CN101490430A - 气体轴承制造方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种制造用于气体或空气轴承(2)的支承面(11，13)的方法。所述方法包括获取大块支承部分(30；44)，其具有至少一个支承面区域；以及在所述支承面区域上提供涂层(32；42)，以便限定至少一个气体凹窝(34；40)。所述至少一个气体凹窝(34；40)的深度基本上等于所述涂层(32；42)的厚度。在一个离子中，激光消融用于去除部分涂层(32；42)来形成气体凹窝(34；40)。涂层(32；42)可以是阳极氧化的涂层，大块支承部分(30)可以由铝形成。还描述了采用该方法形成的空气轴承部件。

Description

气体轴承制造方法
技术领域
本发明涉及气体轴承，具体而言，涉及改进的气体轴承和用于制造这种轴承的支承面的方法。
背景技术
各种类型的气体轴承是已知的。例如，已知的旋转气体轴承包括可相对于定子旋转的转子。在通常的运行条件下，在这种轴承的相对的支承面直接没有固体对固体的直接接触。相反，加压气体通常是空气的膜在支承面之间形成层或者缓冲，用于传送支承之间的力。由于气体轴承是非接触式，它们避免了与传统轴承有关的摩擦、磨损和需要润滑的问题。空气轴承通常在精确定位和高速应用中特别有利。
当相对的支承面之间的工作间隙基本上均匀并且不变时气体轴承操作最优化。提供这种均匀的工作间隙需要该轴承内的支承面形成有高精度。这些支承面也需要是弹性的，以便防止由于意外物理接触(例如在启动或者断电时)而发生损害或者磨损。此外，这些轴承需要用于将气流引导到支承面之间以便提供必要的气垫的一些装置。
已知通过例如碳化硅等的硬质金属材料形成用于气体轴承的支承面。在这种装置中，可以穿过一个或者多个支承面钻出小孔，以便提供用于将气体注射在相对的支承面之间的部件。此外，还已知在开孔附近的轴承表面机加工(例如铣)出表面特征或者所谓的“凹窝(pocket)”，以便更均匀地分布通过这些开孔排出的气体。这些凹窝的尺寸对轴承性能具有重要影响，因此需要形成有高精度。
在硬质材料中形成这种凹窝通常耗时，并且难以机加工到所需的公差。由于这种原因，需要在从多孔材料形成支承面方面做很多加工。但是，这种材料加工困难并且成本高。
美国专利文献US 5800066也描述了一种气体轴承，其包括屠夫在支撑陶瓷轴上的外部玻璃层。陶瓷轴包括多个气腔，多个多孔体位于气腔中。采用激光消融方法在多孔体附近在玻璃层中形成气窝。为了形成具有用去气体轴承操作的所需尺寸的气窝，采用精确的激光机加工工艺来去除玻璃层的一些区域。制造这种轴承结构相对复杂和耗时。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种制造用于气体轴承的支承面的方法，所述方法包括如下步骤：(i)获取大块支承部分，其具有至少一个支承面区域；以及(ii)在所述支承面区域上提供涂层，以便限定至少一个气体凹窝，其中，所述步骤(ii)包括形成深度基本上可由所述涂层的厚度限定的至少一个气体凹窝。
本发明因此提供用于形成气体轴承的支承面的改进的方法。如上所述，该支承面是轴承的一部分，其在使用期间通过一层气体与互补的支承面分离。施加到轴承上的载荷因此通过气体层在轴承的相对的支承面之间传送。
本发明的方法包括获取具有至少一个支承面区域的大块支承部分。设置在支承面上的与大块支承部分材料不同的涂层用来限定至少一个气体凹窝(pocket)。术语“气体凹窝”是指凹槽或者中空凹坑，其形成在支承面中用于辅助分配泵送到相对的支承面之间的间隙中的气体。与现有技术的在大块支承部分的材料中形成为凹槽的气体凹窝不同，在涂层中形成气体凹窝具有许多优点。例如，其允许大块支承部分由软的易于机加工的材料(例如铝)形成，同时确保支承面具有强的外部涂层。这减小了制造复杂性，无需降低支承面在使用中对于磨损和撕裂的耐受性。
根据本发明，形成至少一个气体凹窝使得其深度基本上由涂层的厚度限定，能够减小气体凹窝形成的复杂度。具体而言，与美国专利文献US 5800066中描述的类型的现有技术不同，本发明允许采用的涂层厚度来控制形成的气体凹窝的深度，例如，至少一个气体凹窝的深度可以大致或者基本上等于涂层的厚度。气体凹窝的深度因此可以容易地通过控制形成在支承面区域上的涂层的厚度来设置，并且不需要用于去除深度限定良好的材料的精确激光消融等技术。控制涂层的厚度通常比实施能可靠和重复去除具有良好限定的深度的材料的例如激光消融或者机加工的技术容易得多。
有利的是，所述步骤(ii)包括在所述支承面区域上形成涂层的步骤。该“形成”的步骤可包括在大块支承区域上沉积层，和/或对大块支承区域的材料进行改性。然后可有利地进行进一步的步骤，其包括选择性地去除所述涂层的至少一些以便限定至少一个气体凹窝。可选择的是，涂层可以预形成在支承面区域上，例如可以设置具有预先施加的涂层的大块支承部分。步骤(ii)可以有利地包括选择性地去除所述涂层的至少一些以便限定至少一个气体凹窝。
所述选择性地去除所述涂层的步骤包括采用激光消融的步骤。换句话说，高功率激光源(例如二氧化碳或者Nd：YAG激光)可以用来从大块支承部分去除涂层的区域。
有利的是，所述选择性地去除所述涂层的步骤包括去除涂层以便基本上暴露大块支承部分的涂层下的支承面区域的步骤。例如，激光消融技术可以采用能够消融涂层但是对于大块支承部分的材料具有可忽略的影响的激光功率和波长。激光辐射的时间可以被控制，以便最小化大块支承部分的消融。通过这种方式，可以去除涂层，而不会对大块支承部分具有任何明显影响。
尽管可以形成完整的涂层，并且可以然后去除部分涂层，但是也可以仅在支承面区域的所需区域上形成(例如沉积)涂层。换句话说，可以根据图案形成涂层来在沉积过程中限定气体凹窝。步骤(ii)可因此方便地包括在所述支承面区域上形成所述涂层的步骤，所述涂层被沉积为限定所述至少一个气体凹窝。
有利的是，所述步骤(ii)包括在所述支承面区域上提供弹性涂层(例如阳极氧化的涂层)的步骤。这种涂层提供一种硬质表面，如果相对的支承面接触对于损害会有弹性缓冲。该涂层可具有大于250μHv，优选大约300μHv，或者大于400μHv的硬度。例如，铝上的硬质阳极氧化涂层可具有250-500μHv范围的硬度。应当注意，采用维氏微硬度(即以μHv为单位)测量涂层的硬度对于本领域技术人员是已知的。
根据需要，涂层可包括多层，这些层可以是类似或者不同材料。
有利的是，所述步骤(ii)包括提供厚度小于100μm、小于50μm、小于30μm或者小于20μm的涂层。优选的是所述步骤(ii)包括提供厚度大于1μm、大于10μm或者大于20μm的涂层。优选的是，涂层的厚度等于或者大致等于25μm。
方便的是，所述步骤(i)包括获取包括易于成型(例如，容易机加工)的材料的大块支承部分。有利的是，这种材料是金属材料，例如铝。其他材料，例如黄铜、钢、或者某些塑料可以替代地提供所述大块支承部分。
为了在相对的支承面之间提供所需的气垫，所述步骤(i)可包括获取具有用于接收加压气体的中空腔室或者通道的大块支承部分。此外，所述步骤(i)可包括获取具有形成有至少一个开孔的支承面区域的大块支承部分。在使用中，这些一个或者多个开孔可以提供气体流入或者流出支承面之间的工作间隙的需要。这种开孔可以与大块支承部分的中空腔室或者通道流体联通。所述步骤(ii)可方便地包括在所述支承面区域上提供涂层以便在所述至少一个开孔的附近限定气体凹窝。换句话说，通过开孔排出的气体可以通过气体凹窝进入轴承工作间隙。
尽管可以在涂层形成之前在大块支承部分中形成开孔，应当理解，如果需要，这些开孔可以在涂层沉积步骤之后形成。所述方法可以有利地包括包括在所述大块支承部分中形成(例如钻出)一个或者多个孔的步骤。
方便的是，所述步骤(i)包括获取适于包括在旋转轴承中的大块支承部分。例如，大块支承部分可以包括至少一个转子和定子。
根据本发明的另一方面，提供一种支承件，其具有至少一个支承面。所述支承件包括大块支承部分，所述大块支承部分具有限定至少一个气体凹窝的涂层，其中，所述至少一个气体凹窝的深度基本上等于所述涂层的厚度。这种支承件可以通过根据上面描述的方法来制造。
方便的是，所述涂层包括弹性涂层，例如阳极氧化的或者硬质阳极氧化涂层。有利的是，大块支承部分包括中空芯。所述大块支承部分可在每个空气凹窝附近方便地包括至少一个开孔。如上面描述的，所述大块支承部分可有利地包括金属，例如铝。
根据本发明，还提供一种轴承，例如旋转轴承，其包括这种支承件。
根据本发明的另一方面，提供一种制造用于其他轴承的支承面的方法，所述方法包括如下步骤：(i)获取大块支承部分，其包括至少一个支承面区域，所述至少一个支承面区域上形成有涂层；以及(ii)选择性地去除部分涂层以便限定至少一个气体凹窝，其中，所述选择性地去除部分涂层以便限定至少一个气体凹窝的步骤(ii)包括如下步骤：去除所述涂层部分以便基本上暴露大块支承部分的涂层下支承表面区域使得所述至少一个气体凹窝的深度基本上等于所述涂层的厚度。
因此描述了用于形成支承面的方法，其包括获取具有支承面的大块支承部分以及采用激光消融来在所述支承面中形成至少一个气体凹窝的步骤。所述大块支承部分的支承面可方便地包括涂层，所述激光消融步骤能够去除至少一些所述涂层。
还描述了用于制造用于气体轴承的支承面的方法，其包括如下步骤：(i)获取具有至少一个支承面区域的大块支承部分；以及(ii)在所述支承面区域上形成涂层。该涂层优选是硬质涂层，步骤(ii)优选包括阳极氧化或者硬质阳极氧化技术。
附图说明
现在将借助示例，参照附图来描述本发明，其中：
图1示出了采用本发明的方法形成的气体轴承；
图2示出了图1所示的气体轴承的透视图；
图3示出了用于形成支承面的本发明的方法；以及
图4示出了采用本发明的方法形成的空气轴承凹窝。
具体实施方式
参照图1，示出了本发明的旋转气体轴承2的剖视图。该轴承2包括定子4和转子6。转子6包括轴8，轴8承载第一转子部分10和第二转子部分12。第一转子部分10和第二转子部分12具有从轴8向外延伸的凸出的支承面11。定子4包括凹入的支承面13，支承面13的形状与转子6的支承面互补。
定子4轴向位于第一转子部分10和第二转子部分12之间，使得转子6和定子4的支承面分开所需的工作间隙。定子4包括中空芯14，通道从该中空芯14延伸到设置在支承面上的小孔16。气体(例如空气)可以经由开孔16进入定子-转子工作间隙。
第一转子部分10和第二转子部分12以及定子4的大部分由铝形成。铝重量轻，易于机加工成所需的形状。但是，铝太软，不能提供所需的支承面，也就是说，如果在使用中(例如在启动或者断电时)在支承面之间发生意外表面接触时易于损坏。因此提供薄的(大约20μm)的硬质阳极氧化涂层18作为定子和转子的支承面的最外层。在开孔16附近，该涂层涂过激光消融来去除，以便提供下面将更详细描述的气体凹窝。
现在参照图2，其示出参照图1描述的轴承2的更详细的透视图。具体而言，图2示出了定子4和转子的第一转子部分10和第二转子部分12。转子还包括转子组件20，该组件20形成上面描述的轴8。此外，示出了一体的马达22。
参照图3，示出了由于形成根据本发明的支承面的方法。
图3a示出了形成有通道31的一层铝30。铝层30可以使上面参照图1和2描述的类型的转子或者定子的支承面。尽管为了简化示出了平坦(平的)面，铝的表面可以机加工成任意所需的形状。
图3b示出了形成在铝层30的表面的硬质阳极氧化层32。硬质阳极氧化层32的厚度大约是20-25μm，其可以采用各种已知的阳极氧化方法形成。
一旦硬质阳极氧化层32已经声场，可以采用激光消融在通道31的区域中从铝层30去除其一部分区域。具体而言，激光消融技术可以用来在通道31的出口开孔周围形成空气凹窝34。这种空气凹窝的横向尺寸可以容易地通过激光束的横向运动控制。尽管阳极氧化涂层32可以通过消融去除，下面的大块铝层30比涂层32明显更具反射性，因此激光辐射从其反射。每个空气凹窝34的深度因此通过阳极氧化层32的厚度控制。换句话说，阳极氧化涂层的厚度可以用来控制空气凹窝的深度。通过这种方式，空气凹窝的尺寸可以被精确和可靠地控制。
参照图4，示出了根据上面参照图3描述的方法制造的定子4的局部放大图。具体而言，定子4可以看作包括在大铝层44上的阳极氧化涂层42的激光消融而形成的多个菱形空气凹窝40。
尽管上面描述了阳极氧化涂层的激光消融，本领域技术人员应当理解，这种技术可以采用其他的层形成和/或层去除技术。此外，单个选择性的层形成步骤(例如采用适当的罩的沉积)可以用来提供空气凹窝，同时形成涂层。

Claims (30)

1.一种制造用于气体轴承的支承面的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)获取大块支承部分，其具有至少一个支承面区域；以及
(ii)在所述支承面区域上提供涂层，以便限定至少一个气体凹窝，
其中，所述步骤(ii)包括形成深度基本上可由所述涂层的厚度限定的至少一个气体凹窝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括在所述支承面区域上形成涂层的步骤。
3.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括选择性地去除所述涂层的至少一些以便限定至少一个气体凹窝的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述选择性地去除所述涂层的步骤包括采用激光消融的步骤。
5.根据权利要求2到3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述选择性地去除所述涂层的步骤包括去除涂层以便基本上暴露大块支承部分的涂层下的支承面区域的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括在所述支承面区域上选择性形成所述涂层的步骤，所述涂层被形成为限定所述至少一个气体凹窝。
7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括在所述支承面区域上提供弹性涂层的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括在所述支承面区域上提供阳极氧化涂层的步骤。
9.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括提供厚度小于100μm的涂层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括提供厚度小于50μm的涂层。
11.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括提供厚度小于10μm的涂层。
12.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)包括获取包括易于成型的材料的大块支承部分。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)包括获取包括金属的大块支承部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)包括获取包括铝的大块支承部分。
15.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)包括获取具有用于引导空气供应的内部中空通道区域的大块支承部分。
16.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)包括获取具有形成有至少一个开孔的支承面区域的大块支承部分，所述步骤(ii)包括在所述支承面区域上提供涂层以便在所述至少一个开孔的附近限定气体凹窝。
17.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述大块支承部分中形成一个或者多个孔的步骤。
18.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)包括获取适于包括在旋转轴承中的大块支承部分的步骤。
19.一种制造用于其他轴承的支承面的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)获取大块支承部分，其包括至少一个支承面区域，所述至少一个支承面区域上形成有涂层；以及
(ii)选择性地去除部分涂层以便限定至少一个气体凹窝，
其中，所述选择性地去除部分涂层以便限定至少一个气体凹窝的步骤(ii)包括如下步骤：去除所述涂层部分以便基本上暴露大块支承部分的涂层下支承表面区域使得所述至少一个气体凹窝的深度基本上等于所述涂层的厚度。
20.一种支承件，其具有至少一个支承面，所述支承件包括大块支承部分，所述大块支承部分具有限定至少一个气体凹窝的涂层，其中，所述至少一个气体凹窝的深度基本上等于所述涂层的厚度。
21.根据权利要求20所述的支承件，其特征在于，所述涂层包括弹性涂层。
22.根据权利要求21所述的支承件，其特征在于，所述涂层包括阳极氧化的涂层。
23.根据权利要求20到22中任一项权利要求所述的支承件，其特征在于，所述大块支承部分包括用于引导空气供应的中空通道区域。
24.根据权利要求20到23中任一项权利要求所述的支承件，其特征在于，所述大块支承部分在每个空气凹窝附近包括至少一个开孔。
25.根据权利要求20到24中任一项权利要求所述的支承件，其特征在于，所述大块支承部分包括金属。
26.根据权利要求25所述的支承件，其特征在于，所述大块支承部分包括铝。
27.一种轴承，其包括根据权利要求20到26中任一项权利要求所述的支承件。
28.一种旋转轴承，其包括根据权利要求20到26中任一项权利要求所述的支承件。
29.一种形成基本上参照图1到4描述的支承面的方法。
30.一种基本上参照图1到4描述的支承面。
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