CN101096065A - 激光珩磨方法 - Google Patents

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Abstract

一种抛光表面的方法，包括提供具有一种脉冲波形且其能量足以去除表面粗糙部的激光，以及引导激光掠入射该表面，由此从该表面中去除粗糙部。

Description

激光珩磨方法
技术领域
本发明一般涉及用激光改善表面光洁度和形式的纳米机械加工。本发明尤其涉及对主轴电动机内的部件表面的纳米机械加工。
背景技术
几乎在所有计算机系统中都使用带有可磁化介质的磁盘来数据存储。现有的磁性硬盘使用在盘片表面上方仅几纳米处并以相当高的速度(通常为几米每秒)的读-写头来进行操作。
盘片通常被安装在由主轴电动机旋转的主轴上以使得盘片表面在读/写头下通过。主轴电动机通常包括固定在基板上的轴和具有让该轴插入的轴套的轴毂，主轴附连于该轴毂。附连至轴毂的永磁体与基座上的定子绕组相互作用以使轴毂相对轴旋转。为了便于旋转，通常在轴毂和轴之间插入一个或多个轴承。另一设计则使用旋转轴的构造。在这样情况下轴套附连至基座。
图1示出了具有由本发明的方法和装置制造的流体动力轴承的主轴电动机对其格外有用的磁盘驱动器。参见图1，磁盘驱动器通常包括一外壳，该外壳具有由密封装置密封至外盖的基座。该磁盘驱动器具有附连有多张盘片的主轴，上述盘片的表面上覆盖有用于磁性存储信息的磁性介质(未示出)。主轴电动机(在本图中未示出)使盘片旋转经过由悬臂组件悬挂在盘片表面上方的读/写头。在操作中，主轴电动机使盘片高速旋转经过读/写头，同时悬臂组件移动并放置该读/写头位于某些径向分隔的磁道(未示出)之上。这就使读/写头能将磁性编码信息从盘片表面上所选位置处的磁性介质中读出并向其中写入信息。
如图2所示，主轴电动机包括其外表面邻接一轴套的轴。该轴相对于该轴套旋转或者反之亦然。轴可以具有各种形状，包括圆柱形(如图所示)和圆锥形。
这些年来，存储密度越来越大而存储系统的尺寸则越来越小。这一趋势导致在磁性存储盘的制造和运行中的精确性更高而容限更低。例如，为了实现增加的存储密度，读/写头必须被放置得更为靠近存储盘表面。这种邻近要求盘片基本在单个平面上旋转。盘片旋转时的微小摇摆或跳动都会导致磁盘表面与读/写头接触。这就是已知的“碰撞”并且会损坏读/写头和存储盘的表面，从而导致数据丢失。
更精确的机械加工能够实现磁盘驱动器制造中期望的低容限。磁盘驱动器上特别适于激光珩磨(honing)(或抛光)的一个区域是主轴电动机的轴和轴套。用于磁盘驱动器机械加工的常规材料去除工艺(诸如车削或铣削)会留有机械加工痕迹(例如峰或谷)。这些机械加工痕迹可以归因于：(1)切削工具形状；(2)机械加工参数，诸如进料、切割深度、速度、主轴跳动等等；(3)由零件和切削工具运动引入并可能由结构共振所放大的振动；以及(5)由切削负载和热变化导致的零件挠曲和变形。此外，已知电化学机械加工工艺会留下从机械加工表面突出并腐蚀周围金属的硫化物夹杂，并且诸如磨削的工艺会导致由零件和磨削轮损耗的不均屈服点所引起的工件变化。
珩磨用于去除机械结构痕迹，由此改善机械加工表面。已知可以使用诸如磨粒以及携有磨料(诸如磨料线)的旋转工具的其他类型的珩磨。同样已知垂直引导地对工件应用激光，这能够去除机械加工痕迹，但更常用于在工件表面制造凹槽。
发明概述
本发明涉及一种抛光表面的方法，包括提供具有脉冲波形且其能量足以从表面去除粗糙部的激光，并引导激光掠入射(grazing incidence)该表面，以便从其去除粗糙部。掠入射指的是当表面呈弯曲形(例如，圆柱体)时大致与表面相切以及有时候仅在待抛光表面上方的入射，或者当表面平坦时大致与表面平行以及有时候仅在待抛光表面上方的入射。
本发明还涉及一种机加工盘片驱动器部件的方法，包括提供具有脉冲波形且其能量足以从部件中去除材料的激光，引导激光将部件表面机械加工并抛光至期望的形状。
本发明还涉及一种抛光工件表面的方法，包括提供与表面垂直的激光，将激光聚焦在表面上或表面附近以使其能量密度足以去除从表面突起的粗糙部，而不会从表面去除所不希望量的材料。
本发明还涉及一种工件，该工件包括基本上没有机械加工痕迹的抛光表面，其中所述机械加工痕迹由超快脉冲激光去除。
在阅读了如下的详细描述后本发明的额外优点对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的，所述详细描述中仅通过说明执行本发明的最佳实施方式来示出并描述本发明的较佳实施例。应该认识到本发明还可具有其他的和不同的实施例，并且能够对其细节做出多方面的修改，这些都不背离本发明。因此，附图和描述被认为实质上是说明性而非限制性的。
附图简述
图1示意性地示出了一磁盘驱动器。
图2示出了用于图1所示主轴的主轴电动机的垂直横截面图。
图3示意性地示出了根据本发明的圆柱形工件激光珩磨的一个实施例。
图4示意性地示出了根据本发明的平坦表面激光珩磨的一个实施例。
图5示意性地示出了根据本发明的圆柱形工件激光珩磨的另一个实施例。
图6示意性地示出了根据本发明的圆柱形工件激光珩磨的另一实施例。
图7示意性地示出了根据本发明的沟道激光珩磨的一个实施例。
图8示意性地示出了根据本发明的机械加工工件的一个实施例。
图9A至9C示意性地示出了根据本发明使用的典型脉冲波形。
图10示意性地示出了根据本发明的圆柱形工件激光珩磨的又一实施例。
详细描述
给出随后的描述以能够让本领域的普通技术人员做出并使用本发明的各方面和实施例。对特定材料、技术和应用的描述仅作为示例提供。对在此描述的示例的各种修改对本领域的普通技术人员是显而易见的，并且在此定义的一般原理可以适用于其他的示例和应用而不背离本发明的精神和范围。
本发明考虑使用激光来去除留在工件表面上的机械加工痕迹。优选地引导激光入射，特别是以掠入射(沿着工件表面入射)工件表面。在一个较佳实施例中，激光是使机械加工痕迹能烧蚀而非熔化的超快脉冲激光。在本发明的一个尤其优选的实施例中，激光是毫微微秒激光。
关于激光的类型，“超快”指的是激光发出持续时间稍短于10微微秒，通常是若干分之一微微秒的超短脉冲。相反地，长脉冲激光是比约10微微秒秒要长的脉冲。长脉冲状态中最根本的材料相互作用的特征是由在脉冲持续期间由激光在材料中累积的热会扩散开。这对于激光焊接而言是理想的，但是对于大多数微机械加工工作而言，不希望热扩散进入周围材料有以下几个原因。一个原因是来自长脉冲激光的热扩散降低了微机械加工或纳米机械加工操作的精确性，因为热量从焦点中扩散出并熔化比焦点大得多的区域。因此就难以实现很精细机械加工。另一个原因是热扩散影响了机械加工点周围的大片区域，在周围材料中引起机械应力并产生微裂纹(或在某些情况下产生大裂纹)。
使用超快激光，由激光累积入材料的热量没有时间从该材料内或材料上的工作点移开并且在工作点的高度上聚集，使得工作点的温度立刻升至材料的熔点以上并且很快地升至甚至比汽化点还要高。实际上，该温度持续爬升至所谓的等离子态。
毫微微秒激光是送出大量峰值功率的超快脉冲。峰值功率是每单位面积的瞬时激光束功率。这些系统例行地送出5至10千兆瓦的峰值功率，并使得工作点处的激光强度能够轻易地达到每平方厘米几百兆兆瓦。通过离子化所切削的材料，即逐原子的去除，毫微微秒激光可对许多材料进行精确的机械加工。这些激光的每一脉冲都极短，仅持续50至1000毫微微秒(或千万亿分之一秒)。这些超快脉冲因为过短而无法将热量或冲击传送给被切削的材料，这就意味着能够以对周围材料损害最小的方式进行切削、钻孔和机械加工。超快激光机器没有熔化阶段，因此不会有材料溅泼至周围表面。
本发明考虑使用具有足以通过离子化粗糙部来去除表面粗糙部的能量的其他种类的激光，并且考虑使用这种激光来机械加工和珩磨主轴电动机的许多零件，例如主轴的轴175。其他种类的激光通常包括钛-蓝宝石激光、二极管泵浦激光和纤维激光。
图3示意地示出了用掠入射工件的超快激光进行珩磨，从而得以去除工件上的表面粗糙部或使其最小。从图中可见，虽然激光入射工件表面，但是它通常垂直于要被去除的粗糙部。为了用图3所示线性激光束珩磨工件的平坦表面，激光可以如图4的箭头所示扫过工件表面，或者可以保持激光静止而相对于激光移动工件。本发明还考虑激光和表面同时移动的情况。
图5以横截面示意性地示出了被引导掠入射工件的平面超快激光束。平面超快激光束能够大面积地去除工件表面上的粗糙部。当用于具有平坦表面的工件时，大小合适的激光束能够去除工件表面的粗糙部而无需要求激光和工件的任何相对移动。当用于如图5所示的圆柱形工件(诸如，主轴的轴)时，引导超快激光束与圆柱体表面相切以去除粗糙部。随后优选地旋转圆柱体同时保持超快激光束(切向)入射其表面。切向激光束可以是如图所示的平面激光束，或者是线性激光束。
本发明还考虑用形状互补的激光束机械加工工件的外周。例如图6所示，准直超快激光环被引导围绕圆柱形工件的圆周。
如图7所示，超快脉冲激光还可额外地用于清洁诸如可在电极中的沟道或凹槽。可引导激光束沿着每个沟道的一个或多个表面掠入射。
本发明还考虑使用超快脉冲激光为工件成形。例如图8所示，超快脉冲激光可用于在轴及其相关轴套(未示出)两者上都机械加工出受控的锥形。该机械加工可以制造出基本上没有机械加工粗糙部的表面，这是因为它能够避免由已知机械加工工艺引起的机械加工痕迹。此外，本发明还考虑使用超快脉冲激光来机械加工处于其最终装配状态下的匹配轴承部件。
虽然以上公开涉及对轴或其他阳性工件表面的珩磨，但是本发明也考虑使用超快脉冲激光珩磨诸如轴套的阴性工件，这可作为珩磨互补的阳性工件的替代方式或者在珩磨互补的阳性工件之外附加地进行。于是，轴及其轴套都被激光珩磨以提供粗糙部的数目减少和大小缩小的互补表面。
已知激光能量在其横截面各处并不一致。这样，诸如毫微微秒激光的超快脉冲激光就具有各种脉冲波形。像如下参考图9A至9C讨论的那样，某些脉冲波形有益于某些激光珩磨的应用。在本发明的一个较佳实施例中，具有用以珩磨表面去除粗糙部的合适能量的那部分超快脉冲激光束被导向粗糙部，并且不会影响工件表面的其他部分。
图9A示出了双峰脉冲激光束的示例性横截面，水平线指示材料可被去除的机械加工阈值。从图中可见，双峰脉冲激光束具有两个能量足以去除工件表面粗糙部的间隔的峰。因此，该双峰脉冲激光束就理想地用于机械加工圆柱体的圆周。仅需将圆柱体(或激光)旋转半圈(a half rotation)就能够更有效率地烧蚀该圆柱体的外表面。双峰激光束还可用于同时珩磨矩形的两相对侧面，或同时珩磨两隔开表面。
图9B示出了平顶脉冲激光束的示例性横截面。图9C示出了高斯脉冲激光束的示例性横截面。水平线指示材料可被去除的机械加工阈值。从图中可见，平顶激光束的较宽横截面可珩磨较大的粗糙部，而高斯激光束的较纤细细横截面可对珩磨加以进一步控制。因为它能够对珩磨更多地加以控制，所以高斯激光束尤其适用于本发明的各种各样的实施例。
图10示出了利用被引导成垂直于工件表面而非掠入射的激光的本发明的一个可选实施例。如图所示，一透镜用于聚焦激光束以使其能量密度足以仅去除所希望的区域内的粗糙部。例如，通过如图所示那样聚焦激光束，该光束的能量密度就足以仅去除由会受被引导成掠入射的激光束影响的区域内的材料。光束可以被聚焦以去除粗糙部而不会从工件表面去除其他材料，或者至少不会导致从表面去除所不希望量的材料。
超快脉冲激光可用于珩磨多种材料，包括所有的金属和陶瓷。本发明考虑连续或同时使用一个以上的激光。

Claims (20)

1.一种抛光表面的方法，包括：
提供具有脉冲波形且其能量足以从所述表面去除粗糙部的激光；以及
引导所述激光掠入射所述表面以从所述表面中去除粗糙部。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超快脉冲激光是毫微微秒激光。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面包括金属或陶瓷。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面是圆柱体的外表面并且所述掠入射的激光与所述圆柱体的外表面相切。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束是平面的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光相对于所述表面移动以去除粗糙部。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面相对于所述激光移动以去除粗糙部。
8.一种抛光盘片驱动器部件表面的方法，包括：
提供具有脉冲波形且其能量足以从所述部件去除材料的激光；以及
引导所述激光将所述部件表面机械加工并抛光至期望的形状。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述超快脉冲激光是毫微微秒激光。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述部件包括金属或陶瓷。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光相对于所述部件移动以去除粗糙部。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述部件相对于所述激光移动以去除粗糙部。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，  通过离子化粗糙部而从所述表面中去除所述粗糙部。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，粗糙部的激光去除的实现无需熔化阶段。
15.一种抛光工件表面的方法，包括：
提供引导成与所述表面垂直的激光；以及
将所述激光聚焦在所述表面上或附近以使其能量密度足以去除从表面突起的粗糙部，而不会从所述表面去除所不希望量的材料。
16.如权利要求15所述的抛光方法，其特征在于，所述激光是超快脉冲激光。
17.如权利要求15所述的抛光方法，其特征在于，所述激光是毫微微秒激光。
18.如权利要求15所述的抛光方法，其特征在于，所述激光用透镜聚焦。
19.一种包括基本没有机械加工痕迹的抛光表面的工件，其中，所述机械加工痕迹是由超快脉冲激光去除的。
20.如权利要求19所述的工件，其特征在于，所述机械加工痕迹的激光去除的实现无需熔化阶段。
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