JP5131849B2 - 回転多刃工具の切れ刃の精密加工法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子の加工に用いられる工具のように、加工精度が高く、表面粗さの優れた切削加工のできる高精度の回転多刃工具の精密加工法に関するものである。

Ｘ線ミラーの加工や液晶のバックライトなどに鋸刃状波形が求められる場合がある。
図１は、Ｘ線ミラーのホログラム光学素子の加工モデルを模示するもので、（ａ）は、回転多刃工具でＸ線ホログラム光学素子を切削加工している状態を示す斜視図、（ｂ）は、回転多刃工具の中の一つの切れ刃による加工の様子を示す斜視図、（ｃ）は、切れ刃の先端の拡大図、（ｄ）は、光学素子断面の拡大図を示している。
本発明者は単結晶ダイヤモンド切れ刃を用いた回転多刃工具の開発を行っており、その関係で以下においてダイヤモンド切れ刃を例にして記載することがあるが、他の工具についても同様である。

図２は、回転多刃工具で加工した鋸刃状溝の拡大図を示す。細線が各切れ刃を示し、太線が谷の形状を示す。回転多刃工具を用いて鋸刃状波形を加工する場合、図２に示すように切れ刃の高さが揃っていないと被加工物の鋸刃状の谷底幅が広くなりシャープに加工されない。また、せっかく複数の切れ刃が有りながら実際に加工に寄与する切れ刃の数が少なくなり振動の原因ともなる。

脆性材料であるセラミックスを高品位に加工するために加工する回転多刃工具の複数の単結晶ダイヤモンド切れ刃（以下単に「切れ刃」と記載することがある。）の高さを揃える必要がある。
従来、回転台金の外周端面に刃部を有する工具において、刃部に平均粒径の揃った単層の超砥粒を金属メッキにより固着し、固着された各超砥粒の所定基準線に対するばらつきを±５μｍ以内にした回転多刃工具が知られている（以下、従来技術という。例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−４７９６８号公報

上記した従来技術のものでは、切れ刃の高さのばらつきを±５μｍ以内に調整しているがサブミクロンで切れ刃の高さの調整はできない。
これを解決するためには、次の代表的な３つの方法が考えられる。
１．先に形状加工した切れ刃をサブミクロン精度で刃先を揃えて台座に接着する。
２．台座に切れ刃を取り付けた後、台座ごと高さをピエゾ等で位置を制御する。
３．多刃工具を軸に取付け後に、最外周切れ刃を特定して最外周切れ刃の研磨加工を繰り返して切れ刃高さを揃える。
本発明は、上記「３．」に関するもので、回転多刃工具において、各切れ刃に固有の周期的な溝を付け、加工条痕から最外周切れ刃の特定と目標加工量を定め、加工することを順次繰り返すことにより、回転多刃工具の切れ刃の回転中心からの寸法の差を小さくすることのできる精密加工法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の回転多刃工具の切れ刃の精密加工法は、回転多刃工具の各切れ刃の周面稜線または端面稜線に各切れ刃によってパターンの異なる櫛刃状の溝を形成し、この回転多刃工具を用いて試料を切削加工し、加工面の一番低い谷の幅のパターンから最外周切れ刃を特定し、該特定された最外周切れ刃に対して加工面の一番低い谷と一番高い山との差分に、任意の余剰加工量βを加えた分だけ加工するという作業を順次繰り返すことにより切れ刃高さを高精度に揃えることを特徴としている。

本発明の回転多刃工具の切れ刃の精密加工法は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）回転多刃工具の切れ刃の高さの差をサブミクロンに調整することができる。
（２）被加工物の鋸刃状の谷底幅が狭くなりシャープに加工することができる。
（３）複数の切れ刃が実際の加工に寄与するので加工時の振動を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の回転多刃工具の切れ刃の精密加工法の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

図３は、回転多刃工具が回転軸に装着された状態を示す斜視図である。図３のものでは、回転多刃工具は８枚の切れ刃により構成されている。切れ刃の枚数についてはこれに限定されるものではない。

図４は、１枚の切れ刃１を示したもので、（ａ）は回転方向から見た図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は（ａ）の正面図である。
図４において、（イ）は端面、（ロ）は周面、（ハ）はすくい面、（ニ）は端面切れ刃角、（ホ）は周面切れ刃角、（ヘ）は端面逃げ角、（ト）は周面逃げ角、（チ）は端面稜線、（リ）は周面稜線である。
図４の切れ刃１では、周面（ロ）と端面（イ）の有る場合を示しているが、周面（ロ）だけの工具や端面（イ）のみの工具もある。

〔発明の概要〕
切れ刃１の加工は、端面稜線（チ）と周面稜線（リ）までの回転中心からの高さを揃えるために端面（イ）が高い切れ刃の端面（イ）と、周面（ロ）が高い切れ刃の周面（ロ）を研磨加工するものである。
すなわち、一番高い切れ刃の特定を行い、該特定された一番高い切れ刃の目標加工量を求め、一番高い切れ刃を目標加工量＋余剰加工量β（以下単に「β」と記す場合がある。）で順次研磨加工を繰り返すことにより切れ刃高さを揃える。

〔切れ刃の生成〕
対象とする切れ刃１の端面稜線（チ）と周面稜線（リ）を高精度の直線に研磨加工した後に、レーザー等で端面稜線（チ）および周面稜線（リ）に大小の櫛刃状の溝を周期的に入れる。この場合、溝は、大溝あるいは小溝のみであってもよい。その後、切れ刃高さを、回転多刃工具を装着した軸を回転させずに計測を行い、切れ刃の高さを揃える加工を行う。櫛刃のパターン（周期）は個々の切れ刃ごとに異なったものとする。

〔櫛刃による悪影響の回避〕
１枚の櫛刃だけで加工すると加工面に櫛刃の谷の部分が加工面の盛り上がりとなって残り加工面粗さを悪化させる。複数の櫛刃を周期を変えて設置することにより櫛刃の谷による加工面の悪化を防いでいる。

〔櫛刃の例〕
図５に、切れ刃１の周面稜線（リ）の拡大図を示す。端面稜線（チ）も同様であるが、説明の都合上、周面稜線（リ）を例に説明する。図５に示す櫛刃状の溝は、三角形状の大溝２（ここではレーザー加工による三角形状を例示しているが四角形状等であってもよい。）が１つと小溝３が２つの組み合わせの繰り返しになっている。
図６に１周期の櫛刃の寸法モデルを示す。右側の大溝２の手前までが１周期である。左側の大溝２の左端から該大溝２および小溝３、３の谷底までの距離をＡ、Ｂ、Ｃ、周期をＤとするとこの切れ刃１には、大溝２と小溝３、３および丘にあたる小切れ刃部４、５、６を持つ。

〔櫛刃の周期例〕
図７に、８枚の切れ刃により構成されている回転多刃工具を想定して、周面稜線（リ）の稜線拡大図を表すところの８枚の櫛刃モデルを示す。図７は、次の周期の大溝３を含む１周期＋αの切れ刃モデルを示すものであって、大溝２、小溝３および丘４、５、６の寸法の組み合わせを変えている。

図８に、横方向に溝と丘の長さの関係を示すところの８枚の櫛刃モデルを示す。ここで問題としているのは数値の絶対値ではなく全ての櫛刃の寸法の相対値である。網掛けは溝を示し、白抜きは丘を示している。大小の溝と切れ刃の丘からなる１周期の幅のモデルを示しており、図の大溝幅は小溝幅の２倍程度に設定しているが、実際の大溝幅は20μｍから200μｍを想定している。

図８では、８枚の櫛刃の中から一番高い切れ刃、すなわち、最外周切れ刃を特定するため、丘の長さを基準に丘４、５、６の長さが短い時を０、長い時を１として２進数で０から７を示している。丘の長い部分と短い部分から２進数を判別しているが、例題では全体の周期を調整する為、周期を短くする場合は、丘の短い部分をより短く、長くする場合は丘の長い部分をより長く調整して判別で紛れないようにしている。
櫛刃加工の周期例の一つの方法として、２進数のみので周期を変更する方法、あるいは、全体の周期を変更する方法がある。また、これらの方法を複合して採用しても良いし、どちらか一方を採用しても良い。図８の例では２進数と全体の周期を複合して採用している。

〔櫛刃による最外周切れ刃の特定〕
図９に、櫛刃を設けた回転多刃工具を用いて無酸素銅など形状転写製の良い試料７を切削加工した時の加工面のモデルを示す。加工面８には回転多刃工具の多くの切れ刃が関与している。加工面の一番低い谷の幅が最外周切れ刃による加工面になっている。

図１０に、３枚の櫛刃１０、１１、１２を用いて試料７を切削加工した時の加工モデルを示す。櫛刃１０、１１、１２による加工面を８とすると、加工面８の山１４、１６、１８および谷１５、１７、１９の寸法から櫛刃１２が最外周切れ刃であると特定できる。

〔櫛刃による最外周切れ刃の目標加工量〕
図１０の加工面８の形状から最外周切れ刃の目標加工量Ｅを求める。目標加工量Ｅは加工面８の一番低い面と高い山までの高さの差として求められる。

〔櫛刃高さが等しい場合の処理法〕
図１０では、回転中心からの距離は測定器の分解能が十分に高く、同一の高さの切れ刃は存在しない事を前提としている。
万一、２つの切れ刃の中心からの距離が測定器の分解能以上に同一の場合、２つの大溝の周期の最小公倍数から２枚の外周切れ刃の同定は可能になる。この場合２枚の最外周切れ刃の加工量を変化させて加工して切れ刃高さを変化させる必要がある。
高さを揃える目的と一見矛盾している様に思えるが、２枚以上の切れ刃が測定器の分解能以上に高さが揃った場合や、２枚の切れ刃で最小公倍数で求められない場合は、全ての切れ刃の加工量を変えて加工する。加工量は加工工程の目標精度の範囲内にする。例えば0,0.1,0.2,0.3,…μｍこのようにして櫛刃高さが揃い最外周切れ刃の特定不能を回避する。

〔最外周切れ刃の特定による切れ刃高さを揃える方法〕
最外周切れ刃を目標加工量Ｅよりβ程度多く研磨加工する。β程度多く加工する目的は、（１）切れ刃高さが揃うことを防止するため、（２）切れ刃の高さを早く収束させるためである。βの値は作業者が任意に決める。また各加工で一定である必要はない。
加工と最外周切れ刃の特定を繰り返し、徐々に切れ刃の高さの差を少なくすることで切れ刃高さを高精度に揃える事を目指す。

〔櫛刃による加工精度の向上モデル〕
表１に、櫛刃による加工精度の向上モデルを示す。
単結晶ダイヤモンドの研磨は砥粒径分布の大きい方で示すと4、2、0.5、0.1μｍの４工程で仕上げている。表１では、各工程で目標とする全ての切れ刃の高さの差を目標精度として表している。本手法では４μｍの粗加工では加工能率が良いが寸法の制御が困難なのに対して、0.1μｍの極微粒による仕上げ加工では寸法制御は容易であるが加工能率は非常に悪い。なるべく若い工程で切れ刃群の回転中心からの距離の差を小さくして次の工程に移るのが好ましい。
最外周切れ刃が特定され加工するとき、切れ刃と目標加工量の+βの数値を記録しておき全ての切れ刃を加工した後は、次の工程に進む。βを記録することで切れ刃の高さの差を推定できる。目指す精度まで加工して加工は終了する。
実用では10ｎｍまでの精度を必要としない場合が多い。

Ｘ線ミラーのホログラム光学素子の加工モデルを模示する図である。 回転多刃工具で加工した鋸刃状溝の拡大図である。 回転多刃工具が回転軸に装着された状態を示す斜視図である。 １枚の切れ刃を示したもので、（ａ）は回転方向から見た図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は（ａ）の正面図である。 切れ刃の周面稜線の拡大図である。 １周期の櫛刃の寸法モデルを示す説明図である。 周面稜線の稜線拡大図を表すところの８枚の櫛刃モデルを示す斜視図である。 横方向に溝と丘の長さの関係を示すところの８枚の櫛刃モデルを示す説明図である。 櫛刃を設けた回転多刃工具を用いて試料を切削加工した時の加工面のモデルを示す斜視図である。 ３枚の櫛刃を用いて試料を切削加工した時の加工モデルを示す説明図である。

符号の説明

１ 切れ刃
２ 大溝
３ 小溝
４ 切れ刃の丘
５ 切れ刃の丘
６ 切れ刃の丘
７ 試料
８ 加工面
１０ 櫛刃
１１ 櫛刃
１２ 櫛刃
１４ 加工面の山
１５ 加工面の谷
１６ 加工面の山
１７ 加工面の谷
１８ 加工面の山
１９ 加工面の谷

Claims (1)

1. 回転多刃工具の各切れ刃の周面稜線または端面稜線に各切れ刃によってパターンの異なる櫛刃状の溝を形成し、この回転多刃工具を用いて試料を切削加工し、加工面の一番低い谷の幅のパターンから最外周切れ刃を特定し、該特定された最外周切れ刃に対して加工面の一番低い谷と一番高い山との差分に、任意の余剰加工量βを加えた分だけ加工するという作業を順次繰り返すことにより切れ刃高さを高精度に揃えることを特徴とする回転多刃工具の切れ刃の精密加工法。