CN113614403A - 用于机加工轴承环和制造滚动轴承的方法 - Google Patents

用于机加工轴承环和制造滚动轴承的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机加工滚动轴承(1)尤其是轮轴承的轴承环(2、3)的方法，该方法包括以下特征：‑将用于制造轴承环(2、3)的坯料夹持到机床中；‑通过高进给铣削使轴承环(2、3)的环形表面(10)结构化，所述表面形成密封面。本发明还涉及一种滚动轴承、尤其是轮轴承，该滚动轴承具有作为用于密封件(8)的密封面的经过高进给铣削的表面。

Description

用于机加工轴承环和制造滚动轴承的方法
技术领域
本发明涉及用于机加工滚动轴承环的方法。本发明还涉及用于制造滚动轴承的方法，以及涉及滚动轴承、尤其是轮轴承。
背景技术
US 2010/0052262 A1描述了设置成用于轮轴承的密封装置，该密封装置包括弹性密封元件和金属止动元件。在此，该止动元件具有通过喷丸处理加工的表面。
发明内容
本发明的目的是在滚动轴承技术中就高效制造密封件所用的接触表面方面做出改进。
根据本发明，该目的通过一种根据权利要求1所述的用于机加工滚动轴承环的方法和一种根据权利要求9所述的用于制造滚动轴承的方法来实现。此外，该目的还通过一种具有根据权利要求10所述的特征的滚动轴承来实现。在下文中，结合滚动轴承所说明的本发明的实施例和优点也相应地适用于加工方法和制造方法，反之亦然。
根据本发明的用于机加工滚动轴承的轴承环的方法包括以下特征：
-将为制造轴承环所提供的坯料夹持在机床中，
-通过高进给铣削使轴承环的形成密封面的环形表面结构化。
为制造轴承环所提供的环形坯料被夹持在机床例如铣削机器中，其中，该坯料的非旋转布置也可以作为使坯料旋转的替代方案。轴承环的形成密封面的环形表面通过高进给铣削而被结构化。
高进给铣削，也称为HFM(high-feed milling)，在具有高进给率和切削速度的同时实现高切削性能。在此使用的高性能铣削刀具具有带若干个切削刃的特殊切削刃几何形状。这些高性能铣削刀具能够带可转位刀片以及不带可转位刀片。
使用高进给铣削来形成密封面使得能够非常具体地调节表面结构和表面粗糙度，使得可以特定地调节密封件与密封面之间的摩擦以及使该摩擦最小化。
出版物“High-feed milling for structuring tool surfaces for sheetmetal forming(用于对金属片材形成的工具表面进行结构化的高进给铣削)”DennisFreiberg，ISBN 978-3-8027-8912-0，Vulkan Verlag，03/2019，示出了高进给铣削可以影响利用高进给铣削形成的表面。
高进给铣削期间的不同加工参数能够负责每个表面结构化部的外观和相应的粗糙度深度。机加工参数特别地包括高进给铣削刀具的进给方向、高进给铣削刀具的进给速度或切削速度、高进给铣削刀具的旋转轴线相对于待被机加工的表面的入射角、以及高进给铣削刀具的切削深度。在此，另一可选的机加工参数是待通过高进给铣削机加工的工件或轴承环的旋转速度。
根据金属的类型(脆性或韧性)，用于金属的优选切削速度约为50m/min至300m/min。将高进给铣削刀具的切削深度(轴向进给)设定在1μm至500μm的范围内已被证明是有利的。
由轴承环在密封面区域的结构化表面以及弹性密封元件形成的接触密封具有低摩擦和低易损性而同时具有良好的密封效果。密封效果既与润滑剂即脂或油在滚动轴承中的保持有关，又与使得污垢远离滚动轴承的内部有关。
特别地，已证明是有用的是借助于高进给铣削刀具的面进行高进给铣削(＝面铣削)。这使得可以将高进给铣削刀具设定成相对于待被机加工的表面成一角度或成一设定角度。特别优选的是，该面以相对于轴承环的形成密封面的表面成0°至10°的角度βf的对准方式被导引。
已证明是有用的是，在其中轴承环的形成密封面的表面被结构化的同一夹持过程中，通过切削来产生轴承环的轨道，其中，坯料在所提及的两个机加工步骤期间旋转。然而，替代性地，当然也可以单独地加工轴承环以形成轨道和密封面，也就是说在不同的夹持过程中。在这种情况下，也可以使用空间上分开的和/或不同的机床来形成轨道并且形成密封面。
如果在工件旋转的同时进行密封面的结构化和强化，则机加工出轴承环的至少一个滚子体轨道，即以优选的方法通过在与旋转坯料即工件相同的设定下进行车削和/或磨削。待机加工工件的优选旋转速度取决于待机加工工件的直径、铣削刀具位置和待实现的表面结构，该待机加工工件在此为轴承环。
利用这种优选方法实现了若干个优点：
一方面，由于以下事实而有利于高效且精确的机加工：轴承环的结构化表面是在也进行轴承环的机加工的相同设定下形成的。另一方面，不需要单独的元件例如以待连接至轴承环的止动盘或止推环的形式来产生密封接触。相反，在滚动轴承内，紧固至轴承环中的一个轴承环的弹性密封元件与另一轴承环的经过高进给铣削的密封面直接接触。与常规解决方案相比，这不仅使零件数目最小化，而且趋于使滚动轴承所需的空间最小化。
在该方法的优选实施例中，在高进给铣削期间，所使用的高进给铣削刀具相对于轴承环沿该轴承环的轴向方向移位。替代性地，在高进给铣削期间，高进给铣削刀具相对于轴承环沿该轴承环的径向方向移位。
例如，机床的这种移位在机加工表面上描绘出多次与自身相交的螺线形线、螺旋形线或波形线。在任何情况下，在机加工过程结束时，在设置为密封面的机加工表面上产生的凹陷部近似均匀地分布，表示为每单位面积内凹陷部的数目。
因此，自身已证明的是，在高进给铣削过程中，高进给铣削刀具在待被结构化的表面上描绘出螺线形线或螺旋形线。替代性地，已证明是有利的是，在高进给铣削过程中，高进给铣削刀具在待结构化的表面上描绘出多条相交的波形线。以此方式，可以为密封面设定多种表面结构和表面粗糙度，这可以根据特定应用及其要求进行定制。
已证明是有用的是，在通过高进给铣削形成的密封面的表面的区域中使用至少一种平滑后处理工艺。刷涂、喷砂、蚀刻等适合作为后处理方法。因此，减少了通过高进给铣削形成的密封面的表面的区域中的毛刺或锋利边缘，这导致与密封面接触的密封件的更长的使用寿命。密封件在其与密封面接触的接触表面上损坏或变粗糙的风险被显著地降低。
用于制造滚动轴承的方法包括以下步骤：
-提供具有借助于高进给铣削而结构化的表面作为密封面的轴承环以及另一轴承环，
-在轴承环之间安置多个滚子体，
-在轴承环之间将密封件有效地安装成使得该密封件保持在所述另一轴承环上并且与结构化表面接触。
由轴承环在密封面区域的结构化表面以及弹性密封元件形成的接触密封具有低摩擦和低易损性而同时具有良好的密封效果。密封效果既与润滑剂即脂或油在滚动轴承中的保持有关，又与使得污垢远离滚动轴承的内部有关。
根据本发明的滚动轴承包括至少两个轴承环，在轴承环之间布置有多个滚子体，并且该滚动轴承具有至少一个密封件，所述至少一个密封件保持在轴承环中的一个轴承环上并且接触另一轴承环的经过高进给铣削的表面。
滚珠以及滚针或滚子例如筒形滚子、桶形滚子或锥形滚子可以设置为滚动轴承的滚子体。滚动轴承可以被设计成单排或多排式轴承，并且可以包括两个轴承环或更多数目的轴承环、例如三个轴承环。例如，滚动轴承是用于机动车辆的轮轴承。
特别地，结构化表面、也就是说经过高进给铣削的密封面具有凹陷部，该凹陷部具有最大为100μm的粗糙度深度Rt。这确保维持密封件的密封效果，该密封件延伸直至抵靠结构化表面或密封面，并且同时实现了对密封件与结构化表面或密封面之间产生的摩擦的优化。特别优选的是，选择结构化表面的最大为10μm的粗糙度深度Rt。尤其是在3μm至5μm范围内的粗糙度深度Rt在此自身已被证明。
尽管滚动轴承的位于密封面的区域中的轴承环中的一个轴承环通过高进给铣削机加工，但是通常不对另一轴承环提供这种机加工。滚动轴承可以在一个侧部上密封或者可以在两个侧部上密封。轴承环中的每个轴承环可以是一件式轴承环或者可以是分离式轴承环。
在典型构型中，滚动轴承的通过高进给铣削的轴承环是内环。要么内环要么外环可以被设置为旋转的轴承环。因此，具有经过高进给铣削的密封面的轴承环原则上既可以是内环也可以是外环。
附图说明
下文通过附图更详细地说明了本发明的两个示例性实施例。在附图中：
图1示出了通过高进给铣削对轴承环的表面进行机加工的示意图，
图2示出了利用根据图1的方法机加工的轴承环的立体图，
图3示出了包含根据图2的轴承环的被设计为深沟球轴承的滚动轴承，
图4示出了被设计为轮轴承的滚动轴承的截面，该轮轴承具有根据图1加工的轴承环，以及
图5示出了通过在由金属材料制成的表面上进行高进给铣削而形成的不同表面结构化部。
具体实施方式
除非另有说明，否则以下说明涉及所有的示例性实施例。在所有附图中，彼此对应或具有基本相同效果的部分或结构均标有相同的附图标记。
总体上用附图标记1标识的滚动轴承被设计为球轴承并且包括内环2和外环3(对比图3)。图3中所示的滚动轴承1是深沟球轴承，而图4中仅部分示出的滚动轴承1是双列角接触球轴承、即用于机动车辆的轮轴承。在这种情况下，内环2的法兰用4来表示。
在这两种情况下，球作为滚子体5在轴承环2、3之间滚动。滚子体5可以在未示出的保持架中被导引。可以看到内环2的与滚子体5接触的轨道6和外环3的与滚子体5接触的轨道7。
在外环3上保持有具有密封唇部9的密封件8。密封唇部9与内环2的表面10接触，在图3的情况下，该表面平行于中心轴线M定向并且描绘出与滚动轴承1的中心轴线同心的筒形。另一方面，在图4的情况下，表面10位于定向成与中心轴线M垂直的平面上。在这两种情况下，密封件8均为接触式密封件。以未示出的方式，密封件8可以具有多于一个的密封唇部9。
由密封唇部9接触的表面10借助于图1中所示的高进给铣削而被结构化并且提供表面结构化部11。该方法用于制造根据图3的滚动轴承1的内环2并且用于制造根据图4的滚动轴承1的内环2。在高进给铣削之后不对设置为密封面的表面10进行平滑精加工。
为了制造内环2，将坯料夹持到未示出的机床、尤其是铣削机器中，该坯料的基本形状对应于之后的内环2的形状。在随后的加工期间，坯料、也就是说之后的内环2绕其中心轴线M以一定的切削速度vc旋转。在将坯料夹持在机床中的同时对坯料的机加工包括对滚子体轨道6进行机加工。
在图1至图3中所示的示例中，滚动轴承1仅在一个侧部上密封。因此，滚动轴承1仅具有单个筒形表面10，该单个筒形表面在完全组装的滚动轴承1内用作密封面(图3)。图2中所示的表面10的表面结构化部11也在根据图4的示例性实施例中给出。表面结构化部11具有多个凹陷部12的形式。在此，结构化表面10的粗糙度深度Rt在从3μm至5μm的范围内。
呈高进给铣削刀具14的形式的工具13用于制造凹陷部12。工具13安装在机床上。
高进给铣削刀具14可以在XYZ坐标系(参见图1)中相对于XY平面中的中心轴线M定向和/或以在YZ平面中所见的成角度方式定向。高进给铣削刀具14沿Y轴方向轴向地前进，也就是说，通过沿旋转轴线M的方向前进将材料移除。
为了制造根据图4的内环2的表面结构化部11，工具13例如从内部至外部或从外部至内部缓慢且均匀地径向移动。由此生成的凹陷部12理论上位于螺线形线上。另一方面，如果工具13在径向向内的第一极端点与代表表面10的径向外边界的第二极端点之间以相对较高频率移动，则首先出现表面结构化部11的位于单个平面、即表面10的平面中的那些波形形式。在内环2的若干个旋转过程中，这些波形以与根据图1的示例性实施例相当的原则重叠若干次，使得在这种情况下还实现表面10内的凹陷部12的分布的高度均匀性。
图5以图5a)至图5e)示出了在由金属材料、尤其是钢制成的平坦表面上借助于高进给铣削而形成的五种不同的表面结构化部11a至11e。高进给铣削期间的不同机加工参数负责每个表面结构化部11a至11e的所获得的外观和相应的粗糙度深度。对于每个表面结构化部11a至11e，以下给出参数：切削速度vc、轴向进给ae、径向进给ap、每齿进给fz以及设定角度βf，这些参数用于利用相同的铣削刀具形成各个表面结构化部。
图5a)：
vc＝100m/min
ae＝1mm
ap＝100μm
fz＝0.05mm
βf＝0.1°
图5b)：
vc＝100m/min
ae＝3mm
ap＝100μm
fz＝0.3mm
βf＝5°
图5c)：
vc＝100m/min
ae＝1mm
ap＝100μm
fz＝0.1mm
βf＝0.1°
图5d)：
vc＝100m/min
ae＝1mm
ap＝100μm
fz＝0.15mm
βf＝0.1°
图5e)：
vc＝100m/min
ae＝1mm
ap＝100μm
fz＝0.3mm
βf＝0.5°
密封面的外观可以以下述方式设计成使得：高进给铣削刀具14的平行加工轨道110以纵向结构示出，该纵向结构沿进给方向的方向延伸，其中，可以看到在这种加工轨道110内作为横向结构的弧形形状或部分圆形铣削轨道111，该横向结构基本上垂直于纵向结构而形成(比较图5a)、图5b)和图5e))。然而，也可以制造不示出为明显纵向结构的更均匀的表面结构化部(比较图5c)、图5d))。
作为图5e)的示例示出的XYZ坐标系意在阐明机加工参数。沿着Z轴在切削方向上给定切削速度vc，沿Y轴方向给定轴向进给ae，沿X轴方向给定径向进给ap，沿Z轴方向指示每齿进给fz，并且相对于XZ平面指示高进给铣削刀具14(参见图1)的旋转轴线R的入射角βf。
通过在高进给铣削期间改变机加工参数的一些实验，可以生成最佳适合用作用于密封面的表面结构化部的不同表面。然而，应该注意的是，所使用的铣削刀具的关于切削刃数目(或齿数目)和切削刃布置的不同设计也会对所获得的表面结构产生影响。使用相同的加工参数但使用不同的铣削刀具几何形状会实现不同的表面结构。然而，本领域中的普通技术人员很容易能够在利用给定的铣削刀具进行高进给铣削期间借助于一些实验在改变机加工参数的同时找到用于轴承环的密封面的适合的表面结构。
附图标记说明
1 滚动轴承
2 内环
3 外环
4 法兰
5 滚子体
6 内环的轨道
7 外环的轨道
8 密封件
9 密封唇部
10 表面
11、11a至11e 表面结构化部
110 加工轨道
111 铣削轨道
12 凹陷部
13 工具
14 高进给铣削刀具
M 中心轴线
R 旋转轴线
X X坐标
Y Y坐标
Z Z坐标。

Claims (11)

1.一种用于机加工滚动轴承(1)的轴承环(2、3)的方法，所述方法具有以下特征：
-将为制造所述轴承环(2、3)所提供的坯料夹持在机床中，
-通过高进给铣削对所述轴承环(2、3)的形成密封面的环形的表面(10)进行结构化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高进给铣削借助于高进给铣削刀具(14)的面进行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述面以相对于所述轴承环(2、3)的形成所述密封面的所述表面(10)成0°至10°的角度的对准方式被导引。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其特征在于，在其中所述轴承环(2、3)的形成密封面的所述表面(10)被结构化的同一夹持过程中，通过材料移除来产生所述轴承环(2、3)的轨道(6、7)，其中，所述坯料在所提及的两个机加工步骤期间旋转。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其特征在于，在所述高进给铣削期间，所述高进给铣削刀具(14)沿所述轴承环(2、3)的轴向方向移位。
6.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其特征在于，在所述高进给铣削期间，所述高进给铣削刀具(14)沿所述轴承环(2、3)的径向方向移位。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述高进给铣削刀具(14)的所述高进给铣削的过程中，在待被结构化的所述表面(10)上描绘出螺旋形线或螺线形线。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述高进给铣削刀具(14)的所述高进给铣削的过程中，在待被结构化的所述表面(10)上描绘出多次与自身相交的波形线。
9.一种用于制造滚动轴承(1)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供具有根据权利要求1所述的借助于高进给铣削的结构化表面(10)的轴承环(2、3)以及另一轴承环(3、2)，
-在所述轴承环(2、3)之间安置多个滚子体(5)，
-在所述轴承环(2、3)之间将密封件(8)有效地安装成使得所述密封件保持在所述另一轴承环(3、2)上并且与所述结构化表面(10)接触。
10.一种滚动轴承(1)，具有至少两个轴承环(2、3)，在所述轴承环之间布置有多个滚子体(5)，并且所述滚动轴承具有至少一个密封件(8)，所述至少一个密封件保持在所述轴承环(2、3)中的一个轴承环上并且与另一轴承环(3、2)的经过高进给铣削的表面(10)接触。
11.根据权利要求10所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚动轴承被设计为轮轴承。
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