CN108882924A - 具有圆形切割构件的半球形铰刀及其制作方法 - Google Patents

Abstract

球形铰刀包括切割单元，所述切割单元具有支撑构件和建立在其上的至少一个圆周切割构件。切割构件可以分别通过边缘配置、几何参数或者还通过定位参数来表征。前面的参数的所有变化导致各种类型的切割单元以及包括自我组装和/或“用于组装几种尺寸的铰刀的单一尺寸切割单元”的方法，以便组装可重复使用的或者用后即丢型铰刀。

Description

具有圆形切割构件的半球形铰刀及其制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求以下专利申请的权益：2016年1月24日提交的美国临时申请号62/286,413，其标题为“An Acetabular Reamer With At Least Partial Circumference CuttingEdge(具有至少部分的圆周切割边缘的髋臼铰刀)”；2016年3月18日提交的临时申请号62/310,519，其标题为“A Circular Cutting Member For A Spherical Reamer And MethodsOf Making The Same(用于球形铰刀的圆形切割构件及其制作方法)”；2017年1月15日提交的临时申请号62/446,461，其标题为“A Cutting Element For Assembling AHemispherical Reamer And Methods Of Making Both(用于组装半球形铰刀的切割单元以及二者的制作方法)”；以及2017年1月19日提交的临时申请号62/448,117，其标题为“AHemispherical Reamer Self-Assembled by A Cutting Element And Methods OfMaking Both(通过切割单元自我组装的半球形铰刀以及二者的制作方法)”。前述申请的全部公开内容都通过引用的方式被合并在本文中。

技术领域

本发明特别而被排他地适用于半球形铰刀和圆形切割单元以及二者的制作方法的领域。所述铰刀能够至少铰削出部分的球形表面。本发明涉及整形外科铰刀以及其他适用的工业应用等等。

背景技术

用于对至少部分的球形空腔进行整形的球形铰刀被广泛地使用在当前的医疗规程中，比如全髋关节置换术(THA)中的骨臼。过去所发明的多种铰刀大部分是从“凹凸匹配或球半径匹配”设计的想法导出的。所述铰刀通常包括具有特定半径的完整半球形薄壁外壳，从球形外壳的凸表面突出并且螺旋分布在所述凸表面上的多个切割表面，从而基本上形成半球形“干酪擦(cheese grater)”。具体来说，这样的切割表面围绕球体的旋转轴螺旋分布，并且沿着外壳剖面的弧形产生具有虚拟切割轴的想象中的切割轮廓。所述切割轴垂直(90度角)朝向待切割球体的纵轴。邻近每一个切割表面存在用以形成从切割外壳的外部半球形表面延伸到内部腔室中的狭窄通道的开口。在过去的几十年里，仅仅开发出此类铰刀的少数几种替换设计。前面所提到的现有技术铰刀具有以下共同特点：

切割边缘的使用寿命有限：突出的切割表面是由金属平板制成的，所述切割表面被冲压(stamp)、打孔(punch)和穿孔(perforate)，以便产生具有所期望的高度、形状、邻近开口的切割表面以及球形外壳。所述切割表面形成朝向待切割表面的“张口(open mouth)”切割表面，并且被定位成与球形铰刀表面的纬线成90度。实际上，在更加详细的研究下，这样的处理步骤只能在切割表面上形成直角悬崖边缘(cliff edge)，并且几乎无法以任何方式被锐化。这种处理步骤和用于切割表面的设计与理想的切割器具相当不同，并且如果所使用的材料不够硬或不够薄或者打孔工具变钝，则很容易在所述悬崖边缘的角落处变钝。为了增加这样的切割表面的锐利度和使用寿命，必须使用更薄和更硬的材料以获得更好的结果。但是这样将增加铰刀和形成工具的成本。

被暴露于待切割表面的总的切割边缘有限：在V形或弧形现有技术切割表面中，只有有限的尖部节段可以紧密接触切割表面，并且将高效地对表面进行切割。切割表面的其他抬高部分仅仅是支撑构件而不被用于切割。

现有技术铰刀的这些问题和一些明显的缺陷已被解决。在美国专利9,101,368(Sidebotham等人)中解决并且测试了铰刀的使用寿命的概念。所报告的一项有用的结果表明，常规干酪擦的平均使用寿命在保持平均骨骼铰削质量的情况下只持续了2-6次使用，随后则开始非最优地操作。这样的变化取决于来自供应商的铰刀的设计和制造方法。有证据表明，前面所讨论的切割表面的悬崖边缘在几次运转之后非常快地就变成圆形。不幸的是，Sidebotham等人未能给出关于改进切割表面的钝化问题的直接解决方案。相反，Sidebotham等人把某一切割表面的指向调节到更加高效的切割方向中以用于适当地实施由外科医师施加的轴向推力，特别当所述切割表面对应于切割“赤道区(equatorialzone)”时尤其是如此。为了避免现有技术铰刀的钝化问题，可以进一步减小被用于铰刀的材料的厚度或者铰刀的使用频率。因此，用后即丢型铰刀的概念变成大众关注的一种可能的途径。

在美国专利8,407,880(Stamp等人)、8,435,243(White等人)和8,679,124(Lechot等人)中，存在前面由Sidebotham等人所提到的类似的问题。例如传统铰刀的精确规格和劳动密集型制作的重要性，而不是解决铰刀的钝化问题。所述专利的解决方案是通过产生多个切割表面，所述切割表面是通过冲压或者打孔穿过通常具有0.2-0.5mm厚度的带状金属垫片。由于金属垫片相对较薄(与现有技术髋臼铰刀杯的1-1.5mm厚度相比)，因此一旦被形成并且还被弯曲以用于组装，多个切割表面在其边缘处对于单次使用目的可能已经“足够锐利”。这样的垫片是使用塑料成型处理利用球形塑料基板包覆成型(over-molded)，或者与由其他材料制成的其他球形框架或中心连接器相耦合，从而产生用后即丢型铰刀。由薄垫片制成并且与塑料基板组合的这样的切割表面仍然没有解决切割表面的锐利度问题。在其他方面，可以使用更薄的金属薄板来制作常规铰刀，但是并不意味着这关于其切割表面的强度和锐利度可以是针对用后即丢型铰刀的解决方案。此外，制作铰刀的每一个单独的球半径必须对于每一个部件配备一系列相应的(多项)工具作业。总的工具作业成本将加到每次使用的铰刀的最终成本上。如果所需的数量不够大，则用后即丢型铰刀的每次使用成本可能不会低于其中一个可重复使用的铰刀。

本发明的发明人的先前的美国专利8,771,275(Xie等人)的主题内容在此被合并到本申请中。在美国专利8,771,275中提出了涉及“杯中的球”的想法的铰削半球形表面的新的原理。具体来说，圆形切割单元在切割单元的中心或切割平面与球体的球体中心之间偏移特定距离，并且在切割单元的轴与纵轴之间偏移特定角度。当其围绕纵轴旋转时，生成部分的球形表面。同时，圆形切割单元能够围绕其自身的切割轴自由地自转。根据几何规则，具有这样的设计的设备可以通过一次轴向铰削产生完美的半球体。但是其还暴露出几个缺点或者具有潜在的改进空间：

-圆形切割单元在结构中的自转将需要对于铰刀的复杂机械支撑，从而将限制铰刀设计的类型的数目。

-所使用的圆形切割单元的切割边缘以针尖(pin-point)方式接触表面，并且只能刮擦表面而不是像在干酪擦中那样剥离。因此铰削的切割效率被降低，并且低于其中一个干酪擦。

-作为折中，所需要的铰刀的复杂机械结构将导致铰刀的某些功能是做不到的或者没有那么可靠并且过于昂贵。

根据本发明的这样的新的切割原理，所述圆形切割单元在改进铰刀的切割性能方面在设计更好的圆形切割单元时提供了更多的自由。举例来说，更好的锐利度、对表面进行切割的理想方式以及减少其处理步骤和最终成本是符合期望的。

发明内容

在本发明的某些实现方式中，关于以下变化在设计和制造切割单元的切割构件上的边缘配置方面存在几个选择：形状、朝向支撑构件的相对位置、朝向待切割球形表面的接触角度、能够锐化的切割边缘、凹痕(notch)的特殊特征或形式以及其在切割边缘上的分布，以便增强其切割行为和切割单元的切割结果，或者简化各个制造步骤的方法以及将其组装在一起的各种方法。

在本发明的某些实现方式中，关于配置和指向特性在切割单元的类型方面存在选择，比如单独通过几何参数定义的一种类型，其被称作第I型切割单元，或者通过几何参数和定位参数全部二者定义的一种类型，其被称作第II型切割单元，或者通过切割构件的边缘配置定义的一种类型，其被称作第III型切割单元；以及通过每一种类型的切割单元组装铰刀的相应方法。

在本发明的某些实现方式中，在用于组装铰刀的方法中公开了几个选择，比如保持构件-切割单元组装方法，为了具有各种类型的铰刀的自我组装方法，以及对应于几种尺寸的铰刀的单一尺寸切割单元。

在本发明的某些实现方式中，存在组装用后即丢型铰刀的选项。比如作为可更换部件的切割单元或者适合于耐用型保持器，或者与用后即丢型保持器结合以作为用于单次使用的单件式铰刀并且随后被一起丢弃。

在本发明的某些实现方式中，本发明中的切割单元和铰刀可以在更低的成本下通过传统的材料和处理方法而制成，并且在其规格方面是高度精确的。

通过后面参照附图进行的详细描述，本发明的前述和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1(a)-(c)示出了本发明中的典型切割单元的主要几何和定位参数。

图2(a)-(c)示出了本发明中的典型切割单元的主要几何参数以及所安排的切割单元的各种切割构件。具体来说，图1(a)示出了C型切割构件；图1(b)示出了切割构件的边缘配置；并且图1(c)示出了支撑构件上的D型切割构件。

图3(a)-(b)示出了切割单元的典型特征和安排。

图4(a)-(c)示出了第III型切割单元的典型特征。

图5-1(a)-(c)：(a)通过钣金(sheet-metal)处理示出了切割单元(其具有接收构件)的典型特征和安排；(b)示出了处于折叠形状中并且准备好进行组装的切割单元；并且(c)示出了通过把切割单元和中心连接器紧固在一起而组装具有三个对称切割构件的铰刀。

图5-2(a)-(c)：(a)通过钣金处理示出了切割单元(其具有链接构件)的典型特征和安排；(b)示出了处于折叠形状中并且准备好进行组装的切割单元；并且(c)示出了通过把各个支撑构件的所有链接构件紧固在一起而自我组装具有三个对称切割构件的铰刀。

图6(a)-(c)示出了第II型切割单元和通过第II型切割单元组装的铰刀的详细特征。

图7(a)-(d)：(a、d)分别示出了折叠的和展开的切割单元；(b)示出了形成中心孔洞的组装好的3个细长连接构件的顶视图；(c)示出了坐落到球形模具400中的两个切割单元的剖面，所述切割单元被倾斜不同的支臂角度并且用以组装具有不同球半径的铰刀。

图8示出了具有建立在支撑构件上的主要和次要切割构件以及用于自我组装的方法的链接机制的第II型切割单元的特征。

图9示出了典型的第II型切割单元和自我组装的铰刀。

图10示出了“用于组装具有不同球半径的铰刀的单一尺寸切割单元以及用于组装铰刀的方法”的原理。图7(a)示出了固定角度方法；图7(b)示出了变化角度方法；图7(c)示出了通过球形凹模来定位切割单元。

图11(a-c)示出了通过变化角度方法来自我组装切割单元的细节：图9(a)示出了第II型切割单元的详细特征(用于变化角度的链接机制)；图9(b)示出了处于收回位置的自我组装的铰刀；图9(c)示出了处于完全伸展位置的自我组装的铰刀。

图12(a-c)示出了利用三个切割单元和主框架或中心连接器所组装的铰刀以及其分解视图。

图13(a-c)示出了通过嵌件成型注入而被嵌入到用后即丢型薄外壳保持器的包封中的第III型切割单元的详细特征。图10(a)示出了具有部分圆周边缘的切割单元；图10(b)示出了组装好的铰刀的侧视图；并且图10(c)示出了铰刀的分解视图。

具体实施方式

后面的描述和实施例以及附图是示例性的，并且不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。关于本文中所描述的切割单元和铰刀的功能、安排和制作方法所实施的针对所描述的实施例的各种替换方案不应当背离本发明的范围。后面的描述和实施例以及附图被完全详述，并且也落在本领域技术人员可理解的范围内。

参照图1，可以通过沿着从赤道202到极点203的纵轴200具有递减的直径的多个纬度圆层叠半球形空腔的典型轮廓或表面220，从而使得曲率表面的切线从垂直切线207过渡到水平切线208。这样的特性注定了切割器具的切割边缘在切割效率方面对于各个区段将表现得相当不同。例如在均匀的旋转速度下，由于线性切割速度将沿着纵轴变化，因此在赤道区中总是过度切割，并且在极区中总是较为低效的切割。但是通过在每一个区段处改变针对待切割表面220的切割边缘的特征可能减轻这样的效应。

此外，如果切割边缘的关键特征可以在适当的切割方向上实施所施加的外部原动力，则从这些力获得的杠杆作用越大，工具所将具有的切割效率就越高。类似于所有机械加工***，通过旋转切割工具在处理部件上施加两个外部原动力：由操作员施加的轴向力(垂直力)，其把工具沿着纵轴向下推到表面上，以及来自旋转动力的扭转力(水平切向力)。

此外，与所有机械加工***可比的是，评估任何切割器具并且优化其转换所施加的力的切割效率的标准主要涉及以下方面：1)改进针对对象的切割边缘的锐利度/硬度，这是在于所使用的适当材料、将其锐化的可行性以及处理方法的可用性方面；或者2)在切割点处指向两方之间的适当的接触角度；或者3)增大切割边缘针对待切割表面的总的接触面积。所有这些问题都将在本发明中得到解决，并且适用于涉及后文中的切割构件和切割单元。

在本发明中使用的切割原理与所提到的被称作“杯中的球”的新的原理一致。具有任何尺寸(小于球的直径)的杯的圆周边缘可以通过其边缘与球的球形表面的任何部分紧密接触。如果接触圆周边缘可以被想象成在后文中被称作切割构件的圆周切割边缘，其中所述切割构件具有偏离球体的纵轴并且围绕所述纵轴旋转的连续切割边缘(包括暴露于待切割表面的无限的切割点)，则可以切割出完美的球形表面。此外，一个铰刀可以配备有几个圆周切割构件。因此，由切割构件覆盖的总的接触面积将导致铰刀的每次旋转的相对较高的切割效率。

后面所讨论的所有切割单元可以由日常使用在医疗领域中的传统材料制成，比如金属、陶瓷和塑料，并且可以通过从以下一组方法当中选择的可用方法制成：分别是从金属薄板打孔、粉末冶金、精密铸造、嵌件成型注入(insert molding injection)等等。此外，通过从对应于其制作方法的一组当中选择的方法来组装切割单元：比如金属焊接、超声加热等等。由于前述原因，切割构件的硬度、锐利度和厚度的问题在本发明中不再是问题。

切割构件的边缘配置：

一般来说，在本申请中使用的术语“切割边缘”被定义成“粗糙”边缘，这是因为所述切割边缘是通过常规的冲压/打孔而制成的，从而在其边缘处形成直角边缘，或者不施加附加的处理(例如锐化)。参照图2，切割构件205还可以在其骨干的任一侧包括主要斜面，比如凿子上的主要斜面，或者在其骨干的全部两侧包括主要斜面，比如普通的刀子上的主要斜面，从而在切割构件的尖部上形成主要切割边缘254，或者称作切割构件的末端切割边缘。主要切割边缘254可以通过传统方法形成，或者在传统处理或维护步骤期间很容易其从外表面进行锐化，即使在操作暂停期间也是如此，这是因为所述连续圆周边缘被完全暴露。因此，所形成的主要切割边缘254能够锐化，并且在锐化之后具有非常薄且锐利的边缘，这与刀子类似，并且可以是用于多次使用的耐用型，并且在由适当材料制成的情况下能够应对任何类型的骨骼形式或质量。但是本发明中的这样的切割边缘的锐利度不再是像现有技术中的铰刀那样导致意外的更短使用寿命的问题。

还参照图2，具有主要斜面的主要切割边缘254还可以包括多个凹痕255以作为切割边缘的附加特征。所期望的凹痕数目和类型可以延长暴露于表面220的总的切割边缘面积。关于形成在主要切割边缘254上的凹痕的各种选择包括对称或不对称V形258、圆形耙指凹痕或者其他选择，以及关于如何沿着主要切割边缘254分布凹痕的选项。凹痕沿着切割边缘的分布取决于球体220的特定区段中的切割边缘的切割效率的需求。当然，邻近的凹痕之间的中断间隔越短，所给出的切割单元的切割效率就越好。正如在其他切割器具中所熟知的那样，具有凹痕255的主要切割边缘254表现出粗糙切割行为以及比不具有凹痕的切割边缘更高的切割效率。参照图2(b)，通过在每一个凹痕255的侧壁或边缘上添加另一个主要斜面以用于产生被称作次要切割边缘258的侧面切割边缘，可以进一步增强这样的切割效果。一个类似的实例是刀子上的锯齿状边缘。因此，所添加的这样的侧面切割边缘258为每一个切割边缘提供了不同的切割特征，并且在从不同角度切下目标上的构造(比如骨骼、软组织)方面更加强力，特别在主要切割边缘具有较弱切割效果的区域或点上(在极区处)尤其是如此。后文中所公开的新颖切割边缘可以作为其中一个主要切割边缘以不同方式转换推力以及扭转力，以便进一步改进切割效率。

凹痕255的主要切割边缘254和侧面切割边缘258上的主要斜面角度都是可选的，并且取决于其在圆周上的位置以及关于所期望的切割效率的优选项。这样的凹痕的详细特征可以通过传统的处理方法来实现，并且关于更好的切割行为、切割构件的强度及其制造的可行性在涉及切割边缘方面给出了附加的选项。

参照图2，由于所定位的切割单元的切割轴具有朝向纵轴200的所期望的支臂角度224，因此作用在表面220的每一个切割点处的主要切割边缘254的切割方式将从球体220的赤道202到极点203发生物理上的变化。通常来说，连同球形表面220的曲率变化和切割构件的每一个切割点处的径向线(radial line)，其切割行为关于其接触表面220的方式可以被分类成不同的切割模式(从3D视图看来)：分别是直线切割模式和侧向切割模式。直线切割模式被定义成主要切割边缘254正面直线朝向待切割表面(切割点的径向线与表面220的相应的纬度圆平面平行、共面或者处于相同的水平)，这类似于平面切割边缘朝向待切割木材的方式。侧向切割模式被定义成主要切割边缘254侧向朝向待切割表面(切割点的径向线偏离相应的纬度圆的水平面)。举例来说，在靠近极区和赤道的区域处，主要切割边缘通过典型的侧向切割模式对表面220进行铰削。在靠近切割点的径向线与相应的纬度圆的平面重叠在一起的交叉点的区域处，主要切割边缘254在作为剥离模式的直线切割模式下对表面220进行铰削。在所述两个区段之间的节段中，主要切割边缘254的铰削行为具有各种比例下的两种典型切割模式的混合方式。显而易见的是，直线切割模式更高效地在表面220上执行扭转力，但是更少使用推力。侧向切割模式只能部分地执行施加在其切割上的推力和轴向力全部二者。

参照图2(c)，位于球形表面220的上方部分(靠近赤道区)处的凹痕的侧面边缘可以朝向2到3点方向，并且位于下方部分(靠近极区)处的凹痕的相对侧向边缘朝向7到8点方向。这两个区域中的这样的侧面边缘将比主要切割边缘更加高效地实施并利用所施加的推力，这是由于侧面边缘与表面220相遇的方式而造成的。因此，不同位置的凹痕255可以具有不同的切割需求，并且可以通过相应地改变凹痕的类型和分布来进行管理。从这一方面，推力可以特别增强特定的待切割区域(例如极区)处的凹痕的切割结果。在逻辑上，将由主要切割边缘254在侧向切割模式下切割的球形区域越多，所需要的凹痕255就越多。所形成的凹痕的类型及其安排通过传统的处理步骤是可行的，从而在铰刀设计中带来用于修改切割单元的行为的另一个优点。因此，具有前面描述的所有特征的“良好”切割边缘定义后文中的术语“切割构件”。

切割单元的配置：

参照图1到图3，在切割构件205与球形表面220之间的每一个接触点处，存在定义在切割构件205的骨干或外表面243与球形表面220上的接触点的切线208之间的接触角度β239。参照图1(c)，切割构件205从支撑构件304向内延伸并且通过弯曲角度237朝向切割轴212弯曲，从而形成与待切割表面的所期望的接触角度239和圆周边缘的弯曲高度257。在其他实施例中，切割构件朝向切割轴向内拱起所期望的弧形，从而产生所期望的接触角度和圆周边缘的高度。这样的弯曲高度257和弯曲角度237在这里确定切割构件的虚拟切割半径212、虚拟切割平面228和接触角度239，而不管前面所列出的弯曲方式如何。与其中一个其他切割器具类似，通过将接触角度β239合理化将优化切割行为、切割器具的效率和表面220的质量。关于前面提到的切割构件的类型，可以在其制造期间管理在切割边缘的任何区段/节段处朝向待切割表面220弯曲的所期望的角度。切割构件的可选择的接触角度以及对于不同的区段改变接触角度可以是用于设计切割单元的本发明的其中一个优点。所形成的接触角度239越小，切割边缘的切割行为就越激进。其在本发明的铰刀设计中为修改/改变切割构件行为带来了主要因素。所设计的每一个切割单元的接触角度239还与待切割球形表面的半径以及在表面的每一个区段中所需要的切割效率和行为相关。经过优化的接触角度对于不同的情况应当处于5到30度之间的范围。

一般来说，在本申请中定义的术语“切割单元”包括从相应的支撑构件延伸出来并且准备好用于组装铰刀的(多个)切割构件。

参照图1，根据前面所提到的“杯中的球”原理，球直径ψ以及将由铰刀铰削的球形表面220的规格或面积可以基本上分别由圆周切割单元的几何参数和定位参数决定，所述参数定义如下：

定位参数包括被称作支臂长度d 212的偏移距离，其定义球心214与切割构件的圆心216之间的距离；以及被称作支臂角度α224的偏移角度，其定义纵轴200与切割构件的切割轴212之间的角度，切割轴212则由球心214与切割构件的圆心216或切割平面之间的线定义；以及

规格参数：切割构件的半径。

此外，几何参数还可以包括：切割构件205的圆心、虚拟切割轴、虚拟切割半径和虚拟切割平面230。定位参数主要考虑切割构件相对于球心214和纵轴200的位置。切割构件205的边缘配置可以包括所形成的接触角度239或弯曲角度、斜面角度、凹痕及其分布。所有参数合在一起是用于定义铰刀的切割单元以及球半径的必要因素。根据前面的标准，切割单元的类型可以被如下分类：

第I型切割单元包括从支撑构件304延伸出来的切割构件205。切割构件205具有其边缘配置并且还由几何参数定义，虽然其从支撑构件304延伸出来或者被嵌入到支撑构件304中，但是其朝向纵轴200和球心214的定位参数将由铰刀的安放构件或中心连接器的相应指向决定。

第II型切割单元包括从支撑构件304延伸出来或者与支撑构件304嵌入在一起的(多个)切割构件。(多个)切割构件205具有其关于相同的支撑构件上的链接机制的边缘配置和指向，并且还由组装铰刀时的几何和定位参数定义。所形成的切割单元准备好或者由铰刀的保持构件、中心连接器保持，或者通过链接机制自我组装在一起。

第III型切割单元包括仅具有自身的边缘配置并且准备好被嵌入到支撑构件或铰刀框架或中心连接器的口袋或包封中并且由其定形的切割构件。所述口袋或包封的形状和指向决定第III型切割单元的切割构件的几何和定位参数全部二者。

此外，参照图3，第I型切割单元的一种情况，切割单元的支撑构件304包括正面/领先边沿372、背面/拖后边沿374。支撑构件304的配置是从以下各组当中选择的：盘状355、环形、圆柱形、部分圆周边缘、带状和其他配置或者其组合。建立在支撑构件上的切割构件的位置和指向取决于切割单元的功能和类型以及将被组装的方式(例如可重复使用或用后即丢)。尽管第I型切割单元中的支撑构件304有各种形状，其功能可以是相同的，并且包括切割构件205从支撑构件304(在这里也被称作底座部分)延伸出来从而形成切割构件205的切割半径218、切割平面230、接触角度239，并且提供准备要与铰刀的框架或中心连接器的安放侧耦合的接口367。

在结构上，切割构件的圆周边缘可以被进一步分类到两个半区中：关于沿着圆周边沿的安排的正面/领先区段，其在逆时针旋转中从6点开始到中午12点，以及背面/拖后区段，其在逆时针旋转中从中午12点到6点。有两种类型的切割构件位于每一个区段上：

参照图2(a)和图8(a)，C型切割构件234和85指的是逆时针从180度或更多到0度(如果0度指向6点位置或极点)的圆周边缘，并且沿着其中心线后方的向后过多拱起的引导线形成凹切割边缘234(类似于字母C的凹边)。不管其位于哪一个区段上以及具有何种类型的边缘配置，主要切割边缘总是从极点开始，并且可以处在完整半圆或部分半圆中。

参照图2(c)和图8(b)，D型切割构件205和83指的是顺时针从180度或更多到0度(如果0度指向6点位置或极点203)的圆周边缘，并且沿着关于其中心线过多地向前拱起的引导线形成凸切割边缘205(类似于字母D的凸边)。

参照图8，在其他情况下，支撑构件82在该支撑构件上包括两个切割构件。位于支撑构件82的领先边沿处的主要切割构件能够至少切割从赤道到极点的区域，尽管其圆周切割边缘可能小于半圆，并且可以具有分别如图8(a)和图8(b)中所示的D型83或C型85切割边缘的形状。如图8中所示的次要切割构件86位于支撑构件82的领先与拖后边沿之间的某处，并且通常在相同的支撑构件82上与任一种类型的主要切割边缘83或85相组合。两个切割构件具有完全相同的切割半径和切割平面，并且符合几何规则。次要切割构件能够只切割除了半球形表面的赤道和极点之外的区域，并且只能具有C型切割边缘。

第II型切割单元中的支撑构件的功能可以包括：1)从支撑构件延伸出来或者与支撑构件嵌入在一起的(多个)切割构件，从而形成并且将其定位在适当的形式和预设的指向中(两个参数)；2)连接构件644能够把两个相继的支撑构件651直接链接在一起并且弯曲到特定方向，从而使得相应的切割构件660被指向纵轴和球心，如图5(c)、6(c)中所示，或者如图9中所示，第一切割单元上的连接构件54与相继的切割单元上的第二接收构件56结合在一起，支撑构件51的第一接收构件55还接合中心连接器，所述中心连接器能够与驱动轴杆耦合。

第III型切割单元中的支撑构件是可选的。参照图4，其功能可以是作为把所有切割构件/边缘604连接在一起的链接带，或者是作为用于在嵌件成型期间便利地定位切割构件的***。

根据本发明的切割原理，第I和II型切割单元还适合于通过相同的切割单元组装具有不同尺寸的铰刀。参照图10，如果相应的参数(例如切割边缘的支臂角度、支臂长度、切割直径和完全相同的切割平面)全都满足所述原理，则所述方法被称作“用于组装几种尺寸的铰刀的单一尺寸切割单元”方法(在后文中简称作“一对几”)。

铰刀的配置和组装方法：

一般来说，通过前面讨论的第I型切割单元组装的铰刀可以具有以下形式：1)铰刀具有通过锁定机制与耐用型框架或中心连接器的安放部位相耦合的用后即丢型切割单元，并且在切割单元变钝时将其丢弃；2)铰刀(可重复使用的或用后即丢型铰刀)具有与框架或中心连接器的安放部位组装在一起的切割单元；或者切割单元在预设的支臂角度和支臂长度处融合在一起，并且当铰刀变钝时将其一起丢弃。

在第一种情况下，铰刀可以包括具有多个对称地安排的安放部位的至少一个主框架或中心连接器，或者如果必要的话还有相应的切割单元以及其他类似的辅助组件。因此，每一个切割单元/构件可以被可释放地安放或嵌入在主框架或中心连接器的安放部位上。

根据所述原理，如果被定位在不同于其他铰刀中的相应的支臂长度和/或支臂角度处，则具有给定的切割直径的每一个切割构件适合于切割各种尺寸或部分的球形表面。因此，几何规则将导致用于形成特定球形铰刀的两种适用的形式：1)如果相同尺寸的切割构件通过保持构件被定位或者被自我组装在不同的切割支臂长度处，则所建立的铰刀具有不同的球半径。2)如果铰刀配备有具有特定直径的完全相同的切割构件并且能够至少连续地改变切割单元的支臂长度，则铰刀变成可伸展的铰刀。

更具体来说，如果条件得到满足，则“一对几”方法可以形成几种尺寸的铰刀。根据几何规则，存在用以从相同的切割单元组装这样的具有各种球半径的铰刀的各种方式：

固定角度方法：组装好的具有完全相同的几何参数的所有切割单元可以具有相同的支臂角度但是不同的支臂长度，以用于组装铰刀的不同球半径。例如参照图10(a)，如果具有特定切割直径521的切割单元520被组装在一起并且呈现出固定的支臂角度522和第一支臂长度524，则所建立的铰刀具有第一切割半径561；并且如果其呈现出相同的支臂角度522但是呈现出第二支臂长度526，则所建立的铰刀可以切割出另一种尺寸526的球形表面。在这种情况下，所有切割单元具有相同的切割半径并且总是被对称地安排，铰削待切割表面的完全相同的区域。参数变化仅仅改变铰刀的球半径。

变化角度方法：如果通过同时地并且对称地把相应的切割单元520的支臂角度532变化到538并且把支臂长度540变化到534的方式来组装切割单元，则所形成的铰刀的球半径被从第一球半径530改变到第二球半径550。同时地并且对称地改变全部两个参数(角度和长度)等效于围绕球体的极点542摆动切割平面。摆动角度被定义成纵轴与切割构件的切割平面之间的角度。参照图10(b)，根据几何规则，具有特定切割直径的切割单元520可以在切割平面的第一摆动角度处切割第一球形表面530；并且参照图10(b)，通过围绕作为枢轴542的极点的切割平面的另一个扩大的摆动角度来切割第二(扩大的)球形表面550。在这种情况下，所有切割构件具有相同的切割半径，铰削待切割表面的完全相同的区域。这意味着尽管所有切割构件的支臂角度和长度都已从先前的支臂角度和长度发生了改变，但是其仍然处于对称的布局中，在所述布局下所有切割单元具有相同的支臂角度，因此切割区域是相同的。参数变化仅仅改变铰刀的球半径。

重叠方法：参照图1和7(c)，具有相同半径的每一个切割构件被指向在自身朝向纵轴和铰刀的球心的独有位置处，并且切割待切割表面的不同但是部分地重叠的维度。为了改变铰刀的球半径，不管球半径如何，每一个切割构件的支臂角度224不同于其他切割构件。在扩大球半径的情况下，所有切割构件的支臂长度212被同时伸展；但是一个切割构件426的支臂角度224或切割轴被朝向赤道202的方向倾斜或转动，相反，另一个切割构件的支臂角度224或切割轴被朝向极点倾斜或转动，因此对应于每一个切割单元的支臂角度被不对称地改变，并且随着扩大铰刀的球半径，两个切割构件的重叠切割区域变得更小。尽管所有切割单元具有相同的切割半径，每一个切割单元铰削待切割表面的不同区域。

本发明中所描述的“一对几”方法可以借助于具有球形空腔的凹模等等来实现，并且具有将要组装的铰刀的所期望的规格。参照图10(c)，例如切割单元554的每一个支撑构件552上的连接构件550可以与相继的支撑构件553上的第二接收构件连接，随后各个切割单元分别在朝向纵轴和球心的所期望的指向和位置方面被明确地定位，同时其坐落在球形凹模556中并且所有切割构件与空腔的球形表面560紧密接触，随后所有切割单元被结合在一起，并且通过把链接机制适当地机械处理(焊接或类似处理)在一起而紧固其状态，比如凸榫-榫槽接头或者任何等效特征。利用前面讨论的方法组装的所有切割单元可以通过与第一接收构件接合的中心连接器而得到进一步强化，所述中心连接器也是用于与驱动轴杆耦合的接口。

支撑构件上的每一种尺寸的连接构件550可以具有允许铰刀球半径的大约10mm的直径变化的裕量，而不会影响所述固定或变化角度方法的切割结果的规格精度和质量。举例来说，通过所述变化角度方法，具有22mm切割半径的切割单元可以组装具有从52mm 530到62mm 550的球直径的铰刀(图10(b))。从制造的观点来看，这样的处理和组装方法可以在用于制作每一种个别尺寸的切割单元的模具上节省大量工具作业成本，特别是用于制造具有1mm增量间隔的铰刀的集合。

1、通过第I型切割单元组装的铰刀：

一般来说，通过第I型切割单元组装的铰刀可以是：1)作为用后即丢部件的第I型切割单元通过锁定机制与框架或中心连接器的安放部位相耦合，在切割单元变钝时被丢弃，参照图12。2)第I型切割单元与(可重复使用或用后即丢的)框架或中心连接器的安放部位组装在一起，具有预设的支臂角度和支臂长度，并且在其变钝时被一起丢弃。

第I型切割单元具有仅通过几何参数定义的切割构件的结构。其在铰刀上的位置由框架或中心连接器上的安放部位的指向和位置决定。因此所述方法被称作“在(多个)保持构件上定位切割单元的方法”。通过组装/耦合，切割单元的指向依赖于安放部位或类似组件的指向。在这种情况下，切割单元或者是可更换部件，或者作为一件式铰刀与框架或中心连接器集成在一起。通常来说，对于用后即丢型铰刀，可以通过包覆成型、嵌件成型或者超声加热把具有特定配置的塑料框架或中心连接器与切割单元组装在一起。此外，参照图10，如果有适当的框架或中心连接器可用，则还可以通过“一对几”方法来组装第I型切割单元。

2、通过第II型切割单元组装：

由于第II型切割单元中的切割构件是通过几何参数和定位参数全部二者或者等效的方式而定义的，并且很容易用于通过所谓的“自我组装切割单元”方法按照以下方式来自我组装铰刀：1)一个支撑构件上的链接机制(比如凸榫-榫槽接头)与相继的支撑构件的链接机制同心地耦合在一起从而组装铰刀，同时每一个支撑构件朝向纵轴向内弯曲；2)或者借助于中心连接器，一个支撑构件上的链接机制与相继的支撑构件上的链接机制同心地耦合在一起，从而组装铰刀；3)或者连接构件把两个支撑构件链接或合并在一起从而成为已结合的切割单元，随后中心连接器与所述已结合的切割单元的接收构件正交地耦合在一起从而成为铰刀。

参照图11，如果链接机制或链接构件是适用的并且组装好的部件的指向遵循前面的几何规则，则所述自我组装方法还可以与“一对几”方法(特别是变化角度方法)相组合。根据变化角度方法，具有特定配置的切割单元(如果满足完全相同的规则的话)能够自我组装具有不同球半径的铰刀(把切割构件的切割平面围绕球体的极点摆动所期望的摆动角度)。参照图11(b)，由于切割单元在扩大铰刀的球半径的过程中适合于围绕极点摆动任何所期望的摆动角度，因此对于所形成的铰刀的初始尺寸，切割构件能够覆盖球体的总表面范围的大约60％的切割区域(其上方边缘位于赤道点上方)。参照图11(c)，一直到铰刀的完全扩大的最终尺寸，切割构件的切割区域覆盖至少覆盖半球体(其上方边缘位于赤道点处)。因此这意味着在使用变化角度方法时，用于所形成的铰刀的初始尺寸的切割构件的切割直径的尺寸过大。

3、通过第III型切割单元组装：

1)第III型切割单元：每一个切割单元或切割构件或者作为嵌件被实际嵌入到如图13中所示的用后即丢型中心连接器或铰刀保持器(其具有薄铰刀外壳)的多个接收沟槽中，或者被嵌入到用后即丢型支撑构件的接收沟槽中，从而变成如前面所描述的第II型切割单元。举例来说，切割单元具有带状切割边缘或构件，并且能够通过嵌件成型方法被嵌入到用后即丢型铰刀保持器的接收沟槽中，从而形成单个铰刀。接收口袋的弧形接收沟槽能够把带状切割构件弯曲到所期望的切割直径，并且将其定位在所期望的支臂长度和支臂角度处。切割构件被与切割单元的用后即丢型支撑构件(而不是铰刀保持器)嵌入在一起，这样的切割单元可以被形成为只具有特定切割直径的第I型切割单元，或者如果其切割参数和定位参数都已被支撑构件固定则可以被形成为第II型切割单元。

参照图4，在第III型切割单元的其他实施例中，切割单元61包括通过支撑带63链接的两个切割构件68。通过铰刀保持器的接收沟槽的形状和位置来调控切割构件的嵌入方式，包括切割构件的切割半径、支臂角度和支臂长度。

实施例I：

后面所讨论的每一个铰刀具有切割球半径、纵轴和球心。

作为通过第II型切割单元组装的铰刀的第一选项，参照图1和5-1，铰刀300包括切割单元302和中心连接器320。正如前面所提到的那样，所述切割单元是第II型切割单元，这是因为每一个切割构件205的指向和几何形式在钣金处理期间是固定的。其包括切割构件205的切割半径、切割平面、切割中心和切割轴。这样的指向可以通过钣金形式的切割单元的预设参数来定义。在钣金处理期间形成的预设参数包括切割半径218、切割平面230与肢体310的平坦平面(planar plane)之间的指向或弯曲角度、每一个分支肢体310从纵轴的适当延长以及薄壁半径232。

参照图5-1(a)，切割单元302的最重要的特征是在钣金处理期间实现的；尽管其具有2维格式。在一件式铰刀被组装之前，切割单元302包括连接构件316，所述连接构件316具有中心孔洞和彼此均等地间隔开的三个肢体。每一个肢体从纵轴水平延伸到连接在每一个肢体的后端处的支撑构件。每一个支撑构件304包括具有半径232的部分球形外壳薄壁，以及至少链接机制(比如一个链接构件)，或者位于其下方部分中的一个接收构件312。三个支撑构件304具有完全相同的配置并且被围绕纵轴对称地安排，并且通过120度角度间隔本次均等地间隔开。每一个肢体310具有从中心孔洞延伸到每一个支撑构件304的上方边沿308的特定长度。

为了组装铰刀300，每一个支撑构件304朝向纵轴同心地向内弯曲，这是通过形成连接构件316的平坦平面与每一个切割构件的切割平面之间的弯曲角度以及球形与其切割中心之间的支臂长度，中心连接器320的接口314则与每一个支撑构件304的接收构件312同心地耦合。与此同时，每一个切割构件具有通过几何和定位参数全部二者定义的位置并且满足几何规则。当铰刀300被组装时，支撑构件304的部分球形薄外壳的半径小于铰刀的球半径，并且形成半球形圆顶。在折叠支撑构件304的过程中，其拖后边沿变得靠近相继的切割构件的切割平面230，但是在其间留出2-4mm的间隙340以作为用于收集切割碎屑的通道。

参照图5-1(a、b)，一般来说，作为支撑构件304与肢体310之间的过渡部分的每一个延伸平面348最初在钣金工作之后与其中一个肢体共面，并且在折叠/组装步骤期间与支撑构件一起被朝向纵轴向内弯曲肢体310与延伸平面348之间的弯曲角度350。在这种情况下，在图5-1(b、c)中，每一个延伸平面348在被弯曲时与纵轴平行。肢体310与延伸平面之间的弯曲角度350是90度角。所弯曲的该临界角度必须尽可能地精确，并且是借助于球形凹模来实现。换句话说，在该角度下，切割构件的所有部分可以与空腔的表面紧密接触，并且中心连接器320的接口314能够与每一个支撑构件304上的相应的接收构件或开口320完全耦合，以便把所有支撑构件304紧固在正确的位置处。所使用的球形凹模的每一种尺寸与将要形成的铰刀的球半径相匹配。支撑构件304和中心连接器320通过例如焊接之类的紧固方法被一起紧固在每一个耦合点处。这一关键工具还可以测试如图5-1(b)中所示出的每一个折叠的切割单元303是否良好地坐落到空腔中，以及所有切割构件是否与球形模具的表面紧密接触。

参照图5-1(c)，铰刀可以通过连接构件316与驱动轴杆同心地耦合，轴杆的中心销则***到连接构件316和中心连接器320全部二者中的第一和第二中心孔洞中。如果第一和第二孔洞具有不同的尺寸，则通过连接构件316和中心连接器320的接触表面上的全部两个中心孔洞342，全部两个构件可以不同地实施轴向力(通过全部两个构件)和扭转力(仅通过中心连接器)。从本领域技术人员的观点来看，可以添加任何详细的特征、因素，以便在增强其可靠性和耐用性方面强化铰刀的结构。

作为一个附加的实例，切割单元包括连接构件，所述连接构件具有在相反方向上延伸的两个肢体。每一个肢体按照在前面的情况中所描述的方式与在其领先边沿上具有切割构件的相应支撑构件直接链接。大多数特征安排也与前面的情况中相同，其不同之处在于只具有两个肢体以及部分球形薄外壳的不同形状。这样的切割单元初始地通过钣金方法被处理，以用于固定切割构件的指向。其支撑构件按照在前面的情况中描述的方式被向内折叠，并且随后准备好用于组装。具有完全相同的配置的两个切割单元可以沿着纵轴被同心地并且正交地层叠在彼此之上，并且随后按照与前面的情况中相同的方式借助于球形模具把所有支撑构件与中心连接器320同心地组装在一起。所建立的铰刀在这里具有安排在薄外壳圆顶上的4个切割构件。

作为通过第一种情况中的相同类型的切割单元所组装的铰刀的另一个选项，参照图5-2，切割单元的大多数配置与前面的情况中完全相同，但是每一个支撑构件具有链接机制，比如链接构件321，而不是从薄外壳壁向内打出孔的接收构件312。所有支撑构件都朝向纵轴向内弯曲，并且链接机制321在纵轴处合并并且紧固在一起，因此可以只通过单个切割单元来组装铰刀。在铰刀的组装步骤期间，作为支撑构件304与肢体310之间的过渡部分的每一个延伸平面348与支撑构件304一起被朝向纵轴向内弯曲肢体310的平坦平面346与延伸平面348之间的弯曲角度360。与此同时，链接构件321能够在纵轴处与其他相继的支撑构件304上的其他链接构件321连接在一起。所有支撑构件304的这些链接机制可以通过各种机械方法在没有中心连接器的情况下被紧固在一起。因此，通过单个切割单元而不是两个部件来组装铰刀。如果链接构件被适当地设计，则可以从自我锁定、焊接和其他等效方法当中选择一种把各个链接构件紧固在一起的方法。所使用的球形凹模的每一种尺寸与将要形成的铰刀的球半径相匹配。在通过焊接把各个支撑构件304紧固在一起之后，这一关键工具还可以测试每一个折叠的切割单元是否及如何坐落到空腔中，以及所有切割构件是否与球形模具的表面紧密接触。

作为如图6中所示出的通过第II型切割单元组装的铰刀的另一个选项，铰刀可以是可重复使用的或用后即丢型铰刀60。其基本上包括具有两个保持侧面或接口的一个主框架或中心连接器62，这是因为每一个第II型切割单元在这里已经具有建立在其自身上的几何和定位参数。

中心连接器62包括沿着纵轴的圆柱形部分602，其中在其圆柱体602的上方远端处具有耦合接口606以用于与驱动轴杆耦合，并且包括从下方圆柱体节段602径向地并且对称地延伸出来的四个四分之一圆板614。被称作接收开槽611的穿孔开槽垂直分离四分之一圆板614的下方节段并且穿过纵轴。有两个接收开槽611被彼此正交地安排在纵轴处，并且形成用于从其下侧接收每一个切割单元的两个接收口袋。接收开槽611朝向极点向下打开，并且具有上达球心的所述开槽的天花板，以及与切割单元的厚度相匹配的宽度。接收口袋可以通过保持机制(未示出)牢固地保持或释放两个可更换的第II型切割单元632、634。还有用于形成收集壁620的薄外壳侧壁，其可以在逆时针方向上从四分之一圆板644的每一个拖后板延伸出来。每一个主框架或中心连接器的薄壁具有与实施例I中所描述的类似的功能和配置。

参照图6(c)，这里所示出的每一个切割单元包括连接构件644，在这里被称作底座部分的半圆板，以及位于其每一个远端处并且在相反方向上从连接构件644弯曲第一弯曲角度662的两个支撑构件651。典型的第一弯曲角度662是90度。围绕其圆周拖后边沿建立圆形切割构件，并且分别形成切割半径、切割平面、切割中心和切割轴。支撑构件被延伸并且弯曲，从而使得切割构件的切割轴从纵轴倾斜给定的支臂角度，并且使得所形成的切割中心从球心离开支臂长度。因此，切割构件在这里拥有决定铰刀的球半径和切割区域的所有几何和定位参数。连接构件644与切割构件660之间的支撑构件651还可以是被称作过渡壁的部分薄外壳壁，其具有与框架或中心连接器中相同的半径。

参照图6，所形成的铰刀包括两个链接的切割单元，在其底座部分的结构上有一点不同的上方632和下方底座部分634。链接机制(比如中心定位开槽)、接收构件646分别相反地位于上方656和下方底座部分658上，从而使得两块板沿着纵轴正交地接合在一起。参见图6(a)，链接的切割单元可以分别被滑动到其中心定位开槽646中从而形成已结合的切割单元，所述已结合的切割单元准备好与框架或中心连接器612的接收开槽611相耦合。

作为通过自我组装方法把第II型切割单元组装在一起的另一个选项，参照图9，铰刀50包括三个完全相同的切割单元52，所述切割单元是取决于其可行性通过传统的打孔/冲压规程从钣金或其他方法制成的。每一个切割单元包括支撑构件51和一个内建的D型切割构件，即切割构件53。具体来说，支撑构件51的形状是部分球形薄外壳，以用于增强其强度并且实施被施加到切割构件的力。所述薄外壳的半径对于结构并非关键，并且其直径比待切割表面的尺寸小至少2mm。切割构件205还可以是支撑构件51的领先边沿53处的D型或C型圆周切割边缘，并且覆盖至少从表面的赤道到极点的切割区域，尽管其切割边缘可能小于圆周的一半。一旦三个切割单元被结合成集成的铰刀，每一个切割构件朝向球心214的位置是同心的，并且必须分别通过几何和定位参数被精确地定义。每一个切割构件53具有适当的边缘配置以及朝向表面220的均匀接触角度。可选的是，在凹痕的包封内还有侧面切割边缘，并且在凹痕的侧壁上还有附加的主要斜面。部件中的这样的细节构造可以通过粉末冶金或塑料成型等等而制成。

参照图9，支撑构件还包括链接机制，即连接构件54和第二接收构件56，比如拖后边沿上的凸榫和靠近支撑构件51的领先边沿53的位置处的榫槽接头，以用于通过超声加热(如果支撑构件51是由塑料制成的话)与邻近的切割单元进行组装；或者对于金属支撑构件则通过金属焊接方法进行组装。

此外，借助于使用半球形凹模把所有切割单元定位在任何所期望的位置和指向，通过这样的凸榫54-榫槽56接头可以用相同的切割单元集合来组合不同尺寸的铰刀。如果使用“一对几”方法进行组装，则连接构件应当在长度和指向方面都具有特定裕量，以便配合各种尺寸的铰刀形式。为了进一步强化所结合的各个工件，可以通过适当的方式并且在适当的位置处把作为分支杆(未示出)的附件机械地或者可释放地与已结合的铰刀联合在一起，即支撑构件51上的第一接收构件55。其形成用于与驱动轴杆耦合的接口。

参照图11，用于组装铰刀的另一种替换的方法是“自我组装”方法与“一对几”方法相组合。通过传统规程制成的两个完全相同的切割单元70构成支撑构件82，其具有两个内建的切割构件，即主要切割构件83和次要切割构件84。与前面的其中一种情况相比的主要差异在于，支撑构件82还包括另一种类型的链接机制：以镜像方式位于中心平面的不同侧的连接构件90(比如凸榫)和第二接收构件或开口91(比如榫槽)。中心平面在这里与纵轴和每一个切割单元的切割轴共面或者由其决定。具有弧形条带形状728的连接构件90从支撑构件82的内表面的下方部分延伸出来，并且在其条带的远端部分处弯曲。连接构件90的弧形部分728具有与切割单元的摆动轨道相匹配的形状，以便允许切割单元围绕极点自由摆动。两个完全相同的切割单元70通过其链接机制90、91被自我组装在一起，并且通过焊接被紧固。如本领域技术人员所知，摆动点是待切割球形表面的极点。参照图10(b)，可以通过把摆动角度从一个角度改变到另一个角度而实现所建立的铰刀的球半径的变化，正如分别在图9(b)和(c)中所示出的那样。

借助于具有前面所讨论的情况中的相同要求的工具作业模具，能够通过支撑构件上的这样的凸榫-榫槽接头用相同的切割单元集合精确地组装铰刀的不同球半径。把带状连接构件从外侧与支撑构件的对应部件焊接或紧固在一起，以便永久性地固定其位置/结构。进一步强化所链接的切割单元，这是通过中心连接器730(两个横杆)在组装期间与第一接收构件89紧固在一起，以便与轴杆相耦合。所使用的模具的规格决定所期望的铰刀的球半径。参照图11(b、c)，通过在不同的摆动角度中摆动围绕极点组装的两个切割单元的切割平面，铰刀的球半径从第一球半径变化到第二球半径。

或者，切割单元70还可以通过嵌件成型注入(正如前面所提到的那样)由用后即丢型材料(塑料)制成，并且包括支撑构件82，所述支撑构件82具有塑料主体以及由金属板制成的切割构件(如图4中所示的第III型切割单元)以作为支撑构件82的嵌入切割构件。切割构件通过嵌件成型注入与支撑构件82结合在一起以作为单个工件，并且具有与前面的描述中的其中一个由金属板制成的切割单元完全相同的配置。这样的切割单元能够按照前面所描述的各种方式通过超声加热被自我组装，从而形成具有不同球半径的单个铰刀。

参照图7，通过组合“自我组装”方法与“重叠”方法而使用另一种用于组装铰刀的替换方法。在图7(a、d)中分别示出了折叠的或展开的切割单元403或402。切割单元最初是通过传统的钣金规程而制成的，以便在支撑构件304上形成所有必要的特征并且具有如在前面的情况中所描述的特定位置关系，其不同之处在于，展开的连接构件410的一个不同的特征是链接机制的一部分，其被延长特定距离并且具有直线开槽422，所述直线开槽422具有连接构件410的一个打开的远端。参照图5-1和图7，所述预设参数特别包括：切割轴212、纵轴200以及肢体310的两个边缘的中心线处于共同的平面中。切割构件205的切割平面230形成朝向肢体310的平面的特定角度。从上方边缘308到纵轴200的特定距离或支臂(肢体)长度应当足够长并且满足几何规则。参照图7(c)，作为一个独立的部件，切割单元在这里能够组装具有不同球半径的铰刀。为此，连接构件410和打开的开槽422的长度裕量比距具有足够的长度，以便满足连接构件410的水平延伸节段415和垂直节段442全部二者的要求。

参照图7(c)，作为实例，切割单元的两个切割构件425和426分别与球形空腔的表面紧密接触。每一个切割构件覆盖球形表面的不同纬度。在所覆盖的上方和下方纬度之间存在重叠部分。为此，每一个连接构件410在不同的区域442中被弯曲不同的弯曲角度440，从而把连接构件410分离成水平延伸节段415和垂直节段442。随着铰刀的球半径增大，除了同时增大支臂长度，上方切割构件426的切割轴围绕球心214进一步向赤道202转动，并且下方切割构件425的切割轴相反地向球形表面的极点203转动。适当的弯曲角度440和延伸区域420的高度决定每一个切割构件朝向纵轴的位置和指向以及两个肢体414在将其组装在一起的过程中彼此会合的方式。

取决于所需的铰刀的球半径，具有相同的展开形式的切割单元402在连接构件410的特定位置处向内折叠特定的弯曲角度440。对于每一个折叠的切割单元402，连接构件410的水平延伸节段415和垂直节段442的长度可能不同。当所有部件坐落到球形凹模400中时，首先所有切割构件与空间的表面紧密接触，随后可以把所有连接构件410沿着纵轴的方向水平地层叠起来，并且彼此通过特定角度间隔(180、120或90度角)均等地间隔开。参照图7(b)，假设通过三个切割单元组装的铰刀，当所有3个层叠的连接构件410通过120度角的间隔对称地合并在一起时，则形成中心孔洞416(从顶视图来看)。通过把中心连接器320与每一个支撑构件304的下方部分中的接收构件417耦合在一起，通过3个折叠的切割单元402组装的结构被进一步强化。可以通过把其他切割单元与不同的折叠形式相组合而组装一个切割单元，从而具有铰刀的不同球半径。取决于所组装的铰刀，切割构件的每一个切割平面具有对应于铰刀的球半径的支臂角度和支臂长度。通过这种方式形成的铰刀具有与前面的选项中所描述的类似的结构和功能。从本领域技术人员的观点来看，在不背离本发明的精神的情况下，可以在铰刀上添加任何详细的特征或因素，以便在增强其可靠性和耐用性方面强化结构。

通过回顾前面的从第II型切割单元自我组装铰刀的所有实例，共同的特征是通过以具有或不具有中心连接器的方式把各个链接机制紧固在一起而自我组装所有支撑构件。有几种方式在支撑构件上建立链接机制。链接机制如何建立在支撑构件上取决于所使用的组装方法。链接构件可以采取配对和镜像方式，并且分别处于从上方/下方部分延伸的位置处或者靠近领先/拖后边沿或支撑构件的中心平面的每一侧。将其紧固在一起的方式可以是自我链接或者通过例如中心连接器之类的配件链接在一起。

实施例II

参照图13，通过第III型切割构件或单元组装铰刀，更优选的是作为用后即丢型铰刀但是不限于此，并且包括用后即丢型薄支撑构件或铰刀外壳，或者具有保持构件916和至少两个配置完全相同的切割单元/构件904的中心连接器902。铰刀外壳902是具有比所形成的铰刀的切割半径小1或2mm的半径的部分半球形薄外壳壁910，并且包括多个保持构件920，作为进入到内部腔室中的外部半球形表面之间的隧道/通道的附近的相应的开槽开口914，以及用于与位于赤道附近的驱动轴杆相耦合的两个横杆916。保持构件912被关于纵轴对称地安排，并且包括沿着开槽开口914的球形边沿和弧形接收沟槽920，其与将被***的切割构件904的相应半径相匹配。接收沟槽920的指向和配置由相应的切割构件904的规格和定位参数定义，并且一旦切割构件904被嵌入到沟槽中还决定铰刀的球半径。所述薄铰刀外壳可以由从包括金属、陶瓷和用后即丢型材料或其他材料的一组当中选择的材料制成。第III型切割单元中的支撑构件924是可选的。其功能可以是用于在嵌件成型期间便利地定位切割构件922的***。

参照图4，在替换的用后即丢型铰刀的其他实施例中，作为嵌件切割单元的第III型切割单元61包括通过支撑条带63关于纵轴对称地链接在一起的两个完全相同的切割构件68。图4(a)示出了从薄钣金打孔的2D形状的切割单元。切割构件在被嵌入时将朝向相反的切割方向。通过支撑条带63的弯曲方式67并且还通过铰刀外壳中的接收沟槽来调控切割构件的指向和位置。支撑条带61包括三个节段：中心节段64和两个对称的侧面支臂节段65。切割构件68位于每一个侧面支臂节段65的远端。在中心和侧面支臂节段的边缘之间存在弯曲角度69，其可以对应于由切割构件形成的支臂角度(由几何规则决定)，切割构件68则被嵌入在铰刀外壳的相应口袋中。支臂节段65从中心节段64逆时针弯曲90度。相应的弯曲点67的中心与球形之间的距离与由切割单元形成的支臂长度相关。当被嵌入时，切割构件的切割直径被弯曲薄铰刀外壳的沟槽曲率的半径。参照图4(c)，当切割单元68通过嵌件成型注入或类似方法与薄铰刀外壳嵌入在一起时，建立用后即丢型铰刀。

实施例III

参照图3，这里所使用的第I型切割单元包括切割构件的两个节段：1)主要切割节段372处于圆周边缘的领先侧，并且能够覆盖待切割半球体的从赤道202到极点203的切割区域；以及2)次要切割节段374处于圆周边缘的拖后侧，并且能够覆盖半球体的从赤道202到靠近极点的中间区域376(而不是极区)的切割区域。在支撑构件304上存在详细特征：定位孔洞367和锁定孔洞369。

参照图12，铰刀70包括框架或中心连接器72的三个安放部位710。三个安放部位710可以具有相同的对称结构，其具有预设的支臂角度和预设的支臂长度，或者可以具有不对称的结构，其中预设的支臂角度是不同的，从而使得切割单元76覆盖不同的切割区域。框架或中心连接器72包括与安放部位710链接在一起的三个对称的分支杆722以用于进一步耦合到驱动轴杆，并且分别包括从相应的安放部位710延伸出来的三个收集壁720。可更换的切割单元76能够与安放表面712的定位开槽或沟槽705可释放地耦合并且通过扣合销被锁定。每一个切割单元76包括从半圆支撑构件78延伸出来的小于一半圆周的切割边缘740以及定位孔洞742。当切割单元76被定位时，所有定位参数必须满足前面所讨论的几何规则。收集壁720(侧面薄外壳壁)具有比将要切割的球半径小1-2mm的半径，并且从每一个安放部位710的拖后边缘逆时针延伸出来。所述薄壁的拖后边缘在被定位时与邻近的切割构件留下至少3-5mm的间隙724。每一个安放部位710的收集壁具有以下功能：1)在对表面进行切割的过程中收集碎屑的口袋；以及2)与附近的切割单元的主要切割边缘形成细小的切割间隙，以便防止对表面进行过度切割，类似于调节木工刨(carpenter plane)的功能。

参照图10，如果相应的框架或中心连接器是可用的，则可以通过“一对几”方法借助于半球形凹模来组装第I型切割单元。

鉴于可以在其中应用前面公开的本发明的原理的任何可能的实施例，应当认识到的是，所示出的实施例仅仅是描述本发明的优选实例，而不应当被视为限制本发明的范围。

Claims (24)

1.一种具有球半径、纵轴和球心的半球形铰刀包括切割单元，所述切割单元包括:a)从纵轴水平延伸出来的彼此均等地间隔开的多个肢体，以及b)连接在每一个肢体的远端处的支撑构件，其还包括至少一个链接机制以及沿着其圆周领先边缘建立并且具有切割半径的至少一个圆形切割构件，并且当每一个支撑构件的链接机制被同心地一起紧固在纵轴处以用于组装铰刀时被朝向纵轴向内弯曲；其中每一个切割构件拥有分别通过纵轴与每一个切割构件的切割轴之间的支臂角度以及球心与切割构件的切割中心之间的支臂长度而定义的位置。

2.根据权利要求1所述的半球形铰刀，其中，当通过主要处理对切割单元进行处理时，每一个切割构件拥有其切割半径、切割平面、切割中心和切割轴以及关于平坦平面、每一个肢体的长度和纵轴的指向关系，并且当铰刀被组装时拥有通过其支臂角度和支臂长度而定义的位置。

3.根据权利要求1所述的半球形铰刀，其中，每一个切割构件包括主要斜面和分布在切割边缘上的多个凹痕以及边缘与待切割表面之间的弯曲角度或接触角度。

4.根据权利要求1所述的半球形铰刀，其中，铰刀的球半径由每一个切割构件的支臂长度决定，并且如果切割构件的切割半径保持相同，则每一个切割构件的切割区域由其支臂角度决定。

5.根据权利要求1所述的半球形铰刀，其中，支撑构件包括部分球形薄外壳壁或盘状壁或者其组合。

6.根据权利要求1所述的半球形铰刀，其中，当每一个支撑构件被朝向纵轴向内弯曲以用于组装铰刀时，来自正交地并且同心地层叠的至少两个切割单元的每一个支撑构件的链接机制在纵轴处被同心地紧固在一起。

7.根据权利要求1所述的半球形铰刀，其中，每一个支撑构件的链接机制被同心地紧固在一起并且每一个支撑构件被朝向纵轴向内弯曲以用于组装铰刀，其中每一个切割构件拥有通过不同于其他的支臂长度和/或支臂角度而定义的位置，以便分别组装分别具有不同于其他切割构件的球半径和/或切割区域的铰刀。

8.根据权利要求1所述的半球形铰刀，其中，当每一个支撑构件被朝向纵轴向内弯曲以用于组装铰刀时，每一个支撑构件的链接机制被与中心连接器同心地紧固在一起。

9.一种具有球半径、纵轴、球形和极点的半球形铰刀包括多个切割单元，所述切割单元包括：a)支撑构件，沿着支撑构件的圆周领先边沿建立的至少一个圆形切割构件具有切割半径，以及b)多个链接机制；其中，一个切割单元的链接机制与另一个相继的切割单元的链接机制围绕纵轴同心地紧固在一起以用于组装铰刀，其中每一个切割构件拥有分别通过纵轴与每一个切割构件的切割轴之间的支臂角度以及球心与切割构件的切割中心之间的支臂长度而定义的位置。

10.根据权利要求9所述的半球形铰刀，其中，链接机制包括按照成对和镜像方式并且分别在上方/下方部分或领先/拖后边沿或者在支撑构件的中心平面的每一侧建立的至少一个连接构件和/或一个接收构件或链接构件；并且其中，切割单元的中心平面由纵轴和每一个切割单元的切割轴决定。

11.根据权利要求9所述的半球形铰刀，其中，每一个切割构件包括主要斜面和分布在切割边缘上的多个凹痕以及边缘与待切割表面之间的弯曲角度或接触角度。

12.根据权利要求9所述的半球形铰刀，其中，铰刀的球半径由每一个切割构件的支臂长度决定；并且如果切割构件的切割半径保持相同，则切割构件的切割区域分别由其支臂角度决定。

13.根据权利要求12所述的半球形铰刀，其中，如果所有切割构件的切割半径保持相同，则通过从以下一组方法当中选择的组装方法而变化铰刀的球半径：在相同的支臂角度下变化支臂长度，变化支臂长度但是不同地倾斜每一个切割单元的支臂角度并且同时围绕极点变化纵轴与切割平面之间的摆动角度。

14.根据权利要求13所述的半球形铰刀，其中，链接机制把所有切割单元同心地紧固在一起以用于组装铰刀，其中每一个切割构件拥有通过不同于其他的支臂长度和/或支臂角度而定义的位置，以便分别组装分别具有不同于其他的球半径和/或切割区域的铰刀。

15.根据权利要求9所述的半球形铰刀，其中，切割单元包括建立在支撑构件的领先和拖后边沿之间的区域处并且与领先边沿上的切割构件具有相同的切割平面和相同的切割半径的次要圆周切割构件。

16.根据权利要求9所述的半球形铰刀，其中，切割单元在其部分球形薄外壳壁上包括多个曲率沟槽，以用于按照关于纵轴和球心的适当形式和指向定位带状切割构件。

17.一种具有球半径、纵轴、球心和极点的半球形铰刀，包括：a)中心连接器，其包括彼此均等地间隔开的多个接口并且朝向球心和纵轴具有所期望的位置和指向；以及b)多个切割单元，其包括支撑构件以及沿着每一个支撑构件的圆周边缘建立并且具有切割半径的至少一个圆形切割构件；其中，每一个切割单元或每一个切割构件被定位在中心连接器的相应接口上以用于组装铰刀，其中每一个切割构件拥有通过纵轴与切割构件的切割轴之间的支臂角度以及球心与切割构件的切割中心之间的支臂长度而定义的位置。

18.根据权利要求17所述的半球形铰刀，其中，中心连接器还包括半球形薄外壳；沿着外壳的表面建立的接口的多个曲率沟槽；以及邻近切割构件的每一个切割平面的多个开口，从而形成从外部半球形表面延伸到外壳的内部腔室中的狭窄通道。

19.根据权利要求17所述的半球形铰刀，其中，每一个切割构件包括主要斜面和分布在切割边缘上的多个凹痕以及切割边缘与待切割表面之间的弯曲角度或接触角度。

20.根据权利要求17所述的半球形铰刀，其中，铰刀的球半径由每一个切割构件的支臂长度决定，并且如果切割构件的切割半径保持相同，则每一个切割构件的切割区域由其支臂角度决定。

21.根据权利要求17所述的半球形铰刀，其中，如果所有切割构件的切割半径保持相同，则通过从以下一组方法当中选择的组装方法而变化铰刀的球半径：在相同的支臂角度下变化支臂长度，变化支臂长度但是不同地倾斜每一个切割构件的支臂角度并且同时围绕极点变化纵轴与其切割平面之间的摆动角度。

22.根据权利要求21所述的半球形铰刀，其中，每一个切割单元或构件与所述接口定位在一起以用于组装铰刀，其中每一个切割构件拥有通过不同于其他的支臂长度和/或支臂角度而定义的位置，以便分别组装分别具有不同于其他的球半径和/或切割区域的铰刀。

23.根据权利要求17所述的半球形铰刀，其中，支撑构件具有从以下一组当中选择的配置：盘状、环形、圆柱形、部分圆周边缘、带状和其他配置或者其组合。

24.根据权利要求18所述的半球形铰刀，其中，半球形薄外壳由塑料成型的基板制成并且具有建立在外壳的赤道圆周上的多个保持器；并且其中，每一个沟槽被朝向纵轴和球心指向以用于定位带状切割构件。