TWI415709B - A grinding method for the use of a spherical sphere of a bowl-shaped grinding wheel - Google Patents

Description

使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法

本發明是關於使用球芯式透鏡研磨加工裝置之球面透鏡研磨加工方法，更詳細地說，是關於使粗研磨加工和精研磨加工一元化，只使用精研磨用的鉢形砂輪就能夠連續進行透鏡素材之粗研磨及精研磨的透鏡球面之研磨加工方法。

於球面透鏡的研磨加工，對壓製成型品形成的透鏡素材，或者是對圓棒狀透鏡素材裁剪後所獲得的圓柱狀透鏡素材施以粗研磨(粗研磨作業)，藉此獲得具備有大概球狀透鏡面的粗研磨透鏡。其次，對粗研磨透鏡的球狀透鏡面施以精研磨(精研磨作業)，藉此獲得具備有指定形狀精度之球狀透鏡面的精研磨透鏡。對研磨加工後所獲得的球狀透鏡面施以拋光加工，就可獲得具備有最終目標形狀精度之透鏡球面的透鏡。

如上述，先前的球面透鏡研磨加工是包括粗研磨作業和精研磨作業。粗研磨作業是藉由使用杯型砂輪的研磨盤進行粗研磨加工，精研磨作業是藉由使用鉢形砂輪的研磨裝置進行精研磨加工。上述球面透鏡的研磨加工方法是揭示在專利文獻1、2、3。專利文獻1、2是於同一研磨裝置中更換杯型砂輪和鉢形砂輪，藉此不需使用個別的裝置就能夠進行粗研磨及精研磨。專利文獻3，揭示著使用粗研磨用的杯型砂輪進行精研磨的方法。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2006-297520號公報

[專利文獻2]日本專利特開2009-66724號公報

[專利文獻3]日本專利特開2009-90414號公報

由粗研磨作業和精研磨作業構成之球面透鏡的研磨加工方法有下述要解決的課題。首先，因粗研磨維持加工精度較困難，所以在精研磨作業會因透鏡素材形狀不均造成鉢形砂輪的磨損激烈，有時就難以維持精研磨的加工精度。此外，粗研磨和精研磨是需要各別不同的加工技術，因此就需要各別加工技術熟練的技術者。

本發明的課題是有鑑於上述問題點，提供一種使粗研磨作業和精研磨作業一元化，只使用精研磨用的鉢形工具對透鏡素材表面施以研磨加工，就能夠獲得可進入拋光作業之精研磨狀態的透鏡球面之球面透鏡之研磨加工方法。

為了解決上述課題，本發明是一種將具備有金剛石磨粒之球狀砂輪面的鉢形砂輪以指定的加工壓力抵壓研磨對象透鏡素材的被研磨面，在該狀態下，以指定的旋轉數旋轉上述鉢形砂輪的同時邊擺動邊將上述被研磨面研磨成球面之使用鉢形砂輪之透鏡球面的研磨加工方法，其特徵為，具有：上述加工壓力為第1加工壓力，上述旋轉數為第1旋轉數進行研磨的初期研磨步驟；上述加工壓力為第2加工壓力，上述旋轉數為第2旋轉數進行研磨的中期研磨步驟；及上述加工壓力為第3加工壓力，上述旋轉數為第3旋轉數進行研磨的後期研磨步驟，上述第2加工壓力是能夠使上述球狀砂輪面侵入上述透鏡素材的壓力，接著從上述透鏡素材的硬度，及上述透鏡素材的上述被研磨面和上述鉢形砂輪的上述球狀砂輪面之接觸面積，算出上述鉢形砂輪的侵入量，根據該侵入量算出上述第2加工壓力，上述第2旋轉數，設定成可將上述加工壓力設定成上述第2加工壓力的狀況下使上述鉢形砂輪的上述金剛石磨粒侵入上述透鏡素材的旋轉數，上述第1加工壓力設定成比上述第2加工壓力還低的值，上述第1旋轉數設定成比上述第2旋轉數還低的值，上述第3加工壓力設定成比上述第1加工壓力還低的值，上述第3旋轉數設定成比上述第2旋轉數還低但比上述第1旋轉數還高的值。

上述的所謂「能夠侵入透鏡素材的旋轉數」是指當上述加工壓力設定成上述第2加工壓力使鉢形砂輪的旋轉數改變時，可使加工時間幾乎沒有改變之最大旋轉數以下的旋轉數。即，旋轉數若是比該最大旋轉數還高時，則導致的狀況是加工時間無法縮短，鉢形砂輪的球狀砂輪面和透鏡素材的被研磨面之間產生滑動，磨粒不會侵入透鏡素材表面。

於此，上述初期研磨步驟是一直進行到上述透鏡素材的上述被研磨面形成為全體接觸上述球狀砂輪面的狀態為止即可，上述中期研磨步驟是一直進行到上述透鏡素材的中心厚度形成為比目標值還多出事先所設定尺寸的狀態為止即可。

此外，以至少於上述中期研磨步驟中，定期改變上述透鏡素材的上述被研磨面滑動在上述鉢形砂輪的上述球狀砂輪面的區域為佳。

本發明中，當上述透鏡素材的硬度為努氏硬度(Knoop hardness)630時，上述第2加工壓力為10kg/cm² ，上述第2旋轉數為1500rpm，上述第1加工壓力為2kg/cm² ，上述第1旋轉數為400~600rpm，上述第3加工壓力可設定成1.5kg/cm² ，上述第3旋轉數可設定成1000rpm。

其次，本發明的球芯式透鏡研磨加工裝置，其特徵為，具有：上述透鏡素材保持用的透鏡保持具；抵壓有上述透鏡保持具所保持之上述透鏡素材的上述被研磨面之具備有球狀砂輪面的鉢形砂輪；可選擇性施加第1加工壓力、第2加工壓力及第3加工壓力做為將上述透鏡素材抵壓在上述球狀砂輪面用之加工壓力的加壓機構；可使上述鉢形砂輪旋轉的旋轉機構；可使上述鉢形砂輪擺動的擺動機構；及控制上述加壓機構、上述旋轉機構及上述擺動機構的驅動執行上述研磨加工方法的控制器。

根據本發明時，只以透鏡的精研磨加工技術進行加工，因此能夠實現加工技術的簡化、設備的一元化、管理的一元化，如此一來，就能夠提昇透鏡球面的研磨加工精度、品質。

[發明之最佳實施形態]

以下，參照圖面對應用本發明的透鏡球面之研磨加工方法的實施形態進行說明。

(球芯式透鏡研磨加工裝置)

第1圖是表示利用本發明的方法進行球面透鏡之研磨加工的球芯式透鏡研磨加工裝置一例的機構圖。球芯式透鏡研磨加工裝置1，具備上單元2及下單元3。上單元2具備向下狀態的透鏡保持具4，透鏡保持具4是安裝在透鏡加壓軸5的下端，利用加壓缸筒6可朝下往單元中心軸線2a的方向加壓。透鏡保持具4的朝下的透鏡保持面4a能以可繞著單元中心軸線2a旋轉的狀態保持著加工對象的透鏡素材7。此外，上單元2是對下單元3成可朝著接近或遠離的方向相對移動。

下單元3具備向上狀態的鉢形砂輪8，該鉢形砂輪8具有凹狀的球狀砂輪面8a，該球狀砂輪面8a具備有金剛石磨粒，在該該球狀砂輪面8a，抵壓有保持在上單元2側的透鏡素材7的被研磨面7a。鉢形砂輪8是以同軸狀態固定在主軸9的上端，主軸9是由主軸馬達10驅動成繞著其中心軸線9a旋轉。此外，鉢形砂輪8及其旋轉機構(主軸9、主軸馬達10)是由擺動機構11支撐著，擺動機構11是以可使鉢形砂輪8的球狀砂輪面8a位於中心軸線2a上的擺動中心O為中心，使鉢形砂輪8能以設定的擺動角度θ、設定的加工半徑R、設定的擺動方向擺動。

於此，加壓缸筒6的加壓力，可由第1調節器12、第2調節器13及第3調節器14轉換成三階段。由該等第1調節器12、第2調節器13及第3調節器14設定壓力的動作流體，分別是透過可轉換開關的第1～第3轉換閥15、16、17供應至加壓缸筒6。該構成的加壓機構(透鏡加壓軸5、加壓缸筒6、第1～第3調節器12～14、第1～第3轉換閥15～17)的加壓力轉換控制是轉換第1～第3轉換閥15～17就能夠執行。

其次，控制器18是執行各部的驅動控制，加壓機構的第1～第3轉換閥15～17的轉換控制是由控制器18執行。此外，控制器18是根據測長器19的測定結果，監視透鏡素材7的研磨加工量，根據該研磨加工量執行轉換閥15～17的轉換控制，轉換將透鏡素材7的被研磨面7a抵壓在鉢形砂輪8的球狀砂輪面8a用的加工壓力。再加上，控制器18是透過變頻器20控制主軸馬達10驅動，藉此控制鉢形砂輪8的旋轉數。又加上，控制器18是透過驅動器21控制擺動機構11驅動，藉此執行鉢形砂輪8的擺動方向、擺動角度θ的轉換控制及其擺動位置的變更等。

(研磨加工動作的一例)

第2圖是表示球芯式研磨加工裝置1之球面透鏡的研磨加工動作的概略流程圖。參照第1圖、第2圖進行說明時，首先，將透鏡素材7安裝在透鏡保持具4的透鏡保持面4a，形成為透鏡素材7的被研磨面7a抵壓在鉢形砂輪8之球狀砂輪面8a的狀態(透鏡素材供應步驟ST1)。

在該狀態下，開始旋轉、擺動鉢形砂輪8，開始進行透鏡素材7的被研磨面7a的研磨加工。從研磨加工的開始時間點至指定時間經過為止的初期研磨步驟ST2，是以第1調節器12所設定的加工壓力於透鏡素材7抵壓在鉢形砂輪8的狀態下進行研磨加工。因為透鏡素材7接觸在鉢形砂輪8的面積較小，所以加工壓力以停留在能夠不讓透鏡素材7從透鏡保持具4及鉢形砂輪8之間脫落的最小限度為佳，形成為比下一個步驟即中期研磨步驟的加工壓力還小。此外，初期研磨步驟的鉢形砂輪8的旋轉數是以較低的旋轉數為佳，但從兼顧加工時間的觀點來看，以400～600rpm為佳。該旋轉數，同樣是比下一個步驟即中期研磨步驟的旋轉數還小。

於初期研磨步驟ST2中，當透鏡素材7的被研磨面7a的研磨持續，使該被研磨面7a形成為大致接觸到鉢形砂輪8的球狀砂輪面8a的狀態時就將加工壓力轉換成第2調節器13所設定的加工壓力。如此一來，研磨加工就進入中期研磨步驟ST3。

中期研磨步驟ST3的加工壓力是能夠使鉢形砂輪8的磨粒(金剛石刀刃)侵入透鏡素材7的壓力。加工壓力是以設定成能夠侵入透鏡素材7之壓力的最小值或者是該附近的值為佳。球面透鏡研磨通常所要求的表面粗糙度為4μm程度。因此，施加在透鏡素材7的加工壓力是從該透鏡素材7的硬度，及透鏡素材7的被研磨面7a和鉢形砂輪8的球狀砂輪面8a之接觸面積，算出鉢形砂輪8的侵入量，根據該侵入量，就能夠算出中期研磨步驟的加工壓力。

此外，中期研磨步驟的鉢形砂輪8的旋轉數是設定成能夠使鉢形砂輪8的磨粒(金剛石刀刃)侵入透鏡素材7的旋轉數。所謂能夠侵入透鏡素材7的旋轉數是指設定成如上述的加工壓力使鉢形砂輪的旋轉數改變時，可使加工時間幾乎沒有改變之最大旋轉數以下的旋轉數。即，旋轉數若是比該最大旋轉數還高時，則導致的狀況是加工時間無法縮短，鉢形砂輪的球狀砂輪面和透鏡素材的被研磨面之間產生滑動，磨粒不能侵入透鏡素材表面的狀況。旋轉數是以設定成能夠侵入透鏡素材7之旋轉數的最大值或者是該附近的值為佳。

中期研磨步驟的研磨持續，使透鏡素材7的中心厚度成為目標厚度還稍微厚之值的階段，就將加工壓力轉換成第3調節器14所設定的加工壓力。藉此使研磨加工進入後期研磨步驟ST4。

後期研磨步驟是將研磨加工的進行速度減慢(降低鉢形砂輪8的旋轉數)，以透鏡素材7的中心厚度不會產生不均的狀態進行研磨。使被研磨面7a的表面粗糙度研磨成目標值的表面粗糙度。後期研磨步驟，其加工壓力是設定成比初期研磨步驟的加工壓力還要更低的壓力，其鉢形砂輪8的旋轉數是設定成比中期研磨步驟的旋轉數還低，但比初期研磨步驟的旋轉數還高的值。

於此，使用鉢形砂輪的球面研磨是一種具有複數切削刃之金鋼石刀刃的切削加工。因此，研磨加工條件的加工壓力及鉢形砂輪旋轉數是可根據透鏡素材的硬度進行設定。即，加工壓力只要設定成與透鏡素材的硬度成比例，旋轉速度只要設定成與透鏡素材的硬度成反比例即可。透鏡素材的硬度數據是從素材型錄等就能夠簡單獲得，因此根據該透鏡素材的硬度就可算出最佳的加壓力、旋轉數。

其次，對透鏡素材7的被研磨面7a進行研磨的鉢形砂輪8的球狀砂輪面8a的部份若經常為同一部份時，則砂輪面會產生偏磨損導致研磨形狀改變。因此，以定期性改變透鏡素材7之被研磨面7a所抵接的球狀砂輪面8a的位置(球狀砂輪面8a上的被研磨面7a的滑動區域)，防止球狀砂輪面8a的偏磨損，使球狀砂輪面8a全體均勻磨損，保持一定的研磨精度為佳。並以至少於中期研磨步驟改變球狀砂輪面8a上的被研磨面7a的滑動區域為佳。

如以上說明，本實施形態中，對於球面研磨，使加工初期的加工壓力為低壓，旋轉速為低速，藉此就能夠防止加工對象透鏡素材的缺損、龜裂。於加工中期，相較於加工初期是將加工壓力轉換成高壓，將旋轉數轉換成高速，藉此就能夠縮短加工時間。於加工末期，將加工壓力形成比加工初期還低壓，將旋轉數形成比加工初期還快，但比加工中期還慢的中等速度，藉此就能夠確保透鏡素材中心厚度的精度。如上述，配合研磨的進行以多階段改變研磨條件，只要使用鉢形砂輪就能夠使透鏡素材形成有高精度的精研磨面。

(實驗例)

本發明人等是使用本發明的研磨方法進行了下述加工。

本實施例的加工數據如下述：

透鏡素材的材質　TAFD25

透鏡素材的磨損度　90

透鏡素材的努氏硬度　630

加工球面半徑R　180mm

透鏡外徑　37.5mm

鉢形砂輪　金剛石粒　SP60B　#800

首先，進行能夠決定加工壓力的測試。測試條件如下述，測試結果如第3圖的表及圖表所示。

球芯式透鏡研磨加工裝置　NC研磨機　PM50型(製造商：KOJIMA EAGINEERING有限公司)

鉢形砂輪的旋轉數　1000rpm

鉢形砂輪的透鏡接觸面積　4.52cm²

加工量　0.1mm

從測試結果得知，加工壓力為10kg/cm² 以上時，透鏡素材的磨損量幾乎沒有改變，因此該壓力就是研磨加工效率之最大的點。

其次，使用同一球芯式透鏡研磨加工裝置，進行能夠決定鉢形砂輪旋轉數的測試，在加工壓力1(15 kg/cm² )及加工壓力2(10 kg/cm² )的狀況下，調查旋轉數改變時的加工時間。測試條件除了加工壓力以外其他是和上述的狀況相同。測試結果如第4圖的圖表所示。

從該測試結果得知，旋轉數接近1500rpm附近時磨損量幾乎沒有改變，因此該點就是加工效率最大的點。即，當加工壓力為一定，只提高旋轉數時加工時間幾乎沒有改變的旋轉數就是「能夠侵入的旋轉數」的最大值，若旋轉數提高成比該值還大時，就會形成為透鏡素材和鉢形砂輪產生滑動，鉢形砂輪的磨粒不會侵入透鏡素材表面的狀況。該「能夠侵入的旋轉數」的最大值就是加工效率最大的點。該最大值，會因透鏡素材的硬度、鉢形砂輪磨粒的粒度、切削液的性能等不同而有所變動，因此只要進行測試加以設定即可。

根據該等測試結果時，得知中期研磨步驟ST3的加工條件是以加工壓力為10 kg/cm² ，鉢形砂輪的旋轉數為1500rpm為最佳。以該條件為基準，分別設定初期研磨步驟ST2及後期研磨步驟ST4的加工條件。

本發明人等的實驗是於初期研磨步驟中，將加工壓力為2 kg/cm² ，鉢形砂輪的旋轉數為500rpm，進行了10秒鐘的研磨加工。其次，進入中期研磨步驟，將加工壓力為10 kg/cm² ，鉢形砂輪的旋轉數為1500rpm，進行了研磨加工直到透鏡素材成為多出目標厚度之0.1mm的厚度為止，接著，進入後期研磨步驟，將加工壓力為1.5 kg/cm² ，鉢形砂輪的旋轉數為1000rpm，進行了研磨加工直到透鏡素材成為目標厚度為止。

其結果，可確認厚度精度是在±0.005μm以內。此外，對研磨加工面的曲率進行了測定，結果是若進行150次加工時，ΔH會變成-0.001μm。將擺動位置移位10%又進行150次加工時，ΔH會回到基準值，因此就將擺動位置恢復成原來位置。經由持續進行該等測試，終於能夠確認研磨加工面的曲率為ΔH是在0～0.001μm的範圍內。

1．．．球芯式透鏡研磨加工裝置

2．．．上單元

2a．．．中心軸線

3．．．下單元

4．．．透鏡保持具

4a．．．透鏡保持面

5．．．透鏡加壓軸

6．．．加壓缸筒

7．．．透鏡素材

7a．．．被研磨面

8．．．鉢形砂輪

8a．．．球狀砂輪面

9．．．主軸

9a．．．中心軸線

10．．．主軸馬達

11．．．擺動機構

12、13、14．．．調節器

15、16、17．．．轉換閥

18．．．控制器

19．．．測長器

20．．．變頻器

21．．．驅動器

O．．．擺動中心

θ．．．擺動角度

R．．．加工球面半徑

第1圖為利用本發明的方法進行透鏡球面之研磨加工的球芯式透鏡研磨加工裝置的機構圖。

第2圖為表示第1圖裝置的研磨動作概略流程圖。

第3圖為表示透鏡研磨加工的加工壓力和加工時間之關係圖表。

第4圖為表示透鏡研磨加工的研磨工具旋轉數和加工時間之關係圖表。

1．．．球芯式透鏡研磨加工裝置

2．．．上單元

2a．．．中心軸線

3．．．下單元

4．．．透鏡保持具

4a．．．透鏡保持面

5．．．透鏡加壓軸

6．．．加壓缸筒

7．．．透鏡素材

7a．．．被研磨面

8．．．鉢形砂輪

8a．．．球狀砂輪面

9．．．主軸

9a．．．中心軸線

10．．．主軸馬達

11．．．擺動機構

12、13、14．．．調節器

15、16、17．．．轉換閥

18．．．控制器

19．．．測長器

20．．．變頻器

21．．．驅動器

O．．．擺動中心

θ．．．擺動角度

R．．．加工球面半徑

Claims (8)

1. 一種使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，將具備有金剛石磨粒之球狀砂輪面的鉢形砂輪以指定的加工壓力抵壓研磨對象的透鏡素材的被研磨面，在該狀態下，以指定的旋轉數旋轉上述鉢形砂輪的同時一邊擺動一邊將上述被研磨面研磨成球面之使用鉢形砂輪之透鏡球面的研磨加工方法，其特徵為，具有：上述加工壓力為第1加工壓力，上述旋轉數為第1旋轉數進行研磨的初期研磨步驟；上述加工壓力為第2加工壓力，上述旋轉數為第2旋轉數進行研磨的中期研磨步驟；及上述加工壓力為第3加工壓力，上述旋轉數為第3旋轉數進行研磨的後期研磨步驟，上述第2加工壓力是能夠使上述球狀砂輪面侵入上述透鏡素材的壓力，從上述透鏡素材的硬度，及上述透鏡素材的上述被研磨面和上述鉢形砂輪的上述球狀砂輪面之接觸面積，算出上述鉢形砂輪的侵入量，根據該侵入量算出上述第2加工壓力，上述第2旋轉數是設定成可使上述鉢形砂輪的上述金剛石磨粒侵入上述透鏡素材的旋轉數，上述第1加工壓力是設定成比上述第2壓力還低的值，上述第1旋轉數設定成比上述第2旋轉數還低的值，上述第3加工壓力設定成比上述第1加工壓力還低的值，上述第3旋轉數設定成比上述第2旋轉數還低但比上 述第1旋轉數還高的值。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，其中，上述第2加工壓力，設定成能夠使上述鉢形砂輪的上述金剛石磨粒侵入上述透鏡素材的最小值，上述第2旋轉數，設定成能夠使上述鉢形砂輪的上述金剛石磨粒侵入上述透鏡素材的最大值。
3. 如申請專利範圍第2項所記載的使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，其中，上述初期研磨步驟是一直進行到上述透鏡素材的上述被研磨面形成為全體接觸上述球狀砂輪面的狀態為止，上述中期研磨步驟是一直進行到上述透鏡素材的中心厚度形成比目標值還多出事先所設定尺寸的狀態為止。
4. 如申請專利範圍第3項所記載的使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，其中，至少於上述中期研磨步驟中，定期性改變上述透鏡素材的上述被研磨面滑動在上述鉢形砂輪的上述球狀砂輪面的區域。
5. 如申請專利範圍第4項所記載的使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，其中，上述透鏡素材的硬度為努氏硬度(Knoop hardness)630，上述第2加工壓力為10kg/cm² ，上述第2旋轉數為1500rpm， 上述第1加工壓力為2kg/cm² ，上述第1旋轉數為400~600rpm，上述第3加工壓力為1.5kg/cm² ，上述第3旋轉數為1000rpm。
6. 如申請專利範圍第1項所記載的使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，其中，上述初期研磨步驟是一直進行到上述透鏡素材的上述被研磨面形成為全體接觸上述球狀砂輪面的狀態為止，上述中期研磨步驟是一直進行到上述透鏡素材的中心厚度形成比目標值還多出事先所設定尺寸的狀態為止。
7. 如申請專利範圍第1項所記載的使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，其中，至少於上述中期研磨步驟中，定期性改變上述透鏡素材的上述被研磨面滑動在上述鉢形砂輪的上述球狀砂輪面的區域。
8. 如申請專利範圍第1項所記載的使用鉢形砂輪之透鏡球面之研磨加工方法，其中，上述透鏡素材的硬度為努氏硬度630，上述第2加工壓力為10kg/cm² ，上述第2旋轉數為1500rpm，上述第1加工壓力為2kg/cm² ，上述第1旋轉數為400~600rpm，上述第3加工壓力為1.5kg/cm² ，上述第3旋轉數為1000rpm。