專利名稱：改進的磨刃裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進的動力驅動式磨刃裝置，其用于刀具和金屬切削工具的刀刃。
背景技術：
已有各種裝置和機構來對刀具和切削工具的刀刃進行磨削，有手動的也有動力驅動的。這些裝置中有一些已經出現在本發明人的一些專利的主題中，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。這些專利公開了能產生非常鋒利刀刃的磨刃器。最終刀刃的完美程度和效果受最終磨削工作臺的結構所限。
發明內容
本發明涉及一種動力驅動式精加工工作臺的改進設計，在金屬切削過程中，通過磨削作用使得所產生的毛刺最小，其能產生非常鋒利和有效的刀刃。本發明涉及一種新穎的裝置，其能夠在動力驅動式磨刃器的精加工工作臺中，使用粒度非常小的有效研磨劑。
對切削刀刃進行磨削的過程通常包括一系列研磨步驟，首先，必須在切削刀刃的每一側，相對于刀片各面的中心平面以選定角度α切掉材料，來對緊鄰刀刃的刀具各面進行斜切。大多數刀具由金屬制成。隨著金屬在每一面上以選定角度α移除，沿著刀片的刀刃形成一些刃面，其在刀刃處以總角度2α彼此相交。隨著這些刃面的形成，沿著最后要產生的(被研磨的)刃面所進行的材料切削過程會沿著刀刃產生毛刺，其在如圖1所示的相鄰刃面的方向上彎離研磨機構。毛刺的產生會使由刃面的相交而產生的非常薄的刀刃受不到支撐，且其太小而不能實際上抵抗由研磨過程而施加的力。因此，所形成的刀刃彎曲，受不到研磨劑的作用。研磨所需的力超出使刀刃彎離研磨劑所必須的力。因此，隨著研磨力的增加，毛刺變大。相反地，如果減少研磨力，則可以減少毛刺的大小。剛性安裝在電機軸上的老式的動力驅動式磨石會導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過熱和擦傷，刀片因而相對較鈍。
沿著切削刀刃出現的毛刺，大大減少了刀刃的切削能力。因而，重要的是，可通過使磨削過程交替成可減小和限制在磨削過程中所施加到刀刃面上的力，從而減少產生的毛刺大小以及減少毛刺的曲率。
當金屬刀片由傳統研磨過程來磨削時，總是沿著刀刃形成毛刺。如果使用更有效的研磨劑如金剛石，與用低效的研磨劑如二氧化硅或碳化硅相比，從刃面上單位時間內研磨相同量的材料所需的力相比，必須垂直于刃面而施加的研磨力的量級可以得到減少。因為使用更有效的研磨劑可以減少研磨所需的力，所以毛刺的大小可以減少。
因此，為了減少毛刺的尺寸和寬度，在刀刃被用于切削之前，在最終的磨削過程中，人們應該使用有效的研磨材料，更小粒度的磨粒、且施加更輕垂直于刃面的力。如果沿著刀刃仍留有任何尺寸的毛刺，它將通過切削力與刀刃一起彎曲。毛刺越大，越容易彎曲和回折到靠著相鄰刀刃面，這馬上削弱了刀刃的切削效果。
因為這些因素，在磨削的精加工過程中，使用非常細而有效的研磨劑和非常低的與刃面垂直的磨削力是很重要的。以前在動力驅動式磨刃器中使用較低的研磨力之所以不成功，是因為嚴重的機械問題，它限制了可得到的削尖度，破壞了刀刃，且損壞了研磨面的對稱性。
精加工裝置的幾何形狀可以是多種樣的，但是，本發明人開發出一種新穎的、高效的、低成本的電機驅動盤的組合體，該盤鍍有超細金剛石膜，其中涂有研磨劑的盤通過具有非常低作用力的彈簧作用而夾靠在電機驅動軸的一個定位擋塊上。該定位擋塊用于定位涂有研磨劑的盤表面，使其緊鄰刀具引導件，該刀具引導件定位并傾斜成使待磨削刀刃的刀刃面與由電機驅動旋轉的彈簧加載的盤的研磨面接觸，并使盤抵抗低作用力的彈簧而移動，同時保持與旋轉盤的研磨面接觸。
因此，刀刃面的磨削以受控的速率進行，且由彈簧的力來限制，隨著彈力減少，最終在刀刃處產生的毛刺的大小也減少。
圖1示出了由現有技術磨削的刀刃面；圖2為本發明磨刃裝置的側視圖，其示出了安裝在磨削工作臺中的彈簧；圖3為帶有保護罩的圖2所示磨刃裝置的側視圖；圖4為圖3所示磨刃器的部分剖視圖；圖5為與圖2類似的根據本發明的另一個多工作臺磨刃裝置的視圖；圖6-7為根據本發明的旋轉盤及其相關結構的側視圖和正視圖；圖8-9為與圖6-7類似的根據本發明的修改結構的視圖。
具體實施例方式
圖4示出了一種磨刃器的實際布局的局部剖視圖，其證明對于用超細研磨劑進行的磨削很有效。兩個磨削盤1安裝在由電機4驅動的軸3中，磨削盤的表面2上涂有研磨劑。由金屬制成的盤1被沖壓成具有供刀具5的刀刃面7使用的均勻旋轉表面，該刃面通過與研磨面2接觸而形成，盤1安裝在由軸3驅動的襯套6上。每個襯套6具有圓柱形中心鉆孔，其直徑大于軸3的直徑，以允許所安裝的盤1在刀刃面7與盤的研磨面2接觸時進行實際偏移。安裝在盤1之間的壓簧8對盤施力，以使其返回到一個停靠位置，該位置由固定到軸3上且與軸一起旋轉的驅動銷9來精確確定，銷的直徑與襯套6中槽口10的間隙相匹配。當彈簧8的力將襯套6壓到與驅動銷9實際接觸時，襯套中槽口10的末端精確確定襯套6的停靠位置。當刀刃面7在力作用下壓靠到研磨面2上時，盤和其襯套在等于彈簧力的該力作用下從該停靠位置移動。在這種方式中，磨削力的量級可以由彈簧力來控制和限制，但只有在襯套6中的圓柱形鉆孔和襯套在其上被驅動的軸3的外周之間沒有磨擦時該力才等于彈簧力。在刀刃面被磨削時，滑動襯套和軸間的任何磨擦力都將增加作用在刀刃面上的力。
如上所述的和圖4所示的安裝和驅動機構可在0.2磅或更大的彈力作用下穩定地工作。但是，這個量級的磨削力會產生非常大的毛刺，即使用超細研磨劑砂粒也是如此。已有各種通過使用具有較低彈力的彈簧來減少毛刺的辦法，但會產生研磨面的機械振動，其足以使磨削盤跳動，而與刀刃斷續接觸，研磨面與刀刃面的最終沖擊足以破壞超精細刀刃，從而彈簧拉伸力的進一步減少使生產力降低。已證明很難確定在低于0.2磅的彈力作用下產生這些破壞性振動的原因，這是由于許多因素以及這些變量之間微妙的相互作用而造成的。
圖3示出的還是圖4中的磨刃器，只是具有了一個保護罩11，其放置在支撐座12上方且具有電開關17。所示出的刀具5與導向表面13對齊，且其刃面7與旋轉著的涂有研磨劑的表面2接觸。一個塑料支撐柱14用于支撐圖2中的柔性塑料彈簧15，該塑料彈簧具有向下延伸且位于導向表面13旁邊的臂16。塑料彈簧臂16在刀具5被插靠到刀具引導表面13上時接觸并壓緊刀具5。這樣，刀具5就被夾持在正確的角度和位置上，從而其刀刃面被壓成與旋轉著的研磨面2最佳接觸。如圖2-圖4所示，只示出了一對盤，但是，如圖5所示，可以將更多盤和磨削工作臺加入到單個軸上。這種布局的優點在于，可在第一工作臺中使用重型彈簧(工作臺1)，在第二工作臺(工作臺2)中使用超輕型彈簧。通常人們在圖5中的第一工作臺的第一槽口中磨削第一刀刃面，然后將刀具移動到第二槽口中以磨削第二刀刃面。加入第一工作臺(工作臺1)是為了獲得更鋒利的削尖度，接著用如下所述的具有超細砂粒和超低彈簧力的最終磨削和刀刃精加工工作臺(工作臺2)來進行工作。
圖6、7、8和9示了旋轉著的盤1、其襯套6、驅動銷9以及支撐襯套6中的槽口10的不同的放大的視圖。
參考圖4，由例如塑料制成的襯套6通過驅動銷9的作用與軸3一起旋轉，銷最好是圓柱形的，且連接到軸3上，且尺寸做成可配合在模制于塑料襯套中的槽口10中。隨著盤2被待磨削刀刃從其停靠位置移動，襯套上的盤平行于電機軸遠離刀刃滑動，且驅動銷在細長襯套槽口10內滑動，同時，保持銷被限制在此槽口中。驅動銷9的直徑必須小于襯套槽口10的寬度，以便其不會限制襯套和其支撐盤的移動。重要的是，移動盤的力實際上只能是由彈簧8產生的超低的限制彈力。
雖然驅動銷必須在槽口10內自由移動，但是發現，如果襯套槽口寬度W遠大于驅動銷9的直徑d時，會發生討厭的襯套和盤表面的振動，如圖8所示。這些振動在使用低作用力的彈簧且退回刀具時產生，且足以嚴重到使盤不會再返回到其停靠位置，而是繼續隨著驅動銷9沖擊襯套槽口10的兩側而共振。因為盤不會正確地返回到其停靠位置，磨削作用會大大削弱。
已經發現，通過限制槽口寬度W(圖8)比驅動銷的直徑d大的量不到0.055英寸，可以消除襯套和盤的振動和不利的共振。這使得銷在由電機速度中的小變化而被加速時不能獲得過大的角速度，且其沖擊到襯套槽口壁上的力不足以產生與襯套的顯著共振。為了減少這種共振，使驅動槽口的壁錐斜被證明是有用的，如圖9所示，從而槽口底部(與軸相鄰)的寬度小于槽口頂部的寬度。以這種方式，驅動銷只在槽口底部緊鄰軸3處(此處，共振會立即減弱)沖擊襯套6的槽口壁。重要的是，要確保驅動銷9對槽口壁的沖擊點盡可能地靠近槽口壁的底部----與軸3相鄰。
因為使用非常輕作用力的彈簧來使襯套和盤復位到其停靠位置，驅動銷在返回其停靠位置時有一種趨勢就是還用足夠的動量來沖擊槽口底部，以在所述軸的軸向上產生共振，且使襯套/盤組件在停靠位置中或之外振動----這又與磨削作用相干涉。已發現，通過在彎曲成與圖8中所示的驅動銷半徑相匹配的槽口的內部角中放置鑲角塊，可以減少這些振動的量級。這使銷與相匹配的輪廓自由接觸而不是沿其周向在單個點接觸，這有助于阻止共振。
一些機械共振產生了如上所述的跳動作用，其可能是由于驅動電機的角速度不均勻，以及隨著電機電樞的磁極穿過電機固定極而產生的電機扭矩和速度上的很小但非常瞬時的變化而造成的。這在使用磨刃裝置中廣泛使用的便宜的兩極罩極式電機時特別成問題。
這些共振的產生還部分因為與驅動軸以任何松馳度相連的磨削盤的偏心而造成。盤必須能夠沿著軸根據刀刃與磨削盤研磨面的接觸而自由移動(滑動)。通過將盤推到其停靠位置的限制彈力，磨削盤被固定在軸上的停靠位置。軸上的擋塊-銷、盤上的研磨面、以及刀具導向件的位置關系必須非常精確，以便在待磨削刀片放置在刀具導向件上且與盤研磨面上的適當區域滑動接觸時，在實際磨削過程中，旋轉著的盤會沿著電機軸移動。這確保了盤總是在磨削過程中移動一定程度，且刀片的刀刃面上的磨削力可以主要由壓簧的力來控制。
因為在被刀刃接觸時，盤組件(由其塑料襯套夾持著的盤)必須抵抗彈力在電機軸上自由滑動(移動)，所以在襯套的圓柱形孔和軸表面之間必須有足夠的間隙以避免遠大于彈簧恢復力的磨擦力的作用。過大的磨擦力會導致襯套彎曲或卡滯在軸上，且在待磨削刀刃上產生過大的力，結果就破壞了刀刃，因而產生對鋒利刀刃的損壞。在使用較低力的彈簧(低于0.2磅)以使刀刃可以很柔和地被研磨時，襯套和軸間的磨擦力必須非常小。但是，如果襯套孔的尺寸大大增加，以將磨擦減少到使磨擦作用不會干涉彈簧作用的水平時，會產生使研磨面振動且輕微錘打待磨削刀刃的機械共振。刀刃的質量和精細度反過來會受到所發生的實際共振的破壞。直徑為0.2496英寸的軸3和襯套6的圓柱形孔間的間隙最佳為約0.0009英寸。
由于這些共振所產生的錘打作用會由于盤的徑向跳動----即盤研磨面相對于其旋轉軸的對稱性方面的任何機械誤差，而進一步加劇。如果該徑向跳動過大，則共振會增強，且錘打作用會足以阻止盤磨削系統產生非常鋒利的刀刃。
研磨盤的方便設計在于研磨劑顆粒的一個薄粘結層，最好是金剛石，位于剛性的基片如對稱的金屬盤上，該盤例如為截頭圓錐狀。用這種設計，在研磨劑砂粒尺寸或研磨層的厚度遠大于金屬基片的徑向跳動時，盤研磨面的徑向跳動可以通過磨合表面研磨劑來消除。實際上在具有徑向跳動的盤表面上研磨劑的初始磨損大部分位于盤表面的高點上，且通過磨合作用，任何高點都會被降低，這改進了盤的明顯徑向跳動。使用尺寸小于徑向跳動量的細砂粒的單層時，表面的磨合量是有限的。因此，在使用超細砂粒時，要求盤的初始徑向跳動非常小。
如果驅動電機的軸或其上安裝有磨削盤的軸具有偏心運動的話，即具有大于0.006英寸的軸擺動或橫向運動的話，通過使磨粒尺寸小于直徑0.002英寸，彈簧力小于0.2磅，且可以低到0.1磅(0.16盎司)，以將盤恢復到其停靠位置，且由傳統的低成本電機以約3000-3600RPM的速度驅動這些努力來產生穩定的----非共振研磨盤系統是非常有效的。這種偏心運動加劇了共振，特別是在驅動軸(直徑0.2496英寸)和盤組件的塑料襯套中的孔之間的間隙超過0.009英寸時。如果要產生非常鋒利的刀具的話，間隙大于0.002英寸的共振是不能接受的。盡管這些小的機械誤差和消除破壞性共振產生的原因的困難性之間具有相互作用，還是可以對于上述每種誤差而言確定可接受的極限。
權利要求
1.一種用于金屬刀具的刀刃的磨刃器，所述刀具有一個或多個與所述刀刃相鄰的刃面，所述磨刃器包括電機驅動軸，其具有一個或多個滑動地安裝的磨削盤組件，每個所述組件包括一個通過中央鉆孔安裝于所述軸上的支撐襯套結構，該支撐襯套結構支撐一個對稱的包括有超細研磨材料的旋轉研磨面，該表面受到彈簧作用的小于0.2磅的力的擠壓，以維持與刀刃面的旋轉研磨接觸，刀具由刀具導向件定位，以將刃面對齊成與包含所述研磨材料的表面接觸。
2.根據權利要求1所述的磨刃器，其中，所述對稱表面形成為金屬盤狀，其上涂有所述超細研磨材料。
3.根據權利要求1所述的磨刃器，其中，所述超細研磨材料的砂粒尺寸小于直徑0.0016英寸。
4.根據權利要求1所述的磨刃器，其中，所述超細研磨材料為金剛石。
5.根據權利要求1所述的磨刃器，其中，所述襯套結構的芯部通常為圓柱形，且其直徑比所述驅動軸直徑大的量不超過0.002英寸。
6.根據權利要求1所述的磨刃器，其中，所述對稱形表面在垂直于所述表面的方向上繞其旋轉軸的徑向跳動小于±0.006英寸。
7.根據權利要求1所述的磨刃器，其中，與所述軸松散連接的驅動銷與所述支撐襯套結構中的一個細長的末端為開口的槽配合，以使所述襯套結構與所述軸一起旋轉，且在刀刃面與所述表面接觸時，允許所述襯套結構與所述對稱研磨面一起沿著所述軸在與彈簧作用相反的方向上滑動地移動。
8.根據權利要求7所述的磨刃器，其中，所述驅動銷為圓柱形，其直徑比所述細長的末端為開口的槽在所述槽底部所測的寬度小的量不小于0.055英寸。
9.根據權利要求8所述的磨刃器，其中，所述槽在與軸相鄰的槽底部處的寬度小于所述槽在槽頂部的寬度。
10.根據權利要求8所述的磨刃器，其中，所述槽的內部角由圓形的鑲角塊形成，其通常與所述驅動銷的半徑相同。
全文摘要
本發明公開了一種磨刃器，其包括電機驅動軸，帶有至少一個滑動地安裝的磨削組件，組件包括通過其中央鉆孔安裝在軸上的支撐襯套結構。該襯套結構支撐著一個對稱的旋轉表面，該表面包含有超細研磨材料。旋轉表面受到彈簧作用的小于0.2磅的壓力，以保持與刀刃面的持續旋轉研磨接觸，刀具由刀具導向件定位成使刃面與包含所述研磨材料的表面接觸。
文檔編號B24B3/36GK1705538SQ200380101496
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月14日 優先權日2002年10月15日
發明者丹尼爾·D.·老弗里爾, 丹尼爾·D.·小弗里爾, 特里·J.·老霍爾 申請人:埃奇克拉夫特公司