JP3602320B2 - 動圧型焼結含油軸受の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結金属製の軸受本体に潤滑油又は潤滑グリースを含浸させて自己潤滑機能を持たせると共に、軸受隙間に介在する油の動圧油膜によって軸の外周面を浮上支持する動圧型焼結含油軸受の製造方法に関する。本発明の製造方法によって製造された動圧型焼結含油軸受は、特にレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンミラー用や磁気ディスクドライブ（ＨＤＤ等）用のスピンドルモータなど、高速下で高回転精度が要求される機器や、ＤＶＤ−ＲＯＭ用のスピンドルモータのように、ディスクが載ることによって大きなアンバランス荷重が作用し高速で駆動する機器などに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような情報機器関連の小型スピンドルモータでは、回転性能のより一層の向上と低コスト化が求められており、そのための手段として、スピンドルの軸受部を転がり軸受から焼結含油軸受に置き換えることが検討されている。しかし、焼結含油軸受は、真円軸受の一種であるため、軸の偏心が小さいところでは、不安定振動が発生しやすく、回転速度の１／２の速度で振れ回るいわゆるホワールが発生しやすい欠点がある。そこで、軸受面にヘリングボーン形やスパイラル形などの動圧溝を設け、軸の回転に伴う動圧溝の作用によって軸受隙間に動圧油膜を発生させて軸を浮上支持（非接触支持）することが従来より試みられている（動圧型焼結含油軸受）。
【０００３】
従来、軸受面における動圧溝の成形方法として、軸受素材よりも硬質の複数個のボールを円周等間隔に配列保持した軸状の治具を軸受素材の内周面に挿入し、治具の回転と送りによってボールに螺旋運動を与えながら、ボールを素材内周面に加圧して動圧溝の形成領域を塑性加工する方法が知られている（特許第２５４１２０８号）。この方法では、成形時に動圧溝に隣接する領域で素材隆起が起こるので、これを旋盤やリーマで除去加工する必要がある（特開平８−２３２９５８号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来方法では、治具の回転駆動機構と送り機構が必要であるため、製造設備が複雑になる。また、軸受面における動圧溝に隣接する領域の後加工が必要であるため、製造工数が多くなる。
【０００５】
本発明は、傾斜状の動圧溝を有する軸受面の成形加工を簡易な設備で、少ない工数で、かつ、精度良く行うことができる製造方法を提供することを主目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、軸受面の動圧溝の形成領域を成形するための第１成形部と動圧溝の形成領域以外の領域を成形するための第２成形部を有する成形型を円筒状の焼結金属素材の内周面に挿入し、焼結金属素材を第１パンチと第２パンチとで軸方向両側から拘束した状態で、焼結金属素材の外周面をダイに圧入して圧迫力を加え、その内周面を成形型に加圧して塑性変形させることにより、軸受面の動圧溝の形成領域とそれ以外の領域とを同時成形し、その後、第１パンチと第２パンチとによる軸方向両側からの拘束状態を保持した状態で、焼結金属素材を成形型と伴にダイから抜き、焼結金属素材のスプリングバックを利用して、成形型を焼結金属素材の内周面から抜く構成を採用した。
【０００７】
焼結金属素材は、一種類以上の金属粉を混合して圧粉成形した後、焼成して所定の円筒形状の多孔質体としたものである。この焼結金属素材は銅又は鉄、あるいは、その両者を主成分としたものが望ましい。
【０００８】
焼結金属素材を第１パンチと第２パンチとで軸方向両側から拘束した状態でダイに圧入する構成としたのは次の理由による。一般の真円軸受（軸受面に動圧溝を有しない焼結含油軸受）の製造において、焼結金属素材の外周面をダイに圧入してサイジングする外径サイジングと呼ばれる工程があり、この工程では、通常、焼結金属素材の内周面にサイジングピンを挿入した状態で、素材を上パンチで加圧して押し下げてダイに圧入している。その際、下パンチをダイの成形孔の下方部で待機させ、素材を成形孔内である程度降下させて下パンチに当接させるか、あるいは、下パンチをダイの成形孔の入口部で待機させ、素材を受けた状態で上パンチに連動させて降下させて、素材を成形孔に圧入する方法が採られている。前者の方法では、圧入初期時、下パンチは素材に当接しておらず、素材は軸方向（上下方向）には上パンチによってのみ拘束（加圧）される。後者の方法では、下パンチは圧入初期から素材に当接するが、通常、下パンチはエアーシリンダによって昇降駆動されている場合が多く、シリンダロッドが素材の塑性流動圧を受けて押し戻される現象があるため、下パンチによる素材の拘束は充分にはなされない。いずれにしても、ダイへの圧入時、素材を主に上パンチによって軸方向の片側（上側）で拘束するものである。
【０００９】
しかしながら、素材の内周面を成形型に加圧して動圧溝を有する軸受面を成形する場合は、上記のような真円軸受の外径サイジングに比べてダイへの圧入代を大きくする必要があり、そのため、素材に対する軸方向拘束力が不充分であると、素材の塑性流動によって軸方向の伸びが生じ、軸受面の位置がずれる場合がある。例えば、図７に示すように、下パンチ１５を上パンチ１４と連動させて、素材１１をダイ１２の成形孔に圧入する方法を採用した場合、素材１１の塑性流動圧を受けた下パンチ１５（エアーシリンダ駆動）の戻り変位によって素材１１の下端面側に伸びが生じ｛図７（ｂ）｝、コアロッド１３の成形型１３ａによって成形される軸受面の位置が伸びの分だけ内側にずれてしまう。
【００１０】
そこで、本発明では、ダイへの圧入に伴う素材の軸方向の伸びを抑制し、軸受面の位置ずれを防止するため、素材を第１パンチと第２パンチとで軸方向両側から拘束した状態でダイに圧入する構成を採用した。
【００１１】
素材のダイへの圧入動作は、ダイを固定とし、成形型と、第１パンチ及び第２パンチとを連動させて行うこともできるが（第１パンチ及び第２パンチは素材を軸方向に拘束し得るものでなければならない）、成形型と第１パンチ及び第２パンチとによる素材の拘束位置を保持し、ダイを素材に対して軸方向移動させることにより行うのが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、この実施形態の製造方法により製造された動圧型焼結含油軸受の一形態を例示している。この焼結含油軸受１は、例えばレーザビームプリンタのスキャナモータ等において、ロータとステータとの間の例磁力によって高速回転するスピンドル軸をハウジングに対して回転自在に浮上支持（非接触支持）するものである。
【００１４】
焼結含油軸受１は、例えば銅又は鉄、あるいは、その両者を主成分とする焼結金属からなる軸受本体１ａと、潤滑油又は潤滑グリースの含浸によって軸受本体１ａの細孔内に保有された油（潤滑油又は潤滑グリースの基油）とで構成される。
【００１５】
軸受本体１ａの内周には、支持すべき軸の外周面と軸受隙間を介して対向する軸受面１ｂが形成され、その軸受面１ｂに傾斜状の動圧溝１ｃが形成されている。この実施形態では、２つの軸受面１ｂが軸方向に離間して形成されている。また、各軸受面１ｂは、軸方向に対して一方に傾斜した複数の動圧溝１ｃを円周方向に配列形成した第１領域と、第１領域から軸方向に離隔し、軸方向に対して他方に傾斜した複数の動圧溝１ｃを円周方向に配列形成した第２領域と、第１領域と第２領域との間に位置する環状の平滑領域１ｄとを備えている。第１領域および第２領域の背（動圧溝１ｃ間の領域）１ｅは、それぞれ平滑領域１ｄに連続している。軸受面１ｂには、動圧溝１ｃの形成領域を含む全領域にわたって表面開孔がほぼ均一に分布している。軸受本体１ａと軸との間に相対回転が生じると、第１領域と第２領域にそれぞれ逆向きに傾斜形成された動圧溝１ｃによって、軸受隙間内の油が平滑領域１ｄに向けて引き込まれて動圧油膜を形成し、その動圧油膜によって軸の外周面が軸受面１ｂに対して浮上支持（非接触支持）される。
【００１６】
上記のような軸受本体１ａは、銅又は鉄、あるいはその両者を主成分とする金属粉を圧粉成形し、さらに焼成して得られた図２に示す円筒形状の焼結金属素材１’に対して、例えばサイジング→回転サイジング→軸受面成形加工を施して製造することができる。
【００１７】
サイジング工程は、焼結金属素材１’の外周面と内周面のサイジングを行う工程で、焼結金属素材１’の外周面を円筒状のダイに圧入すると共に、内周面にサイジングピンを圧入する。サイジング代は、例えば、外周面について２０μｍ以下（直径量）、内周面について１０μｍ以下（直径量）で行われる。
【００１８】
回転サイジング工程は、多角形のサイジングピンを焼結金属素材１’の内周面に圧入し、これを回転させながら内周面のサイジングを行う工程である。サイジング代は、例えば５μｍ程度（直径量）で行われる。
【００１９】
軸受面成形工程は、上記のようなサイジング加工を施した焼結金属素材１’の内周面に、完成品１ａの軸受面１ｂに対応した形状の成形型を加圧することによって、軸受面１ｂの動圧溝１ｃの形成領域とそれ以外の領域（平滑領域１ｄ、背１ｅ）とを同時成形する工程である。この工程は、図３〜図５に示す工程（ａ）〜（ｅ）からなる。
【００２０】
この実施形態の軸受面成形工程で使用する成形装置は、焼結金属素材１’の外周面を圧入する円筒状のダイ２、焼結金属素材１’の内周面を成形するコアロッド３、焼結金属素材１’の両端面を上下方向（軸方向）から押さえる上パンチ４及び下パンチ５を主要な要素として構成される。６は、コアロッド３及び上パンチ４を駆動するラム（油圧ラム等）である。コアロッド３はラム６に連結されており、ラム６と一体となって昇降動作を行う。上パンチ４はラム６に連結されておらず、ラム６がある程度下降した後、ラム６に押されて下降動作を行う。下パンチ５は固定である。ダイ２は、図示されていない駆動手段によって昇降駆動される。
【００２１】
図５に拡大して示すように｛図３における工程（ｃ）、（ｅ）｝、コアロッド３の外周面には、完成品の軸受面１ｂの形状に対応した凹凸状の２つの成形型３ａが軸方向に離間して形成されている。図６に示すように、成形型３ａの凸状になった第１成形部３ａ１は軸受面１ｂにおける動圧溝１ｃの領域を成形し、凹状になった第２成形部３ａ２は動圧溝１ｃ以外の領域（環状の平滑領域１ｄ、背１ｅ）を成形するものである。成形型３ａにおける第１成形部３ａ１と第２成形部３ａ２との段差（深さ）は、軸受面１ｂにおける動圧溝１ｃの深さと同じ２〜４μｍ程度であるが、図６ではかなり誇張して図示されている。
【００２２】
図３（ａ）に示す初期状態において、ダイ２は下位置にあり、コアロッド３、上パンチ４、及びラム６は上位置にある。ダイ２は下パンチ５に摺動自在に外挿され、下パンチ５はダイ２の成形孔の上端入口部で待機して焼結金属素材１’の下端面を受ける。コアロッド３は、上パンチ４に摺動自在に挿入されている。
【００２３】
上記の初期状態（ａ）から、ラム６を下降させて、コアロッド３を焼結金属素材１’の内周面に挿入する｛図３（ｂ）｝。この時、焼結金属素材１’の内周面とコアロッド３の成形型３ａ（第１成形部３ａ１を基準）との間には内径すきまＴがある。内径すきまＴの大きさは、例えば５０μｍ（直径量）である。
【００２４】
そして、ラム６をさらに下降させて、上パンチ４に当て、上パンチ４をコアロッド３と伴に下降させて、焼結金属素材１’の上端面に押し当て、焼結金属素材１’を上パンチ４と下パンチ５によって上下方向から加圧して拘束する｛図３（ｃ）、図５（ｃ）｝。
【００２５】
その後、焼結金属素材１’の上下方向の拘束状態を保持しながらダイ２を上昇させて、焼結金属素材１’の外周面をダイ２の成形孔に圧入する｛図３（ｄ）、（ｅ）、図５（ｅ）｝。この時の圧入代Ｓは、例えば１５０μｍ（直径量）である。
【００２６】
焼結金属素材１’はダイ２と上下パンチ４、５から圧迫力を受けて変形を起こし、内周面がコアロッド３の成形型３ａに加圧される。内周面の加圧量は、圧入代Ｓ（直径量１５０μｍ）と内径すきまＴ（直径量５０μｍ）との差１００μｍ（直径量）に略等しく、内周面から深さ５０μｍ（半径量）までの表層部分がコアロッド３の成形型３ａに加圧され、塑性流動を起こして成形型３ａに食い付く。これにより、成形型３ａの形状が焼結金属素材１’の内周面に転写され、軸受面１ｂが図１に示す形状に成形される。
【００２７】
軸受面１ｂの成形が完了した後、焼結金属素材１’の上下方向の拘束状態を保持した状態でダイ２を下降させて｛図４（ｆ）｝、焼結金属素材１’をダイ２から抜き｛図４（ｇ）｝、その後、ラム６の上昇により、コアロッド３および上パンチ４を上昇させて（上パンチ４の上昇は図示されていない駆動手段又は復帰手段によってなされる）、コアロッド３を焼結金属素材１’の内周面から抜く｛図４（ｇ）、（ｈ）｝。焼結金属素材１’をダイ２から抜くと、焼結金属素材１’にスプリングバックが生じ、その内径寸法が拡大するので、軸受面１ｂの動圧溝１ｃを崩すことなく、焼結金属素材１’の内周面からコアロッド３の成形型３ａを抜き取ることができる。これにより、軸受本体１ａが完成する。尚、焼結金属素材１’のスプリングバック量の半径量が動圧溝１ｃの深さよりも大きい場合は、成形型３ａを焼結金属素材１’の内周面に干渉させることなく離型することができるが、焼結金属素材１’のスプリングバック量の半径量が動圧溝１ｃの深さよりも小さく、成形型３ａが焼結金属素材１’の内周面に多少干渉する場合であっても、焼結金属素材１’の材料弾性による拡径量（半径量）を付加して、軸受面１ｂの形状を崩すことなく成形型３ａを離型できれば良い。
【００２８】
以上のような工程を経て軸受本体１ａを製造し、これに潤滑油又は潤滑グリースを含浸させて油を保有させると、図１に示す動圧型焼結含油軸受１が完成する。尚、軸受面の形状は同図に示すものに限らず、例えばＶ字形状やスパイラル状の動圧溝を形成したものでも良い。また、軸受本体に１つの軸受面を形成したものでも良い。これらは、コアロッドの成形型の形状、個数を変えることによって対応することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以下の効果を有する。
【００３０】
（１）焼結金属素材を第１パンチと第２パンチとで軸方向両側から拘束した状態でダイに圧入するので、圧入時における素材の軸方向の伸びが抑制され、軸受面の成形位置が正確に決まる。また、焼結金属素材のスプリングバックにより、軸受面の動圧溝を崩すことなく、焼結金属素材の内周面から成形型を抜き取ることができる。
【００３１】
（２）ダイを軸方向に移動させて焼結金属素材の圧入を行う構成とすることにより、第１パンチと第２パンチとを同期して連動させる機構が不要となる。そのため、製造装置が簡略になり、また、同期のタイミングのずれ等による成形精度の低下の心配もない。
【００３２】
（３）従来方法のような治具の回転駆動機構を必要としないので、製造装置を簡素にすることができる。
【００３３】
（４）軸受面の全領域を同時成形するので、従来方法に比べ、軸受面の後加工を不要にして、加工工数を削減することができる。また、軸受面の成形精度も高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる動圧型焼結含油軸受の一形態を示す断面図である。
【図２】軸受本体の素材となる焼結金属素材を示す断面図である。
【図３】軸受面の成形工程を概念的に示す断面図である。
【図４】軸受面の成形工程を概念的に示す断面図である。
【図５】図３における工程（ｃ）、工程（ｅ）を示す要部拡大断面図である。
【図６】軸受面を成形するコアロッドの成形型を示す図である。
【図７】軸受面の成形工程の比較例を示す図である。
【符号の説明】
１ 動圧型焼結含油軸受
１ａ 軸受本来
１ｂ 軸受面
１ｃ 動圧溝
１’ 焼結金属素材
２ ダイ
３ａ 成形型
４ 上パンチ
５ 下パンチ

Claims (2)

1. 円筒状の焼結金属素材の内周面に傾斜状の動圧溝を有する軸受面を成形して軸受本体を形成し、その軸受本体の内部の細孔内に潤滑油又は潤滑グリースの含浸によって油を保有させる動圧型焼結含油軸受の製造方法であって、
   上記軸受面の動圧溝の形成領域を成形するための第１成形部と動圧溝の形成領域以外の領域を成形するための第２成形部を有する成形型を上記焼結金属素材の内周面に挿入し、
   上記焼結金属素材を第１パンチと第２パンチとで軸方向両側から拘束した状態で、上記焼結金属素材の外周面をダイに圧入して圧迫力を加え、その内周面を上記成形型に加圧して塑性変形させることにより、上記軸受面の動圧溝の形成領域とそれ以外の領域とを同時成形し、
   その後、上記第１パンチと第２パンチとによる軸方向両側からの拘束状態を保持した状態で、上記焼結金属素材を上記成形型と伴に上記ダイから抜き、上記焼結金属素材のスプリングバックを利用して、上記成形型を上記焼結金属素材の内周面から抜くことを特徴とする動圧型焼結含油軸受の製造方法。
2. 上記焼結金属素材のダイへの圧入を、ダイの焼結金属素材に対する軸方向移動により行う請求項１記載の動圧型焼結含油軸受の製造方法。

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