【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a processing time while obtaining a good surface roughness when machining a free-form surface such as a toric shape having a small curvature radius and is not constant, especially when machining an optical element or its mold. The present invention relates to a cutting method and a cutting apparatus that can shorten the length of the cutting.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 shows a general fly-cut type cutting apparatus. This is because, when the longitudinal direction of the workpiece W 0 is the generatrix direction (X direction) and the short direction is the subwire direction (Y direction), the toric shape or the like having different curvature radii in the generatrix direction and the subwire direction is used. This is a device for cutting a mold for molding a part. A cutting tool 102 composed of a diamond tip 102 a and a shank 102 b is attached to a bite holder 103, and the cutting tool 102 is rotated by a main shaft 104. At this time, diamond tip 102a tip radius of less than the radius of curvature of the sagittal line of the workpiece W 0, also cutting turning radius R1 about the axis O of the tool 102 workpiece W 0 of the generatrix of the curvature radius R2 Must be smaller. In this state, by relatively moving the cutting tool 102 and the workpiece W 0 in the sub-wire direction, a minute one line is fly cut, and then moved in the bus-line direction with a feed pitch P. by repeating, cutting a sculptured surface entire workpiece W 0.
[0003]
The machining time is determined by the moving speed in the direction of the strand determined from the required surface roughness and the tip radius of the diamond tip 102a, and the feed pitch P based on the turning radius R1.
[0004]
In recent years, optical components tend to be miniaturized as devices using the optical components become smaller and have higher performance, and a complicated free-form surface is required. The specifications required for such a high-precision optical component mold have a reduced curvature in terms of shape, and further improvement in surface roughness is required.
[0005]
In order to meet such demands, in the above fly-cut method, it is necessary to make the turning radius of the cutting tool smaller than the smallest radius of curvature of the workpiece, as described above, in order to fix the cutting tool to the spindle. In addition to making the tool holder's shaft diameter smaller than the turning radius, it is necessary to make it thinner in order to avoid interference with the workpiece. Further, if the turning radius is reduced, it is necessary to reduce the feed pitch in the busbar direction in order to obtain the same surface roughness.
[0006]
However, when the shaft diameter of the tool holder is reduced, the rigidity for holding the cutting tool is reduced, and the shape accuracy and the surface roughness are reduced due to the occurrence of chatter vibration caused by the cutting resistance. Moreover, the processing time per unit area becomes longer due to the smaller feed pitch.
[0007]
On the other hand, in order to improve the processing accuracy and cutting efficiency of a general cutting device, or as a means of processing a cylindrical body such as a non-circular piston with high accuracy, vibration cutting that forcibly vibrates the cutting tool Processing methods have been proposed (see JP-A-7-68401 and JP-A-10-166204). These devices vibrate a cutting tool for the purpose of reducing cutting resistance, improving processing accuracy, and improving tool life in turning and drilling.
[0008]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-218401 proposes free-form surface machining by vibration cutting, but because it is based on ultrasonic vibration using resonance, the reproducibility and motion trajectory of the cutting edge are limited, and an optical mold is used. For example, it is impossible to process the accuracy (shape accuracy: 500 nm PV, surface roughness: Ry 100 nm) necessary for practical use in a practical time. In addition, torsional vibration is used, and therefore the same trajectory moves in the forward and backward directions in reverse, so the diamond cutting tool used for mirror surface machining causes chipping of the cutting edge by contacting the workpiece from the flank surface. Will do.
[0009]
Therefore, in order to cut a free-form surface such as a toric shape, a four-axis synchronous stage is used to vibrate the cutting tool elliptically using a linear actuator such as an electrostrictive element or a magnetostrictive element that expands and contracts in two orthogonal axes. A method of feeding the workpiece by means of, for example, has been studied.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Actually, the above method is insufficient in performance to process the mold of the optical element with high accuracy. When the cutting tool is caused to elliptically vibrate using two linear actuators that expand and contract in the directions of two orthogonal axes, the leaf spring guide is separated from the processing point, so that the rigidity is weak and the surface roughness is deteriorated. In addition, if the amount of movement of the cutting tool in the main component force direction is increased, a plurality of elastic hinges are required. Therefore, the amount of deformation of the elastic hinges inevitably increases, and the repeated stress is below the allowable value that does not cause the elastic hinges to break. Therefore, the moving stroke of the cutting tool is limited.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described unsolved problems of the prior art, and performs cutting in which a cutting tool is fed to a desired free-form surface shape while pseudo-rotating a cutting tool using two orthogonal linear motion actuators. In the processing apparatus, an electromagnet is used for at least one of the two linear motion actuators, and a guide means for strengthening rigidity is provided, thereby enabling highly accurate and efficient cutting of a free curved surface or the like. An object of the present invention is to provide a cutting method and a cutting apparatus.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the cutting method of the present invention is configured to move the cutting tool relative to the workpiece while performing pseudo rotation of the cutting tool by two linear motion actuators. A cutting method for cutting a machined surface, wherein at least one of the two linear actuators, the cutting tool is placed in a principal component direction or a component force in a plane substantially perpendicular to the workpiece surface. One or more electromagnets that vibrate in the direction are used.
[0013]
[Action]
For example, by using an electromagnet for the linear motion actuator in the main component force direction, the size of the cutting drive unit in the feed direction can be reduced, and the cutting drive amount of the cutting tool can be increased. Further, by supporting the directions of other components by a highly rigid guide means such as a hydrostatic bearing, the stability can be enhanced, and highly accurate curved surface processing can be performed efficiently.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cutting apparatus according to an embodiment. This cutting apparatus includes an XY stage 1 that performs two-dimensional positioning in the XY direction and a Z stage 2 that can reciprocate in the Z direction. And a 4-axis synchronous stage device 10, which is a relative movement mechanism having a rotary stage 3 and the like for rotational positioning around the Y axis, and is a work piece held by a jig 4 on the XY stage 1. It has a cutting tool 11 that is a cutting tool for cutting the workpiece W 1 , and a cutting drive unit 20 that applies a cutting motion to the cutting tool 11.
[0016]
FIG. 2 shows a cross section of the cutting drive unit 20 in FIG. 1 along the X direction. The cutting drive unit 20 has a main frame 21 and a movable part 22, and the tool holder 12 is attached to the tip of the movable part 22. The cutting tool 11 is fixed to the cutting tool holder 12 by brazing the diamond tip 11b to the carbide shank 11a. The upper end of the movable part 22 is suspended in the main frame 21 by a leaf spring 23 which is a cross-shaped elastic member shown in FIG. 2B and receives the weight of the movable part 22. The degree of freedom at the position of the leaf spring 23 of the movable portion 22 is constrained by the leaf spring 23 in the X direction that is the main component force direction and the Y direction that is the other component direction.
[0017]
As shown in FIG. 3, the movable portion 22 is supported in a non-contact manner by a pair of hydrostatic bearings 24 as guide means on both sides in the Y direction. The hydrostatic bearing 24 includes a hydrostatic bearing pad 24 a and a bearing surface 24 b that is a side surface of the movable portion 22, and the movable portion 22 integrated with the cutting tool 11 is completely restrained in the Y direction by the hydrostatic bearing 24. ing.
[0018]
In this way, the movable portion 22 supported by the leaf spring 23 and the hydrostatic bearing 24 has a linear movement in the Z direction, ie, a movement in the back component force direction, as shown by an arrow A in FIG. An arc motion indicated by an arrow B close to a linear motion in the force direction, that is, in the XZ plane, which is a plane substantially perpendicular to the work surface of the workpiece W 1 , with the restraint point in the X and Y directions of the leaf spring 23 as the rotation center. Circular motion is possible.
[0019]
An electromagnet 25, which is a linear actuator, is held at the upper end of the main frame 21, and the electromagnet 25 vibrates the movable portion 22 in the Z direction. An electromagnet 26 is provided at the lower end of the main frame 21 and vibrates the movable portion 22 in the X direction. The electromagnet 25 faces the target 27 provided at the upper end of the movable portion 22, and the electromagnet 26 faces the target 27 provided on the side surface of the movable portion 22. The material of the target 27 is a material close to pure iron and is bonded to the movable part 22. Since the movable portion 22 is moved at a high frequency, it is necessary to increase the weight and rigidity. For this purpose, a ceramic material is used. Therefore, the target 27 is necessary, and the target 27 is also effective in increasing the efficiency of the magnetic circuit of the electromagnets 25 and 26.
[0020]
A permanent magnet 28 is disposed at a position facing the electromagnet 26 of the main frame 21, and an offset force (attraction force of the permanent magnet 28) is applied to the movable portion 22 in the X direction. By adjusting the current command input to the electromagnets 25 and 26, the cutting tool 11 can perform a pseudo-rotating motion as indicated by an arrow C. For example, by giving a SIN waveform current command in the Z direction and a COS waveform current command in the X direction, the cutting edge of the cutting tool 11 performs a substantially circular motion. The amount of movement is determined by the weight of the movable portion 22, the rigidity of the leaf spring 23, and the generated force of the electromagnet 25 in the Z direction by the electromagnet 25. The electromagnet 26 that is an actuator in the X direction is determined by the force of the offset permanent magnet 28, the rigidity of the leaf spring 23, and the generated force of the electromagnet 26. For this reason, it is possible to design a large amount of movement in the main component force direction and the back component force direction by the electromagnets 25 and 26 as compared to a piezoelectric element, a magnetostrictive element, or the like having a limited stroke.
[0021]
FIG. 4 illustrates the configuration of an electromagnet 30 used as each of the electromagnets 25 and 26. The electromagnet 30 has a coil 31, and the coil 31 is wound around a yoke 32 in which E-shaped silicon steel plates are stacked. is there. The coil 31 and the yoke 32 are attached to the base 33 and constitute an electromagnet 30. In order to supply current to the coil 31, an amplifier (not shown) and a command control system (not shown) are connected to the wiring 31a drawn from the coil. By this command control system, the force generated in the yoke 32 is controlled by changing the current flowing through the coil 31. Moreover, the coil 31 is hermetically sealed by placing a plastic lid 34 on the coil 31, and the refrigerant is supplied from the supply port 35 and discharged from the discharge port 36, thereby reducing the heat generation of the coil 31 and the temperature fluctuation. The position variation of the movable portion 22 due to the thermal displacement caused by the above is set to a level that does not cause a problem with respect to machining accuracy.
[0022]
Next, the processing method of this invention is demonstrated using FIG. 1 and FIG. This is for machining a toric-shaped mirror mold, and as shown in FIG. 1, the cutting tool unit 20 held by the rotary stage 3 of the four-axis synchronous stage device 10 is used to drive the cutting tool 11. The workpiece W and the bite 11 are moved relative to each other by the XY stage 1, the Z stage 2, and the rotary stage 3.
[0023]
That is, the cutting tool 11 performs a pseudo rotational movement by the electromagnets 25 and 26 disposed in two orthogonal directions, and the workpiece W 1 performs a scanning movement in the Y direction by the XY stage 1, and accordingly, the X, Z, and ωY directions. As each stage moves in synchronization with the machining shape, the machining of the free-form surface proceeds. When the scanning in the Y direction ends, the step moves in the X direction and the scanning movement in the Y direction is performed again. By repeating this, the entire surface of the workpiece W 1 is processed.
[0024]
During curved machining as shown in FIG. 5, and controls the rotary stage 3 suit the inclination of the free-form surface (curvature) of the workpiece W 1, respectively entire cutting drive unit 20 at a predetermined angle in the machining point S1, S2 is inclined Thus, machining is performed so that the cutting tool 11 always faces the direction of the normal line N of the surface to be machined.
[0025]
In this way, mirror processing of a free curved surface can be performed freely. By using a guide means such as a hydrostatic bearing and an electromagnet, the amount of movement of the cutting tool can be increased, so that the curvature of the rotational motion of the cutting edge can be accommodated from a small curvature to a large curvature. If the curvature is large, machining can be performed with a large circular motion. Conversely, if the curvature is small, machining can be performed with a circular motion that matches the curvature of the workpiece shape by machining with a small circular motion. As a result, the machining efficiency can be improved and the machining time can be shortened.
[0026]
In this embodiment, electromagnets are used as the linear actuators in the main component force direction and the back component force direction, but electromagnets are used only in the main component force direction. A configuration using elements may also be used.
[0027]
FIG. 6 shows a reference example. This cutting apparatus uses two electrostrictive elements or magnetostrictive elements 65 and 66 as two linear motion actuators in the main component force direction and the back component force direction. It is integral with the movable part 62 in the frame 61.
[0028]
The movable part 62 is restrained by two leaf spring guides (elastic deformation guides) 63 and 64. The leaf spring guides 63 and 64 have shapes as shown in FIGS. 6B and 6C, and the shape of the leaf springs enables movement of the cutting tool 51 similar to that shown in FIG.
[0029]
In this configuration, in order to obtain a displacement of about 50 μm in the X direction that is set based on the distance L2 / L1, the preload mechanism that is necessary because a tensile force is not applied to each element is taken into consideration. It becomes a large-sized cutting drive unit in which each dimension in the direction is close to 100 mm. In addition, elastic hinges 67 and 68 are necessary to prevent the bending force from being applied to the elements constituting the actuators 65 and 66, respectively.
[0030]
Compared to such a unit, in the present embodiment, an electromagnet is used for the linear motion actuator, and a hydrostatic bearing or the like is used as the guide means for the movable part, so that the cutting drive amount can be significantly increased. That is, in the apparatus shown in FIG. 6, if the amount of movement in the X direction is increased, the leaf spring breaks due to repeated stress of the leaf spring, and the amount of movement cannot be increased. However, as shown in FIG. By using it, there is no restriction due to repeated stress, and the amount of movement of the movable part can be increased.
[0031]
In addition, when a piezoelectric element or a magnetostrictive element is used, the stroke of the actuator is limited. However, if an electromagnet is used, the stroke can be increased depending on the design of the electromagnet. Furthermore, the cutting drive unit using a piezoelectric element or a magnetostrictive element has a large overall size as described above. Therefore, when the cutting drive unit is tilted and the tool tip is aligned with the workpiece curved surface, the normal tracking is performed (see FIG. 5). However, in this embodiment, since it is a compact cutting drive unit using an electromagnet for at least one linear actuator, Corresponding angle of normal tracking can be expanded.
[0032]
When the machining apparatus according to the present embodiment is used, even if the curvature range of the workpiece shape changes from a small curvature of about R3 mm to a large curvature of R50 mm or more, mirror surface machining of a mold or the like can be efficiently performed in a short time. It can be performed, and can be processed even with a free-form mold having an inclination of about 60 degrees.
[0033]
As a result, the degree of freedom of design of the optical element to be molded is widened, and an optical element with high added value can be made.
[0034]
Embodiments of the present invention are as follows.
[0035]
The cutting method of the present invention is a cutting process in which a cutting surface of the workpiece is cut by moving the cutting tool relative to the workpiece while pseudo-rotating the cutting tool with two linear actuators. A method wherein at least one of the two linear actuators vibrates the cutting tool in a main component direction or a back component direction in a plane substantially perpendicular to the surface to be processed, or A plurality of electromagnets are used.
[0036]
A cutting method of cutting a workpiece surface of the workpiece by moving the cutting tool relative to the workpiece while pseudo-rotating the cutting tool with two linear actuators, As the linear motion actuator, an electromagnet that vibrates the cutting tool in the principal component force direction in a plane substantially perpendicular to the work surface, and as the other linear motion actuator, the cutting tool is moved in the plane. A cutting method characterized by using an electrostrictive element or a magnetostrictive element that vibrates in the direction of the back component force may be used.
[0037]
The cutting apparatus of the present invention includes a cutting tool for cutting a work surface of a work piece, and a main component force direction in a plane substantially perpendicular to the work surface by two linear motion actuators. A cutting drive unit that performs pseudo rotation by individually oscillating in the direction of the back component force, and a relative movement mechanism for moving the cutting drive unit relative to the workpiece, the cutting drive unit comprising: , A movable part integral with the cutting tool, and guide means for two-dimensionally guiding the movable part along the plane, and at least one of the two linear actuators has the movable part One or a plurality of electromagnets that vibrate the part in the main component force direction or the back component force direction are used.
[0038]
Further, the cutting tool for cutting the work surface of the work piece, and the cutting force of the cutting tool in a plane substantially perpendicular to the work surface by two linear motion actuators in the main component force direction and the back component force direction, respectively. A cutting drive unit that performs pseudo-rotation by individually oscillating; and a relative movement mechanism for moving the cutting drive unit relative to the workpiece; and the cutting drive unit is integrated with the cutting tool. And a guide means for two-dimensionally guiding the movable part along the plane, and one of the two linear actuators vibrates the movable part in the main component force direction. A cutting apparatus characterized by having an electromagnet and the other having an electrostrictive element or a magnetostrictive element that vibrates the movable portion in the direction of the back component force.
[0039]
The guide means may include a hydrostatic bearing that guides both side surfaces of the movable portion in a non-contact manner.
[0040]
A main frame that supports the guide means and the two linear actuators; and an elastic member that suspends the movable portion in the main frame, and the elastic member is disposed in the vicinity of one of the linear actuators. It is good to have.
[0041]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below.
[0042]
In a processing device in which the cutting tool moves (vibrates) in the main component direction and the back component direction with respect to the workpiece, the rigidity in the direction of other components can be increased by using an electromagnet for at least the linear actuator in the main component direction. A cutting drive unit that is strong and has a large amount of movement in the main component force direction can be realized. By using such a cutting device, it is possible to perform mirror surface processing of an optical mold such as a toric whose shape curvature changes depending on a place with high accuracy and efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cutting apparatus according to an embodiment.
2A and 2B show the cutting drive unit of FIG. 1, in which FIG. 2A is a cross-sectional view in the X direction, and FIG. 2B is a perspective view showing the shape of a leaf spring in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view in the Y direction showing the cutting drive unit of FIG. 1;
4 is a diagram illustrating the configuration of the electromagnet of FIG. 2;
FIG. 5 is a diagram illustrating a process of cutting a curved surface of a workpiece.
FIG. 6 is a diagram illustrating a reference example.
FIG. 7 is a diagram showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 XY stage 2 Z stage 3 Rotating stage 4 Jig 10 4 axis | shaft synchronous stage apparatus 11 Bit 12 Bit holder 20 Cutting drive unit 21 Main frame 22 Movable part 23 Leaf spring 24 Static pressure bearings 25, 26, 30 Electromagnet 31 Coil 32 Yoke 33 Base 34 Lid