DE102011122523A1

DE102011122523A1 - Elektrode für ein elektrochemisches Abtragverfahren

Info

Publication number: DE102011122523A1
Application number: DE102011122523A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Fleig
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Elektrode (10) für ein elektrochemisches Abtragverfahren, wobei die Elektrode (10) einen Elektrodenkörper (12) umfasst, auf dem elektrisch leitende Strukturen (14c, 16c) angeordnet sind, die jeweils durch eine elektrisch isolierende Schicht (24) voneinander getrennt sind. Erfindungsgemäß besteht der Elektrodenkörper aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen (14, 16), zwischen denen ein elektrisch isolierendes Bauteil (18) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für ein elektrochemisches Abtragverfahren von elektrisch leitfähigen Werkstücken, insbesondere zur Bearbeitung von Lagerflächen von fluiddynamischen Lagern.
Beschreibung des Standes der Technik
Fluiddynamische Lager sind Präzisionslager, bei denen die zueinander rotierenden Lagerbauteile nicht in direktem Kontakt stehen, sondern durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Diese Lager weisen feinste Lagerrillenstrukturen im Mikrometerbereich, welche bei Rotation der Lagerbauteile zueinander eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben und somit lokal einen hydrodynamischen Druck im Lagerspalt erzeugen. Fluiddynamische Lager werden vornehmlich in optischen und magnetischen Datenspeichern, wie zum Beispiel in Festplattenantrieben, verbaut und sind hinlänglich im Stand der Technik bekannt.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Lagerrillenstrukturen zu erzeugen. Eine davon ist das elektrochemische Maschinieren (ECM). Hierbei wird eine ECM-Elektrode, welche ein Negativ der Lagerrillenstrukturen aufweist, in einem bestimmten Abstand zu der zu strukturierenden, leitfähigen Lageroberfläche in einem Elektrolyt, z. B. einer Kochsalzlösung, platziert. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ECM-Elektrode (Kathode, Werkzeug) und Lageroberfläche (Anode, Werkstück) wird eine Redox-Reaktion ausgelöst. Dabei werden Metallatome der Lageroberfläche oxidiert und dadurch aus dem Metallgefüge getrennt; man spricht hierbei auch von einer anodischen Auflösung des Metalls. Das Metall gibt also Elektronen ab (Oxidation), die von den positiven Ionen der Salzlösung aufgenommen werden (Reduktion). Kathodenseitig gehen Elektroden von den negativen Ionen der Salzlösung auf die ECM-Elektrode über. Insgesamt kommt es so zu einem Stromfluss. Diese chemische Reaktion findet verstärkt entlang der Feldlinien an der Oberfläche statt. Die Feldlinien bilden sich zwischen der leitenden Oberfläche der ECM-Elektrode und der gegenüberliegenden Oberfläche des elektrisch leitenden Lagerbauteils aus. Die ECM-Elektrode weist elektrisch leitende Bereiche auf sowie elektrisch nicht leitende Bereiche, die mit einer Isolierungsschicht überzogen sind. Somit lässt sich die Form der durch die leitenden Bereiche gebildeten Strukturen von der ECM-Elektrode auf das Lagerbauteil übertragen.
Die DE 10 2007 023 494 B4 , die DE 10 2007 022 483 A1 und die US20070144917A1 beschreiben derartige ECM-Elektroden. Die Elektrode besteht im Wesentlichen aus einem Elektrodenkörper mit leitenden Bereichen, deren Zwischenräume mit einem elektrisch isolierenden Material versehen werden, so dass eine Ausbildung der Feldlinien nur von den Stirnflächen der leitenden Bereiche aus erfolgen kann.
Es sind fluiddynamische Lagersysteme bekannt, die eine abgestufte Lagerbohrung und entsprechend abgestufte Welle besitzen, d. h. die Lagerbohrung weist zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern auf.
Zur Herstellung von Lagerrillenstrukturen auf Oberflächen einer abgestuften Lagerbohrung mittels ECM-Verfahren ist es daher notwendig, eine ECM-Elektrode zu verwenden, die eine abgestufte Form entsprechend der Lagerbohrung besitzt, um in jedem Abschnitt der Lagerbohrung Lagerrillenstrukturen einbringen zu können. Bei einer solchen abgestuften Elektrode muss insbesondere der Bereich der Stufe und der freiliegenden Stirnseite gut isoliert werden, damit hier kein Kurzschluss mit dem Werkstück erfolgt. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass sich die Isolierungsschicht im Bereich der Stirnseite und insbesondere im Kantenbereich der Stufe relativ schnell ablöst bzw. bereits bei der Fertigung der Isolierungsschicht ausbricht. Damit ist die ECM-Elektrode unbrauchbar bzw. hat eine relative geringe Lebensdauer. Die isolierende Beschichtung der Elektrode umfasst beispielsweise eine Schicht aus Epoxidharz von 100 Mikrometern Dicke, die sich im Bereich der Stufenkanten bereits bei geringer mechanischer Beanspruchung ablösen kann bzw. beschädigt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes hinsichtlich ihrer elektrischen Isolierung zu verbessern. Sowohl bei der Fertigung der Elektrode als auch beim ECM-Prozess soll eine dauerhafte elektrische Isolierung gewährleistet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrode für ein elektrochemisches Abtragverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausführungen der Erfindung.
Die Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks, umfasst einen Elektrodenkörper aus einem elektrisch leitenden Material, dessen Oberfläche teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist, so dass auf der Oberfläche nicht isolierte, freiliegende und dabei elektrisch leitfähige Strukturen des Elektrodenkörpers verbleiben Erfindungsgemäß besteht der Elektrodenkörper aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen, zwischen denen ein elektrisch isolierendes Bauteil (18) angeordnet ist.
Insbesondere weist die Elektrode einen Elektrodenkörper bestehend aus einem ersten elektrisch leitfähigen Bauteil mit einem größeren Außendurchmesser und ein zweiten elektrisch leitfähigen Bauteil mit einem kleineren Außendurchmesser auf.
Das elektrisch isolierende Bauteil ist zwischen den Stirnseiten der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile angeordnet, wobei das elektrisch isolierende Bauteil die Stirnseiten der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile bedeckt und gegeneinander isoliert.
Die abgestufte Elektrode wird demnach durch zwei elektrisch leitfähige Bauteile mit unterschiedlichen Durchmessern gebildet, wobei im Verbindungsbereich der Bauteile eine Stufe gebildet wird und zwischen den Bauteilen ein elektrisch isolierendes Bauteil angeordnet ist. Das elektrisch isolierende Bauteil ist vorzugsweise scheibenförmig oder zylindrisch ausgestaltet. Dadurch wird erfindungsgemäß die Stirnseite des ersten elektrisch leitfähigen Bauteils mit größerem Durchmesser vollständig abgedeckt und auch im Bereich der Außenkanten durch das elektrisch isolierende Bauteil geschützt und ebenfalls wird die Stirnfläche des zweiten elektrisch leitfähigen Bauteils durch das elektrisch isolierende Bauteil abgedeckt.
Die elektrischen leitfähigen Bauteile sind vorzugsweise stabförmig, scheibenförmig, konisch, sphärisch oder zylindrisch ausgestaltet und weisen unterschiedliche Außendurchmesser auf, so dass sich eine abgestufte Elektrode ergibt.
Die auf den Oberflächen der elektrisch leitfähigen Bauteile angeordneten elektrisch leitfähigen Strukturen reichen bis an die Stirnseiten dieser Bauteile heran und grenzen direkt an das elektrisch isolierende Bauteil an. Somit werden durch das elektrisch isolierende Bauteil insbesondere die Abschnitte der elektrisch leitfähigen Strukturen dauerhaft und sicher isoliert, die in die Stirnseiten der elektrisch leitfähigen Bauteile durchbrechen. Eine dauerhafte und sichere Isolierung dieser Stirnbereiche war mit einer herkömmlichen Isolierschicht nur schwer zu realisieren.
Die Isolation der elektrisch leitfähigen Strukturen am Umfang der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile wird nach wie vor durch eine elektrisch isolierende Schicht realisiert. Dabei sind die Umfangsflächen der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile teilweise mit einer isolierenden Schicht versehen, welche in den Zwischenräumen zwischen den elektrisch leitenden Strukturen angeordnet ist.
Lediglich der Bereich der Stufe, der durch die zwei elektrisch leitfähigen Bauteile unterschiedlichen Durchmessers gebildet wird, wird zusätzlich durch das scheibenförmige elektrisch isolierende Bauteil geschützt und isoliert.
Die elektrisch leitfähigen Strukturen auf der Elektrode sind insbesondere zur Erzeugung von Lagerrillenstrukturen auf Bauteilen eines fluiddynamischen Lagers geeignet.
Durch die Formgebung der Elektrode ist insbesondere eine ECM-Bearbeitung von Oberflächen von Bohrungen, Planflächen und Oberflächen von Wellen möglich. Jedoch ist jede weitere Formgebung mit der Elektrode denkbar, die den Erfordernissen an die Oberfläche des Werkstückes angepasst werden muss.
Um eine hohe Lebensdauer und gute elektrische Eigenschaften zu gewährleisten, sind die beiden elektrisch leitfähigen Bauteile aus Metall gefertigt, bevorzugt einer Metall-Legierung und besonders bevorzugt einer Kupfer-Bronze-Legierung.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode. In einem ersten Verfahrensschritt werden die beiden elektrisch leitfähigen Bauteile aus einem Metall bzw. einer Metall-Legierung hergestellt. Ebenfalls wird das elektrisch isolierende Bauteil aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten elektrisch isolierenden Material gefertigt.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die drei Bauteile zusammengefügt und miteinander verbunden, derart, dass das elektrisch isolierende leitfähige Bauteil zwischen den Stirnseiten der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile zu liegen kommt und diese Stirnseiten bedeckt und voneinander isoliert. Die Bauteile können beispielsweise mittels einer Pressverbindung zusammengefügt und/oder miteinander verklebt werden, wobei die Option des Verklebens auf das isolierende Bauteil 18 und den Ansatz 18b sowie die planaren Stirnflächen der Bauteile 14 und 16 beschränkt ist. Es muss dabei sichergestellt werden, dass kein Klebemittel den elektrisch leitenden Zapfen 16a bedeckt.
Wichtig ist, dass unmittelbar nach dem Zusammenfügen der Bauteile das elektrisch isolierende Bauteil einen Außendurchmesser aufweist, der insbesondere großer ist als der größte Außendurchmesser der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile. Der Grund hierfür ist, dass die Bauteile im Laufe des Herstellungsverfahrens noch maschiniert werden und erst dann auf ihren endgültigen Durchmesser gebracht werden.
Nachdem die Bauteile zusammengefügt sind, werden nun die eigentlichen Leitfähigen Strukturen auf die Oberflächen der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile aufgebracht.
Insbesondere werden die elektrisch leitfähigen Strukturen als Erhebungen aus den beiden elektrisch leitfähigen Bauteilen herausgearbeitet. Die elektrisch leitfähigen Strukturen auf den Oberflächen der elektrisch leitfähigen Bauteile sind ein Negativabbild der späteren ECM-Strukturen, die auf das mit der Elektrode zu bearbeitende Bauteil aufgebracht werden.
Nachdem die elektrisch leitfähigen Strukturen auf die elektrisch leitfähigen Bauteile aufgebracht sind, werden die Oberflächen der drei miteinander verbundenen Bauteile mit einer elektrisch isolierenden Schicht umhüllt. Diese Schicht kann eine Dicke von mehreren 10 bis mehreren 100 Mikrometern haben, vorzugsweise mindestens 50 bis 70 Mikrometer.
Als isolierende Schicht können beispielsweise Epoxidharze oder andere beständige und gut isolierende Kunststoffe eingesetzt werden.
In einem letzten Verfahrensschritt werden nun die elektrisch isolierende Schicht sowie das Material des elektrisch isolierenden Bauteils auf ein vorgegebenes Maß gebracht. Dies kann durch einen spanenden Materialabtrag erfolgen insbesondere am Umfang der Elektrodenbauteile derart, dass die Strukturen auf den Oberflächen der elektrisch leitenden Bauteile frei gelegt werden, während die Zwischenräume zwischen den elektrisch leitenden Strukturen mit der isolierenden Schicht bedeckt bleiben, und gleichzeitig die Kontur des elektrisch isolierenden Bauteils an die Kontur des elektrisch leitenden Bauteils größeren Durchmessers angepasst ist.
Bei dieser abschließenden Feinbearbeitung wird auch der endgültige Durchmesser der Elektrodenbauteile festgelegt, der von dem Durchmesser der gestuften Bohrung des zu bearbeitenden Werkstücks abhängt.
Das elektrisch isolierende Bauteil liegt nun flächig auf den beiden einander zugewandten Stirnseiten der elektrisch leitfähigen Bauteile an und bildet zusammen mit diesen beiden Bauteilen die Umfangsfläche des Elektrodenkörpers.
Die elektrisch leitfähigen Strukturen werden beispielsweise in die elektrisch leitfähigen Bauteile eingefräst, wobei diese Strukturen bis an die Stirnseiten der elektrisch leitfähigen Bauteile heranreichen und direkt an das elektrisch isolierende Bauteil angrenzen können.
Die erfindungsgemäße Elektrode eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem elektrochemischen Abtragverfahren. Hierbei wird die Elektrode in einem Abstand zu einer leitfähigen Oberfläche eines Werkstückes angeordnet, wobei die Elektrode die Kathode und das Werkstück die Anode bildet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Kathode und der Anode erfolgt ein Materialabtrag auf der Oberfläche des Werkstückes, wodurch Strukturen erzeugt werden, die ein Abbild der elektrisch leitenden Strukturen der Elektrode darstellen. Die Abtragung erfolgt durch eine anodische Auflösung des Materials des Werkstückes, wodurch in dem Werkstück Vertiefungen erzeugt werden, die den elektrisch leitfähigen Bereichen der Elektrode entsprechen. Durch die entsprechende Ausbildung der Elektrode aus drei Teilen mit einem dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Bauteil werden ein sicherer Abtragungsprozess und eine lange Lebensdauer der Elektrode erreicht.
Insbesondere eignet sich das beschriebene Verfahren zur Erzeugung von Lagerrillenstrukturen auf einem Bauteil eines fluiddynamischen Lagers.
Das verwendet Elektrolyt, dass in den Zwischenraum zwischen der Elektrode und dem zu bearbeitenden Bauteil eingebracht ist, ist vorzugsweise Natriumchlorid oder Natriumnitrat. Allerdings sind auch andere Salzlösungen verwendbar.
Mit den beschriebenen Verfahren können Lagerflächen von fluiddynamischen Lagern bearbeitet werden und insbesondere Lagerrillenstrukturen in die Lagerflächen eingearbeitet werden.
Ein solches fluiddynamisches Lager umfasst relativ zueinander bewegliche Lagerbauteile, zwischen denen ein Lagerspalt gebildet ist, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Die Lageflächen sind mit Lagerrillenstrukturen versehen, die mittels ECM-Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen ECM-Elektrode hergestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrode.
2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrode.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer zusammengebauten Elektrode gemäß 1 oder 2.
4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Elektrode gemäß den 1 und 3, wobei die isolierende Beschichtung zur besseren Verdeutlichung übertrieben dick dargestellt ist.
5 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode.
6 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager für den Einsatz in einem Festplattenantrieb.
7 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager für den Einsatz in einem Festplattenantrieb.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausgestaltung einer ECM-Elektrode 10 gemäß der Erfindung. Die Elektrode 10 ist konzentrisch zu einer Achse 22 angeordnet. Sie umfasst einen Schaft 20, mit welchem die Elektrode in eine Werkzeugaufnahme eingespannt wird und ferner den eigentlichen Elektrodenkörper 12, der erfindungsgemäß aus mindestens drei Bauteilen besteht.
Ein erstes elektrisch leitfähiges Bauteil 14 ist unmittelbar am Schaft 20 angeordnet und kann einteilig mit dem Schaft 20 ausgebildet sein bzw. auch als separates Bauteil ausgebildet sein.
An seinem freien Ende bzw. der freien Stirnseite umfasst das Bauteil 14 eine Bohrung 14a.
Es ist ein zweites elektrisch leitfähiges Bauteil 16 vorgesehen, das an einer Stirnseite einen Zapfen 16a aufweist, der in die Bohrung 14a des Bauteils 14 eingefügt werden kann. Dadurch kann das zweite elektrisch leitfähige Bauteil 16 mit dem ersten elektrisch leitfähigen Bauteil verbunden werden. Das zweite elektrisch leitfähige Bauteil 16 weist einen kleineren Durchmesser auf als das erste elektrisch leitfähige Bauteil 14.
Beim Zusammenfügen der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile 14 und 16 ergibt sich eine Stufe zwischen den Bauteilen 14, 16 auf Grund des unterschiedlichen Durchmessers der Bauteile.
Zwischen den beiden Bauteilen 14, 16 wird ein elektrisch isolierendes Bauteil 18 angeordnet, welches scheibenförmig bzw. ringförmig ausgebildet ist und eine zentrale Bohrung 18a aufweist.
Die Bauteile 14, 16, 18 werden in der in 1 gezeigten Anordnung zusammengefügt, wobei der Zapfen 16a des zweiten elektrisch leitfähigen Bauteils 16 durch die Bohrung 18a des elektrisch isolierenden Bauteils 18 hindurch gesteckt wird und in die Bohrung 14a des elektrisch leitfähigen Bauteils 14 eingepresst wird.
Nach dem Zusammenfügen der Bauteile 14, 16 und 18 und weiteren, nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritten, ergibt sich eine ECM-Elektrode 10, wie sie in den 3 und 4 dargestellt ist.
Mit Bezug auf 5 werden bei der Herstellung der Elektrode 10 in den beiden ersten Verfahrenschritten 60, 62 zunächst die beiden elektrisch leitfähigen Bauteile 14, 16 als Rohbauteile hergestellt.
In einem weiteren Verfahrensschritt 64 wird das elektrisch isolierende Bauteil 18 als Rohbauteil hergestellt. Die Rohbauteile 14, 16 und 18 werden im Laufe des weiteren Fertigungsverfahrens der Elektrode noch bearbeitet und maschiniert. Wichtig ist, dass das elektrisch isolierende Bauteil 18 einen deutlich größeren Durchmesser aufweist als der größte Durchmesser der Bauteile 14 bzw. 16, so dass genügend überschüssiges Material für einen späteren Materialabtrag am Außenumfang des elektrisch isolierenden Bauteils 18 vorhanden ist.
In einem nächsten Verfahrensschritt 66 werden die Bauteile 14, 16 und 18 zu einem Elektrodenkörper 12 verbunden.
Nach dem Zusammenfügen der Bauteile 14, 16 und 18 werden in einem weiteren Verfahrensschritt 68 aus den Oberflächen der Bauteile 14 und 16 elektrisch leitfähige Strukturen 14c, 16c herausgearbeitet, beispielsweise durch Fräsen. Diese Strukturen sollen in einem nachfolgenden ECM-Prozess auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 32 übertragen werden.
Diese Strukturen 14c, 16c sind beispielsweise ein Abbild von Lagerrillenstrukturen für ein fluiddynamisches Lager, welche auf die Oberfläche einer Lagerbohrung aufgebracht werden sollen.
Nachdem die Strukturen 14c, 16c auf die leitfähigen Bauteile 14, 16 aufgebracht wurden, wird in einem nächsten Verfahrensschritt 70 vorzugsweise der gesamte der Elektrodenkörper 12 mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Elektrodenkörper 12 von einer Hülse umgeben wird, und der Zwischenraum zwischen dem Elektrodenkörper 12 und dem Innenumfang der Hülse mit einer isolierenden Masse ausgefüllt wird. Als isolierende Masse kann beispielsweise ein Epoxidharz verwendet werden.
In diesem Verfahrensschritt 70 wird also der gesamte Außenumfang der Bauteile 14, 16 und 18 von der isolierenden Masse umschlossen.
In einem nächsten Verfahrensschritt 72 werden die mit der isolierenden Schicht umgebenen Bauteile 14, 16 und 18 maschiniert. Hierbei werden die Bauteile 14, 16 und 18 insbesondere an ihrer Umfangsfläche maschiniert und auf ihren vorgesehenen Durchmesser gebracht, wobei nach der Bearbeitung das Bauteil 14 einen größeren Durchmesser aufweist, das Bauteil 18 denselben Durchmesser wie das Bauteil 14 aufweist und das Bauteil 16 einen kleineren Durchmesser aufweist.
Die Bearbeitung erfolgt derart, dass die Strukturen auf den Oberflächen der elektrisch leitfähigen Bauteile 14, 16 freigelegt werden und die Zwischenräume zwischen den Strukturen 14c, 16c mit der isolierenden Schicht bedeckt bzw. gefüllt bleiben.
Die Kontur des elektrisch isolierenden Bauteils ist an die Kontur des ersten elektrisch leitfähigen Bauteils 14, d. h. insbesondere dessen Außendurchmesser angepasst.
Nach diesem Bearbeitungsschritt 72 ist die ECM-Elektrode 10 fertig gestellt und kann in einem ECM-Prozess eingesetzt werden.
Bei den zuvor beschriebenen Verfahrensschritten kann die Reihenfolge der Schritte 60 und 62 zur Herstellung der elektrisch Leitfähigen Bauteile 14 und 16 untereinander beliebig gewählt werden. Der Zeitpunkt der Herstellung des elektrisch isolierenden Bauteils 18 gemäß dem Schritt 64 ist nur dadurch eingeschränkt, dass dieser naturgemäß vor dem in Schritt 66 beschriebenen Zusammenfügen der Bauteile 14, 16 und 18 erfolgen muss. Insbesondere kann das Aufbringen der Strukturen 14c, 16c auf die elektrisch leitfähigen Bauteile 14, 16 entweder vor oder nach dem Zusammenfügen der Bauteile 14, 16, 18 erfolgen. Das heißt, in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Schritt 68 bereits vor dem Schritt 66 erfolgen.
2 zeigt eine leicht abgewandelte Ausgestaltung einer Elektrode 10, wobei wiederum ein Schaft 20 vorgesehen ist, an dem das erste elektrisch leitfähige Bauteil 14 befestigt ist. Das erste elektrisch leitfähige Bauteil 14 hat eine abgestufte Bohrung beginnend mit einer Bohrung 14b größeren Durchmessers und einer dazu konzentrischen Bohrung 14a mit kleinerem Durchmesser.
Das elektrisch isolierende Bauteil 18 hat neben der zentrischen Bohrung 18a an einer Stirnseite einen Ansatz 18b, der in die Bohrung 14b des elektrisch leitenden Bauteils 14 eingepresst wird und die beiden Bauteile 14 und 18 miteinander verbindet.
Schließlich wird das Bauteil 16 mit dem anderen Bauteil 14, 18 verbunden, in dem der Zapfen 16a durch die Bohrung 18a des Bauteils 18 und hinein in die Bohrung 14a des Bauteils 14 gepresst wird und somit die Bauteile 14, 16 und 18 miteinander verbunden sind.
In zusammengebautem Zustand haben die ECM-Elektroden gemäß den 1 und 2 ein identisches Aussehen und sind von außen nicht voneinander zu unterscheiden, wie es von 3 dargestellt ist.
3 zeigt den zusammengebauten und fertig bearbeiteten Zustand der Elektrode 10, wobei der Elektrodenkörper 12 aus den zusammengefügten Bauteilen 14, 16, 18 besteht.
Das Bauteil 14 weist elektrisch leitende Strukturen 14c auf, die bis an die Oberfläche des Bauteils 14 reichen, wobei die Bereiche zwischen den leitenden Strukturen 14c mit einer elektrisch isolierenden Schicht 24 ausgefüllt sind.
Dadurch, dass das elektrisch isolierende Bauteil 18 direkt auf der Stirnfläche des Bauteils 14 aufliegt, ist es ohne Schwierigkeiten möglich, dass die leitenden Strukturen 14c bis direkt an die Stirnfläche des Bauteils 14 reichen und unmittelbar an das Bauteil 18 angrenzen. Ein Abplatzen der isolierenden Schicht 24 im Bereich der Stufe zwischen den Bauteilen 14, 16 ist nicht mehr möglich, da nun das elektrisch isolierende Bauteil 18 die Isolation im Bereich der Stufe übernimmt.
Ebenso wird eine Konzentration von elektromagnetischen Feldlinien im Bereich einer optionalen Bohrung (Gewindebohrung) 16b auf der Stirnseite des Bauteils 16, insbesondere an der Kante zwischen dem Bauteil 16 und der Gewindebohrung 16b, durch einen elektrisch isolierenden Pfropfen 25 (4) verhindert. Damit ist auch dort ein Abplatzen der isolierenden Schicht 24 nicht mehr möglich. Des weiteren werden durch den Pfropfen 25 ein ungewünschter Stromfluß zwischen dem Bereich der Gewindebohrung 16b und der Werkzeugaufnahme und somit auch ein Materialabtrag an der Werkzeugaufnahme unterbunden.
Das Bauteil 18 bietet eine hervorragende Isolierung der an die Stirnflächen reichenden elektrisch leitenden Strukturen 14c und ist ausreichend stabil, so dass die Isolierung beim Bearbeiten oder während des ECM-Prozesses nicht beschädigt wird oder ausbricht.
Gleichermaßen umfasst das Bauteil 16 ebenfalls elektrisch leitende Strukturen 16c, die bis an die Oberfläche des Bauteils 16 reichen. Die Zwischenräume zwischen den Strukturen 16c sind ebenfalls durch eine elektrisch isolierende Schicht 24 gefüllt, die, wie oben beschrieben, während der Herstellung der Elektrode 10 aufgebracht wird.
Auch hier können die Strukturen 16c bis direkt an die Stirnseite des Bauteils 16 heranreichen. Die Strukturen grenzen somit unmittelbar an das elektrisch isolierende Bauteil 18 an und werden durch dieses stirnseitig isoliert.
4 zeigt einen Längsschnitt durch die Elektrode gemäß 3 bzw. 1. Man erkennt das an den Schaft 20 angrenzende erste elektrisch leitfähige Bauteil 14 und das an die Stirnseite des elektrisch leitfähigen Bauteils 14 angrenzende elektrisch isolierende Bauteil 18. Das zweite elektrisch leitfähige Bauteil 16 umfasst einen Zapfen 16a, welcher durch eine Bohrung 18a des Bauteils 18 hindurch in die Bohrung 14a des ersten elektrisch leitfähigen Bauteils 14 eingepresst ist und die drei Bauteile 14, 16, 18 miteinander verbindet.
Man erkennt ferner, dass die beiden Bauteile 14, 16 teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht 24 bedeckt sind, die zur besseren Verdeutlichung hier in ihrer Dicke übertrieben dargestellt ist. Üblicherweise beträgt die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht 24 nur einige 10 bis einige 100 Mikrometer, vorzugsweise mindestens 50 bis 70 Mikrometer. Die elektrisch leitenden Strukturen 14c, 16c der beiden Bauteile 14, 16 reichen bis an den Außenumfang der Bauteile 14, 16 heran, wobei die Zwischenräume zwischen den elektrisch leitenden Strukturen 14c, 16c durch die elektrisch isolierende Schicht 24 bedeckt werden. Die auf den Oberflächen der Bauteile 14, 16 befindlichen elektrisch leitenden Strukturen 14c, 16c werden dadurch voneinander getrennt und elektrisch voneinander isoliert.
Somit ergibt sich eine glatte Außenfläche der beiden Bauteile 14, 16, welche sowohl elektrisch leitfähige Bereiche 14c, 16c als auch elektrisch isolierende Bereiche, gebildet durch die elektrisch isolierende Schicht 24, aufweist.
In einem ECM-Prozess kann ein negatives Abbild der elektrisch leitenden Strukturen 14c, 16c auf ein zu bearbeitendes Werkstück übertragen werden, d. h. dort, wo die Elektrode 10 elektrisch leitfähige Strukturen 14c, 16c aufweist, erfolgt beim Werkstück während des ECM-Prozesses ein Materialabtrag, wodurch dann im Werkstück Vertiefungen entstehen. Diese Vertiefungen können beispielsweise auf einer Lagerfläche einer Lagerbuchse in einer Lagerbohrung angeordnet sein und stellen dort Lagerrillenstrukturen eines fluiddynamischen Radiallagers dar.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode 10 beschränkt sich natürlich nicht auf die Herstellung von Lagerrillen von fluiddynamischen Lagern, sondern lässt sich zur ECM-Bearbeitung von abgestuften Bohrungen allgemein verwenden, wobei die Strukturen insbesondere beliebige Strukturen darstellen können, die mittels ECM-Prozess auf das zu bearbeitende Werkstück übertragen werden sollen.
Ein Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager ist in den 6 und 7 in zwei unterschiedlichen Ausgestaltungen dargestellt.
Im fluiddynamischen Lager wie in 6 gezeigt, ist ein Werkstück 32 in Form einer Lagerbuchse mit einer Basisplatte 30 verbunden. In der Lagerbuchse 32 ist eine Welle 34 drehgelagert und gegen Herausfallen an einem Ende durch eine Stopperplatte 36 abgesichert. Die Welle 34 umfasst zwei Abschnitte 34a, 34b mit unterschiedlichen Durchmessern, ein Bereich 34a mit größerem und ein Abschnitt 34b mit größerem Durchmesser. Entsprechend weist die Lagerbuchse 32 eine Lagerbohrung mit zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern auf, die an die Formgebung der Welle 34 angepasst sind. An ihrem anderen Ende ist die Welle 34 mit einer Nabe 38 verbunden. Die Lagerbuchse 32 ist an ihrem unteren Ende durch eine Abdeckplatte 40 verschlossen. Zwischen gegenüberliegenden Flächen von Lagerbuchse 32 und Abdeckplatte 40 einerseits sowie Welle 34 und Lagerbuchse 32 andererseits als auch zwischen Lagerbuchse 32 und Nabe 38 und zwischen Welle 32 und Abdeckplatte 40 ist ein mit Lagerfluid gefüllter Lagerspalt 42 ausgebildet. An gegenüberliegenden Flächen von Welle 34 und Lagerbuchse 32 ist wenigstens ein fluiddynamisches Radiallager 44, 46 gebildet und an gegenüberliegenden Flächen von Lagerbuchse 32 und Nabe 38 ist wenigstens ein fluiddynamisches Axiallager 48 gebildet. Das elektrische Antriebssystem besteht aus einer Statoranordnung 50, die mit der Basisplatte 30 verbunden ist und einem Rotormagneten 52, der fest mit der Nabe 38 verbunden ist.
Der in der 7 gezeigte Motor mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst eine feststehende Welle 134, die in einem feststehenden Lagerbauteil 33 gehalten ist. Das feststehende Lagerbauteil 33 ist in einer Basisplatte 30 des Spindelmotors befestigt. Die Welle 134 umfasst zwei Abschnitte 134a, 134b mit unterschiedlichen Durchmessern. Ein zweiter Abschnitt 134b der Welle 134 mit einem kleineren Durchmesser ist an einem Ende im feststehenden Lagerbauteil 33 aufgenommen, beispielsweise in eine Bohrung des feststehenden Lagerbauteils 33 eingepresst und/oder geklebt und/oder verschweißt. Der verbleibende Teil des zweiten Abschnitts 134b der Welle 134 sowie ein erster Abschnitt 134a der Welle 134 sind von einer Lagerbuchse 132 umgeben, welche ein Teil einer Nabe 138 sein kann. Die Lagerbuchse 132 kann jedoch auch als separates Bauteil ausgebildet und mit einer Nabe 138 drehfest verbunden sein. Entsprechend der Welle 134 weist die Lagerbuchse 132 eine Lagerbohrung mit zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern auf, die an die Formgebung der Welle 134 angepasst sind.
Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 6 stimmen in ihrer Funktion mit den dort gezeigten Bauteilen überein und werden daher an dieser Stelle nicht nochmals erläutert.
Vorzugsweise sind die Oberflächen der in den 6 und 7 gezeigten Lagerbohrungen der Lagerbuchsen 32, 132 mit Lagerrillenstrukturen 45, 47 versehen, die mittels ECM-Prozess unter Verwendung der erfindungsgemäßen ECM-Elektrode 10 auf die Oberfläche der Lagerbohrung aufgebracht werden. Die abgestufte ECM-Elektrode 10 ist dabei in ihrer Formgebung an die jeweilige Formgebung der Lagerbohrungen der Lagerbuchsen 32, 132 angepasst und weist an ihrer Oberfläche elektrisch leitende Strukturen 14c, 16c auf, deren Abbild durch den ECM-Prozess in Form von Lagerillenstrukturen 45, 47 auf die Wandung der Lagerbohrung übertragen wird. Die Lagerrillenstrukturen 45, 47 weisen typischerweise eine Rillentiefe von einigen Mikrometern (Radiallagerrillenstrukturen, Axiallagerrillenstrukturen) bis einige 10 Mikrometer (Axiallagerrillenstrukturen) auf.
Bezugszeichenliste

10: Elektrode
12: Elektrodenkörper
14: erstes elektrisch leitfähiges Bauteil
14a: Bohrung
14b: Bohrung
14c: elektrisch leitende Struktur
16: zweites elektrisch leitfähiges Bauteil
16a: Zapfen
16b: Bohrung
16c: elektrisch leitfähige Struktur
18: elektrisch isolierendes Bauteil
18a: Bohrung
18b: Ansatz
20: Schaft
22: Achse
24: elektrisch isolierende Schicht
25: elektrisch isolierender Pfropfen
30: Basisplatte
32, 132: Lagerbuchse
33: Lagerbauteil
34, 134: Welle
34a, 34b,: Wellenabschnitte
134a, 134b
36: Stopperplatte
38, 138: Nabe
40: Abdeckplatte
42: Lagerspalt
44: Radiallager
45: Lagerrillenstruktur
46: Radiallager
47: Lagerrillenstruktur
48: Axiallager
50: Statoranordnung
52: Rotormagnet
60–72: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007023494 B4 [0004]
DE 102007022483 A1 [0004]
US 20070144917 A1 [0004]

Claims

Elektrode (10) zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks, mit einem Elektrodenkörper (12) aus einem elektrisch leitenden Material, dessen Oberfläche teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht (18) versehen ist, so dass auf der Oberfläche nicht isolierte, freiliegende und dabei elektrisch leitfähige Strukturen (14c, 16c) des Elektrodenkörpers (12) verbleiben, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper (12) aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen (14, 16) besteht, zwischen denen ein elektrisch isolierendes Bauteil (18) angeordnet ist.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes elektrisch leitfähiges Bauteil (14) mit einem größeren Außendurchmesser und ein zweites elektrisch leitfähiges Bauteil (16) mit einem kleineren Außendurchmesser aufweist.
Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Bauteil (18) die Stirnseiten der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile (14, 16) bedeckt.
Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des elektrisch isolierenden Bauteils (18) identisch mit dem Außendurchmesser des ersten elektrisch leitfähigen Bauteils (14) ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Bauteile (14, 16) stabförmig, scheibenförmig, konisch, sphärisch oder zylindrisch ausgestaltet sind.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Bauteil (18) scheibenförmig oder hohlzylindrisch ausgestaltet ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Strukturen (14c, 16c) der Elektrode bis an die Stirnseiten der elektrisch leitfähigen Bauteile (14, 16) reichen und direkt an das elektrisch isolierende Bauteil (18) angrenzen.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Strukturen (14c, 16c) der Elektrode zur Erzeugung von Lagerrillenstrukturen auf Bauteilen eines fluiddynamischen Lagers geeignet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (10) für ein elektrochemisches Abtragverfahren mit: – einem Schritt (60) zur Herstellung eines ersten elektrisch leitfähigen Bauteils (14), – einem Schritt (62) zur Herstellung eines zweiten elektrisch leitfähigen Bauteils (16), – einem Schritt (64) zur Herstellung eines elektrisch isolierenden Bauteils (18), – einem Schritt (66) zum Zusammenfügen und Verbinden der Bauteile (14, 16, 18) zu einem Elektrodenkörper (12) derart, dass das elektrisch isolierende Bauteil (18) zwischen den Stirnseiten der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile (14, 16) angeordnet ist und diese Stirnflächen bedeckt, – einem Schritt (68) zum Herausarbeiten von elektrisch leitfähigen Strukturen (14c, 16c) auf die Oberflächen der beiden elektrisch leitfähigen Bauteile (14, 16), – einem Schritt (70) zum Umhüllen der Oberfläche des Elektrodenkörpers (12) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (24), und – einem Schritt (72) zum Abtragen der elektrisch isolierenden Schicht (24) und des Materials der Bauteile (14, 16, 18) auf ein vorgegebenes Maß derart, dass die elektrisch leitfähigen Strukturen (14c, 16c) auf den Oberflächen der elektrisch leitfähigen Bauteile (14, 16) freigelegt werden, wobei die Zwischenräume zwischen den elektrisch leitfähigen Strukturen (14c, 16c) mit der elektrisch isolierenden Schicht (24) bedeckt bleiben, und die Außenkontur des elektrisch isolierenden Bauteils (18) an die Außenkontur des ersten elektrisch leitfähigen Bauteils (14) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des isolierenden Bauteils (18) zum Zeitpunkt des Zusammenfügens und Verbindens der Bauteile gemäß dem Verfahrensschritt (66) größer ist als der Durchmesser des ersten elektrisch leitfähigen Bauteils (14).
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten elektrisch leitfähigen Bauteils (14) größer ist als der Durchmesser des zweiten elektrisch leitfähigen Bauteils (16).
Elektrochemisches Abtragverfahren unter Verwendung einer Elektrode (10) mit einem Elektrodenkörper (12), auf dem elektrisch leitfähige Strukturen (14c, 16c) angeordnet sind, die jeweils durch eine elektrische isolierende Schicht (24) voneinander getrennt sind, wobei der Elektrodenkörper (12) in einem Abstand zu einer leitfähigen Oberfläche eines Werkstücks (32; 132) angeordnet wird, wobei der Elektrodenkörper (12) die Kathode und das Werkstück (32; 132) die Anode bildet, wobei durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Kathode und Anode durch Materialabtrag auf der Oberfläche des Werkstücks (32; 132) Strukturen erzeugt werden, die ein Abbild der elektrisch leitenden Strukturen (14c, 16c) der Elektrode (10) darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (10) verwendet wird, deren Elektrodenkörper (12) aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen (14, 16) besteht, zwischen denen ein elektrisch isolierendes Bauteil (18) angeordnet ist.
Elektrochemisches Abtragverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren eine Lagerrillenstruktur (45, 47) auf einer Lagerbuchse (32; 132) eines fluiddynamischen Lagers erzeugt wird.
Elektrochemisches Abtragverfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raum zwischen dem Elektrodenkörper (12) der Elektrode (10) und dem Werkstück (32; 132) mit einem Elektrolyt gefüllt wird und das Elektrolyt Natriumchlorid oder Natriumnitrat enthält.