专利名称：带涂层磨料的制造方法
技术领域：
本发明涉及磨料阵列、磨料制品、这种磨料制品的制造方法和这种磨料制品的使用方法。磨料制品包括衬底，该衬底具有粘结到该衬底的至少一个表面上的磨料涂层。磨料涂层成包括凸出单元，该凸出单元具有可用的几何形状。
背景技术：
磨料制品用来研磨和抛光工件表面已经有上百年了。这些应用的范围从高磨削量、高压金属研磨工艺到眼镜片的精细抛光。一般地，磨料制品包括多个磨粒，这些磨粒或者粘结在一起(例如粘结磨料或砂轮)，或者粘结到衬底上(例如带涂层磨料)。对于带涂层磨料，通常具有单层磨粒，有时具有两层磨粒。一旦这些磨粒磨损了，包覆磨料就会基本上磨损了，并通常会遭到废弃。
通过美国专利第5,152,917号(Pieper等人)，我们认识到结构化磨料。重要的是，由Pieper讲述的结构化磨料在工件表面上产生比较高的切削速度和比较精细的表面光洁度。结构化磨料包括非随机的、精确成形的磨料复合物，该磨料复合物粘结到衬底上。
尽管例如由Pieper讲述的结构化磨料具有所希望的特性，例如高切削速度，但仍然存在这样的趋势，即结构化磨料的有效性会随时间而受到损失。这样，在最初的三或四个磨蚀循环中，结构化磨料可以产生特定的切削速度(例如，以克/循环表示)，但是在5或10个循环之后，可以产生的切削速度只有其初始值的一部分。这种切削速度的退化对提供有效的磨蚀技术的目标是不利的。
从前面的内容来看，很显然，存在对于这样的方案的需要，即通过该方案，可以制造结构化磨料，以延长其寿命期限，并使其切削速度退化最小化。
发明内容
本发明涉及磨料阵列、磨料制品、磨料制品的制造方法和磨料制品的使用方法。根据本发明的一个实施例，多个凸出单元的磨料阵列可以是这样的结构，即每一单元具有本体，所述本体由至少磨料颗粒和粘结剂构成。每一本体可以具有基底和距所述基底最远侧的区域。所述磨料阵列可以包括多个凸出单元，所述凸出单元成两维分布。每一凸出单元具有基底，所述基底具有周边。对于每一单元，当其各自的远侧区域投影到与其各自基底共面的平面上时，在远侧区域的投影和所述基底的中心点之间限定偏离矢量。所述多个凸出单元的偏离矢量的和不会接近于极限零。
根据本发明的另一实施例，磨料制品包括衬底，所述衬底具有前后表面。磨料涂层可以粘结到所述衬底的前表面。所述磨料涂层可以包括多个凸出单元，所述凸出单元成两维分布。每一凸出单元具有基底，所述基底具有周边。对于每一单元，当其各自的远侧区域投影到与其各自基底共面的平面上时，在远侧区域的投影和所述基底的中心点之间限定偏离矢量。所述多个凸出单元的偏离矢量的和不会接近于极限零。
图1为代表本发明的一个磨料制品实施例的放大剖视图；图2为图1的磨料制品的制造工艺的示意图；图3为图1的磨料制品的另一制造工艺的示意图；图4A描绘的是根据本发明的实施例的凸出单元的顶视图；图4B描绘的是根据本发明的实施例的磨料制品的顶视图；图4C描绘的是根据本发明的实施例的磨料制品的顶视图；图4D描绘的是根据本发明的实施例的凸出单元的另一顶视图；图4E描绘的是根据本发明的实施例的凸出单元的另一顶视图；图4F描绘的是根据本发明的实施例的凸出单元的另一顶视图；图4G描绘的是根据本发明的实施例的凸出单元的另一顶视图；
图4H描绘的是根据本发明的实施例的凸出单元的另一顶视图；图5描绘的是根据本发明的实施例的另一种磨料制品；图6A描绘的是根据本发明的实施例的凸出单元的阵列；图6B描绘的是根据本发明的实施例的另一种凸出单元阵列。
具体实施例方式
本发明涉及磨料阵列、磨料制品、磨料制品的制造方法和磨料制品的使用方法。
参照图1，磨料制品20包括由边界25隔开的磨料复合物22。磨料复合物粘结到衬底21的表面上。与复合物形状相关的一条或多条边界线使一块磨料复合物与另一块相邻的磨料复合物分开一定程度。为了形成单独的磨料复合物，形成磨料复合物形状的边界线中的一部分必须彼此分开。注意，在图1中，基底或最靠近衬底的磨料复合物部分可以与其相邻的磨料复合物邻接。磨料复合物22包括多个磨粒24，该磨粒分散在粘结剂23和助磨剂26中。本发明的范围还包括粘结到衬底上的磨料复合物的结合体，其中部分磨料复合物邻接，而其它磨料复合物之间具有开放空间。
衬底本发明的衬底具有前后表面，并且可以是任何常规的磨料衬底。可用的衬底实例包括聚合物薄膜、上底胶的聚合物薄膜、布、纸、硬化纤维、非织造布及上述之组合物。其它可用的衬底包括如美国专利5,316,812中所披露的纤维增强热塑性衬底，以及如世界专利申请WO93/12911中所披露的环状无缝衬底。衬底还可包括一种或多种密封衬底及/或对衬底某些物理性能进行改性的处理。这些处理在本技术领域是公知的。
衬底还可在其后表面上带有附接装置，以使所得到的涂覆磨料能够固定到支撑垫或支持垫上。如上述美国专利5,316,812中所披露，这种附接装置可以是压敏粘结剂、一面为钩和环的附接系统或带螺纹的凸出物。或者可以是如受让人的美国专利5,201,101中所描述的互相啮合的附接系统，在此以引用方式并入本文。
磨料制品的背面还可以含有防滑涂料或磨擦涂料。这类涂料的实例包括分散在粘结剂中的无机微粒(例如，碳酸钙或石英)。
磨料涂层磨粒磨粒的粒度范围通常为约0.1～1500微米，通常在约0.1～400微米之间，较好为在0.1～100微米之间，优选为在0.1～50微米之间。优选的是，磨粒的莫式硬度为至少约8，更优选为大于9。这类磨粒的实例包括熔融的氧化铝(包括褐色氧化铝、热处理氧化铝和白色氧化铝)、陶瓷氧化铝、绿色碳化硅、碳化硅、氧化铬、铝锆磨料、金刚石、氧化铁、二氧化铈、立方氮化硼、碳化硼、石榴石及上述之组合物。
术语“磨粒”还包括由单个磨粒粘结在一起以形成磨料结块。美国专利4,311,489、4,652,275和4,799,939进一步描述了磨料结块，上述所有专利在此以引用方式并入本文。
本发明还包括在磨粒上具有表面涂层。表面涂层可具有多种不同功能。在一些情况下，表面涂层可提高磨粒对粘结剂的粘附力、改变磨粒的研磨特性等。表面涂层的实例包括偶联剂、卤化盐、包括硅质的金属氧化物、耐火的金属氮化物、耐火的金属碳化物等。
磨料复合物中还可以有掺入的微粒。这些掺入微粒的粒度可与磨粒处于同一数量级。这类掺入微粒的实例包括石膏、大理石、石灰石、燧石、二氧化硅、玻璃泡、玻璃珠、硅酸铝等。
粘结剂磨粒分散在有机粘结剂中以形成磨料复合物。粘结剂由粘结剂前体衍生而得，粘结剂前体中含有可聚合的有机树脂。在本发明的磨粒制造过程中，粘结剂前体暴露于能量源，该能量源有助于引发聚合过程或固化过程。能量源的实例包括热能和辐射能，后者包括电子束、紫外光和可见光。在聚合过程中，树脂聚合且粘结剂前体转化成固体粘结剂。粘结剂前体固化之后，形成磨料涂层。磨料涂层中的粘结剂通常还起到将磨料涂层粘结到衬底上的作用。
有两类优选树脂可用于本发明中，即可固化的缩合树脂和可聚合的加成树脂。优选的粘结剂前体包括可聚合的加成树脂，因为这类树脂容易通过暴露于辐射能而固化。可聚合的加成树脂可通过阳离子机理或自由基机理而聚合。取决于所使用的能量源和粘结剂前体的化学性质，有时优选用固化剂、引发剂或催化剂来帮助引发聚合反应。
常用并优选的有机树脂实例包括酚醛树脂、脲甲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、丙烯酸聚氨酯、丙烯酸环氧树脂、烯键式不饱和化合物、具有侧链不饱和羰基的氨基塑料衍生物、具有至少一个侧链丙烯酸酯基的异氰脲酸酯衍生物、具有至少一个侧链丙烯酸酯基的异氰酸酯衍生物、乙烯基醚、环氧树脂及上述之混合物和组合物。术语“丙烯酸酯”包括丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
酚醛树脂因其热性质、容易获得和成本低而广泛应用于磨料制品粘结剂中。有两类酚醛树脂，甲阶酚醛树脂和酚醛清漆树脂。甲阶酚醛树脂中甲醛和酚的摩尔比大于或等于1∶1，通常在1.5∶1.0～3.0∶1.0之间。酚醛清漆树脂中甲醛和苯酚的摩尔比小于1∶1。市售的酚醛树脂实例包括下述产品商品名为“Durez”和“Varcum”，OccidentalChemicals公司出品；“Resinox”，Monsanto出品；“Aerofene”，Ashland Chemical Co.出品；和“Aerotap”，Ashland Chemical Co.出品。
丙烯酸化的聚氨酯是以羟基封端的、异氰酸酯NCO伸展的聚酯或聚醚的二丙烯酸酯。市售的丙烯酸聚氨酯产品实例包括商品名为“UVITHANE 782”Morton Thiokol Chemical出品，以及“CMD6600”、“CMD 8400”和“CMD 8805”Radcure Specialties出品。
丙烯酸环氧酯是环氧树脂的二丙烯酸酯，例如双酚A环氧树脂的二丙烯酸酯。市售的丙烯酸环氧酯产品实例包括商品名为“CMD3500”、“CMD 3600”和“CMD 3700”，Radcure Specialties出品。
烯键式不饱和树脂既包括单体化合物也包括聚合化合物，该单体化合物和聚合化合物含有碳原子、氢原子和氧原子，以及可选地含有氮原子和卤素原子。氧原子或氮原子或二者通常出现在醚基、酯基、氨基甲酸乙酯基、酰胺基和脲基中。
烯键式不饱和化合物优选为分子量小于约4,000，并且优选为由含有脂肪族单羟基或脂肪族多羟基的化合物与不饱和羧酸反应而生成的酯，不饱和羧酸例如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、异巴豆酸和顺丁烯二酸等。丙烯酸酯树脂的代表实例包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯苯乙烯、二乙烯基苯、乙烯基甲苯、二丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸己二酸酯、二丙烯酸三甘醇酯、三丙烯酸三羟甲基丙烷酯、三丙烯酸甘油酯、三丙烯酸季戊四醇酯、甲基丙烯酸季戊四醇酯、四丙烯酸季戊四醇酯、以及四丙烯酸季戊四醇酯。其它烯键式不饱和树脂包括单烯丙基酯、多烯丙基酯和多甲代烯丙基酯以及羧酸酰胺，例如邻苯二甲酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯和N，N-二烯丙基己二酰二胺。其它含氮化合物还包括三(2-丙烯酰乙氧基)异氰脲酸酯、1，3，5-三(2-甲基丙烯酰乙氧基)-三嗪、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基哌啶酮。
氨基塑料树脂的每个分子或低聚物上具有至少一个α，β侧链不饱和羰基。这些不饱和羰基可以是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或丙烯酰胺型基团。这类材料的实例包括N-(羟甲基)丙烯酰胺、N，N’-氧联二亚甲基双丙烯酰胺、邻位和对位丙烯酰胺甲基化酚醛、丙烯酰胺甲基化酚醛清漆树脂及上述之组合物。美国专利4,903,440和5,236,472进一步描述了这些材料，上述专利在此以引用方式并入本文。
美国专利4,652,274进一步描述了具有至少一个侧链丙烯酸酯基的异氰脲酸酯衍生物、具有至少一个侧链丙烯酸酯基的异氰酸酯衍生物，该专利在此以引用方式并入本文。优选的异氰脲酸酯材料是三(羟乙基)异氰脲酸酯的三丙烯酸酯。
环氧树脂具有环氧乙烷，并通过开环聚合而成。这类环氧树脂包括单体型环氧树脂和环氧树脂低聚物。一些优选的环氧树脂实例包括2，2-二[4-(2，3-环氧丙氧基)-苯基丙烷](二酚二缩水甘油醚)和市售的商品材料，这些材料可以是如下产品，商品名为“Epon 828”、“Epon1004”和“Epon 1001F”由Shell Chemical Co.出品，以及商品名为“DER-331”、“DER-332”、和“DER-334”，由Dow Chemical Co.出品。其它合适的环氧树脂包括酚醛树脂清漆的缩水甘油醚(例如，可购自Dow chemical Co.的“DEN-431”和“DEN-428”)。
本发明的环氧树脂可通过添加适当的阳离子固化剂而以阳离子机理进行聚合。阳离子固化剂产生酸源，以引发环氧树脂聚合。这些阳离子固化剂可包括具有络合阳离子和卤素的盐，该盐含有金属或非金属配位阴离子。美国专利4,751,138(第6栏第65行到第9栏第45行)还描述了其它阳离子固化剂，包括具有有机金属配位阳离子和卤素的盐，该盐含有金属或非金属络合阴离子，该专利在此以引用方式并入本文。美国专利4,985,340(第4栏第65行到第14栏第50行)以及1989年3月8日公开的欧洲专利申请306,161和306,162描述了另一种有机金属盐和鎓盐的实例，上述专利均以引用方式并入本文。此外，1983年11月21日公开的欧洲专利申请109,581描述了其它阳离子固化剂，这种阳离子固化剂包括有机金属络合物的离子盐，其中金属选自元素周期表的第IVB、VB、VIB、VIIB和VIIIB族元素，该专利以引用方式并入本文。
关于自由基可固化树脂，在一些情况下优选为磨料淤浆中还包括自由基固化剂。但是在电子束作为能量源的情况下，由于电子束本身就产生自由基，所以不一定总需要固化剂。
自由基热引发剂的实例包括过氧化物，例如过氧化苯甲酰、偶氮化合物、二苯甲酮和醌。对于紫外光或可见光能量源来说，该固化剂有时被称为光引发剂。暴露在紫外光下会产生自由基来源的引发剂实例，包括但不限于选自由下列物质构成的组有机过氧化物、偶氮化合物、醌、二苯甲酮、亚硝基化合物、丙烯酰卤化物、腙、巯基化合物、吡喃鎓化合物、三丙烯咪唑(triacrylimdazoles)、二咪唑、氯烷基三嗪、安息香醚、联苯酰缩酮、噻吨酮和苯乙酮衍生物及上述之混合物。在题为“Coated Abrasive Binder Containing Ternary PhotoinitiatorSystem(含有三重光引发剂体系的涂覆磨料粘结剂)”的美国专利4,735,632中，可以找到暴露于可见光辐射会产生自由基来源的引发剂实例，该专利在此以引用方式并入本文。和可见光一起使用的优选引发剂是可从Ciba Geigy Corporation购买的“Irgacure 369”。
助磨剂助磨剂限定为这样一种材料，优选为微粒材料，将该材料添加到磨料制品中会对研磨的化学和物理过程产生显著效果，从而提高性能。通常且优选的方法是将助磨剂作为微粒添加到淤浆中，但是助磨剂可作为液体添加到淤浆中。与不包括助磨剂的磨料制品相比，使用助磨剂会提高相应磨料制品的研磨效率或切削速度(限定为损耗单位重量磨料制品所除去的工件重量)。具体地说，在本领域内，相信助磨剂可以达到如下效果1)降低磨料颗粒与所研磨的工件之间的摩擦，2)防止磨料颗粒的“盖帽”，即，防止金属粒子(在金属工件的情况下)热熔接到磨料颗粒的顶部，3)降低磨料颗粒与工件之间的界面温度，4)降低所需的研磨力，或者5)阻止金属工件的氧化。一般地，添加助磨剂会延长磨料制品的使用寿命。
本发明可用的助磨剂涵盖各种不同的材料，并且可以是以无机物或有机物为基础的材料。助磨剂化学族的实例包括蜡、有机卤化物、卤化盐和金属及其合金。有机卤化物在研磨过程中通常会分解并释放卤酸或气态卤化物。这类材料的实例包括氯化蜡如四氯萘、五氯萘和聚氯乙烯。卤化盐的实例包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾、氯化镁。金属的实例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁、钛，其它各种助磨剂包括硫、有机硫化物、石墨和金属硫化物。使用不同助磨剂的组合也在本发明范围内，并且在一些情况下会产生协同效应。
上述助磨剂的实例仅作为代表。本发明较好使用的助磨剂是冰晶石，优选的是四氟硼酸钾(KBF4)。
助磨剂被认为是非研磨物，即，助磨剂的莫式硬度小于8。助磨剂中还可以含有杂质；这些杂质应当不会明显降低磨料制品的性能。
助磨剂粒度的优选范围为约0.1～100微米，更优选为在10～70微米之间。通常，助磨剂的粒度优选为等于或小于磨粒粒度。
通常，磨料涂层包括至少约1％(重量百分比)、通常至少约2.5％(重量百分比)、较好为至少约5％(重量百分比)、更好为至少约10％(重量百分比)的助磨剂，但优选为包括至少约20％(重量百分比)的助磨剂。助磨剂超过约50％(重量百分比)会是不利的，因为从理论上说这样会使研磨性能下降(因为只存在较少的磨粒)。但出乎意料的是，随着助磨剂含量的提高，以切削速度来评价的相对研磨性能也会随之提高。这是出人意料的，因为随着磨料涂层中助磨剂含量的提高，磨粒的相对含量会下降。而磨粒是负责切削工件表面的，助磨剂没有这种作用。通常，磨料涂层含有磨粒5～90％(重量百分比)、优选为20～80％(重量百分比)，含有粘结剂5～80％(重量百分比)、优选为5～40％(重量百分比)，含有助磨剂5～60％(重量百分比)、优选为10～40％(重量百分比)。
可选的添加剂本发明可用的淤浆还可以含有可选的添加剂，例如填料、纤维、润滑剂、润湿剂、触变材料、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂、偶联剂、增塑剂和悬浮剂。对这些材料的含量进行选择，以提供所需性能。使用这些材料会影响磨料复合物的可蚀性。在一些情况下，有意加入添加剂，以使磨料复合物更易磨蚀，从而清除磨钝的磨粒并暴露出新磨粒。
本发明可用的抗静电剂的实例包括石墨、碳黑、氧化钒和湿润剂等。这些抗静电剂披露于美国专利5,061,294、5,137,542和5,203,884，上述专利在此以引用方式并入本文。
偶联剂可在粘结剂前体与填料粒子或磨粒之间形成关联桥接。可用的偶联剂实例包括硅烷、钛酸酯和铝酸锆(锆铝系偶联剂)。可用的淤浆优选含有约0.01～3％(重量百分比)的偶联剂。
本发明可用的悬浮剂实例是无定形二氧化硅粒子，其表面积小于150平方米/克，市售产品有商品名为“OX-50”，DeGussa公司出品。
含有磨料复合物的磨料涂层本发明的一个优选方面是磨料涂层是多个磨料复合物粘结到衬底的形式。通常优选的是，各磨料复合物具有精确的形状。各复合物的精确形状由清晰可辨的边界线所确定。当在显微镜例如扫描电子显微镜下观察磨料制品的横截面时，这些清晰可辨的边界线很容易看见并且很清楚。比较而言，在由不具有精确形状的复合物所组成的磨料涂层中，边界线不确定且很难辨认。上述这些清晰可辨的边界线形成精确形状的外形或轮廓。这些边界线使磨料复合物彼此分开一定程度、并还使磨料复合物彼此区别。
参照图1，磨料制品20包括由边界25隔开的磨料复合物22。与复合物形状相关的一条或多条边界线使一块磨料复合物与另一块相邻的磨料复合物一定程度分开。为了形成单独的磨料复合物，形成磨料复合物形状的边界线中的一部分必须彼此分开。注意，在图1中，基底或最靠近衬底的磨料复合物部分可以与其相邻的磨料复合物邻接。磨料复合物22包括多个磨粒24，该磨粒分散在粘结剂23和助磨剂26中。本发明还包括获得粘结到衬底上的磨料复合物的一种组合体，其中部分磨料复合物邻接，而其它磨料复合物之间具有开放空隙。
有些情况下，形成形状的边界是平面的。对于具有平面的形状来说，其具有至少三个平面。给定形状的平面数根据所需的几何形状变化，例如平面数可从3到20以上。通常为3～10个平面，优选为3～6个平面。这些平面相交形成所需的形状和角度，这些平面的交角将决定形状尺寸。
本发明的另一个方面是部分磨料复合物具有与其尺寸不同的相邻磨料复合物。在该发明方案中，至少10％、较好为至少30％、更好为至少50％、最好为至少60％的磨料复合物具有与其尺寸不同的相邻磨料复合物。这些不同的尺寸与磨料复合物的形状、平面边界线之间的角度或磨料复合物的尺寸相关。相邻磨料复合物具有这些不同尺寸，使得到的磨料制品在被研磨或精制的工件上产生相对更精细的表面光洁度。在本受让人的共同待审批的1993年9月13日提交的美国专利申请Ser.No.08/120,300中进一步描述了本发明的这一方案。
磨料复合物的形状可以是任何形状，但优选为几何形状例如长方形、锥形、半圆形、圆形、三角形、正方形、六边形、金字塔形和八边形等。优选形状的实施例出现在下文名为“几何形状”的部分中。在此可把单个磨料复合物的形状称为“凸出单元”。优选形状是金字塔，且该金字塔的底部可以是三条边或四条边。此外，磨料复合物的横截面表面积优选为从衬底递减或沿其高度而减小。在使用过程中，随着磨料复合物的磨损，这种变化的表面积导致不均匀的压力。此外，在制造磨料制品过程中，这种变化的表面积使得磨料复合物更容易从生产工具上脱离。通常，每平方厘米有至少5块单独的磨料复合物。在一些情况下，每平方厘米会有至少500块单独的磨料复合物。
磨料制品的制造方法制造任一本发明磨料制品的基本步骤是准备淤浆。通过用任何合适的混合技术把粘结剂前体、助磨剂、磨粒和可选的添加剂结合在一起而制成淤浆。混合技术的实例包括低剪切混合和高剪切混合，而高剪切混合是优选的。还可以把超声波能量与混合步骤结合使用，以降低磨料淤浆的粘度。通常，逐渐把磨粒和助磨剂添加到粘结剂前体中。在混合步骤过程中抽真空可以使淤浆中气泡含量降至最少。在一些情况下，通常优选在30～70℃的范围内加热淤浆以降低粘度。重要的是，淤浆应具有使之可以良好涂覆的流变性能，其中磨粒和助磨剂不会从淤浆中沉降出来。
能量源淤浆涂覆到衬底上之后，例如通过从生产工具(下文描述)转移到衬底上之后，把淤浆暴露于能量源以引发粘结剂前体中树脂的聚合。能量源的实例包括热能和辐射能。能量的用量取决于几个因素，例如粘结剂前体的化学性质、磨料淤浆的粒度、磨粒的含量和类型以及所选添加剂的含量和类型。对于热能来说，温度可在约30～150℃的范围内，通常为40～120℃的范围内。暴露时间可在约5分钟到超过24小时。
合适的辐射源包括电子束、紫外光或可见光。电子束辐射也称为电离辐射，可以用在能量级别约0.1～约10Mrad、优选为能量级别约1～约10Mrad的场合中。紫外光辐射指波长在约200～约400纳米范围内、优选为在约250～400纳米范围内的非粒子辐射。可见光辐射指波长在约400～约800纳米范围内、优选为在约400～约550纳米范围内的非粒子辐射。优选使用300～600瓦特/英寸的可见光。
聚合过程结束后，粘结剂前体转化成粘结剂，而淤浆转化成磨料涂层。通常，所制成的磨料制品可以使用了。但是在一些情况下，还会需要其它处理例如润湿或弯曲。在使用磨料制品之前，可以把磨料制品转化成任何所需的形式，例如锥形、环带形、片状和盘状等。
生产工具关于本发明的第三和第四方面，在一些情况下，优选为使磨料涂层成为具有精确形状的磨料复合物。为了制造这类磨料制品，通常需要生产工具。
生产工具含有多个凹腔。这些凹腔基本上为磨料复合物的相反形状，并用于形成磨料复合物的形状。选择凹腔的尺寸以提供所需的磨料复合物形状和尺寸。如果凹腔的形状或尺寸制作得不合适，则所制成的生产工具就不能为磨料复合物提供所需的尺寸。
凹腔可以呈点状图案，相邻凹腔之间有间隔，或者凹腔互相抵接。优选为凹腔互相抵接。此外，选择凹腔的形状使磨料复合物的横截面面积从衬底递减。
生产工具可以是带、片、连续的片或网、涂布辊(例如凹印辊)、安装在涂料辊上的套管、或模具。生产工具可由金属(例如，镍)、金属合金或塑料构成。可用任何常规技术例如雕刻法、抛光法(bobbing)、电铸法、金刚石车削等制成金属生产工具。一种优选的制造金属生产工具的技术是金刚石车削。
热塑性工具可用金属主工具复制而成。主工具具有与生产工具所需图案相反的图案。主工具可采用与生产工具相同的方式制成。主工具优选用金属例如镍制成并且由金刚石车削。可加热热塑性片材，并且可选择连同主工具一起加热，从而通过将二者压在一起，而使热塑性材料压印出主工具的图案。也可将热塑性材料挤出或浇铸到金属主工具上，然后加压。热塑性材料冷却固化，制成了生产工具。优选的热塑性生产工具材料的实例包括聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯及其组合。如果使用热塑性生产工具，则必须小心不要产生过热，过热会使热塑性生产工具变形。
生产工具还可以含有脱模涂层，以使磨料制品更容易脱离生产工具。这类金属用脱模涂层的实例包括硬质碳化物、氮化物或硼化物涂层。热塑性塑料所用脱模涂层的实例包括硅树脂和含氟化合物。
图2图示了一种方法，用于制备如图1所示的本发明磨料制品。衬底41离开拆卷站42，同时生产工具46离开拆卷站45。通过涂覆站44把淤浆涂在生产工具46上。在涂覆之前，为了降低淤浆的粘度，可以加热淤浆及/或对淤浆施加超声波。涂覆站可以是任何常规涂覆工具，例如挤压式点胶机(drop die coater)、刮刀涂布机、帘式涂布机、真空涂模机或挤压式涂布机(die coater)。涂覆过程应减少气泡的形成。优选的涂覆技术是例如美国专利3,594,865、4,959,265和5,077,870中所披露的真空流体定向涂覆法(vacuum fluid bearing die)，上述所有专利在此以引用方式并入本文。涂覆生产工具后，采用任何可使淤浆浸湿衬底的前表面的方法，使衬底和淤浆接触。在图2中，淤浆通过接触压送辊47与衬底接触。接下来，接触压送辊47还使所得结构物紧靠支撑鼓43。能量源48(优选为可见光源)向淤浆中发送充足的能量，使粘结剂前体至少部分固化。术语“部分固化”是指粘结剂前体聚合达到淤浆不会从倒置试管流下的状态。一旦粘结剂前体脱离生产工具，就可用任何能量源使之完全固化。随后，生产工具重新绕到心轴49上，这样生产工具就可以再次使用。可选地，在前体一点都未固化之前，使粘结剂前体脱离生产工具。脱离之后，可使前体固化，而生产工具会再绕到心轴49上以重复使用。此外，磨料制品120绕到心轴121上。如果粘结剂前体尚未完全固化，则粘结剂前体可以经过一段时间完全固化，及/或置于能量源下使其完全固化。美国专利5,152,917和1993年1月14日提出的序号为08/004,929美国专利申请进一步描述了根据本文第一种方法制备磨料制品的附加步骤，上述文献在此以引用方式并入本文。使用1993年9月13日提交的美国专利申请Ser.No.08/120,300所描述的工具和工艺可制成随意形状的磨料复合物。
优选使用辐射能固化粘结剂前体。只要生产工具不明显吸收辐射能，辐射能就可以穿透生产工具。此外，辐射源应当不会使生产工具明显降解。优选使用热塑性生产工具以及紫外光或可见光。
可把淤浆涂到衬底上而不是涂到生产工具的凹腔中。然后使涂有淤浆的衬底与生产工具接触，从而使淤浆流到生产工具的凹腔中。制备磨料制品的其余步骤与上文详述步骤相同。
图3图示了另一种方法。衬底51离开拆卷站52，涂覆站53把淤浆54涂到生产工具55的凹腔中。可以用下述多种技术中的任一种把淤浆涂到工具上，例如挤压点胶法、辊涂法、刮涂法、帘涂法、真空涂模法或挤压涂布法(die coating)。同样，在涂覆之前，为了降低淤浆的粘度，可以加热淤浆及/或对淤浆施加超声波。涂覆过程应减少气泡的形成。随后，用压送辊56使衬底和含有磨料淤浆的生产工具接触，使得淤浆浸湿衬底的前表面。接下来，通过使淤浆中的粘结剂前体暴露于能量源57，使其至少部分固化。在此至少部分固化之后，淤浆转化成磨料复合物59，该复合物粘结到或粘附到衬底上。咬送辊58使所得磨料制品脱离生产工具并绕到重绕站60上。可选地，在前体一点都未固化之前，使粘结剂前体脱离生产工具。脱离生产工具之后，可使前体固化。在任一情况下，能量源可以是热能或辐射能。如果能量源是紫外光或可见光，则衬底优选为可透过紫外光或可见光。这类衬底的实例是聚酯衬底。
可把淤浆直接涂到衬底的前表面。然后使涂有淤浆的衬底和生产工具接触，从而使淤浆浸到生产工具的凹腔中。制备磨料制品的其余步骤与上文详述的步骤相同。
工件表面的整修方法本发明的另一个方面涉及金属表面的研磨方法。该方法包括使本发明的磨料制品和有金属表面的工件产生磨擦接触。术语“研磨”是指用磨料制品切削或除去金属工件的一部分。此外，经过这样的整修处理，通常会降低与工件表面相关的表面粗糙度。一种常用的表面粗糙度测量是Ra；Ra通常是以微英寸或微米测得的算术意义上的表面粗糙度。表面粗糙度可以用表面光度仪例如Perthometer或Surtronic测量。
工件金属工件可以是任何类型的金属，例如软钢、不锈钢、钛、金属合金和特殊金属合金等。工件可以是扁平的或具有与其关联的形状或剖面。
根据用途，研磨界面处的力可在约0.1公斤到超过1000公斤。通常在研磨界面处，此范围是1公斤～500公斤的力。此外，根据用途，研磨过程中可以有液体存在。这种液体可以是水及/或有机化合物。常用有机化合物的实例包括润滑剂、油、乳化的有机化合物、切削液、肥皂等等。这些液体还可以含有其它添加剂，例如消泡剂、脱脂剂、缓蚀剂等等。使用过程中，磨料制品可以在研磨界面处振动。在一些情况下，这种振动会在被研磨的工件上形成更精细的表面。
本发明的磨料制品可以用手工使用或与机器结合使用。在研磨过程中，磨料制品和工件中至少一个或二个都相对于对方移动。磨料制品可以转换为带状、卷带状、盘状和片状等。以带状使用时，把磨料片的两个自由端连接到一起以形成接头。本发明还包括使用无接头的带，如1992年7月24日提出的受让人的共同待审批的美国专利申请07/919,541，在此以引用方式并入本文。通常，环状磨料带经过至少一个惰轮和压板或接触轮。调节压板或接触轮的硬度，以获得所需的切削速度和工件表面粗糙度。磨料带的速度取决于所需的切削速度和表面粗糙度。带的尺寸范围可以是约5mm～1,000mm宽、约5mm～10,000mm长。磨料卷带是连续长度的磨料制品。其宽度范围可以是约1mm～1,000mm，通常在5mm～250mm之间。磨料卷带通常被开卷，经过用来使卷带紧贴工件的支撑垫(support pad)，然后再缠绕。可以通过研磨界面连续喂入磨料卷带，并且可以对卷带标记。磨盘的直径范围可以是约50mm～1,000mm。通常，用连接装置把磨盘固定到支持垫(back-up pad)上。这些磨盘可以在100～20,000转/分、通常在1,000～15,000转/分之间的速度旋转。
几何形状正如在此公开内容的题为“由磨料复合物组成的磨料涂层”的部分中提到的，磨料复合物可以成形为从其所粘结的衬底凸出的单元。在此将单个成形的复合物磨料称为“凸出单元”。为凸出单元选取的特定几何形状可能会影响凸出单元所处的结构化磨料制品的性能。对下面给出的几何形状方案进行选取，以提供提高的初始切削速度(以每循环的质量来衡量)，并对于每一相继的磨蚀循环表现出最少的切削速度退化。
在图4A-H、5及6A和6B中示出的凸出单元和在这里讨论的其它凸出单元可以利用上述制造方法、由上述材料构成。尽管图4A-H、5及6A和6B未示出在凸出单元内的磨料颗粒和粘结剂，但应明白，由于凸出单元把磨料颗粒和粘结剂作为组成材料，所以这样的磨料颗粒和粘结剂是存在的。
图4A描绘的是凸出单元400的顶视图。凸出单元具有基底401，该基底呈正方形的形状。除了基底401之外，凸出单元400具有四个侧面，这些侧面从基底401的每一条不同的边延伸到线性顶端406。由于图4A的视角，只有侧面403和405是可见的。
从图4A可以看到，当线性顶端406投影到与基底401共面的平面上时，线性顶端406在基底401的相对布置的边之间延伸。当提到顶端例如顶端406在与凸出单元的基底共面的平面上的投影时，可以在此使用术语“顶端的投影”或“线性顶端的投影”。线性顶端406的投影在其间延伸的相对布置的边的中心点用小散列符号来标识。线性顶端406的投影不在相对布置的边的中心点之间延伸。
图4A的凸出单元可以排列成二维阵列，如图4B中所示。图4B示出了大致相同的凸出单元400的阵列，该凸出单元这样布置，即使得每一凸出单元400的基底与相邻的凸出单元400的基底邻接。凸出单元400示出为粘结到衬底408上，从而生成磨料制品。尽管在图4B中描绘的阵列为二乘二，原则上该阵列可以是任何大小。此外，如图4C中所示，可以构造阵列，以便使得相邻的凸出单元400的基底不互相邻接。
图4D示出凸出单元410。在其中可以看到，凸出单元具有线性顶端412，该线性顶端具有不足以使其投影从基底414的一条边延伸到另一条边的长度。这样，每一侧面从基底414朝远侧的线性顶端向内逐渐变小。值得注意的是，如果将线性顶端412的投影向外延长，其外延长线不会遇到基底414的任一相对布置的边的中心点。这样，可以说线性顶端412的投影不在基底414的相对布置的边的中心点“之间”延伸。
图4E示出另一凸出单元416。在图4A、4B、4C和4D中示出的凸出单元表现出这样的特性，即通过采用类似的方案，其各自的线性顶端412不在其各自基底的相对布置的边的中心点之间延伸，即线性顶端相对其各自基底的所有边偏斜。如图4E中所示，线性顶端418的投影可以与基底420的某些边平行，但仍然不在基底420的相对布置的边的中心点之间延伸。
图4F示出另一凸出单元422。图4F表明，虽然凸出单元的顶端可以为线性，但是并非必须使其为直线。凸出单元422具有曲线(与直线相反)顶端424。曲线顶端424的投影不在基底426的相对布置的边的中心点之间延伸。
已经在图4A、4B、4C、4D、4E和4F中给出的基底全部呈正方形的形状。这样的限制并非必需。原则上，基底可以是任何闭合的形状。举例来说，基底可以是任何规则或不规则多边形，可以是平行四边形、矩形或四边形的任何形式。基底可以是圆形或椭圆形。基底的边可以是直线或曲线。例如，在图4G中示出的凸出单元428具有四条边，其中的两条430和432为曲线。可以通过将曲线边分成两段，找到基底的相对布置的曲线边的中心点，其中第一段的长度等于第二段的长度。例如，将边430分成两段AB和BC段。这样定位中心点点B，即使得AB段的长度等于BC段的长度。所属领域的技术人员清楚，可以使用其它定中心措施，以识别非直线的中心点。同样，线性顶端434的投影在相对布置的边430和432之间延伸、但不在它们各自的中心点之间延伸。
图4H示出了凸出单元436，该凸出单元具有呈五边形形状的基底438。边AB的中心点用小散列符号来标识。值得注意的是，乍看起来，凸出单元436似乎不具有与边AB相对布置的边。为了确定线性顶端440的方向，以便于使其在基底的相对布置的边上的非中心点之间延伸，可以将与AB相对的边认为是复合段ACDEB。由于ACD段的长度等于DEB段的长度，所以边ACDEB的中心点为点D。这样，自然会看到，线性顶端440不在基底438的相对布置的边的中心点之间延伸。
从与图4H有关的讨论提取的一般原则是，可以使用特定方案来找到与基底的给定边相对布置的边。简言之，可以将与基底的给定边相对的一组边共同认为是与该给定边相对布置的单个边(举例来说，可以将与边AB相对的边ACDEB认为是与边AB相对布置)。
图5描绘的是磨料制品500的透视图，磨料制品500包括凸出单元的二维阵列，某些凸出单元用参考标号502来标识。每一凸出单元502具有矩形的基底。根据本发明的一个实施例，基底的长度和宽度可以在1到150密耳之间。每一基底具有线性顶端504。根据本发明的一个实施例，可以将线性顶端定向直到高于基底60密耳。尽管将图5中的基底的每一个描绘为具有相同的尺寸和几何形状，但是这两个条件都不是必需的。基底可以是各不相同的尺寸和/或几何形状。此外，尽管将线性顶端504中的每一个描绘为彼此平行，但是这一条件并非必需。线性顶端504可以是彼此不平行的。最后，尽管将线性顶端的每一个描绘为距它们各自的基底为恒定距离，但是这一条件也并非必需。基底和其各自的线性顶端504之间的距离可以因不同的凸出单元502而不同。
图6A示出了凸出单元600～606的阵列。凸出单元600～606的每一个具有大致呈点状的顶端608～614。与实例化为线性段相对比，任何前述实例的任何线性顶端都可以实例化为点。回到对图6A的讨论，在每一凸出单元600～606中，顶端608～614处于远离中心的位置。每一顶端608～614的投影限定了偏离矢量v1、v2、v3和v4，偏离矢量v1、v2、v3和v4从各个基底的中心和/或质心延伸到顶端608～614的投影。值得注意的是，偏离矢量v1、v2、v3和v4的和不等于零。举例来说，假定每一偏离矢量v1、v2、v3和v4为单位矢量，矢量的和为2y。对于凸出单元的较大阵列，当合计在一起的矢量的数目接近无穷大时，偏离矢量的和不应该接近于极限零limn→∞(∑vn)≠0以另一种方式来叙述，当总体来看时，阵列应该表现出相对于顶端608～614的定位的净方向性。
图6B示出了当净比例性的概念应用于具有线性顶端616～622的凸出单元时的净比例性的概念。从图6B可以看到，线性顶端616～622的投影限定了偏离矢量v1、v2、v3和v4，偏离矢量v1、v2、v3和v4从各个基底的中心和/或质心延伸到顶端616～622的投影的中心。同样，对于凸出单元的较大阵列，当合计在一起的矢量的数目接近无穷大时，偏离矢量的和不应该接近于极限零limn→∞(∑vn)≠0以另一种方式来叙述，当总体来看时，阵列应该表现出相对于顶端608～614的定位的净方向性。
在未偏离本发明的保护范围和要旨的情况下，对于所属领域的技术人员，本发明的各种修改和变更是显而易见的。应该清楚，不应将本发明不适当地局限于在此阐述的说明性实施例。
权利要求
1.一种多个凸出单元的磨料阵列，每一单元具有本体，所述本体由至少磨料颗粒和粘结剂构成，每一本体具有基底和距所述基底最远侧的区域，所述磨料阵列包括多个凸出单元，所述凸出单元成两维分布，其中，每一凸出单元具有基底，所述基底具有周边，其中，对于每一单元，当其各自的远侧区域投影到与其各自基底共面的平面上时，落在所述基底的周边内，并在远侧区域的投影和所述基底的中心点之间限定偏离矢量；以及其中，所述多个凸出单元的偏离矢量的和不会接近于极限零。
2.根据权利要求1所述的磨料阵列，其中，每一远侧区域为线性的。
3.根据权利要求2所述的磨料阵列，其中，每一远侧区域为直线的。
4.根据权利要求2所述的磨料阵列，其中，每一远侧区域为曲线的。
5.根据权利要求1所述的磨料阵列，其中，每一基底为平行四边形。
6.根据权利要求5所述的磨料阵列，其中，所述平行四边形中的任何一条边都不与制品的边缘平行，所述制品上布置有磨料阵列。
7.根据权利要求1所述的磨料阵列，其中，对于每一单元，当其各自的远侧区域投影到与其各自基底共面的平面上时，落在所述基底的周边内。
8.根据权利要求1所述的磨料阵列，其中，相邻的基底不邻接。
9.一种磨料制品，包括衬底，其具有前后表面；以及磨料涂层，其粘结到所述衬底的前表面，其中，所述磨料涂层包括多个凸出单元，所述凸出单元成两维分布，其中，每一凸出单元具有基底，所述基底具有周边，其中，对于每一单元，当其各自的远侧区域投影到与其各自基底共面的平面上时，落在所述基底的周边内，并在远侧区域的投影和所述基底的中心点之间限定偏离矢量；以及其中，所述多个凸出单元的偏离矢量的和不会接近于极限零。
10.根据权利要求9所述的磨料制品，其中，每一远侧区域为线性的。
11.根据权利要求10所述的磨料制品，其中，每一远侧区域为直线的。
12.根据权利要求10所述的磨料制品，其中，每一远侧区域为曲线的。
13.根据权利要求9所述的磨料制品，其中，每一基底为平行四边形。
14.根据权利要求13所述的磨料制品，其中，所述平行四边形中的任何一条边都不与制品的边缘平行，所述制品上布置有磨料阵列。
15.根据权利要求9所述的磨料制品，其中，对于每一单元，当其各自的远侧区域投影到与其各自基底共面的平面上时，落在所述基底的周边内。
16.根据权利要求9所述的磨料制品，其中，相邻的基底不邻接。
全文摘要
磨料制品包括凸出磨料单元的阵列。每一单元具有基底和远侧顶点，当该远侧顶点投影到与该基底共面的平面上时，偏离该基底的中心。磨料制品包括衬底，该衬底粘结到磨料涂层，该磨料涂层形成为包括前述磨料单元。用于制造磨料制品的方法包括制作生产工具、磨料淤浆和衬底。在制造过程中，对淤浆内的粘结剂进行固化。磨料制品可以用来研磨工件。
文档编号B24D11/04GK1882416SQ200480034363
公开日2006年12月20日 申请日期2004年7月27日 优先权日2003年9月23日
发明者斯科特·R·卡勒, 约翰·D·哈斯, 杰弗里·R·西蒙斯 申请人:3M创新有限公司