JP2005138264A - 切削加工方法および切削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 急峻な形状変化のある被削面を切削する場合、工具干渉やびびりの発生によって高精度な加工が困難である。
【解決手段】 切削工具１８のシャンク１８ａの長手方向に沿った工具軸線１８ｃをワークＷの被削面に対して垂直に保ち、この工具軸線１８ｃを含む面内にて切削工具１８の切刃ノーズ１８ｂに楕円軌跡を描かせつつワークＷの被削面を切削する本発明による切削加工方法は、ワークＷに対する切削工具１８の干渉を回避するために工具軸線１８ｃをワークＷの被削面Ｗ_Ｓに対して傾斜させるステップと、ワークＷの被削面Ｗ_Ｓに対して切削工具１８による切削力の背分力がほほ垂直となるように、楕円軌跡を修正した状態でワークＷの被削面Ｗ_Ｓを切削するステップとを具えている。
【選択図】 図７

Description

本発明は、ワークの被削面に対して切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線を垂直に保ち、この工具軸線を含む面内にて切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせつつワークの被削面を切削する方法および装置に関する。

球体や円柱などのように単純な数式では表わすことができない、いわゆる自由曲面の高精度な鏡面加工を行う場合、例えば図１０に示すように単一の切刃１ａを持つ切削工具１を用いて工具ホルダ２を駆動回転させ、ワークＷの被削面Ｗ_Ｆに対するフライス加工を行うフライカット法が一般に採用されている。

また、特許文献１では、図１１に示すようにワークＷの被削面Ｗ_Ｆに対して垂直な面内で切削工具１の切刃ノーズ１ｂに二点鎖線で示すような楕円軌跡を描かせ加工する方法が提案されているが、切削工具１のシャンク１ｃの長手方向に沿った工具軸線１ｄが被削面Ｗ_Ｆの法線方向を向くように、切削工具１の姿勢を制御する法線追跡を行うことにより、自由曲面の加工を可能にしている。

特開２００２−３６００１号公報 特開２００２−２００５１９号公報

近年、複雑な不連続面を持ったワークや曲率半径の小さな光学部品などを製造する要求が高まっているが、底面に対して微小な垂直壁または斜面壁を持つ溝加工など、急峻な形状変化のある被削面を切削する場合、工具干渉やびびりなどの発生により、従来の方法では高精度な加工をすることが困難である。例えば、図１２および図１３は従来の方法では加工が困難な形状を持つワークＷの一例を示し、１５０nm以下の形状精度および５０nm以下の表面あらさＲ_ｙが要求されるものである。図１２ではワークＷに形成された矩形の窪みＷ_Ｄの内面が被削面であり、図１３ではワークＷに形成された円弧状の３次元曲面Ｗ_Ｒが被削面である。従来の放電加工などではこのような被削面に対して上述したような加工精度を得ることができない。

自由曲面の高精度鏡面加工に多用されているフライカット法では、図１４に示すように回転工具１を用いているため、この回転工具１の回転半径Ｒよりも小さな曲率半径を持つワークＷの被削面Ｗ_Ｆを加工することができない。このため、図１５に示すようなワークＷに形成された窪みＷ_Ｄを切削加工することも困難である。

また、切削工具に楕円軌跡を描かせる振動切削装置においても、図１６に示すように直交する被削面Ｗ_Ｆの一方を加工する際に切削工具１が他方の被削面Ｗ_Ｆに対して干渉を生ずるため、工具軸線の法線追跡ができない。このため、干渉を避ける目的で背分力方向の工具軸線を一方の被削面Ｗ_Ｆに対して傾斜させた場合、この時の切削工具１の動きを順に図１７〜図１９に示すが、切削工具１の楕円軌跡に切り屑Ｗ_Ｃの切り取り作用を持たせることができず、良好な被削面Ｗ_Ｆを得ることができない。

さらに、特許文献２に開示されたような非回転工具を用いた加工方法においても、図１２の形状を加工するためには、加工を所定の位置で停止し、その部分に精度の良い壁を創製する必要があるが、切りくずを切断し、精度良い加工面を加工することは困難である。

本発明の第１の形態は、切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線をワークの被削面に対して垂直に保ち、この工具軸線を含む面内にて前記切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせつつワークの被削面を切削する方法において、ワークに対する前記切削工具の干渉を回避するために前記工具軸線をワークの被削面に対して傾斜させるステップと、ワークの被削面に対して前記切削工具による切削方向がほほ平行となるように、前記楕円軌跡を修正してワークの被削面を切削するステップとを具えたことを特徴とするものである。

本発明においては、切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線をワークの被削面に対して垂直に保ち、この工具軸線を含む面内にて切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせつつワークの被削面を切削する。このような条件にて切削を行う際に切削工具とワークとに干渉が生ずる場合、工具軸線をワークの被削面に対して傾斜させてワークに対する切削工具の干渉を回避し、さらに切削工具による切削方向がワークの被削面に対してほぼ水平となるように、切削工具の切刃ノーズの楕円軌跡を修正した状態でワークの被削面を切削する。

本発明の第１の形態による切削加工方法において、工具軸線に対する楕円軌跡の長径の傾斜角がワークの被削面に対する工具軸線の傾斜角とほぼ等しいものであってよい。

本発明の第２の形態は、切削工具が取り付けられる工具ホルダと、この工具ホルダを支持する工具ヘッドと、この工具ヘッドに取り付けられ、当該工具ヘッドに対して前記工具ホルダを前記切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線と平行な第１の方向に振動させる第１のアクチュエータと、前記工具ヘッドに取り付けられ、前記工具ヘッドに対して前記工具ホルダを前記第１の方向に対して直交する第２の方向に振動させる第２のアクチュエータと、これら第１および第２のアクチュエータによる前記第１および第２の方向に沿った前記工具ホルダの振動周期および振幅を制御し、ワークの被削面に対して垂直な面内で前記切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせる制御手段と、前記工具ヘッドを前記第１および第２の方向に対して直交する軸線回りに傾動可能に支持するヘッドストックと、このヘッドストックに対して前記工具ヘッドを前記軸線回りに傾動させてワークに対する前記切削工具の干渉を回避させるヘッド傾動手段とを具え、前記制御手段は、ワークの被削面に対する前記工具軸線の傾斜角と、この工具軸線に対する前記楕円軌跡の長径の傾斜角とがほぼ等しくなるように、前記第１および第２の方向に沿った振動の位相を制御することを特徴とする切削加工装置にある。

本発明においては、切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線がワークの被削面に対して垂直となるように、ヘッド傾動手段を操作し、制御手段を介して第１および第２のアクチュエータを作動させ、工具ヘッドに対して工具ホルダを第１および第２の方向に沿って往復移動させ、工具軸線を含む面内にて切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせつつワークの被削面を切削する。このような条件にて切削を行う際に切削工具とワークとに干渉が生ずる場合、ヘッド駆動手段により工具ヘッドをヘッドストックに対して軸線回りに傾け、これによって工具軸線をワークの被削面に対して傾斜させてワークに対する切削工具の干渉を回避する。そして、この状態にてワークの被削面に対する工具軸線の傾斜角と、この工具軸線に対する楕円軌跡の長径の傾斜角とがほぼ等しくなるように、制御手段が第１および第２の方向に沿った工具ホルダの振動の位相を制御つつワークの被削面を切削する。

本発明の第２の形態による切削加工装置において、ワークが取り外し可能に固定されるワークテーブルと、このワークテーブルおよびヘッドストックを少なくとも軸線と平行な方向に相対移動させる送り手段とをさらに具えることができる。

本発明の切削加工方法によると、切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線をワークの被削面に対して垂直に保ち、この工具軸線を含む面内にて切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせつつワークの被削面を切削する際、ワークの被削面と切削工具との干渉を避けるために切削工具の工具軸線をワークの被削面に対して傾斜させた場合でも、ワークの被削面に対して切削工具による切削方向がほほ平行となるように、楕円軌跡を修正してワークの被削面を切削するようにしたので、向きが異なる複数の被削面を持ったワークに対しても、常に高い加工精度で切削加工を行うことができる。

工具軸線に対する楕円軌跡の長径の傾斜角がワークの被削面に対する工具軸線の傾斜角とほぼ等しい場合、より良好な加工精度で切削加工を行うことができる。

本発明の切削加工装置によると、ワークの被削面に対する工具軸線の傾斜角と、この工具軸線に対する切削工具の切刃の楕円軌跡の長径の傾斜角とがほぼ等しくなるように、工具ヘッドに対して第１および第２の方向に沿った工具ヘッドの振動の位相を制御する制御手段を設けたので、向きが異なる複数の被削面を持ったワークに対しても、常に高い加工精度で切削加工を行うことができる。

ワークが取り外し可能に固定されるワークテーブルと、このワークテーブルおよびヘッドストックを少なくとも軸線と平行な方向に相対移動させる送り手段とをさらに具えた場合、広い面積の被削面を持つワークであっても、何ら問題なく切削加工を行うことができる。

本発明をワークの表面に形成された矩形の窪みの内壁を切削加工する場合に応用した一実施形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の技術にも当然応用することができる。

本実施形態における切削加工装置の外観を図１に模式的に示し、その工具ヘッドの部分を抽出拡大断面構造を図２に模式的に示す。すなわち、ベッド１１上にはこのベッド１１に対して左右方向（以下、Ｘ軸方向と呼称する）および前後方向（以下、Ｙ軸方向と呼称する）に移動可能なＸＹステージ１２が取り付けられており、このＸＹステージ１２上には当該ＸＹステージ１２に対して上下方向（以下、Ｚ軸方向と呼称する）に延在する軸線回り（以下、Ｃ軸回りと呼称する）に回転可能なワークテーブル１３が取り付けられている。ワークＷが固定されるワークテーブル１３は割り出し回転可能であり、しかも旋削加工を可能とするために連続高速回転もできるようになっている。

一方、ベッド１１を跨ぐ門形フレーム１４には、ワークテーブル１３の上方に位置し、門形フレーム１４に対してＺ軸方向に移動可能なクロスビーム１５の両端部が取り付けられている。本発明におけるヘッドストックとしてのクロスビーム１５には、このクロスビーム１５に対してＹ軸方向の軸線回り（以下、Ｂ軸回りと呼称する）に回転可能な図示しないＢ軸回転ステージがあり、このＢ軸回転ステージに工具ヘッド１６が取り付けられている。また、この工具ヘッド１６には、当該工具ヘッド１６の旋回軸線と直交する２方向、つまり上下方向および左右方向に変位可能な工具ホルダ１７が取り付けられている。さらに、この工具ホルダ１７には切削工具１８が必要に応じて交換可能に装着され、そのシャンク１８ａの長手方向に沿った工具軸線１８ｃが工具ヘッド１６の旋回軸線と直交するよう、基本的には工具軸線１８ｃがＺ軸方向に延在するように切刃ノーズ１８ｂを下向き状態にして位置決めされる。本実施形態における切削工具１８は、先端に単結晶ダイヤモンドチップを接合した平バイトの形態を有する。

従って、工具ホルダ１７に取り付けられる切削工具１８は、ＸＹステージ１２およびワークテーブル１３の３軸（Ｘ，Ｙ，Ｃ軸）と、クロスビーム１５およびＢ軸回転ステージの２軸（Ｚ，Ｂ軸）とで５軸制御可能であり、これらの作動を制御するＮＣ制御装置１９によってワークテーブル１３に固定されるワークＷの被削面に対して任意の加工姿勢を取ることができるようになっている。本実施形態においては、このＮＣ制御装置１９によってワークＷおよび切削工具１８の切刃ノーズ１８ｂを２０nm以下の誤差にて精密位置決めすることができる。

工具ホルダ１７には、工具ホルダ１７のＹ軸方向の旋回軸線と直交する上下方向に任意の周期および任意の振幅にて工具ホルダ１７を揺動させる第１のアクチュエータ２０が取り付けられ、弾性継手２１を介して工具ヘッド１６に連結されている。本実施形態においては、第１のアクチュエータ２０による工具ホルダ１７の揺動方向と、工具ホルダ１７に取り付けられる切削工具１８の工具軸線１８ｃとが平行となるように設定されている。また、この第１のアクチュエータ２０と同様に、工具ホルダ１７の旋回軸線および第１のアクチュエータ２０による工具ホルダ１７の揺動方向に対してそれぞれ直交する左右方向に任意の周期および任意の振幅にて工具ホルダ１７を揺動させる第２のアクチュエータ２２が工具ホルダ１７に取り付けられ、弾性継手２３を介して工具ヘッド１６に連結されている。これら弾性継手２１，２３は、個々のアクチュエータ２０，２２による工具ホルダ１７の揺動方向に沿って弾性変形せず、これと直交する方向にのみ弾性変形可能となっている。第１および第２のアクチュエータ２０，２２にはケーブル２４および増幅器２５を介して発振装置２６が接続している。この発振装置２６から発せられる信号が増幅器２５にて増幅され、任意の波形を持つ駆動電流としてケーブル２４から第１および第２のアクチュエータ２０，２２にそれぞれ供給される。

このようにして、第１および第２のアクチュエータ２０，２２の振動周期とそれらの振動振幅とを同期させることにより、図３に示すように工具ホルダ１７に取り付けられた切削工具１８の先端の切刃ノーズ１８ｂに工具ヘッド１６の旋回軸線に対して垂直な面内で任意の楕円軌跡を描かせ、これをワークＷの被削面に対する切削運動として機能させることができる。本実施形態では、第１および第２のアクチュエータ２０，２２による工具ホルダ１７の駆動周波数が１００〜５００Ｈz，切削工具１８の工具軸線１８ｃ方向に沿った振幅（図３中、上下方向）が１０〜５０μm，これと直交する切削力の主分力方向の振幅（図３中、左右方向）が２０〜１００μm程度となるように設定される。
第１および第２のアクチュエータ２０，２２による工具ホルダ１７の上下方向および左右方向の変位は、工具ホルダ１７に取り付けられた一対の変位センサ２７，２８によってそれぞれ検出され、信号処理装置２９を介して変位制御装置３０へと出力されるようになっている。ＮＣ制御装置１９との間での情報の授受が行われる変位制御装置３０は、上述した第１および第２のアクチュエータ２０，２０を駆動するための発振装置２６の作動を制御するようになっている。これら一対の変位センサ２７，２８は、工具ヘッド１６の熱変位が生じにくい箇所に取り付けることが好ましく、切削工具１８が描く楕円軌跡をこれら一対の変位センサ２７，２８によって検出し、適当な楕円軌跡を設定する。

このような振動切削加工装置を用いて図１２に示すようなワークＷの表面に形成された矩形の窪みＷ_Ｄの内壁を切削加工する場合、ワークＷはワークテーブル１３上にセットされ、ＸＹステージ１２によりベッド１１上を動かされる一方、工具ヘッド１６がクロスビーム１５により昇降されてワークＷと切削工具１８との相対的な位置合わせが行われる。工具ヘッド１６に搭載された第１および第２のアクチュエータ２０，２２は、変位制御装置３０を介して発振装置２６により生成される任意波形の電流により、増幅器２５を介して所定の周波数および振幅にて駆動され、切削工具１８の切刃ノーズ１８ｂを被削面に対して垂直な面内で楕円軌跡を描かせ、これによって１５０nm以下の寸法形状精度と５０nm以下の表面あらさＲ_ｙとを達成し得る被削面の切削加工を行う。この場合、ワークＷまたは切削工具１８の送りは、基本的に切刃ノーズ１８ｂの楕円軌跡に対して直交する方向に行われる。

窪みＷ_Ｄの底面Ｗ_Ｂに対する切削加工のように、ワークＷの被削面に対して工具軸線１８ｃが法線方向を向く図４中、実線で示すような通常の加工条件の場合、その切削原理を図５に示す。すなわち、図中、二点鎖線で示す切刃ノーズ１８ｂの移動軌跡における切込み開始点ｉから切削工具１８が窪みＷ_Ｄの底面Ｗ_Ｂに切り込みを開始し、切込み終了点ｏにて切削工具１８が窪みＷ_Ｄの底面Ｗ_Ｂから離れ、底面Ｗ_Ｂの一部が切り屑Ｗ_Ｃとなって切り取られる。

これに対し、窪みＷ_Ｄの側壁Ｗ_Ｓを切削する場合のように、切削工具１８がワークＷと干渉するために図４中、二点鎖線で示すように工具軸線１８ｃを窪みＷ_Ｄの側壁Ｗ_Ｓに対して傾斜させる必要がある場合、この場合にはすくい角αが負の値に傾いている。この場合の切削原理を図６に示す。すなわち、図中の二点鎖線で示す切刃ノーズ１８ｂの移動軌跡から明らかなように、楕円軌跡の長径（図中、上下方向）が窪みＷ_Ｄの側壁Ｗ_Ｓと平行となるように、第１および第２のアクチュエータ２０，２２の振動周期とそれらの振動振幅との同期関係をずらすことにより、この移動軌跡における切込み開始点ｉから切削工具１８が窪みＷ_Ｄの側壁Ｗ_Ｓに切り込みを開始し、切込み終了点ｏにて切削工具１８が窪みＷ_Ｄの側壁Ｗ_Ｓから離れ、側壁Ｗ_Ｓの一部が切り屑Ｗ_Ｃとなって切り取ることができる。この切削過程を図７〜図９に順に示す。

この場合、窪みＷ_Ｄの側壁Ｗ_Ｓに対する切削工具１８のすくい角αが大きな負の値となっている上に断続切削となることから、加工中にびびりを生じることなく、安定して窪みＷ_Ｄの側壁Ｗ_Ｓを切削することができる。ただし、切削性や切り屑Ｗ_Ｃの排出性などの観点から、被削面に対する工具軸線１８ｃの傾斜角αは、３０°程度までに抑えることが好ましい。また、本実施形態においては切削工具１８の切刃ノーズ１８ｂを点状に小さくすることで、被削面の形状の如何にかかわらず加工可能となる自由度を増大させている。ただし、図４において隅部は楕円軌跡のＲになる。

上述した実施形態では、矩形の被削面を持つ窪みＷ_Ｄの内壁の切削加工について説明したが、加工対象となるワークＷの被削面が自由曲面の場合、この被削面を形成する最小曲率半径の部分よりも小さな曲率半径の切刃を持った先丸バイト（Ｒバイト）を切削工具として使用することが好ましい。この場合においても、工具軸線１８ｃが常にワークＷの被削面の法線方向を向くように法線追跡を行うことで、高精度な加工面を得ることができる。もちろん、工具干渉が発生する場合には先の実施形態と同様な方法によって工具軸線１８ｃを被削面に対して傾け、この傾斜角に応じて工具軸線１８ｃに対する楕円軌跡の長径の傾斜角がほぼ等しくなるように、切刃ノーズの楕円軌跡を修正することにより、従来のような不具合を生ずることなく、円滑な加工を続けることができる。

本発明による切削加工装置の一実施形態を表す概念図である。 図１に示した切削加工装置の工具ヘッドの部分を抽出拡大した概念図である。 切削工具の先端部の抽出拡大図である。 図３に示した切削工具による加工姿勢を模式的に表す概念図である。 ワークの底面を加工している状態を表す模式図である。 ワークの側壁を加工している状態を表す模式図である。 図８および図９と共にワークの側壁を加工している状態を表す模式図であり、切込み開始状態を示している。 図７および図９と共にワークの側壁を加工している状態を表す模式図であり、切込み終了直前の状態を示している。 図７および図８と共にワークの側壁を加工している状態を表す模式図であり、切込みを完了した状態を示している。 従来の切削加工装置による加工形態の一例を示す概念図である。 従来の切削加工装置による加工形態の別な一例を示す概念図である。 本発明の対象となったワークの一例の外観を表す立体投影図である。 本発明の対象となるワークの他の一例の外観を表す立体投影図である。 図１３に示すワークに対してフライカット法による切削状態を示す模式図である。 図１２に示すワークに対してフライカット法による切削状態を示す模式図である。 ワークの被削面に対して工具干渉を起こした状態を示す模式図である。 図１８および図１９と共に図１６に示した被削面に対して工具干渉を避けつつ振動切削を行った従来方法による工程図であり、切込み開始直前の状態を表す。 図１７および図１９と共に図１６に示した被削面に対して工具干渉を避けつつ振動切削を行った従来方法による工程図であり、切込み中の状態を表す。 図１７および図１８と共に図１６に示した被削面に対して工具干渉を避けつつ振動切削を行った従来方法による工程図であり、切込み終了直後の状態を表す。

符号の説明

１１ ベッド
１２ ＸＹステージ
１３ ワークテーブル
１４ 門形フレーム
１５ クロスビーム
１６ 工具ヘッド
１７ 工具ホルダ
１８ 切削工具
１８ａ シャンク
１８ｂ 切刃ノーズ
１８ｃ 工具軸線
１９ ＮＣ制御装置
２０ 第１のアクチュエータ
２１ 弾性継手
２２ 第２のアクチュエータ
２３ 弾性継手
２４ ケーブル
２５ 増幅器
２６ 発振装置
２７，２８ 変位センサ
２９ 信号処理装置
３０ 変位制御装置
Ｗ ワーク
Ｗ_Ｄ 窪み
Ｗ_Ｂ 底面
Ｗ_Ｃ 切り屑
Ｗ_Ｓ 側壁
ｉ 切り込み開始点
ｏ 切り込み終了点
α すくい角

Claims (4)

1. 切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線をワークの被削面に対して垂直に保ち、この工具軸線を含む面内にて前記切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせつつワークの被削面を切削する方法において、
   ワークに対する前記切削工具の干渉を回避するために前記工具軸線をワークの被削面に対して傾斜させるステップと、
   ワークの被削面に対して前記切削工具による切削方向がほぼ平行になるように、前記楕円軌跡を修正してワークの被削面を切削するステップと
   を具えたことを特徴とする切削加工方法。
2. 前記工具軸線に対する前記楕円軌跡の長径の傾斜角が、ワークの被削面に対する前記工具軸線の傾斜角とほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の切削加工方法。
3. 切削工具が取り付けられる工具ホルダと、
   この工具ホルダを支持する工具ヘッドと、
   この工具ヘッドに取り付けられ、当該工具ヘッドに対して前記工具ホルダを前記切削工具のシャンクの長手方向に沿った工具軸線と平行な第１の方向に振動させる第１のアクチュエータと、
   前記工具ヘッドに取り付けられ、前記工具ヘッドに対して前記工具ホルダを前記第１の方向に対して直交する第２の方向に振動させる第２のアクチュエータと、
   これら第１および第２のアクチュエータによる前記第１および第２の方向に沿った前記工具ホルダの振動周期および振幅を制御し、ワークの被削面に対して垂直な面内で前記切削工具の切刃ノーズに楕円軌跡を描かせる制御手段と、
   前記工具ヘッドを前記第１および第２の方向に対して直交する軸線回りに傾動可能に支持するヘッドストックと、
   このヘッドストックに対して前記工具ヘッドを前記軸線回りに傾動させてワークに対する前記切削工具の干渉を回避させるヘッド傾動手段と
   を具え、前記制御手段は、ワークの被削面に対する前記工具軸線の傾斜角と、この工具軸線に対する前記楕円軌跡の長径の傾斜角とがほぼ等しくなるように、前記第１および第２の方向に沿った振動の位相を制御することを特徴とする切削加工装置。
4. ワークが取り外し可能に固定されるワークテーブルと、このワークテーブルおよび前記ヘッドストックを少なくとも前記軸線と平行な方向に相対移動させる送り手段とをさらに具えたことを特徴とする請求項３に記載の切削加工装置。
   

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