AT515559B1 - 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

Beschreibung

VERFAHREN ZUR ELEKTRO-CHEMISCHEN BEARBEITUNG EINES METALLISCHEN BAU¬TEILS

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung eines metalli¬schen Bauteils, insbesondere zur elektro-chemischen Bearbeitung von metallischen Bauteileneines fluiddynamischen Lagersystems.

STAND DER TECHNIK

[0002] Bei der Bearbeitung von metallischen Bauteilen, beispielsweise metallischen Bauteilenvon fluiddynamischen Lagersystemen ist es bekannt, Verfahren der elektro-chemischen Abtra¬gung zu verwenden, beispielsweise zum Einbringen von Lagerrillenstrukturen, zur Entgrätungvon Bohrungen oder zur Herstellung anderer Strukturen in der Oberfläche der Bauteile.

[0003] Bei fluiddynamischen Lagersystemen, wie sie in Spindelmotoren zum Antrieb von Fest¬plattenlaufwerken eingesetzt werden, ist das Schwingungsverhalten, insbesondere die Reso¬nanzfrequenz im höheren Frequenzbereich von einigen Kilohertz, typischerweise von mehr alseinem Kilohertz, von besonderer Bedeutung für die Beurteilung der Lagereigenschaften.

[0004] Die Resonanzfrequenz muss so abgestimmt sein bzw. deren Amplitude muss ausrei¬chend gering sein, dass der Betrieb des Festplattenlaufwerks, insbesondere die Funktion derSchreib- Leseköpfe der Festplatteneinheit, nicht gestört wird.

[0005] Andererseits muss die Steifigkeit und Genauigkeit des fluiddynamischen Lagers mög¬lichst groß sein, um ein genaues und sicheres Schreiben und Auslesen von Daten der Festplat¬tenspeicher zu ermöglichen.

[0006] Die oben genannten Vorgaben können u. a. durch eine entsprechende Auslegung derLagerrillenstrukturen des fluiddynamischen Lagers beeinflusst werden.

[0007] Erfahrungsgemäß ist es dabei vorteilhaft, wenn die Lagerrillenstrukturen einen möglichstgroßen Querschnitt aufweisen, d. h. eine große Rillentiefe und eine große Rillenbreite. Beifluiddynamischen Lagersystemen wie sie in modernen Festplattenlaufwerken eingesetzt wer¬den, beträgt die Tiefe der Lagerrillenstrukturen wenige Mikrometer und die Breite einige zehnMikrometer bis etwa 350 Mikrometer.

[0008] Diese Lagerrillenstrukturen werden in der Regel durch ein elektro-chemisches Bearbei¬tungsverfahren (ECM: Electro Chemical Machining) in die entsprechenden Lagerbauteile ein¬gebracht. Der zu bearbeitende Werkstoff ist zumeist Stahl. Dabei werden die zu bearbeitendenBauteile als elektrische Anode geschaltet, während die Elektrode zur Erzeugung der Lagerrillenals Kathode geschaltet ist. Zwischen dem zu bearbeitenden Bauteil, also der Anode und der alsKathode geschalteten Elektrode befindet sich ein Elektrolyt, der im Wesentlichen aus einerwässrigen Salzlösung besteht. Die Kathode trägt leitende Bereiche, die in einer gegenüberliegenden Oberfläche des Lagerbauteils Lagerrillen erzeugen, sobald eine Spannung zwischenAnode und Kathode angelegt wird und ein Strom oberhalb einer kritischen Stromdichte in Formvon Ionen durch den Elektrolyten fließt. Die leitenden Bereiche zur Erzeugung von Rillen aufder Oberfläche eines Bauteils stehen vor und/oder sind von einer elektrisch isolierendenSchicht umgeben, welche einen Strom, ausgehend von unerwünschten Bereichen der Elektro¬de, unterbindet.

[0009] Durch das ECM-Verfahren ist es jedoch nicht möglich in Stahl ideale Strukturen, d.h. imQuerschnitt möglichst rechteckige Lagerrillenstrukturen herzustellen, sondern die Form derLagerrillen weist mehr oder weniger abgerundete Kanten auf. Es ergibt sich ein eher trogförmi¬ger Querschnitt der Lagerrillenstrukturen mit schräg abfallenden Wänden und konkaver Boden¬fläche.

[0010] Insbesondere bei eng nebeneinander liegenden Lagerrillenstrukturen führt dies dazu,dass keine definierten separaten Lagerrillen (grooves) gebildet werden können, sondern dieLagerrillenstrukturen fast fließend ineinander übergehen, d.h. dass die ebenen Bereiche zwi¬schen benachbarten Lagerrillen (land) ebenfalls vertieft werden, ein unerwünschter Effekt, derals „land erosion“ bezeichnet wird. Um diesen Effekt zu vermeiden, sollte das Verhältnis von derBreite der Lagerrillen zu der Summe der Breite der ebenen Bereiche zwischen benachbartenLagerrillen (land) und der Breite der Lagerrillen, auch „groove to pitch ratio“ (GPR) genannt,etwa 0,5 sein.

[0011] Durch diese Unzulänglichkeiten des ECM-Verfahrens ist es daher nicht möglich, dievorgesehenen Lagereigenschaften zu erreichen, sondern durch die Form der Lagerrillen erge¬ben sich in der Praxis Einschnitte in der Lagerperformance, die bei der Auslegung der Lagerberücksichtigt werden müssen.

[0012] Es wäre daher wünschenswert, auf ein ECM-Verfahren zurückgreifen zu können, wel¬ches in der Lage ist, entsprechende Strukturen in die Oberflächen des Werkstückes einzubrin¬gen, die nahe an den gewünschten idealen Strukturen liegen.

[0013] Die Schrift JP4599735B2 offenbart eine mit einer chemischen Nickelbeschichtung be¬schichtete Lagerbüchse, in die mittels eines ECM-Verfahrens Lagerrillenstrukturen eingearbeitetwerden. Die Lagerrillen sind dabei ausschließlich in der Nickelbeschichtung ausgebildet.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0014] Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitungeines metallischen Werkstückes anzugeben, bei welchem Strukturen mit sehr viel bessererGenauigkeit und Reproduzierbarkeit in die Oberfläche des metallischen Werkstückes einge¬bracht werden können.

[0015] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen desAnspruches 1 gelöst.

[0016] Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind inden abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0017] Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung einesmetallischen Bauteils zunächst Lagerrillenstrukturen eines oder mehrerer Axiallager in dieOberfläche eines Lagerbauteils mittels elektro-chemischer Abtragung eingebracht, anschlie¬ßend wird das Lagerbauteil mit einer Nickelschicht versehen, und zuletzt werden im selbenLagerbauteil die Lagerrillenstrukturen von einem oder mehreren Radiallagern mittels elektro¬chemischer Abtragung eingebracht.. Dabei ist die Rillentiefe der Axiallager erfindungsgemäßgrößer als die Schichtdicke der Nickelschicht. Die Rillentiefe der Radiallager ist dabei vorzugs¬weise ebenfalls tiefer als die Schichtdicke der Nickelschicht.

[0018] Vorzugsweise ist die Tiefe T der Strukturen größer als die Schichtdicke d der Nickelbe¬schichtung. Dabei reichen die durch das ECM-Verfahren erzeugten Strukturen durch die Ni¬ckelbeschichtung hindurch bis in die Oberfläche des metallischen Bauteils.

[0019] Es hat sich herausgestellt, dass durch eine ECM-Bearbeitung eines metallischen Bau¬teils, das mit einer chemischen Nickelbeschichtung versehen wurde, Strukturen in der Nickelbe¬schichtung erzeugt werden können, die vergleichsweise scharfe Konturen und insbesonderesteiler abfallende Kanten aufweisen, als Strukturen, die in einer Stahloberfläche mittels einerECM-Bearbeitung erzeugt werden. Es lassen sich somit ECM-Strukturen hersteilen, die sehrviel näher an den idealen Strukturen liegen, als vergleichsweise bei bisherigen ECM-Verfahren.

[0020] Als Nickelbeschichtung für das metallische Bauteil ist insbesondere eine Legierung ausNickel-Phosphor, in besonderem Maße jedoch eine Legierung aus Nickel-Bor geeignet. EineBeschichtung mit Nickel-Bor ermöglicht die kontrollierte Herstellung von genaueren Oberflä¬chenstrukturen, als in einer Beschichtung mit Nickel-Phosphor und insbesondere genauereOberflächenstrukturen, als in Stahl. Bei Verwendung einer Nickel-Bor-Beschichtung arbeitet der ECM-Prozess oberhalb eines bestimmten Schwellwertes der verwendeten Stromdichte sehreffizient, während unterhalb dieses Schwellwertes die Effizienz mehr und mehr nachlässt. Eshat sich herausgestellt, dass die Empfindlichkeit hinsichtlich der verwendeten Stromdichte beimECM- Prozess bei einer Beschichtung mit Nickel-Bor sehr viel größer und schärfer ist als bei¬spielsweise bei einem ECM-Prozess auf einer reinen Stahloberfläche.

[0021] Aufgrund dieses Effektes ist es möglich, dass die Form der eingebrachten ECM- Struktu¬ren sehr viel näher an den gewünschten Strukturen liegt, welche der ECM- Elektrode aufge¬prägt sind. Dadurch können die auf der ECM-Elektrode aufgebrachten Strukturen sehr vielgenauer auf der metallischen Oberfläche eines Bauteils abgebildet werden, und die Form derauf das Bauteil aufzubringenden Strukturen sehr viel besser kontrolliert werden.

[0022] Die Oberfläche des metallischen Bauteils wirkt in diesem Falle als eine Grenze oder eineBegrenzung für den ECM-Prozess, da das metallische Bauteil, beispielsweise Stahl, eine we¬sentlich geringere Empfindlichkeit auf den ECM-Abtragungsprozess zeigt als die Nickelbe¬schichtung. Vorzugsweise ergibt sich dadurch bei der Strukturierung einer Oberfläche ein Quer¬schnitt, bei dem entlang der Nickelbeschichtung ein schräger Kantenabfall ausgebildet ist, andessen Unterkante die Oberfläche des Stahlbauteils ein Plateau bildet, das vom ECM-Prozessnicht abgetragen wird, an das sich wiederum mit einem gewissen Abstand zur Nickelbeschich¬tung ein deutlich schwächerer Kantenabfall im Stahlbauteil als in der Nickelbeschichtung an¬schließt. Der Winkel zwischen der Oberfläche der Nickelbeschichtung und dem Kantenabfallinnerhalb der Nickelbeschichtung ist größer 10 Grad und ist üblicherweise 20 Grad bis 25 Grad.Der Winkel zwischen der Oberfläche des Stahlbauteils und dem Kantenabfall innerhalb desStahls ist kleiner 10 Grad und beträgt üblicherweise etwa 4 Grad.

[0023] Die Nickelbeschichtung hat, im Vergleich zu einer Metalloberfläche bzw. Stahloberflä¬che, einen weiteren positiven Effekt. Durch die Nickelbeschichtung erhält das metallische Bau¬teil eine größere Härte und Abriebfestigkeit. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergebensich demnach sehr effiziente und genaue ECM-Strukturen in der Nickelbeschichtung bei gleich¬zeitig verbesserter Härte und Abriebfestigkeit. Dies macht das beschriebene Verfahren insbe¬sondere für die Bearbeitung von Lagerbauteilen eines fluiddynamischen Lagers verwendbar.

[0024] Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der Nickelschicht etwa 0,5 Mikrometer bis 2,5Mikrometer, die Rillentiefe der Radiallagerrillen beträgt etwa 2 bis 10 Mikrometer und die Rillen¬tiefe der Axiallager beträgt etwa zwischen 10 Mikrometer und 20 Mikrometer.

[0025] E in solches fluiddynamisches Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung einesSpindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden.

[0026] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben.Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0027] Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen La¬ gersystem, dessen Lagerrillenstrukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfah¬ren hergestellt wurden.

[0028] Figur 2 zeigt das Detail X von Figur 1.

[0029] Figur 3 zeigt das Detail Y von Figur 2 [0030] Figur 4 zeigt den Schnitt A-A durch Figur 3.

[0031] Figur 5 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.

[0032] Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.

[0033] Figur 7 zeigt einen Schnitt durch eine wiederum andere Ausführungsform eines Spin¬ delmotors mit fluiddynamischem Lager.

[0034] Figur 8 zeigt eine Aufsicht auf ein Axiallager eines Spindelmotors. BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG.

[0035] In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager darge¬stellt. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche die Lagerkomponenten und daselektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors trägt.

[0036] Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbüchse 14, die in einer Öffnung derBasisplatte 10 befestigt ist. Die Lagerbüchse weist eine zentrale Lagerbohrung auf, in der eineWelle 12 um eine Rotationsachse 46 drehbar gelagert ist.

[0037] Die Welle 12 trägt an ihrem freien Ende ein Rotorbauteil in Form einer Nabe 16, die sichzusammen mit der Welle 12 dreht. Die Lagerung der Welle 12 erfolgt mittels des fluiddynami¬schen Lagersystems, welches zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 und ein fluiddynami¬sches Axiallager 28 aufweist, die entlang eines Lagerspaltes 20 angeordnet sind.

[0038] Der Lagerspalt 20 erstreckt sich in Richtung parallel zur Rotationsachse 46 zwischeneinem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Lagerbohrung der Lagerbüchse14 und entlang eines radial verlaufenden Abschnittes zwischen einer Stirnseite der Lagerbüch¬se 14 und einer unteren Stirnfläche der Nabe 16.

[0039] Der Lagerspalt ist einige Mikrometer bis einige 10 Mikrometer breit und mit einem Lager¬fluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt.

[0040] An einem unteren Ende der Welle 12 ist eine Verbreiterung in Form eines Stopperrings12a vorgesehen, der als Ausfallsicherung für die Welle 12 und als Begrenzung des axialenLagerspiels dient. Der Stopperring 12a ist in einer Aussparung der Lagerbüchse 14 aufgenom¬men. Die Aussparung ist mit dem Lagerspalt 20 verbunden, mit Lagerfluid gefüllt und von einerAbdeckung 18 abgedeckt.

[0041] Ein erstes oberes Radiallager 22 umfasst im Erscheinungsbild etwa sinusförmige Radial¬lagerrillenstrukturen 22a die über dem Umfang der Lagerbohrung bzw. über den Umfang derWelle 12 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 22a sind asymmetrisch ausgebildet underzeugen bei Betrieb des Lagers eine gerichtete Pumprichtung in Richtung des Lagerinneren.

[0042] Ein zweites unteres Radiallager 24 umfasst ebenfalls sinusförmige Radiallagerrillen 24a,die am Umfang der Lagerbohrung bzw. am Außenumfang der Welle 12 angeordnet sind. DieLagerrillenstrukturen 24a sind symmetrisch ausgebildet und erzeugen bei idealer Lagerbauteil¬geometrie, das heißt für eine Welle 12 ohne Abweichung von der zylindrischen Form sowie füreine Bohrung innerhalb der Lagerbüchse 14 zur Aufnahme der Welle 12 ohne Abweichung vonder hohlzylindrischen Form, bei Betreib des Lagers keine gerichtete Pumprichtung.

[0043] Sobald sich die Welle 12 in der Lagerbohrung dreht, wird durch die Rillenstrukturen 22a,24a der Radiallager 22, 24 ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 20 erzeugt, welcher dieLager tragfähig macht.

[0044] Das Axiallager 28 umfasst beispielsweise auf der Stirnseite der Lagerbüchse 14 ange¬ordnete spiralförmige Rillenstrukturen, die bei Drehung der Nabe 16 relativ zur Lagerbüchseebenfalls eine Pumpwirkung auf das im radial verlaufenden Lagerspalt befindliche Lagerfluidausüben, so dass die Nabe 16 von der Oberfläche der Lagerbüchse abhebt und axial stabilisiertwird.

[0045] Das offene Ende des Lagerspaltes 20 im Bereich des horizontalen Abschnittes verbrei¬tert sich im Bereich des äußeren Durchmessers der Lagerbüchse 14 und knickt etwa im rechtenWinkel ab und geht über in einen kapillaren Dichtungsspalt 32, dessen Spaltbreite sich in Rich¬tung seiner Öffnung vergrößert. Der kapillare Dichtungsspalt 32 ist teilweise mit Lagerfluidgefüllt und dient als Reservoir für das Lagerfluid und zur Abdichtung des Lagersystems.

[0046] Der Dichtungsspalt 32 ist mit der Außenatmosphäre über einen Luftspalt 34 verbunden.Der Luftspalt 34 hat vorzugsweise eine kleine Spaltbreite, damit ein Entweichen von verdampf- tem Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32 verringert wird.

[0047] Um eine ständige Zirkulation des Lagerfluids im Lager zu gewährleisten, ist in der La¬gerbüchse 14 ein Rezirkulationskanal 30 vorgesehen, der die Aussparung im Bereich desStopperrings 12a direkt mit dem Ende des Lagerspalts 20 im Bereich des Dichtungsspaltes 32verbindet. Der Rezirkulationskanal 30 ist vollständig mit Lagerfluid gefüllt und ermöglicht eineZirkulation des Lagerfluids durch das Lager.

[0048] Der Antrieb des Spindelmotors erfolgt über ein elektromagnetisches Antriebssystem,welches eine Statoranordnung 36 umfasst, die an der Basisplatte 10 fest angeordnet ist. Radialgegenüberliegend der Statoranordnung 36 ist ein Rotormagnet 38 vorgesehen, der an einerinneren Umfangsfläche der Nabe 16 befestigt ist.

[0049] Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen der Statoranordnung 36, wirdder Rotormagnet mitsamt der Nabe 16 und der Welle 12 in Drehung versetzt.

[0050] Eine axiale Vorspannung für das Axiallager 28 wird magnetisch erzeugt, indem unter¬halb der unteren Stirnfläche des Rotormagneten 38 ein Zugring 40 vorgesehen ist, der vomRotormagneten 38 magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt derKraft des fluiddynamischen Axiallagers 28 entgegen und stabilisiert das Lager in axialer Rich¬tung. Desweiteren ist der Mittelpunkt des Rotormagneten 38 gegenüber dem Mittelpunkt derStatoranordnung 36 in axialer Richtung nach oben, also in Richtung der Nabe 20, verschobenund wirkt somit ebenfalls als magnetische Gegenkraft zur Kraft des fluiddynamischen Axialla¬gers 28.

[0051] Die elektrische Kontaktierung der Wicklungsdrähte 42 der Statoranordnung 36 erfolgtüber eine Anschlussplatine 44, mit welcher die Wicklungsdrähte elektrisch verbunden sind.

[0052] Die Lagerrillenstrukturen 22a, 24a der Radiallager 22, 24 als auch die Lagerrillenstruktu¬ren des Axiallagers 28 werden erfindungsgemäß durch elektrochemische Abtragung in dieOberflächen der Lagerkomponenten eingebracht.

[0053] Hierbei weisen die Lagerrillenstrukturen 22a, 24a der fluiddynamischen Radiallager 22,24 eine Tiefe von wenigen Mikrometern und eine Breite von bis zu 300 Mikrometern auf, woge¬gen die Lagerrillenstrukturen des fluiddynamischen Axiallagers 28 bis zu 20 Mikrometer tief undbis zu 350 Mikrometer breit sind. Zwischen den Radiallagern 22, 24 befindet sich ein Separa¬torspalt 26, der eine größere Spaltbreite aufweist, als vergleichsweise der Lagerspalt 20.

[0054] Figur 2 zeigt das Detail X der Figur 1. Die Lagerrillenstruktur 22a wurde mittels ECM indas mit einer Nickelbeschichtung 48 beschichtete metallische Bauteil 14 eingearbeitet. Deutlichzu erkennen ist das dadurch entstandene Plateau 50 auf der Oberfläche des metallischenBauteils 14.

[0055] Figur 3 zeigt das Detail Y einer Lagerrillenstruktur 22a aus der Figur 2.

[0056] 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 das elektrochemischeAbtragungsverfahren sowohl Material der Nickelbeschichtung 48, die eine Schichtdicke d auf¬weist, als auch dem Stahl der Lagerbüchse 14 abgetragen wurde. Die Nickelbeschichtung 48wurde also im Bereich der Lagerrillenstruktur 22a über die gesamte Schichtdicke d vollständigabgetragen.

[0057] Durch dieses ECM-Verfahren bilden sich an der Nickelbeschichtung 48 äußere Rändera1, a2 in der Lagerrillenstruktur 22a, an die sich ein Kantenabfall 52 anschließt, der bis auf dieOberfläche der Lagerbüchse 14 reicht. An diesen Katenabfall 52 schließt sich ein Plateau 50auf der Oberfläche des Stahls der Lagerbüchse 14 an. Dieses Plateau 50 ist der Bereich derLagerbüchse 14, bei dem die Nickelschicht 48 auf der Stahloberfläche vollständig entfernt ist,die Stahloberfläche selber vom ECM-Prozess jedoch nicht abgetragen wurde. An den Endendieses Plateaus 50 bilden sich innere Ränder b1, b2 in der Lagerrillenstruktur 22a aus, an diesich wiederum ein weiterer, jedoch deutlich schwächerer, Kantenabfall 54 im Stahlbauteil an¬schließt. Der Winkel zwischen dem Kantenabfall 52 und der Oberfläche der Nickelbeschichtung beträgt beispielsweise für eine Nickel- Bor-Beschichtung etwa 20 Grad bis 25 Grad, währendder Winkel zwischen dem Kantenabfall 54 und der Oberfläche des Stahls etwa 4 Grad beträgt.

[0058] Das ECM-Verfahren wurde so eingestellt, dass nicht nur die Nickelschicht 48 abgetra¬gen wird, sondern auch Material aus der Oberfläche des Stahls der Lagerbüchse 14 abgetragenwird. Der Materialabtrag durch das ECM-Verfahren lässt sich durch die gewählte Spannungsteuern. Durch eine höhere Spannung wird die Breite des Plateaus 50, also der Bereich zwi¬schen a1 und b1 bzw. a2 und b2, reduziert. Die Breite des Plateaus 50 ist somit über die ver¬wendete Spannung im ECM-Verfahren steuerbar. Übliche Spannungen liegen im Bereich von 7Volt bis 15 Volt.

[0059] Die Breite des Materialabtrages in der Oberfläche des Stahls der Lagerbüchse 14 istwesentlich geringer, als die in der Nickelbeschichtung 48 und wird durch die inneren Ränder b1,b2 der Lagerbüchse 22a begrenzt.

[0060] Es ergibt sich also eine im Querschnitt profilierte Lagerrillenstruktur 22a mit Abstufun¬gen, die durch die Kanten a1, a2 und b1, b2 gebildet werden. Die Lagerrillenstruktur 22a reichtdurch die Nickelbeschichtung 48 hindurch bis in den Stahl der Lagerbüchse 14.

[0061] Die Figuren 5 bis 7 zeigen weitere Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenspei¬chergeräten, die fluiddynamische Lager aufweisen, welche entsprechend der Erfindung ausge¬staltet sind.

[0062] Figur 5 zeigt einen Spindelmotor mit einer abgewandelten Ausgestaltung eines fluiddy¬namischen Lagers. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110 mit einer Öffnung, in welcheein im Querschnitt etwa becherförmiges Lagerbauteil 113 eingesetzt ist. In einer Öffnung desLagerbauteils 113 ist eine feststehende Welle 112 angeordnet, die an ihrem freien Ende einStopperbauteil 112a umfasst.

[0063] Im Zwischenraum zwischen dem Lagerbauteil 113, der Welle 112 und dem Stopperbau¬teil 112a ist eine Lagerbüchse 114 drehbar um eine Rotationsachse 146 angeordnet. Die La¬gerbüchse 114 ist Teil der Nabe 116 und bildet zusammen mit der Nabe 116 das Rotorbauteildes Spindelmotors.

[0064] Die feststehenden Lagerbauteile 113, 112 und 112a sind durch einen Lagerspalt 120von den rotierenden Lagerbauteilen 114 und 116 getrennt.

[0065] Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 120 sind zwei Radiallager122, 124 mit entsprechenden Radiallagerstrukturen 122a, 124a angeordnet. Die Radialla¬gerstrukturen 122a, 124a sind vorzugsweise in der Wandung der Lagerbohrung der Lagerbüch¬se 114 vorgesehen und weisen beispielsweise sinusförmige Strukturen auf. Das obere Radial¬lager 122 ist symmetrisch ausgebildet und übt bei idealer Lagerbauteilgeometrie bei Betrieb desLagers keine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid aus. Das untere Radiallager 124 istasymmetrisch ausgebildet und übt bei Betrieb des Lagers eine gerichtete Pumpwirkung inRichtung des oberen Radiallagers 122 aus.

[0066] Die Oberfläche der Lagerbüchse 114 ist, wie es bereits im Zusammenhang mit denFiguren 1 bis 4 beschrieben wurde, mit einer Nickelbeschichtung 48 versehen.

[0067] In diese Nickelbeschichtung 48 sind die Lagerrillenstrukturen 122a, 124a in die Nickel¬beschichtung 48 und die Oberfläche des Stahls der Lagerbüchse 114 eingebracht.

[0068] Zwischen dem feststehenden Lagerbauteil 113 und einer Stirnseite der Lagerbüchse114 ist ein fluiddynamisches Axiallager 128 angeordnet.

[0069] Radial außerhalb des Axiallagers 128 entlang des radial verlaufenden Lagerspaltes 120geht der Lagerspalt 120 in einen Dichtungsspalt 132 über, der durch eine Innenwandung desfeststehenden Lagerbauteils 113 und eine Außenwandung oder einem Außenumfang der La¬gerbüchse 114 gebildet ist. Der Dichtungsspalt 132 ist über einen Luftspalt 134 mit der Außen¬atmosphäre verbunden.

[0070] Am anderen Ende des Lagerspaltes 120 im Bereich des Stopperbauteils 112a befindet sich ebenfalls ein kapillarer Dichtungsspalt 133, der in axialer Richtung verläuft und in einemFreiraum mündet, der mittels einer Abdeckung 118 abgedeckt ist.

[0071] Entlang dieses kapillaren Dichtungsspaltes 133 kann vorzugsweise eine dynamischePumpdichtung 135 angeordnet sein. Die Pumpdichtung 135 umfasst Pumprillenstrukturen, diein der Oberfläche der Lagerbüchse 114 bzw. der Oberfläche des Stopperbauteils 112a ange¬ordnet sind. Diese Pumprillenstrukturen üben bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung aufdas Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren, also in Richtung Lagerspaltes 120, aus.

[0072] Zwischen den Radiallagern befindet sich ein Separatorspalt 126, der eine größereSpaltbreite aufweist, als vergleichsweise der Lagerspalt 120 und üblicherweise mittels spanab¬hebender Verfahren in die Lagerbohrung zur Aufnahme der Welle 112 innerhalb der Lager¬büchse 114 eingearbeitet wird.

[0073] Entfernte Abschnitte des Lagerspalts 120, insbesondere die Abschnitte zwischen demLagerspalt 120 und den Dichtungsspalten 132, 133 sind über einen Rezirkulationskanal 130direkt miteinander verbunden. Der Rezirkulationskanal 130 ist vollständig mit Lagerfluid gefülltund ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids durch das Lager.

[0074] Der Antrieb des Spindelmotors erfolgt über ein elektromagnetisches Antriebssystembestehend aus einer Statoranordnung 136, die an der Basisplatte befestigt ist, und einem Ro¬tormagneten 138, der an einem Innenumfang der Nabe 116 angeordnet ist.

[0075] Die axiale Vorspannung für das einzige Axiallager 128 wird über einen ferromagneti¬schen Zugring 140 realisiert, der vom Rotormagneten 138 in axialer Richtung angezogen wirdund eine magnetische Gegenkraft zur Kraft des Axiallagers 128 erzeugt. Desweiteren ist derMittelpunkt des Rotormagneten 138 gegenüber dem Mittelpunkt der Statoranordnung 136 inaxialer Richtung nach oben, also in Richtung der Nabe 120, verschoben und wirkt somit eben¬falls als magnetische Gegenkraft zur Kraft des Axiallagers 128.

[0076] Die Wicklungsdrähte 142 der Statoranordnung 136 sind über eine Anschlussplatine 144elektrisch kontaktiert.

[0077] Der dargestellte Spindelmotor weist eine relativ große Bauhöhe auf und kann vorzugs¬weise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes mit mehreren Speicherplatten verwendet wer¬den, die übereinander liegend an der Nabe angeordnet werden (nicht dargestellt).

[0078] Figur 6 zeigt einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung eines fluiddynami¬schen Lagers. Grundsätzlich entspricht der Aufbau des Spindelmotors von Figur 6 dem Aufbaudes Spindelmotors von Figur 5.

[0079] Es handelt sich um einen Spindelmotor mit relativ niedriger Bauweise von ca. 7 mm. DieWelle 212 weist neben dem Stopperbauteil 212a, das als separates auf die Welle 212 aufge¬presstes Bauteil ausgebildet ist und auf einer Stufe der Welle 212 axial aufliegt, einen verbrei¬terten Flansch 212b am unteren Ende auf. Mit diesem Flansch 212b ist die Welle 212 in eineÖffnung des feststehenden Lagerbauteils 213 eingesetzt und mit diesem vorzugsweise ver¬schweißt.

[0080] Der Dichtungsspalt 232 ist über einen axial verlaufenden Luftspalt 234 mit der Außen¬atmosphäre verbunden. Dieser Luftspalt 234 weist vorzugsweise eine geringe Breite von nureinigen zehn Mikrometern auf.

[0081] Am oberen Ende weist die Welle 212 eine zentrale Gewindebohrung auf, mit welcherdieses Ende der Welle mit einem Gehäuse des Motors bzw. Festplattenlaufwerkes direkt ver¬schraubt werden kann. Das Gehäuse liegt dabei auf einer oberen Stirnfläche des Stopperbau¬teils 212a.

[0082] Der Separatorspalt 226, der zwei Radiallager 222, 224 voneinander trennt, ist in dieserAusführungsform noch relativ lang, jedoch kürzer als in Figur 5, ausgebildet und weist einebreitere Spaltbreite als der Lagerspalt 220 im Bereich der Radiallager 222, 224 auf.

[0083] Der Rezirkulationskanal 230 ist in dieser Ausführung, im Vergleich zu der Ausführung, die in Figur 5 gezeigt ist, kürzer und in einem größeren Winkel relativ zur Drehachse 246 ange¬ordnet.

[0084] Figur 7 zeigt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager, der im Wesentlichenidentisch mit dem Spindelmotor von Figur 6 ist, mit der Ausnahme, dass die Bauhöhe im Ver¬gleich zu Figur 6 auf etwa 5 mm reduziert wurde.

[0085] Hierbei ist die axiale Länge des Separatorspalts 226 wesentlich verkürzt, so dass diebeiden Radiallager 222, 224 sehr eng beieinander liegen. Vorzugsweise wird der Separator¬spalt 226 gemeinsam mit den Radiallagerrillen 222a, 224a mittels eines ECM-Verfahrens in dieLagerbüchse eingebracht. Dabei ist prozessbedingt der Separatorspalt 226 etwa 1 Mikrometertiefer als die Lagerrillen der Radiallager 222, 224.

[0086] Ebenfalls musste die Länge des Luftspaltes 234 gegenüber Figur 6 erheblich gekürztwerden.

[0087] Die magnetische Vorspannung des Axiallagers 228 wird in dieser Ausführungsform nichtmehr durch einen Zugring, der mit dem Rotormagneten 238 zusammenwirkt, erreicht, sonderndurch einen axialen Versatz zwischen der magnetischen Mitte der Statoranordnung 236 und dermagnetischen Mitte des Rotormagneten 238.

[0088] Durch diesen axialen Versatz wird eine axiale Kraft entgegen der Lagerkraft des fluiddy¬namischen Axiallagers 228 erzeugt, welche das Lager im axialen Gleichgewicht hält.

[0089] Der Rezirkulationskanal 230 ist vorzugsweise schräg zur Rotationsachse 246 angeord¬net. In der hier gezeigten Ausführung ist der Rezirkulationskanal 230 noch kürzer und in einemnoch größeren Winkel zur Drehachse 246 angeordnet, als in der in der Figur 6 gezeigte Rezir¬kulationskanal 230. Dadurch ergibt sich bei Rotation der Lagerbüchse 214 bzw. der Nabe 216eine Zentrifugalkraft auf das im Rezirkulationskanal 230 befindliche Lagerfluid.

[0090] Das Lagerfluid wird dabei im Rezirkulationskanal 230 in Richtung des Flansches 212bbzw. feststehenden Lagerbauteils 213 beschleunigt, wodurch die Zirkulation des Lagerfluidsdurch den Lagerspalt unterstützt wird.

[0091] Dies ist auch bei den übrigen Spindelmotoren gemäß der Figuren, 5 und 6 der Fall.

[0092] Figur 8 zeigt eine Aufsicht des Axiallagers 28 mit Lagerrillenstrukturen 28a. SämtlicheLagerrillenstrukturen 28a verlaufen dabei bis zu der Innenumfangsfläche der Bohrung innerhalbder Lagerbüchse 14 zur Aufnahme der Welle 12. Zumindest einige der Lagerrillenstrukturen28a verlaufen bis zum Außenumfang der Lagerbüchse 14. Der Rezirkulationskanal 30 mündetim Bereich der Axiallagerstrukturen 28a.

[0093] Das erfindungsgemäße Verfahren ist uneingeschränkt anwendbar für die Herstellungvon Lagerrillen für unterschiedlichste fluiddynamische Lager, etwa auch für derartige Lager, diein den Offenlegungsschriften DE 10 2004 040 295 A1 beziehungsweise DE 10 2011 106 511A1. LISTE DER BEZUGSZEICHEN10,110,210 Basisplatte 12,112,212 Welle 12a, 112a, 212a Stopperring, Stopperbauteil 212b verbreiterter Flansch 113,213 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 Lagerrillenstrukturen 24, 124, 224 Radiallager 24a, 124a, 224a Lagerrillenstrukturen 26,126,226 Separatorabschnitt 28, 128, 228 Axiallager 28a, 128a, 228a Lagerrillenstrukturen 30,130,230 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

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung eines metallischen Lagerbauteils (14, 114,214), gekennzeichnet durch die folgenden Schritten (a) bis (c), die einer zeitlichen Abfolgeentsprechend der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden: (a) Einbringen von Lagerrillenstrukturen mindestens eines Axiallagers (28, 128, 228) in dieOberfläche des Lagerbauteils (14, 114, 214) mittels elektrochemischer Abtragung, wo¬bei die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers (28, 128, 228) eine Tiefe T aufweisen, (b) Beschichten des Lagerbauteils (14, 114, 214) mit einer chemischen Nickelbeschich¬tung (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)und (c) Einbringen von Lagerrillenstrukturen (22a, 24a, 122a, 124a, 222a, 224a) mindestenseines Radiallagers (22, 24, 122, 124, 222, 224) in die Oberfläche des Lagerbauteils(14, 114, 214) mittels elektro-chemischer Abtragung.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Nickelbeschichtung(48) eine Nickel-Bor Legierung verwendet wird.
3. 3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ni¬ckelbeschichtung (48) eine Nickel-Phosphor-Legierung verwendet wird.
4. 4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mate¬rial für das metallische Bauteil (14,114, 214) Stahl verwendet wird.
5. 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ril¬lentiefe der Radiallager (22, 24, 122, 124, 222, 224) tiefer als die Schichtdicke d der Ni¬ckelbeschichtung (48) ist.
6. 6. Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem fluiddynamischen Radiallager (22,24, 122, 124, 222, 224) und/oder einem fluiddynamischen Axiallager (28,128, 228), welcheLagerrillenstrukturen (22a, 24a, 122a, 124a, 222a, 224a) aufweisen, die nach dem Verfah¬ren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt wurden.
7. 7. Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß Anspruch 6.
8. 8. Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 7. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen