AT515559A4 - Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung eines metallischen Bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung eines metallischen Lagerbauteils(14, 114, 214), mit den Schritten: Einbringen von Lagerrillenstrukturen mindestens eines Axiallagers (28,128, 228) in die Oberfläche des Lagerbauteils (14, 114, 214) mittels elektro-chemischer Abtragung, wobei die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers (28, 128, 228) eine Tiefe T aufweisen, Beschichten des Lagerbauteils (14, 114, 214) mit einer chemischen Nickelbeschichtung (48) mit einer Schichtdicke d, wobei die Schichtdicke d der Nickelbeschichtung (48) kleiner ist als die Tiefe T der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers (28, 128, 228), Einbringen von Lagerrillenstrukturen (22a, 24a, 122a, 124a, 222a, 224a) mindestens eines Radiallagers (22, 24, 122, 124, 222, 224) in die Oberfläche des Lagerbauteils (14, 114, 214) mittels elektro-chemischer Abtragung. Einbringen von Lagerrillenstrukturen mindestens eines Axiallagers (28,128, 228) in die Oberfläche des Lagerbauteils (14, 114, 214) mittels elektro-chemischer Abtragung, wobei die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers (28, 128, 228) eine Tiefe T aufweisen.

Description

Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung eines metallischen Bauteils

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung einesmetallischen Bauteils, insbesondere zur elektro-chemischen Bearbeitung vonmetallischen Bauteilen eines fluiddynamischen Lagersystems.

Stand der Technik

Bei der Bearbeitung von metallischen Bauteilen, beispielsweise metallischenBauteilen von fluiddynamischen Lagersystemen ist es bekannt, Verfahren derelektro-chemischen Abtragung zu verwenden, beispielsweise zum Einbringen vonLagerrillenstrukturen, zur Entgrätung von Bohrungen oder zur Herstellung andererStrukturen in der Oberfläche der Bauteile.

Bei fluiddynamischen Lagersystemen, wie sie in Spindelmotoren zum Antrieb vonFestplattenlaufwerken eingesetzt werden, ist das Schwingungsverhalten,insbesondere die Resonanzfrequenz im höheren Frequenzbereich von einigenKilohertz, typischerweise von mehr als einem Kilohertz, von besonderer Bedeutungfür die Beurteilung der Lagereigenschaften.

Die Resonanzfrequenz muss so abgestimmt sein bzw. deren Amplitude mussausreichend gering sein, dass der Betrieb des Festplattenlaufwerks, insbesonderedie Funktion der Schreib- Leseköpfe der Festplatteneinheit, nicht gestört wird.

Andererseits muss die Steifigkeit und Genauigkeit des fluiddynamischen Lagersmöglichst groß sein, um ein genaues und sicheres Schreiben und Auslesen vonDaten der Festplattenspeicher zu ermöglichen.

Die oben genannten Vorgaben können u. a. durch eine entsprechende Auslegungder Lagerrillenstrukturen des fluiddynamischen Lagers beeinflusst werden.

Erfahrungsgemäß ist es dabei vorteilhaft, wenn die Lagerrillenstrukturen einenmöglichst großen Querschnitt aufweisen, d. h. eine große Rillentiefe und eine großeRillenbreite. Bei fluiddynamischen Lagersystemen wie sie in modernenFestplattenlaufwerken eingesetzt werden, beträgt die Tiefe der Lagerrillenstrukturenwenige Mikrometer und die Breite einige zehn Mikrometer bis etwa 350 Mikrometer.

Diese Lagerrillenstrukturen werden in der Regel durch ein elektro-chemischesBearbeitungsverfahren (ECM: Electro Chemical Machining) in die entsprechendenLagerbauteile eingebracht. Der zu bearbeitende Werkstoff ist zumeist Stahl. Dabeiwerden die zu bearbeitenden Bauteile als elektrische Anode geschaltet, während dieElektrode zur Erzeugung der Lagerrillen als Kathode geschaltet ist. Zwischen dem zubearbeitenden Bauteil, also der Anode und der als Kathode geschalteten Elektrodebefindet sich ein Elektrolyt, der im Wesentlichen aus einer wässrigen Salzlösungbesteht. Die Kathode trägt leitende Bereiche, die in einer gegenüber liegendenOberfläche des Lagerbauteils Lagerrillen erzeugen, sobald eine Spannung zwischenAnode und Kathode angelegt wird und ein Strom oberhalb einer kritischenStromdichte in Form von Ionen durch den Elektrolyten fließt. Die leitenden Bereichezur Erzeugung von Rillen auf der Oberfläche eines Bauteils stehen vor und/oder sindvon einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben, welche einen Strom, ausgehendvon unerwünschten Bereichen der Elektrode, unterbindet.

Durch das ECM-Verfahren ist es jedoch nicht möglich in Stahl ideale Strukturen, d.h.im Querschnitt möglichst rechteckige Lagerrillenstrukturen herzustellen, sondern dieForm der Lagerrillen weist mehr oder weniger abgerundete Kanten auf. Es ergibt sichein eher trogförmiger Querschnitt der Lagerrillenstrukturen mit schräg abfallendenWänden und konkaver Bodenfläche.

Insbesondere bei eng nebeneinander liegenden Lagerrillenstrukturen führt dies dazu,dass keine definierten separaten Lagerrillen (grooves) gebildet werden können,sondern die Lagerrillenstrukturen fast fließend ineinander übergehen, d.h. dass dieebenen Bereiche zwischen benachbarten Lagerrillen (land) ebenfalls vertieft werden,ein unerwünschter Effekt, der als „land erosion“ bezeichnet wird. Um diesen Effekt zuvermeiden, sollte das Verhältnis von der Breite der Lagerrillen zu der Summe der

Breite der ebenen Bereiche zwischen benachbarten Lagerrillen (land) und der Breiteder Lagerrillen, auch „groove to pitch ratio“ (GPR) genannt, etwa 0,5 sein.

Durch diese Unzulänglichkeiten des ECM-Verfahrens ist es daher nicht möglich, dievorgesehenen Lagereigenschaften zu erreichen, sondern durch die Form derLagerrillen ergeben sich in der Praxis Einschnitte in der Lagerperformance, die beider Auslegung der Lager berücksichtigt werden müssen.

Es wäre daher wünschenswert, auf ein ECM-Verfahren zurückgreifen zu können,welches in der Lage ist, entsprechende Strukturen in die Oberflächen desWerkstückes einzubringen, die nahe an den gewünschten idealen Strukturen liegen.

Die Schrift JP4599735B2 offenbart eine mit einer chemischen Nickelbeschichtungbeschichtete Lagerbüchse, in die mittels eines ECM-Verfahrens Lagerrillenstruktureneingearbeitet werden. Die Lagerrillen sind dabei ausschließlich in derNickelbeschichtung ausgebildet.

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitungeines metallischen Werkstückes anzugeben, bei welchem Strukturen mit sehr vielbesserer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in die Oberfläche des metallischenWerkstückes eingebracht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen desAnspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind inden abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitungeines metallischen Bauteils zunächst Lagerrillenstrukturen eines oder mehrererAxiallager in die Oberfläche eines Lagerbauteils mittels elektro-chemischerAbtraauna einaebracht. anschließend wird das Laaerbauteil mit einer Nickelschicht versehen, und zuletzt werden im selben Lagerbauteil die Lagerrillenstrukturen voneinem oder mehreren Radiallagern mittels elektro-chemischer Abtragungeingebracht.. Dabei ist die Rillentiefe der Axiallager erfindungsgemäß größer als dieSchichtdicke der Nickelschicht. Die Rillentiefe der Radiallager ist dabei vorzugsweiseebenfalls tiefer als die Schichtdicke der Nickelschicht.

Vorzugsweise ist die Tiefe T der Strukturen größer als die Schichtdicke d derNickelbeschichtung. Dabei reichen die durch das ECM-Verfahren erzeugtenStrukturen durch die Nickelbeschichtung hindurch bis in die Oberfläche desmetallischen Bauteils.

Es hat sich herausgestellt, dass durch eine ECM-Bearbeitung eines metallischenBauteils, das mit einer chemischen Nickelbeschichtung versehen wurden, Strukturenin der Nickelbeschichtung erzeugt werden können, die vergleichsweise scharfeKonturen und insbesondere steiler abfallende Kanten aufweisen, als Strukturen, diein einer Stahloberfläche mittels einer ECM-Bearbeitung erzeugt werden Es lassensich somit ECM-Strukturen herstellen, die sehr viel näher an den idealen Strukturenliegen, als vergleichsweise bei bisherigen ECM-Verfahren.

Als Nickelbeschichtung für das metallische Bauteil ist insbesondere eine Legierungaus Nickel-Phosphor, in besonderem Maße jedoch eine Legierung aus Nickel-Borgeeignet. Eine Beschichtung mit Nickel-Bor ermöglicht die kontrollierte Herstellungvon genaueren Oberflächenstrukturen, als in einer Beschichtung mit Nickel-Phosphorund insbesondere genauere Oberflächenstrukturen, als in Stahl. Bei Verwendungeiner Nickel-Bor-Beschichtung arbeitet der ECM-Prozess oberhalb eines bestimmtenSchwellwertes der verwendeten Stromdichte sehr effizient, während unterhalb diesesSchwellwertes die Effizienz mehr und mehr nachlässt. Es hat sich herausgestellt,dass die Empfindlichkeit hinsichtlich der verwendeten Stromdichte beim ECM-Prozess bei einer Beschichtung mit Nickel-Bor sehr viel größer und schärfer ist alsbeispielsweise bei einem ECM-Prozess auf einer reinen Stahloberfläche.

Aufgrund dieses Effektes ist es möglich, dass die Form der eingebrachten ECM-Strukturen sehr viel näher an den gewünschten Strukturen liegt, welche der ECM-Elektrode aufgeprägt sind. Dadurch können die auf der ECM-Elektrode aufgebrachten Strukturen sehr viel genauer auf der metallischen Oberfläche einesBauteils abgebildet werden, und die Form der auf das Bauteil aufzubringendenStrukturen sehr viel besser kontrolliert werden.

Die Oberfläche des metallischen Bauteils wirkt in diesem Falle als eine Grenze odereine Begrenzung für den ECM-Prozess, da das metallische Bauteil, beispielsweiseStahl, eine wesentlich geringere Empfindlichkeit auf den ECM-Abtragungsprozesszeigt als die Nickelbeschichtung. Vorzugsweise ergibt sich dadurch bei derStrukturierung einer Oberfläche ein Querschnitt, bei dem entlang derNickelbeschichtung ein schräger Kantenabfall ausgebildet ist, an dessen Unterkantedie Oberfläche des Stahlbauteils ein Plateau bildet, das vom ECM-Prozess nichtabgetragen wird, an das sich wiederum mit einem gewissen Abstand zurNickelbeschichtung ein deutlich schwächerer Kantenabfall im Stahlbauteil als in derNickelbeschichtung anschließt. Der Winkel zwischen der Oberfläche derNickelbeschichtung und dem Kantenabfall innerhalb der Nickelbeschichtung istgrößer 10 Grad und ist üblicherweise 20 Grad bis 25 Grad. Der Winkel zwischen derOberfläche des Stahlbauteils und dem Kantenabfall innerhalb des Stahls ist kleiner10 Grad und beträgt üblicherweise etwa 4 Grad.

Die Nickelbeschichtung hat, im Vergleich zu einer Metalloberfläche bzw.Stahloberfläche, einen weiteren positiven Effekt. Durch die Nickelbeschichtung erhältdas metallische Bauteil eine größere Härte und Abriebfestigkeit. Durch daserfindungsgemäße Verfahren ergeben sich demnach sehr effiziente und genaueECM-Strukturen in der Nickelbeschichtung bei gleichzeitig verbesserter Härte undAbriebfestigkeit. Dies macht das beschriebene Verfahren insbesondere für dieBearbeitung von Lagerbauteilen eines fluiddynamischen Lagers verwendbar.

Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der Nickelschicht etwa 0,5 Mikrometer bis 2,5Mikrometer, die Rillentiefe der Radiallagerrillen beträgt etwa 2 bis 10 Mikrometer unddie Rillentiefe der Axiallager beträgt etwa zwischen 10 Mikrometer und 20Mikrometer.

Ein solches fluiddynamisches Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerungeines Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben.Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einemfluiddynamischen Lagersystem, dessen Lagerrillenstrukturen mit demerfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.

Figur 2 zeigt das Detail X von Figur 1.

Figur 3 zeigt das Detail Y von Figur 2

Figur 4 zeigt den Schnitt A-A durch Figur 3.

Figur 5 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines

Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.

Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines

Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch eine wiederum andere Ausführungsform einesSpindelmotors mit fluiddynamischem Lager.

Figur 8 zeigt eine Aufsicht auf ein Axiallager eines Spindelmotors.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.

In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagerdargestellt. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche die

Lagerkomponenten und das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotorsträgt.

Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbüchse 14, die in einer Öffnungder Basisplatte 10 befestigt ist. Die Lagerbüchse weist eine zentrale Lagerbohrungauf, in der eine Welle 12 um eine Rotationsachse 46 drehbar gelagert ist.

Die Welle 12 trägt an ihrem freien Ende ein Rotorbauteil in Form einer Nabe 16, diesich zusammen mit der Welle 12 dreht. Die Laqerunq der Welle 12 erfolqt mittels des fluiddynamischen Lagersystems, welches zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24und ein fluiddynamisches Axiallager 28 aufweist, die entlang eines Lagerspaltes 20angeordnet sind.

Der Lagerspalt 20 erstreckt sich in Richtung parallel zur Rotationsachse 46 zwischeneinem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Lagerbohrung derLagerbüchse 14 und entlang eines radial verlaufenden Abschnittes zwischen einerStirnseite der Lagerbüchse 14 und einer unteren Stirnfläche der Nabe 16.

Der Lagerspalt ist einige Mikrometer bis einige 10 Mikrometer breit und mit einemLagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt.

An einem unteren Ende der Welle 12 ist eine Verbreiterung in Form einesStopperrings 12a vorgesehen, der als Ausfallsicherung für die Welle 12 und alsBegrenzung des axialen Lagerspiels dient. Der Stopperring 12a ist in einerAussparung der Lagerbüchse 14 aufgenommen. Die Aussparung ist mit demLagerspalt 20 verbunden, mit Lagerfluid gefüllt und von einer Abdeckung 18abgedeckt.

Ein erstes oberes Radiallager 22 umfasst im Erscheinungsbild etwa sinusförmigeRadiallagerrillenstrukturen 22a die über dem Umfang der Lagerbohrung bzw. überden Umfang der Welle 12 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 22a sindasymmetrisch ausgebildet und erzeugen bei Betrieb des Lagers eine gerichtetePumprichtung in Richtung des Lagerinneren.

Ein zweites unteres Radiallager 24 umfasst ebenfalls sinusförmige Radiallagerrillen24a, die am Umfang der Lagerbohrung bzw. am Außenumfang der Welle 12angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 24a sind symmetrisch ausgebildet underzeugen bei idealer Lagerbauteilgeometrie, das heißt für eine Welle 12 ohneAbweichung von der zylindrischen Form sowie für eine Bohrung innerhalb derLagerbüchse 14 zur Aufnahme der Welle 12 ohne Abweichung von derhohlzylindrischen Form, bei Betreib des Lagers keine gerichtete Pumprichtung.

Sobald sich die Welle 12 in der Lagerbohrung dreht, wird durch die Rillenstrukturen22a, 24a der Radiallager 22, 24 ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 20erzeugt, welcher die Lager tragfähig macht.

Das Axiallager 28 umfasst beispielsweise auf der Stirnseite der Lagerbüchse 14angeordnete spiralförmige Rillenstrukturen, die bei Drehung der Nabe 16 relativ zurLagerbüchse ebenfalls eine Pumpwirkung auf das im radial verlaufenden Lagerspaltbefindliche Lagerfluid ausüben, so dass die Nabe 16 von der Oberfläche derLagerbüchse abhebt und axial stabilisiert wird.

Das offene Ende des Lagerspaltes 20 im Bereich des horizontalen Abschnittesverbreitert sich im Bereich des äußeren Durchmessers der Lagerbüchse 14 undknickt etwa im rechten Winkel ab und geht über in einen kapillaren Dichtungsspalt32, dessen Spaltbreite sich in Richtung seiner Öffnung vergrößert. Der kapillareDichtungsspalt 32 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und dient als Reservoir für dasLagerfluid und zur Abdichtung des Lagersystems.

Der Dichtungsspalt 32 ist mit der Außenatmosphäre über einen Luftspalt 34verbunden. Der Luftspalt 34 hat vorzugsweise eine kleine Spaltbreite, damit einEntweichen von verdampftem Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32 verringert wird.

Um eine ständige Zirkulation des Lagerfluids im Lager zu gewährleisten, ist in derLagerbüchse 14 ein Rezirkulationskanal 30 vorgesehen, der die Aussparung imBereich des Stopperrings 12a direkt mit dem Ende des Lagerspalts 20 im Bereichdes Dichtungsspaltes 32 verbindet. Der Rezirkulationskanal 30 ist vollständig mitLagerfluid gefüllt und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids durch das Lager.

Der Antrieb des Spindelmotors erfolgt über ein elektromagnetisches Antriebssystem,welches eine Statoranordnung 36 umfasst, die an der Basisplatte 10 fest angeordnetist. Radial gegenüberliegend der Statoranordnung 36 ist ein Rotormagnet 38vorgesehen, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 befestigt ist.

Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen der Statoranordnung 36,wird der Rotormagnet mitsamt der Nabe 16 und der Welle 12 in Drehung versetzt.

Eine axiale Vorspannung für das Axiallager 28 wird magnetisch erzeugt, indemunterhalb der unteren Stirnfläche des Rotormagneten 38 ein Zugring 40 vorgesehenist, der vom Rotormagneten 38 magnetisch angezogen wird. Diese magnetischeAnziehungskraft wirkt der Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 28 entgegen undstabilisiert das Lager in axialer Richtung. Desweiteren ist der Mittelpunkt desRotormagneten 38 gegenüber dem Mittelpunkt der Statoranordnung 36 in axialerRichtung nach oben, also in Richtung der Nabe 20, verschoben und wirkt somitebenfalls als magnetische Gegenkraft zur Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 28.

Die elektrische Kontaktierung der Wicklungsdrähte 42 der Statoranordnung 36 erfolgtüber eine Anschlussplatine 44, mit welcher die Wicklungsdrähte elektrisch verbundensind.

Die Lagerrillenstrukturen 22a, 24a der Radiallager 22, 24 als auch dieLagerrillenstrukturen des Axiallagers 28 werden erfindungsgemäß durchelektrochemische Abtragung in die Oberflächen der Lagerkomponenten eingebracht.

Hierbei weisen die Lagerrillenstrukturen 22a, 24a der fluiddynamischen Radiallager22, 24 eine Tiefe von wenigen Mikrometern und eine Breite von bis zu 300Mikrometern auf, wogegen die Lagerrillenstrukturen des fluiddynamischenAxiallagers 28 bis zu 20 Mikrometer tief und bis zu 350 Mikrometer breit sind.Zwischen den Radiallagern 22, 24 befindet sich ein Separatorspalt 26, der einegrößere Spaltbreite aufweist, als vergleichsweise der Lagerspalt 20.

Figur 2 zeigt das Detail X der Figur 1. Die Lagerrillenstruktur 22a wurde mittels ECMin das mit einer Nickelbeschichtung 48 beschichtete metallische Bauteil 14eingearbeitet. Deutlich zu erkennen ist das dadurch entstandene Plateau 50 auf derOberfläche des metallischen Bauteils 14.

Figur 3 zeigt das Detail Y einer Lagerrillenstruktur 22a aus der Figur 2.

Figur 4 zeigt einen vergrößert dargestellten Schnitt entlang der Linie A-A von Figur 3.Man erkennt, dass bei der Herstellung der Lagerrillenstruktur 22a durch daselektrochemische Abtragungsverfahren sowohl Material der Nickelbeschichtung 48, die eine Schichtdicke d aufweist, als auch dem Stahl der Lagerbüchse 14 abgetragenwurde. Die Nickelbeschichtung 48 wurde also im Bereich der Lagerrillenstruktur 22aüber die gesamte Schichtdicke d vollständig abgetragen.

Durch dieses ECM-Verfahren bilden sich an der Nickelbeschichtung 48 äußereRänder a1, a2 in der Lagerrillenstruktur 22a, an die sich ein Kantenabfall 52anschließt, der bis auf die Oberfläche der Lagerbüchse 14 reicht. An diesenKatenabfall 52 schließt sich ein Plateau 50 auf der Oberfläche des Stahls derLagerbüchse 14 an. Dieses Plateau 50 ist der Bereich der Lagerbüchse 14, bei demdie Nickelschicht 48 auf der Stahloberfläche vollständig entfernt ist, dieStahloberfläche selber vom ECM-Prozess jedoch nicht abgetragen wurde. An denEnden dieses Plateaus 50 bilden sich innere Ränder b1, b2 in der Lagerrillenstruktur22a aus, an die sich wiederum ein weiterer, jedoch deutlich schwächerer,Kantenabfall 54 im Stahlbauteil anschließt. Der Winkel zwischen dem Kantenabfall52 und der Oberfläche der Nickelbeschichtung beträgt beispielsweise für eine Nickel-Bor-Beschichtung etwa 20 Grad bis 25 Grad, während der Winkel zwischen demKantenabfall 54 und der Oberfläche des Stahls etwa 4 Grad beträgt.

Das ECM-Verfahren wurde so eingestellt, dass nicht nur die Nickelschicht 48abgetragen wird, sondern auch Material aus der Oberfläche des Stahls derLagerbüchse 14 abgetragen wird. Der Materialabtrag durch das ECM-Verfahren lässtsich durch die gewählte Spannung steuern. Durch eine höhere Spannung wird dieBreite des Plateaus 50, also der Bereich zwischen a1 und b1 bzw. a2 und b2,reduziert. Die Breite des Plateaus 50 ist somit über die verwendete Spannung imECM-Verfahren steuerbar. Übliche Spannungen liegen im Bereich von 7 Volt bis 15Volt.

Die Breite des Materialabtrages in der Oberfläche des Stahls der Lagerbüchse 14 istwesentlich geringer, als die in der Nickelbeschichtung 48 und wird durch die innerenRänder b1, b2 der Lagerbüchse 22a begrenzt.

Es ergibt sich also eine im Querschnitt profilierte Lagerrillenstruktur 22a mitAbstufungen, die durch die Kanten a1, a2 und b1, b2 gebildet werden. DieLagerrillenstruktur 22a reicht durch die Nickelbeschichtung 48 hindurch bis in denStahl der Lagerbüchse 14.

Die Figuren 5 bis 7 zeigen weitere Spindelmotoren zum Antrieb vonFestplattenspeichergeräten, die fluiddynamische Lager aufweisen, welcheentsprechend der Erfindung ausgestaltet sind.

Figur 5 zeigt einen Spindelmotor mit einer abgewandelten Ausgestaltung einesfluiddynamischen Lagers. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110 mit einerÖffnung, in welche ein im Querschnitt etwa becherförmiges Lagerbauteil 113eingesetzt ist. In einer Öffnung des Lagerbauteils 113 ist eine feststehende Welle112 angeordnet, die an ihrem freien Ende ein Stopperbauteil 112a umfasst.

Im Zwischenraum zwischen dem Lagerbauteil 113, der Welle 112 und demStopperbauteil 112a ist eine Lagerbüchse 114 drehbar um eine Rotationsachse 146angeordnet. Die Lagerbüchse 114 ist Teil der Nabe 116 und bildet zusammen mit derNabe 116 das Rotorbauteil des Spindelmotors.

Die feststehenden Lagerbauteile 113, 112 und 112a sind durch einen Lagerspalt 120von den rotierenden Lagerbauteilen 114 und 116 getrennt.

Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 120 sind zweiRadiallager 122, 124 mit entsprechenden Radiallagerstrukturen 122a, 124aangeordnet. Die Radiallagerstrukturen 122a, 124a sind vorzugsweise in derWandung der Lagerbohrung der Lagerbüchse 114 vorgesehen und weisenbeispielsweise sinusförmige Strukturen auf. Das obere Radiallager 122 istsymmetrisch ausgebildet und übt bei idealer Lagerbauteilgeometrie bei Betrieb desLagers keine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid aus. Das untere Radiallager124 ist asymmetrisch ausgebildet und übt bei Betrieb des Lagers eine gerichtetePumpwirkung in Richtung des oberen Radiallagers 122 aus.

Die Oberfläche der Lagerbüchse 114 ist, wie es bereits im Zusammenhang mit denFiguren 1 bis 4 beschrieben wurde, mit einer Nickelbeschichtung 48 versehen.

In diese Nickelbeschichtung 48 sind die Lagerrillenstrukturen 122a, 124a in dieNickelbeschichtung 48 und die Oberfläche des Stahls der Lagerbüchse 114eingebracht.

Zwischen dem feststehenden Lagerbauteil 113 und einer Stirnseite der Lagerbüchse114 ist ein fluiddynamisches Axiallager 128 angeordnet.

Radial außerhalb des Axiallagers 128 entlang des radial verlaufenden Lagerspaltes120 geht der Lagerspalt 120 in einen Dichtungsspalt 132 über, der durch eineInnenwandung des feststehenden Lagerbauteils 113 und eine Außenwandung odereinem Außenumfang der Lagerbüchse 114 gebildet ist. Der Dichtungsspalt 132 istüber einen Luftspalt 134 mit der Außenatmosphäre verbunden.

Am anderen Ende des Lagerspaltes 120 im Bereich des Stopperbauteils 112abefindet sich ebenfalls ein kapillarer Dichtungsspalt 133, der in axialer Richtungverläuft und in einem Freiraum mündet, der mittels einer Abdeckung 118 abgedecktist.

Entlang dieses kapillaren Dichtungsspaltes 133 kann vorzugsweise eine dynamischePumpdichtung 135 angeordnet sein. Die Pumpdichtung 135 umfasstPumprillenstrukturen, die in der Oberfläche der Lagerbüchse 114 bzw. derOberfläche des Stopperbauteils 112a angeordnet sind. Diese Pumprillenstrukturenüben bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung desLagerinneren, also in Richtung Lagerspaltes 120, aus.

Zwischen den Radiallagern befindet sich ein Separatorspalt 126, der eine größereSpaltbreite aufweist, als vergleichsweise der Lagerspalt 120 und üblicherweisemittels spanabhebender Verfahren in die Lagerbohrung zur Aufnahme der Welle 112innerhalb der Lagerbüchse 114 eingearbeitet wird.

Entfernte Abschnitte des Lagerspalts 120, insbesondere die Abschnitte zwischendem Lagerspalt 120 und den Dichtungsspalten 132, 133 sind über einenRezirkulationskanal 130 direkt miteinander verbunden. Der Rezirkulationskanal 130ist vollständig mit Lagerfluid gefüllt und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluidsdurch das Lager.

Der Antrieb des Spindelmotors erfolgt über ein elektromagnetisches Antriebssystembestehend aus einer Statoranordnung 136, die an der Basisplatte befestigt ist, undeinem Rotormagneten 138, der an einem Innenumfang der Nabe 116 angeordnet ist.

Die axiale Vorspannung für das einzige Axiallager 128 wird über einenferromagnetischen Zugring 140 realisiert, der vom Rotormagneten 138 in axialerRichtung angezogen wird und eine magnetische Gegenkraft zur Kraft des Axiallagers128 erzeugt. Desweiteren ist der Mittelpunkt des Rotormagneten 138 gegenüberdem Mittelpunkt der Statoranordnung 136 in axialer Richtung nach oben, also inRichtung der Nabe 120, verschoben und wirkt somit ebenfalls als magnetischeGegenkraft zur Kraft des Axiallagers 128.

Die Wicklungsdrähte 142 der Statoranordnung 136 sind über eine Anschlussplatine144 elektrisch kontaktiert.

Der dargestellte Spindelmotor weist eine relativ große Bauhöhe auf und kannvorzugsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes mit mehreren Speicherplattenverwendet werden, die übereinander liegend an der Nabe angeordnet werden (nichtdargestellt).

Figur 6 zeigt einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung einesfluiddynamischen Lagers. Grundsätzlich entspricht der Aufbau des Spindelmotorsvon Figur 6 dem Aufbau des Spindelmotors von Figur 5.

Es handelt sich um einen Spindelmotor mit relativ niedriger Bauweise von ca. 7 mm.Die Welle 212 weist neben dem Stopperbauteil 212a, das als separates auf die Welle212 aufgepresstes Bauteil ausgebildet ist und auf einer Stufe der Welle 212 axialaufliegt, einen verbreiterten Flansch 212b am unteren Ende auf. Mit diesem Flansch212b ist die Welle 212 in eine Öffnung des feststehenden Lagerbauteils 213eingesetzt und mit diesem vorzugsweise verschweißt.

Der Dichtungsspalt 232 ist über einen axial verlaufenden Luftspalt 234 mit derAußenatmosphäre verbunden. Dieser Luftspalt 234 weist vorzugsweise eine geringeBreite von nur einigen zehn Mikrometern auf.

Am oberen Ende weist die Welle 212 eine zentrale Gewindebohrung auf, mit welcherdieses Ende der Welle mit einem Gehäuse des Motors bzw. Festplattenlaufwerkesdirekt verschraubt werden kann. Das Gehäuse liegt dabei auf einer oberenStirnfläche des Stopperbauteils 212a.

Der Separatorspalt 226, der zwei Radiallager 222, 224 voneinander trennt, ist indieser Ausführungsform noch relativ lang, jedoch kürzer als in Figur 5, ausgebildetund weist eine breitere Spaltbreite als der Lagerspalt 220 im Bereich der Radiallager222, 224 auf.

Der Rezirkulationskanal 230 ist in dieser Ausführung, im Vergleich zu derAusführung, die in Figur 5 gezeigt ist, kürzer und in einem größeren Winkel relativzur Drehachse 246 angeordnet.

Figur 7 zeigt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager, der im Wesentlichenidentisch mit dem Spindelmotor von Figur 6 ist, mit der Ausnahme, dass die Bauhöheim Vergleich zu Figur 6 auf etwa 5 mm reduziert wurde.

Hierbei ist die axiale Länge des Separatorspalts 226 wesentlich verkürzt, so dass diebeiden Radiallager 222, 224 sehr eng beieinander liegen. Vorzugsweise wird derSeparatorspalt 226 gemeinsam mit den Radiallagerrillen 222a, 224a mittels einesECM-Verfahrens in die Lagerbüchse eingebracht. Dabei ist prozessbedingt derSeparatorspalt 226 etwa 1 Mikrometer tiefer als die Lagerrillen der Radiallager 222,224.

Ebenfalls musste die Länge des Luftspaltes 234 gegenüber Figur 6 erheblich gekürztwerden.

Die magnetische Vorspannung des Axiallagers 228 wird in dieser Ausführungsformnicht mehr durch einen Zugring, der mit dem Rotormagneten 238 zusammenwirkt,erreicht, sondern durch einen axialen Versatz zwischen der magnetischen Mitte derStatoranordnung 236 und der magnetischen Mitte des Rotormagneten 238.

Durch diesen axialen Versatz wird eine axiale Kraft entgegen der Lagerkraft desfluiddynamischen Axiallagers 228 erzeugt, welche das Lager im axialenGleichgewicht hält.

Der Rezirkulationskanal 230 ist vorzugsweise schräg zur Rotationsachse 246angeordnet. In der hier gezeigten Ausführung ist der Rezirkulationskanal 230 nochkürzer und in einem noch größeren Winkel zur Drehachse 246 angeordnet, als in derin der Figur 6 gezeigte Rezirkulationskanal 230. Dadurch ergibt sich bei Rotation derLagerbüchse 214 bzw. der Nabe 216 eine Zentrifugalkraft auf das imRezirkulationskanal 230 befindliche Lagerfluid.

Das Lagerfluid wird dabei im Rezirkulationskanal 230 in Richtung des Flansches212b bzw. feststehenden Lagerbauteils 213 beschleunigt, wodurch die Zirkulationdes Lagerfluids durch den Lagerspalt unterstützt wird.

Dies ist auch bei den übrigen Spindelmotoren gemäß der Figuren, 5 und 6 der Fall.

Figur 8 zeigt eine Aufsicht des Axiallagers 28 mit Lagerrillenstrukturen 28a.Sämtliche Lagerrillenstrukturen 28a verlaufen dabei bis zu der Innenumfangsflächeder Bohrung innerhalb der Lagerbüchse 14 zur Aufnahme der Welle 12. Zumindesteinige der Lagerrillenstrukturen 28a verlaufen bis zum Außenumfang derLagerbüchse 14. Der Rezirkulationskanal 30 mündet im Bereich der

Axiallagerstrukturen 28a.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist uneingeschränkt anwendbar für die HerstellungLagerrillen für unterschiedlichste fluiddynamische Lager, etwa auch für derartigeLager, die in den Offenlegungsschriften DE 10 2004 040 295 A1 beziehungsweiseDE 10 2011 106 511 A1.

Liste der Bezugszeichen 10,110,210 Basisplatte 12,112,212 Welle 12a, 112a, 212a Stopperring, Stopperbauteil 212b verbreiterter Flansch113,213 Lagerbauteil 14,114,214 Lagerbüchse 16,116,216 Nabe (Rotor) 18,118,218 Abdeckung 20, 120, 220 Lagerspalt 22, 122, 222 Radiallager 22a, 122a, 222a Lagerrillenstrukturen24,124, 224 Radiallager 24a, 124a, 224a Lagerrillenstrukturen26, 126, 226 Separatorabschnitt 28, 128, 228 Axiallager 28a, 128a, 228a Lagerrillenstrukturen30,130, 230 Rezirkulationskanal 32,132,232 Dichtungsspalt 133,233 Dichtungsspalt 34,134,234 Luftspalt 135,235 Pumpdichtung 36,136,236 Statoranordnung 38. 138, 238 Rotormagnet 40, 140, 240 Zugring 42, 142, 242 Wicklungsdraht 44, 144, 244 Anschlussplatine 46, 146, 246 Rotationsachse 48 Nickelbeschichtung 50 Plateau 52 Kantenabfall in der Nickelbeschichtung 54 Kantenabfall in dem Stahlbauteil T Tiefe der Axiallagerrillen d Schichtdicke der Nickelbeschichtung a1, a2 äußerer Rand der Lagerrillenstruktur b1, b2 innerer Rand der Lagerrillenstruktur

Patentansprüche:

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung eines metallischen Lagerbauteils(14, 114, 214), mit den folgenden Schritten (a) bis (c), die einer zeitlichenAbfolge entsprechend der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden: (a) Einbringen von Lagerrillenstrukturen mindestens eines Axiallagers (28, 128, 228) in die Oberfläche des Lagerbauteils (14, 114, 214) mittels elektro¬chemischer Abtragung, wobei die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers (28,128, 228) eine Tiefe T aufweisen, (b) Beschichten des Lagerbauteils (14, 114, 214) mit einer chemischenNickelbeschichtung (48) mit einer Schichtdicke d, wobei die Schichtdicke dder Nickelbeschichtung (48) kleiner ist als die Tiefe T derLagerrillenstrukturen des Axiallagers (28, 128, 228) und (c) Einbringen von Lagerrillenstrukturen (22a, 24a, 122a, 124a, 222a, 224a)mindestens eines Radiallagers (22, 24, 122, 124, 222, 224) in dieOberfläche des Lagerbauteils (14, 114, 214) mittels elektro-chemischerAbtragung.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alsNickelbeschichtung (48) eine Nickel-Bor Legierung verwendet wird.
3. 3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dassals Nickelbeschichtung (48) eine Nickel-Phosphor-Legierung verwendet wird.
4. 4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dassals Material für das metallische Bauteil (14, 114, 214) Stahl verwendet wird.
5. 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dassdie Rillentiefe der Radiallager (22, 24, 122, 124, 222, 224) tiefer als dieSchichtdicke d der Nickelbeschichtung (48) ist.
6. 6. Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem fluiddynamischenRadiallager (22, 24, 122, 124, 222, 224) und/oder einem fluiddynamischenAxiallager (28, 128, 228), welche Lagerrillenstrukturen (22a, 24a, 122a, 124a,222a, 224a) aufweisen, die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1bis 5 hergestellt wurden.
7. 7. Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß Anspruch 6.
8. 8. Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 7.