CN106573395A - 阻尼磨料切割器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种阻尼磨料切割器，所述阻尼磨料切割器具有机器附接端；磨料表面，所述磨料表面包括置于粘结剂中的磨料颗粒；中央阻尼体，所述中央阻尼体将所述机器附接端连接至所述磨料表面。所述中央阻尼体由合成聚合物制成，所述合成聚合物具有的储能模量为1000MPa至2500MPa且损耗因子为0.025至0.10。

Description

阻尼磨料切割器
背景技术
脆性材料诸如玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷对在机加工工艺期间所产生的破碎、裂纹或微裂纹敏感。这些裂纹和碎屑可缩短所生产部件的寿命或降低其机械特性诸如疲劳强度和弯曲强度。热特性同样受到影响，并可导致所加工的部件报废。碎屑或微裂纹在退出或穿过固态材料时驱动着其在晶界之间的传播行为，碎屑或微裂纹的最大可接受尺寸与材料的结构和施加在部件上的力的平衡有关，可使用格里菲斯准则和威布尔分布来计算该尺寸。因此，希望将碎屑和微裂纹减小至最小量和最大可接受尺寸。
在脆性材料诸如玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷和类似材料的机加工工艺期间，可能由于施加在所加工部件上的压力而产生碎屑和裂纹。例如，当组合使用金刚石钻和倒角钻时，由于工作的磨料金刚石和脆性材料之间的接触力而产生碎屑和微裂纹。需要接触力才能将磨料金刚石刺入材料，且工具上的金刚石和材料之间的相对运动形成孔和斜面。如果机加工工艺期间金刚石和脆性材料之间存在振动，则每个金刚石相当于一个锤子，并且可在材料的表面或内部产生碎屑和微裂纹。可通过调整机加工参数来减小该效应。
为了减少碎屑和微裂纹的量并减小其尺寸，常见的做法是减小金刚石磨料粒度或降低磨料质量，降低结合硬度，或修改钻孔机或倒角机的参数诸如通过降低进料速度。这些修改通过增加操作所需的时间并缩短工具的使用寿命可对钻孔和/或倒角工艺的生产能力产生不利影响。
美国专利公布2002/0004362中公开了一种玻璃用埋头钻，其在钻头和安装轴之间具有相对不可压缩的塑料主体以用于传递驱动扭矩。供应塑料主体以减少振动和颤动。然而，该领域仍需要许多改进来进一步提高工具的生产能力。
发明内容
据发现，可通过在阻尼磨料切割器上的机器附接端和磨料表面之间设置由合成聚合物制成的中央阻尼体来实现改善的阻尼，且由此减少微裂纹并延长工具寿命。具体地讲，合成聚合物被选择成在动态环状循环下测试时具有特定的模量范围和损耗因子。实现该目的的这些特性的范围是阻尼中央主体在25℃和10Hz下的储能模量为1000MPa至2500MPa且损耗因子为0.025至0.10。
因此在一个实施方案中，本发明涉及阻尼磨料切割器，该阻尼磨料切割器包括：机器附接端；磨料表面，该磨料表面包括置于粘结剂的磨料颗粒；中央阻尼体，该中央阻尼体连接机器附接端与磨料表面；并且其中中央阻尼体包含合成聚合物，该合成聚合物在25℃和10Hz下具有的储能模量为1000MPa至2500MPa且损耗因子为0.025至0.10。
附图说明
图1和图1A示出了根据一个实施方案的阻尼磨料埋头钻。
图2和图2A示出了根据另一个实施方案的阻尼磨料钻。
图3和图3A示出了根据另一个实施方案的阻尼磨料埋头钻。
图4和图4A示出了根据另一个实施方案的阻尼磨料埋头钻。
图5和图5A示出了根据另一个实施方案的阻尼磨料钻。
具体实施方式
现在参见图1至图5，其中示出了阻尼磨料切割器。阻尼磨料切割器10具有机器附接端12、中央阻尼体14和磨料切割表面16。机器附接端12被构造成用于传递来自合适机械的驱动扭矩和线性力，以在机加工脆性工件或从脆性工件移除材料时相对于工作件旋转和平移阻尼磨料切割器。在一些实施方案中，如图5所示，机器附接端12和中央阻尼体14可由相同的材料制成。
机器附接端12可包括圆形轴、正方形轴、六边形轴或多边形轴，锥形轴和筒夹、螺纹轴、具有用于吸盘钳口平面的圆形轴，或其它合适的机械结构，以传递所需的扭矩和线性力。通常，机器附接端由金属材料制成，该金属材料诸如在机加工操作期间搭配冷却液或切削液使用的不锈钢。其它合适的金属、刚性塑料或选择用于中央阻尼体14的金属均可用于机器附接端。在一些实施方案中，机器附接端12包括螺纹式第一端部18、中间部分20和用于附接中央阻尼体14的圆柱形第二端部22。螺纹式第一端部可使用外螺纹或内螺纹，这取决于用于旋转和平移阻尼磨料切割器的心轴的构造。中间部分20可包括扳手配合平面24或与冲头一同使用的孔，用以在替换阻尼磨料切割器时安装和移除螺纹式第一端部。
为了在使用期间冷却阻尼磨料切割器，可选纵向孔26可被设置成穿过机器附接端并穿过中央阻尼体，以向磨料切割表面供应冷却液。所述孔的尺寸可基于所需冷却液的流动情况进行选择。
可使用各种机械接口将磨料切割表面16和机器附接端12连接至中央阻尼体14。例如，磨料切割表面16可包括中空圆柱体28，该中空圆柱体具有与中央阻尼体14配合的凹孔30，所述中央阻尼体具有从肩部34延伸的圆柱形突出部32，如图1至图2所示。另选地，如果机器附接端12包括轴，则轴可配合中央阻尼体14上的附接孔36，如图3至图4所示。
中央阻尼体14由合成聚合物制成。聚合物可为热塑性塑料，并且可选自聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯化合物、聚醚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或用于热塑性塑料家族的聚醚醚酮。为了调整机械特性、电特性和热特性，合成聚合物可用填料进行强化或与之混合。合适的填料可为纤维或管，诸如碳纤维或纳米管、玻璃纤维、矿物纤维、陶瓷纤维、金属纤维或芳族聚酰胺纤维；其可为晶须诸如碳化硅晶须、或粉末诸如碳化硅粉末、氧化铝粉末、或金属粉末诸如铝粉和铜粉。合适的填料可为这些组分的混合物。
可在机加工磨料材料时向混合物加入一定量的抗磨剂，以减小钻孔和/或倒角操作期间对合成聚合物主体的可能磨损。一种合适的抗磨剂为二硫化钼、石墨或PTFE。
在一个实施方案中，中央阻尼体由玻璃纤维强化的聚酰胺6制成。在一个实施方案中，玻璃纤维以聚酰胺6混合物的1重量％至50重量％、或10重量％至50重量％、或30重量％至50重量％的水平用作强化材料。30％玻璃纤维强化的聚酰胺6混合物由恩信格有限公司(Ensinger GmbH)以商品名TECAMID 6GF30Black销售。按下述方式测试该材料的储能模量和损耗因子，发现在25℃和10Hz下具有的储能模量为1943MPa且损耗因子为0.033。
具有玻璃纤维的聚酰胺6的类似混合物由杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours)以商品名DuPontTM 73G30T NC010或DuPontTM 73G30T BK261销售，或由罗地亚股份有限公司(Rhodia SA)以商品名C216V30BLACK Z/4销售。其它聚酰胺6生产商例如EMS集团的EMS-Grivory事业部以商品名B提供合适的产品。
已确定，为了在使用阻尼磨料切割器10时进一步减少和/或消除碎屑和微裂纹，合成聚合物的储能模量和损耗因子非常重要。这些特性可使用针对塑料的ASTM D4065标准操作来进行测量：动态力学性能：过程测定和记录。
动态力学分析和样本制备根据ASTM D4065-12标准和其中所述的过程来执行。动态力学测量于25℃至45℃下在0.1Hz至10Hz的频率范围和0.05％的固定张力以单悬臂模式，在DMTA V(购自Rheometric科技(Rheometric Scientific))上执行。使用用于测量20×5×4mm的矩形标样。使用福禄克(Fluke)724温度校准仪来完成温度校准，该校准仪由公认的校准协会定期校准。在DMTA上周期性地测量PVC标准(通过RHEO服务获得)以检查温度准确性。储能模量和损耗因子值是在25℃、35℃和45℃且在10Hz下获得的。
表1：储能模量和损耗因子(10Hz)
如实施例中所示，当形成阻尼中央体的材料在25℃和10Hz下的储能模量为1000MPa至2500MPa、或1000MPa至2000MPa、或1200MPa至2000MPa时，脆性材料机加工期间的缺陷显著减少并且实现了改善的工具寿命。另外，要获得上述改进，形成阻尼中央体的材料在25℃和10Hz下的损耗因子为0.025至0.10、或0.03至0.10、或0.03至0.09。如表1中所列，在一个实施方案中，用于阻尼磨料切割器的聚酰胺6玻璃纤维材料在45℃和10Hz下的储能模量(1303Mpa)低于在25℃和10Hz下的储能模量(1943Mpa)。现有技术的热固性玻璃填充的酚醛树脂的储能模量随测试温度升高而增大，聚酰胺6玻璃纤维混合物的储能模量则随测试温度升高而减小。储能模量和损耗因子根据ASTM D4065和上述测试参数进行测定。
在阻尼磨料切割器的设计中，另一个因素为阻尼中央体14的形状和尺寸。一般来讲，中央阻尼体沿磨料切割器纵向轴线的长度优选为3mm至约60mm，但也可能使用该范围之外的长度。如果长度太小，可能发生阻尼不足，而如果长度太大，使用中磨料切割器可能发生过度扭转。
磨料切割表面16包括粘结剂中的磨料颗粒。磨料切割表面中可包括任何合适的磨料颗粒。通常，磨料颗粒的莫氏硬度至少为8，或甚至为9和10。此类磨粒的示例包括氧化铝、熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、白色熔融氧化铝、热处理氧化铝、硅石、碳化硅、绿色碳化硅、氧化铝-氧化锆、金刚石、氧化铁、二氧化铈、立方氮化硼、石榴石、硅藻土、得自α-氧化铝溶胶-凝胶的磨粒，以及它们的组合。
通常，磨粒具有小于或等于1500微米的平均粒度，但也可以采用该范围以外的平均粒度。对于钻孔和倒角操作，可用磨粒尺寸的典型范围是：平均粒度在至少0.01微米、1微米、3微米甚至5微米到最大(并且包括)35微米、100微米、250微米、500微米甚至多达1500微米的范围内变化。在具体的实施方案中，使用介于50μm和300μm的金刚石粗粒。
磨料切割表面通常通过模制工艺来制成。在模制过程中，粘结剂前体，即液体有机物、粉末状无机物、粉末状有机物或它们的组合可与磨料颗粒混合或不混合。在某些情况下，首先将液体介质(树脂或溶剂)施用于磨料颗粒以打湿其外表面，然后被打湿的颗粒与粉末状介质混合。根据本公开的磨料切割表面可通过压缩模制、注模、转移模制等方式制成。可通过热压或冷压或者本领域技术人员已知的任何合适方式来完成模制。
粘结剂通常包括玻璃质无机材料(例如，就玻璃化磨具轮而言)、金属、或有机树脂(例如，就树脂粘结磨具轮而言)。
玻璃态无机粘结剂可由不同金属氧化物的混合物制成。这些金属氧化物玻璃状粘结剂的示例包括二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁、二氧化钛、氧化镁、氧化钠、氧化钾、氧化锂、氧化锰、氧化硼、氧化磷等。在制造玻璃质磨料切割表面期间，粉末形式的玻璃质粘结剂可与短效粘结剂(通常为有机粘结剂)混合。玻璃化粘结剂还可由玻璃料形成，例如从约1％至100％的任何数量的玻璃料，但通常是20％至100％的玻璃料。玻璃料粘结剂中使用的普通材料的一些示例包括长石、硼砂、石英、苏打灰、氧化锌、白垩、三氧化锑、二氧化钛、氟硅酸钠、燧石、冰晶石、硼酸以及它们的组合。这些材料通常作为粉末混合在一起，燃烧以熔合该混合物，然后冷却熔合的混合物。冷却的混合物被粉碎并筛分至非常细的粉末，以便随后用作玻璃料粘结剂。这些玻璃料粘结剂的成熟温度取决于其化学性质，但该温度可在约600℃至约1800℃之间的任何温度范围内。
基于粘结磨具轮的总重量计，用于保持磨料切割表面形状的粘结剂包括如下的量：通常为5重量％至50重量％，更通常为10重量％至25重量％，甚至更通常为12重量％至24重量％。
金属粘结剂的示例包括锡、铜、钴、青铜、铝、铁、铸铁、锰、银、钛、碳、铬、镍、以及它们的预制合金形式或非预制合金形式的组合。金属粘结剂可包括填料，诸如碳化硅、氧化铝、碳化硼、钨、碳化钨、以及它们的预制合金形式或非预制合金形式的组合。制造金属磨料切割表面期间，粉末形式的金属粘结剂可与短效粘结剂(通常为无机粘结剂)混合。金属粘结剂还可由纯净粉末和预制合金粉末的混合物制成，也可由已经预混的金属粉末和填料制成。这些材料通常作为粉末混合在一起，燃烧以烧结该混合物，然后冷却烧结的混合物。这些金属粘结剂的成熟温度取决于其化学性质，但该温度可在约450℃至约1100℃之间的任何温度范围内。
基于粘结磨具轮的总重量计，用于保持磨料切割表面形状的粘结剂包括如下的量：通常为65重量％至98重量％，更通常为75重量％至96重量％，甚至更通常为88重量％至96重量％。
粘结剂可包括固化的有机粘结剂树脂、填料和助磨剂。酚醛树脂是最常用的有机粘结剂树脂，并且可以粉末状和液态二者的形式被使用。虽然酚醛树脂被广泛使用，但是使用其它有机粘结剂树脂也落入本发明的范围内，所述其它有机粘结剂树脂包括例如环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺-酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚醚酮树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚砜树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、橡胶、紫胶和丙烯酸粘结剂。有机粘结剂还可用其它粘结剂进行改性以提高或改变所述粘结剂的特性。有机粘结剂树脂的量可为例如粘结剂的总重量的15重量％至100重量％。
可用的酚醛树脂包括线型酚醛树脂和可溶酚醛树脂。线型酚醛树脂的特征在于被酸催化并且甲醛与酚的比率小于1，通常介于0.5:1和0.8：1之间。可溶酚醛树脂的特征在于被碱催化并且甲醛与酚的比率大于或等于1，通常为1:1至3:1。线型酚醛树脂和可溶酚醛树脂可以被化学改性(例如，通过与环氧化合物反应)，或者它们可以不被改性。适于固化酚醛树脂的示例性酸性催化剂包括硫酸、盐酸、磷酸、草酸和对甲苯磺酸。适于固化酚醛树脂的碱性催化剂包括氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钾、氢氧化钙、有机胺或碳酸钠。
酚醛树脂是公知的，并且可容易地从商业来源获得。市售的线型酚醛树脂的示例包括DUREZ 1364，其为一种两步骤粉末化的酚醛树脂(以商品名VARCUM(例如，29302)由德克萨斯州艾迪生的Durez公司(Durez Corporation)销售)，或者HEXION AD5534树脂(肯塔基州路易斯维尔的瀚森化工公司(Hexion Specialty Chemicals,Inc.)销售)。在本公开的实施过程中可用的市售的可溶酚醛树脂的示例包括以商品名VARCUM(例如29217、29306、29318、29338、29353)由Durez公司销售的那些；以商品名AEROFENE(例如AEROFENE 295)由佛罗里达州巴托的亚什兰化工公司(Ashland Chemical Co.of Bartow,Florida)销售的那些；以及以商品名“PHENOLITE”(例如PHENOLITE TD-2207)由韩国首尔的江南化工有限公司(Kangnam Chemical Company Ltd.of Seoul,South Korea)销售的那些。
磨料切割表面16可成型为合适的形状或形状组合。一个可用的形状为适用于机加工孔的中空圆柱体28，如图1至图4所示。圆柱体的外径和壁厚经过被选择成得以在脆性材料中钻出所需尺寸的孔。中空圆柱体外径大小可为1mm至200mm，或4mm至200mm和75mm至200mm。
在一个实施方案中，如果钻孔和倒角操作一同进行，则中空圆柱体可包括第一外径，该第一外径用截头圆锥形或倒角表面38连接至更大的第二外径，如图1、图3和图4所示，以在玻璃片上同时机加工和斜切出倒角孔。在一些实施方案中，玻璃适合汽车车窗使用；一个此类用途为汽车天窗。倒角孔与合适的紧固件一同使用，诸如将玻璃安装进天窗机构的螺栓。
在另一个实施方案中，磨料切割表面可包括第一外径，该第一外径连接至更大的第二外径，该第二外径用于钻盲孔。在任何实施方案中，磨料切割表面可为一体或整体结构，或两个或更多个固定或粘结至彼此的部件。
在一些实施方案中，中空圆柱体的工作端可具有一个或多个纵向或径向延伸的狭槽。在一些实施方案中，两对相对的纵向狭槽与看向管的端部时位于12点、3点、6点和9点位置的狭槽正交设置。
在一些示例性实施方案中，磨料切割表面通过粘合剂附接到中央阻尼体。可使用合适的工业粘合剂，诸如以商品名3MTMScotch-WeldTMEpoxy Adhesive DP460销售的环氧树脂产品。在其它实施方案中，磨料切割表面可固定至一个或多个具有足够强度的中间材料，以在不发生滑动的情况下将扭矩从阻尼体传递至磨料切割表面。
实施例
实施例1
测试如图1所示的金刚石金属粘结的磨料切割器，以在4.8mm厚的玻璃上钻出和斜切出15mm的孔。磨料切割器具有由30重量％玻璃纤维强化的聚酰胺6制成的中央阻尼体。聚酰胺6玻璃纤维混合物由恩信格有限公司(Ensinger GmbH)以商品名TECAMID 6GF30Black销售。按所述方式测试该材料的储能模量和损耗因子，并且发现在25℃和10Hz下储能模量为1943MPa且损耗因子为0.033。磨料切割器以65毫米/分钟的进料速率在3,100rpm下操作，对每50片敷料并用润滑添加剂轻微乳化的水进行冷却。磨料切割器需要启动5个孔，其中所有启动片均按规格制备。孔的使用次数为10,500，循环时间为17秒。
比较例1
测试如图1所示的金刚石金属粘结的磨料切割器，以在4.8mm厚的玻璃上钻出和斜切出15mm的孔。磨料切割器具有由热固性玻璃填充的酚醛树脂材料制成的中央阻尼体，所述材料以商标X680购自住友电木有限公司(SUMITOMO BAKELITE CO,LTDGroup)。按所述方式测试所述材料的储能模量和损耗因子，发现在25℃和10Hz下储能模量为2557MPa且损耗因子为0.024。磨料切割器以65毫米/分钟的进料速率在3,100rpm下操作，对每50片敷料并用润滑添加剂轻微乳化的水进行冷却。磨料切割器需要启动5个孔，其中所有玻璃片均按规格制备。孔的使用次数为7,000，循环时间为17秒。
比较例2
测试得自Gem Europe 3的金刚石金属粘结的磨料切割器，所述切割器被称为倒角钻且无中央阻尼体，以在4.8mm厚的玻璃上钻出和斜切出15mm的孔。磨料切割器以65毫米/分钟的进料速率在3,100rpm下操作，对每50片敷料并用润滑剂轻微乳化的水进行冷却。磨料切割器需要启动5个孔，其中所有片均按规格制备。孔的使用次数为6,000，循环时间为17秒。
本发明的实施方案
1.一种阻尼磨料切割器，所述阻尼磨料切割器包括：
机器附接端；
磨料表面，所述磨料表面包括置于粘结剂中的磨料颗粒；
中央阻尼体，所述中央阻尼体将所述机器附接端连接到所述磨料表面；并且
其中所述中央阻尼体包含合成聚合物，所述合成聚合物在25℃和10Hz下具有的储能模量为1000MPa至2500MPa且损耗因子为0.025至0.10。
2.根据实施方案1所述的阻尼磨料切割器，其中所述中央阻尼体包含聚酰胺6。
3.根据实施方案1所述的阻尼磨料切割器，其中所述中央阻尼体包含聚酰胺6和玻璃纤维。
4.根据实施方案3所述的阻尼磨料切割器，其中所述玻璃纤维构成1重量％至50重量％的所述中央阻尼体。
5.根据实施方案3所述的阻尼磨料切割器，其中所述玻璃纤维构成30重量％的所述中央阻尼体。
6.根据实施方案1所述的阻尼磨料切割器，其中所述机器附接端和所述中央阻尼体包含合成聚合物，所述合成聚合物在25℃和10Hz下具有的储能模量为1000MPa至2500MPa且损耗因子为0.025至0.10。
7.根据实施方案1、2、3、4、5和6所述的阻尼磨料切割器，其中所述中央阻尼体在25℃和10Hz下获得的储能模量大于在45℃和10Hz下获得的储能模量。

Claims (7)

1.一种阻尼磨料切割器，所述阻尼磨料切割器包括：
机器附接端；
磨料表面，所述磨料表面包括置于粘结剂中的磨料颗粒；
中央阻尼体，所述中央阻尼体将所述机器附接端连接至所述磨料表面；并且
其中所述中央阻尼体包含合成聚合物，所述合成聚合物在25℃和10Hz下具有的储能模量为1000MPa至2500MPa且损耗因子为0.025至0.10。
2.根据权利要求1所述的阻尼磨料切割器，其中所述中央阻尼体包含聚酰胺6。
3.根据权利要求1所述的阻尼磨料切割器，其中所述中央阻尼体包含聚酰胺6和玻璃纤维。
4.根据权利要求3所述的阻尼磨料切割器，其中所述玻璃纤维构成1重量％至50重量％的所述中央阻尼体。
5.根据权利要求3所述的阻尼磨料切割器，其中所述玻璃纤维构成30重量％的所述中央阻尼体。
6.根据权利要求1所述的阻尼磨料切割器，其中所述机器附接端和所述中央阻尼体包含合成聚合物，所述合成聚合物在25℃和10Hz下具有的储能模量为1000MPa至2500MPa且损耗因子为0.025至0.10。
7.根据权利要求1所述的阻尼磨料切割器，其中所述中央阻尼体在25℃和10Hz下获得的储能模量大于在45℃和10Hz下获得的储能模量。
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