JPH03193634A - ガラス材の塑性流動切削方法と装置およびその加工製品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野」 本発明は常温においてガラス材の鏡面切削を可能とする
ガラス材の切削加工方法であって、光学部品の中核とな
る光学ガラス製品の性能特性の同上をはかるガラス材の
塑性流動切削方法およびその装置ならびにそれによって
作製した加工製品に関する。

〔従来の技術〕

従来、ガラス材のタラツクレス切削（透明なガラス面が
切削加工後も透明となる切削）は、極めて困難であると
されていた。このガラス材のクラックレス切削加工に関
連する技術として、特公昭６３−３５３６１　　号公報
においてガラスまたはガラス質材料の機械加工方法およ
び装置についての提案がなされている。これは、ガラス
加工片の加工する部分を、その表面が軟化し粘性を帯び
る程度の温度にまで加熱１ついでこの軟化した表面を一
本バイトにより加工して、しかる後にこのガラス加工片
を周囲温度にまで冷却するというガラス質材料の機械加
工方法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来技術においては、ガラス材を軟化点近傍に
まで加熱する必要があるため、加工素材の熱膨張および
収縮による形状変化が避けられず、また加熱部からの輻
射や熱伝導などにより加工機械が部分的に昇温し、加工
機械の加工ｎ度が低下するといった問題が発生し、ガラ
ス材をクラ・ツクレスに加工することはできても、加工
製品の形状ｎ度があまり高くなく、そのままでは高精度
が要求される光学製品とは側底なり得ないと０１つた問
題があった。

また、従来のガラスレンズ加工番こ見られる切削、研削
加工においては、概略の形状加工を目的とし、その後に
研磨加工を施してクランクを取り除き、最終形状に仕上
げるという手法がとられているが、ガラス研磨には多大
の時間がかかるという問題があった。

本発明の目的は、室温でガラス材を高い形状精度でクラ
ックレスに加工する機械切削加工方法およびそれを実施
するための加工装置ならびにそれによって作製した光学
ガラスの加工製品を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記本発明の目的を達成するために、各ガラス材の塑性
流動切削が可能となる臨界切込み深さδ、、（μｍ）を
求め、臨界切込み深さδＣ，−とガラスのヌープ硬度Ｈ
ｋ（ｋｇｆ、／ｍつ、臨界切込み深さδ、２とガラスの
摩耗度Ａａ　（無次元）、臨界切込み深さδｅｒとガラ
ス中の酸化鉛（ＰｂＯ）含有量ＸＩＥｔｌとの関係を求
め、ガラス材の切込み深さδｇｒｃμｍ）を、δ＝δｅ
ｆの条件として切削加工を行うものである。

そして、本発明は連続的な塑性流動切削を可能とするた
めに、工具取り付は台に微小切込み装置を設け、被加工
物の回転に伴う偏心等によって生じる切込み変動を、微
小切込み装置の動作制御によって防止し、切込み深さδ
が臨界切込み深さθ、を超えることなく、室温でガラス
材の切削加工が行える構造の加工装置とするものである
。

さらに、本発明はガラス材の切削に用いる工具の岸耗量
の低減をはかるために、最適な工具の設定角、すくい角
、切削速度を設定するものである。

本発明は、被加工物であるガラス“材と加工工具との間
で相対移動させて、ガラス材を塑性流動切削加工を行う
方法において、上記ガラス材の臨界切込み深さδ６．を
、ガラス材のヌープ硬度Ｈｋ１　ガラス材の摩耗度Ａａ
またはガラス材のば化鉛（ｉ’ｂｏ）含有量から、それ
ぞれ次に示す（１）ないしく３）の関係式によって求め
、 δ、、　＝２．８ｘ１０−’（）ｆｋ）２＋３．６ｘｌ
Ｏ−”Ｈｋ＋１１．７５・・・・・・（１）δ、　、　
＝　０．０３Ａａ＋０．１　　　　　　　　　　−・・
（２）ａ、、　＝０．０１９ｘ−１，７（１５・・・・
・・・・・・・・（３）（式中、δ、はμｍ１泳はｋｇ
ｆ／ｍｍ２、Ａａは無次元、Ｘは重量％の単位で表わす
。）上記求めたｔ’ａｒ値のうちから選択される少なく
とも一つのδ、１値以下の値に設定したガラス材の切込
み深さδ（μｍ）で切削加工を行うガラス材の塑性流動
切削方法である。

本発明のガラス材の塑性流動切削方法において、加工工
具のすくい角を負の設定角となし、かつ加工工具と加工
片とのなす設定角と、該設定角と加工片の送り速度によ
っ”Ｃ決まる設定切８ｕ厚さ、およびガラス材の切削速
度とから、ガラス材の切Ｉ４ｕ力を最小にする条件を設
定し、室温でガラス材の切削加工を行うものである。

さらに不発明のガラス材の塑性流動切削方法において、
〃ロエ工具を回転させ、ガラス材を固定して切削刃ロエ
を行うことも可能である。

本発明は、上記のガラス材の塑性流動切削方法を用いて
加工した後、　ｖＩＭもしくは表面を熱軟化させて、上
記塑性流動切削により生じたカッタマークそ最小にする
処理を施し、製品の表面粗さを向上させるガラス材の加
工方法を言むものである。

また本発明は、光学レンズなど加工方法において、荒研
削の工程、中研削の工程、仕上げ研削の工程、鏡面切削
の工程および仕上げ研磨工程により上記レンズなどを作
製する場合に、上記境面切削工程の代りに、本発明のガ
ラス材の主柱流動切削方法を用いることにより高祠匿で
高性能の光学レンズなどを構造することができる。

本発明は、上記本発明のガラス材の塑性流動切削を行う
ために、臨界切込み深さδ、以下のガラス材の切削切込
み鴬を制御する微小切込み機構を設けたガラス材の量性
流動切削装置を用いるものであって、該量性流動切削装
置は、ガラス材の加工片を保持する加工片ホルダと、加
工工具を保持する工具ホルダと、加工工具に微小変位を
出力する圧電素子と、ガラス材の切削力を検出する動力
計と、上記圧電素子と動力計をコントロールする制御装
置とを少なくとも備えたガラス材の量性流動切削装置で
ある。

さらに本発明は、上記ガラス材の塑性流動切削方法を用
いて、ガラス材を直接切削して、例えばマイクロフレネ
ルレンズを作製することも可能であり、またこのマイク
ロフレネルレンズを型トシて、光学ガラス製品のレプリ
カを製作することもできる。

〔作用〕

本発明のガラス材の塑性流動切削加工に用いる微小切込
装置は、切削するガラス材への切込量を微小に制御する
ことが可能である。これによって塑性流動切削領域から
脆性破壊切削領域に変わる臨界切込深さ以下の切込量で
ガラス材の常温における切削加工が可能となる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ、図面に基づいて、さら
に詳細に説明する。

第１図は本発明の微小切込み機構を備えたガラス材の量
性流動切削装置の構成を示す模式図である。図において
、加工片ホルダ２と加工片３、バイト４を保持するバイ
トホルダ７、バイトに微小変位を出力する圧電素子５、
そのコントローラ８、そしてその切削力を検出する動力
計６、その値を増幅するアンプ９、記録計１０、そして
圧電素子５と動力計６をコントロールする制御装置１１
から構成されている。中心軸線Ｘ−Ｘに平行な方向に加
工片ホルダ２およびバイトホルダ７を互に相対的に移動
させることができる。その中心軸線Ｘ−Ｘに平行な方向
の微小な移動は、圧電素子５によって行われる。加工片
ホルダ２は、ノくイト４からみて時計方向に回転する。

また、加工片ホルダ２はバイト４方向に粗動に変位する
。加工片３と／マイト４を微小に接近させた後、圧電素
＋５のコントローラ８を制御装置１１によって制御して
微小に切込むものである。この時の切削環境は、切削液
を使用していない。加工装置本体１は、恒温槽内番こ格
納されているため、例えば２０℃（±０．１℃口こ保持
されている。

バイト４はダイヤモンド製の平）くイトを使用し、加工
片３は外径が約３０　ｍ　、厚さが約１００の形状のも
ので、第１表に示す性状の光学ガラスを使用した。

第 表 第２図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）に、バイト４の
形状を示す。

ダイヤモンド製のバイト４のすくい面とダイヤモンドバ
イトの（１１０）面とのなす角度φは、φ＝２４．３〜
２７．６°とした。

バイト４と加工片３の干渉量、これを切込量というが、
これを塑性流動状態の切削が可能な範囲内に設定するこ
とでガラス材の鏡面加工が可能となる。ここで、脆性破
壊切削領域と塑性流動切削領域の境界値を臨界切込み深
さδＩＩＩＦ（μｍ）と定義する。この値を、各ガ？ス
累材に対して求め、これら素材の機械的性質（ヌープ硬
度Ｈｋ、摩耗度Ａａ　）および酸化鉛（ＰｂＯ）含有量
（Ｘ重量％）との関係式を求めた。第２表に、各ガラス
素材の平バイトによる臨界切込み深さδ。ｒ（μｍ）を
示す。

第　　２　　表 第３図は、スープ硬度Ｈｋ（ｋｇｆ〜）と臨界切込み深
さδｏｒ（μｍ）との関係を示すグラフであり、第４図
に摩耗度（無次元）と臨界切込み深さδ１１４（μｍ）
との関係を示し、第５図は、酸化＠　（ＰｂＯ）含有量
Ｘ（重量％）と臨界切込み深さ６．７（μｍ）との関係
を示すものであって、それぞれのグラフにおいて、塑性
［ｉ１切削領域と脆性破壊切削領域を示している。

ここで、臨界切込み深さδｃｒと、ヌープｉ［Ｈｋ。

摩耗度Ａａおよび酸化鉛（ＰｂＯ）含有量Ｘとのそれぞ
れの関係式を示す。

ｅ）　、　、＝２．８　ｘｌＯ−’（Ｉ（ｋ）”＋　３
．６　Ｘｌ０−”Ｈ１ｃ＋　１１．７５　　　・・・・
・・（１）ｄａｒ＝ｏ、０３Ａａ＋０．１　　　　　　
　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・・・・（２
）δ、−＝０．０１９ｘ−１．７０５　　　　　　　　
　　　　　　　　・・・・・・（３）なお、単位として
は、ヌープ硬度Ｈｋがｋｇｆ／ｄであり、摩耗度Ａａは
無次元で、酸化鉛（ＰｂＯ）含有量Ｘは１量慢で、臨界
切込み深さδ、、ｒはμｍである。

あるヌープ硬度１（ｋを持つ光学ガラスを鏡面切削する
ためには、上記（１ン式を満足させる臨界切込み深さδ
ｃｒ以下の切込量を用いることで可能となる。。

実際に、Ｆ２材を用いて切削した時の切削面の状態とそ
の断面形状を第６図（ａ）、（ｂ）に示す。第６図（ａ
）は微分干渉顕微鏡によってガラス材の切削面を約１８
００倍に拡大した写真であり、第６図（ｂ）は切削面の
断面形状をタリサーフによって測定したものである。こ
の時の塑性流動切削によって生じたガラスの切−の状態
を第７図に示す。第７図は、電子顕微鏡によって約５０
００倍に拡大した写真である。

また、ガラス材の常温切削において、最大の問題となる
のはバイトの摩耗である。このバイトの摩耗を、最大限
に押えるための加工条件について検討した。加工条件に
は４つの要素があって、設定角θ、設定切屑厚さｔｌす
くい角αおよび切削速度Ｖである。設定角とは、バイト
４と加工片３とのなす角をいう。設定切屑厚さは、送り
速度と設定角によって決まる値である。各条件について
、バイトの摩耗を最大限に抑えた値を求め、かつその時
の切削力（背分力Ｆｖ１主分力Ｆｈ）をも求めた。

第８図（ａ）　、　（ｂ）に、設定角θ（至）と切削力
および摩耗の関係を示す。なお、摩耗の定義としては、
摩耗体積を切削体積で割ることで単位を無次元化してい
る。第９図（ａ）　、　（ｂ）は、設定切屑厚さｔ（μ
ｍ）と切削力および摩耗の関係、第１０図（ａ）　、　
（ｂ）はすくい角α（至）と摩耗および切削力の関係、
第１１図（ａ）。

（ｂ）は切削速度Ｖ　（ｍ　／　−ｔ−）と摩耗および
切削力の関係を示している。これらより、設定角が０．
５゜設定切屑厚さが５．７５μｍ１すくい角が一５°　
切削速度が２　ｍ　／　ｍｉｘの時、バイトの摩耗を最
大限に抑えることができた。これは、あくまで本実施例
における試験結果の範囲内であり、これらからバイトの
摩耗を最大限に抑える条件としては、談ず第一４゜ にバイトの形状である。バイトのすくい角を負の設定角
とすることによって、バイトの摩耗を低く抑えることが
できる。これは、バイトの刃先の強度が大きくなったこ
とによるものである。第二には、切削力を小さくする条
件を設定することでバイトの摩耗が抑えられていること
が、設定切屑厚さおよび切削速度の点から分かる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく、本発明によるガラス材の塑
性流動切削方法によれば、ガラス材のヌープ硬度、摩耗
度または酸化鉛（ＰｂＯ）の含有量から求められるガラ
ス材の臨界切込み深さδａｒｃμＷ＠）以下の切込み深
さδ（μｍ）でガラス材を切削するため、ガラスの脆性
破壊が生じることなく、室温で平滑で透明なガラス材の
切削加工ができるので、高精度で高性能の光学ガラス製
品を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例において例示したガラス材の量
性流動切削装置の構成の一例を示す模式図、第２図（ａ
）は本発明の実施例において使用した平バイトの取付は
形状を示す模式図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のバイ
トのすくい面から見たバイトの平面図、第２図（Ｃ）は
第２図（ｂ）のＡ矢視図、第３図はスープ硬度と臨界切
込み深さとの関係を示すグラフ、第４図は摩耗度と臨界
切込み深さとの関係を示すグラフ、第５図は酸化鉛（Ｐ
ｂＯ）含有量と臨界切込み深さとの関係を示すグラフ、
第６図（ａ）は層性流動切削したガラス材の表面を約１
８００倍に拡大して示す写真、８ｇ６図（ｂ）は第６図
（ａ）の表面部の断面形状を示す拡大図、第７図はガラ
スの塑性流動切削により生じた切屑を約５０００倍に拡
大して示す写真、第８図（ａ）　、　（ｂ）はバイトの
設定角に対する切削力と摩耗の関係を示すグラフ、第９
図（ａ）。 （ｂ）は設定切屑厚さに対するバイトの切削力と摩耗の
関係を示すグラフ、第１０図（ａ）　、　（ｂ）はバイ
トのすくい角に対する摩耗と切削力の関係を示すグラフ
、第１１図（ａ）　、　（ｂ）は切削速度に対するバイ
トの摩耗と切削力の関係を示すグラフである。 １・・・加工装置本体　　　２・・・加工片ホルダ３・
・・加工片 ５・・・圧電素子 ７・・・バイトホルダ ９・・・アンプ １１・・・制御装置 ４・・・バイト ６・・・動力計 ８・・・コントローラ １０・・・記録計

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被加工物であるガラス材と加工工具との間で相対移
   動させて、ガラス材を塑性流動切削加工を行う方法であ
   って、上記ガラス材の臨界切込み深さδ＿ｃ＿ｒを、ガ
   ラス材のヌープ硬度Ｈ＿ｋ、ガラス材の摩耗度Ａ＿ａま
   たはガラス材の酸化鉛（ＰｂＯ）含有量から、それぞれ
   次に示す（１）ないし（３）の関係式によって求め、 δ＿ｃ＿ｒ＝２．８×１０＾−＾５（Ｈ＿ｋ）＾２＋３
   ．６×１０＾−＾２Ｈ＿ｋ＋１１．７５・・・・・・（
   １）δ＿ｃ＿ｒ＝０．０３Ａ＿ａ＋０．１・・・・・・
   （２）δ＿ｃ＿ｒ＝０．０１９ｘ−１．７０５・・・・
   ・・（３）（式中、δ＿ｃ＿ｒはμｍ、Ｈ＿ｋはｋｇｆ
   ／ｍｍ＾２、Ａａは無次元、ｘは重量％の単位で表わす
   。） 上記求めたδ＿ｃ＿ｒ値のうちから選択される少なくと
   も一つのδ＿ｃ＿ｒ値以下の値に設定したガラス材の切
   込み深さδ（μｍ）で切削加工を行うことを特徴とする
   ガラス材の塑性流動切削方法。 ２、請求の範囲第１項記載のガラス材の塑性流動切削方
   法を用いて、加工工具のすくい角を負の設定角となし、
   かつ加工工具と加工片とのなす設定角と、該設定角と加
   工片の送り速度によって決まる設定切屑厚さ、およびガ
   ラス材の切削速度とから、ガラス材の切削力を最小にす
   る条件を設定し、室温でガラス材の切削加工を行うこと
   を特徴とするガラス材の塑性流動切削方法。 ３、請求の範囲第１項または第２項記載のガラス材の塑
   性流動切削方法において、加工工具を回転させ、ガラス
   材を固定して切削加工を行うことを特徴とするガラス材
   の塑性流動切削方法。 ４、請求の範囲第１項、第２項または第３項記載のガラ
   ス材の塑性流動切削方法を用いて加工した後、研摩もし
   くは表面を熱軟化させて、上記塑性流動切削により生じ
   たカッタマークを最小にする処理を施し、製品の表面粗
   さを向上させることを特徴とするガラス材の加工方法。 ５、光学レンズの加工方法であって、荒研削の工程、中
   研削の工程、仕上げ研削の工程、鏡面切削の工程および
   仕上げ研磨工程により上記レンズを作製する方法におい
   て、上記鏡面切削工程の代りに、請求の範囲第１項、第
   ２項または第３項記載のガラス材の塑性流動切削方法を
   用いることを特徴とする光学レンズの製造方法。 ６、請求の範囲第１項記載の臨界切込み深さδ＿ｃ＿ｒ
   以下のガラス材の切削切込み量を制御する微小切込み機
   構を有するガラス材の塑性流動切削装置であって、ガラ
   ス材の加工片を保持する加工片ホルダと、加工工具を保
   持する工具ホルダと、加工工具に微小変位を出力する圧
   電素子と、ガラス材の切削力を検出する動力計と、上記
   圧電素子と動力計をコントロールする制御装置とを少な
   くとも備えたことを特徴とするガラス材の塑性流動切削
   装置。 ７、請求の範囲第６項記載のガラス材の塑性流動切削装
   置において、加工工具は、そのすくい面に対し耐摩耗性
   の高い結晶方位に設定したものであることを特徴とする
   ガラス材の量性流動切削装置。 ８、請求の範囲第１項、第２項または第３項記載のガラ
   ス材の塑性流動切削方法を用いて、ガラス材を直接切削
   して作製したことを特徴とするマイクロフレネルレンズ
   。 ９、請求の範囲第８項記載のマイクロフレネルレンズを
   型としてレプリカ製作したことを特徴とする光学ガラス
   製品。