制造滚动轴承的保持架的方法与流程

本发明涉及一种用制造滚动轴承的保持架的方法，其中保持架包括具有用于容纳滚动体的多个兜孔的基体。

背景技术：

滚动轴承的保持架通常是旋转对称的部件，一般对于中高产量来说通过冲压或注塑成型，对于小批量生产或者如果需要高强度和/或特殊材料来说通过车削(turning)和铣削(milling)来制造。在需要高强度和/或特殊材料的情况下，典型地用管材料开始制造，然后将其车削成恰当的尺寸。随后再加工保持架的容纳兜孔。

然而，这种经典的生产技术意味着，对于保持架的强度而言不需要的材料的任何额外去除(例如为了减少重量)增加了生产时间和成本。如果材料位于车削或铣削刀具无法到达的位置，则无法将其去除。

尽管事实上这种材料是不需要的并且要随后被去除，但是它仍然需要付出并且因此导致成本增加。因此，相对于保持架的所需强度，原材料成本比必需的要高。

因此，对于对重量不敏感的应用，加工时间被最小化且可接受额外的重量。

本发明的目的是开发一种制造可克服上述缺点的保持架的方法。因此，应当能够以节省成本的方式生产保持架，所述保持架不仅轻而且具有所需的强度和刚度。当然，所需的材料应最小化并且仅位于需要承载负载而没有相关的保持架变形的区域。

技术实现要素：

根据本发明的解决方案，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a)定义保持架的基本几何形状，其中该基本几何形状包括用于接触或面向轴承圈的径向外表面和/或径向内表面，和用于接触滚动体的、兜孔的多个表面；

b)将径向外表面和/或径向内表面的至少一部分定义为不可变表面；

c)借助于数学模型计算在施加定义的力时保持架中的应力分布；

d)检测保持架中应力低于定义的临界值的体积部分；

e)考虑(taking into account)根据步骤b)的不可变表面和优选兜孔中的(作为不可变表面的)表面的至少一部分，从基本几何形状中去除根据上述步骤d)定义的体积部分中的至少一部分；

f)定义去除了所述体积部分的保持架的几何形状；

g)根据如按照步骤f)所定义的几何形状通过3D打印方法制造所述保持架。

优选地，在步骤f)之后且在步骤g)之前，重复所述步骤d)至e)至少一次；根据本方法的具体优选的实施方式，所述步骤d)至e)甚至重复多次。

关于去除兜孔的表面的至少一部分，应当说明的是，不必保持完整的兜孔表面。仅需要几何地定义滚动体的位置和具有凹形接触部(concave contact)。因此，可以想到多种不可变表面的变型。例如，轴承的周向和轴向上的表面部分可以保持为不可变的。此外，表面的相应部分可以旋转一定角度，例如45°。

在上述步骤e)中，可以分别考虑保持架或该保持架一些部分的几何形状的预定义的最小尺寸。该最小尺寸特别涉及保持架或该保持架一些部分的厚度和/或横截面。

所述数学模型优选是FEA(有限元分析)模型。

根据本方法进一步的实施方式，重复步骤d)至e)，直到在所述保持架的基本几何形状中产生至少一个空隙(void)。

优选地，在执行的所有步骤e)期间，保持架的基本几何形状的体积的至少10％，尤其优选体积的至少30％被去除。相应制造的保持架具有比不使用所提出的方法制造的保持架小例如60％的体积和重量。

根据以上步骤a)的保持架的基本几何形状优选是中空圆柱。

根据一种可能性，在步骤g)中，保持架由塑料材料3D打印制成。

此外，保持架可以由金属材料制成。这里，尤其考虑像钛、铝或镁之类的轻金属。此外，可以使用钢。

因为具有更高的强度储备(strength reserve)，金属保持架可能特别适用，其允许高程度的材料去除，并且在使用3D打印技术时还具有更高的精度。

通过所提出的方法，获得了与具有在处理过程开始时所给出的基本几何形状的保持架相比具有显著较小的重量的轻量保持架。尽管如此，获得了相当稳定和刚性的保持架，其承载产生的载荷而没有相应的变形。

典型的轴承保持架为冲压、车削、铣削和/或注塑成型进行优化。(如3D打印保持架材料的)增材制造方法允许容易地且节省成本地生产保持架的几何形状，这是传统制造技术所不可能的或至少是非常费力从而昂贵的。

通过所提出的方法，可以相对于重量和强度问题优化保持架的几何形状。

所提出的保持架适用于许多应用；优选的应用是在航空航天领域和有益地需要轻量设计或低惯性(inertia)的其它领域中。在这方面应该提到如超精密轴承、航空航天和赛车的特殊应用。

对于重量敏感的应用，如航空航天或赛车，本发明在保持架的重量、强度和生产时间之间找到了优化的权衡。

保持架可以设计成轻30％到70％之间，同时保持其功能并减少所需的原材料量，从而有可能降低原材料成本。在增材制造中，原材料成本比传统制造更明显，这是因为粉末比块体钢更昂贵。

减小的惯性在具有高加速度和减速度的应用中更为有利。在一些应用中，刚度降低也可以是有利的，这是因为轴承能以更灵活的方式对未对准和加速/减速作出反应。

附图说明

附图示出本发明的实施方式。

图1示出滚动轴承的保持架的立体图，其几何形状是基本几何形状并且还未改变，以及

图2示出保持架一部分的立体图，现在通过去除基本几何形状中的部分体积来实现基本几何形状的改变。

具体实施方式

图1中示出具有基本上为空心圆柱形的基本几何形状的保持架1。保持架1具有：径向外表面3、径向内表面4和用于容纳滚动体的多个兜孔(pocket)2。兜孔2具有用于接触滚动体(未示出)的表面5。

制造保持架1的过程从如图1所示的保持架1的基本几何形状的定义开始。

下一步骤是定义某些不可变表面。更具体地，径向外表面的一部分(即保持架1的中空圆柱形结构的两个环形侧向外表面)以及容纳兜孔5的表面5为所述不可变表面；这些表面必须被保留以实现保持架的功能。外表面6确立保持架的引导；表面5引导在兜孔2内的各滚动体。

此外，径向内表面7可以被定义为这种不可变表面。当保持架1以其径向内侧在轴承圈上被引导时，情况尤其如此。

现在，通过有FEM方法(限元法)执行保持架1中的应力分布的计算。为此，定义的应力被代入到保持架的数学模型。

随后，定义其中的应力低于定义的临界值的、保持架1的体积部分(volume section)8(参见图2)。也就是说，需要传递高张力的区域必须保持不变。相反，通过FEM方法计算所识别的、具有低张力的区域对于力传递不是必要的，并因此这些区域可以被定义为所讨论的体积部分8。

然后，考虑径向外表面的不可变表面6和兜孔2的表面5，将所述体积部分8的至少一部分从保持架1的基本几何形状中去除。

然后，定义去除了所述体积部分的保持架的几何形状。

如果执行这些步骤一次或多次，则保持架的几何形状被修正，生成图2中的保持架1部分所示的结构。可以看出，仅保留了在保持架1运行期间对于力的传递真正有必要的那些部分。

从该几何形状可以创建一组用于根据定义的几何形状制造保持架的数据。

保持架1通过3D打印工艺制造。

因此，本发明还可以描述如下：

使用算法来优化保持架的拓扑。这通过定义所述算法不可修改的表面来完成。该表面包括与滚动体的接触表面和在保持架的外(和/或内)圆周上的、具有小宽度的表面。

然后，在保持架的数学模型内，将典型的负载施加到保持架兜孔(例如，在兜孔的两侧上施加100N、适当的离心力和可选的冲击载荷)。然后该算法去除尽可能多的材料，但是仍然保持保持架的功能。

这可以完成高达70％的各种水平的减重。

为了减少数学模型的模拟时间，可以将保持架分成四分之一的兜孔。可以通过在邻近滚珠接触表面的两个平面处镜像该部分并且围绕旋转轴线复制该部分来获得完整的圆柱形部分，从而获得完整的模型。

所得部件显示出期望的减重，但仍然满足关于刚度和强度的功能要求。

由于保持架和外(和/或内)圈接触表面仍然完好，因此外圈(和/或内圈)的引导被保持，并且滚动体(滚珠)被以与未修改的保持架的情况相同的方式约束。

由于最高的应力通常在兜孔的轴向壁中，因此在该处几乎不去除材料。一些支撑材料保留在滚珠接触表面下方以将兜孔彼此支撑，并且将滚珠接触表面连接到保持架的轴向侧上的保持架杆。形成在外圈(和/或内圈)接触件和轴向侧之间的连接，从而实现最大刚度。

附图标记

1 保持架

2 用于容纳滚动体的兜孔

3 径向外表面

4 径向内表面

5 兜孔表面

6 不可变的径向外表面

7 不可变的径向内表面

8 要去除的体积部分