JP2010115741A

JP2010115741A - 高硬度材料の切削加工方法および切削加工機械

Info

Publication number: JP2010115741A
Application number: JP2008290174A
Authority: JP
Inventors: Kunitaka Kuriyama; 邦隆栗山; Masahiko Fukuda; 将彦福田; 克彦 ▲関▼谷; Katsuhiko Sekiya; Yasuo Yamane; 八洲男山根
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-27
Also published as: US20100120337A1; US8662959B2

Abstract

【課題】超硬合金への延性モード切削を可能とした切削加工方法および装置を提供する。
【解決手段】高硬度材料からなるワークＷを切削加工する切削加工方法。ワークＷを保持するワーク保持部材２４と、このワーク保持部材２４を回転駆動させる主軸装置２１と、工具５０を保持する工具保持部材１７と、ワーク保持部材２４と工具保持部材１７とを少なくとも直交する２軸方向へ相対移動させる相対移動機構（Ｚ軸移動機構３１Ｚ，Ｘ軸移動機構３１Ｘ）とを備え、かつ、各軸の位置決め誤差が５ｎｍ以内の加工機械Ａを用いて、ワークＷを切削加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高硬度材料の切削加工方法および切削加工機械に関する。例えば、非球面レンズ用金型に用いられる超硬合金などを切削加工することができる切削加工方法および切削加工機械に関する。

非球面レンズは、一般的に成形またはモールドによって量産される。プラスチックレンズの場合、成形温度が比較的低温のため、無電界ＮｉＰめっきを施した金型が使用される。また、光学特性上、ガラスレンズが必要な場合は、成形温度が８００℃以上となるため、高温時の材料特性に優れている超硬合金が主に金型材料として使用される。超硬合金は、工具損傷と仕上げ面の脆性破壊が生じやすく、多くの場合は研削加工が適用される。

研削加工による非球面レンズ金型の製造では、まず、砥石中心、砥石半径の初期設定を行い、加工プログラムを非球面設計式、工具半径、加工状態を加味して作成する。作成された加工プログラムを用いて加工を行い、仕上げ面の加工精度を形状測定器で測定する。形状誤差量が許容値に入っているかを調査し、入っていなければ誤差量を考慮に入れた加工プログラムを作成して補正加工を行う。この一連の作業を所定精度が得られるまで繰り返す。

しかし、加工が進むにつれ砥石も摩耗するため、砥石の芯ずれや加工むらなどの誤差要因を数回の内に完全に修正する必要がある。加工プログラムは加工時の砥石径に対応して作成されるため、砥石が摩耗すればプログラムに対する加工再現性が失われ、新たな誤差要因となるからである。
とくに、仕上げ加工の場合、使用する砥石の粒径が極めて小さいため摩耗が早く、正確な砥石径を見出すのは難しい。もし、最適値を見つけるのに時間を要してしまうと、切れ刃が鈍化し、砥石表面を新たにドレッシングする必要があるが、それは加工を初めからやり直すことを意味している。

研削加工には、多くの技能と経験が必要とされ、さらに高精度化と高能率化が求められている。しかし、研削加工は送りが低速なため加工能率に劣る。さらに、加工点における加工現象の把握が難しいため砥石が加工物に触れず空転していることもある。このような加工能率が低い状態を低減させるため、研削加工には様々なアプリケーション技術が開発されている。例えば、砥石と加工物の接触検知を行い、砥石と加工物の加工状態もモニタリングできる装置なども開発されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、このように研削加工の能率化が検討されているものの、切削加工を越える高能率化、さらには高精度化、微細形状化には至っておらず、研削加工で市場要求レベルを満たすのは厳しくなりつつある。

一方、切削加工でも超精密加工に対する適応範囲を広げるため、多くの研究が行われてきた。ガラスやセラミックスなどの硬脆性材料は優れた材料特性を持つため、単結晶ダイヤモンド工具による延性モード加工に対する期待が大きく、多くの研究が報告されている。これらの研究では硬脆性材料を加工するとき、鋭い切れ刃により加工単位を微小化していくと、塑性変形を主体とする材料除去機構がとられるようになり、その結果クラックなどの脆性破壊損傷のない滑らかな仕上げ面を創成できることが確かめられている。この脆性−延性遷移する切取り厚さは臨界切取り厚さｄｃと呼ばれ、各種硬脆性材料のｄｃ値を種々の加工条件にて求めた結果が報告されている。

特開２００６−２６８５５号公報

非球面レンズのモールド金型に適用される超硬合金も硬脆性材料のひとつとして分類されるが、高硬度特性を示す難削材であり、焼結材料のため種々のバインダ金属が含まれている。そのため、通常のダイヤモンド切削で延性モード加工を適用すると、ダイヤモンド工具には超硬微粒子によるアブレイシブ摩耗に加えて、凝着剥離を繰り返すことによる摩耗が発生する。
また、超硬微粒子とバインダ金属の結合面において発生した亀裂が脆性破壊を生じやすい。このように激しい工具摩耗と被削材の脆性破壊のため超硬合金への延性モード切削の適用は実用化には大きな課題を残している。

本発明の目的は、このような課題を解消し、高硬度材料への延性モード切削を可能とした切削加工方法および切削加工機械を提供することにある。

本発明に係る高硬度材料の切削加工方法は、高硬度材料からなるワークを切削加工する高硬度材料の切削加工方法であって、前記ワークを保持するワーク保持部材と、工具を保持する工具保持部材と、前記ワーク保持部材を回転駆動させる回転駆動機構と、前記ワーク保持部材と前記工具保持部材とを少なくとも直交する２軸方向へ相対移動させる相対移動機構とを備え、かつ、前記相対移動機構の各軸の位置決め誤差が５ｎｍ以内の加工機械を用いて、前記ワークを切削加工する、ことを特徴とする。

ここで、相対移動機構の各軸の位置決め誤差とは、指令位置に対する実際の移動位置の差をいう。各軸の位置決め誤差は、５ｎｍ以内であることが条件であるが、４ｎｍ以内であればより好ましく、３ｎｍ以内であればより更に好ましい。
また、高硬度材料とは、ロックウエル硬さ（ＨＲＡ）７０以上の材料、例えば、超高合金などをいう。ちなみに、超高合金とは、硬質の金属炭化物の粉末を焼結して作られる合金で、一般的には炭化タングステン（ＷＣ，タングステン・カーバイド）と結合剤（バインダ）であるコバルトを混合して焼結したものを指す。
また、

このような構成によれば、ワーク保持部材と工具保持部材とを少なくとも直交する２軸方向へ相対移動させる相対移動機構を備え、この相対移動機構の各軸の位置決め誤差が５ｎｍ以内の加工機械を用いて、高硬度材料からなるワークを切削加工するようにしたので、加工開始点から加工終了点までの間において、常に、工具によるワークの切取り厚さが臨界切取り厚さ以下の延性モード領域での加工を実現できる。

本発明に係る高硬度材料の切削加工方法において、前記工具は、単結晶または多結晶のダイヤモンド工具が用いられ、前記工具による前記ワークの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、前記回転駆動機構の回転数および前記相対移動機構の移動量を制御しながら、前記ワークを切削加工する、ことが好ましい。
このような構成によれば、単結晶または多結晶のダイヤモンド工具を用い、このダイヤモンド工具によるワークの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、回転駆動機構の回転数および相対移動機構の移動量を制御するようにしたので、超硬合金などの材料でも切取り厚さが臨界切取り厚さ以下に維持することができる。つまり、超硬合金の場合、臨界切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍ程度であるため、延性モード領域での加工を実現できる。

本発明に係る高硬度材料の切削加工方法において、前記相対移動機構は、固定側部材と、この固定側部材に対して移動する移動側部材と、前記固定側部材と前記移動側部材との間に設けられた案内機構と、前記固定部材に対して前記移動側部材を移動させる直線駆動機構とを備え、前記直線駆動機構には、リニアモータ機構が用いられ、前記案内機構には、前記固定側部材に前記移動側部材の移動方向に沿ってかつ互いに離間した位置に平行に形成された一対のＶ溝と、この各Ｖ溝に対向して前記移動側部材にＶ字状に突出形成された突条と、前記Ｖ溝と前記突条との間の傾斜面にそれぞれ介在されたコロとを有するころがり案内機構が用いられている、ことが好ましい。

このような構成によれば、直線駆動機構としてリニアモータ機構が採用されているため、高トルクでありながら消費電力が非常に少なく、また、高い案内面剛性を有するＶ−Ｖころがり案内機構と合わせて採用されているため、高い制御特性が得られる。例えば、図６は移動軸のステップ応答を示しているが、これから分かるよに、０．１秒程度の短時間に１ｎｍの位置決めが確実に得られていることが分かる。延性モード切削では微小な切取り厚さを維持することが必要であるが、上述した構成によって高い制御特性が得られるため、延性モード切削が実現可能である。

本発明に係る高硬度材料の切削加工方法において、前記回転駆動機構は、軸受部材と、この軸受部材に回転可能に設けられ先端に前記工具を保持した主軸と、前記軸受部材と前記主軸との間に設けられた空気静圧軸受とを含んで構成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、回転駆動機構についても、主軸を空気静圧軸受によって回転可能に支持する構造であるため、高精度な加工を実現できる。

本発明に係る高硬度材料の加工機械は、高硬度材料からなるワークを切削加工する高硬度材料の加工機械であって、前記ワークを保持するワーク保持部材と、工具を保持する工具保持部材と、前記ワーク保持部材を回転駆動させる回転駆動機構と、前記ワーク保持部材と前記工具保持部材とを少なくとも直交する２軸方向へ相対移動させる相対移動機構とを備え、かつ、前記相対移動機構の各軸の位置決め誤差が５ｎｍ以内である、ことを特徴とする。

本発明に係る高硬度材料の加工機械において、前記工具は、単結晶または多結晶のダイヤモンド工具が用いられ、前記工具による前記ワークの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、前記回転駆動機構の回転数および前記相対移動機構の移動量を制御しながら、前記ワークを切削加工する、ことが好ましい。

本発明に係る高硬度材料の加工機械において、前記相対移動機構は、固定側部材と、この固定側部材に対して移動する移動側部材と、前記固定側部材と前記移動側部材との間に設けられた案内機構と、前記固定部材に対して前記移動側部材を移動させる直線駆動機構とを備え、前記直線駆動機構には、リニアモータ機構が用いられ、前記案内機構には、前記固定側部材に前記移動側部材の移動方向に沿ってかつ互いに離間した位置に平行に形成された一対のＶ溝と、この各Ｖ溝に対向して前記移動側部材にＶ字状に突出形成された突条と、前記Ｖ溝と前記突条との間の傾斜面にそれぞれ介在されたコロとを有するころがり案内機構が用いられている、ことが好ましい。

このような構成の切削加工機械によれば、切削加工方法で述べた効果と同様な効果が期待できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜加工機械Ａ＞
図１は、本発明で用いる加工機械Ａを示す斜視図である。
同加工機械Ａは、高硬度材料からなるワークＷを切削加工する精密加工機本体１と、この精密加工機本体１の駆動を予め設定された加工プログラムに従って制御する制御装置２とを備える。ここで、高硬度材料からなるワークＷとは、ロックウエル硬さ（ＨＲＡ）７０以上の材料、例えば、超硬合金などをいう。

精密加工機本体１は、ベッド１１と、このベッド１１の上面後側に前後方向（Ｚ方向）へ移動可能に設けられたＺテーブル１２と、このＺテーブル１２の上面に固定されたコラム１３と、このコラム１３に沿って上下方向（Ｙ方向）へ移動可能に設けられた主軸装置２１と、ベッド１１の上面前側にＺ方向およびＹ方向に対して直交する左右方向（Ｘ方向）へ移動可能に設けられたＸテーブル１５と、このＸテーブル１５の上面にＹ方向と平行な軸（Ｂ軸）を中心として回転可能に設けられた回転テーブル１６と、この回転テーブル１６の上面に設けられ工具５０を保持する工具保持部材１７とを備える。

主軸装置２１は、コラム１３に沿って上下方向へ移動可能に設けられた軸受部材２２と、この軸受部材２２にＺ方向と平行な軸Ｃを中心として回転可能に設けられた主軸２３と、軸受部材２２と主軸２３との間に設けられた空気静圧軸受（図示省略）と、主軸２３を回転駆動させる駆動源としてのモータ（図示省略）とを含んで構成されている。主軸２３の先端（図１中右端）には、ワークＷを保持するワーク保持部材２４が設けられている。ここに、主軸装置２１によって、ワーク保持部材２４を回転駆動させる回転駆動機構が構成されている。

ベッド１１とＺテーブル１２との間にはＺ軸移動機構３１Ｚが、コラム１３と軸受部材２２との間にはＹ軸移動機構３１Ｙが、ベッド１１とＸテーブル１５との間にはＸ軸移動機構３１Ｘがそれぞれ設けられている。ここに、これらＺ軸移動機構３１Ｚ、Ｙ軸移動機構３１Ｙ、および、Ｘ軸移動機構３１Ｘによって、ワーク保持部材２４と工具保持部材１７とを少なくとも直交する２軸方向、ここでは３軸方向へ相対移動させる相対移動機構が構成されている。

Ｙ軸移動機構３１Ｙは、固定側部材であるコラム１３と、このコラム１３に対して移動する移動側部材である軸受部材２２と、コラム１３と軸受部材２２との間に設けられた案内機構３２Ｙと、コラム１３に対して軸受部材２２を移動させる直線駆動機構３３Ｙとを備える。直線駆動機構３３Ｙは、コラム１３の上端に設けられ軸受部材２２を昇降可能かつ任意の位置に位置決め可能な一対の昇降駆動機構３４によって構成されている。

Ｚ軸移動機構３１Ｚは、固定側部材であるベッド１１と、このベッド１１に対して移動する移動側部材であるＺテーブル１２と、ベッド１１とＺテーブル１２との間に設けられた案内機構３２Ｚと、ベッド１１に対してＺテーブル１２を移動させる直線駆動機構３３Ｚとを備える。
Ｘ軸移動機構３１Ｘは、固定側部材であるベッド１１と、このベッド１１に対して移動する移動側部材であるＸテーブル１５と、ベッド１１とＸテーブル１５との間に設けられた案内機構３２Ｘと、ベッド１１に対してＸテーブル１５を移動させる直線駆動機構３３Ｘとを備える。

ここで、これらＺ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘの直線駆動機構３３Ｚ，３３Ｘには、図２に示すように、リニアモータ機構４１が用いられている。リニアモータ機構４１は、固定側部材（ベッド１１）に移動側部材（Ｚテーブル１２，Ｘテーブル１５）の移動方向に沿って設けられた固定子としてのコイル４２と、移動側部材（Ｚテーブル１２，Ｘテーブル１５）にコイル４２と対向して配置された可動子としてのマグネット４３とから構成されている。
また、案内機構３２Ｚ，３２Ｘは、図２に示すように、固定側部材（ベッド１１）に移動側部材（Ｚテーブル１２，Ｘテーブル１５）の移動方向に沿ってかつ互いに離間した位置に形成された一対のＶ溝４４と、この各Ｖ溝４４に対向して移動側部材（Ｚテーブル１２，Ｘテーブル１５）にＶ字状に突出形成された突条４５と、Ｖ溝４４と突条４５との間の傾斜面にそれぞれ介在されたコロ４６とを有するＶ−Ｖころがり案内機構が用いられている。
これにより、Ｚ軸およびＸ軸、つまり、Ｚ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘにおける位置決め誤差が５ｎｍ以内の精度に確保されている。

＜加工機械Ａによるワークの端面旋削加工＞
上述した加工機械Ａを用いて、非球面レンズ用金型を切削加工する例を説明する。
ワーク保持部材２４にワークＷを保持し、工具保持部材１７に工具５０を保持する。工具５０は、図３に示すように、工具本体５１の先端に、単結晶または多結晶のダイヤモンド刃先５２を取り付けた工具を用いる。
この状態において、図４に示すように、ワーク保持部材２４を主軸装置２１によって回転させるとともに、Ｚ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘを同時制御し、ワークＷと工具５０とをＺ，Ｘ方向へ相対移動させながら、ワークＷの端面に非球面レンズ用成形面を切削加工する。ここでは、工具５０によるワークＷの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、主軸装置２１の回転数およびＺ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘの移動量を制御しながら、ワークＷを切削加工する。

本実施形態の加工機械Ａによれば、Ｚ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘの駆動機構３３Ｚ、３３Ｘとしてリニアモータ機構４１が採用されているため、高トルクでありながら消費電力が非常に少なく、また、高い案内面剛性を有するＶ−Ｖころがり案内機構３２Ｚ，３２Ｘと合わせて採用されているため、高い制御特性が得られる。

また、Ｚ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘの各軸の位置決め誤差が５ｎｍ以内に確保されているから、超硬合金材料からなるワークＷを切削加工するにあたって、加工開始点から加工終了点までの間において、工具５０によるワークＷの切取り厚さが臨界切取り厚さ以下の延性モード領域での加工を実現できる。
とくに、単結晶または多結晶のダイヤモンド工具５０を用い、このダイヤモンド工具５０によるワークＷの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、主軸装置２１の回転数およびＺ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘの移動量を制御するようにしたので、切取り厚さが臨界切取り厚さ以下に維持することができる。

＜変形例＞
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、ワーク保持部材２４を回転可能に、かつ、Ｚ方向およびＹ方向へ移動可能に構成するとともに、工具保持部材１７をＺ方向およびＹ方向に対して直交するＸ方向へ移動可能に構成したが、これに限られない。

＜加工機械Ｂ＞
例えば、図５に示すように、円柱状のワークＷを保持するワーク保持部材２４を回転可能に構成するとともに、工具５０を保持した工具保持部材１７をワークＷの軸線方向（Ｘ方向）およびこれと直交するＺ方向へ移動可能に構成してもよい。この場合、工具保持部材１７をワークＷの軸線方向（Ｘ方向）およびこれと直交するＺ方向へ移動させる移動機構については、前記実施形態と同様に、Ｖ−Ｖころがり案内機構およびリニアモータ機構を備えた構造である。

＜加工機械Ｂによるワークの周面旋削＞
このような構成の加工機械Ｂによれば、円柱状のワークＷを回転させた状態において、工具５０を保持した工具保持部材１７をワークＷの軸線方向（Ｘ方向）およびこれと直交するＺ方向へ移動させながら加工を行う。この際、工具５０によるワークＷの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、主軸装置２１の回転数および相対移動機構の移動量を制御しながら、ワークＷを切削加工すれば、前記実施形態と同様な効果が期待できる。

＜実施例＞
実施形態で説明した加工機械Ａを用いて、ワークＷを加工した。
この加工機械Ａは、上述したように、Ｚ軸移動機構３１ＺおよびＸ軸移動機構３１Ｘの直線駆動機構３３Ｚ，３３Ｘにリニアモータ機構４１が採用されているため、高トルクでありながら消費電力が非常に少なく、また、高い案内面剛性を有するＶ−Ｖころがり案内機構と合わせて採用されているため、高い制御特性が得られる特徴ともっている。
図６は、位置決め特性を評価した一例として、移動軸のステップ応答を示している。加工点付近に静電容量型変位計（ＡＤＥ製 MicroSense6300）を取り付け、１ｎｍのステップ指令に対する加工点での動きを示している。センサー出力に対し、30Ｈｚのローパスフィルタを介して記録しているため、測定計のノイズも多少含んでいると考えられるが、０．１秒程度の短時間に１ｎｍの位置決めが確実に得られていることが分かる。
＜比較例＞
実施形態で説明した加工機械Ａに対して、リニアモータ機構に代えて、ボールねじ送り機構を採用した加工機械Ｃを用いて、ワークＷを加工した。

＜加工条件＞
両加工機械Ａ，Ｃを用いて行った加工条件は、次の通り。
（１）使用工具：単結晶ダイアモンド工具
（ノーズ半径：０．５ｍｍ、すくい角：０°、逃げ角：１０°）
（２）主軸回転数：５００ｒｐｍ
（３）切り込み：４００ｎｍ
（４）送り：１．０μｍ／ｒｅｖ
（５）切削雰囲気：ミスト（白灯油＋鉱物油）
（６）被削材：超微粒バインダレス超硬
（７）加工形状：曲率２ｍｍ、最大傾斜角６０°の球面形状
上記加工条件に設定したときの最大切取り厚さは、約４０ｎｍである。

＜加工結果＞
図７に、加工機械Ａで加工された仕上げ面の顕微鏡写真（Ａ）およびＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真（Ｂ）を示す。面全体にわたって欠陥が観察されず滑らかな仕上げ面が得られていることが分かる。さらに詳しく観察してみると、はっきりした送りマークが規則正しく転写され、微小な欠陥もない滑らかな仕上げ面が得られていることが分かる。
図８に、加工機械Ｃで加工された仕上げ面の顕微鏡写真（Ａ）およびＳＥＭ写真（Ｂ）を示す。細かいクレータ状の凹凸が面全体にわたって観察され、梨地状の模様が広がり粗悪な面性状であることが分かる。さらに詳しく凹凸状の欠陥部分を拡大して観察すると、転写された送りマークに加えて、クレータ状の破砕痕が見てとれる。
図９に、加工機械Ａで加工されワークＷから排出された切り屑をＳＥＭで観察したものを示す。連続した流れ型の切り屑が得られ、切り屑の排出方向に対して垂直な線条模様が観察される。

これまでの研究の中で、切取り厚さを小さくするに従って、切り屑形態が亀裂型から剪断型へと変化し、延性モード切削域では安定した流れ型切り屑が生成され、金属切削に近い切削挙動を示すとされ、逆に、切取り厚さを大きくすると、加工面上には結晶へき開破壊による断層から構成されるクレータ状の梨地模様が形成されることが報告されている。
このことから見ても、得られた加工面性状と切り屑形態とから、加工機械Ａによる加工では、延性モード領域で加工されたと言える。一方、同じ条件で加工した加工機械Ｃの加工では、全域で破砕痕が広がり、脆性モード領域で加工されたことが分かる。

＜機械の動的特性＞
延性モードから脆性モードへの遷移点は、臨界切取り厚さで一意的に評価できるとされている。そのため、所定の形状を延性モード切削で創成するためには加工の間、継続的に臨界切取り厚さ以下の値を取り続ける必要がある。これは、機械要素として制御分解能や加工プログラムと同様に、加工機械固有の動的特性が非常に重要な役割を果たすと考えられる。
前述の加工において設定された切取り厚さは、同じ４０ｎｍであったが、異なる加工形態を示した。２つの加工機械Ａ，Ｃは、駆動系に違いがあり、この違いが加工点における挙動の違いをもたらしたと考えられる。
図１０および図１１は、実際に加工を行った際の加工機械Ａ、Ｃの誤差量（位置偏差）を示す。これらの図から分かるように、加工機械Ａの誤差量は２ｎｍ以下であるのに対して、加工機械Ｃの誤差量は３０ｎｍ程度にもなる。

図１２に、それぞれの誤差量を含めた実際の切取り厚さを示す。これは、切取り厚さ４０ｎｍに設定し比較実験を行った結果である。
ＸＺ同時２軸制御にて加工を行ったため、加工機械Ａでは切取り厚さが約３６〜４４ｎｍの間で変動していたと推定される。加工機械Ｃでは０〜約１００ｎｍの間で変動していた可能性がある。加工結果より、加工機械Ａの変動幅は延性モード領域内であったのに対し、加工機械Ｃの変動幅では臨界切取り厚さを大きく超え脆性モード領域の値まで取り得たことを示している。これは、加工機械Ｃのみで工具の損傷が発生し、加工表面が脆性破壊した原因であると理解できる。

これらの結果より、加工機械Ａのナノメータオーダの高速な位置決めの十分な能力を持ち、延性モード切削に必要な微小切り込みを維持するための動的特性を持ち合わせていると言える。一方、大きな誤差量を持つ加工機械Ｃは延性モード切削に必要な動的特性を満たしていないと言える。

本発明は、非球面レンズ用金型加工など、超硬合金材料などのワークを加工するのに利用することができる。

本発明の実施形態に係る加工機械Ａを示す斜視図。前記実施形態の加工機械Ａで用いたころがり案内機構を示す図。前記実施形態の加工機械Ａで用いる工具を示す斜視図。前記実施形態の加工機械Ａで端面旋削を行っている状態を示す図。本発明の変形例に係る加工機械Ｂを示す図。実施例の加工機械Ａのステップ応答を示す図。実施例の加工機械Ａで加工された仕上げ面の顕微鏡写真およびＳＥＭ写真。比較例の加工機械Ｃで加工された仕上げ面の顕微鏡写真およびＳＥＭ写真。実施例の加工機械Ａで排出された切り屑のＳＥＭ写真。実施例の加工機械Ａの誤差量を示す図。比較例の加工機械Ｃの誤差量を示す図。誤差量を含めた実際の切取り厚さと延性モード、脆性モード領域との関係を示す図。

符号の説明

１…精密加工機本体、
２…制御装置、
１７…工具保持部材、
２１…主軸装置（回転駆動機構）、
２４…ワーク保持部材、
３１Ｚ…Ｚ軸移動機構、
３１Ｙ…Ｙ軸移動機構、
３１Ｘ…Ｘ軸移動機構、
３２Ｚ…案内機構（Ｖ−Ｖころがり案内機構）、
３２Ｙ…案内機構、
３２Ｘ…案内機構（Ｖ−Ｖころがり案内機構）、
３３Ｚ…直線駆動機構、
３３Ｙ…直線駆動機構、
３３Ｘ…直線駆動機構、
４１…リニアモータ機構、
４２…コイル（固定子）、
４３…マグネット（可動子）、
４４…Ｖ溝、
４５…コロ、
５０…工具、
Ａ…加工機械、
Ｂ…加工機械、
Ｗ…ワーク。

Claims

高硬度材料からなるワークを切削加工する高硬度材料の切削加工方法であって、
前記ワークを保持するワーク保持部材と、工具を保持する工具保持部材と、前記ワーク保持部材を回転駆動させる回転駆動機構と、前記ワーク保持部材と前記工具保持部材とを少なくとも直交する２軸方向へ相対移動させる相対移動機構とを備え、かつ、前記相対移動機構の各軸の位置決め誤差が５ｎｍ（ナノメートル）以内の加工機械を用いて、前記ワークを切削加工する、ことを特徴とする高硬度材料の切削加工方法。
請求項１に記載の高硬度材料の切削加工方法において、
前記工具は、単結晶または多結晶のダイヤモンド工具が用いられ、
前記工具による前記ワークの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、前記回転駆動機構の回転数および前記相対移動機構の移動量を制御しながら、前記ワークを切削加工する、ことを特徴とする高硬度材料の切削加工方法。
請求項１または請求項２に記載の高硬度材料の切削加工方法において、
前記相対移動機構は、固定側部材と、この固定側部材に対して移動する移動側部材と、前記固定側部材と前記移動側部材との間に設けられた案内機構と、前記固定部材に対して前記移動側部材を移動させる直線駆動機構とを備え、
前記直線駆動機構には、リニアモータ機構が用いられ、
前記案内機構には、前記固定側部材に前記移動側部材の移動方向に沿ってかつ互いに離間した位置に平行に形成された一対のＶ溝と、この各Ｖ溝に対向して前記移動側部材にＶ字状に突出形成された突条と、前記Ｖ溝と前記突条との間の傾斜面にそれぞれ介在されたコロとを有するころがり案内機構が用いられている、ことを特徴とする高硬度材料の切削加工方法。
請求項３に記載の高硬度材料の切削加工方法において、
前記回転駆動機構は、軸受部材と、この軸受部材に回転可能に設けられ先端に前記工具を保持した主軸と、前記軸受部材と前記主軸との間に設けられた空気静圧軸受とを含んで構成されている、ことを特徴とする高硬度材料の切削加工方法。
高硬度材料からなるワークを切削加工する高硬度材料の切削加工機械であって、
前記ワークを保持するワーク保持部材と、工具を保持する工具保持部材と、前記ワーク保持部材を回転駆動させる回転駆動機構と、前記ワーク保持部材と前記工具保持部材とを少なくとも直交する２軸方向へ相対移動させる相対移動機構とを備え、かつ、前記相対移動機構の各軸の位置決め誤差が５ｎｍ以内である、ことを特徴とする高硬度材料の切削加工機械。
請求項５に記載の高硬度材料の切削加工機械において、
前記工具は、単結晶または多結晶のダイヤモンド工具が用いられ、
前記工具による前記ワークの切取り厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍになるように、前記回転駆動機構の回転数および前記相対移動機構の移動量を制御しながら、前記ワークを切削加工する、ことを特徴とする高硬度材料の切削加工機械。
請求項５または請求項６に記載の高硬度材料の切削加工機械において、
前記相対移動機構は、固定側部材と、この固定側部材に対して移動する移動側部材と、前記固定側部材と前記移動側部材との間に設けられた案内機構と、前記固定部材に対して前記移動側部材を移動させる直線駆動機構とを備え、
前記直線駆動機構には、リニアモータ機構が用いられ、
前記案内機構には、前記固定側部材に前記移動側部材の移動方向に沿ってかつ互いに離間した位置に平行形成された一対のＶ溝と、この各Ｖ溝に対向して前記移動側部材にＶ字状に突出形成された突条と、前記Ｖ溝と前記突条との間の傾斜面にそれぞれ介在されたコロとを有するころがり案内機構が用いられている、ことを特徴とする高硬度材料の切削加工機械。