JP2005001042A - 切削加工方法および切削加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイトを2つの直動アクチュエータによって擬似回転させる切削加工装置において、小型で、切削駆動量の大きい切削駆動ユニットを実現する。
【解決手段】切削駆動ユニット20は、バイト11と一体である可動部22を板バネ23によって懸下するメインフレーム21と、可動部22を矢印A方向に振動させる電磁石25と、矢印B方向に振動させる電磁石26と、可動部22の他成分方向であるY方向の側面を非接触で支持する静圧軸受を有する。主分力方向であるX方向の直動アクチュエータとして電磁石26を用いることで、切削駆動量を大きくすることができる。また、電歪・磁歪素子を用いる場合に比べて切削駆動ユニット全体を小型化できる。
【選択図】 図2
【解決手段】切削駆動ユニット20は、バイト11と一体である可動部22を板バネ23によって懸下するメインフレーム21と、可動部22を矢印A方向に振動させる電磁石25と、矢印B方向に振動させる電磁石26と、可動部22の他成分方向であるY方向の側面を非接触で支持する静圧軸受を有する。主分力方向であるX方向の直動アクチュエータとして電磁石26を用いることで、切削駆動量を大きくすることができる。また、電歪・磁歪素子を用いる場合に比べて切削駆動ユニット全体を小型化できる。
【選択図】 図2
Description
【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、特に、曲率半径が小さくかつ一定でないトーリック形状等の自由曲面を切削工具により切削加工する場合に、良好な表面粗さを得ながら加工時間の短縮を図ることのできる切削加工方法および切削加工装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図7は一般的なフライカット方式の切削加工装置を示す。これは、被加工物W0 の長手方向を母線方向(X方向)、短手方向を子線方向(Y方向)とした場合、母線方向と子線方向の曲率半径が異なるトーリック形状等の光学部品をモールド成形するための金型を切削加工するための装置であり、ダイヤモンドチップ102aとシャンク102bからなる切削工具102をバイトホルダ103に取り付け、主軸104により切削工具102を回転させる。このとき、ダイヤモンドチップ102aの先端半径は被加工物W0 の子線の曲率半径より小さく、また切削工具102の軸Oを中心とする旋回半径R1は被加工物W0 の母線の曲率半径R2より小さくなければならない。この状態で、子線方向に切削工具102と被加工物W0 を相対的に移動させることにより、微少な1ライン分をフライカット加工した後、母線方向に送りピッチPで移動させ、これを繰り返すことにより、被加工物W0 の自由曲面全面を切削加工する。
【0003】
加工時間は、要求される表面粗さとダイヤモンドチップ102aの先端半径から決定される子線方向の移動速度と、旋回半径R1に基づく送りピッチPによって決定される。
【0004】
近年の光学部品は、光学部品を用いた機器の小型化、高性能化に伴って、光学部品が小型化する傾向を有し、かつ、複雑な自由曲面が求められている。このような高精度な光学部品の金型に要求されるスペックは、形状的には曲率が小さくなり、また、表面粗さにもさらなる向上が必要である。
【0005】
このような要求に対応するには、上記のフライカット方式では、前述のように切削工具の旋回半径を被加工物の最も小さな曲率半径より小さくする必要があり、切削工具を主軸に固定するためのバイトホルダの軸径は旋回半径より小さくすることはもとより、被加工物との干渉を避けるためさらに細くする必要がある。また、旋回半径を小さくすると、同程度の表面粗さを得るためには母線方向の送りピッチを小さくする必要がある。
【0006】
ところが、バイトホルダの軸径が小さくなると切削工具を保持するための剛性が低下し、切削抵抗によるびびり振動などの発生により、形状精度、表面粗さが低下する。また、送りピッチが小さくなることにより、単位面積あたりの加工時間が長くなる。
【0007】
一方、一般的な切削装置の加工精度や切削効率を向上させるため、あるいは、非真円のピストンのような筒状体を高精度で加工する手段として、切削工具を強制的に振動させる振動切削加工法が提案されている(特開平7−68401号公報および特開平10−166204号公報参照)。これらの装置は、旋削加工やドリル加工において、切削抵抗の低減、加工精度の向上、工具寿命の向上を図る目的で切削工具を振動させるものである。
【0008】
また、特開2000−218401号公報では振動切削による自由曲面加工が提案されているが、共振を用いた超音波振動によるものであるため、刃先の再現性や運動軌跡が限定され、光学金型等に必要な精度(形状精度:500nmPV、表面粗さ:Ry100nm)を実用的な時間で加工することは不可能である。加えて、捻り振動を用いており、従って、往路と復路で同じ軌跡を逆に移動するため、鏡面加工に用いられるダイヤモンドバイトでは、逃げ面から被加工物に接触することで刃先のチッピングが発生することになる。
【0009】
そこで、トーリック形状などの自由曲面を切削加工するために、直交する2軸の方向に伸縮する電歪素子や磁歪素子等の直動アクチュエータを用いて切削工具を楕円振動させながら、4軸同期ステージ等によってワークに対する送りを行う方式が検討されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
実際に光学素子の金型等を高精度に加工するためには、上記の方式では性能が不充分である。直交する2軸の方向に伸縮する2つの直動アクチュエータを用いて切削工具を楕円振動させる場合は、板バネガイドが加工点から離れた構成であるため剛性が弱く、表面粗さが劣化する。また、切削工具の主分力方向の移動量を大きくすると、弾性ヒンジを複数必要とするため、どうしても弾性ヒンジの変形量が大きくなるところが発生し、その繰り返し応力を弾性ヒンジが破断しない許容値以下にする必要があり、そのため切削工具の移動ストロークには限界がある。
【0011】
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、直交する2つの直動アクチュエータを用いて切削工具を擬似回転させながら、所望の自由曲面形状に送りを行う切削加工装置において、2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に電磁石を用いるとともに、剛性を強化するためのガイド手段を設けることで、高精度でしかも効率的な自由曲面等の切削加工を可能にする切削加工方法および切削加工装置を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の切削加工方法は、2つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【0013】
【作用】
例えば主分力方向の直動アクチュエータに電磁石を用いることで、送り方向の切削駆動ユニットの寸法を小型化し、かつ、切削工具の切削駆動量を大きくすることができる。また、静圧軸受等の剛性の高いガイド手段によって他成分方向を支持することで安定性を強化し、高精度な曲面加工を効率よく行うことができる。
【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は一実施の形態による切削加工装置を示す模式図であって、この切削加工装置は、XY方向に2次元的な位置決めを行うXYステージ1と、Z方向に往復移動自在なZステージ2と、Y軸のまわりに回転位置決めを行う回転ステージ3等を有する相対移動機構である4軸同期ステージ装置10を備えており、XYステージ1上の治具4に保持された被加工物であるワークW1 を切削する切削工具であるバイト11と、バイト11に切削運動を与える切削駆動ユニット20とを有する。
【0016】
図2は、図1の切削駆動ユニット20のX方向に沿った断面を示すもので、切削駆動ユニット20は、メインフレーム21と可動部22を有し、可動部22の先端にバイトホルダ12が固定され、バイトホルダ12に、超硬シャンク11aにダイヤモンドチップ11bを銀ろうづけされたバイト11が固定されている。可動部22の上端は図2の(b)に示す十字形状の弾性部材である板バネ23でメインフレーム21内に吊ってあり、可動部22の自重を受けている。また、可動部22の板バネ23の位置における自由度は、板バネ23により主分力方向であるX方向と他成分方向であるY方向に拘束されている。
【0017】
可動部22は、図3に示すように、Y方向の両側面をガイド手段である一対の静圧軸受24によって非接触で支持されている。静圧軸受24は、静圧軸受パッド24aと、可動部22の側面である軸受面24bを有し、バイト11と一体である可動部22は、静圧軸受24によって完全にY方向を拘束されている。
【0018】
このように板バネ23と静圧軸受24によって支持された可動部22は、図2の矢印Aに示す背分力方向であるZ方向の直進運動、すなわち背分力方向の運動と、主分力方向の直進運動に近い矢印Bで示す円弧運動、すなわち板バネ23のX、Y方向の拘束点を回転中心とする、ワークW1 の被加工面に略垂直な平面であるXZ平面内の円弧運動が可能である。
【0019】
メインフレーム21の上端には、直動アクチュエータである電磁石25が保持され、電磁石25は可動部22をZ方向に振動させる。メインフレーム21の下端には、電磁石26が設けられ、可動部22をX方向に振動させる。電磁石25は可動部22の上端に設けられたターゲット27に対向し、電磁石26は可動部22の側面に設けられたターゲット27に対向する。ターゲット27の材質は純鉄に近い材料であり、可動部22に接着されている。可動部22は高周波数で動かすため軽量高剛性化が必要であり、このためにセラミックス系の材料を用いている。従って、ターゲット27が必要であり、また、電磁石25、26の磁気回路の効率を上げる点でもターゲット27は有効である。
【0020】
メインフレーム21の電磁石26に対向する位置には永久磁石28が配設され、可動部22に対してX方向にオフセット力(永久磁石28の吸引力)をかけている。電磁石25、26に入力する電流指令を調整することにより、バイト11は矢印Cで示すような擬似回転運動を行うことができる。例えば、Z方向にSIN波形の電流指令、X方向にCOS波形の電流指令を与えることにより、バイト11の刃先は略円運動を行うことになる。その移動量は、電磁石25によるZ方向については、可動部22の重量、板バネ23の剛性、電磁石25の発生力により決まる。X方向のアクチュエータである電磁石26に関しては、オフセットの永久磁石28の力、板バネ23の剛性、電磁石26の発生力により決定される。このため、圧電素子や磁歪素子などのストロークが限定されたものに比べて、電磁石25、26による主分力方向および背分力方向の移動量を大きく設計することが可能となる。
【0021】
図4は各電磁石25、26として用いられる電磁石30の構成を説明するもので、これはコイル31を有し、コイル31は、E字形状の珪素鋼板を積層したヨーク32に巻回したものである。コイル31、ヨーク32はベース33に取り付けられ電磁石30を構成している。コイル31への電流供給のため、コイルから引き出した配線31aに、アンプ(不図)および指令制御系(不図)を接続している。この指令制御系により、コイル31に流す電流を変化させることによりヨーク32に発生する力を制御している。また、コイル31の上にプラスチック製の蓋34をすることによりコイル31を密閉し、冷媒を供給口35から供給し、排出口36から排出することにより、コイル31の発熱を低減し、温度変動により生じる熱変位による可動部22の位置変動を加工精度に対して問題の無いレベルにしている。
【0022】
次に本発明の加工方法を図1および図5を用いて説明する。これは、トーリック形状の鏡面金型を加工するためのものであり、図1に示すように、4軸同期ステージ装置10の回転ステージ3に保持された切削駆動ユニット20によってバイト11を切削駆動し、XYステージ1とZステージ2と回転ステージ3によってワークWとバイト11を相対移動させる。
【0023】
すなわち、バイト11が、直交した2方向に配置された電磁石25、26により擬似回転運動を行い、ワークW1 がXYステージ1によりY方向に走査運動を行い、それに伴い、X、Z、ωY方向に各ステージが加工形状に合わせて同期して動くことにより、自由曲面の加工が進行する。Y方向への走査が終了するとX方向にステップ移動し、再度Y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 全面の加工を行う。
【0024】
曲面加工時には図5に示すように、ワークW1 の自由曲面の傾斜(曲率)に合わせ回転ステージ3を制御し、加工点S1、S2においてはそれぞれ所定の角度で切削駆動ユニット20全体が傾斜して、常にバイト11が被加工面の法線Nの方向を向くようにして加工を行う。
【0025】
このようにして、自由曲面の鏡面加工を自在に行うことができる。静圧軸受等のガイド手段と電磁石を用いることによりバイトの移動量を大きくすることができるため、刃先の回転運動の曲率を小さい曲率から大きい曲率まで対応することが可能になり、被加工面の曲率が大きければ、大きな円運動で加工し、逆に曲率が小さければ、小さな円運動で加工することにより、ワーク形状の曲率にあった円運動で加工を行うことができる。これによって加工効率を向上させ、加工時間を短くすることが可能となる。
【0026】
本実施の形態においては、主分力方向と背分力方向の直動アクチュエータとしていずれも電磁石を用いたが、主分力方向のみ電磁石を用いて、背分力方向には電歪素子や磁歪素子を用いる構成でもよい。
【0027】
図6は参考例を示す。この切削加工装置は、2つの電歪素子または磁歪素子65、66を主分力方向と背分力方向の2つの直動アクチュエータとして用いるものであり、バイト51を保持するバイトホルダ52は、メインフレーム61内の可動部62と一体である。
【0028】
可動部62は2つの板バネガイド(弾性変形ガイド)63、64により拘束されている。板バネガイド63、64は、図6の(b)、(c)に示すような形状をもち、この板バネ形状により、図2に示すものと同様のバイト51の動きが可能となる。
【0029】
この構成で、距離L2/L1に基づいて設定されるX方向の50μm程度の変位を得るためには、各素子に引っ張りの力が掛からないために必要な予圧機構などを考慮するとX方向およびZ方向の寸法がそれぞれ100mm近い大型の切削駆動ユニットになる。また、アクチュエータ65、66を構成する素子に曲げの力がかからないようにするためにそれぞれ弾性ヒンジ67、68が必要である。
【0030】
このようなユニットに比べて、本実施の形態では、直動アクチュエータに電磁石、可動部のガイド手段として静圧軸受等を用いることにより、格段に切削駆動量を大きくとることができる。すなわち、図6の装置では、X方向の移動量を大きくすると板バネの繰り返し応力により板バネの破断が発生し、移動量を大きくすることができないが、図2に示すように静圧軸受を用いることにより、繰り返し応力による制限が無くなり、可動部の移動量を多くすることができる。
【0031】
また、圧電素子や磁歪素子を用いた場合は、アクチュエータのストロークに限界があるが、電磁石を用いると、電磁石の設計次第でストロークを拡大することが可能である。さらに、圧電素子や磁歪素子を用いた切削駆動ユニットは、前述のように全体の寸法が大きいため、切削駆動ユニットを傾けてバイト先端をワーク曲面に合わせて法線追跡させる場合(図5参照)には、ワークや治具とバイトが干渉するため、対応角度に制限があったが、本実施の形態においては、少なくとも一方の直動アクチュエータに電磁石を用いたコンパクトな切削駆動ユニットであるため、法線追跡の対応角度を拡大することができる。
【0032】
本実施の形態による加工装置を用いると、ワーク形状の曲率範囲が、R3mm程度の小さい曲率からR50mm以上の大きい曲率まで変化する形状であっても、短時間で金型等の鏡面加工を効率よく行うことができ、また、60度程度の傾斜を有する自由曲面の金型でも加工可能である。
【0033】
その結果、モールド成形される光学素子の設計自由度が広がり、付加価値の高い光学素子を作ることが可能になる。
【0034】
本発明の実施態様は以下の通りである。
【0035】
本発明の切削加工方法は、2つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【0036】
また、2つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、一方の直動アクチュエータとして、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向に振動させる電磁石を用いるとともに、他方の直動アクチュエータとして、前記切削工具を前記平面内で背分力方向に振動させる電歪素子または磁歪素子を用いることを特徴とする切削加工方法でもよい。
【0037】
本発明の切削加工装置は、被加工物の被加工面を切削する切削工具と、2つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って2次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記可動部を前記主分力方向または前記背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【0038】
また、被加工物の被加工面を切削する切削工具と、2つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って2次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記2つの直動アクチュエータの一方が前記可動部を前記主分力方向に振動させる電磁石を有し、他方が前記可動部を前記背分力方向に振動させる電歪素子または磁歪素子を有することを特徴とする切削加工装置でもよい。
【0039】
前記ガイド手段が、前記可動部の両側面を非接触で案内する静圧軸受を有するとよい。
【0040】
前記ガイド手段および前記2つの直動アクチュエータを支持するメインフレームと、前記可動部を前記メインフレーム内に懸下する弾性部材と有し、前記弾性部材が一方の直動アクチュエータの近傍に配設されているとよい。
【0041】
【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。
【0042】
切削工具が被加工物に対して主分力方向と背分力方向に運動(振動)する加工装置において、少なくとも主分力方向の直動アクチュエータに電磁石を用いることで、他成分方向の剛性が強く、また、主分力方向の移動量の大きい切削駆動ユニットを実現できる。このような切削加工装置を用いることで、場所により形状曲率が変化するトーリックなどの光学金型の鏡面加工を、高精度でしかも効率良く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施の形態による切削加工装置を示す模式図である。
【図2】図1の切削駆動ユニットを示すもので、(a)はX方向の断面図、(b)は(a)の板バネの形状を示す斜視図である。
【図3】図1の切削駆動ユニットを示すY方向の断面図である。
【図4】図2の電磁石の構成を説明する図である。
【図5】ワークの曲面を切削加工する工程を説明する図である。
【図6】参考例を説明する図である。
【図7】一従来例を示す図である。
【符号の説明】
1 XYステージ
2 Zステージ
3 回転ステージ
4 治具
10 4軸同期ステージ装置
11 バイト
12 バイトホルダ
20 切削駆動ユニット
21 メインフレーム
22 可動部
23 板バネ
24 静圧軸受
25、26、30 電磁石
31 コイル
32 ヨーク
33 ベース
34 蓋
【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、特に、曲率半径が小さくかつ一定でないトーリック形状等の自由曲面を切削工具により切削加工する場合に、良好な表面粗さを得ながら加工時間の短縮を図ることのできる切削加工方法および切削加工装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図7は一般的なフライカット方式の切削加工装置を示す。これは、被加工物W0 の長手方向を母線方向(X方向)、短手方向を子線方向(Y方向)とした場合、母線方向と子線方向の曲率半径が異なるトーリック形状等の光学部品をモールド成形するための金型を切削加工するための装置であり、ダイヤモンドチップ102aとシャンク102bからなる切削工具102をバイトホルダ103に取り付け、主軸104により切削工具102を回転させる。このとき、ダイヤモンドチップ102aの先端半径は被加工物W0 の子線の曲率半径より小さく、また切削工具102の軸Oを中心とする旋回半径R1は被加工物W0 の母線の曲率半径R2より小さくなければならない。この状態で、子線方向に切削工具102と被加工物W0 を相対的に移動させることにより、微少な1ライン分をフライカット加工した後、母線方向に送りピッチPで移動させ、これを繰り返すことにより、被加工物W0 の自由曲面全面を切削加工する。
【0003】
加工時間は、要求される表面粗さとダイヤモンドチップ102aの先端半径から決定される子線方向の移動速度と、旋回半径R1に基づく送りピッチPによって決定される。
【0004】
近年の光学部品は、光学部品を用いた機器の小型化、高性能化に伴って、光学部品が小型化する傾向を有し、かつ、複雑な自由曲面が求められている。このような高精度な光学部品の金型に要求されるスペックは、形状的には曲率が小さくなり、また、表面粗さにもさらなる向上が必要である。
【0005】
このような要求に対応するには、上記のフライカット方式では、前述のように切削工具の旋回半径を被加工物の最も小さな曲率半径より小さくする必要があり、切削工具を主軸に固定するためのバイトホルダの軸径は旋回半径より小さくすることはもとより、被加工物との干渉を避けるためさらに細くする必要がある。また、旋回半径を小さくすると、同程度の表面粗さを得るためには母線方向の送りピッチを小さくする必要がある。
【0006】
ところが、バイトホルダの軸径が小さくなると切削工具を保持するための剛性が低下し、切削抵抗によるびびり振動などの発生により、形状精度、表面粗さが低下する。また、送りピッチが小さくなることにより、単位面積あたりの加工時間が長くなる。
【0007】
一方、一般的な切削装置の加工精度や切削効率を向上させるため、あるいは、非真円のピストンのような筒状体を高精度で加工する手段として、切削工具を強制的に振動させる振動切削加工法が提案されている(特開平7−68401号公報および特開平10−166204号公報参照)。これらの装置は、旋削加工やドリル加工において、切削抵抗の低減、加工精度の向上、工具寿命の向上を図る目的で切削工具を振動させるものである。
【0008】
また、特開2000−218401号公報では振動切削による自由曲面加工が提案されているが、共振を用いた超音波振動によるものであるため、刃先の再現性や運動軌跡が限定され、光学金型等に必要な精度(形状精度:500nmPV、表面粗さ:Ry100nm)を実用的な時間で加工することは不可能である。加えて、捻り振動を用いており、従って、往路と復路で同じ軌跡を逆に移動するため、鏡面加工に用いられるダイヤモンドバイトでは、逃げ面から被加工物に接触することで刃先のチッピングが発生することになる。
【0009】
そこで、トーリック形状などの自由曲面を切削加工するために、直交する2軸の方向に伸縮する電歪素子や磁歪素子等の直動アクチュエータを用いて切削工具を楕円振動させながら、4軸同期ステージ等によってワークに対する送りを行う方式が検討されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
実際に光学素子の金型等を高精度に加工するためには、上記の方式では性能が不充分である。直交する2軸の方向に伸縮する2つの直動アクチュエータを用いて切削工具を楕円振動させる場合は、板バネガイドが加工点から離れた構成であるため剛性が弱く、表面粗さが劣化する。また、切削工具の主分力方向の移動量を大きくすると、弾性ヒンジを複数必要とするため、どうしても弾性ヒンジの変形量が大きくなるところが発生し、その繰り返し応力を弾性ヒンジが破断しない許容値以下にする必要があり、そのため切削工具の移動ストロークには限界がある。
【0011】
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、直交する2つの直動アクチュエータを用いて切削工具を擬似回転させながら、所望の自由曲面形状に送りを行う切削加工装置において、2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に電磁石を用いるとともに、剛性を強化するためのガイド手段を設けることで、高精度でしかも効率的な自由曲面等の切削加工を可能にする切削加工方法および切削加工装置を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の切削加工方法は、2つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【0013】
【作用】
例えば主分力方向の直動アクチュエータに電磁石を用いることで、送り方向の切削駆動ユニットの寸法を小型化し、かつ、切削工具の切削駆動量を大きくすることができる。また、静圧軸受等の剛性の高いガイド手段によって他成分方向を支持することで安定性を強化し、高精度な曲面加工を効率よく行うことができる。
【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は一実施の形態による切削加工装置を示す模式図であって、この切削加工装置は、XY方向に2次元的な位置決めを行うXYステージ1と、Z方向に往復移動自在なZステージ2と、Y軸のまわりに回転位置決めを行う回転ステージ3等を有する相対移動機構である4軸同期ステージ装置10を備えており、XYステージ1上の治具4に保持された被加工物であるワークW1 を切削する切削工具であるバイト11と、バイト11に切削運動を与える切削駆動ユニット20とを有する。
【0016】
図2は、図1の切削駆動ユニット20のX方向に沿った断面を示すもので、切削駆動ユニット20は、メインフレーム21と可動部22を有し、可動部22の先端にバイトホルダ12が固定され、バイトホルダ12に、超硬シャンク11aにダイヤモンドチップ11bを銀ろうづけされたバイト11が固定されている。可動部22の上端は図2の(b)に示す十字形状の弾性部材である板バネ23でメインフレーム21内に吊ってあり、可動部22の自重を受けている。また、可動部22の板バネ23の位置における自由度は、板バネ23により主分力方向であるX方向と他成分方向であるY方向に拘束されている。
【0017】
可動部22は、図3に示すように、Y方向の両側面をガイド手段である一対の静圧軸受24によって非接触で支持されている。静圧軸受24は、静圧軸受パッド24aと、可動部22の側面である軸受面24bを有し、バイト11と一体である可動部22は、静圧軸受24によって完全にY方向を拘束されている。
【0018】
このように板バネ23と静圧軸受24によって支持された可動部22は、図2の矢印Aに示す背分力方向であるZ方向の直進運動、すなわち背分力方向の運動と、主分力方向の直進運動に近い矢印Bで示す円弧運動、すなわち板バネ23のX、Y方向の拘束点を回転中心とする、ワークW1 の被加工面に略垂直な平面であるXZ平面内の円弧運動が可能である。
【0019】
メインフレーム21の上端には、直動アクチュエータである電磁石25が保持され、電磁石25は可動部22をZ方向に振動させる。メインフレーム21の下端には、電磁石26が設けられ、可動部22をX方向に振動させる。電磁石25は可動部22の上端に設けられたターゲット27に対向し、電磁石26は可動部22の側面に設けられたターゲット27に対向する。ターゲット27の材質は純鉄に近い材料であり、可動部22に接着されている。可動部22は高周波数で動かすため軽量高剛性化が必要であり、このためにセラミックス系の材料を用いている。従って、ターゲット27が必要であり、また、電磁石25、26の磁気回路の効率を上げる点でもターゲット27は有効である。
【0020】
メインフレーム21の電磁石26に対向する位置には永久磁石28が配設され、可動部22に対してX方向にオフセット力(永久磁石28の吸引力)をかけている。電磁石25、26に入力する電流指令を調整することにより、バイト11は矢印Cで示すような擬似回転運動を行うことができる。例えば、Z方向にSIN波形の電流指令、X方向にCOS波形の電流指令を与えることにより、バイト11の刃先は略円運動を行うことになる。その移動量は、電磁石25によるZ方向については、可動部22の重量、板バネ23の剛性、電磁石25の発生力により決まる。X方向のアクチュエータである電磁石26に関しては、オフセットの永久磁石28の力、板バネ23の剛性、電磁石26の発生力により決定される。このため、圧電素子や磁歪素子などのストロークが限定されたものに比べて、電磁石25、26による主分力方向および背分力方向の移動量を大きく設計することが可能となる。
【0021】
図4は各電磁石25、26として用いられる電磁石30の構成を説明するもので、これはコイル31を有し、コイル31は、E字形状の珪素鋼板を積層したヨーク32に巻回したものである。コイル31、ヨーク32はベース33に取り付けられ電磁石30を構成している。コイル31への電流供給のため、コイルから引き出した配線31aに、アンプ(不図)および指令制御系(不図)を接続している。この指令制御系により、コイル31に流す電流を変化させることによりヨーク32に発生する力を制御している。また、コイル31の上にプラスチック製の蓋34をすることによりコイル31を密閉し、冷媒を供給口35から供給し、排出口36から排出することにより、コイル31の発熱を低減し、温度変動により生じる熱変位による可動部22の位置変動を加工精度に対して問題の無いレベルにしている。
【0022】
次に本発明の加工方法を図1および図5を用いて説明する。これは、トーリック形状の鏡面金型を加工するためのものであり、図1に示すように、4軸同期ステージ装置10の回転ステージ3に保持された切削駆動ユニット20によってバイト11を切削駆動し、XYステージ1とZステージ2と回転ステージ3によってワークWとバイト11を相対移動させる。
【0023】
すなわち、バイト11が、直交した2方向に配置された電磁石25、26により擬似回転運動を行い、ワークW1 がXYステージ1によりY方向に走査運動を行い、それに伴い、X、Z、ωY方向に各ステージが加工形状に合わせて同期して動くことにより、自由曲面の加工が進行する。Y方向への走査が終了するとX方向にステップ移動し、再度Y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 全面の加工を行う。
【0024】
曲面加工時には図5に示すように、ワークW1 の自由曲面の傾斜(曲率)に合わせ回転ステージ3を制御し、加工点S1、S2においてはそれぞれ所定の角度で切削駆動ユニット20全体が傾斜して、常にバイト11が被加工面の法線Nの方向を向くようにして加工を行う。
【0025】
このようにして、自由曲面の鏡面加工を自在に行うことができる。静圧軸受等のガイド手段と電磁石を用いることによりバイトの移動量を大きくすることができるため、刃先の回転運動の曲率を小さい曲率から大きい曲率まで対応することが可能になり、被加工面の曲率が大きければ、大きな円運動で加工し、逆に曲率が小さければ、小さな円運動で加工することにより、ワーク形状の曲率にあった円運動で加工を行うことができる。これによって加工効率を向上させ、加工時間を短くすることが可能となる。
【0026】
本実施の形態においては、主分力方向と背分力方向の直動アクチュエータとしていずれも電磁石を用いたが、主分力方向のみ電磁石を用いて、背分力方向には電歪素子や磁歪素子を用いる構成でもよい。
【0027】
図6は参考例を示す。この切削加工装置は、2つの電歪素子または磁歪素子65、66を主分力方向と背分力方向の2つの直動アクチュエータとして用いるものであり、バイト51を保持するバイトホルダ52は、メインフレーム61内の可動部62と一体である。
【0028】
可動部62は2つの板バネガイド(弾性変形ガイド)63、64により拘束されている。板バネガイド63、64は、図6の(b)、(c)に示すような形状をもち、この板バネ形状により、図2に示すものと同様のバイト51の動きが可能となる。
【0029】
この構成で、距離L2/L1に基づいて設定されるX方向の50μm程度の変位を得るためには、各素子に引っ張りの力が掛からないために必要な予圧機構などを考慮するとX方向およびZ方向の寸法がそれぞれ100mm近い大型の切削駆動ユニットになる。また、アクチュエータ65、66を構成する素子に曲げの力がかからないようにするためにそれぞれ弾性ヒンジ67、68が必要である。
【0030】
このようなユニットに比べて、本実施の形態では、直動アクチュエータに電磁石、可動部のガイド手段として静圧軸受等を用いることにより、格段に切削駆動量を大きくとることができる。すなわち、図6の装置では、X方向の移動量を大きくすると板バネの繰り返し応力により板バネの破断が発生し、移動量を大きくすることができないが、図2に示すように静圧軸受を用いることにより、繰り返し応力による制限が無くなり、可動部の移動量を多くすることができる。
【0031】
また、圧電素子や磁歪素子を用いた場合は、アクチュエータのストロークに限界があるが、電磁石を用いると、電磁石の設計次第でストロークを拡大することが可能である。さらに、圧電素子や磁歪素子を用いた切削駆動ユニットは、前述のように全体の寸法が大きいため、切削駆動ユニットを傾けてバイト先端をワーク曲面に合わせて法線追跡させる場合(図5参照)には、ワークや治具とバイトが干渉するため、対応角度に制限があったが、本実施の形態においては、少なくとも一方の直動アクチュエータに電磁石を用いたコンパクトな切削駆動ユニットであるため、法線追跡の対応角度を拡大することができる。
【0032】
本実施の形態による加工装置を用いると、ワーク形状の曲率範囲が、R3mm程度の小さい曲率からR50mm以上の大きい曲率まで変化する形状であっても、短時間で金型等の鏡面加工を効率よく行うことができ、また、60度程度の傾斜を有する自由曲面の金型でも加工可能である。
【0033】
その結果、モールド成形される光学素子の設計自由度が広がり、付加価値の高い光学素子を作ることが可能になる。
【0034】
本発明の実施態様は以下の通りである。
【0035】
本発明の切削加工方法は、2つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【0036】
また、2つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、一方の直動アクチュエータとして、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向に振動させる電磁石を用いるとともに、他方の直動アクチュエータとして、前記切削工具を前記平面内で背分力方向に振動させる電歪素子または磁歪素子を用いることを特徴とする切削加工方法でもよい。
【0037】
本発明の切削加工装置は、被加工物の被加工面を切削する切削工具と、2つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って2次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記可動部を前記主分力方向または前記背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【0038】
また、被加工物の被加工面を切削する切削工具と、2つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って2次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記2つの直動アクチュエータの一方が前記可動部を前記主分力方向に振動させる電磁石を有し、他方が前記可動部を前記背分力方向に振動させる電歪素子または磁歪素子を有することを特徴とする切削加工装置でもよい。
【0039】
前記ガイド手段が、前記可動部の両側面を非接触で案内する静圧軸受を有するとよい。
【0040】
前記ガイド手段および前記2つの直動アクチュエータを支持するメインフレームと、前記可動部を前記メインフレーム内に懸下する弾性部材と有し、前記弾性部材が一方の直動アクチュエータの近傍に配設されているとよい。
【0041】
【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。
【0042】
切削工具が被加工物に対して主分力方向と背分力方向に運動(振動)する加工装置において、少なくとも主分力方向の直動アクチュエータに電磁石を用いることで、他成分方向の剛性が強く、また、主分力方向の移動量の大きい切削駆動ユニットを実現できる。このような切削加工装置を用いることで、場所により形状曲率が変化するトーリックなどの光学金型の鏡面加工を、高精度でしかも効率良く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施の形態による切削加工装置を示す模式図である。
【図2】図1の切削駆動ユニットを示すもので、(a)はX方向の断面図、(b)は(a)の板バネの形状を示す斜視図である。
【図3】図1の切削駆動ユニットを示すY方向の断面図である。
【図4】図2の電磁石の構成を説明する図である。
【図5】ワークの曲面を切削加工する工程を説明する図である。
【図6】参考例を説明する図である。
【図7】一従来例を示す図である。
【符号の説明】
1 XYステージ
2 Zステージ
3 回転ステージ
4 治具
10 4軸同期ステージ装置
11 バイト
12 バイトホルダ
20 切削駆動ユニット
21 メインフレーム
22 可動部
23 板バネ
24 静圧軸受
25、26、30 電磁石
31 コイル
32 ヨーク
33 ベース
34 蓋
Claims (2)
- 2つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする切削加工方法。
- 被加工物の被加工面を切削する切削工具と、2つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って2次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記2つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記可動部を前記主分力方向または前記背分力方向に振動させる1個または複数の電磁石を用いることを特徴とする切削加工装置。
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