JP6806984B2

JP6806984B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の楕円振動切削加工方法

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Publication number: JP6806984B2
Application number: JP2015248702A
Authority: JP
Inventors: 嗣紀佐藤; 龍人清水; 誠薮谷
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: JP2016144859A

Description

本発明は、楕円振動切削加工、特に超音波楕円振動切削加工により鉄鋼材料を鏡面に切削加工する加工方法に関する。

従来から、カメラなどの光学レンズ金型の製作においては、超精密加工機と呼ばれるナノメートルオーダーの精度を持つ加工機械と、高精度なダイヤモンド切削工具とを用いて、無電解ニッケルリンメッキ表面を切削加工することにより鏡面を得ている。

しかし、無電解ニッケルリンメッキの硬さはビッカース硬さで４００ＨＶ〜５００ＨＶであり、熱処理された鉄鋼材料の５００ＨＶ〜９００ＨＶよりも低い。また、無電解ニッケルリンメッキは湿度が管理されない環境下では時間が経つと表面酸化膜が成長し、光沢が失われる。すなわち、錆びにより表面粗さと精度が大きく損なわれる。

また、近年、光学レンズ用途に限らず光学部品全般の金型において、メッキレスで表面粗さがＲａ２０ｎｍ以下の大面積自由曲面に鏡面を有する金型のニーズが拡大しており、耐久性及び耐食性が必要とされる金型材料として鉄鋼材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼が好まれる傾向が見られる。

この金型を製作する加工には研削砥石や切削工具が使用されているが、研削加工や切削加工だけでは金型表面に鏡面を得ることが困難であるために、最終的には研磨工程により鏡面を得ている。また、近年の高解像度化に対応するには金型のゆがみや歪みを極力なくす必要がある。このために、加工精度を損なう研磨工程をなくし、切削加工のみで鏡面を得る必要がある。

例えば、切削加工で鏡面を得るには加工機械及び切削工具の精度が必要条件となるが、切削工具の精度は工具材料の硬さと均一性によって決まる。そこで、例えば、単結晶ダイヤモンドを被覆した工具や特許文献１に開示されているナノ多結晶ダイヤモンドを被覆した工具はナノメートルオーダーの精度を実現できることから、光学部品用の金型の製作に使われてきた。

しかし、ダイヤモンドを構成する炭素は鉄への溶解度が高く、上記ダイヤモンド工具で鉄鋼材料を加工すると著しい摩耗を生じる。これにより、従来はダイヤモンド工具で製作する光学部品用の金型には鉄鋼材料は用いられず、無電解ニッケルリンメッキが使用されてきた。

一方、図１０に示すように、被削材１０１が無酸素銅である場合に切削工具１００の刃先１０３が楕円軌道１０２を描く楕円振動切削加工方法が特許文献２に開示されている。この加工方法により、切削工具１００と被削材１０１との接触時間を低減し、同時に切りくずの排出方向に切削工具１００が相対運動し、切削抵抗を低減して、切削工具１００の刃先１０３の温度上昇と被削材１０１との化学反応を抑制することができる。

この楕円振動切削加工方法を用いることにより、従来は困難であったダイヤモンド工具を切削工具１００として使用して、鉄鋼材料を被削材１０１に使用しても鏡面切削加工が可能となる。

特開２００３−２９２３９７号公報特許３５００４３４号公報

発明者等は自由曲面光学金型の製作を目的として、単結晶ダイヤモンド工具を用いて楕円振動切削加工方法により、マルテンサイト系ステンレス鋼の切削加工を行った。その結果、加工開始直後においては特段大きな問題は発生しなかった。しかし、切削距離が５００ｍ以上になると、図１１に示すように被削材１０１の加工面には不規則に白い筋（うねり）１１０が発生し、良好な鏡面が得られないことがわかった。

そこで、本発明においては前述した問題点に鑑みて、楕円振動切削加工、特に超音波楕円振動切削加工により鉄鋼材料を鏡面に切削加工する加工方法を提供することを課題とする。

発明者等は様々な切削条件について鋭意研究した結果、白い筋の原因は切削方向に平行に分布する細長い炭化物であることを見出した。

ここで、従来から光学部品用金型として用いられてきた無電解ニッケルリンメッキは微結晶あるいはアモルファスであり、鉄鋼材料のように炭化物の偏析や大きな結晶粒は存在しない。さらに、メッキプロセスにより製作されるため、材料表面は全ての方向に対して均一であり、硬さも均一である。また、特許文献２に開示されている無酸素銅にも細長い炭化物は存在しない。

一方、鉄鋼材料は溶解により製造される場合は、通常、鋳込み、鍛造、圧延等の工程を経る。そのため、材料内部には圧延時に引き伸ばされた方向（以下、圧延方向という。）に結晶粒や炭化物が著しく変形しており、結晶粒や炭化物の形状は圧延方向に細長くなる。

また、鉄鋼材料は様々な成分が含まれており、その含有される成分により局所的に硬さが異なる。特にバナジム、クロム、タングステン、モリブデンなどの金属と炭素が結合した炭化物はマトリックス（基地）部分より硬い。また、炭化物は圧延前の材料では通常１０μｍ〜１００μｍの大きさで分散している。しかし、圧延工程後の炭化物は圧延方向に長く伸びた形状になる。

そこで、本発明においては、切削工具の刃先をマルテンサイト系ステンレス鋼製の光学部品用金型に対して相対的に楕円振動させながら当該金型に平面又は自由曲面を成す鏡面をプレーナ加工する楕円振動切削加工方法であって、切削工具の切削方向と当該金型の圧延方向とを略垂直にするマルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の楕円振動切削加工方法を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、楕円振動しながら切削工具が進む方向（切削方向）と被削材の圧延方向とを略垂直にすることにより、切削工具と被削材における炭化物との接触時間を短くして、楕円軌道を描く切削工具が硬い炭化物の影響を受ける時間を短くする。これにより、切削工具が通過する領域全体において炭化物が切削抵抗になって工具の逃げ、構成刃先及び超音波振動の共振状態等に与える影響を小さくする。

また、使用する切削工具は、単結晶ダイヤモンドを被覆した工具、ナノ多結晶ダイヤモンドを被覆した工具、多結晶ダイヤモンドを被覆した工具のうちのいずれかを用いることもできる。即ち、切削工具のうち上記いずれかの切削工具を用いることにより、切削工具が耐久性及び耐熱性を有し、硬い炭化物の影響を受けにくくなり、楕円振動切削加工の楕円軌道が安定する。

さらに、被削材をマルテンサイト系ステンレス鋼製の工作物として、その工作物は表面硬さがビッカース硬さで３００ＨＶ以上７００ＨＶ以下の工作物であって、マルテンサイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳ規格によって規定されているＳＵＳ４２０Ｊ１又はＳＵＳ４２０Ｊ２と同一成分であり、微量金属又は半金属のうち１種又は２種以上をそれぞれ１．０重量％以下で含有するマルテンサイト系ステンレス鋼に限定することもできる。すなわち、被削材を特定の鋼種に限定することで楕円振動切削加工方法によりマルテンサイト系ステンレス鋼を切削加工した際に、鏡面内に炭化物からなる細長い島状の凸部を散在させ、かつ、規則的な周期をもった凹凸曲面をマトリックスに形成することで、工作物の鏡面に白い筋がなく、ゆがみを少なくすることができる。

本発明においては、切削工具の切削方向と被削材の圧延方向とを略垂直にすることにより、切削工具パス全域において硬い炭化物が切削工具に与える影響を小さくすることができる。これにより、切削工具の逃げ、構成刃先及び超音波振動の共振状態等の切削抵抗を小さくすることができるので、被削材の表面に白い筋を発生させることなく切削加工を実施し、ゆがみの少ない光学用部品も製作できる。

また、切削工具を単結晶ダイヤモンド工具、ナノ多結晶ダイヤモンド工具、多結晶ダイヤモンド工具のうちのいずれかを用いることにより、切削工具が耐久性及び耐熱性を有し、硬い炭化物の影響を受けにくくなる。また、楕円振動切削加工の楕円軌道が安定し、被削材の表面に白い筋を発生させず、さらに、切削加工精度が向上し、ゆがみの少ない光学用部品も製作できる。

さらに、被削材をマルテンサイト系ステンレス鋼製の工作物などに限定することで楕円振動切削加工方法によって製作されたゆがみの少ない工作物、例えば、レンズ等の光学用部品に適用することで、光学特性に優れた光学製品、光学機器等を提供することが可能となる。

被削材１１が丸鋼の場合における切削工具１０の切削方向を示す模式図である。被削材１１が角鋼の場合における切削工具１０の切削方向を示す模式図である。本発明の方法により切削加工された被削材１１表面の模式図である。図３に示すＡ−Ａ線断面図である。図３に示すＢ−Ｂ線断面図である。本発明の方法により切削加工された工作物（金型）６０表面の外観図である。本発明の加工方法によって加工された金型６０および当該金型６０を用いて成型された成型品７０を示す外観図である。図６に示す工作物６０端部の部分拡大図である。実施例において、（ａ）本発明方法により楕円振動切削加工された工作物表面の顕微鏡写真、（ｂ）従来方法により楕円振動切削加工された工作物表面の顕微鏡写真である。被削材１０１に対して楕円振動が付加された切削工具１００の軌跡１０２を示す模式図である。被削材１０１を切削加工した後の表面状態示す顕微鏡写真である。炭化物の圧延方向の長さを１とした場合に、炭化物の幅が５分の１、１０分の１、２０分の１、および１００分の１の各場合の圧延方向と切削方向のなす角θと、１つの炭化物を横切る最大長さＬの関係を示すグラフである。図１２の部分拡大図である。

図１は被削材１１が丸鋼の場合における切削工具１０Ａ、１０Ｂの切削方向を示す模式図、図２は被削材１１が角鋼の場合における切削工具１０Ａ、１０Ｂの切削方向を示す模式図である。図１に示すように、被削材１１が丸鋼のような円柱形状の場合、その圧延方向２１は被削材１１の長手方向に平行である。そのため、円柱形状の被削材１１の端面１２もしくは側面１３を切削工具１０Ａ、１０Ｂにより切削加工する場合は、切削工具１０Ａ、１０Ｂによる切削方向３０と被削材１１の圧延方向２１は常に垂直になる。例えば、被削材１１をレンズ金型用途に適用する場合、被削材１１を回転方向２０に回転しながら切削加工する際には、被削材１１が回転対称体でもあるので、切削工具１０Ａ、１０Ｂの切削方向３０と被削材１１の圧延方向２１は互いに垂直な関係になる。

これに対して、被削材１１が角鋼のように直方体形状の場合には、図２に示すように切削工具１０Ａ、１０Ｂによる切削方向３０、３１は、被削材１１の圧延方向（炭化物長手方向）２１との関係で必ずしも互いに垂直な関係になるとは限らない。つまり、被削材１１の圧延方向２１と切削方向３０、３１の関係は、切削方向３０のように垂直な関係になる場合と、切削方向３１の場合のように平行な関係になる場合がある。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図７は本発明の加工方法によって加工された金型６０および当該金型６０を用いて成型された成型品７０を示す外観図である。図７に示すような自由曲面を有する金型６０の作製は、図２に示すように切削工具１０Ａを、例えば切削方向３０に動かしながら目的とする形状に応じて切削工具１０Ａを深さ方向に出し入れすることで、その軌跡を目的の自由曲面に加工する。すなわち、圧延方向２１と平行にＸ軸、切削方向３０と平行にＹ軸、被削材１１に切削工具１０Ａが深く入る方向と平行にＺ軸とした場合、目的とする形状をＸ、Ｙ、Ｚの各座標として求めておき、切削工具１０ＡをＹ軸方向に動かしながら、そのＸ座標、Ｙ座標に応じたＺ座標に切削工具１０Ａを移動させる。

図２に示すように切削工具１０ＡがＹ座標で被削材１１の端から端まで移動した後、Ｚ座標をマイナス方向に動かして切削工具１０Ａを逃がして、Ｙ座標を元の切削開始位置まで戻す。同時に、図５に示す設定した割り出しピッチＰ２分だけＸ座標を移動させ、再びＸ、Ｙ各座標に対応したＺ座標に制御しながらＹ方向に切削工具１０Ａを移動させて切削する。これを繰り返して被削材１１の全面を切削加工する。

形状によってはＺ軸方向の切り込み深さ、割り出しピッチＰ２および切削速度を変えながら粗加工、中仕上げ加工、仕上げ加工の順番に全面加工を何度か繰り返す場合がある。図５に示す割り出しピッチＰ２を小さくすることで被削材１１の表面粗さは小さくなるが、加工時間は長くなる。そのため、一般的に粗加工時の割り出しピッチＰ２は大きくするか、仕上げ加工時の割り出しピッチＰ２は小さくする。

なお、ここで述べる切削工具１０Ａ、１０Ｂの移動とは、被削材１１に対して相対的な移動のことを示し、機械構成によっては切削工具１０Ａ、１０Ｂを固定した状態で被削材１１を移動させる場合もある。また、これは、例えばＹ軸方向は切削工具１０が移動してＸ軸方向、Ｚ軸方向は被削材１１が移動するなど、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸について、おのおのどちらも移動する場合がありうる。

また、図２に示すように、被削材１１（圧延された材料）は一般には、圧延方向（炭化物長手方向）に長い形状をしているため、角鋼を切削加工する際、大きさの差が極端でないかぎり最長辺の方向（被削材１１の長手方向）が圧延方向２１になる場合が多い。

そして、例えば、プレーナ加工により切削を行う場合、エアカットの時間をできるだけ少なくし、また、段取りを容易にするため、被削材１１の最長辺の方向を一般的に切削方向３１とする。すなわち、切削する方向は切削方向３１のように圧延方向２１と平行になる場合が多い。

図３に示すように、本発明の楕円振動切削加工方法は、被削材１１（角鋼）の圧延方向２１に対して切削工具１０の切削方向３０が略垂直である。これにより、切削工具１０と炭化物４１との接触時間が短くなり、切削工具１０がマトリックス４２よりも硬い炭化物４１の影響を受ける時間を短くする。

例えば、切削方向３０に対して垂直方向（圧延方向２１）に２００μｍ以上１０００μｍ以下であり切削方向３０に対して平行方向に１０μｍ以上５０μｍ以下であり、高さ方向（Ｚ方向：紙面奥行き方向）に０．０２μｍ以上０．０６μｍ以下のサイズで細長い島状の凸部が形成された炭化物４１を被削材１１表面に散在させる。これにより、図１１のような白い筋（うねり）１１０は発生しない。

また、図４に示すように、切削工具１０を被削材１１（角鋼）に対して相対的に切削方向３０の上下前後（図４のＹＺ面内）に楕円軌道５２に振動させて被削材１１を切削加工することで、図６に示すような工作物（金型）６０に平面又は自由曲面を成す鏡面を加工する。

これにより、切削工具１０と被削材１１との接触時間を低減し、切削抵抗を大幅に低減して、図４に示すように切削工具１０の刃先１４の温度上昇と被削材１１との化学反応を大幅に抑制できる。また、鏡面には切削工具１０の振動周期及び切削速度による切削方向ピッチＰ１によって周期的な凹凸曲線５３が形成される。

さらに、図５に示すように、切削方向を圧延方向２１に対して垂直（紙面手前方向）にすることで切削工具１０の刃先１４と炭化物４１との接触時間を短くすることができる。また、被削材１１の表面には切削工具１０の割り出しピッチＰ２に相当する周期的な凹凸曲線５４が切削方向に垂直方向（圧延方向２１）に形成される。

よって、図６に示すように工作物６０の表面に、切削方向３０に対して垂直方向（圧延方向２１）に１０μｍ以上１０００μｍ以下であり、切削方向３０に対して平行方向に０．０１μｍ以上１０μｍ以下の規則的な周期をもった凹凸曲面を形成できる。すなわち、図１１の被削材１１に示すような白い筋１１０は出現せず、良好な鏡面を得ることができ、表面粗さＲａが２０ｎｍ以下のゆがみの少ない工作物、例えば、金型やレンズ等の光学用部品を製作できる。

炭化物で構成された細長い島状凸部が該炭化物の長手方向に２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であり、該炭化物長手方向と垂直方向に１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲である寸法で散在する該島状凸部と、前記炭化物長手方向に対して平行方向に１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であり、該炭化物長手方向に対して垂直方向３０に０．０１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である規則的な周期をもった凹凸曲面で前記島状凸部が分布するマトリックスに形成された該凹凸曲面と、を有する鏡面を形成された光学用部品を用いることで、光学特性に優れた光学製品、光学機器等を提供することが可能となる。

ここで、炭化物には高さ方向（Ｚ軸方向）には０．０２μｍ以上０．０６μｍ以下の差異が生じる。これは、島状凸部を形成する炭化物がマトリックス部分よりも硬さが高いために、切削時に切削工具や図示しない加工機械が弾性変形するためである。

また、図２に示すように、切削方向３０を９０°変更し、切削方向３１のように圧延方向（炭化物長手方向）２１に沿って加工すると、図１１に示すように切削方向３１に沿って白い筋１１０が発生して被削材１１表面の品質が低下するために良好な鏡面が得られない。

これは、被削材の圧延方向に長く伸びた炭化物が、切削方向に沿って切削工具の刃先に長時間接触するため、切削抵抗による切削工具の刃先の逃げ、構成刃先及び超音波振動の共振状態等に影響を与えるためである。

即ち、走査型白色干渉法により工作物（金型）の表面が切削方向に対して垂直方向（圧延方向）に２００μｍ以上１０００μｍ以下であり、切削方向に対して平行方向に１０μｍ以上５０μｍ以下のサイズで散在する炭化物で形成された細長い島状の凸部と、切削方向に対して垂直方向（圧延方向）に１０μｍ以上１０００μｍ以下であり切削方向に対して平行方向に０．０１μｍ以上１０μｍ以下である規則的な周期をもった凹凸曲面で島状凸部が分布するマトリックスに形成された凹凸曲面と、を有するか否か調べることができる。これにより、本発明に係る楕円振動切削加工方法によって製作された工作物（金型）であるか否かを判定できる。

例えば、図７に示すように走査型白色干渉法により成型品７０の表面が２００μｍ以上１０００μｍ以下であり、１０μｍ以上５０μｍ以下のサイズで散在する炭化物４１で形成された細長い島状の凸部が転写された凹部７１と、１０μｍ以上１０００μｍ以下であり０．０１μｍ以上１０μｍ以下である規則的な周期をもった凹凸曲面５５で前記島状凸部４１が分布するマトリックスに形成された凹凸曲面５５が転写された凸凹曲面７５と、を有するか調べることで、成型に使用された金型６０がどのような加工方法により作製されたかを特定できる。

また、図８に示すように、工作物６０の圧延方向２１は、鏡面を微分干渉顕微鏡により細長く引き伸ばされた炭化物４１を観察することで特定できる。さらに、鏡面を硝酸アルコール等の腐食液を使用して細長い島状の凸部の炭化物４１と粒界を際立たせて引き伸ばされた方向を観察することや、走査型電子顕微鏡によって反射電子像を観察することで特定できる。

なお、図７および図８に示すように工作物６０が金型であった場合は、該金型６０を使用して成型された成型品７０に転写された細長い島状凹部７１及び凸凹曲面７５を調べることで本発明の楕円振動切削加工方法により製作された金型６０か否かを特定できる。

さらに、工作物（金型）６０の凹凸曲面５５は、切削方向３０に対して垂直方向（圧延方向２１）に形成された割り出しピッチＰ２（図５参照）と、切削方向３０に対して平行方向に形成された切削方向ピッチＰ１（図４参照）と、を共焦点レーザー顕微鏡や光学顕微鏡の焦点合成によっても測定できる。また、工作物６０が小型であれば原子間力顕微鏡によっても測定できる。なお、割り出しピッチＰ２は、触針式の表面粗さ計でも測定可能である。

なお、本発明における「略垂直」という文言には常識的な誤差の範囲を含むものとする。すなわち、工作物の表面に対してほぼ楕円形に出現する炭化物の長手方向をそもそも厳密に測定することが困難であり、数度の範囲で誤差を含む。

また、材料の切り出しや加工機械への取り付け誤差の範囲も本発明に含むものとする。しかし、あえてより詳細に圧延方向と切削方向の検討を行った結果、圧延方向、すなわち炭化物の伸びた方向と切削方向との角度は、好ましくは８０度以上１００度以下であり、より好ましくは８５度以上９５度以下であるとの結論に至った。

そのような角度範囲とするに至った理由について以下に説明する。図１２に炭化物の圧延方向の長さを１として、炭化物の幅が５分の１、１０分の１、２０分の１、および１００分の１の各場合(以降、それぞれアスペクト比５、１０、２０、１００とする)の圧延方向(炭化物の長手方向)と切削方向のなす角θとの場合における、１つの炭化物を横切る最大長さ、すなわち中心を通る線分の長さＬの算出結果を示す。なお、炭化物は図９などの観察結果を元に楕円形に近似して算出した。また、図１３は図１２の部分拡大図である。

図１２、図１３から、アスペクト比１０以上の場合、切削方向と炭化物の長手方向のなす角θが８０度以上１００度以下で工具が炭化物を横切る長さＬが０．２以下となる。さらに、８５度以上９５度以下ではＬの値が０．１５以下となる。また、アスペクト比５の場合は、角度θが８０度以上１００度以下でＬが０．２５以下になる。

本発明の効果を十分に発揮するには、工具が炭化物を横切る長さを十分に低減する必要がある。具体的には、前述のＬの値が０．２５以下、０．２０以下、０．１５以下であることが好ましい。このことから、圧延方向と切削方向のなす角は８０度以上１００度以下であることが好ましく、炭化物のアスペクト比が１０以上であり、炭化物の長手方向と切削方向のなす角θは８５度以上９５度以下であることがより好ましい。

実際に本発明の効果の大きさはθの範囲に依存して連続的に変化するので、θが８０度以下あるいは１００度以上で本発明の効果が得られないということではない。しかし、材料は圧延方向に垂直または平行に切り出されることが多く、また材料の切り出し方向に対して平行または垂直以外の方向に切削するとエアカットの時間が長くなり、非効率である。このことからも、本発明の請求範囲は切削方向を圧延方向と略垂直とし、上記角度θの範囲は８０度以上１００度以下の角度範囲とした。

本発明に係る楕円振動切削加工方法（以下、本発明方法という。）および従来の楕円振動切削加工方法（以下、従来方法という）を用いて以下の加工条件で切削試験を行った。また、本発明方法は被削材の圧延方向と垂直に、従来方法は被削材の圧延方向と平行に被削材表面を楕円振動切削加工した。さらに、評価を正確に行うために被削材の形状は単純平面とした。
・振動条件：振幅４（μｍ）×５０（ｋＨｚ）
・加工方法：プレーナ加工
・加工速度：１０００（ｍｍ／ｍｉｎ）
・切り込み量：３（μｍ）
・割り出しピッチ：２５（μｍ）
・加工面積：１２０００（ｍｍ^２）
・切削距離：６００（ｍ）
・切削時間：１０（ｈ）
・加工時間：１９．１（ｈ）
・切削工具：単結晶ダイヤモンドバイト
・切削工具先端の面取り径Ｒ：５．０（ｍｍ）
・切削液：油性切削液
・被削材：マルテンサイト系ステンレス鋼（表面硬さ５２ＨＲＣ）

また、切削距離５２０ｍ付近の被削材表面の目視による表面観察を行い、さらに、走査型白色干渉顕微鏡によって表面粗さ（ＰＶ、ｒｍｓ、Ｒａ）測定を行った。ここで、ＰＶは測定した粗さ曲線の高さ方向の最高点と最低点の高低差、ｒｍｓは粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根、Ｒａは測定曲線の平均粗さを示す。

表１は、本発明方法および従来方法の各方法を用いて行った切削試験後の上記工作物の表面観察（白い筋の有無）及び表面粗さ測定を行った結果である。表１に示すように、本発明方法を用いて切削加工すると、鏡面に白い筋は認められなかった。しかし、従来方法では図１１に示すような工作物の表面に白い筋が認められた。この結果から、本発明方法による工作物の切削加工面は従来方法より品質が向上していることがわかった。

また、図９（ａ）は本発明方法により楕円振動切削加工された工作物の表面を走査型白色干渉顕微鏡で測定した画像図であり、該画像図のＤ１−Ｄ１断面の表面粗さ（ＰＶ、ｒｍｓ、Ｒａ）測定を行った。さらに、図９（ｂ）は従来方法により楕円振動切削加工された加工面を走査型白色干渉顕微鏡で測定した画像図であり、該画像のＤ２−Ｄ２断面の表面粗さ（ＰＶ、ｒｍｓ、Ｒａ）測定を行った。

表１に示すように、従来方法ではＰＶ５７２ｎｍ、ｒｍｓ２０ｎｍ、Ｒａ１６ｎｍであるのに対し、本発明方法の表面粗さはＰＶ１２１ｎｍ、ｒｍｓ１５ｎｍ、Ｒａ１２ｎｍであり、品質とともに加工精度も向上していることがわかった。

これは、切削工具の楕円軌道が進む方向（切削方向）と被削材の圧延方向とを略垂直にすることにより、切削工具と被削材の炭化物との接触時間が短くなり、切削工具が硬い炭化物の影響を受ける時間が短くなったためである。

なお、表面粗さＲａは、切削距離５２０ｍ付近でＲａ１２ｎｍとＲａ１６ｎｍの差であったが、白い筋がなければＲａ２０ｎｍ以下で十分に光学用金型としての品質を満足するため、目視での白い筋の有無が品質上特に重要である。

ここで、本発明方法により楕円振動切削加工された被削材の表面には切削方向に垂直方向に２００μｍ以上１０００μｍ、切削方向に平行方向に１０μｍ以上５０μｍ以下、高さ方向に０．０２μｍ以上０．０６μｍ以下のサイズで散在する炭化物で形成された細長い島状の凸部が観察された。

さらに、この島状の凸部が分布するマトリックスに、切削速度１０００ｍｍと楕円振動の周期５０ｋＨｚによる切削方向ピッチ（０．３３μｍ）に対応する規則的な凹凸曲線が切削方向に存在する。また、割り出しピッチ（２５μｍ）に対応する規則的な凹凸曲線が切削方向と垂直方向、すなわち島状の凸部の細く伸びた方向（圧延方向）に存在する。

すなわち、切削方向に対して垂直方向に１０μｍ以上１０００μｍ以下の規則的な周期をもった凹凸曲線と、切削方向に対して平行方向に０．０１μｍ以上１０μｍ以下の規則的な周期をもった凹凸曲線と、で囲まれた凹凸曲面が形成されている。

なお、加工速度と振動周期から切削方向ピッチの関係は下記の式により求められる。
切削方向ピッチ
＝（切削速度）÷（振動周期）
＝［１０００（ｍｍ／ｍｉｎ）÷６０（ｓｅｃ／ｍｉｎ）］÷５００００（／ｓｅｃ）
≒０．０００３３（ｍｍ）＝０．３３（μｍ）

一方、従来方法のように圧延方向に平行に切削方向をとって、切削試験を行った場合には、切削方向（圧延方向）のうねり（白い筋）が大きく、本発明方法で見られた島状凸部は明確には観察されなかった。これは、炭化物の影響が限定的な範囲で島状としてではなく、切削面上において炭化物が切削工具に長く影響を与え、切削方向のうねりとして表れている。これにより、被削材の表面に白い筋（うねり）が発生し（図１１参照）、本発明方法に比べて従来方法の表面粗さＰＶが４倍以上高くなっていた。

なお、超精密加工機によるプレーナ加工においては、切削工具の戻り時間、一定の切削距離毎に設ける切削工具の空振り時間、切り込み方向、逃げ方向及び割り出し方向への移動時間等があるため、切削時間に対して実際の加工時間が長くなる。

１０、１００切削工具
１１、１０１被削材
１４切削工具１０の刃先
２１被削材１１の圧延方向
３０切削工具１０の切削方向
６０工作物（金型）

Claims

切削工具の刃先を被削材に対して相対的に楕円振動させながら前記被削材に平面又は自由曲面をプレーナ加工する楕円振動切削加工方法であって、前記被削材がマルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の場合に前記切削工具の切削方向と前記マルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の圧延方向とを略垂直にした状態で、前記被削材の圧延方向に１０μｍ以上１０００μｍ以下、前記切削工具の切削方向に０．０１μｍ以上１０μｍ以下の規則的な周期をもった凹凸曲面と、前記切削工具の切削方向には１０μｍ以上５０μｍ以下、前記被削材の圧延方向には２００μｍ以上１０００μｍ以下、前記被削材の高さ方向には０．０２μｍ以上０．０６μｍ以下の範囲の炭化物で構成される細長い島状凸部と、を前記マルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の表面に形成するように前記プレーナ加工を行うことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の楕円振動切削加工方法。
前記切削工具は、単結晶ダイヤモンド被覆工具、ナノ多結晶ダイヤモンド被覆工具、多結晶ダイヤモンド被覆工具のうちのいずれかの切削工具を用いることを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の楕円振動切削加工方法。
前記マルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型は、表面硬さがビッカース硬さで３００ＨＶ以上７００ＨＶ以下であって、前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳ規格によって規定されているＳＵＳ４２０Ｊ１又はＳＵＳ４２０Ｊ２と同一成分であり、微量金属又は半金属のうち１種又は２種以上をそれぞれ１．０重量％以下で含有するマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼製光学部品用金型の楕円振動切削加工方法。