(57)【要約】【課題】切り粉除去等のためのオイルミストを、ワークの形状に沿って配列された複数のノズル口から均一に吐出する。【解決手段】切削ユニット２０は、２つの直動アクチュエータ２１ａ、２１ｂによってバイト１１を微小な円軌道に沿って擬似回転させ、４軸同期位置決め装置１０によってワークＷ１  に対するバイト１１の送りが行われる。複数のノズル口３１ａを有する総型ノズル３０は、ワークＷ１  の形状に沿って変形自在であり、ワークＷ１  の被加工面全体に、各ノズル口３１ａからオイルミストの吐出が均一に行われるため、切り粉の滞留や熱変形等によるトラブルを回避して、形状精度が高く面粗さの良好な光学金型等の自由曲面を加工できる。【選択図】      図１
2005014117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具によって被加工物を切削加工する加工方法において、複数の吐出手段を被加工物の被加工面の形状に沿って配列する工程と、被加工面の形状に沿って配列した複数の吐出手段からエアまたはオイルミストを吐出しながら、切削工具に対して被加工物を相対移動させることによって被加工面を切削加工する工程を有することを特徴とする加工方法。
【請求項２】
切削工具と、前記切削工具に対して被加工物を相対移動させるステージ装置と、前記被加工物に対向する複数のノズル口を有する変形自在な総型ノズルと、前記総型ノズルを前記被加工物の被加工面の形状に従って変形させた状態で固定するための固定手段と、前記総型ノズルにエアまたはオイルミストを供給し、前記複数のノズル口から前記被加工物に向かって吐出するための流体供給手段を有することを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子やその金型等の加工において、自由曲面を持つ被加工面を高い形状精度と良好な表面粗さで切削加工することのできる加工方法および加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学素子やその金型等の自由曲面を高精度に鏡面加工する場合には、図８に示す回転工具を用いたフライカット法（特開２００１−８７９２１号公報参照）や、ＮＣ制御のシューパによる加工方法（特開平９−２３９６０３号公報参照）が用いられている。
【０００３】
図８の装置は、ワークＷ０  を治具１０３に保持させ、Ｚスライダ１０２上のモータによって回転駆動されるスピンドル１２０によってバイト１１１を旋回させて、ワークＷ０  の自由曲面を切削する。
【０００４】
このような切削加工時には、発生する切り粉の除去が不十分であると、バイト１１１とワークＷ０  の間に切り粉を巻き込み被加工面を傷つけることになる。また、すでに加工された加工面に飛散した切り粉が付着し、溶着あるいは傷を付けることもある。
【０００５】
そのため、切り粉の除去のための吸引ノズルを設ける方法（特開平６−２７７９７６号公報参照）や、潤滑を兼ねたオイルミストをノズル１３０から加工点に吹き付けて、切り粉を吹き飛ばす等の様々な方法（特開平８−２５２７４５号公報参照）が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近年の光学素子製品の高性能化に伴い、その金型製作の要求精度は年々高くなってきている。特に、ダイヤモンドバイトによる超精密切削加工で光学素子の金型を加工する場合には、自由曲面加工で形状精度１５０ｎｍ、表面粗さ２０ｎｍＲｙという加工精度が要求されている。ところが上記従来例による加工技術では、加工点あるいはその近傍に配設されたノズルからエアやオイルミストを吹き付けることにより、切り粉の除去およびオイルの供給をしながら加工を行う場合、表面粗さ２０ｎｍＲｙという超精密加工においては仕上げ加工での切り取り厚さは５μｍ以下であり、従ってその切り粉は非常に微細であることから、吹き飛ばされた極微細な切り粉が飛散して、加工中の被加工面とバイトとの間や、すでに加工された加工面に付着し、加工精度に悪影響を与えることがある。
【０００７】
また、エアやオイルミストが吹き付けられると、ワークおよび治具に微小な温度変化が生じるため、エアあるいはオイルミストのあたり方の変化による熱変位変動も問題となっている。
【０００８】
特に、図８に示す従来の加工法では、自由曲面の加工点の移動に伴いワークに対するエアあるいはオイルミストのあたり方が著しく変化する。従って、加工中に温度変化による熱変位を生じてしまう。すなわち、エアあるいはオイルミストはワークのみでなく治具にもあたるため、鉄系材料であれば０．１℃の温度変化で１０ｃｍあたり１００ｎｍ程度の熱変位を生じることになり、形状精度１５０ｎｍの超精密加工を行う際にはその影響は無視できないものとなる。特に、切り粉除去のためにエア圧を高くしている場合にはその影響がより顕著である。
【０００９】
なお、超精密加工における切削による切削熱は極微量であるため、温度変化によるワークと治具の相対的な熱変位はエアあるいはオイルミストによるものが支配的である。
【００１０】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、複数のノズル口からエアあるいはオイルミストを被加工面に均一に吹き付けながら切削加工することによって、極めて高精度で安定した鏡面加工を可能にする加工方法および加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
本発明の他の目的は、エアあるいはオイルミストを被加工面の形状に沿って吐出するための複数のノズル口を有する変形自在な総型ノズルを用いて、切り粉の除去や潤滑を効率的に行うことのできる加工方法および加工装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の加工方法は、切削工具によって被加工物を切削加工する加工方法において、複数の吐出手段を被加工物の被加工面の形状に沿って配列する工程と、被加工面の形状に沿って配列した複数の吐出手段からエアまたはオイルミストを吐出しながら、切削工具に対して被加工物を相対移動させることによって被加工面を切削加工する工程を有することを特徴とする。
【００１３】
【作用】
複数のノズル口（吐出手段）を有する変形自在な総型ノズルを用いることにより、被加工面の形状に従って配列された複数のノズル口から被加工面全面にエアまたはオイルミストを効率よく均一に供給しながら切削加工を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、一実施の形態を示すもので、これは、光学素子をモールド成形するための金型を切削加工する加工装置であり、例えば自由曲面加工で形状精度１５０ｎｍ、表面粗さ２０ｎｍＲｙの加工を行うものである。この加工装置は、ステージ装置である４軸同期位置決め装置１０と、切削工具であるバイト１１を切削運動させる切削ユニット２０とを備えており、切削ユニット２０は、バイト１１をＺ、Ｘ方向に駆動する２つの直動アクチュエータ２１ａ、２１ｂとメインフレーム２２から構成されている。
【００１６】
切削ユニット２０は、４軸同期位置決め装置１０の回転位置決めステージ１に固定されており、回転位置決めステージ１は、Ｚ方向に移動するＺスライダ２上に配置されている。なお、回転位置決めステージ１は割り出し位置決め動作とスピンドル動作を行うことができる。
【００１７】
ワーク（被加工物）Ｗ１  は治具３に保持され、ＸＹ方向に移動するＸＹスライダ４によってワークＷ１  のＸ、Ｙ方向の送りが行われる。治具３の近傍には総型ノズル３０が配設され、複数の吐出手段であるノズル口３１ａはワークＷ１  の被加工面Ｓ１  に沿って配列されており、加工部全体にオイルミストを均一に吹き付けることができる。これにより、後述するように、確実に切り粉を吹き飛ばし、同時に、潤滑のためのオイルを効率的に供給することが可能である。
【００１８】
なお、本実施の形態では、ワークＷ１  は、光学素子をモールド成形するための金型であるが、光学素子等を直接加工するものでもよい。また、オイルミストに替えて、切り粉を吹き飛ばすためのエアを吐出してもよい。
【００１９】
バイト１１は、互いに直交する方向に配列された２つの直動アクチュエータ２１ａ、２１ｂにより擬似回転運動を行い、ワークＷ１  がＸＹスライダ４によりＸ方向に走査運動を行うことで加工が進行する。Ｘ方向への走査が終了するとＹ方向にステップ移動し、再度Ｘ方向の走査運動を行う。これを繰り返すことによりワークＷ１  の被加工面Ｓ１  の全面を加工する。
【００２０】
加工する自由曲面の形状に合わせて、Ｘ方向に走査するのと同期してＺスライダ２によりバイト１１のＺ方向位置を制御する。また、自由曲面の傾斜（曲率）に合わせて、回転位置決めステージ１により、バイト１１の背分力方向が常に自由曲面の法線方向を向くように法線追跡を行っている。この加工動作により、自由曲面の鏡面加工を行うことができる。
【００２１】
図２は切削ユニット２０の構成を示すもので、直動アクチュエータ２１ａ、２１ｂは、それぞれＺ方向（背分力方向）、Ｘ方向（主分力方向）に伸縮するように配置されている。バイト１１は、シャンク１１ａの先端にダイヤモンドチップ１１ｂを固定した超精密ダイヤモンドバイトである。バイト１１はバイトホルダ１２に固定され、バイトホルダ１２はセンサ１３ａを有する可動部１３に固定されている。可動部１３には、直動アクチュエータ２１ａ、２１ｂが弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂを介して接続されている。また、可動部１３は板バネ２４ａ、２４ｂによりメインフレーム２２に支持されている。
【００２２】
このアクチュエータと板バネ、弾性ヒンジの構成により、可動部１３は直動アクチュエータ２１ａの伸縮によりＺ方向に運動し、また、直動アクチュエータ２１ｂの伸縮により弾性ヒンジ２３ａのヒンジ中心を回転中心としてＸ方向に運動する。このような直動アクチュエータ２１ａ、２１ｂの動きにより、バイト１１の先端はＸ−Ｚ平面内で擬似回転運動を行い、これにより切削運動が行われる。
【００２３】
図３は切削ユニット２０におけるバイト１１の先端のダイヤモンドチップ部１１ｂを拡大した図である。ダイヤモンドチップ１１ｂの先端は、直動アクチュエータ２１ａ、２１ｂの伸縮によりＸ−Ｚ平面内で軌道Ｔに沿って擬似回転運動を行っており、その振幅は主分力方向で５０〜１００μｍ、背分力方向で１０〜２０μｍである。
【００２４】
図８に示すような従来例に用いられている回転工具を用いたフライカット法の場合は、図９および図１０に示すように、バイト１１１の刃先の旋回軌跡はスピンドル１２０を中心とする半径数十ｍｍの円となり、これに比べて、図１の装置においては工具先端の運動軌跡が極めて小さい。従って、回転工具を用いたフライカット法では加工できない微小な形状変化を持つ自由曲面の加工をすることが可能である。
【００２５】
次に、加工時における切り粉排出の影響および温度変化について説明する。図８に示す回転工具によるフライカット法においては、６０００〜１５０００ｒｐｍ程度で高速回転する主軸１２０に取り付けられたバイト１１１により切削が行われるので、ワークＷ０  から切り取られた切り粉は大きな遠心力ではじき飛ばされ、切り粉の排出性は比較的良好である。ところが、図４に示すように、本実施の形態における切削ユニット２０による加工においては、バイト１１の刃先の軌道Ｔが微小であり、切り粉Ｆに働く力が小さいため、回転工具によるフライカット法に比べて切り粉の排出性が悪く、バイト１１の手前に切り粉Ｆが堆積してしまう。従って、切り粉の除去はエアあるいはオイルミストに大きく依存することになる。
【００２６】
また、切削ユニット２０による加工においては、図３に示すように、工具運動の軌跡の曲率が小さいため、回転工具によるフライカット法に比べてワークＷ１  に対するバイト１１の進入角度が鋭角になる。その結果、バイト１１とワークＷ１  の被加工面Ｓ１  の間に切り粉を巻き込んだ場合は、加工面性状に悪影響を受けやすい。
【００２７】
従って、エアあるいはオイルミストによって吹き飛ばされた極微細な切り粉が飛散して、わずかでもワークＷ１  に付着することを防がなければならない。
【００２８】
そこで本実施の形態による総型ノズル３０は、図５に示すように、ノズルブロック３１が固定手段であるピン３２またはボルトによって複数個連結された枢動自在な結合部により変形自在な構成である。各ノズルブロック３１は３つのノズル口３１ａを備えており、図６に示すように、各ノズル口３１ａにはワンタッチ継手３３を介して、図７に示すように、オイルミストを供給する流体供給手段であるチューブ３４が接続できるようになっている。
【００２９】
複数のノズルブロック３１の枢動により、ワークＷ１  の被加工面Ｓ１  の形状に従って総型ノズル３０のノズル口３１ａを配列することができる。すなわち、各ノズルブロック３１は互いに隣接するもの同士がピン３２またはボルトで締結されており、脱着自在であるとともに、各締結部の角度を変えることにより、自在に形状を変え、その形状を固定することができる。
【００３０】
このようにワークＷ１  の形状に沿って、総型ノズル３０の複数のノズル口３１ａが配列するようにノズルブロック３１を枢動させて締結することで、加工部全体に常に均一にオイルミストを吹き付けることができる。従って、吹き飛ばされた極微細な切り粉が飛散して加工面に付着することを確実に防止するとともに、加工点の移動に伴うオイルミストのあたり方を均一にして、オイルミストによる熱変動に伴う変位を抑制することができる。
【００３１】
また、図７に示すように、オイルミスト流量は、各ノズルブロック３１ごとに吐出調節手段である流量調節バルブ３５により任意に調整することができる。ノズルブロック３１およびチューブ３４には導電性の素材を用いることで、オイルミストによる帯電（静電気）を防止している。
【００３２】
本発明の実施態様は以下の通りである。
【００３３】
本発明の加工方法は、切削工具によって被加工物を切削加工する加工方法において、複数の吐出手段を被加工物の被加工面の形状に沿って配列する工程と、被加工面の形状に沿って配列した複数の吐出手段からエアまたはオイルミストを吐出しながら、切削工具に対して被加工物を相対移動させることによって被加工面を切削加工する工程を有することを特徴とする。
【００３４】
また、２つの直動アクチュエータによって擬似回転する切削工具を被加工物に対して相対移動させることで、切削加工を行う加工方法であって、複数の吐出手段を被加工物の被加工面の形状に沿って配列する工程と、被加工面の形状に沿って配列した複数の吐出手段からエアまたはオイルミストを吐出しながら、擬似回転する切削工具に対して被加工物を相対移動させることによって被加工面を切削加工する工程を有することを特徴とする加工方法でもよい。
【００３５】
本発明の加工装置は、切削工具と、前記切削工具に対して被加工物を相対移動させるステージ装置と、前記被加工物に対向する複数のノズル口を有する変形自在な総型ノズルと、前記総型ノズルを前記被加工物の被加工面の形状に従って変形させた状態で固定するための固定手段と、前記総型ノズルにエアまたはオイルミストを供給し、前記複数のノズル口から前記被加工物に向かって吐出するための流体供給手段を有することを特徴とする。
【００３６】
また、切削工具と、前記切削工具を２つの直動アクチュエータによって２軸の方向に振動させて擬似回転させる切削ユニットと、前記切削ユニットによって擬似回転する前記切削工具に対して被加工物を相対移動させるステージ装置と、前記被加工物に対向する複数のノズル口を有する変形自在な総型ノズルと、前記総型ノズルを前記被加工物の被加工面の形状に従って変形させた状態で固定するための固定手段と、前記総型ノズルにエアまたはオイルミストを供給し、前記複数のノズル口から前記被加工物に向かって吐出するための流体供給手段を有することを特徴とする加工装置でもよい。
【００３７】
上記加工装置において、前記総型ノズルが、それぞれ少なくとも１個のノズル口を有する複数のノズルブロックと、前記複数のノズルブロックを互いに枢動自在に結合する結合部を有し、前記複数のノズルブロックを被加工面の形状に従って枢動させた状態で固定手段によって固定するように構成されているとよい。
【００３８】
また、各ノズルブロックに供給するエアまたはオイルミストの供給量を個別に調節する吐出調節手段が設けられているとよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４０】
加工時の切り粉の付着やワークの熱変位を抑制し、良好な面粗さと高い形状精度を有する自由曲面を安定して鏡面加工することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による加工装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す切削ユニットを説明する図である。
【図３】工具先端を示す拡大図である。
【図４】加工中の工具刃先とワークの被加工面を示す概略図である。
【図５】総型ノズルとワークの関係を説明する図である。
【図６】ノズルブロックを説明する図である。
【図７】総型ノズルの構成を説明するもので、（ａ）はその側面図、（ｂ）は立面図である。
【図８】一従来例による加工装置を示す概略図である。
【図９】図８の装置の刃先を説明する図である。
【図１０】図８の装置の工具軌跡を説明する図である。
【符号の説明】
１    回転位置決めステージ
２    Ｚスライダ
３    治具
４    ＸＹスライダ
１０    ４軸同期位置決め装置
１１    バイト
１２    バイトホルダ
１３    可動部
１３ａ    変位センサ
２０    切削ユニット
２１ａ、２１ｂ    直動アクチュエータ
２２    メインフレーム
２３ａ、２３ｂ    弾性ヒンジ
２４ａ、２４ｂ    板バネ
【図１】
2005014117.tif 000003
【図２】
2005014117.tif 000004
【図３】
2005014117.tif 000005
【図４】
2005014117.tif 000006
【図５】
2005014117.tif 000007
【図６】
2005014117.tif 000008
【図７】
2005014117.tif 000009
【図８】
2005014117.tif 000010
【図９】
2005014117.tif 000011
【図１０】
2005014117.tif 000012