CN1223414C - 制造流体轴承的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制造流体轴承的装置及其方法，该方法至少包含有下列步骤：提供圆管状的素材与表面具有复数个肋的内模，该肋由该内模表面朝径向方向往外凸出；将该内模置于该素材中；提供磁场产生单元围绕于该素材外，由外界供予磁场产生单元所需的一电力；由磁场产生单元产生非接触外力，将素材朝其径向方向往内挤压，使得内模表面的复数个肋可于该素材上形成复数个动压沟槽；以及进行脱模动作，使内模与素材达到一脱模温度以避开干涉而成功脱模。利用该方法即可成功制造出流体轴承，该方法可有效地避免成形过程中材料回弹与皱折两大问题。

Description

制造流体轴承的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种制造流体轴承的装置及其方法，特别是利用电磁成形法在轴承的轴孔孔壁产生油沟，使得该轴承在运转后能产生油膜压力与油封效果的制造流体轴承的装置及其方法。

背景技术

轴承为一种应用在转动机件从事支撑、承受负载与减少摩擦的装置。常见的轴承为滚珠轴承，但由于其有旋转噪音大、精度不足以及微型化困难等问题，所以一般只用于大型且对精度要求不高的机件。至于微型的机件，例如：计算机系统的散热风扇、光驱与硬盘驱动器等精密电子器件，则要选用具有微型且精度高、旋转噪音小、转动摩擦低与抗震能力强等这些特点的轴承。随着科技的日新月异，流体轴承的发明问世也有效地解决了上述一般轴承固有的一些问题。

流体轴承可大概分为静压轴承与动压轴承两类。静压轴承因为常态下轴承内部具有大量的流体润滑介质，所以对于一般微型且讲求精密的转动机件并不适合。至于动压轴承则是在轴承的轴孔孔壁具有微细的沟槽，而沟槽内部具有润滑介质(因为是微细的沟槽，所以润滑介质的量相当少)，使得旋转后能产生油膜压力与油封效果。但目前因主轴马达越来越小，所以要制作适用于高精度的微小马达的流体轴承(轴承的轴孔孔壁的油沟深度、宽度与同心度均要求十分严格)并不容易。若要以传统切削加工中的精密旋削来进行制作，则易在轴承油沟产生毛边以及同心度不佳、刀具制作不易且易磨损等问题。公知的技术如授予Asada的美国专利US5,758,421与授予Lucier的美国专利US5,265,334等均以金属球硬压来产生轴承微细沟槽，此技术有三项缺点：1.模具金属球与成形素材接触面积小，容易造成金属球磨损快；2.金属球相当小，夹具设计不易；3.滚动时需要有一精密定位与控制的平台，因此制作成本高。授予Asai的美国专利US6,074,098以塑料射出成型来制造轴承，由于使用强迫顶出脱模的缘故，使得轴承的轴孔孔壁的精度差且轴承本身也不耐磨。至于授予Teshima的美国专利US5,914,832以化学蚀刻来制造平面的止推轴承以及授予Cheever的美国专利US6,108,909以滚压成型制造轴承的主轴油沟，两者均因无法成型于轴承的轴孔孔壁，所以无法制作。

上述的制造方法不仅无法批量生产且制作成本高。因此，如何将电磁成型法成熟地发展与应用在制造流体轴承，借以达到降低成本且增加生产能力的目的，此实为一亟待突破的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造流体轴承的装置及其方法，以解决现有技术中所存在的上述问题，利用电磁成型法的这种超高速高能量率塑性成型的特性配合模具的设计，而在轴承的轴孔孔壁产生微细油沟，借以获得产品精度佳以及生产效率高的效果。

本发明的另一个目的在于提供一种制造流体轴承的装置及其方法，其采用温差进行脱模的方法，在设计内模与素材的材料选用时，则必须考虑不同的热膨胀系数。成形后，若要脱模只要加热或冷却至适当温度，使得内模与零件避开干涉后，即可成功地取出成品零件。

本发明的上述目的是这样实现的：一种制造流体轴承的装置.该装置包含有：一素材，为一圆管状的材料；一内模，置于该素材中，该内模表面具有复数个突起的肋；一磁场产生单元，围绕于该素材外，在被供予一电力后，利用该磁场产生单元所产生一瞬间的磁力，将该素材朝该素材的中心方向挤压，使得该内模表面的复数个肋可于该素材上形成复数个动压沟槽；以及一电力提供单元，用以提供该磁场产生单元所需的电力，该电力提供单元由一电源、一充放电装置与一开关组成。

本发明所述的制造流体轴承的装置，其中该内模的热膨胀系数小于该素材的热膨胀系数。

本发明所述的制造流体轴承的装置，其中该肋由该内模表面朝径向方向往外凸出。

本发明所述的制造流体轴承的装置，其中该磁场产生单元由一线圈与一支撑元件组成。

本发明所述的制造流体轴承的装置，其中该线圈的材料选自于由银、钨、铜、铝、铝合金以及铜合金所组成的族群中导电性良好的材质。

本发明所述的制造流体轴承的装置，其中该支撑元件用来抵抗成形时来自于该素材的反作用力，避免该线圈产生变形断裂。

本发明所述的制造流体轴承的装置，其中该磁场产生单元为一具有圆孔的导电材料，该素材置于该圆孔中。

本发明所述的制造流体轴承的装置，其中该充放电装置为一电容器或一电感器。

一种制造流体轴承的方法，至少包含有下列步骤：提供一圆管状的素材与一表面具有复数个肋的内模，该肋由该内模表面朝径向方向往外凸出；将该内模置于该素材中；提供一磁场产生单元围绕于该素材外，由外界供予该磁场产生单元所需的一电力；由该磁场产生单元产生一非接触外力，将该素材朝该素材的径向方向往内挤压，使得该内模表面的复数个肋可于该素材上形成复数个动压沟槽；以及进行一脱模动作，使该内模与该素材达到一脱模温度以避开干涉而成功脱模。

本发明所述的制造流体轴承的方法，其中该非接触外力为一脉冲磁力。

本发明所述的制造流体轴承的方法，其中该脱模动作利用该内模材料的热膨胀系数小于该素材材料的热膨胀系数的特性来进行。

下面结合具体实施例及其附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明的制造方法的示意图；

图2为本发明的电力提供单元的示意图；

图3为本发明成型后的轴承的剖面图；

图4为本发明的第二实施例的示意图；

图5为本发明以电磁成型法制造流体轴承的步骤流程图。

具体实施方式

电磁成型法是属于高能量率成形法的一种，它可以在一短暂的时间内，使得金属高速瞬间成型。此种采用加快金属成型速度的方式确实是可以改善材料的成型性，这是因为当金属在非常高速的状态下成型时，该金属当时的形态就如同流体一般，所以才可以有效地避免成型过程中材料回弹与皱折两大问题产生，因此就可以突破许多传统机械式塑性变形加工的限制。一般而言，传统的机械式成型法成型速度约为0.03～0.73m/sec，而高能量率成型法的成型速度却可达27～228m/sec左右，由此则可鉴别出其中的差异性。

首先请参阅图1，制造流体轴承的装置包含—内模10、—素材20以及—磁场产生单元30。该内模10在顶端处设计了拔模导杆101，其作用在于成型后要进行脱模时，使用拔模夹具夹持住该处，以方便机台施力来成功取模。而该内模10上有复数个肋102，利用这些肋102即可在素材20的轴孔孔壁处成型出一道道的沟槽。素材20为一壁厚为t的圆管材料，而内模10便是要由此放入素材20中。在此实施例中，磁场产生单元30由线圈301与支撑元件302所组成。线圈301则是由螺旋状导电材料所制成，上下两端即接上电源绕于素材之外，外围则有支撑元件302包覆，成型品质的好坏则决定于通电后磁场的均匀性与对称性。

因使用电磁成型法来进行制造流体轴承，所以素材20以及线圈301均必须要采用导电材料。有关电力提供单元，请参阅图2，内模10放入素材20中，而素材20外围绕上线圈301。线圈301两端则接上电源40、充放电装置50以及开关60以形成一回路。线圈301的外围则用支撑元件302包覆，例如：将线圈外围套上一圆管状的刚性材料，借以抵抗成型时来自于素材的反作用力，进而避免断裂或变形。首先由电源40充电至充放电装置50中，待其充电至饱和状态后。此时，将开关60打开进行瞬间放电，强大的脉冲电流会流过线圈301而产生瞬间的强大磁场，而素材20则会在瞬间产生抵抗的涡电流。涡电流在外加磁场中会有很强大的斥力将素材20往内推，使得材料往内变形。因此，若使用电磁成形法来进行塑性加工，则不需要外模具，且产生的外力为非接触式的，这便可使得制造成本得以有效地降低。

以电磁成型法制造流体轴承，其最后的成品如图3所示。流体轴承成品70内的动压沟槽701即为润滑介质的流道，动压沟槽701可以使得轴承于旋转后能产生油膜压力与油封效果。动压沟槽701的深度相当浅，通常都在0.004～0.02m之间。若采用传统的成型法则会有成型材料流动性不佳而无法加工出较精密流体轴承的问题。因此，使用电磁成型法来加工确实是一个最佳的选择。

本发明的第二实施例，请参阅图4，磁场产生单元30一般在应用上也可为平板状的导电材料，其具有圆孔303、螺栓304以及电极305。内模10置于素材20中，而素材20放入此磁场产生单元的圆孔303中，图中的第二个圆孔可作备份之用，以防止使用的圆孔破坏，而致使整个设备报销而无法继续使用。磁场产生单元30的电源供应方式是由电力提供单元将电力通过电极305传送至整片导电材料。为了避免电极305与此片导电材料产生松脱，可利用螺栓304将电极305固定在此片导电材料上，借此避免接触不良的情形。其余装设、制造原理以及过程等都是相同的，故不再重复赘述。

以电磁成型法制造流体轴承的制造过程，请参阅图5所示。首先将设计制作完成的内模放入素材中(步骤110)，接着电力提供单元的充放电装置开始进行充电(步骤120)。待充电饱和后，充放电装置瞬间放电，使得材料塑性成型(步骤130)。最后则是要进行脱模与取模的工作，一般在设计制作成型模具时，均须事先考虑脱模，所以模具都是做成可拆解成数等分以利脱模。但在制造流体轴承的模具设计前提之下，若将模具设计成可等分拆解的话，则会产生两个问题：(1)精度变差；(2)模具太小不易加工。因此，制造流体轴承的脱模方式并不考虑采用可拆模的方式。精密流体轴承有一个特性就是其轴孔孔壁的沟槽很浅，所以在设计制造内模与素材时，其材料则考虑选用热膨胀系数较小的内模材料与热膨胀系数较大的素材材料。在成型后，若要脱模只需将其加热或冷却至适当温度，使得内模与零件避开肋与沟槽的干涉(步骤140)，即可取出脱模，得到精度高且无毛边的流体轴承成品零件(步骤150)。至于加热或冷却的适当温度则是按材质(热膨胀系数)来决定，例如：假设内模采用是属于钢铁材料，其热膨胀系数为0.11×10^-1/℃，而素材采用的是铝合金材料，其热膨胀系数为0.24×10^-1/℃。若希望内模与素材之间有2μm的脱模余隙的话，则加热温度提高至103℃始可避开干涉，若要有5μm的脱模余隙，则须升温至256℃，方可成功地取模；此外，通过适当地设计内模与素材的热膨胀系数，也可采用冷却的方式来达成类似的效果。

应用本发明的制造流体轴承的装置及其方法，是希望能避免传统以切削加工来制造高精度的流体轴承所产生的毛边、油沟同心度不佳、刀具制作不易以及容易磨损等问题。所以本发明具有下列功效：

1、不需外模，大量简化模具的制造，因而可以减少制造成本。

2、与现有技术相比较，可得知该方法生产的循环时间(Cycle Time)最短，而生产能力相对就可以提高。

3、采用此方法所制造的流体轴承，内部沟槽较少毛边且精密度高。

4、此装置不需要精密的定位床台，只需要一副精密模具。因此，可降低设备购买、维修以及维持的费用。

虽然本发明以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术的相关人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作适当的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求所确定的范围为准。

Claims (9)

1、一种制造流体轴承的装置，该装置包含有：

一素材，为一圆管状的材料；

一内模，置于该素材中，该内模表面具有复数个突起的肋；

一磁场产生单元，围绕于该素材外，在被供予一电力后，利用该磁场产生单元所产生一瞬间的磁力，将该素材朝该素材的中心方向挤压，使得该内模表面的复数个肋可于该素材上形成复数个动压沟槽；以及

一电力提供单元，用以提供该磁场产生单元所需的电力，该电力提供单元由一电源、一充放电装置与一开关组成。

2、如权利要求1所述的制造流体轴承的装置，其中该内模的热膨胀系数小于该素材的热膨胀系数。

3、如权利要求1所述的制造流体轴承的装置，其中该肋由该内模表面朝径向方向往外凸出。

4、如权利要求1所述的制造流体轴承的装置，其中该磁场产生单元由一线圈与一支撑元件组成。

5、如权利要求4所述的制造流体轴承的装置，其中该线圈的材料选自于由银、钨、铜、铝、铝合金以及铜合金所组成的族群中导电性良好的材质。

6、如权利要求4所述的制造流体轴承的装置，其中该支撑元件是用来抵抗成形时来自于该素材的反作用力，避免该线圈产生变形断裂。

7、如权利要求1所述的制造流体轴承的装置，其中该磁场产生单元为一具有圆孔的导电材料，该素材置于该圆孔中。

8、如权利要求1所述的制造流体轴承的装置，其中该充放电装置为一电容器或一电感器。

9、一种制造流体轴承的方法，至少包含有下列步骤：

提供一圆管状的素材与一表面具有复数个肋的内模，该肋由该内模表面朝径向方向往外凸出；

将该内模置于该素材中；

提供一磁场产生单元围绕于该素材外，由外界供予该磁场产生单元所需的一电力；

由该磁场产生单元产生一脉冲磁力，将该素材朝该素材的径向方向往内挤压，使得该内模表面的复数个肋可于该素材上形成复数个动压沟槽；以及

进行一脱模动作，由于选择该内模材料的热膨胀系数小于该素材材料的热膨胀系数的特性，使该内模与该素材达到一脱模温度以避开干涉而成功脱模。

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