CN1705538A - 改进的磨刃装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨刃器，其包括电机驱动轴，带有至少一个滑动地安装的磨削组件，组件包括通过其中央钻孔安装在轴上的支撑衬套结构。该衬套结构支撑着一个对称的旋转表面，该表面包含有超细研磨材料。旋转表面受到弹簧作用的小于0.2磅的压力，以保持与刀刃面的持续旋转研磨接触，刀具由刀具导向件定位成使刃面与包含所述研磨材料的表面接触。

Description

改进的磨刃装置

相关申请的交叉参考

本发明以2002年10月15日提交的美国临时申请No.60/418,475为基础。

技术领域

本发明涉及一种改进的动力驱动式磨刃装置，其用于刀具和金属切削工具的刀刃。

背景技术

已有各种装置和机构来对刀具和切削工具的刀刃进行磨削，有手动的也有动力驱动的。这些装置中有一些已经出现在本发明人的一些专利的主题中，包括US 4,627,194、US 4,716,689、US4,807,399、US 4,897,965、US 6,113,476以及US 6,012,971。这些专利公开了能产生非常锋利刀刃的磨刃器。最终刀刃的完美程度和效果受最终磨削工作台的结构所限。

发明内容

本发明涉及一种动力驱动式精加工工作台的改进设计，在金属切削过程中，通过磨削作用使得所产生的毛刺最小，其能产生非常锋利和有效的刀刃。本发明涉及一种新颖的装置，其能够在动力驱动式磨刃器的精加工工作台中，使用粒度非常小的有效研磨剂。

对切削刀刃进行磨削的过程通常包括一系列研磨步骤，首先，必须在切削刀刃的每一侧，相对于刀片各面的中心平面以选定角度α切掉材料，来对紧邻刀刃的刀具各面进行斜切。大多数刀具由金属制成。随着金属在每一面上以选定角度α移除，沿着刀片的刀刃形成一些刃面，其在刀刃处以总角度2α彼此相交。随着这些刃面的形成，沿着最后要产生的(被研磨的)刃面所进行的材料切削过程会沿着刀刃产生毛刺，其在如图1所示的相邻刃面的方向上弯离研磨机构。毛刺的产生会使由刃面的相交而产生的非常薄的刀刃受不到支撑，且其太小而不能实际上抵抗由研磨过程而施加的力。因此，所形成的刀刃弯曲，受不到研磨剂的作用。研磨所需的力超出使刀刃弯离研磨剂所必须的力。因此，随着研磨力的增加，毛刺变大。相反地，如果减少研磨力，则可以减少毛刺的大小。刚性安装在电机轴上的老式的动力驱动式磨石会导致非常高的力施加到刀刃的刃面上，其使刀刃和剩下的大毛刺过热和擦伤，刀片因而相对较钝。

沿着切削刀刃出现的毛刺，大大减少了刀刃的切削能力。因而，重要的是，可通过使磨削过程交替成可减小和限制在磨削过程中所施加到刀刃面上的力，从而减少产生的毛刺大小以及减少毛刺的曲率。

当金属刀片由传统研磨过程来磨削时，总是沿着刀刃形成毛刺。如果使用更有效的研磨剂如金刚石，与用低效的研磨剂如二氧化硅或碳化硅相比，从刃面上单位时间内研磨相同量的材料所需的力相比，必须垂直于刃面而施加的研磨力的量级可以得到减少。因为使用更有效的研磨剂可以减少研磨所需的力，所以毛刺的大小可以减少。

因此，为了减少毛刺的尺寸和宽度，在刀刃被用于切削之前，在最终的磨削过程中，人们应该使用有效的研磨材料，更小粒度的磨粒、且施加更轻垂直于刃面的力。如果沿着刀刃仍留有任何尺寸的毛刺，它将通过切削力与刀刃一起弯曲。毛刺越大，越容易弯曲和回折到靠着相邻刀刃面，这马上削弱了刀刃的切削效果。

因为这些因素，在磨削的精加工过程中，使用非常细而有效的研磨剂和非常低的与刃面垂直的磨削力是很重要的。以前在动力驱动式磨刃器中使用较低的研磨力之所以不成功，是因为严重的机械问题，它限制了可得到的削尖度，破坏了刀刃，且损坏了研磨面的对称性。

精加工装置的几何形状可以是多种样的，但是，本发明人开发出一种新颖的、高效的、低成本的电机驱动盘的组合体，该盘镀有超细金刚石膜，其中涂有研磨剂的盘通过具有非常低作用力的弹簧作用而夹靠在电机驱动轴的一个定位挡块上。该定位挡块用于定位涂有研磨剂的盘表面，使其紧邻刀具引导件，该刀具引导件定位并倾斜成使待磨削刀刃的刀刃面与由电机驱动旋转的弹簧加载的盘的研磨面接触，并使盘抵抗低作用力的弹簧而移动，同时保持与旋转盘的研磨面接触。

因此，刀刃面的磨削以受控的速率进行，且由弹簧的力来限制，随着弹力减少，最终在刀刃处产生的毛刺的大小也减少。

附图说明

图1示出了由现有技术磨削的刀刃面；

图2为本发明磨刃装置的侧视图，其示出了安装在磨削工作台中的弹簧；

图3为带有保护罩的图2所示磨刃装置的侧视图；

图4为图3所示磨刃器的部分剖视图；

图5为与图2类似的根据本发明的另一个多工作台磨刃装置的视图；

图6-7为根据本发明的旋转盘及其相关结构的侧视图和正视图；

图8-9为与图6-7类似的根据本发明的修改结构的视图。

具体实施方式

图4示出了一种磨刃器的实际布局的局部剖视图，其证明对于用超细研磨剂进行的磨削很有效。两个磨削盘1安装在由电机4驱动的轴3中，磨削盘的表面2上涂有研磨剂。由金属制成的盘1被冲压成具有供刀具5的刀刃面7使用的均匀旋转表面，该刃面通过与研磨面2接触而形成，盘1安装在由轴3驱动的衬套6上。每个衬套6具有圆柱形中心钻孔，其直径大于轴3的直径，以允许所安装的盘1在刀刃面7与盘的研磨面2接触时进行实际偏移。安装在盘1之间的压簧8对盘施力，以使其返回到一个停靠位置，该位置由固定到轴3上且与轴一起旋转的驱动销9来精确确定，销的直径与衬套6中槽口10的间隙相匹配。当弹簧8的力将衬套6压到与驱动销9实际接触时，衬套中槽口10的末端精确确定衬套6的停靠位置。当刀刃面7在力作用下压靠到研磨面2上时，盘和其衬套在等于弹簧力的该力作用下从该停靠位置移动。在这种方式中，磨削力的量级可以由弹簧力来控制和限制，但只有在衬套6中的圆柱形钻孔和衬套在其上被驱动的轴3的外周之间没有磨擦时该力才等于弹簧力。在刀刃面被磨削时，滑动衬套和轴间的任何磨擦力都将增加作用在刀刃面上的力。

如上所述的和图4所示的安装和驱动机构可在0.2磅或更大的弹力作用下稳定地工作。但是，这个量级的磨削力会产生非常大的毛刺，即使用超细研磨剂砂粒也是如此。已有各种通过使用具有较低弹力的弹簧来减少毛刺的办法，但会产生研磨面的机械振动，其足以使磨削盘跳动，而与刀刃断续接触，研磨面与刀刃面的最终冲击足以破坏超精细刀刃，从而弹簧拉伸力的进一步减少使生产力降低。已证明很难确定在低于0.2磅的弹力作用下产生这些破坏性振动的原因，这是由于许多因素以及这些变量之间微妙的相互作用而造成的。

图3示出的还是图4中的磨刃器，只是具有了一个保护罩11，其放置在支撑座12上方且具有电开关17。所示出的刀具5与导向表面13对齐，且其刃面7与旋转着的涂有研磨剂的表面2接触。一个塑料支撑柱14用于支撑图2中的柔性塑料弹簧15，该塑料弹簧具有向下延伸且位于导向表面13旁边的臂16。塑料弹簧臂16在刀具5被插靠到刀具引导表面13上时接触并压紧刀具5。这样，刀具5就被夹持在正确的角度和位置上，从而其刀刃面被压成与旋转着的研磨面2最佳接触。如图2-图4所示，只示出了一对盘，但是，如图5所示，可以将更多盘和磨削工作台加入到单个轴上。这种布局的优点在于，可在第一工作台中使用重型弹簧(工作台1)，在第二工作台(工作台2)中使用超轻型弹簧。通常人们在图5中的第一工作台的第一槽口中磨削第一刀刃面，然后将刀具移动到第二槽口中以磨削第二刀刃面。加入第一工作台(工作台1)是为了获得更锋利的削尖度，接着用如下所述的具有超细砂粒和超低弹簧力的最终磨削和刀刃精加工工作台(工作台2)来进行工作。

图6、7、8和9示了旋转着的盘1、其衬套6、驱动销9以及支撑衬套6中的槽口10的不同的放大的视图。

参考图4，由例如塑料制成的衬套6通过驱动销9的作用与轴3一起旋转，销最好是圆柱形的，且连接到轴3上，且尺寸做成可配合在模制于塑料衬套中的槽口10中。随着盘2被待磨削刀刃从其停靠位置移动，衬套上的盘平行于电机轴远离刀刃滑动，且驱动销在细长衬套槽口10内滑动，同时，保持销被限制在此槽口中。驱动销9的直径必须小于衬套槽口10的宽度，以便其不会限制衬套和其支撑盘的移动。重要的是，移动盘的力实际上只能是由弹簧8产生的超低的限制弹力。

虽然驱动销必须在槽口10内自由移动，但是发现，如果衬套槽口宽度W远大于驱动销9的直径d时，会发生讨厌的衬套和盘表面的振动，如图8所示。这些振动在使用低作用力的弹簧且退回刀具时产生，且足以严重到使盘不会再返回到其停靠位置，而是继续随着驱动销9冲击衬套槽口10的两侧而共振。因为盘不会正确地返回到其停靠位置，磨削作用会大大削弱。

已经发现，通过限制槽口宽度W(图8)比驱动销的直径d大的量不到0.055英寸，可以消除衬套和盘的振动和不利的共振。这使得销在由电机速度中的小变化而被加速时不能获得过大的角速度，且其冲击到衬套槽口壁上的力不足以产生与衬套的显著共振。为了减少这种共振，使驱动槽口的壁锥斜被证明是有用的，如图9所示，从而槽口底部(与轴相邻)的宽度小于槽口顶部的宽度。以这种方式，驱动销只在槽口底部紧邻轴3处(此处，共振会立即减弱)冲击衬套6的槽口壁。重要的是，要确保驱动销9对槽口壁的冲击点尽可能地靠近槽口壁的底部----与轴3相邻。

因为使用非常轻作用力的弹簧来使衬套和盘复位到其停靠位置，驱动销在返回其停靠位置时有一种趋势就是还用足够的动量来冲击槽口底部，以在所述轴的轴向上产生共振，且使衬套/盘组件在停靠位置中或之外振动----这又与磨削作用相干涉。已发现，通过在弯曲成与图8中所示的驱动销半径相匹配的槽口的内部角中放置镶角块，可以减少这些振动的量级。这使销与相匹配的轮廓自由接触而不是沿其周向在单个点接触，这有助于阻止共振。

一些机械共振产生了如上所述的跳动作用，其可能是由于驱动电机的角速度不均匀，以及随着电机电枢的磁极穿过电机固定极而产生的电机扭矩和速度上的很小但非常瞬时的变化而造成的。这在使用磨刃装置中广泛使用的便宜的两极罩极式电机时特别成问题。

这些共振的产生还部分因为与驱动轴以任何松驰度相连的磨削盘的偏心而造成。盘必须能够沿着轴根据刀刃与磨削盘研磨面的接触而自由移动(滑动)。通过将盘推到其停靠位置的限制弹力，磨削盘被固定在轴上的停靠位置。轴上的挡块-销、盘上的研磨面、以及刀具导向件的位置关系必须非常精确，以便在待磨削刀片放置在刀具导向件上且与盘研磨面上的适当区域滑动接触时，在实际磨削过程中，旋转着的盘会沿着电机轴移动。这确保了盘总是在磨削过程中移动一定程度，且刀片的刀刃面上的磨削力可以主要由压簧的力来控制。

因为在被刀刃接触时，盘组件(由其塑料衬套夹持着的盘)必须抵抗弹力在电机轴上自由滑动(移动)，所以在衬套的圆柱形孔和轴表面之间必须有足够的间隙以避免远大于弹簧恢复力的磨擦力的作用。过大的磨擦力会导致衬套弯曲或卡滞在轴上，且在待磨削刀刃上产生过大的力，结果就破坏了刀刃，因而产生对锋利刀刃的损坏。在使用较低力的弹簧(低于0.2磅)以使刀刃可以很柔和地被研磨时，衬套和轴间的磨擦力必须非常小。但是，如果衬套孔的尺寸大大增加，以将磨擦减少到使磨擦作用不会干涉弹簧作用的水平时，会产生使研磨面振动且轻微锤打待磨削刀刃的机械共振。刀刃的质量和精细度反过来会受到所发生的实际共振的破坏。直径为0.2496英寸的轴3和衬套6的圆柱形孔间的间隙最佳为约0.0009英寸。

由于这些共振所产生的锤打作用会由于盘的径向跳动----即盘研磨面相对于其旋转轴的对称性方面的任何机械误差，而进一步加剧。如果该径向跳动过大，则共振会增强，且锤打作用会足以阻止盘磨削系统产生非常锋利的刀刃。

研磨盘的方便设计在于研磨剂颗粒的一个薄粘结层，最好是金刚石，位于刚性的基片如对称的金属盘上，该盘例如为截头圆锥状。用这种设计，在研磨剂砂粒尺寸或研磨层的厚度远大于金属基片的径向跳动时，盘研磨面的径向跳动可以通过磨合表面研磨剂来消除。实际上在具有径向跳动的盘表面上研磨剂的初始磨损大部分位于盘表面的高点上，且通过磨合作用，任何高点都会被降低，这改进了盘的明显径向跳动。使用尺寸小于径向跳动量的细砂粒的单层时，表面的磨合量是有限的。因此，在使用超细砂粒时，要求盘的初始径向跳动非常小。

如果驱动电机的轴或其上安装有磨削盘的轴具有偏心运动的话，即具有大于0.006英寸的轴摆动或横向运动的话，通过使磨粒尺寸小于直径0.002英寸，弹簧力小于0.2磅，且可以低到0.1磅(0.16盎司)，以将盘恢复到其停靠位置，且由传统的低成本电机以约3000-3600RPM的速度驱动这些努力来产生稳定的----非共振研磨盘系统是非常有效的。这种偏心运动加剧了共振，特别是在驱动轴(直径0.2496英寸)和盘组件的塑料衬套中的孔之间的间隙超过0.009英寸时。如果要产生非常锋利的刀具的话，间隙大于0.002英寸的共振是不能接受的。尽管这些小的机械误差和消除破坏性共振产生的原因的困难性之间具有相互作用，还是可以对于上述每种误差而言确定可接受的极限。

Claims (10)

1.一种用于金属刀具的刀刃的磨刃器，所述刀具有一个或多个与所述刀刃相邻的刃面，所述磨刃器包括电机驱动轴，其具有一个或多个滑动地安装的磨削盘组件，每个所述组件包括一个通过中央钻孔安装于所述轴上的支撑衬套结构，该支撑衬套结构支撑一个对称的包括有超细研磨材料的旋转研磨面，该表面受到弹簧作用的小于0.2磅的力的挤压，以维持与刀刃面的旋转研磨接触，刀具由刀具导向件定位，以将刃面对齐成与包含所述研磨材料的表面接触。

2.根据权利要求1所述的磨刃器，其中，所述对称表面形成为金属盘状，其上涂有所述超细研磨材料。

3.根据权利要求1所述的磨刃器，其中，所述超细研磨材料的砂粒尺寸小于直径0.0016英寸。

4.根据权利要求1所述的磨刃器，其中，所述超细研磨材料为金刚石。

5.根据权利要求1所述的磨刃器，其中，所述衬套结构的芯部通常为圆柱形，且其直径比所述驱动轴直径大的量不超过0.002英寸。

6.根据权利要求1所述的磨刃器，其中，所述对称形表面在垂直于所述表面的方向上绕其旋转轴的径向跳动小于±0.006英寸。

7.根据权利要求1所述的磨刃器，其中，与所述轴松散连接的驱动销与所述支撑衬套结构中的一个细长的末端为开口的槽配合，以使所述衬套结构与所述轴一起旋转，且在刀刃面与所述表面接触时，允许所述衬套结构与所述对称研磨面一起沿着所述轴在与弹簧作用相反的方向上滑动地移动。

8.根据权利要求7所述的磨刃器，其中，所述驱动销为圆柱形，其直径比所述细长的末端为开口的槽在所述槽底部所测的宽度小的量不小于0.055英寸。

9.根据权利要求8所述的磨刃器，其中，所述槽在与轴相邻的槽底部处的宽度小于所述槽在槽顶部的宽度。

10.根据权利要求8所述的磨刃器，其中，所述槽的内部角由圆形的镶角块形成，其通常与所述驱动销的半径相同。

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