專利名稱：制造流體軸承的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造流體軸承的裝置及其方法，特別是利用電磁成形法在軸承的軸孔孔壁產(chǎn)生油溝，使得該軸承在運轉(zhuǎn)后能產(chǎn)生油膜壓力與油封效果的制造流體軸承的裝置及其方法。
流體軸承可大概分為靜壓軸承與動壓軸承兩類。靜壓軸承因為常態(tài)下軸承內(nèi)部具有大量的流體潤滑介質(zhì)，所以對于一般微型且講求精密的轉(zhuǎn)動機件并不適合。至于動壓軸承則是在軸承的軸孔孔壁具有微細的溝槽，而溝槽內(nèi)部具有潤滑介質(zhì)(因為是微細的溝槽，所以潤滑介質(zhì)的量相當(dāng)少)，使得旋轉(zhuǎn)后能產(chǎn)生油膜壓力與油封效果。但目前因主軸馬達越來越小，所以要制作適用于高精度的微小馬達的流體軸承(軸承的軸孔孔壁的油溝深度、寬度與同心度均要求十分嚴格)并不容易。若要以傳統(tǒng)切削加工中的精密旋削來進行制作，則易在軸承油溝產(chǎn)生毛邊以及同心度不佳、刀具制作不易且易磨損等問題。公知的技術(shù)如授予Asada的美國專利US5,758,421與授予Lucier的美國專利US5,265,334等均以金屬球硬壓來產(chǎn)生軸承微細溝槽，此技術(shù)有三項缺點1.模具金屬球與成形素材接觸面積小，容易造成金屬球磨損快；2.金屬球相當(dāng)小，夾具設(shè)計不易；3.滾動時需要有一精密定位與控制的平臺，因此制作成本高。授予Asai的美國專利US6,074,098以塑料射出成型來制造軸承，由于使用強迫頂出脫模的緣故，使得軸承的軸孔孔壁的精度差且軸承本身也不耐磨。至于授予Teshima的美國專利US5,914,832以化學(xué)蝕刻來制造平面的止推軸承以及授予Cheever的美國專利US6,108,909以滾壓成型制造軸承的主軸油溝，兩者均因無法成型于軸承的軸孔孔壁，所以無法制作。
上述的制造方法不僅無法批量生產(chǎn)且制作成本高。因此，如何將電磁成型法成熟地發(fā)展與應(yīng)用在制造流體軸承，借以達到降低成本且增加生產(chǎn)能力的目的，此實為一亟待突破的技術(shù)課題。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種制造流體軸承的裝置及其方法，其采用溫差進行脫模的方法，在設(shè)計內(nèi)模與素材的材料選用時，則必須考慮不同的熱膨脹系數(shù)。成形后，若要脫模只要加熱或冷卻至適當(dāng)溫度，使得內(nèi)模與零件避開干涉后，即可成功地取出成品零件。
本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的一種制造流體軸承的裝置，該裝置包含有一素材，為一圓管狀的材料；一內(nèi)模，置于該素材中，該內(nèi)模表面具有復(fù)數(shù)個突起的肋；一磁場產(chǎn)生單元，圍繞于該素材外，在被供予一電力后，利用該磁場產(chǎn)生單元所產(chǎn)生一瞬間的磁力，將該素材朝該素材的中心方向擠壓，使得該內(nèi)模表面的復(fù)數(shù)個肋可于該素材上形成復(fù)數(shù)個動壓溝槽；以及一電力提供單元，用以提供該磁場產(chǎn)生單元所需的電力，該電力提供單元由一電源、一充放電裝置與一開關(guān)組成。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的裝置，其中該內(nèi)模的熱膨脹系數(shù)小于該素材的熱膨脹系數(shù)。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的裝置，其中該肋由該內(nèi)模表面朝徑向方向往外凸出。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的裝置，其中該磁場產(chǎn)生單元由一線圈與一支撐元件組成。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的裝置，其中該線圈的材料選自于由銀、鎢、銅、鋁、鋁合金以及銅合金所組成的族群中導(dǎo)電性良好的材質(zhì)。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的裝置，其中該支撐元件用來抵抗成形時來自于該素材的反作用力，避免該線圈產(chǎn)生變形斷裂。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的裝置，其中該磁場產(chǎn)生單元為一具有圓孔的導(dǎo)電材料，該素材置于該圓孔中。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的裝置，其中該充放電裝置為一電容器或一電感器。
一種制造流體軸承的方法，至少包含有下列步驟提供一圓管狀的素材與一表面具有復(fù)數(shù)個肋的內(nèi)模，該肋由該內(nèi)模表面朝徑向方向往外凸出；將該內(nèi)模置于該素材中；提供一磁場產(chǎn)生單元圍繞于該素材外，由外界供予該磁場產(chǎn)生單元所需的一電力；由該磁場產(chǎn)生單元產(chǎn)生一非接觸外力，將該素材朝該素材的徑向方向往內(nèi)擠壓，使得該內(nèi)模表面的復(fù)數(shù)個肋可于該素材上形成復(fù)數(shù)個動壓溝槽；以及進行一脫模動作，使該內(nèi)模與該素材達到一脫模溫度以避開干涉而成功脫模。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的方法，其中該非接觸外力為一脈沖磁力。
本發(fā)明所述的制造流體軸承的方法，其中該脫模動作利用該內(nèi)模材料的熱膨脹系數(shù)小于該素材材料的熱膨脹系數(shù)的特性來進行。
下面結(jié)合具體實施例及其附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
首先請參閱

圖1，制造流體軸承的裝置包含一內(nèi)模10、一素材20以及一磁場產(chǎn)生單元30。該內(nèi)模10在頂端處設(shè)計了拔模導(dǎo)桿101，其作用在于成型后要進行脫模時，使用拔模夾具夾持住該處，以方便機臺施力來成功取模。而該內(nèi)模10上有復(fù)數(shù)個肋102，利用這些肋102即可在素材20的軸孔孔壁處成型出一道道的溝槽。素材20為一壁厚為t的圓管材料，而內(nèi)模10便是要由此放入素材20中。在此實施例中，磁場產(chǎn)生單元30由線圈301與支撐元件302所組成。線圈301則是由螺旋狀導(dǎo)電材料所制成，上下兩端即接上電源繞于素材之外，外圍則有支撐元件302包覆，成型品質(zhì)的好壞則決定于通電后磁場的均勻性與對稱性。
因使用電磁成型法來進行制造流體軸承，所以素材20以及線圈301均必須要采用導(dǎo)電材料。有關(guān)電力提供單元，請參閱圖2，內(nèi)模10放入素材20中，而素材20外圍繞上線圈301。線圈301兩端則接上電源40、充放電裝置50以及開關(guān)60以形成一回路。線圈301的外圍則用支撐元件302包覆，例如將線圈外圍套上一圓管狀的剛性材料，借以抵抗成型時來自于素材的反作用力，進而避免斷裂或變形。首先由電源40充電至充放電裝置50中，待其充電至飽和狀態(tài)后。此時，將開關(guān)60打開進行瞬間放電，強大的脈沖電流會流過線圈301而產(chǎn)生瞬間的強大磁場，而素材20則會在瞬間產(chǎn)生抵抗的渦電流。渦電流在外加磁場中會有很強大的斥力將素材20往內(nèi)推，使得材料往內(nèi)變形。因此，若使用電磁成形法來進行塑性加工，則不需要外模具，且產(chǎn)生的外力為非接觸式的，這便可使得制造成本得以有效地降低。
以電磁成型法制造流體軸承，其最后的成品如圖3所示。流體軸承成品70內(nèi)的動壓溝槽701即為潤滑介質(zhì)的流道，動壓溝槽701可以使得軸承于旋轉(zhuǎn)后能產(chǎn)生油膜壓力與油封效果。動壓溝槽701的深度相當(dāng)淺，通常都在0.004～0.02m之間。若采用傳統(tǒng)的成型法則會有成型材料流動性不佳而無法加工出較精密流體軸承的問題。因此，使用電磁成型法來加工確實是一個最佳的選擇。
本發(fā)明的第二實施例，請參閱圖4，磁場產(chǎn)生單元30一般在應(yīng)用上也可為平板狀的導(dǎo)電材料，其具有圓孔303、螺栓304以及電極305。內(nèi)模10置于素材20中，而素材20放入此磁場產(chǎn)生單元的圓孔303中，圖中的第二個圓孔可作備份之用，以防止使用的圓孔破壞，而致使整個設(shè)備報銷而無法繼續(xù)使用。磁場產(chǎn)生單元30的電源供應(yīng)方式是由電力提供單元將電力通過電極305傳送至整片導(dǎo)電材料。為了避免電極305與此片導(dǎo)電材料產(chǎn)生松脫，可利用螺栓304將電極305固定在此片導(dǎo)電材料上，借此避免接觸不良的情形。其余裝設(shè)、制造原理以及過程等都是相同的，故不再重復(fù)贅述。
以電磁成型法制造流體軸承的制造過程，請參閱圖5所示。首先將設(shè)計制作完成的內(nèi)模放入素材中(步驟110)，接著電力提供單元的充放電裝置開始進行充電(步驟120)。待充電飽和后，充放電裝置瞬間放電，使得材料塑性成型(步驟130)。最后則是要進行脫模與取模的工作，一般在設(shè)計制作成型模具時，均須事先考慮脫模，所以模具都是做成可拆解成數(shù)等分以利脫模。但在制造流體軸承的模具設(shè)計前提之下，若將模具設(shè)計成可等分拆解的話，則會產(chǎn)生兩個問題(1)精度變差；(2)模具太小不易加工。因此，制造流體軸承的脫模方式并不考慮采用可拆模的方式。精密流體軸承有一個特性就是其軸孔孔壁的溝槽很淺，所以在設(shè)計制造內(nèi)模與素材時，其材料則考慮選用熱膨脹系數(shù)較小的內(nèi)模材料與熱膨脹系數(shù)較大的素材材料。在成型后，若要脫模只需將其加熱或冷卻至適當(dāng)溫度，使得內(nèi)模與零件避開肋與溝槽的干涉(步驟140)，即可取出脫模，得到精度高且無毛邊的流體軸承成品零件(步驟150)。至于加熱或冷卻的適當(dāng)溫度則是按材質(zhì)(熱膨脹系數(shù))來決定，例如假設(shè)內(nèi)模采用是屬于鋼鐵材料，其熱膨脹系數(shù)為0.11×10-4/℃，而素材采用的是鋁合金材料，其熱膨脹系數(shù)為0.24×10-4/℃。若希望內(nèi)模與素材之間有2μm的脫模余隙的話，則加熱溫度提高至103℃始可避開干涉，若要有5μm的脫模余隙，則須升溫至256℃，方可成功地取模；此外，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計內(nèi)模與素材的熱膨脹系數(shù)，也可采用冷卻的方式來達成類似的效果。
應(yīng)用本發(fā)明的制造流體軸承的裝置及其方法，是希望能避免傳統(tǒng)以切削加工來制造高精度的流體軸承所產(chǎn)生的毛邊、油溝同心度不佳、刀具制作不易以及容易磨損等問題。所以本發(fā)明具有下列功效1、不需外模，大量簡化模具的制造，因而可以減少制造成本。
2、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，可得知該方法生產(chǎn)的循環(huán)時間(Cycle Time)最短，而生產(chǎn)能力相對就可以提高。
3、采用此方法所制造的流體軸承，內(nèi)部溝槽較少毛邊且精密度高。
4、此裝置不需要精密的定位床臺，只需要一副精密模具。因此，可降低設(shè)備購買、維修以及維持的費用。
雖然本發(fā)明以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本技術(shù)的相關(guān)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作適當(dāng)?shù)母鼊优c潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所確定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種制造流體軸承的裝置，該裝置包含有一素材，為一圓管狀的材料；一內(nèi)模，置于該素材中，該內(nèi)模表面具有復(fù)數(shù)個突起的肋；一磁場產(chǎn)生單元，圍繞于該素材外，在被供予一電力后，利用該磁場產(chǎn)生單元所產(chǎn)生一瞬間的磁力，將該素材朝該素材的中心方向擠壓，使得該內(nèi)模表面的復(fù)數(shù)個肋可于該素材上形成復(fù)數(shù)個動壓溝槽；以及一電力提供單元，用以提供該磁場產(chǎn)生單元所需的電力，該電力提供單元由一電源、一充放電裝置與一開關(guān)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的制造流體軸承的裝置，其中該內(nèi)模的熱膨脹系數(shù)小于該素材的熱膨脹系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的制造流體軸承的裝置，其中該肋由該內(nèi)模表面朝徑向方向往外凸出。
4.如權(quán)利要求1所述的制造流體軸承的裝置，其中該磁場產(chǎn)生單元由一線圈與一支撐元件組成。
5.如權(quán)利要求4所述的制造流體軸承的裝置，其中該線圈的材料選自于由銀、鎢、銅、鋁、鋁合金以及銅合金所組成的族群中導(dǎo)電性良好的材質(zhì)。
6.如權(quán)利要求4所述的制造流體軸承的裝置，其中該支撐元件是用來抵抗成形時來自于該素材的反作用力，避免該線圈產(chǎn)生變形斷裂。
7.如權(quán)利要求1所述的制造流體軸承的裝置，其中該磁場產(chǎn)生單元為一具有圓孔的導(dǎo)電材料，該素材置于該圓孔中。
8.如權(quán)利要求1所述的制造流體軸承的裝置，其中該充放電裝置為一電容器或一電感器。
9.一種制造流體軸承的方法，至少包含有下列步驟提供一圓管狀的素材與一表面具有復(fù)數(shù)個肋的內(nèi)模，該肋由該內(nèi)模表面朝徑向方向往外凸出；將該內(nèi)模置于該素材中；提供一磁場產(chǎn)生單元圍繞于該素材外，由外界供予該磁場產(chǎn)生單元所需的一電力；由該磁場產(chǎn)生單元產(chǎn)生一非接觸外力，將該素材朝該素材的徑向方向往內(nèi)擠壓，使得該內(nèi)模表面的復(fù)數(shù)個肋可于該素材上形成復(fù)數(shù)個動壓溝槽；以及進行一脫模動作，使該內(nèi)模與該素材達到一脫模溫度以避開干涉而成功脫模。
10.如權(quán)利要求9所述的制造流體軸承的方法，其中該非接觸外力為一脈沖磁力。
11.如權(quán)利要求9所述的制造流體軸承的方法，其中該脫模動作利用該內(nèi)模材料的熱膨脹系數(shù)小于該素材材料的熱膨脹系數(shù)的特性來進行。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造流體軸承的裝置及其方法,該方法至少包含有下列步驟:提供圓管狀的素材與表面具有復(fù)數(shù)個肋的內(nèi)模,該肋由該內(nèi)模表面朝徑向方向往外凸出；將該內(nèi)模置于該素材中；提供磁場產(chǎn)生單元圍繞于該素材外,由外界供予磁場產(chǎn)生單元所需的一電力；由磁場產(chǎn)生單元產(chǎn)生非接觸外力,將素材朝其徑向方向往內(nèi)擠壓,使得內(nèi)模表面的復(fù)數(shù)個肋可于該素材上形成復(fù)數(shù)個動壓溝槽；以及進行脫模動作,使內(nèi)模與素材達到一脫模溫度以避開干涉而成功脫模。利用該方法即可成功制造出流體軸承,該方法可有效地避免成形過程中材料回彈與皺折兩大問題。
文檔編號B21C23/02GK1422710SQ01139889
公開日2003年6月11日 申請日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月4日
發(fā)明者徐弘光, 郭佳儱, 賴美玲, 章廣賢 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院