粘結(jié)的研磨工具和成型方法
【專利摘要】本申請涉及一種粘結(jié)的研磨工具和成型方法。一種粘結(jié)的研磨工具包括一個粘結(jié)的磨料本體（該本體具有一種包含有機粘合材料的粘合基體材料）、包含在該粘合基體材料中的磨料顆粒以及位于該粘合基體材料中的剁碎的纖維束。該工具還具有在該粘結(jié)磨料本體中的一種孔隙度，其中孔隙度的大部分包括圍繞這些剁碎的纖維束的孔隙。
【專利說明】粘結(jié)的研磨工具和成型方法
[0001]分案申請的相關(guān)信息
[0002]本案是分案申請。該分案的母案是申請日為2009年12月22日、申請?zhí)枮?00980149925.X、發(fā)明名稱為“粘結(jié)的研磨工具和成型方法”的發(fā)明專利申請案。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]以下是針對粘結(jié)的研磨工具，并且具體是結(jié)合了一種有機粘合材料并且具有特定顯微結(jié)構(gòu)的粘結(jié)的研磨工具。

【背景技術(shù)】
[0004]用于機加工應(yīng)用的磨料典型地包括粘結(jié)的磨料物品以及涂覆的磨料物品。涂覆的磨料物品通常包括一種分層的物品，該物品包括背襯和磨料涂層以將磨料顆粒固定在背襯上，其最常見的例子是砂紙。粘結(jié)的研磨工具由處于輪狀、盤狀、段狀、鑲嵌針狀、磨石狀、以及其他工具形狀(它們可以被安裝在一個機加工裝置上，例如一個磨床或拋光裝置)的形式的硬的、并且典型是整體的、三維的磨料復(fù)合材料組成。這樣的粘結(jié)的研磨工具通常有三種相態(tài)，包括磨料顆粒、粘合材料、以及孔隙，并且能以多種“等級”和“結(jié)構(gòu)”來制造，這些等級和結(jié)構(gòu)根據(jù)本領(lǐng)域的慣例按照磨料復(fù)合材料(等級)的相對硬度和密度以及由復(fù)合材料(結(jié)構(gòu))內(nèi)磨料顆粒和粘合劑的體積百分比來定義。
[0005]粘結(jié)的研磨工具特別適用于研磨和拋光不同的材料，這些材料包括單晶材料、陶瓷表面、以及金屬或金屬合金。在具體的實例中，具有諸如樹脂粘合材料的有機粘合材料的粘結(jié)的研磨工具被用于研磨金屬的表面。然而，這些材料的研磨和拋光將是一個導致粘結(jié)的研磨工具上的嚴重磨損的侵蝕性過程，因此限制了該工具的使用壽命。因此，在本領(lǐng)域內(nèi)對于有效地研磨和拋光材料的方法和物品存在一種需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)一個第一個方面，一種粘結(jié)的研磨工具包括一個粘結(jié)的磨料本體，該本體包括由一種有機粘合材料制成的粘合基體材料、包含在該粘合基體材料中的磨料顆粒、以及在該粘合基體材料中的剁碎的纖維束。該工具進一步包括在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度的大部分包括圍繞在這些剁碎的纖維束周圍的孔隙。
[0007]根據(jù)另一方面，一種粘結(jié)的研磨工具包括一個粘結(jié)的磨料本體，該本體具有由一種有機粘合材料制備的粘合基體材料、包含在該粘合基體材料中的磨料顆粒、以及在該粘合基體中的剁碎的纖維束。該工具進一步包括在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中孔隙度包含兩種相態(tài)，第一相態(tài)包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，并且第二相態(tài)包含選擇性圍繞這些剁碎的纖維束布置的大孔隙。
[0008]根據(jù)一個第三個方面，一種粘結(jié)的研磨工具包括一個粘結(jié)的磨料本體，該本體具有由一種有機粘合材料制成的一種粘合基體材料、包含在該粘合基體材料中的磨料顆粒、以及在該粘合基體中的剁碎的纖維束，這些纖維束包括長度(I)、寬度(W)，以及由該長度和該寬度定義的至少約為2:1的長徑比(l:w)。該工具進一步包括在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度的大部分包括圍繞這些剁碎的纖維束的孔隙。
[0009]在另一個方面中，一種粘結(jié)的研磨工具包括一個粘結(jié)的磨料本體，該本體具有包括一種有機粘合材料的一種粘合基體材料、包含在該粘合基體材料中的磨料顆粒、以及在該粘合基體中的剁碎的纖維束，這些纖維束具有在約1_與約5_之間的范圍內(nèi)的長度。該工具進一步包括在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包含兩種相態(tài)，第一相態(tài)包含均勻分散在該粘合基體材料中的具有圓形截面形狀的小孔隙，并且第二相態(tài)包含圍繞這些剁碎的纖維束的外圍表面部分橫向延伸的大孔隙。
[0010]根據(jù)一個方面，一種粘結(jié)的研磨工具包括一個粘結(jié)的磨料本體，該本體具有由一種有機粘合材料制成的一種粘合基體材料、包含在該粘合基體材料中的磨料顆粒、以及在該粘合基體中的剁碎的纖維束。該工具進一步包括在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度的大部分包括環(huán)繞這些剁碎的纖維束的孔隙，其中該粘結(jié)的磨料本體包括至少約為750J/mm2的斷裂韌度。
[0011]根據(jù)另一方面，一種粘結(jié)的研磨工具包括一個粘結(jié)的磨料本體，該本體具有由一種有機粘合材料制成的一種粘合基體材料、包含在該粘合基體材料中的磨料顆粒、以及在該粘合基體中的剁碎的纖維束。該工具進一步包括在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包括兩種相態(tài)，第一相態(tài)包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，并且第二相態(tài)包含圍繞這些剁碎的纖維束的大孔隙，當用在該粘結(jié)的磨料本體上施加一個至少約45HP的下壓力來研磨具有0.5英寸厚度的金屬工件時，該粘結(jié)的磨料本體展現(xiàn)的材料去除率(MMR)是至少約13英寸3/分鐘并且具有不大于約40的G-比值(MMR/WWR)。
[0012]在另一個方面中，一種形成粘結(jié)磨料產(chǎn)品的方法包括以下這些步驟:(a)形成一種混合物，該混合物包括含在一種粘合基體材料中的磨料顆粒以及在該粘合基體材料中的剁碎的纖維束,該粘合基體材料包含一種有機粘合材料,并且(b)剪切該混合物。該方法進一步包括(c)在不大于約30°C的溫度下冷壓制該混合物以形成一個具有孔隙度的粘結(jié)的磨料本體，其中該孔隙度的大部分包括環(huán)繞在這些剁碎的纖維束周圍的大孔隙。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]通過參見附圖可以更好的理解本披露，并且使其眾多特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言變得清楚。
[0014]圖1包括用于根據(jù)一個實施方案形成一種粘結(jié)的研磨工具的流程圖。
[0015]圖2包括根據(jù)一個實施方案的粘結(jié)的磨料本體的一部分的截面圖像。
[0016]圖3包括根據(jù)一個常規(guī)過程形成的一個現(xiàn)有技術(shù)的粘結(jié)的磨料本體的一部分的截面圖像。
[0017]圖4包括對于兩個樣品的輪磨損率對比材料去除率的圖表，一個樣品是以常規(guī)方式形成的，第二個樣品是根據(jù)一個實施方案形成的。
[0018]圖5包括從使用一個現(xiàn)有技術(shù)的粘結(jié)的磨料本體研磨的工件上去除的金屬碎屑的圖像。
[0019]圖6包括從使用根據(jù)一個實施方案形成的粘結(jié)的磨料本體研磨的工件上去除的金屬碎屑的圖像。
[0020]圖7包括對于根據(jù)常規(guī)方法形成的一個樣品與根據(jù)一個實施方案形成的樣品的斷裂韌性的圖表。
[0021 ] 在不同附圖中使用相同的參考符號表明相似的或相同的事項。

【具體實施方式】
[0022]以下是針對多種粘結(jié)的研磨工具，這些研磨工具典型地包括在粘結(jié)材料的三維基體中包含的磨料顆粒。具體地講，粘結(jié)的研磨工具在此可以采用不同的形狀，例如輪狀、磨石狀、錐狀，以及類似形狀。這些工具適于工件的(如金屬工件)的研磨和精加工。
[0023]圖1包括一個流程圖，它展示了形成根據(jù)一個實施方案的一種粘結(jié)的研磨工具的方法。具體地講，形成該粘結(jié)的研磨工具的過程是在步驟101通過形成包括磨料顆粒和在一種粘合基體材料中的剁碎的纖維束的混合物開始的。在此的實施方案是針對使用一種有機粘合基體材料的粘結(jié)的研磨工具。適合使用在該粘合基體材料中的有機粘合材料可以包括聚合物類，例如熱塑性樹脂類、熱固性樹脂類、橡膠類、以及它們的一種組合物。在更具體的例子中，可以使用環(huán)氧樹脂類、聚酯類、酚醛塑料類、氰酸酯類，以及它們的一個組合。某些實施方案使用一種主要由酚醛樹脂構(gòu)成的有機粘合材料。
[0024]總體上講，用于該混合物中的合適的粘合基體材料的量是至少20vol %的量級。根據(jù)一些實施方案,該混合物可以包含更高含量的粘合基體材料,例如至少約25vol %，至少約30vol %，至少35vol %，或者甚至約45vol %。具體的實施方案使用的粘合基體材料的含量是在約20vol%與約60vol%之間的范圍內(nèi)。
[0025]可以在粘合基體材料中包括填充劑材料或者“活性填充劑”材料以實現(xiàn)在使用該粘結(jié)的研磨工具的研磨和精加工過程中的不同益處。例如，一些填充劑可以作為潤滑劑。金屬鹽類、氧化物類、以及齒化物類是特別適用的填充材料化合物。這些化合物可以包括多種元素，如錳、銀、硼、磷、銅、鐵、鋅、鈣、以及它們的組合?？傮w上講，填充物構(gòu)成在混合物中的材料的總體積的一個小百分比。
[0026]如在此所描述的，根據(jù)粘結(jié)的研磨工具的預(yù)期應(yīng)用，混合物可以含有一定含量的磨料顆粒以有助于機加工和/或研磨過程。因此，這些磨料顆粒是一種硬質(zhì)材料，典型地具有至少約7的莫氏硬度。在其他的例子中，這些磨料顆粒的硬度可以是更大的，例如在莫氏硬度的級別中至少約為8、9或者甚至10。
[0027]適合的磨料顆?？梢杂裳趸镱悺⑻蓟镱?、硼化物類、氮化物類、以及它們的組合制得。根據(jù)一個具體的實施方案，這些磨料顆粒主要由氧化鋁構(gòu)成。在其他的粘結(jié)的磨料本體中，這些磨料顆?？梢园ǔ壞チ喜牧?。超級磨料材料總體上包括金剛石(天然的或者人工的)、碳化硅、以及立方氮化硼。
[0028]此處的這些粘結(jié)的研磨工具總體上包括用于研磨金屬工件的粗磨料顆粒。這些粘結(jié)的研磨工具典型地結(jié)合了具有至少約0.25mm的平均顆粒尺寸的磨料顆粒。某些工具可使用更大的磨料顆粒，這樣平均顆粒尺寸是至少約0.5mm,如至少約Imm,或者甚至至少約2mm。在具體的例子中，這些磨料顆粒的平均尺寸是在約0.5mm與約7mm之間的范圍內(nèi)，并且更具體是在約2mm與約5mm之間的范圍內(nèi)。
[0029]該混合物可以具有至少30vol %的磨料顆粒含量。在一些混合物中，磨料顆粒的含量可以是更高的，這樣它是至少約40vol%,至少約50vol%,或者甚至約55vol%。在具體的實施方案中，該混合物包含在約30vol%與約60vol%之間的磨料顆粒。
[0030]混合物的形成還可以包括添加其他的添加劑。某些合適的添加劑可以包括成孔材料。基于在此使用的過程，這些成孔劑一般是液態(tài)材料。具體地講，這些液態(tài)成孔劑可以是具有低揮發(fā)溫度的有機材料。根據(jù)一個實施方案，一種有機液體(如，甲醛)被加入該混合物中，這樣在制備過程中，一些孔隙度通過甲醛的揮發(fā)在該工具本體中形成。另外，應(yīng)當理解，在制備過程中，該混合物可以獲得一些天然的孔隙(例如，在混合物中的禁錮氣泡)，這些孔隙被傳送到最終形成的本體中作為天然的孔隙度。
[0031]該混合物總體上包含較小量的此類液體成孔材料。例如,該混合物可以包含不大于5vol %的此類液態(tài)添加劑。在具體的例子中，該混合物包含在約2vol %與約4vol %之間的此類添加劑。
[0032]上文中已經(jīng)提及由粘合基體材料、磨料顆粒、以及其他的添加劑制成的一種混合物。根據(jù)一個具體實施方案，如在步驟101描述的混合物的形成可以首先包括形成包含磨料顆粒、粘合基體材料、以及任何添加劑的單一的混合物。在這樣一種混合物被適當?shù)男纬珊?，可以將剁碎的纖維束加入到含有粘合基體材料和磨料顆粒的混合物中。剁碎的纖維束是一種復(fù)合材料，它包含一系列纖維形式的第一材料，這些纖維由一個第二相態(tài)、或粘結(jié)劑材料粘結(jié)在一起。根據(jù)一個具體的實施方案，這些剁碎的纖維束包括在一種有機粘結(jié)劑中粘結(jié)在一起的無機纖維，并且可以包括通常被稱為“剁碎的成股纖維”的材料。
[0033]值得注意的是，剁碎的纖維束材料是由多個單獨的纖維制成的，例如至少約200根單獨的纖維的量級，并且具體是每束在約200到約6000之間單獨的纖維。這樣，剁碎的纖維束中的單獨的纖維可以是很小的，具有亞微米級的平均直徑。這些纖維可以包括以下材料，如氧化物類、碳化物類、氮化物類、硼化物類、以及它們的組合。在具體的例子中，這些纖維是一種玻璃材料，例如含氧化硅的玻璃材料。
[0034]將這些纖維保持在一起的粘結(jié)劑材料可以被布置在每一根纖維之間并且可以進一步環(huán)繞在該纖維束的外表面。在具體例子中，該有機粘結(jié)劑可以是一種熱固性聚合物材料，如聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯樹脂、或者它們的組合。根據(jù)一個實施方案，該有機粘結(jié)劑材料主要由聚氨酯組成。
[0035]總體上講，這些纖維具有的硬度要小于磨料顆粒的硬度。例如，這些纖維可以具有小于約7的莫氏硬度。事實上，這些纖維可以具有小于約6的硬度，如小于約5，并且具體是在約2與約5之間。
[0036]此處的這些剁碎的纖維束具有的具體的尺寸有助于形成一種粘結(jié)的研磨工具，該工具具有特定的機加工特性和結(jié)構(gòu)。具體地講，這些剁碎的纖維束總體上具有沿著該纖維束的最長維度上測量的不大于約5_的長度。具體地講，這些剁碎的纖維束可以具有不大于約4mm的長度,如約3mm,并且特別是在約Imm與約5mm之間的范圍內(nèi)。更加具體地講，某些實施方案可以使用一種長度在約2mm與約4mm之間范圍內(nèi)的剁碎的纖維束。
[0037]這些剁碎的纖維束的寬度(即在垂直于長度的方向上)總體上是小于長度。典型地，寬度是不大于約3_。某些剁碎的纖維束的寬度可以是更小的，例如，不大于約2_的量級、不大于約1mm、并且具體是在約0.25mm與約2mm之間的范圍內(nèi)。
[0038]根據(jù)上文，這些剁碎的纖維束可以具有由該長度和該寬度定義的至少約為2:1的長徑比(l:w)。在某些例子中，該長徑比可以是至少約3:1，至少約4:1，或者甚至至少約5:1。不過，該長徑比總體上不大于20:1并且可以在約2:1到約5:1之間的范圍內(nèi)。
[0039]總之，將這些剁碎的纖維束以很少的量加入該混合物中。具體地講，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過量的剁碎的纖維束可能導致最終的粘結(jié)的研磨工具的不良的成型。這樣，根據(jù)一個具體實施方案，該混合物總體上包括不大于約5Vol%的剁碎的纖維束。在多個具體實施方案中，該混合物包括的剁碎的纖維束在約lvol%與約5vol%之間，并且更具體是在約2vol%與約4vol%之間。
[0040]再次參見圖1的方法，在步驟101適當?shù)匦纬苫旌衔镏?，該過程在步驟103通過剪切該混合物而繼續(xù)。值得注意地，該剪切程序有助于剁碎的纖維束在整個混合物中的均勻分散，同時避免了這些剁碎的纖維束的破壞或者明顯改變。這些剁碎的纖維束在混合物中良好的分散有助于形成具有適當機械特性和結(jié)構(gòu)的粘結(jié)的研磨工具。這樣，該剪切過程可以是以高剪切速度被控制在短期內(nèi)的一個激烈的過程。例如，該剪切過程可以被控制在不大于60秒的持續(xù)時間。在某些例子中，該剪切工序可以是更短的，例如不大于約30秒或者不大于約20秒。在多個具體的實施方案中，該剪切過程在約5秒到約20秒之間完成，并且更具體是在約10秒到約15秒之間。
[0041]對于這些混合部件，進行該剪切過程的速度總體上是在至少約30轉(zhuǎn)/分鐘的量級上，如在約30轉(zhuǎn)/分鐘與約100轉(zhuǎn)/分鐘之間。應(yīng)當理解，混合容器也是可以旋轉(zhuǎn)的，如在與混合部件相反的方向上旋轉(zhuǎn)。根據(jù)一個實施方案，該混合容器可以按在約20到約40轉(zhuǎn)/分鐘之間的范圍內(nèi)的速度來旋轉(zhuǎn)。
[0042]再次參見圖1，在于步驟103剪切該混合物之后，該過程在步驟105通過冷壓制混合物以形成一個粘結(jié)的磨料本體而繼續(xù)。根據(jù)在此的實施方案，該成型過程是在低于30°C的溫度下進行的冷壓制過程。利用這種成型過程，與在此使用的材料相結(jié)合，有助于一種粘結(jié)的研磨工具的形成，該工具具有如將在此更詳細地說明的具體特征。根據(jù)多個具體的實施方案，該冷壓制過程是在約10°C與約30°C之間的范圍內(nèi)的溫度下進行的，并且更具體是在約20°C與約30°C之間的范圍內(nèi)。
[0043]此外，該壓制過程可在不大于約14噸/平方英寸的壓力下進行，以便適當?shù)匦纬删哂性诖怂枋龅膶傩缘恼辰Y(jié)的磨料本體。例如，該壓力可以是約13.5噸/平方英寸的量級，約13噸/平方英寸，或者甚至約12噸/平方英寸。根據(jù)一個具體的實施方案，在冷壓制過程中使用的最大壓力的范圍是在約10噸/平方英寸與約14噸/平方英寸之間。
[0044]總體上講，該最大壓制壓力所保持的持續(xù)時間是一個短的持續(xù)時間，以幫助所完成的磨料物品形成特殊的顯微結(jié)構(gòu)。因此，最大壓制壓力可以被保持不大于約60秒。例如，某些實施方案將最大壓力保持不大于約40秒，不大于約30秒，或者甚至約20秒。不過，該最大壓制壓力的持續(xù)時間可以是在約20秒與約35秒之間。
[0045]在壓制操作過程中所使用的氣氛總體上是環(huán)境大氣。然而，在某些例子中，也可以使用包括一種稀有氣體或者惰性氣體的另一種氣氛(例如，一種受控制的氣氛)。
[0046]在將混合物形成生坯之后，該物品可以被硬化。硬化是以有助于形成根據(jù)在此的這些實施方案的特殊結(jié)構(gòu)的方式來完成的。值得注意地，硬化過程可以在不大于約250°C的硬化溫度下完成，例如不大于約225°C，并且具體是在150°C與約250°C之間的范圍內(nèi)。該硬化過程可以在至少約6小時的一段持續(xù)時間上完成。在其他實施方案中，該硬化過程可能更長，這樣它的持續(xù)時間是至少約10小時，至少約20小時，至少約30小時，或者甚至是至少40小時。在某些實施方案中，該硬化過程是在約6小時與約48小時之間完成的。在硬化過程中的大氣條件可以是一種周圍環(huán)境的那些條件。
[0047]材料與加工的組合協(xié)助形成具有一種特殊結(jié)構(gòu)和機械特性的粘結(jié)的研磨工具。根據(jù)一個實施方案，該粘結(jié)的磨料本體具有一種獨特類型的孔隙度，這包括選擇性布置在這些剁碎的纖維束周圍的大孔隙。圖2包括根據(jù)一個實施方案形成的粘結(jié)的研磨工具的一部分的圖像。如圖所示，該粘結(jié)的研磨工具包含大孔隙201、202和203 (201-203)，這些孔隙選擇性布置在剁碎的纖維束207的周圍。這些大孔隙201-203是多個空隙，它們可以圍繞剁碎的纖維束207的外圍表面部分橫向(或環(huán)周圍)延伸、并且也可以沿著剁碎的纖維束207的長度部分縱向延伸。
[0048]這樣，這些大孔隙總體上是鄰近這些剁碎的纖維束并且在這些剁碎的纖維束的外圍表面的一部分與相鄰的顆粒或者有機粘合材料之間形成了一個邊界。另外，如圖2中所示，這些大孔隙201-203具有不規(guī)則的截面形狀并且不均勻分散在整個粘合材料中，但是總體上集中在這些剁碎的纖維束周圍。
[0049]該粘結(jié)的研磨工具進一步包括一定含量的的小孔隙度，它可以分散為遍布該粘合基體材料。如圖2中所示，小孔隙210、211和212(210-212)均勻地分散為遍布該粘結(jié)的研磨工具。這些小孔隙210-212總體上是球形的，具有圓形的截面形狀并且位于該粘合基體材料中或者位于該粘合基體材料與這些磨料顆粒之間的界面上。
[0050]該粘結(jié)的磨料本體可以具有一種雙峰的孔徑分布，該分布包括由大的孔隙構(gòu)成的第一模式以及由小孔隙構(gòu)成的第二模式。具體地講，這些孔隙的尺寸之間的差異是足夠明顯的，以致在小孔隙與大孔隙之間的孔隙的尺寸分布沒有必要是一種單一模式的分布。
[0051]該粘結(jié)的磨料本體可以具有一種孔徑比，它描述了在大孔隙的平均尺寸(P1)與小孔隙的平均尺寸(Ps)相比較的差異。這樣，該粘結(jié)的磨料本體的孔徑比(p1:ps)可以是至少約2:1。在其他的例子中，孔徑比可以是至少約3:1，例如至少約5:1，或者甚至至少約10:1。某種粘結(jié)的研磨工具具有的孔徑比(P1:PS)是在約2:1到約10:1之間的范圍內(nèi)。
[0052]具體的關(guān)于這些大孔隙的平均尺寸，此處的多個實施方案利用了大孔隙，它們具有如在最長的維度上測量的至少約Imm的平均尺寸。在其他例子中，這些大孔隙可以具有的平均孔徑為至少約2mm,至少約3mm,并且在約Imm與約1mm之間的范圍內(nèi)。
[0053]關(guān)于該粘結(jié)的研磨工具的這些小孔隙，典型地，這些小孔隙的平均孔徑是不大于約1mm。例如,這些小孔隙可以具有的平均孔徑為不大于約0.5mm,如,不大于約0.25mm,或者甚至不大于約0.1mm。小孔隙可以具有在約0.1mm與約Imm之間的范圍內(nèi)的平均尺寸。
[0054]在該粘結(jié)的研磨工具中的孔隙度的總體積在總體上是不大于該粘結(jié)的磨料本體的總體積的約12ν01%。具體地講，此處的這些粘結(jié)的磨料本體可以是合適地致密的，具有的總孔隙度不大于約10VOl%，如不大于約8Vol%，或者甚至不大于約6Vol%。在某些情況下，該粘結(jié)的磨料本體具有的孔隙度在約1V01%與約12ν01%之間，并且更具體是在約4vol%與約1vol%之間。
[0055]在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度的總量之中，孔隙度總體積的一個重要的部分(如一個大部分)可以包含在這些大孔隙中。例如，這些大孔隙可以包括總孔隙度的至少50vol %,例如至少約60vol %,至少約70vol %,或者甚至至少約75vol %。在某些情況下，孔隙度的總體積的至少約75Vol%并且不大于約98Vol%是大孔隙。
[0056]此處的多個特征提供了具有特殊機械特性的粘結(jié)的研磨工具。例如，該粘結(jié)的研磨工具除了抗裂紋擴展性以外可以具有至少約750J/mm2的斷裂韌度(Kc)。某些粘結(jié)的研磨工具的斷裂韌度可以更大，如至少約800J/mm2,至少約900J/mm2,或者甚至約1000J/mm2。此處的多個實施方案可以具有的斷裂韌度是在約750J/mm2與約1100J/mm2之間的范圍內(nèi)。這種斷裂韌度測試是在具有以下尺寸的樣品棒上完成的:長度為4英寸(10.2cm)、寬度為
0.5英寸(1.3cm)、并且厚度為0.5英寸(1.3cm)。在該棒的一側(cè)上在大約長度的中點處形成0.125英寸(0.32cm)深的一個小槽口。該樣品棒被放置在Instron試驗機上，并且將一個力施加在含該槽口側(cè)的樣品棒的相反側(cè)上，并且將一個力施加在該樣品棒上以使裂紋從該槽口擴展到施加力的一側(cè)上。記錄下使該裂紋擴展的力。
[0057]此外，此處的這些粘結(jié)的研磨工具具有特殊的材料去除率(MRR)，它們與特殊的G-比值(MRR/WWR)聯(lián)系在一起。該G-比值總體上是該材料去除率(MRR)對比該粘結(jié)的磨料本體的磨損率(另外稱為輪磨損率(WRR))的一種度量。例如，此處的這些粘結(jié)的磨料工具本體可以具有在至少約45HP (馬力)下的至少約14立方英寸/分鐘的材料去除率。在某些例子中，材料去除率可以更大，如至少約15立方英寸/分鐘，如至少約16立方英寸/分鐘，并且具體地在約45HP與約51HP之間范圍內(nèi)的功率下是在約13立方英寸/分鐘與約17立方英寸/分鐘之間的范圍內(nèi)。
[0058]此外，此處的這些粘結(jié)的研磨工具可以具有在約45HP與約51HP之間范圍內(nèi)的功率下的不大于約40的G-比值。事實上，該工具的G-比值可以是不大于約38，不大于約35，不大于約30，或者甚至不大于約28。根據(jù)一個具體的實施方案，該G-比值是在約25與約40之間的范圍內(nèi)。
[0059]實例I
[0060]以下提供了對比試驗的信息，這些對比試驗是在根據(jù)一個常規(guī)的過程形成的粘結(jié)的研磨工具與根據(jù)此處的這些實施方案形成并且具有此處的實施方案的這些特性的粘結(jié)的研磨工具之間進行的。具體地講，第一樣品(樣品I)由包含52% VOl的二氧化鋯-氧化鋁磨料、44% vol的包含有機樹脂的粘合劑以及活性和非活性的填充劑的混合物形成的。該混合物在以30rpm旋轉(zhuǎn)的混合轉(zhuǎn)筒中在4分鐘的持續(xù)時間中進行剪切。在剪切該混合物之后，該混合物在75°C、持續(xù)6分鐘、8噸/平方英寸的壓力下實施的一種溫壓制加工下形成一個粘結(jié)的研磨工具。在形成該樣品之后，在環(huán)境大氣中、在約200°C的溫度下持續(xù)24小時完成硬化過程。
[0061]圖3中展示了樣品I的一部分的截面圖像。值得注意的是，該本體中的孔隙度是小的、球形的孔隙(圓形的橫截面)301、302和303，它們均勻地分布在整個粘合基體材料中。大部分的小孔隙可以位于在這些磨料顆粒與粘合基體材料之間的邊界上或者鄰近這些邊界。總體上講，這些孔隙具有小于約Imm的平均孔徑。
[0062]第二樣品是根據(jù)此處的方法形成的。具體地講，該樣品(樣品2)是由包括50Vol%的磨料顆粒(其中這些磨料顆粒具有在2到5mm之間的平均尺寸)的一種混合物形成的，這些磨料顆粒與一種有機粘合基體結(jié)合在一起，該有機粘合基體包含酚醛樹脂以及大致39vol %的量值的活性和非活性的填充劑。該混合物進一步包括約5vol %的液態(tài)成孔材料。在形成這種混合物之后，將約3Vol%的量值的剁碎的纖維束加入該混合物中。然后將該混合物剪切10到15秒，其中混合容器是以第一旋轉(zhuǎn)方向(如順時針)以約20-40轉(zhuǎn)/分鐘的速度運轉(zhuǎn)，而該容器內(nèi)的混合部件以一個相反的方向以約50轉(zhuǎn)/分鐘的速度運轉(zhuǎn)。這些剁碎的纖維束具有約3_的平均長度以及約1_的平均直徑。這些剁碎的纖維束通常是可獲的如來自O(shè)wens Corning corporat1n的183 Cratec?(商標)的產(chǎn)品。樣品2是通過在約20°C、約12噸/平方英寸的壓力、持續(xù)時間30秒實施的一種冷壓制過程而形成的。在形成該樣品之后，在環(huán)境大氣、約200°C的溫度下進行24小時的固化處理。
[0063]在每個樣品上進行一個研磨試驗以確定這兩種工具之間的相對比的性能特性。研磨試驗條件包括研磨由A36鋼制成的具有0.5英寸厚度的一個金屬工件，它以15rpm的速度旋轉(zhuǎn)，同時在施加給研磨工具的45-50HP的下壓力之下將所形成的磨料樣品作用于旋轉(zhuǎn)工件上。在研磨過程中，這些磨料樣品以3600rpm的速度旋轉(zhuǎn)I小時。
[0064]參見圖4，提供了這兩個樣品各自的輪磨損率對比材料去除率的圖表。如所展示的，該圖表包括第一曲線401，該曲線對應(yīng)于常規(guī)形成的樣品(樣品I)的研磨性能。曲線402對應(yīng)于根據(jù)此處的實施方案形成的樣品2的研磨性能。如圖4所示，樣品2顯示出更大的材料去除率。理論上講，改進的材料去除率可以部分地歸因于該粘結(jié)的研磨工具中的孔隙度的性質(zhì)。樣品2與常規(guī)形成的樣品相比顯示出一個較低的G-比值，然而，該G-比值是通過改進材料去除率來平衡的并且該研磨工具的壽命沒有顯著受損。
[0065]圖5和6中提供了與樣品I相比樣品2的改進的材料去除率的進一步的證據(jù)。圖5提供了使用樣品I在研磨過程中去除的金屬碎屑的圖片。圖6包括了使用樣品2在研磨過程中去除的金屬碎屑的圖片。值得注意的是，這些圖片是在相同的放大倍數(shù)下拍攝的并且如在圖5和6的對比中所展示的，樣品2在研磨過程中去除的金屬碎屑更大。因此，樣品2總體上能夠比樣品I去除工件的更大的量值，并且因此具有改進的MRR，如由數(shù)據(jù)所表明的。
[0066]實例2
[0067]對樣品I和樣品2進一步測試以比較兩種粘結(jié)的磨料本體之間的斷裂韌度。所包括的斷裂韌度測試過程是與在此描述的過程相同。值得注意的是，該斷裂韌度過程是在多根棒上完成的，這些棒刻有一個凹槽并且然后施加一個拉力直到裂紋從凹槽擴展穿過該樣品O
[0068]表I
[0069]
斷裂韌度CF/mm2)_

樣品樣.品
I I

5841277

640961

664661

674871

6491184

6351054

541899

362977

4231169

678870

628

530

599
__572__
平均值584992
標準
J.__94__183
[0070]以上表I中提供了對于樣品I和2的斷裂韌度數(shù)據(jù)的結(jié)果。另外，圖7是表I的數(shù)據(jù)的繪圖。如由這些數(shù)據(jù)所顯示，與標準樣品(樣品I)相比，樣品2展現(xiàn)出顯著地更大的斷裂韌度。因此，樣品2具有超過樣品I的更大的抵抗裂紋擴展性并且有可能改進了抗碎裂性連同可工作壽命。
[0071]以上已描述了不同于現(xiàn)有技術(shù)的一種粘結(jié)的研磨工具。具體地講，此處的這些實施方案的粘結(jié)的研磨工具包括以下特征的組合，這些特征包括粘合基體材料的特殊類型、利用具有特殊尺寸和材料的剁碎的纖維束、以及有助于具有特殊類型孔隙度的粘結(jié)的研磨工具的形成的某些處理技術(shù)。并不希望限制于一種特定的理論，已經(jīng)進行的推理是:所提供的某類型剁碎的纖維束、并與特殊類型的粘合材料以及形成方法結(jié)合在一起導致了在處理過程中的局部的“回彈”反應(yīng)，這樣一種大孔隙的獨特相態(tài)在這些剁碎的纖維束的外部表面與粘合材料的界面上形成在這些剁碎的纖維束的周圍。這些孔隙也許協(xié)助了改進的切屑去除并且纖維束通過減緩裂紋擴展提供了更好的韌性。當與常規(guī)的粘結(jié)的研磨工具相比時，整體上這些實施方案的粘結(jié)的磨料本體包括多個特征的組合，這些特征協(xié)助了在研磨性能、韌性、以及可操作使用壽命上的改進。
[0072]以上披露的主題被認為是示例性的，而非限制性的，并且所附的權(quán)利要求旨在覆蓋落在本發(fā)明的真實范圍內(nèi)的所有這些變體、改進以及其他實施方案。因此，在法律所允許的最大程度上，本發(fā)明的范圍是通過以下的權(quán)利要求和它們的等效物的最廣的可允許的解釋來確定的，并且不應(yīng)受以上詳細說明的局限和限制。
[0073]披露內(nèi)容摘要是遵循專利權(quán)法而提供的，并且按以下理解而提交，即它將不被用于解釋或者限制權(quán)利要求的范圍和含義。另外，在以上附圖的詳細說明中，為了使披露精簡而可能將不同的特征集合在一起或者在一個單獨的實施方案中描述。本披露不得被解釋為反映了一種意圖，即提出權(quán)利要求的實施方案要求的特征多于在每一項權(quán)利要求中清楚引述的特征。相反，如以下的權(quán)利要求反映出，發(fā)明主題可以是針對少于任何披露的實施方案的全部特征。因此，以下的權(quán)利要求被結(jié)合在附圖的詳細說明之中，而每一項權(quán)利要求自身獨立地限定了分別提出權(quán)利要求的主題。
【權(quán)利要求】
1.一種粘結(jié)的研磨工具,包括: 粘結(jié)的磨料本體，該本體包括: 粘合基體材料，該粘合基體材料包括有機粘合材料； 包含于該粘合基體材料中的磨料顆粒； 在該粘合基體中的剁碎的纖維束；以及 在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包括兩個相，第一相包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，且第二相包含選擇性圍繞所述剁碎的纖維束布置的大孔隙。
2.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述大孔隙是圍繞所述剁碎的纖維束的外周表面的部分橫向延伸的空隙。
3.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述大孔隙是沿著所述剁碎的纖維束的長度的一部分縱向延伸的空隙。
4.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述大孔隙包括不規(guī)則的截面形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述小孔隙包括圓形的截面形狀。
6.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述大孔隙具有平均孔徑(P1)且所述小孔隙具有平均孔徑(Ps)，并且所述粘結(jié)的磨料本體包括至少2:1的所述大孔隙與所述小孔隙的平均尺寸之間的孔徑比(P1:PS)。
7.如權(quán)利要求6所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述孔徑比(?1:?3)在2:1與10:1之間的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述大孔隙具有在Imm與1mm之間的范圍內(nèi)的平均孔徑(P1)。
9.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述小孔隙具有不大于Imm的平均孔徑(Ps)。
10.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述粘結(jié)的磨料本體包括不大于12vol%的孔隙度。
11.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述孔隙度的總體積的至少75ν01%并且不大于98vol%是大孔隙。
12.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述孔隙度的大部分包括圍繞所述剁碎的纖維束的孔隙。
13.一種粘結(jié)的研磨工具，包括: 粘結(jié)的磨料本體，該本體包括: 粘合基體材料，該粘合基體材料包括有機粘合材料； 包含于該粘合基體材料中的磨料顆粒； 在該粘合基體中的剁碎的纖維束，其具有在Imm與5_之間的范圍內(nèi)的長度；以及 在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包含兩個相，第一相包含具有圓形截面形狀、均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，且第二相包含圍繞所述剁碎的纖維束的外周表面的部分橫向延伸的大孔隙。
14.如權(quán)利要求13所述的粘結(jié)的研磨工具,其中所述粘結(jié)的磨料本體包括在750J/mm2與1100J/mm2之間的范圍內(nèi)的斷裂韌度。
15.如權(quán)利要求13所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述剁碎的纖維束包括長度(I)、寬度(W)、以及由該長度與該寬度定義的為至少2:1的長寬比(l:w)。
16.如權(quán)利要求13所述的粘結(jié)的研磨工具，其中剁碎的纖維束包括至少200根用有機粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的纖維。
17.如權(quán)利要求13所述的粘結(jié)的研磨工具，其中所述剁碎的纖維束包括玻璃材料。
18.一種粘結(jié)的研磨工具，包括: 粘結(jié)的磨料本體，該本體包括: 粘合基體材料，該粘合基體材料包括有機粘合材料； 包含于該粘合基體材料中的磨料顆粒； 在該粘合基體中的剁碎的纖維束；以及 在該粘結(jié)的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包含兩個相，第一相包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，且第二相包含圍繞所述剁碎的纖維束的大孔隙，當用在該粘結(jié)的磨料本體上施加至少45HP的下壓力來研磨具有0.5英寸厚度的金屬工件時，該粘結(jié)的磨料本體展現(xiàn)的材料去除率(MMR)為至少13立方英寸/分鐘并且具有不超過40的G-比值(MMR/WWR)。
19.如權(quán)利要求18所述的粘結(jié)的研磨工具，其中該MRR是在13立方英寸/分鐘與17立方英寸/分鐘之間的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求18所述的粘結(jié)的研磨工具，其中該G-比值是在25與40之間的范圍內(nèi)。
【文檔編號】B24D3/32GK104209872SQ201410378496
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2008年12月30日
【發(fā)明者】K·S·促野伍, W·斯特蘭格德, J·A·費菲, M·吉瓦納撒姆 申請人:圣戈班磨料磨具有限公司, 法國圣戈班磨料磨具公司