專利名稱：氣體軸承制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體軸承，具體而言，涉及改進(jìn)的氣體軸承和用于制造這種 軸承的支承面的方法。
背景技術(shù)：
各種類型的氣體軸承是已知的。例如，已知的旋轉(zhuǎn)氣體軸承包括可相對(duì) 于定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。在通常的運(yùn)行條件下，在這種軸承的相對(duì)的支承面直接 沒有固體對(duì)固體的直接接觸。相反，加壓氣體通常是空氣的膜在支承面之間 形成層或者緩沖，用于傳送支承之間的力。由于氣體軸承是非接觸式，它們 避免了與傳統(tǒng)軸承有關(guān)的摩擦、磨損和需要潤滑的問題?？諝廨S承通常在精 確定位和高速應(yīng)用中特別有利。
當(dāng)相對(duì)的支承面之間的工作間隙基本上均勻并且不變時(shí)氣體軸承操作 最優(yōu)化。提供這種均勻的工作間隙需要該軸承內(nèi)的支承面形成有高精度。這 些支承面也需要是彈性的，以便防止由于意外物理接觸(例如在啟動(dòng)或者斷 電時(shí))而發(fā)生損害或者磨損。此外，這些軸承需要用于將氣流引導(dǎo)到支承面 之間以便提供必要的氣墊的 一 些裝置。
已知通過例如碳化硅等的硬質(zhì)金屬材料形成用于氣體軸承的支承面。在 這種裝置中，可以穿過一個(gè)或者多個(gè)支承面鉆出小孔，以便提供用于將氣體 注射在相對(duì)的支承面之間的部件。此外，還已知在開孔附近的軸承表面機(jī)加
工(例如銑)出表面特征或者所謂的"凹窩(pocket)"，以便更均勻地分布 通過這些開孔排出的氣體。這些凹窩的尺寸對(duì)軸承性能具有重要影響，因此 需要形成有高精度。
在硬質(zhì)材料中形成這種凹窩通常耗時(shí)，并且難以機(jī)加工到所需的公差。 由于這種原因，需要在從多孔材料形成支承面方面做很多加工。但是，這種 材料加工困難并且成本高。
美國專利文獻(xiàn)US 5800066也描述了一種氣體軸承，其包括屠夫在支撐陶瓷軸上的外部玻璃層。陶瓷軸包括多個(gè)氣腔，多個(gè)多孔體位于氣腔中。采 用激光消融方法在多孔體附近在玻璃層中形成氣窩。為了形成具有用去氣體 軸承l(wèi)喿作的所需尺寸的氣窩，采用精確的激光機(jī)加工工藝來去除玻璃層的一 些區(qū)域。制造這種軸承結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜和耗時(shí)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，提供一種制造用于氣體軸承的支承面的方法，
所述方法包括如下步驟(i)獲取大塊支承部分，其具有至少一個(gè)支承面區(qū) 域；以及(ii)在所述支承面區(qū)域上提供涂層，以便限定至少一個(gè)氣體凹窩， 其中，所述步驟(ii)包括形成深度基本上可由所述涂層的厚度限定的至少 一個(gè)氣體凹窩。
本發(fā)明因此提供用于形成氣體軸承的支承面的改進(jìn)的方法。如上所述， 該支承面是軸承的一部分，其在使用期間通過一層氣體與互補(bǔ)的支承面分
本發(fā)明的方法包括獲取具有至少 一個(gè)支承面區(qū)域的大塊支承部分。設(shè)置
(pocket)。術(shù)語"氣體凹窩，，是指凹槽或者中空凹坑，其形成在支承面中用 于輔助分配泵送到相對(duì)的支岸義面之間的間隙中的氣體。與現(xiàn)有技術(shù)的在大塊 支承部分的材料中形成為凹槽的氣體凹窩不同，在涂層中形成氣體凹窩具有 許多優(yōu)點(diǎn)。例如，其允許大塊支承部分由軟的易于機(jī)加工的材料(例如鋁) 形成，同時(shí)確保支承面具有強(qiáng)的外部涂層。這減小了制造復(fù)雜性，無需降低 支承面在使用中對(duì)于磨損和撕裂的耐受性。
根據(jù)本發(fā)明，形成至少 一個(gè)氣體凹窩使得其深度基本上由涂層的厚度限 定，能夠減小氣體凹窩形成的復(fù)雜度。具體而言，與美國專利文獻(xiàn)US 5800066 中描述的類型的現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明允許采用的涂層厚度來控制形成的氣 體凹窩的深度，例如，至少一個(gè)氣體凹窩的深度可以大致或者基本上等于涂
層的厚度。氣體凹窩的深度因此可以容易地通過控制形成在支承面區(qū)域上的 涂層的厚度來設(shè)置，并且不需要用于去除深度限定良好的材料的精確激光消 融等技術(shù)?？刂仆繉拥暮穸韧ǔ１葘?shí)施能可靠和重復(fù)去除具有良好限定的深 度的材料的例如激光消融或者機(jī)加工的技術(shù)容易得多。有利的是，所述步驟(ii)包括在所述支承面區(qū)域上形成涂層的步驟。 該"形成"的步驟可包括在大塊支承區(qū)域上沉積層，和/或?qū)Υ髩K支承區(qū)域的 材料進(jìn)行改性。然后可有利地進(jìn)行進(jìn)一步的步驟，其包括選擇性地去除所述 涂層的至少一些以便限定至少一個(gè)氣體凹窩?？蛇x擇的是，涂層可以預(yù)形成 在支承面區(qū)域上，例如可以設(shè)置具有預(yù)先施加的涂層的大塊支承部分。步驟 (ii )可以有利地包括選擇性地去除所述涂層的至少 一些以便限定至少 一個(gè) 氣體凹窩。
所述選擇性地去除所述涂層的步驟包括采用激光消融的步驟。換句話
說，高功率激光源(例如二氧化碳或者Nd: YAG激光)可以用來從大塊支 承部分去除涂層的區(qū)域。
暴露大塊支承部分的涂層下的支承面區(qū)域的步驟。例如，激光消融技術(shù)可以
功率和波長。激光輻射的時(shí)間可以被控制，以便最小化大塊支承部分的消融。 通過這種方式，可以去除涂層，而不會(huì)對(duì)大塊支承部分具有任何明顯影響。 盡管可以形成完整的涂層，并且可以然后去除部分涂層，但是也可以僅
在支承面區(qū)域的所需區(qū)域上形成(例如沉積)涂層。換句話說，可以根據(jù)圖 案形成涂層來在沉積過程中限定氣體凹窩。.步驟(ii)可因此方便地包括在 所述支承面區(qū)域上形成所述涂層的步驟，所述涂層被沉積為限定所述至少一 個(gè)氣體凹窩。
有利的是，所述步驟(ii)包括在所述支承面區(qū)域上提供彈性涂層(例 如陽極氧化的涂層)的步驟。這種涂層提供一種硬質(zhì)表面，如果相對(duì)的支承 面接觸對(duì)于損害會(huì)有彈性緩沖。該涂層可具有大于250)iHv,優(yōu)選大約300 juHv，或者大于400jLiHv的硬度。例如，鋁上的硬質(zhì)陽極氧化涂層可具有250 - 500 mHv范圍的硬度。應(yīng)當(dāng)注意，采用維氏微硬度(即以pHv為單位)測 量涂層的硬度對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。
根據(jù)需要，涂層可包括多層，這些層可以是類似或者不同材料。 有利的是，所述步驟(ii)包括提供厚度小于100nm、小于50)um、小 于30jum或者小于20Mm的涂層。優(yōu)選的是所述步驟(ii)包括提供厚度大 于l]um、大于10jum或者大于20jum的涂層。優(yōu)選的是，涂層的厚度等于或者大致等于25jum。
方便的是，所述步驟(i)包括獲取包括易于成型(例如，容易機(jī)加工) 的材料的大塊支承部分。有利的是，這種材料是金屬材料，例如鋁。其他材 料，例如黃銅、鋼、或者某些塑料可以替代地提供所述大塊支承部分。
為了在相對(duì)的支承面之間提供所需的氣墊，所述步驟('i)可包括獲取具 有用于接收加壓氣體的中空腔室或者通道的大塊支承部分。此外，所述步驟 (i)可包括獲取具有形成有至少一個(gè)開孔的支承面區(qū)域的大塊支承部分。在 使用中，這些一個(gè)或者多個(gè)開孔可以提供氣體流入或者流出支承面之間的工 作間隙的需要。這種開孔可以與大塊支承部分的中空腔室或者通道流體聯(lián)
至少一個(gè)開孔的附近限定氣體凹窩。換句話說，通過開孔排出的氣體可以通 過氣體凹窩進(jìn)入軸承工作間隙。
盡管可以在涂層形成之前在大塊支承部分中形成開孔，應(yīng)當(dāng)理解，如果 需要，這些開孔可以在涂層沉積步驟之后形成。所述方法可以有利地包括包 括在所述大塊支承部分中形成(例如鉆出)一個(gè)或者多個(gè)孔的步驟。
方便的是，所述步驟(i)包括獲取適于包括在旋轉(zhuǎn)軸承中的大塊支承部 分。例如，大塊支承部分可以包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子和定子。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種支承件，其具有至少一個(gè)支承面。所 述支承件包括大塊支承部分，所述大塊支承部分具有限定至少一個(gè)氣體凹窩 的涂層，其中，所述至少一個(gè)氣體凹窩的深度基本上等于所述涂層的厚度。 這種支承件可以通過根據(jù)上面描述的方法來制造。
方便的是，所述涂層包括彈性涂層，例如陽極氧化的或者硬質(zhì)陽極氧化 涂層。有利的是，大塊支承部分包括中空芯。所述大塊支承部分可在每個(gè)空 氣凹窩附近方便地包括至少一個(gè)開孔。如上面描述的，所述大塊支承部分可 有利地包括金屬，例如鋁。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種軸承，例如旋轉(zhuǎn)軸承，其包括這種支承件。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供一種制造用于其他軸承的支承面的方法， 所述方法包括如下步驟(i)獲取大塊支承部分，其包括至少一個(gè)支承面區(qū) 域，所述至少一個(gè)支承面區(qū)域上形成有涂層；以及(ii)選擇性地去除部分 涂層以便限定至少一個(gè)氣體凹窩，其中，所述選擇性地去除部分涂層以便限
9定至少一個(gè)氣體凹窩的步驟(ii)包括如下步驟去除所述涂層部分以便基
的深度基本上等于所述涂層的厚度。
因此描述了用于形成支承面的方法，其包括獲取具有支承面的大塊支承 部分以及采用激光消融來在所述支承面中形成至少 一個(gè)氣體凹窩的步驟。所
述大塊支承部分的支承面可方便地包括涂層，所述激光消融步驟能夠去除至 少一些所述涂層。
還描述了用于制造用于氣體軸承的支承面的方法，其包括如下步驟(i) 獲取具有至少一個(gè)支承面區(qū)域的大塊支承部分；以及(ii)在所述支承面區(qū) 域上形成涂層。該涂層優(yōu)選是硬質(zhì)涂層，步驟(ii)優(yōu)選包括陽極氧化或者 硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)。
現(xiàn)在將借助示例，參照附圖來描述本發(fā)明，其中 圖1示出了采用本發(fā)明的方法形成的氣體軸承； 圖2示出了圖1所示的氣體軸承的透視圖； 圖3示出了用于形成支承面的本發(fā)明的方法；以及 圖4示出了采用本發(fā)明的方法形成的空氣軸承凹窩。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，示出了本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)氣體軸承2的剖視圖。該軸承2包括定 子4和轉(zhuǎn)子6。轉(zhuǎn)子6包括軸8,軸8承載第一轉(zhuǎn)子部分10和第二轉(zhuǎn)子部分 12。第一轉(zhuǎn)子部分10和第二轉(zhuǎn)子部分12具有從軸8向外延伸的凸出的支承 面11。定子4包括凹入的支承面13,支承面13的形狀與轉(zhuǎn)子6的支承面互補(bǔ)。
定子4軸向位于第一轉(zhuǎn)子部分10和第二轉(zhuǎn)子部分12之間，使得轉(zhuǎn)子6 和定子4的支承面分開所需的工作間隙。定子4包括中空芯14，通道從該中 空芯14延伸到設(shè)置在支承面上的小孔16。氣體(例如空氣)可以經(jīng)由開孔 16進(jìn)入定子-轉(zhuǎn)子工作間隙。
第一轉(zhuǎn)子部分10和第二轉(zhuǎn)子部分12以及定子4的大部分由鋁形成。鋁
10重量輕，易于機(jī)加工成所需的形狀。但是，鋁太軟，不能提供所需的支承面， 也就是說，如果在使用中(例如在啟動(dòng)或者斷電時(shí))在支承面之間發(fā)生意外
表面接觸時(shí)易于損壞。因此提供薄的(大約20nm)的硬質(zhì)陽極氧化涂層18 作為定子和轉(zhuǎn)子的支承面的最外層。在開孔16附近，該涂層涂過激光消融 來去除，以便提供下面將更詳細(xì)描述的氣體凹窩。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，其示出參照?qǐng)D1描述的軸承2的更詳細(xì)的透視圖。具體 而言，圖2示出了定子4和轉(zhuǎn)子的第一轉(zhuǎn)子部分10和第二轉(zhuǎn)子部分12。轉(zhuǎn) 子還包括轉(zhuǎn)子組件20,該組件20形成上面描述的軸8。此外，示出了一體 的馬達(dá)22。
參照?qǐng)D3 ，示出了由于形成根據(jù)本發(fā)明的支承面的方法。
圖3a示出了形成有通道31的一層鋁30。鋁層30可以使上面參照?qǐng)D1 和2描述的類型的轉(zhuǎn)子或者定子的支承面。盡管為了筒化示出了平坦(平的) 面，鋁的表面可以才幾加工成任意所需的形狀。
圖3b示出了形成在鋁層30的表面的硬質(zhì)陽極氧化層32。硬質(zhì)陽極氧化 層32的厚度大約是20-25|am,其可以采用各種已知的陽極氧化方法形成。
一旦硬質(zhì)陽極氧化層32已經(jīng)聲場，可以采用激光消融在通道31的區(qū)域 中從鋁層30去除其一部分區(qū)域。具體而言，激光消融技術(shù)可以用來在通道 31的出口開孔周圍形成空氣凹窩34。這種空氣凹窩的橫向尺寸可以容易地 通過激光束的橫向運(yùn)動(dòng)控制。盡管陽極氧化涂層32可以通過消融去除，下 面的大塊鋁層30比涂層32明顯更具反射性，因此激光輻射從其反射。每個(gè) 空氣凹窩34的深度因此通過陽極氧化層32的厚度控制。換句話說，陽極氧 化涂層的厚度可以用來控制空氣凹窩的深度。通過這種方式，空氣凹窩的尺 寸可以被精確和可靠地控制。
參照?qǐng)D4，示出了根據(jù)上面參照?qǐng)D3描述的方法制造的定子4的局部放 大圖。具體而言，定子4可以看作包括在大鋁層44上的陽極氧化涂層42的 激光消融而形成的多個(gè)菱形空氣凹窩40。
盡管上面描述了陽極氧化涂層的激光消融，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 這種技術(shù)可以采用其他的層形成和/或?qū)尤コ夹g(shù)。此外，單個(gè)選擇性的層形 成步驟(例如采用適當(dāng)?shù)恼值某练e)可以用來提供空氣凹窩，同時(shí)形成涂層。
ii
權(quán)利要求
1. 一種制造用于氣體軸承的支承面的方法，所述方法包括如下步驟(i)獲取大塊支承部分，其具有至少一個(gè)支承面區(qū)域；以及(ii)在所述支承面區(qū)域上提供涂層，以便限定至少一個(gè)氣體凹窩，其中，所述步驟(ii)包括形成深度基本上可由所述涂層的厚度限定的至少一個(gè)氣體凹窩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(ii)包括在所 述支承面區(qū)域上形成涂層的步驟。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(ii)包括選擇性地去除所述涂層的至少一些以^J艮定至少一個(gè)氣體 凹窩的步驟。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述選擇性地去除所述 涂層的步驟包括采用激光消融的步驟。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2到3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 所述選擇性地去除所述涂層的步驟包括去除涂層以便基本上暴露大塊支承 部分的涂層下的支承面區(qū)域的步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(ii)包括在所 述支承面區(qū)域上選擇性形成所述涂層的步驟，所述涂層^皮形成為限定所述至 少一個(gè)氣體凹窩。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(ii)包括在所述支承面區(qū)域上提供彈性涂層的步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟(ii)包括在所述支承面區(qū)域上提供陽極氧化涂層的步驟。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(ii)包括提供厚度小于lOOjam的涂層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟(ii)包括提 供厚度小于50lam的涂層。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(ii)包括提供厚度小于10pm的涂層。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(i)包括獲取包括易于成型的材料的大塊支承部分。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述步驟(i)包括獲 取包括金屬的大塊支承部分。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述步驟(i)包括獲 取包括鋁的大塊支承部分。
15. 根據(jù)前迷權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(i)包括獲取具有用于引導(dǎo)空氣供應(yīng)的內(nèi)部中空通道區(qū)域的大塊支承 部分。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(i)包括獲取具有形成有至少一個(gè)開孔的支承面區(qū)域的大塊支承部分， 所述步驟(ii)包括在所述支承面區(qū)域上提供涂層以便在所述至少一個(gè)開孔 的附近限定氣體凹窩。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述大塊支承部分中形成一個(gè)或者多個(gè)孔的步驟。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所 述步驟(i)包括獲取適于包括在旋轉(zhuǎn)軸承中的大塊支承部分的步驟。
19. 一種制造用于其他軸承的支承面的方法，所述方法包括如下步驟(i) 獲取大塊支承部分，其包括至少一個(gè)支承面區(qū)域，所述至少一個(gè)支 承面區(qū)域上形成有涂層；以及(ii) 選擇性地去除部分涂層以便限定至少一個(gè)氣體凹窩，其中，所述選擇性地去除部分涂層以便限定至少一個(gè)氣體凹窩的步驟 (ii)包括如下步驟去除所述涂層部分以便基本上暴露大塊支承部分的涂 層下支承表面區(qū)域使得所述至少一個(gè)氣體凹窩的深度基本上等于所述涂層 的厚度。
20. —種支承件，其具有至少一個(gè)支承面，所述支承件包括大塊支承部 分，所述大塊支承部分具有限定至少一個(gè)氣體凹窩的涂層，其中，所述至少 一個(gè)氣體凹窩的深度基本上等于所述涂層的厚度。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的支承件，其特征在于，所述涂層包括彈性 涂層。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的支承件，其特征在于，所述涂層包括陽極氧 化的涂層。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20到22中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的支承件，其特征在 于，所述大塊支承部分包括用于引導(dǎo)空氣供應(yīng)的中空通道區(qū)域。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20到23中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的支承件，其特征在 于，所述大塊支承部分在每個(gè)空氣凹窩附近包括至少一個(gè)開孔。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20到24中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的支承件，其特征在 于，所述大塊支承部分包括金屬。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的支承件，其特征在于，所述大塊支承部分 包括鋁。
27. —種軸承，其包括根據(jù)權(quán)利要求20到26中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的 支承件。
28. —種旋轉(zhuǎn)軸承，其包括根據(jù)權(quán)利要求20到26中任一項(xiàng)權(quán)利要求所 述的支承件。
29. —種形成基本上參照?qǐng)D1到4描述的支承面的方法。
30. —種基本上參照?qǐng)D1到4描述的支承面。
全文摘要
描述了一種制造用于氣體或空氣軸承(2)的支承面(11，13)的方法。所述方法包括獲取大塊支承部分(30；44)，其具有至少一個(gè)支承面區(qū)域；以及在所述支承面區(qū)域上提供涂層(32；42)，以便限定至少一個(gè)氣體凹窩(34；40)。所述至少一個(gè)氣體凹窩(34；40)的深度基本上等于所述涂層(32；42)的厚度。在一個(gè)離子中，激光消融用于去除部分涂層(32；42)來形成氣體凹窩(34；40)。涂層(32；42)可以是陽極氧化的涂層，大塊支承部分(30)可以由鋁形成。還描述了采用該方法形成的空氣軸承部件。
文檔編號(hào)F16C32/06GK101490430SQ200780024895
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者史蒂文·保羅·亨特, 布倫登·諾埃爾·約瑟夫·卡利南, 雨果·喬治·戴瑞克 申請(qǐng)人:瑞尼斯豪公司