JP2006142421A - 動圧溝の電解加工工具、電解加工工具の製造方法、電解加工装置および電解加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 円柱形状や円筒形状を有する部材の外周表面に高精度な動圧溝を形成し、かつ加工時間を短縮する。
【解決手段】 電解加工工具８は、シャフト１の外周表面１ａに動圧溝を加工するための電解加工装置５に用いられ、シャフト１回りに配置される電極２１、２２と、電解加工部２０とを備えている。電解加工部２０は、電極２１、２２の内周面に形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、動圧溝の加工を行うための電解加工工具、その製造方法、電解加工装置および電解加工方法に関する。

従来、ハードディスクなどに用いられる小型の駆動装置には、高速化および低振動化を目的として動圧軸受が採用されている。動圧軸受は、軸と軸受部材との間に軸受流体を充填し、軸が回転する際に発生する動圧により軸を軸受部材と非接触状態で支持するものである。軸を非接触状態で支持しているため、従来のボールベアリングなどと比べて耐衝撃性に優れ、低振動、低騒音となり、回転精度が向上し回転の高速化が可能となる。軸受部材の内周面には、複数の動圧発生用溝（以下、動圧溝と記載）が形成されており、軸が回転すると動圧溝の部分で軸受流体に動圧が発生する。軸受部材の動圧溝の加工方法の一つとして、電解加工法が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

電解加工は、被加工物の加工部位に電極工具を対向させ、電解液を介在させた状態で電解溶出を集中させることにより行うものである。被加工物は、加工用電源の正極側に接続されており、負極側には電極工具が接続されている。この場合、被加工物としてはステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等が用いられる。電解液は、循環ポンプなどの供給手段により被加工物と電極工具との間に供給される。被加工物と電極工具との間に電解液を流動させた状態で、両者間に電圧をかけ通電が行われることにより、被加工物が電気化学的に溶出していき、電極工具の形状を反転した形状が被加工物に形成される。

動圧軸受に動圧溝を加工する場合は通常、特許文献１のように、筒状の軸受部材に円筒状の電極工具を挿入し、軸受部材の内周面と電極工具との間に電解液を流す。電極工具には、動圧溝のパターンに対応した突起からなる電解加工部が形成されており、軸受部材と電極工具との間に電解液を流動させた状態で、両者間に電圧をかけ通電させることで、電極工具の電解加工部に対向する部分のみ軸受部材の内周面が電解溶出し動圧溝が加工される。

しかし、シャフトなどのような円柱形状、あるいは円筒形状を有する部材の外周表面に動圧溝を加工する場合は、電解加工が困難であり、エンドミルを用いて機械的に加工していた。より具体的には、シャフトをNC旋盤に固定し、NC旋盤上に設置したスピンドルの先端に装着されたエンドミルによってシャフトの外周面に溝を形成していた。
特開平１０−８６０２０号公報

円柱形状や円筒形状を有する部材の外周表面に、動圧溝を加工・形成するニーズが高まったことにより、より高精度な動圧溝を短時間で加工することが要求されてきている。しかし、従来のエンドミルを用いた方法では、外周表面に微細な加工を短時間で高精度に施すことは困難であった。
そこで、本発明の目的は、軸受部材の外周表面に動圧溝を高精度に形成し、かつ加工時間を短縮することにある。

請求項１に記載の電解加工工具は、軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の工具であって、軸受部材の回りに配置されるリング部材と、リング部材の内周面に設けられた電解加工部とを備えている。
この電解加工工具によって、軸受部材の外周表面に動圧溝を高精度に加工し、かつ加工時間を大幅に短縮することが可能となる。

請求項２に記載の電解加工工具では、請求項１において、電解加工部は、軸方向に離れて配置された第１電解加工部と第２電解加工部とを有している。
この電解加工工具によって、軸受部材の外周表面の２カ所に動圧溝を高精度に加工し、かつ加工時間を大幅に短縮することが可能となる。

請求項３に記載の電解加工工具は、軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の工具であって、内周面に設けられた第１電解加工部を有する第１リング部材と、内周面に設けられた第２電解加工部を有する第２リング部材と、軸受部材の回りに配置され、第１リング部材と第２リング部材を軸方向に離れた位置に保持する保持リング部材とを備えている。
この電解加工工具によって、軸受部材の外周表面の２カ所に動圧溝を高精度に加工し、かつ加工時間を大幅に短縮することが可能となる。特に、第１リング部材と第２リング部材を別々に加工可能であるため、加工される部分の高さが低くなっており、そのため、それぞれについて機械加工が可能になる。その結果、加工精度が向上する。

請求項４に記載の電解加工工具では、請求項３において、保持リング部材は導電体からなる。電解加工工具は、保持リング部材の内周面において第１電解加工部と第２電解加工部の間の部分を覆う絶縁体をさらに備えている。
この電解加工工具によって、電解加工時に、軸受部材の非加工部に導電体が接触しなくなる。

請求項５に記載の電解加工工具の製造方法は、軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の電解加工工具を製造する方法であって、以下の工程を備えている。
◎導電体からなるリング部材の内周面に凹部を形成する第１工程
◎凹部に絶縁体を設けて電解加工部を形成する第２工程
この製造方法では、軸受部材の外周表面に高精度に短時間で溝を形成することができる電解加工工具を製造できる。

請求項６に記載の電解加工工具の製造方法は、軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の電解加工工具を製造する方法であって、以下の工程を備えている。
◎導電体からなる第１リング部材の内周面に凹部を形成する第１工程
◎導電体からなる第２リング部材の内周面に凹部を形成する第２工程
◎第１リング部材と第２リング部材を保持リング部材の軸方向に離れた位置に取り付ける第３工程
◎第１リング部材及び第２リング部材の凹部に絶縁体を設けることで、軸方向に離れた第１電解加工部と第２電解加工部とを形成する第４工程
この製造方法では、軸受部材の外周表面の２ヶ所に高精度に短時間で溝を形成することができる電解加工工具を製造できる。特に、第１及び第２工程において第１及び第２リング部材をそれぞれ別々に加工可能であるため、加工される部分の高さが低くなっており、そのため、それぞれについて機械加工が可能になる。その結果、加工精度が向上する。

請求項７に記載の電解加工装置は、軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための装置であって、請求項１〜５に記載の電解加工工具と、軸受部材を電解加工工具に対して位置決めする位置決め部材と、軸受部材と電解加工工具の間隙に電解液を供給する電解液供給部と、電解加工工具と軸受部材に電圧を印加する電圧印加部とを備えている。
この電解加工装置では、軸受部材の外周表面に動圧溝を高精度に短時間で加工することが可能となる。

請求項８に記載の電解加工方法は、軸受部材の外周表面に動圧溝を加工する方法であって、以下の工程を備えている。
◎軸受部材を請求項１〜５に記載の電解加工工具に挿入する第１工程
◎軸受部材の位置決めを行う第２工程
◎電解加工工具と軸受部材との間に、電解液を供給する第３工程
◎電解加工工具と軸受部材との間に電圧をかけ、電解液を介して通電させ、軸受部材の表面に動圧溝を加工する第４工程
この電解加工方法では、軸受部材の外周表面に動圧溝を高精度に短時間で加工することが可能となる。

本発明に係る電解加工工具、その製造方法、電解加工装置および電解加工方法により、動圧溝を軸受部材の外周表面に高精度に加工し、かつ加工時間を大幅に短縮することが可能となる。

（１）動圧軸受のシャフト
図１に、本発明の一実施形態が適用される動圧軸受のシャフト１を示す。シャフト１は、流体動圧軸受装置において回転部材は又は固定部材の一方に固定される軸受部材である。シャフト１は、図示しないスリーブの中に挿入され、スリーブの内周面との間に微少間隙を介して配置される。この微少間隙内には潤滑油や気体等の流体が充填され、両部材が相対回転すると間隙において動圧が発生し、回転体が支持される。

シャフト１の外周表面１ａには、流体中に動圧を発生させるための動圧溝２、３が軸線方向の表面上２箇所に形成されている。動圧溝２、３は回転方向に連続して並んだ複数の溝である。このように、スリーブの内周面と、シャフト１の外周表面１ａと、その間の潤滑油とによって、２つのラジアル動圧軸受部が軸線方向に並んで構成される。このラジアル動圧軸受部では、流体動圧は動圧溝２、３の連結部において極大となり、必要な荷重支持圧を実現する。これら動圧溝の加工精度が低下すると、動圧軸受の性能低下を招くため、高精度な動圧溝の加工・形成は、動圧軸受の性能を確保する上で非常に重要である。また、加工時間はできるだけ短いことが好ましい。

（２）電解加工装置の構造
図２に、本発明に係る電解加工装置５の構造の一例を示す。電解加工装置５は、主に、電解加工部７と、電解液循環装置９と、図示しない加工用電源とから構成される。

電解加工部７は、電解加工工具８を保持するとともにシャフト１を収容するための部材である。電解加工部７は、主に、スリーブ１２と、シャフト突き当て棒１３と、シャフト用チャック１４と、電解加工工具８とを有している。スリーブ１２は、筒状の部材であり、中心に中空部１２ａを有している。電解加工工具８（後述）は、スリーブ１２の中空部１２ａの下端に装着されている。具体的には、電解加工工具８は、スリーブ１２の中空部１２ａの下部１２ｂに嵌入されており、軸方向内側への移動は環状の突部１２ｃによって制限されている。シャフト突き当て棒１３は、中空部１２ａの上部に配置されている。シャフト突き当て棒１３は、セラミックス等から構成される。スリーブ１２には、電解液循環装置９からの電解液が流入してくる電解液流入口１５が形成されている。電解液流入口１５の軸方向位置は、シャフト突き当て棒１３の下端と、電解加工工具８との間である。

シャフト１は、上端及び溝加工部分がスリーブ１２の中空部１２ａ内に配置され、下端がスリーブ１２の下方に飛び出ている。シャフト１の上端面には、シャフト突き当て棒１３の先端面が当接している。シャフト１の下端部はシャフト用チャック１４によって保持されている。シャフト１の溝加工部分は、電解加工工具８に対応して配置されている。以上に述べた状態で、シャフト１は電解加工工具８に対して正確に位置決めされている。

電解液循環装置９は、電解液漕３２と、循環ポンプ３４とを備えている。電解液漕３２は、電解加工用の電解液３３を貯留するためのもので、配管３６ａにより循環ポンプ３４と接続されている。循環ポンプ３４は、シャフト１と電解加工工具８との隙間４０に電解液３３を連続的に流すためのもので、スリーブ１２の電解液流入口１５に配管３６ｂにより接続されている。スリーブ１２の下部は、配管３６ｃにより、電解液槽３２に接続されている。

加工用電源は、シャフト１と電解加工工具８との間に電圧をかけ電解液３３を介して通電させるためのものである。電解加工工具８には電極通電用プレート３７を介して負極側電極が接続されており、シャフト１にはシャフト用チャック１４を介して正極側電極が接続されている。

（３）電極工具の構造
図３に、本発明に係る電解加工工具８の構造を示す。電解加工工具８は、円柱、円筒部材の外周表面上に電解加工を行うものであり、２つの電極２１、２２からなる電解加工部２０と、両電極２１、２２を保持し固定する電極結合リング２３とから構成されている。

電極結合リング２３は、導電体からなり、２つの電極２１、２２を内周面において軸方向に離間して保持するための部材である。電極結合リング２３は、軸方向の上側及び下側に分割電極２１、２２を嵌め込むための凹部２３ｂ、２３ｃを有している。電極２１、２２は、導電体からなる本体２１ａ、２２ａと、その内周面に設けられた第１及び第２電解加工部２７、２８をそれぞれ有している。本体２１ａ、２２ａは、真鍮等の導電性部材からなる。第１及び第２電解加工部２７、２８は、導電部３１と絶縁体３８の組み合わせから構成されている。図６に示すように、導電部３１は、電極本体２１ａ、２２ａの内周面２１ｂ、２２ｂに、動圧溝に対応する形状で形成されており、電極本体２１ａ、２２ａの内周面２１ｂ、２２ｂに形成された複数の溝３５によって定められている。溝３５内には、絶縁体３８が配置されている。電極結合リング２３の内周面２３ａ（電極２１、２２の間の部分）は、絶縁体３９によって覆われている。絶縁体３９は絶縁体３８に連続している。

図３に示すように、電解加工工具８とシャフト１の外周表面１ａとの間には、半径方向に隙間４０が確保されている。

（４）電解加工工具の製造方法
電解加工工具８の製造方法について説明する。
図４に示すように、電極本体２１ａ、２２ａの溝３５は、本体２１ａ、２２ａの内周面２１ｂ、２２ｂに、ＮＣ旋盤上に設置されたエアスピンドルの先端に装着されたエンドミル４２で機械的にフライス加工する。この溝３５の溝幅は、０．１〜０．３ｍｍである。その際、図４に示すように、電極本体２１ａ、２２ａは、その軸がＮＣ旋盤のＺ軸に対して平行になるよう設置する。また、エンドミル４２の角度は、ＮＣ旋盤上のＸＹ平面となす角が約３０°〜６０°となるように加工部に当て、電極本体２１ａ、２２ａの内周面２１ｂ、２２ｂに接触しない限り、なるべく鈍角となるようにする。すなわち、電極本体２１ａ、２２ａの内周面２１ｂ、２２ｂに対してなるべく垂直にエンドミル４２を当てるように設定する。溝パターンがＺ軸方向に長く、分割電極を用いてもエンドミルが非加工部位に接触し、電極の奥側まで刃先が届かない場合がある。その場合は、溝３５を分割してフライス加工を行ってもよい。

以上に述べたように、電極２１の本体２１ａと電極２２の本体２２ａを別々に加工可能であるため、加工される部分の軸方向高さが低くなっており、そのため、それぞれについて機械加工が可能になる。その結果、溝３５の加工精度が向上する。
続いて、図５に示すように、電極本体２１ａ、２２ａを電極結合リング２３の内周面に形成されている凹部２３ｂ、２３ｃにそれぞれ圧入にて嵌めこみ、固定する。電極結合リング２３の内径は、電極本体２１ａ、２２ａの内径より大きい。言い換えると、電極結合リング２３の内周面２３ａは、電極本体２１ａ、２２ａの内周面２１ｂ、２２ｂより半径方向外側に凹んでいる。

さらに、図６に示すように、電極本体２１ａ、２２ａの溝３５と電極結合リング２３の内周面２３ａに絶縁体３８、３９を注入して、溝３５及び内周面２３ａを覆う。この結果、第１電極２１の第１電解加工部２７と第２電極２２の第２電解加工部２８を含む電解加工部２０ができる。絶縁材料を注入するだけでは絶縁体の内周面が均一な高さにならない場合、内周面に研磨等を行ってもよい。

従来であれば、軸方向に長い一つの電極部材に溝パターンを分割して形成していたため、非加工部位にもエンドミルが接触するという不具合が生じていた。しかし、本発明に係る実施形態では、軸方向離れた分割電極パターンを設ける際に、軸方向に短い２つの電極２１、２２を電極結合リング２３によって固定しているため、そのような不具合は発生しない。

（５）加工部材の外周表面への電解加工方法および工程
以下、シャフト１の外周表面１ａに電解加工する工程を説明する。
図２に示すように、電解加工装置５の電解加工部７の軸方向下部より、シャフト１を電解加工工具８及びスリーブ１２の中空部１２ａに挿入する。続いて、シャフト用チャック１４でシャフト１の下部を保持して、高さ方向（軸方向）の位置決めを行う。具体的には、シャフト１の下面をシャフト用チェック１４の底面に合わせる。次に、可動式のシャフト突き当て棒１３をシャフト１の上面に当接して、シャフト１を軸に対してズレないように固定する。シャフト１と電極２１、２２との隙間４０の距離精度は、より高精度な動圧溝を加工する際に重要であり、本例では、５０μｍとした。

続いて、循環ポンプ３４を駆動して、電解液３３を電解加工部７の内部に供給する。具体的には、電解液３３は、スリーブ１２の電解液流入口１５に流れ込み、さらにスリーブ１２の中空部１２ａから電解加工部２０の隙間４０を通過する。電解液３３は、シャフト１下側より抜け出て、再び、電解液槽３２に戻る。
この状態で、加工用電源によって電解加工工具８とシャフトチャック１４に電圧をかけることにより、シャフト１の外周表面１ａを溶融させて、所望の動圧溝２、３を形成する。

（６）その他の実施形態
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
電解加工工具における電解加工部の形状や位置や個数は、前記実施例に限定されない。
軸受部材としては、円筒部材にも本発明を適用できる。さらに、コーン軸受に用いられるコーン形状の軸受部材にも本発明を適用できる。

軸受部材としてのシャフトの正面図。 本発明に係る電解加工装置の例を示す構造図。 電極工具の縦断面概略図。 エンドミルを用いて電極本体に溝を加工する例を示す図。 電極本体を電極結合リングに装着した状態を示す縦断面概略図。 電極工具の部分縦断面概略図。

符号の説明

５ 電解加工装置
７ 電解加工部
８ 電解加工工具
１３ シャフト突き当て棒（位置決め部材）
１４ シャフト用チャック（位置決め部材）
２０ 電解加工部
２１ 第１電極
２１ａ 本体（リング部材、第１リング部材）
２２ 第２電極
２２ａ 本体（リング部材、第２リング部材）
２３ 電極結合リング（保持リング部材）
２７ 第１電解加工部
２８ 第２電解加工部
３１ 導電部
３５ 溝
３８ 絶縁体
３９ 絶縁体

Claims (8)

1. 軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の電解加工工具であって、
   前記軸受部材の回りに配置されるリング部材と、
   前記リング部材の内周面に設けられた電解加工部と、
   を備えている電解加工工具。
2. 前記電解加工部は、軸方向に離れて配置された第１電解加工部と第２電解加工部とを有している、請求項１に記載の電解加工工具。
3. 軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の電解加工工具であって、
   内周面に設けられた第１電解加工部を有する第１リング部材と、
   内周面に設けられた第２電解加工部を有する第２リング部材と、
   前記軸受部材の回りに配置され、前記第１リング部材と前記第２リング部材を軸方向に離れた位置に保持する保持リング部材と、
   を備えた電解加工工具。
4. 前記保持リング部材は導電体からなり、
   前記保持リング部材の内周面において前記第１電解加工部と前記第２電解加工部の間の部分を覆う絶縁体をさらに備えている、請求項３に記載の電解加工工具。
5. 軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の電解加工工具を製造する方法であって、
   導電体からなるリング部材の内周面に凹部を形成する第１工程と、
   前記凹部に絶縁体を設けて電解加工部を形成する第２工程と、
   を備えた電解加工工具の製造方法。
6. 軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置の電解加工工具を製造する方法であって、
   導電体からなる第１リング部材の内周面に凹部を形成する第１工程と、
   導電体からなる第２リング部材の内周面に凹部を形成する第２工程と、
   前記第１リング部材と前記第２リング部材を保持リング部材の軸方向に離れた位置に取り付ける第３工程と、
   前記第１リング部材及び前記第２リング部材の凹部に絶縁体を設けることで、軸方向に離れた第１電解加工部と第２電解加工部とを形成する第４工程と、
   を備えた電解加工工具の製造方法。
7. 軸受部材の外周表面に動圧溝を加工するための電解加工装置であって、
   請求項１〜５に記載の電解加工工具と、
   軸受部材を前記電解加工工具に対して位置決めする位置決め部材と、
   前記軸受部材と前記電解加工工具の間隙に電解液を供給する電解液供給部と、
   前記電解加工工具と前記軸受部材に電圧を印加する電圧印加部と、
   を備えた電解加工装置。
8. 軸受部材の外周表面に動圧溝を加工する電解加工方法であって、
   軸受部材を請求項１〜５に記載の電解加工工具に挿入する第１工程と、
   前記軸受部材の位置決めを行う第２工程と、
   前記電解加工工具と前記軸受部材との間に、電解液を供給する第３工程と、
   前記電解加工工具と前記軸受部材との間に電圧をかけ、前記電解液を解して通電させ、前記軸受部材の表面に前記動圧溝を加工する第４工程と、
   を備えた電解加工方法。
   
   

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