CN100335235C - 滚花加工工件的方法和滚花工件、用该工件模塑制品的方法 - Google Patents

滚花加工工件的方法和滚花工件、用该工件模塑制品的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于滚花加工工件的方法和装置，其中滚花图案包括至少两种不同结构的沟纹。该装置具有滚花轮支架，它可使滚花轮绕支架纵轴作角度转动，同时又使滚花轮与纵轴保持点接触。该装置还具有包含有至少两种不同结构的齿的滚花轮。本发明还揭示了一种用滚花加工成的工件模塑成模塑制品、以便将滚花图案的反图案传印在该模塑制品上的方法和所制成的模塑制品、一种用该模塑而成的制品形成结构磨料制品的方法和所制成的磨料制品。

Description

滚花加工工件的方法和滚花工件、用该工件模塑制品的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在工件上滚花加工具有两种或更多不同结构的沟槽的图案的方法和装置，以及用该滚花加工成的工件模塑成的制品。此类模塑成的制品可用于制造在基材上设有结构磨料涂层的磨料制品及其它多种用途。
发明的背景
已知有两种滚花加工法。滚花加工一般由称之为辊滚花或成形滚花的第一种滚花加工法来进行。成形滚花是通过用足够的力将滚花轮压在工件上以使工件外表面发生塑性变形而进行的。称之为切割滚花的第二种滚花加工法是通过使滚花轮相对工件来取向、以便滚花轮通过去除金属屑而在工件上切割图案来进行的。切割滚花支架和切割滚花轮可从德克萨斯州Houston的多里安工具国际公司(Dorian Tool International)买到。Zeus牌切割滚花工具可从宾夕法尼亚州Bath的伊格尔罗克技术国际有限公司(Eagle RockTechnologies Int’l Corp.)买到。
在成形滚花中，滚花轮的旋转轴线与圆柱形工件的旋转轴线相平行。因此，滚花轮上齿的螺旋角即构成了形成在辊上的沟纹的螺旋角。为了进行切割滚花，切割滚花轮的旋转轴线相对圆柱形工件的旋转轴线倾斜(“倾角”)以构成螺旋角并进行切割。由于滚花轮的边缘用作为切割工具，因此必须设置一后角。这可通过将滚花轮定位成：在滚花轮与工件表面的接触点处，滚花轮的齿形柱面与工件表面成3至10度角来实现。
在上述两种滚花加工工艺中，形成在工件上的结构系许多其横截面类似于滚花轮上的齿形的连续沟纹。这两种传统的滚花加工工艺通常传印(impart)由两组连续的沟纹相交而形成的一种以菱形为基础的图案，这两组连续沟纹相对圆柱形工件具有相对且相等的螺旋角(其中一个具有左手(“LH”)螺旋，而另一个则具有右手(“RH”)螺旋)。这两组沟纹相交而在工件的外表面上形成一种菱形图案。这些菱形沿着与圆柱形工件的纵轴相垂直的方向排列，所有的菱形体皆是相互一致的。另外，传统的滚花加工工艺还用于传印一种以矩形为基础的图案，其中诸矩形的方向被设置成它们的侧面与工件纵轴成45°。如同以菱形为基础的图案一样，以矩形为基础的图案也对准着与圆柱形工件的纵轴相垂直的方向排列；并且所有的以矩形为基础的棱锥体均是一致的。这些工艺通常用于将一种防滑图案传印在工具手柄、机器控制把手等上。
在市场上常见的切割滚花支架中，将滚花轮的倾角相对圆柱形工件的旋转轴线固定在±30°上。也可买到将滚花轮的倾角设定在±45°上的支架。还容易买到这样的滚花轮，它们的齿螺旋角相对滚花轮的旋转轴线成0°、15°RH、30°RH、15°LH和30°LH。倾角与齿螺旋角之和构成工件中的沟纹螺旋角。这些轮轴线倾角与滚花轮螺旋角的算术和的排列组合(permutation)可在圆柱形工件的表面上形成相对工件的旋转轴线成0°、15°、30°、45°、60°和75°RH或LH的沟纹螺旋角。倘若所需的工件表面上的沟纹螺旋角不是这些角的话，则必须制造出一种特殊的滚花轮和/或滚花支架。
1997年4月10日公布的WIPO国际专利申请公开号WO 97/12727——“对工件进行滚花加工用的方法和装置、用该工件模塑制品的方法和所制成的产品”(胡普曼(Hoopman)等人)揭示了一种用于滚花加工工件的方法和装置，其中两组相交的沟纹各具有大小不等且方向相反的螺旋角。由此而产生的滚花图案不是沿着工件的柱面方向进行排列的。胡普曼等人还揭示了一种用该滚花加工而成的工件模塑成模塑制品、以便将滚花图案的反图案传印在该模塑制品上的方法，以及一种用该模塑而成的制品形成结构磨料制品的方法。该结构磨料涂层含有磨粒和精密态的粘合剂，以及基材上模塑而成的立体磨料复合体。
在1992年10月6日授予Pieper等人的美国专利5,152,917号——“结构磨料制品”中描述了其它的结构磨料及其制造方法和装置。
在1995年3月23日公布的WIPO国际专利申请公开号WO 95/07797——“磨料制品、制造该制品的方法、使用成品的方法及生产工具”(胡普曼等人)中揭示了一种结构磨料制品，其中所有的磨料复合体均不相同。胡普曼等人在其他方面还给磨料复合体列中的磨料复合体提供了不同的尺寸形状。随着用金刚钻车削沟纹以留下与磨料复合体的所预定要求的确切形状相对应的抬升部分，可在所谓的金属母模、例如铝、铜、青铜、或塑料母模、诸如丙烯酸塑料的表面内形成磨料复合体的尺寸变化的形状的所需图案的拷贝，无论是金属母模或塑料母模的表面在形成沟纹之后均可镀上一层镍。于是，一般来讲，可用记载在美国专利5,152,917号(Pieper等人)中的方法从母模中形成柔性塑料生产工具。
结构磨料及其制造方法和装置的其它例子揭示在1995年7月25日授予Spurgeon等人的美国专利5,435,816号——“制造磨料制品的方法”中。在一实施例中，Sprugeon等人提出了一种制造具有粘合到基层上的精密间隔和取向的磨料复合体的磨料制品的方法。除了其它的工序之外，Sprugeon等人还提出了一种可根据如下工序制成的热塑生产工具。第一步要提供一种母模工具。该母模工具较佳地由金属制成，例如镍。该母模工具可由任何一种传统工艺制成，诸如蚀刻、铣削、滚花、电铸、金刚钻车削、激光加工等。该母模工具在其表面上应具有用于生产工具的反图案。可用母模工具对热塑材料进行模压以形成图案。尽管Sprugeon等人还简单地提及可用滚花加工来制造母模工具，但他们没有具体描述、图示或提出滚花加工母模工具的具体方法。
由此可见，需要一种可使滚花轮相对圆柱形工件的旋转轴线以所需角度固定的滚花装置和方法。另外，还需要提供一种可使工件上的滚花图案具有至少两种不同构造的沟纹结构的滚花装置和方法。
发明概述
本发明的一个方面在于提供一种滚花加工工件的方法，该工件具有一纵轴。该方法包括下列步骤：a)将第一组沟纹传印到一工件上，其中该第一组沟纹具有相对工件纵轴的第一螺旋角；其中第一组沟纹包括第一沟纹和第二沟纹，该第二沟纹的结构明显不同于第一沟纹；以及b)将第二组沟纹传印到工件上，其中该第二组沟纹具有相对纵轴的第二螺旋角。第二组沟纹与第一组沟纹相交，从而将一滚花图案传印到工件的外表面上。
在上述方法的一个较佳实施例中，第二组沟纹包括第三沟纹和第四沟纹，该第四沟纹的结构明显不同于第三沟纹。在该实施例的一较佳方案中，第三和第四沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底。第一和第二沟纹表面各自从工件的外表面延伸至沟纹底。第三沟纹的沟纹表面彼此夹有第三夹角，而第四沟纹的表面彼此夹有第四夹角，并且该第四夹角明显不同于第三夹角。在一较佳实施例中，第三和第四夹角相差至少3度。在另一较佳实施例中，第三和第四夹角相差至少10度。
在上述方法的另一个较佳实施例中，第一和第二沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底。第一和第二沟纹表面各自从工件的外表面延伸至沟纹底。第一沟纹的沟纹表面彼此夹有第三夹角，而第二沟纹的表面彼此夹有第二夹角。该第二夹角明显不同于第一夹角。在该实施例的一较佳方案中，第一和第二夹角相差至少3度。在该实施例的另一较佳方案中，第一和第二夹角相差至少10度。在该实施例的又一较佳方案中，沟纹底是形成于第一和第二沟纹表面交界处的一条线。
在上述方法的又一个较佳实施例中，第一组沟纹和第二组沟纹相交在工件的外表面上构成多个棱锥体。这些棱锥体各包括由第一沟纹形成的第一相对侧表面和由第二沟纹形成的第二相对侧表面。这些棱锥体包括第一棱锥体和第二棱锥体，该第二棱锥体的结构明显不同于第一棱锥体。在一较佳实施例中，在第一棱锥体的第一相对侧之间形成有第一角，而在第二棱锥体的第一相对表面之间形成有第二角，并且该第二角与第一角相差至少3度。在另一较佳实施例中，第二角与第一角相差至少10度。在又一较佳实施例中，该棱锥体为截头棱锥体。
在上述方法再一个较佳实施例中，图案绕工件的圆周是连续且不间断的。
在上述方法还有一个较佳实施例中，第一和第二螺旋角的大小明显不等。
本发明另一个方面在于提供一种根据上述方法所制成的滚花工件。
本发明又一个方面在于提供一种用刚才所述的滚花工件模塑成模塑制品的方法。该方法包括下列步骤：a)将一种可模塑材料施加到工件外表面上；b)在可模塑材料与工件接触的同时，向可模塑材料施加足够的力，以便将工件外表面上图案的反图案传印到与工件接触的可模塑材料的第一表面上去；以及c)将可模塑材料从工件上去除。
在再一个方面中，本发明提供一种用刚才所述的方法所制成的模塑制品。
本发明还提供一种具有滚花加工的圆柱形外表面的滚花工件。该滚花工件包括：具有纵轴和圆柱形外表面的一圆柱体，在该外表面上具有滚花图案。该滚花图案包括：具有相对工件纵轴的第一螺旋角的第一组沟纹。该第一组沟纹包括第一沟纹和第二沟纹，该第二沟纹的结构明显不同于第一沟纹。该滚花图案还包括第二组沟纹。该第二组沟纹具有相对纵轴的第二螺旋角。该第二组沟纹与第一组沟纹相交。
在上述滚花工件的一个较佳实施例中，第二组沟纹包括第三沟纹和第四沟纹，该第四沟纹的结构明显不同于第三沟纹。
在上述滚花工件的另一个较佳实施例中，第一和第二沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底。第一和第二沟纹表面各自从工件的外表面延伸至沟纹底。第一沟纹的沟纹表面彼此夹有第一夹角，第二沟纹的沟纹表面彼此夹有第二夹角，并且该第二夹角明显不同于第一夹角。在一较佳实施例中，第一和第二夹角相差至少3度。在另一较佳实施例中，第一和第二夹角相差至少10度。
在上述滚花工件的又一个较佳实施例中，第三和第四沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底。第一和第二沟纹表面各自从工件的外表面延伸至沟纹底。第三沟纹的沟纹表面彼此夹有第三夹角，第四沟纹的沟纹表面彼此夹有第四夹角，并且该第四夹角明显不同于第三夹角。在一较佳实施例中，第三和第四夹角相差至少3度。在另一较佳实施例中，第三和第四夹角相差至少10度。
在上述滚花工件再一个较佳实施例中，沟纹底是形成于第一和第二沟纹表面交界处的一条线。
在上述滚花工件还有一个较佳实施例中，第一组沟纹和第二组沟纹相交在工件外表面上构成多个棱锥体。这些棱锥体各包括由第一沟纹形成的第一相对侧表面和由第二沟纹形成的第二相对侧表面。这些棱锥体包括第一棱锥体和第二棱锥体，该第二棱锥体的结构明显不同于第一棱锥体。在该实施例的一种方案中，在第一棱锥体的第一相对侧之间形成有第一角，而在第二棱锥体的第一相对表面之间形成有第二角，并且该第二角与第一角相差至少3度。在一实施例中，该第二角与第一角相差至少10度。
在上述滚花工件另外一个较佳实施例中，该棱锥体为截头棱锥体。
在上述滚花工件再有一个较佳实施例中，图案绕工件的圆周是连续且不间断的。
本发明还有一个方面在于提供一种用上述滚花工件模塑成模塑制品的方法。该方法包括下列步骤：a)将一种可模塑材料施加到滚花工件的外表面上；b)在可模塑材料与滚花工件接触的同时，向可模塑材料施加足够的力，以便将滚花工件外表面上图案的反图案传印到与滚花工件相接触的可模塑材料的第一表面上去；以及c)将可模塑材料从滚花工件上去除。
本发明另外一个方面在于提供一种用刚才所述的方法所制成的模塑制品。
本发明再有一个方面在于提供一种用于支持切割滚花轮的装置。该装置包括：一主支撑体；具有第一端、第二端和纵轴的一轴，其中该轴可绕纵轴转动地安装在主体内；位于轴的第二端上的一滚花轮座(mount)；以及可绕滚花轮轴线转动地安装在滚花轮座上的一滚花轮，该滚花轮在其外周上具有多个齿。滚花轮轴线与轴的纵轴相交于钝角。滚花轮绕滚花轮轴线的转动构成一远点、即从轴的第一端到其第二端的方向上的最远位置，滚花齿经过该位置。远点位于轴的纵轴上。滚花轮座和滚花轮被构成为：在轴绕纵轴转动期间，远点保持在轴的纵轴上。在一较佳实施例中，轴的纵轴和滚花轮轴线相交于80至87度角。
本发明又有一个方面在于提供一种滚花轮。该滚花轮包括：具有第一和第二主相对表面以及介于该第一和第二主表面之间的一外周表面的一本体；以及位于该外周表面上的多个齿。这些齿包括第一齿和第二齿，该第二齿的结构明显不同于第一齿。
在上述滚花轮的一个较佳实施例中，第一齿包括从外周表面延伸的第一和第二侧，在该第一和第二侧之间形成第一夹角。第二齿包括从外周表面延伸的第三和第四侧，并在其间形成第二夹角，该第二角明显不同于第一角。在一较佳实施例中，第二角与第一角相差至少3度。在另一较佳实施例中，第二角与第一角相差至少10度。
在上述滚花轮的另一个较佳实施例中，这些齿各自具有明显不同的结构。
在上述滚花轮的又一个较佳实施例中，这些齿各包括从外周表面延伸的第一侧和第二侧。在其中一个齿的相应的第一边与相邻齿的相应的第二边之间形成一夹角，从而在诸对相邻齿之间构成多个夹角。这些夹角中的第一个夹角明显不同于这些夹角中的第二个夹角。在一较佳实施例中，该第一夹角与第二夹角相差至少3度。在另一较佳实施例中，该第一夹角与第二夹角相差至少10度。在又一较佳实施例中，这些夹角是明显不同的。
附图简介
以下结合附图对本发明作更进一步地介绍，其中几个图中相同的结构由相同的标号来表示，在这些图中：
图1是本发明滚花工具支架的一较佳实施例的正视图；
图2是从图1所示的滚花工具支架上拆下的本发明滚花座的侧视图；
图3是沿图2中滚花座的方向3-3所得到的前视图；
图4是沿图2中滚花座的方向4-4所得到的顶部俯视图；
图5是图2中的滚花座沿线5-5所剖切的剖视图；
图6是与图5类似的图，示出了在滚花座上安装与一圆柱形工件相接触的滚花轮12；
图7是沿图6中滚花轮和工件的方向7-7所得到的视图，其中为清楚起见拆除了滚花座；
图8是与图6类似的图，示出了以另一种取向与工件相接触的滚花轮，其中为清楚起见拆除了滚花座；
图9是沿图8中的滚花轮和工件的方向9-9所得到的视图；
图10是与图8类似的图，示出了以又一种取向与工件相接触的滚花轮；
图11是沿图10中的滚花轮和工件的方向11-11所得到的视图；
图12是沿图1中工具支架的旋转驱动组件部分的方向12-12所得到的后视图；
图13是沿图12中的旋转驱动组件的方向13-13所得到的侧视图；
图14是本发明滚花轮的一实施例的局部正视图；
图14A是本发明滚花轮的另一实施例的局部正视图；
图15是图14中的滚花轮沿线15-15剖切的局部剖视图；
图16是本发明用于滚花加工一工件的方法的第一步骤的局部示意顶视图；
图17是与图15类似的图，示出了本发明该方法的第二步骤；
图18是用本发明的装置和方法传印到工件上的图案的俯视图；
图19A是图18中的工件沿线19A-19A剖切的剖视图；
图19B是图18中的工件沿线19B-19B剖切的剖视图；
图20是用于制成本发明生产工具的装置和方法的局部示意图；
图21是图20所示生产工具的俯视图；
图22是用本发明生产工具制取磨料制品的装置和方法的局部示意图；
图23是与图22类似的图，示出了装置和方法的另一实施例；
图24是根据本发明制得的一种磨料制品的俯视图；以及
图25是图24中的磨料制品沿线25-25剖切的剖视图。
发明的详述
本发明提供了一种滚花工具支架，该支架以一规定的后角安装一滚花轮，并通过将该滚花轮绕支架轴线“A”转动来无限调节滚花轮的角度取向：1)与滚花轮的接触点和圆柱形工件表面相交；2)与圆柱形工件的纵轴相交；以及3)与工件的纵轴相垂直。后角β与介于滚花轮的旋转轴线C与支架轴线A之间的角α的余角相等(即，β＝90-α)。当工具支架将滚花轮绕工具支架轴线转动时，事实上后角、工件上的切割深度或轴向位置均未发生变化。而只有所形成的沟纹结构的螺旋角发生变化。这样就可用一种直齿刀具(即，诸齿均与滚花轮的旋转轴线相平行)来切割15°至165°螺旋角的沟纹结构(0°时与圆柱形工件的轴线36相平行，而90°时则与工件的轴线相垂直，从而形成平行圆周沟纹结构)。当螺旋角低于15°接近0°时，工件和滚花轮的相对切割速度接近于单纯的滚动、或者成形、啮合，而不会提供充分的切割成果。因此，对于15°至0°螺旋角的沟纹结构而言，最好采用一种具有负30°螺旋齿的、并将支架定位成与滚动轴线成45°至30°角的滚花轮。所形成的结构的螺旋角系支架角和滚花轮齿角的算术和(即，45°-30°＝15°，37.8°-30°＝7.8°，30°-30°＝0°等)。对于165°至180°螺旋角可采用类似的安排。
滚花工具支架
图1中示出了一种其上安装有一滚花轮12的滚花工具支架10的一较佳实施例。该工具支架10包括滚花工具座14、主轴40和旋转驱动组件50。驱动组件50的运作可使延伸穿过主轴40的轴41转动，从而将滚花座14转动到所需的角度取向上，这在下文将作更详细地介绍。主轴40、工具座14和滚花轮12的大小和结构均被做成为：滚花轮绕轴线A转动，以使滚花轮12上的最前点“X”绕轴线A转动而同时又保持在轴线A上。滚花轮上的点X还延伸超出滚花座14的前表面19。此外，工具支架10相对工件30保持在位，以使工具支架的轴线A与工件的纵轴36相交并垂直。
主轴40的一个适当的实施例为可从威斯康星州Grafton的Russell T.吉尔曼(Gilman)公司买到的一种“吉尔曼”型40008-X3M-30的主轴。应当理解的是，任何具有足够的强度和精度、并可装配上一滚花安装架的主轴均是适用的。在主轴40内可转动地安装有一轴41。该轴41的旋转轴线即构成了工具支架10的轴线A。驱动组件50可操作地连接至轴41的第一端42，而滚花座14则安装在该轴的第二端43上。
图2-5示出了从支架10上拆下的滚花座14，其中已将滚花轮从滚花座14上拆除。滚花座14的一较佳实施例由可从密歇根州Troy的Valenite公司买到的标准坯料(blank)编号为73的一NMTB锥形适配器(adapter)所制成。滚花座14包括后部15、中央锥形部16和前部17。锥形部16装配到位于轴41的第二端43上的一形状相同的腔内，以有助于将使滚花座14相对于轴41定中心设置。这样，滚花座14的纵轴20即与工具支架10的旋转轴线A相重合。在滚花座前部17的背面18上设有一键槽21，该键槽与安装在轴41的第二端43上的一键销44相配合，以此确定滚花座14相对于轴41的旋转或角度取向。从图5中可以清楚地看到，轴安装螺孔29延伸到工具座的后部15中，用以与延伸穿过轴41的一相应的螺栓45相连接。如图1和图13所示，螺栓45可与滚花座14相啮合。然后拧紧锁定螺母47，以便牵拉滚花座14使其与轴41的第二端43相啮合。
从图3和图4中可以清楚地看到，滚花座14的前部17具有滚花轮容纳腔23。该腔23由后壁24、第一和第二侧壁25、26和安装表面27所构成。在前部17的侧壁25、26内可有选择地设有用于观察安装在腔23内的滚花轮12、且用于在滚花加工过程中注入去除碎屑用的冷却液的孔22。
从图4中可以看到，安装表面27的方向被设置成：安装表面的法向轴线C与滚花座14的轴线20是不垂直的。在安装表面27中具有由圆筒形肩部27a所环绕的滚花安装螺孔28。滚花轮轮轴74插入在肩部27a内。轮轴74具有完全装配在肩部27a内的第一段78和搁置在安装表面27上的第二段76。轮轴还具有其上安装有滚花轮12的轴77。安装孔28、圆筒形肩部27a和轴77是沿着安装表面27的法向轴线C取向的。该法向轴线C与滚花座14的纵轴20相交。当滚花轮12安装在滚花座14中时，法向轴线C即构成了该滚花轮的旋转轴线。法向轴线C相对滚花支架14的纵轴20以角α取向。可根据要所使用的滚花轮12来选择该角度α，以提供所需的后角β，其中β＝90-α。已发现数值为80°至87°的角α是较适宜的，其中对于某些滚花图案而言85°是较佳的。
图6示出了在轴77上安装了滚花轮12后的图5所示的滚花座14。帽盖70装配在滚花轮12的顶部，螺钉72则穿过帽盖70和轴77进行装配，并啮合在位于滚花座14的安装表面27内的安装孔28之中。滚花轮12因而绕轴线C转动。安装表面27相对滚花座纵轴20定位成：滚花轮12的最前部X位于纵轴20上，且延伸超出滚花座14的前表面18。于是，可以看到，滚花轮12的直径、沿轴线C的厚度、轮轴74的第一和第二段76、78的厚度、安装表面27相对轴线20的位置以及角α的角度大小均必须在选择一种将滚花轮12的最前部X设置在轴线20上的构造中加以考虑。
图4-7皆示出了其方向被设置成使滚花轮的旋转轴线C和滚花座纵轴20均位于垂直于工件30的纵轴36的一平面内的滚花座14。介于工件轴线36与轴线C和轴线20的平面之间的角θ在该取向时等于90°。当圆柱形工件30的纵轴36被设置成水平态时，刚才所述的滚花轮的取向就会将轮轴线C和纵轴20放到一垂直平面内。图7-11示出了滚花轮12相对工件30的取向，其中为清楚起见已拆除了滚花座14。在图8和图9中，工具支架10已被调整到将滚花轮12的方向设置成使由轮轴线C和滚花座纵轴20所确定的平面相对于工件轴线36成一钝角θ。在图10和图11中，工具支架10已被调整到将滚花轮12的方向设置成使轴线C和轴线20位于相对于工件轴线36成一锐角θ的一平面内。
图1、12和13示出了旋转驱动组件50。安装板51由螺栓62和垫圈64固定在主轴40的后表面上。轴套46已安装在轴41的第一端42上。该轴套46包括固定在轴41的第一端42上的一环部46a和自该环部向后延伸的一圆柱形空心部46b。在轴套的环部46a与板51之间设有一时钟弹簧(clockspring)48，以使轴41朝一个方向偏置，从而有助于消除后冲。
齿轮52装配在轴套46的圆柱形部分46b的上方、接近轴套46的环部46a，并固定在该环部46a上，从而使得该齿轮的转动可使轴套46和轴41转动。齿轮52具有许多向外延伸的齿。安装架54通过例如焊接固定于安装板51的顶部，并支承蜗轮53。在该蜗轮53的一端上，无螺纹轴部53a固定在手柄55上，以便人工转动该蜗轮。蜗轮53的无螺纹部分53a可转动地固定于贯穿安装架54的后向延伸部分54a的孔内。蜗轮53与齿轮52上的齿相啮合，从而使得手柄55的转动可使齿轮转动，由此转动轴41、滚花座14和滚花轮12。
一旋转标准刻度59固设于齿轮52的后向表面上。一配合固定位置的标准刻度60(为清楚起见已从图1上去除)固设于安装板51上，该刻度接近旋转标准刻度59。较佳地，这种配置为设有6分弧度的微调刻度的、可读的360°刻度。
一制动器架56借助例如焊接固定于安装板51的侧部。该制动器架的板部56a向后延伸至齿轮52的前向表面。该制动器架的第一臂部56b向后延伸超出齿轮52。该制动器架的第二臂部56c延伸于齿轮52的后向表面的前方并重叠在该表面上。定位螺钉58安装在位于制动器架的第二臂部56c末端的一螺孔内。一制动件57由例如螺栓和垫圈68安装在制动器架56上。该制动件包括向后延伸超出齿轮的第一部分57a和自第一部分57a延伸、接近齿轮52的后向表面并重叠在该表面上的悬臂部分57b。该悬臂57b被设置成使其自由端位于定位螺钉58与齿轮52的后向表面之间。当拧松定位螺钉且使其脱离悬臂时，手柄55和蜗轮53的转动将使齿轮52转动，从而转动轴41。当轴处于所需的转动取向时，可拧紧定位螺钉58，以使悬臂57b紧靠在齿轮面上，从而使轴41发生无意中转动的机会减至最少。
螺栓45延伸穿过轴41而与滚花座14内的螺孔29相啮合。在已将该螺栓45拧入到滚花座中之后，拧紧锁定螺母47，以便将螺栓和滚花座向后牵拉，从而使滚花座14牢牢地固定在轴41的第二端43内。
刚才的所述的、人工旋转驱动组件50的较佳实施例也可为任何适当的人工或自动定位配置。例如，旋转驱动组件50可为一种马达驱动的、高精度计算机控制定位系统。另外，可从市场上买到的旋转读数器(indexingheads)同样适用于滚花工具支架。
滚花工具
上述滚花工具支架可较有利地与包括传统的、可从市场上买到的诸切割滚花轮在内的任何适当的滚花轮12一起使用。
图14和图15示出了一种切割滚花轮工具12的一实施例。滚花轮12沿其外工作表面具有许多齿44。每一个齿44具有齿脊48和第一及第二侧表面52。在每一对相邻齿44之间设有由分别来自该对相邻齿44的侧表面52为界的齿谷50。各滚花轮12还具有主对置表面42(图中仅示出其一)。在齿44的侧表面52与主表面42交会的地方形成有边46。为了进行切割滚花，滚花轮的主表面42最好具有一凹陷。该凹陷在图中被示作为绕滚花轮12的整个圆周延伸的一弧形表面。当滚花轮与工件外表面相接触时，该凹陷提供了一改进的前角。或者，凹陷可呈平坦状或任何其它的结构，以便提供零或正的前角。该凹陷较佳地沿着一个方向延伸至齿脊48，并且自齿脊48向内延伸足够的距离、较佳地至少远至齿谷50，以便改善边46和主表面42的切割特性。正前角较零或负前角而言可提供更有效的切割，并且还减小了工件的毛刺量。
本文所描述的本发明的滚花工具支架10尤其适于与在一单个滚花轮内具有不同结构的齿的滚花轮一起使用。滚花工具支架10可使滚花轮12设置在无限变化的角度上，同时又使滚花轮的最前点保持在同一位置上。这样就能采用在一单个滚花轮上具有多种齿结构的滚花轮12。齿结构的变化可为齿高、齿宽、齿形、相邻齿间距、不对称齿的使用或任何其它所需参数中的变化。
齿结构绕滚花轮的圆周可完全多样化，即没有两个齿是相同的。或者，由有着不同结构的许多齿所构成的一定“序列”可绕滚花轮的圆周重复整数次“N”。倘若将位于此类各重复序列的起始处的齿称之为“齿1”，并将工件上由该齿切割的沟纹称之为“沟纹1”的话，可看到，只要在滚花加工过程中“齿1”始终进入“沟纹1”，则将形成与齿结构相对应的多种结构的沟纹的清晰图案。
如图14A所示的一种较佳的滚花轮通过以不同的角度γ1、γ2、γ3、…γN来切割滚花轮12上的齿44之间的齿谷50来改变其齿结构。较佳地，其中至少一部分的齿44是不对称的。例如，形成于相邻的90°与70°齿谷之间的轮齿是不对称的。形成于位于沟纹之间的工件上的齿脊的峰角大致等于介于滚花轮上的齿之间的“谷”角γ。
虽然本文图示的滚花齿44形成有齿脊48和齿谷50，但是本发明可有利地采用具有其它轮廓的滚花齿。例如，齿脊48或齿谷50可具有平面、圆形面或其它轮廓，而在齿脊48和齿谷50处不单单是一条线或边。此外，齿侧表面52可为曲面或其它轮廓，而不只是平面。虽然某些结构在一定的条件下可用于形成滚花，但这些替代的齿结构更适用于切割滚花而非形成滚花。
滚花轮应当由其强度足以抵抗使用过程中的切削与折断、并在使用过程中保持足够锋利的切割边的材料制成。滚花轮较适宜地由工具钢和具有改进的耐磨性的碳化钨(硬质合金)制成。可使用诸如TiN、TiCN和CrN之类的耐磨涂层。
实例1
滚花轮12的一实例如下制成。采用传统的电线(wire)EDM(放电加工)工艺在原始直径为3.2334厘米(1.273英寸)的一圆形轮上切割出多个三角齿。用于切割诸齿的电线直径为30微米(0.0012英寸)。这些齿处于变化的齿尺寸的伪随机(pseudo-random)序列中。该序列每经过轮的四分之一(90°)就重复一次，即该图案绕整个轮重复四次。该滚花轮由CD-636型碳化钨制成。
下表概括出了齿的伪随机图案的细节。该图案由四十四个齿组成，从齿根至齿顶径向测得每一个齿的齿高为0.0356厘米(0.014英寸)。齿的结构由切割在滚花轮中的“齿谷”的角度和宽度来确定。表中所提到的“角度”是指通过电线EDM切割到轮中的齿谷的角度。表中所提到的“宽度”是指在相应的各齿中心部位所测得的相邻齿之间的齿顶至齿顶的圆周距离。
表1
  齿谷序号   角度   宽度微米(英寸)   齿谷序号   角度   宽度微米(英寸)
  1   90   71.628(0.0282)   23   70   51.054(0.0201)
  2   70   51.054(0.0201)   24   60   42.672(0.0168)
  3   80   60.706(0.0239)   25   70   51.054(0.0201)
  4   70   51.054(0.0201)   26   80   60.706(0.0239)
  5   90   71.628(0.0282)   27   60   42.672(0.0168)
  6   70   51.054(0.0201)   28   70   51.054(0.0201)
  7   80   60.706(0.0239)   29   60   42.672(0.0168)
  8   90   71.628(0.0282)   30   80   60.706(0.0239)
  9   70   51.054(0.0201)   31   60   42.672(0.0168)
  10   90   71.628(0.0282)   32   80   60.706(0.0239)
  11   70   51.054(0.0201)   33   70   51.054(0.0201)
  12   80   60.706(0.0239)   34   90   71.628(0.0282)
  13   60   42.672(0.0168)   35   70   51.054(0.0201)
  14   80   60.706(0.0239)   36   90   71.628(0.0282)
  15   60   42.672(0.0168)   37   80   60.706(0.0239)
  16   70   51.054(0.0201)   38   70   51.054(0.0201)
17 60 42.672(0.0168) 39 90 71.628(0.0282)
  18   80   60.706(0.0239)   40   70   51.054(0.0201)
  19   70   51.054(0.0201)   41   80   60.706(0.0239)
  20   60   42.672(0.0168)   42   70   51.054(0.0201)
  21   70   51.054(0.0201)   43   90   71.628(0.0282)
  22   80   60.706(0.0239)   44   90   71.628(0.0282)
实例1的滚花轮齿有较多是不对称的。例如，形成在相邻的90°与70°齿谷之间的轮齿在90°沟纹侧的半角为43.73°，而在70°沟纹侧的半角为34.10°(由于滚花轮曲率的缘故，这些半角不是简单地分别为45°和35°)。形成于位于沟纹之间的工件上的齿脊的峰角大致等于介于滚花轮上的齿之间的“谷”角。
滚花加工的方法
图16和图17示出了一种较佳的滚花加工一工件的方法，其中已拆除了工具支架10，以便清楚地示出滚花轮12相对于工件30的位置。图16和图17均为工件30和滚花轮12的顶部俯视图。最先切割具有峰顶39的第一组沟纹38。将工具支架10设置成使由滚花轮轴线C和滚花座轴线20所限定的平面以钝角θ取向。该工具支架被定位成使轴线A与工件纵轴36相交并垂直。切割用滚花轮12与工件表面34相接触，并随着工件沿图示方向旋转、且滚花轮沿图示方向横移而在工件表面上切割所需的深度。该第一组沟纹38将具有第一螺旋角θ1，并且相应沟纹的横截面通常将与介于滚花轮上的齿44之间的齿谷形状相对应。
然后，使车床停转，并将工具支架设置成使由轴线C与轴线20所限定的平面相对于工件轴线36以锐角θ取向。切割用滚花轮12与工件表面34相接触，并随着工件沿图示方向旋转、且滚花轮沿图示方向横移而在工作表面上切割所需的深度。具有峰顶39’的第二组沟纹38’将具有与θ1相反的第二螺旋角θ2。相应沟纹的横截面通常将与介于滚花轮上的齿44之间的齿谷形状相对应。于是，第一组沟纹与第二组沟纹相交将形成多个棱锥体。
螺旋角θ1和θ2可大小相等且方向相反，在这种情况下，棱锥体图案沿工件的圆周方向对齐。或者，螺旋角θ1和θ2可具有不同的大小和相反的符号，在这种情况下，棱锥体图案沿工件的圆周方向不对齐。关于如何选择θ1和θ2以提供所需的棱锥体图案的取向的进一步细节可从1997年4月10日公布的WIPO国际专利申请公开号WO 97/12727——“对工件进行滚花加工用的方法和装置、用该工件模塑制品的方法和所制成的产品”(胡普曼等人)中获知。
如有必要，也可在现存的沟纹中反复地修整(clean up)切口，以便提供附加的切割深度、或修整沟纹轮廓。
在具备本文中所述的滚花工具支架10的情况下，通过调节螺旋角可使滚花齿的顺序与工件上所形成的结构同步。例如，可能需要用直径为“d”的滚花轮12来滚花加工直径为“D”的工件30，其中该滚花轮具有绕其圆周重复“N”次的变化的齿成形序列。倘若用支架10将滚花轮12设置成使滚花轮的旋转轴线C与工件纵轴36成90°，则工件不会将转动传递给滚花轮。随着支架10沿工件表面作轴向移动，圆周沟纹图案将由以轴向距离来重复的齿的序列来形成，该轴向距离为：
(π×d)÷N。
当滚花轮12的轴线C与工件轴线36平行或成0°时，滚花轮12由转速为工件转速的D/d倍的纯转动中的滚动来驱动。在0°与90°滚花轴线位置之间存在着各种角度位置θ，该角度位置θ能使下式：
(D×N×Cosine(θ))÷d
的值为一整数。在这些理论位置附近，滚花轮序列将适当地重复排列该整数次，以使其中一个齿序列中的齿1与正形成在工件表面中的沟纹序列中的沟纹1相对齐。
表2表示的是提供所需的齿序列的重复数量的θ的值。这是为直径为8.0545英寸的工件、直径为1.272英寸的滚花轮以及其齿序列分别重复一次、两次和四次的滚花轮计算得到的。
表2
  轮A一序列   轮B二序列   轮C四序列
  重复次数   角度θ   重复次数   角度θ   重复次数   角度θ
  6   18.51   12   18.51   25   8.96
  5   37.79   11   29.63   24   18.51
  4   50.79   10   37.79   23   24.66
  3   61.70   9   44.67   22   29.63
  2   71.57   8   50.79   21   33.93
  1   80.91   7   56.42   20   37.79
  6   61.70   19   41.35
  5   66.73   18   44.67
  4   71.57   17   47.80
  3   76.29   16   50.79
  2   80.91   15   53.65
  1   85.47   14   56.42
  13   59.09
  12   61.70
  11   64.24
  10   66.73
  9   69.17
  8   71.57
  7   73.94
  6   76.29
  5   78.61
  4   80.91
  3   83.19
  2   85.47
  1   87.74
图18中示出了用刚才所述的方法和装置所形成的滚花图案。该滚花图案包括多个从工件30突出的棱锥体60。该棱锥体各具有峰顶62、从峰顶伸出的侧边64、基边68和由侧边与基边为界的侧表面66。图19A和19B中示出了棱锥体60的横截面。从图18和图19A中可以看到，第一组沟纹38具有沟纹侧66a。从图18和图19B中可以看到，第二组沟纹38’具有沟纹侧66b。这两组沟纹相交就形成了棱锥体60。每一个棱锥体具有由相邻的第一沟纹所形成的一对相对侧66a和由相邻的第二沟纹所形成的一对相对侧66b。可以看到，对于较小的后角β而言，保留在由滚花齿41切割而成的相交沟纹之间的棱锥体的角γN将大致等于介于滚花齿之间的谷角γN。
本文中所示的滚花图案具有通过峰顶39和39’的相交所形成的峰点62。当切割轮齿44的整个齿深都与工件相接触，即使工件与从齿脊48到齿谷50的整段边46相接触，就可形成该峰点。用本发明还可获得其它图案。例如，若使滚花齿44仅以它们的部分深度与工件相接触，就可获得一种截头棱锥体，这种棱锥体具有平顶而并非点状峰顶62。通过使齿44与部分深度相接触，边46将不会接触到齿谷50的整个范围。这样可使工件30的部分外表面34保留其原有的未滚花状态，从而向棱锥体60提供截头顶。采用在齿44之间具有平或弯曲齿谷50、或者在48处为边脊之外的平的或其它结构的齿44也可获得截头棱锥体。
根据下个实例将描述本发明滚花加工工件的一种较佳的方法。
实例2
使工件、即直径为20.32厘米(8英寸)且长度为91.4厘米(36英寸)的一钢辊镀上具有210至230维氏硬度的0.127厘米(0.050英寸)的铜。将该辊安装在络奇(Lodge)&希普利(Shipley)车床内，并将其直径加工成20.562±0.0005厘米(8.0952±0.0002英寸)。接着，在工件末端的表面内切割0.2794毫米(0.0110英寸)深、3.81厘米(1.5英寸)宽的台肩，其中形成与辊的外径成1∶10的斜坡。
根据上述较佳实施例来进行描述的一种滚花工具支架10安装在车床的横向滑座上。该工具支架10的轴线A与工件纵轴36相交且垂直。具有轴线C、且用于以85°的角α来安装滚花轮的一滚花座14安装在轴41的第二侧43上。一刻度盘指示器用于将由滚花轮轴线C和滚花座轴线20所限定的平面垂直设置。这样取向时，在微调刻度59、60上读到的角度为280°36’。在其余的描述中，该取向将被定为θ角90度。倘若调节工具支架10，以便将滚花座14顺时针(从工具支架10面向工件的后侧进行观察)转动90度，则由轴线C和轴线20所限定的平面呈水平，此时微调读数将为190°36’。在其余的论述中，该取向将被定为θ角零度。从工具支架10面向工件的后侧进行观察，正角度是沿逆时针方向的。
将实例1的滚花轮12安装在滚花座14内。位于四个齿序列各末端处的三个接近90°的齿谷提供了指示滚花轮转动的方法。通过在滚花轮上施加一小墨点、用以给位于环绕圆周的四个序列的各序列中的三个90°齿谷的中间那个齿谷的位置作记号，可使序列的定位变得更为方便。
必须调节工具支架10的角度取向，并由此调节滚花轮的旋转轴线C的角度位置，以便绕辊的圆周在滚花轮12内提供整数次的重复、即每四分之一个圆周提供一个44齿序列。要获得配合在轮上的“齿1”与辊表面上的“沟纹1”之间的精确图案所需的角θ是在以下迭代过程中确定的。由于滚花轮12的周长为10.16厘米(4.0英寸)，因此一个序列的圆周长度应为2.54厘米(1.0英寸)。
第一切割方向用来绕辊的圆周形成44齿序列的二十一次重复，其中齿高0.036厘米(0.014英寸)。该齿的切割深度为0.033厘米(0.013英寸)。因此，齿顶所处的辊直径D应为：
20.562-(2×0.033)＝20.492厘米
(8.095-(2×0.013)＝8.069英寸)。
在所需的切割深度处沿辊面的圆周方向所测得的、用以沿圆周提供21次重复的序列长度为：
(8.069π)/21＝1.207英寸。
通过使滚花轮的角度相对正被切割的辊面的轴线发生变化来调节该重复长度。倘若滚花轮被留在θ角零度上时(轴线C与辊的轴线相平行)，则滚花轮将图案压印在辊面之中，与滚花轮的图案相同。此时滚花轮12上的一个序列的重复的圆周长度为1.0英寸。倘若滚花轮的轴线C被设置在90°角θ上，则滚花轮将不再转动，因而重复距离为无穷大。对于平行于辊的纵轴从车床尾座移向头座的滚花轮而言，用以形成两者中间的重复距离所需的滚花轮角θ可由：
θ＝sin-1(K/R)+90°
来估算。其中，K是指滚花轮的重复距离，而R则是指辊面圆周的重复距离。这里，当K＝1.0英寸且R＝1.207英寸时，θ＝145°56’。因此，可将工具支架调整成使切割轮的轴线C处于θ＝145°56’上。
然后，滚花轮12从先前切割在辊面尾座端上的台肩的外侧边缘移动大约0.3175厘米(1/8”)。将车床刀架的进给速度设定为0.0635厘米/转(0.00258英寸/转)，并使其达到该进给速度。用手转动工件，直到刀架实际开始朝着头座进给为止。在车床停转的情况下，用手缓慢地推进横向滑座，直到滚花轮接触到工件表面为止，然后再推进附加的0.0051厘米(0.002英寸)。
工件旋转不到一周就在工件表面内切割出了一排0.0051厘米(0.002英寸)深的沟纹。可用一手持的四倍放大镜用肉眼来检查沟纹图案。为了确定44齿序列的起始处和终止处，用支铅笔在工件上三条相邻且等间隔的沟纹(由滚花轮内与三个90°齿谷相对应的三个相邻的齿所形成的)之中的中间一条沟纹上作上记号。在三个连续的齿序列中重复此步骤。接着，用一粗斜(tipped)记号将沟纹序列被作上记号的区域内的沟纹排涂黑。继而，用手将工件转过附加的360°，以便沿圆周方向重叠地切割第二排沟纹，只是距离第一排沟纹的左侧0.0064厘米(0.0025”)。用支铅笔在位于第二排沟纹上的、由三个90°齿谷所形成的图案上作上记号。由于第二组沟纹是新切割且未被涂黑的，因而易于区别出该第二组沟纹。比较第一和第二排沟纹上的记号位置可以看到，沟纹序列太长、长了约两条沟纹，而未能得出一种图案配合。
滚花轮退离工件，并且已移动大约0.3175厘米(1/8”)的刀架途经先前切割的区域到达工件的原始区域。使工具角θ增大0°12’，并重复上述过程。观察到沟纹图案约仍然太长、长了约为一条沟纹。使工具支架角θ再另外增大0°12’，并重复上述过程。观察到沟纹图案对于图案配合而言又短了约3/4条沟纹。
将车床转速设定为100转/分(rpm)，并施以动力。在进给大约0.6350厘米(1/4”)之后使车床停转，但不停止刀架进给。切割区域的检查清楚地显示出四分之一个滚花轮的44齿序列的精确的二十一次重复的切割沟纹。重新起动车床，并使其继续切割直到其进给大约0.6350厘米(1/4”)而途经台肩区域的斜坡为止。在使车床停转之后，用筒式显微镜检查沟纹结构后显示：介于沟纹之间的脊顶上不存在平面即表示该切割是在整个深度上进行的。在再次停止之前再继续横穿辊面另外切割大约2.54厘米(1英寸)。
尽管削掉了两个消失的齿面，但沟纹结构看起来依然完好。奇数次重复(二十一次)意味着滚花轮内四个重复序列的各个序列中相对应的齿共同切割一条沟纹。也就是说，工件表面内各特定的“沟纹1”依次由来自四个重复滚花轮序列的“齿1”接合。这样有助于克服由于齿的消失或折断而造成的任何缺陷。
重新起动车床，并使其继续切割到距离辊头座端上的台肩大约1.27厘米(1/2”)处为止。辊上的沟纹结构依然完好。此时，滚花轮共有二十二个齿被损坏，但观察到只有两个齿早在彻底消失之前已被削断。尾座端处的平均沟深为0.0318厘米(0.0126英寸)。辊中间和头座端处的平均沟深为0.0315厘米(0.0124英寸)，这表示仅仅存在少量的滚花轮磨损。现在，工件表面具有第一组平行沟纹38，其中脊39沿第一螺旋角θ1取向，如图16所示。
拆下滚花座14，拆除滚花轮12并将其以使相对的主表面正向放置以暴露出一新的切割表面的方式重新插入，然后再重新安装滚花座。当由滚花轴线C与滚花座轴线20所限定的平面垂直时，此时微调角的读数为280°48’，这表示所定义的零工具角已调至190°48’的微调读数。此时，该微调读数将被定为θ角0°。
通过从头座端开始在辊面内切割44齿序列的十五次重复的图案来形成具有沿着与θ1反向的第二螺旋角θ2取向的脊39’的第二组沟纹38’。沿工件的圆周方向分布的十五个序列的重复距离为：
(8.069π)/15＝1.690英寸。
对于从头座移向尾座的滚花轮而言，其轴向角θ由下式给出：
θ＝cos-1(K/R)
当K＝1.0英寸且R＝1.69英寸时，则θ＝53°43’。
由于先前估算得过低，因此一类似的误差将被预期会把该估算估得过高。将工具支架10的角θ设定为53°12’，并将刀架从头座至尾座的进给速度设定为0.0064厘米/转(0.0025英寸/转)，而且采用上述相同沟纹图案配合工艺过程。沟纹图案短了41/2齿。使工具角θ增大0°30’后重复该过程。此时观察到图案长了约2 1/2齿。再使工具角减小0°12’，形成短了大约1齿的图案配合。车床以100转/分的转速运行以切割大约1/4”，但滚花轮齿序列未与工件表面的沟纹序列相对齐。而是留下了一个扭曲的(gnarly)咀嚼状(chewed up)表面。再将该工具移至新的表面，并使工具角再度增大0°06’。此时观察到序列配合长了约1齿。起动车床，并再次切割大约1/4”的图案，但序列仍未对齐。再将滚花轮支架移至工件上的一个新的区域，并减小0°03’。此时观察到图案配合长了约1齿。在短暂地作了动力运行之后，序列仍未对齐。在对于滚花齿而言、略大的辊直径(即增大了图案的长度)将有助于序列对齐的理论指导下，使切割深度减小大约0.0005。然而，仍未能实现序列对齐。此时，在台肩上已不再剩有进行更多尝试用的未经切割的表面了。
使滚花轮退后并移入位于辊的满直径区域上的一个新的起始区域。微调读数被保留在其目前的设置上。起动车床，并使滚花轮随着刀架朝着尾座推进而缓慢地进给到辊表面内。在到达目标深度后立即呈现出对齐的序列。在查核沟纹深度后显示：这些沟纹深了0.0005而无法与切割在第一行进路线(pass)内的沟纹相配合。使切割深度减小大约0.0005，并继续切割直到已切割的横切图案的大约3/4”为止。深度配合在0.0001之内。随着滚花齿插入到第一组沟纹内，在由相交的沟纹所形成的棱锥体上会出现一些毛刺，但棱锥体边缘在当滚花轮进入一齿脊以切割下一个棱锥体时所形成的相对边缘上是没有毛刺的。检查滚花轮的损坏情况。只削掉了两个齿。
继续切割第二组沟纹，直到横切图案距离尾座端的台肩区域大约0.127厘米(1/2”)处为止。在检查辊后显示：第二次切割比尾座端处的第一次切割深0.0005厘米(0.0002英寸)。具有峰顶39’的第二组沟纹38’与第一组沟纹相交。棱锥体覆盖了横切区域内的辊表面。
接着，用同一个滚花轮在第一组沟纹中轻轻地切割，以便减少棱锥体边缘上的毛刺。位于第一组沟纹上的该第二行进路线是从位于在第一行进路线内切割的单方向沟纹的1/2”带(band)内的尾座端处开始的。进行刀架进给，以便从尾座推进至头座，并用手转动工件直到刀架开始沿着那个方向移动为止。三个90°齿与沿第一行进方向切割的沟纹组对齐，而且滚花轮进给到与第一行进路线相同的深度之中。一边用手缓慢地转动工件，一边用一四倍放大镜检查滚花轮被适当地定位指示。起动车床，并重新切割约0.9525厘米(3/8”)的图案。在辊面上相隔90°进行两次深度核查。第一次核查显示切割深度深了0.0025厘米(0.0010英寸)，而第二次核查显示该切割深度深了0.0038厘米(0.0015英寸)。此时，在第二组沟纹中存在有显著的毛刺。使切割深度减小0.0025厘米(0.0010英寸)。在另外切割了0.6350厘米(1/4英寸)之后，毛刺显著减少了，但测得其切割深度仍深了0.0025厘米(0.0010英寸)。滚花轮另外退后了0.0019厘米(0.00075英寸)，此时，所测得的切割深度深了0.0020厘米(0.0008英寸)。该滚花轮再次退后0.0019厘米(0.00075英寸)，但此时的切割深度过浅而使毛刺保留在第一行进沟纹中。使切割深度增大0.0013厘米(0.0005英寸)并作短时间运行之后，在第二组沟纹中观察到了毛刺，但先前略深的切割总的具有少量毛刺。使切割深度再增大0.0013厘米(0.0005英寸)。在作短时间运行之后，两个方向上的一些沟纹没有毛刺，而其它区域内显示仅在若干第二沟纹内存在着少量毛刺。
重新起动车床，并以那个深度重新切割剩下的横切面。在重新切割完毕后，用一百倍率的筒式显微镜检查辊。其中一些峰顶没有毛刺，而其它的仅在一侧边缘上具有毛刺。看起来，深度配合得相当好。
为第二沟纹内须清理的行进路线重新设定工具角。采用在第一沟纹内清理用的相同工艺过程将滚花轮换位至现状中的第二沟纹。通过观察由滚花轮留下的毛刺的大小和位置再次调节切割深度。在调节至最佳的深度之后，重新切割第二沟纹。切割后的辊显示出深度配合优于0.0005厘米(0.0002英寸)，而且棱锥体上富有光泽的圆顶。
接着，用煤油涂刷辊表面以去除遗留下来的游离毛刺。用一黄铜软刷将煤油人工涂敷到缓慢旋转的辊的表面上去。然后，用一块抹布将煤油从辊上擦去，并且起初有许多金属碎屑集中在抹布上。继续涂刷直到抹布上的金属碎屑极少为止。
继而，在辊表面上镀上一层3至5微米厚的无电镍。该无电镍提供了防腐蚀保护，并可使聚合材料更好地从辊表面上释放。
在镀层之后，该辊可在结构研磨用具制造中作压印聚丙烯薄膜之用。
模塑制品
在图20中示出了采用工件或主工具30制造模塑制品、如生产工具的一种较佳方法。生产工具82是通过在工位100向主工具30的滚花外表面34挤压一种可模塑材料、较佳地为热塑性材料而制成的。热塑材料在压辊(nip)102处被压在表面34上。然后，生产工具82从主工具30剥离并绕到卷筒106上。这样，可获得任何所需长度的生产工具82。模塑表面86将具有在主工具30的被滚花加工的外表面34上的图案的反图案。当传印到主工具30的外表面34上的图案是最终所制得的结构磨料制品(或其它所需制品)的正图案时，模塑表面86上的图案将是最终制品图案的反图案。如图21所示，生产工具模塑表面86包括多个棱锥体凹坑88，这些凹坑都是主工具30上的棱锥体60的反形。该棱锥体凹坑包括底点90、侧边92、侧表面94和上边96。后表面84是较平滑的。生产工具82可以是所需的最终制品，在这种情况下，主工具30的外表面34上的图案将是生产工具82上所需的最终图案的负图案或反图案。
可用于制成生产工具82的热塑材料包括聚酯、聚碳酸酯、聚(醚砜)、聚乙烯、聚丙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯或其组合物。热塑材料可包括添加剂，如增塑剂、自由基清除剂或稳定剂、热稳定剂、抗氧化剂、紫外线辐射吸收剂、干燥剂、涂料、颜料和其它加工助剂。这些材料较佳地基本透过紫外线和可见光。
由于工件或主工具30绕其圆周具有连续的、不间断的滚花图案，因此可低成本地模塑沿方向D的任意所需长度的生产工具，而不会在模塑图案上产生接缝或间断。这可便于生产任何长度的、具有不间断结构磨料复合图案的结构磨料制品。此类结构磨料制品与由于生产工具中的接缝而在图案中产生接缝或间断的其他结构磨料制品相比，脱壳或剥层的可能性很小。
生产工具82也可通过采用滚花主工具30对可模塑材料进行压印而制成。这可在所需的力和温度下进行，以便将工件上滚花图案的反图案传印到生产工具的模塑表面86上。这一工艺可采用单层或多层生产工具82。例如，在多层生产工具中，模塑表面86可包括适用于模塑成所需图案的材料，而后表面84可包括一种适宜的牢固或耐久材料以适应生产工具82使用时所碰到的情况。
生产工具82也可由一种硬化的热固性树脂制成。由热固性材料所制成的生产工具可依据下列工艺过程来制成。将一种未硬化的热固性树脂施加到主工具30上。当该未硬化的树脂位于主工具表面上时，可通过加热来进行硬化或聚合，以使它固定而具有主工具表面图案的反形。然后，从主工具表面上去除已硬化的热固性树脂。生产工具可由一种硬化的辐射固化性树脂制成，诸如丙烯酸化的氨基甲酸酯低聚物。辐射固化的生产工具以与由热固性树脂所制得的生产工具的相同方式制成，所不同的是，它是通过辐射、例如紫外线辐射来进行固化的。
虽然本文所述的本发明方法和装置尤其适用于制造结构磨料制品，但本发明并不因此而受到限制。例如，本文所述的本发明的滚花方法和装置可用于其本身即为最终制品的工件30，而不是用于后续加工的主工具。另外，当工件是主工具时，其用途不限于用于在后续加工中制造生产工具。即，由滚花工件模塑而成的模塑制品其本身可以是最终制品。此外，滚花工件30可用作制造磨料制品或其它制品的轮转凹版印刷的涂敷器。
制造结构磨料制品的方法
制作磨料涂层的第一步是制备磨料浆。磨料浆是通过由任何适当的混合技术将粘合剂先质、磨粒和任选的添加剂混合在一起而制得的。混合技术的例子包括低剪切和高剪切混合，其中高剪切混合是较佳的。也可将超声波能量与混合步骤一起使用以降低磨料浆的粘性。一般，磨粒都是逐渐加入到粘合剂先质中去的。通过在混合步骤中抽真空而使磨料浆中的气泡量最少。在某些情况下，根据需要，较佳地是将磨料浆加热到一定温度以降低其粘性。例如，可磨料浆加热到大约30℃至70℃。然而，磨料浆的温度应选择成不会对其所施于的基材产生有害影响。重要的是，磨料浆具有可很好地涂敷的流变性，并且其中磨粒和其它填充物不会沉淀。
制作本发明磨料涂层可有两种主要方法。第一种方法通常会产生一种具有精确形状的磨料复合体。为了获得这种精确形状，粘合剂先质在磨料浆存在于生产工具的腔室中时要至少部分固化或胶化。第二种方法通常会产生一种具有非精确形状的磨料复合体。在这第二种方法中，磨料浆涂敷在生产工具的腔室内以形成磨料复合体。但在粘合剂先质硬化或固化之前要将磨料浆从生产工具上去除。接着，粘合剂先质再硬化或固化。由于粘合剂先质在位于生产工具的腔室中时未硬化，因而磨料浆可流动而使磨料复合体变形。
就这两种方法而言，倘若采用热固性粘合剂先质，根据粘合剂先质的化学性能，热源可为热能或辐射能。就这两种方法而言，倘若采用热塑性粘合剂先质，热塑性材料冷却，这样它可固化且形成磨料复合体。
图22示意性地示出了用于制作磨料制品的方法和装置110。一种由上述工艺制成的生产工具82呈带状，它具有模塑表面86、后表面84和两端。具有第一主表面113和第二主表面114的一基材112离开退绕工位115。同时，生产工具82离开退绕工位116。生产工具82的模塑或接触表面86在涂敷工位118处被涂上磨粒和粘合剂先质混合物。在涂敷步骤之前，可加热该混合物以降低其粘性。涂敷工位118可包括任何传统的涂敷装置，如刮刀涂敷装置、下落口模式涂敷装置、帘流涂敷装置、真空口模式涂敷装置或挤塑口模式涂敷装置。在对生产工具82的模塑表面86进行涂敷之后，基材112和生产工具82聚集在一起，从而混合物湿润基材112的第一主表面113。在图22中，混合物借助接触压辊120施压而与基材112相接触，该压辊还使生产工具/混合物/背层压靠在一支撑鼓122上。已发现用压辊施加45磅的力是有利的，但也可根据本技术领域中众所周知的几个因素来选择实际的力。接着，辐射源124透射过生产工具82的背面84足够剂量的能量、较佳地为辐射能，并透射入混合物内以使粘合剂先质至少部分硬化，从而形成成形的可加工的结构126。然后，生产工具82从该成形的可加工的结构126上脱离。生产工具82从成形的可加工的结构126上脱离发生在辊127处。适用于生产工具82的材料例子包括聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯和聚乙烯。在某些由热塑性材料制成的生产工具中，用于制作磨料制品的工作条件应设定成不会发生过热。倘若产生过热的话，则会使热塑性工具变形或熔化。某些情况下，紫外光可产生热量。辊127可为足够尺寸和温度的冷却辊以冷却所需的生产工具。生产工具的接触表面或模塑表面86可含有一剥离涂层，以使磨料制品更易于从生产工具上脱离。这种剥离涂层的例子包括硅树脂和含氟化合物。介于该成形的可加工的结构126与生产工具82之间的角度a在传过辊127之后最好马上变陡，例如超过30°，以使成形的可加工的结构126从生产工具82上彻底分离。生产工具82再卷绕在卷筒128上，以使其可再利用。成形的可加工的结构126卷绕在卷筒130上。倘若粘合剂先质还没有充分硬化，则可通过暴露于附加的能源、如热源或一附加辐射源而充分硬化，从而形成涂敷的磨料制品。或者，无须使用附加的能源也可充分硬化，从而最终形成涂敷的磨料制品。如本文所采用的，“充分硬化”一词以及类似用语均意味着粘合剂先质充分硬化，这样所制成的产品将起到磨料制品、例如涂敷磨料制品的作用。
在磨料制品制成之后，它能在转变之前折曲和/或湿润。在使用之前，磨料制品可转变成任何所需的形式，如锥形、环形带、片状、盘状等。
图23示出了用于制造磨料制品的另一种方法的装置140。在该装置中，生产工具82是具有接触或模塑表面86和背面84的环状带。具有第一主表面143和第二主表面144的基材142离开退绕工位145。生产工具的模塑表面86在涂敷工位146处被涂上磨粒和粘合剂先质混合物。该混合物由一接触压辊148压在基材142的第一主表面143上，该接触压辊148还使生产工具/混合物/背层压靠在一支撑鼓150上，从而混合物湿润基材142的第一主表面143。生产工具82经过三个旋转卷筒152、154和156。然后，较佳地为辐射源的能源透射过生产工具82的背面84，并透射入混合物内以使粘合剂先质至少部分硬化。这儿可有一辐射源158。也可有第二辐射源160。这些能源可以是同一类型或不同类型。在粘合剂先质至少部分硬化后，成形的可加工的结构162从生产工具82上脱离，并卷绕在卷筒164上。生产工具82从成形的可加工的结构162上脱离发生在辊165处。介于该成形的可加工的结构162与生产工具82之间的角度a在传过辊165之后最好马上变陡，例如超过30°，以使成形的可加工的结构126从生产工具82上彻底分离。多个辊中的一个、例如辊152可为足够尺寸和温度的冷却辊以冷却所需的生产工具82。倘若粘合剂先质还没有充分硬化，则可通过暴露于一附加的能源、如热源或一附加的辐射源中而充分硬化，从而形成涂敷的磨料制品。或者，无须使用附加的能源也能充分硬化，从而最终形成涂敷的磨料制品。
在磨料制品制成之后，它能在转变之前折曲和/或湿润。在使用之前，磨料制品可转变成任何所需的形式，如锥形、环形带、片状、盘状等。
在任一实施例中，介于生产工具的接触表面与背部的前表面之间的空间经常需要完全充满磨粒和粘合剂先质的混合物。同样在任一实施例中，可将浆料施加到基材112上并使该浆料与生产工具相接触、而不是将浆料涂敷在生产工具内而使浆料与基材接触。
在该实施例的一较佳方法中，辐射能透射过生产工具82并直接射入到混合物中。较佳地是，制成生产工具82的材料不会吸收大量的辐射能或不会被辐射能所降解(degrade)。例如，倘若采用电子束能，较佳地是，生产工具不由纤维素材料制成，这是因为电子会降解纤维素的缘故。倘若采用紫外线辐射或可见光辐射，生产工具的材料应当相应地透射足够的紫外光或可见光辐射而产生所需的硬化程度。或者，其上粘合复合体的基材112可使辐射能从中透射。当辐射透射过工具时，可采用会吸收辐射能的基材，这是因为并不需要辐射能透射过基材的缘故。
生产工具82应在足以避免由辐射源降解的速度下进行操作。抗辐射源降解力度较高的生产工具可在较低的速度下进行操作；抗辐射源降解力度较低的生产工具可在较高的速度下进行操作。总之，生产工具的适当速度取决于制成生产工具的材料。其上粘合复合体的基材应在与生产工具相同的速度下进行操作。速度连同其它参数、例如温度和张力一起应选择成不会对基材或生产工具产生有害影响。已发现基材速度在15至76米/分(50至250英尺/分)之间是有利的，但在本发明范围内也可采用其它速度。
图24和图25示出了根据上述方法所制得的磨料制品200的一较佳实施例。磨料制品200包括具有第一主表面113和第二主表面114的基材112。结构磨料复合体212粘合到基材112的第一主表面113上。复合体212包括分散在粘合剂214中的磨粒213。表面215构成上述复合体212的精确形状。如图25所示，复合体212可在其基部处紧贴在另一复合体上。复合体212的结构将与工件30上的棱锥体60的结构基本相符，并将大致为生产工具82上的棱锥体凹坑88的反形。
制造结构磨料制品的进一步细节可从于1997年4月10日公布的WIPO国际专利申请公开号WO 97/12727——“对工件进行滚花加工用的方法和装置、用该工件模塑制品的方法和所制成的产品”(胡普曼等人)中获知。
制造磨料复合体制品也隶属于本发明的范畴。一般而言，该方法包括下列步骤：a)将一种磨料浆涂敷到一生产工具的腔室内；b)使该磨料浆暴露于环境中以使粘合剂先质固化、形成粘合剂并形成磨料复合体；c)将磨料复合体从生产工具上去除；以及d)将磨料复合体转变成复合体制品。这些磨料复合体制品可使用在粘合研磨用具、涂敷研磨用具以及无纺研磨用具中。在美国5,549,962号专利——“精确成形的制品和制造该制品的方法”(霍姆斯等人)中更详细地描述了该方法。
已根据几个实施例对本发明进行了描述。上述详尽描述和例子仅便于清楚地理解本发明，而不会由此对本发明形成限制。对本技术领域中的普通技术人员而言，只要不脱离本发明的范围还可进行多种变化。因此，本发明的范围应不限于本文所述的细节和结构，而应由权利要求书所述的结构和其结构等效物来决定。

Claims (28)

1.一种滚花加工工件的方法，所述工件具有一纵轴，所述方法包括下列步骤：
a)将第一组沟纹传印到一工件上，其中所述第一组沟纹具有相对所述工件的纵轴的第一螺旋角；其中所述第一组沟纹包括第一沟纹和第二沟纹，所述第二沟纹的结构明显不同于所述第一沟纹；以及
b)将第二组沟纹传印到所述工件上，其中所述第二组沟纹具有相对所述纵轴的第二螺旋角，所述第二组沟纹与所述第一组沟纹相交，从而将一滚花图案传印到所述工件的外表面上，所述图案绕所述工件的圆周是连续且不间断的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二组沟纹包括第三沟纹和第四沟纹，所述第四沟纹的结构明显不同于所述第三沟纹。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底，其中所述第一和第二沟纹表面各自从所述工件的外表面延伸至所述沟纹底，并且其中第一沟纹的沟纹表面彼此夹有第一夹角，第二沟纹的表面彼此夹有第二夹角，其中所述第二夹角明显不同于所述第一夹角。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一和第二夹角相差至少3度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一和第二夹角相差至少10度。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三和第四沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底，其中所述第一和第二沟纹表面各自从所述工件的外表面延伸至所述沟纹底，并且其中第三沟纹的沟纹表面彼此夹有第三夹角，第四沟纹的表面彼此夹有第四夹角，其中所述第四夹角明显不同于所述第三夹角。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第三和第四夹角相差至少3度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第三和第四夹角相差至少10度。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沟纹底是形成于所述第一和第二沟纹表面交界处的一条线。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组和第二组沟纹相交在所述工件的外表面上构成多个棱锥体，所述各棱锥体包括由第一沟纹形成的第一相对侧表面和由第二沟纹形成的第二相对侧表面，并且所述多个棱锥体包括第一棱锥体和第二棱锥体，所述第二棱锥体的结构明显不同于所述第一棱锥体。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述第一棱锥体的第一相对侧之间形成有第一角，并且在所述第二棱锥体的第一相对表面之间形成有第二角，其中所述第二角与所述第一角相差至少3度。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二角与所述第一角相差至少10度。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述棱锥体是截头棱锥体。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二螺旋角的大小明显不等。
15.一种具有滚花加工的圆柱形外表面的滚花工件，所述滚花工件包括：
具有纵轴和圆柱形外表面的圆柱体，在所述外表面上具有滚花图案；
其中所述滚花图案包括：
第一组沟纹，所述第一组沟纹具有相对所述工件的纵轴的第一螺旋角；所述第一组沟纹包括第一沟纹和第二沟纹，所述第二沟纹的结构明显不同于所述第一沟纹；以及
第二组沟纹，所述第二组沟纹具有相对所述纵轴的第二螺旋角，所述第二组沟纹与所述第一组沟纹相交，所述滚花图案绕所述工件的圆周是连续且不间断的。
16.如权利要求15所述的滚花工件，其特征在于，所述第二组沟纹包括第三沟纹和第四沟纹，所述第四沟纹的结构明显不同于所述第三沟纹。
17.如权利要求15所述的滚花工件，其特征在于，所述第一和第二沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底，其中所述第一和第二沟纹表面各自从所述工件的外表面延伸至所述沟纹底，并且其中第一沟纹的沟纹表面彼此夹有第一夹角，第二沟纹的表面彼此夹有第二夹角，所述第二夹角明显不同于所述第一夹角。
18.如权利要求17所述的滚花工件，其特征在于，所述第一和第二夹角相差至少3度。
19.如权利要求17所述的滚花工件，其特征在于，所述第一和第二夹角相差至少10度。
20.如权利要求16所述的滚花工件，其特征在于，所述第三和第四沟纹各包括第一沟纹表面、第二沟纹表面和沟纹底，其中所述第一和第二沟纹表面各自从所述工件的外表面延伸至所述沟纹底，并且其中第三沟纹的沟纹表面彼此夹有第三夹角，第四沟纹的表面彼此夹有第四夹角，其中所述第四夹角明显不同于所述第三夹角。
21.如权利要求20所述的滚花工件，其特征在于，所述第三和第四夹角相差至少3度。
22.如权利要求20所述的滚花工件，其特征在于，所述第三和第四夹角相差至少10度。
23.如权利要求17所述的滚花工件，其特征在于，所述沟纹底是形成于所述第一和第二沟纹表面交界处的一条线。
24.如权利要求17所述的滚花工件，其特征在于，所述第一组和第二组沟纹相交在所述工件的外表面上构成多个棱锥体，所述各棱锥体包括由第一沟纹形成的第一相对侧表面和由第二沟纹形成的第二相对侧表面，并且所述多个棱锥体包括第一棱锥体和第二棱锥体，所述第二棱锥体的结构明显不同于所述第一棱锥体。
25.如权利要求24所述的滚花工件，其特征在于，在所述第一棱锥体的第一相对侧之间形成有第一角，并且在所述第二棱锥体的第一相对表面之间形成有第二角，其中所述第二角与所述第一角相差至少3度。
26.如权利要求25所述的滚花工件，其特征在于，所述第二角与所述第一角相差至少10度。
27.如权利要求25所述的滚花工件，其特征在于，所述棱锥体是截头棱锥体。
28.一种用如权利要求15所述的滚花工件模塑成模塑制品的方法，所述方法包括下列步骤：
a)将一种可模塑材料施加到滚花工件的外表面上；
b)在所述可模塑材料与所述滚花工件接触的同时，向可模塑材料施加足够的力，以便将所述滚花工件外表面上图案的反图案传印到与滚花工件相接触的可模塑材料的第一表面上去；
其中所述图案包括：
第一组沟纹，所述第一组沟纹具有相对所述工件的纵轴的第一螺旋角；所述第一组沟纹包括第一沟纹和第二沟纹，所述第二沟纹的结构明显不同于所述第一沟纹；以及
第二组沟纹，所述第二组沟纹具有相对所述纵轴的第二螺旋角，所述第二组沟纹与所述第一组沟纹相交，所述滚花图案绕所述工件的圆周是连续且不间断的；以及
c)将可模塑材料从滚花工件上去除。
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