曲面切削加工方法 【技术领域】
本发明涉及适用于由切削加工形成透镜面或透镜成形用金属模中的透镜面成形用金属模成形面等的曲面场合的曲面切削加工方法。又，涉及由切削加工形成曲面的透镜及其透镜成形用金属模。
背景技术
光拾波器装置等中使用的物镜的透镜面加工或其金属模的成形面加工是通过车床的仿形加工来进行地。车削加工中使用的刀具的刀头呈圆弧状，模仿所需要的透镜形状使该刀头移动。又，在透镜面上附加火焰(ブレ-ズ)形状时，使用圆弧状刀头的角尽可能尖的形状的刀具进行透镜面和火焰状的台阶形状的切削。
在使用具有圆弧状刀头的刀具切削透镜面时，在切削加工中与透镜坯料的表面接触的刀头区域沿着透镜形状移动。因此，在车床进行切削时，需要根据刀具的刀头半径和透镜形状进行形状补正。
又，由于圆弧状刀头的切削区域根据透镜形状进行移动，因此，要想将由通常使用的形状测定装置的测定结果直接反馈作成补正数据是困难的。
并且，由于圆弧状的刀头相对于透镜坯料的表面以点接触状态推靠并进行切削动作，因透镜形状的不同，圆弧状刀头上用于切削的区域很容易发生偏差，即在圆弧状刀头上各部分的使用频度上容易发生偏差。一旦刀头各部分的使用频度发生偏差，则因使用频度高的部分加快磨损，故会降低刀具的寿命。
并且，在透镜面上进行火焰状部分切削时使用的是具有带有尽可能小的圆弧曲率半径的角的圆弧状刀头的刀具，但在切削透镜面时主要是使用靠近于角的圆弧状的刀头部分。因此会加快角与该角邻接的圆弧状刀头部分的磨损。刀头的角及其邻接部分的磨损一旦增加，则在形成的火焰状部分台阶的拐角等处会出现塌边而无法进行高精度台阶的切削。
本发明的目的在于提供一种通过防止刀具刀头的偏磨损、进而防止刀具寿命降低并可简单地进行切削时刀具定位的曲面切削加工方法。
【发明内容】
为了实现上述目的，本发明的曲面切削加工方法是一种由刀具切削坯料表面以形成所定曲面的加工方法，其特征在于，
使所述刀具的刀头形状成两端带角的平坦形状，
决定该刀具的刀头姿势，使该刀具的刀头棱角线相对于引出至所述曲面的接线为平行，
使用保持该姿势的所述刀具的刀头一边对所述坯料表面进行切入，一边沿一定方向进行送进动作，在所述坯料表面上形成与刀具刀头宽度相对应的宽度的带状切削加工面，
在每形成1个带状的所述切削加工面后，使所述刀具刀头离开所述坯料表面，使该刀具刀头朝所述刀具送进方向的正交方向相对于该切削加工面移动小于所述刀具刀头宽度的距离，在该切削加工面的邻接位置上形成新的带状的所述切削加工面。
在本发明的曲面切削加工方法中，使用直线状刀具的刀头整体进行切削。由此，与刀头形状呈圆弧状地进行点接触状态切削的场合相比较，因刀头磨损少，不会发生偏磨损，故可延长刀具的寿命。
又，由于与加工对象的曲面形状无关，而是将整个刀具刀头作为切削区域来使用，同时将刀头棱角线保持为与引出至曲线的接线平行，因此，可简单地进行刀具刀头的位置控制。例如，为了进行刀具刀头的定位控制，若将刀头棱角线的中心位置作为该刀具刀头的位置座标使用，则可将形成的切削加工面的形状偏差直接作为刀具刀头的定位控制用的位置座标(切入补正量)来使用。
并且，由于相对于由1次切削工序形成的1个切削加工面形成了邻接位置上形成的新的切削加工面部分重合的形态，因此，即使刀具刀头的两端侧发生了磨损也不会产生切削残余，可防止因磨损造成的切削加工误差增加。
其中，在对回转对称的曲面进行切削加工时可采用车床切削。即，通过由所述刀具车削所述坯料的表面，即可在该坯料表面同心状地形成多个轮带状的所述切削加工面。
又，在形成邻接的新的带状的所述切削加工面时，所述刀具最好仅移动该刀具刀头宽度的10％～50％范围内的距离。这样，若在重合状态下进行切削加工，则能可靠地防止因刀具刀头磨损引起的切削残余和切削加工误差的增加。
并且，在本发明的切削加工方法中，利用平坦的所述切削加工面，可微观地获得近似于曲面状态的加工面。然而，当加工对象的所述曲面的曲率半径为R、相对该曲面的设计尺寸的容许误差为a的场合，若所述刀具刀头宽度为2√(2aR-a2)以下，则能以容许误差范围内的误差进行曲面形状切削加工。当然该宽度越狭，越能切削加工高精度的曲面。
在本发明的切削加工方法中，通过使用所述刀具刀头的所述角来切削所述坯料表面，也可在该表面上形成台阶部。
在此场合，最好是将所述刀具刀头的所述角的角度规定为90度，但从刀具制造的容易性等的实用方面考虑，也可将值设定为90度～120度范围内。
在本发明的方法中，使用两端带角的平坦形状的刀具刀头进行曲面切削加工和台阶部的切削。与使用圆弧状的刀具刀头的角来切削台阶部的场合相比较可减少刀具刀头的磨损，又，利用两端的角也能对某一方向的台阶部进行切削加工。
又，平坦形状的刀具刀头的角的曲率半径非常小，呈非常尖锐形状，可获得比使用圆弧状的刀具刀头场合还要陡直得多的台阶形状。
其中，若将刀头宽度规定为10μm以上，则容易制作，也有利于延长寿命和强度，加工也无问题，故具有实用性。
又，若进一步减小刀头宽度，则可进行更加微细的切削，但从制作上的问题和强度上的问题等考虑，以5μm～10μm的范围为实用。这是因为采用这种程度的宽度，强度方面虽差一点但寿命方面无问题的缘故。
其次，本发明的曲面切削加工方法适合光拾波器装置的物镜等的透镜面切削加工使用。
在此场合，对于透镜凸曲面或凹曲面上带有同心状的台阶部的透镜面通过使用所述刀具刀头的所述角对所述坯料表面进行切削，可在该表面形成所述台阶部。
同样，本发明的曲面切削加工方法适用于透镜成形用金属模中的透镜面成形用的金属模成形面的切削加工。在此场合也可通过使用所述刀具刀头的所述角对所述坯料表面进行切削，在该表面形成与透镜面带有的台阶部相对应的所述台阶部。
又，使用由本发明的曲面切削加工方法制作的透镜成形用金属模成形的透镜，可高精度地对台阶部等进行成形。
综上所述，采用本发明的曲面加工方法，将从刀具送进方向看的刀具刀头形状制成两端带角的平坦形状，在刀具刀头棱角线相对加工对象的坯料表面形成平行的状态下将该刀具的刀头沿与该处应形成的曲面的接线方向抵靠后进行一定方向的送进动作，由此形成一定宽度的切削加工面。又，在与这一切削加工面的邻接位置部分重合的状态下通过重复进行形成新的切削加工面的动作，由一定宽度的切削加工面形成近似于坯料表面的曲面。
这样，采用本发明的方法，因使用整个刀具刀头进行切削，故可有效地利用刀具刀头，又由于使用圆弧状的刀头，不会发生刀头的偏磨损，因此可延长刀具寿命。并且，使用圆弧状的刀头不会产生切削位置的变动，故可容易地进行刀具刀头的定位控制，又可便于形状误差的补正控制。
又，由于邻接形成的切削加工面形成为相互重合，因此可防止或抑止因刀具刀头磨损引起的切削残余的发生以及形状误差的增加。
附图的简单说明
图1(a)为表示由适用本发明的切削方法进行切削加工的透镜金属模中的透镜面成形面的局部平面图、(b)为其局部剖面图、(c)为放大表示该透镜面成形面的局部放大剖面图、(d)为使用该透镜金属模成形的透镜的剖面图。
图2为表示图1所示的透镜金属模的切削加工用的刀具刀头形状的说明图、以及表示使用该刀具的切削加工动作的说明图。
图3为表示刀具的刀头宽度定位方法的说明图。
图4(a)为表示由适用本发明的切削方法进行切削加工的透镜金属模中的透镜面成形面的局部剖面图、(b)为表示其台阶部分的切削状态的说明图、(c)为表示另一台阶部分的切削状态的说明图、(d)为使用该透镜金属模成形的透镜的剖面图。
【具体实施方式】
下面参照附图说明适用本发明方法的透镜金属模中的形成透镜面用的金属模成形面的切削加工例。
(透镜金属模)
首先，参照图1说明由本例的切削加工得到的透镜金属模。图1中，(a)为表示由适用本发明的切削方法进行切削加工的透镜金属模中的透镜面成形面的局部平面图、(b)为其局部剖面图、(c)为放大表示该透镜面成形面的局部放大剖面图、(d)为使用该透镜金属模成形的透镜的剖面图。
本例的透镜金属模1用于成形例如构成光拾波器的光学系统的物镜、准直仪透镜、传感器透镜等的透镜5，具有模型本体2和由该模型本体2的上面21中央形成的透镜面成形面31所规定的模腔。通过透镜面成形面31来形成透镜5一方的透镜凸曲面6。
该透镜面成形面31实质上是一种圆弧状的凹曲面，但微观上则是由相对其回转对称的中心即中心轴线L同心圆状形成一定宽度的轮带状切削加工面32(32(1)、(2)…)所规定。各轮带状切削加工面32在从其剖面的宽度方向看时为平坦面。因此，在包含中心轴线L的平面剖切后的场合，如图1(c)所示，将由规定作为目标的透镜曲面的虚线表示的曲线K用由多条同一长度的直线32a组成的多边形来近似。
其中，各轮带状切削加工面32的直线32a对曲线K的最大误差A被设定在相对该透镜曲线K设计尺寸的最大容许误差以内。例如，使用波长650nm的激光的光拾波器装置的透镜场合，容许误差a通常设定为20nm以下。通过将轮带状切削加工面32的宽度如后所述地减狭，可将直线32a对曲线K的最大误差控制在容许误差值以内，这样，可通过多个的轮带状切削加工面32形成实用上无障碍的透镜面成形面31。
(透镜面成形面的切削加工方法)
参照图1和图2说明上述结构的透镜金属模1中的透镜面成形面31的切削加工方法。图2(a)和(b)为表示刀具的刀头形状的说明图以及表示透镜面成形面的切削加工动作的说明图。
首先，如图2(a)所示，从刀具送进方向40一侧看时，本例使用的刀具4的刀头41的形状是一种两端具有角42、43的平坦形状。具体地讲，具有直线状向与刀具切入方向44正交的方向延伸的一定宽度的主切削刃45以及从其主切削刃45的两端、以左右同一角度θ倾斜延伸的左右的付切削刃46、47。本例中的角42、43的角度θ设定为90度～120度范围内的值。
其次，采用车削加工方法进行切削加工。在未图示的车床上安装着加工对象的金属模坯料20和刀具4，一边使夹持于回转轴的金属模坯料20以其中心轴线L为中心进行回转，一边进行刀具4的切入和送进动作，在该金属模坯料20的表面进行切削加工。
在此，参照图1(c)进行说明，在规定透镜面成形面31的设计曲线K上通过主切削刃45的中心向规定透镜面成形面31的设计曲线K引出1条刀具4的刀头棱角线即法线V。在该法线V交叉的曲线K的位置引出1条该曲线的接线T(1)。本例中，规定刀具4的刀头41的姿势必须是刀头棱角线对该接线T(1)呈平行。在保持这种姿势的状态下，由刀具4的刀头41沿曲线K的法线V方向对金属模坯料20的表面进行切入。因金属模坯料20正在以其中心轴线L为中心进行回转，换言之，由于刀具的刀头41正在沿圆周方向送进，故通过1次切入动作形成了与刀具刀头宽度W同一宽度的1个轮带状切削加工面32(1)。图示例中，从透镜面成形面31中最外周侧部分开始切削。
在形成1个轮带状切削加工面32(1)之后，如图2(b)的箭头所示，刀具4的刀头41一旦从金属模坯料20的表面分离，该刀具刀头41就朝面向该切削加工面32(1)的、与刀具的送进方向40正交的方向(本例中的半径方向的内侧)移动比刀头41的刀头宽度W小的距离。移动量在刀具刀头宽度W的10％～50％范围内即可。然后，将刀具刀头41推靠在金属模坯料20的表面，即通过切入在邻接部分形成第2个轮带状切削加工面32(2)。
通过重复这种切削动作形成图1所示的同心状形成的多个一定宽度的轮带状切削加工面32，由此，形成作为整体的凹曲面状的透镜面成形面31。
接着，如图3所示，在本例的切削加工方法中，透镜面成形面30通过将同一长度的直线32a连接形成的多角形而成为剖面形状近似于透镜设计曲线K的切削加工面。因此，直线32a与曲线K交叉状切入时发生的相对曲线K的误差在直线32a的两端与曲线K连接时或直线32a与曲线K连接时为最大。
即，将刀头41平行状地推靠于引出至曲率半径R的透镜设计曲线K的接线T，在刀头宽度方向的两端42、43正好切入至与曲线K相接位置的状态、或者在刀头41切入到与接线T一致的状态时，发生最大误差A。这样，将该最大误差A控制在设计容许误差a以内即可。由此，可将刀头宽度W设定成下列公式。
W＜2(2aR-a2)
例如，在光拾波器装置用的透镜中，该透镜面的曲率半径R为2mm、容许误差a为20nm时，将刀头41的刀头宽度W设定在17μm以下即可。又，在透镜的曲率半径R为2mm、容许误差a为10nm时，可将刀头41的宽度W设定在12μm以下。若刀头宽度大于10μm，则容易制作，寿命和强度方面均良好，并且加工方面也无问题，具有实用性。又，若刀头宽度更狭小，则可进行更加细微的切削，但考虑到制作上和强度上的问题等，最好是控制在5μm～10μm范围。这是因为若是这种程度的宽度，强度虽然稍差一些，但寿命方面无问题。
这样，一旦决定了刀头宽度，若将刀具的刀头宽度W设定为5μm，只要是属于目前作为光拾波器用透镜的常用的曲率半径R为毫米级的透镜，就可采用本发明的切削加工方法对透镜面形状进行切削加工。
(火焰形状及其台阶形状的切削方法)
其次，本例的刀具4的刀头41在其两端带有角42、43，故利用这些角也能进行带有火焰的透镜成形用的透镜金属模的切削加工。
图4(a)、(b)、(c)、(d)分别是表示透镜面成形面具有火焰形状和台阶形状的透镜金属模的局部剖面图、表示其台阶部分的切削状态的说明图、表示另一台阶部分的切削状态的说明图以及用该透镜金属模成形的透镜的剖面图。
如这些图所示，透镜金属模1A具有形成模型本体2的透镜面成形用凹部3，在透镜面成形用凹部3的内周面，从外周侧至内周侧形成有台阶部分34和火焰状部分35。台阶部分34在平面部分34a的两端中，相对加工模型本体2时成为工件的回转轴的中心轴线L，外侧形成有竖立状的端部34b，火焰状部分35在平面部分34a的两端中，相对中心轴线L，内侧形成有竖立状的端部35b。
在形成这些台阶部分34和火焰状部分35时，由刀具4上的主切削刃45进行平面部分34a、35a的切削，利用角42、43切削端部34b、35b。刀具4的付切削刃46、47相对主切削刃45以90度～120度的角度立起。这样，通过将刀具4推靠至工件，可由付切削刃46、47加工成台阶部分34和火焰状部分35中端部34b、35b的竖立形状。
又，利用刀具4一方的角，相对台阶部分34的中心轴线L从外侧形成竖立状的端部34b。利用另一方的角，可在火焰状部分35上的中心轴线L侧形成竖立状的端部35b。这样，即使台阶部分34和火焰状部分35的竖立方向相反，也可进行加工而不用更换刀具4。
(其它实施例)
上述的各例中，本发明的曲面切削加工方法适用于光拾波器装置的透镜金属模1、1A中的透镜面成形面的切削加工。然而，本发明也同样适用于直接切削加工透镜面的场合。又，也可适用于透镜以外的光学元件中的曲面切削加工。也可适用于光学元件以外的坯料中的曲面切削加工。