專利名稱：用于對橡膠制品進行鉆孔的裝置和方法
技術領域：
發明涉及一種用于對橡膠制品進行鉆孔的裝置和方法。更確切地說， 本發明涉及一種在硫化橡膠材料中制造通孔的孔沖頭。
背景技術：
在長度與直徑之比相對較高的情形下，以及當需要穿過給定厚度的橡 膠而鉆孔時都會出現問題。
例如，如圖3和4所示，當需要沿通常的軸向在輪胎的雕花元件中制 造多個孔以便能夠在輪胎胎面區域中向所述輪胎賦予特性時，會發生這種 情形。另外這些孔可以在胎面花紋塊磨損結束時改善胎面花紋塊的粘附情 況，例如公開文獻WO2003097384中所公開的實例所述。
如圖1所示，已知的一種解決方案是采用由鋼制頭部構成的旋轉孔沖 頭，所述鋼制頭部包括具有圓形截面的圓柱形筒體，其頂部用于固定旋轉 孔沖頭，以便能夠例如在鉆孔機中的夾爪中被旋轉地驅動。
頭部的底部通過具有圓形截面的圓柱形中空管而延伸，中空管的底端 被削尖成切削刃，所述切削刃定位在垂直于工具旋轉縱軸的平面中。
構成這種旋轉孔沖頭的第一增強方面在于對頭部的底部進行倒角修 整，以及在管中形成槽口，以便于排出通過工具的運轉而除去的材料，通 常被稱作流道殘料(sprue )。
文獻FR2483844中披露了另一增強方面，包括在管的外表面形成螺旋 狀凹槽，凹槽的底部具有通孔，以允許管的外表面和其內表面連通。這種 裝置使得潤滑液可以沿管的外表面和內表面循環，以減少鉆孔過程中工具 過熱的狀況。
但是，這類孔沖頭不適宜用于穿過給定厚度的橡膠材料產生通孔。特 別地，當需要在較長的長度上形成直徑較小的孔時，尤其如此。這里小直 徑的孔和較長的長度應當理解為其長度與直徑之比大于20的孔。
4特別地，在這些特定的使用條件下，能夠看到，在彈性應力的作用下， 一方面在孔沖頭的管內通過切割夾爪形成流道殘料，另一方面由于材料夾 緊了孔沖頭的外壁，孔沖頭的外壁受到高應力。這兩種現象導致材料異常 過熱，從而導致由于抽出而使分界面受損，孔沖頭堵塞在鉆孔中，甚至導 致孔沖頭本身斷裂。
發明內容
本發明的目的是為在橡膠材料中形成直徑較小、長度較長的鉆孔出現 的問題提供解決方案。為此，根據實驗已經證明只要精確確定孔沖頭的形 狀和尺寸，并且在意義明確的條件下使用這種工具，就可以形成這樣的鉆 孔。
按照本發明的旋轉孔沖頭包括具有圓形截面的圓柱形頭部，該頭部的 自由端能夠由旨在驅動所述孔沖頭轉動的機構夾緊，所述孔沖頭還包括具 有圓形截面的圓柱形管，其附連于頭部的底端，管的長度和直徑之比在20
至40之間。該孔沖頭的特征在于管終止于通過使管外壁成斜面而形成的切 削刃處，以及所述壁的厚度e小于或等于V^ ，其中D表示該圓柱形管的內徑。
構成切削刃的斜面的形狀使得可以形成流道殘料(sprue)，其直徑至多 等于圓柱形管的內徑。如下所述，如果需要避免在鉆孔過程中流道殘料出 現不期望的過熱現象，以及如果需要在完成鉆孔時從管內排出流道殘料， 這些特征是非常重要的。
此外，應當努力的是使管的壁厚盡可能地薄，以便由材料施加在管外 壁上的壓力盡可能減小。觀察表明事實上管壁越厚，越需要壓縮材料到使 孔沖頭能夠前進穿過待鉆孔材料的厚度。這種壓縮是強烈摩擦的來源，這 種強烈摩擦也會導致材料過熱。
按照本發明的鉆孔方法，采用如上所述的旋轉孔沖頭，其特征在于孔 沖頭沿軸向的前進速度與它在切削刃所在水平面上的圓周速度之比為0.02 至0.2，優選為0.03至0.15;很容易從旋轉孔沖頭的半徑和轉速推斷出在切 削刃所在水平面上的圓周速度。
實際上表明此速度比對由切削刃造成的材料壓縮是相當重要的。孔沖
5頭的前進也會對位于切削刃下面的材料產生壓縮。通過這樣做，位于所述 切削刃上面的材料被拉伸。這樣做的效果是減小了切削時流道殘料的直徑， 這使得流道殘料的直徑可以稍小于圓柱形管的內徑。結果是減小了流道殘 料在圓柱形管內表面上的摩擦，使得當完成鉆孔時排出流道殘料變得更加 容易。
因此，孔沖頭的設計和實施此工具的組合效果使得可以在工業條件下 制造出長度較長直徑較小的孔，并且不會損壞材料。
下面的描述是基于圖l至5，并且示出了本發明的優選實施例，其中 圖1表示按照本發明的孔沖頭的示意圖。
圖2表示在按照本發明方法實施沖孔時切削刃的詳細視圖。
圖3表示按照本發明的孔沖頭的示意圖，其中插圖2a和2b代表切削 刃的不同實施例，
圖4和5表示輪胎的示意圖，所述輪胎包括基本軸向的穿孔，這些穿 孔通向位于臺肩區雕花元件中。
具體實施例方式
參照如上所述，圖1表示按照本發明的孔沖頭的截面圖，其中能夠區 別出頭部10連接于中空管20，管的自由端包括切削刃21。管的長度(L)
與內徑(D)之比在20至40之間。中空管21的厚度(e)小于VZ 。切 削刃的斜面22從管的外部形成到管內部，以便切削刃的直徑等于中空管的 內徑。
實際上，將要制造出的孔徑以及孔沖頭的內徑(D)能夠在lnun至10mm 之間改變，甚至在特大型輪胎中可以超出這個范圍。管的長度在20mm至 400mm之間變化，可接受的管的最大壁厚(e)在0.5mm至1.8mm之間變 化。
為了延長其使用壽命，優選采用耐磨材料制造孔沖頭，例如使用碳化鎢。
圖2示出了當按照權利要求的方法使用旋轉孔沖頭時發生的情形。可以觀察到由于材料被切削刃切割，在該孔沖頭的作用下不會產生需 要排出的廢料。通過壓入待切割的材料，孔沖頭的外壁通過使材料產生等
于中空管20壁厚(e)的位移，而橫向壓縮材料，如圖中指向外壁的箭頭 所示。
此外，管的壁厚較小，施加在管壁上的作用不大，外壁和材料之間的 摩擦也不大。已經表明當所述壁厚(e)小于或等于lmm時可以獲得良好 的結果，考慮到這點，當需要減少這一厚度時，由孔沖頭的機械阻力施加 的限制將成為限制因素。
當孔沖頭的前進速度與切削刃的圓周速度之比在上述所要求的極限內 時，切削刃壓縮沒有被切割的、位于所述切削刃下面的材料部分(a)。這樣 對還沒有被切割的、直接位于材料部分(a)之上的材料部分(b)產生伸長 作用。結果是在垂直于孔沖頭軸線的方向上壓縮位于管內的材料部分(b)， 這導致在切割之前流道殘料的直徑減小。 一旦實現切割，橫向應力得以釋放， 流道殘料保持其直徑(d)稍小于管的內徑(D)。由此得出流道殘料和中空 管20內部之間的摩擦力減小，另一方面非常有利于循環結束時流道殘料C 的排出。
通過使速度比增加到大于0.15，材料的壓縮也將增大，這能夠以上面 已經描述的一種方式來有利地證實，但也發現這導致工具和待鉆孔材料有 過熱的強烈趨勢，這會引起所述材料退化。當比率下降到經驗閾值0.03以 下時，壓縮效應太小而不能得到其直徑充分減小到能使前面所述效果很顯 著。
例如，內徑(d)為6mm，孔沖頭的轉速為600rpm，其前進速度設定 為2400mm/min，給定的速度比為0.1時能夠獲得良好的結果。對于內徑(d) 為2mm，轉速為1400rpm,前進速度為600mm/min而言，其給定的速度比 為0.034。
極限值已經由經驗確定，并且其優選操作范圍是相當重要的。盡管這 樣，極限值的范圍超過0.02至0.2，也是能夠接受的結果，特別是當待鉆孔 材料的彈性改變時。
在切削循環結束時，在從新沖出的孔中移出鉆孔裝置前已經排出流道 殘料。此外，特別有利的是設置管道使得可在頭部內端的平面處在壓力作
7用下將流體供給到管內。
一旦進行鉆孔，在孔沖頭的切削部分己經從橡膠塊的一側穿到另一側 之后，經由管道注射流體，在流道殘料和孔沖頭的頭部之間的空腔中在管 內側產生壓力，這能夠推進流道殘料通過位于切削刃所在的一側上的管的 開口端，并且此時能夠在壁的另一側排出已經被鉆孔的材料厚度。
一旦已經排出流道殘料，就可以將工具整體安全地移出，而不會導致 流道殘料保留在己經鉆好的孔中。
此外，流道殘料的排出幾乎是瞬時的，這使得減少鉆孔循環時間成為 可能。
如圖3所示按照本發明的孔沖頭包括具有圓形截面的圓柱形頭部10。
自由端ll由能夠驅動它旋轉的機構夾緊，例如鉆孔機的夾爪或機床的心軸，
其中可通過夾緊或螺釘緊固來夾持孔沖頭。管道13從孔沖頭頭部的外側延 伸，并且在頭部10底端12的水平面處開口到管的內部。
在壓力的作用下利用己知的方式將流體引入管道13，例如通過旋轉的 O形密封環，該密封環直接設置在位于通道13中入口平面處的孔沖頭的頭 部上，甚至是通過設置在驅動夾爪平面上的中間部件來弓I入。
采用的流體可以是液體或氣體。在壓力作用下注入空氣具有使用起來 簡單的優點，盡管在壓力作用下注入水被證實更加困難，但使用水的優點 在于它可以潤滑孔沖頭的內壁，并且考慮到接下來的下一次鉆孔，其優點 還在于可以排出熱量。
此外， 一特別有利的解決方案是注入包含潤滑流體微液滴的空氣，以 利于促進工具內壁在橡膠上的滑動。例如，潤滑劑可以是含有懸浮狀硅酮 的水。
已經被證實的有利之處還在于可在工具從孔中移出的持續時間里繼續 注入流體。添加額外的流體可以冷卻孔沖頭的壁和孔壁，這就防止了由于 過熱導致的橡膠材料的變性。
通常，當過熱特別強烈時，推薦在孔沖頭穿入到待鉆孔材料芯部中之 前對孔沖頭的外壁進行潤滑。
通過測量孔沖頭中流體的注射壓力，可以檢測到當從管中排出流道殘 料時產生的壓力變化。壓力的突然下降可以確定移出已經發生，并且可以
8確保流道殘料已經從孔中排出。這種執行起來很簡單的檢查方法證實在生 產監控中是特別有用的。
能夠采用已知方式對鉆孔方法的不同次序進行控制，其中可以相對于 待鉆孔材料對鉆軸的驅動次序進行編程。
切削刃21為直線形，其基本位于與孔沖頭的轉軸垂直的平面上，或者
如插圖3a和3b所示，為鋸齒形或波紋形，以提高切削的品質和效率。
當工具從待鉆孔材料體積的另一端指向壁時，鋸齒形特別有利于材料 的切割。
最后，為了避免鉆孔結束時管壁的被撕裂，推薦減小孔沖頭的前進速度。
圖4和圖5示出了輪胎P，其中已經在具有臺肩區域的輪胎胎面的雕 花元件中在軸向上粗略地鉆出孔B。
此外還優選的是可以考慮通過提供具有適宜長度的孔沖頭在輪胎胎面 的整個寬度上對雕花元件進行鉆孔。在這種結構中，每當圓周溝槽交叉時 排出流道殘料，以便如上面所解釋地確保所有的雕花元件從一側到另一側 都確實被鉆？L。
為了制造出大量的孔，特別有利的是同時操作多個按照本發明所述的 孔沖頭。
這些孔沖頭定位在一共同的底盤上，并且布置成使轉軸基本沿軸向定 位，切削刃定位在垂直于轉軸的平面上的一個圓上。
但是，考慮到雕花元件的橫向曲率，孔沖頭的軸線可以與輪胎的軸向 產生輕微角偏差。
圓的半徑應當適宜于輪胎的尺寸和鉆孔半徑，并且必要時是可調節的， 包括配合驅動機構和自動操作。
包含孔沖頭的工具設置成軸向面對著輪胎的臺肩，按照這里如上所述 的程序僅經過單次操作就可以形成多個孔。
這樣，以這種方式定位的孔沖頭的數量理論上對應于要產生的孔B的 數量。但是，如果所要產生的孔的數量較多，或者孔沖頭的體積較大不能 使孔沖頭的數量對應于孔的數量，則可以使孔沖頭的數量對應于所要產生 的一部分孔的數量。在這些情形中，可以在幾道工序中完成孔組的鉆孔，即在每道工序之 間使輪胎相對于鉆孔裝置產生相對的軸向轉動，轉動值對應于兩個連續的 孔之間的角度差。
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權利要求
1. 一種旋轉孔沖頭(T)，包括具有圓形截面的圓柱形頭部(10)，該頭部的自由端(11)能夠由旨在驅動所述孔沖頭轉動的機構夾緊，所述孔沖頭還包括具有圓形截面的圓柱形管(20)，該管連接于頭部(10)的底端(12)，管的長度(L)和直徑(D)之比在20至40之間，其特征在于所述管終止于通過使圓柱形管(20)的外壁具有斜面(22)而形成的切削刃(21)處，以及所述壁的厚度(e)小于或等于，其中D表示該圓柱形管(20)的內徑。
2. 如權利要求1戶萬述的孔沖頭，其特征在于，所述孔沖頭的頭部(10) 包括管道(13)，用于在壓力作用下在頭部(10)內端(12)的水平面處將 流體供給到管(10)內。
3. 如權利要求1或2所述的孔沖頭，其特征在于，所述切削刃(21a) 為鋸齒形。
4. 一種鉆孔裝置，包括多個如前述任一權利要求所述的孔沖頭(T), 這些孔沖頭被布置成使得它們的轉軸基本彼此平行，并且切削刃被定位成 位于垂直于轉軸的平面中的一個圓上。
5. —種對給定厚度的橡膠材料逐漸鉆孔的方法，其中，使用按照前述 任一權利要求所述的旋轉孔沖頭(T)，其特征在于，孔沖頭沿軸向的前進 速度與它在切削刃所在水平面上的圓周速度之比為0.02至0.2。
6. 如權利要求5所述的鉆孔方法，其特征在于，孔沖頭沿軸向的前進 速度與它在切削刃所在水平面上的圓周速度之比為0.03至0.15。
7. 如權利要求5或6所述的鉆孔方法，其特征在于，通過在壓力作用下向位于頭部(10)內端(12)和流道殘料(C)之間的管內的腔室中供給 流體，將容納在孔沖頭(T)的管(20)中的流道殘料(C)排出。
8. 如權利要求7所述的鉆孔方法，其特征在于，在切削部分(21， 21a， 21b)已經穿透待鉆孔產品厚度的另一側之后立即在壓力作用下供給流體。
9. 如權利要求7或8所述的鉆孔方法，其特征在于，在排出流道殘料 之后從孔內移出孔沖頭。
10. 如權利要求9所述的鉆孔方法，其特征在于，在把孔沖頭從孔內移 出的同時持續注射流體。
11. 如權利要求7至10中任一項所述的鉆孔方法，其特征在于，在壓 力作用下注射的流體為空氣。
12. 如權利要求7至10中任一項所述的鉆孔方法，其特征在于，在壓 力作用下注射的流體為水。
13. 如權利要求7至10中任一項所述的鉆孔方法，其特征在于，注射 的流體是混合著潤滑流體微液滴的空氣。
14. 如權利要求13所述的鉆孔方法，其特征在于，所述潤滑流體是混 合有懸浮態硅酮的水。
15. 如權利要求5至14中任一項所述的方法的應用，其用于在輪胎的 雕花元件中基本沿軸向鉆孔。
全文摘要
一種旋轉孔沖頭(T)，包括具有圓形截面的圓柱形頭部(10)，該頭部的自由端(11)能夠由旨在驅動所述孔沖頭轉動的機構夾緊，所述孔沖頭還包括具有圓形截面的圓柱形管(20)，該管與頭部(10)的內端(12)一體形成，并終止于切削刃(21)處，其特征在于孔沖頭的頭部(10)包括至少一個管道(13)，使得可以將增壓的流體在頭部(10)內端(12)附近供給到管(20)內。切削刃通過使圓柱形管的外壁呈斜面(22)而形成。管的長度(L)和直徑(D)比率在20到40之間，管壁的厚度(e)小于或等于√D/3，其中D表示該圓柱形管的內徑。
文檔編號B26F1/14GK101489743SQ200780027600
公開日2009年7月22日 申請日期2007年5月11日 優先權日2006年5月22日
發明者A·蘇拉利奧斯, N·讓努托特 申請人:米其林技術公司;米其林研究和技術股份公司