
振幅が小さくなるため、同じ理論表面粗さを得るには加
工時間が延びる。ベース部材８はスペーサ１０に固定さ
れ、更にスペーサは割り出し盤１１に固定されている。
割り出し盤は図示しないＺ（上下）スライダに搭載され
ており、このため切削工具はＸＺ面内の微小振動とＹ軸
回りの回転とＺ方向の運動が可能である。一方、被加工
物は雇い１２に固定され、雇いは加工液容器１３に入れ
られ固定されている。さらに加工液容器１３はＸＹ面内
（水平面内）を移動するＸＹスライダ１４に固定されて
いる。ＸＹスライダ１４は、静圧軸受けで支持されて、
リニアモータで駆動され、分解能０．６ｎｍのレーザ測
長器で位置検出される高精度スライダである。Ｚスライ
ダも同様の構成で同様の精度である。また、割り出し盤
も静圧軸受けで支持されて、ＤＣブラシレスモーターで
駆動され、分解能４．３×１０-6度のエンコーダで位置
検出される高精度割り出し盤である。
子７ａと駆動素子７ｂに位相差が９０度のｓｉｎ波電圧
を加えると、ダイヤモンドバイトの先端をＸＺ平面内で
楕円運動させることができる。振動振幅は主分力方向で
は変位がてこ機構で拡大され１００μm、背分力方向が
２０μmである。振動周波数は１００〜５００Ｈｚであ
る。構造的な共振を用いると振動周波数を２０〜３０ｋ
Ｈｚの超音波領域にすることができる。この場合は、駆
動素子の特性や駆動アンプの特性・容量等の制約で振動
振幅が小さくなるため、同じ理論表面粗さを得るには加
工時間が延びる。ベース部材８はスペーサ１０に固定さ
れ、更にスペーサは割り出し盤１１に固定されている。
割り出し盤は図示しないＺ（上下）スライダに搭載され
ており、このため切削工具はＸＺ面内の微小振動とＹ軸
回りの回転とＺ方向の運動が可能である。一方、被加工
物は雇い１２に固定され、雇いは加工液容器１３に入れ
られ固定されている。さらに加工液容器１３はＸＹ面内
（水平面内）を移動するＸＹスライダ１４に固定されて
いる。ＸＹスライダ１４は、静圧軸受けで支持されて、
リニアモータで駆動され、分解能０．６ｎｍのレーザ測
長器で位置検出される高精度スライダである。Ｚスライ
ダも同様の構成で同様の精度である。また、割り出し盤
も静圧軸受けで支持されて、ＤＣブラシレスモーターで
駆動され、分解能４．３×１０-6度のエンコーダで位置
検出される高精度割り出し盤である。
【００３５】以上のような構成において、加工点の母線
形状の法線方向が背分力方向に一致するよう切削工具を
割り出し盤で位置合わせしながら、切削工具を主分力方
向と背分力方向に振動させ、子線方向に連続的に送り、
１ライン加工後母線方向に数十μm送り、以上の動作を
繰り返して全域を加工する。このような運動をさせるた
めに、図示しないＮＣ装置からＸＹＺ、割り出し各軸に
所定の動作を指示する。
形状の法線方向が背分力方向に一致するよう切削工具を
割り出し盤で位置合わせしながら、切削工具を主分力方
向と背分力方向に振動させ、子線方向に連続的に送り、
１ライン加工後母線方向に数十μm送り、以上の動作を
繰り返して全域を加工する。このような運動をさせるた
めに、図示しないＮＣ装置からＸＹＺ、割り出し各軸に
所定の動作を指示する。
【００３６】加工液容器１３内には加工液１５が入れら
れ、被加工物は全体が加工液内に浸されている。加工液
の噴射ノズル１６からは加工液が加工点に向けられ噴射
される。加工液の吸引口１７は吸引ポンプ１８に接続さ
れており、加工液を加工液容器外へ排出する。ノズル１
６と吸引口１７は加工液の噴射・吸引により振動するた
め、この振動が被加工物１に伝達して加工精度を劣化さ
せないよう、加工液容器１３には直接、接触しない構成
にされている。
れ、被加工物は全体が加工液内に浸されている。加工液
の噴射ノズル１６からは加工液が加工点に向けられ噴射
される。加工液の吸引口１７は吸引ポンプ１８に接続さ
れており、加工液を加工液容器外へ排出する。ノズル１
６と吸引口１７は加工液の噴射・吸引により振動するた
め、この振動が被加工物１に伝達して加工精度を劣化さ
せないよう、加工液容器１３には直接、接触しない構成
にされている。
【００３７】排出された加工液には切り粉が混入してい
るため、数十μmとサブμmのメッシュのフィルタが２段
に入った濾過装置１９により切り粉を取り除く。吸引ポ
ンプ１８から排出された加工液は、吸引ポンプの発熱や
循環経路環境の温度変動により設定温度（室温である２
３℃）から変動しているため、恒温循環装置２０により
設定温度２３℃に対し、±０．０５℃の精度で加工液の
温度を一定にする。切り粉を除去し、温度が室温に戻さ
れた加工液が再びノズルから被加工物に噴射される。こ
のため、ミストを噴射すると断熱膨張によりミスト温度
が下がり、被加工物の温度が変化するために起こる形状
精度劣化がない。
るため、数十μmとサブμmのメッシュのフィルタが２段
に入った濾過装置１９により切り粉を取り除く。吸引ポ
ンプ１８から排出された加工液は、吸引ポンプの発熱や
循環経路環境の温度変動により設定温度（室温である２
３℃）から変動しているため、恒温循環装置２０により
設定温度２３℃に対し、±０．０５℃の精度で加工液の
温度を一定にする。切り粉を除去し、温度が室温に戻さ
れた加工液が再びノズルから被加工物に噴射される。こ
のため、ミストを噴射すると断熱膨張によりミスト温度
が下がり、被加工物の温度が変化するために起こる形状
精度劣化がない。
【００３８】加工液容器１３は密閉状態であれば吸引ポ
ンプ１８は必要ないが、加工液のシールが簡単なため、
開放状態にしてある。このため、恒温循環装置２０から
の吐出流量と吸引ポンプ１８による吸引流量に差がある
と、加工液容器１３内の加工液の量が変化し、加工液が
溢れる或いは無くなる可能性がある。そこで、液面セン
サ２１により、加工液の液面の高さを常に測定し、その
信号を液面制御装置２２に送り、液面制御装置２２はサ
ーボ弁２３に開閉信号を指示して、吸引流量を調整する
ことにより、加工液の液面の高さを一定に保っている。
加工液容器１３内ではノズルからの噴射と吸引口からの
吸引により、加工液の流れが出来ており、切り粉が加工
点付近に留まらないようになされている。加工液の循環
流量は温度の安定性を高めるため、そして切り粉を効果
的に排出するため、数ｌ／min必要である。
ンプ１８は必要ないが、加工液のシールが簡単なため、
開放状態にしてある。このため、恒温循環装置２０から
の吐出流量と吸引ポンプ１８による吸引流量に差がある
と、加工液容器１３内の加工液の量が変化し、加工液が
溢れる或いは無くなる可能性がある。そこで、液面セン
サ２１により、加工液の液面の高さを常に測定し、その
信号を液面制御装置２２に送り、液面制御装置２２はサ
ーボ弁２３に開閉信号を指示して、吸引流量を調整する
ことにより、加工液の液面の高さを一定に保っている。
加工液容器１３内ではノズルからの噴射と吸引口からの
吸引により、加工液の流れが出来ており、切り粉が加工
点付近に留まらないようになされている。加工液の循環
流量は温度の安定性を高めるため、そして切り粉を効果
的に排出するため、数ｌ／min必要である。
【００３９】加工液は基本的には水であり、循環経路内
の錆やバクテリアの発生を問題にする場合は防錆剤、防
腐剤を添加する。水は精製度の高い鉱物油やクーラント
に使用する水溶性の切削液に比べ潤滑性は低いが、加工
点が常に加工液である水中にあるため、ミストの噴霧及
び切削工具が高速で回転する場合にクーラントをかける
状態より加工点における加工液の存在確率が非常に高ま
り、切削工具の摩耗の最も大きな要因とされる工具刃先
の温度上昇（一般的に数百℃から千℃になるといわれ
る）を効果的に抑制できる。そのため、バイト摩耗の進
行を抑えられ、ダイヤモンドバイトの鋭利な切れ刃が維
持され、数十nmの表面粗さの鏡面とサブμmの形状精度
の自由曲面形状が加工全領域で得られる。
の錆やバクテリアの発生を問題にする場合は防錆剤、防
腐剤を添加する。水は精製度の高い鉱物油やクーラント
に使用する水溶性の切削液に比べ潤滑性は低いが、加工
点が常に加工液である水中にあるため、ミストの噴霧及
び切削工具が高速で回転する場合にクーラントをかける
状態より加工点における加工液の存在確率が非常に高ま
り、切削工具の摩耗の最も大きな要因とされる工具刃先
の温度上昇（一般的に数百℃から千℃になるといわれ
る）を効果的に抑制できる。そのため、バイト摩耗の進
行を抑えられ、ダイヤモンドバイトの鋭利な切れ刃が維
持され、数十nmの表面粗さの鏡面とサブμmの形状精度
の自由曲面形状が加工全領域で得られる。
【００４０】また、通常のフライカット加工では、加工
点のみにミストが噴射されるため、バイト刃先は被加工
物と接触する前後でしか冷却されないが、本方式ではバ
イトの刃先が数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚで微小振動しなが
ら、バイトと被加工物が接触している加工状態とバイト
と被加工物が離れる状態が繰り返され、どちらの状態で
もバイトの刃先は加工液中にあるため、被加工物との摩
擦で温度上昇したバイト刃先が、被加工物から離れた時
にも加工液すなわち水で冷却されるため、さらにバイト
刃先の冷却効率が高まる。
点のみにミストが噴射されるため、バイト刃先は被加工
物と接触する前後でしか冷却されないが、本方式ではバ
イトの刃先が数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚで微小振動しなが
ら、バイトと被加工物が接触している加工状態とバイト
と被加工物が離れる状態が繰り返され、どちらの状態で
もバイトの刃先は加工液中にあるため、被加工物との摩
擦で温度上昇したバイト刃先が、被加工物から離れた時
にも加工液すなわち水で冷却されるため、さらにバイト
刃先の冷却効率が高まる。
【００４１】加工直後の加工面及び切り粉は一般に非常
に高いエネルギーレベルにあって空気中の酸素と反応し
やすく、これらが酸化する際の酸化反応熱も加工点の発
熱要因として大きなウェイトを占めるとされる。水１ｃ
ｍ3中に溶解する酸素の容積は０．０３１ｃｍ3（２０℃
において）であり、空気１ｃｍ3中の酸素は約０．２ｃ
ｍ3であるため、水中の酸素濃度は空気中の約１６％と
低い。このため、加工面及び切り粉の酸化が空気中より
抑制され、酸化によるバイト刃先の温度上昇も空気中よ
り低く、バイト刃先の摩耗が更に抑えられる。
に高いエネルギーレベルにあって空気中の酸素と反応し
やすく、これらが酸化する際の酸化反応熱も加工点の発
熱要因として大きなウェイトを占めるとされる。水１ｃ
ｍ3中に溶解する酸素の容積は０．０３１ｃｍ3（２０℃
において）であり、空気１ｃｍ3中の酸素は約０．２ｃ
ｍ3であるため、水中の酸素濃度は空気中の約１６％と
低い。このため、加工面及び切り粉の酸化が空気中より
抑制され、酸化によるバイト刃先の温度上昇も空気中よ
り低く、バイト刃先の摩耗が更に抑えられる。
【００４２】被加工物が上記のような無電解ニッケルメ
ッキや、リン青銅、真鍮、無酸素銅などの軟質金属或い
は光学用樹脂の場合には加工液として水を使用すること
ができる。しかし、ステンレスや焼き入れ鋼、超硬材或
いは光学ガラスのように硬度が高い材料を加工するに
は、加工液に潤滑性が必要であり、精製度の高い鉱物油
や水溶性切削油を使用する。この際にも、加工液を同様
に回収、循環させるため、環境や人体に悪影響を与える
ことはない。難切削材の加工では、切削工具の楕円振動
周波数を数十ｋＨｚの超音波領域とし、切削抵抗を低減
させてバイト摩耗を抑制する。軟質金属では楕円振動で
なく、一般的な主分力方向のみの振動加工でもよい。
ッキや、リン青銅、真鍮、無酸素銅などの軟質金属或い
は光学用樹脂の場合には加工液として水を使用すること
ができる。しかし、ステンレスや焼き入れ鋼、超硬材或
いは光学ガラスのように硬度が高い材料を加工するに
は、加工液に潤滑性が必要であり、精製度の高い鉱物油
や水溶性切削油を使用する。この際にも、加工液を同様
に回収、循環させるため、環境や人体に悪影響を与える
ことはない。難切削材の加工では、切削工具の楕円振動
周波数を数十ｋＨｚの超音波領域とし、切削抵抗を低減
させてバイト摩耗を抑制する。軟質金属では楕円振動で
なく、一般的な主分力方向のみの振動加工でもよい。
【００４３】図２は、被加工物が回折格子である場合を
示した図である。
示した図である。
【００４４】図２において、２４は格子高さが数μmで
断面が鋸刃形状でＹ方向に直線の回折格子である。この
場合は、格子の斜面に合わせて割り出し盤により切削工
具をＹ軸回りに回転させ、切削工具をＹＺ平面内で楕円
振動するように振動させながらＹ方向に被加工物を送り
形状創生する。加工液の供給循環方法は自由曲面加工の
場合と同様である。
断面が鋸刃形状でＹ方向に直線の回折格子である。この
場合は、格子の斜面に合わせて割り出し盤により切削工
具をＹ軸回りに回転させ、切削工具をＹＺ平面内で楕円
振動するように振動させながらＹ方向に被加工物を送り
形状創生する。加工液の供給循環方法は自由曲面加工の
場合と同様である。
【００４５】これら振動切削と加工液中の切削加工法に
よって、レーザービームプリンターのスキャナ光学系に
使用されるトーリックレンズや回折光学素子、ヘッドマ
ウントディスプレイ用の自由曲面プリズムなどの光学素
子を環境や人体へ悪影響を与えることなく高精度に切削
加工することができる。光学プラスチック材料であれば
直接切削することができ、ガラス材料でも切り込みが１
〜２μm以下であれば加工できる。また量産用のリン青
銅や真鍮、鋼材や超硬材にニッケル系切削層を設けた金
型を加工できるので、これらを用いたプレスチック成形
やガラス成形により、自由曲面光学素子、回折光学素子
の量産が可能である。
よって、レーザービームプリンターのスキャナ光学系に
使用されるトーリックレンズや回折光学素子、ヘッドマ
ウントディスプレイ用の自由曲面プリズムなどの光学素
子を環境や人体へ悪影響を与えることなく高精度に切削
加工することができる。光学プラスチック材料であれば
直接切削することができ、ガラス材料でも切り込みが１
〜２μm以下であれば加工できる。また量産用のリン青
銅や真鍮、鋼材や超硬材にニッケル系切削層を設けた金
型を加工できるので、これらを用いたプレスチック成形
やガラス成形により、自由曲面光学素子、回折光学素子
の量産が可能である。
【００４６】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、切削工具を微小振動させ、切削工具と被加工物を加
工液である水中或いは切削油中に入れて加工し、さらに
切り粉処理と被加工物の温度制御のため加工液を循環さ
せる。このため、従来のようなミストの空気中への拡散
・飛散、クーラントの飛散や廃液処理がなく、環境や人
体へ対する悪影響が非常に少ない加工が実現できる。そ
れと同時にバイト刃先を効果的に冷却できるため、切削
工具の摩耗を抑制することができ、様々な材料において
光学部品として必要な鏡面加工と高い形状精度を得るこ
とができ、従来の湿式切削における環境問題と乾式切削
における表面粗さ或いは形状精度劣化を解決する、環境
に優しく高い加工精度を得ることができる実用的な加工
法を提供できる。
ば、切削工具を微小振動させ、切削工具と被加工物を加
工液である水中或いは切削油中に入れて加工し、さらに
切り粉処理と被加工物の温度制御のため加工液を循環さ
せる。このため、従来のようなミストの空気中への拡散
・飛散、クーラントの飛散や廃液処理がなく、環境や人
体へ対する悪影響が非常に少ない加工が実現できる。そ
れと同時にバイト刃先を効果的に冷却できるため、切削
工具の摩耗を抑制することができ、様々な材料において
光学部品として必要な鏡面加工と高い形状精度を得るこ
とができ、従来の湿式切削における環境問題と乾式切削
における表面粗さ或いは形状精度劣化を解決する、環境
に優しく高い加工精度を得ることができる実用的な加工
法を提供できる。
【００４７】またこの切削加工法により作成した金型を
用いてプレスチック成形やガラス成形をすることによ
り、自由曲面光学素子、回折光学素子の量産が可能とな
り、これら光学素子により光学部品点数の削減、光学性
能向上ができ、製品の小型化、高性能化、コストダウン
が可能になる。
用いてプレスチック成形やガラス成形をすることによ
り、自由曲面光学素子、回折光学素子の量産が可能とな
り、これら光学素子により光学部品点数の削減、光学性
能向上ができ、製品の小型化、高性能化、コストダウン
が可能になる。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
環境に優しく高い加工精度を得ることができる切削加工
方法を提供することができる。
環境に優しく高い加工精度を得ることができる切削加工
方法を提供することができる。
【図１】本発明の一実施形態に係わる切削加工装置の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図２】一実施形態の加工装置による回折格子の加工例
を示す図である。
を示す図である。
【図３】従来の切削加工法を示す図である。
１ 被加工物 ２ 切削工具 ７ａ、７ｂ 駆動素子 １３ 加工液容器 １５ 加工液 １６ 噴射ノズル １７ 吸引口 １８ 吸引ポンプ １９ 濾過装置 ２０ 恒温循環装置 ２２ 液面制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２３Ｂ 5/36 Ｂ２３Ｂ 5/36
Claims (9)
- 【請求項１】 切削工具と被加工物とを相対的に微小振
動させることにより該被加工物を前記切削工具により切
削加工する切削加工方法において、 前記被加工物を、前記切削工具と前記被加工物の間の潤
滑を行うための加工液が収容された加工液容器内に配置
し、前記被加工物の加工部位が前記加工液中に位置する
状態で切削加工を行うことを特徴とする切削加工方法。 - 【請求項２】 前記加工液を前記加工部位に噴射し、切
削により発生した切り粉が混入した前記加工液を前記加
工液容器から排出し、前記切り粉を取り除いた後に、再
び前記加工部位に噴射させて前記加工液を循環させるこ
とを特徴とする請求項１に記載の切削加工方法。 - 【請求項３】 前記加工液の温度を一定に温度制御する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の切削加工方
法。 - 【請求項４】 前記加工液は、水であることを特徴とす
る請求項１に記載の切削加工方法。 - 【請求項５】 前記加工液は、水に防錆剤又は防腐剤の
少なくとも一方を添加したものであることを特徴とする
請求項１に記載の切削加工方法。 - 【請求項６】 前記加工液は、切削油であることを特徴
とする請求項１に記載の切削加工方法。 - 【請求項７】 前記切削工具を、主分力方向のみに振動
させるか又は主分力方向と背分力方向の２方向に楕円状
に振動させるとともに、前記被加工物と前記切削工具を
相対的に直交３軸方向、又は直交３軸方向と回転１軸方
向に移動させ、所望の形状を創成することを特徴とする
請求項１に記載の切削加工方法。 - 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の
切削加工方法により加工されたことを特徴とする光学素
子。 - 【請求項９】 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の
切削加工方法により加工されたことを特徴とする光学素
子成形用金型。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000267392A JP3689622B2 (ja) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | 切削加工方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000267392A JP3689622B2 (ja) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | 切削加工方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002066801A true JP2002066801A (ja) | 2002-03-05 |
| JP3689622B2 JP3689622B2 (ja) | 2005-08-31 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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-
2000
- 2000-09-04 JP JP2000267392A patent/JP3689622B2/ja not_active Expired - Fee Related
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