CN103619741A - 用于在高张力下卷绕细线的、具有内部柔性支撑件的线轴 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于在高张力下卷绕细线的线轴（300），其特别适用于卷绕用来锯切硬且脆材料的钢线。线轴具有不同的发明方面。具有支撑件（310），其包括径向弹性部件（312），径向弹性部件从内部支撑线轴的芯（302），以便当在线轴上缠绕线时线轴芯的外径在线轴的整个宽度上按一致方式减小。为此，对芯进行专门的调整，以补偿支撑件处和可选的凸缘处增大的径向刚度。该线轴解决了在线锯机上使用期间锯线的内部层压力和自损坏的问题。

Description

用于在高张力下卷绕细线的、具有内部柔性支撑件的线轴

技术领域

本发明涉及线轴，尤其是涉及用于在高张力下卷绕细金属线的线轴。本发明的线轴特别适合于卷绕细锯线，并且更具体是具有磨料覆层的锯线。将线轴设计成使线损坏最小，适合于重复使用，并且构成线锯机的一部分。本发明还涉及设计这种线轴的方法。

背景技术

大长度线的运输完全是以线卷形式进行的。对于细金属线，该线卷（称为“线捆”）卷绕在可以为绕线筒或者线轴的载体上。在下文中，将使用术语“线轴”，但应理解它也可以用同义词例如绕线筒或者卷筒来替代。“线轴”为圆筒形形状，具有用于在卷绕或者退绕期间接收轴或者心轴的轴向孔。可选地，在圆筒的一端或者两端处可以有轮缘或者隆脊，以便使线轴能保持更多线。这种轮缘或者隆脊在下文中被称为“凸缘”。作为替代或者作为附加地，凸缘的作用是当线轴滚动时保护线轴上的线不被损坏。

线轴的主要作用是便于线的运输并且便于在进一步加工中使用线。因为金属线特别是钢线不会伸长太多、相当重并且具有高的抗拉强度，所以用于金属线领域例如钢线行业中的线轴在设计上与纺纱或者光学纤维或任何其它行业中已知的线轴非常不同。

越来越多的线轴正被用于超出仅用于运输功能外的另一目的,即，作为机器的必要部件。虽然在过去线轴一般设计成仅通过特殊接口而安装在机器上，但是如今线轴开始在由机器执行的实际工艺中起作用。突出的实例是线锯。在线锯中，从线轴上退绕出很长长度的非常细的钢线（一般比150μm更细）并且将其进给到切割头中，在该切割头处，例如将硅锭切割成硅片以供太阳能或者半导体工业使用。钢线在大约25牛的张力下被进给到切割头的线网中。在较早的机器中，提供了措施以使切割头中的线张力与线轴断开，以使高达25牛的张力不会传递到线轴上的线捆中。这些措施增加了机器的复杂性并因此增加了成本，并且因此一直试图消除这些措施（例如，参见DE19828420）。

当使用游离磨料切割工艺时—即这样一种工艺，其中，在液体中携带磨料，该液体浇到在切割头中移动的线上—可以单向或者双向地进行切割。在单向模式中，线被从线轴上卷绕、进给穿过切割头并且收集在重型机器线轴上以便丢弃。作为重型机器线轴的一例，参见WO2011/035907，其中，也提供了措施来从线轴上切断使用过的线。WO2009/077282中描述了另一实例，其中，线轴的芯是由两个配合圆锥件所制成，其中，外部线接收部件设有径向的压缩段。这两个部件可以轴向地分开，以便释放收集在其上的使用过的线。在单向模式中，放线线轴可以是例如US D563207S或者US D441772S中所描述的金属片线轴。

替代地，可以按双向方式执行工艺。在这种情况中，从线轴上沿前向以前向长度FL拉拽新线，然后在反向长度BL上反转锯切方向。FL大于BL。因此，“双向锯切”可以称为“前后锯切”、“往复锯切”或者“朝圣模式锯切”。在反向锯切期间，被磨料污染的用过的线在距离BL上绕回到干净的线上。在该绕回期间，切割头处的张力为大约25N或者更大，而在线的生产期间线轴卷绕张力一般仅为3到5牛。这会引起几个问题，例如，使用过的线进入到新线捆的绕线之间，之后，在使用过的线从新线中弹出（“底切”）时线发生断裂。

此外，线轴在高张力和许多绕线的组合影响下显著变形。因此，金属片线轴仅能使用一次并且不得不在单次使用后丢弃。已经寻求了形式为坚固的机加工线轴或者组装线轴形式的替代方案，例如WO2011/035907或者US D399857中描述的。这些线轴可重复使用，但是比其上的线卷重，使得购买和运输非常昂贵。就此而言，WO2009/080750中所描述的线轴前进了一步，其重量轻并且可重复使用至少十次。

目前尝试用固定磨料锯切来替代麻烦、肮脏和不环保的游离磨料锯切，这进一步对所使用的线轴提出了特殊要求。在“固定磨料锯切”中，磨粒被牢固地附着到载体线上，并且仅在锯切工艺中使用冷却剂。通常，使用细金刚石颗粒（一般为10到50μm大小）作为磨粒。这种线能够更长时间地保持其切割作用，因为线不会被磨料磨损—磨料固定在线上—这与游离磨料锯切工艺相反，在游离磨料锯切工艺中，线像被锯切的物件一样也会磨损。可以通过电解方式、树脂、硬钎焊或软钎焊或者机械压痕来进行磨粒的附连。在“朝圣模式”中仅使用固定磨料锯线，其中，反向长度BL仅略小于前向长度FL。因此，相同的线长度使用多次（很容易地是游离磨料锯切的百倍）。

这意味着，在每个循环中仅非常少的线进入线网中，并且用过的线在进入线网之前绕回在自身上多次。例如，在一段新线（FL-BL）完全进入线网中之前—并且不再返回到放线线轴上—其已经在放线线轴上重新卷绕了BL/(FL-BL)次。根据FL/BL比，这很容易达到在放线线轴上卷回数超过100、甚至200。此外，用于锯切的张力没有减小，并且对于制造硅片来说保持大约25牛，并且在切料或者锭整形的情况中大于70牛。在大部分锯机中，该张力在没有减小的情况下传递给线轴上的绕线。

注意，对本申请来说，消耗线的线轴被称为“放线线轴”（尽管其临时作为卷绕线即接收线的线轴），而接收用过线的线轴被称为“收线线轴”（虽然其间歇地用作输出线的线轴）。

更糟的是，磨粒从线的表面上突出（因为否则其不能切割），并且在许多次的卷回期间，位于线轴上的线和到达线轴的线彼此相互损坏，这被称为“自损坏问题”。该问题在放线侧最严重，因为在该处线卷回到仍须使用的新线上。因此，线在已经损坏的状态下进入线网中。在收线侧该问题不太严重，因为线被磨损了并且磨粒已经变钝了：进入收线线轴的线卷在已磨损的线上。因此，收线线轴上的线不会太多地损坏卷在收线线轴上的线。

用于锯切工艺中的高线张力在来回卷绕期间直接作用在线轴的线捆上。这导致了重新卷绕的线在下层松卷线捆中的底切，并且导致线之间轻微的切向线摩擦，这就是引起自损坏的机理。这导致了刮擦、压痕和损失磨粒。

该问题可以通过以下方式减轻：最初以高张力卷绕线捆—优选与锯切期间使用的张力相同—以便防止高张力卷绕的线在松卷的下层线之间切割。然而，在高张力下的卷绕线圈累积地增加了对下面的线和线轴芯的压力。因此，线轴通常被制造得重而坚固，以对抗该巨大的压力。因此，靠近线轴芯的线在上层的压力下被重重地横向挤压。高拉伸强度的线（即，拉伸强度大于约3500N/mm²的线）特别易受该横向压力的影响并且当然当其被保持在张力下时（在该例中正是如此，因为线在高张力下卷绕）而断裂。因此，在线轴中已经出现这种断裂并不令人惊讶。这是“层间压力问题”。

已经尝试来解决该问题，即，小心地按六边形或者正方形关系将线成层卷绕在线轴上（如EP1698433A1中所描述的），以便避免点接触并且以便分布接触压力。然而，考虑到固定磨料锯线的细度—一般为大约150μm—这是不容易的。

另一问题是，为了确保整个线轴上一致的卷绕质量，线轴的芯必须在芯的整个宽度上同等地变形。因为使用凸缘来支承芯，所以芯趋向于在靠近凸缘处的径向刚度更大。因而，芯趋向于在凸缘之间直径收缩，但不是在凸缘处。因此，芯的中间部分比两侧具有更小的外径，这导致了在使用期间的卷绕问题。该问题被称为“不均匀的芯变形”问题：在使用期间，沿轴线的芯径向变形不均匀。

在线轴重复使用期间，芯变形会导致永久性损坏：在每个使用周期，线轴芯将逐渐显示出在凸缘之间比在凸缘处永久减小的芯直径。EP1419986试图解决该重复使用问题，其使用了这样的线轴，其中，圆筒形芯覆盖有盖板，盖板与芯之间具有间隙。间隙的目的是吸收施加在盖板上的卷绕压力并且防止芯被压缩。发明人相信，该方法会导致靠近芯的绕线扭曲。

因此，发明人已经认真尝试通过下文所描述的线轴设计来解决上述问题。

发明内容

本发明线轴的目的是克服现有技术的问题：提供了一种线轴，减小或者消除了自损坏问题，减小了至少靠近芯处的层间线压力，在使用期间沿线轴轴线显示出均匀的芯变形，至少可以重复使用10次，并且可以用在把高张力传递到线输出线轴或者线接收线轴的机器上。所述线轴可同等地用作放线线轴或者收线线轴。

所述线轴特别适合于在高张力下卷绕细线。“细线”被认为是总直径小于400μm或者300μm，优选小于200μm，例如为150μm的线，并且“高张力”被认为是大于10N，例如为25N直到70N以上的张力。在线的生产期间或者在线的使用期间进行卷绕。如果上下文允许，“卷绕”也隐含“退绕”之意。线优选是锯线，更特别是固定磨料锯线。

作为任意线轴，线轴包括卷绕细线的芯。在本申请的上下文中，“芯”是指用来接收线并且从线捆开始处轴向地延伸至线捆结束处的线轴部件。为了顺利操作，该芯为沿芯的轴线具有恒定外径的管状或者圆筒形。

线轴还包括至少两个（可为三个、四个、五个或更多个）支撑件。支撑件具有中心孔，用于将线轴安装到可使用线轴的任何机器上，例如卷线机或者线锯上。借助于心轴、枢轴、轴或者任何其它已知装置来进行安装。所述至少两个支撑件的作用是承载、支撑芯，因此至少当在线轴上存在线捆时芯在支撑件上施加作用力。支撑件安装成使其从内部接触芯，这意味着在使用期间支撑件从芯的内侧接受载荷。因此，支撑件的至少一部分必须从内部接触芯。例如，不排除支撑件的中心孔位于芯外面，但是支撑件仍然从内部支承芯。大多数情况下，出于对搬运和安装的考虑，优选支撑件基本上安装在芯内部。“基本上在内部”是指支撑件的大部分（例如支撑件的一半以上）位于芯内部。

该线轴的独特之处是，支撑件包括位于中心孔与芯之间的径向弹性部件。“弹性部件”是指已在作用力下变形之后能恢复原有形状（与变形为永久性的“塑性”相反）的任何装置或者材料件。所述部件至少在径向上是弹性的。优选是，支撑件在轴向方向上是刚性的。这是为了防止中心孔当被例如枢轴沿轴向方向推动时移动太多。

当线卷绕到芯上时，在芯上将产生径向压力。卷绕在芯上的第一层线将在芯上施加向内的径向应力或者压力（平均值为局部接触应力）。该径向压力“p”（N/mm²）与卷绕张力T（牛）成正比，并且与卷绕半径“R”（mm）和线的直径“d”（mm）成反比：

p～T/(R·d)

因此，对于在高张力下卷绕的细线（“d”小），径向压力更高。径向压力将引起芯直径的减小。在现有技术的线轴中，凸缘通常作为芯的支撑件。因为所述凸缘沿径向是刚性的，所以其在径向压力下不会变形到与芯相同的程度，因此芯在中央比凸缘处直径减小更多。

在本发明的线轴中，芯与中心孔之间存在的径向弹性部件就减小了支撑件的径向刚度。弹性部件设计成使得在线轴的满设计载荷下支撑件处的芯外径的减小基本上等于支撑件之间的芯外径的减小。“基本上等于”是指在设计载荷下支撑件处的芯外径“OD_support”与支撑件之间的芯外径“OD_core”之间的直径差值“ΔOD”小于支撑件之间芯外径“OD_core”的0.5%。更优选的是该相对差值小于0.2%，尽管发明人实现了保持该偏差小于0.1%。“在支撑件之间”是指大约在两个相邻支撑件的中间，例如在这些支撑件中间。“设计载荷”是指当线轴缠满具有预定使用的直径、具有预定使用数量和在预定使用张力下的线时的载荷。在没有已知设计载荷的情况下，假定的载荷是名义直径148μm、卷绕张力25N、50km锯线的载荷。因此，这种设计解决了不均匀的芯变形问题。

有许多可测量该偏差的方法：

■可以借助于内卡钳来测量芯在支撑件处和支撑件之间的内径。增加芯的厚度但芯上无负载能够计算出芯在有线捆时的外径。芯壁的轴向压缩将吸收一部分直径减小，从而使该测量结果总是等于或者稍微大于直径减小的真实值。

■替代地，可以对线轴进行有限元建模（FEM），以发现线轴如何在径向压力下偏转。可以用Abaqus或者任何其它已知的FEM建模软件来进行建模。

表达支撑件处加载时的偏差不应与在支撑件之间加载时的偏差相差太多的一种替代方式是借助于单位为N/mm³的“径向模量k_x”：“k_x”是沿线轴轴线在位置“x”处的径向变形“ΔR_x”与理解为沿轴向不变（只要卷绕张力或者线直径不轴向地改变）的径向压力“p”之间的比例常数，“p”等于设计载荷下的压力：

p=k_x·ΔR_x

因此，

ΔOD/2=ΔR_core-ΔR_support=(k_core ^-1-k_support ^-1)·p

使用具有相同壁厚并具有同质和各向同性芯材料的圆筒形芯将导致径向模量在线轴的轴向长度上恒定。将支撑件引入到该芯中将使在支撑件处径向模量与在支撑件之间的径向模量有一些差异，因为支撑件不可避免地增加了一些径向刚度。即使这些支撑件包括径向弹性部件时也是如此（然而，与已知设计相比，径向模量的轴向差异将已经大大地减小了）。因此，另一步骤是通过减小芯在支撑件处的径向模量而适应了线轴在支撑件处的径向模量。这可以通过去除支撑件处的芯材料来做到。

完成上述的一种方式是，例如在支撑件所处位置处制造出周向切口（例如比在使用期间线轴直径的变化要宽）。这将局部削弱芯，并且使径向模量在线轴的轴向长度上更均匀。另一种可行方式是仅从内部从芯上去除材料。因此，减小了支撑件附近的芯厚度，从而在该处局部地削弱了芯的径向模量，这通过支撑件的径向模量来补偿。

发明人设想了用于一体化到支撑件中的一些可能的径向弹性部件。第一种可能性是使用弹性模量比支撑件中其它材料低的弹性体材料。这些部件可以是在径向地、呈辐条状地设置在芯与带孔的中心件之间的各个单独元件。或者，弹性体可以一体化为处于芯与中心件之间的径向薄（但轴向宽）的圆周层。

可能的弹性体材料是本领域技术人员所公知的材料，例如，天然橡胶或者合成橡胶，如丁苯橡胶（SBR）、丁基橡胶（IIR）、氯丁橡胶（CR）、丁腈橡胶（NBR），或者如乙丙橡胶（EPM、EPDM）的高性能橡胶，或者如硅橡胶或者聚氨酯橡胶的高性能橡胶。替代地，如聚烯烃和热塑性聚氨酯的某些热塑性聚合物可用于该目的。应当适当注意的是，通过使用合适的底胶而使中心件与芯之间具有良好的粘附力。

替代地，所述弹性部件可以是基于机械弹簧的。“机械弹簧”是具有几何形状的弹性部件，其中，通过制造弹簧的材料中引起的弯曲力矩和/或扭转力矩来抵抗位移。

在具有机械弹簧的优选实施例中，弹簧在支撑件中旋转对称地定向。至少弹簧必须三次旋转对称地安装：三个弹簧以120°的周期安装在支撑件中。当然，更高次对称例如4、5、6、7或者总体来说N重对称是优选的，以增加在支撑件位置处芯上的周向均匀性。发明人试验了12重对称的实施例。奇数次对称是稍微优选的，因为这更利于铸造支撑件。每个弹簧的对面都不会有径向相对的弹簧，这有助于在冷却期间维持均匀性。

实现这种对称的一种具体方式是在具有中心孔的中心件与芯之间的支撑件中使用“辐条”。辐条的形式可以为片簧、或者螺旋弹簧、或者任何其它适当几何形状的弹簧。

无限旋转对称或者圆对称的情况是特别优选的。支撑件在任何旋转角度下保持相同。在这种情况中，弹簧的弯曲平面包括线轴的轴线。

优选是，通过从单件材料铣出弹簧的几何形状来获得机械弹簧（例如，在辐条的情况中）。更优选是，在圆形几何形状的情况中，在车床上用单件材料车加工出机械弹簧。弹簧被称为“一体化”到支撑件上：弹簧与支撑件为一体。一体化弹簧具有的优点是不用必须将机械弹簧安装在芯与中心件之间。在弹簧的固定方面没有问题。

支撑件的数量至少为两个。可以选择支撑件的轴向位置，以便限制芯在轴线上的径向压缩。例如，在三个支撑件的情况中，可以将支撑件安装在芯的轴向长度的1/4、2/4、3/4的位置处。如果仅存在两个支撑件，则优选将其安装在芯的两端处。还可以是，支撑件在芯的两端或者距边缘为芯的轴向长度的达大约1/3处从内部支撑芯。

如前面提到的，在芯的侧面增加凸缘是有益的。“凸缘”是圆筒上未被线覆盖住的那部分，或者是圆筒上不打算被线覆盖的那部分（圆筒的其余部分被定义为芯）。在某些情况中，“零凸缘”设计（即凸缘的外径等于芯的外径的设计）是有益的。在这种情况中，凸缘仍可与芯不同，例如在材料方面不同；但是替代地，凸缘也可以与管状芯是一体的，即，芯的部分不中断地连续，但是不打算在凸缘部分处接收线。

非零凸缘（即，在线轴端部处形成轮缘的凸缘）是更优选的，因为其允许通过逐渐彼此叠置地卷绕线层来在线轴上放置大量的线，从而形成“线捆”。然而，增加线捆的厚度将增大芯的径向压力以及线之间的层间压力。因此，重要的是凸缘不应从芯上伸出太多。根据发明人的经验，凸缘的凸缘外径应大于或等于所述管状芯的外径并小于所述管状芯外径的1.3倍。

当然，凸缘的存在将增大线轴在凸缘附近的径向刚度，并且必须进行补偿以防止芯的不均匀变形。这可以通过在靠近凸缘处从芯去除一些材料来做到，例如在芯侧面形成圆形切口或者从芯内部去除材料。另一种可能方式是在凸缘上加工出径向切口，以削弱使凸缘具有径向刚度的环向应力（圆周应力）。

替代地，径向弹性部件可以一体化到凸缘中，正如对支撑件所做的那样，以便防止凸缘的径向刚度传递至芯。另一种可能的方案是在凸缘中具有切向的弹性部件。例如，可以利用前面提到的弹性材料来填充所述径向切口。

线轴和支撑件是由适于上述目的的材料制成的。不但技术指标（E-模量、屈服强度、比重）而且材料的价格和可得性都将在其中起作用。金属当然是优先的选择，尤其是钢，例如—按递增的优选次序是—普碳钢、不锈钢、高强度钢。由于钢的高弹性模量，所以优选较高的屈服强度，从而以较轻重量获得一定量的弹性挠曲性。可选地可使钢硬化，并且优选制成管子形式。例如，未硬化的42CrMo4-V和34CrNiMo6-V(WerkstoffNr.1.6582.05)的管钢、或者硬化管材如100CrMo7-G(硬化到HRC47,WerkstoffNr.1.3537)被认为是优选的成分。另一替代方式是使用铸铁，使得支撑件稍微更容易成形。

一种好的替代—至少就比重而言—是铝合金。优选的合金是包括镁与硅的6000系列（例如6061-T6、6082-T6）或者包括铜与镁的2000系列（例如2024-T3或2024-T351）的锻造铝合金。牌号是根据国际合金牌号系统（IADS），后缀T表示后处理的种类。铝合金的另一优点是，某些组分可以容易地铸造，例如A02010-T7、A07710-T5、T52、T6、T71是优选的实例。在任一情况中，优选采用屈服强度超过200N/mm²的铝合金—不管是锻造还是铸造。

其它替代材料是：塑料材料，例如工艺聚酰胺

或者丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）；和复合材料，例如玻璃纤维增强复合材料。发明人之一发现就强度/重量的比而言，木材是一种好的替代材料。

还有一种“混合”设计，其中，线轴的芯是由金属（例如所提到的钢或者铝合金）制成的并且支撑件是由塑料材料制成的，这种设计也是非常可能的并且甚至是优选的，因为塑料的低模量有助于容易地压缩支撑件。反过来的另一种方式—芯为塑料，支撑件为金属—也是可能的，但是不太优选。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于在高张力下卷绕细线的线轴，其包括由芯材料制成的用于接收细线的管状芯。芯材料具有弹性模量—亦称杨氏模量—“E_core”，单位N/mm²。芯是管状芯或者更优选是圆筒形芯，具有内径“ID”和外径“OD”，单位都为mm。选择OD、ID和E_core，以满足以下不等式（“挠性条件”）：

3N/mm³<E_core×(2/ID-2/OD)<300N/mm³

更优选的是不等式的边界如下：

10N/mm³<E_core×(2/ID-2/OD)<100N/mm³

在非常具体的情况中，以25N的张力在线轴上卷绕50km长的148μm锯线的线捆，已经发现以下边界是特别合适的。

30N/mm³<E_core×(2/ID-2/OD)<60N/mm³

如所提及的，发明人的目的之一是解决当将固定磨料线卷绕到线轴上时出现的自损坏问题。该自损坏的原因之一是线捆中的径向压力随着卷绕在线轴上层数增加而积聚，即层间压力的问题。为了减小该压力，发明人提出了一种可压缩的芯，而不是作为该类线轴标准的不可压缩芯。仍以“径向模量k_x”来表示可压缩程度，其中，“x”表示沿芯的轴向位置。假设k_x不沿轴向变化并且等于“k”。

根据弹性理论可知，对于具有弹性模量“E_core”的厚壁管—在此，线轴的芯被认为是管子—在外部朝内的径向压力“p”作用下外半径的减小“ΔR₀”通过以下来表示：

$p=\frac{E_{\mathrm{core}}}{g}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&Delta;}{R}_0}{R_0}=k\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{R}_0$

其中，“g”等于：

$g=\frac{(1+v)R_i^2+(1-v)R_0^2}{R_0^2-R_i^2}$

“R_i”等于“ID/2”，“R₀”等于“OD/2”，并且V为材料的泊松比（对于大部分金属材料，其接近于1/3）。如果芯的“OD”大于10×芯的壁厚（R₀-R_i），则径向模量可足够精确地逼近到：

$k=\frac{E_{\mathrm{core}}}{g{R}_0}\&ap;E_{\mathrm{core}}(\frac{1}{R_i}-\frac{1}{R_0})=E_{\mathrm{core}}\&times;(2/\mathrm{ID}-2/\mathrm{OD})$

因此，芯的径向模量必须位于前述边界之间。因为径向模量“k”的精确公式总是小于或等于（即，满足薄壁条件时）逼近公式，所以对于逼近公式的“k”的界限更为限制。

发明人发现，如果把径向模量“k”减小到超出本领域公认的范围，则线捆中线之间的层间径向压力大大地减小了（减小5倍以上）。因为在卷绕期间线层累积地增大径向压力，所以线轴芯处线的层间压力（该处的压力预计为最大）会极大（线在高张力下卷绕并且很细）。可以通过允许压缩线轴芯来减小该压力，从而减小了线中的环向张力并且从而也减小了层间压力。因此，减小层间压力的方式之一是具有低的径向模量“k”。发明人发现，该“k”至少应小于上述值（小于300，更好小于100，或者甚至小于60N/mm³）。层间线压力的任何减小都对自损坏问题具有积极影响，因此所选择的“k”的范围大大地减小了线的自损坏。

应当避免“k”值过低，例如小于3，因为该低值将导致在靠近线轴芯的线上产生过高的压应力，并且甚至会引起线的扭曲。扭曲的线在线中产生了塑性变形的扭结（不再能拉直），并且该扭结在锯切操作中是不容许的。

上述考虑是假定材料在所有应力下保持弹性，这当然不是实际情况。因此，线轴的变形不应使材料在使用期间塑性变形。因此，发明人对芯材料的0.05%条件屈服应力“Y_core”（N/mm²）提出如下极限（“屈服应力条件”）：

2400N/mm<Y_core·(OD²-ID²)/(4OD)

或者甚至：

2500N/mm<Y_core·(OD²-ID²)/(4OD)

其中，不排除更大的值，例如3000N/mm或者5000N/mm或者10000N/mm，但是这将与挠性条件发生冲突。

材料的“屈服应力”或者“弹性极限”是这样的应力，在超过该应力时，在已经去除应力之后也可以观察到永久变形。由于在高强度钢和铝合金中屈服应力不易定义，因此用“0.05%条件屈服应力”（N/mm²）的定义：当给材料施加的应力超过该极限时，在已经去除所施加的全部应力之后观察到超过0.05%的永久变形。该“0.05%条件屈服应力”等同于根据ISO6892:1198（E）“金属材料—室温拉伸试验”（“Metallicmaterials-Tensile testing at ambient temperature”）的4.9.3章节中0.05%“非比例延伸强度（“proof strength,non-proportionalextension”）”的定义。当然，不但材料的屈服强度将限制芯可承受的压力值，而且其几何形状（由OD、ID给出）也限制了其可承受的压力值。所有三者结合到一起限定出最适合于卷绕细线的线轴，只要满足以上屈服强度条件即可。可以重复地使用满足该屈服强度条件的线轴，而基本上不会发生塑性变形。发明人推测，所述线轴至少可重复使用十次，从而解决了重复使用的问题。

减轻层间压力的另一方法是增大芯的外径OD。芯的直径越大，则线施加在芯上的压力越小。选择大的OD减小了线捆的厚度（对于一定长度的线）。薄的线捆给芯的径向线应力积累较小，并且从而产生了较小的层间压力。此外，较大的OD意味着，线捆还具有较小的曲率，并且正是曲率产生层间压力。

此外，较大的直径也减少了线卷回到线轴上的数量。卷回的数量等于BL/nOD（或者更少，因为线捆也具有一定厚度）。因此，自损坏的机会较少，因为与小直径的线轴相比，线更少次数地卷回到在线轴上的线上。因此，作为优选，线轴的外径大于250mm，优选超过300mm。

制造芯的优选材料是钢或者铝合金。当使用钢时，钢应当具有大于190000N/mm²的弹性模量E_core并且应当具有大于350N/mm²的0.05%条件屈服应力Y_core。当使用铝合金时，应当选择弹性模量E_core大于65000N/mm²且0.05%条件屈服应力Y_core大于200N/mm²的合金。

线轴还可设有至少两个如本发明第一方面所描述的支撑件。支撑件从内部接触芯，并且具有当将线轴安装到卷线机或者线锯上时用于接收心轴的中心孔。作为优选，支撑件包括位于芯与中心孔之间的径向弹性部件。

此外，径向部件与芯相互适应，使得支撑件处芯外径的减小基本上等于支撑件之间芯外径的减小。必须采取专门的措施来补偿支撑件的存在，其中，必须在支撑件处削弱芯的径向压缩模量。这可以通过在支撑件附近去除芯材料来局部地削弱芯而实现。可行地，这可以通过在支撑件处在芯中制造出周向切口来做到。替代地，可以通过去除外部或者内部的芯材料来减小芯的厚度，去除内部的芯材料是优选方式。

根据本发明第一和第二方面的原理设计的线轴用于在高张力下卷绕细线。因此—根据本发明的第三方面—要求保护一种包括线卷的线轴。优选是，该线是锯线并且特别是固定磨料锯线。

线具有横截面积“A”（mm²）。“横截面积”是指线上承载载荷的线的那部分横截面。在锯线具有金属芯线、该金属芯线具有或者没有包含或不包含磨粒的金属覆层（例如，铜或者镍）的情况中，应理解是指总的金属面积（包括任何金属覆层在内）。以在卷绕期间保持恒定的张力T（牛顿）卷绕线。张力和面积的组合必须使得当线卷绕到线轴上时在线上存在大于1000N/mm²的线拉伸应力T/A。

基准载荷—对于本申请来说—是在25N的张力下卷绕名义直径为148μm的50km的锯线。因此，当线卷到线轴上时线中存在1450N/mm²的张力。

由于线轴的这种设计，随着在线轴上卷绕越来越多层，下层绕线中的线张力逐渐减小。实际上，由于本发明对线轴材料和尺寸的选择，绕线中的线张力按受控方式压缩线轴的芯。由于芯的直径收缩，线中的张力将减小，从而导致了减小的层间压力并因此对线损坏较少。不言自明，最靠近芯的绕线的应力最小，因为它们在卷绕期间从累积的收缩受益最大。外部的绕线显示出最高的应力，即在卷绕期间所接受的应力，即T/A。

最靠近芯的线中的应力具有的拉伸应力低于外部绕线拉伸应力的80%。更好是小于70%，或者低于50%。实际上，拉伸应力甚至可以反号，即，变成靠近芯的线的压应力。这不是问题，只要该压应力不大于大约1000N/mm²。高于压应力的该水平，则会发生线的扭曲，这是应当避免的，因为这会导致锯线的永久性扭结。

可以按照如下方式测量外部绕线中的线应力：将具有线卷的线轴可旋转地安装到台架上。在线捆上划出平行于轴线的细标记线。在低张力下手动地并笔直地从线轴上拉出一段线（几米，例如25米，精确到至少3cm，称为测量长度L）。在大约相同的轴向位置处没有张力地小心将线的端部重新卷绕到线捆上。比较线上的标记相对于线捆上的标记的位移。因为线已经缩短（如果其处于拉伸载荷下），所以线上的标记将在线卷上的标记之前终止。测量该位移“ΔL”。根据长度的相对变化ΔL/L并且通过线的应力-应变图，可以得到线捆外侧线上的应力。

在退绕线轴之前和在退绕线轴之后测量芯的内径能够最好地获得靠近芯处的张力。由于芯的压缩，内径的相对变化是表示靠近芯的线缩短的一种体现。仍可以通过线的应力-应变图来得出应力的变化。应力的该变化应当大于外部绕线中拉伸应力的20%。如果线轴的芯在线卷作用下塑性变形，则该变化小于上述的，即，具有线卷的该线轴将在要求保护的范围之外。

发明人已经发现，优选地径向压力必须小于40MPa，以便没有线损坏。更优选的是径向压力小于30MPa或者甚至小于20MPa。这可以通过在测量几何形状并确定材料特性之后并且在线张力、线长度、直径和拉伸特性方面分析线之后模拟线轴的行为来得出。

由上可知，不但公开了一种线轴，而且公开了必须如何设计用于指定锯线卷（直径、张力）的线轴的整套方法。这是本发明的第四方面：设计锯线线轴的方法。

所述方法包括以下步骤：

■选择用于线轴芯的芯材料。芯材料具有单位为N/mm²的弹性模量E_core；

■选择具有单位为mm的内径“ID”和外径“OD”的芯。优选是，首先具有重要性的不同限制性条件来设定线轴的外径，例如：

-线轴卷线机和/或锯机中的可用空间。显然，芯的外径存在上限。

-想要在线上积聚的线的量。外径越大，相同线捆厚度收入的线就越多。

-其它限制性条件，如材料的适用性、运输、线轴的重量等。

例如，可以从至少250mm的外径开始。

■最后，选择内径，使得

3N/mm³<E_core·(2/ID-2/OD)<300N/mm³

虽然已经按具体顺序描述了所述方法，但是该顺序不是限制性的。例如：

■可以从选择材料开始，然后指定内径，最后确定外径的某一范围，或者

■可以从内径和外径开始，并且找到符合径向可压缩性要求的材料。

无论是按照上述方法中的任一种，都将获得具有最优芯线应力与低层间应力相结合的锯线线轴。

在进一步细化和复杂化的方式中，还可包括“屈服应力条件”以使选择更具体。如果满足“屈服应力条件”，则线轴显示出良好的可重复使用性。

附图说明

图1a和图1b显示了空的和满载的现有技术线轴，其中，图解了压缩芯的问题。

图2a和图2b显示了空的和满载的本发明线轴，其中，阐明了本发明第一方面的原理。

图3a显示了具有圆对称的本发明线轴。

图3b显示了线轴中的径向弹性支撑件的细节。

图4a显示了具有12重旋转对称的本发明线轴。

图4b显示了线轴中的径向弹性支撑件的细节。

图5显示了不同的线轴与本发明线轴相比，线层之间的层间压力是如何取决于线捆中深度而变的。

图6示意性地显示了现有技术的线轴（a）和本发明的线轴（b）在卷绕期间线捆和线轴中的环向应力是如何变化的。

具体实施方式

图1a显示了现有技术的线轴100，具有芯102，在两端带有凸缘104。芯具有以“OD”表示的外径和中心线106。在卷绕之后，线轴具有以高张力卷绕的细线线捆108。由于线的细度和高张力，线施加径向压力“P”并且该压力传递至线轴的芯。靠近芯的线110承受卷绕在其顶部的所有绕线的累积压力。灰度的程度表示了径向压力的增大。由于该压力，芯102变形成芯102'。芯在凸缘之间的外径OD'比位于凸缘处的外径OD"压缩更多。此外，由于线施加到凸缘上的压力，凸缘104'趋向于变形并且向外鼓。该线轴的可重复使用性低，并且由于芯的变形而引起了退绕问题。外侧绕线处的线张力最大并且等于卷绕张力。线捆中的线张力将取决于芯的压缩行为而减小。

图2a和图2b显示了本发明的空线轴200和满载线轴200'的概图。还是可以看出具有外径OD、凸缘204和中心线206的芯202。线轴设有支撑件210，支撑件从内部支撑线轴200的芯202并且具有用于在卷绕或者退卷期间接收轴或心轴的中心孔214。该线轴的特征在于，在芯与支撑件之间设有径向弹性部件212—此处由弹簧来代表。此外，已经从支撑件210附近的芯上去除了芯材料，以便补偿支撑件的存在。

现在当在高张力下在线轴上卷绕细线的线捆216时，芯202'径向压缩，并且线轴的外径减小为OD'，从而导致了半径减小ΔR₀。线轴构造成使得芯在线轴的整个轴向长度上一致地收缩。即，支撑件210处的直径减小基本上等于支撑件之间的直径减小。

图3描绘本发明的第一优选实施例：“a”是线轴的透视图，而“b”以经过包含轴线的平面的横截面显示了支撑件的细节。线轴300基本上是由芯302和位于芯302两端的两个支撑件310组成的。支撑件310从内部支撑芯302，并且具有用于安装线轴的中心孔314。芯具有327mm的外径OD和293mm的内径ID，从而具有17mm的壁厚。芯是由模量E_core为70000N/mm²、0.05%条件屈服应力为260N/mm²的铝合金6082T6制成的。

支撑件具有圆对称的弹性部件312。弹性部件312具有Z字形隆脊313，当细线在高张力下卷绕到线轴上时隆脊313在由芯施加在支撑件上的压力下弯曲。该弯曲是弹性的，并且线轴退绕时隆脊恢复至其原来的形状。隆脊313是由单件铝合金圆盘铣削而成的。因此，弹性部件与支撑件是一体的。用于支撑件的铝合金也是6082T6。支撑件还包含有高7.5mm的小凸缘304。

为了补偿支撑件（包括凸缘）的径向模量，芯302必须在设有支撑件处是较为不抗压的。在该实施例中，这是通过在320处从芯上去除一些材料来实现的。在支撑件处，芯的厚度减小至4mm。该材料的去除导致了支撑件处芯径向模量的减小，而这刚好通过因支撑件310的存在和凸缘304的存在而增加的径向模量来补偿。

以25N的张力将名义直径为148μm的50km的锯线卷绕到该线轴上。这引起了芯外径变化0.78mm（从内部测得）。在具有线捆的情况下在支撑件处与在两支撑件中间处相比内部芯直径差值小于0.1mm，即，相对于327mm的OD而言，在具有线捆的情况下芯直径的轴向变化仅为0.03%。

在图4a中，以透视图显示了本发明线轴的替代实施例400，而图4b以具有垂直于轴线的平面的横截面显示了线轴的弹性部件的细节。线轴的所有尺寸与第一实施例的是一致的。在该实施例中，弹性部件是与具有中心孔414的支撑件410成一体的辐条412。十二个等角度设置的辐条使支撑件具有十二重旋转对称。S形的辐条给线轴的芯提供了弹性支撑，并且在移除载荷之后完全恢复到其原始位置。支撑件是由单件聚酰胺（

,6XAU+）铣削而成的。

表1总结了根据第一实施例的本发明线轴（本发明线轴）与可在市场上购买到的现有线轴的不同特性。所有的线轴都由铝制成，所用6082T6的特性为：模量70000N/mm²且屈服应力260N/mm²。表中具有以下标题的各列是通过在线轴自身上实际测量所获得：芯的外径“OD”、芯的内径“ID”、芯的壁厚“t”、“线轴宽度”是芯长度。

列“线捆厚度”是在25N的张力下、名义直径为148μm的50km锯线的线捆的径向高度，列“芯上的压力”是由线捆施加在芯上的径向压力，列“ΔOD”是线轴上有或者没有线捆时的外径变化，列“k数值”是径向模量，这些列均为数值模拟结果。

列“k精确值”是根据R₀、R_i和Ecore计算出的“厚壁”径向模量的结果。“k逼近值”是“薄壁”逼近值的结果。注意，“k精确值”总是大于“k逼近值”。然而，当壁厚小于大约十倍外径（t<10×OD）时，结果收敛。“屈服条件”是以下计算的结果：

Y_core·(OD²-ID²)/(4OD)

表1示出了本发明的以下要点：

■增大的OD导致了在所有线轴中最小的线捆厚度。小的线捆厚度导致了低的层间线压力和低的芯压力。

■实际上，芯上的压力也即靠近芯的下层线所受的压力是所有线轴中最低的：18.9MPa。图5对此进行了图解：其显示了线捆中的线的径向压力随线的长度而变（芯处长度为0，外侧绕线处为50km）。线捆外侧处的压力显然为零，因为没有其它线推压在这些线层上。绝对压力在线轴的芯处最高。当与TW320或者TK30线轴相比时，芯处的层间压力至少小5倍。该压力优选应低于最多40MPa。

■由于线轴的弹性设计，与所有其它线轴相比，线捆引起了芯的最大变形。实际上，当线捆被卷绕到线轴上时，外径减小0.78mm。

■该增大的变形是由于芯的低径向模量“k”而导致的，“k”大约为48到50N/mm³，取决于如何计算。该数值仅为最接近的线轴MB80的七分之一。注意，如果壁厚足够小（t<10×OD），这正是本发明线轴的情况，则计算方法是不重要的。

■由于本发明线轴的芯OD大而且径向模量k小，从而施加在芯材料上的压力比在其它现有技术线轴中低的多，因此线轴强度无须过大。因此，在屈服条件中，本发明的线轴仍然具有足够的强度（2500N/mm以上）以便可重复使用。

图6a和6b中进一步图解了线捆如何影响芯中的应力和线捆对芯的响应如何变化的本发明原理。注意，这些图仅是本发明工作原理的例示，并且数值的绝对值不是约束性的且仅用于例示性目的。两个图都在纵坐标显示了当将绕线层（1、2、4、8、到12，层厚为1mm）放置到线轴上时线（开式符号）和芯材料（闭式符号）中的环向应力或者圆周应力（环向应力“HS”，N/mm²）。在横坐标中表示芯和线捆的半径（“r”：mm）。芯的内部尺寸和外部尺寸对于两个实施例都保持相等。

用实线示出了线捆应力WPS，并且在两种情况中都为大约800N/mm²。线捆应力WPS是当把线捆看成是以张力T（单位：N）把线卷绕成具有金属表面A（mm²）的均一层时的应力，其中，考虑了绕线之间的自由空隙。例如，当以25N的张力（产生了1453N/mm²的线应力）和55%的充填度来卷绕148μm的线时，获得了800N/mm²的WPS。

在现有技术的线轴（图6a）中，由于芯具有较高的k值（“k”设定为450N/mm³，薄壁逼近值）而不屈服，因此线捆应力保持大致恒定。由于线捆的压力完全传递至芯，随着线层彼此叠加，芯中的环向应力急剧增加。这产生了悖论：为了减小芯中的环向应力（以防止芯材料的塑性变形），必须使芯制造成强度更大，从而导致了目前使用的重且大的线轴。

发明人通过减小线轴的“k”值（在图6b中，“k”值设定为17N/mm³）而采用了如图6b所示的方式。在本发明的线轴中，随着顶部上卷绕更多绕线，绕线中的张力减小了。这是由于：在压力下，芯屈服并且直径减小。作为附带的好处，芯材料中的环向应力与同等的现有技术线轴相比要低，从而增强了线轴的可重复使用性。注意，靠近芯处，线的张力会变为负，即，线被压缩。该压缩是允许的，只要线不扭曲即可。设想线的压应力的极限为大约1000N/mm²。

从上可知，不仅仅是发明了线轴，而且公开了关于应当如何开发线轴以在高张力下卷绕细线（例如锯线）的整套方法。

表1：与现有技术线轴的比较

Claims (14)

1.一种用于在高张力下卷绕细线的线轴，包括：

由芯材料制成的具有外径的管状芯，用于接收所述细线；

至少两个用于支撑所述芯的支撑件；所述支撑件从内部接触所述芯；所述支撑件具有中心孔，用于可旋转地安装所述线轴；所述支撑件包括位于所述中心孔与所述芯之间的径向弹性部件；

其特征在于，

所述支撑件处存在的芯材料少于所述支撑件之间存在的芯材料。

2.根据权利要求1所述的线轴，所述芯还具有厚度，其中，所述芯的厚度在所述支撑件处比在所述支撑件之间小。

3.根据权利要求1或2所述的线轴，其中，在所述支撑件处所述芯的外径减小基本上等于在所述支撑件之间所述芯的外径减小，所述外径减小是在所述线轴的设计载荷下测得的。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的线轴，其中，所述径向弹性部件是由弹性体材料制成的。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的线轴，其中，所述径向弹性部件是机械弹簧。

6.根据权利要求5所述的线轴，其中，所述机械弹簧是旋转对称地安装的。

7.根据权利要求6所述的线轴，其中，所述机械弹簧是圆对称的。

8.根据权利要求5到7中任一项所述的线轴，其中，所述机械弹簧一体化到所述支撑件上。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的线轴，其中，在所述芯的两端安装两个支撑件。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的线轴，其中，所述芯的所述外径至少为250mm。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的线轴，其中，所述线轴还包括位于所述芯的两端的凸缘，所述凸缘具有凸缘外径，所述凸缘外径大于或等于所述管状芯的外径并且小于所述管状芯的外径的1.3倍。

12.根据权利要求11所述的线轴，其中，靠近所述凸缘处从所述芯去除了芯材料。

13.根据权利要求11到12中任一项所述的线轴，其中，所述凸缘包括径向或者切向弹性部件。

14.根据权利要求1到13中任一项所述的线轴，其中，所述芯材料是选自于包括钢、普碳钢、铸铁、不锈钢、高强度钢、铝或铝合金、塑料材料、复合材料或者木材的组中的一种。

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