JP2017217720A - 微細加工方法および金型の製造方法および微細加工装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 刃具110と刃具110を第1の方向K1に振動させる振動部120とを有する微細加工装置100を用いる。刃具110の平均切削方向J1と第1の方向K1との間のなす角θの角度を20°以上120°以下の範囲内とする。第1の方向K1に振動する刃具110により被加工物WP1の表面に凹凸を加工する。
【選択図】図1
Description
1.微細加工装置
1−1.微細加工装置の基本構成
図1は、本実施形態の微細加工装置100の概略構成を示す図である。図1に示すように、微細加工装置100は、刃具110と、振動部120と、テーブル130と、を有する。微細加工装置100は、振動部120により刃具110を第1の方向K1に振動させながら、平均切削方向J1に向かって被加工物WP1を加工する。
ここで、説明の便宜上、平均切削方向J1をx軸方向の正方向と定義する。実際には、振動部120の平均位置は、装置に対して固定されており、被加工物WP1がx軸方向の負方向に搬送されるようになっていればよい。本実施形態では、刃具110の切れ刃幅の方向をxy平面に射影すると、xy平面に射影した刃具110の切れ刃幅の方向はy軸方向と平行である。本実施形態では、第1の方向K1は、xz平面内にある。つまり、第1の方向K1をxy平面に射影すると、xy平面に射影した第1の方向K1はx軸方向(平均切削方向J1)と平行である。
次に、微細加工装置100を用いた加工方法について説明する。
v・cosα < 2πaf・cos(θ+α) ………(1)
v:平均切削速度
a:超音波振動の片振幅
f:超音波振動の周波数
θ:刃具の平均切削方向と第1の方向との間のなす角の角度
α:刃具の平均切削方向と第1の方向とを含む面内で視たすくい角
(刃先が鋭くなる側を正、鈍くなる側を負とする)
を満たす。なお、図2中のすくい角αは負である。
λ=v/f ………(2)
λ:凹凸のピッチ間隔
を満たす。ここで、平均切削速度とは、刃具110の振動の振幅の中心が、移動する速度のことである。
3v・cosα < 2πaf・cos(θ+α) ………(3)
を満たすとよい。より好ましくは、次式
10v・cosα < 2πaf・cos(θ+α) ………(4)
を満たすとよい。式(1)の右辺が左辺に比べて十分大きいほど、刃具110のすくい面が被加工物WP1の表面に好適に転写されると考えられるからである。
図5は、微細加工装置100により加工された後の被加工物WP1の表面を模式的に示す図である。加工後の被加工物WP1の表面は、頂部D1と、溝D2と、斜面D3と、斜面D4と、を有する。頂部D1は、ストライプ状に形成されている。頂部D1は、一筋の尾根形状である。頂部D1は、斜面D3と斜面D4との間に挟まれている。溝D2は、一筋の溝形状である。溝D2は、斜面D3と斜面D4との間に挟まれている。
図5に示すように、本実施形態の微細加工装置100は、被加工物WP1の表面に周期的かつ微細な溝D2を形成する。これにより、被加工物WP1の表面は親水性もしくは撥水性を示す。親水性を呈するか撥水性を呈するかについては、被加工物WP1の材料や、表面の形状およびその寸法による。親水性の材料に溝D2を形成した場合には、その材料の表面はより強い親水性を呈する傾向がある。撥水性の材料に溝D2を形成した場合には、その材料の表面はより強い撥水性を呈する傾向がある。また、被加工物WP1がレンズ等である場合には、そのレンズは反射防止機能を有する。また、ベアリング等の摺動部材の表面を加工することもできる。
5−1.2方向からの加工
図5は、刃具110により一方向から被加工物WP1の表面を加工した図である。しかし、被加工物WP1の表面を2方向以上から切込み深さを変えずに加工してもよい。例えば、2方向から被加工物WP1の表面を加工すると、四角形を底面とする四角錐体の凸部を被加工物WP1の表面に形成することができる。例えば、3方向から被加工物WP1の表面を加工すると、三角錐体の凸部を被加工物WP1の表面に形成することができる。
図6に示すような刃具210を用いてもよい。刃具210の先端には、凹凸部211が形成されている。凹凸部211は、刃具210の横幅W1の方向に形成されている。そのため、刃具210により1方向から被加工物WP1の表面を加工すると、凹凸部211の凸部の数に応じた凹部が被加工物WP1の表面に形成される。もちろん、振動部120の振動による微細加工も被加工物WP1の表面に同時に形成される。
本実施形態では、被加工物WP1の表面は平面である。しかし、被加工物WP1が曲面を有していたとしても、その曲面に微細凹凸加工をすることができる。例えば、テーブル130を曲面を描くように動かせばよい。
本実施形態の微細加工装置100は、被加工物WP1の表面に微細な凹凸を形成するのと同時に、被加工物WP1の表層を削る仕上げ加工を行うことができる。被加工物WP1の表面が切削加工や研削加工を実施した後のやや粗い面であったとしても、本実施形態の加工方法を用いることにより、被加工物WP1の表面を鏡面または虹面に仕上げることができる。
本実施形態では、第1の方向K1をxy平面に射影すると、xy平面に射影した第1の方向K1はx軸方向(平均切削方向J1)と平行である。しかし、xy平面に射影した第1の方向K1が、x軸方向に対して所定の角度δで傾斜していてもよい。ただし、実施形態のように角度δが0°であるほうが深い凹凸形状を形成することができる。なお、角度δが0°でない場合には、第1の方向K1をxz平面に射影して角度θを定義すればよい。
本実施形態では、刃具110の切れ刃幅の方向をxy平面に射影すると、xy平面に射影した刃具110の切れ刃幅の方向はy軸方向と平行であると仮定して説明した。しかし、刃具110の切れ刃幅の方向を上記以外に設定してもよい。つまり、刃具110の切れ刃幅の方向をxy平面に射影すると、xy平面に射影した刃具110の切れ刃幅の方向はy軸に対して所定の角度γをなしていてもよい。その場合には、被加工物WP1に形成される溝のピッチ間隔は、λcosγになる。
図1では、刃具110は、振動部120に対して所定の角度で取り付けられている。しかし、形成する凹凸の形状に応じて、振動部120に対する刃具110の角度を自由に変更できるとよい。微細加工装置100は、振動部120に対して刃具110を取り付ける角度を自由に変更できるようにするための接続部を有するとよい。刃具110の取り付ける角度が変わると、すくい角が変わる。
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
本実施形態の微細加工装置100は、刃具110と、振動部120と、を有する。振動部120が周期的に振動するため、刃具110は、被加工物WP1の表面に微細加工を行うことができる。また、式(2)に示すように、振動周波数の高い振動部120を用いることにより、凹凸のピッチ間隔λに対して十分に速い平均切削速度vを設定することができる。
第2の実施形態について説明する。第2の実施形態の被加工物は、金型である。
1−1.金型部品の成形工程
まず、金型部品を成形する。そのために例えば、マシニングセンターまたは超精密加工機等の加工装置を用いればよい。
次に、微細加工装置100を用いて金型部品の内側に微細加工を施す。加工の詳細については、第1の実施形態で説明したとおりである。つまり、第1の実施形態で説明した加工条件で、振動する刃具110により金型の表面に微細な凹凸を加工する。
また、微細加工後の凹凸形状を電鋳などの工程で転写したものを金型として用いてもよい。金型部品に熱処理を施す熱処理工程等を適宜行ってもよい。また、金型部品を研磨する研磨工程を実施してもよい。また、その他の工程を実施してもよい。
2−1.刃具の凹凸形状
図7に示すように、先端に平坦面311のある刃具310を用いてもよい。その場合には、金型の微細溝に平坦な底面WP1cが形成される。この金型の底面WP1cは、金型により成形される製品に凸部を転写するためのものである。金型に底面WP1cがあるため、製品の凸部の頂部はある程度平坦である。そのため、製品の表面が傷つきにくい。また、平坦面311の代わりに丸みを持つ刃具を用いてもよい。その場合には、成形品の凸部の頂部が丸みを持つ。したがって、製品の表面が傷つきにくい。
変形例を含む第2の実施形態と、変形例を含む第1の実施形態とについて、自由に組み合わせてもよい。
第1の方向K1と平均切削方向J1との間のなす角の角度θを45°とした。刃具110は、ダイヤモンドカッターであった。振動部120の振動周波数は35kHz、全振幅は約5μmであった。送り速度(切削速度)は1m/minであった。
被加工物WP1は、銅合金であった。ピッチ間隔は、約0.5μmであった。
図8は、被加工物WP1の表面の顕微鏡写真である。図8に示すように、被加工物WP1の表面には、周期的な凹凸が形成されている。
110…刃具
120…振動部
130…テーブル
WP1…被加工物
Claims (7)
- 刃具と前記刃具を第1の方向に振動させる超音波振動装置とを有する加工装置を用い、
前記刃具の平均切削方向と前記第1の方向との間のなす角の角度を20°以上120°以下の範囲内とし、
振動する前記刃具により被加工物の表面に凹凸を加工すること
を特徴とする微細加工方法。 - 請求項1に記載の微細加工方法において、
前記刃具の平均切削方向と前記第1の方向との間のなす角の角度を35°以上85°以下の範囲内とすること
を特徴とする微細加工方法。 - 請求項1または請求項2に記載の微細加工方法において、
平均切削速度は、次式
v・cosα < 2πaf・cos(θ+α)
λ=v/f
v:平均切削速度
a:超音波振動の片振幅
f:超音波振動の周波数
θ:刃具の平均切削方向と第1の方向との間のなす角の角度
α:刃具の平均切削方向と第1の方向とを含む面内で視たすくい角
(刃先が鋭くなる側を正、鈍くなる側を負とする)
λ:凹凸のピッチ間隔
を満たすこと
を特徴とする微細加工方法。 - 刃具と前記刃具を第1の方向に振動させる超音波振動装置とを有する加工装置を用い、
前記刃具の平均切削方向と前記第1の方向との間のなす角の角度を20°以上120°以下の範囲内とし、
振動する前記刃具により金型の表面に凹凸を加工すること
を特徴とする金型の製造方法。 - 請求項4に記載の金型の製造方法において、
前記刃具の平均切削方向と前記第1の方向との間のなす角の角度を35°以上85°以下の範囲内とすること
を特徴とする金型の製造方法。 - 請求項4または請求項5に記載の金型の製造方法において、
平均切削速度は、次式
v・cosα < 2πaf・cos(θ+α)
λ=v/f
v:平均切削速度
a:超音波振動の片振幅
f:超音波振動の周波数
θ:刃具の平均切削方向と第1の方向との間のなす角の角度
α:刃具の平均切削方向と第1の方向とを含む面内で視たすくい角
(刃先が鋭くなる側を正、鈍くなる側を負とする)
λ:凹凸のピッチ間隔
を満たすこと
を特徴とする金型の製造方法。 - 刃具と、
前記刃具を第1の方向に振動させる超音波振動装置と、
を有する微細加工装置において、
前記刃具の平均切削方向と前記第1の方向との間のなす角の角度が20°以上120°以下の範囲内であること
を特徴とする微細加工装置。
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