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Querbezug auf verwandte
Anmeldungen
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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.
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Gebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Lösung für dieses und weitere Probleme
bereit und bietet weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine auseinandergezogene
Ansicht eines Plattenlaufwerks, bei dem das gemäß der vorliegenden Erfindung
bearbeitete konische Lager von besonderem Nutzen ist,
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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,
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3 einen schematischen Vertikalschnitt, der
bei der Veranschaulichung des Verfahrens dieser Erfindung nützlich ist,
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4 eine Vertikalschnittansicht
einer erfindungs gemäßen Vorrichtung,
die zur Implementierung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden kann, und
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5 ein Verfahren zur Berechnung
des Spalts, der bei der Ausführung
der Erfindung eingesetzt wird.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 dient dazu, die Ergebnisse
einer Regressionsgleichung zu veranschaulichen, die zur Berechnung
des Spalts unter bestimmten Betriebsbedingungen verwendet wird.
Die Gleichung ist wie folgt:
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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
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Tests
haben gezeigt, dass diese Gleichung den Spalt und somit die Rillengenauigkeit
mit etwa 97% Genauigkeit voraussagt.
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Zusammenfassung
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AUTOMATISCH
MASCHINENGESTEUERTER SPALT FÜR
ECM-NUTBILDUNG BEI EINEM KONISCHEN FLUIDDYNAMISCHEN LAGER
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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.
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