专利名称：切削用振动体、振动切削单元、加工装置、成型模具及光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及切削用振动体、振动切削单元及加工装置，它们适用 于形成光学元件用的模具等材料的切削加工，还涉及由此制作的成型 模具及光学元件。
背景技术：
通过使金刚石等切削工具的先端振动，对超硬或玻璃等难切削材 料进行切削加工的技术，被称为振动切削。这是由于振动而切削工具 刀刃作高速微小切入，并且通过振动的刀刃将此时产生的切屑掬出之 效果，由此实现对切削工具和被切削材料的应力都较小的切削加工(例
如参照专利文献l、 2、 3、 4等)。通过这种振动切削加工，通常延 性方式切削所必需的临界切入量提高到几倍，能够高效率地切削加工 难切削材料。
这种振动切削加工中，为了提高加工效率而提高振动频率的话上 述效果会增大，并且与频率几乎成比例地工具的进给速度也得到提高， 所以通常是使用2 0 kH z以上的高速振动。另外，该频率超过了人 可听见的范围，所以，具有振动子和被它激振的振动体不发出噪声之 优点。
作为使切削工具刀刃产生这种高速振动的方法，已经实用化的有 用压电元件和超磁致伸缩元件等激振夹持工具的夹持部件，通过挠曲 振动和轴向振动等使夹持部件共振，由此使其作为驻波作安定振动。 该方法中，切削工具的尾部能够脱卸地固定在为振动体的夹持部件的 先端。
上述夹持部件一般是采用铬钼钢，但是在振动切削中，切削工具 与夹持部件之间有摩擦发热的情况，此时，由于发热而振动子膨胀收缩引起工具刀刃位置发生变动致使不能进行高精度加工，存在问题。 在此，可以考虑采用例如像氮化硅那种低线膨胀系数且高硬度的陶资 材料或低线膨胀系数的合金材料作为夹持部件。但是，当企图在采用
则出现以下问题，即夹持部件上出现裂缝和破损，不能形成螺紋，还 有即使形成了螺丝部，也不能将切削工具充分牢固地固定在夹持部件 上，或由于切削工具的反复拆装和交换，引起夹持部件上设有的螺丝 部变形和螺紋破损，致使不能将切削工具牢固地固定在夹持部件上， 必须交换夹持部件。
在此，本发明以提供一种切削用振动体以及组装了该切削用振动 体的振动切削单元为目的，其中，即使反复拆装切削工具，螺丝等固 定具也不易破损，实现容易维持切削工具的牢固固定。
本发明还以提供一种釆用上述振动切削单元高精度制作的成型模 具以及光学元件为目的。
专利文献1:特开2000-52101号公报 专利文献2:特开2000-218401号7>才艮 专利文献3:特开平9 - 3 0 9 0 0 1号公报 专利文献4:特开2002-126901号公报
发明内容
为了解决上述课题，本发明涉及的切削用振动体，备有支撑切削 工具的支撑部分，将被给予的振动传递给切削工具，其中，支撑部分 通过固定在所述支撑部件上的第1紧固部件和第2紧固部件拆装可能 地固定切削工具，第1紧固部件具有大于第2紧固部件的抗拉强度。
本发明涉及的振动切削单元备有(a )上述切削用振动体；(b ) 由切削用振动体支撑的切削工具。
本发明涉及的加工装置备有(a )上述振动切削单元；(b )通 过驱动使振动切削单元变位的驱动装置。
本发明涉及的成型模具用上述振动切削单元加工制作，具有用来
5形成光学元件光学面的转印光学面。此时，能够效率良好高精度地加 工具有凹面等各种光学面的模具。
本发明涉及的光学元件用上述振动切削单元加工创制。此时，能 够得到具有凹面等各种光学面的高精度光学元件。
图1:第1实施方式的振动切削单元的说明方框图。 图2: ( a )、 ( b )、 ( c )、 ( d )是工具部先端的平面图、端面图 及侧面图。
图3: ( a )是说明工具部先端部状态的部分放大截面图，(b ) 是切削工具的放大侧面图。
图4:第2实施方式的加工装置说明方框图。
图5:采用了图4所示加工装置的工件的加工说明放大平面图。
图6: ( a )、 ( b )是第3实施方式涉及的成型用模具的侧向截面图。
图7:用图6(a)、6(b)的成型用模具形成的透镜的侧向截面图。
图8:对图3 ( a )、 3(b)所示的振动切削单元进行变形的第 3实施方式的振动切削单元的部分放大截面图。
发明的最佳实施方式
上述切削用振动体中，因为用来能够拆装地固定切削工具的一个 第1紧固部件具有大于另一个第2紧固部件的抗拉强度，所以，能够 几乎不劣化破损第1紧固部件地反复进行切削工具的拆装。优选第1 紧固部件具有的抗拉强度大于第2紧固部件1.2倍以上，更优选2.5 倍以上。此时，为了牢固固定切削工具，抗拉强度相对较小的第2紧 固部件用必需的力进行紧固，所以多少伴随螺丝部的变形。反复进行 切削工具的拆装等以后，最终第2紧固部件的螺丝部有破损的可能性， 但是，能够通过第2紧固部件来防止为固定紧固部件的第1紧固部件产生劣化和破损。因此，即使对切削用振动体反复进行切削工具的拆 装，螺母等第1紧固部件和支撑部分也不易破损，能够延长切削用振 动体的耐久性和寿命。
本发明具体实施方式
的上述切削用振动体，其中，第l紧固部件
是螺母，第2紧固部件是螺合在螺母中的螺杆。此时，能够防止螺母
的螺紋剪切断裂，能够延长螺母的寿命。至于螺合在螺母中的螺杆，
其螺紋的剪切断裂有进展的可能，但只要通过交换螺杆便可以解决。
本发明的另一实施方式，其中，螺杆穿在切削工具上设有的固定
用的孔中，切削工具被夹持、固定在支撑部分的支撑面与螺杆头之间。
此时，即使支撑部分与第2紧固部件之间的抗拉强度都较小，也能够
在其间确切地固定切削工具。
本发明的另一实施方式，其中，螺母被固定在支撑部分上。此时， 螺母与支撑部分之间不易产生起因于高速振动的摩擦发热。并且，因
为将寿命比较长的螺母固定在支撑部分上，所以能够延长作为切削用 振动体的寿命。
本发明的另一实施方式，其中，螺母是用焊接固定在支撑部分上。 此时，能够将螺母安定确切地固定在支撑部分上。
本发明的另一实施方式，其中，切削用振动体用低线膨胀材料形 成。此时，因为能够大大降低包括切削工具支撑部分的本体部分的膨 胀，所以能够降低切削工具先端的变位，提高切削加工的精度。"低线 膨胀材料"意味线膨胀系数在-2x10 — 6以上、2x10 "以下的材 料(又称"低线膨胀系数的材料")。作为低线膨胀材料，可以采用因 钢、超因钢、不锈钢因钢等。
本发明的另一实施方式，其中，第1紧固部件用包括高速度工具 钢、超硬合金、马氏体类不锈钢、析出硬化类不锈钢及S CM钢之群 类的至少1种材料形成。此时，容易相对第2紧固部件加大抗拉强度， 能够确保螺紋等的加工性。
作为本发明涉及的第2紧固部件，可以采用包括各种不锈钢、S CM钢等合金等各种金属材料。此时，容易相对第1紧固部件减小抗
7拉强度，能够确保螺紋等的加工性。
本发明的另一实施方式，其中，第1紧固部件的抗拉强度为9 0 ON/ mm2 ~ 3 0 0 0 N / mm2,第2紧固部件的抗拉强度为7 0 0 N / mm2 ~ 1 9 0 0 N / mm2。通过满足上述关系，能够防止第 1紧固部件和支撑部分的破损，同时更确切地实现切削工具向切削用 振动体的牢固固定。
本发明的另一实施方式，其中，在上述切削用振动体中，第l紧 固部件是螺杆，第2紧固部件是螺合在螺杆上的螺母。此时，能够防 止螺杆螺紋的剪切断裂，能够延长螺杆寿命。至于螺合在螺杆上的螺 母，其螺紋的剪切断裂有进展的可能，但只要通过交换螺母便可以解 决。
上述振动切削单元中，因为第1紧固部件具有大于第2紧固部件 的抗拉强度，所以能够几乎不使第1紧固部件劣化破损地反复进行切 削工具的拆装，即使对切削用振动体反复进行切削工具的拆装，螺母 等第1紧固部件和支撑部分也不易破损，能够延长切削用振动体的耐 久性和寿命。
上述振动切削单元的具体方式，其中，进一步备有振动源，通过 给予切削用振动体振动，介过该切削用振动体使切削工具振动。此时， 因为使切削用振动体、切削工具和用于它们的振动源为一个单元，所 以，在提高了这种振动切削单元的组装、拆卸之方便性的同时，能够 使振动切削单元以高精度工作。
上述加工装置中，因为通过驱动装置使上述振动切削单元变位， 所以能够通过具有高耐久性的振动切削单元实现高精度加工。 [第l实施方式]
以下参照附图，对本发明的第1实施方式涉及的切削用振动体以 及振动切削单元作说明。图1是加工成型模具的转印光学面时使用的 振动切削单元的结构说明截面图，该成型模具用来成形透镜等光学元 件。
如图1所示，振动切削单元20备有切削工具23、振动体82、轴向振动子83、挠曲振动子84、平衡器85、筐体86。
切削工具23被固定埋在振动体82先端工具部21的先端部21a 中。在后面的说明中作详细叙述，切削工具23的先端23a是金刚石尖 端的切削刀刃，其作为被处于共振状态的振动体82的开放端，与振动 体82—起振动。即，切削工具23伴随振动体82的轴向振动在Z方 向变位产生振动，且伴随振动体82的挠曲振动在Y轴方向变位产生 振动。其结果切削工具23的先端23a作轨迹如图所示的椭圆轨道EO 高速变位。
振动体82是一体型切削用振动体，由线膨胀系数绝对值为2 x 1 0—6以下的材料形成，具体适合釆用因钢材、超因钢材、不锈钢因钢 材等。在振动体82先端侧的工具部21外径细，在尾侧外径粗。振动 体82侧面的适当位置上形成了板状部分的第1固定法兰盘87，介过 第1固定法兰盘87振动体82被例如螺丝93固定在筐体86上。振动 体82由于轴向振动子83而振动，处于共振状态，形成Z方向局部变 位的驻波。振动体82还由于挠曲振动子84而振动，处于共振状态， 形成Y轴方向局部变位的驻波。对振动体82来说，第1固定法兰盘 87的位置是轴向振动和挠曲振动共同的节，介过第1固定法兰盘87 来固定振动体82,这样能够防止妨碍轴向振动和挠曲振动。
第1固定法兰盘87可以是例如圆板状的固定部件，此时，其外周 部分固定在筐体86上将筐体86密封，构成不通气的构造。第l固定 法兰盘87也可以是有多个开口的固定部件，或是有延伸在例如3个方 向上的细长支撑部件的固定部件，此时，即使将第1固定法兰盘87 固定到筐体86上，也能够确保筐体86内外充分的通气。
轴向振动子83是连接在由压电元件(P Z T )或超磁致伸缩元件 等形成的振动体82尾侧端面的振动源，介过图示省略的连接器等连接 在振动子驱动装置(后述)上。轴向振动子83根据振动子驱动装置发 出的驱动信号动作，通过作高频伸缩振动而给予振动体82纵波。轴向 振动子83在Z方向能够变位，在XY方向不发生变位。
挠曲振动子84是连接在由压电元件或超磁致伸缩元件等形成的振动体82尾侧端面的振动源，介过图示省略的连接器等连接在振动子 驱动装置(后述)上。挠曲振动子84根据振动子驱动装置发出的驱动 信号动作，通过作高频振动而给予振动体82横波，即，给予图示例中 Y方向的振动。
平衡器85隔着轴向振动子83连接在振动体82的相反一侧。平衡 器85侧面的适当位置上形成有第2固定法兰盘88，平衡器85介过第 2固定法兰盘88固定在筐体86上。笫2固定法兰盘88可以是例如圆 板状的固定部件，但也可以是有多个开口的固定部件，或是有延伸在 例如3个方向上的细长支撑部件的固定部件，备有开口等情况时，即 使将第2固定法兰盘88固定到筐体86上，也能够确保筐体86内外充 分的通气。平衡器85由于轴向振动子83而振动，处于共振状态，形 成在Z方向局部变位的驻波。对平衡起85来说，第2固定法兰盘88 的位置是轴向振动的节，介过第2固定法兰盘88进行固定，这样能够 防止妨碍振动体82的轴向振动。平衡器85用与振动体82相同的材料 形成。
筐体86是具有例如四方柱状内部空间的部件，用来收容振动体 82和平衡器85等，介过第1、第2固定法兰盘87、 88，将振动体82 和平衡器85撑持固定在内部。筐体86的一端装有上述第1固定法兰 盘87，堵住整个或一部分开口，另一端设有连结在端面开口上的供气 管92。该供气管92与气体供给装置(后述)连结，向筐体86内供给 设定在所望流量及温度的加压干燥空气。
以上振动切削单元20中，振动体82和轴向振动子83以及平衡器 85相互之间通过焊接接合固定，轴向振动子83能够有效地振动。振 动体82和轴向振动子83以及平衡器85的轴心形成有贯通孔91，贯 通孔91横断上述三者的接合面且贯通它们，来自于供气管92的加压 干燥空气能够流通。也就是说，贯通孔91是传送加压干燥空气的供给 路，与没有图示的气体供给装置和供气管92—起构成冷却手段，用来 从内部冷却振动切削单元20。贯通孔91的先端又兼支撑孔，用来插 入固定切削工具23，能够将被导入贯通孔91中的加压干燥空气供给到切削工具23的周边。另外，贯通孔91的先端在固定切削工具23 时也留有间隙，加压干燥空气以高速从被与切削工具2 3邻接形成的开 口 91a喷射，不仅能够有效地冷却切削工具23先端的加工点，而且能 够通过气流，确切地除去附在加工点和其周围的切屑。
图2 (a)是图1所示的工具部21先端的平面图，图2(b)是工 具部21先端的正面图，图2(c)是工具部21先端的侧面图，图2(d) 是工具部21先端的下面图。
从图中可知，设在工具部21中的先端部21a从平面看上去具有楔 状的尖头形状。支撑在先端部21a先端的切削工具23备有柄23b和三 角形的加工用尖端23c，其中，柄23b的先端为三角、尾侧为六角形、 整体为板状；三角形的加工用尖端23c以倾斜状态固定在柄23b的尖 端、即先端23a上。其中，柄23b由超硬材料、陶资材料、高速钢(高 速度工具钢)等形成，不易弯曲。加工用尖端23c是金刚石制的尖端， 通过焊接等固定在柄23b的先端。切削工具23自身被埋入固定在先端 部21a中，加工用尖端23c的先端23a配置在工具轴AX的延长上。
在先端部21a中，沿着含工具轴AX的XZ面平坦地形成有槽21x， 切削工具23、即柄23b的固定部分23e被插在槽21x内。该槽21x沿 着XZ平面的侧面为台形，沿着YZ平面的剖面为矩形。被支撑在该 槽21x中的固定部分23e通过固定螺丝25及螺母27，相对先端部21a 能够拆装地被紧紧固定。固定螺丝25是平头状的螺杆(第2紧固部件)， 从固定孔21g的一端穿过固定孔21g螺合到固定在固定孔21g另一端 的螺母27中。固定螺丝25和螺母27作为紧固手段发挥功能，用来协 动将切削工具23固定在工具部21先端。也就是说，固定螺丝25是第 2紧固部件，螺母27是第1紧固部件。在固定螺丝25的螺丝头上方， 为了填住用来穿过固定螺丝25的固定孔21g，拧入固定有充填螺丝26。 固定孔21h、 21g延伸在Y轴方向，固定螺丝25及螺母27所作的紧 固方向与工具轴AX垂直。
图3 (a)是说明工具部21先端部21a状态的部分放大截面图， 图3 ( b )是切削工具23的放大侧面图。
ii工具部21先端部21a是用来装配切削工具23的支撑部分，能够 拆装可能地固定切削工具23,同时，能够将现有的切削工具23交换 成同种或异种别的切削工具。用来拆装可能地装配切削工具23的固定 螺丝25及螺母27中，螺母27被配置成埋入在先端部21a下面形成的 凹部21r中，螺母27的上面通过焊接固定在凹部21r的底部(上面)。 固定螺丝25的螺身部分25s能够拧入螺母27中进行紧固。工具部21 的组装时，先将柄23b的固定部分23e插入先端部21a的槽21x中。 然后，介过设在先端部21a上侧的固定孔21g，使固定螺丝25的螺身 部分25s插在柄23b的孔23f和下侧设有的固定孔21h中，使螺身部 分25s的先端螺合到被固定在固定孔21h下端的螺母27中。为了使固 定螺丝25的螺丝头部2 5 h通过，固定孔2 1 g的内径大于固定孔2 lh的内径。此时，因为切削工具23的固定部分23e被固定螺丝25 的螺丝头部25h和槽21x的内面夹住紧固，所以，不仅防止了切削工 具23的分离，确保了切削工具23在先端部21a的确切固定，而且固 定部分23e下面的面与槽21x下面的面紧贴，能够低损耗传递振动能 量。接下去，将充填螺丝26拧入设在先端部21a上侧的固定孔21g 中作固定。如此拧入的充填螺丝26的下端面与固定螺丝25螺丝头部 25h的上端面之间形成一点间隙，避免固定螺丝25与充填螺丝26相 接触。充填螺丝2 6具有以下效果，即使先端部2 1 a的槽2 1 x 周边、即工具装配部的Y方向的重量，相对工具轴AX对称地平衡配 置，防止先端部2 1 a发生不需要的振动，实现安定的基本振动。
也可以是在充填螺丝26的下端面与固定螺丝25的上端面之间不 设间隙的结构。该情况时，固定螺丝25是从上方通过面接触被柠紧， 防止了固定螺丝25的松弛，所以，切削工具23的固定更牢固，能够 降低切削工具23有不必要的振动和松弛。并且，通过充填螺丝26来 拧紧固定螺丝25时，施加在固定螺丝25上的应力降低，能够更有效 地防止固定螺丝25等的破损。
优选用来将切削工具23固定在振动体82先端部21a上的固定螺 丝25及螺母27的抗拉强度相互不同。这样可以提高固定螺丝25及螺
12母27中、抗拉强度较大的一个紧固部件的紧固强度和反复使用的耐久 性，能够通过交换另一方紧固部件来延长作为振动切削单元20的寿 命。另外，螺母27是通过焊接固定，能够直接防止螺母27引起产生 的振动，能够在螺母27中将固定螺丝25拧得很紧，所以，即使使振 动体82、即切削工具23作高速振动，也能够防止在槽21x下面的面 与固定部分23e下面的面之间等产生不能忽视的摩擦发热。
本实施方式中，螺母27的抗拉强度大于固定螺丝25的抗拉强度。 这是考虑到因为螺母27固定在先端部21a中所设的固定孔21h下端、 即凹部21r的底面上，螺母27破损的话必须交换包括先端部21a的振 动体82。也就是说，反复拆装切削工具23时，抗拉强度较小的固定 螺丝25出现劣化，但只要交换固定螺丝25就足够，能够防止螺母27 的破损，能够降低振动体82的交换频度。
作为螺母27材料，可以使用高速钢、超硬合金、马氏体类不锈钢、 析出硬化类不锈钢、S CM钢(铬钼钢)等。高速钢、超硬合金、马 氏体类不锈钢、析出硬化类不锈钢、SCM钢等是相对固定螺丝25 容易加大抗拉强度的材料。通过采用上述钢材，使螺母27的具体抗拉 强度例如在9 0 0 N / mm2 ~ 3 0 0 0 N / mm2程度之范围。高速 钢的抗拉强度为2 6 5 0 N/mm2，超硬合金的抗拉强度为1 9 6 0 N/mm2， SCM4 3 5的抗拉强度为9 3 0 N / mm2。用高速钢 形成螺母27时，抗拉强度大，容易较强拧紧切削工具23。用超硬合 金形成螺母27时，与高速钢、S CM钢相比螺母27变重，充填螺丝 26的平衡很重要。
作为螺母25材料，可以使用各种不锈钢、包括S CM钢等的合金 等各种金属。不锈钢、S CM钢等加工性优异，是相对螺母27容易减 小抗拉强度的材料。通过采用上述钢材，使螺丝25的具体抗拉强度例 如在7 0 0 N / mm2 ~ 1 9 0 0 N / mm2程度之范围。固定螺丝25 可以再利用，但是，所定次数以上将切削工具23装换到振动体82上 后进行交换。
回到图2 ( a )、图2 ( b )、图2 ( c )、图2 ( d )，被插入切削工具23固定部分23e的槽21x，其内尺寸Y轴方向的宽度比切削工 具23固定部分23e的外尺寸稍微大一些。另外，槽21x的底面中央形 成了开口 91a，用来使得从贯通孔91送出的加压干燥空气喷出到工具 部21的先端部21a。这样，能够直接从被嵌入支撑在先端部21a的固 定部分23e侧，没有浪费地冷却切削工具23的上侧侧面。另外，因为 使加压干燥空气从接近工件上加工点的开口 91a向切削工具23的先端 喷出，所以，能够抑制工件的温度上升，提高加工精度。还能够迅速 除去附在工件加工点和其附近的切屑。
本实施方式的振动切削单元20中，振动体82的材料如上所述， 用因钢材、超因钢材、不锈钢因钢材等低线膨胀系数的材料形成。
这里的因钢材是含有F e和N i的合金，是含有3 6原子。/。N i 的铁合金，通常室温下的线膨胀系数在1 x 1 0—6以下。杨氏模量低 为钢材的约一半，通过将其用于振动体82的材料，能够抑制振动体 82的热膨胀收缩，抑制被支撑在先端的切削工具23刀刃位置的温度 偏差。超因钢材是至少含有Fe、 Ni、 Co的合金，是分别含有5 原子o/。以上Ni、 5原子。/。以上C o的铁合金，通常室温下的线膨胀 系数在O. 4x10-6程度，与上述因钢相比，是更不易热膨胀收缩 的材料。杨氏模量低为钢材的约一半，通过将其用于振动体82的材料， 能够抑制振动体82的热膨胀收缩，抑制被支撑在先端的切削工具23 刀刃位置的温度偏差。不锈钢因钢材是指所有下述合金材料，即5 0原子。/。以上的主要成分是F e ，且含5原子。/。以上的附随材料是C o、 C r 、 N i的至少一种。所以在此，铁镍钴合金材也被包括在该 不锈钢因钢材中。不锈钢因钢材在室温下的线膨胀系数在1 . 3xl 0 — 6以下。杨氏模量低为钢材的约一半，通过将其用于振动体的材料， 能够抑制振动体82的热膨胀收缩，抑制被支撑在先端的切削工具23 刀刃位置的温度偏差。并且，不锈钢因钢材的耐水性比因钢材高得多， 具有即使淋受加工冷却液等也不会生锈之优异特征，所以，适合作为 支撑固定切削工具23的构造材料。 [第2实施方式]以下参照附图，对本发明的第2实施方式涉及的加工装置进行说明。图4是加工成型模具转印光学面的振动切削型加工装置的构造概念性说明方框图，该成型模具用来形成透镜等光学元件。
如图4所示，加工装置10备有用来切削加工被加工体工件W的振动切削单元20;相对工件W支撑振动切削单元20的NC驱动机构30;控制NC驱动机构30动作的驱动控制装置40;给予振动切削单元20所望振动的振动子驱动装置50;向振动切削单元20供给冷却用气体的气体供给装置60;总括控制整个装置动作的主控制装置70。
振动切削单元20是在延伸在Z轴方向的工具部21先端埋入切削工具23的振动切削工具，以切削工具23的高频振动高效率切削工件W。振动切削单元20具有第1实施方式中已作说明的构造。
NC驱动机构30是驱动装置，其构造是在台座31上载置了第1平台32和第2平台33。第1平台32支撑着第1可动部35，该第1可动部35介过夹头37间接支撑着工件W。第1平台32能够使工件W以所望的速度沿例如Z轴方向移动到所望位置。第1可动部35能够使工件W以所望的速度绕平行于Z轴的水平旋转轴RA旋转。第2平台33支撑着第2可动部36,该第2可动部36支撑着振动切削单元20。第2平台33支撑第2可动部36以及振动切削单元20，能够使它们以所望的速度沿例如X轴方向、Y轴方向移动到所望位置。第2可动部36还能够使振动切削单元20以所望的速度绕平行于Y轴的铅直旋转轴PX仅旋转所望的角度量。尤其是通过适当调整振动切削单元20在第2可动部36的固定位置和角度等、将振动切削单元20的先端点配置在铅直旋转轴PX上，能够使振动切削单元20绕其先端点仅旋转所望的角度。
上述NC驱动机构30中，第1平台32和第1可动部35构成驱动工件W的被加工体驱动部，第2平台33和第2可动部36构成驱动振动切削单元20的工具驱动部。
驱动控制装置40能够进行高精度的数值控制，在主控制装置70的控制下，通过驱动内藏于NC驱动机构30的马达和位置传感等，使
15第1、第2平台32、 33及第1、第2可动部35、 36适当动作，到达目的状态。例如可以通过笫1、第2平台32、 33使振动切削单元20工具部21先端所设的切削工具23先端的加工点以低速在平行于XZ面的面内沿设定的轨迹相对工件W作相对移动(进给动作)，与此同时，通过第1可动部35使工件W以高速绕水平旋转轴RA旋转。其结果是能够在驱动控制装置40的控制下将NC驱动机构30用作高精度的车床。此时，第2可动部36能够使切削工具23先端以与切削工具23先端相对应的加工点为中心绕铅直旋转轴PX适当旋转，能够将切削工具23先端设定在对于工件W被加工点所望的姿势(倾斜度)。
振动子驱动装置50用来向振动切削单元20中内藏的振动源供电，能够通过内藏的振荡回路、PLL回路，在主控制装置70的控制下，使工具部21先端以所望的振动数及振幅作振动。详细在后面叙述，工具部21先端能够作垂直于轴(延伸在切入深度方向的工具轴A X )的挠曲振动和沿着轴的轴向振动，通过其2维振动或3维振动，工具部21先端、即切削工具23能够向工件W表面进行高效率微细加工。
气体供给装置60是用来冷却振动切削单元20的装置，备有供给被加压的干燥空气的气体状流体源61;作为温度调整手段的温度调节部63，使来自于气体状流体源61的加压干燥空气穿过由此调节其温度；作为流量调整手段的流量调节部65，进行穿过温度调节部63的加压干燥空气的流量调节。气体状流体源61是通过向利用了例如热工程和干燥器等的干燥机中送入空气而使空气干燥，用压气机使干燥空气升压至所望气压。图示作了省略，温度调节部63具有例如使冷媒循环于周围的流路和设在该流路中途的溫度传感，通过调节冷媒的温度和供给量，能够将流路中通过的加压干燥空气调节到所望的温度。流量调节部65有例如阀门和流量控制器(没有图示)，能够调节向振动切削单元20供给温度调节后的加压干燥空气时的流量。
图5是工件W加工说明放大平面图，加工采用图4所示的加工装置10。如上所述，工具部21的先端部21a在例如YZ面内作高速振动。工具部21的先端部21a由图4的NC驱动机构30驱动，相对被加工体工件w在例如xz面内描绘所定轨迹地慢慢移动。即工具部21的进给动作被进行。被加工体工件W由图4的NC驱动机构30驱动，以一定速度绕平行于Z轴的旋转轴RA旋转(参照图4)。由此工件W的车削加工成为可能，能够对工件W形成绕旋转轴RA旋转对称的例如被加工面S A (例如凹凸的球面、非球面等曲面，还有相位元件等的高低面)。此时，利用第2平台33，使工具部21的切削工具23的尖端绕平行于Y轴方向的旋转轴PX旋转，由此使切削工具23先端的振动面(椭圆轨道EO)略垂直于工件W上必须形成的被加工面SA。这样，因为能够将工具刀刃的加工点维持在加工中略1点，因为能够实现向加工点的效率良好的振动传递和不依存于刀刃形状的高精度振动切削，所以能够提高被加工面SA的加工精度，使被加工面SA更加光滑。另外，因为工件W加工中，从工具部21先端的开口91a向切削工具23的先端高速喷出加压干燥空气，所以，不仅能够有效地冷却切削工具23和被加工面SA，还能够通过加压干燥空气的温度和流量^f吏切削工具23和,皮加工面Sa的温度不超出一定范围。该加压干燥空气因为是介过贯通工具部21轴心的贯通孔91被导入，流经振动体82、轴向振动子83、平衡器85等内部，所以，能够通过加压干燥空气的温度和流量来调整振动体82等的温度。如上所述，因为通过调整加压干燥空气的温度能够使振动体82的温度安定，所以，其结果是能够降低被撑持在其先端的切削工具23刀刃位置的温度偏差，能够以高精度得到再现性高的切削加工面。[第3实施方式]
以下，对第3实施方式涉及的成型模具作说明。图6 ( a )、图6(b )是釆用第1实施方式的振动切削单元20制作的成型模具(光学元件用成型模具)的说明图，图6 ( a )是固定型、即第l模具2 A的侧面截面图，图6 ( b )是可动型、即第2模具2 B的側面截面图。两模具2A、 2B的转印光学面3a、 3b由图4等所示的加工装置IO加工而成。即，将两模具2A、 2 B的母材(例如超硬材料)作为工件W固定到夹头37上，使振动子驱动装置50等动作，在振动切削
17单元20上形成驻波同时使切削工具23高速振动。与此并行地使驱动控制装置40适当动作，使振动切削单元20的工具部21先端相对工件W作3维任意移动。这样，模具2 A、 2B的转印光学面3a、 3b不局限于球面、非球面，还可以做成高低面、相位构造面、衍射构造面。
图7是用图6 ( a )的模具2 A和图6(b)的模具2 B模压成型的透镜L的截面图。没有图示，但模具2 A、 2 B的转印光学面3a、 3 b具有高低面、相位构造面、衍射构造面等情况时，透镜L的成形光学面也具有高低面、相位构造面、衍射构造面等。透镜L的材料不局限于塑料，也可以是玻璃等。还可以通过第2实施方式的加工装置直接制作透镜等光学元件。[第4实施方式]
图8是本发明第4实施方式涉及的振动切削单元的构造说明截面图。第4实施方式涉及的振动切削单元是图3 ( a )、图3 ( b )等中所示的振动切削单元的变形。
振动切削单元的工具部121是在先端部121a中由固定螺丝125及螺母127支撑切削工具23，此时，固定螺丝125作为第1紧固部件被固定在先端部121a,螺母127作为第2紧固部件被螺合到固定螺丝125而固定。固定螺丝125及螺母127中，固定螺丝125的螺丝头125h被配置成埋在先端部121a下面形成的凹部121r中，固定螺丝125在固定孔21h的内周面以及对着螺丝头125h上面及侧面的凹部121r底部(上面)和内周面，通过焊接被固定。螺母127能够柠入固定螺丝125的螺身部分125s。此时因为切削工具23的固定部分23e被螺母127和先端部121a上平坦的支撑面121x夹住紧固，所以，防止了切削工具23的分离，确保了切削工具23在先端部121a的确切固定。
此时，固定螺丝125的抗拉强度大于螺母127的抗拉强度。这是考虑到因为固定螺丝125被固定在先端部121a中所设的凹部12r底面上，固定螺丝125破损的话必须交换先端部121a。[加工实施例1 ]以下说明加工实施例，加工中釆用实施方式的振动切削单元20。为了防止由于发热和周围温度变化引起刀刃位置发生较大变化，振动体82采用不锈钢因钢材。如前面所述，因钢材的抗拉强度较小，用以往的固定具反复拆装切削工具23时，固定具螺丝很快就变形，不能牢固地固定切削工具23。在此，用上述实施方式所述的固定螺丝25及螺母27来固定切削工具23。具体是采用S CM 4 3 0 (抗拉强度90 0 N / mm2 )作为螺母27,采用S U S 4 2 0 J 2 (抗拉强度78 0 N / mm2 )作为固定螺丝25，由此在振动体82上牢固地固定切削工具23,实际进行了振动切削加工。
振动切削加工采用超精密车床，其相当于图4所示的加工装置10。如图4所示，在相当于台座31的定盘上装有第1平台32和第2平台33，其中，第1平台32含有在Z轴方向驱动的Z轴平台；第2平台33含有在X轴方向驱动的X平台。第l平台32上装有第l可动部35，其中包括用来使工件W旋转的主轴，第2平台33上装有第2可动部36,其中包括用来调整切削工具23姿势的旋转轴。
工件W材料采用夕》力'口 4公司制造的T 4夕口 7 口 4 F(硬度HV - 1 8 5 0 )。本实施方式中，为了简便判断振动切削是否正常进行，以必须在工件W上形成的加工形状为平面。
切削中使用的切削工具23，其金刚石制的加工用尖端23c是R鋈子，掬取面Sl开口角e为6 0°，先端为圆弧形状。切刃掬取面S 1先端的圓弧半径为0 ， 8 mm，掬取面S 1先端的后角a为1 0 °，掬取面S l在切入点所成的角度为-2 5°。此时，加工用尖端23c的切入量为3nm。釆用振动切削单元20的振动切削，分别在轴向和挠曲方向振动，刀刃轨迹相当于圆运动或椭圆运动。其结果能够用掬取面Sl进行掬起切削，所以与通常不是振动切削的加工相比，即使是延性方式切削也能够增大数倍切入量。
对根据本实施例的振动切削所得到的加工面，使用WY K O公司制造的表面粗糙度测定器HD 3 3 0 0测定了光学面粗糙度，得到平均表面粗糙度R a 3 . 6 nm之结果，得到了良好的光学镜面。另夕卜，用微分干涉显微镜观察了上述加工面，在该加工面上没有发现表示切
削工具23细微异常振动的颤动模样。 [力口工实施例2 ]
与加工实施例1的情况相同，振动体82采用不锈钢因钢材。采用 抗拉强度非常大的高速钢(抗拉强度2 6 0 0N/mm2)作为螺母 27,采用S CM 4 3 5 (抗拉强度9 3 0 N / mm2 )作为固定螺丝 25，由此在振动体82上牢固地固定切削工具23,实际进行了振动切 削加工。
振动切削加工与加工实施例1的情况相同，釆用超精密车床，其 相当于图4所示的加工装置10。
工件W材料采用夕》力'口 4公司制造的T <夕口 T 口 4 F(硬度 HV = 1 8 5 0 )。以必须在工件W上形成的加工形状为非球面光学 面形状。加工目的的非球面光学面形状是近似R为0 . 9mm程度的 凹面形状，中心曲率半径为1.33 mm、最大估计角为6 5 。之小而 深的凹光学面。预先用放电加工对工件W上成为光学面的面形成凹球 面，进一步采用轴分辨力为1 0 0 nm程度的通用性高精度研磨加工 机，从近似球面形状向非球面形状进行去粗糙研磨加工。该去粗糙研 磨加工时使用电镀磨石，在反复形状修正的同时，以短时间最终加劲 至形状精度lnm程度，完成基础非球面形状。
最终切削中使用的切削工具23,其金刚石制加工用尖端23c是R 錾子，其掬取面Sl开角e为3 0°，先端为圆弧形状。切刃掬取面S 1先端的圆弧半径为0 . 8 mm,掬取面S 1先端的后角a为5 °，掬 取面S 1在切入点所成的角度为-2 5 °。此时的加工用尖端23c的切 入量为2 nm。装有工件W的第1可动部35的主轴旋转数为3 4 0 r pm，以进给速度O. 2mm/mi n进行了切削加工，另外，控制 装有振动切削单元20的第2平台33旋转轴，使切削工具23的轴振动 方向与加工形状的设计光学面的法线方向一致地实施了形状创制加 工。
用显微镜对根据本实施例的振动切削所得到的加工面进行了观
20察，同样发现有振动切削振动周期的规律性切削痕迹，但是没有发现
以往振动装置所出现的伤痕。另外，使用WYKO公司制造的表面粗 糙度测定器HD 3 3 0 0测定了光学面粗糙度，得到平均表面粗糙度 Ra3. lnm之结果，得到了良好的光学镜面。加工面的形状误差 (形状精度)能够通过作1次形状修正加工使提高到0 、 0 5 nm P V。另外，利用上一个工件W切削加工时使用的切削工具23和使上 一个工件W的切削加工形状得以修正而重新制作的NC程序，对别的 工件W"切削加工了光学面，结果，得到了与上一个工件W几乎同等 的表面粗糙度和形状精度，确认了优异的加工再现性。
以上结合实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上 述实施方式。例如，固定螺丝25和螺母27的材料只要满足抗拉强度 有关的大小关系，不局限于高速钢、超钢和金、马氏体类不锈钢、析 出硬化类不锈钢、SCM钢等，也可以是其他钢材。
另外，上述实施方式中是通过焊接将螺母27等固定在先端部21a 上的，但也可以通过熔接等将螺母27固定在先端部21a上。
另外，也可以适当变更振动切削单元20中的先端部21a的形状、 切削工具23的装配方法。
另外，也可以根据用途，适当变更振动切削单元20中的振动体 82、轴向振动子83整体的形状和尺寸。另外，在振动切削单元20不 太被加热的情况时，可以不拘泥振动体82的尺寸变化，所以不需要供 给加压干燥空气。另外，图4的气体供给装置60中，也可以不用空气 而采用气体状流体和氮气体等惰性气体等，其中，气体状流体中添加 了作为对油等其他润滑要素等进行了雾化的溶媒和粒子。
另外，主要对在上述加工装置10中的车削进行了说明，但也可以 将图1所示的切削振动体和图4所示的加工装置10改为支配加工用。
权利要求
1. 一种切削用振动体，备有支撑切削工具的支撑部分；固定在所述支撑部分上的第1紧固部件；与所述第1紧固部件一起，将所述切削工具拆装可能地固定在所述支撑部分上的第2紧固部件；其中，所述第1紧固部件具有大于所述第2紧固部件的抗拉强度，切削用振动体将被给予的振动传递给所述切削工具。
2. 权利要求l中记载的切削用振动体，其中，所述第1紧固部件 是螺母，所述第2紧固部件是螺合在螺母中的螺杆。
3. 权利要求2中记载的切削用振动体，其中，所述螺杆穿在所述 切削工具上设有的固定用的孔中，所述切削工具被夹持、固定在所述 支撑部分的支撑面与所述螺杆头之间。
4. 权利要求2中记载的切削用振动体，其中，所述螺母被固定在 所述支撑部分上。
5. 权利要求4中记载的切削用振动体，其中，所述螺母是用焊接 固定在所述支撑部分上。
6. 权利要求1至5的任何一项中记载的切削用振动体，其中，所 述切削用振动体用低线膨胀材料形成。
7. 权利要求1至6的任何一项中记载的切削用振动体，其中，所 述第1紧固部件用包括高速度工具钢、超硬合金、马氏体类不锈钢、 析出硬化类不锈钢及S CM钢之群类的至少l种材料形成。
8，权利要求1至7的任何一项中记载的切削用振动体，其中，所 述第1紧固部件的抗拉强度为9 0 0 N / mm2 ~ 3 0 0 0 N / mm 2，所述第2紧固部件的抗拉强度为7 0 0 N / mm2 ~ 1 9 0 0 N / m m 2 。
9. 权利要求1至8的任何一项中记载的切削用振动体，其中，所 述第1紧固部件具有大于所述第2紧固部件1.2倍以上的抗拉强度。
10. 权利要求1、 6至9的任何一项中记载的切削用振动体，其中， 所述第1紧固部件是螺杆，所述第2紧固部件是螺合在所述螺杆中的螺母。
11. 一种振动切削单元，备有权力要求1至10的任何一项中记 载的切削用振动体；通过给予所述切削用振动体振动，介过该切削用 振动体使所述切削工具振动的振动源。
12. 权利要求11中记载的振动切削单元，其中，进一步备有被所 述切削用振动体支撑的所述切削工具。
13. —种加工装置，备有权利要求11或12中记载的振动切削 单元；通过驱动使所述振动切削单元变位的驱动装置。
14. 一种成型模具，采用权利要求11或12中记载的振动切削单 元加工创制，具有转印光学面，用来成形光学元件的光学面。
15. —种光学元件，釆用权利要求11或12中记载的振动切削单 元加工创制。
全文摘要
第1紧固部件27的抗拉强度大于第2紧固部件25的抗拉强度。反复拆装切削工具23时，抗拉强度较小的第2紧固部件25有所劣化，但只要交换第2紧固部件25就足够，能够防止第1紧固部件27的破损降低振动体82的交换频度。作为第1紧固部件27的材料，可以使用高速钢、超硬合金、SCM钢(铬钼钢)等。作为第2紧固部件25的材料，可以使用超硬合金、SCM钢等。
文档编号B23B1/00GK101489705SQ20078002684
公开日2009年7月22日 申请日期2007年7月4日 优先权日2006年7月21日
发明者今井利幸, 细江秀 申请人:柯尼卡美能达精密光学株式会社