專利名稱：動(dòng)壓流體軸承裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用流體的動(dòng)壓的動(dòng)壓流體軸承裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，使用了磁盤等旋轉(zhuǎn)的記錄媒體的記錄裝置，在其存儲(chǔ)容量增加的同時(shí)，數(shù)據(jù)的傳送速度也在高速化。為此，對(duì)這種記錄裝置上使用的光盤等的軸承裝置就要求高速并高精度地旋轉(zhuǎn)。為此，作為軸承裝置使用了動(dòng)壓流體軸承裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1)。
下面，參照?qǐng)D8到圖12，對(duì)以往的動(dòng)壓流體軸承裝置進(jìn)行說(shuō)明。
圖8是表示包含動(dòng)壓流體軸承裝置的主軸電動(dòng)機(jī)的典型的以往例的剖面圖。在中央部，圖示有動(dòng)壓流體軸承裝置，在兩端部圖示有主軸電動(dòng)機(jī)部。在圖8中，軸111可旋轉(zhuǎn)地插在套筒112的軸承孔112a中。軸111具有在圖8中的下端部一體地構(gòu)成的凸緣113。凸緣113被收容在安裝于底座117上的套筒112的階梯部中，與推力板114相對(duì)向并能夠旋轉(zhuǎn)。在軸111上安裝有固定了旋轉(zhuǎn)磁鐵120的旋轉(zhuǎn)輪轂118。在底座117上安裝有與旋轉(zhuǎn)磁鐵120對(duì)向的電動(dòng)機(jī)定子119。在套筒112的軸承孔112a的內(nèi)周面上設(shè)置有在本領(lǐng)域所熟知的箭尾形狀(Herringbone Pattern)的2組動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b。在凸緣113的與套筒112的階梯部對(duì)向的面上設(shè)置有同樣所熟知的動(dòng)壓產(chǎn)生槽113a，在凸緣113的、與推力板114對(duì)向的面上設(shè)置有動(dòng)壓產(chǎn)生槽113b。在包含動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b、113a、113b的、軸111及凸緣113和套筒112之間的間隙中填充有油130。
下面，對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的以往的動(dòng)壓流體軸承裝置的工作進(jìn)行以下的說(shuō)明。
在圖8中，如果給電動(dòng)機(jī)定子119通電，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且旋轉(zhuǎn)磁鐵120、旋轉(zhuǎn)輪轂118、軸111和凸緣113開始向規(guī)定的方向旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，由動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b、113a、113b向油130產(chǎn)生泵吸壓力，且軸111及凸緣113上浮，以非接觸狀態(tài)在推力板114及軸承孔112a的內(nèi)周面旋轉(zhuǎn)。
軸111通過(guò)填滿到套筒112的軸承孔112a內(nèi)的油130潤(rùn)滑而旋轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，油的粘度，如圖9所示，如果溫度降低，則以指函數(shù)方式增加。軸111旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的旋轉(zhuǎn)阻力與油的粘度成正比，因此，在低溫下軸111的旋轉(zhuǎn)阻力增加，損失力矩增加，電動(dòng)機(jī)的消耗電力增加。相反，在高溫下，油的粘度降低，旋轉(zhuǎn)阻力減少，但是與油的粘度成正比的動(dòng)壓流體軸承裝置的軸承剛性降低，軸振動(dòng)(軸111在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中在軸承孔112a中搖動(dòng)的現(xiàn)象)增加。由套筒112的軸承孔112a的半徑與軸111的半徑的差所定義的“半徑間隙”，在理論上與軸承剛性的3次方成反比，并且與損失力矩成反比。軸承孔112a和軸111的半徑間隙，由于在低溫下會(huì)降低隨著油粘度的增加的損失力矩的增加，因此希望加大半徑間隙。另外，由于在高溫下會(huì)降低隨著油粘度的降低的軸承剛性的降低，因此希望縮小半徑間隙。為了滿足這樣的條件，從線膨脹系數(shù)的觀點(diǎn)出發(fā)，最好這樣選擇套筒112和軸111的各材料。即，套筒112盡量用線膨脹系數(shù)小的材料做成，軸111盡量用線膨脹系數(shù)大的材料做成。
具體舉例來(lái)說(shuō)，作為具有適合于套筒112的線膨脹系數(shù)的一般的工業(yè)材料，有鐵和其合金、鐵素體類不銹鋼、及馬氏體類不銹鋼，線膨脹系數(shù)在10×10-6～12×10-6的范圍內(nèi)。另外，作為適合于軸111的材料，有奧氏體不銹鋼，線膨脹系數(shù)大約為17×10-6。作為所述套筒112的材料所列舉的3種材料，任何一個(gè)都是切削性極差的材料，因此，一般使用添加了各種易切削元素或其合金的所謂的鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼或馬氏體類不銹鋼的易切削鋼。作為易切削元素，有鉛、硫磺、碲、硒等，作為易切削的合金，有硫化錳等。一般的易切削鋼是為了最大限度地改善切削性而在成為基體的鐵或鐵素體類不銹鋼、馬氏體類不銹鋼中盡量多添加這些易切削元素或合金使含量增加，且使易切削元素或其合金的結(jié)晶的大小盡可能大地制造。
在用這些易切削鋼制造套筒112時(shí)，首先將易切削的原材料經(jīng)冷軋軋制為具有比套筒112的最大外徑大稍許的直徑的圓棒。其次，將該圓棒用車床進(jìn)行切削加工而制作套筒112。動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b是在車床加工后通過(guò)另外的工序形成。
專利文獻(xiàn)1特開H05-312212號(hào)公報(bào)在如上所述地制造的以往的動(dòng)壓流體軸承裝置中，存在以下的問(wèn)題。
第1個(gè)問(wèn)題是在由車床加工切削的軸承孔112a(此時(shí)還未加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽)的表面出現(xiàn)易切削元素或其合金的結(jié)晶。
圖10是由在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(JIS)中標(biāo)準(zhǔn)化的相當(dāng)于SUM24的低碳鋼類易切削鋼的原材料制造了套筒112時(shí)的軸承孔112a的表面的放大照片。該照片是將表面用大約250倍的數(shù)字顯微鏡放大的照片。圖10中的左右方向?yàn)檩S承孔112a的軸方向，箭頭145的方向?yàn)榧庸ぽS承孔112a時(shí)的套筒112的旋轉(zhuǎn)方向。
在左右方向上較長(zhǎng)地延伸的顏色稍重的區(qū)域132、133、134、135表示易切削元素硫磺和錳以所謂的硫化錳的合金的形態(tài)析出在表面的部分。區(qū)域132～135在軸方向(左右方向)上的長(zhǎng)度為0.07～0.15mm，在與軸垂直的方向(箭頭145)上的長(zhǎng)度為0.01mm左右。區(qū)域132～135的形狀為左右細(xì)長(zhǎng)的原因是在將原材料如上所述地冷軋軋制為圓棒形狀時(shí)，硫化錳的結(jié)晶也被拉伸。硫化錳的結(jié)晶的大小與軸111和軸承孔112a之間的半徑間隙的尺寸0.002～0.003mm相比極大。易切削鋼的特征是一般易切削合金的金屬結(jié)晶較大，金屬結(jié)晶越大越提高易切削性。在硫化錳的結(jié)晶析出的區(qū)域132～135中，存在軸承孔112a(圖8)的表面粗糙度增加、在作為動(dòng)壓流體軸承而組裝后硫化錳的結(jié)晶脫落、旋轉(zhuǎn)時(shí)燒熔在軸承孔112a的內(nèi)面上而陷入不能旋轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)。
在圖10中，軸承孔112a的面是由通過(guò)車床的箭頭145的方向的刀具(省略圖示)加工而成。刀具(cutting tool)對(duì)作為基體材料的低碳鋼的區(qū)域137和作為易切削合金的硫化錳結(jié)晶的區(qū)域132交替切削。低碳鋼與硫化錳結(jié)晶相比，強(qiáng)度和韌性高。即，硫化錳結(jié)晶與低碳鋼相比，強(qiáng)度低且發(fā)脆。從而，如果用刀具切削加工低碳鋼的區(qū)域137，則在用刀具切削加工后，產(chǎn)生例如140所示的上下方向上連續(xù)的切削痕，但是在硫化錳結(jié)晶的區(qū)域132中，幾乎不產(chǎn)生切削痕而成為斷裂面。因而，刀具的切削阻力在低碳鋼的區(qū)域137中較大，而在硫化錳結(jié)晶的區(qū)域132～135中較小。其結(jié)果，刀具振動(dòng)而且低碳鋼的區(qū)域137表面的粗糙度也增大。
圖11是在作為套筒112的材料而使用SUM24并將套筒112的軸承孔112a用車床加工時(shí)的表面粗糙度的測(cè)定例。圖11的橫軸表示軸承孔112a的軸方向(2個(gè)箭頭間為0.1mm)，縱軸表示顯示粗糙度的凹凸的大小(2個(gè)箭頭間為0.0002mm)。圖11表示的是使用テ一ラ一ホブソン公司制的ホ一ムタリサ一フ2型測(cè)定器進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。
一般來(lái)說(shuō)，軸111和軸承孔112a之間的半徑間隙為0.002～0.003mm。如果欲保持在將粗糙度設(shè)為零時(shí)的軸承剛性、和在考慮了粗糙度時(shí)的軸承剛性相同，則半徑間隙將成為具有凹凸的表面的平均位置和軸111的外周之間的間隙。在圖11的情況下，凹凸的最大幅度是0.001左右。軸承孔112a和軸111之間的實(shí)質(zhì)上最小的半徑間隙是只小了凹凸的最大幅度0.001mm的1/2的0.0015～0.0025mm。在這種狀態(tài)下，軸111和軸承孔112a在凹凸的峰部接觸，從而燒熔的可能性極高。以往的套筒112的軸承孔112a在車床上加工后，為了減小粗糙度(凹凸)，而需要進(jìn)行研磨等后期加工或后期處理，因而，存在成本變高的問(wèn)題。
因硫化錳結(jié)晶而引起的其次的問(wèn)題點(diǎn)在于在將軸111插入到套筒112的軸承孔112a中而作為動(dòng)壓流體軸承組裝的成品的動(dòng)作中，時(shí)有硫化錳結(jié)晶的一部分脫落、動(dòng)壓流體軸承燒熔發(fā)生。如參照上述圖10進(jìn)行的說(shuō)明，在區(qū)域132～135的硫化錳上幾乎沒(méi)有刀具的切削痕，它表示硫化錳結(jié)晶被刀具斷裂而被除去。即，硫化錳結(jié)晶被刀具劇烈地沖撞而產(chǎn)生裂痕(龜裂)并脫落和被除去。假設(shè)對(duì)于1個(gè)硫化錳結(jié)晶132，為只產(chǎn)生了殘留在低碳鋼的區(qū)域137中的刀具的切削痕的數(shù)量的裂痕，通過(guò)產(chǎn)生裂痕的碎片的脫落，進(jìn)行切削加工。因而，存在以下所述的隱患，即，在大的硫化錳結(jié)晶的表面存在由于裂痕而變成孤立狀態(tài)的微小的硫化錳結(jié)晶，而且這些在組裝完畢后的動(dòng)作中會(huì)有脫落的危險(xiǎn)。
根據(jù)發(fā)明人等的各種試驗(yàn)可知，如果使用這樣的套筒112制作動(dòng)壓流體軸承裝置，則在動(dòng)作中微小的硫化錳會(huì)脫落并進(jìn)入軸承的間隙，從而導(dǎo)致軸承燒熔的概率極高。在該以往例中使用的SUM24材是鐵類，所以，出于改進(jìn)防銹或耐磨損性的目的，有時(shí)實(shí)施0.002～0.005mm左右厚度的無(wú)電解鎳的鍍層。可以通過(guò)該鍍層某種程度上防止微小的硫化錳結(jié)晶的脫落，并減少燒熔的概率，但不能徹底防止。在切削加工含有硫化錳結(jié)晶的材料時(shí)，存在脫落的可能性的硫化錳結(jié)晶因其尺寸也大，所以用薄的鍍層是不能在強(qiáng)度上得到充分的防止脫落效果。在上述的以往例中，對(duì)在套筒材料上使用所謂SUM24的低碳鋼類易切削鋼的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是在鐵素體類不銹鋼的易切削鋼或馬氏體類不銹鋼的易切削鋼情況下，通常也存在硫化錳結(jié)晶，因此，產(chǎn)生同樣的問(wèn)題。
其次，對(duì)第2個(gè)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行以下的說(shuō)明。圖12表示在如圖8所示的套筒112的軸承孔112a的內(nèi)周面上加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的方法。在圖12中，套筒112表示為剖面。用于塑性加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的已知的槽滾軋工具122是由桿123、多個(gè)滾軋球124、和用于固定滾軋球124和桿123的固定器125構(gòu)成。多個(gè)滾軋球124的對(duì)角尺寸L被設(shè)定為比套筒112的軸承孔112a的內(nèi)徑只大相當(dāng)于動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的深度的長(zhǎng)度。在加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b時(shí)，將槽滾軋工具122相對(duì)于套筒112向箭頭A方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)向箭頭Z方向插入套筒112內(nèi)。由此對(duì)動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的傾斜部142a進(jìn)行加工。連接在動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的頂點(diǎn)的傾斜部142b，是將槽滾軋工具122以與箭頭A的方向相反的方向邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)一步向箭頭Z方向插入而形成的。由該動(dòng)作產(chǎn)生動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的1個(gè)V字形槽。同樣，也可以加工第2個(gè)以后的V字形槽。在將槽滾軋工具122從套筒112拔出時(shí)，可以按原來(lái)插入時(shí)的軌跡拔出，也可以以通過(guò)插入時(shí)加工的槽的中間部的方法，加工出滾軋球124的2倍數(shù)的動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b。
滾軋球124在加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b時(shí)通常與套筒112的軸承孔112a的內(nèi)壁面發(fā)生摩擦，因此，不可避免磨損。如果滾軋球124磨損，則動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的深度變淺，因此，動(dòng)壓流體軸承的性能下降。為了防止磨損，滾軋球124的材料是從軸承鋼或一般稱作超硬的金屬材料、陶瓷等特殊材料之中選擇最優(yōu)的材料。但是在套筒112的材料為SUM24的情況下，槽滾軋工具122的滾軋球124的壽命是能夠加工大約5000個(gè)套筒112的程度。因而，存在動(dòng)壓產(chǎn)生槽112b的加工成本高的問(wèn)題。滾軋球124的壽命短的原因是套筒112的原材料的硬度高。鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼通常含有0.1～0.5％的碳。該馬氏體類不銹鋼的易切削鋼的80％左右是鐵。通過(guò)這樣使鐵含有碳，能夠變成強(qiáng)度及硬度高的珠光體組織。但是因?yàn)橛捕雀?，所以?duì)滾軋球124的磨損不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本且可靠性高的動(dòng)壓流體軸承裝置及使用該裝置的主軸電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的動(dòng)壓流體軸承裝置，具有套筒及能夠相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入在所述套筒的軸承孔中的軸，并在所述軸的外周面或所述套筒的內(nèi)周面的至少一個(gè)上設(shè)置有具有動(dòng)壓產(chǎn)生槽的徑向軸承面，在所述軸和所述套筒的軸承孔之間填充了作為工作流體的潤(rùn)滑劑。所述套筒由下述材料制成從鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼中選擇的至少1種材料，在所述各易切削鋼中所含有的易切削元素和含有易切削元素的合金的各結(jié)晶的所述套筒的軸承孔的軸方向上的尺寸(長(zhǎng)度)為不到0.03mm、且與所述軸方向垂直的方向上的尺寸(寬度)為不到0.005mm。
根據(jù)本發(fā)明可知，通過(guò)將含在套筒的材料、即各易切削鋼中的易切削元素及含有易切削元素的合金的各個(gè)結(jié)晶在軸承孔的軸方向上的長(zhǎng)度設(shè)為不到0.03mm，寬度設(shè)為不到0.005mm，可在將套筒的軸承孔的內(nèi)周面用車床切削時(shí)幾乎不產(chǎn)生斷裂面。因而，可以使切削后的表面的粗糙度(凹凸)變小，得到良好的切削加工面。其結(jié)果，不存在因在動(dòng)壓流體軸承的動(dòng)作中易切削元素及易切削合金的結(jié)晶脫落而導(dǎo)致使動(dòng)壓流體軸承裝置不能旋轉(zhuǎn)之患。
本發(fā)明的其他的觀點(diǎn)的動(dòng)壓流體軸承裝置，具有套筒及能夠相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入在所述套筒的軸承孔中的軸，并在所述軸的外周面或所述套筒的內(nèi)周面的至少一個(gè)上設(shè)置有具有動(dòng)壓產(chǎn)生槽的徑向軸承面，在所述軸和所述套筒的軸承孔之間填充了工作流體。所述套筒由下述材料制成從鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼中選擇的至少1種材料，所述各易切削鋼的含碳量的重量百分比分別不到0.1％，且由這些材料成形的原材料的硬度的維氏硬度Hv不到230。
根據(jù)本發(fā)明可知，通過(guò)將作為套筒的材料的各切削鋼的含碳量設(shè)為不到0.1％，可使由碳引起的維氏硬度Hv為500以上的高硬度的珠光體組織大幅度減少，從而變得幾乎不存在。因而，在套筒的軸承孔上用塑性加工形成動(dòng)壓產(chǎn)生槽的滾軋球的磨損可大幅度降低。
(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明可知，通過(guò)縮小含在作為套筒的原材料的、易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼或馬氏體類不銹鋼的易切削鋼中的易切削元素及其合金的結(jié)晶的大小，可減小套筒的軸承孔的表面粗糙度。從而，不需要用于減小表面粗糙度的后加工工序，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本化。另外，因?yàn)楸砻娲植诙刃?，因此，可減少在組裝完畢動(dòng)壓流體軸承裝置后的動(dòng)作中容易發(fā)生的易切削元素的結(jié)晶脫落的危險(xiǎn)性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高的動(dòng)壓流體軸承裝置。
另外，通過(guò)將含在所述易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼、馬氏體類不銹鋼的易切削鋼的含碳量設(shè)為不到0.1％，將這些材料的棒材中的維氏硬度設(shè)為Hv230以下，能夠大幅度延長(zhǎng)滾軋工具的壽命，因此，能夠降低制造成本，且實(shí)現(xiàn)低成本的動(dòng)壓流體軸承裝置。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施例的具有動(dòng)壓流體軸承裝置的主軸電動(dòng)機(jī)的剖面圖。
圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施例的套筒的軸承表面的放大照片。
圖3是表示本發(fā)明的第1實(shí)施例的套筒的軸承孔表面的粗糙度的測(cè)定結(jié)果的圖。
圖4是表示易切削元素的結(jié)晶的長(zhǎng)度和作為表面粗糙度的凹凸的尺寸的關(guān)系的圖表。
圖5是表示本發(fā)明的第2實(shí)施例的動(dòng)壓產(chǎn)生槽的加工工序的加工裝置的側(cè)視圖。
圖6是表示套筒的材料的含碳量和滾軋球的對(duì)角尺寸L的變化量之間的關(guān)系的曲線圖。
圖7是表示套筒的軸承孔的表面硬度和對(duì)角尺寸L的變化量之間的關(guān)系的曲線圖。
圖8是具有以往的動(dòng)壓流體軸承裝置的主軸電動(dòng)機(jī)的剖面圖。
圖9是表示溫度和油的粘度之間的關(guān)系的曲線圖。
圖10是以往例的套筒的軸承孔表面的放大照片。
圖11是表示以往例的套筒的軸承孔表面的粗糙度的測(cè)定結(jié)果的圖。
圖12是用于說(shuō)明以往例的塑性加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽的加工裝置的側(cè)視圖。
圖中11、111-軸，12、112-套筒，12a、112a-軸承孔，12b、112b-動(dòng)壓產(chǎn)生槽，12c、132～135-硫化錳結(jié)晶，12d、137-低碳鋼，12e、140-切削痕，13、113-凸緣，14、114-推力板，17、117-底座，18、118-旋轉(zhuǎn)輪轂，19、119-電動(dòng)機(jī)定子，20、120-旋轉(zhuǎn)磁鐵，22、122-槽滾軋工具，23、123-桿，24、124-滾軋球，25、125-固定器。
具體實(shí)施例方式
下面，對(duì)本發(fā)明的動(dòng)壓流體軸承裝置的優(yōu)選實(shí)施例參照?qǐng)D1至圖7進(jìn)行說(shuō)明。
(第1實(shí)施例)對(duì)本發(fā)明的第1實(shí)施例的動(dòng)壓流體軸承裝置參照?qǐng)D1至圖4進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明主要涉及動(dòng)壓流體軸承的套筒的材質(zhì)。圖1是除了各要素的符號(hào)不同之外，具有與如圖8所示的所述以往例的動(dòng)壓流體軸承裝置實(shí)質(zhì)上相同的結(jié)構(gòu)。在圖1中，軸11可旋轉(zhuǎn)地插入在套筒12的軸承孔12a中。軸11具有一體地構(gòu)成在圖1中的下端部的凸緣13。凸緣13被收容在安裝在底座17上的套筒12的階梯部中，且與推力板14相對(duì)向并能夠旋轉(zhuǎn)。在軸11上安裝有固定了旋轉(zhuǎn)磁鐵20的旋轉(zhuǎn)輪轂18，與旋轉(zhuǎn)磁鐵20相對(duì)向的電動(dòng)機(jī)定子19被安裝在底座17上。在套筒12的軸承孔12a的內(nèi)周面上設(shè)置有動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b。在凸緣13的、與套筒12的階梯部對(duì)向的面上設(shè)置有動(dòng)壓產(chǎn)生槽13a，在凸緣13的、與推力板14對(duì)向的面上設(shè)置有動(dòng)壓產(chǎn)生槽13b。在包含動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b、13a、13b的、軸11及凸緣13和套筒12之間的間隙中填充有作為動(dòng)作流體的油30。
具有如上所述的結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓流體軸承裝置的動(dòng)作與以往例完全相同，但使用圖1進(jìn)行說(shuō)明。在圖1中，如果對(duì)電動(dòng)機(jī)定子19通電，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁鐵20、旋轉(zhuǎn)輪轂18、軸11及凸緣13開始旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，通過(guò)動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b、13a、13b使油30產(chǎn)生泵吸壓力，軸11及凸緣113上浮，在推力板14及軸承孔12a的內(nèi)周面上以非接觸狀態(tài)旋轉(zhuǎn)。
軸11是通過(guò)被填滿在套筒12的軸承孔12內(nèi)的油30潤(rùn)滑而旋轉(zhuǎn)。一般，油的粘度，如上述的圖9的曲線圖所示，如果溫度降低，則以指函數(shù)增加。軸11在旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的旋轉(zhuǎn)阻力與油粘度成正比，故在低溫下，軸11的旋轉(zhuǎn)阻力變大，損失力矩增加，從而電動(dòng)機(jī)的消耗電力增加。相反，在高溫下，油的粘度降低，旋轉(zhuǎn)阻力減少，但是與油的粘度成正比的動(dòng)壓流體軸承裝置的軸承的剛性降低，軸振動(dòng)(軸11在旋轉(zhuǎn)中在軸承孔12a內(nèi)搖動(dòng)的現(xiàn)象)增加。以套筒12的軸承孔12a的半徑和軸11的半徑之差所定義的“半徑間隙”，在理論上與軸承剛性的3次方成反比，且與損失力矩成反比。
在低溫下，為了防止伴隨油的粘度增加的力矩?fù)p失的增大，優(yōu)選加大半徑間隙。另外，在高溫下，為了防止伴隨油粘度的降低的軸承剛性的降低，優(yōu)選縮小半徑間隙。為了滿足這樣的條件，希望盡量用線膨脹系數(shù)小的材料制造套筒12，盡量用線膨脹系數(shù)大的材料制造軸11。作為具有適合套筒12的線膨脹系數(shù)的材料，有鐵和其合金、鐵素體類不銹鋼、馬氏體類不銹鋼，線膨脹系數(shù)在10×10-6～12×10-6的范圍。另外，作為適合軸11的材料，有奧氏體類不銹鋼，線膨脹系數(shù)是17×10-6。在作為套筒12的材料列舉的3種材料中，添加作為易切削元素的鉛、硫磺、錳等。進(jìn)而，也可以向作為易切削合金、即鉛和硫磺、在鉛和硫磺中添加了碲或硒等的易切削元素的合金。其結(jié)果，得到了鐵類易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼。
作為本實(shí)施例的套筒12的材料，在例如鐵類易切削鋼的情況下，可使用在與JIS規(guī)格的鋼材、即SUM24大致相同的組成的材料中添加了重量百分比為1％以下的微量的鈮的材料。如果添加鈮，則鈮將均勻分布在鐵類易切削鋼中，并且生成將該鈮抑制到核大小的硫化錳的結(jié)晶?？烧J(rèn)為對(duì)于鈦也以相同的形式添加，并可起到相同的作用效果。還有，在鐵類易切削鋼中添加鈮或鈦是在本領(lǐng)域中周知的技術(shù)。本發(fā)明的涉及點(diǎn)在于使用易切削元素或其合金的結(jié)晶尺寸小的易切削鋼，作為得到這樣的易切削鋼的手法不只限于添加鈮或鈦。對(duì)這些易切削鋼的原材料，為了能夠在短時(shí)間內(nèi)加工成套筒12的形狀，而預(yù)先通過(guò)冷軋軋制成形為具有比套筒12的最大外徑稍大的直徑的圓棒。用車床切削加工該圓棒而制作套筒12。動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b是在車床的切削加工后形成。
在作為本實(shí)施例的動(dòng)壓流體軸承裝置的套筒12的材料的鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼、馬氏體類不銹鋼的易切削鋼中，其特征在于，將易切削元素或其合金的結(jié)晶的大小設(shè)為比添加了所述鈮或鈦等以往的結(jié)晶小。圖2所示的照片是在用車床切削加工了本實(shí)施例的套筒時(shí)的套筒12的軸承孔12a表面的放大照片，所述本實(shí)施例中的套筒，使用的是添加了鈮或鈦等的碳鋼類的易切削鋼(SUM材)。在圖2中，圖的左右方向?yàn)檩S承孔12a的軸方向，箭頭40的方向?yàn)榈毒叩囊苿?dòng)方向。用黑點(diǎn)12c表示的橫幅長(zhǎng)的濃度稍重的區(qū)域?yàn)榱蚧i的結(jié)晶。用黑點(diǎn)12d表示的濃度低處是成為基體的低碳鋼。黑點(diǎn)12e是表示刀具的切削痕。在硫化錳的區(qū)域12c，長(zhǎng)度大約為0.01～0.03mm，寬度大約不到0.005mm。如果將區(qū)域12c與圖10所示的以往例中的套筒112的軸承孔112a的表面放大照片的區(qū)域132比較，則區(qū)域12c遠(yuǎn)小于區(qū)域132。
在圖2中，軸承孔12a的面被在箭頭40的方向上移動(dòng)的刀具(省略圖示)切削。刀具對(duì)作為基體的低碳鋼的區(qū)域12d和作為易切削鋼合金的硫化錳的區(qū)域12c交替進(jìn)行切削。低碳鋼的區(qū)域12d與硫化錳的區(qū)域12c相比，強(qiáng)度和韌性高，相反，硫化錳的區(qū)域12c與低碳鋼的區(qū)域12d相比，強(qiáng)度低且發(fā)脆。因而，如果用刀具切削低碳鋼的區(qū)域12d，則出現(xiàn)上下方向上延伸的切削痕12e。根據(jù)發(fā)明人的仔細(xì)的觀察可知，在硫化錳的區(qū)域12c中，存在切削痕12e從低碳鋼的區(qū)域12d連續(xù)地連接在硫化錳的區(qū)域12c的地方，而且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)如以往例中所觀測(cè)到的清晰的斷裂面的形狀。從以上事實(shí)可知，在本實(shí)施例中，在刀具切削低碳鋼的區(qū)域、和在斷裂硫化錳的區(qū)域12c時(shí)，刀具所受到的各自的阻力的差極小，且刀具的振動(dòng)也降低。
圖3是表示將套筒12的軸承孔12a的內(nèi)周面的表面粗糙度(凹凸)使用與圖11中的情況相同的測(cè)定器進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果的圖。從圖3可知，可以將凹凸降低到0.0005mm左右。這是如圖10所示的以往例中的凹凸的大約1/2。
圖4是使用易切削元素的結(jié)晶的長(zhǎng)度不同的4種類的材料制造套筒12并在切削了軸承孔12a的表面時(shí)對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果的圖表，橫軸是易切削元素的結(jié)晶的長(zhǎng)度，縱軸是表示加工后的表面的粗糙度的凹凸的尺寸。橢圓A表示以往例的使用了硫化錳結(jié)晶的長(zhǎng)度為70～150μm的范圍的SUM材時(shí)的表面粗糙度的分布，并且凹凸的尺寸在0.7μm到1.3μm的范圍。同樣，橢圓B表示使用經(jīng)過(guò)規(guī)定的熱處理將硫化錳結(jié)晶的長(zhǎng)度設(shè)為50μm左右的相當(dāng)于SUM材時(shí)的表面粗糙度的分布，而且凹凸的尺寸是在0.7μm左右。橢圓C是表示使用了本實(shí)施例的套筒12的材料，即，易切削元素的結(jié)晶的長(zhǎng)度為20μm左右的相當(dāng)于SUM材時(shí)的表面粗糙度，而且凹凸的尺寸在0.4μm到0.6μm范圍內(nèi)。另外，橢圓D是表示使用了只含有鉛而不含有硫化錳且易切削元素的長(zhǎng)度為3μm左右的鉛易切削鋼時(shí)的表面粗糙度。各橢圓的大小表示易切削元素或合金的結(jié)晶的大小的不均勻度的范圍以及表面粗糙度的不均勻度的范圍。從圖4可知，無(wú)論易切削元素的種類如何，只要將易切削元素或其合金的結(jié)晶的長(zhǎng)度設(shè)為不到30μm，則表示表面粗糙度的凹凸可為0.6μm以下，能夠得到良好的切削加工面。由此，不需要在切削加工后改進(jìn)粗糙度的工序，并能夠減少套筒12的加工成本。
其次，對(duì)伴隨作為動(dòng)壓流體軸承組裝完畢后的動(dòng)作中產(chǎn)生的、硫化錳結(jié)晶12c的脫落而動(dòng)壓流體軸承的燒熔進(jìn)行說(shuō)明。在本實(shí)施例的套筒12中，從圖2可知，硫化錳結(jié)晶12c的寬度(圖的上下方向的尺寸)只有0.005mm左右。在該寬度的硫化錳的結(jié)晶12c中，其兩側(cè)被低碳鋼的結(jié)晶12d穩(wěn)定地支撐著。從而，在切削加工中難以出現(xiàn)因施加刀具的沖擊而產(chǎn)生的裂痕，大幅度降低了硫化錳結(jié)晶12c脫落的概率。即使硫化錳結(jié)晶12c萬(wàn)一脫落，其大小比半徑間隙0.02～0.03mm大的概率也小。
根據(jù)發(fā)明人進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)可知，如果使用硫化錳結(jié)晶12c的長(zhǎng)度為不到0.03mm、寬度不到0.005mm的原材料，則軸承的燒熔的概率為以往的材料時(shí)的1/10以下。進(jìn)而，如果實(shí)施目的在于提高防銹或耐磨損性的無(wú)電解鎳鍍層，當(dāng)然則能夠進(jìn)一步有效地抑制硫化錳結(jié)晶12c的脫落。在本實(shí)施例中，對(duì)在各種易切削元素或其合金中，其結(jié)晶的大小為最大的硫化錳結(jié)晶12c進(jìn)行了說(shuō)明，但是即使使用了其他的易切削元素或其合金的易切削鋼也能夠得到相同的效果。除了上述說(shuō)明中使用的鐵類易切削鋼以外，在馬氏體類不銹鋼的易切削鋼或鐵素體類不銹鋼的易切削鋼中一般也含有硫化錳類的合金，因此，能夠得到與本實(shí)施例相同的效果。
從以上的說(shuō)明明顯可知，根據(jù)本發(fā)明，在作為套筒的原材料使用鐵類的易切削鋼或鐵素體類不銹鋼的易切削鋼或馬氏體類不銹鋼的易切削鋼等時(shí)，使用將易切削元素及其合金的結(jié)晶的長(zhǎng)度設(shè)為0.03mm以下、寬度設(shè)為不到0.005mm的材料，以此，能夠低成本實(shí)現(xiàn)可靠性高的動(dòng)壓流體軸承裝置。
(第2實(shí)施例)對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施例的動(dòng)壓流體軸承裝置參照從圖5到圖7進(jìn)行說(shuō)明。第2實(shí)施例涉及套筒12的材料，尤其涉及材料的硬度。
在所述第1實(shí)施例的套筒12的軸承孔12a的內(nèi)周面上形成動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b的工序，是通過(guò)使用具有與“背景技術(shù)”中說(shuō)明的圖12所示的裝置實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成的圖5中所示的裝置進(jìn)行。在圖5中，用于塑性加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b的已知的滾軋工具22是由桿23、多個(gè)滾軋球24、和將滾軋球24支持在桿23的固定器25構(gòu)成。多個(gè)滾軋球24的對(duì)角尺寸L被設(shè)定為比套筒12的軸承孔12a的內(nèi)徑只大了相當(dāng)于動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b的深度的長(zhǎng)度。在加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b時(shí)，將滾軋工具22相對(duì)套筒12向箭頭A方向邊旋轉(zhuǎn)邊向箭頭Z方向移動(dòng)而插入到軸承孔12a中。由此加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b的傾斜部42a。把壓產(chǎn)生槽12b的頂點(diǎn)夾在中間的傾斜部42b，是通過(guò)將滾軋工具22向箭頭A相反的方向邊旋轉(zhuǎn)邊向箭頭Z方向插入而形成的。通過(guò)該動(dòng)作，形成動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b的1個(gè)V字形槽。同樣，能夠加工第2個(gè)以后的多個(gè)V字形槽。在將滾軋工具22從套筒12中拔出時(shí)，可按插入時(shí)的軌跡拔出，也可以通過(guò)插入時(shí)加工的槽的中間部，由此加工滾軋球24的2倍數(shù)的動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b。
滾軋球24，在加工動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b時(shí)總與套筒12的軸承孔12a的內(nèi)周面發(fā)生摩擦，因此，不可避免磨損。如果滾軋球24磨損，則動(dòng)壓產(chǎn)生槽12b的深度變淺，因此動(dòng)壓流體軸承的性能下降。為了防止磨損，滾軋球24的材料是從軸承鋼或超硬、陶瓷等特殊材料中選定最優(yōu)之物。在本實(shí)施例中，為了防止?jié)L軋球24的磨損而將套筒12進(jìn)可能由柔軟的材料構(gòu)成。
鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼，如果將其含碳量的重量百分比設(shè)為不到0.1％，則變軟，并大幅度降低由碳引起的珠光體組織，或幾乎不存在。因?yàn)榫S氏硬度Hv為500以上的珠光體組織不存在，因此，大幅度降低了滾軋球24的磨損。本發(fā)明人使用了3種材料，即，以往例中所示的大約含碳0.14％的SUM材料(材料1)、大約含碳0.1％的相當(dāng)于SUM的材料(材料2)及含碳0.02％的純鐵類易切削鋼(材料3)，分別制造套筒12，并對(duì)所制造的套筒12，使用如圖5所示的滾軋工具22分別加工10000個(gè)的套筒12的槽進(jìn)行了試驗(yàn)。
圖6是表示對(duì)加工了10000個(gè)的套筒12的槽之后的滾軋球24的對(duì)角尺寸L的變化量進(jìn)行了測(cè)定的結(jié)果。圖6中的橫軸是含碳量，黑點(diǎn)A是材料1，黑點(diǎn)B是材料2，黑點(diǎn)C是材料3。從圖6可知，含碳量越低對(duì)角尺寸L的變化量越小，且滾軋24的磨損越小。如果將含碳量設(shè)為不到0.1％，則可以確認(rèn)對(duì)角尺寸L的變化量為1.5μm以下，滾軋球24實(shí)際上具有足夠的壽命。作為套筒12的材料的鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼的原材料，是為了能夠在短時(shí)間內(nèi)加工套筒12的形狀，預(yù)先通過(guò)冷軋軋制加工，加工成具有比套筒12的最大外徑稍大的直徑的圓棒。由于該冷軋軋制加工，原材料自身引起加工硬化。例如，純鐵的維氏硬度Hv是100左右，但是如果對(duì)這些材料進(jìn)行冷軋軋制，則維氏硬度變?yōu)镠v200～Hv300左右。經(jīng)對(duì)用所述材料1、材料2、材料3的3種材料制造的套筒12的軸承孔12a表面的硬度的測(cè)定，維氏硬度Hv分別為280、230、200。
圖7是表示軸承孔12a的表面的維氏硬度Hv和對(duì)角尺寸L的變化量之間的關(guān)系的曲線圖。黑點(diǎn)A表示的是材料1，黑點(diǎn)B表示的是材料2，黑點(diǎn)C表示的是材料3。從圖7可知，如果軸承孔12a的表面硬度低，則對(duì)角尺寸L的變化量也小，滾軋球24的磨損量也小。從圖7可知，如果將含碳量為不到0.1％的材料成形為圓棒形狀，并用維氏硬度Hv為230以下的原材料制造套筒12，則能夠抑制加工軸承孔12a的動(dòng)壓產(chǎn)生槽時(shí)滾軋球24(圖5)的磨損，并能夠使加工10000個(gè)套筒12的槽之后的所述對(duì)角尺寸L的減少在1.5μm以下。即，與以往例中的使用含碳量為0.14％、維氏硬度為Hv280的SUM24材(材料1)的情況相比，能夠?qū)L軋球24的壽命延長(zhǎng)2倍以上。
根據(jù)如上所述的本實(shí)施例可知，將鐵類的易切削鋼或鐵素體類不銹鋼的易切削鋼、馬氏體類不銹鋼的易切削鋼的含碳量設(shè)為不到0.1％，且將用這些材料制作的圓棒形狀的套筒12的原材料的維氏硬度設(shè)為Hv230以下，能夠降低動(dòng)壓產(chǎn)生槽的加工費(fèi)，甚至實(shí)現(xiàn)低成本的動(dòng)壓流體軸承裝置。
(產(chǎn)業(yè)上的可利用性)本發(fā)明的動(dòng)壓流體軸承裝置具有高度可靠性和低成本，可以利用在需要高度可靠性的裝置上。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)壓流體軸承裝置，具有套筒及能夠相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入在所述套筒的軸承孔中的軸，并在所述軸的外周面或所述套筒的內(nèi)周面的至少一個(gè)上設(shè)置有具有動(dòng)壓產(chǎn)生槽的徑向軸承面，在所述軸和所述套筒的軸承孔之間填充了作為工作流體的潤(rùn)滑劑，其特征在于所述套筒由下述材料制成從鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼中選擇的至少1種材料，在所述各易切削鋼中所含有的易切削元素和含有易切削元素的合金的各結(jié)晶的所述套筒的軸承孔的軸方向上的尺寸(長(zhǎng)度)為不到0.03mm、且與所述軸方向垂直的方向上的尺寸(寬度)為不到0.005mm。
2.一種動(dòng)壓流體軸承裝置，具有套筒及能夠相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入在所述套筒的軸承孔中的軸，并在所述軸的外周面或所述套筒的內(nèi)周面的至少一個(gè)上設(shè)置有具有動(dòng)壓產(chǎn)生槽的徑向軸承面，在所述軸和所述套筒的軸承孔之間填充了工作流體，其特征在于，所述套筒由下述材料制成從鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼及馬氏體類不銹鋼的易切削鋼中選擇的至少1種材料，所述各易切削鋼的含碳量的重量百分比分別不到0.1％，且由這些材料成形的原材料的硬度的維氏硬度Hv不到230；在所述套筒的軸承孔中具有用塑性加工法形成的動(dòng)壓產(chǎn)生槽。
全文摘要
一種動(dòng)壓流體軸承裝置，將添加在鐵類的易切削鋼、鐵素體類不銹鋼的易切削鋼等中的易切削元素及易切削合金的粒子細(xì)小化為0.1～0.5μm左右。由此，尤其能夠使位于易切削鋼的套筒的軸承孔的內(nèi)周面的易切削合金的硫化錳的結(jié)晶變小，并使套筒的內(nèi)周面光滑。另外，通過(guò)將易切削鋼的含碳量設(shè)為0.1％以下，可降低原材料的硬度，從而延長(zhǎng)動(dòng)壓產(chǎn)生槽的加工工具的壽命。因此，可防止在作為套筒的原材料而使用切削性好的鐵素體類不銹鋼的易切削鋼等時(shí)，由于易切削元素的結(jié)晶大而導(dǎo)致平面性變差的情況。另外，還能抑制易切削元素的結(jié)晶在使用中脫落。
文檔編號(hào)F16C17/02GK1719049SQ20051008355
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者浜田力, 淺田隆文 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社