JP5147266B2 - Ｖ溝加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｖ溝加工方法に関する。詳しくは、ワークの加工面にＶ溝を加工するＶ溝加工方法に関する。

液晶表示装置には、光源からの光の角度を制御するための光学シートが用いられている。
光学シートとしては、表面にＶ溝列（あるいは、断面三角の突条列）が形成された、プリズムシートが知られている。プリズムシートの中には、Ｖ溝列の溝方向に沿って、Ｖ溝の深さが周期的に変化する、いわゆる、うねりを有するプリズムシートも知られている。

従来、このようなプリズムシートを形成するには、ダイアモンド工具によって加工する技術が提案されている（特許文献１参照）。
これには、ケースに圧電素子の積層体を介してダイアモンド工具を支持し、このダイアモンド工具の先端をケースから突出させたアクチュエータが用いられる。Ｖ溝加工にあたっては、圧電素子の積層体に高周波信号を印加し、ダイアモンド工具を軸方向へ高周波振動させながら移動させてＶ溝を加工するとともに、移動方向においてＶ溝に深さ変動を与えることにより、見かけ上のうねりを形成する方法である。

米国特許第６，５８１，２８６号

上述した特許文献１に開示された加工技術では、圧電素子の積層体によりダイアモンド工具をＶ溝の溝深さ方向に高周波振動させることにより、Ｖ溝に深さ変動を与え、これにより、見かけ上のうねりを形成する方法であるため、圧電素子の高周波振動によって周期的な加速度変動が生じる。このため、これが、加工装置の指令運動に対する外乱となり、機械の動的精度が低下するという課題がある。

本発明の目的は、Ｖ溝加工にあたって、機械の動的精度が低下するのを防止できるＶ溝加工方法を提供することにある。

本発明のＶ溝加工方法は、スピンドルの回転によって回転される工具本体と、この工具本体の回転軸線から所定距離偏芯した位置で前記工具本体に取り付けられ、前記工具本体の回転軸線と略平行に設けられた第１切刃およびこの第１切刃の先端に第１切刃に対して所定角度で交差する第２切刃を有する刃先片とを備えた回転工具を用いて、ワークの加工面にＶ溝を加工するＶ溝加工方法であって、前記ワークの加工面の法線方向に対して、前記回転工具の第１切刃が０度を含まない所定角度になるように前記ワークと回転工具との姿勢を設定する姿勢設定工程と、前記スピンドルを回転させながら、前記ワークの加工面と直交しかつ前記回転工具の回転軸線を含む面に対して直交する方向へ、前記ワークと回転工具とを相対移動させて、前記ワークの加工面にＶ溝を加工するＶ溝加工工程とを備え、前記Ｖ溝加工工程では、前記Ｖ溝の溝方向に沿って溝深さが周期的に変化するうねりが形成されるように、前記回転工具の回転速度と前記ワークおよび回転工具の相対移動速度とを調整するとともに、前記回転工具の回転速度をＶ _Ｒ 、前記ワークおよび回転工具の相対移動速度Ｖ _Ｔ 、前記工具本体の回転軸線から前記第１切刃までの工具半径をｒ、うねり周期をｆ、うねり高さをｈとしたとき、ｆ＝Ｖ _Ｔ ／Ｖ _Ｒ の関係から、前記相対移動速度Ｖ _Ｔ と前記回転速度Ｖ _Ｒ とを調整して前記うねり周期ｆを所望の値に変化させ、ｈ＝ｆ ^２ ／８ｒの関係から、前記うねり周期ｆと前記工具半径ｒを調整して前記うねり高さｈを所望の値に変化させる、ことを特徴とする。

具体的には、前記回転工具の１回転あたりのカッターマークが前記ワークの加工面に形成されるように、前記回転工具の回転速度と前記ワークおよび回転工具の相対移動速度との関係が設定されている、ことを特徴とする。
ここで、ワークおよび回転工具の相対移動速度をＶ_Ｔ、回転工具の回転速度をＶ_Ｒとすると、うねり周期ｆは、
うねり周期ｆ＝Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｒ
で与えられる。また、工具半径（回転工具の工具本体の回転軸線から第１切刃までの距離）をｒとすると、うねり高さｈは、
うねり高さｈ＝ｆ^２／８ｒ
で与えられるから、所望のうねり周期およびうねり高さになるように、ワークおよび回転工具の相対移動速度Ｖ_Ｔ、回転工具の回転速度Ｖ_Ｒ、工具半径ｒを選択する。

この発明によれば、ワークの加工面の法線方向に対して、回転工具の第１切刃が０度を含まない所定角度になるように、ワークと回転工具との姿勢を設定したのち、スピンドルを回転させながら、ワークの加工面と直交しかつ回転工具の回転軸線を含む面に対して直交する方向へ、ワークと回転工具とを相対移動させる。
すると、回転工具の第１切刃と第２切刃との角度のＶ溝が形成される。つまり、回転工具の第１切刃によってＶ溝の一方の斜面が、第２切刃によってＶ溝の他方の斜面が形成されるから、これらによってＶ溝が形成される。
このＶ溝の加工において、回転工具の回転速度とワークおよび回転工具の相対移動速度とが調整されることによって、Ｖ溝の溝方向に沿って溝深さが周期的に変化するうねりが形成されるから、従来のような、圧電素子による高周波振動による問題も発生することがない。従って、機械の動的精度が低下するのを防止できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜Ｖ溝加工装置：図１参照＞
本実施形態に係るＶ溝加工装置は、図１に示すように、ＮＣ装置などの制御装置１０により制御される加工装置であって、ベース１１と、このベース１１の上面に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するテーブル１２と、ベース１１の両側に立設された一対のコラム１４，１５と、この両コラム１４，１５の上部間に掛け渡されたクロスレール１６と、このクロスレール１６に沿って左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたサドル１７と、このサドル１７に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたラム１８と、このラム１８の下端に旋回軸１９（Ｙ軸方向と平行な軸）を支点として旋回可能に設けられたスピンドルヘッド３０とを備える。

ここで、テーブル１２、コラム１４，１５、クロスレール１６、サドル１７およびラム１８から、ワークＷとスピンドルヘッド３０（後述する回転工具４０）とを三次元方向へ相対移動させる三次元相対移動手段が構成されている。
また、旋回軸１９によって、ワークＷと回転工具４０との姿勢を設定する姿勢設定手段が構成されている。
また、制御装置１０により、回転工具４０とワークＷおよび回転工具４０の相対移動速度を調整する制御手段が構成されている。

＜スピンドルヘッド：図２参照＞
スピンドルヘッド３０は、図２に示すように、非接触式の空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。つまり、ラム１８の下端に旋回軸１９を介して旋回可能に設けられたハウジング３１と、このハウジング３１に空気軸受３２，３３，３４を介して回転可能に支承され途中にフランジ３５Ａを有するスピンドル３５と、このスピンドル３５を回転駆動させるモータ３６とを備えた空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。これにより、スピンドル３５は、１，０００〜１００，０００ｒｐｍで高速回転できるようになっている。

空気軸受３２，３３，３４の内周面には、スピンドル３５の周面に向かって軸直交方向から空気を吹き出す吹出口３７が複数形成されている。これらの各吹出口３７から噴出される空気によってスピンドル３５をラジアル方向に支持するラジアル軸受が形成されている。また、空気軸受３３，３４の互いに対向する軸方向端面には、スピンドル３５のフランジ３５Ａに向かって空気を噴出する吹出口３８が複数形成されている。これらの各吹出口３８から噴出される空気によってスピンドル３５をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成されている。なお、図２において、３９Ａは各吹出口３７，３８に高圧空気を供給する給気通路、３９Ｂは排気通路、４０はスピンドル３５に取り付けられた回転工具である。

＜回転工具：図３参照＞
回転工具４０は、図３に示すように、スピンドル３５に取り付けられて回転される工具本体４１と、この工具本体４１の先端に一体的に取り付けられたダイアモンド製の刃先片４２とを含んで構成されている。
工具本体４１は、円柱状に形成され、基端側がスピンドル３５に取り付けられるシャンクに構成されている。
刃先片４２は、四角柱状で、工具本体４１の回転軸線から所定距離偏芯した位置で工具本体４１に取り付けられている。また、四角柱を構成する４つの側面のうち、２つの側面の稜線に沿って、工具本体４１の回転軸線と略平行な第１切刃４３が形成されているとともに、四角柱の先端面を構成する一辺に第１切刃４３に対して所定角度（ここでは９０度）で交差する第２切刃４４が形成されている。なお、これら第１切刃４３および第２切刃４４をそれぞれ挟む面には、適切なすくい角や逃げ角が形成されている。

＜実施形態の作用：図４〜図７参照＞
テーブル１２の上にワークＷを載置したのち、テーブル１２をＹ軸方向へ、サドル１７をＸ軸方向へ、ラム１８をＺ軸方向へそれぞれ移動させながら、スピンドル３５に取り付けられた回転工具４０によってワークＷを加工する。
ワークＷの加工面（上面）にＶ溝を加工するには、図４に示すように、ワークＷの加工面の法線方向に対して、回転工具４０の第１切刃４３が０度を含まない所定角度になるように、ワークＷと回転工具４０との姿勢を設定する（設定工程）。ここでは、ワークＷの加工面の法線方向に対して、回転工具４０の第１切刃４３が４５度になるように、工具本体４１を傾ける。つまり、スピンドルヘッド３０を旋回軸１９を支点として旋回させる。

次に、スピンドル３５を回転させながら、ワークＷの加工面に直交し、かつ、回転工具４０（工具本体４１）の回転軸線を含む面に対して直交する方向へ、ワークＷと回転工具４０とを相対移動させる。つまり、テーブル１２をＹ軸方向へ移動させて、ワークＷの加工面にＶ溝５１を加工する（Ｖ溝加工工程）。
Ｖ溝５１を１列加工したのち、回転工具４０をＶ溝５１の方向に対して直交する方向（Ｘ軸方向）へ所定ピッチ移動させたのち、同様にＶ溝加工を行うと、図５に示すような、Ｖ溝５１が隣接したＶ溝列が形成される。

このＶ溝列は、Ｖ溝５１の溝方向に沿って溝深さが周期的に変化するうねりが形成される。うねり周期は、回転工具４０の回転速度とワークＷおよび回転工具４０の相対移動速度とを調整するとこにより、任意の値に変化させることができる。つまり、ワークＷおよび回転工具４０の相対移動速度をＶ_Ｔ、回転工具４０の回転速度をＶ_Ｒとすると、うねり周期ｆは、
うねり周期ｆ＝Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｒ
で与えられる。また、工具半径（工具本体４１の回転軸線から刃先片４２の第１切刃４３までの距離）をｒとすると、うねり高さｈは、
うねり高さｈ＝ｆ^２／８ｒ
で与えられる。

たとえば、工具半径ｒが０．８ｍｍの回転工具４０を用い、この回転工具４０の回転速度Ｖ_Ｒを５，０００［ｒｐｍ］、ワークＷおよび回転工具４０の相対移動速度Ｖ_Ｔを５００［ｍｍ／ｍｉｎ］とした条件で加工を行うと、
うねり周期ｆ＝Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｒ＝５００［ｍｍ／ｍｉｎ］／５,０００［ｒｐｍ］
＝０．１［ｍｍ］＝１００［μｍ］
うねり高さｈ＝ｆ^２／８ｒ＝０．１２／８×０．８＝０．００１５６［ｍｍ］
＝１．５６［μｍ］
のＶ溝列を形成することができる。
また、工具半径ｒおよび回転速度Ｖ_Ｒを上記と同じ条件とし、相対移動速度Ｖ_Ｔを１，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］、５００［ｍｍ／ｍｉｎ］に変化させた場合、うねり周期ｆは、２００［μｍ］、５０［μｍ］と変化する。従って、加工しようとするＶ溝のうねり周期およびうねり高さに応じて、工具半径ｒ、回転速度Ｖ_Ｒ、相対移動速度Ｖ_Ｔを変化させればよい。

実際に、上記加工条件（工具半径ｒ：０．８ｍｍ、回転工具４０の回転速度Ｖ_Ｒ：５，０００［ｒｐｍ］、相対移動速度Ｖ_Ｔ：５００［ｍｍ／ｍｉｎ］）でＶ溝を加工したときの、レーザ顕微鏡写真を図６に示す。
図６において、Ｖ溝の片側面に描かれた円弧状のマークは、回転工具４０の１回転当たりのカッターマークである。本実施形態のような回転工具４０を用いて、カッターマークが形成されるような加工を行うと、Ｖ溝５１（あるいは三角山）が溝方向（あるいは山方向）に沿って周期的に変化するうねりが形成される。

これは、図７に示すように、回転工具４０の回転速度に対して、ワークＷおよび回転工具４０の相対移動速度（送り速度）を十分速くすると、回転工具４０の第１切刃４３と第２切刃４４との交点の軌跡がトロコイド曲線を描く軌跡となるから、この軌跡がカッターマークとして描かれる（図７中太線で描かれている）。このカッターマークのうち、トロコイド曲線がワークＷに対して深く入り込むに従って切削される部分が大きくなるため、Ｖ溝（あるいは三角山）が溝方向（あるいは山方向）に沿って周期的に変化するうねりが形成される。

＜実施形態の効果＞
ワークＷの加工面の法線方向に対して、回転工具４０の第１切刃４３が０度を含まない所定角度になるように、ワークＷと回転工具４０との姿勢を設定したのち、スピンドル３５を回転させながら、ワークＷの加工面に直交し、かつ、回転工具４０の回転軸線を含む面に対して直交する方向へ、ワークＷと回転工具とを相対移動させる。すると、回転工具４０の第１切刃４３と第２切刃４３との角度のＶ溝５１が形成される。つまり、回転工具４０の第１切刃４３によってＶ溝５１の一方の斜面が、第２切刃４４によってＶ溝５１の他方の斜面が形成されるから、これらによってＶ溝５１が形成される。

このＶ溝５１の加工において、回転工具４０の回転速度とワークＷおよび回転工具４０の相対移動速度とが調整されることによって、Ｖ溝５１の溝方向に沿って溝深さが周期的に変化するうねりが形成されるから、従来のような、圧電素子による高周波振動による問題も発生することがない。従って、機械の動的精度が低下するのを防止できる。

また、スピンドルヘッド３０を、スピンドル３５を空気軸受３２，３３，３４で回転可能に支承した空気軸受スピンドルヘッドとしたので、つまり、空気軸受スピンドルヘッドでは、高精度な高速回転が得られることから、大きな切削送り速度で加工を効率的に行うことができる。

＜変形例：図８参照＞
本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、平板状のワークＷの表面にＶ溝５１を加工した例を示したが、ワークＷの形状としては、平板状に限らず、他の形状であってもよい。
例えば、図８に示すように、ロール状のワークＷ_Ｒの周面にＶ溝５１を加工する場合にも適用できる。この場合には、ワークＷ_Ｒの回転軸を含む面内において、ワークＷ_Ｒの回転軸とスピンドル３５（工具本体４１）とを所定角度（９０度）に設定したのち、回転工具４０を回転させながら、ワークＷ_Ｒも回転させると、ワークＷ_Ｒの外周面に沿ってＶ溝５１が形成される。この後、回転工具４０をワークＷ_Ｒの回転軸方向へ所定ピッチずつずらして、同様な加工を行えば、ワークＷ_Ｒの外周面に沿ってＶ溝列を形成することができる。

＜その他の変形例＞
前記実施形態では、Ｖ溝角度（一方の斜面と他方の斜面との角度）が９０度のＶ溝５１を加工する例を示したが、Ｖ溝角度は、これに限らず、他の角度であってもよい。
これには、回転工具４０の第１切刃４３に対して第２切刃４４の角度を加工しようとするＶ溝角度に形成すればよい。例えば、Ｖ溝角度が６０度のＶ溝を加工する場合には、第１切刃４３に対して第２切刃４４を６０度に設定し、ワークＷの加工面の法線方向に対して、第１切刃４３が６０度になるように、工具本体４１の角度を設定して加工を行えば、Ｖ溝角度が６０度のＶ溝を加工することができる。

前記実施形態では、スピンドル３５を空気軸受３２，３３，３４によって回転可能に支承したが、空気軸受に限らず、磁気軸受などでもよい。あるいは、非接触軸受に限らず、接触式軸受などであってもよい。
前記実施形態では、スピンドルヘッド３０をＸおよびＺ軸方向へ、また、テーブル１２をＹ軸方向へ移動自在に構成したが、これに限らず、回転工具４０とワークＷとが相対移動可能であれば、どのような構成でもよい。

本発明は、うねりを有するＶ溝加工に利用でき、たとえば、光学フィルムの製造に利用される平板金型やロール金型などの加工に好適に利用できる。

本発明の実施形態に係るＶ溝加工装置を示す正面図。 同上実施形態のスピンドルヘッドを示す断面図。 同上実施形態の回転工具を示す斜視図。 同上実施形態において、ワークにＶ溝を加工する例を示す図。 同上実施形態において、Ｖ溝列が加工されたワークの斜視図。 同上実施形態において、加工されたＶ溝列の顕微鏡写真を示す図。 同上実施形態において、Ｖ溝列が加工される原理を示す図。 本発明の他の実施形態に係るＶ溝加工装置を示す図。

符号の説明

１０…制御装置、
１２，１４，１５，１６，１７，１８…相対移動手段、
１９…旋回軸（姿勢調整手段）、
３５…スピンドル、
４０…回転工具、
４１…工具本体、
４２…刃先片、
４３…第１切刃、
４４…第２切刃、
５１…Ｖ溝。

Claims (2)

1. スピンドルの回転によって回転される工具本体と、この工具本体の回転軸線から所定距離偏芯した位置で前記工具本体に取り付けられ、前記工具本体の回転軸線と略平行に設けられた第１切刃およびこの第１切刃の先端に第１切刃に対して所定角度で交差する第２切刃を有する刃先片とを備えた回転工具を用いて、ワークの加工面にＶ溝を加工するＶ溝加工方法であって、
   前記ワークの加工面の法線方向に対して、前記回転工具の第１切刃が０度を含まない所定角度になるように前記ワークと回転工具との姿勢を設定する姿勢設定工程と、
   前記スピンドルを回転させながら、前記ワークの加工面と直交しかつ前記回転工具の回転軸線を含む面に対して直交する方向へ、前記ワークと回転工具とを相対移動させて、前記ワークの加工面にＶ溝を加工するＶ溝加工工程とを備え、
   前記Ｖ溝加工工程では、前記Ｖ溝の溝方向に沿って溝深さが周期的に変化するうねりが形成されるように、前記回転工具の回転速度と前記ワークおよび回転工具の相対移動速度とを調整するとともに、
   前記回転工具の回転速度をＶ _Ｒ 、前記ワークおよび回転工具の相対移動速度Ｖ _Ｔ 、前記工具本体の回転軸線から前記第１切刃までの工具半径をｒ、うねり周期をｆ、うねり高さをｈとしたとき、
   ｆ＝Ｖ _Ｔ ／Ｖ _Ｒ の関係から、前記相対移動速度Ｖ _Ｔ と前記回転速度Ｖ _Ｒ とを調整して前記うねり周期ｆを所望の値に変化させ、
   ｈ＝ｆ ^２ ／８ｒの関係から、前記うねり周期ｆと前記工具半径ｒを調整して前記うねり高さｈを所望の値に変化させる、
   ことを特徴とするＶ溝加工方法。
2. 請求項１に記載のＶ溝加工方法において、前記回転工具の１回転あたりのカッターマークが前記ワークの加工面に形成されるように、前記回転工具の回転速度と前記ワークおよび回転工具の相対移動速度との関係が設定されている、ことを特徴とするＶ溝加工方法。