JP4771052B2 - Vibration cutting apparatus, molding die, and optical element - 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の切削加工に好適に用いられる振動切削装置、並びに、これを用いて作製される成形金型及び光学素子に関するものである。 The present invention relates to a vibration cutting apparatus suitably used for cutting a material for forming a molding die for an optical element and the like, and a molding die and an optical element manufactured using the vibration cutting device.
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等参照)。 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, etc.).
これによって、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。 As a result, the critical depth of cut required for normal ductile mode cutting is improved several times, and difficult-to-cut materials can be cut with high efficiency.
この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メリットもある。 In this vibration cutting process, in order to improve the processing efficiency, if the vibration frequency is increased, the above-described effect is increased, and further, the feed rate of the tool is increased in proportion to the frequency. used. Further, since this frequency exceeds the human audible range, there is also 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。
しかしながら、上記のような振動切削では、工具刃先を支持する板状シャンクを先端ホルダに差し込んで、この板状シャンクを片面側から単にネジで押し付けて固定するだけであるので、工具刃先の交換は簡単であるが、工具刃先の固定が緩みやすく、緩みによって振動切削の加工精度が低下する傾向がある。また、工具刃先の固定がしっかりしていないことから、振動切削に際してエネルギーのロスが増大する傾向がある。 However, in the vibration cutting as described above, the plate-shaped shank that supports the tool blade edge is inserted into the tip holder, and the plate-shaped shank is simply pressed and fixed from one side with a screw. Although it is simple, the tool blade tip is easily loosened, and the loosening tends to reduce the machining accuracy of vibration cutting. In addition, since the tool edge is not firmly fixed, energy loss tends to increase during vibration cutting.
そこで、本発明は、工具刃先を確実に固定することによって高精度の振動切削を可能にし、振動切削に際してエネルギーのロスを低減することができる振動切削装置、並びに、これを用いて作製される成形金型及び光学素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention enables a highly accurate vibration cutting by securely fixing the tool blade edge, and a vibration cutting apparatus capable of reducing energy loss during vibration cutting, and a molding manufactured using the vibration cutting apparatus. An object is to provide a mold and an optical element.
上記課題を解決するため、本発明に係る振動切削装置は、(a)加工用チップを先端に支持する切削工具と、(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保持する場合に、振動源からの振動を切削工具に伝達する振動体と、(d)切削工具を振動体の先端部に固定する締結部材と、当該締結部材の抜けを防止する係止部材とを有する固定手段とを備える。
上記装置では、締結部材によって切削工具を振動体の先端部に固定するだけでなく、係止部材によって締結部材の抜けを防止するので、切削工具を振動体の先端部に対して確実に固定することができ、高精度で低損失の振動切削を実現できる。
以上の装置において、振動体の先端部が、切削工具の一端に設けた固定部を受容する凹部と、当該凹部と交差するように延びる第1の固定穴とを有し、締結部材が、切削工具の固定部に設けた開口に挿通されるとともに第1の固定穴に螺合するネジ部と、当該開口の周囲部分を凹部の内面に押圧するヘッド部とを有するネジ部材である。この場合、切削工具の固定部を振動体の先端部に設けた凹部に差し込んで、第1の固定穴にネジ部材をねじ込むだけで、ヘッド部と凹部の内面との間に固定部を挟んで締付けて切削工具を固定することができる。なお、上述の第1の固定穴にあっては、ネジ部と螺合する部分の内径がプラグ状ネジと螺合する部分の内径よりも小さくなっている。
また、以上の装置において、係止部材が、第1の固定穴にねじ込まれたネジ部材のヘッド部側に向けて第1の固定穴と同一方向に延びる第2の固定穴にねじ込まれるプラグ状ネジである。この場合、ネジ部材とプラグ状ネジとを第1の固定穴と第2の固定穴とに順次ねじ込んで固定することになる。このように固定すると、第1及び第2の固定穴のうちネジ部材を取り付けた残り部分の空間を利用してプラグ状ネジを埋め込んでネジ部材の係止を確保することになり、切削工具を省スペースで確実に固定することができる。なお、プラグ状ネジには、イモネジのほか、ネジ部及びヘッド部を有する通常の外形のネジも含まれる。
In order to solve the above-mentioned problems, a vibration cutting apparatus according to the present invention includes (a) a cutting tool that supports a machining tip at the tip, (b) a vibration source for vibrating the cutting tool, and (c) a tip portion. When holding the cutting tool, the vibrating body that transmits the vibration from the vibration source to the cutting tool, (d) a fastening member that fixes the cutting tool to the tip of the vibrating body, and preventing the fastening member from coming off Fixing means having a locking member.
In the above apparatus, not only the cutting tool is fixed to the tip of the vibrating body by the fastening member, but also the fastening member is prevented from coming off by the locking member, so that the cutting tool is securely fixed to the tip of the vibrating body. Therefore, vibration cutting with high accuracy and low loss can be realized.
In the above apparatus, the tip portion of the vibrating body has a recess for receiving a fixing portion provided at one end of the cutting tool, and a first fixing hole extending so as to intersect the recess, and the fastening member is a cutting member. The screw member includes a screw portion that is inserted into an opening provided in a fixing portion of the tool and is screwed into a first fixing hole, and a head portion that presses a peripheral portion of the opening against the inner surface of the recess. In this case, the fixing portion of the cutting tool is inserted into the recess provided at the tip of the vibrating body, and the screw member is simply screwed into the first fixing hole, and the fixing portion is sandwiched between the head portion and the inner surface of the recess. The cutting tool can be fixed by tightening. In the above-described first fixing hole, the inner diameter of the portion screwed with the screw portion is smaller than the inner diameter of the portion screwed with the plug-like screw.
Further, in the above apparatus, the locking member is plugged into the second fixing hole extending in the same direction as the first fixing hole toward the head portion side of the screw member screwed into the first fixing hole. It is a screw. In this case, the screw member and the plug-like screw are screwed and fixed sequentially into the first fixing hole and the second fixing hole. If it fixes in this way, it will embed a plug-like screw using the space of the remaining part to which the screw member was attached among the 1st and 2nd fixing holes, and securing of a screw member will be secured. It can be fixed securely in a space-saving manner. Note that the plug-like screw includes not only a grub screw but also a screw having a normal outer shape having a screw portion and a head portion.
本発明の別の態様では、固定手段が、振動体と略同一の線膨張係数(具体的にには、振動体の線膨張係数の0.75〜1.25倍程度の線膨張係数)を有する材料で形成されている。この場合、振動体の先端部と固定手段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を安定して確実に固定することができる。なお、先端部や固定手段の形成材料は、線膨張係数6×10−6以下であることが望ましい。この場合、振動源や切削工具が発熱しても、振動体の熱膨張を抑えることができ、切削工具を精度良く目標位置に配置することができ、高精度な切削加工が可能になる。 In another aspect of the present invention, the fixing means has a linear expansion coefficient substantially equal to that of the vibrating body (specifically, a linear expansion coefficient of about 0.75 to 1.25 times the linear expansion coefficient of the vibrating body). It is formed with the material which has. In this case, the distal end portion of the vibrating body and the fixing means expand similarly, and the cutting tool can be fixed stably and reliably regardless of the temperature change. In addition, it is desirable that the material for forming the tip portion and the fixing means has a linear expansion coefficient of 6 × 10 −6 or less. In this case, even if the vibration source or the cutting tool generates heat, the thermal expansion of the vibrating body can be suppressed, the cutting tool can be placed at the target position with high accuracy, and high-precision cutting can be performed.
本発明の別の態様では、固定手段が、振動体と略同一の比重(具体的にには、振動体の比重の075〜10.25倍程度の比重)を有する材料で形成されている。この場合、振動体の先端部が形状に応じた質量バランスを有することになり、振動体を目標どおり振動させることができ、延いては切削工具を高精度で振動させることができる。 In another aspect of the present invention, the fixing means is formed of a material having substantially the same specific gravity as the vibrating body (specifically, a specific gravity of about 075 to 10.25 times the specific gravity of the vibrating body). In this case, the tip of the vibrating body has a mass balance corresponding to the shape, and the vibrating body can be vibrated as intended, and the cutting tool can be vibrated with high accuracy.
通常、固定手段及び振動体の線膨張係数や比重を一致させて偏りのない振動特性をるため、固定手段の材料は、振動体の材料と同一とする。この場合、固定手段は、振動体の線膨張係数と同一の線膨張係数を有し、振動体の比重と同一の比重を有することになる。 Usually, since the linear expansion coefficient and specific gravity of the fixing means and the vibrating body are made to coincide with each other and vibration characteristics are not biased, the material of the fixing means is the same as the material of the vibrating body. In this case, the fixing means has the same linear expansion coefficient as that of the vibrating body and has the same specific gravity as that of the vibrating body.
本発明の別の態様では、締結部材及び係止部材が、固定穴を充填するように振動体の先端部に取り付けられる。つまり、固定穴の位置に凹部や凸部がほとんど残らないように、締結部材及び係止部材が固定穴に略過不足なく埋め込まれる。この場合、振動体の先端部を外形的に無駄のない形状とすることができ、固定穴による質量的アンバランスを低減して切削工具の安定した振動を確保することができる。 In another aspect of the present invention, the fastening member and the locking member are attached to the distal end portion of the vibrating body so as to fill the fixing hole. In other words, the fastening member and the locking member are embedded in the fixing hole with almost no excess or deficiency so that almost no concave portion or convex portion remains at the position of the fixing hole. In this case, the distal end portion of the vibrating body can be formed into a shape that does not waste externally, and mass unbalance due to the fixing hole can be reduced to ensure stable vibration of the cutting tool.
本発明の別の態様では、切削工具が、固定部から先端方向に延びて加工用チップを支持する板状の支持部材を含み、凹部が、固定部と嵌合するスリット状溝である。この場合、切削工具を軽量に保ちつつ固定手段による切削工具の固定を確実なものとすることができる。 In another aspect of the present invention, the cutting tool includes a plate-like support member that extends in the distal direction from the fixed portion and supports the machining tip, and the concave portion is a slit-like groove that fits with the fixed portion. In this case, the cutting tool can be securely fixed by the fixing means while keeping the cutting tool lightweight.
本発明の別の態様では、加工用チップが、振動体の工具軸の延長上に配置される尖端を有する。この場合、加工点を工具軸の延長上に配置するので、加工用チップ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性を高めることができる。 In another aspect of the present invention, the machining tip has a tip disposed on an extension of the tool axis of the vibrating body. In this case, since the machining point is arranged on the extension of the tool axis, the machining tip 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 work surface, and the workability by the vibration cutting device can be improved.
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、例えばプラスチック、ガラス等で形成され、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 formed of, for example, plastic, glass or the like, and 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説明するブロック図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a vibration cutting apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating the structure of a vibration cutting apparatus that processes the 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制御機構30と、NC制御機構30の動作を制御するステージ駆動装置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
振動切削ユニット20は、下部に延びるツール部21先端に切削工具23を埋め込んだ振動切削工具であり、この切削工具の高周波振動によってワークWを切削する。振動切削ユニット20の詳細については後述する。
The
NC制御機構30は、台座31上にコラム33を設けた構造になっており、コラム33に取り付けられてZ方向に昇降するヘッド37を備える。このヘッド37には、振動切削ユニット20が取り付けられており、底部にツール部21を露出させている。ヘッド37は、振動切削ユニット20を支持してXY面内で所望の位置に所望の速度で移動させることができるとともに、振動切削ユニット20をその先端位置や工具軸のまわりに所望の角度だけ回転させることができる。振動切削ユニット20に対向して、台座31上には、ステージ35が設けられている。このステージ35は、ワークWを支持してXY面内で適当な位置に配置して固定することができとともに、ワークWをZ軸に平行な鉛直軸のまわりに所望の速度で回転させることができる。
The
ステージ駆動装置40は、高精度の数値制御が可能になっており、NC制御機構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、ヘッド37やステージ35を適宜動作させる。これにより、ワークWに対する振動切削ユニット20のツール部21先端の3次元的な位置や角度、さらにそれらの変化速度を自在に調整することができる。さらに、振動切削ユニット20のツール部21先端を低速で移動(送り動作)させつつ、ワークWを鉛直軸のまわりに高速で回転させることもでき、NC制御機構30を高精度の旋盤として活用することができる。
The
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、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を向けた加工が可能になっている。
The
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
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
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
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
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、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
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
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
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。
The
筐体86は、円筒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。つまり、給気パイプ92は、ガス供給装置60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ものとなっている。
The
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。貫通孔91の先端は、二股以上に分岐した細孔91aとなっており、貫通孔91に導入された加圧乾燥空気をツール部21の先端部21a近傍に排出できるようになっている。
In the
図4(a)及び(b)は、図2に示すツール部21先端の側方断面図及び平面断面図である。
FIGS. 4A and 4B are a side sectional view and a plan sectional view of the tip of the
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、側面視において四角形状で平面視において三角形状のクサビ形状を有している。また、先端部21aの先端部21aに保持された切削工具23は、平面視において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、例えば超硬材料、ハイス鋼等によって形成された支持部材であり、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、切り込み深さ方向に延びる工具軸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のクサビ側面(左右側面)を延長した開き角θのクサビ状空間内に収まっている。ここで、先端部21aの開き角θは、20°〜90°の範囲となっている。開き角θを20°以上とすることにより、、先端部21aの曲げ強度等を十分高いレベルに確保することができる。また、開き角θを20°以上とすることにより、先端部21a近傍で振動モードが変化する傾向を抑制することができ、意図しない振動によって切削工具23による切削加工精度が低下することを防止できる。一方、先端部21aの開き角θを90°以下とすることにより、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、加工形状の制限を低減して形状の任意性を高めることができる。
As is apparent from the drawing, the
切削工具23すなわちシャンク23bの根元部分23eは、先端部21aの端面21dから工具軸AXに沿ってXZ面内で刻設された矩形断面のスリット状溝21f内に嵌合する状態で挿入されており、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、根元部分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の根元部分23eがヘッド部25aとスリット状溝21fの内面とに挟まれて締付けられ、根元部分23eが主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、所謂イモネジであり、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の振動等を低減することができる。
The cutting
図5(a)は、切削工具23の平面図であり、図5(b)は、切削工具23の側面図である。図からも明らかなように、板状の切削工具23の尖端側に加工用チップ23cを固定しており、切削工具23の他端側に固定用の開口23hを有している。図5(c)は、固定ネジ25の平面図であり、図5(d)は、固定ネジ25の側面図である。固定ネジ25の雄ネジ部25bの側面には、図4の固定穴21h内面と螺合するネジ山25cが形成されている。図5(e)は、固定ネジ26の平面図であり、図5(f)は、固定ネジ26の側面図である。固定ネジ26の雄ネジ部25bの側面には、図4の固定穴21g内面と螺合するネジ山26cが形成されている。
FIG. 5A is a plan view of the
図2に戻って、ツール部21の先端部21aは、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制御機構30によって、例えばYZ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制御機構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、ヘッド37を利用して、ツール部21の切削工具23の尖端を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、切削工具23の尖端がワーク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(図6参照)。 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。
Returning to FIG. 2, the
以下、振動体82を形成する材料について説明する。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。
Hereinafter, the material forming the vibrating
振動体82の材料としては、線膨張係数が6×10−6以下の材料を用い、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。このように、振動体82の材料として、線膨張係数が6×10−6以下の材料を用いた場合、線膨張係数が最も一般的な焼き入れ鋼材の10〜11×10−6の約半分であるので、振動体82の熱伸張によって加工精度が低下することを防止することができる。
As the material of the vibrating
線膨張係数が6×10−6以下の材料はたくさんあるが、大きく分けると合金系とセラミック系の材料とがある。合金系材料は、加工がセラミツクより容易な反面、比重は大きくヤング率も小さいので、高周波で共振させるには不向きである。セラミック系材料は、その逆で、ヤング率が鋼材の2〜3倍程もあり、しかも比重は半分以下であるため、軽くて高い振動数で振動させやすく、さらに振動を吸収しにくいので単一で純度の高い共振周波数を得やすい。つまり、材料のQ値が高く、本来このような材料で振動体82を製作すべきである。
There are many materials having a linear expansion coefficient of 6 × 10 −6 or less, but broadly divided into alloy materials and ceramic materials. Alloy materials are easier to process than ceramics, but their specific gravity is high and Young's modulus is low, so they are not suitable for resonating at high frequencies. Ceramic materials, on the other hand, have a Young's modulus of about 2 to 3 times that of steel, and the specific gravity is less than half, so it is light and easy to vibrate at a high frequency. It is easy to obtain a resonance frequency with high purity. That is, the Q value of the material is high, and the vibrating
以下、振動体82の具体的材料について説明する。振動体82は、例えば窒化珪素やサイアロンで形成することができる。窒化珪素やサイアロンは、ほとんど同一の特性を有するセラミック材料であり、室温での線膨張係数が1.3×10−6と非常に小さく、鋼材の約1/10程度であるので、振動体82の熱膨縮量を著しく低減し、先端に保持した切削工具23の刃先位置の温度ドリフトを劇的に低減する。その結果、安定した振動と切り込み量が確保できるので、ワークWにおいて、高い精度の切削加工面を効率よく、再現性良く得ることができる。
Hereinafter, specific materials of the vibrating
さらに、窒化珪素やサイアロンは、セラミック材料の中ではじん性が非常に高く、柔軟な振動をするので歪みが少なく、単一振動周波数で比較的大きな振幅が得られるという特徴もある。また、比重が3.3と非常に軽く慣性力が小さくてヤング率も300GPaと大きいので、高い振動数で振動させやすい。したがって、振動子83,84の負荷を小さくでき、その発熱量も低く押さえられるので、切削工具23の刃先位置の温度ドリフトを低減するには非常に良い。また、熱伝導率も、ステンレス程度と、セラミックとしては比較的高い方であり、振動体82に熱を蓄積せずに伝搬して温度上昇を抑える特徴がある。また、窒化珪素やサイアロンは、衝撃に強いセラミック材料であるので、振動の負荷による割れの発生や、ワークWの加工時の事故による破損等も起こりにくいという特徴がある。
Furthermore, silicon nitride and sialon are very tough among ceramic materials, have a characteristic of being able to obtain a relatively large amplitude at a single vibration frequency with little distortion because they vibrate flexibly. Further, since the specific gravity is very light as 3.3 and the inertia force is small and the Young's modulus is as large as 300 GPa, it is easy to vibrate at a high frequency. Therefore, the load on the
振動体82は、例えば超硬材料で形成することができる。ここでいう超硬材料とは、タングステンカーバイトを80重量%以上含む合金を全て指す。超硬材料は、線膨張係数が6×10−6と、鋼材の約半分であり、剛性が非常に高くヤング率も高いので共振周波数を比較的高くできるが、振動振幅を大きくするには比重が14と重いので、振動子83,84に大きなエネルギーを供給する必要がある。一方、振動体82をセラミック材料で形成する場合よりはずっと割れにくくなるので、切削工具23を保持固定する構造材料として好適であり、振動体82の信頼を高めることができる。
The vibrating
振動体82は、例えばインバー材で形成することができる。ここでいうインバー材とは、50原子%以上を含む主成分がFeであって、10原子%以上を含む成分が少なくともNiで構成されている合金材料全てを指す。以上のようなインバー材は、例えば36原子%のニッケルを含む鉄合金であるが、線膨張係数が室温で1×10−6以下である。ヤング率は、鋼材の約半分と低いが、これを振動体82の材料に用いることで、振動体82の熱膨縮が抑制され、先端に保持される切削工具23の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。
The vibrating
振動体82は、例えばステンレスインバー材で形成することができる。ここでいうステンレスインバー材とは、50原子%以上となる主成分がFeであり、5原子%以上を含む付随的材料がCoと、Crと、Niとの少なくとも1つである合金材料全てを指す。したがって、ここではコバール材もこのステンレスインバー材に含まれる。ステンレスインバー材は、線膨張係数が室温で1.3×10−6以下である。ヤング率は、鋼材の約半分と低いが、これを振動体の材料に用いることで、振動体82の熱膨縮が抑制され、先端に保持される切削工具23の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。さらに、ステンレスインバー材は、インバー材よりも水分に対する耐性がずっと高く、加工冷却液等がかかっても錆びが発生しないという優れた特徴があるので、切削工具23を保持固定する構造材料として適している。
The vibrating
以上は振動体82の材料の説明であったが、振動体82の先端部21aに切削工具23を固定するための固定手段である固定ネジ25,26も、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。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、既述のように超硬材料の他、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。
The above is the description of the material of the vibrating
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 are preferably formed of a material having a specific gravity substantially equal to the specific gravity of the material of the vibrating
以上の説明をまとめると、本実施形態の振動切削装置10によれば、締結部材である固定ネジ25によって切削工具23を先端部21aに固定するだけでなく、係止部材である固定ネジ26によって固定ネジ25の抜けを防止するので、切削工具23をツール部21の先端部21aに対して確実に固定することができ、高精度で低損失の振動切削を実現できる。しかも、固定ネジ25のヘッド部25aとスリット状溝21fの内面との間に切削工具23の固定部である根元部分23eを挟んで締付けて切削工具を緩みなく固定することができるので、高精度の振動切削を可能にし、振動切削に際して超音波摩擦熱の発生やエネルギーのロスを低減することができる。
In summary, according to the
また、本実施形態の振動切削装置10によれば、固定手段である固定ネジ25,26がツール部21と略同一の線膨張係数を有する材料で形成されている。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。また、固定手段である固定ネジ25,26がツール部21と略同一の比重を有する材料で形成されている。この場合、ツール部21の先端部21aが形状に応じた質量バランスを有することになり、ツール部21や切削工具23を目標どおり振動させることができる。さらに、固定手段である固定ネジ25,26が、固定穴21g,21hを充填するように取り付けられている。この場合、ツール部21の先端部21aを外形的に無駄のない形状とすることができ、固定穴21g,21hによる質量的アンバランスを低減して切削工具23の安定した振動を確保することができる。
Further, according to the
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る成形金型について説明する。図7は、第1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を説明する図であり、図7(a)は、固定型すなわち第1金型2Aの側方断面図であり、図7(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6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としてステージ35上に固定し、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。これと並行してステージ駆動装置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、位相構造面とすることができる。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the molding die according to the second embodiment will be described. FIG. 7 is a view for explaining a molding die manufactured using the
図8は、図7(a)の金型2Aと、図7(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。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。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a lens L press-molded using the
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、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。
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
また、切削工具23を固定するための固定ネジ25,26の形状、サイズ等は、適宜変更可能であり、例えば固定ネジ26を固定ネジ25同様にヘッドを有するプラグ状ネジとすることもできる。
In addition, the shape, size, and the like of the fixing screws 25 and 26 for fixing the
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、 21h…固定穴、 23…切削工具、 23b…シャンク、 23c…加工用チップ、 25,26…固定ネジ、 25b…雄ネジ部、 25a…ヘッド部、 30…NC制御機構、 31…台座、 40…ステージ駆動装置、 60…ガス供給装置、 82…振動体、 83,84…振動子、 84…撓み振動子、 PX…旋回軸、 RA…回転軸、SA…被加工面、θ…開き角
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記切削工具を振動させるための振動源と、
前記振動源からの振動を前記切削工具に伝達する振動体と、
前記振動体の先端部に前記切削工具を固定するための締結部材と、当該締結部材の抜けを防止する係止部材とを有する固定手段とを備え、
前記振動体の前記先端部は、前記切削工具の一端に設けた固定部を受容する凹部と、当該凹部と交差するように延びる第1の固定穴とを有し、
前記締結部材は、前記切削工具の前記固定部に設けた開口に挿通されるとともに前記第1の固定穴に螺合するネジ部と、当該開口の周囲部分を前記凹部の内面に押圧するヘッド部とを有するネジ部材であり、
前記係止部材は、前記第1の固定穴にねじ込まれた前記ネジ部材の前記ヘッド部側に向けて前記第1の固定穴と同一方向に延びる第2の固定穴にねじ込まれるプラグ状ネジであることを特徴とする振動切削装置。 A cutting tool for supporting a processing tip at the tip;
A vibration source for vibrating the cutting tool;
A vibrator that transmits vibration from the vibration source to the cutting tool;
A fixing member having a fastening member for fixing the cutting tool to the distal end portion of the vibrator, and a locking member for preventing the fastening member from coming off;
The tip of the vibrator has a recess for receiving a fixing portion provided at one end of the cutting tool, and a first fixing hole extending so as to intersect the recess.
The fastening member is inserted into an opening provided in the fixing portion of the cutting tool and screwed into the first fixing hole, and a head portion pressing a peripheral portion of the opening against the inner surface of the recess A screw member having
The locking member is a plug-like screw screwed into a second fixing hole extending in the same direction as the first fixing hole toward the head portion side of the screw member screwed into the first fixing hole. There is a vibration cutting apparatus characterized by that.
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