一种切割玻璃材料的刀轮及其加工方法

文档序号:1962540阅读:497来源:国知局
专利名称:一种切割玻璃材料的刀轮及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种切割玻璃材料的刀轮及其加工方法。
背景技术
随着科技水平的迅猛发展,许多领域要求玻璃的厚度薄,硬度大,且对于玻璃的切 割质量要求也越来越高,下面就以液晶显示器所用玻璃材料为例来进行说明。用来进行玻璃切割的盘状刀轮具有的共同特征是均包括切割刃部、刀轮盘面和 刀轮中心用来安装刀轴的轴孔。其中切割刃部呈V形,便于切入玻璃,刀轮材料主要是金刚 石、聚晶或多晶金刚石、硬质合金材料等。目前液晶显示器所用玻璃的厚度从2mm到0. Imm越来越薄,硬度越来越大,同时对 玻璃裂断面的质量要求也更高,使得切割时的压力、切入技术、裂断效率等要求以及精度要 求也都更高,给切割工具-刀轮的研究开发提出了很大的挑战。专利ZLOl 124992. 7和CN200680003956. 0,以及本申请人申请的专利 ZL200410104603. 2等提出了几种在切割刃部加工的微结构,这几种微结构都分别使切割刃 部产生周期性的凹凸槽,具体参见图6所示。图6 (a)至(f)分别为圆弧、矩形和梯形状凹凸 结构刀轮的正视图和侧视图。切割玻璃材料的原理是在切割时给刀轮施加一定压力,使刃 部凸起的部分切入玻璃内部,而凹陷部分不能切入玻璃内部,则形成了间断的周期性切痕。 相邻切痕在应力作用下可以产生裂线,并由裂线相连接,使得玻璃被切开并裂断。但是这几种结构的刀轮在切割玻璃时,存在的最主要的问题是,刀轮会被切割时 产生的玻璃微粉末填充,造成刀轮微结构堵塞,导致刀轮失去切割能力;另外凹陷结构中与 玻璃11接触的部位会对切割产生的裂线造成严重破坏,如附图7(d)所示。附图7(a)为圆 弧状凹凸结构刀轮切割玻璃以及切割效果的示意图;图7(b)为图7(a)中的A7的局部放大 图;图7(c)为图7(b)中的1的局部放大图。在切割玻璃时,除了产生切痕12’外,还会产 生如附图7(d)所示的放射状裂线13’。对于刀轮的加工方法,本申请人申请的专利ZL200410104603. 2和另外的一个专 利CN200680003956. 0中提出的用激光加工的方法,激光束的方向相对于刀轮盘面是垂直 的。在刀轮外边缘棱线部位加工微结构时,激光束必须贯穿材料或者说切断材料才能形成 微结构,而专利CN200680003956. 0中提出的激光束相对于刀轮盘面的运行轨迹是一个闭 合或者不闭合的曲线,激光加工时必须把包含在曲线内的刀轮材料整个切除下来,达到与 原刀轮分离的目的。此方法不能够在材料上去除一个具有一定深度的区域。针对上述这些问题,本发明提供一种用于切割玻璃以及其它玻璃材料的刀轮及其 加工方法,此种新结构的刀轮,既不会造成堵塞,又能够避免出现碰伤玻璃以及避免破坏裂 线,而且可以得到很高的切割质量。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种切割玻璃材料的刀轮,特别是能够避免造成刀轮堵塞,并且避免碰伤玻璃以及破坏裂线,而且可以高质量切割玻璃的刀轮。为了实现上述目的,采用以下技术方案一一种切割玻璃材料的刀轮,包括由曲面 B1^ a2以及外边缘棱线1形成的角度为V1的V形切割刃部,V形切割刃部的外边缘棱线1 一周具有交替分布的切割刃和凹陷结构,所述的切割刃部具有两层V形刃口,其中所述的 交替分布的切割刃形成角度为V1的第一层V形刃口,所述的交替分布的凹陷结构的底部 形成第二层V形刃口。为了实现上述目的,采用以下技术方案二 一种切割玻璃材料的刀轮,包括由曲面 B1^ a2以及外边缘棱线1形成的角度为V1的V形切割刃部,V形切割刃部的外边缘棱线1 一周具有交替分布的切割刃和凹陷结构,其特征在于所述的切割刃部具有两层V形刃口, 其中所述的交替分布的切割刃形成角度为V1的第一层V形刃口,所述的交替分布的凹陷 结构的底部形成第二层V形刃口。在加工出两层V形刃口以后,在刀轮的V形切割刃部(1) 两侧的曲面 和 上并且靠近刀轮盘面处再加工出来相应的两个曲面 和%,曲面 和 %的夹角为Ψ3,Ψ3的角度小于所述的第一层V形刃口(6)的角度,其范围为60度至160 度。本发明的另一个目的是提供这种新结构的刀轮的加工方法,为实现此目的,采用 以下技术方案一种切割玻璃材料的刀轮的加工方法,其特征在于在刀轮V形切割刃部用 工件和激光束相对移动扫描的方式去除加工材料得到所述的切割刃和凹陷结构,包括如下 加工步骤①设计需要加工的形状和结构;②并设置扫描间距d;③将刀轮固定在工作台上的刀轴上,④将刀轮上方的激光束方向与刀轮盘面形成一定角度Y ;⑤使激光束聚焦在V形切割刃部边缘;⑥通过调整激光参数并控制激光束和工件相对运行轨迹扫描上述的形状和结构, 使刃部边缘附近被激光束辐照部位的一定厚度的材料被去除,加工出所述的凹陷结构的第 二层V形刃口;⑦以垂直于刀轮盘面并穿过刀轮几何中心的直线为轴,使刀轮转动一定角度,并 重复步骤⑥或④-⑥得到第二个凹陷结构,其中两个相邻凹陷结构中间没有被加工的部分 成为实现切割玻璃材料的切割刃的第一层V形刃口,激光束方向与刀轮盘面形成一定角度 Y可以根据需要进行改变;⑧重复上述步骤⑦得到交替分布在切割刃部边缘棱线I1 一周的具有两层刃口的 切割刃和凹陷结构。本发明切割玻璃材料的刀轮及其加工方法的优点是本发明提出的新结构的刀轮在切割玻璃11时,刀轮刃部1边缘的切割刃4具有的 第一层V形刃口 6切入玻璃材料内部,处于凹陷结构5部位的玻璃11会被交替的切割刃4 裂开,在玻璃11表面形成周期形的切痕12,相邻切痕12在应力作用下可以产生细直的裂线 13,参见附图5,图8(a)为所加工的刀轮在玻璃上的切割示意图,图8(b)为图8(a)中圆形 区域A8的局部放大图,图8 (c)为切割效果示意图。凹陷结构5具有的第二层V形刃口 7会 限制切入玻璃的深度;第二层V形刃口 7以锋利的刃口接触到玻璃,不仅不会碰伤玻璃也不会破坏裂线13,参见图8(c),而且可以把切割产生的微粉末顺利排出,避免造成刀轮堵塞, 从而得到很高的切割质量。另外加工出来的曲面 和%可以更好地实现排屑的功能,由于曲面 和%的夹 角小于曲面%和%的夹角,参见附图4,刀轮在切割玻璃过程中产生的微屑可以从凹陷结 构5的两侧顺利排出,避免凹陷结构5堵塞。本专利提出的用激光束8与工作平台相对移动扫描的加工方式的优点是可以在 刀轮材料的任意区域去除一定的深度,另外通过调整激光束8与工作台的相对位置、激光 参数和加工参数等可以得到需要的凹陷结构。


图1 (a)为本发明刀轮的正视图;图1(b)为图1(a)中圆形区域Al的局部放大图;图1(c)为图1(b)的背面;图2(a)是本发明刀轮的侧视图;图2(b)是图2(a)中区域A2的局部放大图;图3(a)是本发明刀轮的第一实施例的剖视图;图3(b)是图3(a)中区域A3的局部放大图;图4(a)是本发明刀轮的第二实施例的剖视图;图4(b)是图4(a)中区域A4的局部放大图;图5为本发明刀轮的切割刃和凹陷结构的激光加工方法示意图;图6(a)为现有技术的圆弧状凹凸结构刀轮正视图;图6(b)为现有技术的圆弧状凹凸结构刀轮的侧视图;图6(c)为现有技术的矩形状凹凸结构刀轮的正视图;图6(d)为现有技术的矩形状凹凸结构刀轮的侧视图;图6(e)为现有技术的梯形状凹凸结构刀轮的正视图;图6(f)为现有技术的梯形状凹凸结构刀轮的侧视图;图7(a)为现有技术的圆弧状刀轮切割玻璃示意图;图7(b)为图7(a)中圆形区域A7的局部放大图;图7(c)为图7(a)中圆形区域A7的侧视图;图7(d)为现有技术的切割后玻璃表面切痕和裂线的示意图;图8(a)为本发明所加工的刀轮切割玻璃的示意图;图8(b)为图8(a)中圆形区域A8的局部放大图;图8(c)为本发明切割后玻璃表面切痕和裂线的示意图。图9为本发明刀轮的第三实施例,其中刀轮与中心轴为一体结构。图10为本发明刀轮的第四实施例,其中示出双陀螺结构刀轮。
具体实施例方式下面结合图1至图5详细说明依据本发明提出的一种切割玻璃材料的刀轮及其加工方法。
本发明提供一种能够切割玻璃材料,特别是能够切割0. Imm至2mm厚的玻璃材料 的盘状刀轮,主要是在通常用的盘状刀轮V形刃口部位加工特殊的微结构得到的一种新型 结构的刀轮。其中V形盘状刀轮具有由曲面 和 以及边缘棱线1构成的V形切割刃部1,刀 轮盘面2和刀轮中心用来固定刀轮的轴孔3。刀轮材料为聚晶或多晶金刚石,也可以是金刚 石、硬质合金材料,或者这几种材料的复合材料;刀轮的厚度范围为0. 3mm至5mm,其典型厚 度为0. 7mm ;刀轮的直径范围是Imm至25mm,其中典型直径为2. 5mm ;中心轴孔的直径范围 是0.2mm至20mm,其中典型直径为0.8mm ;V形切割刃部1的夹角V1 (参见图2(a))的角度 范围可以是70度至170度,其典型角度为120度。参见图1至图3所示,本发明在刀轮V形切割刃部1边缘棱线1的一周设计和加 工具有两层V形刃口的切割刃4和凹陷结构5。本发明的刀轮的两层V形刃口中的第一层V形刃口 6由所有的切割刃4的刃口形 成;第二层V形刃口 7由具有V形刃口的凹陷结构5的刃口构成。每个切割刃4作为第一层V形刃口 6中的一个刃口,切割刃4主要由曲面 和 的局部及其相交线I1组成,其中此I1为刀轮外边缘棱线1的一段;第一层V形刃口 6的角 度相等于V形切割刃部1的角度Ψ 其角度范围为70度至170度,I1的长度范围为0. 5 μ m 至2000 μ m,其典型角度为120度。另外每一个切割刃4的形状可以相同也可以不相同。两个相邻切割刃4之间部分为一个凹陷结构5,每个凹陷结构5具有第二层V形刃 口 7中的一个刃口。每个凹陷结构5主要包括两个底面%、 和底面 和 的相交线12, 底面a3、a4及其相交线I2构成一个所述的第二层V形刃口 7中的一个刃口。第二层V形刃口 7的角度为Ψ2,Ψ2的角度范围为1度至179. 9度。在刀轮的V形切割刃部(1)两侧的曲面 和 上并且靠近刀轮盘面处可以再加 工出来相应的两个曲面 和^,曲面 和%的夹角为Ψ3,如图4(b)所示。¥3的角度小 于所述的第一层V形刃口 6的角度Ψι,其范围为60度至160度。凹陷结构5的底面 和 可以是平面也可以是任意曲面,所述的I2可以是直线 段或者曲线段,其长度范围为0. 5 μ m至2000 μ m。凹陷结构5可以是任意形状的凹陷。切割刃4和所述凹陷结构5的数目范围为10至3600个,相邻凹陷结构5 (或相邻 切割刃4)相对于刀轮盘面中心的夹角为β (参见图1(a)),β的角度范围为0.1度至36 度。各个相邻切割刃4或凹陷结构5所对应的夹角β的角度可以相同也可以不同。各个相邻切割刃4或凹陷结构5的尺寸以及所对应的夹角β的角度可以相同也 可以不同。交替分布的切割刃4的外形、尺寸和角度等参数可以相同也可以不同。交替分布的凹陷结构5的外形、尺寸和角度等参数可以相同也可以不同。对于某一个刀轮,可以不是所有的凹陷结构5都具有第二层V形刃口 7中的一个 刃口。以下例举一个实施例,本实施例选聚晶金刚石刀轮为加工对象,所有参数均选用 其典型值。刀轮典型尺寸参数直径为2. 5mm,厚度为0. 7mm,轴孔的直径是0. 8mm,夹角Ψ丨的角度是120度。本实施例选取凹陷结构5的底面 和 是跟 和 平行的曲面,I2是曲线段, 其长度为78. 5μπι,I1和I2的距离为40 μ m,俯视凹陷结构为一个矩形凹陷。选用每个切割刃4的结构都相同;每个凹陷结构5的结构也都相同;每个切割刃4 和每个凹陷结构5所对应的刀轮盘面中心的夹角β的角度也都相同,均为典型值7. 2度, 则数目各为50个,参见附图1-3所示。本发明也适用于以下两种外形的刀轮一种是刀轮与中心轴14 一体结构的刀轮,如图9所示。中心轴14的两端可以是 平面,也可以是锥面;中心轴14两端超出刀轮盘面2部分的长度可以根据需要加工得到。另一种是双陀螺结构刀轮,如图10所示。双陀螺两侧的锥度可以相同也可以不 同。以下说明依据本发明提出的一种切割玻璃材料的刀轮的加工方法和实施方式。本发明中涉及到的新结构刀轮的加工方法,刀轮中切割刃4和凹陷结构5是用工 件和激光束8相对移动扫描的方式在刀轮边缘棱线1一周烧蚀去除一定厚度的材料加工得 到的。包括如下主要加工步骤①设计需要加工的形状和结构;②并设置扫描间距d;③将刀轮固定在工作台10上的刀轴9上,④将刀轮上方的激光束8方向与刀轮盘面形成一定角度Y ;⑤使激光束8聚焦在V形切割刃部1边缘;⑥通过调整激光参数并控制激光束8和工件相对运行轨迹扫描上述的形状和结 构,使刃部边缘附近被激光束8辐照部位的一定厚度的材料被去除,加工出所述的凹陷结 构5 ;⑦以垂直于刀轮盘面并穿过刀轮几何中心的直线为轴,使刀轮转动上述的角度 7. 2度,并重复步骤⑥或④-⑥得到第二个凹陷结构5,其中两个相邻凹陷结构5中间没有 被加工的部分成为实现切割玻璃材料的切割刃4 ;⑧重复上述步骤⑦得到交替分布在切割刃部1边缘棱线I1 一周的切割刃4和凹 陷结构5。刀轮上方的激光束8方向与刀轮盘面形成一定角度Y,此角度的范围为-89度至 89度,加工过程中可以随时改变激光束8与刀轮盘面的夹角来实现需要的加工,也可以随 时重复多遍相对移动扫描过程实现某一个凹陷结构5的加工;针对需求可以设计不同的加 工形状得到不同的相邻凹陷结构5。本实施例选用激光束8方向与刀轮盘面的角度为5度。所用激光的波长范围为157nm至2500nm,激光的功率范围为0. Olff至2000W。本 实施例中选用的激光器其波长为1064nm的激光,最大功率为30W,采用的激光扫描方式为 往复扫描模式。加工过程中激光束8与工作台10相对移动包含三种方式激光束8不动,工作台 10运动;激光束8运动,工作台10不动;激光束8和工作台10都运动。加工速度范围为 0. Olmm/S至1000mm/S。本实施例选用工作台移动方式,相对移动扫描速度选用30mm/s。另外可以通过控制激光参数、加工形状以及加工参数实现凹陷结构5的形状、位置、深度、结构和三维尺寸参数的加工;另外加工步.骤①-⑧可以有机组合或者调换。
权利要求
1.一种切割玻璃材料的刀轮,包括由曲面 、 以及外边缘棱线1形成的角度为F1的 V形切割刃部(1),V形切割刃部(1)的外边缘棱线1 一周具有交替分布的切割刃(4)和凹 陷结构(5),其特征在于所述的切割刃部(1)具有两层V形刃口,其中所述的交替分布的 切割刃(4)形成角度为Ψι的第一层V形刃口(6),所述的交替分布的凹陷结构(5)的底部 形成第二层V形刃口(7)。
2.根据权利要求1所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于所述刀轮还包括圆 形盘面⑵和中心轴孔(3)。
3.根据权利要求1所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于所述刀轮还包括圆 形盘面(2)和与之成一体结构的中心轴(14)。
4.根据权利要求1所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于所述刀轮为双陀螺 结构刀轮,两个双陀螺锥面的锥度相同或者不同。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于每个所述的 切割刃(4)作为所述的第一层V形刃口(6)中的一个刃口,由曲面 和 的局部及其相交 线I1组成,其中此I1为刀轮外边缘棱线1的一段;第一层V形刃口(6)的角度相等于V形 切割刃部(1)的角度V1,角度范围为70度至170度,I1的长度范围为0.5μπι至2000μπι。
6.根据权利要求1-4之一所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于所述的凹陷 结构(5)是在V形切割刃部(1)去除一定深度的材料形成的,包括底面%、&、底面%和& 的相交线I2、以及由它们形成的第二层V形刃口(7);第二层V形刃口(7)的角度为Ψ2,Ψ2 的角度范围为1度至179. 9度;所述的凹陷结构(5)的底面%和&是平面或是曲面,所述 的I2是直线段或者曲线段,其长度范围为0. 5 μ m至2000 μ m。
7.根据权利要求1-4之一所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于在刀轮的V 形切割刃部(1)两侧的曲面 和 上并且靠近刀轮盘面处再加工出来相应的两个曲面 和^,曲面 和%的夹角为Ψ3,Ψ3的角度小于所述的第一层V形刃口(6)的角度,其范 围为60度至160度。
8.根据权利要求1-4之一所述的一种切割玻璃材料的刀轮,,其特征在于所述交替分 布的切割刃的外形、尺寸和角度相同或不同;所述交替分布的凹陷结构(5)的外形、尺 寸和角度相同或不同。
9.根据权利要求1-4之一所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于所述的凹陷 结构(5)是具有所述的第二层V形刃口(7)的一定形状的凹陷。
10.根据权利要求1-4之一所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于所述切割刃 (4)和所述凹陷结构(5)的数目范围为10至3600个,相邻凹陷结构(5)或相邻切割刃(4) 相对于刀轮盘面中心的夹角为β,其角度范围为0.1度至36度,各个相邻切割刃(4)或凹 陷结构(5)所对应的夹角β的角度相同或不同。
11.根据权利要求1-4之一所述的一种切割玻璃材料的刀轮,其特征在于所述刀轮为 盘状;直径范围为Imm至25mm ;V形切割刃部(1)的角度Ψ i的角度范围为70度至170度; 刀轮材料是金刚石、聚晶或多晶金刚石、硬质合金材料,或者这几种材料的复合材料。
12.—种切割玻璃材料的刀轮的加工方法,其特征在于在刀轮V形切割刃部(1)用工 件和激光束(8)相对移动扫描的方式去除加工材料得到所述的切割刃(4)和凹陷结构(5), 包括如下加工步骤①设计需要加工的形状和结构;②并设置扫描间距d;③将刀轮固定在工作台(10)上的刀轴(9)上,④将刀轮上方的激光束(8)方向与刀轮盘面形成一定角度Y;⑤使激光束(8)聚焦在V形切割刃部(1)边缘;⑥通过调整激光参数并控制激光束(8)和工件相对运行轨迹扫描上述的形状和结构, 使刃部边缘附近被激光束(8)辐照部位的一定厚度的材料被去除,加工出所述的凹陷结构 (5)的第二层V形刃口(7);⑦以垂直于刀轮盘面并穿过刀轮几何中心的直线为轴,使刀轮转动一定角度,并重复 步骤⑥或④-⑥得到第二个凹陷结构(5),其中两个相邻凹陷结构(5)中间没有被加工的部 分成为实现切割玻璃材料的切割刃(4)的第一层V形刃口(6),激光束(8)方向与刀轮盘面 形成一定角度Y可以根据需要进行改变;⑧重复上述步骤⑦得到交替分布在切割刃部(1)边缘棱线I1一周的具有两层刃口的 切割刃⑷和凹陷结构(5)。
13.根据权利要求12所述的一种切割玻璃材料的刀轮的加工方法,其特征在于在加 工切割刃(4)和凹陷结构(5)时,激光束(8)的方向与刀轮盘面形成一个夹角,此夹角的1范 围为-89度至89度;加工过程中随时改变激光束(8)与刀轮盘面的夹角来实现需要的加 工,随时重复多遍相对移动扫描过程实现某一个凹陷结构(5)的加工;针对需求设计不同 的加工形状得到不同的相邻凹陷结构(5)。
14.根据权利要求12或13所述的一种切割玻璃材料的刀轮的加工方法,其特征在于 通过控制激光参数、加工形状以及加工参数实现凹陷结构(5)的形状、位置、深度、结构和 三维尺寸参数的加工;另外将加工步骤①-⑧有机组合或者调换。
15.根据权利要求12或13所述的一种切割玻璃材料的刀轮的加工方法,其特征在于 所用激光的波长范围为157nm至2500nm,激光的功率范围为0. OlW至2000W,激光束(8)和 工作台(10)相对运对移动扫描的扫描速度范围为0. 01mm/s至1000mm/S。
全文摘要
本发明公开了一种切割玻璃材料的刀轮及其加工方法。一种切割玻璃材料的刀轮,包括由曲面a1、a2以及外边缘棱线l形成的角度为ψ1的V形切割刃部(1),V形切割刃部(1)的外边缘棱线l一周具有交替分布的切割刃(4)和凹陷结构(5),其特征在于所述的切割刃部(1)具有两层V形刃口,其中所述的交替分布的切割刃(4)形成角度为ψ1的第一层V形刃口(6),所述的交替分布的凹陷结构(5)的底部形成第二层V形刃口(7)。其能够避免造成刀轮堵塞,并且避免碰伤玻璃以及破坏裂线,而且可以高质量切割玻璃。
文档编号C03B33/10GK102050568SQ200910236729
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者孙春雨 申请人:孙春雨
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