具有超膠涂層的磨料制品及方法

專利名稱：具有超膠涂層的磨料制品及方法
技術領域：
本發明涉及磨料制品、制備這類磨料制品的方法以及使用這類磨料制品的方法。

背景技術：
在一百多年的時間里，磨料制品一直用于研磨和磨光工件表面。這些應用涵蓋了從工件(例如木材和金屬)的高切削到鏡片、光導纖維和計算機讀/寫頭的精細拋光。一般來講，磨料制品包括多個粘合在一起(如粘合的磨料或磨削輪)或粘合到背襯(如涂附磨具)的磨粒。對于涂附磨具來說，粘合到背襯上的磨粒通常為單層、或有時為多層。磨粒可以用“底膠”和“復膠”涂層、或作為漿料涂層粘合到背襯。
磨料制品的各種構造是已知的，例如圓盤、環形帶、磨砂海綿等等。磨料制品的構造會影響制品的預期用途。例如，某些磨料制品被構造為在使用過程中與真空源連接，以移除來自研磨表面的粉塵和塵屑。
對于總體上所有的涂附磨料制品而言，在使用過程中都是以暴露的磨粒尖來研磨工件。新的顆粒表面被連續暴露，以延長磨料制品的使用壽命。某些時間之后，當磨料制品不再具有足量的合適研磨表面時，涂附磨具就基本上被磨損了，并通常被丟棄。
雖然涂附磨料制品已經為人所知達一百多年，但制品和制備磨料制品的方法總在不斷改進。


發明內容
本發明涉及包含超膠涂層或組分的磨料制品以及制備磨料制品的方法，例如被構造用于抑制粉塵和/或塵屑在磨料涂層上積聚的磨料制品。采用激光或其他轉換機理轉換加工磨料制品之后(無論是非接觸還是機械接觸)，可以將超膠組分涂敷到磨料涂層。在一些實施例中，不存在新生或暴露的研磨或背襯表面；也就是說，超膠組分覆蓋全部表面。
本發明還涉及制備磨料制品的方法，其采用激光轉換加工(如切削)磨料涂層的至少一部分，以形成磨料制品，然后將超膠涂層涂敷到磨料涂層上。該方法包括將聚焦的激光能量射在磨料制品的背側面(與磨料涂層相對)，激光能量穿透至正面。這種方法可以減少由正面切削區域周圍(如開口)的磨料制品的聚合物組分所產生的成脊效應(另外已知為“再次澆鑄”)的量。
在一個特定的方面，本發明涉及制備磨料制品的方法，其包括提供背襯的第一側面上的磨料涂層，所述背襯還具有第二側面，以及使聚焦的激光能量穿過背襯，其中激光能量在穿過磨料涂層之前穿過背襯的第二側面。激光可以在磨料涂層中形成內部孔隙或在磨料涂層中形成多個內部孔隙。在一些實施例中，激光在磨料涂層中形成至少10個內部孔隙，至少40或50個、或至少100個內部孔隙。在一些實施例中，另外或作為另外一種選擇，激光形成磨料涂層的外部周邊。
在另一個特定的方面，本發明涉及在背襯的第一側面上具有磨料涂層的磨料制品，所述磨料涂層包括小于40微米的磨粒，以及至少一個穿過背襯和磨料涂層的孔隙。孔隙的側壁是熔凝的，并在磨料涂層上面延伸不超過10微米。
磨料制品的背襯可以是聚合物型背襯(如熱塑性或熱固性背襯)、紙背襯、布背襯等等。可以使用具有多個層的層合背襯，其各層可任選地通過粘合劑或其他方式結合在一起。磨料涂層可以是底膠/復膠磨料涂層、漿料涂層、或包含復合物(例如精確成形的復合物)的成形磨料涂層。
這些和各種其他表征本發明的制品以及方法的特征在所附的權利要求書中進行了詳細闡述。為了更好地了解本發明的制品和方法、它們的優點、它們的用途以及其用途所實現的目標，請參考附圖和


，其中包括圖示和描述的本公開的發明的優選實施例。


圖1為涂附磨料制品的第一實施例的示意性橫截面側視圖； 圖2為涂附磨料制品的第二實施例的示意性橫截面側視圖； 圖3為涂附磨料制品的第三實施例的示意性橫截面側視圖； 圖4a為涂附磨料制品的示意性俯視平面圖； 圖4b為涂附磨料制品的示意性俯視平面圖； 圖5為磨料制品中的內部孔隙的顯微照片的近距離視圖，所述內部孔隙由穿過磨料制品背側面的激光所形成； 圖6為磨料制品中的內部孔隙的顯微照片的近距離視圖，所述內部孔隙由穿過磨料制品正面的激光所形成； 圖7為現有技術磨料制品的孔隙的顯微照片的近距離視圖；以及 圖8為實例的切削結果圖示，該圖將使用激光制成的磨料制品與通過常規方法制成的磨料制品進行了對比。

具體實施例方式 本發明提供具有粘合到背襯的第一側面的磨料涂層(具有多個磨粒)的磨料制品。超膠涂層存在于磨料涂層和背襯的任何暴露表面之上。本發明還提供制備磨料制品的方法和使用該制品的方法。制備磨料制品的方法包括用激光切穿背襯和磨料涂層，提供大致熔凝的切口，如具有基本光滑的表面，不含粗糙面，具有重新凝固的熔融區域，并且可以具有光澤。熔凝的切口沒有機械缺陷，例如壓碎或破碎的磨料涂層組分或磨損的背襯邊緣。按照以下方式使用激光，以使得沒有磨料涂層的磨料制品的一面首先被激光切削；即，使激光能量聚焦在沒有磨料涂層的磨料制品的一面上。由激光形成的切口可以是磨料制品中的內部切口。
在圖1中，磨料制品的第一實施例作為磨料制品10示出。磨料制品10通常稱為“涂附磨料制品”，其具有粘合到背襯的多個磨粒。該磨料制品10具有背襯12，所述背襯具有第一側面12a和相對的第二側面12b。磨料涂層14存在于背襯12的第一側面12a上。
在此實施例中，磨料涂層14包含多個由粘合劑基質16固定的磨粒15。此粘合劑基質16包括底膠18和上覆的復膠17，其中磨粒15至少部分地嵌入底膠18中。例如在涂敷顆粒時通過對其施以靜電場，使磨粒15通常在底膠18中取向。
此磨料制品10實施例包括存在于復膠17上方的超膠涂層19。超膠涂層或超膠層(如果存在)是涂敷在復膠層的至少一部分上的涂層，并且通常被添加以提供(例如)助磨劑、和/或作為抗填充涂層。另外，超膠層19可以抑制或減少塵屑(從工件上研磨下的材料)在復膠17上或在磨粒15之間的積聚、和/或在孔隙45內及其周圍的積聚(以下關于圖4a所討論的)，塵屑的積聚會顯著降低磨料制品10提供的切削性能和/或所得工件的光潔度。可用的超膠層19包括助磨劑(如四氟硼酸鉀)或脂肪酸的金屬鹽(如硬脂酸鋅或硬脂酸鈣)。超膠層19中可以存在其他材料。
在多個實施例中，在磨料制品的轉換加工(如通過激光)之后將超膠層19涂敷在復膠17之上。在通過非接觸方法(例如通過激光轉換加工)或通過接觸方法(例如機械模具切割)轉換加工后，涂敷超膠層19覆蓋新形成的表面或新生表面，包括(例如)磨料制品或其中的孔隙的新暴露的側壁。在轉換加工(切割)磨料制品之后，涂敷超膠層19覆蓋切削表面，并且通常會增加磨料制品的壽命和/或切削速率，并減少因暴露表面所導致的劃痕。
磨料制品10為具有底膠/復膠粘合劑基質的磨料制品的普通實例。應當理解，在不超出底膠/復膠磨料制品范圍的情況下，磨料制品的交替構造也是可以的。
在圖2中，磨料制品的第二實施例作為磨料制品20示出。磨料制品20通常稱為“涂附磨料制品”，其具有粘合到背襯的多個磨粒。該磨料制品20具有背襯22，所述背襯具有第一側面22a和相對的第二側面22b。磨料涂層24存在于背襯22的第一側面22a上。盡管未示出，但超膠層或超膠涂層可以存在于磨料涂層24的至少一部分上；該超膠涂層可以在磨料制品20的轉換加工之后進行涂敷。
在此實施例中，磨料涂層24包含多個通過粘合劑基質26固定和分布的磨粒25。磨料制品20為漿料涂層磨料制品的實例。
在圖3中，磨料制品的第三實施例作為磨料制品30示出。磨料制品30通常稱為“成形磨料制品”，其具有粘合到背襯的多個磨粒。該磨料制品30具有背襯32，所述背襯具有第一側面32a和相對的第二側面32b。磨料涂層34存在于背襯32的第一側面32a上。盡管未示出，但超膠層或超膠涂層可以存在于磨料涂層34的至少一部分上；該超膠涂層可以在磨料制品30的轉換加工之后進行涂敷。
在此實施例中，磨料涂層34包含多種研磨復合物38，它們是分布在粘合劑基質36中的磨粒35的復合物。研磨復合物38由與復合物形狀相關的一個或多個邊界分開，導致一種研磨復合物38在一定程度上與另一種相鄰的研磨復合物38分開。如果邊界明確，則研磨復合物38可稱為“精確成形的復合物”。有關具有精確成形研磨復合物的磨料制品的最早的參考文獻之一是授予Pieper等人的美國專利No.5,152,917。后來還有許多其他參考文獻。
背襯 如上所述，涂附磨料制品具有背襯，磨料涂層可以涂敷在所述背襯之上。背襯具有正表面(如側面12a)和背表面(如側面12b)，并可以為任何研磨背襯。合適的背襯的實例包括聚合物薄膜(包括具有底漆的聚合物薄膜)、布、紙、硫化纖維、熱塑性背襯、非織物、以及它們的組合。根據需要，可以使用多層背襯。多層背襯可以是一種或多種已知背襯材料的層合材料，通常用粘合劑使各層結合在一起。纖維增強層可以添加到任何這些材料的表面內或表面上。對于某些磨料制品而言，金屬是合適的背襯材料。
背襯也可以含有一種或多種處理，以便密封背襯和/或改變背襯的某些物理特性。這些處理在本領域中都是熟知的。
背襯可包括在其背表面上的附連系統，以便將所得的涂附磨具固定在支承墊或支撐墊上。該附連系統可以是壓敏粘合劑、粘扣附連系統的一個表面、相互嚙合的附連系統、或螺紋凸起。磨料制品的背側面(如側面12b)還可以包括防滑或摩擦涂層。這類涂層的實例包括分散在粘合劑中的無機顆粒(如碳酸鈣或石英)。
磨料涂層 磨粒 磨粒(如磨粒15)的粒度通常在約0.1至1500微米范圍內，一般介于約0.1至400微米之間。在一些實施例中，粒度介于0.1至100微米之間，而在其他實施例中，粒度介于0.1至40微米之間。根據本發明，激光轉換加工對于使用粒度小于約40微米的磨粒的磨料涂層尤其有利。
磨粒的莫氏硬度為至少約8，通常為至少9。常見的磨粒的實例包括熔融氧化鋁(其包括棕色氧化鋁、熱處理氧化鋁和白色氧化鋁)、陶瓷氧化鋁、綠色碳化硅、碳化硅、氧化鉻、氧化鋁-氧化鋯、金剛石、氧化鐵、二氧化鈰、立方晶型氮化硼(CBN)、碳化硼、石榴石以及它們的組合。
術語“磨粒”還涵蓋單一磨粒粘合在一起形成研磨聚集體的情況。研磨聚集體在美國專利No.4,311,489、No.4,652,275和No.4,799,939中有所描述；精確成形的研磨聚集體在美國專利No.5,549,962中有所描述。
磨粒可以包括表面涂層，以便(例如)增加磨粒與粘合劑基質的粘附力，改變磨粒的研磨特性等等。表面涂層的實例包括偶聯劑、鹵化物鹽、金屬氧化物(包括二氧化硅)、難熔金屬氮化物、難熔金屬碳化物等。
磨料制品可包括不是磨粒的稀釋顆粒。這些稀釋顆粒的粒度可以與磨粒的數量級相同。這類稀釋顆粒的實例包括石膏、大理石、石灰石、燧石、硅石、玻璃泡、玻璃珠、硅酸鋁等。
粘合劑基質 磨粒與粘合劑粘附在一起形成磨料制品。對于大多數涂附磨料制品而言，粘合劑為有機或聚合物粘合劑，并且由粘合劑前體生成。在涂附磨料制品的制造過程中，粘合劑前體暴露于能量源，該能量源有助于引發粘合劑前體的聚合反應或固化。
能量源的實例包括熱能和輻射能，后者包括電子束、紫外光、以及可見光。在該聚合反應過程中，粘合劑前體發生聚合或固化，并轉變為硬化粘合劑。在粘合劑前體硬化之后，形成粘合劑基質。
用于涂附磨料制品的代表性和優選的有機樹脂的實例包括酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸改性環氧樹脂、烯鍵式不飽和化合物、具有不飽和羰基側基的氨基塑料衍生物、具有至少一個丙烯酸側基的異氰尿酸酯衍生物、具有至少一個丙烯酸側基的異氰酸酯衍生物、乙烯基醚、環氧樹脂、以及它們的混合物和組合物。術語“丙烯酸酯”涵蓋丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
酚醛樹脂因其熱特性、可用性和價格廣泛應用于磨料制品粘合劑。酚醛樹脂有兩類可溶酚醛樹脂和線型酚醛樹脂。可溶酚醛樹脂中甲醛與酚的摩爾比為大于或等于1∶1，通常在1.5∶1.0至3.0∶1.0之間。線型酚醛樹脂中甲醛與酚的摩爾比為小于1∶1。
丙烯酸酯改性聚氨酯是羥基封端、異氰酸酯伸展的聚酯或聚醚的二丙烯酸酯。
丙烯酸改性環氧樹脂是環氧樹脂的二丙烯酸酯，諸如雙酚A環氧樹脂的二丙烯酸酯。
烯鍵式不飽和樹脂包括單體化合物和聚合物化合物，所述化合物包含碳原子、氫原子和氧原子，并且可選地包含氮原子和鹵素原子。氧原子或氮原子或這兩者通常存在于醚、酯、氨基甲酸酯、酰胺和脲基團中。烯鍵式不飽和化合物優選地具有小于約4,000的分子量，并且優選地為由包含脂肪族一羥基基團或脂肪族多羥基基團的化合物與不飽和羧酸(例如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、異巴豆酸、馬來酸等)發生反應所生成的酯。丙烯酸酯樹脂的代表性實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、乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸己二醇酯、二丙烯酸三乙二醇酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、三丙烯酸甘油酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇甲基丙烯酸酯、四丙烯酸季戊四醇酯。其他烯鍵式不飽和樹脂包括單烯丙基酯、聚烯丙基酯和聚甲基烯丙基酯，以及羧酸的酰胺，諸如，鄰苯二甲酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯和N，N-己二烯己二酰二胺。而其他含氮化合物包括三(2-丙烯酰氧基乙基)異氰脲酸酯、1，3，5-三(2-甲基丙烯酰氧基乙基)-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、以及N-乙烯基哌啶酮。
氨基塑料樹脂的每個分子或每個低聚物具有至少一個α，β-不飽和羰基側基。這些不飽和的羰基基團可以是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或丙烯酰胺型基團。這類材料的實例包括N-羥甲基丙烯酰胺、N，N’-氧基二亞甲基雙丙烯酰胺、鄰位和對位丙烯酰胺甲基化苯酚、丙烯酰胺甲基化線型酚醛樹脂、以及它們的組合。
美國專利No.4,652,274中進一步描述了具有至少一個丙烯酸側基的異氰脲酸酯衍生物和具有至少一個丙烯酸側基的異氰酸酯衍生物。優選的異氰脲酸酯材料是三(羥乙基)異氰脲酸酯的三丙烯酸酯。
環氧樹脂具有氧雜環丙烷，并且通過開環反應進行聚合。這類環氧樹脂包括單體環氧樹脂和低聚環氧樹脂。環氧樹脂的實例包括2，2-二[4-(2，3-環氧丙氧基)-苯基丙烷](雙酚的二縮水甘油醚)和線型酚醛樹脂的縮水甘油醚。
如果使用自由基固化樹脂，則通常還包括自由基固化劑或引發劑。然而，在采用電子束能量源的情況下，由于電子束本身可以產生自由基，因此并不總是需要固化劑。
自由基熱引發劑的實例包括過氧化物，如過氧化苯甲酰、偶氮化合物、二苯甲酮、以及醌類。對于使用紫外光或可見光能量源的情況而言，該固化劑有時是指光引發劑。當暴露于紫外光時可產生自由基源的引發劑的實例包括(但不限于)選自由下列物質組成的組的引發劑有機過氧化物、偶氮化合物、醌類、二苯甲酮、亞硝基化合物、酰鹵、腙、巰基化合物、吡喃鎓化合物、三丙烯酰基咪唑、雙咪唑、氯代烷基三嗪、安息香醚、聯苯酰縮酮、噻噸酮、苯乙酮衍生物、以及它們的混合物。
制備涂附磨料制品的方法 本發明的涂附磨料制品可以通過已知的涂覆方法制備。
具有底膠/復膠的磨料制品(例如圖1的磨料制品10)通過以下方法制備將底膠前體涂敷到背襯上，然后將多個磨粒沉積到底膠上，可任選地至少部分地固化底膠前體，將復膠前體涂敷到磨粒上，然后固化復膠前體以形成復膠。制備具有底膠/復膠的磨料制品的方法是熟知的。
漿料涂附磨料制品(例如圖2的磨料制品20)通過形成粘合劑前體材料與磨粒的漿料制備。把漿料涂敷到背襯上，然后固化粘合劑前體材料。制備漿料涂附磨料制品的方法是熟知的。
成形的涂附磨料制品(例如圖3的磨料制品30)通過形成粘合劑前體材料與磨粒的漿料、然后把漿料涂敷到工具上制備。該工具通常具有多個模槽，這些模槽是所需的所得復合物的陰模。漿料在模槽中時與背襯接觸。固化粘合劑前體材料，并從復合物上移除工具。制備這類涂附磨料制品的方法是熟知的。正如美國專利No.5,435,816所述，美國專利No.5,152,917描述了各種制備這類精確成形的磨料制品的方法，但也可以使用其他方法。
然后將帶涂層的背襯進行轉換加工(如切削、穿孔、切縫等)，以形成磨料制品。
根據本發明，通過激光、或通過激光能量對磨料制品進行轉換加工(如切削、切縫、成形等)。激光可用于形成磨料制品的總體形狀(即形成外部切口)，也可用于形成磨料制品中的內部結構，例如孔隙。圖4a示出了根據本發明制備的開孔的磨料制品40。
如上所述，磨料制品40的背襯可以包括在其背表面上的附連系統或其他涂層。該附連系統或其他涂層可以在用激光進行轉換加工之前或之后布置在背襯上。
然而根據本發明，超膠涂層，如圖1的超膠涂層19，可以在使用(例如)激光轉換加工之后涂敷到磨料制品40上。已經發現的是，如果超膠涂層在轉換加工之后涂敷到磨料制品，那么在涂敷超膠涂層之后通常沒有新生表面(如磨料涂層表面或背襯)暴露。然而，如果超膠涂層在轉換加工之前涂敷，則鄰近切口邊緣的超膠涂層區域可能會變形或損壞，并暴露出新生表面(如磨料涂層或背襯)。這些暴露的新生表面往往會聚集塵屑和/或形成劃痕。在轉換加工(如激光轉換加工)之后涂敷超膠涂層對于具有內部孔隙的磨料制品特別有利。
再回到圖4a，磨料制品40具體地為在其正面上具有磨料涂層42的圓盤41。雖然本文示出了圓盤41，但應當理解，本公開的發明并不限于圓盤和相似形狀的磨料制品40，并且本公開的發明也可以與研磨片、研磨帶、研磨輪、研磨墊、以及其他磨料制品一起使用。
圓盤41的正面分別對應于結合以上圖1、2和3以及磨料制品10、20、30所述的第一側面12a、22a、32a。一般來講，對應于第二側面12b、22b、32b的背側面在其上沒有磨料涂層；但是，在一些實施例中，背側面上可以存在摩擦增強涂層。磨料涂層42可以是上述磨料涂層14、24、34中的任何一個、或者也可以是另一種類型的磨料涂層。圓盤41具有外部周邊43以及存在于磨料涂層42中并被周邊43圍繞的多個孔隙45。孔隙45穿過磨料涂層42和其上存在涂層42的背襯。
圓盤41的直徑(由外部周邊43限定)通常為約7.5cm至15cm，但根據本發明的方法，還可以制備其他尺寸(更大或更小)以及甚至其他形狀的磨料制品。孔隙45的直徑通常為1mm至30mm。
孔隙45在某些磨料制品中是常見的。這些孔隙通常稱為排氣孔、通風孔、或粉塵孔。孔隙45通常在使用過程中可以使磨料制品進行自潔，因為孔隙45可以提供保留和/或移除來自磨料制品-工件界面的粉塵(塵屑)的通道。
圖4a中的圓盤41示出了多個孔隙45；還可存在其他數量和構造的孔隙45，這取決于圓盤41的應用和圓盤41的尺寸。應該注意的是，盡管磨料制品40為圓盤41，孔隙45為圓形，但根據本發明也可以制備其他形狀的磨料制品40和/或孔隙45。例如，磨料制品40中的孔隙45可以少于40個、多達50個、多達100個、多達200個、或甚至超過500個。孔隙45可以在磨料制品40內具有任何布局，并且它們可以占據約1％至約50％的開放區域，而各個開口的尺寸為(例如)1mm、10mm、或甚至30mm。
在一些實施例中，孔隙45被布置成預定的圖案。合適的圖案的實例包括無規孔隙45、徑向直線設置的孔隙45、以及同心環形式的孔隙45。圖4a和4b中示出的合適的圖案的另一個實例為一系列孔隙45，這些孔隙至少部分地排列成徑向設置的弧并且至少部分地排列成無規圖案。
在該圖示實施例中，磨料制品40(如研磨盤41)分為兩個區域外部環形區域和中央圓形區域。參見圖4b，磨料制品40具有由半徑R限定的外部周邊區域44和由半徑r限定的中央圓形區域46。在中央圓形區域46內，孔隙45以不同尺寸孔隙的無規圖案取向。在外部環形區域44內，孔隙45布置在徑向設置的弧48上。孔隙45的尺寸和布局在每一個弧48上是交替的。
根據本發明，外部周邊42和孔隙45中的至少一者可以用激光形成(如用聚焦的激光能量切削)。激光尤其適用于形成孔隙45，并且可以提供熔凝的切削表面。熔凝的切削表面是基本光滑的表面，不含粗糙面，具有重新凝固的熔融區域，并且可以具有光澤。熔凝的切削表面沒有機械缺陷，例如壓碎或破碎的磨料涂層組分或磨損的背襯邊緣。
在本專利申請之前已經嘗試使用激光轉換加工磨料制品，但是所得的磨料制品在商業上或工業上都不合格。在本專利申請之前，使用激光能量處理(如轉換加工)磨料制品導致了一些問題，例如磨料制品中的熱降解、激光成脊、以及與表面相關的缺陷。這些問題導致產品損壞和不能使用，性能損耗達80％甚至更高，具有不可接受的不良加工特性，并且在被打磨的工件上產生大量和快速形成的主表面劃痕(通過漩渦紋來表征)。
此前，磨料制品的激光切削會在鄰近激光切削邊緣處留下殘余脊，這些脊是由被切割的材料(如聚合物型背襯、磨料涂層等)的流動和再凝固(再次澆鑄)造成的。例如，圖6示出了磨料制品中的現有技術的激光切削孔隙。在磨料涂層42及其下面的背襯中成功形成了孔隙。但是還形成了脊或再次澆鑄材料47。這類脊通常比鄰近的磨料涂層42高出至少20微米，而在某些情況下高出至少40微米。對于具有相對較少孔隙45(如少于約10個)的磨料制品、或在相對粗糙的磨料制品(如具有大于約40微米的磨粒)中，這些意外形成的脊對磨料制品及其性能的不利影響極小。然而，當孔隙數量增加(如超過約40個)、或當磨粒尺寸減小(如小于約40微米，如約35微米)時，脊的人工痕跡會阻礙研磨性能，例如，因研磨表面從工件上升高而減小研磨切口、和/或因脊處的單位壓力增加而產生不需要的劃痕。
此前，當激光用于制造具有覆蓋工作磨料礦石表面(如磨料涂層42)一部分的通風孔(如孔隙45)的磨料制品(如磨料制品40)時，激光處理帶來的問題非常嚴重，以至于直到現在才能在本功能中使用激光。本發明的方法提供了解決上述問題的產品和方法，從而獲得供用戶使用的高價值的最終產品。
該方法涉及將激光能量首先噴射到研磨背側面(即與磨料涂層相對的側面)，然后穿過正面(即磨料涂層側面)來轉換加工(如切削)磨料制品。根據本發明，通過從后向前切削，可以避免切削邊緣(尤其是孔隙45)周圍的成脊效應。如果存在的話，由于使用激光從后向前切削的轉換加工所產生的任何脊的人工痕跡在磨料涂層上的高度不超過10微米，例如5微米或更小、或甚至2微米或更小。
一般來講，“激光”(即“通過輻射的受激發射的光放大”)是光源，具體地講，是以3×1010cm/s的速度傳播、以振蕩電場為特征的電磁輻射的形式。用于轉換加工(如穿孔或切削)磨料制品的激光器可以是任何合適的常規激光器。合適的激光的實例包括氣體激光器、化學激光器、準分子激光器、以及固態激光器。雖然許多類型的激光器都可適用于轉換加工本文所述的磨料制品，但尤其適用和優選的是低密度增益介質激光器，例如分子氣體激光器，稱為CO2激光器。
這些氣體激光器有許多優點。首先，用于生成激光器光發射的氣體是均勻的。此外，激光器設計中的一項重要考慮，即移除熱量較為容易，因為受熱的氣體可以流出發生激光作用的區域。如上所述，優選的氣體激光器為CO2激光器，它是分子激光器，可以在分子能量級操作，并使用二氧化碳、氮氣和氦氣的混合物。CO2激光器可以提供連續或脈沖激光發射。二氧化碳激光器的操作涉及通過放電中的電子碰撞激發氮氣分子的振動能級，然后共振能量轉移至二氧化碳分子的振動能級。
氣體激光器的實例包括二氧化碳激光器、氬離子激光器、一氧化碳激光器、以及金屬離子激光器，這些氣體激光器可生成深紫外光波長，例如氦銀(HeAg)224nm和氖-銅(NeCu)248nm激光。這些激光器具有特別窄的振蕩線寬，小于3GHz(0.5皮米)。
化學激光器由化學反應提供動力，并且可以在連續操作中獲得高功率。例如，在氟化氫激光器(2700-2900nm)和氟化氘激光器(3800nm)中，反應是氫氣或氘氣與三氟化氮中乙烯的燃燒產物的組合。
可以使用的另一種類型的氣體激光器是準分子激光器。準分子激光器代表光譜的紫外光部分中的激光技術，可提供具有高峰值功率的脈沖短波長激光器的性能。準分子激光器的主要實例為氟化氪激光器。
另一種類型的激光器為高密度增益介質激光器，例如固態激光器或染料型激光器。這些激光器代表從光譜的紅外光到紫外光部分的激光技術，并也可提供高峰值功率和高連續功率。這類激光器的一個實例為Nd:YVO4或摻雜釹的釩酸釔激光器，以及其較短波長的諧波。
CO2激光器非常有用，尤其是9.2至10.6微米波長的激光，因為CO2激光束可以聚焦以蒸發和/或熔融研磨背襯的至少背表面層。通常，可以用激光束的多個通道(軌跡)完成每次切削。優選地對激光功率和聚焦進行調節，以適應激光的掃描速度以及研磨背襯的厚度和能量吸收特性，以使得激光的確切入下面的磨料，并且避免在第一次通過時造成任何不利的成脊。這種激光束可以僅切削或刻劃(例如)背側面至某一規定深度的方式聚集在背側面。可以重復進行這種部分切削，直到完全穿過磨料制品。
如果在激光切削之前將附連層附連到磨料制品的背側面上，由于其他層的散熱效應，脊的人工痕跡會減少。
合適的脈沖激光器的一個具體實例如下 制造商Coherent Inc.，Santa Clara，CA 型號名稱Diamond 84激光器 類別CO2 操作波長10.6μm 在60％占空比(1kHz頻率)條件下的最大功率300w 脈沖能量范圍10-450mJ 脈沖寬度范圍10-1000μS 脈沖上升和下降時間＜60μS 說明射頻激發、密封CO2脈沖激光器 傳輸方法基于掃描儀 輸入光束(直徑)7.0mm 最終光束直徑0.250mm 合適的連續波激光器的一個具體實例如下 制造商Synrad，Seattle，WA 型號名稱Evolution 類別CO2 波長10.6μm 最大功率 -連續模式100w -脈沖模式150W 調制多達20kHz 上升時間＜150μS 說明射頻激發、密封CO2脈沖激光到連續波激光輸出 傳輸方法基于XY繪圖儀 輸入光束(直徑)4.0mm 最終光束直徑0.250mm 美國專利No.6,826,204提供了超級脈沖q-開關CO2激光器的實例，其重復頻率為至少100kHz、波長范圍為9.2微米至10.6微米。據信，該激光器以及此專利中所公開的其他內容對本發明中提到的邊緣效應有所幫助。據信，這些較高的重復頻率是通過更多以汽化為主的材料移除進行操作，而不是通過以熔融排除為主的機理進行操作，因此可以提供更少的再次澆鑄層和熱影響區。
圖5為磨料制品中部分孔隙的顯微照片，該孔隙用從相對于磨料涂層42的側面開始穿透的聚焦激光能量切削而成。可以看到，研磨表面基本平坦，限定孔隙的切削區域49附近沒有脊、凸起、或其他突出結構。遠離孔隙的研磨表面的厚度不受激光轉換加工的影響。切削區域49的邊緣被引導至其上的激光能量熔凝。
圖6為磨料制品中孔隙的顯微照片，該孔隙用從磨料涂層42開始穿透的聚焦激光能量切削而成。脊47圍繞著孔隙，形成不平的磨料涂層表面。緊鄰孔隙的脊47比磨料涂層42表面高出約165微米。
圖7為現有技術磨料制品中的孔隙的顯微照片，據信它是用沖切進行轉換加工(如切削)的。磨料涂層42中的孔隙具有側壁51，該側壁具有由磨粒和背襯結構形成的粗糙表面。
據推理，脊(如圖6中的脊47)是由熔融或通過其他方式而變形的背襯材料和/或磨料涂層材料所形成。在一些實施例中，例如熱塑性聚合物型背襯，背襯材料可以熔融或變形，從而形成磨料涂層側面上的脊。即使用非熱塑性聚合物型背襯(如紙背襯或布背襯)，仍會形成脊。對于這些具有非聚合物型背襯的磨料制品，磨料涂層材料的一部分或者磨料涂層上面或下面的其他層可以熔融或變形，從而形成磨料涂層側面上的脊。
至少由于脊會妨礙磨料涂層與被研磨工件的接觸，因此圖6中示出的具有脊的磨料制品是不期望的。較少的磨料涂層與工件表面接觸會降低磨料制品的性能，其原因在于(例如)以下任一項或全部降低工件的切削速率，增加工件中的劃痕發生率，以及縮短磨料制品的使用壽命。
實例 1.穿過背側面切削的優點 采用常規的底膠/復膠涂覆技術制備若干磨料制品。這些測試中沒有超膠，背襯上也沒有附連系統。用CO2激光器將磨料制品轉換加工成具有內部孔隙的圓盤。
對于每一個測試，一種磨料制品是用CO2激光首先穿過背側面切削內部孔隙而制成(根據本公開的發明)，一種磨料制品是用激光穿過正面(即磨料涂層側面)切削內部孔隙而制成。制備六種不同構造的孔隙。圖8示出了性能結果曲線圖。首先穿過背側面轉換加工(如切削)的磨料制品沒有成脊，而首先穿過正面切削的磨料制品的確具有成脊。
從圖8中看出，對于約10個和更多個內部孔隙而言，首先穿過磨料涂層切削的磨料制品的切削速率(即約0.8克)明顯小于首先穿過背側面切削的磨料制品(即約2克)。據推理，顯著的性能損失是由圍繞每一個孔隙的高脊所引起，這些脊使磨粒尖無法接觸工件表面，從而無法有效地研磨。
2.在背襯上存在粘合劑的情況下穿過背側面切削 采用以下步驟將若干具有常規的底膠/復膠涂層、沒有超膠涂層的商用磨料制品(“360L”，等級為P800，得自3M公司)層合到雙面丙烯酸轉移條帶(“3M 9695 5mil Transfer Tape(5密耳轉移條帶)”，得自3M公司)上展開一定長度的條帶，并從主卷上切下，露出粘合帶的裸露面。然后用手將與研磨表面相對的磨料制品的背側面層合到暴露的、發粘的條帶表面上。用CO2激光穿過背側面(即轉移條帶面)為層合的磨料制品打孔，并將其切割成直徑為5英寸的圓盤。比較例是穿過正面(即研磨面)進行切削。
首先穿過背側面切削的磨料制品沒有成脊，而首先穿過正面切削的磨料制品的確具有成脊。
然后，將若干具有15至200微米磨粒、名為“373L”的磨料制品(與“372L”磨料制品類似，得自3M公司(St.Paul，MN)，不同的是其上的復膠涂層是彩色的)，以及具有常規的底膠/復膠涂層、沒有超膠涂層的等級為P220至P1000的“360L”(也得自3M公司)用以下指定的條件與粘合劑(指定如下)層合在一起。
將粘合劑層合到與研磨表面相對的磨料制品的背側面。用CO2激光穿過背側面(即粘合劑面)為層合的磨料制品打孔，并將其切割成直徑為5英寸的圓盤。比較例是穿過正面(即研磨面)進行切削。
首先穿過背側面切削的磨料制品沒有成脊，而首先穿過正面切削的磨料制品的確具有成脊。
3.在切削后涂敷超膠涂層 用若干具有常規的底膠/復膠涂層、沒有超膠涂層的商用磨料制品(“360L”，等級為P800，得自3M公司)作為以下測試的基體。對于實例1，使用沒有內部孔的標準磨料制品。對于實例2，將硬脂酸鋅超膠涂層涂敷到沒有內部孔的磨料制品上。對于實例3，內部真空孔是用激光穿過具有硬脂酸鋅超膠涂層的磨料制品的背側面切削而成的。對于實例4，先用激光穿過磨料制品的背側面切削內部真空孔，然后再涂敷硬脂酸鋅超膠涂層。
采用以下步驟測試這四個實例。將磨料制品附接到其內部具有40個真空孔的“Dynabrade”5英寸支撐墊上。還使用了40個孔的“Dynabrade”5英寸界面墊片。將支撐墊和磨料制品附接到到“Dynabrade”6英寸自發真空式氣動磨砂機上；在90psi氣壓下操作磨砂機。用該磨料制品將帶有透明涂層的測試板(得自ACT Laboratories，“RK148”)磨砂30秒。
記錄磨砂前和磨砂30秒后板的重量。差值為“切削量”。另外，還記錄了形成第一劃痕(即“Q”)的時間。
這些結果表明，在用激光進行轉換加工之后涂敷超膠涂層可以提供更好的切削速率，并且形成劃痕所需的持續時間更長。
據信上述說明和實例對本發明具體實施例的制備和使用進行了完整地描述。由于在不脫離本發明的精神和范圍的前提下可以制備本發明的許多實施例，因此下文所附的權利要求書的廣泛意義包含了本發明的真實范圍和精神。
雖然示出并描述了本發明的具體實施例，但對于本領域內的技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可以進行各種其他變更和修改。因此，所附權利要求書旨在涵蓋本發明范圍內的所有此類變更和修改形式。
權利要求
1.一種磨料制品，包括
(a)背襯，所述背襯在其第一側面上具有磨料涂層；
(b)至少10個孔隙，其穿過所述背襯和所述磨料涂層，每一個孔隙均具有側壁；以及
(c)超膠涂層，其包含脂肪酸金屬鹽，所述超膠涂層存在于所述磨料涂層和所述側壁之上。
2.根據權利要求1所述的磨料制品，包括至少40個孔隙。
3.根據權利要求1所述的磨料制品，包括至少100個孔隙。
4.根據權利要求1所述的磨料制品，包括具有無規設置的孔隙的中心區和具有多個沿著徑向弧排列的孔隙的環形外部區。
5.根據權利要求1所述的磨料制品，其中所述超膠涂層包含硬脂酸鹽。
6.根據權利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂層包括小于40微米的磨粒，并且其中所述側壁是熔凝的并在所述磨料涂層上方延伸不超過10微米。
7.根據權利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂層包括尺寸小于35微米的磨粒，并且其中所述側壁是熔凝的并在所述磨料涂層上方延伸不超過10微米。
8.根據權利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂層包括底膠/復膠磨料涂層。
9.根據權利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂層包括漿料涂層。
10.根據權利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂層包括含有復合物的成形的磨料涂層。
11.根據權利要求11所述的磨料制品，其中所述成形的磨料涂層包含精確成形的復合物。
12.一種制備磨料制品的方法，包括
(a)在背襯的第一側面上提供磨料涂層，所述背襯還具有第二側面；
(b)形成至少10個孔隙，其穿過所述背襯和所述磨料涂層，每一個孔隙均具有側壁；以及
(c)涂敷超膠涂層，其包含脂肪酸金屬鹽，所述超膠涂層存在于所述磨料涂層和所述側壁之上。
13.根據權利要求12所述的方法，其中形成至少10個孔隙包括
(a)將激光能量聚焦到所述背襯上，使得所述激光能量在穿過所述磨料涂層之前穿過所述背襯的所述第二側面。
14.根據權利要求13所述的方法，其中將激光能量聚焦到所述背襯上包括形成至少40個內部孔隙。
15.根據權利要求13所述的方法，其中將激光能量聚焦到所述背襯上包括聚焦CO2激光能量穿過所述背襯。
16.根據權利要求12所述的方法，其中在背襯的第一側面上提供磨料涂層包括提供底膠/復膠磨料涂層。
17.根據權利要求12所述的方法，其中在背襯的第一側面上提供磨料涂層包括提供漿料涂層。
18.根據權利要求12所述的方法，其中在背襯的第一側面上提供磨料涂層包括提供包含復合物的成形的磨料涂層。
19.根據權利要求18所述的方法，其中提供包含復合物的成形的磨料涂層包括提供包含精確成形的復合物的成形的磨料涂層。
全文摘要
本發明描述了包含超膠涂層或組分的磨料制品以及制備磨料制品的方法，例如被構造用于抑制粉塵和/或塵屑在磨料涂層上積聚的磨料制品。采用激光或其他轉換機理轉換加工該磨料制品之后(無論是非接觸還是機械接觸)，可以將該超膠組分涂敷到該磨料涂層。在一些實施例中，不存在新生或暴露的研磨或背襯表面；也就是說，該超膠組分覆蓋全部表面。
文檔編號B24D3/00GK101626869SQ200880007081
公開日2010年1月13日 申請日期2008年2月1日 優先權日2007年3月5日
發明者查爾斯·J·斯圖丁納四世, 埃里克·J·布朗施韋格, 愛德華·J·吳 申請人:3M創新有限公司