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Hintergrund
der Erfindung
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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Wälzlagers
und eine Lagereinheit, die in technischen Gebieten wie Informationsverarbeitende
Ausrüstung,
Luft- und Raumfahrt, Flugzeugen und Halbleitern verwendet werden.
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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.
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Erfindungsgemäß wird eine
Wälzlagereineinheit
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines Wälzlagers
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3, bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche sind
auf optionale und bevorzugte Merkmale gerichtet.
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Eine
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
der gesamten Oberfläche
des Innenrings und des Außenrings
gebildet ist, und eine Oberflächenschicht
auf der maschinenbearbeiteten Oberfläche durch elektrochemisches
oder chemisches Auflösen
der maschinenbearbeiteten Oberfläche
gebildet ist.
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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, angewendet wird, ist es beispielsweise möglich, Schleifen der
Laufrillen in die Laufflächen
und anschließendes Feinstfertigbearbeiten
(super finishing) auf der gesamten Oberfläche des Innenrings und des
Außenrings
durchzuführen,
dann die Oberflächenschicht 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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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht, um einen Teil eines Lagers in einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
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2 ist
eine Querschnittsansicht, um einen Teil eines Lagers in einer zweiten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zu zeigen.
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3(A) und 3(B) sind
Flussdiagramme, um die Herstellungsschritte der vorliegenden Erfindung
zu erläutern.
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4 ist
ein Graph, um ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Vergleichsbeispiel zu vergleichen.
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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 die maschinenbearbeitete Oberfläche feinst
fertigbearbeitet (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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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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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden basierend auf den Zeichnungen beschrieben. 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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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 erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines Wälzlagers
basierend auf 3a erläutert, welche
das Herstellungsverfahren für
ein Wälzlager
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. 3(B) zeigt das Herstellungsverfahren
für ein
herkömmliches
Wälzlager.
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Wie
in 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 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 3(A) dargestellten
Herstellverfahren der vorliegenden Erfindung das Waschverfahren
erheblich vereinfacht.
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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 4 dargestellt.
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Wie
in 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 dieser 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, im Rahmen der beigefügten Patentansprüche, 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.