(57)【要約】【課題】  切削加工において高精度の加工を行う場合、加工機械の駆動精度向上に加え、加工中に発生する熱による工具の熱変形も防ぐ必要がある。しかし、切削チップで発生する熱の一部が工具シャンクに伝導し工具変形するため、高精度加工ができない。【解決手段】  切削チップを取り付ける工具シャンクと、工具シャンクの温度を計測し工具シャンクの温度情報を出力する温度センサと、温度センサから出力された温度情報を入力し工具シャンクの所望の温度に対して温度が上昇している場合は温度を低下させ、温度が低下している場合は温度を上昇させて工具シャンクが所望の温度となるような制御信号を出力する計算機と、計算機より出力された制御信号を入力し工具シャンクの温度を所望の温度となるように温度調整する温度調整機とを備えた切削加工装置を用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を切削加工する切削チップを取り付ける工具シャンクと、
前記工具シャンクの温度を計測し、前記工具シャンクの温度情報を出力する温度センサと、
前記温度センサから出力された温度情報を入力し、前記工具シャンクの所望の温度に対して温度が上昇している場合は温度を低下させ、温度が低下している場合は温度を上昇させて前記工具シャンクが所望の温度となるような制御信号を出力する計算機と、
前記計算機より出力された制御信号を入力し、前記工具シャンクの温度を所望の温度となるように温度調整する温度調整機と、
を備えたことを特徴とする切削加工装置。
【請求項２】
前記計算機には寿命判定部を備え、
前記寿命判定部は、前記温度情報または前記制御信号の単位時間あたりの変化量を求め、前記単位時間あたりの変化量が所定の閾値より大きい場合は切削加工を停止させ、前記所定の閾値より小さい場合は前記温度調整機に工具シャンクが所望の温度となるような前記制御信号を出力する
ことを特徴とする請求項１記載の切削加工装置。
【請求項３】
前記計算機には寿命判定部を備え、
前記寿命判定部は、前記温度情報または前記制御信号が所定の閾値より大きい場合は切削加工を停止させ、前記所定の閾値より小さい場合は前記温度調整機に工具シャンクが所望の温度となるような前記制御信号を出力する
ことを特徴とする請求項１記載の切削加工装置。
【請求項４】
被加工物を切削加工する切削チップを取り付ける工具シャンクと、
前記工具シャンクの温度を計測し、前記工具シャンクの温度情報を出力する温度センサと、
前記温度センサから出力された温度情報を入力し、前記工具シャンクの所望の温度と前記温度情報との差に対応する前記工具シャンクの熱膨張量を求め、前記熱膨張量に相当する信号を出力する計算機と、
前記計算機より出力された熱膨張量に相当する信号を入力し、前記工具シャンクの熱膨張方向に前記切削チップを移動させて、熱膨張により前記切削チップの位置がずれた分を補正する工具移動調整部と、
を備えたことを特徴とする切削加工装置。
【請求項５】
前記計算機には寿命判定部を備え、
前記寿命判定部は、前記温度情報または前記熱膨張量の単位時間あたりの変化量を求め、前記単位時間あたりの変化量が所定の閾値より大きい場合は切削加工を停止させ、前記所定の閾値より小さい場合は前記工具移動調整部に前記熱膨張量に相当する信号を出力し、熱膨張により前記切削チップの位置がずれた分を補正する
ことを特徴とする請求項４記載の切削加工装置。
【請求項６】
前記計算機には寿命判定部を備え、
前記寿命判定部は、前記温度情報または前記熱膨張量が所定の閾値より大きい場合は切削加工を停止させ、前記所定の閾値より小さい場合は前記工具移動調整部に前記熱膨張量に相当する信号を出力し、熱膨張により前記切削チップの位置がずれた分を補正する
ことを特徴とする請求項４記載の切削加工装置。
【請求項７】
前記切削チップと前記工具シャンクとの間に断熱材を取り付けることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうち少なくともいずれか一項記載の切削加工装置。
【請求項８】
前記切削チップで発生した熱を放出する冷却フィンを前記切削チップに取り付けたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のうち少なくともいずれか一項記載の切削加工装置。
【請求項９】
前記被加工物は赤外レンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のうち少なくともいずれか一項記載の切削加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具を用いて高精度の加工を行う切削加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲルマニウム（以下、Ｇｅ）やシリコン（以下、Ｓｉ）を用いた赤外レンズなど電子機器や光学機器の構成部品には、サブミクロン単位の高精度な加工が要求される場合がある。その場合、精密工作機械を用いた切削加工が用いられる。
【０００３】
精密な切削加工においては、切削工具の刃先である切削チップの移動軌跡を高精度に制御し、所望の形状に加工しなくてはならない。そのためには加工機械の駆動精度を向上させるだけでなく、加工中に発生する熱、例えば切削による摩擦熱や、モータ／スピンドル等の駆動による熱を原因とした機械や工具の熱変形も抑制する必要がある。
【０００４】
そこで発生熱のうち、工具刃先からの加工熱を抑制するための方法として、従来は、切削加工において水、油など切削液や空気、窒素、二酸化炭素等の気体を切削工具の刃先に噴射して冷却していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また刃先を冷却する別の方法として、切削工具のチップに温度調整のために流体用通路またはペルチェ素子を用いて冷却する方法が示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平２−９５５４０号公報（第１〜２頁、第１図）
【特許文献２】特開２００５−２７９８６０号公報（第３〜７頁、第１〜９図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように高精度の加工を実現するためには、工具と被加工物間に発生する加工熱を除去し、工具シャンクへの熱伝導による変形を抑制する必要がある。しかし切削液を使用しても加工点の近傍しか冷却できないため、完全に熱を取り除くことができず、一部の熱が工具シャンクに伝わり変形が生じる可能性がある。
【０００８】
また切削チップに温度調整のための流体用通路またはペルチェ素子を用いて冷却しても、発生する熱を完全に取り除くことができず、一部の熱は工具シャンクに伝わる。その結果、工具シャンクが膨張変形するため、加工精度を劣化させる原因となっている。また冷却過多となった場合、逆に工具シャンクの温度が低下し工具シャンクを収縮させるため、加工精度を劣化させる可能性がある。
【０００９】
本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、加工時に発生した熱が工具シャンクに伝わっても、工具刃先の移動軌跡に影響を及ぼさないようにすることで、被加工物を切削してサブミクロン単位の高精度加工を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る切削加工装置は、
被加工物を切削加工する切削チップを取り付ける工具シャンクと、
前記工具シャンクの温度を計測し、前記工具シャンクの温度情報を出力する温度センサと、
前記温度センサから出力された温度情報を入力し、前記工具シャンクの所望の温度に対して温度が上昇している場合は温度を低下させ、温度が低下している場合は温度を上昇させて前記工具シャンクが所望の温度となるような制御信号を出力する計算機と、
前記計算機より出力された制御信号を入力し、前記工具シャンクの温度を所望の温度となるように温度調整する温度調整機と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、切削チップでの熱の一部が工具シャンクに伝わった場合、温度調整機で取り除くため、工具シャンクを所定の温度に保つことができる。従って、加工熱による工具シャンクの変形を防ぐことができ、被加工物を切削してサブミクロン単位の高精度加工を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における切削加工装置のブロック図を示したものである。切削加工装置には、工具移動台１に工具シャンク２を取り付ける。更に工具シャンク２の先端には切削チップ３が固定されている。被加工物は、工具移動台１を移動させて切削チップ３により加工する。図１では切削チップ３により被加工物を加工している様子を示しており、４ａは被加工物における加工前の状態である前加工面、４ｂは被加工物における加工後の状態である加工面を示している。
【００１３】
工具シャンク２には、工具シャンク２の温度を測定する温度センサ５が取り付けられている。温度センサ５は、工具シャンク２の温度を計測し温度情報６を出力する。温度センサ５から出力された温度情報６は、計算機７に入力される。計算機７は、工具シャンク２に取り付けられた温度調整機８により工具シャンク２の所望の温度に対して温度上昇時は温度を低下させ、温度低下時は温度を上昇させて、工具シャンク２の温度が所望の温度となるように制御信号９を与える。
【００１４】
例えば計算機７には、入力された温度情報６とあらかじめ与えた工具シャンク２における所望の温度とを比較し、その温度差に応じて、温度調整機８に温度上昇または温度低下の制御信号９を与えて、工具シャンク２の温度が所望の温度となるようにする。温度調整機８は、計算機７の制御信号９を受けて工具シャンク２の温度を所望の温度となるように温度を調整する。
【００１５】
これにより一部の熱が工具シャンク２に伝わった場合、工具シャンク２へ伝わった熱を温度調整機８で取り除くため、工具シャンク２の温度を所望の温度にでき、工具変形を抑えることができる。また工具シャンク２が冷却過多となった場合でも、その冷却分を補うように温度調整機８により工具シャンク２の温度を上昇させ、工具シャンク２の温度を所望の温度にすることができる。よって工具変形を抑えることができ、被加工物を切削してサブミクロン単位の高精度加工を行うことができる。
【００１６】
なお実施の形態１において、計算機７は工具移動台１の内部に含めてもよい。また被加工物としては、例えばＧｅやＳｉの赤外レンズや、鉄、アルミニウム等が挙げられるが、被加工物はこれらに限定するものではない。また工具シャンク２の材質としては、例えば鉄が挙げられるが、工具シャンク２の材質はこれに限定するものではない。また切削チップ３の材質としては、例えばダイヤモンドが挙げられるが、切削チップ３の材質はこれに限定するものではない。
【００１７】
また温度調整機８としては、例えばペルチェ素子などが考えられる。その場合、計算機７より出力するのはペルチェ素子の制御信号であり、加工時に発生する熱を、ペルチェ素子を用いて冷却する。しかし温度調整機８は、温度調整ができるものであればペルチェ素子である必要はなく、その種類は問わない。
【００１８】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における切削加工装置のブロック図を示したものである。図２において、工具シャンク２から温度センサ５までの構成動作は実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００１９】
図３は、工具シャンク２の材質に鉄を用いた場合の温度変化に対する工具シャンク２の熱膨張量を示したグラフである。図３のグラフに対応するデータ処理は、例えば、図２における計算機７において実行される。図３の横軸は工具シャンク２の所望の温度に対する変化温度（℃）を示し、縦軸は変化温度に対する工具シャンク２の熱膨張量、つまりシャンク膨張量（μｍ）を示す。なお工具シャンク２の熱膨張量は、図２におけるＺ軸方向における熱膨張量である。
【００２０】
工具シャンク２の長さをＬ（ｍ）、熱膨張率をα（／℃）、変化温度をΔＴ（℃）で表すと、工具シャンク２の熱膨張量ΔＬ（ｍ）は、次式で表される。
【００２１】
【数１】
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図３では、工具シャンク２の長さＬを３０（ｍｍ）、鉄の熱膨張率αを１２×１０−６（／℃）とした場合の、変化温度ΔＴ（℃）に対する熱膨張量ΔＬ（μｍ）を示している。
【００２２】
図２における計算機７は、図３に示されたグラフに従い、温度センサ５より出力された温度情報６をもとに、工具シャンク２の熱膨張量を算出する。例えば、計算機７に入力される温度情報６をもとに工具シャンク２の変化温度を求める。そして工具シャンク２の材質を鉄とした場合、図３に従い、変化温度に対する工具シャンク２の熱膨張量がわかっているので、変化温度と熱膨張量の変換テーブルを計算機７に備え、変化温度を熱膨張量に変換して出力させればよい。計算機７で算出された熱膨張量は補正信号１０として、工具移動台１の内部に設けられた工具移動調整部１１へ出力する。
【００２３】
工具移動調整部１１は、入力された補正信号１０をもとに図２のＺ軸方向に工具移動台１もしくは工具シャンク２自体を移動させ、工具シャンク２の熱膨張量を打ち消す。
【００２４】
これにより一部の熱が工具シャンク２に伝わった場合でも、工具シャンク２の熱膨張量は補正できる。また工具シャンク２が冷却過多となった場合でも、その冷却分から求められる工具シャンクの収縮量は、熱膨張の場合と同様に補正できる。よって工具シャンク２に取り付けられた切削チップ３の熱変動による位置のずれを補正でき、被加工物を切削してサブミクロン単位の高精度加工を行うことができる。
【００２５】
なお実施の形態２では温度情報６をもとに工具シャンク２の変位量である熱膨張量を求めて補正するため、実施の形態１と比較して、温度調整機８の応答により工具シャンク２の温度が上昇しすぎる、または低下しすぎるという制御の困難さを伴うことなく、更に高精度の制御が行える。
【００２６】
また実施の形態２においては、工具移動台１や工具シャンク２自体を移動させて工具シャンク２の熱膨張量を打ち消すように補正させたが、被加工物を固定するスピンドルに移動調整部を設け、計算機７より出力された補正信号１０を入力し、スピンドルの位置を図２記載のＺ軸方向に対して補正させてもよい。
【００２７】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３における切削加工装置のブロック図を示したものである。図４において、工具シャンク２から温度センサ５までの構成動作は実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００２８】
温度センサ５から出力された温度情報６は、計算機７に入力される。計算機７は、工具シャンク２に取り付けられた温度調整機８により工具シャンク２の所望の温度に対して、温度上昇時は温度を低下させ、温度低下時は温度を上昇させて、工具シャンク２の温度が所望の温度となるように制御信号９を与える。上記動作までは、実施の形態１と同様である。
【００２９】
加えて計算機７では、入力される温度情報６の単位時間あたりの変化量、または出力する制御信号９の単位時間あたりの変化量を監視して、切削チップ３の寿命を判断する機能を有する。
【００３０】
例えば計算機７には寿命判定部１２を備える。寿命判定部１２には上述のように、温度情報６をもとに温度調整機８に対し制御信号９を出力する機能を有する。加えて寿命判定部１２には、温度情報６または制御信号９を一定の時間間隔で取り出し、単位時間あたりの変化量を計算する機能を有する。
【００３１】
切削チップ３が摩耗する場合、切削チップ３の先端が丸みを帯びる。すると被加工物を切削した加工面４ｂが粗くなり、所望の形状精度が保てなくなるのと同時に、切削チップ３に加工熱がこもりやすくなる。
【００３２】
すると切削チップ３の温度上昇が大きくなる。切削チップ３から工具シャンク２に加工熱が伝わるので、工具シャンク２の温度上昇も大きくなり、工具シャンク２の単位時間あたりの温度変化量も急峻になる。また工具シャンク２の単位時間あたりの温度変化量が急峻になるため、制御信号９の単位時間あたりの変化量も大きくなる。
【００３３】
寿命判定部１２には、入力される温度情報６の単位時間あたりの変化量、または出力する制御信号９の単位時間あたりの変化量に対して閾値を設定する。温度情報６の単位時間あたりの変化量、または制御信号９の単位時間あたりの変化量が所定の閾値を超えた場合、切削チップ３が寿命であると判断する。切削チップ３が寿命であると判断した寿命判定部１２は、工具移動台１に対して停止信号１３を出力する。工具移動台１の工具駆動部１４は、停止信号１３が入力された場合、切削チップ３つまり工具移動台１を被加工物より遠ざけて、工具移動台１などを含めた工具の動作を停止させる。
【００３４】
もし寿命判定部１２が、切削チップ３は寿命ではないと判断した場合、寿命判定部１２は実施の形態１と同様に、温度情報６をもとに温度調整機８に対し制御信号９を出力する。
【００３５】
これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。加えて、加工途中に切削チップ３の寿命を判定する機能を有している。従って、寿命となった切削チップ３を用いて被加工物を加工することで所望の加工精度が得られない場合や、被加工物を誤って破損する場合を回避することができる。
【００３６】
なお実施の形態３において寿命判断部１２は、温度情報６の単位時間あたりの変化量、または制御信号９の単位時間あたりの変化量をもとに、切削チップ３の寿命を判断した。しかし変化量ではなく温度情報６自体、または制御信号９自体に対して閾値を決め、温度情報６または制御信号９が所定の閾値を超えたら、寿命判断部１２は、切削チップ３が寿命であるため急激に温度が上昇していると判断し、工具移動台１の工具駆動部１４に停止信号１３を出力させることで、工具移動台１を停止させてもよい。
【００３７】
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４における切削加工装置のブロック図を示したものである。図５において、工具シャンク２から温度センサ５までの構成動作は実施の形態２と同様であるため、説明は省略する。
【００３８】
温度センサ５から出力された温度情報６は、計算機７に入力される。計算機７は、実施の形態２と同様、図３に示されたグラフに従い、温度センサ５より出力された温度情報６をもとに、工具シャンク２の熱膨張量を算出し、補正信号１０として出力する。上記動作までは、実施の形態２と同様である。
【００３９】
加えて計算機７では、入力される温度情報６の単位時間あたりの変化量、または出力する補正信号１０の単位時間あたりの変化量を監視して、切削チップ３の寿命を判断する機能を有する。
【００４０】
例えば計算機７には寿命判定部１２を備える。寿命判定部１２には上述のように、温度情報６をもとに工具移動調整部１１に対し補正信号１０を出力する機能を有する。加えて寿命判定部１２には、温度情報６または補正信号１０を一定の時間間隔で取り出し、単位時間あたりの変化量を計算する機能を有する。
【００４１】
切削チップ３が摩耗する場合、切削チップ３の先端が丸みを帯びる。すると被加工物を切削した加工面４ｂが粗くなり、所望の形状精度が保てなくなるのと同時に、切削チップ３に加工熱がこもりやすくなる。
【００４２】
すると切削チップ３の温度上昇が大きくなる。切削チップ３から工具シャンク２に加工熱が伝わるので、工具シャンク２の温度上昇も大きくなり、工具シャンク２の単位時間あたりの温度変化量も急峻になる。また工具シャンク２の単位時間あたりの温度変化量が急峻になるため、補正信号１０の単位時間あたりの変化量も大きくなる。
【００４３】
寿命判定部１２には、入力される温度情報６の単位時間あたりの変化量、または出力する補正信号１０の単位時間あたりの変化量に対して閾値を設定する。温度情報６の単位時間あたりの変化量、または補正信号１０の単位時間あたりの変化量が所定の閾値を超えた場合、切削チップ３が寿命であると判断する。切削チップ３が寿命であると判断した寿命判定部１２は、工具移動台１に対して停止信号１３を出力する。工具移動台１の工具駆動部１４は、停止信号１３が入力された場合、切削チップ３つまり工具移動台１を被加工物より遠ざけて、工具移動台１などを含めた工具の動作を停止させる。
【００４４】
もし寿命判定部１２が、切削チップ３は寿命ではないと判断した場合、寿命判定部１２は実施の形態２と同様に、温度情報６をもとに工具移動調整部１１に対し補正信号１０を出力する。
【００４５】
これにより、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。加えて、加工途中に切削チップ３の寿命を判定する機能を有している。従って、寿命となった切削チップ３を用いて被加工物を加工することで所望の加工精度が得られない場合や、被加工物を誤って破損する場合を回避することができる。
【００４６】
なお実施の形態４において寿命判断部１２は、温度情報６の単位時間あたりの変化量、または補正信号１０の単位時間あたりの変化量をもとに、切削チップ３の寿命を判断した。しかし変化量ではなく温度情報６自体、または熱膨張量である補正信号１０自体に対して閾値を決め、温度情報６または補正信号１０が所定の閾値を超えたら、寿命判断部１２は、切削チップ３が寿命であるため急激に温度が上昇していると判断し、工具移動台１の工具駆動部１４に停止信号１３を出力させることで、工具移動台１を停止させてもよい。
【００４７】
実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５における切削加工装置を示したものである。工具シャンク２と切削チップ３の間に断熱材１５を入れ、加工時に発生する熱が切削チップ３内に留まり、工具シャンク２に伝わらないようになっている。
【００４８】
これにより、断熱材１５を挿入するだけで加工時に発生する熱が工具シャンク２に伝わるのを抑制でき、温度センサ５、計算機７、温度調整機８などがなくても、簡便に工具シャンク２の変形を抑制することができる。
【００４９】
なお断熱材１５の材質としては、例えば、多硬質セラミックスなどが挙げられる。しかし断熱材１５は、切削チップ３から工具シャンク２に伝わる熱を断熱できるものであれば、その種類は問わない。
【００５０】
また実施の形態１から実施の形態４に対して、上述の実施の形態５における断熱材１５を併用することで、更に工具シャンク２の変形を抑制することができる。
【００５１】
実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６における切削加工装置を示したものである。切削チップ３に冷却フィン１６を取り付けることで、切削チップ３の加工熱を空気中に放熱し、除去させている。
【００５２】
これにより温度センサ５、計算機７、温度調整機８などがなくても、簡便に工具シャンク２の変形を抑制することができる。
【００５３】
なお冷却フィン１６の材質としては、例えば、アルミニウムなどが挙げられる。しかし冷却フィン１６は、切削チップ３の加工熱を除去させることができるものであれば、その種類は問わない。
【００５４】
また工具シャンク２と切削チップ３の間に断熱材１５を入れ、断熱材１５と冷却フィン１６を併用することで、加工時に発生する熱が切削チップ３から工具シャンク２に伝わらないようにしてもよい。断熱材１５と冷却フィン１６を併用することにより、工具シャンク２に伝わる加工時に発生した熱による工具変形をさらに抑制することができる。
【００５５】
また実施の形態１から実施の形態４に対して、上述の実施の形態６における冷却フィン１６を併用することで、更に工具シャンク２へ熱を伝えないようにすることもできる。その際、上述のように断熱材１５を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１における切削加工装置のブロック図を示したものである。
【図２】本発明の実施の形態２における切削加工装置のブロック図を示したものである。
【図３】工具シャンク２の材質に鉄を用いた場合の温度変化に対する工具シャンク２の熱膨張量を示したグラフである。
【図４】本発明の実施の形態３における切削加工装置のブロック図を示したものである。
【図５】本発明の実施の形態４における切削加工装置のブロック図を示したものである。
【図６】本発明の実施の形態５における切削加工装置を示したものである。
【図７】本発明の実施の形態６における切削加工装置を示したものである。
【符号の説明】
【００５７】
１．工具移動台
２．工具シャンク
３．切削チップ
４ａ．前加工面
４ｂ．加工面
５．温度センサ
６．温度情報
７．計算機
８．温度調整機
９．制御信号
１０．補正信号
１１．工具移動調整部
１２．寿命判定部
１３．停止信号
１４．工具駆動部
１５．断熱材
１６．冷却フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008178926.tif 000008
【図６】
2008178926.tif 000009
【図７】
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