ДИСКОВЫЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2009 года по МПК B27B33/08 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к дисковому инструменту, такому как дисковая пила, которая используется для обработки материалов, не ограниченных каким-либо одним материалом, но применимой к дереву, древесно-волокнистым материалам, пластмассе, железу/стали, цветным металлам и т.п., и более конкретно к дисковому инструменту, в котором маловероятно возникновение вибраций, сопровождающих резание, или коробления.

Предшествующий уровень техники

Обычно для такого рода дисковых инструментов предлагалось выполнять прорези разной формы, являющиеся удлиненными сквозными отверстиями в диске пилы. Например, такие диски пил раскрываются в опубликованной заявке на патент Японии №46-21356, в опубликованной заявке на полезную модель Японии №5-18010, в европейском патенте №0640422 А1, в патенте Западной Германии №19648129 А1. Хорошо известно, что выполнение таких прорезей повышает критическую частоту вращения диска пилы, и заполнение прорези смолой снижает вероятность возникновения шума и вибраций, которые ухудшают качество поверхности разреза. Критическая частота вращения - это частота вращения, при которой возникает коробление диска пилы, и в основном все дисковые пилы используют при частоте вращения ниже критической. Однако то, как расположение и общая форма прорези связаны с жесткостью и критической частотой вращения диска пилы и как они влияют на долговечность и подавление вибраций, было непонятно и, следовательно, неизвестно, будет ли прорезь правильной формы образована в правильном положении.

При этом был проведен подробный анализ того, как расположение и общая форма прорези, выполненной в дисковом инструменте, влияют на жесткость, критическую частоту вращения и вибрации, причем результаты этого анализа подтвердились результатами экспериментов, и затем на основании этих результатов было создано настоящее изобретение.

Настоящее изобретение направлено на решение вышеописанной проблемы и на создание дискового инструмента, имеющего высокую жесткость и высокую критическую частоту вращения и обеспечивающего высокую долговечность, причем с малой вероятностью генерирования вибраций, сопровождающих резание, посредством задания положения конструкции и состояния прорезей.

Краткое описание изобретения

В настоящем изобретении для достижения вышеописанной цели используется дисковый инструмент, в котором множество виртуальных участков, образованных двумя радиальными линиями, выходящими из центра вращения диска инструмента, и двумя концентрическими окружностями на диске, проходящими вокруг центра, распределены непрерывно в окружном направлении на диске, при этом в каждом виртуальном участке выполнена прорезь, контактирующая как с двумя радиальными линиями, так и с двумя концентрическими окружностями, причем центральный угол, образованный двумя радиальными линиями, составляет 90° или менее, количество виртуальных участков равно 4-24, концентрическая окружность, проходящая через центр интервала между двумя концентрическими окружностями, образующими виртуальный участок, расположена на 0,6r-0,8r относительно центра вращения диска, где r - максимальный радиус до дна углубления между соседними зубьями пилы на диске, центральный угол перекрытия виртуальных участков, непрерывно примыкающих друг к другу, вокруг центра вращения составляет от 0° до 12°, минимальное расстояние между соседними прорезями составляет 0,05r или более, и отношение длины дуги центральной концентрической окружности в каждом виртуальном участке к интервалу между двумя концентрическими окружностями в виртуальном участке составляет от 3 до 6.

Согласно одному варианту настоящего изобретения, если максимальный радиус до дна углубления между зубьями пилы диска принимается за r, когда дисковым инструментом является дисковая пила с прорезями 14, как показано на фиг.1, отношение между жесткостью R (кгс/мм) и критической частотой вращения min-Ncr (об/мин) дискового инструмента вокруг точки в направлении радиуса центральной концентрической окружности, расположенной в центре между двумя концентрическими окружностями, образующими виртуальный участок, получено на компьютере анализом методом конечных элементов. Для этого использовался программный пакет ANSYS (производимый ANSYS, Япония). В качестве эталонных величин использовалась жесткость R=0,59 кгс/мм или более и критическая частота вращения 4430 об/мин или более, которые соответствуют дисковой пиле без прорезей в обычном диске, как показано на фиг.8 (имеющем четыре прорези по внешней периферии). В результате, как показано на фиг.3, в случае, когда положение центральной концентрической окружности составляло более 0,6r, жесткость R была выше эталонной величины. В случае, когда положение центральной концентрической окружности было меньше 0,8r, критическая частота вращения была выше эталонной величины. Следовательно, положение центральной концентрической окружности было определено в диапазоне от 0,6r до 0,8r.

Далее, отношение длины дуги виртуального участка центральной концентрической окружности к интервалу между двумя концентрическими окружностями в виртуальном участке было определено при положении центральной концентрической окружности в диапазоне от 0,6r до 0,8r. Когда положение центральной концентрической окружности составляет 0,8r, это отношение для достижения критической частоты вращения должно быть больше 3, хотя, как показано на фиг.4, проблем с жесткостью R не возникает. Когда положение центральной концентрической окружности составляет 0,6r, это отношение для получения жесткости R должно быть менее 6, как показано на фиг.5, и проблем с критической частотой вращения не возникает. В результате отношение длины дуги к интервалу между концентрическими окружностями было определено в диапазоне от 3 до 6.

Затем был определен диапазон перекрытия непрерывно примыкающих друг к другу виртуальных участков. Когда положение центральной концентрической окружности составляет 0,7r, проблем с жесткостью R не возникает, если угол перекрытия равен или меньше 12°, а проблем с критической частотой вращения не возникает, если этот угол равен -1° или более, как показано на фиг.6. Дополнительно, принимая во внимание результаты анализа для случая, когда положение центральной концентрической окружности составляет 0,6r и 0,8r, угол перекрытия был определен как находящийся в диапазоне от 0° до 12°.

В то же время, если центральный угол, образованный двумя радиусами, превышает 90°, жесткость дисковой пилы падает, и поэтому нужны четыре или более виртуальных участка. Даже если количество виртуальных участков превысит 24, характеристики меняются незначительно и лишь растет стоимость изготовления прорезей. Кроме того, если минимальное расстояние между соседними прорезями будет менее 0,05r или менее 0,08r для особо тяжелых условий, интервал между прорезями может прорваться и появится опасность того, что диск пилы может быть легко поврежден.

Дополнительно, согласно одному варианту настоящего изобретения, можно образовать множество виртуальных участков одинаковой формы. Посредством выполнения множества виртуальных участков одинаковой формы обеспечивается симметричность в направлении вращения дисковой пилы, что приводит к повышению производительности и улучшает визуальные эстетические свойства.

Кроме того, одинаковую форму могут иметь не только множество виртуальных участков, но и прорези, выполненные во множестве виртуальных участков. Благодаря тому что множество виртуальных участков имеют одинаковую форму и множество прорезей, выполненных во множестве виртуальных участков, также имеют одинаковую форму, обеспечивается симметричность в направлении вращения дисковой пилы, что в еще большей степени повышает производительность и улучшает визуальные эстетические свойства.

Согласно одному варианту настоящего изобретения благодаря правильному определению положения и условий для прорезей в дисковом инструменте, таком как дисковая пила, подавляется генерирование шума и вибраций, которые ухудшают качество поверхности разреза, одновременно сохраняя жесткость и критическую частоту вращения такими же или выше, чем у обычной дисковой пилы, и обеспечивается увеличенный срок ее службы. Кроме того, благодаря множеству виртуальных участков, имеющих одинаковую форму, и прорезям, выполненным в виртуальных участках и имеющим одинаковую форму, сохраняется симметричность дискового инструмента в направлении вращения, что повышает производительность и улучшает его визуальные эстетические свойства.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид сбоку дисковой пилы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - частичный вид в увеличенном масштабе основного участка дисковой пилы.

Фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая отношение между положением в радиальном направлении центральной концентрической окружности, расположенной в центре интервала между двумя концентрическими окружностями, образующими виртуальный участок, жесткостью R (кгс/мм) и критической частотой вращения min-Ncr (об/мин) для дисковой пилы.

Фиг.4 - диаграмма, иллюстрирующая отношение между длиной дуги (при положении центральной концентрической окружности 0,8r) в виртуальном участке центральной концентрической окружности, интервалом между двумя концентрическими окружностями, образующими каждый виртуальный участок, жесткостью R (кгс/мм) и критической частотой вращения min-Ncr (об/мин) для дисковой пилы.

Фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая отношение между длиной дуги (при положении центральной концентрической окружности 0,6r) в виртуальном участке центральной концентрической окружности, интервалом между двумя концентрическими окружностями, образующими каждый виртуальный участок, жесткостью R (кгс/мм) и критической частотой вращения min-Ncr (об/мин) для дисковой пилы.

Фиг.6 - диаграмма, иллюстрирующая отношение между углом перекрытия непрерывно смежных виртуальных участков, жесткостью R (кгс/мм) и критической частотой вращения min-Ncr (об/мин) для дисковой пилы.

Фиг.7 - вид сбоку варианта осуществления дисковой пилы.

Фиг.8 - вид сбоку обычной дисковой пилы.

Наилучший вариант осуществления настоящего изобретения

Ниже следует описание варианта осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. На фиг.1 показана дисковая пила для резания алюминия согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.2 показана часть основной части дисковой пилы. Дисковая пила 10 имеет металлический диск 11 и зубья 12. Зубья 12 выступают в радиальном направлении из множества положений, непрерывно отстоящих друг от друга на равных расстояниях по внешней периферии диска 11. Диск 11 имеет центральное отверстие 11а для вала и прорези 11b во внешней поверхности, которые немного выступают из внешней поверхности дна впадины между зубьями и расположены в шести положениях, отстоящих на одинаковых расстояниях друг от друга по окружности, и изнутри закруглены в форме дуги. Диск 11 содержит 14 виртуальных участков 13, образованных двумя радиальными линиями 13а и 13b, отходящими от центра вращения, и двумя концентрическими окружностями 13 с и 13d, образованными на диске вокруг центра вращения, при этом участки 13 проходят непрерывно вокруг центра вращения. Каждый виртуальный участок 13 содержит одну прорезь 14, которая контактирует с двумя радиальными линиями 13а, 13b и с двумя концентрическими окружностями 13с и 13d, при этом прорезь выполняется лазерной обработкой или подобным методом.

Что касается прорези 14, центральный угол, образованный двумя радиальными линиями, отходящими от центра вращения, по существу равен 34°, и прорезь 14 разделена в угловом направлении на три участка: передний участок 14а меньшего диаметра, центральный наклонный участок 14b и задний участок 14с большего диаметра, которые проходят непрерывно, если смотреть спереди в направлении вращения. Радиус переднего участка 14а меньшего диаметра по существу равен 0,64r, а радиус заднего участка 14с большего диаметра по существу равен 0,76r. Здесь r обозначает максимальный радиус до нижней точки впадины между зубьями, т.е. радиус от центра диска 11 до основания зуба 12. Центральный наклонный участок 14b прорези расположен наклонно между передним участком 14а меньшего диаметра и задним участком 14с большего диаметра, и соединительный участок, являющийся границей между передним участком 14а меньшего диаметра и задним участком 14с большего диаметра, имеет форму дуги. Вследствие этого центральная концентрическая окружность 13е в радиальном направлении (положение в радиальном направлении), проходящая через центр интервала между двумя концентрическими окружностями 13с и 13d, образующими виртуальный участок 13, составляет 0,7r.

Перекрытие непрерывно примыкающих виртуальных участков 13 имеет центральный угол θs, равный приблизительно 8,29°, который является углом относительно центра вращения. Минимальное расстояние между соседними прорезями 14 равно 0,1r. Отношение длины дуги 0,415r в виртуальном участке 13 на центральной концентрической окружности 13е к интервалу 0,104r между двумя концентрическими окружностями каждого виртуального участка 13 (отношение горизонтального размера прорези к вертикальному) приблизительно равно 3,99.

Согласно одному варианту осуществления, имеющему вышеописанную конструкцию, положение и состояние прорези 14, которую нужно выполнить в диске 10, задается в вышеуказанном диапазоне величин. В результате повышается долговечность, и подавляется генерирование шума и вибраций, ухудшающих качество поверхности разреза, одновременно сохраняя характеристики жесткости и критической частоты вращения обычной дисковой пилы, не имеющей прорезей в диске. Кроме того, благодаря тому что прорези 14, образованные в каждом виртуальном участке 13, имеют одинаковую форму, так же как и виртуальные участки 13 имеют одинаковую форму, обеспечивается симметричность дисковой пилы в направлении вращения и улучшается ее производительность и внешний вид. Однако виртуальные участки не всегда должны иметь одинаковую форму, при этом прорези также не обязательно должны иметь одинаковую форму.

Далее следует описание модификации вышеописанного варианта осуществления изобретения.

Дисковая пила 20 согласно этому модифицированному варианту, как показано на фиг.7, выполнена так, что четыре зуба 22 расположены с равными интервалами, равными одному шагу, а зуб 23 смещен на 1,5 шага от них, и эта комбинация выступает наружу в радиальном направлении из множества положений на внешней периферии диска 21. Количество зубьев 22, расположенных с одинаковыми интервалами, может равняться трем или четырем, хотя наиболее предпочтительно - четыре зуба. Конфигурация прорези 24, образованной в диске 21, и виртуального участка (не показан) такие же, как и у прорези 14 и виртуального участка 13 предыдущего варианта осуществления.

Дисковая пила 20 согласно модифицированному варианту осуществления обеспечивает такой же эффект, что и предыдущий вариант, за счет наличия заданных прорезей 24, и было обнаружено, что наличие одного зуба 23 со смещенным шагом относительно множества зубьев 22, расположенных с одинаковым шагом, очень эффективно для резания металлических труб из стали и чугуна.

Далее приведено описание конкретных экспериментов с вышеописанным вариантом осуществления изобретения и его модификацией.

В качестве тестового образца были использованы тестовые образцы 1 согласно описанному варианту для резки алюминия и тестовые образцы 2 для резки стали/чугуна. Тестовые образцы 1 были дисковыми пилами трех типов по спецификациям ①-③ (наружный диаметр × толщина зуба × толщина диска × диаметр центрального отверстия × количество зубьев), имеющими вышеописанную структуру прорези как показано в таблице 1 ниже, при этом эти дисковые пилы имели шесть периферийных прорезей, проходящих на 10 мм от внешней периферии к центру вращения. Условия резания, т.е. частота вращения N и скорость подачи F, отличались для каждой из пил. Разрезаемым материалом был экструдированный алюминий А6063.

Тестовыми образцами 2 были дисковые пилы трех типов по спецификациям ①, ② (наружный диаметр × толщина зуба × толщина диска × диаметр центрального отверстия количество зубьев), имеющие вышеописанную структуру прорези, и без прорезей на внешней периферии. Для резания применялись одинаковые частота вращения N и подача F. Разрезались стальные трубы STKM13C, 15A и 15B.

Таблица 1 Тестовые образцы 1 (для алюминия)Тестовые образцы 2 (для труб)Положение в радиальном направлении 0,6˜0,80,7 радиуса до дна впадины между зубьями0,7 радиуса до дна впадины между зубьямиУгол перекрытия (0°˜12°)6,29°6,29°Отношение горизонтального и вертикального размера прорези (3-6)3,763,76Спецификации дисковых пил①Ф405×Т2,0×t1,5×Ф25,4×144Z ②Ф610×Т3,3×t2,7×Ф40×138Z ③Ф650×Т3,5×t3,0×Ф40×138Z
* во внешней периферии прорези 6 × 10 мм①Ф285×Т2,0×t1,75×Ф40×80Z ②Ф285×Т1,6×t1,5×Ф40×80Z
* Без прорезей во внешней периферииУсловия резания①N=4500 об/мин, F=5 м/мин
②N=3000 об/мин, F=5 м/мин
③N=2830 об/мин, F=5 м/мин① и ② N=130 об/мин, F=0,52 м/минДолговечность (по сравнению с обычной дисковой пилой) приблизительно 1,5 разаприблизительно 1,5 разаМатериал, подвергаемый резанию Алюминиевый профиль А6030STKM13C Ф20,38×t3 STKM15А Ф22,38×t2 STKM15 В Ф51,2×t3,1

Результаты экспериментов показывают, что долговечность тестовых образцов 1 и 2 увеличилась приблизительно в 1,5 раза по сравнению с обычной дисковой пилой, показанной на фиг.8. То есть результат получен благодаря повышению жесткости и критической частоты вращения тестовых образцов по сравнению с обычным изделием. Благодаря повышению критической частоты вращения вибрации, сопровождающие резание, подавлялись в большей степени по сравнению с обычным изделием, тем самым подавлялось генерирование шума и повышалась точность обработки поверхности разреза.

Хотя в вышеописанном примере дно впадины между зубьями было единообразным, оно может формироваться не единообразным, и в этом случае в качестве величины r используется максимальный радиус до дна впадины. Целью описанного варианта осуществления является подавление возникновения вибраций при сохранении жесткости и критической частоты вращения, определяя параметры прорези, выполняемой в дисковой пиле. Такое определение параметров прорези не ограничивается дисковой пилой и может применяться к другим дисковым вращающимся режущим инструментам, например дисковидным шлифовальным кругам, дисковым ножам для продольной резки и т.п.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение обеспечивает различные преимущества для конструкции дискового инструмента, поскольку определяет положение и полную форму прорези, образуемой в дисковом инструменте, тем самым позволяя повысить жесткость и критическую частоту вращения и подавить возникновение вибраций.

Изобретение относится к дисковому инструменту и может быть использовано при обработке различных материалов. Инструмент имеет множество виртуальных участков, образованных двумя радиальными линиями, выходящими из центра вращения диска, и двумя концентрическими окружностями на диске, проходящими вокруг центра вращения. Центральный угол, образованный двумя радиальными линиями, равен 90° или менее, а количество виртуальных участков составляет от 4 до 24. Концентрическая окружность, проходящая через центр интервала между двумя концентрическими окружностями, образующими виртуальный участок, расположена на 0,6r-0,8r от центра вращения диска, где r - максимальный радиус до дна впадины между зубьями. Угол перекрытия соседних виртуальных участков равен 0°-12°. Минимальное расстояние между смежными прорезями равно 0,05r или более. Отношение длины дуги центральной концентрической окружности к интервалу между двумя концентрическими окружностями виртуального участка составляет 3-6. Изобретение снижает уровень шума при обработке материала и повышает ее точность. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

1. Дисковый инструмент, в котором множество виртуальных участков, образованных двумя радиальными линиями, выходящими из центра вращения диска инструмента, и двумя концентрическими окружностями на диске, проходящими вокруг центра, распределены непрерывно в окружном направлении на диске, при этом в каждом виртуальном участке выполнена прорезь, контактирующая как с двумя радиальными участками, так и с двумя концентрическими окружностями, причем центральный угол, образованный двумя радиальными линиями, составляет 90° или менее; количество виртуальных участков составляет от 4 до 24; концентрическая окружность, проходящая через центр интервала между двумя концентрическими окружностями, образующими виртуальный участок, расположена на 0,6r-0,8r относительно центра вращения диска, когда максимальный радиус до дна впадины между зубьями составляет r; центральный угол перекрытия виртуальных участков, непрерывно примыкающих друг к другу вокруг центра вращения, составляет от 0° до 12°; минимальное расстояние между соседними прорезями составляет 0,05r или более; и отношение длины дуги центральной концентрической окружности в виртуальном участке к интервалу между двумя концентрическими окружностями в виртуальном участке составляет от 3 до 6.2. Дисковый инструмент по п.1, в котором множество виртуальных участков имеет одинаковую форму.3. Дисковый инструмент по п.2, в котором прорези, выполненные во множестве виртуальных участков, имеют одинаковую форму.