磨具及其生产和使用方法

专利名称：磨具及其生产和使用方法
技术领域：
本发明一般涉及具有一定性能指标的磨具，涉及这种磨具的生产方法和使用方法。
背景技术：
一般希望磨具在进行抛光或研磨操作时具有较高的研磨精度。但众所周知的是，目前的磨具生产方法所提供的磨具虽然结构相同，其性能特征也彼此有所不同。这种差异的部分起因是用来生产磨具的原料的质量和性质不稳定。因此，磨具性能不稳定是这种生产方法的必然结果。除此之外，磨具的生产厂家在制定产品规格时，常常放宽性能差异范围，从而提高产品合格率。磨具的这些不确定性使得人们难以预知磨具在特定用途中的具体性能，甚至在同一抛光或研磨方法中，用磨具替代结构相同的磨具部件时也是如此。
对于传统的人工研磨或抛光方法，通常在工件表面上除去了一定量的材料，或者在达到了所需的表面光洁度后，就认为研磨或抛光完成。在加工过程中，隔一段时间进行一次测定，连续多次测定之后，即可确定加工的终点。现在用自动方法代替这种人工研磨/抛光方法的情况越来越普遍，而自动方法要求在对多个工件进行连续加工之前预先设定加工条件，并且希望在将磨具付诸应用之前，生产磨具的方式允许调整加工条件。
由于磨具的生产中存在固有变数，使用磨具的方法往往要求在现有加工线上更换磨具时可以调整加工条件。举例来说，对这种生产条件的改变包括将磨具加在工件上的压力、磨具与工件的接触时间或相对于工件的运动速度(例如厘米/分钟、转/分钟等)。这些研磨加工条件的调整将降低生产率、增加生产成本，因为新加工条件的设定通常只有在新磨具装入加工线之后才能确定，而且新磨具的性能刚开始是在前一个磨具所设定的加工条件下观察的。这种调整方法费时又费力，还可能在调整过程中损坏一个或多个工件，因为只有当新磨具的性能在同一加工线上至少经过一次观察之后，才可以调整研磨加工条件，使之适应新磨具。
虽然需要提高研磨性能的可预测性，但新的或替换的磨具在实际用于研磨加工线之前，仍然需要试用并进行误差评定。尽管生产厂家已经在他们的磨具上标出了磨粒组成、粒径等，但研磨领域还未能为磨具的生产开发出一种方法，该方法生产的磨具能标注上使制品的终端用户可根据它调整磨具初始加工条件的性能指标。
性能指标的创立和使用解决了长期想要解决但未能解决的需求，这个需求就是磨具的终端用户可根据它提供的方法，在初次使用磨具之前就能调整初始加工条件。
发明概述本发明提供了附有性能指标的磨具。一方面，本发明涉及一种有研磨面的磨具；还涉及附在磨具上的性能指标，该指标从一个方面表征了制品的研磨性能。
附在磨具上的性能指标提供了一种方法，制品的终端用户用它可以确定要进行研磨操作的磨具的加工条件。该磨具可以是本领域技术人员所知道的各种磨具，性能指标可以任何方式附在磨具上。例如，性能指标可附在制品的研磨面上，可附在其背面或其他非研磨面上，或者附在装运、展示和/或销售磨具的包装上。
性能指标可基于已知外加压力下磨具以已知运动速度进行一预定时间的磨削时测得的磨削速度。如果基于磨速率，性能指标可表示为磨速率，也可以是磨速率与(a)外加压力、(b)磨具运动速度或(c)预定时间之一的比率。或者，性能指标也可基于磨具在已知外加压力和运动速度条件进行预定时间研磨后在表面上测得的表面光洁度。性能指标可附在(例如粘贴在)磨具上，也可以存储在数据库中，使磨具具有某种标记，利用此标记可进入数据库获得性能指标。这种标记可以具有机读格式，例如条形码。
另一方面，本发明提供了生产上述磨具的方法，该方法包括(a)提供具有研磨面的磨具；(b)提供具有可研磨表面的工件；(c)外加已知压力使研磨面紧贴可研磨表面，以一定速度在预定时间内相对移动磨具和可研磨面，对所述研磨面进行研磨；(d)根据磨具在研磨步骤(c)中的研磨性能，设计一种性能指标；
(e)将性能指标附于磨具上。
另一方面，本发明提供了对工件进行研磨的方法，它包括(a)提供附有性能指标的磨具；(b)利用该性能指标确定用磨具对工件研磨的方法条件；(c)在步骤(b)中确定的方法条件下相对移动磨具和工件。
通过下面结合附图和权利要求所作的详细介绍，本领域的技术人员将能更好地理解本发明的众多特征和优点。
附图简述在描述本发明的一些优选实施方式时，将结合各个图，其中相同的标注数字表示相同的特征

图1是根据本发明的原理测定性能指标的一种装置实例的示意图；图2是根据本发明的原理测定性能指标的另一种装置实例的示意图；图3是本发明载有性能指标的磨具的俯视图；图4是图3所示磨具的侧面图。
优选实施方式详述本发明提供了附在磨具上的性能指标。该指标可在初次生产磨具时确定，它为终端用户等在第一次使用该新磨具之前调整研磨(例如研磨、精研或抛光)方法的初始条件提供方便。在更换磨具时，利用性能指标有助于调整或改变方法条件来获得稳定的研磨和/或抛光的结果。
本发明的性能指标可用于用各种类型的磨具，即涂敷磨具、表面调理磨具(例如非织造磨具)、精研膜、研磨轮、金属粘结剂等，表征各种构型的研磨、精研和/或抛光工具(例如环带状、垫片状、盘状等)。
现在看附图。图1简要示出了研磨性能测试装置20的一个实例，可用来表征磨具22的性能，根据本发明的方法确定性能指标。装置20可直接安装在磨具22的生产线上，这样磨具22在生产操作中就可以标上性能指标。性能指标以后可由终端用户用来调节用磨具22进行的抛光或研磨方法的初始条件虽然本发明不受所用磨具类型的限制，但为方便起见，本发明还是就磨具22进行叙述。这种磨具在结构上通常有一个背衬，而研磨面就涂敷在背衬上。研磨面通常包含粘合剂(例如聚合物、陶瓷、金属等粘合剂)和磨粒，此研磨面可对工件表面进行所需的抛光。磨粒可分散在粘合剂中，可以只在粘合剂部位的外表面上也可以既在粘合剂部位的外表面上又在其内部。磨粒可以是常规硬磨粒和/或较软的磨粒，包括有机和无机颗粒。磨粒可以是单个粒子形式，也可以是单个粒子分散在次级粘合剂物系中形成的团聚物，或者是包含磨粒和/或团聚物和粘合剂的突起复合体。
硬磨粒有熔凝氧化铝、热处理氧化铝、白熔凝氧化铝、黑碳化硅、绿碳化硅、二硼化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔凝氧化锆铝、溶胶凝胶法磨粒等。常规较软的无机磨粒的例子有氧化硅、氧化铁、氧化铬、氧化铈、氧化锆、氧化钛、硅酸盐和氧化锡。软磨粒的其他例子有金属碳酸盐(如碳酸钙(白垩、方解石、泥灰、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸镁钙、碳酸钠、碳酸镁)、氧化硅(如石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)、硅酸盐(如滑石、粘土、(蒙脱石)长石、云母、硅酸钙、原硅酸钙、硅酸铝钠、硅酸钠)、金属硫酸盐(如硫酸钙、硫酸钡、硫酸钠、硫酸钠铝、硫酸铝)、石膏、三水合氧化铝、石墨、金属氧化物(如氧化钙(石灰)、氧化铝、二氧化钛)和金属亚硫酸盐(亚硫酸钙)、金属颗粒(如锡、铅、铜等)等。
较软的有机颗粒有塑料磨粒，它由热塑性材料形成，如聚碳酸酯、聚醚亚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚丙烯、缩醛聚合物、聚氯乙烯、聚氨酯、尼龙和它们的混合物。塑料磨粒也可由交联聚合物形成。交联聚合物的例子包括酚醛树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、蜜胺甲醛、丙烯酸酯类树脂、丙烯酸酯化异氰酸酯树脂、脲-甲醛树脂、异氰酸酯树脂、丙烯酸酯化聚氨酯树脂、丙烯酸酯化环氧树脂和它们的混合物。这些交联聚合物制成后，经破碎和过筛，就能得到合适的粒径和粒径分布。
其他磨粒和磨粒混合物应该是本领域的技术人员所熟知的，本发明有意涵盖包含任何磨粒或磨粒混合物的所有磨具。
磨具也可以有织构研磨面，其中可以添加磨粒，也可不加磨粒，磨粒可以在粘合剂中，也可以分散在外表面上。类似地，磨具的研磨面可包含例如聚合材料，该聚合材料包含软硬片段，其中聚合物的硬片段提供了所需的研磨度性能。这样的一种磨具见述于美国专利6234875中。
适用于本发明的另一种磨具是对半导体晶片进行化学机器平整化(“CMP”)时用来整理传统磨浆研磨垫用的整理盘。合适的整理垫包括根据美国专利6123612所述制备的那些。包括精研膜或磨光膜的磨具也可用于本发明。这些制品包括美国专利5897424所述的精研膜产品。另一种合适的磨具可包含类似于美国专利5152917所述的研磨复合体。包含前述研磨复合体的磨具可在不加磨粒的情况下制备。
不管是什么形式，磨具都可以研磨、抛光或以其他方式对工件表面加工，一般通过二者之间的相对运动产生研磨所需的摩擦。图1或图2中的测试设备是根据本发明在可重复条件下表征磨具性能指标的装置简图。也有其他方法可以用来表征制品的性能。
如图1所示，工件30安放在第一承载件，即图中的台板36上。磨具22安放在研磨测试装置20中，是夹持在第二承载件，即图中的夹具24上。夹具24和磨具22与可转连杆26相连，磨具22和夹具24在安装于箱子32中的马达(未示出)作用下一起旋转。如前所述，装置20可作为磨具生产线中的测试站装置。装置20用来测定和表征所生产的磨具。这种测定或表征可包括例如测定磨具22在测试工件的表面，如工件30的可研磨表面上的磨速率。其他测定也可作为性能指标的基础。另一个测定是磨具可为在测试表面上产生的表面情况，可按照工业上的标准测试方法测定。本领域的技术人员还可以在本发明范围之内设想出其他能提供性能指标的测定内容。此外，在本发明的某些实施方式中，性能指标可以是具体测定结果的实际值(例如磨速率、表面光洁度)，也可以是代表测定结果或从测定结果衍生出来的一个值或符号。
在介绍的实施方式中，磨具22位于夹具24上，夹具24支撑在旋转连杆26的一头，旋转连杆位于夹具24和马达箱32之间。支撑连杆34位于基座38与马达箱32之间。马达箱32可沿连杆34上下滑动，使磨具22可在相对于工件30的第一个位置或脱离位置与相对于工件的第二个位置或接触位置(如图所示)之间移动。在这种方式下，磨具22的研磨面28可直接与工件30的表面接触，从而使磨具22对工件30的表面研磨。台板36承载着工件30，使工件30与磨具22保持接触。台板36也可以围绕支撑连杆40的轴转动，该轴可在装在底座38中的马达(未示出)驱动下转动。如前所述，磨具22也可在位于箱子32中的另一个马达驱动下绕连杆26转动，这样工件30和磨具22可在预定压力下相对转动，从而对工件30研磨。前述研磨操作完成后，装置20可恢复到第一位置，即磨具22脱离工件的位置，此时研磨面28不接触工件30的表面。
当装置20处于第一位置或脱离位置时，磨具22和工件30均可从装置20上取下，然后根据需要进行清洁或更换。为了如上所述移动磨具22，马达箱32可沿连杆34的长度垂直移动，使之离开处于接触状态的第二位置。本领域的技术人员应该知道还有其他结构可以使装置20处于前述第一和第二位置之间，本发明决不受限于图1所示或这里所讨论的具体装置结构。
在图1所示的各部分结构中，工件30具有圆环形测试表面，它位于旋转台板36上。工件30可以是任何能被磨具22的研磨面28所研磨的材料。适用于工件30的材料可根据已知标准选择，如市售材料的质量稳定性、其相对价格等等。一种可用的测试材料是聚合物材料，如聚氨酯。
在研磨过程中，通常在磨具22与工件30之间施加液体，提供润滑作用，并清除磨具作用于工件时产生的碎屑。合适的润滑剂包括水、含可溶油的水，或本领域技术人员所知道的适用于此工艺的其他合适液体。可另外提供合适的装置(未示出)，将前述液体输送到制品22和工件30的界面上。
在操作中，装置20可用来测定磨具在工件30上的磨速率。或者，该装置可用于来在工件上产生可用已知方法定量测定的表面光洁度，作为确定性能指标的基础。通过这种方式确定的性能指标可附在磨具上，供终端用户使用。当将制品的磨速率与性能指标相联系时，磨速率通过用磨具22在预定时间内研磨工件表面来测定。在这种测定中，磨具22施加在工件30上的压力通常保持恒定。
在本发明范围内，可使用各种方法定量测定磨具的性能。这些方法包括建立和维护初级标准工件和次级工作标准，且/或保留标准磨具，用来定期校准工作标准。也可以采用其他校正方法，如测定研磨比能。一旦确定了性能指标，可将其标记在制品上(例如标记在制品的一面或另一面)，也可以将其置于磨具包装上，或者用其他方法附在磨具上。
性能指标本身可以就是按上述方法测定的磨具22的磨速率，也可以是由磨速率衍生而来的值。例如，它可以是归一化于任意标准或过程平均值的磨速率。其表达形式可以是比率或百分数。该指标可用这种比率或百分数的倒数表示，以利于计算所需初始操作条件。指标的数值可以是连续变量的一个单一值，也可以是表明测定值落在相应范围内的一个离散值。
通过磨具22的表征，终端用户在已建立的研磨或抛光操作线中装入新磨具或更换的磨具时，可根据性能指标调整其方法条件和/或设定，从而使新磨具能达到所需性能水平。例如，性能指标可让用户预设其方法条件，以获得所需磨速率、表面光洁度等。根据性能指标，终端用户可调整研磨或抛光操作的一个条件，如研磨时间(例如此时保持压力和速度恒定)或磨具22施加在工件上的压力(例如此时保持研磨速度和预定研磨时间恒定)。也可以综合调整这些方法参数，以得到所需结果。每个磨具都有自己独一无二的性能指标，该指标直接附在磨具上。通过这种方法，终端用户可借助性能指标提供的信息知道该磨具与另一个磨具的性能差异。
研磨方法条件和研磨性能包括研磨或抛光压力(磨具施加在工件上的压力)、速度(磨具相对于工件表面的速度)、磨量(从工件上磨掉的材料的总质量)、耗时(研磨或抛光所用时间)和磨速率(单位时间内研磨掉的材料质量)。这些条件和性质可彼此绘成图线关系。这些图线一般是直线，y轴截距为(0，0)。由于这种线性关系，与一对磨具相关、基于这种方法条件和/或性能的性能指标可用来预测研磨方法线上磨具之间的相对性能。
性能指标可表示磨具在第一组方法条件“X”下操作使用工件“A”时的磨速率(mg/min)。然后，可通过比较性能指标(例如比率)来确定新旧磨具(例如旧的磨具和替换磨具)的相对性能，以便在现有方法线上采用新磨具以前初次调整方法条件。性能指标可以表达为相对磨速率，例如与标准磨具的磨速率之比，或者与一组相关磨具的磨削速率平均值之比，也可以表达为百分数，或者表达为由已经测定的磨速率推演出来的换算系数，表明为达到标准性能要做什么样的调整。某些指标形式在使用时只要对一标准操作参数值乘以该指标，就能校正获得恒定操作性能所需的操作参数。
对于各种研磨方法，宜采用统一的性能指标度量体系。但在某些情况下，可能需要在产品上标记或标贴第二种性能指标。当已知第一种性能指标虽适合第一个研磨方法但不适合第二个研磨方法时，就需要第二种指标。此外，磨具的终端用户，有些可能喜欢基于一种研磨性质，例如基于加工第一种材料磨削速率的性能指标，而其他终端用户可能喜欢基于磨具在研磨第二种完全不同的材料时使用寿命的性能指标。在这种情况下，可能需要在磨具上同时标记这两种指标。
名义上较脆的材料的研磨过程可用Preston方程(I)描述dz/dt＝(K·N·ds)A·dt(I)其中，“z”是去掉的材料的量，“K”是常数，表征磨具与工件之间的相互作用，“N”是法向力，“s”是滑动距离， “t”是时间。“A”可以是磨粒与工件之间的实际接触面积，也可以是磨粒划出的凹槽的横截面积。“A”的这两个定义彼此等价，均可用于上述方程。应当理解，“A”的定义不同，K的数值也不同。
方程(I)常常变换成方程(II)的形式Z＝K·P·V·t(II)其中，材料的去除量(Z)是常数(K)、压力(P)和总接触滑行距离(速度(V)x时间(t))的乘积。因此，压力减少50％将减少材料去除量50％。或者，减少总接触滑行距离，例如让滑行速度或滑行时间减半，也将减少材料去除量50％。类似地，改变压力、速度和时间中的任何两个或三个因素，使其在方程(II)中的乘积减少50％，都将减少材料去除量50％。改变磨具所研磨的工件或材料，将改变“K”值，而前述线性比例关系不变。即使在不严格遵守Preston方程的研磨方法系统中，假定它符合Preston规律，也能近似地取得在这种方法中更换磨具时所需的方法条件。
两个磨具在条件“X”下相对于同一工件的性能指标比(和它们的相对性能)与这两个磨具在条件“Y”下相对于另一个工件的性能指标比，只要这些磨具、工件和条件适合各工件的研磨。因此，如果在条件“X”下磨具“A”比磨具“B”从聚氨酯测试球上也会多磨10％，，则在“Y”条件下制品“A”比制品“B”从铜工件上多磨10％。类似地，只要将在条件“Y”下使用的压力以110/100之比增大，或者增大10％，就可以使制品“B”研磨铜的速率等于制品“A”的速率。或者，以同样比例增长研磨时间也能使磨掉的材料量相等。最后，也可以按照前述比例增加磨具在工件上通过的速度。
因为大家都知道压力、速度和时间之间的关系通常是线性的，可以以线性组合的方式改变任何两个参数或者全部三个参数，获得同样的结果，即磨具“B”在“Y”条件下少磨掉10％。如果在条件“X”下，磨具“C”比磨具“B”从聚氨酯工件上多磨10％，类似的关系同样适用。如果将此信息应用于在额定条件“Y”下磨铜，则可通过分别将使用条件“Y”以110/90或100/90之比改变，使制品“C”磨铜的速率分别等于磨具“A”或“B”。或者，也可以通过减少压力(时间、速度或同时改变两个或三个条件)，使磨具“A”或“B”以可预测方式像磨具“C”一样进行操作。
为方便起见，指标可以就是磨速率、归一化磨速率或诸如这两个测定量任一个的倒数这样的函数结果。每个磨具都可以配以说明，这些说明可随所选标记而异。在另一种实施方式中，具有类似性能的磨具可归到一起，分配一个字母或其他代码，如A、B、C、D或E。在这种情况下，磨具上的说明可指导使用磨具的终端用户，将标以“A”的磨具的操作压力比获得额定性能的过程平均值提高6％。标记“B”的制品可能需要在比过程平均值高3％的正常压力下操作。标记“C”的制品可能需要在过程平均压力下操作。标记“D”的制品可能需要在低于过程平均值3％的正常压力下操作。最后，标记“E”的制品可能需要在低于过程平均值6％的正常压力下操作。
在其他实施方式中，特定研磨或抛光系统可能对某个方法参数较不敏感。例如，根根纤维上涂有磨粒的膨松非织造布对金属制品形成的表面光洁度会对外加压力不大敏感，因为对此磨具施加的压力主要是压缩磨具本身，而不会改变一个个磨粒深入金属表面的程度。在这种情况下，提供给用户的说明可能限于对速度和时间参数的校正。在其他实施方式中，磨速率或表面光洁度与压力、相对速度和时间这三个独立变量之间的关系可能不完全是线性的，得不到上面所讨论的结果。在这些情况中，它们可能呈非线性函数关系。这些函数可能要求在制品上标记一个以上的参数或指标，而且要给用户提供更复杂的函数，用以计算所需的操作条件。
现在看图2，它是本发明另一套装置实例的示意图。装置120一般宜用作使用研磨带122的生产线的一个组成部分。如图所示，带122以预定速度在生产工艺中向下移动。输送辊124既为带122在装置120附近提供支承，又使带122通过装置120，以便在生产工艺中进一步进行研磨加工。带122可卷绕到收带辊(未示出)上，以便存储起来或送到另一个地方进一步加工。根据本发明，带122在通过装置120以后，将标记上一个性能指标。如上面所讨论的，该性能指标示明了研磨带122的研磨性能。因为研磨带122一般是研磨材料构成的连续片，一般认为研磨带的性能指标适合用于预定长度的研磨带。因此，本发明为较长的连续研磨带构想了计算或确定多个性能的方法。
装置120在结构上适合在第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，带122接触工件132的第一端134，如图2所示。如这里所描述的，装置120还提供了第二个位置，此时带122与工件132彼此脱离接触(未示出)。本领域的技术人员不难理解，带122与工件132之间的其他相对位置也可能是需要的，因此本发明无意受限于这两个相对位置。在所示实施方式中，装置120上具有安装在连杆128上的头部126。连杆128连接在枢轴臂130上。在这种结构中，借助连杆128和头部126在枢轴臂130上的转动，头部126的位置可在前述第一和第二位置之间变换。在第一位置，头部126靠近带122，工件132的第一端134与带122的研磨表面接触。在此位置可以获得性能指标的一个测定值。在第二位置，头部126和连杆128在枢轴臂130上转离带122。在此第二位置，装置120就不测定性能指标。
装置120的头部126提供了一个测试机构，它将工件132夹持在合适位置，当枢轴臂130和连杆128(定位工具)将头部126置于第二位置时，工件132的第一端134与带122的研磨表面接触。工件132是个棒状制品，含可研磨的第一端134和在第一端134另一头的第二端136。当转动枢轴臂130和杆128使头部126处于第一位置，从而使头部靠近带122时，工件第一端134可处于与研磨带122不接触的位置。在此位置，工件132的第一端134直接与带122的研磨表面接触，其中工件132的第一端134是可研磨表面。
工件132通过第一夹持工具固定在头部126中，所述夹持工具包含可逆向旋转的输送辊138、140和计量孔或夹持支架148。辊138、140的转动受伺服马达142的控制。辊138、140的作用是夹持工件132并将它移向带122。在头部提供的固定夹或计量孔148是为了帮助支撑工件132的第一端134。工件132的第二端136沿着第一端134的反向从头部126伸出。当工件在在带122与第一端134的界面上受到研磨时，工件132可连续或间断地通过输送辊138、140向前移动。在所示实施方式中，辊124的作用是作为第二承载工具，以相对于头部126的一个预定方向承载带122。在头部126上可连接一个电子传感器，如定、如位置传感器144，用以检测头部126与研磨带122之间的距离。示意图中的控制器146是这样一种工具，它处理来自传感器144的输出信号，控制输送辊138、140的转动，从而控制工件132的前进距离，从而保持头部与带122之间的距离恒定不变。
带122由一个或多个马达驱动装置(未示出)驱动，这些驱动器装置使研磨带122相对于工件移动，以便于对工件132进行研磨或抛光。磨速率可这样计算，即对于带122的一特定长度，测定工件132长度的变化。其后可按前述方法计算性能指标，然后在装置120再下游的地方将其标记在适当长度的带122上。
图3和4所示为整理垫或整理盘222形式的磨具，可用来整理对硅晶片进行化学机器平整化的常规磨浆垫。整理盘222是一类磨具的实例，它标有本发明的性能指标。盘222包含基底228，它由合适的材料如不锈钢形成。基底228的厚度为“t”，具有第一主表面224和第二主表面226。第一主表面224是包含许多磨粒230的研磨表面，磨粒至少部分包埋在基体材料或粘合剂232中。第一表面224的周边是无颗粒区域234。在所示制品22中，性能指标标在第一表面224无颗粒区234的一个区域236中。性能指标可以是终端用户直接可读的，也可以机读形式编码(例如做成条形码)。这样，性能指标可直接编码，也可以存入数据库，对此数据库可用磨具用的标识符例如一个序列号进行查询，该标识符将测定的性能指标与该磨具关联。
尽管性能指标在图中位于制品222的第一表面224上的区域236中，应当理解，性能指标也可以以其他方式附到磨具222上，例如将指标做在第二主表面226上。在诸如整理垫222这样的磨具上，基底228可具有足够的厚度，能将指标沿厚度为“t”的侧面238做到制品222上。本领域的技术人员可用任何方式将性能指标做到磨具上。根据磨具的性质、用于其结构的材料、不同附着方法的相对费用和将性能指标标记在磨具上所需设备的易得性，一种附着方法可能优于另一种附着方法。此外，本发明的性能指标可以印在磨具上，或以其他方式标记在制品的包装上，例如将标签贴在用于装运的各个包装上和/或磨具的商业展示板上。应当明确，本发明对将性能指标做到磨具上的具体方法并不限制。
在所讨论的实施方式中，性能指标涉及磨具在试验工件上的磨速率。在这些情况下，力和磨速率在终端用户所用设备上表现出来的关系应当与它们在测定性能指标的装置上表现出来的关系大致相同。若终端用户用于研磨或抛光过程的工件材料不同于测定性能指标时所用的材料，则终端用户可能需要先校正其设备，先建立例如该性能指标与磨速率之间的关系。然后，提供给终端用户的每个磨具的性能指标可以与基于前述标准化过程的已知磨速率相匹配。
此外，在生产过程中，可以为几种不同的工件材料逐一测定性能指标。例如，如果磨具在一种应用中是用在钢上，而在另一种应用中是用在玻璃上，则磨具生产厂家可为这两种不同的材料分别提供性能指标，但通常没有必要这样，因为一个指标在各种条件下可适用于许多不同的工件材料。
如果磨具是研磨带的形式，则带上印的指标通常表示一段带的平均磨速率(或其他性质)。本领域的技术人员在选择所用长度时，要考虑所测研磨带的正常差异和研磨带的应用。如果平均长度短且带速快，一般需要更快、自动化更高的测试设备。
性能指标标记在制品上或其包装上，由于竞争原因，可以编码。性能指标也可通过一连接数据库附在工件上。例如，制品或其包装上可载有序列码或其他标识符，作为局域或远程数据库的查寻根据。查寻过程可以是自动的，由使用磨具的设备读取制品或制品包装上的标识符，然后在局域或远程数据库中进行查寻，得到磨具的性能指标。较好的是，若该设备可直接读取性能指标或通过查寻得到它，则不用操作员干预机即可调整压力、速度或时间中的至少一个条件。
应当理解，本发明的上述实施方式是示例性的，而不包括所有可能的实施方式。例如，用磨速率提供性能指标仅仅是实践本发明的一种方式。其他性能指标可基于例如在生产方法中的测试设备测定的目标磨具给工件带来的光洁度来确定。优选实施方式的其他细节将在以下非限制性实施例中介绍。
实施例实施例1一个磨具提供的磨速率比同类磨具在同类研磨应用中的已知平均值高10％，该磨具的性能指标记为1.10。在使用中，将磨具压向工件的力经计算其与测定平均磨速率所用的力之比为1/1.10或0.91。按照此计算值施加力得到的实际磨速率非常接近代表磨具生产过程中的过程平均值的制品磨速率。
实施例2所用性能指标是磨速率的倒数，称为调节因子。经测定，磨速率比平均值高10％，因此指标为1/1.10＝0.91，就标在制品上。磨具的用户将施加的正常力减少到额定力的91％，得到的磨速率非常接近代表磨具生产过程中的过程平均值的制品磨速率。
尽管上述两个实施例的磨具测定出来的性能相同，但在实施例1中应用的性能指标标记值为1.10，因为计算操作参数时用的是除法，而在实施例2中用的是乘法，得到的性能指标为0.91。也可以用其他指标表示实施例1和2中制品的性能，如“110”和“91”，或“220”和“182”，或者“55”和“45.5”。用于性能指标的数值并不重要，只要能指导用户如何使用标记就行。
实施例3磨具为工件提供了所需表面光洁度，此时压力为预定工作压力，时间比同类磨具在同类研磨应用中已知的平均值少10％。磨具的性能指标记为1.11，并标上去。在使用中，将磨具压向工件的时间经计算为与用具有过程平均值的磨具获得的光洁度相同的光洁度所需时间之比1/1.11或0.90(90％)。
实施例4研磨过程利用气缸中的空气压力将磨具压向工件。空气压力近似为提供所需磨速率所需的已知平均值(“额定压力”)。当细调施加在磨具上的力时，可利用磨具上的性能指标减少不确定性。但众所周知的是，设备施加了一个所谓的“死”负荷，即在气缸没有施加压力时，设备本身也为工件提供了一个恒定的非零压力。因此，本实施例所述方法提供了为气缸提供确定合适压力参数的方法，此时考虑了在没有任何气缸压力时的非零磨速率。
选取了三个磨具，其每个标有基于磨速率的性能指标，各磨具的磨速率在施加在工件上的压力分别为额定压力(例如在本实施例中为“70”)的0.5、1.0和1.5倍时测定。磨速率数据列在表1中。
表1
校正测定的磨速率，以补偿磨具由其性能指标所表明的相对剧烈性。具体是将测定的磨速率除以每个磨具的性能指标。计算要考虑所用设备带来的非零截距(在此情况下为正压力)，可用来为新磨具确定合适的外加压力。
用最小二乘方回归分析确定(1)压力与(2)磨速率/性能指标(“磨速率/P.I.”，P.I.是性能指标)之比的最佳拟合。线性图线(斜率-截距形式)由方程(1)定义磨速率/P.I.＝0.0114×压力+1.2000(1)磨速率由方程(2)给出磨速率＝P.I×(0.00114×压力+1.2000)(2)为得到2.00的磨速率，压力根据方程(3)确定压力＝((2.00/P.I.)-1.200)/0.0114(3)因此，如果新制品上的性能指标为0.85，则要得到2.00的磨速率，所需的空气压力根据方程(3)确定，如下压力＝((2.00/0.85)-1.200)/0.0114；即压力＝101。
只要在研磨过程的有效压力范围内，磨速率与外加压力的关系近似线性，本实施例所述方法将有助于减少研磨方法的不确定性。
实施例5采用两种不同的研磨机器。第一种机器(“试验机器”)是以商品名“507型Coburn Rocket”购于Gerber-Coburn，Muskogee，Oklahoma的改进型抛光机器。此试验机器用于来确定两批磨具的磨速率特征。第二种机器(“生产机器”)用作实际研磨方法的代表，说明采用标有基于磨速率的性能指标的磨具，可降低研磨方法的不确定性。
抛光实验以抛光膜作磨具，在试验机器上进行。抛光膜以商品名“272L”购于3M公司，St.Paul，Minnesota。抛光膜上包含平均粒径约为60微米的氧化铝磨粒。
试验机器上进行的抛光操作，抛光的是外径为5cm、内径为4.44cm、长1.27cm的1018钢环的端面。将抛光膜切割成10.2cm的研磨盘，然后用双面胶带将它粘贴到一扁平铝板上。以每秒约1滴的速度在抛光表面上加润滑剂(Castrol Industrial North America，Downers Grove IL生产的5551A Honing油)，然后用133N的力将钢质工件压在抛光膜上，总操作时间为1分钟。磨速率是测定从环上除去的钢料质量确定的。对第一批磨具的磨速率数据进行归一化。将归一化的磨速率作为各磨具的性能指标。磨速率数据列于表2中。
表2
生产机器制造成其基本特征与用于来抛光上述钢环的试验机器相同。该机器用一研磨带(1.27cm宽)抛光钢环(1018钢，5cm外径×1.9cm宽)的外端表面。磨具通过一压力蹄片(shoe)压在工件上。磨具的非研磨边与蹄片之间的摩擦力使磨具相对于蹄片保持静止。蹄片沿平行于环轴的方向振动，在230次振动/分钟的条件下的振幅为0.32cm。钢环夹在杆上，转速为60rpm。磨具在顺时针转动7秒钟然后逆时针转动7秒钟的时间内，其短长与环保持接触。用气缸向磨具提供力，使之压向钢环。将经稀释的润滑剂加在环与磨具之间，该润滑剂以商品名“Cimtech 500”购得(Milacron Marketing Co.，Cincinnati，Ohio)，并用水稀释，使水/润滑剂重量比为95/5。对磨具的压力为所加空气压力的1.767倍。磨具接触工件的长度约为3.3cm。磨量通过测定一圈之内从钢环外径上去掉的质量(以克为单位)获得。
试验了生产机器方法，看第一批标准磨具的磨量是否与空气压力成正比。所得数据列于表3。
表3
确认磨量与所加压力成正比后(由r＝0.974证实)，终端用户可直接从性能指标计算将来做标记的制品的使用条件。对基于相对速度、研磨或抛光时间，或者基于压力、速度和时间的混合因素的研磨方法，可做类似计算。
对于磨量归一化到1.00的磨具，气缸对生产机器的正常压力为207kPa。上述207kPa的压力得到的平均磨量为0.0476克。第二批磨具接下来可用于前述研磨方法的生产机器上。先在保持研磨压力和其他条件与第一批磨具所用条件相同的情况下，用第二批磨具得到研磨数据。所得数据列于表4。
表4
然后调整压力，补偿第二批磨具的性能指标，在此条件下运行生产机器。此时空气压力调整到207×1/1.306＝158kPa。所得研磨数据列于表5。
表5
工艺的所需磨量为0.0476克/生产单程，这是第一批标准磨具的额定性能。如表6所示，用性能指标补偿空气压力，将整体方法的不确定性由12.2％降低到了4.6％。
表6
应当理解，尽管本发明是结合上述优选实施方式介绍的，但本领域技术人员不难对所述实施方式做出改变或改进，这些改变和改进包括在本发明范围之内，如以下权利要求所进一步限定的。
权利要求
1.一种磨具，它包含研磨面；附在磨具上的性能指标，该指标从一个方面表征了制品的研磨性能。
2.权利要求1所述磨具，其特征在于磨具包含背衬和与背衬相连的研磨层，研磨层包含许多固定在粘合剂中的磨粒。
3.权利要求2所述磨具，其特征在于磨粒包括金刚石，粘合剂包括至少一种金属。
4.权利要求3所述磨具，其特征在于背衬包括相反两个表面一般为平面的不锈钢基底，磨粒至少部分包埋在粘合剂中，并附着在至少一个一般为平面的表面上。
5.权利要求1所述磨具，其特征在于它还包括装有磨具的包装，性能指标就附在包装上。
6.权利要求1所述磨具，其特征在于性能指标存储在数据库中，磨具还包括标记，通过该标记可查寻数据库，得到性能指标。
7.权利要求1所述磨具，其特征在于所述标记为可机读形式。
8.权利要求1所述磨具，其特征在于所述标记为字母-数字形式。
9.权利要求1所述磨具，其特征在于所述标记为条形码。
10.权利要求1所述磨具，其特征在于性能指标基于在磨具表面施加一已知压力并且磨具在一预定时间内以一预定速度运动的情况下测定的磨速率。
11.权利要求10所述磨具，其特征在于性能指标是磨速率与(a)外加压力、(b)速度或(c)预定时间中的任一项之比。
12.权利要求1所述磨具，其特征在于性能指标基于测定的表面光洁度，该表面光洁度是磨具以已知外加压力和速度在预定时间内对表面研磨的结果。
13.权利要求1所述磨具，其特征在于它还包含非研磨表面，性能指标附在此非研磨表面上。
14.权利要求1所述磨具，其特征在于性能指标附在研磨面上。
15.提供权利要求1所述磨具的方法，它包括(a)提供具有研磨面的磨具；(b)提供具有可研磨表面的工件；(c)外加已知压力使研磨面紧贴可研磨表面，以一定速度在预定时间内相对移动磨具和可研磨表面，对所述可研磨表面进行研磨；(d)根据磨具在研磨步骤(c)中的研磨性能，设计一种性能指标；(e)将性能指标附于磨具上。
16.权利要求15所述方法，其特征在于设计性能指标的步骤(d)包括在完成研磨步骤(c)后确定磨具的磨速率，然后基于磨速率设计性能指标。
17.权利要求16所述方法，其特征在于性能指标是磨速率与(i)外加压力、(ii)速度或(iii)预定时间中任一项之比。
18.权利要求15所述方法，其特征在于设计性能指标的步骤(d)包括在完成研磨步骤(c)后测定可研磨表面的光洁度，然后基于测定的可研磨表面的光洁度设计性能指标。
19.权利要求15所述方法，其特征在于附上性能指标的步骤(e)是将性能指标附在磨具的研磨面上。
20.权利要求15所述方法，其特征在于磨具还包含一个非研磨面，附上性能指标的步骤(e)是将性能指标附在磨具的非研磨面上。
21.权利要求15所述方法，其特征在于它还包括将磨具装在包装中，其中附上性能指标的步骤(e)是将性能指标附在包装上。
22.权利要求15所述方法，其特征在于附上性能指标的步骤(e)是将性能指标存储在一数据库中，并且在磨具上做个标记，通过该标记可查寻数据库，得到性能指标。
23.权利要求22所述方法，其特征在于所述标记是可机读形式。
24.权利要求22所述方法，其特征在于所述标记是字母-数字形式。
25.权利要求22所述方法，其特征在于所述标记是条形码。
26.一种工件进行研磨的方法，它包括(a)提供附有性能指标的磨具；(b)利用该性能指标确定用磨具对工件研磨的方法条件；(c)在步骤(b)中确定的方法条件下相对移动磨具和工件。
27.权利要求26所述磨具，其特征在于性能指标基于在磨具表面施加一已知压力并且磨具在一预定时间内以一预定速度运动的情况下测定的磨速率。
28.权利要求27所述磨具，其特征在于性能指标是磨速率与(a)外加压力、(b)速度或(c)预定时间中任一项之比。
29.权利要求26所述磨具，其特征在于性能指标基于测定的表面光洁度，该表面光洁度是磨具以已知外加压力和速度在预定时间内对表面研磨的结果。
全文摘要
本发明提供了磨具(22，122)和制备与使用此磨具的方法。磨具包有个研磨面(224)和附在磨具上的性能指标，其中所述指标从一个方面表明了制品的研磨性能。在研磨应用中，性能指标可用来确定磨具(22，122)研磨对工件研磨时的初始方法条件。制备磨具的方法包括(a)提供具有研磨面(224)的磨具(22，122)；(b)提供具有可研磨表面的工件(30，132)；(c)外加已知压力，使研磨面(224)紧贴可研磨表面，以一定速度在预定时间内相对移动磨具(22，122)，对可研磨表面进行研磨；(d)根据磨具在研磨步骤(c)中的研磨性能，设计一种性能指标；(e)将性能指标附于磨具(22，122)上。
文档编号G06K19/06GK1647103SQ03807901
公开日2005年7月27日 申请日期2003年2月7日 优先权日2002年4月3日
发明者G·M·帕尔姆格林 申请人:3M创新有限公司