動壓軸承的製造方法
2023-10-23 23:33:57 4
專利名稱：動壓軸承的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種可使潤滑油等潤滑用流體發生動壓而得到高的軸承剛性的動壓軸承的製造方法，特別涉及一種用於使燒結軸承具有高的尺寸精度且以高精度按照希望的形狀形成軸向動壓凹部與徑向動壓凹部雙方的製造方法。在本發明中得到的動壓軸承適合作為備有記錄盤驅動裝置等的主軸電動機的軸承。
背景技術：
上述主軸電動機作為驅動源廣泛使用於驅動磁碟或者CD、DVD等光碟並在這些盤上進行信息的讀寫的盤驅動裝置等各種信息機器上。又，上述主軸電動機作為驅動源也廣泛使用於雷射印表機等鏡面驅動裝置上。作為這種主軸電動機的軸承多採用球軸承，但其在旋轉精度、高速性、消音性方面有界限，作為這些特性優良的軸承而使用非接觸型的動壓軸承。
所謂動壓軸承是在軸與軸承之間的微小間隙上形成由潤滑油形成的油膜、通過軸的旋轉而使該油膜高壓化從而高剛性地支承軸的軸承，該動壓通過形成在軸或軸承的某一方上的、主要由槽形成的凹部而有效地發生。主軸電動機用的軸承是承受軸向及徑向雙方的載荷的結構，在動壓發生用的上述凹部形成在軸承上的情況下，分別形成在承受軸向載荷的軸承的端面(軸向面)與承受徑向載荷的軸承內周面(徑向面)上。作為這樣的動壓軸承，可含有潤滑油而自補給、並且容易形成動壓發生用的上述凹部且批量生產率高等，所以優選地使用燒結軸承。
燒結軸承是向將金屬粉末壓縮成形的壓粉體燒結而得到的燒結體(多孔質體)的氣孔中填充潤滑油，在含油狀態下使用的。潤滑油從燒結軸承滲出，象上述那樣的與軸之間的微小間隙上形成油膜，流入到動壓凹部內的潤滑油與軸的旋轉相對應地高壓化從而高軸承剛性地支承軸。如這樣的動壓凹部是對燒結軸承原材料通過塑性加工而形成的。
在主軸電動機的軸承中有與徑向面相比軸向面側的動壓較大地設定的情況。為了增大軸向面的動壓，只要壓碎該表面的氣孔而使其緻密化，以防止潤滑油的漏出、即動壓的洩漏而確保油壓即可。又，該構造由於有助於摩擦阻力的降低和耐久性的提高所以優選。作為軸向面的封孔處理手段，通過特開平8-33260號公報或特開平11-51055號公報等公開了實施超聲波加工對軸向面進行封孔處理，利用這種方法可在短時間內有效地實施封孔處理。
上述超聲波加工採用如下方法，即例如在將一端面作為軸向面的燒結軸承的情況下，將其相反側的端面放到硬質的臺上、將超聲波振動體從上方按壓到一端面上並施加超聲波振動。但是，這種方法由於在軸方向上承受應力，所以燒結軸承原材料的內周面的兩端部向內側稍微突出而產生變形。由此產生很難得到尺寸精度高的動壓軸承的問題。這樣的問題可通過提高燒結軸承原材料的密度並將硬度較高地設定而消除。但是，在這種情況下會產生新問題，即向徑向面上形成徑向動壓凹部很難通過塑性加工而形成。
燒結軸承原材料的密度通常為6.5Mg/m3左右，以該密度如上述那樣容易形成徑向動壓凹部，但是有軸向動壓凹部由於硬度有點不足很難鋒利地形成的傾向，又，在超聲波加工後形成軸向動壓凹部上，由於超聲波加工而產生軸孔兩端部的直徑稍微收縮的變形。另一方面，若燒結軸承原材料的密度過高，雖然則由於超聲波加工產生的影響較小可抑制變形，但是相反徑向動壓凹部由於較硬則很難形成。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種可抑制由於軸向面的超聲波加工而產生的燒結軸承原材料的變形，並且將軸向側及徑向側這兩方的動壓凹部形成為希望的形狀那樣的動壓軸承的製造方法。
本發明的特徵在於，對密度調整為6.6～7.4Mg/m3的圓筒狀的燒結軸承原材料的形成軸向動壓凹部的端面實施超聲波加工，使該端面比前述密度更緻密化，此後，在該端面上形成軸向動壓凹部，接著在燒結軸承原材料的軸孔內周面上形成徑向動壓凹部。
本發明中由於通過超聲波加工對軸向面進行封孔處理，所以防止了在軸向面上的動壓的洩漏而適合作為承受較大的軸向載荷的主軸電動機用的動壓軸承。此時，由於在本發明中使用的燒結軸承原材料密度調整為比通常高的6.6～7.4Mg/m3，所以與通常相比也提高了硬度和剛性。由此，即使在發生軸向動壓的端面(軸向面)上一邊負載在軸方向上的應力一邊施加超聲波加工，也可抑制兩端的內周面向內側突出的變形，其結果可得到尺寸精度高的動壓軸承。又，若在如這樣緻密化了的軸向面上形成軸向動壓凹部，則軸向動壓凹部可鋒利地形成，得到希望那樣的形狀。
在形成上述軸向動壓凹部後，在燒結軸承原材料的內周面上形成徑向動壓凹部，但是在本發明中燒結軸承原材料的密度調整為比通常高，但並不過高到塑性加工困難的水平。由此，將徑向動壓凹部採用以下方法形成為希望那樣的形狀，即用形成有突條的銷並使銷穿過、或用形成有突條的型芯進行再壓而複製等。又，若用這樣的方法形成徑向動壓凹部，則由於可降低徑向動壓凹部的氣孔率，所以容易確保油壓並容易得到高的徑向動壓。
本發明的軸向動壓凹部優選地為可有效地得到軸向動壓的形狀，例如，列舉了隨著朝向端面的一圓周方向一邊向其內周側彎曲一邊延伸的多個螺旋槽，或者呈V字狀且收斂於頂點的方向是沿著前述端面的一圓周方向排列的多個人字槽。
又，本發明的徑向動壓凹部優選地為可有效地得到徑向動壓的形狀，列舉了例如與前述燒結軸承原材料的外徑不同心、且隨著朝向前述一圓周方向向內周側縮徑的多個圓弧面。
本發明的燒結軸承原材料由於對上述各動壓凹部加工容易且可同時實現加工精度和強度兩方面，所以適合的成分為含有鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％。
根據本發明的動壓軸承，由於形成軸向及徑向動壓凹部的燒結軸承原材料的密度規定為6.6～7.4Mg/m3，對軸向面進行超聲波加工使其緻密化後形成軸向動壓凹部，此後，在燒結軸承原材料的內周面上形成徑向動壓凹部，所以起到以下效果，即可抑制由於軸向面的超聲波加工而產生的燒結軸承原材料的變形而得到高的尺寸精度，防止軸向面的動壓洩漏得到高的軸向動壓，並且可將軸向側及徑向側雙方的動壓凹部形成為希望那樣的形狀。
圖1是本發明的一實施方式的動壓軸承的縱剖視圖。
圖2是一實施方式的動壓軸承的俯視圖。
圖3是圖1的III-III線的箭頭方向觀察的剖視圖。
圖4是表示通過超聲波加工裝置對燒結軸承原材料的上端面實施超聲波加工的狀態的側視圖。
圖5是表示通過再壓用金屬模在燒結軸承原材料的上端面上形成螺旋槽的狀態的側視圖。
圖6是表示通過內周面加工裝置在燒結軸承原材料的內周面上形成有分離槽及圓弧面的狀態的側視圖。
圖7是使用一實施方式的動壓軸承的軸承組件的縱剖視圖。
圖8是表示軸向動壓凹部的其他方式(人字槽)的動壓軸承的俯視圖。
圖9A～圖9E是表示在實施例中進行地對螺旋槽的形成面的表面粗糙度沿圓周方向測定的結果的圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的一實施方式進行說明。
圖1表示利用一實施方式的製造方法而製造的圓筒狀的動壓軸承1，圖2是動壓軸承1的俯視圖，圖3是圖1的III-III線的箭頭方向觀察的剖視圖。這些圖1及圖3中的附圖標記2是通過動壓軸承1而旋轉自如地支承的軸。
在動壓軸承1的一端面(圖1中上端面)11上，如圖2所示在圓周方向上隔開等間隔地形成有多個(這種情況下為12根)螺旋槽12，該螺旋槽12是隨著朝向軸2的旋轉方向R一邊向內周側彎曲一邊延伸的。這些螺旋槽12的外周側的端部在外周面開口，而內周側的端部在軸孔13的內周面14上不開口而閉塞。動壓軸承1的上端面11是承受來自軸2的軸向載荷的軸向面，螺旋槽12是軸向動壓發生用的軸向動壓凹部。
另一方面，在動壓軸承1的內周面14上，如圖3所示在圓周方向上隔開等間隔地形成有多個(這種情況下為5個)分離槽15，該分離槽15剖面呈半圓弧狀且在兩端面間沿著軸方向筆直地延伸。在內周面14的各分離槽15之間形成有圓弧面16，該圓弧面16的形狀為相對於動壓軸承1的外徑的軸心P偏心並隨著朝向軸2的旋轉方向R而向內周側縮徑。動壓軸承1的內周面14是承受來自軸2的徑向載荷的徑向面，圓弧面16是徑向動壓發生用的徑向動壓凹部。
上述各圓弧面16與動壓軸承1的外徑不同心，各圓弧面16的中心隔開等間隔地存在於軸心P的周圍、即與該軸心P同心的圓周方向上。圓弧面16與軸2的外周面之間的微小間隙通過這樣的圓弧面16的形狀形成為朝向軸2的旋轉方向而逐漸狹小的剖面楔狀。
動壓軸承1是將原料粉末壓縮成形的成形體燒結後的燒結軸承，以下對其製造方法進行說明。
(1)原料粉末的成形～燒結例如將鐵粉與銅粉等原料粉末以適當的組成混合的混合粉末填充到粉末成形用的金屬模內進行壓縮成形，從而得到與製造的動壓軸承1近似形狀的壓粉體。另外，作為使用的原料粉末，優選地採用如鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％組成那樣鐵粉與銅粉大致同質量，其餘含有幾wt％的錫粉。
即，在以加工性良好的銅作為主要成分的燒結材料的特性上，由於含有較多的鐵而使強度提高，進而，由於含有錫而使對於軸2的磨合性和塑性加工性進一步提高。由此，使通過塑性加工而形成分離槽15、圓弧面16及螺旋槽12變得容易，而且降低了摩擦係數，提高了耐磨耗性。
接著，以與原料粉末對應的溫度及時間對壓粉體進行加熱燒結，得到圓筒狀的燒結軸承原材料。在本發明的實施方式中，為了將燒結軸承原材料的密度調整為6.6～7.4Mg/m3，對原料粉末在壓縮成形時的壓力及燒結時的溫度等進行控制。
(2)燒結軸承原材料的加工A.上端面(軸向面)的超聲波加工使用圖4所示的超聲波加工裝置4對燒結軸承原材料1A的軸向面、即上述上端面11實施超聲波加工，對該面進行封孔處理。超聲波加工裝置4由如下構成模具41，成為基臺且由超鋼製成；振子42，由未圖示的升降裝置升降自如地支承且發出超聲波；凹模43，呈圓錐狀、軸向與鉛直方向一致且大徑側配置於上側、該大徑側的端面安裝到振子42上；圓盤狀的刀具44，刀具44固定於凹模43的下端面上。
使用該裝置4首先將以軸方向作為上下方向的燒結軸承原材料1A載置到位於刀具44的正下方的模具41的表面上。接著，使振子42下降而使刀具44與燒結軸承原材料1A的上端面11抵接進而成為按壓狀態，接著使振子42工作。結果凹模43在軸方向上發出高頻振動的超聲波，該超聲波從刀具44傳到燒結軸承原材料1A上。由此對刀具44抵接的燒結軸承原材料1A的上端面11反覆施加衝擊，以高速且小振幅的反覆振動而施加刻紋加工，該上端面11的壁產生塑性流動而對露出於表面的氣孔進行封孔。
在該超聲波加工中，用刀具44對燒結軸承原材料1A進行按壓的按壓力、高頻振動的輸出功率及頻率在進行封孔處理的適當的範圍內適宜地選擇。例如在按壓力為70～700kPa、高頻振動的輸出功率及頻率分別為50～2000W、10～50kHz下進行，根據這些條件可在1～5秒左右的處理時間下充分進行封孔而成為實施了拋光的狀態。
B.在上端面(軸向面)上形成螺旋槽如圖5所示，將經過上述A工序的燒結軸承原材料1A如圖示那樣安置在備有模具51、上下衝頭52、53及心棒54的精壓或壓花用的再壓金屬模5上，用上下衝頭52、53對燒結軸承原材料1A在軸方向上進行再壓，與該再壓同時在進行了封孔處理的上端面11上形成螺旋槽12。在這種情況下，在上衝頭52的衝頭面上形成可形成螺旋槽12的多個凸部52a，將該凹型的衝頭面向燒結軸承原材料1A的上端面11上進行衝擊而刻印凸部52a，從而形成螺旋槽12。
C.在內周面(徑向面)上形成分離槽及圓弧面圖6表示備有上下模具61、62、凹型銷63的內周面加工裝置6，利用該裝置6，在固定狀態的下模62上載置上模61，將經過上述B工序的燒結軸承原材料1A嵌入並安置到上模61內。通過將可形成分離槽15及圓弧面16的凹型銷63從上方壓入到燒結軸承原材料1A的軸孔13中，在內周面14上形成分離槽15及圓弧面16。
此後，將凸型銷63從燒結軸承原材料1A中拔出並將燒結軸承原材料1A從上模61中拔出而得到在上端面11上形成有螺旋槽12、在內周面14上形成有分離槽15及圓弧面16的動壓軸承1。
以上那樣得到的動壓軸承1作為例如圖7所示的硬碟驅動裝置用的主軸電動機的動壓軸承組件3的軸承而使用。該動壓軸承組件3旋轉自如地支承軸2，將形成有螺旋槽12的表面(上端面11)配置於上側並收容到圖中上方開口的有底圓筒狀的殼體31內。
殼體31由圓筒體32與圓盤狀的板33構成，該板33是用鉚接或者焊接、粘接等方法固定結合到該圓筒體32的下側的開口內周邊上而堵住該開口。將動壓軸承1壓入或嵌入到圓筒體32內的狀態通過焊接、粘接等方法固定結合到殼體31內。
將軸向墊圈22嵌合併固定結合到軸2的軸主體21上，軸主體21從圖中上方插入到動壓軸承1的軸孔13中，軸向墊圈22與動壓軸承1的、形成有螺旋槽12的上端面11對置地配置。軸2的徑向載荷由動壓軸承1的內周面14承受，軸2的軸向載荷由動壓軸承1的上端面11承受。向動壓軸承1的內周面14與軸主體21之間以及動壓軸承1的上端面11與軸向墊圈22之間形成供給潤滑油的微小間隙。該動壓軸承組件3中在比軸主體21的軸向墊圈22靠上方的部分上經由轉動軸輪轂搭載有記錄磁碟。
在殼體31的開口端部上固定連結有由環狀的板材構成的蓋部件34。利用該蓋部件34可抑制上述潤滑油的飛濺並且使浮上的軸2的軸向墊圈22與蓋部件34抵接，從而防止軸2脫落。
上述動壓軸承組件3是在動壓軸承1上滲透潤滑油作成含油軸承。若插入軸孔13中的軸2沿圖2及圖3所示的箭頭R方向旋轉，則滲出貯存在內周面14的各分離槽15中的潤滑油高效地捲入到軸2上並進入圓弧面16與軸2之間的楔狀的微小間隙中，從而形成油膜。進入到該微小間隙的潤滑油通過流動到微小間隙的狹小側而產生楔子效果，形成高壓從而發生高的徑向動壓。這樣，油膜高壓化的部分與圓弧面16相對應地在圓周方向上隔開等間隔地發生，由此軸2的徑向載荷被平衡好、剛性高地支承著。
另一方面，潤滑油也滲出貯存到在動壓軸承1的上端面11上形成的螺旋槽12內，該潤滑油的一部分通過軸2的旋轉而從螺旋槽12內流出、在上端面11與軸向墊圈22之間形成油膜。又，保持於螺旋槽12內的潤滑油從螺旋槽12內的外周側向內周側流動，在內周側的端部上發生最高壓化的軸向動壓。該軸向動壓由軸向墊圈22承受，從而軸2處於稍微浮上的狀態，由此軸向載荷被平衡好、剛性高地支承而軸2處於稍微浮上的狀態，由此軸向載荷被平衡好、剛性高地支承著。
根據上述動壓軸承的1的製造方法，由於將加工前的燒結軸承原材料1A的密度調整為比通常高的6.6～7.4Mg/m3，所以該燒結軸承原材料1A與通常相比也提高了硬度和剛性。由此，即使對發生軸向動壓的上端面11一邊負載在軸方向上的應力一邊施加超聲波加工，也可抑制內周面14的兩端部向內側突出，其結果使動壓軸承1的尺寸精度變高。
又，通過利用超聲波加工對上端面11實施封孔處理而可防止軸向動壓的洩漏，適合作為承受較大的軸向載荷的主軸電動機用的軸承而使用。進而，形成於緻密化了的上端面11上的螺旋槽12可鋒利地形成而得到希望那樣的形狀。
接著，在形成螺旋槽12後，在燒結軸承原材料1A的內周面14上形成分離槽15及圓弧面16，但是由於燒結軸承原材料1A的密度調整為比通常高、且並不過高到塑性加工困難的水平，所以可將分離槽15及圓弧面16形成為希望那樣的形狀。又，內周面14由於密度比通常高而比較硬，所以也可將分離槽15及圓弧面16鋒利地形成，並且由於氣泡率比較低所以容易確保油壓、且容易得到高的徑向動壓。
另外，作為軸向動壓凹部，除了圖2所示的螺旋槽12外也優選地採用圖8所示的多個人字槽17。該人字槽17呈V字狀在圓周方向上隔開等間隔地排列著，收斂於其頂點的方向是沿著軸2的旋轉方向R形成的。每個人字槽17整體是朝向軸2的旋轉方向R向內周側彎曲的形狀，與上述螺旋槽12同樣外周側的端部在外周面開口，內周側的端部在軸孔13的內周面14上開口。
實施例接著，對本發明的實施例進行說明，從而明了本發明的效果。
作為原料粉末使用銅粉49質量％、鐵粉49質量％及錫粉2質量％的混合粉末，改變成形壓力進行壓縮成形，將得到的壓粉體燒結，製作8種密度為6.5～7.6Mg/m3的燒結軸承原材料。對於這些燒結軸承原材料，利用上述實施方式中所述的方法，除去用於比較的一種，對一端面通過超聲波加工進行封孔處理，接著，在該一端面上形圖2所示相同的分離槽及圓弧面，從而得到表1所示的試料序號1～8的動壓軸承。在這種情況下，試料序號5為不實施超聲波加工的試料。
表1
再壓後的軸承的內徑尺寸具有上端部較大、下端部較小的傾向，若該差值較大，則徑向動壓在下端部較大、在上端部較小，軸的振動增加。由此，對於試料序號1～8的動壓軸承測定軸承上端部、中央部、下端部的內徑尺寸，將這些尺寸的最大值與最小值的差作為圓柱度來評價。即，圓柱度越小則上下端面的尺寸差越小，徑向動壓越均一而可抑制軸的振動。該圓柱度一起記錄在表1中。
根據表1判斷出隨著燒結軸承原材料的密度的提高內徑的圓柱度漸漸變大，若燒結軸承原材料的密度超過7.4Mg/m3則內徑的圓柱度急劇增大。由此從圓柱度的角度考慮，判斷出燒結軸承原材料的密度有必要在7.4Mg/m3以下、特別優選地為7.0Mg/m3以下。
進而，對於表1的試料序號1、2、4、5、7的試料，沿圓周方向測定螺旋槽的形成面的表面粗糙度。其結果在圖9A～圖9E中表示。根據圖9A～圖9E判斷出若將燒結軸承原材料密度相同、有無進行超聲波加工不同的試料序號4(圖9C)與試料序號5(圖9D)的動壓軸承進行比較，則實施了超聲波加工的試料序號4的動壓軸承由於通過超聲波加工端面的氣孔被填充而使表面粗糙度變小，所以可有效地防止動壓的洩漏。又，判斷出螺旋槽的邊緣清晰並可得到希望的動壓。
另一方面，判斷出在未實施超聲波加工的試料序號5的動壓軸承中由於存在多個表面粗糙度局部較大的部位、即殘留有氣孔、所以發生動壓的洩漏。又，判斷出螺旋槽的邊緣不明了，發生的動壓效果也較小。根據以上確認了在於軸承端面上形成螺旋槽之前實施超聲波加工來對端面進行封孔處理而產生的效果。
根據圖9A～圖9E判斷出燒結原材料的密度不足6.6Mg/m3的試料序號1的試料(圖9A)的動壓軸承無論是否實施了超聲波加工均存在多個表面粗糙度局部較大的部分，因此殘留有氣孔且螺旋槽的邊緣不明了。考慮到這是由於燒結原材料的密度較低、即燒結軸承原材料的氣孔量過多，即使實施超聲波加工氣孔的填充也不充分。
另一方面，判斷出在燒結原材料的密度為6.6Mg/m3以上的試料序號2(圖9B)、試料序號4(圖9C)、試料序號7(圖9E)中表面粗糙度較小、即氣孔被填充，螺旋槽的邊緣清晰。由此，判斷出燒結軸承原材料的密度有必要在6.6Mg/m3以上。
根據以上確認了在於燒結軸承原材料的端面上形成軸向動壓凹部之前對燒結軸承原材料的端面實施超聲波加工的效果、及在這種情況下燒結軸承的密度以6.6～7.4Mg/m3，優選地以6.6～7.0Mg/m3為好。
權利要求
1.一種動壓軸承的製造方法，其特徵在於，對密度調整為6.6～7.4Mg/m3的圓筒狀的燒結軸承原材料的形成軸向動壓凹部的端面實施超聲波加工，使該端面比前述密度更緻密化，此後，在該端面上形成軸向動壓凹部，接著在燒結軸承原材料的軸孔內周面上形成徑向動壓凹部。
2.如權利要求1所述的動壓軸承的製造方法，其特徵在於，前述動壓軸承凹部是隨著朝向前述端面的一圓周方向一邊向內周側彎曲一邊延伸的多個螺旋槽，或者是呈V字狀收斂於頂點的方向沿著前述端面的一圓周方向排列的多個人字槽。
3.如權利要求1所述的動壓軸承的製造方法，其特徵在於，前述徑向動壓凹部是與前述燒結軸承原材料的外徑不同心、且隨著朝向前述一圓周方向向內周側縮徑的多個圓弧面。
4.如權利要求1所述的動壓軸承的製造方法，其特徵在於，前述燒結軸承原材料是含有鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％的燒結合金。
全文摘要
本發明的動壓軸承的製造方法，其特徵在於，對密度調整為6.6～7.4Mg/m
文檔編號F16C33/10GK1766357SQ200510118510
公開日2006年5月3日 申請日期2005年10月27日 優先權日2004年10月27日
發明者德島秀和, 松村隆志, 近藤誠, 新居勝敏 申請人:日立粉末冶金株式會社