(57)【要約】【課題】軸非対称の曲面が深くしかも曲率が小さい場合であっても、ワークとの接触の制約を受けることなく、高精度に加工する。【解決手段】曲面切削加工では、切刃の回転軌跡がドーナツ状である切削バイト９とワーク３とを相対的に移動させることにより、ワーク３表面を切削バイト９によって曲面に加工する。ワーク３を保持するワーク保持面３ａに対して、切削バイト９を保持して回転させる回転軸７を所定の角度θで傾けた状態でワーク３表面の加工を行う。切削に際しては、切削バイト９を保持面３ａに沿って第１の方向に送りながらワーク３を所望の形状となるように切削バイト９に向かって進退させる工程と、切削バイト９を第１の方向と直交する第２の方向に送る工程とを繰り返す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切刃の回転軌跡がドーナツ状である切削バイトとワークとを相対的に移動させることにより、ワーク表面を切削バイトによって曲面に加工する曲面切削加工方法において、
前記ワークを保持する保持面に対して、前記切削バイトを保持して回転させる回転軸を所定の角度傾けた状態でワーク表面の加工を行うことを特徴とする曲面切削加工方法。
【請求項２】
前記切削バイトを前記保持面に沿って第１の方向に送りながらワークを所望の形状となるように切削バイトに向かって進退させる工程と、切削バイトを前記第１の方向と直交する第２の方向に送る工程と、を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の曲面切削加工方法。
【請求項３】
前記切削バイトを前記保持面に沿って第１の方向に送りながらワークを所望の形状となるように切削バイトに向かって進退させながら切削バイトを第１の方向に対して直交する第２の方向に移動させてワーク表面を所定幅の帯状に切削除去する工程と、切削バイトを前記第１の方向と直交する第２の方向に送る工程と、を繰り返すことを特徴とする請求項１記載の曲面切削加工方法。
【請求項４】
前記第１の方向は、前記回転軸を傾けた方向と同一方向であることを特徴とする請求項２または３に記載の曲面切削加工方法。
【請求項５】
前記回転軸の角度は、その保持を行う回転可能な保持部の角度を割り出して設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の曲面切削加工方法。
【請求項６】
切刃の回転軌跡がドーナツ状である切削バイトとワークとを相対的に移動させることにより、ワーク表面を切削バイトによって曲面に加工する曲面切削加工装置において、
前記切削バイトを保持すると共に切削バイトによるワーク表面の加工の際に、ワークを保持する保持面に対して所定の角度傾けた軸の周りを回転する回転軸と、
前記回転軸の角度を所定の角度に設定する角度設定手段と、
を具備することを特徴とする曲面切削加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸非対称曲面を有する光学素子の光学機能面または光学素子を成形する成形用金型の光学機能面等に対し切削により曲面を加工する曲面切削加工方法及び曲面切削加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述したワークに対して軸非対称曲面を加工する従来の方法が特許文献１に記載されている。この加工方法は、ワークを保持する保持面に平行な旋回軸の周りを旋回するバイトを保持面に沿って第１の方向に送り、かつワークをその表面形状に応じてバイトに向かって進退させることによってワークの所定の帯状部分を切削した上で、バイトを保持面に沿って第１の方向に対して直交する第２の方向に送る工程を繰り返すことにより、曲面切削加工を行うものである。
【特許文献１】特許第３２３８８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来の方法では、回転軌跡が円盤状のバイトを用い、しかも旋回軸がワークの保持面と平行な状態で加工することから、ワークの所望の軸非対称曲面が半球になるほどバイトを保持するシャンクの外周面とワークの外縁部とが接触し易くなる。特に、加工される軸非対称の曲面が深く、且つ曲率が小さい凹形状の場合には、接触による制約を受けることとなる。
【０００４】
これを回避するために、バイトを保持するシャンクの径を小さくすると、シャンク部の剛性が小さくなるため、ワークの加工面における加工精度や面粗さの劣化の原因となる。このようなことから、上述した方法では、軸非対称の曲面が深くて小さい半球状に対しては加工が困難となる問題を有している。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、軸非対称の曲面が深くしかも曲率が小さい場合であっても、ワークとの接触の制約を受けることなく、高精度に加工することが可能な曲面切削加工方法及び曲面切削加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、切刃の回転軌跡がドーナツ状である切削バイトとワークとを相対的に移動させることにより、ワーク表面を切削バイトによって曲面に加工する曲面切削加工方法において、前記ワークを保持する保持面に対して、前記切削バイトを保持して回転させる回転軸を所定の角度傾けた状態でワーク表面の加工を行うことを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明では、ワークの保持面に対して回転軸を傾けるため、切削バイトが傾いた状態でドーナツ状の回転軌跡で移動する。このような切削では、切削バイトを保持するシャンクがワークと接触することがなく、軸非対称の曲面が深くしかも曲率が小さい場合であっても、ワークとの接触の制約を受けることなく、高精度に加工することができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の曲面切削加工方法であって、前記切削バイトを前記保持面に沿って第１の方向に送りながらワークを所望の形状となるように切削バイトに向かって進退させる工程と、切削バイトを前記第１の方向と直交する第２の方向に送る工程と、を繰り返すことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明では、切削バイトを第１の方向に送ると共に、第１の方向と直交する第２の方向に送って切削加工するため、軸非対称の曲面を迅速に加工することができる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の曲面切削加工方法であって、前記切削バイトを前記保持面に沿って第１の方向に送りながらワークを所望の形状となるように切削バイトに向かって進退させながら切削バイトを第１の方向に対して直交する第２の方向に移動させてワーク表面を所定幅の帯状に切削除去する工程と、切削バイトを前記第１の方向と直交する第２の方向に送る工程と、を繰り返すことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明では、切削バイトを第１の方向に送る際に、切削バイトを第２の方向に移動させるため、帯状の切削除去を行うことができる。このため、切削回数が少ない効率の良い加工となり、加工時間を短くすることができる。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項２または３に記載の曲面切削加工方法であって、前記第１の方向は、前記回転軸を傾けた方向と同一方向であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明では、回転軸を傾けた方向と同一方向に切削バイトを移動させるため、切削加工を迅速に行うことができる。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の曲面切削加工方法であって、前記回転軸の角度は、その保持を行う回転可能な保持部の角度を割り出して設定することを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明では、保持部の角度割り出しにより、回転軸の角度を変更することができるため、切削バイトの切刃におけるワークとの接触部分を変更することができ、切刃にチッピング等が発生していない部分での切削を行うことができる。このため、高精度な切削を行うことができる。
【００１６】
請求項６記載の発明は、切刃の回転軌跡がドーナツ状である切削バイトとワークとを相対的に移動させることにより、ワーク表面を切削バイトによって曲面に加工する曲面切削加工装置において、前記切削バイトを保持すると共に切削バイトによるワーク表面の加工の際に、ワークを保持する保持面に対して所定の角度傾けた軸の周りを回転する回転軸と、前記回転軸の角度を所定の角度に設定する角度設定手段と、を具備することを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明では、角度設定手段が回転軸の角度を設定するため、設定された角度によって切削加工が行われる。このため、切削バイトが傾いた状態でドーナツ状の回転軌跡で移動し、シャンクがワークと接触することがなくなり、軸非対称の曲面が深くしかも曲率が小さい場合であっても、ワークとの接触の制約を受けることなく、高精度に加工することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の曲面切削加工方法によれば、切削バイトが傾いた状態でドーナツ状の回転軌跡で移動して切削を行うため、軸非対称の曲面が深くしかも曲率が小さい場合であっても、ワークとの接触の制約を受けることなく、高精度に加工することができる。
【００１９】
本発明の曲面切削加工装置によれば、角度設定手段が回転軸の角度を設定するため、切削バイトが傾いた状態でドーナツ状の回転軌跡で移動して切削を行う。これにより、軸非対称の曲面が深くしかも曲率が小さい場合であっても、ワークとの接触の制約を受けることなく、高精度に加工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図示する実施の形態により具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。
【００２１】
（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の実施の形態１を示し、図１はこの実施の形態が適用される超精密加工機の正面図、図２は切削バイトの保持部分の拡大正面図、図３はワークへの加工状態を示す斜視図である。
【００２２】
超精密加工機は、相互に直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸を有し、ＮＣ制御される構造となっている。この超精密加工機において、図１に示すように、ベース１の上にはＺ軸に沿って移動可能なＺステージ２が設けられ、Ｚステージ２上にはワーク３の保持部４が設けられている。
【００２３】
また、ベース１上には、ベース１上には、Ｘ軸に沿って移動するＸステージ５がワーク３の保持部４に対向した位置に設けられている。Ｘステージ５上には、Ｙ軸に沿って移動するＹステージ６が設けられている。Ｙステージ６には、工具軸８が取り付けられており、工具軸８には、回転軸７が同軸となるように取り付けられている。これらの回転軸７及び工具軸８は、ワーク３を保持する保持部４のＸＹ平面（ワーク保持面３ａ）に対し、ＹＺ平面内で所定の角度θで傾いている。
【００２４】
回転軸７には、切削工具が保持されている。切削工具は、回転軸７に取り付けられる円盤形状のシャンク１５と、ワーク３を切削加工する円盤形状の切削バイト９とから構成され、切削バイト９がシャンク１５に保持されている。切削バイト９は、半径の輪郭精度が０．１μｍ以下となるように作製されている。
【００２５】
図２に示すように、シャンク１５はその中心と回転軸７の中心軸Ａ（図１参照）とが一致するように、その上面１５ａが回転軸７の先端部分に取り付けられている。切削バイト９は、その中心がシャンク１５の側面１５ｂの接線と平行で、且つシャンク１５から一部を突出させた状態で、シャンク１５の側面１５ｂと下面１５ｃとの境界部分である角部に固定されている。
【００２６】
この実施の形態において、加工するワーク３は球面近似で曲率半径Ｒｗが５ｍｍ、深さ（図に示すＺ軸方向の深さ）が２ｍｍの凹面形状となっている。これに対し、使用する切削バイト９は、図２に示すように、ノーズ半径Ｒｎが２ｍｍ、回転半径Ｒｂが３．５ｍｍとなっており、シャンク１５は直径Ｄが６ｍｍとなっている。また、切削工具、回転軸７および工具軸８の中心軸Ａは、ワーク３の保持面３ａに対して４５°傾けられている。
【００２７】
この実施の形態におけるワーク３表面への切削加工は、以下のようにして行われる。
【００２８】
図３に示すように、工具軸８を所定の回転数で回転させながら、切削バイト９の切刃の回転軌跡がドーナツ状となるように、加工ラインＸ１のａポイントからワーク３表面に沿ってＹ方向（第１の方向）に沿うＹ１からＹ２に所定の速度で送る。一方、加工する曲面形状に沿うように、ワーク３をＺ軸に沿って切削バイト９に向かって進退させることにより、ワーク３表面を加工する。
【００２９】
このときのＹ軸およびＺ軸の制御は、曲面形状に基づいて作成されたＮＣデータにより制御される。Ｙ１からＹ２に送ってＸ１の１ライン加工が終わると、Ｙ方向と直交するＸ２方向（第２の方向）に、所定の幅だけ切削バイト９を送り、同様にして次のラインを加工する。
【００３０】
以上の加工工程を繰り返して、Ｘ１からＸｎまでのラインを加工することにより曲面全面の加工を行う。
【００３１】
このような実施の形態では、切削バイト９を保持する回転軸７をワーク保持面３ａに対して傾けた状態で、切削バイト９をドーナツ状の回転軌跡で移動させるため、シャンク１５がワーク３と接触することがない。このため、ワーク３に形成する軸非対称の曲面が深くて小さい半球であっても、高精度に加工を行うことができる。
【００３２】
なお、この実施の形態では、切削バイト９を円盤形状としているが、切刃の回転軌跡がドーナツ形状となり、加工時にワーク３と点接触するような形状であれば、球状や棒状であっても良い。
【００３３】
（実施の形態２）
この実施の形態では、図１〜図３に示す実施の形態１と同様な構造を用いてワーク３への加工を行うものであり、このため実施の形態１と異なる部分について説明する。
【００３４】
工具軸８を所定の回転数で回転させながら、切削バイト９の切刃の回転軌跡がドーナツ状となるように、加工ラインＸ１のａポイントからワーク３表面に沿ってＹ方向（第１の方向）に沿うＹ１からＹ２に所定の速度で送る。これに対し、加工する曲面形状に沿うように、ワーク３をＺ軸に沿って切削バイト９に向かって進退させる。これと同時に、ワーク表面に対する切削幅が一定となるようにワーク３をＸ軸に沿って移動させる。このときのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の制御は、曲面形状に基づいて作成されたＮＣデータにより制御される。Ｙ１からＹ２に送ってＸ１の１ライン加工が終わると、Ｙ方向と直交するＸ２方向（第２の方向）に、所定の幅だけ切削バイト９を送り、同様にして次のラインを加工する。
【００３５】
以上の加工工程を繰り返して、Ｘ１からＸｎまでのラインを加工することにより曲面全面の加工を行う。
【００３６】
このような実施の形態では、Ｘ方向に移動する加工と同時に、ワーク３表面を所定幅の帯状に切削除去することができる。このため、実施の形態１よりも切削バイトのＹ軸方向の走査を少なくすることができ、効率の良い加工となり、加工時間を短くすることができる。
【００３７】
（実施の形態３）
この実施の形態では、工具軸８を角度割り出し機能を有した軸構造とするものである。
【００３８】
図４は、この具体的な構造を示し、工具軸８を保持回転軸１０に取り付け、この保持回転軸１０をＹステージ６に取り付けている。保持回転軸１０は、工具軸８の角度設定手段となるものであり、このため、保持回転軸１０は、角度割り出し機能を有しており、回転することにより回転軸７の角度θ（図１参照）を所望の角度に設定することが可能となっている。
【００３９】
複数のワーク３を加工する場合、まず所定の角度θ１＝４０°に設定して、実施の形態１及び２と同様に加工を行う。加工するワーク３の個数が増えるにつれて、切削バイト９の切刃にチッピング等が発生するため、切削面の面粗さが低下する。このような場合に、この実施の形態では、工具軸８を保持している保持回転軸１０を回転させることにより、例えば、ワーク取り付け面との角度θ（θ２）を５０°に変えて加工を行う。
【００４０】
このような実施の形態では、複数のワーク３を同一の切削バイト９を用いて加工する場合、加工点を少しずらすことにより使用していないバイトの切刃で加工を行うことができる。このため、チッピングによる切削面の粗さが悪くなることを防止することができる。
【００４１】
（実施の形態４）
図５及び図６は、本発明の実施の形態４を示す。この実施の形態では、ベース１上のＸステージ５に回転テーブル１１が取り付けられ、この回転テーブル１１にＹテーブル８が取り付けられている。回転軸７を保持する工具軸８は、Ｙテーブル８に取り付けられるが、ＸＺ平面と平行となっている。
【００４２】
回転テーブル１１は、角度割り出し機能を有しており、ＸＺ平面内で回転することにより回転軸７及び工具軸８をワーク３の保持部４におけるワーク保持面３ａに対して所定の角度φに設定する角度設定手段となっている。このような角度φで回転軸７をＸＺ平面内で傾けて加工を行っても、実施の形態１及び２と同様な加工を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明が適用される超精密加工機の正面図である。
【図２】切削加工における切削バイトの傾き状態を示す正面図である。
【図３】ワークへの切削加工を説明する斜視図である。
【図４】実施の形態２の正面図である。
【図５】実施の形態４の正面図である。
【図６】実施の形態４の平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
２  Ｚステージ
３  ワーク
３ａ  ワーク保持面
４  保持部
５  Ｘステージ
６  Ｙステージ
７  回転軸
８  工具軸
９  切削バイト
【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】
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【図６】
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