专利名称：带有较佳定向硬毛的硬毛转动工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硬毛转动工具，它具有从一底板伸展的多个较佳定向的硬毛，尤其涉及一种整体模制的硬毛转动工具，其中硬毛的截面和定向在硬毛转动工具运转时能提供需要的偏转。
本发明的背景很多年来人们一直用毛刷抛光、清洁和研磨多种基底。典型的刷子产品具有可接触基底的很多根硬毛。研磨颗粒可添加到硬毛上以增加它们的研磨性。
美国专利No.3,233,272“转动的刷子”(帕白罗(Pambello))公开了多种刷子，特别是具有环状或螺旋形布置的刷子长条类型的转动刷子，它们适于进行较重的工作，例如清扫铺砌的街道、人行道、混凝土地板等等。在一实施例中，帕白罗的刷子包括一可转动的结构、由环状分布在该结构上的可弯曲的塑性材料的整体细条形成的刷子体，该细条具有纵向伸展的基部和从该基部向外伸展且在它们的外端形成一末端的叶片装置。帕白罗的刷子细条可用塑性材料通过模制或挤压和切削操作来形成。
美国专利No.5,233,794“无机纤维加固塑料制造的转动工具”(菊谷(Kikutani)等人)公开了一种转动工具5，它具有和轴3整体形成的一转动末端。该转动工具是用包含有无机长纤维的热固树脂制成的，该无机长纤维具有作为研磨装置的较高硬度且占据了体积的50％至81％。无机长纤维具有3μm至30μm范围的直径。在菊谷等人的一个实施例中，转动末端形成了一柱状体或圆柱体，其上带有相当于从末端伸展的刷子硬毛的部件。
已知道可用热塑弹性体形成各种类型的研磨细丝。美国专利No.5,427,595(皮尔(Pihl))公开了一种挤压的研磨细丝，它包括第一延长细丝部分，该第一部分在其整个长度上带有连续的表面且具有第一硬化有机聚合体；还包括邻接第一延长细丝部分的第二延长细丝部分，该第二部分具有沿着该连续的表面熔化粘结在第一延长细丝部分上的第二硬化有机聚合材料。第二硬化有机聚合材料可与第一硬化聚合材料相同或不同。第一和第二有机聚合材料中至少一个具有其内粘附了研磨颗粒的热塑弹性体。还公开了一种包括至少一个研磨细丝的一种研磨物体，该研磨细丝安装在一基底上，例如适于高速转动的一个毂(hub)上。
美国专利No.5,460,883(巴伯(Barber))公开了一种复合的研磨细丝，它具有至少一个先做好的芯部，该芯部至少部分涂有内部分布和粘附了研磨颗粒的热塑弹性体，热塑弹性体和研磨颗粒共同构成了一硬化的组份。该复合的研磨细丝至少在一部分表面上、较佳地在至少一个先做好的芯部的整个表面上具有硬化的组份。该先做好的芯部是在一个或多个上涂料步骤之前分开制作的，其中一个上涂料步骤将先做好的芯部涂覆上填充了研磨材料的热塑弹性体。
美国专利Nos.5,174,795和5,230,470(维亚德(Wiand))揭示了一种包括一薄片部分的平坦研磨物体，该薄片部分带有从其上伸展的多个凸起。研磨颗粒均匀地分布在构成该物体的整个可模塑的材料中。维亚德揭示了具有从底板伸出1.6mm(0.063英寸)且具有3.2mm(0.125英寸)直径的短凸起的一实施例和具有从底板伸出1.3-1.5mm(0.05-0.06英寸)且具有1.3mm(0.05英寸)直径的短凸起的另一实施例。
英国专利申请No.2,043,501(道金斯(Dawkins))公开了用以磨光眼科工件的一种研磨物体。该研磨物体是通过注模研磨颗粒和热塑粘合剂的混合物来制造的，所形成的研磨物体包括具有多个竖立凸起的弹性底板，各竖立凸起的端部可作为操作的研磨表面运作。
已知硬毛可以和刷子的底板整体地模制。1997年10月21日授权的美国专利No.5,679,067公开了一种模制的研磨刷子，它具有具有一个底板，多个硬毛从底板上伸出。底板和硬毛较佳地一体模制。刷子是用例如热固聚合物、热塑聚合物或热塑弹性体这样的可模塑的聚合物模制的。可模塑的聚合物具有至少散布在硬毛中且可以散布在整个刷子中的多个有机或无机研磨颗粒。可模塑的刷子可具有与底板整体模制的连接装置。约翰逊(Johnson)等人公开的硬毛可具有任何的截面形状，这些形状包括但不局限于圆形、星形、半月形、四分之一月形、椭圆形、矩形、正方形、三角形、菱形或多边形。在一较佳实施例中，约翰逊等人公开的硬毛沿其长度具有恒定的圆形截面。在约翰逊等人的另一实施例中，硬毛沿其长度的全部或一部分具有非恒定或变化的截面。相似的硬毛还公开在WIPO国际专利公开物No.WO 96/33638中。1997年1月13日提交的美国专利申请系列No.08/782,782霍姆斯(Holmes)等人公开了一种类似的刷子，它此外还具有构制成可与固定螺母的孔相嵌合的小块。
ROLOCTM牌的硬毛刷子可从位于明尼苏达州的3M公司购得。该刷子是具有底板的模制研磨刷子，底板带有多个从其上伸展的硬毛。底板和硬毛是整体模制的。该刷子是用热塑弹性体模制的且具有散布在整个刷子中的多个研磨颗粒。硬毛沿其长度具有圆形的截面，并且从末端至基部逐渐变粗。
本发明的简要说明尽管ROLOCTM牌的硬毛刷子的商业成功令人印象深刻，但仍期望进一步提高该转动工具的性能。例如，期望能够控制运转时硬毛的径向位移量，和控制使用后停转时硬毛的永久位移量。还期望提供一种能够便捷有效地精整两面或三面角落的内部表面的工具结构。
在一方面，本发明提出了硬毛转动工具的第一实施例。硬毛转动工具具有包括第一侧、第二侧和一转动中心的基部和从该基部的第一侧伸展的硬毛的阵列。每一根硬毛都具有邻接基部的一根部和与根部相对的一末端，并且硬毛包括一弹性聚合物。硬毛的阵列界定了处在硬毛根部的一阵列根部外直径和处在硬毛末端的一阵列末端外直径，阵列根部外直径相对于阵列末端外直径的比率至少为2∶1。在以上的硬毛转动工具的一较佳形式中，该阵列是圆形的，并且阵列根部和末端外直径与基部的转动中心同心。选择性地，硬毛中可具有多个研磨颗粒。较佳地，硬毛包括一热塑弹性体。
在以上硬毛转动工具的另一较佳实施例中，硬毛具有一根部截面和一末端截面。根部截面具有一根部较大厚度和一根部较小厚度，根部较大厚度相对于根部较小厚度的比率至少为2∶1。根部较大厚度相对于从基部的转动中心伸展至根部的一根线被定向成-20°至+20°的角度。在一较佳实施例中，根部较大厚度沿着从基部的转动中心伸展至根部的一根线定向。
在另一较佳实施例中，硬毛具有从根部至末端的硬毛长度，硬毛长度相对于根部较小厚度的比率至少为5∶1。
在另一较佳实施例中，硬毛被构制成硬毛转动工具围绕基部的转动中心以1000RPM的转动可致使硬毛偏转成阵列末端外直径相对于阵列根部外直径的比率至少为1∶1。更佳地，硬毛被构制成硬毛转动工具围绕基部的转动中心以3000RPM的转动可使硬毛偏转成阵列末端外直径相对于阵列根部外直径的比率至少为1.5∶1。
在另一较佳实施例中，硬毛被构制成硬毛转动工具围绕基部的转动中心以2000RPM的转动可使硬毛偏转成阵列末端外直径相对于停转时的阵列末端外直径的比率至少为1.5∶1。
在另一较佳实施例中，硬毛被构制成依据硬毛转动工具围绕基部的转动中心以足够高的速率转动可致使硬毛偏转成转动时的阵列末端外直径至少是停转时的阵列末端外直径的一倍，在末端偏转的切向分量大于在末端偏转的径向分量。更佳地，在末端偏转的切向分量相对于在末端偏转的径向分量的比率至少为3∶1。
在以上硬毛转动工具的另一实施例中，硬毛与基部一体地模制。较佳地，硬毛和基部包括一热塑弹性体。
本发明的另一方面提出了硬毛转动工具的第二实施例。该硬毛转动工具具有包括第一侧、第二侧和一转动中心的一个基部。多个硬毛从基部的第一侧伸展，并且硬毛包括一可模塑的聚合物。每根硬毛具有邻接基部的一根部、与根部相对的一末端和从根部至末端的一长度。硬毛具有一根部截面和一末端截面。根部截面具有一根部较大厚度和一根部较小厚度，根部较大厚度相对于根部较小厚度的比率至少为1.5∶1。根部较大厚度相对于从基部的转动中心伸展至根部的一根线被定向成-20°至+20°的角度。硬毛长度相对于根部较大厚度的比率至少为5∶1。
在以上硬毛转动工具的一个较佳实施例中，硬毛具有面向基部的转动中心的一向内侧、从基部的转动中心面向外的一向外侧和彼此相对且从向内侧伸展至向外侧的第一和第二侧。至少在硬毛根部，向内侧具有一第一曲率半径，向外侧具有一第二曲率半径，并且第一曲率半径相对于第二曲率半径的比率至少为2∶1。较佳地，从向内侧至第一和第二侧、从向外侧至第一和第二侧存在一平滑的过渡。选择性地，硬毛中具有多个研磨颗粒。
本发明的又一方面提出了硬毛转动工具的第三较佳实施例。该硬毛转动工具包括具有第一侧、第二侧和一转动中心的一个基部。硬毛的一阵列从基部的第一侧伸展。硬毛包括一可模塑的弹性聚合物。每根硬毛具有邻接基部的一根部、与根部相对的一末端和从根部至末端的一长度。根部包括具有一根部较大厚度和一根部较小厚度的一根部截面。硬毛长度相对于根部较小厚度的比率至少为4∶1。该阵列在硬毛的末端界定了一阵列末端外直径。硬毛被构制成依据硬毛转动工具围绕基部的转动中心以足够高的速率转动可致使硬毛偏转成转动时的阵列末端外直径至少是停转时的阵列末端外直径的两倍，偏转的切向分量相对于偏转的径向分量的比率至少为3∶1。
材料、制造过程和硬毛转动工具的结构将依据需要精整的应用。在此使用的“精整”一词至少包括以下的其中一个除去工件表面的一部分；给工件产生一表面抛光；清洁一工件表面，包括除去油漆或其他涂层、填料、锈或其他外部材料；或者以上的某些结合。在某些应用中，提供较强的研磨性能是较佳的，在此情况下，硬毛转动工具可包括较大尺寸的研磨颗粒、较硬的研磨颗粒、研磨颗粒相对于粘合剂较高的比率或以上的结合。在其他应用中，给需要精整的表面提供一磨光型的抛光或者精整一表面而不要除去它本身的表面材料可能是较佳的，在此情况下，硬毛转动工具可以应用无研磨颗粒、较小的研磨颗粒、较柔软的研磨颗粒、颗粒相对于粘合剂的较低比率或以上的结合。可以应用不同成份和硬度的研磨颗粒以获得需要的研磨特性。
附图的简要说明通过参考附图将进一步解释本发明，其中相同的结构在所有几幅图中使用相同的标号，其中
图1是按照本发明的一硬毛转动工具的第一较佳实施例的主视图；
图2是图1的硬毛转动工具的仰视图；图3是沿图2的线3-3剖开的硬毛转动工具的一个截面；图4是沿图1的线4-4剖开的硬毛转动工具的一个截面；图5是沿图1的线5-5剖开的硬毛转动工具的一个截面；图6是图1的硬毛转动工具的仰视图，示出了工具转动中硬毛的偏转；图7是图1的硬毛转动工具的主视图，示出了工具转动中硬毛的偏转；图8是另一硬毛实施例在硬毛根部的一个截面；图9是图8的另一硬毛在硬毛根部和末端之间大约中部的一个截面；图10是又一个硬毛实施例在硬毛根部的一个截面；图11是图10的另一硬毛在硬毛根部和末端之间大约中部的一个截面；图12是按照本发明的一硬毛转动工具的另一实施例的俯视图；图13是图12的硬毛转动工具沿线13-13剖开的一个截面；图14是图12的硬毛转动工具的仰视图；图15是按照本发明的另一硬毛结构的一较佳实施例的剖视图；图16是实施本发明的设备和方法的示意图；以及图17是按照本发明的模子和注射器的局部剖视图。
本发明的详尽描述参见图1至图7，示出了一硬毛转动工具10的一个较佳实施例。该实施例适用于多种应用，但它特别适于精整两面或三面角落的内表面。
硬毛转动工具10包括具有第一侧14、第二侧16和外周缘18的一个基本平坦的基部12。多根硬毛20从基部12的第一侧14向外突出。在硬毛20之间存在空间，基部12的第一侧14就暴露在其中。在一个实施例中，硬毛转动工具10包括一不带有研磨颗粒的可模塑的聚合物13。在另一个实施例中，硬毛转动工具10在可模塑的聚合物13中包括研磨颗粒11。当存在研磨颗粒时，它们至少较佳地处在硬毛的端部，并且更佳地存在整个硬毛上。研磨颗粒也可以处在整个硬毛转动工具10上。较佳地，基部12与硬毛20模制成一体以提供一个整体的硬毛转动工具。因此，无需任何粘合剂或机械装置将硬毛20粘附到基部12上。基部12和硬毛20是较佳地同步模制的。
在一较佳实施例中，基部12是基部平坦的。但是，具有一成形或弯曲的基部也处在本发明的范围之内。例如，基部12可以是凸出、凹进或圆锥形的形状。在这样的布置中，硬毛20可具有一致的长度，在此情况下，硬毛的末端部24将不会共平面，或者硬毛具有变化的长度，在此情况下，末端部可以共平面。基部12可选择性地包含一个围绕周缘18的一个凸缘，在周缘18基部的一部分在硬毛20之上沿径向伸展。凸缘的尺寸较佳地为最小，因此它不会干扰相对工件表面以一定角度对着界面来操作硬毛转动工具10。基部12较佳地为图2所示的圆形。除了圆形外还包括但并不局限于椭圆形、矩形、正方形、三角形、菱形和其他多边形的基部形状都处在本发明的范围之内。
以下将会详细描述，硬毛转动工具10的转动将在硬毛20上产生离心力，这将趋于弯曲基部12，由此第一表面14将会凸起。因此，基部12具有较佳的合适材料和厚度以提供一个能基本防止操作中的弯曲的基部12。应当理解到，然而，操作中的稍微弯曲是可接受的，在某些应用中还是较佳的。另外，在某些应用中，允许基部12在使用时显著地弯曲则是有利的。
硬毛20从基部12的第一侧14伸展，其根部22邻接基部12，且其末端24远离基部12。硬毛20具有依据弯曲方向能够提供较佳弯曲性能的截面。硬毛的结构控制了在转动工具10的使用中硬毛的移动。较佳地，硬毛的截面允许硬毛在一个方向比在其他方向更加弯曲。
图4所示的较佳实施例中，硬毛截面是有方向性的，因此硬毛在切向T比在径向R更有弹性。在图示的实施例中，硬毛20具有基本彼此相对的一个第一侧26和一个第二侧28。硬毛20还具有基本彼此相对的一个向内侧30和一个向外侧32。向内侧30在第一和第二侧26、28之间它们的内部径向端处伸展，向外侧32在第一和第二侧26、28之间它们的外部径向端处伸展。所示硬毛的边侧大体平坦，但它们中的一部分或全部可以是弯曲的。较佳地，在每个边侧的连接处有一个圆角半径(fillet radius)。如图所示，第一和第二侧26、28及向内和向外侧30、32是不连续的相邻部分。边侧从一边更平滑地过渡到下一边侧而在它们之间没有断开特征，这也处在本发明的范围之内。在图示的实施例中，硬毛20的截面沿径向要比沿切向显著地长。这使得硬毛20具有较佳的弹性，因此它沿切向T比沿径向R更有弹性。
为了相对于另一个在一个方向中获得硬毛的所需偏离，较佳地在根部，根较大厚度相对于根较小厚度的比率较佳地至少为1.5∶1，更佳地为至少2∶1，最佳地为大约3∶1。在此所使用的，包括权利要求书，“较大厚度”一词是指硬毛的最硬方向中截面的最长尺寸，“较小厚度”一词是指垂直于最硬方向的方向中截面的最长尺寸。在该图示的实施例中，较大厚度沿径向相对于基部12伸展，较小厚度沿切向伸展。依据硬毛转动工具12在操作中的所需偏离，可以将较大厚度定向在切向或径向和切向之间的任何位置，这也处在本发明的范围之内。
在图示的实施例中，硬毛20逐渐变细，因此硬毛20的截面从根部22至末端24逐渐变小。比较图4示出的根部的截面、图5示出的根部22和末端24之间的硬毛中部的截面和图2示出的硬毛末端24的截面形状，可最清楚地看出这一点。在硬毛转动工具的制作中渐细的硬毛20比具有一致截面面积的硬毛20更容易从模子中取出。而且，当硬毛转动工具10对着一工件转动时，硬毛20要受到弯曲应力。这些弯曲应力在硬毛20的根部最大。渐细的硬毛更能够抵抗这样的弯曲应力。渐细的硬毛在末端24的邻近处比在根部22的邻近处也更具有弹性，这对于硬毛转动工具10的许多应用都是需要的。
通过硬毛20的阵列40所界定的外直径42和内直径44可以说明硬毛的锥度。如图1所示，硬毛的根部22处的外直径42比硬毛末端24处的大。通过比较示出了硬毛在根部的截面的图4、示出了硬毛在根部和末端之间大约中部的截面的图5和可以看到硬毛末端的图2，可以看出这一点。这样锥形的结构使得特别适于使用图1-5所示的硬毛转动工具来精整两面或三面角落的内部角落。在末端的较小外直径42使得工具10可进入角落，同时逐渐斜向根部的较大直径在高速、高应力操作中给硬毛提供强度。在一个较佳的实施例中，阵列40的外直径在根部与在末端的比率至少为1.5∶1，更佳的为至少2∶1，最佳的为大约5∶1。
为了使工具10的实施例可用于精整内部角落，将硬毛阵列40的内直径44保持尽量小是较佳的。这可能会被用于制造工具10的工具和模子的几何形状所局限。从硬毛20的根部至末端阵列的内直径为恒定也是较佳的，尽管这不是关键。上限为1.0cm的阵列末端内直径是较佳的，尽管更大的阵列末端内直径也处在本发明的范围之内。使用从根部至末端具有一恒定截面而不是逐渐变细的硬毛也是可行的。
对于适于精整内部角落的图1的实施例，基部12的直径较佳地为大约1.0至8.0cm，尽管更小或更大的基部也是可行的。依据预想的应用，基部12较佳地具有大约1.0至8.0mm的厚度，尽管也可以使用更薄或更厚的基部。在图1所示的实施例中，工具10的基部12具有大约为2.5cm的直径和大约为2.0mm的厚度，且带有从基部的第一侧伸展的十二根硬毛。每根硬毛具有从根部至末端大约为4.2cm的长度、大约为5.0mm的径向长度、1.75mm的切向厚度和逐渐变小到具有1.25mm直径的圆形截面。阵列根部外直径大约为2.5cm，阵列末端外直径大约为0.9cm。这些尺寸仅是一个较佳实施例的范例，并不由此局限申请专利的本发明。
图6和图7示出了图1-5的硬毛转动工具的硬毛20的偏转。可以看出末端24的偏转使得在末端的阵列外直径42在操作中要比不操作时大。还可以看出硬毛通过主要在切向中的弯曲而偏转。因此，对于各个硬毛，在末端偏转的切向分量DT比偏转的径向分量DR大。这是因为硬毛被定向成根较大厚度处在径向中，而根较小厚度处在切向中。这样的偏转导致硬毛的末端24处在明显较大的半径位置，比起单靠它本身的径向分量DR的大小而没有切向分量DT所能得到的期望值要大得多。这样的定向与具有类似截面面积的圆柱形硬毛相比，可以减小硬毛弯曲的径向分量。这有助于减小高速操作所导致的硬毛中的永久性径向偏转。在一个较佳的实施例中，根较大厚度相对于从基部12的转动的中心延伸至硬毛根部的一根线被定向成-20°至+20°中的一个角度。更佳地，根较大厚度沿着径向线定向。为了获得期望的弹性，依据硬毛的结构和材料及所需的应用，硬毛长度对于根较小厚度的比率较佳地是至少2∶1，更佳地为至少4∶1，仍然更佳地至少为10∶1。
在一个较佳实施例中，硬毛10以足够高的速度转动致使转动下的阵列末端外直径至少为停转时阵列末端外直径的两倍，这样的转动将导致硬毛偏转，使其偏转切向分量要比偏转径向分量大。更佳的是，在此转动速度下，在末端偏转的切向分量相对于径向分量的比率至少为3∶1。较佳地，这样的偏转(只是由转动导致的，而不是与工件表面接触所引起的)如果不是完全的、也是基本弹性的。但是，在使用工具精整一个表面后，已观察到硬毛主要在切向中会呈现出一定的塑性变形量。
对于用于精整内部角落的工具10的实施例，期望将末端外直径保持足够小以进入角落，同时要使硬毛在转动下足够偏转，由此末端对着正在精整的表面施加一个较高压力。在一较佳实施例中，硬毛转动工具10以2000RPM(转每分钟)的转动使硬毛偏转，由此末端外直径在操作中相对于不操作时末端外直径的比率至少为1.5∶1。在一较佳实施例中，当不操作工具时在根部的阵列外直径相对于在末端的阵列外直径的比率至少为2∶1，工具10以大约1000RPM的转动致使硬毛偏转时，由此阵列末端外直径相对于阵列根部外直径的比率至少为1∶1。对于这样一个实施例，工具10以3000RPM的转动致使硬毛偏转到阵列末端外直径相对于阵列根部外直径的比率至少为1.5∶1，这也是较佳的。较佳地，刚刚描述的偏转如果不是完全弹性的，也是基本弹性的。
硬毛20在其根部22和基部的第一表面14之间的过渡部分具有一个内圆角半径。内圆角24可具有大约0.25至2.5mm(0.010至0.100英寸)的半径，并且半径更佳地为大约0.5至1.3mm(0.020至0.050英寸)。
图8-9示出了对于本发明有用的硬毛截面的另一实施例。图8示出了根部截面，同时图9示出了根部和末端之间的中部的截面。硬毛的第一侧26基本是直的，相对第一侧的第二侧28是凸出的。向内侧30是弯曲的，并且平滑地过渡了第一和第二侧26、28的最靠内部分。向外侧32也是弯曲的，并且平滑地过渡了第一和第二侧26、28的最靠外部分。这样的截面提供的硬毛在径向中的弹性不如图2、4和5所示的硬毛。图8的硬毛的根部截面具有基本定向在径向中的根较大厚度，并且根较小厚度基本处在切向中。因为相对于图4的实施例有所增加的根较小厚度，图8的根部截面具有比图4的根部截面低的根较大厚度对于根较小厚度的比率。假设其他相关因素相同，相对于图4的截面偏转的切向分量将被减小。
本发明的硬毛可以逐渐变细到末端24处的圆形截面，如图2所示。对于这样一个实施例，末端截面具有都等于末端直径的一较大厚度和较小厚度，而没有较佳的定向。硬毛末端也可以逐渐变细到具有一不连续且具有较佳定向的末端较大厚度和末端较小厚度的一末端截面。依据硬毛的几何形状和期望的弹性和偏离，末端较大厚度可以平行、也可以不平行于根较大厚度。
另一个实施例示出在图10-11中。图10是硬毛在根部的一个截面，同时图11是硬毛在根部和末端之间的大约中部的一个截面。该实施例的根较大厚度基本沿径向伸展，同时根较小厚度基本沿切向伸展。该实施例的根较小厚度比图8的实施例的根较小厚度小一些。
硬毛转动工具10的另一较佳实施例示出在图12-14中。如图14所示，硬毛20被排列成多个螺旋弧形线或硬毛弯曲线且从基部12的第一侧14处伸展。每个硬毛弯曲线都从基部12的内边缘17的邻近处伸展至其外边缘18的邻近处。硬毛弯曲线中的每根硬毛20与硬毛弯曲线中相邻的硬毛20等间距分隔。在一较佳实施例中，每个硬毛弯曲线可具有十五根硬毛，三十六个硬毛弯曲线围绕基部12的第二表面14一致地分布。每个硬毛弯曲物中的硬毛沿径向分布以提供一个基本连续和均匀的后掠形(sweep)。在一较佳实施例中，硬毛20在末端具有一个直径大约为0.05英寸的圆形截面。
从图12和图13中可最好地看出，硬毛转动工具10的该实施例具有连接在基部12的第二侧16上的一个加固件52。该加固件向外伸展至大约基部12的外边缘18处。该加固件具有多个穿过该部件的开口55。这些开口具有楔形的壁，因此各开口55在远离基部12的加固件52的第二侧54处较宽，在邻近基部的加固件的第一侧53处较窄。在一较佳实施例中，该加固件是注射模铸的且可以变硬。将该加固件放置在模子中以制造基部12，而后可模塑的聚合物13被注入到模子中以填充开口55。因基部12的可模塑聚合物13的变硬，伸展进入加固件52的楔形开口55的基部12的各凸出物15之间有一牢固的机械连接。
在一较佳实施例中，图12-14的硬毛转动工具10包括具有如图15所示的泪珠形截面的硬毛20。硬毛20具有部分圆弧形状的向内侧30。相对向内侧30的是也为圆弧形状的向外侧32。较佳地，向内侧30的曲率半径相对于向外侧32的曲率半径的比率至少为2∶1，更佳地至少为4∶1。第一侧26和第二侧28在向外和向内侧30、32之间伸展。较佳地，从向内侧到第一和第二侧及从向外侧到第一和第二侧存在平滑过渡。如图所示，该实施例的硬毛的较大厚度沿径向伸展，而较小厚度相对于基部12沿切向伸展。该结构对于偏转的径向分量产生额外的抗力，这样的硬毛不易产生硬毛转动工具10的高速转动所导致的径向偏转中的塑性变形。但是，如以上描述的硬毛实施例，依据对硬毛转动工具10所需的偏转及对其应用的要求，较大厚度可相对于基部12定向在任何想要的角度。
图12-14的硬毛转动工具较佳地具有1.0至20cm的基部直径，尽管更小或更大的基部也处在本发明的范围之内。在图示的实施例中，较佳的直径大约为11cm。基部的厚度较佳地为1.0mm至1.0cm。对于图15的硬毛的一较佳实施例，在根部22处的向内侧30被一个2.0mm的圆所限定，并且根较大厚度大约为3.3mm，根较小厚度大约为2.0mm。硬毛从根部到末端大约为19mm长，并且逐渐变细到大约1.3mm直径的圆形截面。
应当理解到这里揭示的任何硬毛可以与揭示的任何硬毛一起使用，而且任何给定的硬毛转动工具可以具有位于其上的不只一种类型的硬毛。而且，硬毛20可以具有任何截面形状，它能在不同方向提供较佳的坚韧性，这些形状包括但不局限于星形、半月形、四分之一月形、椭圆形、矩形、正方形、三角形、菱形或多边形。
连接件硬毛转动工具10较佳地包括连接件以提供一种手段，以在使用中将硬毛转动工具10固定到转动工具和/或一支承衬垫或一支持衬垫上。连接件50较佳地与基部和硬毛模制成一体。较佳的连接件描述在美国专利Nos.3,562,968、3,667,170和3,270,467中。最佳的则是美国专利No.3,562,968揭示的适于与转动工具以螺纹型相啮合的一体模制的柱螺栓，如图1-7的实施例所示。该类型的连接件对于圆形或盘片形的硬毛转动工具10是较佳的。连接件50相对于基部12较佳地定向在中心以进行适当的转动，并且适于将硬毛转动工具10固定在高速转动工具上，例如直角磨床。这样的设备允许硬毛转动工具10围绕位于该连接件中心且基本垂直于基部12(对于扁平、平坦的基部)的一转动轴线高速转动。在这样一实施例中，每根硬毛20围绕转动轴线以圆形路径移动，同时基本平行于转动轴线来定向。较佳地，依据尺寸和结构，硬毛转动工具10和紧固装置50被构制成能够以至少100RPM转动，较佳地至少为5000RPM，某些较小的硬毛转动工具能够达到30,000RPM的转动速度。连接件50可用与硬毛转动工具10的其他部分相同的材料来制造，且可选择性地包含有研磨颗粒11。另一方案是，连接件50用不带有研磨颗粒11的可模塑的聚合物13单独喷注来制造。
另一方案是，连接装置50可以包括一个或多个穿过硬毛转动工具基部的直的或带螺纹的孔或开口，由此硬毛转动工具可机械地固定(例如用螺栓和螺母)在支承衬垫上。这样的一个孔可选择性地装配有与基部材料不同的一嵌件(insert)。图12-14示出了一较佳的实施例，其中连接装置是适于安装在一螺纹轴上的一个螺纹孔51。
使用钩环型的连接件也处在本发明的范围之内，例如美国专利No.5,077,870“用于机械紧固件的蘑菇型的钩子带”(梅尔比等人)所揭示的连接件，或可从明尼苏达州的3M公司购得的SCOTCHMATETM牌类型的连接件。也可以使用雌性同体型(hermaphroditic)紧固件、例如可从3M公司购得的DUAL LOCKTM牌的紧固件将硬毛转动工具固定到支承衬垫上。也可以应用相互啮合结构的表面，例如美国专利No.4,875,259“相互啮合物品”(阿佩尔多恩)所揭示的表面。其他可使用的连接装置包括WIPO(世界知识产权组织)国际专利申请No.US97/22893(霍姆斯等人)所揭示的那些装置。
在此描述的任何一种连接装置可以与在此描述的硬毛工具10的任何一个实施例一起使用。
加固装置基部还可以包括加固装置。加固装置的一个较佳实施例是在图12-14所示的硬毛转动工具10的实施例中讨论的加固件52。
另一方案是，或者此外，加固装置可包括织物、无纺薄膜、网状物、稀松窗帘用布(scrim)和诸如此类的纤维加固方式，或者可包括混进可模塑的聚合物且分布在整个硬毛转动工具中的单个纤维。加固装置的目的是为了提高底板的弯曲强度和抗拉强度。适于使用在本发明中的加固纤维的例子包括玻璃纤维、金属纤维、碳纤维、丝网、无机纤维、抗热有机材料形成的纤维或陶瓷材料制造的纤维。其他有机纤维包括聚乙烯醇纤维、尼龙纤维、聚酯纤维和酚纤维。玻璃纤维可较佳地包含有偶合剂、例如硅烷偶合剂以提高热塑材料的粘合性。纤维的长度范围是从大约0.5mm至大约50mm，较佳地为大约1mm至大约25mm，最佳地为大约1.5mm至10mm。纤维但尼尔(denier)将在25至300之间，较佳地在50至200之间。
加固装置可包括加固层或基底以增加基部的强度。在加固基底中无需包括研磨颗粒，特别是如果它并不接触工件时。加固基底可包括一可模塑的聚合物。在该情况下，加固基底可与硬毛转动工具10同时模制。另一方案是，加固基底可以是衬垫类型的材料，例如聚合薄膜、优质聚合薄膜、布、纸张、硫化纤维、无纺层及其经过处理的形式。在此情况下，加固基底可插入模子内，这样用以形成硬毛转动工具的可模塑的聚合物可粘接到加固基底上。另一方案是，在硬毛转动工具模制好后，将加固基底粘接到硬毛转动工具10上。在一较佳实施例中，加固基底与基部12一起伸展，尽管依需要它可以更小或更大。
可模塑的聚合物可模塑的聚合物13较佳地为能够模制、即在加热下能够变形以形成想要形状的有机粘合材料。可模塑的聚合物可以是热塑聚合物、热固聚合物或者热塑弹性体。弹性的聚合物是较佳的。包括权利要求书在内，在此使用的“弹性的聚合物”一词是用来描述那些机械性能模仿自然橡胶的材料，因为它们在张力之下会伸展、具有较高的抗拉强度、反应较快且基本能够返回到它们原来的尺寸。在此使用的弹性聚合物包括热塑弹性体和热固弹性体。热塑弹性体是特别较佳的。
在使用热塑聚合物的情况下，加热有机粘合材料至其熔化点之上，以使聚合物能够流动。这导致热塑聚合物流入到模子的腔体中来形成硬毛转动工具10。而后冷却硬毛转动工具以固化热塑粘合材料。在使用热固聚合物的情况下，在模制过程中有机粘合材料处在热塑状态，即它被加热到熔化点之上后，它将流入模子空腔中以形成硬毛转动工具。此后，进一步加热硬毛转动工具，在某些情况下加热到较高温度时，会使该有机粘合材料交联且形成一热固聚合物。合适的热固聚合物的例子包括丁苯橡胶、聚亚胺酯、脲甲醛、环氧类和酚类物。
热塑聚合物按照本发明的硬毛转动工具可包括一热塑聚合物。合适的热塑聚合物的例子包括聚碳酸酯、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、聚酯、聚乙烯、聚砜、聚苯乙烯、聚丁烯、丙烯腈一丁二烯-苯乙烯块状共聚物、聚丙烯、乙缩醛聚合物、聚亚胺酯、聚酰胺及它们的混合物。简言之，本发明的较佳热塑聚合物是那些具有高熔化温度和良好的抗热性能的材料。热塑聚合物较佳地使用在硬毛转动工具10的低速应用中，其操作过程中的应力相当低。可购得的适用于本发明的热塑聚合物包括从位于南卡罗莱纳州的EMS-美国格瑞龙公司(Grilon)可得到的尼龙6.12的GrilonTMCR9共聚物；从位于特拉华州的黑蒙特(Himont)美国公司可得到的以聚丙烯为基础的热塑材料ProfaxTM和KS075；从位于德克萨斯州的壳牌化学公司可得到的以聚丁烯为基础的热塑材料DuraflexTM。
热塑弹性体对于许多应用，例如高速、高应力的应用中，可模塑的聚合物较佳地为热塑弹性体或者包含热塑弹性体。热塑弹性体(简称“TPE”)被定义和评述在热塑弹性体概论(Thermoplastic Elastomers.A Comprehensive Review)中，由N.R.莱格、G.霍尔登和H.E.施罗德编辑，汉泽尔出版商，纽约，1987(在此引述为“莱格等人”)。热塑弹性体(在此使用的)通常为一低当量的多功能单体和一高当量的多功能单体的反应产品，其中，低当量多功能单体具有至多大约两种功能和至多大约300当量，并能在聚合时形成一较硬部分(以及与其他较硬部分、结晶的较硬区域或范围相连)，高当量多功能单体具有至少大约两种功能和至少大约350的当量，并能在聚合时产生与较硬区域和范围相连的柔软、弹性链。
“热塑弹性体”不同于“热塑材料”和“弹性体”(用于模仿自然橡胶的物质的通用词语，它们在张力下伸展、具有高抗张强度、可快速缩回、并基本能够恢复到其初始尺寸。)，因为热塑弹性体在被加热至较硬区域的熔化温度之上时形成了均匀的熔化，这可通过注射模塑、挤压、吹模塑法等诸如此类的热塑技术(而不象弹性体)来进行。随之的冷却又导致了坚硬和柔软区域的离析(segregation)，这产生了具有弹性性能的材料。但是，这不会发生在热塑材料中。热塑弹性体结合了热塑材料的成型性能(当熔化时)且带有普通热固橡胶的功能和性能(当处在它们的非熔化状态时)，这在本技术领域中描述为离聚的、链段的或链段的离聚热塑弹性体。链段的形态包括参与形成结晶的较硬区域的“硬链段”，各结晶的较硬区域通过“柔软”、细长、弹性的聚合链连接在一起。较硬区域具有高于柔软聚合链的熔化温度的熔化或离解温度。
可购得的热塑弹性体包括链段的聚酯热塑弹性体、链段的聚亚胺酯热塑弹性体、链段的聚酰胺热塑弹性体、热塑弹性体和热塑聚合物的混合物和离聚的热塑弹性体。
在此使用的“链段的热塑弹性体”是指热塑弹性体的子类，该热塑弹性体是以一高当量多功能单体和一低当量多功能单体的反应产品的聚合物为基础的。链段的热塑弹性体较佳地为具有平均至少大约两种功能和至少大约350当量的一高当量多功能单体和具有平均至少大约两种功能和小于大约300当量的一低当量多功能单体的浓缩反应产品。高当量多功能单体能够在聚合时形成一柔软链段，低当量多功能单体能够在聚合时形成一坚硬链段。可使用在本发明中的链段热塑弹性体包括聚酯TPEs、聚亚胺酯TPEs、聚酰胺TPEs、硅氧烷弹性体/聚酰亚胺块状共聚TPEs，合适地选择低和高当量多功能单体来制造各个TPE。
链段的TPEs较佳地包括“链补充剂”(“chain extenders”)、具有2至8种氢活性功能的低分子量(典型地具有小于300的当量)化合物，这些在TPE领域中是已知的。特别较佳的例子包括乙二胺和1、4-丁二醇。
“离聚的热塑弹性体”是指以离子聚合物(离聚物)为基础的热塑弹性体的子类。离聚的热塑弹性体由在多个位置通过离子缔合或簇(cluster)连接在一起的两个或更多的弹性聚合链组成。离聚物典型地通过一功能单体与—烯属的未饱和单体的共聚作用或一预聚物的直接官能作用来制备的。羧基功能的离聚物通过自由基共聚以丙烯酸或异丁烯酸和乙烯、苯乙烯和类似共聚用单体的直接共聚作用来获得。所得到的共聚物一般为游离酸，可用金属氢氧化物、金属醋酸盐或类似的盐类将它中和至想要的程度。离聚物的历史和相关专利的讨论提供在莱格等人的第231-243页中。
在此使用的“热塑聚合物”或“TP”比一般的定义“在压力和加热的作用下会软化和流动的材料”具有更为局限的涵义。很容易理解到TPEs符合TP的一般定义，因为TPEs在压力和加热的作用下也将会流动。为了本发明的目的有必要对“热塑”进行更具体的定义。在此使用的“热塑”是指在压力和加热的作用下会流动、但当降到其熔化温度之下时不具有弹性体的弹性性能的材料。
TPE和TP材料的混合物也在本发明范围之内，它使得本发明的硬毛转动工具的制造机械性能中可有更大的弹性。
可购得且较佳的链段聚酯包括“HytrelTM”牌子的已知的那些产品，例如从位于特拉华州威明顿(Wilmington)的E.I.纽莫斯杜邦公司(E.I.Du Pont deNemours and Company，Inc.)可得到的“HytrelTM4056”、“HytrelTM5526”、“HytrelTM5556”、“HytrelTM6356”、“HytrelTM7246”和“HytrelTM8238”，最佳的则包括“HytrelTM5526”、“HytrelTM5556”和“HytrelTM6356”。可得到“Riteflex”牌子的热塑聚酯的类似系列(豪斯特赛拉尼斯公司)(HoechstCelanese Corporation)。还可以使用的聚酯TPEs包括以下品牌的已知的那些产品位于田纳西州金斯普特(kingsport)的东方人化学产品公司(EastmanChemical Products，Inc.)的“Ecdel”、位于马萨诸塞州皮兹费德(Pittsfield)的通用电气公司的“Lomad”、DSM工程塑料(Engineered Plastics)的“Arnitel”和杜邦(Du Pont)的“Bexloy”。可使用的聚酯TPEs还包括从位于宾西法尼亚州埃克斯顿(Exton)的LNP工程塑料(Engineering Plastics)可得到的“Lubricomp”，并且可购得要加入的润滑剂、玻璃纤维增强剂、碳纤维增强剂。
可购得且较佳的链段聚酰胺包括“Pebax”和“Rilsan”牌子的已知的那些产品，两者都可以从位于新泽西峡谷石(Glen Rock)的阿托姆(Atochem)公司得到。
可购得且较佳的链段聚亚胺酯包括可从位于俄亥俄州克来芜兰德(Cleveland)的B.F.好富(Goodrich)得到的“Estane”牌子的已知的那些产品。其他较佳的链段聚亚胺酯包括可从位于密歇根州梅得兰德(Midland)的道康宁公司(Dow Corning Company)得到的“Pellethane”和“Isoplast”牌子的已知产品、莫顿聚硫橡胶公司莫顿化学分部(Morton Chemical Division，Morton Thiokol，Inc.)的“Morthane”牌子的已知产品和位于密歇根州怀亚特(Wyandotte)的BASF公司的“Elastollan”牌子的已知产品。
热塑弹性体在美国专利No.5,443,906“有研磨填料的热塑弹性体组成的研磨细丝、其制造方法、混入该细丝的物品及使用该物品的方法”中有进一步的描述。
研磨颗粒在具有可选择的研磨颗粒的实施例中，研磨颗粒11的的颗粒尺寸在大约0.1至1500微米之间，通常在大约1至1000微米，较佳地在50至500微米之间。可选择的研磨颗粒可以是有机或无机的。
研磨颗粒的例子包括熔凝的(fused)氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理的氧化铝、碳化硅、二溴化钛(titanium diboride)、氧化铝、氧化锆、金刚石、碳化硼、二氧化铈、硅酸铝、立方氮化硼、石榴石和硅石。较佳的熔凝氧化铝包括可购得的经位于纽约特纳完达(Tonawanda)的埃克斯龙(Exolon)ESK公司或位于马萨诸塞州的华盛顿电解矿石公司(Washington Mills Electro MineralsCorp.)预处理的那些。研磨颗粒的其他例子还包括实心玻璃球、中空玻璃球、碳酸钙、聚合气泡(polymeric bubbles)、硅酸盐、三水合铝(aluminum trihydrate)和富铝红柱石。较佳的陶瓷氧化铝研磨颗粒包括描述在美国专利Nos.4,314,827、4,623,364、4,744,802、4,770,671、4,881,951、4,964,883、5011,508和5,164,348中的那些。较佳的α氧化铝-基(aluminum-based)陶瓷研磨颗粒包括α氧化铝和稀土氧化物，这包括可从位于明尼苏达州的3M公司购得的CubitronTM牌的那些产品。还适于使用在本发明中的是成型的研磨颗粒，例如揭示在美国专利Nos.5,009,676、5，185,012、5,224,477和5,372,620中的那些。只要可选择的研磨颗粒能够与粘合剂相结合使得硬毛转动工具10可精整一工件表面，它可以是任何颗粒材料(无机或有机)。研磨材料的选择将部分地依据应用的要求。例如，为了除去交通工具上的油漆，有时省去硬毛转动工具10上的研磨颗粒是较佳的。当除去油漆时为了不损伤油漆之下的表面，有时使用一相对柔软的研磨颗粒是较佳的。另外，为了除去金属表面上的毛刺，使用一较硬的研磨颗粒例如氧化铝是较佳的。在包含了可选择的研磨颗粒的那些实施例中本发明的硬毛转动工具可以具有两种或多种类型和/或尺寸的研磨颗粒。
在此使用的研磨颗粒一词还包括结合在一起以形成一研磨块状物的单个研磨颗粒。研磨块状物进一步描述在美国专利Nos.4,311,489、4,652,275和4,799,939中。本发明的研磨颗粒还可以包含有一表面涂层。已知表面涂层可提高研磨颗粒和研磨物品中的粘合剂之间的粘附性。这样的表面涂层描述在美国专利Nos.5,011,508、1,910,444、3,041,156、5,009,675、4,997,461、5,213,591和5,042,991中。在某些情况下，涂层的增加提高了研磨颗粒的磨光和/或加工性能。
适用于本发明的硬毛转动工具中的有机研磨颗粒较佳地由热塑聚合物和/或热固聚合物来形成。有机颗粒还可以用自然有机材料例如胡桃壳、小麦淀粉等来制造。可使用在本发明中的有机研磨颗粒可以是单个颗粒或单个颗粒的块状物。块状物可包括多个通过粘合剂粘结在一起的有机研磨颗粒以形成一成型块。
当在本发明的硬毛转动工具中使用了有机研磨颗粒时，颗粒在可模塑的聚合物中较佳地占据一定的重量百分比(每可模塑的聚合物和有机研磨颗粒的总重量)，其范围是从大约0.1至大约80重量百分比，更佳的是从大约3至大约60的重量百分比。重量比例部分取决于具体的磨光或硬毛转动工具的应用要求。
混入可模塑的聚合物的有机研磨颗粒的尺寸取决于硬毛转动工具应用的要求。对于需要切割或粗糙研磨的应用，较大的有机研磨颗粒是较佳的，而具有较小尺寸的颗粒对于精整应用是较佳的。较佳地，颗粒的平均直径不大于硬毛直径的大约1/2，更佳地不大于硬毛直径的大约1/3。
有机研磨颗粒较佳地具有从大约0.01至500微米的平均颗粒尺寸，颗粒尺寸典型地处在大约0.1至250微米之间，较佳地处在大约1至150微米之间，更佳地处在大约5至100微米之间，并且最佳地处在大约5至75微米之间。平均颗粒尺寸典型地以最长尺寸测量。
有机研磨颗粒可具有任何精确的形状或者可以是规则或随意的形状。这种三维形状包括金字塔形、圆柱形、圆锥形、半球形、块状、立方体、多边形等等。另一方案是，有机研磨颗粒可以相对平坦且具有菱形、十字形、圆形、三角形、矩形、正方形、椭圆形、八边形、五边形、六边形、多边形等诸如此类的截面形状。
有机研磨颗粒的表面(它们的表面的一部分或整个表面)可用偶合剂进行处理以提高粘合性和/或在已熔化的可模塑聚合物中的可省约性。有机研磨颗粒不需要均匀地分布在硬化的混合物中，但均匀的分布可提供更为一致的研磨特性。
有机研磨颗粒可由热塑材料形成，例如聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚酯、氯化聚乙烯、异丁烯酸、异丁烯酸甲酯、聚乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯块状共聚物、聚丙烯、乙缩醛聚合物、聚亚胺酯、聚酰胺及它们的混合物。简言之，本发明的较佳热塑聚合物是具有高熔化温度例如大于200℃、更佳地大于300℃或具有良好抗热性能的那些聚合物。有机研磨颗粒应具有高于可模塑聚合物的熔化或软化点，因此有机颗粒基本不会受制造过程的影响。有机颗粒在硬毛转动工具成型过程中应能够保持基本的颗粒状态，因此应适当选择以使在制造过程中基本不会熔化或软化。在一较佳实施例中，选择的有机颗粒能够提供比可模塑的聚合物更大的研磨性能，外壳和芯部都是这样，如果有的话。以此方式，有机研磨颗粒将起到想要的表面精整作用，例如从工件上除去其他材料或提供一良好的表面磨光，同时可模塑的聚合物在操作中被磨损时可以连续地给工件表面呈现新鲜的有机研磨颗粒。
有多种方法来形成热塑研磨颗粒。一种方法是将热塑聚合物挤压成细长的段，然后将这些段切成想要的长度。另一方法是，可将热塑聚合物模制成想要的形状和颗粒尺寸。模制过程可以是压缩模制或注模。
有机研磨颗粒可以由热固聚合物来形成。热固聚合物可由以下材料形成酚醛树脂、氨基塑料树脂、聚氨基树脂(urethane resins)、环氧树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸异氰树脂(acrylated isocyanurate resins)、脲甲醛树脂、异氰树脂、丙烯酸聚氨酯树脂(acrylated urethane resins)、蜜胺甲醛树脂、丙烯酸环氧树脂及它们的混合物。酚醛基的研磨颗粒是一较佳的研磨颗粒。有两种类型的酚醛树脂，即可熔酚醛树脂(resole)和酚醛清漆。可熔酚醛树脂具有大于或等于一比一、典型地在1.5∶1.0至3.0∶1.0之间的甲醛对酚醛的摩尔比。酚醛清漆树脂具有小于一比一的甲醛对酚醛的摩尔比。可购得的酚醛树脂的例子包括所知的以下品牌位于新泽西州伯灵顿(Burlington)的西方化学公司(Occidental Chemicals Co.)的“Durez”和“Varcum”牌、孟山多(Monsanto)的“Resinox”、位于俄亥俄州哥伦布的埃斯兰德化学公司(Ashland ChemicalCo.)的“Aerofene”和“Arotap”牌。这些酚醛树脂被处理成热固聚合物。然后将所得到的热固聚合物压碎成想要的颗粒尺寸和颗粒尺寸分布。在另一方法中，热固有机研磨颗粒可按照美国专利No.5,500,273“精确成型的颗粒及其制造方法”(“Precisely Shaped Particles and Method of Making Same”)(霍姆斯等人)(Holmes et al.)所揭示的方法来制造。有机研磨颗粒可以是热塑聚合物和热固聚合物的混合物。
一较佳的有机研磨颗粒是一金属和模子清洁用塑料喷丸(blast)介质，它以“MC”喷丸的品牌可从位于印第安那州的南班德(South Bend)的迈克西喷丸公司(Maxi Blast Inc.)购得，它可带有防静电涂层，但是较佳地未经处理。“MC”介质是99％的蜜胺甲醛纤维素(mlamine formaldehyde cellulosate)，一氨基热固塑料。
有机研磨颗粒的平均努氏硬度一般小于大约80KNH，较佳地小于大约65KNH。
沿着有机研磨颗粒混入无机基的研磨颗粒也在本发明的范围之内。这些无机研磨颗粒典型地具有大约0.01至500微米的颗粒尺寸，通常是在大约1至150微米之间。在某些情况下，无机研磨颗粒或者较佳地具有与有机研磨颗粒相同的尺寸，或者比有机研磨颗粒小。研磨颗粒较佳地具有至少为7、更佳地大于9的莫氏硬度。例如，硬毛转动工具可包括10％至90％重量的可模塑聚合物，10％至90％重量的有机研磨颗粒和0至49％重量的无机研磨颗粒。
当具有研磨颗粒时，可选择的研磨颗粒11较佳地为颗粒和可模塑聚合物的混合物重量的大约5％至60％，更佳地为大约30％至40％，尽管更多或更少都可以按照需要来使用。
添加剂可模塑的聚合物13还可以包括可选择的添加剂，例如填料(包括助磨剂)、纤维、抗静电剂、抗氧化剂、操作助剂、紫外线稳定剂、阻燃剂、润滑剂、湿润剂、表面活性剂、色素、染料、偶合剂、增塑剂和悬浮剂。选择这些材料的用量以提供需要的性能。
润滑剂对于某些精整应用，可模塑的聚合物13较佳地包括润滑剂。可模塑聚合物13中润滑剂的存在减小了接触工件表面的硬毛的摩擦。这减小了精整工件时所产生的热量。过多的热量可能会导致硬毛转动工具将残留物遗留在工件表面上或者另外会伤害工件。合适的润滑剂包括硬脂酸锂、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸铝、双乙烯硬脂酸胺(ethylene bis stearamide)、石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯(PTFE)和例如可与热塑材料和热塑弹性体一起使用的硅氧烷化合物。
描述在WIPO国际专利申请公开物No.WO96/33841题目为“具有包括聚硅氧烷粘结系统的研磨物品”(巴伯)中的一较佳硅氧烷材料的例子是分子式为(A)的一高分子量的聚硅氧烷
其中R、R′、R1、R2、R3、R4、R5和R6可以相同或不同，且可以是烷基、乙烯基、氯烷基(chloroalkyl)、氨烷基、环氧基、氟烷基、氯基、氟基或羟基，n是500或更大，较佳地为1000或更大，更佳地为1000至20000，且最佳地为1000至15000。
另一个较佳的聚硅氧烷是分子式为(B)的一聚二甲基硅氧烷
其中R和R′可以相同或不同，且可以是烷基、乙烯基、氯烷基(chloroalkyl)、氨烷基、环氧基、氟烷基、氯基、氟基或羟基，n是500或更大，较佳地为1000或更大，更佳地为1000至20000，且最佳地为1000至15000。
聚硅氧烷可以多种不同形式得到，例如它本身的化合物或浓缩物。聚硅氧烷可复合成的聚合物的例子包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚乙缩醛(polyacetal)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚酯弹性体，所有这些都可购得。硅氧烷改进的HytrelTM可作为BY27-010(或MB50-010)购得，硅氧烷改进的尼龙6,6可作为BY27-005(或MB50-005)购得，两者都可从位于密歇根州梅得兰德的道康宁公司得到。典型地，可购得的浓缩物可包含40％至50％的重量的聚硅氧烷，但是，任何重量百分比对于本发明的目的都是可接受的，只要能够得到最终产品中的想要的重量百分比。润滑剂较佳地在可模塑的聚合物13中占有至多20％的重量(排除研磨颗粒部分)，较佳地为1％至10％，尽管可按照意愿使用更多或更少。
偶合剂可模塑的聚合物13可具有偶合剂以提高粘合剂和可选择的研磨颗粒之间的粘合，这在本领域中是已知的。适用于本发明的这样的偶合剂的例子包括有机硅烷、铝酸锆和钛酸酯。研磨颗粒11在与可模塑聚合物处在一起之前可先用偶合剂进行预处理。另一方案是，可将偶合剂直接加到可模塑聚合物13中。
填料可模塑的聚合物13可具有本领域中已知的填料。对于本发明可使用的填料的例子包括；金属碳酸盐(例如碳酸钙(白垩、方解石、泥灰岩、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸镁钙、碳酸钠和碳酸镁)、二氧化硅(例如石英、玻璃珠、玻璃小孔和玻璃纤维)、硅酸盐(例如滑石、粘土(蒙脱石)、长石、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、硅铝酸钠、硅酸钠)、金属硫酸盐(例如硫酸钙、硫酸钡、硫酸钠、硫酸钠铝和硫酸铝)、石膏、蛭石、木粉、三水合铝、炭黑、金属氧化物(例如氧化钙(石灰)、氧化铝、二氧化钛)和金属亚硫酸盐(例如亚硫酸钙)。填料可在有研磨颗粒或无研磨颗粒下使用。
助磨剂可模塑的聚合物可包含有助磨剂。在此所说的助磨剂是颗粒材料，该颗粒材料的增加能够在导致性能提高的研磨的化学和物理过程中起到显著的作用。具体说，在本领域中确信助磨剂将会1)减小研磨颗粒和被研磨的工件之间的摩擦，2)防止研磨颗粒“成帽形”(“capping”)，即防止金属颗粒熔接在研磨颗粒的顶部或在工件上变形，3)减小研磨颗粒和工件之间的接触面温度，或者4)减小研磨力。助磨剂的化学制品的例子包括蜡、有机卤化物、卤化盐类和金属及它们的合金。一般有机卤化物在研磨过程中会被破坏而释放出氢卤酸或气态的卤化物。这种材料的例子包括诸如四氯萘(tetrachloronaphthalene)、五氯萘(pentachloronaphthalene)这样的氯化的蜡以及聚氯乙烯。卤化盐的例子包括氯化钠、钾冰晶石(potassium cryolite)、钠冰晶石(sodium cryolite)、铵冰晶石(ammonium cryolite)、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾、氯化镁。金属的例子包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其他各种助磨剂包括硫磺、有机硫化物、石墨和金属硫化物。
注模本发明的硬毛转动工具是较佳地注模的。模子包含有与想要的硬毛转动工具的轮廓相反的空腔。因此模子的设计必需考虑到包括基部12、硬毛20和可选择的连接件50的尺寸和结构的硬毛转动工具的结构。制造模子的较佳方法包括金属丝电火花加工(wire electron discharge machining)(“EDM”)和浸入式电火花加工(plunge EDM)。
注模技术在本领域中是已知的。按照本发明的方法用以制造硬毛转动工具10的注塑设备60示出在图16中。较佳地通过加热干燥后，包括可模塑的聚合物13、如果需要还包括可选择的研磨颗粒11的小球(pellet)的混合物被放置在漏斗62中。该漏斗将可模塑的聚合物或可模塑的聚合物/研磨颗粒的混合物送入通常包括位于一圆筒68内的一螺杆66的螺杆注射器64的第一侧或后侧70中。相反一侧，或螺杆注射器64的前侧72包括供软化的材料通过以进入模子76a、76b的一个喷嘴74。加热注射器64的圆筒68以熔化该材料，转动螺杆66沿喷嘴74的方向推进该材料。而后螺杆66沿方向B直线向前运动以在所需压力之下将软化材料“注射”到模子76a、76b中。在螺杆的前端和喷嘴之间一般保留有一个间隙，以给没有喷注到模子中的软化材料提供一个“缓冲”区域。
上述的小球可较佳地按照以下方法制造。可模塑的聚合物13可加热到其熔化点之上，如果想要研磨颗粒11的话，然后将其混入。而后将所得的混合物形成连续的细条，冷却细条来固化可模塑的聚合物以在本领域已知的合适设备上使其成为颗粒状。同样地，可模塑聚合物13的润滑剂和/或其他添加剂可包括在小球的成型过程中。包括可模塑的聚合物13、如果需要的话还包括研磨颗粒11和任何其他所需的润滑剂或其他添加剂的小球而后被放置到漏斗62中，如上述一样地被送入到螺杆注射器64中。另一方案是，如果需要，可以将可选择的研磨颗粒11混入到可模塑聚合物13的小球形式中且将此装载到漏斗中。这样的替换方法有助于将设备磨损减小到最小，如果将研磨颗粒混入到小球中时，用来形成聚合材料小球的设备将会受到磨损。如果可模塑的聚合物13能够进行较少的加热周期，该替换方法还可以得到更为坚固的硬毛转动工具10。同样地，可模塑聚合物13的润滑剂和/或其他添加剂可在装载到漏斗中之前混入。
硬毛转动工具注模的条件是由所使用的注射模子、硬毛转动工具10的结构、可模塑聚合物13的组份及可选择的研磨颗粒11决定的。在一较佳方法中，首先将可模塑的聚合物13加热至80至120℃之间，较佳地在90至110℃之间以进行干燥，而后被放置在漏斗62内，靠重力进入到螺杆进料区域中。螺杆注射器的圆筒温度较佳地在大约200至250℃之间，更佳地在大约220至245℃之间。模子的温度较佳地在大约50至150℃之间，更佳地在100至140℃之间。周期时间(从将混合物引入到螺杆注射器中至打开模子以取出模制的硬毛转动工具的时间)较佳地在0.5至180秒之间，更佳地在5至60秒之间。注射压力较佳地在大约690至6900千帕(100至1000磅/英寸2)之间，更佳地在大约2070至4830千帕(300至700磅/英寸2)之间。
注模的周期将取决于材料组份和硬毛转动工具的结构。在一较佳实施例中，可模塑的聚合物和研磨颗粒在整个硬毛转动工具中是基本上同一材质的。在这样一实施例中，可将可模塑的聚合物13和研磨颗粒11的混合物一次引入或注射进模腔以模制包括基部12、硬毛20、如果存在还包括有连接件50的硬毛转动工具10。另一方案是，硬毛20包含有研磨颗粒11，但是基部12则不含有。在这样一实施例中，材料将分两次引入或注射。第一次引入包含有可模塑聚合物13和研磨颗粒11的混合物以基本注满模子的硬毛部分。第二次引入包含不带有研磨颗粒的可模塑聚合物(与第一次引入的可模塑聚合物可以相同或不同)以基本注满模子的基部和连接件部分。相同地，基部12和硬毛20可包含有研磨颗粒，但连接件50不含有。在该结构中将会有材料的两次引入或注入。第一次引入包含可模塑聚合物13和研磨颗粒11的混合物以注满模子的硬毛和基部部分。第二次引入仅包含有可模塑的聚合物(与第一次引入的可模塑聚合物可以相同或不同)以基本注满模子的连接件部分。如果需要，也可以使用多次的注射以改变硬毛转动工具不同部分的色彩。也可以应用三次或更多次的注射，例如硬毛、基部和连接件各为一次。注模以后，快速冷却模子以固化可模塑的聚合物。而后将两模子半体76a和76b分开以取出模制的硬毛转动工具10。
较佳地，一推出装置80设置在模子76a、76b注入部分的相反一侧以将固化的硬毛转动工具10推出模子。如图17所示，推出钉82较佳地位于对应硬毛20的每个模子腔体78中。硬毛转动工具充分冷却且模子部分76a移开后，推出钉82的末端84被驱动以顶着硬毛的末端24沿方向C向着基部12运动，由此从它们的各个腔体中推出硬毛20。在一较佳实施例中，推出钉82的末端84在腔体中的位置是可变的，从而改变模子腔体78的深度以能够模制较长或较短的硬毛20。这可通过改变推出器80相对于模子部分76b的位置或通过改变推出器80上的推出钉82的长度来进行。
精整表面的方法如上面的讨论，按照本发明的硬毛转动工具用来精整一个表面除去工件表面上的一部分；使工件产生一表面抛光；清洁一工件表面，包括除去油漆或其他涂层、填料、锈蚀或其他外部材料；或者以上的某些结合。硬毛转动工具10通过连接件固定在一动力转动工具上，且特别适于与本领域中已知的角向动力工具(right angle power tools)一起使用。可使用按照本发明的硬毛转动工具的一个合适的动力工具是模式为TA 180 RG4、速率为18000rpm和0.70hp的英格索兰(Ingersoll-Rand)旋风式系列角向磨床。硬毛转动工具10可通过它本身安装在转动的动力工具上，或在硬毛转动工具之后应用一支承衬板，这在本领域中是已知的。一合适的支承衬板布置公开在美国专利No.3,562,968(约翰逊等人)中。
工件可以是任何类型的材料，例如金属、金属合金、稀有金属合金、陶瓷、玻璃、木头、类似木质的材料、复合物、油漆过的表面、塑料、加固的塑料、石头及它们的混合物。工件可以是平坦的或具有一形状或轮廓。工件的例子包括玻璃或塑料的眼镜片、其他类型的玻璃或塑料镜头、电视显象管、金属或其他汽车部件、碎料板(particle board)、凸轮轴、曲轴、家具、涡轮叶、包括飞行器和汽车的油漆件等等。
依据应用，与硬毛转动工具一起应用的力大约为0.1kg至100kg。典型地，该力大约为0.5至50kg。依据应用，在硬毛转动工具的使用过程中还可以存在一液体。这可以是水和/或包括润滑剂、油、乳化的有机化合物、润切液、肥皂液或此类液体的有机化合物。这些液体可以包括消泡剂、脱脂剂、防锈剂等诸如此类的添加剂。硬毛转动工具可相对于工件以任何需要的运动方式运动，例如转动或摆动。在某些应用中，摆动比转动提供了更佳的表面抛光。
图1-11的实施例特别适于精整两面或三面角落的内部表面。例如，可使用硬毛转动工具来精整在一内部角落将两或三块板连接在一起的一焊道。能够以足够的速度和动力驱动硬毛转动工具10的任何动力工具都可使用在本申请中。一个非局限性的例子是一带有1/4英寸夹头、能够以18000rpm转动的动力研磨型号50999直轴模子磨床(Dynabrade model 50999 Straight Shaft DieGrinder)。
模制的硬毛转动工具的材料、制造方法、使用方法和结构进一步公开在约翰逊等人的美国专利No.5,679067和WIPO国际专利申请公开物No.WO96/33638中。
全部组份以重量比率或重量百分比来表示，除非指明用其他方式表示。可模塑聚合物的成份的百分比组成是以排除研磨颗粒的可模塑聚合物的成份的混合物为100％作基础来表示的。研磨材料是通过研磨颗粒的百分比组成以包括研磨颗粒的可模塑聚合物的成份的混合物为100％作基础来表示的。
本发明已通过参考它的几个实施例进行了描述。以上详尽的描述和例子只是为了理解的清楚，不应理解出非必要的限制。不离开本发明的范围在描述的实施例中可进行的多种变化，这对于本技术领域中的技术人员将是显而易见的。例如，按照本发明的硬毛转动工具可设置有在操作中将诸如冷却剂、润滑剂和清洗液引入到工件的装置，这在本领域中是已知的，例如通过底板或硬毛的贯穿开口。因此，本发明的范围不应限制于在此描述的具体细节和结构，而应由权利要求书的语言所描述的结构及这些结构的等同体来决定。
权利要求
1.一种硬毛转动工具，它包括具有一第一侧、一第二侧和一转动中心的基部；以及从所述基部的所述第一侧伸展的硬毛的阵列，其中每一根所述硬毛都具有邻接所述基部的一根部和与所述根部相对的一末端，并且其中所述硬毛包括一弹性聚合物；其中所述硬毛的阵列界定了处在所述硬毛的所述根部的一阵列根部外直径和处在所述硬毛的所述末端的一阵列末端外直径，并且其中所述阵列根部外直径相对于所述阵列末端外直径的比率至少为2∶1。
2.如权利要求1所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述阵列是圆形的，所述根部和末端外直径与所述基部的转动中心为同心。
3.如权利要求1所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛具有一根部截面和一末端截面；所述根部截面具有一根部较大厚度和一根部较小厚度，其中所述根部较大厚度相对于所述根部较小厚度的比率至少为2∶1；以及所述根部较大厚度相对于从所述基部的转动中心伸展至所述根部的一根线被定向成-20°至+20°的角度。
4.如权利要求3所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛具有从所述根部至所述末端的硬毛长度，其中所述硬毛长度相对于所述根部较小厚度的比率至少为5∶1。
5.如权利要求4所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛被构制成所述硬毛转动工具围绕所述基部的转动中心以1000RPM的转动可致使所述硬毛偏转成所述阵列末端外直径相对于所述阵列根部外直径的比率至少为1∶1。
6.如权利要求4所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛被构制成依据所述硬毛转动工具围绕所述基部的转动中心以足够高的速率转动可致使所述硬毛偏转成转动时的所述阵列末端外直径至少是停转时的所述阵列末端外直径的两倍，在所述末端偏转的切向分量大于在所述末端偏转的径向分量。
7.一种硬毛转动工具，它包括具有一第一侧、一第二侧和一转动中心的一个基部；并且多个硬毛从所述基部的所述第一侧伸展，其中所述硬毛包括一可模塑的聚合物；其中每根所述硬毛具有邻接所述基部的一根部、与所述根部相对的一末端和从所述根部至所述末端的一长度，其中所述硬毛具有一根部截面和一末端截面；其中所述根部截面具有一根部较大厚度和一根部较小厚度，所述根部较大厚度相对于所述根部较小厚度的比率至少为1.5∶1；其中所述根部较大厚度相对于从所述基部的转动中心伸展至所述根部的一根线被定向成-20°至+20°的角度；并且其中所述硬毛长度相对于所述根部较大厚度的比率至少为5∶1。
8.如权利要求7所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛具有面向所述基部的转动中心的一向内侧、从所述基部的转动中心面向外的一向外侧和彼此相对且从所述向内侧伸展至所述向外侧的第一和第二侧；并且其中至少在所述硬毛根部，所述向内侧具有一第一曲率半径，所述向外侧具有一第二曲率半径，其中所述第一曲率半径相对于所述第二曲率半径的比率至少为2∶1。
9.如权利要求8所述的一种硬毛转动工具，其特征在于从所述向内侧至所述第一和第二侧、从所述向外侧至所述第一和第二侧存在一平滑的过渡。
10.一种硬毛转动工具，它包括包括具有一第一侧、一第二侧和一转动中心的一个基部；并且硬毛的一阵列从所述基部的所述第一侧伸展，其中所述硬毛包括一可模塑的弹性聚合物；其中每根所述硬毛具有邻接所述基部的一根部、与所述根部相对的一末端和从所述根部至所述末端的一长度，其中所述根部包括具有一根部较大厚度和一根部较小厚度的一根部截面，其中所述硬毛长度相对于所述根部较小厚度的比率至少为4∶1；其中所述阵列在所述硬毛的所述末端界定了一阵列末端外直径；并且其中所述硬毛被构制成依据所述硬毛转动工具围绕所述基部的转动中心以足够高的速率转动可致使所述硬毛偏转成转动时的所述阵列末端外直径至少是停转时的所述阵列末端外直径的两倍，偏转的切向分量相对于偏转的径向分量的比率至少为3∶1。
11.如权利要求10所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛的阵列在所述硬毛的所述根部还界定了一阵列根部外直径，其中所述阵列根部外直径相对于所述阵列末端外直径的比率至少为2∶1。
12.如权利要求11所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述阵列是圆形的，其中所述根部和末端外直径与所述基部的转动中心为同心。
13.如权利要求10所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述根部较大厚度相对于所述根部较小厚度的比率至少为2∶1；并且其中所述根部较大厚度相对于从所述基部的转动中心伸展至所述根部的一根线被定向成-20°至+20°的角度。
14.如权利要求10所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛被构制成所述硬毛转动工具围绕所述基部的转动中心以1000RPM的转动可致使所述硬毛偏转成转动时的所述阵列末端外直径相对于停转时的所述阵列末端外直径的比率至少为1.5∶1。
15.如权利要求1-14所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛中具有多个研磨颗粒。
16.如权利要求1-14所述的一种硬毛转动工具，其特征在于还包括以所述基部的转动中心为中心的连接装置，以把所述工具连接到一驱动件上。
17.如权利要求16所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述连接装置包括一穿通所述基部的安装孔。
18.如权利要求16所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述连接装置包括从所述基部的所述第二侧伸展的一连接件。
19.如权利要求18所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述连接件包括一柱状螺栓。
20.如权利要求1-14所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛包括一热塑弹性体。
21.如权利要求1-14所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛与所述基部是一体模制的。
22.如权利要求1-14所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述硬毛阵列还界定了至多为1.0cm的一阵列内直径。
23.如权利要求1-14所述的一种硬毛转动工具，其特征在于所述阵列还界定了一阵列内直径，其中所述阵列内直径沿着所述硬毛的长度是基本恒定的。
全文摘要
一种硬毛转动工具,它具有带有从其上伸展的多个硬毛的一个底板。硬毛具有一截面和较佳的定向来控制工具转动过程中的偏转。一个实施例特别适于精整两面或三面角落的内部表面。底板和硬毛较佳地一体模制。硬毛转动工具是用例如热固聚合物、热塑聚合物或热塑弹性体这样的可模塑的聚合物模制的。硬毛转动工具可具有与底板一体模制的一连接件。还揭示了制造硬毛转动工具的方法和使用一硬毛转动工具精整工件表面的方法。
文档编号B24D13/10GK1266393SQ98808080
公开日2000年9月13日 申请日期1998年6月11日 优先权日1997年7月15日
发明者M·L·埃欣格尔, D·S·霍姆斯, D·E·约翰逊, D·W·威尔逊 申请人:美国3M公司