JP4320646B2 - Cutting method - Google Patents

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Description

本発明は、光学素子用の成形金型その他を形成する材料、素材等の切削加工に好適に用いられる切削加工方法に関するものである。 The present invention relates to a cutting method suitably used for cutting a material, a raw material, and the like that form a molding die for an optical element and the like.

ダイヤモンド等の工具先端を振動させることで、難切削材料である超硬やガラス等の材料を切削加工する技術があり、振動切削と呼ばれている。これは、振動によって工具刃先が高速で微小切り込みを行い、かつ、この時に生成する切り屑を振動によって刃先が掬い出す効果によって、工具に対しても被削材料に対しても応力の少ない切削加工を実現するものである(例えば特許文献1、2、3、4等参照)。この振動切削加工により、通常の延性モード切削で必要とされる臨界切り込み量が数倍に向上し、難切削材料を高効率で切削加工することができる。   There is a technique for cutting a hard material such as cemented carbide or glass by vibrating the tip of a tool such as diamond, which is called vibration cutting. This is because the cutting edge of the tool performs fine cutting at a high speed by vibration, and the cutting edge generates a chip by the vibration, and the cutting process generates less stress on both the tool and the work material. (For example, refer to Patent Documents 1, 2, 3, 4, etc.). By this vibration cutting, the critical cutting amount required in normal ductile mode cutting is improved several times, and difficult-to-cut materials can be cut with high efficiency.

かかる振動切削加工において、加工効率を向上するには振動周波数を高めれば上述した効果が増加し、さらに周波数にほぼ比例して工具の送り速度も高められるので、通常は20kHz以上の高速な振動が使われる。また、この周波数では人間の可聴域を超えているので、振動子やそれにより励振される振動体が不快な音を生じないという利点もある。   In such vibration cutting, if the vibration frequency is increased in order to improve the processing efficiency, the above-described effect is increased, and the feed rate of the tool is also increased almost in proportion to the frequency. used. In addition, since this frequency exceeds the human audible range, there is an advantage that the vibrator and the vibrator excited by the vibrator do not produce unpleasant sound.

このような高速振動を工具刃先に発生させる方法として、ピエゾ素子や超磁歪素子等によって工具を保持する部材を励振し、この部材を撓み振動や軸方向振動等で共振させることにより、定在波として安定振動させることが実用化されている。このような方法において、工具を保持する部材、すなわち振動体は、共振の節にあたるところで装置筐体や加工機の工具台等に連結された部材に固定されている。
特開2000−52101号公報 特開2000−218401号公報 特開平9−309001号公報 特開2002−126901号公報
As a method of generating such high-speed vibration at the tool edge, a standing wave is generated by exciting a member holding the tool by a piezo element or a giant magnetostrictive element, and resonating the member with bending vibration or axial vibration. It has been put to practical use as a stable vibration. In such a method, a member for holding a tool, that is, a vibrating body is fixed to a member connected to an apparatus housing, a tool stand of a processing machine, or the like at a resonance node.
JP 2000-52101 A JP 2000-218401 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-309001 JP 2002-126901 A

上述のような振動切削工具をそのまま加工機に載せて切削を行う場合、被切削面すなわち被加工面に対する工具刃先の当たり方が、被加工面の形状によって変わることがある。例えば、工具刃先の軌跡が曲線であったり被加工面が曲面である場合には、工具刃先の加工領域が加工に伴って刃先稜線上を移動して、振動面が刃先の切り込み方向に対して垂直とならなくなるため、振動切削による効果が低下してしまうという問題があった。これは、切削加工における背分力の増加、切り屑の刃先すくい面による掻き出し効果の低下などをもたらし、被加工面に対しても刃先に対しても切削負荷を急激に増加させるという問題があった。
そのため、以上のように振動切削工具をそのまま加工機に載せる場合、被加工面の表面粗さが刃先の加工点の移動に伴って急激に劣化したり、刃先摩耗が進行して加工形状精度を低下させるなどの加工品位劣化の問題を生じ、振動切削工具においても寿命を短くし、場合によっては工具刃先が折損して加工が継続できないという深刻な問題を呈していた。
特に、加工面が光学面のような極めて高い形状精度と表面粗さを求められる用途では、前述したような振動切削に伴う工具刃先の加工点の移動は深刻であり、振動面が被加工面にほぼ垂直な例えば中央部の加工領域では形状精度も表面粗さも高い光学面が効率よく創製できていたものが、被加工面の周辺部の加工領域において工具刃先の加工点が移動して振動面に対して被加工面が45°以上の角度を成すようになると、ほとんど振動切削の効果が無くなり、急激に光学面の形状精度と表面粗さとが劣化する。それと同時に、切削材料が硬脆性材料である場合は、振動面が被加工面に垂直にならないと臨界切り込み量(延性モード切削できる最大の切り込み量)が減少するので、工具摩耗が急激に進行し、かつ被加工面が光学面にならないことも生じる。
また、剣先バイトのように刃先が細く鋭い形状の切削工具を用いる場合はさらに上述の問題が顕著であり、当初は振動切削効果により加工負荷が少なく深い切り込みを与えて切削加工が問題なく進行していたものが、被加工面の周辺部に移動して振動面と被加工面との垂直関係が崩れると、被加工面の表面粗さが急激に劣化し、ついには刃先が折損することが頻発していた。つまり、回折溝などの微細構造を有する光学面を剣先バイトのような刃先で切削加工する場合、かかる光学面の全体的形状にも依存するが、微細構造を正確に形状創製することと、工具刃先を太く頑丈にすることとが両立しない。このことは、上述のように振動切削工具をそのまま加工機に載せる場合、致命的な問題となる。このような問題は、特に、振動面と被加工面との垂直関係が大きく崩れる、法線角度45°以上の深い曲面上に微細構造を有する光学面すなわち被加工面の振動切削加工を行う際に大きな問題であった。
When performing cutting with the vibration cutting tool as described above placed on a processing machine as it is, the way the tool blade edge touches the surface to be cut, that is, the surface to be processed, may vary depending on the shape of the surface to be processed. For example, when the trajectory of the tool edge is a curve or the surface to be processed is a curved surface, the processing area of the tool edge moves along the edge of the edge of the tool as it is processed, and the vibration surface moves with respect to the cutting direction of the edge. There is a problem in that the effect of vibration cutting is reduced because it is not vertical. This causes an increase in the back component force in the cutting process and a decrease in the scraping effect due to the cutting edge rake face of the chip, and there is a problem that the cutting load is suddenly increased on both the work surface and the cutting edge. It was.
For this reason, when the vibration cutting tool is mounted on the processing machine as described above, the surface roughness of the surface to be processed deteriorates rapidly with the movement of the cutting point of the cutting edge, or the cutting edge wear progresses to improve the machining shape accuracy. This causes a problem of deterioration in processing quality such as lowering, and shortens the life of the vibration cutting tool. In some cases, the cutting edge of the tool is broken and the processing cannot be continued.
Particularly in applications where the machining surface is required to have extremely high shape accuracy and surface roughness, such as an optical surface, the movement of the machining point of the tool edge accompanying vibration cutting as described above is serious, and the vibration surface is the surface to be machined. For example, an optical surface with high shape accuracy and high surface roughness can be created efficiently in the machining area in the center, which is almost perpendicular to the center of the machine. However, the machining point on the tool edge moves and vibrates in the machining area around the work surface. When the surface to be processed forms an angle of 45 ° or more with respect to the surface, the effect of vibration cutting is almost lost, and the shape accuracy and surface roughness of the optical surface are rapidly deteriorated. At the same time, when the cutting material is a hard and brittle material, the critical cutting amount (maximum cutting amount that can be ductile mode cutting) decreases unless the vibration surface is perpendicular to the work surface. In addition, the surface to be processed may not be an optical surface.
In addition, when using a cutting tool with a thin and sharp edge like a sword cutting tool, the above-mentioned problem is further noticeable. Initially, the vibration cutting effect reduces the processing load and gives a deep cut, and the cutting progresses without any problem. However, if the vertical relationship between the vibration surface and the work surface is lost due to movement to the periphery of the work surface, the surface roughness of the work surface will deteriorate rapidly, and the cutting edge may eventually break. It occurred frequently. In other words, when cutting an optical surface having a fine structure such as a diffraction groove with a cutting edge such as a sword tip, depending on the overall shape of the optical surface, it is possible to accurately create a fine structure and to create a tool. It is not compatible with making the blade edge thick and sturdy. This becomes a fatal problem when the vibration cutting tool is directly mounted on the processing machine as described above. Such a problem occurs especially when performing vibration cutting of an optical surface having a fine structure on a deep curved surface with a normal angle of 45 ° or more, that is, the vertical relationship between the vibration surface and the processing surface is greatly broken. It was a big problem.

そこで、本発明は、多様な材料に対して迅速で効率的な切削を可能にするという振動切削の利点を損なうことなく、高い加工精度で多様な形状の被加工面を簡易に創製することができる切削加工方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention makes it possible to easily create work surfaces of various shapes with high processing accuracy without losing the advantage of vibration cutting that enables quick and efficient cutting of various materials. It aims at providing the cutting method which can be performed.

上記課題を解決するため、本発明に係る切削加工方法の実施に適する振動切削装置は、(a)切削工具と、(b)切削工具を振動させるための振動源と、(c)先端部に切削工具を支持して、振動源からの振動を切削工具に伝達する振動体と、(d)振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させることができる工具駆動部を有する駆動装置とを備える。ここで、「加工点が旋回中心となる」とは、切削工具の刃先のうち切り屑を生成する加工点が、旋回中心に対して一致または近接した状態を意味し、上記旋回に伴って加工点の刃先が方向を変えるだけで、かかる加工点の刃先が実質的に移動しないとみなせる範囲を意味する。具体的には、加工点が旋回中心から例えば10μm程度以下の範囲内にある状態がこれに該当する。なお、切削工具を回転させる軸、すなわち旋回中心を通る旋回軸は、通常被加工体に形成すべき被加工面の接線方向に延びるものとする。 In order to solve the above problems, a vibration cutting apparatus suitable for carrying out the cutting method according to the present invention includes (a) a cutting tool, (b) a vibration source for vibrating the cutting tool, and (c) a tip portion. A vibrating body that supports the cutting tool and transmits vibrations from a vibration source to the cutting tool, and (d) a tool drive that supports the vibrating body and can be displaced so that the machining point of the cutting tool becomes the turning center. And a driving device having a section. Here, “the machining point becomes the turning center” means that the machining point that generates chips of the cutting edge of the cutting tool coincides with or is close to the turning center. It means a range in which it can be considered that the cutting edge of the machining point does not substantially move only by changing the direction of the cutting edge of the point. Specifically, this corresponds to a state where the machining point is within a range of, for example, about 10 μm or less from the turning center. In addition, the axis | shaft which rotates a cutting tool, ie, the turning axis which passes a turning center, shall extend in the tangential direction of the to-be-processed surface which should be normally formed in a to-be-processed body.

上記装置では、工具駆動部が振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させるので、例えば切削工具の振動面が被加工面に対して垂直となるように配置することができ、或いは切削工具の振動面が被加工面に対して所望の角となるように配置することができる。つまり、加工点における刃先の角度制御が簡易かつ精密なものとなり、多様な形状の被加工面を高い加工精度で創製することができる。   In the above apparatus, the tool driving unit supports the vibrating body and displaces so that the machining point of the cutting tool becomes the center of rotation. For example, the cutting surface is arranged so that the vibration surface of the cutting tool is perpendicular to the work surface. Or the vibration surface of the cutting tool can be arranged at a desired angle with respect to the work surface. In other words, the angle control of the cutting edge at the processing point becomes simple and precise, and a workpiece surface with various shapes can be created with high processing accuracy.

加工点が旋回中心となるように切削工具を取り付けて振動切削を行うと、例えば被加工面に対して加工点での刃先の向きを常に一定に維持しながら切削加工することができ、切削工具先端の振動面を加工中に被加工面に対して垂直に維持することができる。これにより、振動切削の特徴である、背分カの低下による加工能カの向上や切り屑排除の効率化が達成され、硬脆材料や難削材料の鏡面切削加工が可能となり、高い加工形状精度と加工表面粗さを得ることができ、しかも工具寿命を飛躍的に延ばすことができるようになる。なお、切削に際しての切削工具の送り方法は、刃先を一方向に繰り返し送るルーリング加工であってもよいし、被加工体を回転させて、主に回転対称形状を切削加工する旋削加工であってもよい。   When the cutting tool is attached so that the processing point is the turning center and vibration cutting is performed, for example, the cutting tool can always perform cutting while maintaining the direction of the cutting edge at the processing point constant with respect to the processing surface. The vibration surface at the tip can be maintained perpendicular to the surface to be processed during processing. As a result, it is possible to improve the machining capability and reduce the efficiency of chip removal due to the reduction of the back part, which is a feature of vibration cutting, and to enable mirror cutting of hard and brittle materials and difficult-to-cut materials, resulting in a high machining shape. Precision and machined surface roughness can be obtained, and the tool life can be greatly extended. The cutting tool feeding method at the time of cutting may be a ruling process in which the cutting edge is repeatedly sent in one direction, or a turning process in which a workpiece is rotated to cut mainly a rotationally symmetric shape. Also good.

本発明の具体的な態様では、上記振動切削装置において、工具駆動部が、被加工体の表面若しくは当該被加工体に形成すべき被加工面に対して、切削工具に設けた刃先の姿勢を調節する。この場合、刃先の姿勢調節によって、被加工体を効率良く切削することができ、被加工面の仕上げを所期の精度に高めることができる。   In a specific aspect of the present invention, in the vibration cutting device, the tool driving unit is configured to change the posture of the cutting edge provided on the cutting tool with respect to the surface of the workpiece or the workpiece surface to be formed on the workpiece. Adjust. In this case, the workpiece can be efficiently cut by adjusting the posture of the blade edge, and the finish of the workpiece surface can be improved to the expected accuracy.

本発明の別の態様では、駆動装置が、被加工体を支持して所定の回転軸のまわりに回転させる被加工体駆動部を有する。この場合、被加工体を回転させてその姿勢を調節しつつ、被加工面に切削を施すことができる。   In another aspect of the present invention, the drive device includes a workpiece drive unit that supports the workpiece and rotates it around a predetermined rotation axis. In this case, it is possible to cut the work surface while rotating the work body and adjusting its posture.

本発明の別の態様では、駆動装置が、被加工体駆動部によって被加工体を回転させつつ、工具駆動部及び被加工体駆動部の少なくとも一方によって切削工具を被加工体の回転軸に対して相対的に移動させて、被加工体の旋削を行わせる。この場合、回転している被加工体に対して切削工具を移動させるので、回転対称形状を効率良く創製することができる。かかる駆動装置を備える振動切削装置は、特に回転対称形状が多く加工形状や表面粗さに関して高い精度を要求される光学面形状の加工に適している。   In another aspect of the present invention, the driving device rotates the workpiece by the workpiece driving unit, and the cutting tool is rotated with respect to the rotation axis of the workpiece by at least one of the tool driving unit and the workpiece driving unit. To move the workpiece relatively. In this case, since the cutting tool is moved relative to the rotating workpiece, a rotationally symmetric shape can be created efficiently. A vibration cutting device provided with such a drive device is particularly suitable for processing of an optical surface shape that has many rotationally symmetric shapes and requires high accuracy with respect to the processing shape and surface roughness.

本発明の別の態様では、駆動装置が、切削工具を被加工体の回転軸に対して少なくとも2次元的に相対移動させる。この場合、任意の回転対称形状の加工が可能になる。   In another aspect of the present invention, the drive device moves the cutting tool relative to the rotation axis of the workpiece at least two-dimensionally. In this case, processing of any rotationally symmetric shape is possible.

本発明の別の態様では、切削工具がダイヤモンドの刃先を有する。ダイヤモンドの刃先による切削では、極めて高い形状精度と微小な表面粗さとを実現できるので、光学面の創製加工に非常に適している。特に、振動切削においては、切削応力が被加工体に対しても刃先に対しても著しく低減するので、深い切り込み量が得られ、ダイヤモンドの刃先の寿命も伸びるので、切削回数や工具取り替えの手間を減らして、光学面を効率良く創製加工することができる。   In another aspect of the invention, the cutting tool has a diamond cutting edge. Cutting with a diamond cutting edge can achieve extremely high shape accuracy and minute surface roughness, and is therefore very suitable for optical surface creation. Especially in vibration cutting, the cutting stress is remarkably reduced for both the work piece and the cutting edge, so that a deep cutting depth is obtained and the life of the diamond cutting edge is extended. The optical surface can be created and processed efficiently.

本発明の別の態様では、切削工具の刃先が剣先状の切れ刃形状を有する。この場合、被加工体の表面に回折溝等の微細な構造を創製加工することが容易になる。また、剣先状の刃先が加工点となるように振動切削することによって、加工中常に、振動面が加工点に対向する被加工面に垂直になるようにできるので、切削加工の背分力が低減され、工具刃先の摩耗や折損を防ぐ。また、被加工面の表面粗さや形状精度を高く加工できる。   In another aspect of the present invention, the cutting edge of the cutting tool has a sword-like cutting edge shape. In this case, it becomes easy to create and process a fine structure such as a diffraction groove on the surface of the workpiece. Also, by performing vibration cutting so that the blade edge of the sword tip becomes the machining point, the vibration surface can be made perpendicular to the work surface facing the machining point at all times during machining, so that the cutting back force is reduced. Reduces tool edge wear and breakage. In addition, the surface roughness and shape accuracy of the surface to be processed can be increased.

本発明の別の態様では、切削工具の刃先が半月形状の切れ刃形状を有する。この場合、被加工面の表面に回折溝等の微細な構造を創製加工することが容易になる。また、被加工面が曲面である場合、円弧形状の刃先を利用して、表面粗さを剣先バイトよりも小さくでき、滑らかな光学面を創製できる。さらに、半月形状の刃先が加工点となるように振動切削することによって、加工中常に、振動面が加工点に対向する被加工面に垂直になるようにできるので、切削加工の背分力が低減され、工具刃先の摩耗や折損を防ぐ。また、被加工面の表面粗さや形状精度を高く加工できる。   In another aspect of the present invention, the cutting edge of the cutting tool has a half-moon shaped cutting edge shape. In this case, it becomes easy to create a fine structure such as a diffraction groove on the surface of the processing surface. In addition, when the surface to be processed is a curved surface, the surface roughness can be made smaller than that of the blade of the sword using an arc-shaped cutting edge, and a smooth optical surface can be created. Furthermore, by performing vibration cutting so that the half-moon shaped cutting edge becomes the machining point, the vibration surface can be made perpendicular to the work surface facing the machining point at all times during machining, so that the cutting back force is reduced. Reduces tool edge wear and breakage. In addition, the surface roughness and shape accuracy of the surface to be processed can be increased.

本発明の別の態様では、切削工具の刃先が円弧状の切れ刃形状を有する。この場合、全体として円弧状の刃先を利用するので、被加工面の切削痕が滑らかになって表面粗さを低くすることができる。よって、光学面が創製される場合、鏡面性が増して、被加工光学面の品質を高めることができる。   In another aspect of the present invention, the cutting edge of the cutting tool has an arcuate cutting edge shape. In this case, since the arcuate cutting edge is used as a whole, the cutting trace on the surface to be processed becomes smooth and the surface roughness can be lowered. Therefore, when an optical surface is created, the specularity is increased and the quality of the optical surface to be processed can be improved.

本発明の別の態様では、切削工具の加工点が振動体の工具軸の延長上に配置される。ここで、工具軸は、切削工具の切込深さ方向に延び、振動体の横方向振動の中心となる。なお、切削工具の振動面が加工点で被加工面に対して例えば垂直となるように配置した場合、工具軸は、加工点に対向する被加工面の接平面に対して垂直に延びるものとなる。この場合、切削工具の刃先が工具軸の延長線上を中心として変位し、工具軸上において振動の対称性が良好になる。よって、被加工面がより滑らかに切削され、加工精度を向上させることができる。また、被加工面に対する切削工具や振動体の先端部の配置を把握し易く、振動切削装置による加工の作業性を高めることができる。   In another aspect of the present invention, the processing point of the cutting tool is disposed on the extension of the tool axis of the vibrating body. Here, the tool axis extends in the cutting depth direction of the cutting tool and becomes the center of the lateral vibration of the vibrating body. When the vibration surface of the cutting tool is arranged so that it is perpendicular to the work surface at the machining point, for example, the tool axis extends perpendicular to the tangential plane of the work surface facing the machining point. Become. In this case, the cutting edge of the cutting tool is displaced about the extension line of the tool axis, and the symmetry of vibration is improved on the tool axis. Therefore, the surface to be processed is cut more smoothly, and the processing accuracy can be improved. Moreover, it is easy to grasp the arrangement of the cutting tool and the tip of the vibrating body with respect to the surface to be processed, and the workability of processing by the vibration cutting device can be improved.

本発明に係る切削加工方法は、振動源からの振動を振動体を介して当該振動体の先端部に支持した切削工具に伝達する切削加工方法であって、振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させる。   A cutting method according to the present invention is a cutting method for transmitting vibration from a vibration source to a cutting tool supported on a tip portion of the vibrating body via the vibrating body, and supporting the vibrating body of the cutting tool. The machining point is displaced so as to be the center of rotation.

上記方法では、振動体を支持して切削工具の加工点が旋回中心となるように変位させるので、例えば切削工具の振動面が被加工面に対して所望の角となるように配置することができ、加工点における刃先の角度制御が簡易かつ精密なものとなり、多様な形状の被加工面を高い加工精度で創製することができる。   In the above method, the vibrating body is supported and displaced so that the machining point of the cutting tool becomes the center of rotation. For example, the vibration surface of the cutting tool can be arranged at a desired angle with respect to the workpiece surface. In addition, the angle control of the cutting edge at the machining point becomes simple and precise, and a workpiece surface with various shapes can be created with high machining accuracy.

特に本発明では、振動源からの振動を振動体を介して当該振動体の先端部に支持した切削工具に伝達させ、被加工体を回転軸のまわりで回転させつつ切削工具で旋削する、回転対称の被加工面の切削加工方法であって、振動体を支持して切削工具の加工点を旋回中心として切削工具を切削方向と直交する面内で変位させ、当該変位により、振動による切削工具の振動面が、切削加工中の被加工面に対して垂直になるように保つ。
本発明の具体的な態様では、上記切削加工方法において、切削工具を旋回させる際に、被加工体の表面若しくは当該被加工体に形成すべき被加工面に対して、切削工具に形成された刃先の姿勢を調節する。
In particular, in the present invention, the vibration from the vibration source is transmitted to the cutting tool supported on the tip of the vibrating body through the vibrating body, and the workpiece is turned around the rotation axis and turned with the cutting tool. A method for cutting a symmetric workpiece surface, wherein the cutting tool is displaced in a plane orthogonal to the cutting direction by supporting the vibrating body and having the machining point of the cutting tool as a turning center, and the displacement is caused by the vibration. The vibration surface is kept perpendicular to the work surface being cut.
In a specific aspect of the present invention, in the cutting method, when the cutting tool is turned, the cutting tool is formed on the surface of the workpiece or on the workpiece surface to be formed on the workpiece. Adjust the posture of the blade edge.

本発明に係る成形金型は、上記振動切削装置を用いて、加工創製された光学面を有する。この場合、凹面その他の各種光学面を有する金型を、効率良く簡易に高精度で加工することができる。   The molding die according to the present invention has an optical surface created by machining using the vibration cutting device. In this case, a mold having a concave surface and other various optical surfaces can be efficiently and simply processed with high accuracy.

本発明に係る光学素子は、上記成形金型によって成形される。この場合、高精度の金型によって高精度の光学素子を得ることができる。   The optical element according to the present invention is molded by the molding die. In this case, a high-precision optical element can be obtained with a high-precision mold.

〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係る切削加工方法の実施に適する振動切削装置を図面を用いて説明する。図1は、レンズ等の光学素子を成形するための成形金型の光学面を加工する振動切削装置の構造を概念的に説明するブロック図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a vibration cutting apparatus suitable for carrying out the cutting method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram conceptually illustrating the structure of a vibration cutting apparatus that processes an optical surface of a molding die for molding an optical element such as a lens.

図1に示すように、振動切削装置10は、被加工体であるワークWを切削加工するための振動切削ユニット20と、振動切削ユニット20をワークWに対して支持するNC駆動機構30と、NC駆動機構30の動作を制御する駆動制御装置40と、振動切削ユニット20に所望の振動を与える振動子駆動装置50と、振動切削ユニット20に冷却用のガスを供給するガス供給装置60と、装置全体の動作を統括的に制御する主制御装置70とを備える。   As shown in FIG. 1, the vibration cutting device 10 includes a vibration cutting unit 20 for cutting a workpiece W that is a workpiece, an NC drive mechanism 30 that supports the vibration cutting unit 20 with respect to the workpiece W, A drive control device 40 for controlling the operation of the NC drive mechanism 30; a vibrator drive device 50 for applying desired vibration to the vibration cutting unit 20; a gas supply device 60 for supplying a cooling gas to the vibration cutting unit 20; And a main controller 70 that controls the overall operation of the apparatus.

振動切削ユニット20は、Z軸方向に延びるツール部21先端に切削工具23を埋め込んだ振動切削工具であり、この切削工具23の高周波振動によってワークWを効率良く切削する。振動切削ユニット20の詳細については後述する。   The vibration cutting unit 20 is a vibration cutting tool in which a cutting tool 23 is embedded at the tip of a tool portion 21 extending in the Z-axis direction, and efficiently cuts the workpiece W by high-frequency vibration of the cutting tool 23. Details of the vibration cutting unit 20 will be described later.

NC駆動機構30は、台座31上に第1ステージ32と第2ステージ33とを載置した構造の駆動装置である。ここで、第1ステージ32は、第1可動部35を支持しており、この第1可動部35は、チャック37を介してワークWを間接的に支持している。第1ステージ32は、ワークWを、例えばZ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第1可動部35は、ワークWをZ軸に平行な水平回転軸RAのまわりに所望の速度で回転させることができる。一方、第2ステージ33は、第2可動部36を支持しており、この第2可動部36は、振動切削ユニット20を支持している。第2ステージ33は、第2可動部36及び振動切削ユニット20を支持して、これらを例えばX軸方向やY軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第2可動部36は、振動切削ユニット20を、Y軸に平行な鉛直旋回軸PXのまわりに所望の角度量だけ所望の速度で回転させることができる。特に、第2可動部36に対する振動切削ユニット20の固定位置や角度等を適宜調節して、振動切削ユニット20の先端点を鉛直旋回軸PX上に配置することにより、振動切削ユニット20をその先端点のまわりに所望の角度だけ回転させることができる。   The NC drive mechanism 30 is a drive device having a structure in which a first stage 32 and a second stage 33 are placed on a pedestal 31. Here, the first stage 32 supports the first movable part 35, and the first movable part 35 indirectly supports the workpiece W via the chuck 37. The first stage 32 can move the workpiece W, for example, to a desired position along the Z-axis direction at a desired speed. The first movable portion 35 can rotate the workpiece W around the horizontal rotation axis RA parallel to the Z axis at a desired speed. On the other hand, the second stage 33 supports the second movable part 36, and the second movable part 36 supports the vibration cutting unit 20. The second stage 33 supports the second movable part 36 and the vibration cutting unit 20 and can move them to a desired position along, for example, the X-axis direction or the Y-axis direction at a desired speed. Further, the second movable portion 36 can rotate the vibration cutting unit 20 at a desired speed by a desired angular amount around the vertical turning axis PX parallel to the Y axis. In particular, the vibration cutting unit 20 is positioned at its tip by arranging the tip point of the vibration cutting unit 20 on the vertical pivot axis PX by appropriately adjusting the fixed position and angle of the vibration cutting unit 20 with respect to the second movable portion 36. It can be rotated around the point by a desired angle.

なお、以上のNC駆動機構30において、第1ステージ32と第1可動部35とは、ワークWを駆動する被加工体駆動部を構成し、第2ステージ33と第2可動部36とは、振動切削ユニット20を駆動する工具駆動部を構成する。   In the NC drive mechanism 30 described above, the first stage 32 and the first movable unit 35 constitute a workpiece drive unit that drives the workpiece W, and the second stage 33 and the second movable unit 36 are A tool driving unit that drives the vibration cutting unit 20 is configured.

駆動制御装置40は、高精度の数値制御を可能にするものであり、NC駆動機構30に内蔵されたモータや位置センサ等を主制御装置70の制御下で駆動することによって、第1及び第2ステージ32,33や、第1及び第2可動部35,36を目的とする状態に適宜動作させる。例えば、第1及び第2ステージ32,33によって、振動切削ユニット20のツール部21先端に設けた切削工具23先端の加工点を低速でXZ面に平行な面内に設定した所定の軌跡に沿ってワークWに対して相対的に移動(送り動作)させつつ、第1可動部35によって、ワークWを水平回転軸RAのまわりに高速で回転させることができる。結果的に、駆動制御装置40の制御下で、NC駆動機構30を高精度の旋盤として活用することができる。この際、第2可動部36によって、切削工具23先端に対応する加工点を中心として、切削工具23先端を鉛直旋回軸PXのまわりに適宜回転させることができ、ワークWの被加工点に対して切削工具23先端を所望の姿勢(傾き)に設定することができる。   The drive control device 40 enables high-precision numerical control, and drives the motor, the position sensor, and the like built in the NC drive mechanism 30 under the control of the main control device 70, thereby allowing the first and first control. The two stages 32 and 33 and the first and second movable parts 35 and 36 are appropriately operated to a target state. For example, the first and second stages 32, 33 follow a predetermined locus in which the machining point at the tip of the cutting tool 23 provided at the tip of the tool portion 21 of the vibration cutting unit 20 is set at a low speed in a plane parallel to the XZ plane. Thus, the workpiece W can be rotated around the horizontal rotation axis RA at a high speed by the first movable portion 35 while moving (feeding operation) relative to the workpiece W. As a result, the NC drive mechanism 30 can be utilized as a highly accurate lathe under the control of the drive control device 40. At this time, the second movable portion 36 can appropriately rotate the tip of the cutting tool 23 around the vertical turning axis PX around the processing point corresponding to the tip of the cutting tool 23, Thus, the tip of the cutting tool 23 can be set to a desired posture (tilt).

振動子駆動装置50は、振動切削ユニット20に内蔵された振動源に電力を供給するためのものであり、内蔵する発振回路やPLL回路によって、ツール部21先端を主制御装置70の制御下で所望の振動数及び振幅で振動させることができる。なお、詳細は後述するが、ツール部21先端は、軸(すなわち切り込み深さ方向に延びる工具軸)に垂直な撓み振動や軸に沿った軸方向振動が可能になっており、その2次元的な振動や3次元的な振動によってワークW表面にツール部21先端すなわち切削工具23を向けた微細で効率的な加工が可能になっている。   The vibrator driving device 50 is for supplying electric power to a vibration source built in the vibration cutting unit 20, and the tip of the tool unit 21 is controlled by the main controller 70 by a built-in oscillation circuit or PLL circuit. It can be vibrated at a desired frequency and amplitude. Although details will be described later, the tip of the tool portion 21 is capable of bending vibration perpendicular to the axis (that is, the tool axis extending in the cutting depth direction) and axial vibration along the axis. Fine and efficient machining with the tip of the tool portion 21, that is, the cutting tool 23, directed to the surface of the workpiece W is enabled by simple vibration or three-dimensional vibration.

ガス供給装置60は、振動切削ユニット20を冷却するためのものであり、加圧された乾燥空気を供給するガス状流体源61と、ガス状流体源61からの加圧乾燥空気を通過させることによってその温度を調節する温度調整手段としての温度調節部63と、温度調節部63を通過した加圧乾燥空気の流量調節を行う流量調整手段としての流量調節部65とを備える。ここで、ガス状流体源61は、例えば熱的工程やデシケータ等を利用した乾燥機に空気を送り込むことによって空気を乾燥させ、コンプレッサで乾燥空気を所望の気圧まで昇圧させる。また、温度調節部63は、図示を省略するが、例えば冷媒を周囲に循環させた流路と、この流路の途中に設けた温度センサとを有し、冷媒の温度や供給量の調節によって、流路に通した加圧乾燥空気を所望の温度に調節することができる。さらに、流量調節部65は、例えばバルブやフローコントローラ(不図示)を有し、温度調節された加圧乾燥空気を振動切削ユニット20に供給する際の流量を調節することができるようになっている。   The gas supply device 60 is for cooling the vibration cutting unit 20, and passes a gaseous fluid source 61 for supplying pressurized dry air and the pressurized dry air from the gaseous fluid source 61. Are provided with a temperature adjusting unit 63 as a temperature adjusting unit for adjusting the temperature of the gas and a flow rate adjusting unit 65 as a flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of the pressurized dry air that has passed through the temperature adjusting unit 63. Here, the gaseous fluid source 61 dries air by, for example, sending the air to a dryer using a thermal process, a desiccator, or the like, and pressurizes the dry air to a desired pressure with a compressor. Although not shown, the temperature adjustment unit 63 includes, for example, a flow path in which the refrigerant is circulated around and a temperature sensor provided in the middle of the flow path. By adjusting the temperature and supply amount of the refrigerant, The pressurized dry air passed through the flow path can be adjusted to a desired temperature. Furthermore, the flow rate adjusting unit 65 has, for example, a valve and a flow controller (not shown), and can adjust the flow rate when supplying pressurized dry air whose temperature is adjusted to the vibration cutting unit 20. Yes.

図2は、振動切削ユニット20の構造を説明する断面図である。振動切削ユニット20は、切削工具23と、振動体82と、軸方向振動子83と、撓み振動子84と、カウンタバランス85と、筐体86とを備える。   FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of the vibration cutting unit 20. The vibration cutting unit 20 includes a cutting tool 23, a vibrating body 82, an axial vibrator 83, a bending vibrator 84, a counter balance 85, and a housing 86.

ここで、切削工具23は、振動体82の先端側であるツール部21の先端部21aに埋め込むように固定されている。切削工具23は、後に詳述するが、先端23aがダイヤモンドチップの切刃になっており、共振状態とされた振動体82の開放端として振動体82とともに振動する。つまり、切削工具23は、振動体82の軸方向振動に伴ってZ方向に変位する振動を生じ、振動体82の撓み振動に伴ってY軸方向(或いはX軸方向)に変位する振動を生じる。結果的に、切削工具23の先端は、例えば誇張して図示したような楕円軌道EOを描いて高速変位する。   Here, the cutting tool 23 is fixed so as to be embedded in the distal end portion 21 a of the tool portion 21 that is the distal end side of the vibrating body 82. As will be described in detail later, the cutting tool 23 has a diamond tip cutting edge 23a, and vibrates with the vibrating body 82 as an open end of the vibrating body 82 in a resonance state. That is, the cutting tool 23 generates a vibration that is displaced in the Z direction with the vibration of the vibrating body 82 in the axial direction, and a vibration that is displaced in the Y-axis direction (or the X-axis direction) with the bending vibration of the vibrating body 82. . As a result, the tip of the cutting tool 23 is displaced at high speed, for example, exaggeratingly drawing an elliptical orbit EO as illustrated.

振動体82は、線膨張係数が6×10−6以下の材料によって形成されており、具体的には、窒化珪素、サイアロン、超硬、インバー材、ステンレスインバー材等が好適に用いられる。振動体82は、先端側のツール部21で外径が細くなっており、根元側で外径が太くなっている。振動体82の側面の適当な箇所には、板状部分である第1固定フランジ87が形成されており、振動体82は、第1固定フランジ87を介して筐体86に例えばネジ93で固定されている。なお、振動体82は、軸方向振動子83によって振動し、Z方向に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。また、振動体82は、撓み振動子84によって振動し、Y軸方向(或いはX軸方向)に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。ここで、第1固定フランジ87の位置は、振動体82にとって、軸方向振動と撓み振動とに共通の節となっており、第1固定フランジ87を介して振動体82を固定することにより、軸方向振動や撓み振動が妨げられることを防止できる。   The vibrating body 82 is made of a material having a linear expansion coefficient of 6 × 10 −6 or less. Specifically, silicon nitride, sialon, carbide, invar material, stainless invar material, or the like is preferably used. The vibrating body 82 has a thin outer diameter at the tool portion 21 on the distal end side, and a thick outer diameter on the root side. A first fixing flange 87, which is a plate-like portion, is formed at an appropriate location on the side surface of the vibrating body 82, and the vibrating body 82 is fixed to the housing 86 via the first fixing flange 87 with, for example, screws 93. Has been. The vibrating body 82 is oscillated by the axial vibrator 83 and enters a resonance state in which a standing wave that is locally displaced in the Z direction is formed. The vibrating body 82 is vibrated by the flexural vibrator 84 and enters a resonance state in which a standing wave is locally displaced in the Y-axis direction (or X-axis direction). Here, the position of the first fixing flange 87 is a common node for the vibrating body 82 in the axial vibration and the bending vibration, and by fixing the vibrating body 82 via the first fixing flange 87, It is possible to prevent the axial vibration and the bending vibration from being hindered.

図3は、第1固定フランジ87の形状を例示する。図3(a)に示す第1固定フランジ87は、完全な円板状の固定部材であり、外周部分が図2の筐体86に固定されて筐体86を封止しており、通気のない構造となっている。図3(b)に示す第1固定フランジ87は、複数の開口87aを有する固定部材であり、外周部分を図2の筐体86に固定しても、筐体86内外の通気がある程度確保できるようになっている。図3(c)に示す第1固定フランジ87は、例えば等角度で3方向に延びる支持部材87bを有する固定部材であり、支持部材87b先端を図2の筐体86に固定しても、筐体86内外の十分な通気が確保できるようになっている。   FIG. 3 illustrates the shape of the first fixing flange 87. The first fixing flange 87 shown in FIG. 3A is a perfect disk-shaped fixing member, and the outer peripheral portion is fixed to the casing 86 of FIG. It has no structure. The first fixing flange 87 shown in FIG. 3B is a fixing member having a plurality of openings 87a, and even if the outer peripheral portion is fixed to the housing 86 in FIG. It is like that. The first fixing flange 87 shown in FIG. 3C is a fixing member having a supporting member 87b extending in three directions at an equal angle, for example. Even if the tip of the supporting member 87b is fixed to the casing 86 in FIG. Sufficient ventilation inside and outside the body 86 can be secured.

図2に戻って、軸方向振動子83は、ピエゾ素子(PZT)や超磁歪素子等で形成され振動体82の根元側端面に接続される振動源であり、図示を省略するコネクタ等を介して図1の振動子駆動装置50に接続されている。軸方向振動子83は、振動子駆動装置50からの駆動信号に基づいて動作し高周波で伸縮振動することによって振動体82に縦波を与える。なお、軸方向振動子83は、Z方向に関しては変位可能になっているが、XY方向に関しては変位しないようになっている。   Returning to FIG. 2, the axial vibrator 83 is a vibration source that is formed of a piezo element (PZT), a giant magnetostrictive element, or the like and is connected to the end face on the base side of the vibrating body 82, and is connected via a connector or the like not shown. Are connected to the vibrator driving device 50 of FIG. The axial vibrator 83 operates based on a drive signal from the vibrator driving device 50 and gives a longitudinal wave to the vibrating body 82 by stretching and vibrating at a high frequency. The axial vibrator 83 is displaceable in the Z direction but is not displaced in the XY direction.

撓み振動子84は、ピエゾ素子や超磁歪素子等で形成され振動体82の根元側側面に接続される振動源であり、図示を省略するコネクタ等を介して図1の振動子駆動装置50に接続されている。撓み振動子84は、振動子駆動装置50からの駆動信号に基づいて動作し、高周波で振動することによって振動体82に横波すなわち図示の例ではY方向の振動を与える。   The bending vibrator 84 is a vibration source that is formed of a piezo element, a giant magnetostrictive element, or the like and is connected to the base side surface of the vibrating body 82. The bending vibrator 84 is connected to the vibrator driving device 50 of FIG. It is connected. The bending vibrator 84 operates based on a drive signal from the vibrator driving device 50, and applies a transverse wave, that is, a vibration in the Y direction in the illustrated example, to the vibrating body 82 by vibrating at a high frequency.

カウンタバランス85は、軸方向振動子83を挟んで振動体82の反対側に接続される。カウンタバランス85の側面の適当な箇所には、第2固定フランジ88が形成されており、カウンタバランス85は、第2固定フランジ88を介して筐体86に固定されている。第2固定フランジ88の形状は、図3に示す第1固定フランジ87と同様のものとなっている。なお、カウンタバランス85は、軸方向振動子83によって振動し、Z方向に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。ここで、第2固定フランジ88の位置は、カウンタバランス85にとって、軸方向振動の節となっており、第2固定フランジ88を介して固定することにより、振動体82の軸方向振動が妨げられることを防止できる。なお、カウンタバランス85も、振動体82と同一の材料で形成されている。   The counter balance 85 is connected to the opposite side of the vibrating body 82 with the axial vibrator 83 interposed therebetween. A second fixing flange 88 is formed at an appropriate position on the side surface of the counter balance 85, and the counter balance 85 is fixed to the housing 86 via the second fixing flange 88. The shape of the second fixing flange 88 is the same as that of the first fixing flange 87 shown in FIG. Note that the counter balance 85 is in a resonance state in which a standing wave that is vibrated by the axial vibrator 83 and locally displaced in the Z direction is formed. Here, the position of the second fixing flange 88 is a node of axial vibration for the counter balance 85, and the axial vibration of the vibrating body 82 is prevented by fixing the second fixing flange 88 via the second fixing flange 88. Can be prevented. The counter balance 85 is also formed of the same material as that of the vibrating body 82.

筐体86は、円柱状の内部空間を有する部材であり、第1及び第2固定フランジ87,88を介して振動体82やカウンタバランス85を支持固定する部分である。筐体86の一端には、開口を塞ぐように上述の第1固定フランジ87が取り付けられており、他端には、端面の開口に連結された給気パイプ92が設けられている。この給気パイプ92は、図1のガス供給装置60に連結されており、所望の流量及び温度に設定された加圧乾燥空気が供給される。   The casing 86 is a member having a cylindrical inner space, and is a part that supports and fixes the vibrating body 82 and the counter balance 85 via the first and second fixing flanges 87 and 88. The first fixing flange 87 is attached to one end of the housing 86 so as to close the opening, and an air supply pipe 92 connected to the opening on the end surface is provided on the other end. The air supply pipe 92 is connected to the gas supply device 60 of FIG. 1, and is supplied with pressurized dry air set to a desired flow rate and temperature.

以上の振動切削ユニット20において、振動体82と、軸方向振動子83と、カウンタバランス85とは、互いにロウ付けによって接合・固定されており、軸方向振動子83の効率的な振動が可能になっている。また、振動体82と、軸方向振動子83と、カウンタバランス85との軸心には、これらの接合面を横切るようにこれらを貫通する貫通孔91が形成されており、給気パイプ92からの加圧乾燥空気が流通する。つまり、貫通孔91は、加圧乾燥空気を送り出す供給路であり、ガス供給装置60や給気パイプ92とともに、振動切削ユニット20を内部から冷却するための冷却手段を構成する。貫通孔91の先端部は、切削工具23を差し込んで固定するための保持孔に兼用されており、貫通孔91に導入された加圧乾燥空気を切削工具23の周辺に供給できるようになっている。また、貫通孔91の先端は、切削工具23を固定した場合にも隙間を残しており、切削工具23に隣接して形成された開口91aからは、加圧乾燥空気が高速で噴射され、切削工具23先端の加工点を効率良く冷却することができるだけでなく、加工点やその周囲に付着する切り屑を気流によって確実に除去することができる。   In the vibration cutting unit 20 described above, the vibrating body 82, the axial vibrator 83, and the counter balance 85 are joined and fixed to each other by brazing so that the axial vibrator 83 can be vibrated efficiently. It has become. In addition, a through-hole 91 is formed in the shaft center of the vibrating body 82, the axial vibrator 83, and the counter balance 85 so as to pass through these joint surfaces. Of pressurized dry air flows. That is, the through-hole 91 is a supply path for sending pressurized dry air, and constitutes a cooling means for cooling the vibration cutting unit 20 from the inside together with the gas supply device 60 and the air supply pipe 92. The front end portion of the through hole 91 is also used as a holding hole for inserting and fixing the cutting tool 23, and the pressurized dry air introduced into the through hole 91 can be supplied to the periphery of the cutting tool 23. Yes. Further, the tip of the through hole 91 leaves a gap even when the cutting tool 23 is fixed, and pressurized dry air is jetted at a high speed from the opening 91a formed adjacent to the cutting tool 23, and cutting is performed. Not only can the machining point at the tip of the tool 23 be efficiently cooled, but also the machining point and chips adhering to the periphery of the machining point can be reliably removed by an air flow.

図4(a)は、図2に示すツール部21先端の側面図であり、図4(b)は、ツール部21先端の平面図である。   4A is a side view of the tip of the tool part 21 shown in FIG. 2, and FIG. 4B is a plan view of the tip of the tool part 21. As shown in FIG.

図からも明らかなように、ツール部21に設けた先端部21aは、テーパ状の先細形状を有しており、切込み深さ方向に延びる工具軸AXのまわりに回転対称な截頭円錐形状を有する。また、先端部21aの先端に保持された切削工具23は、先端が三角で全体が板状のシャンク23bと、シャンク23bの尖端に固定された加工用チップ23cとを備える。このうち、シャンク23bは、超硬材料、セラミックス材料、ハイス鋼等によって形成されており、軽量でありながら撓みにくくなっている。また、加工用チップ23cは、ダイヤモンド製のチップであり、シャンク23bの先端にロウ付け等によって固定されている。切削工具23自体は、先端部21aの端面21dに埋め込むようにして固定されており、加工用チップ23cの尖端は、工具軸AXの延長上に配置されている。また、加工用チップ23cやこれを支持するシャンク23bは、先端部21aの側面形状を延長した円錐状の空間内に収まっている。ここで、先端部21aのテーパ角θは、15°〜90°の範囲となっており、好ましくは30°〜90°の範囲とする。テーパ角θが15°以上の場合、先端部21aの曲げ強度等が確保され、特に30°以上で十分な強度が確保される。また、テーパ角θが15°以上の場合、先端部21a近傍で振動モードが変化する傾向を抑制でき、切削工具23による切削加工精度が、特に30°以上で意図しない振動を回避して効果的に向上する傾向が生じる。一方、先端部21aのテーパ角θが90°以下の場合、先端部21aがワークWの被加工面SAと干渉し難くなるので、加工形状の任意性が高まる。   As apparent from the figure, the tip 21a provided on the tool portion 21 has a tapered shape, and has a frustoconical shape that is rotationally symmetric about the tool axis AX extending in the cutting depth direction. Have. The cutting tool 23 held at the tip of the tip 21a includes a shank 23b having a triangular tip and a plate-like shape as a whole, and a machining tip 23c fixed to the tip of the shank 23b. Among these, the shank 23b is formed of a super hard material, a ceramic material, high-speed steel, or the like, and is difficult to bend while being lightweight. The processing tip 23c is a diamond tip, and is fixed to the tip of the shank 23b by brazing or the like. The cutting tool 23 itself is fixed so as to be embedded in the end surface 21d of the tip 21a, and the tip of the processing tip 23c is disposed on the extension of the tool axis AX. Further, the processing tip 23c and the shank 23b that supports the processing tip 23c are accommodated in a conical space in which the side surface shape of the distal end portion 21a is extended. Here, the taper angle θ of the tip portion 21a is in the range of 15 ° to 90 °, and preferably in the range of 30 ° to 90 °. When the taper angle θ is 15 ° or more, the bending strength or the like of the distal end portion 21a is secured, and in particular, sufficient strength is secured at 30 ° or more. Further, when the taper angle θ is 15 ° or more, the tendency of the vibration mode to change in the vicinity of the tip 21a can be suppressed, and the cutting accuracy by the cutting tool 23 is particularly effective by avoiding unintended vibrations when the cutting tool 23 is 30 ° or more. Tend to improve. On the other hand, when the taper angle θ of the distal end portion 21a is 90 ° or less, the distal end portion 21a is less likely to interfere with the workpiece surface SA of the workpiece W, so that the machining shape is more optional.

切削工具23すなわちシャンク23bの固定部分23eは、先端部21aの端面21dから工具軸AXに沿って穿設された孔21f内に挿入されており、ツール部21の材料と同一の材料等で形成された2つの固定ネジ25,26によって、先端部21aに対して着脱可能にしっかりと固定されている。具体的には、先端部21aの上下側面間を貫通する固定穴21h,21gに固定ネジ25,26を順次ねじ込んで固定する。これらの固定穴21h,21gは、例えばY軸方向に延びており、両者の締付け方向は、工具軸AXに直交する。両固定穴21h,21gは、内径が異なっており、固定穴21gの内径の方が固定穴21hの内径よりも大きくなっている。両固定穴21h,21gは、両固定ネジ25,26のネジ付けによって充填される。つまり、固定穴21h,21gの位置には、深い凹部が残ったり高い凸部が形成されないようにしている。固定穴21hにねじ込まれる一方の固定ネジ25は、切削工具23を固定するための締結部材であり、雄ネジ部25bとヘッド部25aとを含むトルクスネジである。雄ネジ部25bを固定穴21gに差し込んだ状態でヘッド部25aを適当な工具でネジ回すことにより、雄ネジ部25bが、固定部分23eに形成された開口23hを貫通して、固定穴21gの奥に形成された固定穴21h内面の雌ネジと螺合する。この際、切削工具23の固定部分23eがヘッド部25aと孔21fの内面とに挟まれて締付けられ、固定部分23eが上面側から固定されるので、切削工具23の分離が防止され切削工具23の固定が確保される。固定穴21gにねじ込まれる他方の固定ネジ26は、先端部に直径が減少した突起部分を有するイモネジであり、固定ネジ25の抜けを防止するための係止部材として機能する。この固定ネジ26は、下端を固定穴21gにあてがって上端を適当な工具でネジ回すことにより、固定穴21g内面の雌ネジと螺合して固定穴21gにねじ込まれ固定穴21g内を充填する。こうしてねじ込まれた固定ネジ26の突起部分により、固定ネジ25が上端から締付けられ、固定ネジ25の緩みが防止されるので、切削工具23の固定がより確実なものとなり、切削工具23の振動や緩みを低減することができる。   The cutting tool 23, that is, the fixed portion 23e of the shank 23b is inserted into the hole 21f drilled along the tool axis AX from the end surface 21d of the tip 21a, and is formed of the same material as the material of the tool 21. The two fixing screws 25 and 26 are firmly fixed to the distal end portion 21a so as to be detachable. Specifically, fixing screws 25 and 26 are sequentially screwed into fixing holes 21h and 21g that penetrate between the upper and lower side surfaces of the tip 21a. These fixing holes 21h and 21g extend, for example, in the Y-axis direction, and the tightening direction of both is orthogonal to the tool axis AX. Both the fixing holes 21h and 21g have different inner diameters, and the inner diameter of the fixing hole 21g is larger than the inner diameter of the fixing hole 21h. Both fixing holes 21h and 21g are filled by screwing both fixing screws 25 and 26. That is, deep concave portions are not left or high convex portions are not formed at the positions of the fixing holes 21h and 21g. One fixing screw 25 screwed into the fixing hole 21h is a fastening member for fixing the cutting tool 23, and is a Torx screw including a male screw portion 25b and a head portion 25a. By screwing the head portion 25a with an appropriate tool while the male screw portion 25b is inserted into the fixing hole 21g, the male screw portion 25b passes through the opening 23h formed in the fixing portion 23e, and the fixing hole 21g It is screwed with a female screw on the inner surface of the fixing hole 21h formed at the back. At this time, the fixing portion 23e of the cutting tool 23 is clamped between the head portion 25a and the inner surface of the hole 21f, and the fixing portion 23e is fixed from the upper surface side. Is secured. The other fixing screw 26 screwed into the fixing hole 21g is a female screw having a protruding portion with a reduced diameter at the tip, and functions as a locking member for preventing the fixing screw 25 from coming off. The fixing screw 26 is screwed into the fixing hole 21g by being screwed into the female screw on the inner surface of the fixing hole 21g by turning the upper end to the fixing hole 21g and turning the upper end with an appropriate tool, thereby filling the fixing hole 21g. . The fixing screw 25 is tightened from the upper end by the protruding portion of the fixing screw 26 screwed in this way, and the fixing screw 25 is prevented from loosening, so that the cutting tool 23 can be fixed more reliably, and the vibration of the cutting tool 23 can be reduced. Looseness can be reduced.

切削工具23を振動体82の先端部21aに固定するための固定ネジ25,26は、振動体82と同様の線膨張係数を有する材料を用いることが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体82の線膨張係数の0.75〜1.25倍程度が実用的である。この場合、ツール部21と固定ネジ25,26とが同様に膨張することになり、温度変化に拘らず切削工具23を安定して確実に固定することができる。さらに、固定ネジ25,26の材料としては、加工の容易性等を考慮すると、シャンク23bと同様に超硬材料の他、セラミックス材料、ハイス鋼等が適するが、窒化珪素、サイアロン、インバー材、ステンレスインバー材等を用いることもできる。また、固定ネジ25,26は、振動体82の振動にノイズ等を与えない観点で、振動体82の材料の比重と略等しい比重を有する材料で形成することが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体82の比重の0.75〜1.25倍程度が実用的である。一般的には、固定ネジ25,26と振動体82とを同一材料で作製することになるが、固定ネジ25,26と振動体82とを異なる材料で形成することもできる。   The fixing screws 25 and 26 for fixing the cutting tool 23 to the tip end portion 21 a of the vibrating body 82 are desirably made of a material having a linear expansion coefficient similar to that of the vibrating body 82. Specifically, although depending on other processing conditions, about 0.75 to 1.25 times the linear expansion coefficient of the vibrating body 82 is practical. In this case, the tool portion 21 and the fixing screws 25 and 26 are similarly expanded, and the cutting tool 23 can be fixed stably and reliably regardless of the temperature change. Further, as the material of the fixing screws 25 and 26, considering the ease of processing and the like, a ceramic material, a high-speed steel, etc. are suitable in addition to a cemented carbide material like the shank 23b, but silicon nitride, sialon, invar material, A stainless invar material or the like can also be used. The fixing screws 25 and 26 are preferably formed of a material having a specific gravity substantially equal to the specific gravity of the material of the vibrating body 82 from the viewpoint of not giving noise or the like to the vibration of the vibrating body 82. Specifically, although depending on other processing conditions, about 0.75 to 1.25 times the specific gravity of the vibrating body 82 is practical. In general, the fixing screws 25 and 26 and the vibrating body 82 are made of the same material, but the fixing screws 25 and 26 and the vibrating body 82 can also be formed of different materials.

切削工具23の固定部分23eが挿入される孔21fの内寸は、Y軸方向の厚みに関して、切削工具23の固定部分23eの外寸より僅かに大きくなっている。また、孔21fの内壁のうち切削工具23の固定部分23eを支持していない側には、貫通孔91をそのまま延長した状態の半円柱状の溝21kが形成されている。この溝21kの端部は、貫通孔91から送り出される加圧乾燥空気をツール部21の先端部21aに吐出させるための開口91aとなっている。これにより、切削工具23の上側側面を、先端部21aに埋め込まれて支持された固定部分23e側から直接的に無駄なく冷却することができる。また、ワークW上の加工点に近い開口91aから切削工具23の先端に向けて加圧乾燥空気を射出させるので、ワークWの温度上昇を抑え、加工精度を向上させることができる。また、溝21k内の気流断面は、貫通孔91内の気流断面よりも小さくなっており、溝21kの部分で加圧乾燥空気の流速を増加させることができる。この結果、ワークW上の加工点に十分な勢いの加圧乾燥空気を噴射することができるので、ワークWを確実に冷却することができ、ワークWの加工点やその近傍に付着する切り屑を迅速に除去することができ、切削工具23による加工精度を高めることができる。   The inner dimension of the hole 21f into which the fixed part 23e of the cutting tool 23 is inserted is slightly larger than the outer dimension of the fixed part 23e of the cutting tool 23 with respect to the thickness in the Y-axis direction. Further, on the side of the inner wall of the hole 21f that does not support the fixed portion 23e of the cutting tool 23, a semi-cylindrical groove 21k in which the through hole 91 is extended as it is is formed. The end portion of the groove 21k is an opening 91a for discharging the pressurized dry air fed from the through hole 91 to the tip portion 21a of the tool portion 21. Thereby, the upper side surface of the cutting tool 23 can be directly and efficiently cooled from the fixed portion 23e side embedded and supported in the tip portion 21a. Further, since the pressurized dry air is injected from the opening 91a near the processing point on the workpiece W toward the tip of the cutting tool 23, the temperature rise of the workpiece W can be suppressed and the processing accuracy can be improved. Moreover, the airflow cross section in the groove 21k is smaller than the airflow cross section in the through hole 91, and the flow rate of the pressurized dry air can be increased at the groove 21k. As a result, since the pressurized dry air of sufficient momentum can be injected to the processing point on the workpiece W, the workpiece W can be reliably cooled, and the chips adhering to the processing point of the workpiece W and the vicinity thereof. Can be removed quickly, and the processing accuracy of the cutting tool 23 can be increased.

ツール部21の先端部21aは、既に説明したように例えばYZ面内で高速振動する。また、ツール部21の先端部21aは、図1のNC駆動機構30によって、被加工体であるワークWに対し、例えばXZ面内で所定の軌跡を描いて徐々に移動する。つまり、ツール部21の送り動作が行われる。また、被加工体であるワークWは、図1のNC駆動機構30によって、Z軸に平行な回転軸RAのまわりに一定速度で回転する(図4参照)。これにより、ワークWの旋削加工が可能になり、ワークWに対し回転軸RAのまわりに回転対称な例えば被加工面SA(例えば、凹凸の球面、非球面等の曲面のほか、位相素子面等の段差面)を形成することができる。この際、第2ステージ33を利用して、ツール部21の切削工具23の尖端(つまり刃先23r)をY軸方向に平行な旋回軸PXのまわりに回転させることで、図5に示すように、切削工具23先端の振動面OSがワークWに形成すべき被加工面SAに対して略垂直になるようにする。 これにより、被加工面SAの加工精度を高め、被加工面SAをより滑らかなものとすることができる。また、ワークWの加工中、ツール部21先端の開口91aから切削工具23の先端に向けて加圧乾燥空気を高速で射出させるので、切削工具23や被加工面SAを効率良く冷却することができるだけでなく、切削工具23や被加工面SAの温度を加圧乾燥空気の温度と流量とによって一定範囲に収まるようにすることも可能である。この加圧乾燥空気は、ツール部21の軸心を貫通する貫通孔91を介して導入され、振動体82、軸方向振動子83、カウンタバランス85等の内部を流れるので、振動体82等の温度を加圧乾燥空気の温度と流量とによって調整することができる。このように、加圧乾燥空気の温度を調整することにより、振動体82の温度を安定させることができるので、結果的に、その先端に保持された切削工具23の刃先位置の温度ドリフトを低減することができ、高精度で再現性の高い切削加工面が得られる。   The tip portion 21a of the tool portion 21 vibrates at high speed, for example, in the YZ plane as already described. Further, the tip end portion 21a of the tool portion 21 is gradually moved by the NC drive mechanism 30 in FIG. 1 while drawing a predetermined trajectory in the XZ plane, for example, with respect to the workpiece W as a workpiece. That is, the feeding operation of the tool unit 21 is performed. Further, the workpiece W, which is a workpiece, is rotated at a constant speed around a rotation axis RA parallel to the Z axis by the NC drive mechanism 30 in FIG. 1 (see FIG. 4). As a result, the workpiece W can be turned, and the workpiece SA is rotationally symmetric about the rotation axis RA with respect to the workpiece W, for example, a curved surface such as an uneven spherical surface or an aspheric surface, a phase element surface, or the like. Can be formed. At this time, by using the second stage 33, the tip (that is, the blade edge 23r) of the cutting tool 23 of the tool portion 21 is rotated around the turning axis PX parallel to the Y-axis direction, as shown in FIG. The vibration surface OS at the tip of the cutting tool 23 is set to be substantially perpendicular to the workpiece surface SA to be formed on the workpiece W. Thereby, the processing accuracy of the processing surface SA can be increased, and the processing surface SA can be made smoother. Further, during the processing of the workpiece W, since the pressurized dry air is injected at high speed from the opening 91a at the tip of the tool portion 21 toward the tip of the cutting tool 23, the cutting tool 23 and the work surface SA can be efficiently cooled. Not only can the temperature of the cutting tool 23 and the surface SA to be processed be within a certain range depending on the temperature and flow rate of the pressurized dry air. The pressurized dry air is introduced through a through hole 91 that penetrates the axis of the tool portion 21 and flows inside the vibrating body 82, the axial vibrator 83, the counter balance 85, and the like. The temperature can be adjusted by the temperature and flow rate of the pressurized dry air. As described above, the temperature of the vibrating body 82 can be stabilized by adjusting the temperature of the pressurized dry air. As a result, the temperature drift of the cutting edge position of the cutting tool 23 held at the tip thereof is reduced. Therefore, a highly accurate and highly reproducible cutting surface can be obtained.

以上において、加圧乾燥空気によって振動子83,84や振動体82を冷却しているが、乾燥空気は、安価で容易に入手・供給でき、かつ漏電等の原因となる水分が無いので、安全である。乾燥状態としては、相対湿度で10%以下が、結露の危険を避けられるので好ましい。   In the above, the vibrators 83 and 84 and the vibrating body 82 are cooled by the pressurized dry air. However, since the dry air is inexpensive and can be easily obtained and supplied, and there is no moisture that causes electric leakage, etc., it is safe. It is. The dry state is preferably 10% or less in terms of relative humidity because the risk of condensation is avoided.

ここで、本実施形態の振動切削装置において、切削工具23の刃先23rを旋回軸PXのまわりに回転可能に支持し、被加工面SAに垂直に振動面OSや工具軸AXを保持する理由について説明する。本実施形態の振動切削装置の場合、第2可動部36によって、切削工具23の刃先23rが旋回軸PXのまわりで任意の角度位置に回転するので、刃先23rの加工領域を切削加工中に変化させることなく固定して延性モード切削加工を行うことができ、刃先23rの切れ刃稜線の形状精度に影響を受けない加工が可能になる。これに対し、旧来型の旋削加工(旋回軸PXを用いない加工)によって光学面を創製する場合には、旋削の進行と同時に刃先23rの加工領域が刃先稜線上を移動するので、この範囲に刃先23rを構成するダイヤモンドの摩耗し易かったり欠け易い結晶方位を含んでいると、容易にその部分で刃先23rの摩耗が進行したり、チッピングが発生したりするおそれがある。前者のように摩耗が進行した場合、その部分で加工形状に摩耗分の形状誤差が発生し、後者のようにチッピングが発生した場合、その部分で脆性モード加工となり鏡面が得られなくなる。一方、本実施形態のように、旋回軸PXのまわりに刃先23rを適宜回転させる振動切削装置の場合、刃先23rの加工領域を固定することができるので、使用するダイヤモンドの結晶方位も固定され、上記した形状誤差や加工面品位の劣化等を回避できる切削加工を実現できる。さらに、加工領域が固定されているので、その部分のダイヤモンドの結晶方位を摩耗の最も少ない結晶方位に固定して加工するならば、高い加工形状精度を容易に実現でき、しかも切削工具23の加工用チップ23cの摩耗による寿命を大幅に延ばすことができる。   Here, in the vibration cutting apparatus of this embodiment, the cutting edge 23 of the cutting tool 23 is supported so as to be rotatable around the turning axis PX, and the reason why the vibration surface OS and the tool axis AX are held perpendicular to the surface SA to be processed. explain. In the case of the vibration cutting apparatus of the present embodiment, the cutting edge 23r of the cutting tool 23 is rotated to an arbitrary angular position around the turning axis PX by the second movable portion 36, so that the machining area of the cutting edge 23r is changed during cutting. It is possible to perform the ductile mode cutting process without fixing, and it is possible to perform the process not affected by the shape accuracy of the cutting edge ridge line of the blade edge 23r. On the other hand, in the case of creating an optical surface by conventional turning (machining without using the pivot axis PX), the machining area of the cutting edge 23r moves on the edge of the cutting edge simultaneously with the progress of turning. If the diamond constituting the cutting edge 23r includes a crystal orientation that is easily worn or chipped, the cutting edge 23r may easily wear at that portion or chipping may occur. When wear progresses as in the former, a shape error corresponding to the wear occurs in that portion, and when chipping occurs as in the latter, brittle mode machining occurs in that portion and a mirror surface cannot be obtained. On the other hand, in the case of a vibration cutting device that appropriately rotates the blade edge 23r around the pivot axis PX as in the present embodiment, the processing region of the blade edge 23r can be fixed, so the crystal orientation of the diamond to be used is also fixed, It is possible to realize cutting that can avoid the above-described shape error and degradation of the machined surface quality. Furthermore, since the machining region is fixed, high machining shape accuracy can be easily realized and machining of the cutting tool 23 can be achieved if the diamond crystal orientation of that portion is fixed to the crystal orientation with the least wear. The life due to wear of the cutting tip 23c can be greatly extended.

図6は、切削工具23の加工用チップ23cによる加工状態を説明する拡大図である。加工用チップ23cの刃先23rは、円弧状のすくい面RBを有しており、このすくい面RBを上方(未加工面側)から見た状態が示されている。すくい面RBは、直線状の第1の縁部RB1と、第1の縁部RB1と交わる方向に延在する第2の縁部RB2と、第1の縁部RB1と第2の縁部RB2とを結ぶ円弧及び/又は非円弧の第3の縁部RB3とで輪郭付けされる。第1の縁部RB1と第2の縁部RB2とが成す角度hは、30°≦h≦60°とする。第3の縁部RB3は、円弧である場合には、その半径rは、0.003mm≦r≦5mmとする。また、第3の縁部RB3が、非円弧曲線である場合には、その平方2乗誤差が最も小さくなる近似円弧半径rを、0.003mm≦r≦5mmとする。   FIG. 6 is an enlarged view for explaining a processing state of the cutting tool 23 by the processing tip 23c. The cutting edge 23r of the machining tip 23c has an arcuate rake face RB, and the rake face RB is shown as viewed from above (unprocessed face side). The rake face RB includes a linear first edge RB1, a second edge RB2 extending in a direction intersecting the first edge RB1, a first edge RB1 and a second edge RB2. And / or a third edge RB3 having a non-circular arc. The angle h formed by the first edge RB1 and the second edge RB2 is 30 ° ≦ h ≦ 60 °. When the third edge RB3 is a circular arc, the radius r is set to 0.003 mm ≦ r ≦ 5 mm. When the third edge RB3 is a non-arc curve, the approximate arc radius r that minimizes the square-square error is set to 0.003 mm ≦ r ≦ 5 mm.

以上のように、刃先23rが円弧状のすくい面RBを有する切削工具23をRバイトと呼ぶが、これは刃先形状を円弧に創製する工程で、真円度を高精度に仕上げることが比較的容易であるという利点がある。したがって、このようなすくい面RBを有するRバイトを振動切削装置に組み込んで加工を行うと、高い刃先形状精度によって高精度な光学面を容易に効率よく得ることができる。なお、旧来型の旋削加工(旋回軸PXを用いない加工)によって光学面を創製する場合には、切削加工の進行に伴い加工面の法線角が変化するに従って、加工領域(或いは加工点)が刃先23rの円弧稜にそって移動するため、一度チッピングが発生すると延性モード切削が脆性加工になって切削抵抗力が増加しかつ不安定となることから、次々にチッピングを発生して刃先を破損し続け、結局チッピングを発生した以降の刃先23rの円弧稜が全て破壊されて使えなくなってしまう。このように、Rバイトではチッピングにより破損する刃先稜の範囲が広くなることが多いため、チッピングを発生していない部分を選んで使用することが難しく、切削工具23そのものが短期に寿命を終えてしまい、大変高価な切削加工となりやすい。一方、本実施形態のように、旋回軸PXのまわりに刃先23rを回転可能に支持し、被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に垂直に振動面OSや工具軸AXを保持するならば、チッピングを大幅に減らし、上記のような広域にわたる刃先23rの破損を顕著に低減することができる。   As described above, the cutting tool 23 having the cutting edge 23r having the arc-shaped rake face RB is called an R bite. This is a process of creating the cutting edge shape into an arc, and it is relatively easy to finish roundness with high accuracy. There is an advantage that it is easy. Therefore, when an R cutting tool having such a rake surface RB is incorporated into a vibration cutting device and processed, a high-precision optical surface can be obtained easily and efficiently with high blade edge shape accuracy. In the case of creating an optical surface by conventional turning (processing that does not use the turning axis PX), the processing region (or processing point) is changed as the normal angle of the processing surface changes as the cutting progresses. Moves along the arc edge of the cutting edge 23r, and once chipping occurs, the ductile mode cutting becomes brittle processing and the cutting resistance increases and becomes unstable. It continues to be damaged and eventually the arc ridges of the cutting edge 23r after the occurrence of chipping are all destroyed and become unusable. In this way, since the range of the edge of the cutting edge that is damaged by chipping is often widened with the R bite, it is difficult to select and use a portion where no chipping has occurred, and the cutting tool 23 itself has finished its life in a short period of time. Therefore, it tends to be very expensive cutting. On the other hand, as in the present embodiment, the blade edge 23r is rotatably supported around the turning axis PX, and the vibration surface OS and the tool axis AX are held perpendicularly to the tangent line SA ′ in the tool trajectory direction of the workpiece surface SA. For example, chipping can be greatly reduced, and damage to the cutting edge 23r over a wide area as described above can be significantly reduced.

また、本実施形態では、被加工面SAの創製に旋削加工を用いている。旋削加工は、一度切削工具23の刃先23rをワークWに切り込むと、切り終わるまで連続的に加工が進行するので、切削工具23にとって負荷の少ない加工方法である。したがって、Rバイトすなわち円弧状の刃先23rを有する切削工具23と組み合わせることによって、飛躍的に刃先23rのチッピングを抑えることができ、切削工具23の寿命を延ばすことができるとともに、高精度な光学面を形成でき鏡面を容易に安価に得ることができるようになる。また、振動切削装置自体も可動軸の構成が簡単になり、振動切削装置を低価格で製作することができるので、軸対称形状の光学素子用成形金型の加工を安価に実現できる。   In the present embodiment, turning is used to create the work surface SA. Turning is a processing method with less load on the cutting tool 23 because once the cutting edge 23r of the cutting tool 23 is cut into the workpiece W, the processing proceeds continuously until the cutting is completed. Therefore, by combining with the cutting tool 23 having the R cutting tool, that is, the arcuate cutting edge 23r, the chipping of the cutting edge 23r can be remarkably suppressed, the life of the cutting tool 23 can be extended, and a highly accurate optical surface can be obtained. The mirror surface can be obtained easily and inexpensively. In addition, the vibration cutting apparatus itself can be configured with a movable shaft, and the vibration cutting apparatus can be manufactured at a low cost. Therefore, machining of the axially symmetric optical element molding die can be realized at low cost.

〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る切削加工方法の実施に適する振動切削装置について説明する。第2実施形態の振動切削装置は、第1実施形態の振動切削装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第1実施形態の装置と共通しており、図面において共通する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a vibration cutting apparatus suitable for carrying out the cutting method according to the second embodiment will be described. The vibration cutting apparatus according to the second embodiment is a partial modification of the vibration cutting apparatus according to the first embodiment. Parts that are not particularly described are common to the apparatus according to the first embodiment, and are common in the drawings. Are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図7は、第2実施形態における切削工具23の加工用チップ123cによる加工状態を説明する拡大図である。加工用チップ123cの刃先123rは、半月状のすくい面RBを有しており、このすくい面RBは、直線状の第1の縁部HB1と、第1の縁部HB1と交わる方向に延在する第2の縁部HB2と、第1の縁部HB1とは滑らかに結ばれ、かつ、第2の縁部HB2とは角度付けされた円弧及び/又は非円弧の第3の縁部HB3とにより輪郭づけられる。第1の縁部HB1と第2の縁部HB2とが成す角度fは、0゜<f<90゜とする。また、第3の縁部HB3は、円弧である場合には、その半径rを、0.1μm≦r≦5mmとする。第3の縁部HB3が、非円弧である場合には、端部同士を直線で結んだ距離をgとしたとき、0.1μm≦g≦5mmとする。なお、第2の縁部HB2と第3の縁部HB3との間に、凸状である円弧もしくは直線からなる第4の縁部HB4を設けてもよい。また、第2の縁部HB2は、振動面OSや被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に対して所定の傾き角を有するものとでき、この場合、被加工面SAの段差加工部の角度を調整することができる。   FIG. 7 is an enlarged view for explaining a machining state by the machining tip 123c of the cutting tool 23 in the second embodiment. The cutting edge 123r of the machining tip 123c has a half-moon rake face RB, and the rake face RB extends in a direction intersecting the linear first edge HB1 and the first edge HB1. The second edge HB2 and the first edge HB1 are smoothly connected, and the second edge HB2 is an angled arc and / or non-arc third edge HB3. Is outlined. An angle f formed by the first edge HB1 and the second edge HB2 is 0 ° <f <90 °. Further, when the third edge HB3 is a circular arc, the radius r is set to 0.1 μm ≦ r ≦ 5 mm. When the third edge HB3 is a non-circular arc, 0.1 μm ≦ g ≦ 5 mm is set, where g is a distance connecting the end portions with a straight line. Note that a fourth edge HB4 made of a convex arc or straight line may be provided between the second edge HB2 and the third edge HB3. Further, the second edge HB2 can have a predetermined inclination angle with respect to the vibration surface OS and the tangent line SA ′ in the tool trajectory direction of the processing surface SA, and in this case, the step processing portion of the processing surface SA. Can be adjusted.

以上のように、刃先123rが半月状のすくい面RBを有する切削工具23を半月バイトと呼ぶ。このような半月バイトを振動切削装置に組み込んで加工を行うと、単なる鏡面に限らず、従来刃先の折損により加工ができなかった微細形状(回折溝など)を有する成形用型を高精度に加工することが可能となる。半月バイトであれば、ワークWの非球面部は、刃先123rのうち曲率のあるR部で加工することができ、滑らかな光学面を加工することができるので、それにより転写された光学素子の光学面における光線の散乱が少なくなる。また、ワークWの段差や位相構造、回折構造などの微小構造部は、刃先123rのうち鋭い部分で加工することができ、回折効率の低下を少なくすることができる。半月バイトで加工された光学素子用成形金型を用いることで、ブレーズ状回折構造を転写成形できるため、環境変化に強く、設計の幅を広げ、複数の波長に対して良好に収差補正できるガラスやプラスチック製の光学素子が得られるようになる。   As described above, the cutting tool 23 in which the cutting edge 123r has the half-moon rake face RB is referred to as a half-moon bite. When such a half-moon tool is incorporated into a vibration cutting device and processed, it is not limited to a simple mirror surface, and high-precision processing of molds with fine shapes (such as diffraction grooves) that could not be processed due to breakage of the cutting edge. It becomes possible to do. If it is a half-moon tool, the aspherical part of the workpiece W can be processed by the curved R part of the cutting edge 123r, and a smooth optical surface can be processed. Light scattering on the optical surface is reduced. Further, the fine structure portion such as the step, the phase structure, and the diffraction structure of the workpiece W can be processed by a sharp portion of the blade edge 123r, and a decrease in diffraction efficiency can be reduced. By using a molding die for optical elements processed with a half-moon tool, a blazed diffraction structure can be transferred and molded, making it resistant to environmental changes, widening the range of design, and making excellent aberration correction for multiple wavelengths. And an optical element made of plastic.

〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る切削加工方法の実施に適する振動切削装置について説明する。第2実施形態の振動切削装置は、第1実施形態の振動切削装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第1実施形態の装置と共通している。

[Third Embodiment]
Hereinafter, a vibration cutting apparatus suitable for carrying out the cutting method according to the third embodiment will be described. The vibration cutting apparatus according to the second embodiment is obtained by partially changing the vibration cutting apparatus according to the first embodiment, and parts that are not particularly described are common to the apparatus according to the first embodiment.

図8は、第3実施形態における切削工具23の加工用チップ223cによる加工状態を説明する拡大図である。加工用チップ223cの刃先223rは、剣先形状のすくい面RBを有しており、このすくい面RBは、直線状の第1の縁部RB1と、第1の縁部RB1に交わる方向に延在する第2の縁部RB2と、第1の縁部RB1端と第2の縁部RB2端とを結ぶ第3の縁部RB3とから輪郭づけられる。第1の縁部RB1と第2の縁部RB2とが成す鋭角aは、10゜≦a≦45゜とする。第3の縁部RB3が円弧である場合には、その半径rは、0.05μm≦r≦3μmとする。第3の縁部RB3が非円弧である場合には、第3の縁部RB3の端部同士を直線で結んだ距離をbとして、0.1μm≦b≦5.0μmとする。   FIG. 8 is an enlarged view for explaining a machining state of the cutting tool 23 by the machining tip 223c in the third embodiment. The cutting edge 223r of the processing tip 223c has a sword-shaped rake face RB, and the rake face RB extends in a direction intersecting the linear first edge RB1 and the first edge RB1. The second edge RB2 and the third edge RB3 connecting the end of the first edge RB1 and the end of the second edge RB2 are contoured. The acute angle a formed by the first edge RB1 and the second edge RB2 is 10 ° ≦ a ≦ 45 °. When the third edge RB3 is an arc, the radius r is 0.05 μm ≦ r ≦ 3 μm. When the third edge RB3 is a non-circular arc, the distance connecting the ends of the third edge RB3 with a straight line is defined as b, and 0.1 μm ≦ b ≦ 5.0 μm.

以上のように、刃先223rが剣先状のすくい面RBを有する切削工具23を剣先バイトという。微細加工を行うのに好適な剣先バイトは、刃先223rの先端が鋭利に細く、折損し易い形状を有しているので、本実施形態の振動切削装置に好適に組み込まれる。つまり、旋回軸PXのまわりに刃先223rを回転可能に支持し、被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に垂直に振動面OSや工具軸AXを保持するならば、振動切削による低背分力や臨界切り込み量の増加といった効果を最大限に発揮できるので、チッピングだけでなく刃先の折損を大幅に低減でき、単なる鏡面に限らず、従来加工が困難であった微細形状(回折溝など)を有する高硬度材料の光学素子用成形金型の光学面を高精度かつ容易に加工することができるようになる。その光学素子用成形金型を用いることで、光学ガラスやプラスチックの成形においても、回折構造や位相構造などの光学面上の微細構造部を転写成形できるため、環境変化に強く、設計の幅を広げ、複数の波長に対して良好に収差補正できるガラス製の光学素子が得られるようになる。   As described above, the cutting tool 23 in which the blade edge 223r has a rake-like rake face RB is referred to as a sword tip bite. Since the tip of the blade edge 223r is sharply thin and has a shape that is easy to break, a sword tip tool suitable for fine processing is suitably incorporated in the vibration cutting apparatus of this embodiment. That is, if the cutting edge 223r is rotatably supported around the turning axis PX and the vibration surface OS and the tool axis AX are held perpendicularly to the tangent line SA ′ in the tool trajectory direction of the workpiece surface SA, the low profile by vibration cutting is reduced. Since the effects of increasing the component force and critical cutting depth can be maximized, not only chipping but also breakage of the cutting edge can be greatly reduced. The optical surface of the molding die for optical elements made of a hard material having a high hardness can be processed with high accuracy and ease. By using the molding die for optical elements, it is possible to transfer and mold fine structures on the optical surface such as diffractive structures and phase structures in optical glass and plastic molding. An optical element made of glass that can be satisfactorily corrected for a plurality of wavelengths can be obtained.

〔第4実施形態〕
以下、第4実施形態に係る成形金型について説明する。図9は、第1〜第3実施形態の振動切削ユニット20を用いて作製した成形金型(光学素子用成型金型)を説明する図であり、図9(a)は、固定型すなわち第1金型2Aの側方断面図であり、図9(b)は、可動型すなわち第2金型2Bの側方断面図である。両金型2A,2Bの光学面3a,3bは、図1〜図8に示す振動切削装置によって仕上げ加工されたものである。つまり、両金型2A,2Bの母材(材料は例えば超硬)をワークWとしてチャック37に固定し、振動子駆動装置50等を動作させて振動切削ユニット20に定在波を形成しつつ切削工具23を高速振動させる。これと並行して駆動制御装置40を適宜動作させて、振動切削ユニット20のツール部21先端をワークWに対して3次元的に任意に移動させる。これにより、金型2A,2Bの光学面3a,3bを、球面や非球面に限らず、段差面、位相構造面、回折構造面とすることができる。
[Fourth Embodiment]
The molding die according to the fourth embodiment will be described below. FIG. 9 is a diagram for explaining a molding die (optical element molding die) manufactured by using the vibration cutting unit 20 of the first to third embodiments, and FIG. FIG. 9B is a side sectional view of the first mold 2A, and FIG. 9B is a side sectional view of the movable mold, that is, the second mold 2B. The optical surfaces 3a and 3b of both molds 2A and 2B are finished by the vibration cutting apparatus shown in FIGS. That is, the base material (the material is, for example, cemented carbide) of both molds 2A and 2B is fixed to the chuck 37 as a workpiece W, and the standing wave is formed in the vibration cutting unit 20 by operating the vibrator driving device 50 and the like. The cutting tool 23 is vibrated at high speed. In parallel with this, the drive control device 40 is appropriately operated to arbitrarily move the tip of the tool portion 21 of the vibration cutting unit 20 in three dimensions with respect to the workpiece W. Thereby, the optical surfaces 3a and 3b of the molds 2A and 2B are not limited to spherical surfaces and aspheric surfaces, but can be step surfaces, phase structure surfaces, and diffraction structure surfaces.

図10は、図9(a)の金型2Aと、図9(b)の金型2Bとを用いてプレス成形したレンズLの断面図である。図示していないが、金型2A,2Bの光学面3a,3bが段差面、位相構造面、回折構造面等を有する場合、レンズLの成形光学面も、段差面、位相構造面、回折構造面等を有するものとなる。さらに、レンズLの材料は、プラスチックに限らず、ガラス等とすることができる。なお、レンズLを第1〜第3実施形態の振動切削装置によって直接作製することもできる。   FIG. 10 is a cross-sectional view of a lens L press-molded using the mold 2A of FIG. 9A and the mold 2B of FIG. 9B. Although not shown, when the optical surfaces 3a and 3b of the molds 2A and 2B have a step surface, a phase structure surface, a diffractive structure surface, etc., the molding optical surface of the lens L is also a step surface, a phase structure surface, and a diffractive structure. It has a surface. Furthermore, the material of the lens L is not limited to plastic, but may be glass or the like. In addition, the lens L can also be directly produced by the vibration cutting apparatus of the first to third embodiments.

以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、振動切削ユニット20において、加工用チップ23c,123c,223cの先端形状は、図6〜図8に例示されるものに限らず、ワークWに形成すべき被加工面SAの形状等に応じて適宜変更することができる。   As described above, the present invention has been described according to the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the vibration cutting unit 20, the tip shapes of the processing chips 23 c, 123 c, and 223 c are not limited to those illustrated in FIGS. 6 to 8, but depend on the shape of the processing surface SA to be formed on the workpiece W, etc. Can be changed as appropriate.

また、振動切削ユニット20において、振動体82や軸方向振動子83の全体的形状や寸法は、用途に応じて適宜変更することができる。さらに、カウンタバランス85から延びる第2固定フランジ88を省略することもできる。また、振動体82等の軸心に貫通孔91を設けて加圧乾燥空気を流通させているが、加圧乾燥空気の供給方法は、図2に例示する給気パイプ92に限らず様々な変形が可能であり、例えば筐体86の側面から振動体82の周囲に加圧乾燥空気を供給することもできる。また、振動切削ユニット20があまり加熱されない場合、振動体82の寸法変化を気にしなくても良くなるので、加圧乾燥空気の供給は不要である。また、図1のガス供給装置60において、空気ではなく、オイルその他の潤滑要素等をミスト化した溶媒や粒子として添加したガス状流体や、窒素ガス等の不活性ガス等を用いることができる。   In the vibration cutting unit 20, the overall shape and dimensions of the vibrating body 82 and the axial vibrator 83 can be appropriately changed according to the application. Further, the second fixed flange 88 extending from the counter balance 85 can be omitted. Moreover, although the through-hole 91 is provided in axial centers, such as the vibrating body 82, and pressurized dry air is distribute | circulated, the supply method of pressurized dry air is not restricted to the air supply pipe 92 illustrated in FIG. For example, it is possible to supply pressurized dry air around the vibrating body 82 from the side surface of the housing 86. In addition, when the vibration cutting unit 20 is not heated so much, it is not necessary to worry about the dimensional change of the vibrating body 82, and therefore supply of pressurized dry air is not necessary. In addition, in the gas supply device 60 of FIG. 1, instead of air, a gaseous fluid added as a solvent or particles in which oil or other lubricating elements are misted, an inert gas such as nitrogen gas, or the like can be used.

また、以上の振動切削装置では、主に旋削について説明したが、図1に示す振動切削装置をルーリング加工用に改変することもできる。ルーリング加工とは、切削工具23を往復移動しながらその軌跡を重畳して、被加工面SAを創製する加工方法である。特に、強曲率の凹面や複雑な加工形状でも、切削工具23が加工面に干渉することなく、高精度に加工することができる。ルーリング加工では、切削工具23の刃先23r、123r,223rが回転運動をしないため、1回の切り始めから切り終わりまで切り込み量が同じであり、そのため最初の切り込む時点で刃先23r、123r,223rに大きな切削抵抗力が働く。この加工方式では、通常切り始めのところで刃先23r、123r,223rにチッピングを発生することが最も多く、高硬度材料についてはルーリング加工が採用されていない。しかし、本実施形態の振動切削装置、すなわち、旋回軸PXのまわりに刃先23r、123r,223rを回転可能に支持し、被加工面SAの工具軌跡方向の接線SA’に垂直に振動面OSや工具軸AXを保持する振動切削装置の場合、高硬度材料であっても、ルーリング加工によってチッピングを抑制でき自由曲面形状が切削加工できる。しかも、従来の研削加工と比べ、工具形状、工具摩耗、工具の弾性変形も全く関係ないため、加工装置の運動精度を転写した高精度な加工形状と鏡面を容易に得ることができる。   In the above vibration cutting apparatus, turning has been mainly described. However, the vibration cutting apparatus shown in FIG. 1 can be modified for ruling. The ruling process is a processing method for creating the processing surface SA by superimposing the trajectory while reciprocating the cutting tool 23. In particular, even a concave surface with a strong curvature or a complicated machining shape can be machined with high accuracy without the cutting tool 23 interfering with the machining surface. In the ruling process, since the cutting edges 23r, 123r, and 223r of the cutting tool 23 do not rotate, the cutting amount is the same from the start of one cutting to the end of cutting. Therefore, at the time of the first cutting, the cutting edges 23r, 123r, and 223r are changed. Large cutting resistance works. In this processing method, chipping is most often generated at the cutting edges 23r, 123r, and 223r at the beginning of normal cutting, and no ruling is adopted for high hardness materials. However, the vibration cutting device of the present embodiment, that is, the blade edges 23r, 123r, and 223r are rotatably supported around the turning axis PX, and the vibration surface OS or the like is perpendicular to the tangent line SA ′ in the tool trajectory direction of the work surface SA. In the case of a vibration cutting apparatus that holds the tool axis AX, chipping can be suppressed by ruling and cutting of a free-form surface can be performed even with a high-hardness material. In addition, since the tool shape, tool wear, and elastic deformation of the tool are completely irrelevant as compared with the conventional grinding process, it is possible to easily obtain a highly accurate machining shape and mirror surface in which the motion accuracy of the machining apparatus is transferred.

第1実施形態の振動切削装置を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the vibration cutting apparatus of 1st Embodiment. 図1の振動切削装置に組み込まれる振動切削ユニットの構造を説明する縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view explaining the structure of the vibration cutting unit integrated in the vibration cutting apparatus of FIG. (a)〜(c)は、図1の振動切削ユニットに用いられる第1固定フランジの形状を例示する端面図である。(A)-(c) is an end elevation which illustrates the shape of the 1st fixed flange used for the vibration cutting unit of FIG. (a)、(b)は、ツール部先端の側方断面図及び平面断面図である。(A), (b) is the side sectional drawing and plane sectional drawing of a tool part front-end | tip. ツール部先端の移動および旋回を説明する平面図である。It is a top view explaining the movement and turning of a tool part front-end | tip. 加工用チップによる加工状態を説明する拡大図である。It is an enlarged view explaining the processing state by the chip | tip for a process. 第2実施形態における振動切削ユニットの構造の一部を説明するための拡大図であり、図6の変形例を示す。It is an enlarged view for demonstrating a part of structure of the vibration cutting unit in 2nd Embodiment, and shows the modification of FIG. 第3実施形態における振動切削ユニットの構造の一部を説明するための拡大図であり、図6の変形例を示す。It is an enlarged view for demonstrating a part of structure of the vibration cutting unit in 3rd Embodiment, and shows the modification of FIG. (a)、(b)は、第4実施形態に係る成形金型の側方断面図である。(A), (b) is a sectional side view of the molding die concerning a 4th embodiment. 図9の成形金型によって形成されたレンズの側方断面図である。FIG. 10 is a side sectional view of a lens formed by the molding die of FIG. 9.

符号の説明Explanation of symbols

10…振動切削装置、 20…振動切削ユニット、 21…ツール部、 21a…先端部、 21d…端面、 21f…孔、 21k…溝、 23…切削工具、 23b…シャンク、 23c…加工用チップ、 23e…固定部分、 25…固定ネジ、 26…固定ネジ、 30…駆動機構、 32…第1ステージ、 33…第2ステージ、 35…第1可動部、 36…第2可動部、 37…チャック、 40…駆動制御装置、 50…振動子駆動装置、 60…ガス供給装置、 61…ガス状流体源、 63…温度調節部、 65…流量調節部、 70…主制御装置、 82…振動体、 83,84…振動子、 85…カウンタバランス、 86…筐体、 91…貫通孔、 91a…開口、 92…給気パイプ、 AX…工具軸、 EO…楕円軌道、 RA…回転軸、 SA…被加工面、 W…ワーク

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Vibration cutting apparatus, 20 ... Vibration cutting unit, 21 ... Tool part, 21a ... Tip part, 21d ... End face, 21f ... Hole, 21k ... Groove, 23 ... Cutting tool, 23b ... Shank, 23c ... Chip for processing, 23e DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Fixed part, 25 ... Fixed screw, 26 ... Fixed screw, 30 ... Drive mechanism, 32 ... First stage, 33 ... Second stage, 35 ... First movable part, 36 ... Second movable part, 37 ... Chuck, 40 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Drive control apparatus, 50 ... Vibrator drive apparatus, 60 ... Gas supply apparatus, 61 ... Gaseous fluid source, 63 ... Temperature control part, 65 ... Flow control part, 70 ... Main control apparatus, 82 ... Vibrating body, 83, 84 ... Vibrator, 85 ... Counter balance, 86 ... Housing, 91 ... Through-hole, 91a ... Opening, 92 ... Air supply pipe, AX ... Tool axis, EO ... Elliptical orbit, RA ... Rotary axis, SA ... Work surface , W …work

Claims (2)

振動源からの振動を振動体を介して当該振動体の先端部に支持された、直線状の第1縁部と、前記第1縁部と交わる方向に延在する第2縁部と、前記第1及び第2縁部の端部を結ぶ円弧状の第3縁部とからなり、前記第1縁部と前記第2縁部とが成す角度が鋭角の切れ刃形状を有する切削工具に伝達させ、被加工体を回転軸のまわりで回転させつつ前記切削工具で旋削する、回転対称の段差のない連続した曲面からなる被加工面の切削加工方法であって、
前記振動体を支持して前記切削工具の加工点を旋回中心として前記切削工具を切削方向と直交する面内で変位させ、
前記変位により、前記振動による前記切削工具の前記第3縁部の加工点を通る振動面が、切削加工中の被加工面に対して垂直になるように保つことを特徴とする切削加工方法。
A linear first edge supported by a tip of the vibrating body via a vibrating body, a second edge extending in a direction intersecting the first edge, and An arc-shaped third edge connecting the ends of the first and second edges, and the angle formed by the first edge and the second edge is transmitted to a cutting tool having an acute cutting edge shape. A method of cutting a work surface consisting of a continuous curved surface without a rotationally symmetric step , turning with the cutting tool while rotating the work body around a rotation axis,
Supporting the vibrating body and displacing the cutting tool in a plane perpendicular to the cutting direction with the processing point of the cutting tool as a turning center,
The cutting method according to claim 1, wherein a vibration surface passing through a processing point of the third edge portion of the cutting tool due to the vibration is kept perpendicular to a surface to be processed during cutting.
前記切削工具を旋回させる際に、前記被加工体の表面若しくは当該被加工体に形成すべき被加工面に対して、前記切削工具に形成された刃先の姿勢を調節することを特徴とする請求項1記載の切削加工方法。   When turning the cutting tool, the posture of the cutting edge formed on the cutting tool is adjusted with respect to the surface of the workpiece or a surface to be formed on the workpiece. Item 2. The cutting method according to Item 1.
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