DE10297427T5 - Automatisch maschinengesteuerter Spalt für ECM-Nutbildung bei einem konischen fluiddynamischen Lager - Google Patents

Automatisch maschinengesteuerter Spalt für ECM-Nutbildung bei einem konischen fluiddynamischen Lager Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum elektrochemischen Ätzen von Nuten bzw. Rillen in eine Oberfläche eines konischen Lagers, das in einem fluiddynamischen Lager zu verwenden ist, mit einem Rahmen, der zum Halten des Konus um eine Achse und einer entlang der Achse beweglichen Elektrode zugewandt dient, wobei die Elektrode axial beweglich ist und eine ein Rillenmuster bzw. eine Rillenstruktur tragende Oberfläche aufweist, die an einer Innenfläche des Konus zu fixieren ist,
einer Quelle eines Elektrolyten, der mit einer festen statischen Druckrate zwischen die Oberfläche der beweglichen Elektrode und die Innenfläche des Konus zu pumpen ist,
und einer statischen Aufspannvorrichtung zum Haltern der Elektrode für eine Bewegung zu der Innenfläche des Konus hin und von dieser weg mit einer minimalen Reibungsrestriktion und einer Kraft, welche die Elektrodenfläche zu der Innenfläche des Konus hin vorbelastet, so dass der Spalt, durch den der Elektrolyt zwischen der Innenfläche des Konus und der Oberfläche der Elektrode...

Description

  • Querbezug auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung basiert auf der US-"Provisional"-Patentanmeldung 60/337333 vom 8. November 2001 mit dem Titel "Automated machine control gap for conical fluid dynamic bearing ECM grooving", im Namen des Erfinders Dustin A. Cochran. Die Priorität dieser "Provisional"-Anmeldung wird beansprucht, und diese "Provisional"-Anmeldung wird hierin durch Bezugnahme einbezogen.
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von fluiddynamischen Lagerungen bzw. Lagern und insbesondere auf das Ätzen von Rillen bzw. Nuten in ein konisches Element eines fluiddynamischen Lagers.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Plattenlaufwerke wie magnetische Plattenlaufwerke, optische Plattenlaufwerke und magneto-optische Plattenlaufwerke werden weitverbreitet zum Speichern von Information eingesetzt. Ein typisches Plattenlaufwerk hat eine oder mehrere Platte(n) oder Scheibe(n), die an einer Spindel befestigt ist/sind und mit hoher Geschwindigkeit an einem über den Platten an einem Betätigerarm aufgehängten Lese-/Schreibkopf vorbei gedreht wird/werden. Die Spindel wird durch einen Spindel-Antriebsmotor gedreht. Der Motor umfasst allgemein eine Achse mit einer (Axial-)Druckplatte an einem Ende und eine sich drehende Nabe mit einer Hülse und einer Ausnehmung, in die die Achse mit der Druckplatte eingesetzt ist. Magnete an der Nabe stehen in Interaktion mit einem Stator, um eine Drehung der Nabe relativ zur Achse zu bewirken.
  • In der Vergangenheit wurden bei herkömmlichen Spindelmotoren häufig herkömmliche Wälz- bzw. Kugellager zwischen der Nabe und der Achse sowie der Druckplatte verwendet. Im Lauf der Jahre hat jedoch die Nachfrage nach erhöhter Speicherkapazität und kleineren Plattenlaufwerken dazu geführt, dass der Lese-/Schreibkopf immer näher an der Platte angeordnet wurde. Derzeit werden Lese-/Schreibköpfe oft nicht mehr als einige Millionstel Inch über der Platte aufgehängt. Diese Nähe erfordert, dass sich die Platte im wesentlichen in einer einzigen Ebene dreht. Selbst ein geringfügiges Schlingern oder ein sog. Run-Out in der Plattendrehung kann bewirken, dass die Platte den Lese-/Schreibkopf streift, was das Plattenlaufwerk beschädigt und zu einem Datenverlust führt. Da diese Drehgenauigkeit mittels Wälz- bzw. Kugellagern nicht erzielt werden kann, setzt die jüngste Generation von Plattenlaufwerken einen Spindelmotor mit fluiddynamischen Lagern an der Achse und der Druckplatte ein, um eine Nabe und die Platte zur Drehung zu lagern.
  • In einem fluiddynamischen Lager stellt ein Schmierfluid wie Gas oder eine Flüssigkeit oder Luft eine Lagerfläche zwischen einem feststehenden Element und einem sich drehenden Element des Plattenlaufwerks bereit. Dynamische, druckerzeugende Rillen bzw. Nuten, die auf einer Oberfläche des feststehenden Elements oder des sich drehenden Elements ausgebildet sind, erzeugen einen lokalen Hochdruckbereich oder ein dynamisches Polster, das es ermöglicht, dass sich die Spindel mit einem hohen Genauigkeitsgrad dreht. Typische Schmierstoffe umfassen Öl und ferromagnetische Fluide. Bei fluiddynamischen Lagern ist im Vergleich zu einer Wälz- bzw. Kugellageranordnung, die eine Reihe von Punkt-Schnittstellen aufweist, die Lager-Grenzfläche bzw. -Schnittstelle über einen großen kontinuierlichen Oberflächenbereich ausgedehnt. Dies ist erwünscht, da die vergrößerte Lagerfläche ein Schlingern oder einen Run-out zwischen den sich drehenden und feststehenden Elementen reduziert. Ferner wird mit einem fluiddynamischen Lager eine verbesserte Stoßfestigkeit und Steifigkeit erreicht. Ferner verleiht die Verwendung von Fluid in dem Grenzflächen- bzw. Schnittstellenbereich dem Lager Dämpfungseffekte, welche dazu beitragen, den nichtwiederholbaren Run-out (non-repeat ronout) zu verringern. Um wirksam zu sein, müssen die druckerzeugenden Nuten bzw. Rillen jedoch sehr genau sowohl hinsichtlich der Form als auch der Tiefe auf einer Hochgeschwindigkeitsbasis festgelegt sein.
  • Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung der dynamischen druckerzeugenden Nuten bzw. Rillen ist im US-Patent Nr. 5 758 421 im Namen von Asada (ASADA) beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen ist. ASADA lehrt ein Verfahren zur Ausbildung von Nuten bzw. Rillen durch Pressen und Rollen einer Kugel über die Oberfläche eines Werkstücks, um darin eine Rille zu bilden. Der Durchmesser der Kugel ist typischerweise etwa 1 mm, und sie ist aus einem Material wie Karbid hergestellt, das härter ist als das des Werkstücks. Dieser Ansatz und das sich daraus ergebende fluiddynamische Lager stellt zwar eine erhebliche Verbesserung gegenüber Wälz- bzw. Kugellager einsetzenden Spindelmotoren dar, sie ist aber nicht vollkommen zufriedenstellend. Ein Problem bei dem obigen Verfahren besteht in der Verdrängung von Material im Werkstück, was zu Stegen oder Graten entlang den Rändern der Rillen führt. Das Entfernen dieser Stege oder Grate, beispielsweise durch Polieren oder Entgraten, ist oft ein zeitraubender und daher kostspieliger Prozess. Außerdem muss zur Vermeidung von Ertragsverlusten große Sorgfalt darauf verwendet werden, die Oberfläche des Werkstücks nicht zu beschädigen.
  • Ein weiteres Problem bei dem obigen Verfahren ergibt sich infolge eines neueren Trends bei Plattenlaufwerken zu höheren Drehgeschwindigkeiten zur Verringerung der Zugriffszeit, das heißt, der Zeit, die benötigt wird, um Daten an einem bestimmten Punkt auf der Platte zu lesen oder zu schreiben. Plattenlaufwerke drehen sich heutzutage üblicherweise mit Geschwindigkeiten über 7000 U/min. Diese höheren Geschwindigkeiten erfordern, daß die Achse und die Nabe aus härterem Material hergestellt sind. Während in der Vergangenheit die Achse und/oder die Hülse und/oder die Nabe aus einem weicheren Material, beispielsweise Messing oder Aluminium, hergestellt sein konnten, müssen nun alle diese Komponenten häufig aus einem härteren Metall, beispielsweise Stahl, Edelstahl oder einer Legierung hiervon hergestellt sein. Diese Metalle sind genauso hart oder härter als das Material der Kugel. Somit funktioniert das obige Verfahren einfach nicht bei der Herstellung fluiddynamischer Lager für die jüngste Generation von Plattenlaufwerken.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Rillen bzw. Nuten eines fluiddynamischen Lagers ist im US-Patent Nr. 5 878 495 im Namen von Martens et al. (MARTENS) beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen ist. MARTENS lehrt ein Verfahren zur Ausbildung dynamischer, druckerzeugender Nuten bzw. Rillen unter Verwendung einer Vorrichtung wie einer Drehbank mit einem metallabhebenden Werkzeug und einer Aufspanneinrichtung, welche das Werkstück schrittweise bzw. inkremental in der Richtung bewegt, in der ein Muster bzw. eine Struktur von Nuten bzw. Rillen auszubilden ist. Das metallabhebende Werkzeug bildet die Nuten bzw. Rillen durch Ausführen einer kurzen Schneid- bzw. Meißelbewegung (chiseling movement) jedesmal dann, wenn das Werkstück bewegt wird. Dieser Ansatz ist zwar eine Verbesserung gegenüber der vorherigen insofern, als es keine Stege bzw. Grate erzeugt, die entfernt werden müssen, er ist aber ebenfalls nicht vollkommen zufriedenstellend. Einerseits ist dieser Ansatz wie der von ASADA gelehrte typischerweise nicht zur Verwendung mit härteren Metallen geeignet, die zusätzlich zur schwierigeren Bearbeitbarkeit oft auch spröde sind und bei der Meißelarbeit beschädigt werden können. Da außerdem jede Nut bzw. Rille oder ein Teil einer Nut einzeln geformt und das Werkstück dann bewegt werden muss, tendiert das Verfahren dazu, sehr zeitraubend und daher kostspielig zu sein. Ferner ist die für diesen Ansatz notwendige Ausrüstung selbst teuer, und das metallabhebende Werkzeug unterliegt einem Verschleiss und erfordert einen häufigen Austausch.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Nuten bzw. Rillen umfasst einen herkömmlichen Ätzvorgang, wie er im US-Patent Nr. 5 914 832 im Namen von Teshima (TESHIMA) beschrieben ist, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen ist. TESHIMA lehrt ein Verfahren, bei dem das Werkstück mit einer strukturierten, ätzresistenten Beschichtung vor dem Ätzvorgang bedeckt wird, so dass nur freiliegende Abschnitte des Werkstücks geätzt werden. Diese Lösung vermeidet zwar viele der Probleme der vorher beschriebenen Verfahren, namentlich die Bildung von Stegen um die Nuten und die Unfähigkeit, Rillen bzw. Nuten in hartem Metall auszubilden, sie schafft jedoch andere Probleme und ist daher ebenfalls nicht gänzlich zufriedenstellend. Ein Problem ist der Zeitaufwand beim Aufbringen und Strukturieren der ätzresistenten Schicht. Dies stellt besonders dann ein Problem dar, wenn wie bei TESHIMA die Resistschicht vor dem Strukturieren oder Ätzen gebacken werden muss. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Beschichtung nach dem Ätzvorgang entfernt werden muss. Dies ist häufig eine schwierige Aufgabe, bei der, wenn sie nicht korrekt ausgeführt wird, Resistmaterial auf der Werkstückoberfläche verbleiben kann, was zu einem Ausfall des Lagers und der Zerstörung des Plattenlaufwerks führt. Ein weiteres Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass jeder der Schritte des Prozesses den extensiven Einsatz von für die Umwelt schädlichen und oft toxischen Chemikalien, beispielsweise Photoresists, Entwicklern, Lösemitteln und starken Säuren erfordert.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Ausbildung von Nuten bzw. Rillen in einem aus Hartmetall hergestellten Werkstück, um fluiddynamische Lager herzustellen, die zur Verwendung in einem Plattenlaufwerk geeignet sind. Es ist erwünscht, dass die Vorrichtung und das Verfahren eine rasche und kostengünstige Ausbildung der Nuten bzw. Rillen ermöglichen. Es ist auch erwünscht, dass die Vorrichtung und das Verfahren keine teure Ausrüstung oder die Verwendung eines metallabhebenden Werkzeugs, das oft ausgetauscht werden muss, erfordern. Ferner ist erwünscht, dass die Vorrichtung und das Verfahren kein ätzresistentes Material während der Herstellung verwenden, welches das Werkstück kontaminieren könnte, was zum Ausfall des Lagers und zur Zerstörung des Plattenlaufwerks führen würde.
  • Infolge der obigen Probleme wurde eine elektrochemische Bearbeitung von Nuten bzw. Rillen in einem fluiddynamischen Lager entwickelt. Es folgt eine breitgefasste Beschreibung von ECM (Electro Chemical Machining). ECM ist ein Verfahren zum Entfernen von Metallmaterial ohne den Einsatz mechanischer oder thermischer Energie. Grundsätzlich wird elektrische Energie mit einer Chemikalie kombiniert, um eine umgekehrte Elektroplattierungs-Reaktion zu bilden. Um das Verfahren auszuführen, wird zwischen dem Werkstück, das als Anode dient, und der Elektrode, die typischerweise die auszubildende Struktur trägt und als Kathode dient, ein Gleichstrom durchgeschickt, wobei der Strom durch einen leitenden Elektrolyt, der sich zwischen den beiden Oberflächen befindet, fließt. An der Anodenoberfläche werden Elektronen durch Stromfluss entfernt und die Metallbindungen der Molekularstruktur an der Oberfläche werden aufgebrochen. Diese Atome gehen mit dem Elektrolyt als Metallione in Lösung über, und bilden metallische Hydroxyde. Diese Metallhydroxyd-(MOH)-Moleküle werden ausgetragen, um herausgefiltert zu werden. Dieses Verfahren führt jedoch zu der Notwendigkeit, Nuten bzw. Rillen auf einer Oberfläche über einem Spalt, der sehr genau definiert sein muss, präzise und gleichzeitig zu plazieren, da das Einstellen des Spalts die Rate und das Volumen, mit der die Metallionen abgetragen werden, bestimmt. Selbst bei einfachen Strukturen kann dieses Problem schwer zu lösen sein. Wenn die Struktur die Innenfläche eines konischen Lagers ist, kann die Einstellung der Spaltbreite äußerst schwierig sein. Herstellbarkeitsprobleme in Zusammenhang mit konischen Teilen machen es oft schwierig, den Durchmesser der Konusse zu steuern. Daher ist es sehr schwierig, ein Werkzeug mit feststehenden Elektroden herzustellen, das einen kontinuierlichen, konsistenten Spalt zwischen Werkstück und Elektrode garantiert. Wie oben bemerkt wurde, ist der Abstand entscheidend für die Genauigkeit der Rillentiefe.
  • Nach obiger Feststellung ist es nötig, ein zur Ausbildung der Nuten bzw. Rillen verwendetes Werkzeug mit sich bewegenden Elektroden zu schaffen oder zu definieren. Die Verwendung beweglicher Elektroden ergibt ein weiteres Problem, das heißt, wie der Spalt zwischen der Elektrode und der Bearbeitungsoberfläche, auf der die Nuten bzw. Rillen festzulegen sind, einzustellen ist. In vielen Fällen ist der Elektroden-/Werkstück-Spalt selbst die "kritische Öffnung" ("critical orifice"). Es wird eine Strömungsmessung an der kritischen Öffnung eingesetzt, da die Einstellung des Spalts die Rate und das Volumen, mit denen die Metallionen fortgeführt werden, bestimmt, wobei alle anderen Parameter unverändert sind, sodass dadurch die Form und Tiefe der ausgebildeten Nuten bzw. Rillen bestimmt wird.
  • Bei bekannten Gestaltungen wird der Spalt so variiert, dass er eine vorbestimmte Masseströmung ergibt, und die Position der Elektrode relativ zum Werkstück wird mechanisch eingestellt, um den Spalt herzustellen. Dies erfordert bis zu 30 Sekunden Zeit, was sich direkt in den Herstellungskosten niederschlägt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung für dieses und weitere Probleme bereit und bietet weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Ätzen von Nuten bzw. Rillen in eine Oberfläche eines konischen Lagers, das zur Bildung eines fluiddynamischen Lagers verwendet wird.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird der zwischen der Elektrode und dem Werkstück festgelegte Spalt automatisch in Reaktion auf den Druck des einströmenden Elektrolyten eingestellt.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung mit einer mit Gewicht versehenen oder vorbelasteten Elektrode bereitgestellt, die so angebracht ist, dass sie automatisch den Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück in Reaktion auf den Druck des einströmenden Elektrolyten einstellt, wobei die Stromflussrate konstant gehalten wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der weibliche Abschnitt eines Doppelkonus- oder Einzelkonus-Werkstücks an einem Rahmen oder einer Aufspann-Platte gehaltert, wobei die Konusöffnung einer als Z-Achse bezeichneten Achse zugewandt ist. Es ist eine Gleitelektrodenanordnung vorgesehen, die vorzugsweise entlang einer Achse arbeitet, welche mit der Halterungsachse für das konische Werkstück koinzidiert. Die Elektrodenanordnung umfasst ein statisches Element, das die dynamischen Elemente der Elektrodenanordnung haltert, und ein dynamisches Element, das eine mit einer bekannten Masse mit Gewicht versehene oder vorbelastete und entlang der Z-Achse bewegliche Elektrode umfasst. Die Elektrode weist an einer Fläche, die bezüglich dem Werkstück über einen Bearbeitungsspalt ausgerichtet ist, ein Muster bzw. eine Struktur von Nuten bzw. Rillen auf, die am Werkstück festzulegen sind; das Muster bzw. die Struktur umfasst leitende Elemente, so dass der notwendige Stromfluss zwischen dem Werkstück und der Elektrode hergestellt werden kann. Wenn Elektrolyt in oder durch den Bearbeitungsspalt zwischen dem Werkstück und der dynamischen Elektrode mit konstantem statischen Druck gepumpt wird, reagiert die dynamische Elektrode auf den Druck, indem sie sich zu dem Werkstück hin oder von diesem weg bewegt, um eine bestimmte Spaltbreite herzustellen, damit die notwendige Rillentiefe- und -festlegung geschaffen wird. Die auf die Gleitelektrodenanordnung einwirkende Kraft ist der steuernde Faktor bei der Einstellung des Bearbeitungsspalts, wenn sich die Elektrode und die dynamische Halterung in Reaktion auf den konstanten statischen Druck von gepumptem Elektrolyt bewegen.
  • Da der Elektrolyt mit konstantem Druck gepumpt wird, erreicht die Elektrode einen Gleichgewichtsabschnitt entlang der Z-Achse, wobei die Elektrodenstruktur der konischen Oberfläche zugewandt ist, wodurch der Bearbeitungsspalt gesteuert wird.
  • In einer bevorzugten Form ist die Gleitelektrodenanordnung so vorgesehen, dass sie nahezu reibungsfrei in der Bewegungsrichtung relativ zu dem konischen Element (der Z-Achse) ist. Die Gleitanordnung ist ferner so gestaltet, dass sie eine sehr hohe Kraft gegenüber einem Vorschubverhältnis in den x- und y- (Horizontal-) Achsen aufweist, so dass eine sehr genaue Aufbringung des Rillenmusters bzw. der Rillenstruktur auf der konischen Oberfläche erreicht wird.
  • In einer bevorzugten Form umfasst die Gleitanordnung ein aerostatisches Lager, das bei hohem Druck mit einem sehr geringen Radialspiel (0,002 bis 0,003 mm) zwischen den sich bewegenden Elementen arbeitet. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines solchen aerostatischen Gleitmechanismus besteht darin, dass er selbst-abdichtend ist, was den ECM-Elektrolyt (typischerweise Salzwasser oder dergleichen) von den kritischen Bereichen mit Ausnahme des Spaltes zwischen dem Elektrolyt und dem Werkstück fernhält.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind einem Fachmann, der die folgende detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen studiert, ersichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine auseinandergezogene Ansicht eines Plattenlaufwerks, bei dem das gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitete konische Lager von besonderem Nutzen ist,
  • 2 eine Vertikalschnittansicht einer Nabe, die in einem Spindelmotor in dem Plattenlaufwerk der 1 verwendet wird, zur Darstellung eines Doppelkonuslagers, das von einem Typ ist, der durch die vorliegenden Erfindung nutzbringend ausgebildet werden kann,
  • 3 einen schematischen Vertikalschnitt, der bei der Veranschaulichung des Verfahrens dieser Erfindung nützlich ist,
  • 4 eine Vertikalschnittansicht einer erfindungs gemäßen Vorrichtung, die zur Implementierung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, und
  • 5 ein Verfahren zur Berechnung des Spalts, der bei der Ausführung der Erfindung eingesetzt wird.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines magnetischen Plattenlaufwerks, für das ein Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager, das durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, von besonderem Nutzen ist. Es wird auf 1 eingegangen, in der ein Plattenlaufwerk 100 typischerweise ein Gehäuse 105 mit einer Basis 110 umfasst, die gegenüber einer Abdeckung 115 durch eine Dichtung 120 abgedichtet ist. Das Plattenlaufwerk 100 hat eine Spindel 130, an der eine Anzahl von Platten 135 angebracht sind, die mit einem magnetischen Medium (nicht dargestellt) zum magnetischen Speichern von Information bedeckte Oberflächen 140 aufweisen. Ein Spindelmotor (in dieser Figur nicht dargestellt) dreht die Platten 135 an Lese-/Schreibköpfen 145 vorbei, welche über Oberflächen 140 der Platten durch eine Aufhängungsarmanordnung 150 aufgehängt sind. Im Betrieb dreht der Spindelmotor die Platten 135 mit hoher Geschwindigkeit an den Lese-/Schreibköpfen 145 vorbei, während die Aufhängungsarmanordnung 150 die Lese-/Schreibköpfe über einem von mehreren radial beabstandeten Spuren (nicht dargestellt) bewegt. Dies gestattet es den Lese-/Schreibköpfen 145, magnetisch kodierte Information auf das magnetische Medium auf den Oberflächen 140 der Platten 135 an ausgewählten Stellen zu schreiben und von diesen zu lesen.
  • 2 ist eine Vertikalschnittansicht durch ein von einem Doppelkonus-Radiallager 200 zur Drehung um eine Achse (nicht dargestellt) gelagerten Nabe. Die Nabe 201 ist typischerweise mit einer Hülse, wie sie hier gezeigt ist, integriert, deren Innenflächen die Nuten bzw. Rillen festlegen, welche das hydrodynamische Lager bilden, das die Nabe zur Drehung lagert. Wie bei dieser Technologie bekannt ist, ist eine Achse (nicht dargestellt) in die Hülse eingesetzt und weist doppelte männliche konische Oberflächen auf, die den konischen Bereichen 210, 212 in der Hülse an den oberen und unteren Enden Lagerbereichs zugewandt sind. Die Achse umfasst ferner einen glatten zentralen Abschnitt, der mit den durch die mit Rillen bzw. Nuten versehenen Bereiche 214, 216 definierten Radiallagern zusammenwirkt. Wie auf diesem Gebiet der fluiddynamischen Lager bekannt ist, füllt Fluid den Spalt zwischen der stationären Achse und den mit Rillen bzw. Nuten versehenen Innenflächen der Hülse aus. Wenn sich die Hülse dreht, kommt es unter der Einwirkung einer Interaktion zwischen Magneten, die an einer Innenfläche der Nabe angebracht sind, welche mit von der Basis der Nabe gehalterten Wicklungen zusammenwirken, zu einem Druckaufbau in jedem der mit Rillen bzw. Nuten versehenen Bereiche. Auf diese Weise lagert die Achse die Nabe auf einfache Weise für eine konstante Hochgeschwindigkeitsdrehung.
  • Die druckerzeugenden Rillen bzw. Nuten an der Innenfläche der Hülse sind leicht aus 2 ersichtlich. Sie umfassen in dem Beispiel zwei Sätze von Nuten bzw. Rillen 230, 232 für den oberen Konus und einen entsprechenden Satz 234, 236 für den unteren Konus. Diese spezielle Gestaltung setzt auch zwei Radiallager 240, 242 ein, um die Achse weiter zu stabilisieren. Offensichtlich ist die vorliegende Erfindung, die speziell auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieser Nuten bzw. Rillen gerichtet ist und nicht auf die Gestaltung der Rillen selbst, nicht auf die Herstellung dieser speziellen Kombination von Rillengestaltungen beschränkt. Beispielsweise könnte die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren dazu verwendet werden, die Nuten bzw. Rillen innerhalb eines einzelnen Konus herzustellen, oder in einem mit einem einzelnen Radiallager zusammenwirkenden einzelnen Konus, oder in Doppelkonussen, die mit einem oder mehreren Radiallagern zusammenwirken. Ferner könnte jedes der konischen Lager einen oder mehrere Sätze von Rillen bzw. Nuten aufweisen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind speziell beim Ausbilden einer beliebigen Gestaltung von konischen Lagern in der Hülse oder einem Lagersitzabschnitt der Gestaltung anwendbar. Die durch diese Erfindung bereitgestellte Lösung ist wichtig beim Festlegen konischer Lager, da es Herstellbarkeitsprobleme in Zusammenhang mit konischen Lagern oft schwierig machen, den Durchmesser der Konusse zu steuern.
  • Bei dieser Vorgabe ist es extrem schwierig, ein Werkzeug mit feststehenden Elektroden herzustellen, das einen gleichbleibenden Werkstück-Elektroden-Spalt garantiert. Wie oben beschrieben wurde, ist diese Spaltgröße für die Genauigkeit der Rillentiefe entscheidend. Hinsichtlich fluiddynamischer Lager besteht die Bedeutung der Genauigkeit von Rillen darin, dass ein fluiddynamisches Lager allgemein zwei sich relativ drehende Elemente mit gegenüber gelegenen Oberflächen umfasst, zwischen denen eine Schicht oder ein Film oder Fluid gehalten wird, um ein dynamisches Polster als Anti-Reibungsmedium zu bilden. Um das dynamische Polster zu bilden, ist mindestens eine der Oberflächen, in diesem Fall die Innenfläche der Nabe und der Hülse, mit Rillen bzw. Nuten versehen, die eine Fluidströmung in dem Grenzflächenbereich induzieren und einen lokalen Bereich dynamischen Hochdrucks erzeugen. Die Nuten bzw. Rillen sind durch erhabene Stege oder Rippen getrennt und haben im allgemeinen eine Tiefe von etwa 0,009 bis etwa 0,015 mm. Wie leicht zu erkennen ist, kann es extrem schwierig sein, Rillen mit diesen kleinen Dimensionen zu bilden, die relativ dicht auf eine Oberfläche gepackt sind. Zu diesem Zweck wird das Werkstück, das in diesem Fall die Nabe der 2 ist, in der in 3 gezeigten Rillenbildungsvorrichtung angeordnet. Die Vorrichtung zum Ausbilden von Rillen bzw. Nuten mittels ECM ist speziell in 3 gezeigt.
  • Das in 4 gezeigte System stellt ein genaues, wiederholbares Verfahren zur Ausbildung des Werkstücks von 2 bereit. Das Werkstück befindet sich an bzw. auf der Basis 404, die einen Elektrolyteinlass 401 und ein Lagerplenum 403 umfasst. Das Werkstück ruht auf dem Plenum 403, so dass der Elektrolyt nicht abfließt oder ausleckt. Der Elek trolyt wird aus den oben erklärten Gründen mit konstantem Druck zugeführt. Die Gleitelektrodenanordnung 410 kann zur Ausführung des ECM-Verfahrens eingesetzt werden. Die Gleitelektrodenanordnung umfasst in dieser Ausführungsform einen statischen Abschnitt 412 und ein dynamisches Element 414, welches eine leitende Elektrode 416 mit einem Muster bzw. einer Struktur auf einer Oberfläche 418 aufweist, die auf der Oberfläche der Werkstücke 400, 402 zu definieren ist. Das dynamische Element ist zu dem Spalt 420 und zur Oberfläche 428 der Werkstücke durch eine Masse oder Kraft 432 vorbelastet.
  • Das dynamische Element, das entlang der Z-Achse 440 zu dem Bearbeitungsspalt 420 und von diesem weg beweglich ist, ist für diese nahezu reibungsfreie Bewegung durch das statische Element der aerostatischen Gleiteinrichtung gehaltert. Zunächst wird die Elektrode entweder gegen die oder sehr nahe an den Bearbeitungsflächen 428 des Werkstücks 400 positioniert. Der Elektrolyt, der verwendet wird, um den leitenden Spalt zwischen der Werkstückoberfläche und einer leitenden Oberfläche 418 des dynamische Elements 414 zu schaffen, zu erstellen und aufrechtzuerhalten, wird auf bekannte Weise in den Spalt 420 gepumpt. Der Pumpvorgang liefert den Elektrolyten mit konstantem, bekanntem Druck. Die Elektrode und die Gleitanordnung 414, 416 reagieren auf den Druck durch Aufwärtsbewegung entlang der Z-Achse 440 von der Bearbeitungsfläche 428 weg, um einen vordefinierten Spalt bzw. Zwischenraum 420 herzustellen. Die auf die Oberseite der Gleitelektrodenanordnung 414 einwirkende Masse 432 hat eine vorkalibrierte Kraft, die als der Steuerfaktor zur Herstellung des Bearbeitungsspalts relativ zu dem konstanten Pumpdruck der Elektrode 431 dient. Es ist wichtig anzumerken, dass vorzugsweise eine Masse statt einer Feder in diesem System verwendet wird, da sich eine Federkraft als Funktion einer Verschiebung bzw. Dehnung verändert. Alternativen zu einer konstanten, auf die Gleitanordnung 416 einwirkenden Masse sind einem Fachmann ersichtlich und liegen im Schutzumfang dieser Erfindung.
  • Wenn die Position der Gleitanordnung 416 einen Gleichgewichtszustand hinsichtlich des Querschnittsströmungsbereichs erreicht, wird folglich der Bearbeitungsspalt gesteuert. Wie oben festgestellt wurde, ist die Gleitanordnung 416 als beinahe reibungsfrei in der Z-Achsenrichtung 440 vorgesehen, so dass die Spaltdimension 420 vorzugsweise durch den Pumpdruck des Elektrolyten gegenüber dem definierten Zwischenraum des Spalts und der Masse oder Kraft 432, welche die Gleitanordnung zum Spalt hin vorbelastet, eingestellt wird.
  • In dem Funktionsdiagramm der 3 zeigt die Fig. in schematischer Form das hier dargestellte funktionale Konzept. Insbesondere zeigt 3 das Werkstück 300 mit einer Öffnung für die Achse und Lagerkonusse, die später eingesetzt werden, um die Lageranordnung zu vervollständigen. Auch das dynamische Element 310 ist über dem Spalt 312 bezüglich der festzulegenden Oberfläche 314 positioniert dargestellt. Das statische Element 412 der aerostatischen Gleiteinrichtung ist so definiert, dass es eine starke Kraft gegenüber einem Verschiebungs- bzw. Vorschubverhältnis in der x- und y-Achse des dynamisches Elements liefert, so dass die Bearbeitungsfläche 418 der Gleiteinrichtung in Bezug auf die mit Rillen bzw. Nuten zu versehenden Oberflächen 428 und 430 genau ausgerichtet bleibt. Es wird bevorzugt, dass die Gleitanordnung ein aerostatisches Lager ist, das mit hohem Druck (etwa 100 psi) mit einem sehr geringen Radialspiel (0,002 bis 0,003 mm) zwischen dem sich bewegenden Element 416 und dem statischen Element 412 arbeitet. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung des aerostatischen Gleitmechanismus 410 besteht darin, dass er selbstabdichtend ist, was den ECM-Elektrolyt von kritischen Bereichen in der elektrostatischen Gleiteinrichtung fernhält.
  • Das funktionale Konzept besteht darin, dass ein Elektrolyt über die Unterseite des Werkstücks zugeführt wird; die Kraft des Elektrolyten verschiebt die Elektrode nach oben, bis ein Gleichgewicht erreicht ist; der Bearbeitungsspalt wird dann zu einer kritischen Öffnung; falls P, Q und F genau gesteuert werden, ist der Querschnitts-Strömungsbereich immer gleich, und folglich wird der Bearbeitungsspalt automatisch eingestellt, ohne eine Anpassung vornehmen zu müssen.
  • Die Kraft F wird vorzugsweise durch Luftdruck von einer Luftzuführquelle 350 gegen das distale Ende des dynamischen Elements 310 aufgebracht. Dieser gleiche Luftdruck in dem Spalt 360 zwischen dem dynamischen Element und dem statischen Element (siehe 4) verhindert, dass Elektrolyt in den Spalt eintritt und stellt zumindest teilweise den selbstabdichtenden Effekt her.
  • 5 dient dazu, die Ergebnisse einer Regressionsgleichung zu veranschaulichen, die zur Berechnung des Spalts unter bestimmten Betriebsbedingungen verwendet wird. Die Gleichung ist wie folgt:
  • Die Regressionsgleichung zur Voraussage eines Bearbeitungsspalts:
    G = 19,18175 – 0,505 (P) + 0,322 (Q) + 0,0049 (P2) – 0,0009 (Q2) – 0,0013 (P) (Q) σ = 1,15 μMR2 = 97%
    wobei
    Spalt (G) in Mikron,
    Druck (P) in psi,
    Strömung (Q) in einheitslosen Skalenablesungen (Q) kann mit folgender Gleichung in eine tatsächliche Strömungsrate umgewandelt werden:
    Strömung(ml/min) = 3,84 (Q) – 31,9
  • Tests haben gezeigt, dass diese Gleichung den Spalt und somit die Rillengenauigkeit mit etwa 97% Genauigkeit voraussagt.
  • Zusammenfassung
  • AUTOMATISCH MASCHINENGESTEUERTER SPALT FÜR ECM-NUTBILDUNG BEI EINEM KONISCHEN FLUIDDYNAMISCHEN LAGER
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird der zwischen der Elektrode und dem Werkstück festgelegte Spalt automatisch in Reaktion auf den Druck des einströmenden Elektrolyten eingestellt. Es wird eine Vorrichtung für eine ECM-Nutenbildung in einem Werkstück bereitgestellt, die eine mit Gewicht versehene oder vorbelastete Elektrode 416 umfasst, welche so angebracht ist, dass sie automatisch den Spalt 420 zwischen der Elektrode und dem Werkstück 400 in Reaktion auf den Druck des einströmenden Elektrolyten einstellt bzw. anpasst, wobei die Stromflussrate konstant gehalten wird. Der weibliche Abschnitt eines Doppelkonus- oder Einzelkonus-Werkstücks wird auf einem Rahmen oder einer (Aufspann-)Platte gehaltert, wobei die Konusöffnung einer Achse zugewandt ist, die wir als Z-Achse bezeichnen. Es ist eine Gleitelektrodenanordnung 416 vorgesehen, die vorzugsweise entlang einer Achse arbeitet, welche mit der Mittelachse für das konische Werkstück koinzidiert. Die Elektrodenanordnung umfasst ein statisches Element, welches die dynamischen Elemente der Elektrodenanordnung haltert, sowie ein dynamisches Element, das eine durch eine bekannte Masse gewichtsbelastete oder vorbelastete und entlang der Z-Achse bewegliche Elektrode umfasst. Die Elektrode weist auf einer Fläche 418, die über einen Bearbeitungsspalt 420 bezüglich dem Werkstück 428 ausgerichtet wird, ein Muster bzw. eine Struktur von Rillen bzw. Nuten, die auf dem Werkstück festzulegen sind; das Muster bzw. die Struktur umfasst leitende Elemente, so dass der notwendige Stromfluss zwischen dem Werkstück und der Elektrode hergestellt werden kann. Wenn der Elektrolyt in oder durch den Bearbeitungsspalt zwischen dem Werkstück und konstantem statischen Druck gepumpt wird, reagiert die dynamische Elektrode auf den Druck durch eine Bewegung zu dem Werkstück hin oder von diesem weg, um eine bestimmte Spaltbreite einzustellen, damit die notwendige Rillentiefe und -festlegung geschaffen wird. Die auf die Gleitelektrodenanordnung 416 einwirkende Kraft ist der Hauptsteuerungsfaktor zur Herstellung des Bearbeitungsspalts, wenn sich die Elektrode und die dynamische Halterung in Reaktion auf den konstanten statischen Druck des gepumpten Elektrolyten bewegen.
    (4)

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum elektrochemischen Ätzen von Nuten bzw. Rillen in eine Oberfläche eines konischen Lagers, das in einem fluiddynamischen Lager zu verwenden ist, mit einem Rahmen, der zum Halten des Konus um eine Achse und einer entlang der Achse beweglichen Elektrode zugewandt dient, wobei die Elektrode axial beweglich ist und eine ein Rillenmuster bzw. eine Rillenstruktur tragende Oberfläche aufweist, die an einer Innenfläche des Konus zu fixieren ist, einer Quelle eines Elektrolyten, der mit einer festen statischen Druckrate zwischen die Oberfläche der beweglichen Elektrode und die Innenfläche des Konus zu pumpen ist, und einer statischen Aufspannvorrichtung zum Haltern der Elektrode für eine Bewegung zu der Innenfläche des Konus hin und von dieser weg mit einer minimalen Reibungsrestriktion und einer Kraft, welche die Elektrodenfläche zu der Innenfläche des Konus hin vorbelastet, so dass der Spalt, durch den der Elektrolyt zwischen der Innenfläche des Konus und der Oberfläche der Elektrode fließt, in erster Linie durch die statische Strömungsrate des Elektrolyten und die Vorbelastungskraft der Elektrode zu der Innenfläche des Konus hin bestimmt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der statische Rahmen eine aerostatische Gleiteinrichtung umfasst, wobei sich die Elektrode entlang der Achse zu der der Innenfläche des Konus hin und von dieser weg bewegt, der hauptsächlich durch ein Luftlager in dem Spalt zwischen dem statischen Rahmen und einem die Elektrode halternden dynamischen Element gelagert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode eine konische Elektrode ist und ein Rillenmuster bzw. eine Rillenstruktur an einer Außenfläche derselben aufweist, wobei die in der Oberfläche des konischen Lagers auszubildenden Rillen durch die Rillenstruktur festgelegt sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorbelastung des dynamischen Elements und der Elektrode zu der konischen Oberfläche hin durch Druck gegen ein distales Ende des dynamischen Elements hergestellt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Druck durch Luftdruck festgelegt ist, der in einer mindestens das distale Ende des dynamischen Elements umschließenden Zelle enthalten ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner mit einer Quelle eines elektrischen Potentials, das an das Werkstück bzw. die Elektrode anzulegen ist, wobei das elektrische Potential eine feststehende Stromrate über den Spalt erzeugt, so dass eine Rate, mit der ein ECM-Prozess ausgeführt wird, in erster Linie durch den Spalt zwischen der Elektrodenoberfläche und der Innenfläche des Konus bestimmt wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Radialspiel zwischen der dynamischen Gleiteinrichtung und dem statischen Rahmen etwa 0,002 bis 0,003 mm beträgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die eine Quelle von auf das distale Ende der dynamischen Gleiteinrichtung einwirkendem Luftdruck umfasst, welche auch die Quelle von Luftdruck ist, der das dynamische Element für eine radiale Bewegung durch das statische Element lagert, wobei der Luftdruck dadurch die aerostatische Gleiteinrichtung selbstabdichtend macht, um den ECM-Elektrolyt von kritischen Bereichen in der elektrostatischen Gleiteinrichtung fernzuhalten.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Luftdruck in dem Spalt zwischen dem dynamischen Element und dem statischen Element genügend hoch ist, um ein hohes Verhältnis Kraft zu Bewegung bzw. Vorschub in den x- und y-Achsen relativ zu der Achse, entlang der das dynamischen Element sich bewegt, zu liefern, so dass die Bearbeitungsfläche Elektrodenfläche der Gleiteinrichtung genau in Bezug auf die mit Rillen bzw. Nuten zu versehende Oberfläche ausgerichtet bleibt.
  10. Vorrichtung zum elektrochemischen Ätzen von Nuten bzw. Rillen in eine Oberfläche eines konischen Werkstücks, umfassend: Mittel zum feststehenden Haltern des Werkstücks in der Vorrichtung, und Mittel zum Vorbelasten einer Elektrode, die ein in das Werkstück zu ätzendes Rillenmuster trägt, entlang einer Achse und über einen Spalt bezüglich der konischen Oberfläche des Werkstücks, sowie Mittel zum Zuführen von Elektrolyt zu dem Spalt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mittel zum Zuführen von Elektrolyt zu dem Spalt mit den Mitteln zum Vorbelasten der Elektrode zusammenwirken, um dadurch den Spalt einzustellen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel zum feststehenden Haltern des Werkstücks einen Rahmen zum Halten des Werkstücks um eine Achse und einer entlang der Achse beweglichen Elektrode zugewandt umfasst, wobei die Elektrode axial beweglich ist und eine Oberfläche aufweist, die eine Rillen- bzw. Nutenstruktur trägt, die an einer Innenfläche des Werkstücks aufzubringen ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel zum Zuführen von Elektrolyt eine Quelle von Elektrolyt umfassen, der mit einer feststehenden statischen Druckrate zwischen die Oberfläche der beweglichen Elektrode und die Innenfläche des Konus zu pumpen ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel zum Vorbelasten der Elektrode eine statische Aufspannvorrichtung zum Haltern der Elektrode für eine Bewegung zu der Innenfläche des Konus hin und von dieser weg mit minimaler Reibungsrestriktion aufweist, sowie eine Druckquelle, welche die Elektrodenoberfläche zu der Innenfläche des Konus hin vorbelastet, so dass der Spalt, durch den der Elektrolyt zwischen der Innenfläche des Konus und der Oberfläche der Elektrode strömt, in erster Linie durch die statische Strömung des Elektrolyts und die Vorbelastungskraft der Elektrode zu der Innenfläche des Konus hin bestimmt wird.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum feststehenden Haltern des Werkstücks einen statischen Rahmen zum Halten des Werkstücks um eine Achse und einer entlang der Achse beweglichen Elektrode zugewandt umfasst, wobei die Elektrode axial beweglich ist und eine Oberfläche aufweist, die eine Rillen- bzw. Nutenstruktur trägt, die an einer Innenfläche des Werkstücks aufzubringen ist.
  16. Verfahren zum elektrochemischen Ätzen von Nuten bzw. Rillen in eine Oberfläche eines konischen Lagers, das in einem fluiddynamischen Lager zu verwenden ist, mit einem Rahmen zum Halten des Konus um eine Achse und einer entlang der Achse beweglichen Elektrode zugewandt, wobei die Elektrode axial beweglich ist und eine Oberfläche aufweist, die ein an einer Innenfläche des Konus aufzubringendes Rillenmuster trägt, Pumpen von Elektrolyt mit einer feststehenden statischen Druckrate zwischen die Oberfläche der beweglichen Elektrode und die Innenfläche des Konus, und Haltern der Elektrode für eine Bewegung zu der Innenfläche des Konus hin und von dieser weg mit minimaler Reibungsrestriktion, und Vorbelasten der Elektrodenoberfläche zu der Innenfläche des Konus derart, dass der Spalt, durch den der Elektrolyt zwischen der Innenfläche des Konus und der Oberfläche der Elektrode strömt, in erster Linie durch die statische Strömungsrate des Elektrolyten und die Vorbelastungskraft der Elektrode zu der Innenfläche des Konus hin bestimmt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der statische Rahmen eine aerostatische Gleiteinrichtung umfasst, und das Verfahren den Schritt des Bewegens der Elektrode entlang der Achse zu der Innenfläche des Konus, der hauptsächlich durch ein Luftlager in dem Spalt zwischen dem statischen Rahmen und einem die Elektrode halternden dynamischen Element gelagert ist, hin und von dieser weg umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Elektrode eine konische Elektrode ist und ein Rillen- bzw. Nutenmuster an einer Außenfläche derselben aufweist, wobei das Verfahren die Ausbildung der Rillen bzw. Nuten auf der Oberfläche des konischen Lagers umfasst, wie es durch das Rillenmuster festgelegt ist, und das Verfahren ferner ein elektrisches Potential vorsieht, das an das Werkstück bzw. die Elektrode angelegt wird, wobei das elektrische Potential eine feststehende Stromrate über den Spalt erzeugt, so dass eine Rate, mit der ein ECM-Prozess ausgeführt wird, in erster Linie durch den Spalt zwischen der Elektrodenoberfläche und der Innenfläche des Konus bestimmt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, umfassend den Schritt des Herstellens der Vorbelastung des dynamischen Elements und der Elektrode zu der konischen Oberfläche durch einen Luftdruck gegen ein distales Ende des dynamischen Elements.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der in dem Spalt zwischen dem dynamischen Element und dem statischen Element hergestellte Luftdruck genügend hoch ist, um ein hohes Verhältnis von Kraft zu Versatz in den x- und y-Achsen relativ zu der Achse entlang der sich das dynamische Element bewegt, zu liefern, so dass die Bearbeitungsflächen-Elektrodenoberfläche der Gleiteinrichtung genau in Bezug auf die mit Rillen bzw. Nuten zu versehende Oberfläche ausgerichtet bleibt.
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