High resolution microscopy as tools for sliding microbearing radial clearance and grooves geometry measurements

• Autorzy: Khudoley A. , Kuznetsova T. , Chizhik S. , Wierzcholski K. , Miszczak A.

Warianty tytułu

PL

Mikroskopy o wysokiej rozdzielczości jako narzędzia do pomiaru promieniowego luzu oraz geometrii rowków w mikrołożysku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a new non-classical method of radial clearance measurements in slide micro-bearing with grooves. In this paper, the authors show that measurements of the radial clearance of micro-bearings cannot be determined with the required accuracy for hydrodynamic calculations and wear analysis just through subtraction from the internal diameter of the sleeve to the external diameter of the journal. Therefore, it is proposed to measure clearance directly by high-resolution microscopy using a metallographic sample of the cross-section of the assembly of sleeve and journal with the gap filled with glue. The measurements are performed using an optic microscope, a SEM, and an AFM. Analysis of lubrication shows that the ventilator or cooling fan micro-bearing has a hydrodynamic type of lubrication and the HDD micro-bearing has an elasto-hydrodynamic type of lubrication.

PL

Hydrodynamiczne smarowanie z rowkami na powierzchni panewki lub czopa w mikrołożyskach ślizgowych twardych dysków komputerowych oraz w mikrołożyskach wentylatorów komputerowych staje się coraz bardziej powszechne ze względu na fakt, że mikrołożyska ślizgowe są lepsze w eksploatacji niż łożyska toczne, a przede wszystkim rowki redukują pęcherze kawitacyjne, przez co zwiększają sztywność łożyska. W przypadku mikrołożyska, a tym bardziej mikrołożyska z rowkami, klasyczne metody pomiaru luzu promieniowego o dokładności do 1–2 µm są mało skuteczne. Luzy promieniowe w mikrołożyskach z rowkami o pochyleniu od 30 do 60 stopni oraz różnym kształcie, zazwyczaj w literkę V oraz jodełkę, mają wysokość 2–3 µm i dlatego w niniejszej pracy wykonano ich pomiar z użyciem różnego typu przyrządów elektronowych, takich jak: optyczny mikroskop Micro 200, Planar Belarus; optyczny skaningowy mikroskop Mira, Oxford Instrument (SEM) oraz mikroskop sił atomowych typu NT-206 Belarus (AFM). Pomiary prezentowane w pracy zostały wykonane na metalograficznych próbkach przedstawiających przekroje poprzeczne elementu bez wytrawiania oraz polerowania. Przeprowadzono dwa typy pomiarów, a mianowicie czop i panewka oddzielnie oraz czop i panewka razem. W tym drugim typie pomiaru dokonano wyznaczenia rzeczywistej wartości luzu promieniowego. Odległości geometryczne związane z luzem promieniowym zostały wyznaczone wyżej opisanymi przyrządami SEM, AFM w obrazach dwu- oraz trójwymiarowych, posługując się profilami powierzchni w skali mikro i nano oraz wyznaczonymi elektronicznie siłami poprzecznymi i skrętnymi. Wyznaczono luzy promieniowe długich mikrołożysk wentylatorów komputerowych (120 000 h, 2900 obr./min, 80 mm) oraz mikrołożysk twardych dysków komputerowych HDD (7200 obr./min, 80Gb, 3.5”). Na podstawie dokonanych pomiarów autorzy wykazują, że tradycyjne wyznaczanie promieniowego luzu w przypadku mikrołożysk ślizgowych poprzez różnicę mierzonych wartości promienia czopa i panewki prowadzi do mało dokładnych wyników. Wymiarowa tolerancja mierzonych średnic czopa i panewki mikrołożysk z uwzględnieniem chropowatości powierzchni sięga 320 nm. Pomiary SEM i AFM powierzchni mikrołożyska HDD wykazały cechy elasto-hydrodynamicznego smarowania.

Słowa kluczowe

EN

AFM; SEM; radial clearance; grooves geometry; measurements

PL

mikroskop AFM; SEM; luz promieniowy; geometria rowków; pomiary

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2013
• Tom: nr 3
• Strony: 37--47
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Khudoley A.

• Institute of Heat and Mass Transfer of the NASB, Minsk, Republic of Belarus

autor

Kuznetsova T.

• Institute of Heat and Mass Transfer of the NASB, Minsk, Republic of Belarus

autor

Chizhik S.

• Institute of Heat and Mass Transfer of the NASB, Minsk, Republic of Belarus

autor

Wierzcholski K.

• Technical University of Koszalin, Koszalin, Poland.

autor

Miszczak A.

• Gdynia Maritime University, Gdynia, Poland.

Bibliografia

• 1. Matsuoka K., Obata S., Kita H., Toujou F.: Development of FDB Spindle Motors for HDD Use // IEEE Transactions on Magnetics. - 2001. - Vol. 37, No. 2. - p. 783-788.
• 2. Asada T., Saito H., Asaida Y., Itoh K.: Design of hydrodynamic bearings for high-speed HDD // Microsystem Technologies. - 2002. - Vol. 8. - 220-226.
• 3. Lee J., Jang G., Ha H.: Robust optimal design of the FDBs in a HDD to reduce NRRO and RRO // Microsystem Technologies. - 2012. - DOI: 10.1007/s00542-012-1539-4.
• 4. Jang G.H., Lee S.H., Kim H.W., Kim C.S.: Dynamic analysis of a HDD spindle system with FDBs due to the bearing width and asymmetric grooves of journal bearing // Microsystem Technologies. - 2005. - Vol. 11. - p. 499-505.
• 5. Jang G.H., Park J.S.: Development of a highly efficient hard disk drive spindle motor with a passive magnetic thrust bearing and a hydrodynamic journal bearing // Journal of Applied Physics. - 2005. - Vol. 97, No. 10. - p. Q507-Q509.
• 6. Bhushan B.: Principles and applications of tribology. - New York: John Wiley and Sons, 1999. - 1001 p.
• 7. Sharma S., Hargreaves D., Scott W.: Journal bearing performance and metrology issues //Journal of AMME. - 2009. - V. 32 (1). - p. 98-103.