一种轻量一体化轴承主轴单元的制作方法

1.本实用新型属于应用工业设备的成品主轴单元结构技术领域，具体涉及一种轻量一体化轴承主轴单元。


背景技术：

2.主轴作为机械动力传递的结构而被广泛使用，例如使用在机床、机械传动、运动器械等。成品主轴单元主要由主轴、安装在主轴两端的轴承、以及安装在轴承外径上的壳体组成，另外还有一些辅助零件，例如轴承两侧的端盖、端盖内部或者外部防止污染和润滑油泄露的油封，对轴承进行预紧的弹簧、主轴内部填充供轴承润滑的润滑脂、端盖之间的调整垫片等，轴承的轴向串动，通过预紧或者装配中球轴承端面之间加减垫片解决，解决主轴的轴向串动是主轴单元使用中面临的重要问题。主轴的一侧安装皮带轮、齿轮或者联轴器，用于动力输入，主轴的另外一侧安装动力输出部件，将主轴安装在机体的壳体内部。采用成品主轴单元的优点是安装调整方便，精度高，标准化程度高，缺点是成本高，不能根据一些特殊使用工况进行调整。还有一部分主轴，是在具有一定空间的机械壳体上直接加工出座孔、座孔内安装轴承及油封，轴承内径安装主轴的方式，主轴的精度和寿命受加工和安装影响很大，这种情况在机床上比较常见，装配效率低，但可以根据具体使用情况进行调整。
3.成品主轴单元使用在机械产品上，具有安装使用方便、精度高、使用寿命长、互换性好的优点，因此广泛使用在各种需要动力传递的部件中，缺点是无论是径向还是轴向的尺寸都比较大，对装配空间要求高。在一些特殊应用场合，特别是多主轴布置的场合，对主轴单元的体积要求比较严格，例如走心机中的动力单元。走心机是小型、精密高效的加工设备，在加工产品周围各个方向分布多种加工刀具，某些刀具带有动力设施，例如铣刀、钻头、丝锥等，具有动力设施的刀具简称为动力头，机床的动力头基本采用集中布置，由一台电机带动多个动力头旋转组成一套动力刀台，一套动力刀台可以完成多种加工，效率很高。但动力头之间的中心距离很小，采用常规的主轴单元，由于尺寸的限制，只能采用小体积的主轴单元，在这种情况下主轴的刚性、轴承的承载能力、动力传递能力都很有限，只能进行一些小尺寸加工和精加工，不能满足高负荷、高效率、大尺寸的加工要求。
4.也有将多个主轴安装在壳体上的方案，轴承安装在壳体上，对壳体的加工要求高，轴承防护差，前后轴承的装配误差大，轴承之间也有公差和径向游隙等方面的误差，装配过程中需要对轴承进行精细的调整，很难使轴承的工作精度和寿命达到一致。使用过程中由于防护问题，轴承寿命很低，机床故障率高。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种轻量一体化轴承主轴单元，将前后轴承的内圈与主轴集成为一体，形成一体化的主轴，将前后轴承的外圈与主轴壳体集成为一体，在集成的壳体内径上加工出不同的滚道，在主轴对应的位置加工出与之相匹配的滚道，滚道之间安装相应的滚动体，形成一体化的主轴单元，主轴单元结构紧凑，刚性提高，整
体重量更轻，安装使用方便。为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案如下：
6.一种轻量一体化轴承主轴单元，包括主轴，所述主轴的一端为载荷输入端，另一端为载荷输出端，主轴外部套设有集成外圈，主轴与所述集成外圈内壁之间设有一列圆柱滚子和一列钢球，主轴沿外径设有一道主轴直线滚道和一道主轴圆弧沟道，其中主轴直线滚道靠近主轴的载荷输出端，主轴圆弧沟道靠近主轴的载荷输入端，集成外圈内壁与主轴直线滚道相对应的位置设置有外圈直线滚道，与主轴圆弧沟道相对应的位置设置有外圈圆弧沟道，圆柱滚子在主轴直线滚道和外圈直线滚道之间滚动，并通过一滚子保持架分隔，钢球在主轴圆弧沟道和外圈圆弧沟道之间滚动，并通过一钢球保持架分隔，所述钢球与主轴弧形沟道和外圈弧形沟道之间为四点接触形式，集成外圈内径沿轴线的两端与主轴外径表面之间设置有密封圈。
7.优选的，钢球与主轴弧形沟道的弧面具有相对钢球中心对称分布的第一接触点和第二接触点，钢球与外圈弧形沟道的弧面具有相对钢球中心对称分布的第三接触点和第四接触点，第一接触点和第三接触点之间的连线一以及第二接触点和第四接触点之间的连线二均经过钢球的中心，连线一与连线二之间的夹角为30～70
°
。
8.进一步的，连线一与连线二之间的夹角为40～60
°
。
9.优选的，集成外圈的内壁上设置有限位槽，滚子保持架的外径设有环状凸起，所述环状凸起卡设在限位槽中。
10.优选的，集成外圈两端的内径部位设有密封槽，密封圈的外径嵌入固定在密封槽中，密封圈的内径与主轴外径表面滑动接触。
11.进一步的，密封圈的内径沿圆周方向设有软质的第一密封唇和第二密封唇，第一密封唇沿主轴轴向朝内侧伸展，第二密封唇沿主轴轴向朝外侧伸展，第一密封唇和第二密封唇均与主轴外径表面滑动接触。
12.进一步的，主轴外径上固定设置有挡油环，所述挡油环位于密封圈的外侧，密封圈上设有软质的第三密封唇，第三密封唇朝挡油环伸展并与挡油环内侧壁滑动接触。
13.进一步的，挡油环的外径朝集成外圈内部方向延伸，挡油环的外径与集成外圈内壁之间的径向间隙为0.4～0.8mm，挡油环外径的内侧端面与密封圈的外侧端面之间的轴向距离为0.5～1.0mm。
14.优选的，集成外圈的外径上设有两道相互对称的止动槽，在止动槽内安装有挡圈，集成外圈的外径靠近端部加工有标记槽。
15.优选的，集成外圈的外径上设有带安装孔的法兰。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
17.1.取消了传统主轴单元中轴承内圈与主轴的配合以及轴承外圈与壳体的配合，使得轴承的安装精度得到了很大的提升，有效减少了轴承轴向径向尺寸和整体重量，能够满足紧凑多主轴环境的安装要求，安装使用更加方便。
18.2.将圆柱滚子设置在靠近载荷输出端，能够承受更大的载荷，钢球采用四点接触形式，有效降低了主轴的轴向窜动，提高了主轴单元的精度。
19.3.集成外圈两端采用多点复合迷宫密封，集成润滑和密封结构，使得主轴使用过程中不需要维护，降低了使用成本；维修时，更换主轴单元更加简单快捷，有效降低了停机成本。
附图说明
20.图1：本实用新型的整体结构示意图；
21.图2：a处的局部结构示意图；
22.图3：b处的局部结构示意图；
23.图4：本实用新型中一种集成外圈设有止动槽的实施例安装结构示意图；
24.图5：本实用新型中一种集成外圈设有法兰的实施例安装结构示意图；
25.各图中：
26.1.主轴，11.主轴直线滚道；12.主轴弧形沟道；13.花键；14.螺纹；
27.2.集成外圈；21.外圈直线滚道；22.外圈弧形沟道；23.限位槽；24.密封槽；25.止动槽；26.标记槽；27.法兰；
28.3.圆柱滚子；31.滚子保持架；311.环状凸起；
29.4.钢球；41.第一接触点；42.第二接触点；43.第三接触点；44.第四接触点；45.连线一；46.连线二；47.钢球保持架；
30.5.密封圈；51.第一密封唇；52.第二密封唇；53.第三密封唇；
31.6.挡油环。
具体实施方式
32.下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.一种轻量一体化轴承主轴单元，参照图1至图3所示，包括主轴1，主轴1的一端为载荷输入端，另一端为载荷输出端，主轴1的外部套设有集成外圈2，主轴1与集成外圈2内壁之间装配有一列圆柱滚子3和一列钢球4，主轴1沿外径设有一道主轴直线滚道11和一道主轴圆弧沟道12，其中主轴直线滚道11靠近主轴1的载荷输出端，主轴圆弧沟道12靠近主轴1的载荷输入端，集成外圈2内壁与主轴直线滚道11相对应的位置设置有外圈直线滚道21，与主轴圆弧沟道12相对应的位置设置有外圈圆弧沟道22，圆柱滚子3在主轴直线滚道11和外圈直线滚道21之间滚动，并通过一滚子保持架31分隔，钢球4在主轴圆弧沟道12和外圈圆弧沟道22之间滚动，并通过一钢球保持架47分隔，钢球4与主轴圆弧沟道12和外圈圆弧沟道22之间为四点接触形式，集成外圈2内径沿轴线的两端与主轴1外径表面之间设置有密封圈5。
34.该轴承主轴单元取消了传统主轴单元中轴承内圈与主轴1的配合以及轴承外圈与壳体的配合，将前后轴承内圈与主轴1集成为一体化的主轴1，在主轴1上加工出不同的滚道，将前后轴承外圈与壳体集成为一体形成集成外圈2，在集成外圈2的内壁上加工出不同的滚道，主轴1和集成外圈2的滚道之间装配相对应的滚动体，主轴1在单元的中心，两端分别承受载荷输入和输出，集成外圈2兼具主轴单元壳体的功能，直接安装配合在机床上，为主轴单元提供固定。整体结构更加紧凑，在相同的刚性和承载力的前提下，有效减小了主轴单元轴向径向尺寸和整体重量，安装精度得到较大提高。主轴1和集成外圈2采用与轴承内外圈相同的材料和热处理，因此轴承的寿命不会受到影响。与轴承设计相同，不同滚动体采用不同形状的保持架对滚动体与滚动体之间进行隔离，防止滚动体在运动旋转过程中产生
碰撞和摩擦，限制滚动体的窜动，轴承内部填充润滑脂进行润滑。在集成外圈2两端面的内侧内径部位，加工了供安装密封圈5的密封槽24，集成外圈2与主轴1之间安装密封圈5，密封圈5采用钢制骨架加强的橡胶材料加工，弹性的密封圈5外径嵌入固定在集成外圈2内径上的密封槽24内固定不动，弹性的密封圈5内径唇口与主轴1接触，主轴1旋转时与密封圈5内径部位的密封唇口产生滑动，防止外部的杂质、油污等侵入轴承内部，也防止轴承内部的润滑脂产生泄漏。主轴1和集成外圈2之间分别装配有圆柱滚子3和钢球4，同样空间尺寸下圆柱滚子3的承载能力远大于钢球4的承载能力，在主轴1工作中，输出一端需要承受较大的载荷，因此将圆柱滚子3安装在靠近载荷输出的一端，而将钢球4安装在靠近载荷输入一端。由于工作环境的多样性，主轴1工作中除了承受较大的径向载荷外，还需要承受一定的轴向载荷，而且轴向载荷方向不确定，而圆柱滚子3因为结构的限制，不能承受轴向载荷，因此轴向载荷由钢球4承担，为了承受更大的轴向载荷的同时不增加体积，简化轴承装配调整，钢球4与主轴圆弧沟道12和外圈圆弧沟道22之间为四点接触的特殊形式，提高双向承载能力的同时，能够有效降低轴承的轴向游隙，从而降低主轴单元装配后主轴1的轴向串动，提高主轴单元使用中的精度。主轴1采用与轴承相同材料的轴承钢加工而成，在主轴1的中间部分采用中频淬火处理，表面硬度达到hrc58以上，而芯部硬度保持热处理前状态，表面硬度高，耐磨性能好，芯部硬度低，韧性好，主轴1的寿命长，处理后的表面具有很高的硬度，能够承受滚动体工作中的反复载荷。在具体应用中，可在主轴1的外径面靠近两端外加工花键13和螺纹14，花键13的外径进行精加工，与安装体精密配合，实现动力传递。
35.与现有技术相比，该轻量一体化轴承主轴单元取消了传统主轴单元中轴承内圈与主轴的配合以及轴承外圈与壳体的配合，使得轴承的安装精度得到了很大的提升，有效减少了轴承轴向和径向尺寸，能够满足紧凑多主轴环境的安装要求；钢球4采用四点接触形式，有效降低了主轴1的轴向窜动，提高了主轴单元的精度；集成外圈两端采用多点复合迷宫密封，集成润滑和密封结构，使得主轴1使用过程中不需要维护，降低了使用成本；维修时，更换简单快捷，降低了停机成本。
36.主轴1外径和集成外圈2内壁上分别加工出主轴弧形沟道12和外圈弧形沟道22，可以承受径向载荷和双向的轴向载荷，宏观上沟道为圆弧形，实际设计中为两段圆弧复合形成尖拱形状，两段圆弧在钢球4的两侧呈对称分布，参照图3所示，钢球4与主轴弧形沟道12的弧面具有相对钢球4中心对称分布的第一接触点41和第二接触点42，钢球4与外圈弧形沟道22的弧面具有第三接触点43和第四接触点44，第一接触点41和第三接触点43之间的连线一45以及第二接触点42和第四接触点44之间的连线二46均经过钢球4的中心，这种情况下钢球4为纯滚动状态，不会产生附加滑动，运动效果好。连线一45和连线二46之间的夹角即为接触角a，接触角a的大小会影响轴承径向和轴向的承载能力，以及轴承高速运动的能力。通过设计和试验验证发现，接触角a的数值在30～70
°
之间能够满足轴承使用要求，优选的接触角a的数值在40～60
°
之间,能够充分满足使用要求。
37.圆柱滚子3由滚子保持架31进行分离，防止圆柱滚子3在运动中互相摩擦和碰撞，滚子保持架31由工程塑料pa66注塑而成，工程塑料pa66使用玻璃纤维加强，玻璃纤维的含量在20～30％之间。由于圆柱滚子3在运动中受各种因素影响，会在轴向方向往复窜动，在一种优选实施例中，参照图2所示，集成外圈2内壁在外圈直线滚道21靠近端面一侧加工出环形限位槽23，圆柱滚子保持架31的外径处设有与之形状相适应的环状凸起311，工程塑料
pa66材料本身有较大的弹性，因此安装中预先将圆柱滚子3和滚子保持架31装配在一起，然后用设备压入主轴1和集成外圈2之间，滚子保持架31的环状凸起311压缩后滑入限位槽23中，滚子保持架31通过环状凸起311限位在限位槽23中，可有效限制轴承转动时圆柱滚子3在轴向上的窜动。
38.在一种优选实施例中，参照图2所示，密封圈5的内径沿圆周方向设有软质的第一密封唇51和第二密封唇52，其中第一密封唇51沿主轴1轴向朝内侧伸展，第二密封唇52沿主轴1轴向朝外侧伸展，第一密封唇51和第二密封唇52均与主轴1外径表面滑动接触。在进一步的优选方案中，主轴1外径上固定设置有挡油环5，挡油环5位于密封圈5的外侧，可以防止外部的硬质材料对密封圈5的损坏，密封圈5上设有软质的第三密封唇53，第三密封唇53朝挡油环6伸展并与挡油环6内侧壁滑动接触。挡油环6与密封圈5之间的距离很小，可以降低粉尘和油污的侵入。挡油环6的外径朝集成外圈2内部方向延伸，挡油环6的外径与集成外圈2内壁之间的径向间隙为0.4～0.8mm，挡油环6外径的内侧端面与密封圈5的外侧端面之间的轴向距离为0.5～1.0mm。密封圈5的三个密封唇口分别与主轴1和挡油环6接触，多点复合式的密封结构具有更好的密封效果。
39.集成外圈2可以采用过盈配合，直接压装到机床壳体孔中使用。在一种优选实施例中，参照图2和图4所示，在集成外圈2的外径上加工出两道止动槽25，两道止动槽25之间的距离与在机床上安装位置处的壳体厚度相适应，通过在止动槽25内安装c型挡圈，用以将主轴单元固定在机床壳体上，止动槽25的槽底比挡圈的厚度略窄，止动槽25的两条侧边形状不同，靠近内侧的侧边为垂直方向，靠近外侧的侧边由底部向上朝集成外圈2外端呈一定的倾斜角度，优选的倾斜角度为20～30
°
，挡圈装入止动槽25时，在倾斜侧边的作用下会向内侧压紧在机床壳体上，从而使主轴单元的安装更加稳固。集成外圈2的外径靠近其中一个端部加工有标记槽26，用于区分滚动体的位置，防止安装中产生错误。外圈2的外径也可以为带法兰27的形式，参照图5所示，安装更方便，法兰27的圆周上分布四个沉孔，用于安装固定螺钉。将主轴单元安装在机床壳体上，主轴单元外径与机床壳体采用间隙或者过渡配合，采用螺钉将法兰27固定在壳体的端面上，安装方便可靠。法兰27的两侧进行削边处理，减小主轴单元之间的中心距离，满足安装要求。
40.综上所述，该实用新型提供的轻量一体化轴承主轴单元，有效解决了现有主轴单元前后轴承装配精度不易保证、尺寸重量较大、安装维护复杂、防护性能较差等问题，具有很高的利用价值和使用意义，可大量推广应用。
41.以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种轻量一体化轴承主轴单元，包括主轴(1)，所述主轴(1)的一端为载荷输入端，另一端为载荷输出端，其特征在于：所述主轴(1)外部套设有集成外圈(2)，所述主轴(1)与所述集成外圈(2)内壁之间设有一列圆柱滚子(3)和一列钢球(4)，所述主轴(1)沿外径设有一道主轴直线滚道(11)和一道主轴弧形沟道(12)，其中所述主轴直线滚道(11)靠近所述主轴(1)的载荷输出端，所述主轴弧形沟道(12)靠近所述主轴(1)的载荷输入端，所述集成外圈(2)内壁与所述主轴直线滚道(11)相对应的位置设置有外圈直线滚道(21)，与所述主轴弧形沟道(12)相对应的位置设置有外圈弧形沟道(22)，所述圆柱滚子(3)在所述主轴直线滚道(11)和所述外圈直线滚道(21)之间滚动，并通过一滚子保持架(31)分隔，所述钢球(4)在所述主轴弧形沟道(12)和所述外圈弧形沟道(22)之间滚动，并通过一钢球保持架(47)分隔，所述钢球(4)与所述主轴弧形沟道(12)和所述外圈弧形沟道(22)之间为四点接触形式；所述集成外圈(2)内径沿轴线的两端与所述主轴(1)外径表面之间设置有密封圈(5)。2.如权利要求1所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述钢球(4)与所述主轴弧形沟道(12)的弧面具有相对钢球(4)中心对称分布的第一接触点(41)和第二接触点(42)，所述钢球(4)与所述外圈弧形沟道(22)的弧面具有相对钢球(4)中心对称分布的第三接触点(43)和第四接触点(44)，所述第一接触点(41)和所述第三接触点(43)之间的连线一(45)以及所述第二接触点(42)和所述第四接触点(44)之间的连线二(46)均经过所述钢球(4)的中心，所述连线一(45)与所述连线二(46)之间的夹角为30～70o。3.如权利要求2所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述连线一(45)与所述连线二(46)之间的夹角为40～60o。4.如权利要求1所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述集成外圈(2)的内壁上设置有限位槽(23)，所述滚子保持架(31)的外径设有环状凸起(311)，所述环状凸起(311)卡设在所述限位槽(23)中。5.如权利要求1所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述集成外圈(2)两端的内径部位设有密封槽(24)，所述密封圈(5)的外径嵌入固定在所述密封槽(24)中，所述密封圈(5)的内径与所述主轴(1)外径表面滑动接触。6.如权利要求5所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述密封圈(5)的内径沿圆周方向设有软质的第一密封唇(51)和第二密封唇(52)，所述第一密封唇(51)沿所述主轴(1)轴向朝内侧伸展，所述第二密封唇(52)沿所述主轴(1)轴向朝外侧伸展，所述第一密封唇(51)和所述第二密封唇(52)均与所述主轴(1)外径表面滑动接触。7.如权利要求6所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述主轴(1)外径上固定设置有挡油环(6)，所述挡油环(6)位于所述密封圈(5)的外侧，所述密封圈(5)上设有软质的第三密封唇(53)，所述第三密封唇(53)朝所述挡油环(6)伸展并与所述挡油环(6)内侧壁滑动接触。8.如权利要求7所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述挡油环(6)的外径朝集成外圈(2)内部方向延伸，所述挡油环(6)的外径与所述集成外圈(2)内壁之间的径向间隙为0.4～0.8mm，所述挡油环(6)外径的内侧端面与所述密封圈(5)的外侧端面之间的轴向距离为0.5～1.0mm。9.如权利要求1所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述集成外圈(2)的外径上设有两道止动槽(25)，所述集成外圈(2)的外径靠近端部加工有标记槽(26)。
10.如权利要求1所述的一种轻量一体化轴承主轴单元，其特征在于：所述集成外圈(2)的外径上设置有带安装孔的法兰(27)。

技术总结
本实用新型提供了一种轻量一体化轴承主轴单元，包括具有载荷输入端和输出端的主轴，主轴外部套设有集成外圈，主轴与集成外圈内壁之间设有一列圆柱滚子和一列钢球，主轴和集成外圈内壁相对应的位置分别设有一道直线滚道和一道圆弧沟道，其中直线滚道靠近载荷输出端，圆弧沟通靠近载荷输入端，圆柱滚子在直线滚道内滚动，钢球在圆弧沟道内滚动，钢球与圆弧沟道之间四点接触，集成外圈内径两端与主轴外径表面之间设有密封圈，集成外圈内壁设有限位槽，对圆柱滚子保持架进行限位，集成外圈外径设有止动槽或法兰。该轻量一体化轴承主轴单元结构紧凑，减小了轴向径向尺寸和整体重量，具有轴向窜动小、刚性好、精度高、安装使用方便、成本较低等优点。成本较低等优点。成本较低等优点。


技术研发人员：陈升儒 郭延伟 赵国庆
受保护的技术使用者：青岛泰德汽车轴承股份有限公司
技术研发日：2021.11.16
技术公布日：2023/8/26