JP3689622B2

JP3689622B2 - 切削加工方法

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Publication number: JP3689622B2
Application number: JP2000267392A
Authority: JP
Inventors: 孝夫横松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2020-09-04
Also published as: JP2002066801A

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。
【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。
【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。
【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
【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。
【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。
【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６３−６２３３９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。
【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。
【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。
【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、前記切削工具を、主分力方向と背分力方向で表わされる平面内で楕円状に振動させ、前記被加工物と前記切削工具を相対的に直交３軸方向に移動させるとともに、前記被加工物の曲面状の加工面と前記平面との交線の加工点における法線方向が前記背分力方向に一致するように回転１軸を中心に回転移動させ、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。
【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。
【００２０】
まず、本実施形態の概要について説明する。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００３０】
以下、本実施形態について具体的に説明する。
【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。
【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。
【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、８ｄ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２０〜３０ｋＨｚ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。
【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１６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２３℃）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。
【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。
【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。
【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１ｃｍ³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０．２ｃｍ³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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【図３】従来の切削加工法を示す図である。
【符号の説明】
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

Claims

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、
前記切削工具を、主分力方向と背分力方向で表わされる平面内で楕円状に振動させ、前記被加工物と前記切削工具を相対的に直交３軸方向に移動させるとともに、前記被加工物の曲面状の加工面と前記平面との交線の加工点における法線方向が前記背分力方向に一致するように回転１軸を中心に回転移動させ、
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。