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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Elektrode und Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Lagerbauteils, insbesondere eines Lagerbauteils eines fluiddynamischen Lagers. Derartige fluiddynamische Lager werden beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Als Drehlager in Spindelmotoren, wie sie z. B. zum Antrieb der Speicherplatten in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, kommen größtenteils fluiddynamische Lager zur Anwendung. Es ist bekannt, insbesondere die Lageroberflächen eines solchen fluiddynamischen Lagers durch ein elektrochemisches Abtragungsverfahren (ECM: Electro Chemical Machining) zu bearbeiten, um beispielsweise Lagerrillenstrukturen in die Lageroberfläche einzubringen.
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Ein fluiddynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes Gleitlager, das aus einer Lagerbuchse und einer in eine Lagerbohrung der Lagerbuchse eingesetzten Welle gebildet ist. Die Oberfläche der Welle bzw. die Oberfläche der Lagerbohrung besitzen entsprechende Lagerflächen, die mit einer Lagerrillenstruktur versehen sind. Der Durchmesser der Welle ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der Lagerbohrung, so dass zwischen den Lagerflächen ein konzentrischer Lagerspalt gebildet wird, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist.
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Es sind verschiedene Ausgestaltungen von fluiddynamischen Lagern bekannt. In einer bekannten Ausgestaltung bilden die Lagerflächen von Welle und Lagerbuchse mindestens ein Radiallager aus, wobei durch die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid und ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt erzeugt werden, wenn sich die Welle in der Lagerbuchse dreht. Eine Stabilisierung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse erfolgt durch ein fluiddynamisches Axiallager oder Drucklager. Das Axiallager wird in bekannter Weise durch senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtete Lagerflächen gebildet, beispielsweise durch eine an der Welle angeordneten Druckplatte, die mit einem Gegenlager zusammenwirkt.
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In einer anderen Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers weisen die Lagerbauteile konische Lagerflächen auf. In der Regel ist an der Welle ein Lagerkonus angeordnet, der einer konischen Lageraufnahme der Lagerbuchse zugeordnet ist, so dass sich schräg zur Rotationsachse des Lagers verlaufende Lagerflächen ergeben. Entsprechende Lagerrillenstrukturen auf den Lagerflächen erzeugen sowohl eine radiale als auch axiale Lagerkraft-Komponente. Ein derartiges fluiddynamisches Lager in doppelt-konischer Form ist z.B. aus
US 6 019 516 A bekannt. Die beiden konischen Lagerbereiche sind symmetrisch ausgestaltet. Das beschriebene Lager weist eine feststehende Welle mit zwei in einem Abstand voneinander angeordneten Lagerkonussen auf, um welche sich ein Rotorbauteil mit zwei konischen Lageraufnahmen dreht. Da das Lager bzw. der Lagerspalt auf beiden Seiten des Lagers offen ist, kann die Welle an beiden Enden befestigt werden, was die Steifigkeit des Gesamtsystems gegenüber einer nur einseitig befestigten Welle verbessert. Wird das Lager beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet, ist ein Ende der Welle In der Regel in einer Basisplatte fest aufgenommen, während das andere Ende an der Deckplatte des Motors befestigt ist.
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Es ist bekannt, die Lagerrillenstrukturen mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens (ECM) auf die Lagerflächen einzubringen. Hierzu werden Elektroden zur elektrochemischen Bearbeitung eingesetzt, die einen Elektrodenkörper aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, dessen Oberfläche teilweise mit einem Isoliermaterial versehen ist, so dass sich entweder nicht isolierte, freiliegende metallische Bereich oder isolierte Bereiche bilden. Derartige ECM-Elektroden werden zur Einarbeitung von Bohrungen oder Konturen oder Lagerrillenstrukturen eingesetzt. Der Materialabtrag am Werkstück erfolgt durch anodische Auflösung des elektrisch leitenden Werkstücks. Zur Bearbeitung wird ein Stromkreis zwischen Anode (Werkstück) und Kathode (Elektrode) über eine Elektrolytlösung, beispielsweise eine Natriumnitrat- oder eine NatriumchloridLösung, geschlossen.
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1 zeigt eine ECM-Elektrode bekannter Bauart zum Einbringen von Lagerstrukturen auf eine konische Lagerfläche. Die Geometrie der ECM-Elektrode ist an die Geometrie der zu bearbeitenden Lagerfläche angepasst. Die Elektrode 10 besteht aus Metall und weist ein stabförmiges, isoliertes Elektrodenteil 12 zur Handhabung auf, an den die eigentliche aktive und konisch ausgebildete Elektrodenkopf 14 angeordnet ist. Die Elektrode 10 ist mit einer Isolierschicht überzogen, wobei auf der Oberfläche des Elektrodenkopfs 14 streifenförmige Bereiche 16 von der Isolation ausgespart sind. Diese streifenförmigen Bereiche 16 sind elektrisch leitend und entsprechen in ihrer Formgebung den in die Lageroberfläche einzubringenden Lagerrillenstrukturen. Die Lagerrillenstrukturen werden vorzugsweise auf die Lageroberfläche der Lageraufnahmen angebracht. Bei konischen Lagern ist es bekannt, eine Lagerfläche ballig (auch „crowning“ genannt) auszubilden, um Probleme eines bei der Montage auftretenden Winkelversatzes der Lagerbauteile im Bezug auf die Rotationsachse auszugleichen. Vorzugsweise wird hierbei die Oberfläche des Lagerkonus ballig ausgebildet und entsprechend maschiniert. Dieses ballige Maschinieren des Lagerkonus ist jedoch relativ aufwendig und kostenintensiv. Ferner muss der Scheitel der balligen Oberfläche vorzugsweise mit dem Scheitel bzw. dem Zentrum der Lagerrillenstrukturen übereinstimmen, um eine bestmögliche Leistungsfähigkeit des Lagers zu erhalten.
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Die
DE 24 37 047 A1 offenbart eine Elektrode mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Oberfläche zur elektrochemischen Bearbeitung einer Lagerfläche eines metallischen Lagerbauteils, wobei die Elektrode derart ausgebildet ist, um in einem einzigen Arbeitsschritt eine ballige Lagerfläche und Lagerrillenstrukturen auf der Lagerfläche zu erzeugen.
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Ein fluiddynamisches Lager mit Lagerrillenstrukturen und balliger Lageroberfläche ist beispielsweise in der
US 6 019 516 A offenbart.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Elektrode und Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Lagerbauteils anzugeben, um die Herstellung einer balligen Lageroberfläche eines Lagerbauteils zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektrode und entsprechende Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Elektrode und der Verfahren zur Bearbeitung der Lagerbauteile und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Elektrode umfasst mindestens eine elektrochemisch aktive Oberfläche zur elektrochemischen Bearbeitung einer Lagerfläche eines metallischen Lagerbauteils, wobei die Elektrode derart ausgebildet ist, um in einem einzigen Arbeitsschritt eine ballige Lagerfläche und Lagerrillenstrukturen auf der Lagerfläche zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird eine Elektrode vorgeschlagen welche dazu geeignet ist, nicht nur die Lagerrillenstrukturen in die Lagerfläche, vorzugsweise der Lageraufnahme, einzubringen, sondern auch dazu geeignet ist, zur gleichen Zeit die Lagerfläche der Lageraufnahme ballig zu bearbeiten. Erfindungsgemäß werden also die Bearbeitungsschritte des Einbringens der Lagerrillenstrukturen und der balligen Bearbeitung der Lageroberfläche zusammengeführt und in einem einzigen Arbeitsschritt ausgeführt. Die Elektrode ist derart ausgebildet, dass mit ihr in einem einzigen Arbeitsschritt eine ballige Lagerfläche erzeugt und Lagerrillenstrukturen in die Lagerfläche eingebracht werden können. Zur balligen Bearbeitung der Lagerfläche wird der bei ECM Verfahren auftretende und bekannte Effekt der Erosion kontrolliert ausgenutzt. Die sogenannte Erosion auf der zu bearbeitenden Oberfläche tritt bei sehr feinen ECM Strukturen in Abhängigkeit von der Anzahl und dem Abstand der feinen Strukturen auf. Zwei benachbarte Lagerrillen gehen nach der ECM Bearbeitung ineinander über und bilden keine zwei voneinander scharf getrennten Rillen. Als Erosion wird dabei der Materialabtrag bzw. der unerwünschte Materialabtrag zwischen den Rillen bezeichnet. Durch die Erosion wird der eigentlich unstrukturierte Oberflächenbereich zwischen den ECM Strukturen ebenfalls partiell abgetragen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine entsprechend an die Lagerfläche angepasste ECM-Elektrode verwendet, die eine kontrollierte Erosion auf der Lagerfläche hervorruft, so dass die Lagerfläche eine leicht ballige Oberfläche erhält. Typische Werte für die Erosion bei Lagerrillenstrukturen im Mikrometerbereich bewegen sich zwischen 0,05 und 2 Mikrometer. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrochemisch aktive Oberfläche der Elektrode ballig ausgebildet, d. h. sie wölbt sich konvex in Richtung der zu bearbeitenden Oberfläche. Durch das elektrochemische Abtragungsverfahren weisen die erzeugten Lagerrillenstrukturen im Querschnitt stets ein Glockenprofil auf, das einer Gaußkurve gleicht. Um eine Balligkeit der Lagerfläche zu erzeugen, nutzt die Erfindung eben diesen Effekt der Abbildungsunschärfe des ECM Verfahrens aus. Ist die Elektrode nahe an dem Werkstück angeordnet, dann sind die erzeugten Lagerrillenkonturen relativ scharfkantig definiert und können in der erforderlichen Tiefe hergestellt werden. Mit zunehmendem Abstand der Elektrode zum Werkstück wird der Materialabtrag immer flacher und es entsteht im Randbereich der Lagerrillenstrukturen eine Abflachung, die im Querschnitt einer Gaußkurve ähnelt. Bei einer balligen Elektrode gemäß der Erfindung hat der mittlere Abschnitt der Elektrode einen geringeren Abstand zur zu bearbeitenden Lagerfläche als die randseitigen Abschnitte der Elektrode. Auf der Lagerfläche, die dem mittleren Abschnitt der Elektrode gegenüberliegt, entstehen daher klar konturierte Lagerrillenstrukturen in der geforderten Tiefe. An den Lagerflächen, die den randseitigen Bereichen der Elektrode gegenüber liegen, kommt es durch die Abbildungsunschärfe des ECM Verfahrens zu einer starken Überlagerung der Konturen der Lagerrillenstrukturen, wodurch nicht nur die Konturen der entsprechenden Lagerrillenstrukturen sondern auch die Zwischenräume zwischen den Strukturen entsprechend abgetragen werden (Erosion). Dadurch nimmt die Lageroberfläche insgesamt eine konvexe, d. h. ballige Formgebung an.
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Der Vorteil des Verfahrens der gleichzeitigen Bearbeitung der Lagerrillenstrukturen und der balligen (konvexen) Lageroberfläche ist eine deutliche Reduktion der Herstellungskosten von konischen Lagersystemen. Die zunächst rein konischen Lageroberflächen können mit gut beherrschbaren Bearbeitungsverfahren mit sehr großer Genauigkeit und kostengünstig maschiniert werden. Die ballige Formung der Lageroberflächen sowie die Lagerrillenstrukturen werden dann erst durch das ECM Verfahren aufgebracht. Das vereinfacht außerdem die Vermessung und Paarung der Lagerbauteile. Durch das beschriebene Verfahren ist auch der Apex der balligen Lagerfläche auf den Apex der Lagerrillenstrukturen automatisch abgestimmt, da dies durch die ECM Elektrode und deren strukturierter Oberfläche vorgegeben ist. Das verbessert auch die Lagereigenschaften, da die Balligkeit der Lagerfläche wesentlich genauer und geringer ausgeführt werden kann als durch herkömmliches Maschinieren. Dadurch kann der Unterschied der Lagerspaltbreite geringer gehalten werden als bei herkömmlichen Verfahren, wodurch auch die bessere Wirksamkeit der Lagerrillenstrukturen zu den randseitigen Bereichen gegeben ist.
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In bekannter Weise weist die elektrochemisch aktive Oberfläche der Elektrode elektrisch isolierte Bereiche und elektrisch leitende Bereiche auf. Hierbei sind die elektrisch leitenden Bereiche in ihrer Formgebung den in die Lagerfläche des Lagerbauteils einzubringenden Lagerrillenstrukturen angepasst.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektrode nicht ballig ausgebildet. Die elektrochemisch aktive Oberfläche der Elektrode weist einen mittleren Abschnitt und zwei randseitigen Abschnitte auf. In den randseitigen Abschnitten der elektrochemisch aktiven Oberfläche ist nun erfindungsgemäß das Flächenverhältnis zwischen den elektrisch leitenden Bereichen und den elektrisch isolierten Bereichen größer als im mittleren Abschnitt der Elektrode. Der Abstand der Elektrode zum Werkstück ist über die gesamte elektrochemische aktive Oberfläche gleich, jedoch ist der Flächenanteil der elektrisch leitenden Bereiche an den randseitige Abschnitten der Elektrode wesentlich größer, als der Flächenanteil der elektrisch leitenden Bereiche im mittleren Abschnitt. Dadurch wird in den randseitigen Bereichen ein größerer Materialabtrag in Form von Erosion der Lageroberfläche erreicht als im mittleren Bereich, so dass sich eine insgesamt ballig ausgebildete Lageroberfläche ergibt. Die beiden Ausgestaltungsvarianten können durchaus kombiniert werden.
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Die erfindungsgemäße Elektrode kann insbesondere zur Herstellung von Lagerbauteilen eines fluiddynamischen Lagers, insbesondere zur Bearbeitung der Lageroberflächen verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Ansicht einer ECM-Elektrode mit konischer Elektrodenfläche nach dem Stand der Technik.
- 2a zeigt eine Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen ECM-Elektrode mit konischer und balliger Elektrodenfläche und eine zu bearbeitende Lagerfläche.
- 2b zeigt eine Ansicht einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen ECM-Elektrode mit in der Breite unterschiedlich ausgebildeten leitenden und nicht leitenden Bereichen und eine zu bearbeitende Lagerfläche.
- 3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit zwei gegeneinander arbeitenden konischen fluiddynamischen Lagern.
- 4 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch ein einzelnes konisches Lager aus 3.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik in der Beschreibungseinleitung beschrieben.
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Eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Elektrode 20 zeigt 2a. Die Elektrode 20 umfasst einen elektrochemisch wirksamen Bereich 22, welcher elektrisch leitende strukturierte Bereiche 24 und elektrisch nicht leitende Bereiche 25 aufweist. Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 1 ist die konische Umfangsfläche 26 der Elektrode 20 ballig, d. h. konvex nach außen gewölbt ausgebildet. Zur Bearbeitung eines Werkstückes, beispielsweise einer Lagerfläche 116a einer konischen Lageraufnahme 116 eines fluiddynamischen Lagers, wird die konische Elektrode 20 in einem Abstand zu der Lagerfläche 116a positioniert, wobei zwischen der Elektrode 20 und der Lagerfläche 116a des Bauteils 116 ein Spalt 30 verbleibt, der von einem Elektrolyt durchflossen ist. Durch die ballige Oberfläche 26 der Elektrode 20 ist die Breite des Spaltes 30 unterschiedlich groß. Im mittleren Abschnitt der Elektrode ist die Breite des Spaltes 30 zwischen der Elektrodenoberfläche 26 und dem Lagerbauteil 116 geringer als in den randseitigen Abschnitten der Elektrode 20. Wird nun eine elektrische Spannung zwischen Elektrode 20 und Lagerbauteil 116 angelegt, fließ in dem im Spalt 30 befindlichen Elektrolyt ein Strom. Die Elektrode bildet die Kathode, während das Lagerbauteil 116 die Anode bildet. Es erfolgt eine elektrochemische Abtragung an der Lagerfläche 116a des Lagerbauteils 116. In Folge entstehen in der Lagerfläche 116a, die dem im mittleren Abschnitt der Elektrode 20 gegenüberliegt, klar konturierte tiefe Strukturen entsprechend den elektrisch leitenden Bereichen der Elektrode 20. An den randseitigen Abschnitten der Lagerfläche 116a wird aufgrund der größeren Breite des Spaltes 30 eine Abbildungsunschärfe hervorgerufen, die zu einer Erosion zwischen den Strukturen führt und zu einer flächigen Abtragung der Lagerfläche 116a des Lagerbauteils 116. Dadurch wird an den randseitigen Abschnitten der Lagerfläche 116a insgesamt mehr Material abgetragen als im mittleren Abschnitt der Lagerfläche, so dass sich durch die ECM Behandlung nicht nur die Rillenstrukturen 24 der Elektrode 20 auf der Lagerfläche 116a abbilden, sondern sich die Lagerfläche auch entsprechend ballig verformt oder ausbildet.
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2b zeigt eine andere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrode 40, deren Umfangsfläche 46 ebenfalls konisch ausgebildet ist, entsprechend der zu bearbeitenden Lagerfläche 116a eines Lagerbauteils 116. Die Elektrode 40 weist entsprechend elektrisch leitende, d.h. nicht isolierte Bereiche 44, sowie elektrisch isolierte Bereiche 45 auf. In dieser Ausgestaltung der Erfindung vergrößert sich die Breite der elektrisch leitenden Strukturen 44 ausgehend von einem mittleren Abschnitt der Elektrode 40 zu den randseitigen Abschnitten der Elektrode 40 hin. Für die ECM Bearbeitung wird die Elektrode 40 entsprechend zur Lagerfläche 116a des Lagerbauteils 116 positioniert, wobei die Breite des Elektrolytspaltes 50 im Wesentlichen überall gleich groß ist. Aufgrund der zunehmenden Breite der elektrisch leitenden Bereiche ausgehend von der Mitte zu den randseitigen Abschnitten der Elektrode 40, ergibt sich an den Lagerflächen 116a, die den randseitigen Abschnitten der Elektrode zugeordnet sind, insgesamt auch eine größere Materialabtragung als im mittleren Abschnitt der Elektrode 40. Dadurch erhält dann die Lagerfläche 49 eine ballige Formgebung und gleichzeitig werden die Lagerrillenstrukturen entsprechend der Formgebung der elektrisch leitenden Bereiche 44 der Elektrode 40 in die Lagerfläche 116a des Lagerbauteils 116 eingebracht.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem und zwei konischen Lagern. Einzelne Lagerflächen der konischen Lager sind mit dem erfindungsgemäßen ECM Verfahren behandelt.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110 als tragende Struktur, in welcher eine feststehende Welle 112 angeordnet ist. Das freie Ende der Welle 112 ragt größtenteils über die Oberfläche der Basisplatte hinaus. Die Welle 112 bildet zusammen mit zwei Lagerkonussen 114, 126 das feststehende Bauteil des Lagersystems. Die Lagerkonusse 114, 126 sind in einem axialen Abstand voneinander auf der Welle 112 angeordnet und mit dieser fest verbunden. Die Lagerkonusse 114, 126 haben einander zugewandte und in einem spitzen Winkel zur Drehachse 150 verlaufende konische Lagerflächen 114a und 126a.
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Wie aus 3 und insbesondere aus 4 ersichtlich ist, ist dem ersten Lagerkonus 114 eine Lageraufnahme 116 zugeordnet, welche eine konische Lagerbohrung aufweist, wobei sich eine konische Lagerfläche 116a ergibt. Die konische Lagerfläche 116a der Lageraufnahme 116 ist durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt 120 von der konischen Lagerfläche 114a des ersten Lagerkonus 114 getrennt. Die konischen Lagerflächen 114a, 116a und der erste Lagerspalt 120 verlaufen schräg zur Drehachse 150 des Lagers. Die konische Lagerfläche 116a der Lageraufnahme 116 umfasst über den Umfang verteilt eine Anzahl von Lagerrillen 116b. Die Lagerrillen 116b sind in einem spitzen Winkel zur Drehrichtung der Lagerfläche 116a geneigt. Bei einer Rotation der Lageraufnahme 116 relativ zum Lagerkonus 114 erzeugen die Lagerrillen 116b eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 120 befindliche Lagerfluid, so dass sich ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 120 aufbaut, der das Lager tragfähig macht. Durch Bearbeitung der Lagerfläche 116a der Lageraufnahme 116 mittels des erfindungsgemäßen ECM-Verfahrens werden sowohl die Lagerrillen 116b in die Lagerfläche 116a eingebracht als auch die Lagerfläche 116a ballig geformt.
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Der erste Lagerspalt 120 hat zwei offene Enden, jeweils angrenzend an die Stirnflächen der Lageraufnahme 116. Das erste offene Ende des ersten Lagerspaltes 120 wird durch einen kapillaren Dichtungsspalt 122 abgedichtet, der durch eine Oberfläche des ersten Lagerkonus 114 und eine angrenzende Oberfläche einer mit der ersten Lageraufnahme 116 verbundenen Abdeckkappe 118 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt 122 bildet mit dem ersten Lagerspalt 120 einen stumpfen Winkel (>=90°) und mit der Drehachse 150 einen spitzen Winkel (<90°). Der Dichtungsspalt 122 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und wirkt zusätzlich als Fluidreservoir, Das untere Ende des ersten Lagerspaltes 120 ist abgedichtet durch einen weiteren kapillaren Dichtungsspalt 124, der begrenzt wird durch einander gegenüberliegende im wesentlichen zylindrische Oberflächen der Welle 112 und der Lageraufnahme 116. Der Dichtungsspalt 124 erstrecht sich in Verlängerung des ersten Lagerspalts 120 parallel zu diesem. Im Bereich des Dichtungsspalts 124 kann vorzugsweise eine Pumpdichtung angeordnet sein. Die Pumpdichtung umfasst Pumprillenstrukturen 124a, die auf den einander zugewandten Oberflächen der Welle 112 und/oder der Lageraufnahme 116 im Bereich des Dichtungsspaltes 124 aufgebracht sind. Die Pumprillenstrukturen 124a erzeugen bei einer Rotation der Lagerbuchse 112 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 124 befindliche Lagerfluid, das in Folge in Richtung des Lagerspalts 120 gepumpt wird.
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Der zweite Lagerkonus 126 weist konische Lagerflächen 126a auf, die mit der Drehachse 150 einen spitzen Winkel ausbilden. Der Lagerkonus 126 ist in einer zweiten Lageraufnahme 128 angeordnet, die ebenfalls konische Lagerflächen 128a aufweist, die durch einen zweiten Lagerspalt 132 von den konischen Lagerflächen 126a des zweiten Lagerkonus 126 getrennt sind. Die konische Lagerfläche 128a der Lageraufnahme 128 umfasst über den Umfang verteilt eine Anzahl von Lagerrillen 128b. Die Lagerrillen 128b sind in einem spitzen Winkel zur Drehrichtung der Lagerfläche 128a geneigt. Die Lagerfläche 128a der Lageraufnahme 128 ist ebenfalls ballig ausgebildet. Auch der zweite Lagerspalt 132 ist an seinen beiden offenen Enden durch kapillare Dichtungsspalte 134 und 136 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 134 wird begrenzt durch entsprechende Oberflächen des zweiten Lagerkonus 128 und einer an der zweiten Lageraufnahme 128 angeordneten Abdeckkappe 130. Der Dichtungsspalt 134 bildet mit dem Lagerspalt 132 einen stumpfen Winkel (>=90°) und mit der Drehachse 150 einen spitzen Winkel. Der Dichtungsspalt 136 wird gebildet zwischen aneinander angrenzenden Oberflächen der Welle 112 und der Lageraufnahme 128. Im Bereich des Dichtungsspalts 136 ist vorzugsweise eine Pumpdichtung mit Pumprillenstrukturen 136a angeordnet.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen ECM-Elektrode und des entsprechenden ECM-Verfahrens sind die Lagerrillen 116b, 128b auf den Lagerflächen 116a, 128a der Lageraufnahmen 116, 128 angeordnet. Die Lagerrillen könnten aber auch auf den konischen Lagerflächen 114a, 126a der Lagerkonusse 114, 126 angeordnet werden.
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Die beiden Lageraufnahmen 116 und 128 grenzen aneinander an und sind durch eine Distanzscheibe 138 voneinander getrennt, die gleichzeitig zur Temperaturkompensation dient und als Dichtungsscheibe wirkt. Der Zwischenraum 152 zwischen dem Außenumfang der Welle 112 und den Lageraufnahmen 116, 128 bzw. der Distanzscheibe 138, in welchen die Dichtungsspalte 124, 136 münden, ist belüftet, um einen Druckausgleich im Inneren des Lagers herzustellen. Die Belüftung des Zwischenraums 152 wird durch eine entsprechende Querbohrung 154 in der Welle 112 erreicht, die den Zwischenraum 152 mit der Außenatmosphäre verbindet. Über eine axiale Bohrung in der Welle (nicht dargestellt), ist die Querbohrung 154 mit der Außenatmosphäre verbunden.
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Die beiden Lageraufnahmen 116 und 128 werden in einer zentralen Aussparung einer Nabe 140 des Spindelmotors gehalten, beispielsweise durch eine Pressverbindung, oder werden in die Nabe 140 eingeklebt. Beide Lageraufnahmen 116 und 128 weisen am Außenumfang einen Bund auf. Der Bund der Lageraufnahmen liegt auf einer Stirnseite des Randes der Öffnung der Nabe 140 auf und positioniert die Lageraufnahmen 116, 128 relativ zur Nabe 140. Vorzugsweise bestehen die Lageraufnahmen 116, 128 aus Stahl, Keramik oder ähnlichem, also einem Material mit einem geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten, während die Nabe 140 beispielsweise aus Aluminium, also einem Material mit hohem Temperaturausdehnungskoeffizienten gefertigt ist. Die Lagerkonusse 114, 126 sind relativ zu den Lageraufnahmen 116, 128 so angeordnet, dass die Lagerspalten 120, 132 bei Zimmertemperatur eine definierte Breite von einigen Mikrometern aufweisen. Die Tragfähigkeit der konischen Lager hängt unter anderem ab von der Breite der Lagerspalten 120, 132 und der Viskosität des darin enthaltenen Lagerfluids. Erhöht sich die Umgebungstemperatur, so nimmt in der Regel die Viskosität des Lagerfluids ab, was zur Folge hat, dass die Tragfähigkeit der Lager bei ansonsten konstanter Lagerspaltbreite ebenfalls abnimmt. Um dies zu kompensieren sind die Lageraufnahmen 116, 128 derart in der Nabe gelagert, dass die relativ starke Wärmeausdehnung der Nabe 140 sich in axialer Richtung auf die Lageraufnahmen 116, 128 überträgt, wodurch diese auseinandergedrückt werden, und sich die Breite der Lagerspalten 120, 132 verringert. Somit wird die abnehmende Viskosität des Lagerfluids bei steigender Temperatur durch eine Reduktion der Breite der Lagerspalten 120, 132 teilweise kompensiert.
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Der Spindelmotor wird angetrieben durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte 110 befestigten Statoranordnung 142 besteht und einem gegenüberliegend der Statoranordnung an der Nabe 140 befestigten Rotormagneten 144, der von einem Joch 146 umgeben ist.
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4 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das obere konische Lager in welchem die in Zusammenhang mit 3 beschrieben Einzelheiten des oberen konischen Lagers deutlicher ersichtlich werden. Das untere konische Lager ist im wesentlichen identisch und spiegelbildlich zum oberen konischen Lager ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrode
- 12
- Stil
- 14
- Elektrodenkopf
- 16
- elektrisch leitende Bereiche
- 18
- elektrisch isolierte Bereiche
- 20
- Elektrode
- 22
- Elektrodenkopf
- 24
- elektrisch leitende Bereiche
- 25
- elektrisch isolierte Bereiche
- 26
- Elektrodenoberfläche
- 30
- Spalt
- 40
- Elektrode
- 42
- Elektrodenkopf
- 44
- elektrisch leitende Bereiche
- 45
- elektrisch isolierte Bereiche
- 46
- Elektrodenoberfläche
- 50
- Spalt
- 110
- Basisplatte
- 112
- Welle
- 114
- erster Lagerkonus
- 114a
- Lagerfläche
- 116
- erste Lageraufnahme
- 116a
- Lagerfläche
- 116b
- Lagerrillen
- 118
- Abdeckkappe
- 120
- erster Lagerspalt
- 122
- Dichtungsspalt
- 124
- Dichtungsspalt
- 124a
- Pumprillenstrukturen
- 126
- zweiter Lagerkonus
- 126a
- Lagerfläche
- 128
- zweite Lageraufnahme
- 128a
- Lagerfläche
- 128b
- Lagerrillen
- 130
- Abdeckkappe
- 132
- zweiter Lagerspalt
- 134
- Dichtungsspalt
- 136
- Dichtungsspalt
- 136a
- Pumprillenstrukturen
- 138
- Distanzscheibe
- 140
- Nabe
- 142
- Statoranordnung
- 144
- Rotormagnet
- 146
- Joch
- 150
- Drehachse
- 152
- Zwischenraum
- 154
- Querbohrung
- 156
- Rezirkulationsbohrung
- 158
- Rezirkulationsbohrung
