Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager und
eine Lagereinheit, die in technischen Gebieten wie
Informationsverarbeitende Ausrüstung, Luft- und Raumfahrt,
Flugzeugen und Halbleitern verwendet werden.
Beschreibung des Standes der Technik
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Um bei einem Wälzlager den Verschleißwiderstand zu verbessern
und die Erzeugung von Staubpartikeln zu vermindern, wurden
die folgenden Verfahren als Verfahren zum Fertigpolieren der
Laufringflächen vorgeschlagen.
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Die japanische Patentveröffentlichung Nr. Toku Kai Sho
62-24956 schlägt ein Verfahren der Verwendung eines mit
kubischem Boronnitrid (CBN) Reibkorn-beschichteten
Überdeckungsbandes vor, um die Laufringrille (Laufringfläche)
zu überdecken.
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Die japanische Patentveröffentlichung Nr. Toku Kai Hei
3-84218 schlägt ein Verfahren zum Fertigschleifen der
umlaufenden Siegelrille der Laufringe gleichzeitig mit dem
Fertigschleifen der inneren Laufringfläche und der äußeren
Laufringfläche mittels desselben Schleifmittels vor.
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In jüngster Zeit sind Wälzlager, die einen sehr hohen
Verschleißwiderstand, eine geringe Erzeugung von
Staubpartikeln, einen hohen Widerstand gegenüber Beschädigung
und gute akustische Eigenschaften aufweisen, sowie eine
geringe Verschlechterung infolge Vibration und eine geringe
Änderung im Drehmoment besitzen, gewünscht. Beispielsweise
gibt es einen großen Bedarf, eine geringe Erzeugung von
Staubpartikeln (Verminderung der Kontamination) in Wälzlagern
zu haben, die in informationsverarbeitenden Vorrichtungen wie
Festplatten (HDD) verwendet werden, oder in Luft- und
Raumfahrtvorrichtungen wie künstlichen Satelliten. Es besteht
das Bedürfnis nach der Entwicklung von Wälzlagern, welche
diese strikten Anforderungen erfüllen.
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Herkömmlicherweise war es möglich, die Kontamination durch
Waschen während des Zusammenbauverfahrens nach dem
Oberflächenfertigbearbeiten zu vermindern, allerdings ist es
schwierig, die Kontamination mittels dieses Verfahrens weiter
zu vermindern.
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Dennoch ist es durch Verbessern der fertig bearbeiteten
Oberflächen, wie der Laufringoberflächen, möglich, die
Kontamination weiter zu vermindern. Allerdings wird in dem
Oberflächenfertigbearbeitungsverfahren, das in der
japanischen Patentveröffentlichung Nr. Tokai Kai Sho 62-24956
beschrieben ist, das Fertigbearbeiten durch maschinelles
Bearbeiten durchgeführt, so dass es schwierig ist, sehr
kleine Grate von den maschinenbearbeiteten Oberflächen zu
entfernen, und es ist schwierig, verbleibende Schleifmittel
zu entfernen, insbesondere anhaftendes, stachelartiges
Schleifmittel. Weiterhin ist es schwierig, geringe Grate zu
entfernen, selbst durch Durchführen von
Ultrallschallreinigung über eine lange Zeitperiode.
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Das in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Toku Kai
Hei 3-84218 beschriebene Verfahren zur
Oberflächenfertigbearbeitung ist effektiv beim Entfernen
großer Grate und Schlicks, allerdings, da das
Fertigbearbeiten durch maschinelle Bearbeitung durchgeführt
wird, ist es schwierig, verbleibendes Schleifmittel zu
entfernen, insbesondere anhaftendes, stachelartiges
Schleifmittel.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Nachteile ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wälzlager
bereitzustellen, in welchem die Kontamination erheblich
vermindert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, um einen Teil eines
Lagers in einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zu zeigen.
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, um einen Teil eines
Lagers in einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zu zeigen.
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Fig. 3 (A)
und
Fig. 3(B) sind Flussdiagramme, um die Herstellungsschritte
der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
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Fig. 4 ist ein Graph, um ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung mit einem Vergleichsbeispiel
zu vergleichen.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Das Wälzlager der vorliegenden Erfindung weist eine
Lauffläche, die eine Laufrille besitzt, und Wälzelemente, die
eine Wälzkontaktfläche besitzen, auf; und eine
Oberflächenschicht ist auf mindestens dem Laufrille der
Laufflächen durch Maschinenbearbeiten von mindestens der
Oberfläche der Laufrille und durch elektrochemisches oder
chemisches Auflösen der maschinenbearbeiteten Oberfläche zum
Bilden der Oberflächenschicht gebildet.
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Elektrolytisches Schleifen, chemisches Schleifen,
elektrolytisches Kompositschleifen oder chemisches
Kompositschleifen können als Beispiele des Verfahrens zum
elektrochemischen oder chemischen Auflösen der
maschinenbearbeiteten Oberfläche angeführt werden.
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In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die
maschinenbearbeitete Oberfläche feinst fertigbearbeitet ist
(super finished), bevor die elektrochemische oder chemische
Bearbeitung durchgeführt wird.
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Auch ist in der vorliegenden Erfindung die Oberflächenschicht
durch elektrochemisches oder chemisches Auflösen der
maschinenbearbeiteten Oberfläche von mindestens der Laufrille
der Laufflächen gebildet. Insbesondere wird durch Bilden von
Oberflächenschichten über die gesamten Laufflächen durch
Maschinenbearbeiten der gesamten Laufflächen und
anschließendes elektrochemisches oder chemisches Auflösen der
maschinenbearbeiteten Oberflächen die Kontaminierung
entfernt, und daher ist es möglich, die
Kontaminierungsverminderung weiter zu verbessern.
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Anstelle der Verwendung mechanischer Einrichtungen entfernt
die vorliegende Erfindung die Kontamination durch
elektrochemisches oder chemisches Auflösen von kleinen
Partikeln (Kontamination), wie Reibmittel, das auf der
maschinenbearbeiteten Oberfläche der Laufflächen verbleibt.
Durch Durchführen elektrochemischer oder chemischer
Bearbeitung auf diese Weise ist es möglich, jegliche
Unebenheit der maschinenbearbeiteten Laufflächen zu entfernen
und Oberflächen mit sehr geringer Rauhigkeit zu erzeugen. Es
ist für kleine Partikel schwierig, an Oberflächen mit
geringer Rauhigkeit zu haften, so dass es möglich ist,
jegliche anhaftenden Kleinpartikel durch Abwaschen zu
entfernen. Dies ermöglicht es ebenso, während des
Zusammenbaus des Lagers zu verhindern, dass jegliche
Kleinstpartikel in das Innere des Lagers eingebracht werden.
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Wenn die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum
Herstellen eines Wälzlagers, das Laufflächen, die eine
Laufrille besitzen, und Wälzelemente, die eine
Wälzkontaktfläche besitzen, aufweist, anzuwenden, ist es
beispielsweise möglich, Schleifen und anschließendes
Feinstfertigbearbeiten (super finishing) auf der Oberfläche
der Laufrille durchzuführen, dann die Oberflächenschicht
mindestens auf der Laufrille der Laufflächen durch
elektrochemisches oder chemisches Auflösen der
Maschinenbearbeiteten Oberfläche zu bilden, und dann die
Laufflächen zu waschen, bevor die Laufflächen mit den übrigen
Teilen des Lagers zusammengebaut werden.
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In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Toku Kai Hei
6-173958 wird vorgeschlagen, dass elektrolytisches
Kompositschleifen oder chemisches Kompositschleifen für die
Oberfläche eines ausgestanzten Behälters durchgeführt wird.
Allerdings gibt die Schrift keinen Hinweis auf das
Durchführen elektrochemischen Bearbeitens oder chemischen
Bearbeitens von Laufflächen. Auch berücksichtigt dieselbe
Veröffentlichung in keinster Weise sehr kleine Grate auf
maschinenbearbeiteten Oberflächen von Laufrillen, wie sie in
der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden. Die
Technologie in derselben Veröffentlichung ist in keinster
Weise in der Lage, die Kontamination zu vermindern, wie dies
durch die vorliegende Erfindung erhalten wird.
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In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Toku Hyo
2000-511267 wird ein Durchführen elektrochemischen Bearbeitens von
Laufflächen vorgeschlagen. Allerdings bezieht sich die in
dieser Veröffentlichung verwendete Technologie auf die Form
der Elektrode und ist von der vorliegenden Erfindung
vollständig unterschiedlich. Dieselbe Veröffentlichung gibt
keinen Hinweis und bezieht sich nicht auf das Durchführen
elektrochemischen Bearbeitens der Laufflächen nach
Feinstfertigbearbeiten (super finishing) der Laufflächen.
Auch ist es innerhalb der Technologie derselben
Veröffentlichung nicht möglich, eine Oberflächenschicht über
den gesamten Laufflächen durch elektrochemisches oder
chemisches Auflösen der maschinenbearbeiteten Oberflächen der
Laufflächen zu bilden.
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Das Wälzlager der vorliegenden Erfindung ist bestens zur
Verwendung in informationsverarbeitenden Vorrichtungen wie
einer Festplatte (HDD) oder in rotierenden Teilen in
künstlichen Satelliten geeignet. Einige Beispiele rotierender
Teile in künstlichen Satelliten schließen ein: Schwungräder,
Ausfahrmechanismen und Motoren für Solarbatteriesegel,
Antennenausfahrmechanismen, Stellantriebe für
Andockmechanismen, und Roboterarmbetätiger, Radiometer,
Schalter, etc.
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Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine
Wälzlagereinheit, die eine rotierende Welle eines
Schwungrades zur Fluglageregelung eines künstlichen
Satelliten und ein Wälzlager, das zum Lagern der rotierenden
Welle vorgesehen ist und mit einer Laufrille gebildete
Laufflächen und mit einer Wälzkontaktfläche gebildete
Wälzlagerelemente besitzt, aufweist, worin eine
maschinenbearbeitete Oberfläche auf mindestens der Laufrille der
Laufflächen gebildet ist und eine Oberflächenschicht auf der
maschinenbearbeiteten Oberfläche durch elektrochemisches oder
chemisches Auflösen der maschinenbearbeiteten Oberfläche
gebildet ist.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden
basierend auf den Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt eine
erste Ausführungsform des Wälzlagers (Schrägkugellager) 10,
das einen Innenring 11, eine Außenring 12, eine Vielzahl von
Kugeln 13, die zwischen dem Innen- und Außenring 11, 12
angeordnet sind, und einen Halter 14 zum Halten der Kugel 13
in gleichmäßigen Abständen entlang der Umfangsrichtung
aufweist. Der Innen- und Außenring 11, 12 und die Kugel 13
sind aus rostfreiem Martensitstahl (SUS440C) oder dergleichen
hergestellt. Eine Rille 15, die als Innenringlaufrille
funktioniert, ist auf der äußeren Umfangsfläche des
Innenrings 11 gebildet, und eine Rille 16, die als
Außenringlaufrille funktioniert, ist auf der inneren
Umfangsfläche des Außenrings 12 gebildet.
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Die Ausführungsform bezieht sich auf ein Wälzlager für ein
Schwungrad zur Fluglagenregelung eines künstlichen
Satelliten.
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Um die Fluglage eines künstlichen Satelliten zu regeln, wird
ein Verfahren zum Installieren eines Schwungrades in dem
Satelliten und zum Aufbringen eines Reaktionsdrehmoments auf
den Satelliten durch Verändern der rotationellen
Winkelgeschwindigkeit des Schwungrads verwendet. Für das
Wälzlager 10 des Schwungrades zum Regeln der Fluglage eines
künstlichen Satelliten ist zusätzlich zu Verschleißwiderstand
und geringer Stauberzeugung in einem Vakuum, ein geringes
Drehmoment, ein Halten der Veränderung des Drehmoments auf
einem Minimum und eine hohe Lebensdauer erwünscht. Um diese
Anforderungen zu erfüllen ist es erforderlich, stabil eine
Minimalmenge an Schmieröl zu dem Lager zu fördern.
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Bei dieser Art von Wälzlager 10 wird die Schmierung, bevor
die Schmierung von einer externen Schmierölquelle zu dem
Lager gefördert wird, durch eine sehr geringe Menge an
Schmieröl durchgeführt. Allerdings tritt während dieser Zeit
Abnutzung in den Laufrillenflächen und den Wälzflächen auf.
Selbst bei geringer Abnutzung breitet sich diese Abnutzung
aus und es tritt Kontamination nach langen Betriebszeiträumen
in der besonderen Umgebung des Raumes auf, was es schwierig
macht, die Funktion des Wälzlagers aufrechtzuerhalten.
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Allerdings sind in dieser Ausführungsform die gesamten
Oberflächen der Innenringe 11 und Außenringe 12
maschinenbearbeitet, spezifisch feinstfertigbearbeitet (super
finished), und Oberflächenschichten 11a, 11b sind über den
gesamten feinstfertigbearbeiteten Oberflächen des Innenrings
11 und des Außenrings 12 durch elektrochemisches oder
chemisches Auflösen der feinstfertigbearbeiteten Oberflächen
gebildet, so dass nur geringe Kontamination auftritt.
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Durch elektrochemisches oder chemisches Bearbeiten der
maschinenbearbeiteten, insbesondere feinstfertigbearbeiteten
Oberflächen, ist es möglich, kleine Schleifgrate,
Superfinishgrate (Riff) und anhaftendes Schleifmittel
vollständig zu entfernen. Dadurch ist es möglich, ein
Anschlagen der Grate und Riffe während des Wälzens der Kugel
13 zu beseitigen, und daher ist es ebenso möglich, das
Auftreten stempelförmiger Einkerbungen zu verhindern.
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Darüber hinaus ist es durch Durchführen elektrochemischen
oder chemischen Bearbeitens in dieser Weise möglich, die
Unebenheit der maschinenbearbeiteten Oberflächen zu
beseitigen und eine Oberfläche mit sehr geringer Rauhigkeit
zu schaffen. Für kleine Partikel ist es schwierig, an
Oberflächen mit sehr geringer Rauhigkeit zu haften, so dass
es möglich ist, jegliche anhaftenden Kleinpartikel leicht
durch Waschen zu beseitigen. Dies ermöglicht es ebenso
auszuschließen, dass jegliche Kleinpartikel in das Innere des
Lagers während des Zusammenbaus des Lagers eindringen.
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Fig. 2 zeigt das Wälzlager 20 einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform, zusätzlich zum
Bilden von Oberflächenschichten 11a, 12a über die gesamten
Oberflächen des Innenrings 11 und des Außenrings 12 durch
Maschinenbearbeiten der gesamten Oberflächen und
anschließendes elektrochemisches oder chemisches Auflösen der
maschinenbearbeiteten Oberflächen, sind ebenso
Oberflächenschichten 23a über die gesamten Oberflächen der
Kugeln 23 durch Maschinenbearbeiten der gesamten Oberflächen
und anschließendes elektrochemisches oder chemisches Auflösen
der maschinenbearbeiteten Oberflächen gebildet.
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Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen des Wälzlagers
der vorliegenden Erfindung basierend auf Fig. 3a erläutert,
welche das Herstellungsverfahren für das Wälzlager der
vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 3(B) zeigt das
Herstellungsverfahren für ein herkömmliches Wälzlager.
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Wie in Fig. 3(A) dargestellt, wird in dem
Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung
elektrolytisches Kompositschleifen durchgeführt, nachdem ein
Feinstfertigbearbeiten (super finishing) der Rillen
durchgeführt worden ist. Es ist bevorzugt, dass Öl mittels
Azeton oder dergleichen entfernt wird, bevor das
elektrolytische Kompositschleifen durchgeführt wird. Selbst
wenn es eine Halteperiode zwischen dem
Feinstfertigbearbeitungsverfahren und dem elektrolytischen
Kompositschleifverfahren gibt, ist keine besondere Sorgfalt
wie Eintauchlagern der Laufflächen (Arbeit) erforderlich, um
diese vor Trocknen zu schützen. In dem elektrolytischen
Kompositschleifverfahren wird elektrolytisches
Kompositschleifen der gesamten Oberflächen des Innen- und
Außenrings durchgeführt, das heißt die
Außendurchmesseroberfläche, die Innendurchmesseroberfläche,
die Laufrillenoberflächen, die Siegelrille, und alle
abgerundeten Abschnitte. Dabei ist es bevorzugt, dass die
Rauhigkeit der bearbeiteten Oberflächen Rmax 0,3 µm oder
weniger beträgt.
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Nach dem elektrolytischen Kompositschleifen wird leichtes
Waschen mittels Ultraschallwaschen mit reinem Wasser
durchgeführt, um die Elektrolyte und Kleinpartikel zu
entfernen. Es ist schwer für Partikel, an Oberflächen zu
haften, an welchen das elektrolytische
Kompositschleifverfahren durchgeführt worden ist, und da das
Entfernen derartiger Partikel einfach ist, kann die Waschzeit
auf ein Fünftel bis ein Zehntel im Vergleich zu dem
herkömmlichen Verfahren vermindert werden, in welchem die
Laufflächen vor dem Zusammenbau gewaschen werden.
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Weiterhin, da sehr wenig Partikel an den Oberflächen haften
und es sehr geringe Kontamination innerhalb des Lagers gibt,
nachdem das Lager zusammengebaut ist, ist ein Waschen nach
dem Zusammenpassen und Zusammenbauen nicht erforderlich, und
es ist möglich, zu dem Verfahren zum Aufbringen von Schmieröl
fortzuschreiten.
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In dem in Fig. 3(B) dargestellten herkömmlichen Verfahren
wird unmittelbar nach dem Feinstfertigbearbeiten der Rillen
ein Bürstenwaschen und Ultrallschallwaschen durchgeführt, um
das Schleiffluid und Schleifreste zu entfernen. Weiterhin, um
zu verhindern, dass Partikel in das Innere des Lagers
gelangen, werden die Laufflächen wiederholt mit
Ultraschallwaschen vor dem Zusammenpassen und Zusammenbauen
gewaschen. Dann wird das zusammengebaute Lager erneut
gründlich gewaschen, bevor zu dem Verfahren zum Aufbringen
von Schmieröl fortgeschritten wird.
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Wie aus der obigen Erläuterung ersichtlich ist, wird in dem
in Fig. 3(A) dargestellten Herstellverfahren der vorliegenden
Erfindung das Waschverfahren erheblich vereinfacht.
Beispiel
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Ein aus SUS440C hergestellter Außenring wurde vorbereitet und
elektrolytisches Kompositschleifen wurde darauf durchgeführt.
Nachdem eine geeignete Menge an Partikeln an der Oberfläche
haftete, wurde der Außenring gewaschen. Das Waschen wurde
durch Eintauchen des Außenrings in eine saubere Lösung und
anschließendes Beschallen mit Ultraschallwellen durchgeführt.
Nach jedem spezifischen Intervall von Ultraschallwellen
wurden die Partikel, welche eine Größe von 1 µm oder größer
besitzen und in die Lösung abgegeben wurden, durch einen
Partikelzähler in der Lösung gezählt. Die
Oberflächenrauhigkeit Rmax des Außenrings, für welchen das
elektrolytische Kompositschleifverfahren durchgeführt wurde,
betrug 0,3 µm für die Innendurchmesserfläche und
Außendurchmesserfläche und 0,27 µm für die Endflächen.
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Als Vergleich wurde ein aus SUS440C hergestellter Außenring
vorbereitet, ohne dass elektrolytisches Kompositschleifen an
diesem vorgenommen wurde. Nachdem eine geeignete Menge an
Partikeln an der Oberfläche haftete, wurde der Außenring
gewaschen und die Partikel wurden gezählt. Die
Oberflächenrauhigkeit Rmax des Außenrings, an welcher
elektrolytisches Kompositschleifen nicht durchgeführt wurde,
betrug 0,9 µm für die Innendurchmesserfläche und
Außendurchmesserfläche, und 0,5 µm für die Endflächen.
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Die Ergebnisse des Partikelzählens sind in Fig. 4
dargestellt.
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Wie in Fig. 4 deutlich zu sehen ist, wurde für die Teile, die
mit elektrolytischem Kompositschleifen bearbeitet wurden, die
Partikelzahl in kurzer Zeit vermindert, und nach
näherungsweise 15 Minuten ist die Anzahl an Partikeln
näherungsweise zu derjenigen in der Lösung selbst vermindert
und die an dem Außenring haftenden Partikel waren entfernt.
Andererseits war es für die Teile, die nicht mit
elektrolytischen Kompositschleifen behandelt waren, nicht
möglich, einen Teil der Partikel von dem Außenring zu
entfernen, selbst nach dauerndem Waschen für eine lange
Zeitperiode.
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Für Teile, die nicht mit elektrolytischem Kompositschleifen
bearbeitet waren, war es nicht nur schwer, die Partikel zu
entfernen, sondern es hafteten auch bereits entfernte
Partikel erneut an der Oberfläche, so dass in der Lösung
enthaltene Partikel anwuchsen und abnahmen, und es war nicht
möglich, die Anzahl an Partikeln zu vermindern. Andererseits,
für diejenigen, die mit elektrolytischen Kompositschleifen
behandelt wurden, waren die Partikel leicht zu entfernen und
es war schwer für Partikel, die bereits von der Oberfläche
entfernt waren, erneut an diesen zu haften, so dass es
möglich war, die Anzahl an Partikeln in kurzer Zeit zu
vermindern.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben
beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt und
kann in geeigneter Weise verändert und verbessert werden.
Beispielsweise ist es möglich, das Wälzlager dieser Erfindung
zu kombinieren, um ein Kombinationslager zu bilden. Auch kann
das technologische Konzept dieser Erfindung auf alle Teile
der Lagereinheit zusätzlich zu den Laufflächen und
Wälzelementen angewendet werden.
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Wie oben beschrieben ist es mit der vorliegenden Erfindung
möglich, ein Wälzlager bereitzustellen, bei welchem die
Kontamination erheblich vermindert ist.
Figurenbeschriftung
Fig. 3(A)
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Schleifen der Laufrille
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Feinstfertigbearbeiten der Laufrille
(super finishing)
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Elektrolytisches Kompositschleifen der Lauffläche
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Waschen
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Zusammenpassen und Zusammenbau
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Schmieren und Einfügen eines Siegels
Fig. 3(B)
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Schleifen der Laufrille
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Feinstfertigbearbeiten der Rille
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Waschen
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Waschen der Teile vor dem Zusammenbau
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Zusammenpassen und Zusammenbau
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Waschen des zusammengebauten Produkts
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Schmieren und Siegeleinfügen