CN1882420A - 具有抛物面的结构磨料 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种磨料制品及其制造方法和使用方法。这种磨料制品包括多个位于衬底上的特征物。该特征物具有基底和本体。该本体由具有抛物线区段的侧壁限定。在一些实施例中，侧壁由一系列近似为抛物线区段的内连接线段限定。

Description

具有抛物面的结构磨料

技术领域

本发明涉及一种磨料制品，更具体地说，本发明涉及一种结构磨料制品及其制造方法和使用方法。

背景技术

用磨料制品对工件表面进行打磨和抛光已有一百多年。这些应用涵盖了深度磨削、高压金属打磨加工，乃至例如眼镜片的精细抛光。通常，磨料制品为多个磨粒彼此粘结在一起而制成(例如，粘合磨料或砂轮)，或磨粒粘结到衬底而制成(例如，砂纸)。砂纸通常具有单层磨粒或者有时具有两层磨粒。一旦这些磨粒损耗，砂纸基本上就损坏了，通常只能扔掉。

三维涂覆磨粒的最新进展提供了一种通常称之为“结构磨料”的磨料制品。例如美国专利5,152,917(Pieper等人)披露了各种结构磨料制品的构造，在此以引用方式并入本文。Pieper教导了一种结构磨料，该磨料可得到相对较高的磨削速度并在工件表面上形成较精细的抛光表面。这种结构磨料包括粘结到衬底上的非随机性、精确成形的磨料复合物。

其他涉及结构磨料制品及其制造方法的参考文献包括美国专利5.855,632(Stoetzel等人)、5,681,217(Hoopman等人)、5,435,816(Spurgeon等人)、5,378,251(Culler等人)、5,304,223(Pieper等人)和5,014,468(Ravipati等人)，上述所有专利在此以引用方式并入本文。

Pieper和其他人的结构磨料专利是磨料技术领域的重大进步，但仍然还有改进的空间。

发明内容

本发明一方面涉及一种磨料制品的特征物。该特征物包括基底和本体。该本体由具有抛物线横截面的侧壁来限定。在一个实施例中，本体包括四个侧壁。在另一实施例中，四个侧壁是对称的抛物面区段。

本发明另一方面涉及一种在衬底上具有特征物阵列的磨料制品。该阵列包括多个特征物，每个特征物分别包括基底和本体。各本体为由具有抛物线横截面的侧壁限定的本体。在一个实施例中，本体包括四个侧壁。在另一实施例中，四个侧壁是对称的抛物面区段。

附图说明

图1是根据本发明的磨料制品实施例一部分的轴侧图；

图1A是图1制品特征物的俯视图；

图1B是图1制品的另一视图；

图2是根据本发明的特征物阵列的实施例；

图3是根据本发明的制品的显微照片；

图4为一图表，图示说明根据本发明磨料制品特征物的轮廓线

实施例；

图5为一图表，图示说明根据本发明磨料制品特征物的轮廓线另一实施例；

图6为一图表，图示说明根据本发明磨料制品特征物的轮廓线另一实施例；以及

图7为一图表，图示说明根据本发明磨料制品特征物的轮廓线另一实施例；

图8是根据本发明的磨料制品制造系统的实施例；以及

图9是根据本发明的磨料制品制造系统的另一实施例。

具体实施方式

本发明涉及磨料阵列、磨料制品、磨料制品的制造方法以及使用磨料制品的方法。

参照图1，磨料制品100包括磨料复合物120。在本发明的上下文中，术语“复合物(composites)”可与术语“特征物(features)”互换使用。磨料复合物粘结到衬底190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外的相邻磨料复合物在一定程度上分开。为了形成单独的磨料复合物，则形成磨料复合物形状的边界线中的一部分必须彼此分开。在一些实施例中，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120包括多个磨粒，这些磨粒在粘结剂和助磨剂中分散。本发明还包括一种把磨料复合物粘结到衬底上的结合体，其中部分磨料复合物相互邻接，而其他磨料复合物之间具有开放区域。

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。其他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。上述专利在此以引用方式并入本文。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方法。这些处理方法采用本技术领域所公知的技术。

衬底还可在其背面上带有附接装置，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凸出物。或者可以是如受让的美国专利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剂或磨擦涂料。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所形成的磨料结块。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，粘结剂前体受能量源辐射，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。其他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。其他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。其他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)还描述了其他阳离子固化剂，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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描述了其他阳离子固化剂，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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。可见光优选使用的引发剂是可从Ciba Geigy Corporation购买的“Irgacure 369”。

助磨剂

助磨剂定义为这样一种材料，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。虽然助磨剂可作为液体添加到淤浆中，但是通常且优选的方法是将助磨剂作为微粒添加到淤浆中。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(定义为单位重量磨料制品损失所除去的工件重量)。具体地说，在本领域内据信助磨剂可以达成如下效果：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。助磨剂化学材料族群的实例包括蜡、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，其他各种助磨剂包括硫、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)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，从而清除失效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。

由磨料复合物组成的磨料涂层

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100包括磨料复合物120。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。在一些实施例中，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120包括多个磨粒，磨粒分散在粘结剂和助磨剂中。本发明还包括获得一种磨料复合物粘结到衬底上的组合体，其中部分磨料复合物邻接，而其他磨料复合物之间具有开放区域。

有些情况下，边界线所形成的形状是平面的。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度(维数)。

本发明的另一个方面是：部分磨料复合物具有与其尺度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％、优选为至少60％的磨料复合物具有与其尺度不同的相邻磨料复合物。这些不同的尺度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度相关。相邻磨料复合物具有这些不同尺度，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抛光。在本受让人的共同待审批的美国专利申请6,076,248(Hoopman等人)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相同的压力。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，还会需要其他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，并对应于形成磨料复合物的形状。选择凹腔的尺度以提供磨料复合物所需的形状和尺度。如果凹腔的形状或尺寸(尺度)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(尺度)。

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。热优选的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8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841离开拆卷站842，同时生产工具846离开拆卷站845。通过涂覆站844把淤浆涂在生产工具846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前面的方法，使衬底和淤浆接触。在图2中，淤浆通过接触轧辊947与衬底接触。接下来，接触轧辊947还使所得结构物紧靠支撑鼓943。能量源948(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，生产工具再绕到心轴949上，这样生产工具就可以再使用。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949上以重复使用。此外，磨料制品绕到心轴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。使用上述美国专利6,076,248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9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，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或其他材料的表面的研磨方法。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(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他添加剂，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拼接。本发明还包括使用非拼接的带，如1992年7月24日提出的共同转让的待审批美国专利申请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。磨料卷带是长度连续的磨料制品。其宽度范围可以是约1mm～1,000mm，通常在5mm～250mm之间。磨料卷带通常是松开(未卷绕的)，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

参照图1-1B，该图示出磨料制品120实施例的一部分。磨料制品120包括衬底190。衬底190通常是带状，但也可以是其他形状和形式。如果衬底190是带状，则它通常包括机器方向和横机器方向，二者相互垂直布置。

衬底190与微观重复的特征物120的阵列110相连。通常，特征物120以阵列110排列在衬底120上。通常，阵列110和制品100相对于机器方向成一定角度取向，或相对于机器方向偏斜。

阵列110包括多个特征物120。在所示实施例中，各特征物包括基底124和本体126。基底124优选为平行四边形，或者根据具体用途要求也可以是其他形状。基底124与衬底190邻接或相邻。在所示实施例中，各特征物包括本体126，本体126由四个侧壁131、132、133、134或由基底伸出的表面来限定，形成多面体。虽然所示特征物实例包括四个侧壁，但根据具体用途也可以有更多或更少的侧壁。多面体可以是任意形状，但通常是金字塔形或棱柱形。

各特征物126包括至少一个从基底124伸出的由部分抛物线(面)限定的侧壁124。对于具有四个侧壁的特征物126来说，各侧壁优选为由抛物线函数限定，下文将详细描述。如实施例所示，四个表面131、132、133、134在公共顶点122处相交，由此形成切削点或齿。

参照图1B，该图示出了去掉顶部的特征物120。平行于基底的平面的横截面面积Ac随着由基底测量的切面高度变化而成比例变化。在磨料制品的整个使用期限内测量时，与侧壁笔直的特征物相比，这种特征物横截面面积Ac的线性变化可以使切削速度更稳定。

参照图2，该图示出了具有多个特征物220的磨料制品200。特征物220在制品200上形成阵列210。通常，各个单独的特征物220顶点22高度相同，在一些实施例中该高度为约20～40密耳。如实施例所示，部分特征物220具有不同的基底224尺度。阵列中各特征物的基底尺度可以相同或不同，特征物尺度的具体组合方式取决于具体用途。这种特征选择是本领域的普通技术。

参照图4，该图示出了侧壁的抛物面轮廓。所示图形按特征物的比例绘制而成，特征物具有顶点高度(由距基底最远的点测量)Ho和基底宽度Wo。限定抛物面轮廓的点的轨迹由方程式1产生：

(x/Wo)^2＝1-(y/Ho)                      方程式1

特征物的侧壁由方程式1限定，该特征物由二直交轮廓并置限定的点轨迹形成。于是，特征物的外表面保持的体积限定于基底和各侧壁轮廓之间，并由各侧壁轮廓相交而限定。为了说明，再参照图1，相对的侧壁131、133由方程式1限定，按比例调整到所需的顶点高度。相对的侧壁132、134由同一方程式限定，但是由侧壁132、134限定的表面垂直于侧壁131、133限定的表面取向。所得特征物包括所有的由抛物面限定侧壁与基底交叉部分之间所包括的体积。在一些实施例中，侧壁不是平滑(连续)函数，而是由一系列相连的线段限定。

在一个实施例中，各特征物包括两组相对侧壁，该两组侧壁取向直交，其中各组相对侧壁由连续的抛物线函数限定，如图4所示。但是，该特征物具有斜率为零的顶部，从而形成圆顶。在另一个实施例中，为了用更低压力获得更好的初始切削效果，形成了齿或切削刃。在此方案中，从底部测量时，特征物的横截面面积(从底部测量)随高度线性变化，直到约90％特征物高度。

如上段所述的特征物可以由具有部分抛物面轮廓区段的侧壁所限定。再参照图4，点轨迹410限定抛物线区段，该轨迹可分成四个区段。相对的区段412、414可分别向图400的原点方向移动X2和X1。这样就会形成由抛物线函数限定的相对侧壁的轮廓，而同时在特征物的顶点形成锋利的切削刃。图5示出该轮廓的实例。轮廓包括相对的抛物线区段512、514，从而形成特征物相对侧壁的轮廓520，特征物高14密耳(1密耳＝0.001英寸)。剖面中形成了齿角σ。齿角σ由单独的齿角σ1、σ2加和而成，σ1、σ2由各区段512、514形成。在本发明的上下文中，如图5所示可见，“齿角”是指由特征物峰点和其最外侧基底部分的连线之间所形成的夹角。直线L1和L2在峰点相交，并且分别延伸到基底的最外侧。各部分齿角σ1、σ2从由基底向峰点P1延伸的垂线测得。

在所示实施例中，σ1和σ2相等。在一些实施例中，齿角σ在大约60～110°之间，然而，根据具体用途，σ也可以更大或更小。

在其他实施例中，优选得到如下特征物，该特征物使用不对称的轮廓线形成本体。参照图6，该图示出名义顶点高度为14密耳的特征物的轮廓620。抛物线区段612、614限定轮廓线。侧壁部分如此排列，使各轮廓线具有不同的单独齿角σ3、σ4。抛物线轨迹限定特征物的区段614，如果不切去顶部，特征物的名义高度为15.6密耳，名义宽度为23.75密耳。抛物线轨迹限定特征物的区段612，如果不切去顶部，特征物的名义高度为23.3密耳，宽度为32密耳。区段612、614结合形成轮廓620所得到的特征物具有带尖顶的切削齿，当使用具有上述特征物的磨料制品研磨工件时，会提高初始切削效果。

本发明还示出了另一个不对称特征物轮廓720的实施例。轮廓720所对应的特征物的名义顶点高度为14密耳。抛物线区段712、714形成轮廓线。侧壁部分如此排列，使各轮廓具有不同的单独齿角σ5、σ6。抛物线轨迹限定特征物的区段714，如果不切去顶部，特征物的名义高度为15.6密耳，宽度为23.75密耳。抛物线轨迹限定特征物的区段712，如果不切去顶部，名义高度为15.5密耳，宽度为23.7密耳。区段712、714结合形成轮廓线720所得到的特征物具有带尖顶的切削齿，当使用具有上述特征物的磨料制品研磨工件时，会提高初始切削效果。

通过阅读本发明，本领域的普通技术人员可理解：可制成这样的特征物，该特征物的侧壁由相同或不同抛物面轮廓限定。根据具体用途，选择磨料制品所包含的各特征物。

实例1

参照图3，制成了根据本发明的磨料制品300。制品300包括排列在衬底材料(未示出)上的特征物320的阵列310。特征物320排列成使特征物320错开。各特征物320离衬底最远的位置的顶点高度为约30密耳(1密耳＝0.001英寸)。该实例使用了不同的基底尺度，包括基底为20×20密耳的特征物356(例如由侧壁351、352、353、354限定)、基底为20×30密耳的特征物376(例如由侧壁371、372、373、374限定)，以及基底为30×30密耳的特征物346(例如由侧壁341、342、343、344限定)。各特征物346、356、376包括的主体由抛物线区段限定。

制备上述磨料制品首先要制造工具，该工具与阵列所形成的图像负像。淤浆由Tatheic/TMPTA丙烯酸树脂、KBF₄、Irgacure 369、OX-50二氧化硅和A174硅烷以及矿石制成，然后把淤浆涂到衬底上。然后使衬底和淤浆与工具接触。所用衬底是可从Milliken购买的聚酯/棉织造衬底。然后使产物固化并与工具分离。本领域普通技术人员容易理解：根据要求的磨料制品具体用途，可以使用磨料矿石或磨粒、淤浆、衬底材料的多种不同组合。此外，磨料制品可以在脱离工具之后固化。

上述说明、实例及数据详细描述了如何制造和使用本发明。但是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本发明可有多种实施方式，因此，本发明的范围由后附权利要求进行限定。

Claims (21)

1.一种用于磨料制品的特征物，包括：

基底；

从所述基底延伸出的本体，其中该本体的横截面面积随着所述本体距所述基底的高度线性变化。

2.根据权利要求1所述的特征物，其中从所述基底延伸出的所述本体由四个弓形表面部分限定。

3.根据权利要求1所述的特征物，其中所述本体由两个具有公共顶点的弓形表面部分限定。

4.根据权利要求2所述的特征物，其中所述弓形部分从所述基底凸起弯曲。

5.一种磨料制品，包括：

多个特征物，其中各特征物包括基底和从所述基底延伸出的本体，其中该本体的横截面面积随着所述本体距所述基底的高度线性变化。

6.根据权利要求5所述的制品，还包括衬底，该衬底与各所述多个特征物的所述基底结合。

7.根据权利要求6所述的制品，其中所述衬底是带。

8.根据权利要求5所述的制品，其中各特征物的所述本体由四个弓形表面部分限定。

9.根据权利要求5所述的制品，其中各特征物的所述本体由两个具有公共顶点的弓形表面部分限定。

10.根据权利要求9所述的制品，其中所述弓形部分从所述基底凸起弯曲。

11.根据权利要求5所述的制品，其中所述特征物具有约0.03英寸或0.04英寸的基本相同的高度。

12.根据权利要求5所述的制品，其中所述多个特征物形成阵列。

13.根据权利要求12所述的制品，其中至少部分所述特征物具有约0.03英寸的高度，以及，至少部分所述特征物具有约0.04英寸的高度。

14.一种用于制造根据权利要求1至13中任一项权利要求所述的磨料制品的工具：

15.一种磨料制品的制造方法，包括：

用淤浆填充工具，其中所述工具包括多个用于形成具有基底和本体的特征物的负像图案，其中该本体的横截面面积随着所述本体距所述基底的高度线性变化；

使所述淤浆固化以形成所述磨料制品。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

对所述磨料制品施加衬底。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

从所述工具脱下所述制品。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述固化包括脱离所述工具之后的固化。

19.一种用于磨料制品的特征物，包括：

基底；以及

从所述基底突出来的本体，所述本体包括顶点，其中所述本体由四个侧壁限定，以及进一步，其中各侧壁由抛物线区段限定。

20.根据权利要求19所述的特征物，其中所述的抛物线形状基本上由一系列相连接的线段限定。

21.根据权利要求19所述的特征物，其中各侧壁由相同的抛物线区段形成，以及进一步，各区段由相同轨迹以镜像方法限定，所述镜像包括负像和左、右像。

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