CN1732067A - 用于对矿物材料例如蓝宝石进行成形加工并且尤其用于在表面玻璃中成形光学表面的旋转工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在矿物材料尤其是硬质矿物材料中形成一种形状的旋转工具(20)，该工具包括其端部为一头部(20a)的体部，该头部包括与需要形成所述形状的该矿物材料的区域相接触的一工作面(200)。该工具的头部(20a)具有至少一个第一槽(210，220)，该第一槽通向所述工作面(200)以在其中形成缝隙(210a，220a)，从而允许传送到所述区域上的磨粒嵌入该工作面内，并沿该工作面上的所述缝隙形成一有助于形成所需形状的切削刃。该工具尤其适于在例如表面玻璃中的硬质透明矿物材料例如蓝宝石、刚玉或尖晶石中形成变形光学表面(例如透镜)。文中还说明了一种使用此工具在矿物材料中形成一种形状的方法，以及一种包括这种工具的机加工设备。
Description
技术领域
本发明一般涉及对矿物材料尤其是硬质材料例如蓝宝石、刚玉或尖晶石的成形加工。更具体地，本发明涉及一种用于加工该硬质材料且尤其适用于在(手表的)表面玻璃中成形光学表面的旋转工具。
背景技术
从本申请人的EP专利No.0123891中，可知一种用于在透明矿物材料的板厚度中形成凸透镜形式的光学表面的方法，该专利的全文在此被引作参考。此方法主要包括将该板设置成围绕与在其中形成透镜的区域垂直的第一轴线旋转，并使用围绕第二轴线旋转的研磨磨削件加工该需要的区域，该第二轴线不同于该第一轴线，并与所述第一轴线在所需透镜的曲率中心相交。优选地，使该工具或板围绕第三轴线进行摆动，该第三轴线垂直于包含该第一和第二旋转轴的平面，并与该区域相距一定距离，该距离等于所需透镜的曲率半径，该摆动可确保磨削件自动磨锐。
根据上文所述的方法，应注意该用于形成透镜的旋转工具基本上是圆柱形的磨削件(乃至截顶的磨削件)，该磨削件在其活动端带有优选地由金刚石粉末形成的磨料。容易理解，考虑到将要加工的材料(尤其是在硬质矿物材料例如蓝宝石的情况下)、必须结合到工具头部中的对应的磨料(通常为用于加工蓝宝石的基于金刚石粉末或碳化物的化合物)，以及此工具的制造复杂性，此工具的成本较高。应注意这种工具的寿命较短，因此需要定期替换。从而，上述问题会使成形物品的制造费用很高。
发明内容
因此，必须寻找一种更简单和更有效的解决方案。本发明的一个目标是提出这样一种解决方案，即一种用于机械加工硬质材料的旋转工具，该工具尤其适用于在由硬质矿物材料(蓝宝石、刚玉、尖晶石等)制成的表面玻璃中形成透镜或其它光学表面。本发明的另一目标是提出一种成本价格低并且应用非常简单的解决方案。
本发明还涉及一种用于在矿物材料特别是硬质矿物材料中进行成形加工的旋转工具，该矿物材料的特征在权利要求1中列出。
本发明还涉及一种使用前述类型的旋转工具在透明的矿物材料特别是蓝宝石、刚玉或尖晶石中形成变形光学表面的方法，该方法的特征在权利要求8中列出。
本发明还涉及一种用于加工矿物材料尤其是硬质矿物材料的设备，该设备尤其包括此类型的工具，并且其特征在权利要求12中列出。
应指出，该工具包括其端部为一头部的体部，该头部包括用于与希望形成预期形状的矿物材料的区域接触的工作面，该工具头部具有至少一个第一槽，优选地为多个，该第一槽通向该工作面以在其中形成缝隙，该缝隙使得被传送到要形成所需形状的区域上的磨粒嵌在该工作面上，并沿在所述工作面上形成的一个或多个缝隙形成一个或多个切削刃，该切削刃有助于机械加工出所需形状。
应理解，该旋转工具实际上不形成用于相关矿物材料的研磨工具。相反，该工具的磨削力由工具(具体地是设置在该工具的头部上的槽以及该头部的工作面上的对应的缝隙)和传送到加工区域上的磨粒共同实现。工作面上的由对应槽形成的每个缝隙均允许磨粒嵌入其中并积聚，以在该工具头部的工作面上形成具有强研磨力的凸起部分，该凸起部分可起到切削刃的作用。从而，该旋转工具本身形成一用于将磨粒固定或设定成合适的构造的基体，以便研磨要被加工成形的矿物材料。
该工具头部有利地可由这样的材料制成，该材料不研磨有关矿物材料并在硬和软之间取适中，以便可保持和保证该头部的形状并允许磨粒植入其中。此材料例如可为从包括铜Cu、锌Zn、锡Sn和铁Fe的组中选择的金属(或包含这些金属中的至少一种的金属合金)。
工具头部的工作面上的槽的缝隙的布置可以是任何合适的几何布置，最简单的是一个或几个基本为直线的槽的布置。可在工具头部上设置合适数量的槽，这些槽在工具头部的工作面上形成径向或平行开口。
为了获得更好的表面质量，优选地将每个槽设置成，当工具旋转时，所形成的切削刃覆盖仅由外部轮廓限定的回转面，即没有中心凹部的固体表面。
本发明的一个很大优点是，该旋转工具的制造非常简单并且非常便宜，这尤其是由于可用于制造该工具的材料的类型，以及由于工具头部中没有结合任何类型的磨料，此磨料以被流体或液体传送的磨粒的形式直接传送到加工区域上。在此方面，一个有利的变型是设置至少一个槽，从而该槽还起到用于传送磨粒的通道的作用。
本发明使得与在有关矿物材料中形成所需形状相关的成本大大降低。此优点是在尤其用于手表工业中用于制造表面玻璃的硬质矿物材料例如蓝宝石、刚玉或尖晶石的加工成形中的决定因素。因此，本发明尤其适于在硬度很大的透明矿物材料包括蓝宝石中形成光学或屈光表面(尤其是变形光学表面例如放大透镜)。
附图说明
根据下文对本发明的优选实施例的详细说明可更清楚地了解本发明的其它特征和优点，该实施例仅作为非限制性的示例并且由附图示出，在附图中：
-图1示出特别适于在硬质透明材料尤其是表面玻璃中成形一变形光学表面(例如球形凸面透镜)的机加工设备，该设备使用根据本发明的旋转工具；
-图2是根据本发明的一个实施例的旋转工具的端部或头部的透视图；
-图3是图2的旋转工具的头部的工作面的正视图；
-图4是沿图3中的线A-A的旋转工具的横截面视图；以及
-图5是用于在透明矿物材料板中加工具有圆形周边的球形凸透镜的根据本发明的旋转工具的示例性应用。
具体实施方式
图1中所示的机加工设备与前述EP专利No.0123891中给出的设备基本相同。它包括一框架支承件10，在该框架支承件上安装有一立柱12和一主轴箱14。立柱12支承一心轴16，在该心轴的端部具有一旋转工具20，该旋转工具具有与该心轴相同的用42表示的轴线，该旋转工具包括一个其端部为头部20a的基本为圆柱形的体部，该头部与要加工的矿物材料的区域相接触。安装在心轴16上的带轮18利用未示出的马达驱动该心轴16围绕轴线42旋转。立柱12还包括用于以完全常规的方式使工具20沿三个正交轴线移动的滑轨22、24和26。更具体地，滑轨22通过测微螺旋(micrometric screw)23使该工具沿其旋转轴线垂直移动，而滑轨24和26分别通过测微螺旋25和27使工具20沿两个垂直的方向在水平面上移动。
主轴箱14支承一心轴28，该心轴的接近立柱12的端部28a由于一弯头(的存在)而相对于心轴28的由44表示的旋转轴线向下移位。工作台30安装在一轴32上，该轴32与心轴28的轴线44垂直且在端部28a内枢转。该轴支承一带轮34，该带轮利用图中未示出的马达驱动该轴围绕由40表示的旋转轴线旋转。安装在工作台30上的支座36固定一矿物材料板38。该板38例如可由蓝宝石、刚玉或尖晶石类型的硬质透明矿物材料形成，该板例如为形成表面玻璃的板，透镜或任何其他变形光学表面将安装在该板上。
应注意，工具20和支座36均被驱动而沿相反的旋转方向旋转。此外，支座36的厚度使得，心轴28的轴线和希望成形的球面的顶点(位于轴32的旋转轴线40上)之间的距离，等于所述球面必须具有的由R表示的曲率半径。最后，心轴28可与未示出的驱动装置相关联，以用于使该心轴小幅摆动或至少用于调整该心轴相对于水平面的倾角。
从上文可理解，该设备有多种驱动和定位工具20和板38的可能方法。在下文可看到，可以设想该设备的多种操作模式，这些不同的操作模式都至少具有以下共同点：即，设定工具20围绕其旋转轴线42旋转运动。必要时，这种旋转运动可伴随有板38围绕其旋转轴线40的旋转或摆动运动和/或板38围绕心轴28的轴线的摆动运动(如果立柱12配备有合适的装置，则这种摆动运动也可由工具20实现)。对于涉及同时驱动工具20和板38旋转运动以及使所述板摆动运动的具体实现的细节，可以参考上述EP专利No.0123891中公开的方法。
除了上述驱动和定位装置之外，还应指出，该机加工设备包括用于将磨粒传送到要形成所需形状的矿物材料的区域上的装置。这些传送装置在图1中示意性示出，并且主要包括一容纳磨粒(例如悬浮在油中的金刚石粉末)的载流流体的容器50和一用于将该流体传送到该加工区域上的供给导管52。未示出的装置调节传送到该加工区域上的磨粒的数量。应理解，在下面的说明中，将磨粒传送到该加工区域上以及(使用)根据本发明的旋转工具共同有助于在矿物材料板中形成所需的形状。
图2到4分别示出形成本发明的特定示例性实施例的旋转工具20的端部的透视图、正视图和横截面视图。如图2到4中所示，旋转工具20的体部的端部为一头部20a，该头部20a包括一工作面200，该工作面与要形成所需形状的矿物材料的区域相接触。在此特定示例中，该工具的工作面200的形状为凹球面圆盘，其曲率半径等于要形成的形状—在此示例中为凸球形光学表面—的曲率半径R。在此情况下，在图1中示出的设备中应用该工具，意味着轴32的轴线40、心轴16的轴线42以及心轴28的轴线44在点C处相交，该点C对应于将在矿物材料板38中成形的凸球面的曲率中心(图5中更详细地示出)。
应指出，工具20的工作面200的形状可以不是严格的球形。因此，头部20a的工作面200的形状可以为圆环面(toroid)部分，其与EP专利No.0123981中的第二种变型所给出的研磨件的形状类似(这种特定形状需要对设备进行特定调节)。通常，该工具的工作面可采用任何合适的形状。应当理解，在任何情况下，在矿物材料中形成的形状将不仅取决于该工具的工作面的形状，而且还取决于该工具和/或板的运动。因此，该工具的工作面的形状不必须与要形成的表面的形状一致。
根据本发明，该工具的头部20a具有至少一个通向工作面200的第一槽以在该工作面中形成缝隙。在图2到4所示的示例中，该工具的头部20a具有一对径向槽210、220，即设置在通过工具20的旋转轴线42的两个直径面内的两个基本为直线的槽。这两个通过头部20a的末端的径向槽210、220以基本垂直的方式设置，从而在该工具的工作面200上形成一对相应的垂直缝隙210a、220a。应指出，在此示例中，旋转工具20的工作面200被划分成四个表面积基本相等的独立部分。
应当强调，此示例性实施例中所示的槽210、220的布置和几何形状绝不是限制性的。该头部上可设置单个槽或两个以上的槽。此外，这些槽可以平行而不是相交。最后，该槽以及工具的工作面上的对应的缝隙可以不是直线的，但是这种非常简单的几何形状是最容易实现的。
作为示例，该工具头部可仅具有单个槽，该槽不必通过工作面的整个宽度。应指出，优选地该槽构造成，当工具旋转时，由对应于该槽的缝隙形成的切削刃覆盖仅由一外部轮廓限定的回转面，即没有任何中心凹部的固体表面，从所形成的形状的表面质量考虑，这种构造是优选的。很明显，如图2到4中所示的径向槽的构造符合这一限定。
还应指出，槽延伸到工具头部内的方式不太重要。实际上，最重要的是该槽通向工具头部的工作面的方式。实际上，正是利用该工具的工作面，并且在加工期间向此表面上添加磨粒而使矿物材料成形的。
如上文已经说明的，由相应的槽形成的在工作面上的各个缝隙都允许磨粒嵌入其中并堆积，以在工具头部的工作面上形成具有很大磨削力的凸起部分，该凸起部分具有切削刃的作用，从而该旋转工具形成一用于将磨粒固定或设置成合适的结构的基体，以便研磨要成形的矿物材料。
工具20由不会研磨相关的矿物材料的材料制成是有利的，优选地该材料在硬和软之间取适中，以便保持和保证该头部的形状并允许磨粒植入其中。
该材料可以是包括至少一种从包含铜Cu、锌Zn、锡Sn和铁Fe的组中选择的金属的金属或金属合金。
作为有利的变型，还应指出，工具槽可构造成它还具有将磨粒传送到机械加工区域上的通道的作用。在此情况下，该传送通道形状的槽可形成磨粒传送装置的组成部分，并且可替代或完善图1的供给导管52。
下面，将参照图5简单说明用于加工凸透镜(即，具有圆形轮廓的凸球面)的本发明的实施模式。
图2到4中示出的工具可非常容易地用于在透明矿物材料板的厚度内形成凸透镜。为此，必须例如通过图1的心轴28使板38倾斜由α表示的预定角度，该角度还等于工具20的轴线42相对于板38的旋转轴线40(即，垂直于要形成透镜的区域并通过所述区域的中心的轴线)形成的角，轴线40、42均通过在图5中由380表示的要形成的球面的曲率中心C。然后，(利用心轴16、轴32和相关联的驱动装置)将工具20和板38设定成围绕它们各自的轴线42和40旋转，并且使工具20的头部的工作面200与板38接触。在图5中，应指出，附图标记500总体上表示被传送到机械加工区域上的包含磨粒的混合物。
如图5中概略所示，在将工具20和板38设定成围绕它们各自的旋转轴线转动的同时调整这些旋转轴线之间的角度α，确保了该工具的工作面200加工成形曲率半径为R并具有圆形轮廓的凸球面部分(换句话说为一凸球面圆盘)。在该工具或板不摆动的情况下，很明显，由d表示的工具头部的直径必须具有一最小值，该最小值要大于由D表示的待形成的透镜的直径的一半。更具体地，在此具体实施中，工具20的直径d要至少等于所需要的透镜的直径D除以角α的余弦。应注意，在实践中，角α小于20°，优选地小于10°。
如EP专利No.0123891中所述，可不固定该板相对于该工具的预定倾角，而是使板38(或工具)围绕与旋转轴线42、40垂直并通过待形成的透镜的曲率中心C的轴线进行摆动(即围绕图1中的心轴28的轴线44摆动)。在此情况下，由αmax表示的板38相对于工具20的最大倾角由下式表示，该公式对于小幅(小角度α)运动是正确的：
Tanαmax＝[2R(D-d)]/[4R2+Dd] (1)
此关系式(1)对于前述用固定倾角进行实施也是正确的。
应指出，利用图2到4中所示的工具，可形成不必须具有圆形轮廓的凸球面。
因此，参照图5，完全可以设想使板38围绕轴线40反复摆动，而不是围绕所述轴线进行完整的旋转。通过限制围绕轴线40的摆动的最大幅值，例如通过使该板进行大约180°的摆动角运动，可以在板的平面中形成大致为“C”形的球形圆盘部分。
同样，完全可以设想不设定板38围绕轴线40旋转，而是使板38仅围绕一垂直于工具的轴线42并通过球面的曲率中心C的轴线摆动(例如围绕心轴28的轴线44摆动)。从而，可获得一伸长的或长形的凸球面。
对于后一个示例，可以设想使旋转工具20在包含板38围绕其摆动的轴线44的平面内倾斜，从而工具20的旋转轴线42在待形成的球面的曲率中心C处与轴线44相交。这意味着使工具20在图1的平面内倾斜，因而需要该图中未示出的定位装置以便进行这种角度调整。因此，可获得同样是长形的凸球面而不是如前面示例中的完全对称的表面，但是该凸球面在宽度方向上相对于板38的中间平面倾斜。
在该三个上述示例中，应理解，工具20围绕其轴线42的旋转运动伴随有在工具20和板38之间的反复的相对(或摆动)运动，以形成具有非圆形轮廓的球形光学表面。通过围绕不同轴线同步进行多个摆动运动，这些轴线均通过例如球面或者在需要圆环面时的非共点(non-concurrent)表面的曲率中心，可获得更复杂的形状。
总之应理解，对于本领域内的技术人员，很明显可以对本说明书中所述的实施例进行的各种变型和/或改进，而不会偏离在所附的权利要求书中限定的本发明的范围。尤其是，如果不希望该工具相对于待加工的矿物材料板进行相对运动，则工具头部的工作面的形状可具有不同于球形的形状。因此，可使该工具的工作面为非球形的回转形状，并通过仅设定该工具旋转(或还设定矿物材料板围绕与该工具的旋转轴线相同的轴线旋转)而在矿物材料中形成对应的形状。然而，如前文所述，该工具头部的特别简单的球形工作面构成一种可以特别简单地实现的方案，该方案可灵活应用并且可在材料中形成各种形状的凹部。
应再次强调，工具头部的工作面上的一个或多个槽的布置可以为任何合适的几何布置，这些布置中的最简单的布置由一个或多个基本为直线的槽形成。
Claims (14)
1.一种用于在矿物材料尤其是硬质矿物材料中形成一种形状的旋转工具(20)，该工具包括其端部为一头部(20a)的体部，该头部包括与其中需要形成所述形状的该矿物材料的一区域相接触的一工作面(200)，
其特征在于，该工具的所述头部(20a)具有至少一个第一槽(210，220)，该第一槽通向所述工作面(200)以在其中形成一缝隙(210a，220a)，该缝隙允许被传送到所述区域上的磨粒(500)嵌入该工作面(200)内，并沿该工作面上的所述缝隙(210a，220a)形成有助于形成该所需形状的切削刃，
并且，所述头部(20a)由这样的材料制成，该材料不会研磨相关的矿物材料并在硬和软之间取适中，以便保持和保证该头部的形状并允许所述磨粒植入其中。
2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，该一个或多个槽(210，220)构造成，当该工具旋转时，由该槽形成的一个或多个切削刃覆盖仅由一外部轮廓限定的回转面。
3.根据权利要求2所述的工具，其特征在于，所述工作面(200)划分成至少两个部分。
4.根据前面任何一项权利要求所述的工具，其特征在于，该工具的所述头部(20a)具有至少一对在所述工作面(200)上形成径向的或平行的缝隙(210a，220a)的槽(210，220)。
5.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，形成该头部(20a)的所述材料是包括从包含Cu、Zn、Sn和Fe的组中选择的至少一种金属的金属或金属合金。
6.根据前面任何一项权利要求所述的用于在透明矿物材料特别是蓝宝石、刚玉或尖晶石的板(38)中形成一凸球形光学表面的工具，其特征在于，所述头部的端部的工作面(200)的形状基本为凹球形圆盘，该凹球形圆盘的曲率半径(R)等于该待形成的光学表面的曲率半径。
7.根据上述权利要求中任一项所述的工具，其特征在于，至少一个槽还具有用于将所述磨粒传送到所述区域的通道的作用。
8.一种用于在透明矿物材料尤其是蓝宝石、刚玉或尖晶石的板(38)中形成一光学表面的方法，其特征在于，该方法包括以下同步操作：
设定根据权利要求1到7中的任何一项的工具(20)围绕第一旋转轴线(42)旋转；
使该工具的头部的工作面(200)与该板(38)在其中需要形成所述光学表面的该矿物材料的一区域内相接触；
将磨粒(500)传送到所述区域；以及
使该工具(20)和/或该板(38)相对于彼此运动。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述工具是根据权利要求6的用于形成一凸球形光学表面的工具，并且该方法还包括使所述工具(20)相对于所述板(38)反复相对运动的同步操作，以形成具有非圆形轮廓的球形光学表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反复相对运动是所述板(38)或所述工具(20)围绕一轴线(40；44)的摆动运动，该轴线(40；44)不同于所述第一轴线(42)并与所述第一轴线在待形成的该凸球面的曲率中心(C)相交。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述工具是根据权利要求6的用于形成一凸球形光学表面的工具，该方法还包括设定所述板(38)围绕一第二旋转轴线(40)旋转的同步操作，该第二旋转轴线垂直于其中需要形成所述光学表面的区域并通过所述区域的中心，所述第一和第二旋转轴线(42，40)通过待形成的该凸球面的曲率中心(C)。
12.一种用于对矿物材料尤其是硬质矿物材料进行机械加工的设备，包括：
一用于在所述矿物材料中形成一种形状的旋转工具(20)，所述旋转工具包括其端部为一头部(20a)的体部，该头部包括与其中需要形成所述形状的该矿物材料的一区域相接触的一工作面(200)；
用于驱动所述旋转工具(20)围绕第一旋转轴线(42)旋转的驱动装置(16，18)；
用于定位所述矿物材料与所述旋转工具相对的装置(12，14，28a，28b，30，36)；以及
用于在所述旋转工具和所述矿物材料之间产生相对运动的装置(28，32，34)，
其特征在于，该机加工设备还包括用于将磨粒(500)传送到其中需要形成所述形状的所述区域上的装置(50，52)，
所述工具和该工具的所述头部(20a)具有至少一个第一槽(210，220)，该第一槽通向所述工作面(200)以在其中形成缝隙(210a，220a)，该缝隙允许被传送到所述区域上的磨粒(500)嵌在该工作面(200)上，并沿该工作面上的所述缝隙(210a，220a)形成有助于形成所述需要的形状的切削刃，
并且，所述头部(20a)由这样的材料制成，该材料不会研磨相关的矿物材料并在硬和软之间取适中，以便保持和保证该头部的形状并允许所述磨粒植入其中。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述工具是根据权利要求2到6中的任何一项的工具。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述工具的至少一个槽还具有用于将所述磨粒传送到所述区域的通道的作用，并形成所述传送装置的一组成部分。
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