DE102005022013B4

DE102005022013B4 - Fluiddynamisches Drucklager und Verfahren zum Verbinden von Bauteilen eines fluiddynamischen Drucklagers

Info

Publication number: DE102005022013B4
Application number: DE102005022013A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Neumann
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: DE102005022013A1

Abstract

Fluiddynamisches Drucklager, insbesondere als Teil eines Lagersystems zur Drehlagerung von Spindelmotoren für den Antrieb von Festplattenlaufwerken, welches eine ringförmige Druckplatte (2) als Bestandteil eines Axiallagers umfasst, die mit einer Welle (1) fest verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen der Druckplatte (2) und der Welle (1) aus einer Kombination aus Pressverbindung und Schweißverbindung besteht, wobei mindestens eines der zu verbindenden Bauteile (1, 2) eine Fase oder einen Radius (3; 4) aufweist, wobei die Bauteile im Bereich dieser Fase bzw. dieses Radius (3; 4) miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Innendurchmesser der Druckplatte (2) Aussparungen (5) vorgesehen sind, und die Welle (1) und die Druckplatte über die Aussparungen (5) hinweg mittels eines Laserstrahls verschweißt sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Drucklager und ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen eines solchen fluiddynamischen Drucklagers, wobei das Drucklager insbesondere als Teil eines fluiddynamischen Lagersystems zur Drehlagerung von Spindelmotoren für den Antrieb von Festplattenlaufwerken ausgebildet ist.
Stand der Technik
Ein fluiddynamisches Lagersystem umfasst im wesentlichen eine Lagerhülse, eine in einer Öffnung der Lagerhülse angeordnete Welle und mindestens einen zwischen der Lagerhülse und der Welle vorgesehenen Radiallagerbereich mit dessen Hilfe die Welle und die Lagerhülse relativ zueinander drehbar gelagert sind, wobei der zwischen der Weile und der Lagerhülse gebildete Lagerspalt mit einem flüssigen Schmiermittel, vorzugsweise mit Lageröl, gefüllt ist.
Zur Aufnahme der axialen Kräfte ist ferner ein fluiddynamisches Drucklager vorgesehen, das im wesentlichen durch eine vorzugsweise an einem Ende der Welle angeordnete Druckplatte und eine zugeordnete Gegenplatte gebildet wird. Die Gegenplatte bildet das Gegenlager zur Druckplatte und verschließt das gesamte Lagersystem nach unten, so dass kein Schmiermittel aus dem Lagersystem austreten kann.
Die Verbindung zwischen der Druckplatte und der Welle ist in vielen Fällen durch eine Pressverbindung realisiert. Aufgrund der immer kleiner werdenden Motoren und Festplattenlaufwerke reduziert sich dadurch auch die verfügbare Bauhöhe für das Lagersystem. Diesem Umstand versucht man unter anderem durch eine Verringerung der Dicke der Druckplatte gerecht zu werden. Zur Realisierung einer ausreichend stabilen Pressverbindung darf aber die Dicke der Druckplatte eine bestimmte Mindestdicke nicht unterschreiten. Je dünner die Druckplatte wird, umso schwieriger ist es, die geforderte Rechtwinkligkeit zur Wellenachse zu erreichen, und umso größer muss somit das Übermaß der Welle in Bezug auf die Bohrung der Druckplatte gewählt werden, um die vorgeschriebene Auspresskraft zu gewährleisten. Dadurch wächst die Gefahr, dass sich die Druckplatte beim Montieren auf der Welle dauerhaft verformt. Bei bisherigen Miniaturlagern lassen sich durch eine Pressverbindung Auspresskräfte von 200 N bis höchstens 300 N erreichen.
Der bisherige Problemkreis beim Fügeprozess von Welle und Druckplatte bestand darin, dass einerseits die Auspresskräfte nicht zu gering sein dürfen, da ansonsten bei einem Schlag sich die Verbindung von Welle und Druckplatte lösen konnte oder auch nur die Welle ein Stück weit aus der Druckplatte heraus gedrückt wurde und die Gefahr einer Berührung der Gegenplatte bestand. Daher musste die Pressverbindung von Welle und Druckplatte möglichst groß sein.
Je größer die Kräfte beim Aufpressen der Druckplatte auf die Welle jedoch sind, umso mehr kommt es zum mechanischen Verzug der Druckplatte während des Aufpress-Vorgangs. Außerdem können die Aufpresskräfte auch daher nicht beliebig groß sein, da es ansonsten zum Abrieb von Partikeln kommt.
Um diese Probleme bei der Verwendung von sehr dünnen Druckplatten zu umgehen ist es aus der US 5 357 163 A bekannt, die Druckplatte mit der Stirnfläche der Welle zu verschrauben. Dies bedeutet jedoch einerseits die Bereitstellung einer planen und zur Achse der Welle rechtwinkligen Stirnfläche und andererseits einen zusätzlichen und fehleranfälligen Montageaufwand.
Eine andere Lösung besteht darin, die Druckplatte und die Welle aus einem Teil zu formen. Es ist jedoch sehr aufwändig und teuer ein derartiges integrales Bauteil mit den geforderten Toleranzen herzustellen.
Die beiden oben genannten Lösungen sind daher für den praktischen Einsatz, insbesondere eine Massenherstellung, nicht sehr gut geeignet.
Die WO 2005/028891 A1 offenbart eine Kombination von Press- und Schweißverbindung zur Verbindung einer Druckplatte mit einer Welle. Die Art des verwendeten Schweißverfahrens ist nicht weiter spezifiziert
Die US 2002/0185925 A1 beschreibt die Verwendung eines gepulsten Laserschweißverfahrens zur Verbindung einer Druckplatte mit einer Welle. Im Verbindungsbereich werden mehrere Schweißpunkte gesetzt, die symmetrisch auf dem Umfang der Welle angeordnet sind.
WO 03/013779 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen der Feinwerktechnik mittels eines Langpuls-Laserschweißverfahrens, bei dem während des Schweißvorgangs die relativ zu einem Lagerstrahl bewegten Bauteile durch einen einzigen Lagerpuls beaufschlagt werden.
JP 2000 324 753 A offenbart ein fluiddynamisches Drucklager, welches eine ringförmige Druckplatte als Bestandteil eines Axiallagers umfasst, die mit einer Welle fest verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen der Druckplatte und der Welle aus einer Kombination aus Pressverbindung und Schweißverbindung besteht. Dabei weist mindestens eines der zu verbindenden Bauteile eine Fase oder einen Radius auf, wobei die Bauteile im Bereich dieser Fase bzw. dieses Radius miteinander verschweißt sind.
Gegenstand der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein fluiddynamisches Drucklager und ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen eines solchen fluiddynamischen Drucklagers anzugeben, bei dem auch bei der Verwendung von im Vergleich zum Durchmesser der Welle sehr dünnen Druckplatten eine stabile und hochgenaue Verbindung mit der Welle erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß wird ein fluiddynamisches Drucklager und ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen eines solchen Drucklagers vorgeschlagen, wobei das Drucklager aus einer ringförmigen Druckplatte und einer der Druckplatte als Gegenlager zugeordneten Gegenplatte aufgebaut wird, wobei die Druckplatte mittels einer leichten Pressverbindung bzw. einer Übergangspassung auf eine Welle aufgebracht und zusätzlich mittels Laserstrahlschweißen mit der Welle verschweißt wird. Die Pressverbindung dient dabei lediglich zur Fixierung von Welle und Druckplatte bis zum Schweißen, da die Teile ansonsten gehaltert werden müssten. Mindestens eines der zu verbindenden Bauteile weist eine Fase oder einen Radius auf, wobei die Bauteile innerhalb dieser Fase oder Radius miteinander verschweißt werden. Vorzugsweise am Innendurchmesser der Druckplatte sind Aussparungen vorgesehen. Diese Aussparungen können alternativ ebenso in der Welle vorgesehen werden. Die Welle und die Druckplatte werden über die Aussparungen hinweg verschweißt. Diese Aussparungen dienen eigentlich der Rezirkulation des Lagerfluids zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Axiallagers. Wie man insbesondere in den weiter unten beschriebenen Zeichnungen erkennen kann, verläuft die Schweißnaht wenigstens zum Teil in diese Aussparung hinein und erhält somit eine zusätzliche, nicht unwesentliche Länge, welche die Schweißnaht zusätzlich zum Innenumfang der Druckplatte verlängert und somit die Auspresskraft von Welle und Druckplatte deutlich vergrößert.
Vorzugsweise werden die Bauteile nur auf der Seite der Druckplatte, auf welcher die Welle endet, miteinander verschweißt.
Weiterhin kann die Welle feststehend sein oder drehbar gelagert sein.
Das beschriebene Schweißverfahren für den Zweck der Verbindung von Welle und Druckplatte hat wesentliche Vorteile gegenüber bisherigen Verbindungsverfahren. Durch den Einsatz des Schweißverfahrens können die Einpresskräfte der Fügeverbindung nunmehr geringer sein, da die Auspresskraft durch die Schweißnaht wesentlich erhöht wird und nicht allein durch die Aufpresskraft bestimmt wird. Die Auspresskraft einer bisherigen Pressverbindung zwischen der Welle und der Druckplatte betrug beispielsweise 200 N. Im Vergleich dazu beträgt die Auspresskraft einer Schweißverbindung mit den angegebenen Parametern der Erfindung nunmehr 800 N oder mehr.
Als besonders unerwarteter Effekt des neuen Schweißverfahrens hat sich bei Messungen mittels eines Weißlicht-Interferometers von ersten Mustern gezeigt, dass der in der Druckplatte durch den Aufpressvorgang auf die Weile hervorgerufene Verzug um den Faktor zwei vermindert wird. Weiterhin können daher die Bauteil-Toleranzen, und hier vorrangig der Innendurchmesser der Druckplatte, größer werden. Ferner hat sich bei Versuchen gezeigt, dass die Auspresskräfte durch das Laser-Schweißverfahren nicht nur absolut größer werden, sondern dass darüber hinaus die Streuung der Auspresskräfte bei verschiedenen Bauteilen geringer wird, was die Prozesssicherheit wesentlich erhöht.
Bisherige Schweißverfahren hatten den Nachteil, dass sich nicht alle Materialien problemlos verschweißen konnten und weiterhin eine hohe Energie in die zu schweißenden Bauteile einkoppelten, was erstens einen Verzug der Bauteile und zweitens eine grobe Schweißnaht zur Folge hatte.
Da die zu schweißenden Bauteile (Welle und Druckplatte) jedoch in einem Fluidlager Verwendung finden, welches Lagerspalte in einer Größenordnung von wenigen Mikrometern aufweist, kam ein herkömmliches Schweißverfahren an dieser Stelle bislang nicht in Betracht.
Erfindungsgemäß führen das Werkstück und der Laserstrahl während des Schweißvorgangs zueinander eine Relativbewegung aus, so dass sich eine langgestreckte Schweißnaht ergibt, auf die sich die Pulsenergie des Laserstrahls entsprechend verteilt. Dadurch kann eine sehr saubere und gleichmäßige Schweißnaht erzielt werden.
Aufgrund der gleichmäßigen Schweißnaht und des im Vergleich zu gepulsten Laserschweißverfahren geringeren Energieeintrages bildet sich eine gleichmäßige Schweißnaht ohne Aufwertungen aus, die ohne Nachbearbeitung, wie etwa Schleifen oder Polieren, in einem Fluidlager eingesetzt werden kann.
Als Material für die Welle und die Druckplatte wird vorrangig Stahl verwendet. Jedoch sind auch Druckplatten aus Phosphor-Bronze im Einsatz. Im letzteren Fall werden zwei unterschiedliche Materialien verschweißt, wovon letzteres aufgrund seines Phosphoranteils ohnehin schwierig laserzuschweißen ist.
Zur Erzeugung des Laserpulses kann ein konventioneller gepulster Laser verwendet werden, der eine mittlere Laserleistung von etwa 0,2 kW bis 1,0 kW zur Verfügung stellt. Die bevorzugt benötigte Pulsdauer beträgt zwischen 10 und 100 ms. Somit beträgt die bevorzugte Gesamt-Pulsenergie zwischen 2,0 und 100 Joule, je nach Länge der herzustellenden Schweißverbindung. Die Relativgeschwindigkeit des Laserstrahls zur Materialoberfläche beträgt vorzugsweise mehr als 300 mm/s.
Die notwendige Relativgeschwindigkeit des Laserspots und des zu verschweißenden Werkstücks wird vorzugsweise entweder durch eine Drehbewegung der Welle mitsamt der Druckplatte bei fixem Laserspot oder durch eine Nachführung der Laserstrahlung etwa mittels eines Galvanometer-Scanners bei feststehendem Werkstück erreicht.
Die Fokussierung des Laserstrahls auf einen benötigten Durchmesser von einigen zehn bis einigen hundert Mikrometern kann beispielsweise durch optische Linsensysteme oder dadurch realisiert werden, dass zur Leitung des Laserlichtes an die Schweißstelle eine Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von beispielsweise 200 Mikrometer verwendet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1: einen Schnitt durch eine Welle und eine damit verbundene Druckplatte eines Drucklagers;
2: Ablaufdiagramm zum Verfahrensablauf.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
Anhand von 1 wird der Aufbau des Drucklagers und insbesondere die erfindungsgemäße Befestigung der Druckplatte auf der Welle näher erläutert. Die Druckplatte ist in bekannter Weise mittels einer Pressverbindung mit der Welle verbunden, d. h. der Innendurchmesser der zentralen Bohrung der Druckplatte ist kleiner als der Außendurchmesser der Welle. Im dargestellten Beispiel ist die Druckplatte an einem Ende der Welle angeordnet. Die Druckplatte muss jedoch nicht notwendig am Wellenende angeordnet sein; möglich ist etwa auch die Anordnung der Druckplatte im Mittelbereich der Welle. Erfindungsgemäß kann eine Pressverbindung mit geringem Übermaß der Druckplatte also mit einer relativ geringen Einpresskraft gewählt werden, da die Druckplatte nachfolgend noch mit der Welle verschweißt wird. Die Schweißverbindung 6 befindet sich auf der Seite der Druckplatte 2, auf welcher die Welle 1 endet.
Vorzugsweise ist eine Fügehilfe in Form einer Fase bzw. eines Radius 3 bzw. 4 am Außendurchmesser an dem der Gegenplatte zugewandten Ende der Welle 1 und/oder an der der Gegenplatte zugewandten Unterseite der Innenbohrung der Druckplatte 2 vorhanden. Allerdings kann aufgrund des kontinuierlichen bzw. Langpuls-Laserschweißverfahrens diese Fase bzw. der Radius 3 bzw. 4 deutlich kleiner sein, als bei anderen Verfahren, da aufgrund des gleichmäßigen Eintrages einer geringeren Laserenergie der Materialaufwurf an der Schweißnaht im Gegensatz zum Punkt- bzw. Kurz-Pulsschweißen deutlich geringer ausfällt.
Daher muss diese Fase bzw. dieser Radius 3 bzw. 4 in der Welle und oder der Druckplatte nicht größer sein als bei bisherigen Konstruktionen, die lediglich verpresst werden. Der Radius bzw. die Fase ist vorzugsweise kleiner als 0,3 mm und beträgt etwa 0,15 ± 0,05 mm. Sei r₁ der Radius 3 bzw. die Fase an der Außenseite der Welle 1 und r₂ der Radius 4 bzw. die Fase an der Innenseite der Druckplatte 2, dann muss der Laserstrahldurchmesser lediglich kleiner sein als r₁ + r₂.
Am Innendurchmesser der Druckplatte 2 können eine oder mehrere Aussparungen 5 vorgesehen sein, die alternativ ebenso am Außendurchmesser der Welle 1 vorgesehen sein können. Die Welle 1 und die Druckplatte 2 werden über die Aussparungen 5 hinweg verschweißt. Diese Aussparungen dienen eigentlich der Rezirkulation des Lagerfluids zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Drucklagers.
Die Schweißnaht 6 verläuft wenigstens zum Teil In diese Aussparung 5 hinein und erhält somit eine zusätzliche, nicht unwesentliche Länge, welche die Schweißnaht zusätzlich zum Innenumfang der Druckplatte 2 verlängert und somit die Auspresskraft von Welle und Druckplatte deutlich erhöht.
2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung einer Anordnung von Druckplatte und Welle, die auch mit der englischen Bezeichnung TWS (Thrustwasher-shaft) bezeichnet wird.
Im Verfahrensschritt 10 wird von einer Anordnung von Druckplatte 2 und Welle 1 ausgegangen, die mittels einer leichten Pressverbindung miteinander verbunden sind. Diese miteinander verbundene Anordnung TWS von Druckplatte 2 und Welle 1 wird nun in einem Spindelmotor mit fluiddynamischer Lageranordnung (FDB-Motor) integriert (Schritt 11). Im Schritt 12 wird nun der FDB-Motor eingeschaltet und die Anordnung von Druckplatte und Welle in Drehung versetzt. Die Motoranordnung befindet sich in einem Gehäuse einer Laserschweißeinrichtung, wobei in Schritt 13 nun die Tür des Gehäuses dicht verschlossen wird. Der Schweißvorgang findet unter Schutzgasatmosphäre statt, wobei in Schritt 14 in das Gehäuse der Laserschweißvorrichtung beispielsweise Argongas eingeleitet wird. In Schritt 15 erfolgt nun der eigentliche Laserschweißvorgang, bei dem es sich um ein Langpulsschweißverfahren handelt. Auf die rotierende Verbindungsstelle zwischen Druckplatte und Welle wird ein Laserimpuls gerichtet, dessen Fokussierungsdurchmesser beispielsweise 0,35 mm beträgt. Die Impulsdauer des Lasers beträgt 15 ms bei einer Leistung von 0,48 kW. Die Relativgeschwindigkeit zwischen den Oberflächen der miteinander zu verschweißenden Bauteilen und dem Laser beträgt beispielsweise 550 mm/sek. Nach dem Schweißvorgang wird in Schritt 16 die Zufuhr von Argongas unterbrochen. In Schritt 17 kann nun die Türe der Laserschweißvorrichtung geöffnet werden und in Schritt 18 der Motor ausgeschaltet werden. Nun kann die miteinander verschweißte Anordnung von Druckplatte und Welle in Schritt 19 aus dem Motor entfernt werden und die nächst miteinander zu verschweißende Anordnung eingesetzt und das Verfahren erneut gestartet werden.

1: Welle
2: Druckplatte
3: Radius
4: Radius
5: Aussparung
6: Schweißnaht
10–19: Verfahrensschritte

Claims

Fluiddynamisches Drucklager, insbesondere als Teil eines Lagersystems zur Drehlagerung von Spindelmotoren für den Antrieb von Festplattenlaufwerken, welches eine ringförmige Druckplatte (2) als Bestandteil eines Axiallagers umfasst, die mit einer Welle (1) fest verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen der Druckplatte (2) und der Welle (1) aus einer Kombination aus Pressverbindung und Schweißverbindung besteht, wobei mindestens eines der zu verbindenden Bauteile (1, 2) eine Fase oder einen Radius (3; 4) aufweist, wobei die Bauteile im Bereich dieser Fase bzw. dieses Radius (3; 4) miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Innendurchmesser der Druckplatte (2) Aussparungen (5) vorgesehen sind, und die Welle (1) und die Druckplatte über die Aussparungen (5) hinweg mittels eines Laserstrahls verschweißt sind.
Fluiddynamisches Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) mittels eines Radiallagersystems drehbar gelagert ist.
Fluiddynamisches Drucklager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Dicke d der Druckplatte und Durchmesser D der Mittenbohrung in der Druckplatte kleiner ist als 0,5.
Fluiddynamisches Drucklager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fase bzw. der Radius (3; 4) kleiner ist als 0,3 mm.
Fluiddynamisches Drucklager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Laserstrahles kleiner ist als 400 Mikrometer.
Fluiddynamisches Drucklager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Bauteile (1, 2) nur auf der Seite der Druckplatte (2), auf welcher die Welle (2) endet, miteinander verschweißt sind.
Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (1, 2) eines fluiddynamischen Drucklagers gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Langpuls-Laserschweißverfahren verwendet wird, wobei lediglich ein Laserpuls pro Verschweißung einer Druckplatte (2) mit einer Welle (1) verwendet wird, wobei die zu verschweißenden Bauteile (1, 2) und der Laserstrahl während des Schweißvorgangs relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit des Laserstrahls zur Materialoberfläche mehr als 300 mm/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer von größer als 10 ms verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserleistung von größer als 0,2 kW verwendet wird.