專利名稱：非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法。
具有橢圓面、旋轉(zhuǎn)拋物面、旋轉(zhuǎn)雙曲面這種非軸對稱非球面的反射鏡(以下，稱為非軸對稱非球面鏡)是作為反射X射線、激光、可見光等，使其聚光或發(fā)散的光學(xué)器件使用的。例如，

圖1A所示的旋轉(zhuǎn)橢圓面鏡具有兩個焦點(diǎn)F1、F2，具有通過一方的焦點(diǎn)F1的光在橢圓面鏡上反射，通過另一方的焦點(diǎn)F2的特征。而且，這種橢圓面鏡具有來自焦點(diǎn)F1的光高精度地匯聚在焦點(diǎn)F2上的特性。即，如圖1B所示，例如位于焦點(diǎn)F1的直徑為1mm的光源通過旋轉(zhuǎn)橢圓面鏡在焦點(diǎn)F2處匯聚成200分之一至1000分之一，高度聚光成數(shù)微米。因此，利用這一特性，提高了來自X射線管的較弱X光的光強(qiáng)度，可用于利用了吸收光線的化學(xué)分析，土壤分析等中，或者可將激光的光束匯聚成較細(xì)，用于激光刀之外的激光應(yīng)用儀器中。
為了發(fā)揮作為上述的非軸對稱非球面鏡的目的的功能，必須將非軸對稱非球面鏡的反射面的形狀精度加工成使用的光的波長λ的四分之一以下(例如0.3μm以下)，并且必須使反射面的表面粗度為4埃(0.4nm)以下。
但是，這種超精密鏡面的加工若通過現(xiàn)有的加工方式則需要很長的時間(例如數(shù)月以上)，因此具有在非軸對稱非球面鏡的利用上產(chǎn)生障礙的問題。
即，在現(xiàn)有的加工方式中，通過研磨或通常的磨削將表面粗度加工到加工極限的Rmax1～2μm(1000～2000nm)，然后通過拋光精加工到必須的表面粗度(例如數(shù)埃)，但由于拋光的留量必須為通常加工前的表面粗度的10倍左右，所以實(shí)際上必須要通過拋光加工10～20μm，存在拋光的留量(加工量)大的問題。因此，在將彈性變形的工具不傷及光學(xué)器具表面地輕輕按壓在其上，供給微細(xì)磨粒而研磨的現(xiàn)有的拋光中，要加工10～20μm則需要數(shù)個月的時間。
而且，由于通過拋光除去10～20μm時，除去了研磨或磨削時表面的加工變形，所以存在表面和基準(zhǔn)面的形狀精度惡化的問題，為了獲得超精密鏡面所必須的形狀精度(λ/4以下)，必須要在拋光后對基準(zhǔn)面再加工，再次重復(fù)拋光，直至重復(fù)到必要的精度為止。另外，還存在重復(fù)之際，光學(xué)器件的基準(zhǔn)面上易產(chǎn)生偏離的問題。
而且，如圖2A、圖2B、圖2C所示，非軸對稱非球面鏡(本例中為旋轉(zhuǎn)橢圓面鏡)當(dāng)為了在矩形的塊材(石英等)的表面上加工出曲率較大的曲面，而采用與材料表面(圖2C的上面)垂直的以軸為中心旋轉(zhuǎn)的加工工具(例如球狀凸頭砂輪)時，其下面中心處的加工效率低，并且表面粗度差，相反，當(dāng)采用具有與材料表面(圖2C的上面)平行的旋轉(zhuǎn)軸的加工工具(例如圓筒形砂輪)時，存在著為了避免與材料的干擾而旋轉(zhuǎn)軸加長，因其變形的影響而加工精度惡化的問題。
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的。即，本發(fā)明的目的在于通提供一種可在短時間內(nèi)高精度地制作具有高形狀精度和優(yōu)良的表面粗度、能夠正確地反射或吸收光的非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法，其特征在于，具備由以軸心Y為中心旋轉(zhuǎn)、在其外緣上具有半徑為R的圓弧面2a的圓板狀金屬結(jié)合劑砂輪2，與該砂輪隔以間隔、相對向的電極4，將導(dǎo)電性液體流入砂輪和電極之間的噴嘴6以及在砂輪和電極之間外加電壓的外加裝置8構(gòu)成，通過電解對砂輪進(jìn)行修整，同時對被加工物1進(jìn)行磨削加工的電解在線修整裝置10；以與上述旋轉(zhuǎn)軸Y垂直的X軸為中心旋轉(zhuǎn)、對上述圓弧面進(jìn)行精修的旋轉(zhuǎn)式工具12，在機(jī)上測量上述砂輪的圓弧面形狀和被加工物1的加工面形狀的形狀測量裝置14以及沿X、Y、Z三軸方向?qū)ι鲜錾拜嗊M(jìn)行數(shù)值控制的數(shù)值控制裝置16；通過數(shù)值控制裝置16使砂輪向三軸方向移動，重復(fù)進(jìn)行精修、磨削加工和機(jī)上測量。
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過數(shù)值控制裝置16使砂輪向三軸方向移動，可通過旋轉(zhuǎn)式工具12正確地對砂輪外緣的半徑為R的圓弧面2a進(jìn)行精修整。而且，通過一邊由電解修整除去砂輪表面磨粒的金屬結(jié)合劑材料一邊進(jìn)行磨削的電解在線修整裝置10，即使磨粒較細(xì)，也不會象通常的磨削那樣產(chǎn)生砂輪的孔眼堵塞，能夠高效率地進(jìn)行高精度加工。另外，由形狀測量裝置機(jī)14上測量精整后的砂輪的圓弧面和磨削加工后的被加工物1的加工面形狀，根據(jù)其測量數(shù)據(jù)對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)正，可進(jìn)行再加工，所以能夠高精度地加工出修正了砂輪磨損和加工誤差的所希望的形狀。
根據(jù)本發(fā)明的方法，在同一裝置內(nèi)具備電解在線修整裝置10、旋轉(zhuǎn)式工具12和形狀測量裝置14，被加工物安裝在共同的安裝裝置上，所以不必將被加工物從安裝裝置上卸下即可重復(fù)進(jìn)行加工和測量，能夠從根本上避免光學(xué)器件基準(zhǔn)面的再加工或再安裝所產(chǎn)生的基準(zhǔn)面偏離。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施形式，被加工物1是加工面相對于金屬結(jié)合劑砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸Y傾斜30度以上60以內(nèi)固定在機(jī)上的。
根據(jù)這一方法，為了能夠?qū)Τ蔀槟繕?biāo)的非軸對稱非球面進(jìn)行加工，即使圓板狀的砂輪直徑遠(yuǎn)小于非軸對稱非球面的最小曲率，也可以避免被加工物1和砂輪旋轉(zhuǎn)軸的干涉，從而不必增加金屬結(jié)合劑砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸長度，因此，可將其位移抑制在最小，維持高加工精度。
而且，相對于被加工物1的加工面，上述砂輪沿其旋轉(zhuǎn)軸Y的方向相對高速地進(jìn)給，同時沿與其垂直的X方向相對低速地移動，進(jìn)行磨削加工。
根據(jù)這一方法，能夠防止砂輪表面的微細(xì)凹凸復(fù)制到被加工物1的加工面上，可獲得表面粗度良好的加工面。
上述形狀測量裝置最好采用激光式形狀測量裝置或接觸式形狀測量裝置。
通過采用激光式形狀測量裝置，能夠從離開的位置在機(jī)上高精度地測量砂輪的圓弧面形狀和被加工物的加工面形狀。而且，通過采用接觸式形狀測量裝置，即使在惡劣的條件下也能夠正確地進(jìn)行機(jī)上測量。
本發(fā)明的其它目的和特征通過參照附圖的下述說明更加明了。
圖1A、圖1B為旋轉(zhuǎn)橢圓面鏡產(chǎn)生的聚光模式圖。
圖2A、圖2B、圖2C為旋轉(zhuǎn)橢圓面鏡的形狀圖。
圖3為本發(fā)明的非軸對稱非球面鏡的加工工序圖。
圖4為適用本發(fā)明的磨削加工裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖5A、圖5B為本發(fā)明的磨削加工方法中砂輪和工件的關(guān)系圖。
圖6為表示本發(fā)明的實(shí)施例所產(chǎn)生的形狀誤差的視圖。
以下，根據(jù)附圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施形式加以說明。另外，各圖中，對共同的部分賦予相同的符號，省略其重復(fù)說明。
圖3為本發(fā)明的非軸對稱非球面鏡的加工工序圖。如圖所示，為了加工非軸對稱非球面鏡，必須要有準(zhǔn)備材料、磨削工序和研磨工序。另外，在以下的實(shí)施形式中，是以非軸對稱非球面鏡為例進(jìn)行說明的，但本發(fā)明并不僅限于此，也適用于具有包含旋轉(zhuǎn)拋物面、旋轉(zhuǎn)雙曲面在內(nèi)的公知的非軸對稱非球面的反射鏡。
圖3中，在準(zhǔn)備材料中，準(zhǔn)備CVD-SiC等陶瓷、石英玻璃等光學(xué)玻璃、單結(jié)晶硅等作為非軸對稱非球面鏡的材料。對這種材料預(yù)先進(jìn)行必要的基準(zhǔn)面加工。
磨削工序在本發(fā)明中是邊進(jìn)行機(jī)上測量(工件安裝在裝置上的狀態(tài)下的測量)邊進(jìn)行粗磨削、中間磨削、精磨削。磨削后的測量評價(jià)是與機(jī)上測量一起，采用三維數(shù)字轉(zhuǎn)換器等進(jìn)行磨削后的形狀再測量并進(jìn)行必要的評價(jià)的。
研磨工序是為了使反射面的表面粗度為優(yōu)良的鏡面而進(jìn)行粗研磨、中間研磨、精研磨。根據(jù)研磨后的測量評價(jià)，對研磨后的形狀和表面粗度進(jìn)行再測量并進(jìn)行評價(jià)。然后，根據(jù)需要進(jìn)行修正拋光，制成最終產(chǎn)品(非軸對稱非球面鏡)。
本發(fā)明的方法涉及上述的準(zhǔn)備材料和磨削工序。
圖4為適用本發(fā)明的方法的磨削加工裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，這種磨削加工裝置具有電解在線修整裝置10，旋轉(zhuǎn)式工具12，形狀測量裝置14和數(shù)值控制裝置16。
電解在線修整裝置10(以下稱為FLID磨削裝置)由以下部件構(gòu)成通過圖中未示出的驅(qū)動裝置以軸心Y(本例中為垂直軸)為中心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的圓板狀金屬結(jié)合劑砂輪2，距該砂輪有微小間隔地相對向的電極4，將導(dǎo)電性液體流入到砂輪2和電極4中間的噴嘴6，在砂輪2和電極4之間外加電壓的外加裝置8。而且，金屬結(jié)合劑砂輪2在其外緣上具有半徑為R的圓弧面2a。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，可一邊通過電解對砂輪2進(jìn)行修整一邊磨削被加工物1。而且，這種ELID磨削裝置10即使將磨粒做得很細(xì)也不會象通常的磨削那樣產(chǎn)生砂輪的孔眼堵塞，能夠以高效率進(jìn)行高精度的加工。
旋轉(zhuǎn)式工具12是通過圖中未示出的驅(qū)動裝置以與砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸Y垂直的X軸(本圖中為水平軸)為中心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的。旋轉(zhuǎn)式工具12例如是圓筒形的金剛石砂輪，通過使其外周面和砂輪2相接觸，可對砂輪2的圓弧面2a進(jìn)行精修。
形狀測量裝置14在本例中為激光式形狀測量裝置，但也可以是接觸式形狀測量裝置。通過采用激光式形狀測量裝置，能夠從離開的位置在機(jī)上高精度地測量砂輪的圓弧面形狀和被加工物的加工面形狀。而且，通過采用接觸式形狀測量裝置，能夠在惡劣的條件下可靠地進(jìn)行機(jī)上測量。
圖4中，形狀測量裝置14由加工面測定用和砂輪面測定用的兩臺激光式形狀測量裝置14a、14b構(gòu)成。加工面測定用的形狀測量裝置14a為了能夠與砂輪2一起移動而安裝在砂輪中圖中未示出的驅(qū)動頭上。而且，砂輪面測定用的形狀測量裝置14b是與被加工物1同樣地固定的。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，通過使加工面測定用的形狀測量裝置14a與砂輪一起移動，能夠在機(jī)上測量砂輪2的圓弧面形狀和被加工物1的加工面形狀。
數(shù)值控制裝置16對砂輪2進(jìn)行數(shù)值控制，使其向X、Y、Z的三軸方向移動，進(jìn)行砂輪2和工具12的接觸產(chǎn)生的精修、砂輪2和被加工物1的接觸產(chǎn)生的磨削加工和形狀測量裝置14的機(jī)上測量。
另外，在本發(fā)明的方法中，如圖4所示，被加工物1是加工面相對于金屬結(jié)合劑砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸Y傾斜30度以上60度以內(nèi)(例如45度)地固定在機(jī)上的，為了能夠?qū)Τ蔀槟繕?biāo)的非軸對稱非球面進(jìn)行加工，即使圓板狀的砂輪直徑遠(yuǎn)小于非軸對稱非球面的最小曲率，也可以避免被加工物1和砂輪旋轉(zhuǎn)軸的干涉，從而不必增加金屬結(jié)合劑砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸長度，因此，將其位移抑制在最小，維持高加工精度。
而且，在本發(fā)明的方法中，如圖4中的兩箭頭所示，相對于被加工物1的加工面，砂輪2沿其旋轉(zhuǎn)軸Y的方向相對高速地進(jìn)給，同時沿與其垂直的X方向相對低速地移動，進(jìn)行磨削加工，防止砂輪表面的微細(xì)凹凸復(fù)制到被加工物1的加工面上，獲得表面粗度優(yōu)良的加工面。
圖5A、圖5B為本發(fā)明的磨削加工方法中砂輪和工件的關(guān)系圖。在該圖中，圖5A為從砂輪2的旋轉(zhuǎn)軸Y的方向所視的圖，圖5B為其A-A剖視圖。
當(dāng)砂輪的旋轉(zhuǎn)面和加工面的法線的夾角為α,Z軸和加工面的法線的法線的夾角為β時，加工面形狀的法線矢量由式(1)所示，式(2)表示工具的相對位置矢量。
另外，加工面的設(shè)計(jì)形狀(例如旋轉(zhuǎn)橢圓面鏡)為式(3)時，可求出式(4)、式(5)。
數(shù)1
z=f(x.y)…(3) α=tan-1(-∂f∂y1+(∂f∂x)2),β=tan-1(-∂f∂x)···(5)]]>因此，通過采用式(1)～(5)計(jì)算出數(shù)值控制中的NC軌跡，即使金屬結(jié)合劑砂輪2的圓弧面2a的半徑R變化，也能夠正確地對加工面進(jìn)行加工。
實(shí)施例采用上述的磨削加工裝置實(shí)施了本發(fā)明的方法。表1為其加工條件。
表1
圖6為表示該實(shí)施例產(chǎn)生的形狀誤差。該圖中，橫軸表示被加工物1的X軸方向的位置，縱軸的■和◆為以右側(cè)的標(biāo)尺表示理想形狀和測定形狀，▲為以左側(cè)的標(biāo)尺表示誤差(=理想形狀-測定形狀)。
從該圖可知，理想形狀和測定形狀幾乎完全一致，其誤差在±0.3μm以內(nèi)，可將非軸對稱非球面鏡的反射面的形狀精度加工到所使用的光的波長λ的四分之一以下(例如0.3μm以下)。
而且，對于反射面的表面粗度，由于采用了ELID磨削裝置10，即使磨粒很細(xì)也不會象通常的磨削那樣產(chǎn)生砂輪的孔眼堵塞，能夠高效率地進(jìn)行高精度的加工，可獲得優(yōu)良的鏡面。
根據(jù)上述的本發(fā)明的方法，通過數(shù)值控制裝置16使砂輪向三軸方向移動，能夠通過旋轉(zhuǎn)式工具12正確地對砂輪外緣半徑為R的圓弧面2a進(jìn)行精修。而且，通過一邊由電解修整將砂輪表面的磨粒中金屬結(jié)合劑材料除去一邊進(jìn)行磨削的電解在線修整裝置10，即使磨粒較細(xì)，也不會象通常的磨削那樣產(chǎn)生砂輪的孔眼堵塞，能夠高效率地進(jìn)行高精度加工。另外，由于通過形狀測量裝置14機(jī)上測量精修后的砂輪的圓弧面形狀和磨削加工后的被加工物1的加工面形狀，根據(jù)其測量數(shù)據(jù)對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)正，可進(jìn)行再加工，從而能夠高精度地加工出修正了砂輪的磨損和加工誤差的所希望的形狀。
而且，根據(jù)本發(fā)明的方法，電解在線修整裝置10在同一裝置內(nèi)具備旋轉(zhuǎn)式工具12和形狀測量裝置14，被加工物安裝在共同的安裝裝置上，所以不必將被加工物從安裝裝置上卸下即可重復(fù)進(jìn)行加工和測量，能夠從根本上避免光學(xué)器件的基準(zhǔn)面再加工或再安裝所產(chǎn)生的基準(zhǔn)面偏離。
如上所述，本發(fā)明的非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法具有能夠在短時間內(nèi)高精度地制作具有高形狀精度和表面粗度、可正確地反射或吸收光的非軸對稱非球面鏡等的良好效果。
另外，本發(fā)明并不僅限于上述的實(shí)施形式，自然可在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。
權(quán)利要求
1．一種非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法，其特征在于，具備由以軸心Y為中心旋轉(zhuǎn)、在其外緣上具有半徑為R的圓弧面(2a)的圓板狀金屬結(jié)合劑砂輪(2)，與該砂輪隔以間隔、相對向的電極(4)，將導(dǎo)電性液體流入砂輪和電極之間的噴嘴(6)以及在砂輪和電極之間外加電壓的外加裝置(8)構(gòu)成，通過電解對砂輪進(jìn)行修整，同時對被加工物(1)進(jìn)行磨削加工的電解在線修整裝置(10)；以與上述旋轉(zhuǎn)軸Y垂直的X軸為中心旋轉(zhuǎn)、對上述圓弧面進(jìn)行精修的旋轉(zhuǎn)式工具(12)，在機(jī)上測量上述砂輪的圓弧面形狀和被加工物(1)的加工面形狀的形狀測量裝置(14)以及沿X、Y、Z三軸方向?qū)ι鲜錾拜嗊M(jìn)行數(shù)值控制的數(shù)值控制裝置(16)；通過數(shù)值控制裝置(16)使砂輪向三軸方向移動，重復(fù)進(jìn)行精修、磨削加工和機(jī)上測量。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法，其特征在于，被加工物(1)是加工面相對于金屬結(jié)合劑砂輪(2)的旋轉(zhuǎn)軸Y傾斜30度以上60度以內(nèi)固定在機(jī)上的。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法，其特征在于，相對于被加工物(1)的加工面，上述砂輪一邊沿其旋轉(zhuǎn)軸Y的方向相對高速地進(jìn)給，一邊沿與其垂直的X方向相對低速地移動，進(jìn)行磨削加工。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法，其特征在于，上述形狀測量裝置采用激光式形狀測量裝置或接觸式形狀測量裝置。
全文摘要
一種非軸對稱非球面鏡的磨削加工方法,具備:具有金屬結(jié)合劑砂輪2的電解在線修整裝置10,旋轉(zhuǎn)式工具12,在機(jī)上進(jìn)行測量的形狀測量裝置14以及沿X、Y、Z三軸方向?qū)ι拜嗊M(jìn)行數(shù)值控制的數(shù)值控制裝置16;通過數(shù)值控制裝置16使砂輪向三軸方向移動,重復(fù)進(jìn)行修整、磨削加工和機(jī)上測量。因此,能夠在短時間內(nèi)高精地制作具有高形狀精度和優(yōu)良的表面粗度,可正確地反射或吸收光的非軸對稱非球面鏡。
文檔編號B24B49/04GK1311079SQ0111094
公開日2001年9月5日 申請日期2001年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月3日
發(fā)明者大森整, 山形豐, 守安精, 森田晉也, 加田勝彥, 吉良英隆, 笹井浩行, 川田勝 申請人:理化學(xué)研究所, 株式會社島津制作所