JP2011051030A - 難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金型材料や光学ガラスおよび単結晶材料などの高硬脆材料の切削加工において、ダイヤモンド工具の温度上昇および摩耗を解決する難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置を提供する。
【解決手段】難削材の超精密切削加工工程において、円弧状切れ刃３を有する切削工具４の曲率中心５と切削工具４を取り付ける加工機のＢ軸の回転テーブル９の中心１０とを一致させ、回転テーブル９を揺動させることで切削工具４における切削点が円弧上で常に移動することを特徴とする。また、回転テーブル９の揺動において、切削工具４の揺動によって生じる切り込み深さの誤差を事前に測定しておき、その誤差データに基づいたNCプログラムで加工機を修正制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸対称平面あるいは曲面の切削加工方法に係り、特に暗視野赤外線光学機器や車載用ナイトビジョンシステム、赤外線センサー等に用いられる赤外線非球面レンズやガラス非球面レンズのプレス成形用金型の製造方法として好適な、難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置に関するものである。

近年、非球面レンズなどの複雑かつ高精度な形状を有するガラス光学素子の需要が高まっている。これらの光学素子の多くはガラスモールドプレス成形によって量産されているため、高精度の金型が必要となる。金型には高い熱耐久性が求められるため、主に超硬合金（ＷＣ）や炭化珪素（ＳｉＣ）などが金型材料として使用されている。また、一部の光学レンズの製作では、ガラスを直接切削加工する要求もある。

一方、赤外線光学部品の基板材料として、単結晶シリコン（Ｓｉ）、単結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）、単結晶セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、単結晶フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）などが多く応用されており、これらの材料に対して切削加工を行う必要がある。

しかし、前述のような金型材料や光学ガラスおよび単結晶材料はいわゆる難削材であるため、その加工法は研削・研磨が一般的であるが、微細複雑形状の加工が非常に困難であり、加工時間が長い問題点がある。一方、切り込み深さが１０μｍオーダー以下、加工形状誤差が１μｍオーダー以下、表面粗さＲｚが０．１μｍオーダー以下の切削加工である超精密マイクロ切削は、加工自由度が大きく、微細複雑形状を加工することが容易であるため、上記材料の加工に適した方法として期待されている。

これまでにも、硬脆材料の切削では、曲率半径が１ｍｍ以下の円弧工具を用いたいわゆる延性モード切削法が用いられてきている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。しかし、工具送り量を極めて小さくせざるを得ず、加工時間が長くなり、工具摩耗が大きい問題があった。

これに対して、平バイトによる延性モード切削法や、大曲率半径（＞１０ｍｍ）の円弧工具を用いた延性モード切削法が提案され、加工時間の短縮および工具摩耗の低減に効果があった（例えば、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５参照）。

さらに、工具刃先に超音波振動を加えながら切削加工を行うことで、工具摩耗を低減できるという報告もある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００５−２５４５１６号公報 特開２００６−２０５２９１号公報

T. Nakasuji、 S. Kodera、 S. Hara、 H. Matsunaga、 N. Ikawa andS. Shimada、 "Diamond Turning of Brittle Materials for Optical Components"、 Ann.CIRP、 1990、 Vol.39、 No. 1、 p.89-92 P. N. Blake and R. O. Scattergood、 "Ductile RegimeMachining of Germanium and Silicon"、 J. Amer. Ceram. Soc.、 1990、 Vol.73、 No. 4、p.949-957 J. Yan、 K. Syoji、 T. Kuriyagawa and H. Suzuki、 "DuctileRegime Turning at Large Tool Feed"、 Journal of Materials Processing Technology、2002、 121、 p.363-372 太田努、ほか、「大曲率半径ダイヤモンド工具を用いた単結晶Geの高能率切削加工」、2007年度砥粒加工学会学術講演会講演論文集、p.65-70 T. Ohta、 J. Yan、 S. Yajima、 Y. Takahashi、 N. Horikawa、 and T.Kuriyagawa、 "High-efficiency machining of single-crystal germanium usinglarge-radius diamond tools"、 International Journal of Surface Science andEngineering、 2007、 1、 4、 p.374-392

非特許文献１乃至５、特許文献１および２のいずれの方法でも、切れ刃上の切削点が一定であるため、加工面の形状精度の確保は容易であるが、金型材料や光学ガラスおよび単結晶材料などの高硬脆材料の切削加工では、切削点の温度が持続的に上昇し、工具の摩耗が激しくなるという問題点がある。

そこで本発明は、金型材料や光学ガラスおよび単結晶材料などの高硬脆材料の切削加工において、ダイヤモンド工具の温度上昇および摩耗を解決することができる難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置を提供することを課題とする。

本発明によれば、難削材の超精密切削加工工程において、円弧状切れ刃を有する切削工具の円弧中心と前記切削工具を取り付ける加工機のＢ軸の回転テーブルの中心とを一致させ、前記回転テーブルを揺動させることで前記切削工具における切削点が円弧上で常に移動することを、特徴とする難削材の切削加工方法が得られる。

また、本発明によれば、前記回転テーブルの揺動において、前記切削工具の揺動によって生じる切り込み深さの誤差、および前記切削工具の製造時の円弧状からのばらつきよる切り込み深さの誤差を事前に測定しておき、各誤差のデータに基づいたNCプログラムで前記加工機を修正制御することを、特徴とする難削材の切削加工方法が得られる。

また、本発明によれば、各誤差の測定は、前記加工機の機上に設置した非接触測定器または接触式測定器によって行うことを、特徴とする難削材の切削加工方法が得られる。

また、本発明によれば、切削油剤として高粘性・高付着力油剤を使用し、工作物の加工表面に塗布することを、特徴とする難削材の切削加工方法が得られる。

さらに、本発明によれば、超精密マイクロ切削加工工程において、円弧状切れ刃を有する切削工具と、前記切削工具の円弧中心とB軸の回転テーブルの中心とが一致するよう前記切削工具を取り付ける加工機とを有し、事前に測定した前記切削工具の揺動によって生じる切り込み深さの誤差を制御修正するNCプログラムを搭載し、前記切り込み深さの誤差の測定用に、前記加工機の機上に接触式測定器、非接触測定器または白色干渉計を設置したことを、特徴とする難削材の切削加工装置が得られる。

本発明により、軸対称平面あるいは曲面の切削加工方法において、特に暗視野赤外線光学機器や車載用ナイトビジョンシステム、赤外線センサー等に用いられる赤外線非球面レンズやガラス非球面レンズのプレス成形用金型の製造方法として好適な難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置が得られるという効果がある。また、金型材料や光学ガラスおよび単結晶材料などの高硬脆材料の切削加工において、ダイヤモンド工具の温度上昇および摩耗を解決することができる難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置を提供することもできる。

本発明の実施の形態の難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置の、円弧状切れ刃の揺動運動の原理を示す平面図である。 本発明の実施の形態の難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置の、切削工具の円弧状曲率中心と加工機の回転テーブルの中心との誤差で発生する切り込み量変化の修正制御の原理を示す平面図である。 本発明の実施の形態の難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置の、切削工具の切り込み深さ誤差の測定原理を示す平面図である。 本発明の実施の形態の難削材の切削加工装置の概略を示す平面図である。 本発明の実施の形態の難削材の切削加工方法（工具揺動切削法）による、工具設定誤差補正前の加工面の断面プロファイルを示すグラフである。 図５に示す工具揺動切削法において、NCプログラム補正を行った補正データの一部を示すテーブルである。 図５に示す工具揺動切削法による、図６に示すNCプログラム補正の補正前（Before compensation）と補正後（Aftercompensation）の断面プロファイルの比較を示す。 本発明の実施の形態の難削材の切削加工装置で使用するダイヤモンド工具の、反応焼結ＳｉＣを切削した後の刃先部分の（ａ）工具揺動切削法を行わない従来の加工方法で、白灯油ミストを切削油剤として使用した場合のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真、（ｂ）工具揺動切削法で、白灯油ミストを切削油剤として使用した場合のＳＥＭ写真、（ｃ）切削油剤としてグリースを工作物表面へ塗布して、工具揺動切削法を行った場合のＳＥＭ写真、（ｄ）切削油剤としてグリースを工作物表面へ塗布して揺動速度を大きくして（vB = 25 deg/min）工具揺動切削法を行った場合のＳＥＭ写真である。 本発明の工具揺動切削法で加工した反応焼結ＳｉＣの表面粗さの３次元測定結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態の難削材の切削加工方法および難削材の切削加工装置の、円弧状切れ刃の揺動運動の原理を示す平面図である。図１に示すように、回転軸対称平面あるいは曲面工作物１の切削加工において、曲面工作物１がある回転軸２を中心に回転しながら、円弧状切れ刃３を有する切削工具４を円弧状切れ刃３の曲率中心（円弧中心）５を中心に往復揺動運動６をしながら、切り込み７と工具送り８を与えることで、曲面工作物１の表面加工を行う。この方法により、切削点すなわち工具４と曲面工作物１との接触点が常に円弧状切れ刃３上で移動する。

図２は、切削工具４の円弧状曲率中心５と加工機の回転テーブル９の中心との誤差で発生する切り込み量変化の修正制御の原理の平面図である。図２に示すように、上記１の方法で、切削工具４の曲率中心５が、加工機のB軸の回転テーブル９の中心１０へなるべく接近させるように、切削工具４を固定する刃物台１１を調整する。その結果、NCプログラム制御で回転テーブル９を回転させることで、切削工具４の精密な揺動運動を実現する。また、切削工具４の曲率中心５と加工機のB軸の中心１０との間の距離１２の存在により生じる切り込み深さ（図１中の「切り込み７」）方向の誤差を事前に測定しておき、その誤差データに基づいて加工機を制御するNCプログラムを自動修正することで、加工誤差を完全になくし、理想の加工形状を得る。

図３は、切り込み深さ誤差の測定原理の平面図である。図３に示すように、円弧状切れ刃３と同一平面上に設置された非接触式（例えば白色干渉計あるいはレーザープローブなど）または接触式（例えばプローブ先端が球面あるいは平面の計測装置）の測定器１３を使用し、回転テーブル９が１回の揺動によって生じる円弧状切れ刃３の切削点の切り込み方向の移動量を測定する。

図４は、本発明の実施の形態の難削材の切削加工装置の概略図を示す。実験には、不二越社製ＸＺＢ ３軸超精密加工機ＡＳＰ−１５を使用した。被削材を主軸に、切削工具はB軸にそれぞれ固定した。切削工具として、天然ダイヤモンド大曲率円弧バイトを使用した。バイトの円弧曲率半径R＝10 mm、すくい角0 deg、逃げ角7 degである。刃物台の微調整により、バイトの曲率中心をB軸テーブルの回転中心へとほぼ一致させた。

まず、工具設定誤差補正前の工具揺動切削法（本発明の実施の形態の難削材の切削加工方法）を用いて、無酸素銅の切削を行った。図５は、非接触式３次元形状測定器（ＮＨ−３ＳＰ）により測定した工具設定誤差補正前の加工面の断面プロファイルである。図５から、加工面の底部には大きな谷が現れ、切り込み量を5 μｍに設定したのに対し、形状誤差の最大高さが8 μｍであることがわかる。これはバイト回転中心のB軸中心への設定誤差による結果と考えられる。

次に、工具設定誤差を打ち消すために、白色干渉計による工具形状の機上測定を行い、NCプログラム補正を行った。具体的には、加工面断面プロファイルの座標値Ziを採取し、形状誤差ΔZiを式（１）で計算した。
ΔZi= Zi-d (1)
ここで、dは設定深さ(5 μｍ)である。ΔZiは各点の補正量であり、それに基づいてNCプログラム補正を行った。図６は、補正データの一部を示す。図６中のＸ_ｉは送り方向の座標値、Ｚ_ｉ’は補正後の切り込み深さ方向の座標値、θ_ｉはＢ軸の揺動角度をそれぞれ示す。

まず、補正したNCプログラムを用いて再度無酸素銅の切削を行った。図７は、補正前と補正後の断面プロファイルの比較である。図７から、補正後はプロファイルが平坦になり、形状誤差が約0.3μｍと大幅に削減されていることが明らかである。

次に、形状誤差補正を行ったNCプログラムを用いて反応焼結ＳｉＣの切削実験を行った。切り込み深さを2μｍ、Ｂ軸の回転速度を5〜25°／ｍｉｎにそれぞれ設定した。また、工具送り量を2〜10ｍｍ／ｍｉｎ、主軸回転数を１０００〜２０００ｒｐｍに設定した。切削油剤として２種類を使用した。まず、白灯油ミストを使用して切削した。次に、高粘性・高付着力油剤（グリース）を切削油剤として工作物表面へ塗布して切削を行った。

図８は、反応焼結ＳｉＣを切削した後、ダイヤモンドバイトの刃先部分をＳＥＭで観察した結果を示す。図８（ａ）は従来切削法（工具揺動を行わない方法）を用いて、白灯油ミストを切削油剤として使用した場合の切れ刃ＳＥＭ写真であり、切れ刃には約6 μｍのフランク摩耗が見られている。図８（ｂ）は、工具揺動切削法（揺動速度 vB = 2.5 deg/min）で白灯油ミストを切削油剤として使用した際の切れ刃ＳＥＭ写真を示すものである。工具揺動を行うことで、フランク摩耗が3 μｍ程度に低減された。また、切削油剤としてグリースを工作物表面へ塗布して工具揺動切削法（揺動速度 vB = 5 deg/min）を行った結果を図８（ｃ）に示す。工具切れ刃の摩耗が僅かに観察されるだけで、工具寿命が大幅に向上されていることがわかる。さらに、図８（ｄ）は、切削油剤としてグリースを工作物表面へ塗布して揺動速度を大きくして（vB = 25 deg/min）工具揺動切削法を行った結果である。切れ刃摩耗はほぼ観察されなくなり、切れ刃が平滑であることがわかる。以上の結果より、工具揺動切削法を用いて切削油剤としてグリースを工作物表面へ塗布して切削加工を行うことにより、硬脆材料を代表とする難削材料の切削時の工具摩耗の低減と生産コストの低減とが可能であることが実証された。

図９は、工具揺動切削法（揺動速度vB = 25 deg/min）で加工した反応焼結ＳｉＣの表面粗さの３次元測定結果である。最大高さRz が36nm、算数平均高さRaが4 nmの良好な加工面が得られた。

１：曲面工作物
２：（工作物の）回転軸
３：（切削工具の）円弧状切れ刃
４：切削工具
５：（円弧状切れ刃の）曲率中心
６：（切削工具の曲率中心を中心とした）往復揺動運動
７：（切削工具の）切り込み
８：（切削工具の）工具送り
９：（加工機のＢ軸の）回転テーブル
１０：（加工機のＢ軸回転テーブルの回転）中心
１１：刃物台
１２：切削工具の曲率中心と加工機のＢ軸の中心との間の距離
１３：非接触式または接触式の測定器

Claims (5)

1. 難削材の超精密切削加工工程において、円弧状切れ刃を有する切削工具の円弧中心と前記切削工具を取り付ける加工機のＢ軸の回転テーブルの中心とを一致させ、前記回転テーブルを揺動させることで前記切削工具における切削点が円弧上で常に移動することを、特徴とする難削材の切削加工方法。
2. 前記回転テーブルの揺動において、前記切削工具の揺動によって生じる切り込み深さの誤差、および前記切削工具の製造時の円弧状からのばらつきよる切り込み深さの誤差を事前に測定しておき、各誤差のデータに基づいたNCプログラムで前記加工機を修正制御することを、特徴とする請求項１記載の難削材の切削加工方法。
3. 各誤差の測定は、前記加工機の機上に設置した非接触測定器または接触式測定器によって行うことを、特徴とする請求項２記載の難削材の切削加工方法。
4. 切削油剤として高粘性・高付着力油剤を使用し、工作物の加工表面に塗布することを、特徴とする請求項１、２または３記載の難削材の切削加工方法。
5. 超精密マイクロ切削加工工程において、円弧状切れ刃を有する切削工具と、前記切削工具の円弧中心とB軸の回転テーブルの中心とが一致するよう前記切削工具を取り付ける加工機とを有し、事前に測定した前記切削工具の揺動によって生じる切り込み深さの誤差を制御修正するNCプログラムを搭載し、前記切り込み深さの誤差の測定用に、前記加工機の機上に接触式測定器、非接触測定器または白色干渉計を設置したことを、特徴とする難削材の切削加工装置。