特表 2024-521676 マイクロメカニカル部品を機械加工するための工作機械、及び前記工作機械によって実施される機械加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-04

(54)【発明の名称】マイクロメカニカル部品を機械加工するための工作機械、及び前記工作機械によって実施される機械加工方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/404 20060101AFI20240528BHJP

   B23Q 17/20 20060101ALI20240528BHJP

   B23Q 17/24 20060101ALI20240528BHJP

   B23Q 3/12 20060101ALI20240528BHJP

   B23Q 17/22 20060101ALI20240528BHJP

   B23K 26/36 20140101ALI20240528BHJP

   B23H 1/00 20060101ALI20240528BHJP

   B23H 5/00 20060101ALI20240528BHJP

【ＦＩ】

G05B19/404 K

B23Q17/20 A

B23Q17/24 Z

B23Q3/12 J

B23Q17/22 A

B23K26/36

B23H1/00 B

B23H5/00 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023571478

(86)(22)【出願日】2022-05-31

(85)【翻訳文提出日】2024-01-11

(86)【国際出願番号】 EP2022064698

(87)【国際公開番号】W WO2022253801

(87)【国際公開日】2022-12-08

(31)【優先権主張番号】21176764.5

(32)【優先日】2021-05-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523432759

【氏名又は名称】プティピエール ソシエテ アノニム

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジャコー、フィリペ

(72)【発明者】

【氏名】カルデロン、イワン

【テーマコード（参考）】

3C016

3C029

3C059

3C269

4E168

【Ｆターム（参考）】

3C016FA38

3C029AA02

3C029AA40

3C029BB02

3C029BB10

3C059AA01

3C059AA02

3C059AB03

3C269AB08

3C269AB11

3C269AB26

3C269BB03

3C269EF06

3C269EF71

3C269JJ09

4E168AD00

4E168AD18

4E168CB08

4E168DA02

4E168DA03

4E168DA04

4E168DA32

4E168DA46

4E168DA47

(57)【要約】

本発明は、回転軸Ａを有する部品２を機械加工するための工作機械１に関し、前記工作機械１は、部品を機械加工するように構成される無力精密加工手段８と、少なくとも１つの第１のスピンドル１２と、機械加工されるべき部品２をクランプしてそれを第１のスピンドル１２に取り付けるように構成される第１のクランプ装置１６と、機械パラメータ誘導システム２０とを備える。誘導システム２０は、無力精密加工手段８のための制御手段２０ｅを誘導して、その目標寸法が部品２の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きい第１のスピンドル１２に取り付けられたブランクを取得するようにプログラムされる第１のスピンドル１２に取り付けられる部品２の第１の加工段階を制御し、その後、無力精密加工手段のための制御手段の加工パラメータを修正し、第１のスピンドル１２に取り付けられたブランクを発端として、十分に少量の材料を除去するための第２の加工段階を制御して、第１のスピンドル１２に取り付けられる所定の最終寸法と４０ｎｍ未満の粗さＲａとを伴う完成品２を取得する。本発明は、そのような工作機械１を使用して部品２を機械加工するための方法にも関連する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸Ａを伴う少なくとも１つの回転面を有する部品（２）を機械加工するための工作機械（１）であって、前記工作機械（１）は、前記部品を機械加工するように構成される無力精密加工手段（８）と、Ｚ軸に沿ってＸＹＺ座標系へと延びる回転軸Ｂを有する少なくとも１つの第１のスピンドル（１２）を備える旋盤（１０）であって、前記第１のスピンドル（１２）が、Ｚ軸に沿って並進移動可能であるとともに、その回転軸Ｂを中心に回転移動可能である、旋盤（１０）と、機械加工されるべき前記部品（２）をクランプするとともに、該部品を前記第１のスピンドル（１２）に取り付けるように構成される第１のクランプ装置（１６）と、前記第１のスピンドル（１２）に組み込まれるとともに、前記第１のクランプ装置（１６）を使用して前記部品（２）が前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられるときに前記部品（２）の実際の寸法を少なくとも測定するように構成される前記部品（２）のための第１の光学測定システム（２２）と、加工パラメータを管理するように構成される誘導システム（２０）とを備え、前記誘導システム（２０）は、
－所定の公差を伴う機械加工後に達成されるべき前記部品の所定の最終寸法のための記録手段（２０ａ）と、
－前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられる前記部品（２）の実際の寸法を測定して記録するべく前記第１の光学測定システム（２２）のための制御手段（２０ｂ）と、
－前記部品（２）の実際の測定された寸法を少なくとも前記所定の最終寸法と比較するための比較手段（２０ｃ）と、
－前記部品（２）の実際の測定された寸法と少なくとも前記所定の最終寸法との比較に従って前記加工パラメータを適合させるための補正手段（２０ｄ）と、
－前記加工パラメータに従って前記部品（２）を機械加工するべく前記無力精密加工手段（８）のための制御手段（２０ｅ）と
を備える工作機械（１）において、
前記誘導システム（２０）は、前記第１の光学測定システム（２２）のための前記制御手段（２０ｂ）、前記比較手段（２０ｃ）、前記無力精密加工手段（８）のための前記制御手段（２０ｅ）、場合により前記補正手段（２０ｄ）を誘導して、その目標寸法が前記部品（２）の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きい前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられたブランクを取得するようにプログラムされる前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられる前記部品（２）の第１の加工段階を制御し、その後、前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられた前記ブランクの実際の寸法の少なくとも１回の測定を実現した後、前記無力精密加工手段のための前記制御手段の前記加工パラメータを修正し、前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられた前記ブランクを発端として、十分に少量の材料を除去するための第２の加工段階を制御して、前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられる完成品（２）を得るように構成され、前記完成品（２）は、４０ｎｍ未満、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの粗さＲａを有するとともに、前記所定の最終寸法を有し、前記第２の段階における加工パラメータが、場合により、前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられた前記ブランクの実際に測定された寸法と前記所定の最終寸法との比較に従って補正されることを特徴とする、工作機械（１）。

【請求項2】

前記旋盤（１０）は、前記第１のスピンドル（１２）とは反対側のＺ軸に沿って延びる回転軸Ｂ’を有する第２のスピンドル（１４）を備え、前記第２のスピンドル（１４）は、Ｚ軸に沿って並進移動可能であるとともに、その回転軸Ｂ’を中心に回転移動可能であり、前記工作機械（１）は、機械加工されるべき前記部品（２）をクランプするとともに、該部品を前記第２のスピンドル（１４）に取り付けるように構成される第２のクランプ装置（１８）と、前記第２のクランプ装置（１８）を使用して前記部品（２）が前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられるときに前記部品（２）の実際の寸法を少なくとも測定するように構成され前記第２のスピンドル（１４）に組み込まれる前記部品（２）のための第２の光学測定システム（２４）とを備え、前記誘導システム（２０）は、前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられる前記部品（２）の実際の寸法を測定して記録するべく前記第２の光学測定システム（２４）のための制御手段（２０’ｂ）を備えるとともに、前記第２の光学測定システム（２４）のための前記制御手段（２０’ｂ）、前記比較手段（２０ｃ）、前記無力精密加工手段（８）のための前記制御手段（２０ｅ）、場合により前記補正手段（２０ｄ）を誘導して、その目標寸法が前記部品（２）の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きい前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられたブランクを取得するようにプログラムされる前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられる前記部品（２）の第３の加工段階を制御し、その後、前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられた前記ブランクの実際の寸法の少なくとも１回の測定を実現した後、前記無力精密加工手段のための前記制御手段の前記加工パラメータを修正し、前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられた前記ブランクを発端として、十分に少量の材料を除去するための第４の加工段階を制御して、前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられる完成品（２）を得るように構成され、前記完成品（２）は、４０ｎｍ未満、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの粗さＲａを有するとともに、前記所定の最終寸法を有し、第４の段階における加工パラメータが、場合により、前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられた前記ブランクの実際に測定された寸法と前記所定の最終寸法との比較に従って補正されることを特徴とする、請求項１に記載の工作機械。

【請求項3】

前記無力精密加工手段（８）は、機械加工されるべき前記部品（２）の材料を径方向及び／又は接線方向及び／又は軸方向で前記部分（２）に衝突させるように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の工作機械。

【請求項4】

前記無力精密加工手段（８）は、フェムト・レーザ旋削加工によって、電気化学旋削加工によって、又は放電旋削加工によって機械加工するための手段を備えることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項5】

前記誘導システム（２０）は、前記第２の加工段階中に前記部品（２）に加えられるエネルギーが前記第１の加工段階中に前記部品（２）に加えられるエネルギーよりも少なくとも４０％小さく、前記第２の加工段階中に前記部品（２）に加えられるエネルギーが好ましくは材料との相互作用が進むにつれて減少できるように、前記無力精密加工手段（８）のための前記制御手段（２０ｅ）及びそれらの加工パラメータを誘導するように構成されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項6】

前記無力精密加工手段（８）は、ビームを放出するように構成されるフェムト・レーザ旋削加工によって機械加工するための手段であり、前記ビームの直径が２０μｍ未満であり、前記誘導システムは、前記無力精密加工手段（８）のための前記制御手段（２０ｅ）を誘導して、前記第１の加工段階中に直径の５０％を超える前記ビームが使用されるとともに前記第２の加工段階中に直径の５０％未満の前記ビームが使用されるように前記部品（２）の材料と相互作用するべく前記ビームの位置決めを制御することを特徴とする、請求項４又は５に記載の工作機械。

【請求項7】

前記光学測定システム（２２、２４）は、テレセントリック照明（２８）と関連付けられたテレセントリック光学系（２６）を備えることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項8】

前記クランプ装置（１６、１８）は、機械加工されるべき前記部品（２）のための真空クランプシステムを備えることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項9】

そのそれぞれのスピンドル（１２、１４）上の前記クランプ装置（１６、１８）のための真空保持システム（３６）を備えることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項10】

前記クランプ装置（１６、１８）は、Ｚ軸に沿ってそのそれぞれのスピンドル（１２、１４）上に保持されるとともに、前記誘導システム（２０）からの制御により少なくともＹ軸に沿ってＸＹ平面内で移動され得るように構成されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項11】

前記部品（２）のための光学測定システム（２２、２４）は、前記スピンドル（１２、１４）の回転軸Ａと回転軸Ｂ、Ｂ‘のそれぞれとの間でそのスピンドル（１２、１４）に取り付けられた機械加工されるべき前記部品（２）の同心度を測定するように構成され、前記工作機械（１）は、前記クランプ装置（１６、１８）と関連付けられる同心度を補正するための装置（４０）を備え、前記補正装置（４０）は、そのクランプ装置（１６、１８）をＹ軸に沿ってＸＹ平面内で並進移動させることができるように構成され、前記誘導システム（２０）は、機械加工されるべき前記部品（２）及びそのスピンドル（１２、１４）の回転軸（Ａ、Ｂ、Ｂ’）が加工前に一致するように、ＸＹ平面内の前記スピンドル（１２、１４）の角運動を制御する及び／又はその補正装置（４０）を介したＹ軸に沿う前記クランプ装置（１６、１８）の並進移動を制御するように構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の工作機械。

【請求項12】

同心度を補正するための前記装置（４０）は、前記関連するクランプ装置（１６、１８）と協働できるように構成されるロッド（４２）と、補正カム（４４）とを備え、前記補正カム（４４）は、前記ロッド（４２）と協働するとともに、回転駆動されて前記誘導システム（２０）によって制御され、前記ロッド（４２）をＹ軸に沿って移動させて、補正されるべき同心度に従って前記クランプ装置（１６、１８）をＹ軸に沿って並進移動させるように構成されることを特徴とする、請求項１１に記載の工作機械。

【請求項13】

前記部品（２）のための前記光学測定システム（２２、２４）は、機械加工されるべき前記部品（２）の実際の粗さを測定するように構成され、前記誘導システム（２０）は、前記実際の粗さを達成されるべき所定の粗さと比較し、前記部品（２）の実際の粗さと所定の粗さとの比較に従って前記加工パラメータを修正するように構成されることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項14】

前記加工パラメータは、前記無力精密加工手段（８）の動作特性、前記スピンドル（１２、１４）の回転速度、及び前記スピンドル（１２、１４）の傾きを含むことを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の工作機械。

【請求項15】

請求項１から１４までのいずれか一項に記載の工作機械（１）を使用して回転軸Ａを伴う少なくとも１つの回転面を有する部品（２）を機械加工するための方法であって、
ａ）所定の公差を伴う機械加工後に達成されるべき前記部品の所定の最終寸法を記録するステップと、
ｂ）機械加工されるべき前記部品（２）を用意するステップと、
ｃ）機械加工されるべき前記部品（２）を前記工作機械（１）の前記スピンドル（１２）のうちの１つにそのクランプ装置（１６）を使用して取り付けるステップと、
ｄ）回転状態のそのスピンドル（１２）に取り付けられた前記部品（２）を第１の加工段階に従って前記無力精密加工手段（８）によって機械加工し、その目標寸法が前記部品（２）の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きいそのスピンドル（１２）に取り付けられたブランクを得るステップと、
ｅ）前記第１のスピンドル（１２）のための前記光学測定システム（２２）を使用して前のステップの前記第１の加工段階に従って機械加工された前記部品（２）の寸法を測定し、そのスピンドル（１２）に取り付けられた前記ブランクの実際の測定された寸法を得るステップと、
ｆ）ステップｅ）で測定された実際の寸法と、ステップａ）で記録された所定の最終寸法とを比較するステップと、
ｇ）前記無力精密加工手段のための前記制御手段の加工パラメータを修正し、そのスピンドル（１２）に取り付けられた前記ブランクを発端として、前記第２の加工段階を制御するステップと、
ｈ）ステップｅ）で測定された実際の寸法が前記ブランクの目標寸法と異なる場合、ステップｆ）で得られた測定値の比較に従って、前記第２の加工段階にわたって前記誘導システム（２０）によって管理される加工パラメータを補正するステップと、
ｉ）前記第２の加工段階に従ってステップｇ）で修正され、場合によりステップｈ）で補正された前記加工パラメータに従って、回転状態のそのスピンドル（１２）に取り付けられた前記ブランクを前記無力精密加工手段（８）によって機械加工して、十分に少量の材料を除去し、前記第１のスピンドル（１２）に取り付けられる完成品（２）を取得するステップであって、前記完成品（２）が、４０ｎｍ未満、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの粗さＲａを有するとともに、前記所定の最終寸法を有する、ステップと
を含むことを特徴とする、機械加工方法。

【請求項16】

前記スピンドル（１２）の１つでの前記部品の機械加工に続き、
ｃ’）機械加工された前記部品を一方のスピンドル（１２）から引き出し、その部品を前記工作機械（１）の他方のスピンドル（１４）にそのクランプ装置（１８）を使用して取り付けるステップと、
ｄ’）回転状態のそのスピンドル（１４）に取り付けられた前記部品（２）を第３の加工段階に従って前記無力精密加工手段（８）によって機械加工し、その目標寸法が前記部品（２）の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きいそのスピンドル（１４）に取り付けられたブランクを得るステップと、
ｅ’）前記第２のスピンドル（１４）のための前記光学測定システム（２４）を使用して前のステップの前記第３の加工段階に従って機械加工された前記部品（２）の寸法を測定し、そのスピンドル（１４）に取り付けられた前記ブランクの実際の測定された寸法を得るステップと、
ｆ’）ステップｅ’）で測定された実際の寸法と、ステップａ）で記録された所定の最終寸法とを比較するステップと、
ｇ’）前記無力精密加工手段のための前記制御手段の加工パラメータを修正し、そのスピンドル（１４）に取り付けられた前記ブランクを発端として、前記第４の加工段階を制御するステップと、
ｈ’）ステップｅ’）で測定された実際の寸法が前記ブランクの目標寸法と異なる場合、ステップｆ’）で得られた測定値の比較に従って、前記第４の加工段階にわたって前記誘導システムによって管理される加工パラメータを補正するステップと、
ｉ’）前記第４の加工段階に従ってステップｇ’）で修正され、場合によりステップｈ’）で補正された前記加工パラメータに従って、回転状態のそのスピンドル（１４）に取り付けられた前記ブランクを前記無力精密加工手段（８）によって機械加工して、十分に少量の材料を除去し、前記第２のスピンドル（１４）に取り付けられる完成品（２）を取得するステップであって、前記完成品（２）が、４０ｎｍ未満、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの粗さＲａを有するとともに、前記所定の最終寸法を有する、ステップと
を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の機械加工方法。

【請求項17】

ステップｄ）又はステップｄ’）に従った機械加工の前に、
ｊ）そのスピンドル（１２、１４）と関連付けられる前記光学測定システム（２２、２４）によって前記スピンドル（１２、１４）の回転軸Ａと回転軸（Ｂ、Ｂ’）との間で前記スピンドル（１２、１４）に取り付けられる機械加工されるべき前記部品（２）の同心度を測定する中間ステップと、
ｋ）機械加工されるべき前記部品（２）及びそのスピンドル（１２、１４）の回転軸（Ａ、Ｂ、Ｂ’）が一致するようにそのクランプ装置（１６、１８）を移動させることによってそのスピンドル（１２、１４）の回転軸（Ｂ、Ｂ’）に対する機械加工されるべき前記部品（２）の同心度を補正する中間ステップと
を含むことを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の機械加工方法。

【請求項18】

前記無力精密加工手段（８）は、フェムト・レーザ旋削加工によって、電気化学旋削加工によって、又は放電旋削加工によって機械加工するための手段を備えることを特徴とする、請求項１５から１７までのいずれか一項に記載の機械加工方法。

【請求項19】

前記無力精密加工手段（８）のための前記制御手段（２０ｅ）及びそれらの加工パラメータが前記誘導システム（２０）によって誘導され、前記誘導システム（２０）は、前記第２の加工段階中に前記部品（２）に加えられるエネルギーが前記第１の加工段階中に前記部品（２）に加えられるエネルギーよりも少なくとも４０％小さく、前記第２の加工段階中に前記部品（２）に加えられるエネルギーが好ましくは材料との相互作用が進むにつれて減少できるようにプログラムされることを特徴とする、請求項１５から１８までのいずれか一項に記載の機械加工方法。

【請求項20】

前記無力精密加工手段（８）は、ビームを放出するように構成されるフェムト・レーザ旋削加工によって機械加工するための手段であり、前記ビームの直径が２０μｍ未満であり、前記無力精密加工手段（８）のための前記制御手段（２０ｅ）の前記誘導システムは、前記第１の加工段階中に直径の５０％を超える前記ビームが使用されるとともに前記第２の加工段階中に直径の５０％未満の前記ビームが使用されるように前記部品（２）の材料と相互作用するために前記ビームの位置決めを制御するべくプログラムされることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の機械加工方法。

【請求項21】

前記加工パラメータは、前記無力精密加工手段（８）の動作特性、前記スピンドル（１２、１４）の回転速度、及び前記スピンドル（１２、１４）の傾きを含むことを特徴とする、請求項１５から２０までのいずれか一項に記載の機械加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転軸Ａを伴う少なくとも１つの回転面を有する部品、特にマイクロメカニカル部品を機械加工するための工作機械に関し、前記工作機械は、部品を機械加工するように構成される無力精密加工手段と、Ｚ軸に沿ってＸＹＺ座標系へと延びる回転軸Ｂを有する少なくとも１つの第１のスピンドルを備える旋盤であって、前記第１のスピンドルが、Ｚ軸に沿って並進移動可能であるとともに、その回転軸Ｂを中心に回転移動可能である、旋盤と、機械加工されるべき部品をクランプするとともに、該部品を第１のスピンドルに取り付けるように構成される第１のクランプ装置と、第１のスピンドルに組み込まれるとともに、第１のクランプ装置を使用して部品が第１のスピンドルに取り付けられるときに部品の実際の寸法を少なくとも測定するように構成される部品のための第１の光学測定システムと、加工パラメータを管理するように構成される誘導システムとを備え、誘導システムは、
－所定の公差を伴う機械加工後に達成されるべき部品の所定の最終寸法のための記録手段と、
－第１のスピンドルに取り付けられる部品の実際の寸法を測定して記録するべく第１の光学測定システムのための制御手段と、
－部品の実際の測定された寸法を少なくとも所定の最終寸法と比較するための比較手段と、
－部品の実際に測定された寸法と少なくとも所定の最終寸法との比較に従って加工パラメータを適合させるための補正手段と、
－加工パラメータに従って部品を機械加工するべく無力精密加工手段のための制御手段と、
を備える。

【0002】

また、本発明は、前記工作機械によって実施される、部品、特にマイクロメカニカル部品を機械加工するための方法にも関連する。

【背景技術】

【0003】

そのような部品、特にマイクロメカニカル部品は、例えば、最大６０ミクロン以下の非常に小さな直径を伴う、テンプ軸などの時計製造の回動軸のような非常に小さな寸法を有することができる精密軸であり得る。

【0004】

従来、フェムト秒レーザ旋削、放電旋削、電気化学プロセスによる旋削など、力を必要としない加工や楽な加工を使用する旋盤は、標準的な態様で誘導され、つまり、部品が加工され、加工領域から引き出されて測定される。

【0005】

測定結果は、所望の公差内で部品の寸法を得るために機械の加工パラメータを補正するのに役立つ。

【0006】

このため、この手順を採用した場合、加工欠陥は、部品の加工が完了してから比較的長い時間が経過した後でのみ検出される。

【0007】

その場合、工作機械の状態が（熱膨張やドリフトに関与する他の要因に関して）進化する可能性が十分にあり、部品の測定に基づく工作機械の補正が比較的不正確になるか、更には誤りになる可能性がある。

【0008】

非特許文献１には、直径０．５ｍｍ～１．５ｍｍの切削工具を製造するための方法とプロトタイプ機械が記載されており、これらの工具はｃＢＮやＷＣなどの特定の材料から製造される。この機械はナノレーザを使用する。図１は、ナノ秒とピコ秒の２つの異なるレーザで求められる直径に対する偏差に関する強い非線形性を示している。これは、当業者にとって、異なるレーザの２つのパルス長と、材料除去に関するそれらの性能又は有効性との間の関連相関を推定することが不可能であることを示している。ナノレーザとピコレーザとの間の結果を置き換えることはできない。

【0009】

更に、この文書は、アルゴリズムから始まるモデル化された又は反復的な測定と、常に位置を変更するレーザの継続的な調整による補償カードの使用に基づいた反復補正方法を提案する。そのようなプロセスは、産業環境で実施するには複雑である。更に、５μｍ程度の形状及び直径の公差、５５ｎｍ程度の粗さ値Ｒａを得ることができるが、これは時計製造の分野では十分ではない。

【0010】

特許文献１には、特に測定及び位置合わせステーション、第１の処理ステーション、及び第２の処理ステーションを備える機械加工方法及び工作機械が記載されており、測定及び位置合わせステーションは、第１及び第２の処理ステーションとは異なる位置に配置されている。この欠点は、測定及び位置合わせステーションと第１又は第２の処理ステーションとの間で部品を移送しなければならないことである。この部品の移送動作により、数ミクロンの精度が失われる。

【0011】

一方、従来、工作物やブランクを発端として旋削加工（フェムト秒レーザ旋削、放電旋削、又は電気化学的プロセスによる旋削などの楽な加工による旋削を含む）によって機械加工される精密軸は、従来の旋削スピンドルやコレット・クランプを備えたカウンタースピンドル、チャック・クランプ、又はその他の既存のタイプのクランプを使用する。これらのタイプの補正クランプでは、補正加工の高レベルの同心度を保証することはできない。心押し台を使用して加工を改善することもできるが、後者は非常に小さな部品の場合には原則的に使用できない。次に、特に部品の２つの端部を機械加工する必要がある場合、クランプ内の材料を犠牲にして、単一のクランプで部品全体を機械加工する必要がある。この手順により、部品の異なる直径間の同心度を確保することができる。しかしながら、原則として、部品の最終カットでは、この作業中に部品を支持するカウンタースピンドルの使用が必要である。この加工手順では、部品の加工をスピンドルとカウンタースピンドルとに分割することができないため、機械の生産性が最大で２分の１に低下する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】欧州特許第１２２６８９９号明細書

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】Warhanek and al. “Accurate Micro-Tool Manufacturing by Iterative Pulsed-Laser Ablation”, Lasers in Manufacturing and Materials Processing, Vol. 4, No. 4, 23 October 2017 (2017-10-23), pages 193-204, XP055857312, ISSN: 2196-7229, DOl: 10.1 007/s4051 6-01 7-0046-y; Internet extract: URL:http://link.springer.com/content/pdf/1 0.1 007/s4051 6-01 7-0046-y.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、部品、特に時計製造の回動軸などのマイクロメカニカル部品を加工するための工作機械及び方法を提案することによってこれらの欠点を改善し、それにより、同心度、同軸度、精度、粗さ、及び公差の極めて優れた品質を有する機械加工部品を得ることができるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この目的のため、本発明は、回転軸Ａを伴う少なくとも１つの回転面を有する部品、特にマイクロメカニカル部品を機械加工するための工作機械に関し、前記工作機械は、部品を機械加工するように構成される無力精密加工手段と、Ｚ軸に沿ってＸＹＺ座標系へと延びる回転軸Ｂを有する少なくとも１つの第１のスピンドルを備える旋盤であって、前記第１のスピンドルが、Ｚ軸に沿って並進移動可能であるとともに、その回転軸Ｂを中心に回転移動可能である、旋盤と、機械加工されるべき部品をクランプするとともに、該部品を第１のスピンドルに取り付けるように構成される第１のクランプ装置と、第１のスピンドルに組み込まれるとともに、第１のクランプ装置を使用して部品が第１のスピンドルに取り付けられるときに部品の実際の寸法を少なくとも測定するように構成される部品のための第１の光学測定システムと、加工パラメータを管理するように構成される誘導システムとを備え、誘導システムは、
－所定の公差を伴う機械加工後に達成されるべき部品の所定の最終寸法のための記録手段と、
－第１のスピンドルに取り付けられる部品の実際の寸法を測定して記録するべく第１の光学測定システムのための制御手段と、
－部品の実際の測定された寸法を少なくとも所定の最終寸法と比較するための比較手段と、
－部品の実際に測定された寸法と少なくとも所定の最終寸法との比較に従って加工パラメータを適合させるための補正手段と、
－加工パラメータに従って部品を機械加工するべく無力精密加工手段のための制御手段と、
を備える。

【0016】

本発明によれば、前記誘導システムは、第１の光学測定システムのための前記制御手段、前記比較手段、加工手段のための前記制御手段、場合により前記補正手段を誘導して、その目標寸法が部品の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きい第１のスピンドルに取り付けられたブランクを取得するようにプログラムされる第１のスピンドルに取り付けられる部品の第１の加工段階を制御し、その後、第１のスピンドルに取り付けられたブランクの実際の寸法の少なくとも１回の測定を実現した後、無力精密加工手段のための制御手段の加工パラメータを修正し、第１のスピンドルに取り付けられたブランクを発端として、十分に少量の材料を除去するための第２の加工段階を制御して、第１のスピンドルに取り付けられる完成品を得るように構成され、完成品は、４０ｎｍ未満、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの粗さＲａを有するとともに、所定の最終寸法を有し、第２の段階における加工パラメータが、場合により、第１のスピンドルに取り付けられたブランクの実際に測定された寸法と所定の最終寸法との比較に従って補正される。

【0017】

また、本発明は、先に規定された工作機械を使用して回転軸Ａを伴う少なくとも１つの回転面を有する部品、特にマイクロメカニカル部品を機械加工するための方法にも関連し、前記方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ）所定の公差を伴う機械加工後に達成されるべき部品の所定の最終寸法を記録するステップと、
ｂ）機械加工されるべき部品を用意するステップと、
ｃ）機械加工されるべき部品を工作機械のスピンドルのうちの１つにそのクランプ装置を使用して取り付けるステップと、
ｄ）回転状態のそのスピンドルに取り付けられた機械加工されるべき部品を第１の加工段階に従って無力精密加工手段によって機械加工し、その目標寸法が部品の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きいそのスピンドルに取り付けられたブランクを得るステップと、
ｅ）第１のスピンドルのための光学測定システムを使用して前のステップの第１の加工段階に従って機械加工された部品の寸法を測定し、そのスピンドルに取り付けられたブランクの実際の測定された寸法を得るステップと、
ｆ）ステップｅ）で測定された実際の寸法と、ステップａ）で記録された所定の最終寸法とを比較するステップと、
ｇ）無力精密加工手段のための制御手段の加工パラメータを修正し、そのスピンドル（１２）に取り付けられたブランクを発端として、第２の加工段階を制御するステップと、
ｈ）ステップｅ）で測定された実際の寸法がブランクの目標寸法と異なる場合、ステップｆ）で得られた測定値の比較に従って、第２の加工段階にわたって誘導システム（２０）によって管理される加工パラメータを補正するステップと、
ｉ）第２の加工段階に従ってステップｇ）で修正され、場合によりステップｈ）で補正された加工パラメータに従って、回転状態のそのスピンドルに取り付けられたブランクを無力精密加工手段によって機械加工して、十分に少量の材料を除去し、第１のスピンドルに取り付けられる完成品を取得するステップであって、完成品が、４０ｎｍ未満、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの粗さＲａを有するとともに、所定の最終寸法を有する、ステップと、
を含む。

【0018】

本発明に係る方法は、機械加工されるべき各部品に適用され、それにより、各機械加工部品は、その後、そのスピンドル上でその場で測定及び検査される。

【発明の効果】

【0019】

そのような機械及びそのような加工方法により、同心度、同軸度、精度、粗さ及び公差の点で極めて優れた品質を有する加工部品を得ることが可能になる。

【0020】

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら非限定的な例として与えられる本発明の実施例に関する以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る工作機械の概略図である。

【図2】スピンドル、クランプ装置、及び光学測定システムの概略図である。

【図3】スピンドル及び同心度を補正するための装置の概略図である。

【図4】そのクランプ装置に取り付けられた部品の拡大図である。

【図5】スピンドル、クランプ装置、及び同心度を補正するための装置を示す図３の詳細図である。

【図6】スピンドルに取り付けられたクランプ装置及び同心度を補正するための装置の詳細図である。

【図7】スピンドルに取り付けられたクランプ装置及び同心度を補正するための装置の断面図である。

【図8】本発明に係る方法のステップの概略図である。

【図9】同心度を補正するステップの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１を参照すると、本発明は、回転軸Ａを伴う少なくとも１つの回転面を有する部品２、特にマイクロメカニカル部品を機械加工するための工作機械１に関する。そのような部品は、例えば、図９に表される。この部品２は、例えば、時計製造の回動軸のように非常に小さな寸法を有し得る精密回動軸であり得る。そのような部品の直径は４０μｍ～４００μｍと非常に小さい。

【0023】

そのような精密軸は、焼入れ鋼、ステンレス鋼、又はインコネル・タイプの金属材料、又は金属ガラス、セラミック、又は炭化ケイ素ベースの材料などの硬質材料で作ることができる。

【0024】

時計製造回動軸は、回動シャンク６の延在部において、その各端部に、回動軸４を備える。従来、少なくとも前記回動軸は、回転面を有し、それぞれがベアリング内、一般的には石やルビーのオリフィス内で回動するようになっている。

【0025】

時計製造回動軸は、従来、２ｍｍ以下の直径を有し、回動軸４は、回動軸２がいつでも使用できる完成状態にあるときに、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、好ましくは９０μｍ以下、より好ましくは６０μｍ以下の外径を有する。回動４は例えば円錐型である。

【0026】

時計製造回動軸は、機械加工によって製造される、従来のように段差や肩部を画定する、異なる直径の複数の部分を有することができる。

【0027】

回動軸は、例えばテンプ軸とすることができる。勿論、他のタイプの時計製造回動軸、例えば、時計の歯車及びピニオン、一般に脱進機のピニオン、香箱真、又はアンカー・ステムの軸なども想定できる。この場合、回動軸には、その使用に関連する機能要素を含むことができる。例えば、軸は、歯、ねじ、又は香箱真の場合にスプリングを固定するためのフックを含むことができる。このタイプの部品は、本体の位置に、好ましくは２ｍｍ未満の直径を有し、前述したように、数ミクロンの精度で、好ましくは０．２ｍｍ未満の直径を有する回動軸を有する。ここで説明する部品は、時計製造用途に好ましく適合するように構成された回動軸であるが、同じ回動軸形態を必要とする任意の他の用途にも使用できることは明らかである。

【0028】

工作機械１に取り付けられる機械加工されるべき部品２は、楽に機械加工され得る材料、粗部品、又は１つの同じ工作機械１を使用してその最終寸法及び粗さを有する部品を得るために工作機械１内で完全に機械加工されて仕上げられる工作物であり得る。

【0029】

工作機械１に取り付けられて機械加工されるべき部品２は、ブランク、すなわち、従来のプロファイル旋削加工又は従来の機械加工方法、或いは材料を除去するための任意の他の方法による、例えば切りくずの除去を含む、別の方法及び別の機械を使用して既に部分的に機械加工されるとともにその最終寸法及び粗さを有する部品を得るために工作機械１で補正されて仕上げられる部品であってもよい。

【0030】

工作機械１は、部品２を機械加工するように構成される無力精密加工手段８を備える。本説明において、無力又は楽な機械加工は、工具と部品の間に直接接触があって大きな切削抵抗が関与する従来の機械加工とは異なり、工具と部品の間の直接接触及び作用力によって伝達される機械的作用が存在しない、従来とは異なる機械加工に与えられた名前である。したがって、無力加工は、機械加工されるべき部品と該部品に作用力又は応力を及ぼす可能性が高い機械加工工具との間の直接接触を伴わない機械加工である。

【0031】

好適には、無力精密加工手段８は、機械加工されるべき部品２が回転しているときにこの部品２に対して径方向及び／又は接線方向及び／又は軸方向に、好ましくは径方向に材料を衝突させるべく構成される。

【0032】

好適には、無力精密加工手段は、フェムト・レーザ旋削加工によって、電気化学旋削加工（電気化学加工（ＥＣＭ））によって、又は放電旋削加工（例えば、ＥＤＭ（放電加工））によって機械加工するための手段を備える。

【0033】

無力精密加工手段は、非常に短い期間（１０～１５秒程度）にわたって高エネルギーパルスを送出するフェムト・レーザであることが好ましい。これにより、加工界面に損傷を与えることなく材料アブレーション・プロセスが可能になる。事実上あらゆる材料をこのプロセスで機械加工できる。

【0034】

好適には、フェムト秒パルス・レーザは、例えば上下限を含む２００ｎｍ～２０００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ～１０００ｎｍの波長を伴うレーザである。レーザの特性は、例えば、１Ｗ～１００Ｗの平均パワー、２０μＪ～４０００μＪのパルスあたりのエネルギー、１００ＫＨｚ～１０００ＫＨｚの周波数、１００ｆｓ～２ｐｓのパルス長となり得る。

【0035】

レーザは、２Ｄ走査ヘッド（２軸）又は少なくとも３軸、好ましくは５軸を伴う歳差運動ヘッドを使用して誘導され得る。そのような装置は市販されている。

【0036】

レーザは、機械１に取り付けられた機械加工されるべき部品２の移動時に作用ゾーン９を生成するように誘導されてプログラムされる。以下でより詳細に説明するように、前記作用ゾーン９は、第１の加工段階と第２の加工段階との間で修正されるとともに、非常に高い精度と極めて低い粗さとを伴う部品を得るために、材料との相互作用を徐々に低減するべく、第２の加工段階中に漸進的に変化する。

【0037】

また、工作機械は、少なくとも１つの第１のスピンドル１２と、カウンタースピンドルとして作用する第２のスピンドル１４とを備えるデジタル旋盤１０も備える。

【0038】

第１のスピンドル１２は、Ｚ軸に沿ってＸＹＺ座標系へと延びる回転軸Ｂを有し、前記第１のスピンドルは、Ｚ軸に沿って並進移動可能であり、その回転軸Ｂを中心に回転移動可能である。

【0039】

同様に、第２のスピンドル１４は、第１のスピンドル１２と対向して、Ｚ軸に沿ってＸＹＺ座標系へと延びる回転軸Ｂ’を有し、前記第２のスピンドル１４は、Ｚ軸に沿って並進移動可能であり、その回転軸Ｂ’を中心に回転可能である。

【0040】

各スピンドル１２、１４は、モータ１５によって給電されて、回転駆動される（図３参照）。

【0041】

例えば図２及び図４に示されるように、第１のスピンドル１２は、機械加工されるべき部品２の第１の端部をクランプし、部品２の機械加工されるべき部分を露出させることによって第２の端部を自由にしておくとともに、前記部品２を前記第１のスピンドル１２に取り付けるように構成される第１のクランプ装置１６と関連付けられる。

【0042】

同様に、第２のスピンドル１４は、機械加工されるべき部品の第２の端部をクランプし、部品２の機械加工されるべき他の部分を露出させることによって第１の端部を自由にしておくとともに、前記部品２を前記第２のスピンドル１４に取り付けるように構成される第２のクランプ装置１８と関連付けられる。

【0043】

クランプ装置１６、１８については後で詳細に説明する。

【0044】

また、機械は、特に、例えばフェムト・レーザの場合には、出力、パルス当たりのエネルギー、周波数、パルス長、様々な通過深さ、後述するように加工段階に従ってレーザ・ビームを位置決めするために部品２に対するレーザ・ビームの主な動きに追加されるレーザの動き（円形、振動など）、場合によっては迎え角（例えば、部品の歳差運動、傾斜移動）などの無力精密加工手段８の動作特性を含む加工パラメータを管理するように構成される誘導システム２０も備える。

【0045】

電気化学的旋削加工（ＥＣＭ）の場合、加工パラメータは、例えば、電圧、電流、電解質濃度である。放電旋削加工の場合、加工パラメータは例えば電圧及び電流である。

【0046】

また、加工パラメータは、スピンドル１２、１４の回転速度（一定又は動的に調整することができ、例えばレーザ・ビームの速度と同期させることができる）、及び加工「平面」に対する又はデカルト空間の他の２つの平面に対するスピンドルの傾斜角も含む。

【0047】

また、誘導システム２０は、以下で更に詳しく説明するように、機械加工されるべき部品２に対する無力精密加工手段８の位置決め、及びそのスピンドル１２又は１４のそれぞれに対するクランプ装置１６、１８の位置決めを管理するようにも構成される。

【0048】

また、機械１は、部品を供給するための装置と、供給装置から部品を取り出して、スピンドル上のクランプ装置のうちの１つに部品を位置決めした後に、露出部の機械加工後に部品を引き出し、他のスピンドル上の他のクランプ装置に部品を位置決めして、その後に、機械加工された部品を引き出してその部品をアンロードするように構成されるロード・アンロード・ロボットとを備えることもできる。

【0049】

機械は、機械の環境全体が熱制御下にあるような空調システム、レーザ用の水冷装置、並びにその動作に必要な全てのコネクタ及び電源も備えることができる。

【0050】

工作機械１は、部品２が第１のクランプ装置１６を使用して第１のスピンドル１２に取り付けられるときに、部品２の実際の寸法を少なくとも測定するように構成される部品２のための第１の光学測定システム２２を備える。特に有利な態様で、第１の光学測定システム２２は、第１のスピンドル１２に組み込まれており、すなわち、第１のスピンドル１２によって支持される。

【0051】

同様に、特に第２のスピンドル１４が機械加工を実行するために使用される場合、機械は、好適には、部品２が第２のクランプ装置１８を使用して第２のスピンドル１４に取り付けられるときに、部品２の実際の寸法を少なくとも測定するように構成される部品２のための第２の光学測定システム２４を備えることができる。特に有利な態様で、第２の光学測定システム２４は、第２のスピンドル１４に組み込まれ、すなわち第２のスピンドル１４によって支持される。

【0052】

したがって、スピンドルに取り付けられた部品の実際の寸法を光学的手段によって測定するための各システム２２、２４は、それぞれのスピンドルに組み込まれ、それにより、部品をそのスピンドルから及びそのクランプ装置から引き出すことなくその場で測定を実行することが可能になる。

【0053】

好適には、各光学測定システム２２、２４は、図２に示されるように、コリメート照明を可能にするテレセントリック照明２８と関連付けられたテレセントリック光学系２６を備える。各光学測定システム２２、２４は、図１及び図４に示されるように、そのクランプ装置１６、１８に取り付けられる部品２の周囲に測定フィールド３０を生成するように構成される。

【0054】

更に、誘導システム２０は、
－所定の公差を伴う機械加工後に達成されるべき部品の所定の最終寸法のための記録手段２０ａであって、機械加工の後に達成される所定の最終寸法が、機械加工されるべき部品が完全に機械加工されて仕上げられる工作物又は前記部品を得るために機械１で仕上げられるブランクであるときの部品の最終寸法である、記録手段２０ａと、
－第１のスピンドル１２に取り付けられる部品の実際の寸法を測定して記録するべく第１の光学測定システム２２のための制御手段２０ｂと、
－それが存在する場合には、第２のスピンドル１４に取り付けられた部品の実際の寸法を測定して記録するべく第２の光学測定システム２４のための制御手段２０’ｂと、
－部品の実際の測定された寸法を少なくとも所定の最終寸法と比較するための比較手段２０ｃと、
－部品の実際の測定された寸法と少なくとも所定の最終寸法との比較に従って、レーザの特性又はスピンドル１２、１４の回転速度などの加工パラメータを適合させるための補正手段２０ｄと、
－加工パラメータに従って部品を機械加工するべく無力精密加工手段８のための制御手段２０ｅと、
を備える。

【0055】

本発明によれば、誘導システム２０は、第１の光学測定システム２２のための前記制御手段２０ｂ、前記比較手段２０ｃ、加工手段８のための前記制御手段２０ｅ、場合により前記補正手段２０ｄを誘導して、そのクランプ装置１６における第１のスピンドル１２に取り付けられた部品２の露出部の第１の加工段階を制御し、該第１の加工段階が、その目標寸法、特に目標直径が部品２の所定の最終寸法、特に部品２の所定の最終直径よりも０．５％～２０％大きくなるように選択されてそのクランプ装置１６における第１のスピンドル１２に取り付けられたブランクを取得するようにプログラムされ、その後、そのクランプ装置１６における第１のスピンドル１２に取り付けられたブランクの実際の寸法の少なくとも１回の測定を実現した後、無力精密加工手段のための制御手段の加工パラメータを修正し、そのクランプ装置１６における第１のスピンドル１２に取り付けられたブランクを発端として、十分に少量の材料を除去するための第２の加工段階を制御して、そのクランプ装置１６における第１のスピンドル１２に取り付けられる完成部品２を得るように構成され、前記部品２は、４０ｎｍ未満、好ましくは２５ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは、厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの±２０％まで均一な粗さＲａを有するとともに、所定の最終寸法を有し、第２の段階における加工パラメータは、場合により、そのクランプ装置１６における第１のスピンドル１２に取り付けられたブランクの実際の測定された寸法と前記所定の最終寸法に関して規定されるブランクの目標寸法との比較に従って、目標寸法を有するブランクに対応する加工パラメータに対して補正される。したがって、加工パラメータの想定し得る補正は、ブランクの実際の測定された寸法と所定の最終寸法との比較に従って実現される。

【0056】

粗さＲａは、ＩＳＯ ４２８７規格に従って規定される。

【0057】

同様に、誘導システム２０は、第２の光学測定システム２４のための前記制御手段２０’ｂ、それが存在する場合には、前記比較手段２０ｃ、加工手段８のための前記制御手段２０ｅ、場合により前記補正手段２０ｄを誘導して、そのクランプ装置１８における第２のスピンドル１４に取り付けられた部品２の露出部の第３の加工段階を制御し、該第３の加工段階が、その目標寸法が部品２の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きくなるように選択されてそのクランプ装置１８における第２のスピンドル１４に取り付けられたブランクを取得するようにプログラムされ、その後、そのクランプ装置１８における第２のスピンドル１４に取り付けられたブランクの実際の寸法の少なくとも１回の測定を実現した後、無力精密加工手段のための制御手段の加工パラメータを修正し、そのクランプ装置１８における第２のスピンドル１４に取り付けられたブランクを発端として、十分に少量の材料を除去するための第４の加工段階を制御して、そのクランプ装置１８における第２のスピンドル１４に取り付けられる完成部品２を得るように構成され、前記部品は、４０ｎｍ未満、好ましくは２５ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは、厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの±２０％まで均一な粗さＲａを有するとともに、所定の最終寸法を有し、第４の段階における加工パラメータは、場合により、そのクランプ装置１８における第２のスピンドル１４に取り付けられたブランクの実際の測定された寸法と前記所定の最終寸法に関して規定されるブランクの目標寸法との比較、したがって所定の最終寸法との比較に従って補正される。

【0058】

好適には、誘導システムは、第２の加工段階中に部品２に加えられるエネルギーが第１の加工段階中に部品２に加えられるエネルギーよりも少なくとも４０％少なくなるように、無力精密加工手段８及びそれらの加工パラメータに関して前記制御手段２０ｅを誘導するように構成され、部品の材料との相互作用のたびに材料を非常に細かく除去するために、及び第２の段階中の加工分解能を向上させるために、第２の加工段階中に部品２に加えられるエネルギーは、材料との相互作用が進行するにつれて減少し得る。

【0059】

例えば、電気化学的旋削加工（ＥＣＭ）の場合、調整可能な加工パラメータは、特に電圧、電流、及び電解質濃度である。放電旋削加工の場合、調整可能な加工パラメータは特に電圧及び電流である。

【0060】

好適には、無力精密加工手段８は、フェムト・レーザ旋削によって機械加工するための手段である。無力精密加工手段は、好ましくは、直径が２０μｍ未満、好ましくは８μｍ未満のビームを放出するように構成される。レーザ・ビームの直径は、その横方向の広がり、つまり伝播方向に対して垂直な物理的サイズを規定する。レーザ・ビームの直径は、ビームの強度が最大値の１／ｅ^２（≒１３．５％）に達する点によって区切られる幅１／ｅ^２で規定される。

【0061】

誘導システムは、第１の加工段階中に直径の５０％を超えるビームが使用されるとともに、直径の５０％未満のビームが第２の加工段階中に使用されるように部品２の材料と相互作用するべくビームの位置決めを制御するために無力精密加工手段８の前記制御手段２０ｅを誘導するように構成される。

【0062】

例えば、フェムト・レーザによる無力精密機械加工の場合、８μｍ以下、好ましくは６μｍ以下、或いは実際には４μｍの直径を有するスポットが使用されることが好ましく、レーザ・ビームは、回転する回動軸と径方向で衝突する。

【0063】

したがって、本発明の誘導システム２０は、測定可能でありながら、２つの加工段階中にそのクランプ装置におけるスピンドル上に残る部品を機械加工するように構成される。得られる部品は、±１μｍ以下、好ましくは±０．５μｍ以下の程度の極めて高い精度で、及び先に規定された極度の粗さで機械加工される。

【0064】

ここで、クランプ装置１６、１８及びそれらのそれぞれのスピンドル１２、１４への取り付けについて、図３～図７を参照して詳細に説明する。

【0065】

特に有利な態様で、各クランプ装置１６、１８は、真空によって機械加工されるべき部品２をクランプ又は保持するためのシステム、例えば、陥凹部を形成してそのクランプ装置１６、１８へと平坦化される部品２を保持するように構成される一体型ベンチュリ・システムを備える。

【0066】

より詳細には、図７に関連して、各クランプ装置１６、１８は、機械加工されるべき部品２の一端が導入されるオリフィスを有するクランプ・ヘッド３２を備え、前記オリフィスはチャネル３４を介してベンチュリ・システムと連通する。

【0067】

更に、一体型ベンチュリ・システムに連結されるそれぞれのスピンドル１２、１４上のクランプ装置１６、１８のための真空保持システム３６も設けられ、形成された陥凹部により、少なくとも機械加工工程中にそれぞれのスピンドル１２、１４上へと平坦化された各クランプ装置１６、１８を固定位置で保持することも可能になる。

【0068】

特に有利な態様で、本発明に従って実施される、特にフェムト・レーザによって実施される無力精密機械加工は、機械的労力を伴うことなく実行されるため、真空クランプ・システムを使用して、部品をそのクランプ装置及び真空保持システムに保持し、クランプ装置をそのスピンドルに保持することが可能である。

【0069】

好適には、後述するように、誘導システム２０は、これが同心度を補正するために必要な場合に、真空をチェックして、クランプ装置をＸＹ平面内で少なくともＹ軸に沿って移動させることができるように構成される。したがって、各クランプ装置１６、１８は、そのそれぞれのスピンドル１２、１４上にＺ軸に沿って保持されるように、及び同心度を補正するために誘導システム２０からの制御によって少なくともＹ軸に沿ってＸＹ平面内で移動され得るように構成される。

【0070】

この目的のために、部品２の各光学測定システム２２、２４は、部品２の回転軸Ａとスピンドル１２又は１４のそれぞれの回転軸Ｂ、Ｂ’との間で、スピンドル１２、１４に取り付けられた機械加工されるべき前記部品２の同心度も測定するように構成される。

【0071】

更に、工作機械１は、各クランプ装置１６、１８に関連する同心度を補正するための装置４０を備え、前記補正装置４０は、クランプ装置１６、１８をＹ軸に沿ってＸＹ平面内で並進移動させることができるように構成されている。

【0072】

より詳細には、図５～図７に関連して、同心度を補正するための装置４０は、クランプ装置１６、１８の外周と該外周を押すことによってＹ軸に沿って径方向で協働できるように構成されるロッド４２と、前記ロッド４２を押すことによって前記ロッド４２と協働するとともにモータ４６によって駆動されるシャフト４５と一体化することによって回転駆動されるように構成される補正カム４４を含む偏心器とを備える。

【0073】

スピンドル１２、１４のフランジ４８はハウジング５０を有し、該ハウジング内に、クランプ装置１６、１８が、必要に応じて前記クランプ装置１６、１８をそのスピンドル１２、１４の軸に対して位置決め及び再心出しできるように、少なくともＹ方向で一定の遊びをもって位置決めされる。更に、ハウジング５０は径方向開口５２を有し、それにより、ロッド４２が、補正カム４４によって作動される際に、前記クランプ装置１６、１８と径方向で接触できるように通過し得る。

【0074】

補正カム４４は、補正されるべき同心度に従ってクランプ装置１６、１８をＹ軸に沿って並進移動させるために、矢印Ｆで示すように、ロッド４２をＹ軸に沿って並進移動させるべく誘導システム２０によって制御されるように構成される。

【0075】

更に、誘導システム２０は、補正されるべき同心度に従ってＸＹ平面内でのスピンドル１２、１４の角運動を制御するように構成される。

【0076】

より詳細には、誘導システム２０は、機械加工されるべき部品２及びそのスピンドル１２又は１４のそれぞれの回転軸Ａ、Ｂ又はＢ’のそれぞれが機械加工前に一致するように補正装置４０を介してＸＹ平面内でのスピンドル１２、１４の角運動を制御するべく、及び／又は、クランプ装置１６、１８のＸＹ平面内でのＹ軸に沿う並進移動を制御するべく構成される。

【0077】

したがって、部品２をクランプする各クランプ装置１６、１８の径方向位置は、機械加工に先立って、関連するスピンドル１２、１４の回転軸Ｂ、Ｂ’に対して補正され、それにより、同心度及び同軸性の極めて優れた品質を有する機械加工部品を得ることが可能になる。

【0078】

好適には、部品２のための各光学測定システム２２、２４は、機械加工されるべき部品の実際の粗さを測定するように構成され、誘導システム２０は、前記実際の粗さを、達成されるべき所定の最終粗さと比較するように構成される。

【0079】

また、本発明は、前述の工作機械１を使用して回転軸Ａを伴う少なくとも１つの回転面を有する、部品２、特にマイクロメカニカル部品を機械加工する方法に関連する。

【0080】

本発明に係る方法は、好適には、図８に関連して、以下のステップ、すなわち、
ａ）誘導システム２０の記録手段２０Ａを用いて、モデル部品５４に対応する、所定の公差を伴う加工後に達成されるべき部品２の所定の最終寸法を記録するステップであって、加工後に達成されるべき前記所定の最終寸法が、機械加工されるべき部品が完全に機械加工されて仕上げられる工作物、又は前記部品を得るために機械１内で仕上げられるブランクである場合の部品の最終寸法である、ステップと、
ｂ）機械加工されるべき部品２を用意するステップと、
ｃ）真空によって保持された関連するクランプ装置１６を使用して、工作機械１のスピンドル１２、１４のうちの１つに機械加工されるべき部品２を取り付けるステップであって、前記クランプ装置１６が予めそのスピンドル１２の中心に位置決めされており、テスト部品を使用して事前に調整された、その作用ゾーン９を正確に位置決めするために、スピンドル１２の位置決めと、無力精密加工手段８、特にフェムト秒レーザの初期位置決めを行う、ステップと、
ｄ）その目標寸法がモデル部品５４の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きいそのスピンドル１２に取り付けられたブランクを得るようにプログラムされる第１の加工段階に従って、クランプ装置１６を介して回転状態のそのスピンドル１２に取り付けられた部品２に対して材料を径方向及び／又は接線方向及び／又は軸方向で、好ましくは径方向で衝突させることによって、機械加工されるべき部品２の露出部分を無力精密加工手段８、特にフェムト秒レーザによって機械加工するステップと、
ｅ）工作機械１の第１のスピンドル１２に設けられた関連する光学測定システム２２と、誘導システム２０のための制御手段２０ｂとを使用して、測定フィールド３０における前ステップの第１の加工段階に従って機械加工された部品２の寸法を測定して記録し、関連するスピンドル１２に取り付けられた部品２のブランクの実際の測定された寸法を取得するステップと、
ｆ）誘導システム２０の比較手段２０ｃを使用して、ステップｅ）で測定された実際の寸法を、ステップａ）で記録されたモデル部品５４の所定の最終寸法と比較し、したがって、前記最終寸法に関して規定されるブランクの目標寸法に対して比較するステップと、
ｇ）無力精密加工手段のための制御手段の加工パラメータを修正し、スピンドル１２に取り付けられたブランクを発端として、第２の加工段階を制御するステップであって、第２の加工段階にわたって修正される加工パラメータが、より詳細には、フェムト・レーザの場合、レーザの特性、すなわち、出力、部品に対するレーザの距離、パルス当たりのエネルギー、周波数、パルス長、及び／又は関連するスピンドル１２の回転速度であり、電気化学的旋削加工（ＥＣＭ）に関しては、加工パラメータが、例えば、電圧、電流、及び電解質濃度であり、放電旋削に関しては、加工パラメータが、例えば、電圧及び電流である、ステップと、
ｈ）ステップｅ）で測定された実際の寸法がブランクの目標寸法と異なる場合、補正手段２０ｄを使用して、ステップｆ）で得られた測定値の比較に従って第２の加工段階にわたって誘導システム２０により管理される加工パラメータを補正するステップであって、フェムト・レーザの場合、補正された加工パラメータが、より詳細には、レーザの特性、すなわち、出力、部品に対するレーザの距離、パルス当たりのエネルギー、周波数、パルス長、及び／又は、関連するスピンドル１２の回転速度であり、電気化学的旋削加工（ＥＣＭ）に関しては、加工パラメータが、例えば、電圧、電流、及び電解質濃度であり、放電旋削に関しては、加工パラメータが、例えば、電圧及び電流である、ステップと、
ｉ）十分に少量の材料を除去するための第２の加工段階に従って、ステップｇ）で修正され、場合によりステップｈ）で補正された加工パラメータに基づき、誘導システム２０の制御手段２０ｅによって制御される無力精密加工手段８によって回転状態のそのスピンドル１２に取り付けられた部品２に対して、材料を径方向及び／又は接線方向及び／又は軸方向、好ましくは径方向で衝突させることによって部品２のブランクの露出部分を機械加工し、第１のスピンドル１２に取り付けられた完成品２を得るステップであって、完成品２が、４０ｎｍ未満、好ましくは２５ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの±２０％まで均一な粗さＲａを有するとともに、所定の最終寸法を有する、ステップと、
を含む。

【0081】

その後、スピンドル１２に取り付けられた部品２の露出部分の機械加工に続いて部品２の他の部分を機械加工することが目的である場合、本発明に係る機械加工方法は、好適には、以下のステップ、すなわち、
ｃ’）ロボットによって、スピンドル１２に保持されたそのクランプ装置１６から機械加工された部品２を引き出し、その部品を、真空によって保持された関連するクランプ装置１８を使用して、工作機械１の他のスピンドル１４に取り付けるステップであって、前記クランプ装置１８が予めそのスピンドル１４の中心に位置決めされており、テスト部品を使用して事前に調整された、その作用ゾーン９を正確に位置決めするために、スピンドル１４の位置決めと、無力精密加工手段８、特にフェムト秒レーザの初期位置決めを行う、ステップと、
ｄ’）その目標寸法がモデル部品５４の所定の最終寸法よりも０．５％～２０％大きいそのスピンドル１２に取り付けられたブランクを得るようにプログラムされる第３の加工段階に従って、クランプ装置１８を介して回転状態のそのスピンドル１４に取り付けられた部品２に対して材料を径方向及び／又は接線方向及び／又は軸方向で、好ましくは径方向で衝突させることによって、機械加工されるべき部品２の露出部分を無力精密加工手段８、特にフェムト秒レーザによって機械加工するステップと、
ｅ’）工作機械１の第２のスピンドル１４に設けられた関連する光学測定システム２４と、誘導システム２０の制御手段２０’ｂとを使用して、関連する測定フィールド３０における前ステップの第３の加工段階に従って機械加工された部品２の寸法を測定して記録し、その関連するスピンドル１４に取り付けられた部品２のブランクの実際の測定された寸法を取得するステップと、
ｆ’）誘導システム２０の比較手段２０ｃを使用して、ステップｅ’）で測定された実際の寸法を、ステップａ）で記録されたモデル部品５４の所定の最終寸法と比較し、したがって、前記最終寸法に関して規定されるブランクの目標寸法に対して比較するステップと、
ｇ’）無力精密加工手段のための制御手段の加工パラメータを修正し、スピンドル１４に取り付けられたブランクを発端として、第４の加工段階を制御するステップであって、第４の加工段階にわたって修正される加工パラメータが、より詳細には、フェムト・レーザの場合、レーザの特性、すなわち、出力、部品に対するレーザの距離、パルス当たりのエネルギー、周波数、パルス長、及び／又は関連するスピンドル１２の回転速度であり、電気化学的旋削加工（ＥＣＭ）に関しては、加工パラメータが、例えば、電圧、電流、及び電解質濃度であり、放電旋削に関しては、加工パラメータが例えば電圧及び電流である、ステップと、
ｈ’）ステップｅ’）で測定された実際の寸法がブランクの目標寸法と異なる場合、補正手段２０ｄを使用して、ステップｆ’）で得られた測定値の比較に従って第４の加工段階にわたって誘導システム２０により管理される加工パラメータを補正するステップであって、フェムト・レーザの場合、補正された加工パラメータが、より詳細には、レーザの特性、すなわち、出力、部品に対するレーザの距離、パルス当たりのエネルギー、周波数、パルス長、及び／又は、関連するスピンドル１４の回転速度であり、電気化学的旋削加工（ＥＣＭ）に関しては、加工パラメータが、例えば、電圧、電流、及び電解質濃度であり、放電旋削に関しては、加工パラメータが例えば電圧及び電流である、ステップと、
ｉ’）十分に少量の材料を除去するための第４の加工段階に従って、ステップｇ’）で修正され、場合によりステップｈ’）で補正された加工パラメータに基づき、誘導システム２０の制御手段２０ｅによって制御される無力精密加工手段８によって回転状態のそのスピンドル１４に取り付けられた部品２に対して、材料を径方向及び／又は接線方向及び／又は軸方向、好ましくは径方向で衝突させることによって部品２のブランクの露出部分を機械加工し、第２のスピンドル（１４）に取り付けられた完成品（２）を得るステップであって、完成品（２）が、４０ｎｍ未満、好ましくは２５ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下、好ましくは１２ｎｍ以下、より好ましくは厳密に１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ以下、より好ましくは上下限を含めて５ｎｍ～９ｎｍの±２０％まで均一な粗さＲａを有するとともに、所定の最終寸法を有する、ステップと、
を含む。

【0082】

第２のスピンドル１４上で部品２を機械加工するための方法のこれらのステップは、任意選択的であり、部品２の構成に従って実施することも実施しないこともできる。

【0083】

好適には、本発明に係る機械加工方法は、ステップｄ）及び／又はｄ’）に係る機械加工の前に、図９に関連する、以下の中間ステップ、すなわち、
ｊ）そのスピンドル１２又は１４のそれぞれと関連付けられる光学測定システム２２、２４によってスピンドルの回転軸Ａと回転軸Ｂ、Ｂ’のそれぞれとの間でそのスピンドル１２、１４に取り付けられる機械加工されるべき部品２の同心度を測定する中間ステップと、
ｋ）機械加工されるべき部品２及びその関連するスピンドル１２又は１４のそれぞれの回転軸Ａ、Ｂ又はＢ’のそれぞれが一致するように、同芯度を補正するための関連する装置４０を用いて、そのクランプ装置１６又は１８のそれぞれを移動させることによってその関連するスピンドル１２又は１４のそれぞれの回転軸Ｂ又はＢ’のそれぞれに対する機械加工されるべき部品２の同心度を補正する中間ステップと、
を含む。

【0084】

より詳細には、ステップｋ）は、スピンドル１２、１４、したがって関連するクランプ装置１６、１８の角運動によってＸＹ平面内でスピンドル１２、１４の角度を補正する第１のサブステップｋ１）を含み、スピンドル１２、１４の回転は、補正されるべき同心度に従って誘導システム２０によって制御される。

【0085】

ステップｋ）は、補正されるべき同心度に従って誘導システム２０により制御されて回転駆動される補正カム４４によって押される、径方向支持状態になったロッド４２を使用して、矢印Ｆで示すように、クランプ装置１６、１８をＹ軸に沿ってＸＹ平面内で並進移動させることによってクランプ装置１６、１８を径方向で補正する第２のサブステップｋ２）を含み、このサブステップｋ２中、誘導システム２０は、クランプ装置１６、１８をＸＹ平面内で少なくともＹ軸に沿って移動させてその関連するスピンドル１２、１４の軸に対してクランプ装置を中心に戻すことができるように真空をチェックするべく構成される。

【0086】

例えば、機械加工されるべき部品をクランプ装置に配置するときにクランプ装置がそのスピンドルに対して中心からずれている場合には、同心度を補正する必要がある。クランプ装置の位置に応じて、ステップｋ２）のみが必要な場合がある。スピンドルの軸と機械加工されるべき部品の軸とが最初から同軸である場合、同心度の測定を伴うステップｊ）のみが実施され、ステップｋ）は必要ない。

【0087】

前述の異なるステップｂ）～ｉ）、ｃ’）～ｉ’）、ｊ）及びｋ）は、機械加工されるべき各部品２に適用される。その後、全ての部品２が測定されて検査される。

【0088】

好適には、無力精密加工手段８のための制御手段２０ｅ及びそれらの加工パラメータは、材料とのそれぞれの相互作用のたびに材料を非常に細かく除去するために、及び第２の段階中に加工分解能を向上させるために、第２の加工段階中に部品２に加えられるエネルギーが、第１の加工段階中に部品２に加えられるエネルギーよりも少なくとも４０％小さく、第２の加工段階中に部品２に加えられるエネルギーが好ましくは材料との相互作用が進むにつれて減少できるようにプログラムされる誘導システムによって管理される。

【0089】

例えば、電気化学的旋削加工（ＥＣＭ）の場合、調整可能な加工パラメータは、特に電圧、電流、電解質濃度である。放電旋削加工の場合、調整可能な加工パラメータは特に電圧及び電流である。

【0090】

第１の段階中、この目的のためにプログラムされる誘導システム２０によって管理される無力加工手段は、同じ加工パラメータに基づいて加工し、材料の除去は、部品２の最終寸法より０．５％～２０％大きくなるように選択されたブランクの目標寸法に対応するオーバーサイズが達成されるような時間まで、部品との各相互作用において一定である。レーザのような無力加工手段は、ステップｊ）及びｋ）に係る加工前に最初に任意の同心度が修正されていることを考えれば一定である、部品の外側の固定点と部品の回転軸の既知の位置とを基準として取る。

【0091】

フェムト・レーザの場合、直径が２０μｍ未満のビームを放出することが選択される。無力精密加工手段８のための前記制御手段２０ｅの誘導システムは、直径の５０％を超えるビームが第１の加工段階中に使用されるとともに、直径の５０％未満のビームのが第２の加工段階中に使用されるように、部品２の材料と相互作用するべくビームの位置決めを制御するようにプログラムされる。

【0092】

より具体的には、第１の加工段階中、ビームは、部品の回転軸に近づきながら、部品の回転軸と平行に移動され、直径の５０％を超えるビームは、かなりの量のエネルギーを利用できるようにするために部品２の材料と相互作用するために使用され、それにより、かなりの量の材料を除去することが可能になる。部品に加えられるエネルギーは、部品との各相互作用で同じ量の材料を除去するために、第１の加工段階中に実質的に一定である。レーザは、それがオーバーサイズに達すると停止し、部品２の最終寸法の０．５％～２０％であるオーバーサイズの値は、ビームの寸法、第２の段階を行うのに許可される時間、及び求められる粗さＲａに従って選択される。

【0093】

第１の段階と第２の段階との間で、出力パラメータなどの加工パラメータは、この目的のためにプログラムされる誘導システムによって修正され、フェムト・レーザは、直径の５０％未満のビームが部品２の材料と相互作用するために使用されるようにその焦点を置くべく移動される。レーザが誘導システム２０によって誘導されるその制御手段２０ｂによって位置決めされた時点で、レーザは部品の回転軸から一定の距離に留まるが、ビームは往復することで回転軸と平行に移動され続ける。このため、非常に少ないエネルギーでビームが接触する材料はますます少なくなり、それにより、毎回除去される材料は非常に少なくなり、ビームと部品との相互作用ごとに除去される材料はますます少なくなる。したがって、ビームの品質係数が漸進的に変化し、それにより、そのような小さな部品を非常に高い精度と非常に低い粗さＲａで機械加工することが可能になる。第２の加工段階中に相互作用ゾーンが徐々に減少することにより、加工エネルギーを細かくチェックして、極度の粗さ値Ｒａを取得することが可能になる。

【0094】

例えば、スポット直径８μｍのフェムト・レーザで直径１００μｍの部品を加工するために、２μｍのオーバーサイズが選択される。すなわち、第１の加工の終了時に達成されるブランクの目標寸法は、最終直径よりも２％大きい。第２の加工段階の場合、フェムト・レーザは、レーザ・ビームの１／８が使用されるように誘導システム２０によってブランクに対して位置決めされる。９ｎｍの粗さＲａを伴う求められる直径を有する完成品が得られる。１μｍのオーバーサイズが選択される場合、すなわち、第１の加工段階の終了時に達成されるブランクの目標寸法が最終直径よりも１％大きい場合、フェムト・レーザは、レーザ・ビームの１／１６が使用されるように第２の加工段階のために位置決めされる。９ｎｍ未満の粗さＲａを伴う求められる直径を有する完成品が得られる。

【0095】

第１の加工段階と第２の加工段階との間で光学測定システム２２、２４によって取得されたブランクの測定値が、比較手段２０ｃによる比較に従って、目標寸法、すなわち、選択されたオーバーサイズに一致しない場合、オーバーサイズの実際の値を考慮して、ブランクに対してフェムト・レーザを位置決めするために、第２の段階における加工パラメータが補正手段２０ｄによって補正される。

【0096】

本発明に係る工作機械１及び前記工作機械１によって実施される加工方法は、２つの段階の間でスピンドルに組み込まれた光学システムによる部品のその場での寸法測定を伴う２つの加工段階に係る加工を実現できるようにし、加工パラメータは、２つの段階間で修正され、場合によっては、部品をそのスピンドルから取り外すことなく、部品の寸法測定の結果に従って補正され、それにより、±１μｍ以下、好ましくは±０．５μｍ以下の極めて高い精度で及び極めて低い粗さ値Ｒａの機械加工部品を得ることが可能になる。

【0097】

更に、本発明に係る工作機械１及び前記工作機械１によって実施される加工方法は、加工前に、光学システムによって、そのスピンドル内で機械加工されるべき部品の回転の同心度を測定できるようにするとともに、実現された同心度の測定値に従って部品のスピンドルの回転軸に対するクランプ装置の径方向の位置を補正できるようにする。同心度の補正及び部品の加工は、同じクランプにおける同じ場所で実行され、それにより、同心度及び同軸度の優れた品質を有する機械加工部品を得ることが可能になる。

【0098】

同心度を補正するための装置４０及びその動作に必要な要素を、そのスピンドルに対して部品のクランプ装置を再び心出しするために工作機械で使用できることは明らかである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】