具有弯曲变形线的双切割盘的制作方法

本发明涉及一种用于切割材料的切割盘或金刚石刀片。更具体地，本发明涉及一种具有新颖配置的切割盘，从而允许在操作中改进切割盘的动力性质。

背景技术：

旋转切割盘广泛地用于不同的技术领域以用于切割目的。在亚毫米范围内的相对小尺寸的切割盘用于医学目的，例如在牙科学领域中。具有在大约50cm至大到2m的范围内的直径的切割盘用于例如冶金、土木建筑和木材加工的领域，以用于切割多种材料。

为了不断努力提高通过利用切割盘的切割工具进行的切割操作的效率，切割盘的制造商以切割盘的越来越薄的形状为目标。更薄的切割盘一般允许在更短时间内并且以更少的功耗切穿物体，因为需要移除被切割的物体的材料更少。然而，这些努力面临关于工具的机械性质及其在操作中的动态行为的技术限制，因为切割盘必须维持结构完整性、动力稳定性并且承受离心力和横向力。

如任何动力系统的旋转机械取决于例如其结构性质、可能的功能故障和力不平衡而暴露于振动和变形。在物理环境中旋转的薄旋转切割盘在经受动态稳定性损失和产生共振时可严重变形。这可导致预期的切割线变宽和偏离预期的切割线，使得在一些情况下，最终的切割线可比切割盘的宽度宽几倍，从而导致材料消耗增加、切割精度降低、切割盘磨损增加以及功耗增加。此外，这种不希望的稳定性损失因横向于切割线的力增加而可导致切割盘本身或周围机械的重大机械破碎。例如，切割盘可沿着垂直于切割线的方向侧向穿透到被切割的材料中，这可对切割盘造成严重损坏，或者导致切割盘在切割机关闭之后卡住和/或弯曲。

在实践中看出，通常存在一个旋转频率，高于该旋转频率，切割机的盘就会呈现大的变形，从而导致切割宽度的不希望增加、盘在操作后过度磨损或甚至破损。这个频率在本文中被称为“临界频率”。显然，通过将切割盘的旋转速度约束到低于这个临界频率的频率，同样限制了切割工具的效率。因此，本领域中强烈需要提供具有扩大的可操作旋转速度范围的切割盘。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种用于切割工具机器的旋转切割盘，该旋转切割盘具有改进的结构稳定性，从而克服上述技术缺点，并且允许增大切割盘的最大可行旋转速度。这通过根据权利要求1的切割盘来实现。本发明的优选实施方式由从属权利要求实现。

切割盘的动力稳定性由其振动模式管理。也就是说，对于具有某一弹性程度的任何机械物体，切割盘将呈现某些振动模式，其中切割盘在对应的模式频率下可呈现驻波变形振动。这些模式在本领域中通常被称为“谐振”，并且对应的频率称为“谐振频率”，或者从数学的角度来看，称为盘的“本征频率”。

当盘静止时，即，不旋转时，很容易理解振动模式的形成，并且可使用适当的计算机模拟来预测振动模式的形状和频率。然而，当盘旋转时，情形就变得更复杂。当从静止参考系，即，待由旋转盘切割的物体的参考系观察时，可看出的是，盘在静止时的单独振动模式分成旋转盘的两个振动模式。与处于静止的切割盘的模式频率相比，这个分割导致具有更高频率的一个振动模式和具有更低频率的一个振动模式。发现模式频率随着旋转速度增加而发散，并且看出在对应于上文的介绍部分中提及的“临界频率”的某一旋转频率，“分割模式”中的一个的谐振频率变成零。这意味着如从静止参考系观察到，切割刀片变得静态变形，并且在这种情况下，切割刀片由于明显的原因而不再可操作，因为它将不再“适合”正常大小的切割。因此，前述“临界频率”确实设定操作中的切割刀片的旋转速度的上限，并且由此限定切割效率的上限。

理解振动模式在盘的旋转后的分割的直观方式如下。如技术人员意识到的是，振动模式基本上是驻波，这进而是两个反方向波的叠加的结果。在盘的情况下，可通过周向变形波分别在顺时针和逆时针方向上传播来生成驻波。当盘例如在顺时针方向上旋转时，如从静止参考系观察到的是，在顺时针方向上传播的波的速度增加，而在逆时针方向上传播的波的速度减小，使得谐振频率的分割可在意料之中。然而，对实际行为的分析更复杂，因为盘的旋转是加速运动，并且因此盘本身无法充当惯性参考系。因此，为了理解旋转盘的动态行为，不可简单地解出盘在静止时的振动的运动方程并且然后利用空间中的简单旋转来变换得到的动态行为。相反，为了适当地分析旋转盘的振动行为，必须解决旋转盘的完整连续介质力学问题。

本发明人已经关于旋转盘的变形执行对这个完整连续介质力学问题的模拟，并且能够根据旋转速度来确定振动模式以及对应的频率。通过对旋转盘的连续介质力学的动态行为的理解，本发明人能够建立切割盘的新设计，如在以下权利要求1中所阐述，该新设计与常规设计的盘相比准许相当地增加临界频率。

更具体地，根据本发明的旋转切割盘包括两个同轴的彼此相对的盘形元件，每一个均具有周向边缘，其中盘形元件的周向边缘接合在一起，从而形成切割盘的切割边缘。因而，通过两个盘形元件的结合来形成切割盘，其中每个盘形元件均构成切割盘的一半。盘形元件的周向边缘结合在一起，从而形成构成切割盘的切割边缘的公共周向边缘，也就是说，切割盘的抵靠待切割的材料旋转的最外边缘。切割边缘可构成切割盘本身的切割表面，或者可用于在其上容纳任何种类的切割刀片、齿等。

值得注意的是，尽管本文中参考包括两个同轴的彼此相对的盘形元件的切割盘，但预见了本发明的配置，其中切割盘包括两个以上盘形元件。此外，如技术人员明白的是，术语“盘形”不应解释为限于完全平面且圆形的物体，而是具有可偏离完美圆的最外周边并且具有比前述周边小得多的厚度的延伸物体。

盘形元件中的每一个均包括一条或多条至少部分地弯曲的长型变形线，其中该一条或多条变形线具有距切割盘的中心的、沿着变形线的长度的至少部分增加的径向距离。在本文中，“弯曲”是指以下事实：变形线不仅仅沿着盘形元件的径向方向直线延伸，而是具有径向分量和垂直于径向分量的分量(即，角度分量或周向分量)。“部分地弯曲”是指以下事实：此类弯曲形状可对应于变形线的整个长度或仅对应于其部分。变形线的径向距离沿着变形线的长度的至少部分增加的事实暗示根据本发明的变形线不是在切割盘的中心的恒定距离处形成的，即，不是环形。就极坐标而言，变形线的径向分量将取决于方位相。变形线可例如具有螺旋形式、波浪形式、其任何组合，或根据上述定义的任何其他部分地弯曲的形式。

变形线可形成为制成盘形元件的材料的变形。典型地，通过从切割盘的盘形元件的两侧在材料上施加机械力由此引起塑性变形来形成变形线。变形线可例如通过轧制过程形成。在本文中，术语“线”不应字面地理解，因为轧制线将具有某一不消失宽度，然而，该宽度比变形线的长度小得多，诸如小至少10倍、典型地小至少20倍。变形线的形成引起材料中存在所谓的残余应力，这对切割盘的动态性质产生相关影响。

发明人已经认识到的是，意外地，两元件设计与变形线的具体形状的组合以协同方式，即，以远远超过从每个单一设计特征本身预期的效果的方式，引起切割盘的临界速度增加。已经发现的是，由于本发明的切割盘的相对于具有相同直径和总质量且具有常规环形变形线的类似单件切割盘的临界速度增加是至少33％，从而导致切割动能显著增加超过75％。这样一来，可提高利用切割盘的切割操作的效率，而同时维持可接受水平的质量、切割精度和安全性。前述结论由下文概述的模拟结果支持。

切割盘的动态行为由其旋转惯性张量管理。系统的旋转惯性张量也被称为角质量张量，其描述系统的旋转惯性和围绕一条轴线的旋转引起围绕另一轴线的旋转的程度，如因进动现象而典型地已知。旋转惯性张量jij是以下形式的对称张量

其中对角线项jxx、jyy和jzz分别表征对应系统围绕轴线x、y和z的旋转惯性，并且非对角线项表征围绕一条轴线的旋转引起围绕另一轴线的旋转的程度。换句话说，非对角线项是旋转系统的“旋转刚度”的度量。非对角线项jαβ越小，系统对围绕方向α的旋转提供的阻力越小，以引起围绕方向β的进一步旋转，并且因此系统在旋转时不太稳定。

本发明人的实验表明，两元件设计与变形线的变形行为的前述组合可影响切割盘的变形行为，以使得导致旋转惯性张量的非对角线项相对于常规设计的切割盘增加多达四个数量级。尽管与对角线项相比，常规切割盘显示出具有10^-13的典型数量级的惯性张量的非对角线项，但本发明人发现，与对角线项相比，本发明设计的切割盘可导致切割盘的旋转惯性张量的非对角线项具有10^-9或更高的数量级。这可导致以下状况：切割盘的变形行为可不再由线性平面近似逼近，如将对应于对称且平面的切割盘那样。相反，二次和更高项对于计算变得明显，从而有助于有效地增加切割盘的临界频率。

在本发明的优选实施方式中，两个盘形元件在其间形成空腔，该空腔包括真空。根据这个实施方式，两个盘形元件不是始终沿着它们相应的径向长度连续地接触，而是在它们的最外周向边缘处且可能地在其邻近环境中彼此接触，最外周向边缘共同地形成切割盘的切割边缘，而同时该两个盘形元件沿着它们径向延伸的与盘形元件的没有接合在一起而形成切割盘的切割边缘的那些部分相对应的其余部分相互分隔。然后，在两个盘形元件的这些部分之间形成两个盘形元件之间的空隙，该空隙构成空腔。

切割盘的切割边缘可由盘形元件之间的密封接合部或连接部提供。此外，盘形元件可由围绕它们公共轴线的最内周向边缘限定，该最内周向边缘可例如围绕适合于容纳轴的开口形成。密封接合部或连接部可设在这样的开口与盘形元件间的空腔之间，使得空腔是适合于包括真空的密封空腔。当空腔被抽空时，即，它包括真空时，在切割盘的内部与其外部之间产生压力梯度，这经确信有助于切割盘在操作中的更高动力稳定性。

根据本发明的其他优选实施方式，两个盘形元件在其间形成空腔，该空腔填充有流体，优选地填充有牛顿流体或非牛顿流体，诸如改进盘的动态行为的气体状空气、惰性气体或其组合或者液体状水、油、凝胶状物质或其组合。

在本发明的其他优选实施方式中，两个盘形元件在其间形成空腔，该空腔填充有阻尼材料，优选地填充有具有粘弹性质的阻尼材料，诸如橡胶、硅酸盐、凝胶、具有振动衰减性质的合成材料或天然材料，或其组合。

空腔中存在真空、流体或阻尼材料可以通过增加阻尼行为和/或其对不受控制的变形的机械阻力而以有利的方式来修改切割盘的动力性质，不受控制的变形可导致切割轮廓的偏离或不规则，并且有助于切割盘的临界旋转速度升高。

在本发明的优选实施方式中，盘形元件通过分隔元件分隔开。分隔元件可有助于切割盘抵抗变形和振动的更好静态和动态稳定性。分隔元件可形成为盘形元件的延伸部。替代地，分隔元件可为独立的元件。此外，分隔元件可沿着盘形元件的内周向边缘并且围绕由所述内周向边缘限定的用于接纳轴的开口形成。

在本发明的一些优选实施方式中，分隔元件和/或盘形元件可配置为使得盘形元件呈现透镜形几何形状，其中盘形元件之间的距离至少部分地沿着径向方向从切割边缘朝向切割盘的中心增加。盘形元件之间的距离可贯穿它们相应的径向长度或在其部分中增加。盘形元件在组合时可呈现透镜形几何形状，使得旋转切割盘的几何形状在前述意义上是透镜形的。这可通过适当地选择分隔元件的尺寸和材料组成和/或通过适当地选择盘形元件的尺寸和/或材料组成来实现。

本发明人意识到，通过分隔元件和/或通过盘形元件引起的透镜形几何形状还可有助于切割盘的变形行为的前述非线性状况，并且因此有助于切割盘的临界频率的增加。

出于实现上述切割盘的透镜形几何形状的目的，分隔元件可由单片材料制成，例如金属或复合材料，并且可具有沿着轴向方向的宽度，即，盘形元件之间的延伸部，该宽度在r/1000与2r/3之间，优选地在r/100与r/2之间，更优选地在r/10与r/3之间，其中r是盘形元件的半径。另外地或替代地，盘形元件可由单片材料制成，例如金属或复合材料。

盘形元件之间的距离可沿着径向方向从切割边缘朝向切割盘的中心、贯穿它们相应的径向长度或在其部分中线性地、对数地、指数地和/或根据多项式函数、三角函数和/或有理函数增加。

在本发明的优选实施方式中，在不同的盘形元件上形成的一条或多条变形线在切割盘的组装状态下以重叠配置布置。这意味着在单独盘形元件上形成的变形线是彼此的镜像。

在相关实施方式中，单独的盘形元件上的变形线的图案是彼此的镜像，使得它们在旋转切割盘的组装状态下可以以重叠配置布置，但相对于彼此偏移预定义角度。变形线的偏移可导致切割盘的不对称程度增加，这可进一步有助于影响切割盘的变形行为，以使得增加切割盘的临界频率，如上文说明。

根据本发明的替代实施方式，在单独的盘形元件上形成的变形线的图案是相同的。这意味着在单独的盘形元件背对背布置的组装状态下，变形线的位置和形状是彼此的镜像。

在本发明的一些优选实施方式中，一条或多条变形线在盘形元件的外表面上形成，而不是面向相对的盘形元件。

根据本发明的优选实施方式，一条或多条变形线的径向距离沿着变形线的长度单调地增加。径向距离在本文中是指将用于在极坐标中描述盘形元件上的变形线的路径的径向坐标，其可随增加的角度单调地增加，即，沿着变形线的长度单调地增加。这个特性可延伸到整条变形线或仅延伸到其一部分。该单调增加可例如对应于线性增加或对数增加，但其他增加率也是可能的。

在本发明的优选实施方式中，变形线从第一端延伸到第二端，所述第一端位于盘形元件的最内周向边缘处，或者在所述最内边缘的小于相应的盘形元件的直径的15％、优选地小于10％的距离内。根据这个实施方式，盘形元件可在一侧上由围绕它们公共轴线的最内周向边缘限定，该最内周向边缘可例如围绕适合于容纳轴的开口形成。

在本发明的相关实施方式中，变形线的第二端位于切割边缘处，或者在距所述切割边缘的小于相应的盘形元件的直径的15％、优选地小于10％的距离内。

在本发明的优选实施方式中，两个盘形元件焊接或胶合在一起。具体地，盘形元件可借助于点焊、缝焊、摩擦焊接、钎焊焊接在一起，或使用胶合膏胶合在一起。

根据本发明的优选实施方式，盘形元件中的每一个均包括至少4条变形线，优选地在6条与20条变形线之间。

在本发明的优选实施方式中，变形线当在极坐标中表达时沿着其长度覆盖在1°与720°之间、优选地在10°与90°之间的角范围。

在本文中，优选的是角坐标的值沿着变形线的长度单调地增加或减小。另外地或替代地，变形线优选地具有圆的区段的形状，该圆的中心定位在距旋转切割盘的中心的、对应于旋转切割盘的半径的35％至65％、优选地40％至60％且最优选地45％至55％的径向距离内

附图说明

图1示出了根据本发明的实施方式的切割盘的侧视截面图。

图2示出了根据本发明的实施方式的切割盘的前视图。

图3示出了作为参考的具有闭合的环形变形线的单片现有技术切割盘。

图4示出了随根据图3的单片参考现有技术切割盘的计算机模拟确定的旋转速度而变的六个最低谐振频率。

图5示出了随根据包括螺旋形变形线的单片切割盘的计算机模拟确定的旋转速度而变的六个最低谐振频率。

图6示出了随根据包括没有变形线的两个盘形元件的切割盘的计算机模拟确定的旋转速度而变的六个最低谐振频率。

图7示出了随根据包括具有闭合的环形变形线的两个盘形元件的切割盘的计算机模拟确定的旋转速度而变的六个最低谐振频率。

图8示出了随根据本发明的实施方式的切割盘的计算机模拟确定的旋转速度而变的六个最低谐振频率。

具体实施方式

下文参考附图详细地描述本发明的某些实施方式，其中，除非另有描述，否则实施方式的特征可彼此自由地组合。然而，应明确地理解的是，某些实施方式的描述仅通过示例给出，并且不应被理解为限制本发明。

图1示出了根据本发明的实施方式的旋转切割盘10的侧视图，该旋转切割盘包括两个同轴的彼此相对的盘形元件12a和12b。盘形元件12a和12b具有相应的周向边缘14a和14b。盘形元件12a和12b的周向边缘14a和14b接合在一起，从而形成切割盘10的切割边缘16。盘形元件12a和12b在盘形元件12a和12b的相应的最内周向边缘18a、18b与相应的最外周向边缘14a、14b之间延伸。最内周向边缘18a、18b围绕它们的公共中心20布置，并且形成适合于接纳驱动轴的开口26。盘形元件12a和12b在它们的最内周向边缘18a、18b附近通过分隔元件22分隔开。

周向盘形元件12a和12b在切割边缘16处紧密地接合在一起，并且紧密地接合至分隔元件22和开口26的外壁，从而在盘形元件12a和12b之间形成密封的空腔24。在所示的实施方式中，空腔24包括真空。

分隔元件22和盘形元件配置为使得盘形元件12a和12b组合起来呈透镜形几何形状，其中根据正切函数，盘形元件12a和12b之间的距离沿着径向方向从切割边缘16朝向公共中心20增加。分隔元件22由单片金属制成，并且具有r/5的宽度，r是盘形元件12a和12b的半径。盘形元件12a和12b由金属制成。

图2示出了图1的旋转切割盘10的前视图。盘形元件12a和12b各自包括五个弯曲的长型变形线30，所述变形线到切割盘10的中心20的径向距离沿着变形线30的长度单调地增加。所示实施方式的变形线30是“螺旋形的”，然而这不应在严格的数学意义上解释。在所示实施方式中，变形线30具有中心位于距盘形元件的中心20的一个径向距离处的圆的区段的形状，该径向距离对应于盘形元件的半径r的一半。在所示实施方式中，盘形元件12a、12b的半径r是r＝400mm，以及由变形线30描述的圆形路径的中心位于径向距离r＝r/2＝200mm处，以及变形线沿循具有半径r＝200mm的圆形路径。应注意的是，在本公开的意义上，这个形状被示为“螺旋形”。根据这个形状，当在极坐标中表达变形线30的形状时，这意味着角坐标沿着变形线30的长度单调地变化，并且从而覆盖大约80°的角范围。变形线30在中间周向限制部32与切割边缘16之间延伸，其中，中间周向限制部32包围切割盘10的中心，并且具有比盘形元件12a和12b的最内周向边缘18a、18b的半径18大的半径。在所示实施方式中，变形线30具有5.4mm的宽度。

模拟示例

在下文中，将基于模拟结果证明根据本发明的切割盘的配置允许增加临界速度。

图4示出了随根据由单片切割盘组成的参考现有技术盘的计算机模拟确定的旋转速度而变的六个最低谐振频率，该单片切割盘不是由两个同轴的彼此相对的盘形元件组成，并且包括两条环形变形线。这样的参考现有技术盘10’在图3中示出，其中盘10’的元件由先前用于图1和图2的相同附图标记指示，其中应理解的是，先前关于盘形元件的那些部件在图3中涉及单片切割盘本身。切割盘10’包括两条同心的环形变形线30’。

如在图4的图示中看出，切割盘10的第一最低谐振频率、第三最低谐振频率、第四最低谐振频率和第五最低谐振频率在静止时分叉，并且随着增加的旋转速度而发散。这个分叉行为的原因在于这些谐振或振动模式涉及驻波在周向方向上反方向地传播。第二最低谐振频率和第六最低谐振频率没有分叉，因为它们涉及驻波仅在径向方向上传播，从而不受旋转直接影响。因此，在图4的图示中，相应的曲线是大致水平的，从而指示谐振频率确实在很大程度上不受旋转速度增加的影响。然而，仔细观察会发现曲线不是完全地水平，而是稍微随旋转速度而增加。这是因为在旋转时作用在切割盘上的向心力导致盘变硬，并且因此导致更高的谐振频率。

应注意的是，所采用的计算机程序始终将分析限于六个最低谐振频率(或者在分叉频率的情况下，谐振频率对)。这就是为何在图4中的150rad/s左右，曾经在零rad/s下最高的谐振的频率曲线停止，原因就是在这个旋转频率下，在更低旋转速度下具有更高频率的另一谐振频率(图示中未示出)已经降至低于该旋转频率。

如还可从图4中看出，在300rad/s下，最初的(即，在零rad/s下)第三最低频率谐振的下部分支降至零，从而意味着这个振动模式导致待切割的物体的惯性参考系(或驱动切割盘10的机器的惯性参考系)的静态变形。因此，300rad/s的这个旋转速度对应于上文提及的临界频率，其设定切割盘10的操作速度的上限。

为了允许切割盘10的更高旋转速度，目标是将临界频率，即，谐振频率中的一个降至零的最低旋转速度推到更高值。

图5示出了如图4所示的类似模拟的结果，同样是针对单片切割盘，但具有5条螺旋形变形线而不是两条环形变形线，类似于图2所示的变形线30的图案。如在图中看出，没有观察到切割盘的动力形状的显著变化。具体地，通过在常规单片切割盘上采用螺旋形变形线，临界旋转频率仍处于300rad/s，并且因此没有得以改进。

图6示出了如图4所示的类似模拟的结果，但是针对包括由分隔元件分隔开的两个盘形元件并且没有变形线的切割盘。两件式切割盘的总质量与图3和图5的单片参考切割盘的总质量相同。如在图中看出，这个配置显示出临界频率相对于图4的参考现有技术模型增加约17％。

图7示出了类似于图6的切割盘的结果，但包括围绕切割盘的中心的闭合的环形变形线。不同盘形元件上的变形线以重叠的配置排列。与图6相比，没有观察到切割盘的动力性质的显著变化，这可归因于闭合的环形变形线。

图8示出了随针对根据本发明的实施方式的切割盘确定的旋转速度而变的六个最低谐振频率的计算机模拟的结果。这个实施方式类似于图6和图6，但包括类似于关于图2描述的那些弯曲的螺旋形变形线，其中，不同盘形元件上的变形线以重叠的配置排列。意外地，两件式结构和弯曲的螺旋形变形线的组合导致临界频率比图3和图4所示的现有技术设计增加约33％。因此，组合效果远远超过预期从对图3和图4的盘的两个修改产生的单独效果。最终，没有或具有常规环形变形线的两件式设计导致临界频率仅增加17％，如从图6和图7中看出。此外，如从图5中看出，螺旋形切割线本身，即，施加在相同质量的常规单片切割盘上，无论如何都不会导致任何可感知的改进。然而，通过将螺旋形变形线与切割盘的两件式设计相组合，可获得临界频率相对于图3所示的参考现有技术模型的约33％的极显著增加，这明显超过单独特征的单独效果的总和，如通过与在图5、图6和图7的切割盘中获得的临界频率进行比较看出。

由于通过本发明实现的临界频率增加，切割盘可在更高旋转速度下操作而不会被谐振的影响打扰，从而允许更高的工作效率和安全性。

用于获得图4至图8所示的结果的模拟依赖于通过有限元计算来解出弹性运动方程(lamé-navier或navier-cauchy方程)并且利用达索系统公司(dassaultsystèmes)的软件工具

应理解的是，上文描述的内容当前被视作本发明的优选实施方式。然而，应注意的是，仅通过示例方式给出优选实施方式的描述，并且在不脱离如权利要求中定义的本发明的范围的情况下，可进行各种修改。

附图标记说明

10切割盘

12a、12b盘形元件

14a、14b周向边缘

16切割边缘

18a、18b最内周向边缘

20公共中心

22分隔元件

24空腔

26开口

30变形线

32中间周向限制部