專利名稱：粘結的研磨工具和成型方法
技術領域：
以下是針對粘結的研磨工具，并且具體是結合了一種有機粘合材料并且具有特定顯微結構的粘結的研磨工具。
背景技術：
用于機加工應用的磨料典型地包括粘結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、三維的磨料復合材料組成。這樣的粘結的研磨工具通常有三種相態，包括磨料顆粒、粘合材料、以及孔隙，并且能以多種“等級”和“結構”來制造，這些等級和結構根據本領域的慣例按照磨料復合材料(等級)的相對硬度和密度以及由復合材料(結構)內磨料顆粒和粘合劑的體積百分比來定義。粘結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，在本領域內對于有效地研磨和拋光材料的方法和物品存在一種需要。
發明內容
根據一個第一個方面，一種粘結的研磨工具包括一個粘結的磨料本體，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。根據另一方面，一種粘結的研磨工具包括一個粘結的磨料本體，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的磨料本體中的孔隙度，其中孔隙度包含兩種相態，第一相態包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，并且第二相態包含選擇性圍繞這些剁碎的纖維束布置的大孔隙。根據一個第三個方面，一種粘結的研磨工具包括一個粘結的磨料本體，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(1)、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(1 W)。該工具進一步包括在該粘結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。在另一個方面中，一種粘結的研磨工具包括一個粘結的磨料本體，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Imm與約5mm之間的范圍內的長度。該工具進一步包括在該粘結的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包含兩種相態，第一相態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。根據一個方面，一種粘結的研磨工具包括一個粘結的磨料本體，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的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度的大部分包括環繞這些剁碎的纖維束的孔隙，其中該粘結的磨料本體包括至少約為750J/mm2的斷裂韌度。根據另一方面，一種粘結的研磨工具包括一個粘結的磨料本體，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的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包括兩種相態，第一相態包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，并且第二相態包含圍繞這些剁碎的纖維束的大孔隙，當用在該粘結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，該粘結的磨料本體展現的材料去除率(MMR)是至少約13英寸7分鐘并且具有不大于約40的G-比值(MMR/WWR)。在另一個方面中，一種形成粘結磨料產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的磨料本體，其中該孔隙度的大部分包括環繞在這些剁碎的纖維束周圍的大孔隙。
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點對于本領域的普通技術人員而言變得清楚。圖1包括用于根據一個實施方案形成一種粘結的研磨工具的流程圖。圖2包括根據一個實施方案的粘結的磨料本體的一部分的截面圖像。圖3包括根據一個常規過程形成的一個現有技術的粘結的磨料本體的一部分的截面圖像。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，一個樣品是以常規方式形成的，第二個樣品是根據一個實施方案形成的。圖5包括從使用一個現有技術的粘結的磨料本體研磨的工件上去除的金屬碎屑的圖像。圖6包括從使用根據一個實施方案形成的粘結的磨料本體研磨的工件上去除的金屬碎屑的圖像。圖7包括對于根據常規方法形成的一個樣品與根據一個實施方案形成的樣品的斷裂韌性的圖表。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。
具體實施例方式以下是針對多種粘結的研磨工具，這些研磨工具典型地包括在粘結材料的三維基體中包含的磨料顆粒。具體地講，粘結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。圖1包括一個流程圖，它展示了形成根據一個實施方案的一種粘結的研磨工具的方法。具體地講，形成該粘結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成的有機粘合材料。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。可以在粘合基體材料中包括填充劑材料或者“活性填充劑”材料以實現在使用該粘結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、以及商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。總體上講，填充物構成在混合物中的材料的總體積的一個小百分比。如在此所描述的，根據粘結的研磨工具的預期應用，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。適合的磨料顆粒可以由氧化物類、碳化物類、硼化物類、氮化物類、以及它們的組合制得。根據一個具體的實施方案，這些磨料顆粒主要由氧化鋁構成。在其他的粘結的磨料本體中，這些磨料顆粒可以包括超級磨料材料。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。此處的這些粘結的研磨工具總體上包括用于研磨金屬工件的粗磨料顆粒。這些粘結的研磨工具典型地結合了具有至少約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1mm，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，并且更具體是在約2mm與約5mm之間的范圍內。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。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材料。具體地講，這些液態成孔劑可以是具有低揮發溫度的有機材料。根據一個實施方案，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在該工具本體中形成。另外，應當理解，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。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。上文中已經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的形成后，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、或粘結劑材料粘結在一起。根據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劑中粘結在一起的無機纖維，并且可以包括通常被稱為“剁碎的成股纖維”的材料。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。將這些纖維保持在一起的粘結劑材料可以被布置在每一根纖維之間并且可以進一步環繞在該纖維束的外表面。在具體例子中，該有機粘結劑可以是一種熱固性聚合物材料，如聚酯、聚氨酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯樹脂、或者它們的組合。根據一個實施方案， 該有機粘結劑材料主要由聚氨酯組成。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。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的研磨工具，該工具具有特定的機加工特性和結構。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5mm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。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之間范圍內的剁碎的纖維束。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3mm。某些剁碎的纖維束的寬度可以是更小的，例如，不大于約2mm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。根據上文，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(1 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。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，已經發現過量的剁碎的纖維束可能導致最終的粘結的研磨工具的不良的成型。這樣，根據一個具體實施方案，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。再次參見圖1的方法，在步驟101適當地形成混合物之后，該過程在步驟103通過剪切該混合物而繼續。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構的粘結的研磨工具。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。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/分鐘的量級上，如在約30轉/分鐘與約100轉/分鐘之間。應當理解，混合容器也是可以旋轉的，如在與混合部件相反的方向上旋轉。根據一個實施方案，該混合容器可以按在約20到約40轉 /分鐘之間的范圍內的速度來旋轉。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的磨料本體而繼續。根據在此的實施方案，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合，有助于一種粘結的研磨工具的形成，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。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，以便適當地形成具有在此所描述的屬性的粘結的磨料本體。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。總體上講，該最大壓制壓力所保持的持續時間是一個短的持續時間，以幫助所完成的磨料物品形成特殊的顯微結構。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時間可以是在約20秒與約35秒之間。在壓制操作過程中所使用的氣氛總體上是環境大氣。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)。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在此的這些實施方案的特殊結構的方式來完成的。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。該硬化過程可以在至少約6小時的一段持續時間上完成。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境的那些條件。材料與加工的組合協助形成具有一種特殊結構和機械特性的粘結的研磨工具。根據一個實施方案，該粘結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包括根據一個實施方案形成的粘結的研磨工具的一部分的圖像。如圖所示，該粘結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。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。該粘結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。該粘結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成的第一模式以及由小孔隙構成的第二模式。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。該粘結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。具體的關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IOmm之間的范圍內。關于該粘結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. Imm與約Imm之間的范圍內的平均尺寸。在該粘結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的磨料本體的總體積的約12vol%。具體地講，此處的這些粘結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IOvol %，如不大于約Svol %，或者甚至不大于約6vol%。在某些情況下，該粘結的磨料本體具有的孔隙度在約與約12vol%之間，并且更具體是在約 4vol%與約IOvol%之間。在該粘結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。此處的多個特征提供了具有特殊機械特性的粘結的研磨工具。例如，該粘結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。 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的樣品棒的相反側上，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上。記錄下使該裂紋擴展的力。此外，此處的這些粘結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)聯系在一起。該G-比值總體上是該材料去除率(MRR)對比該粘結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。此外，此處的這些粘結的研磨工具可以具有在約45HP與約51HP之間范圍內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。實例1以下提供了對比試驗的信息，這些對比試驗是在根據一個常規的過程形成的粘結的研磨工具與根據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的研磨工具之間進行的。具體地講，第一樣品(樣品1)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旋轉的混合轉筒中在4分鐘的持續時間中進行剪切。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的研磨工具。在形成該樣品之后，在環境大氣中、在約200°C的溫度下持續24小時完成硬化過程。圖3中展示了樣品1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。第二樣品是根據此處的方法形成的。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方向(如順時針)以約20-40轉/分鐘的速度運轉，而該容器內的混合部件以一個相反的方向以約50轉/分鐘的速度運轉。這些剁碎的纖維束具有約3mm的平均長度以及約Imm的平均直徑。這些剁碎的纖維束通常是可獲的如來自Owens Corning corporation的183 CratecTM(商標)的產品。樣品2是通過在約20°C、約12噸/平方英寸的壓力、持續時間30秒實施的一種冷壓制過程而形成的。在形成該樣品之后，在環境大氣、約200°C的溫度下進行24小時的固化處理。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，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工件上。在研磨過程中，這些磨料樣品以3600rpm的速度旋轉1小時。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，該曲線對應于常規形成的樣品(樣品1)的研磨性能。曲線 402對應于根據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的研磨工具中的孔隙度的性質。樣品2與常規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。圖5和6中提供了與樣品1相比樣品2的改進的材料去除率的進一步的證據。圖 5提供了使用樣品1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1去除工件的更大的量值，并且因此具有改進的MRR，如由數據所表明的。實例2對樣品1和樣品2進一步測試以比較兩種粘結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
P
ΡΠ O表 權利要求
1.一種粘結的研磨工具，包括一個粘結的磨料本體，該本體包括一種粘合基體材料，該材料包括一種有機粘合材料；包含于該粘合基體材料中的磨料顆粒；在該粘合基體材料中的剁碎的纖維束；以及在該粘結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。
2.如權利要求1所述的粘結的研磨工具，其中該有機粘合材料包含選自下組的一種聚合物材料，該組由以下各項組成熱塑性樹脂類、熱固性樹脂類、橡膠類、以及它們的組合。
3.如權利要求2所述的粘結的研磨工具，其中該有機粘合材料是選自下組的材料，該組由以下各項組成環氧樹脂類、聚酯類、酚醛樹脂類、氰酸酯類、以及它們的組合。
4.如權利要求3所述的粘結的研磨工具，其中該有機粘合材料主要由酚醛樹脂構成。
5.如權利要求1和2中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括至少約20vol%的粘合基體材料。
6.如權利要求5所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括在約20vol%與約60vol%之間的范圍內的量值的該粘合基體材料。
7.如權利要求1、2、以及5中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該粘合基體材料包括一種填充劑。
8.如權利要求7所述的粘結的研磨工具，其中該填充劑包括選自下組元素的一種材料，該組由以下各項組成錳、銀、硼、磷、銅、鐵、鋅、鈣、以及它們的多種組合。
9.如權利要求1、2、5、以及7中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些磨料顆粒包含選自下組材料的一種材料，該組由以下各項組成氧化物類、碳化物類、硼化物類、氮化物類、以及它們的組合。
10.如權利要求9所述的粘結的研磨工具，其中這些磨料顆粒主要由氧化鋁組成。
11.如權利要求1、2、5、7、以及9中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些磨料顆粒包括超級磨料材料。
12.如權利要求1、2、5、7、9、以及11中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些磨料顆粒具有至少約7的莫氏硬度。
13.如權利要求1、2、5、7、9、11、以及12中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些磨料顆粒包括至少約0. 25mm的平均顆粒尺寸。
14.如權利要求13所述的粘結的研磨工具，其中這些磨料顆粒包括在約0.5mm與約 7mm之間的范圍內的平均顆粒尺寸。
15.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、以及13中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括至少約30vol%的磨料顆粒。
16.如權利要求15所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括在約30vol% 與約60vol%之間的范圍內的量值的磨料顆粒。
17.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、13、以及15中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中剁碎的纖維束包括至少約200根用一種有機粘結劑粘結在一起的纖維。
18.如權利要求17所述的粘結的研磨工具，其中剁碎的纖維束包括每束在約200根纖維與約6000根纖維之間的范圍內的量值的纖維。
19.如權利要求17所述的粘結的研磨工具，其中該有機粘結劑包括一種熱固性聚合物材料。
20.如權利要求17所述的粘結的研磨工具，其中該有機粘結劑包含選自下組的一種材料，該組包括聚酯、聚氨酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、以及它們的組合。
21.如權利要求17所述的粘結的研磨工具，其中該有機粘結劑覆蓋了這些剁碎的纖維束中每一個的外表面的大部分。
22.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、以及17中的任一項所述的粘結的研磨工具， 其中這些剁碎的纖維束包括以下纖維，這些纖維含有選自下組材料的一種材料，該組由以下各項組成氧化物類、碳化物類、氮化物類、硼化物類、以及它們的組合。
23.如權利要求22所述的粘結的研磨工具，其中這些纖維包括一種玻璃材料。
24.如權利要求22所述的粘結的研磨工具，其中這些纖維具有小于約7的莫氏硬度。
25.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、以及22中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些剁碎的纖維束包括不大于約5mm的長度。
26.如權利要求25所述的粘結的研磨工具，其中這些剁碎的纖維束包括在約Imm與約 5mm之間的范圍內的長度。
27.如權利要求26所述的粘結的研磨工具，其中這些剁碎的纖維束包括在約2mm與約 4mm之間的范圍內的長度。
28.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、以及25中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些剁碎的纖維束包括不大于約3mm的寬度。
29.如權利要求28所述的粘結的研磨工具，其中這些剁碎的纖維束包括在約0.25mm與約2mm之間的范圍內的寬度。
30.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、25、以及28中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些剁碎的纖維束包括長度(1)、寬度(w)、以及由該長度與該寬度所定義的至少約2 1的長寬比(1 W)。
31.如權利要求30所述的粘結的研磨工具，其中該長寬比是至少約3 1。
32.如權利要求30所述的粘結的研磨工具，其中該長寬比是在約2 1與約5 1之間的范圍內的。
33.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、25、28、以及30中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括不大于約5vol%的這些剁碎的纖維束。
34.如權利要求33所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括在約lvol%與約5vol%之間的這些剁碎的纖維束。
35.如權利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、25、28、30、以及 33 中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括不大于約12vol%的孔隙度。
36.如權利要求35所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括不大于約 IOvol %的孔隙度。
37.如權利要求36所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括在約4vol%與約10vol%之間的范圍內的量值的孔隙度。
38.一種粘結的研磨工具，包括一個粘結的磨料本體，該本體包括一種粘合基體材料，該材料包括一種有機粘合材料；包含于該粘合基體材料中的磨料顆粒；在該粘結基體中的剁碎的纖維束；以及在該粘結的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包含兩個相，一個第一相包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，并且一個第二相包含選擇性圍繞這些剁碎的纖維束布置的大孔隙。
39.如權利要求38所述的粘結的研磨工具，其中這些大孔隙是以下空隙，這些空隙圍繞這些剁碎的纖維束的外周表面的部分橫向延伸。
40.如權利要求38和39中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些大孔隙是沿著這些剁碎的纖維束的長度的一部分縱向延伸的空隙。
41.如權利要求38、39、以及40中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些大孔隙包括不規則的截面形狀。
42.如權利要求38、39、40、以及41中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些小孔隙包括圓形的截面形狀。
43.如權利要求38、39、40、41、以及42中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些大孔隙具有平均孔徑(Pl)而這些小孔隙具有平均孔徑(Ps)，并且該粘結的磨料本體包括至少約2 1的這些大孔隙與這些小孔隙的平均尺寸之間的孔徑比(Pl Ps)。
44.如權利要求43所述的粘結的研磨工具，其中該孔徑比(Pl Ps)是至少約5 1。
45.如權利要求44所述的粘結的研磨工具，其中該孔徑比(Pl Ps)是至少約10 1。
46.如權利要求45所述的粘結的研磨工具，其中該長寬比(Pl Ps)是在約2 1與約10 1之間的范圍內。
47.如權利要求38、39、40、41、42、以及43中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些大孔隙具有至少約Imm的平均孔徑(Pl)。
48.如權利要求47所述的粘結的研磨工具，其中這些大孔隙具有在約Imm與約IOmm之間的范圍內的平均孔徑(Pl)。
49.如權利要求38、39、40、41、42、43、以及47中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中這些小孔隙具有不大于約Imm的平均孔徑(Ps)。
50.如權利要求49所述的粘結的研磨工具，其中這些小孔隙具有在約0.Imm與約Imm 之間的范圍內的平均孔徑(Ps)。
51.如權利要求38、39、40、41、42、43、47、以及49中的任一項所述的粘結的研磨工具， 其中該粘結的磨料本體包括不大于約12vol%的孔隙度。
52.如權利要求51所述的粘結的研磨工具，其中該孔隙度的總體積的至少約50vol% 是大孔隙。
53.如權利要求52所述的粘結的研磨工具，其中該孔隙度的總體積的至少約75vol% 是大孔隙。
54.如權利要求53所述的粘結的研磨工具，其中該孔隙度的總體積的至少約75vol% 并且不大于約98vol%是大孔隙。
55.一種粘結的研磨工具，包括一個粘結的磨料本體，該本體包括 一種粘合基體材料，該材料包括一種有機粘合材料； 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，這些纖維束包括長度(1)、寬度(W)、以及由該長度和寬度所定義的為至少約2 1的長寬比(1 w)；以及在該粘結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。
56.如權利要求55所述的粘結的研磨工具，其中該長寬比(1 w)是至少約3 1。
57.如權利要求56所述的粘結的研磨工具，其中該長寬比是在約2 1與約5 1之間的范圍內的。
58.如權利要求55和56中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該孔隙度包含兩個相，一個第一相包括均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，并且一個第二相包括選擇性圍繞這些剁碎的纖維束布置的大孔隙。
59.一種粘結的研磨工具，包括 一個粘結的磨料本體，該本體包括一種粘合基體材料，該材料包括一種有機粘合材料； 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，這些纖維束具有在約Imm與約5mm之間的范圍內的長度；以及在該粘結的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包含兩個相，一個第一相態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，并且一個第二相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。
60.一種粘結的研磨工具，包括 一個粘結的磨料本體，該本體包括一種粘合基體材料，該材料包括一種有機粘合材料； 包含于該粘合基體材料中的磨料顆粒； 在該粘結基體中的剁碎的纖維束；以及在該粘結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，其中該粘結的磨料本體包括至少約750J/mm2的斷裂韌度。
61.如權利要求60所述的粘結的研磨工具，其中該斷裂韌度是至少約900J/mm2。
62.如權利要求61所述的粘結的研磨工具，其中該粘結的磨料本體包括在約750J/mm2 與約1100J/mm2之間的范圍內的斷裂韌度。
63.一種粘結的研磨工具，包括 一個粘結的磨料本體，該本體包括一種粘合基體材料，該材料包括一種有機粘合材料； 包含于該粘合基體材料中的磨料顆粒； 在該粘結基體中的剁碎的纖維束；以及在該粘結的磨料本體中的孔隙度，其中該孔隙度包括兩個相，一個第一相包含均勻地分散在該粘合基體材料中的小孔隙，并且一個第二相包含圍繞這些剁碎的纖維束的大孔隙，當用在該粘結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，該粘結的磨料本體展現的材料去除率(MMR)為至少約13英寸3/分鐘并且具有不超過約40的G-比值(MMR/WWR)。
64.如權利要求63所述的粘結的研磨工具，其中該MRR是至少約14英寸3/分鐘。
65.如權利要求64所述的粘結的研磨工具，其中該MRR是至少約15英寸3/分鐘。
66.如權利要求63和64中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該MRR是在約13英寸3/分鐘與約17英寸3/分鐘之間的范圍內。
67.如權利要求63、64、以及66中的任一項所述的粘結的研磨工具，其中該G-比值是不大于約38。
68.如權利要求63所述的粘結的研磨工具，其中該G-比值是在約25與約40之間的范圍內。
69.一種形成粘結的研磨產品的方法，包括以下步驟(a)形成一種混合物，該混合物包括在一種粘合基體材料中包含的磨料顆粒以及在該粘合基體材料中的剁碎的纖維束，該粘合基體材料包括一種有機粘合材料；(b)剪切該混合物；并且(c)在不超過約30°C的溫度下冷壓該混合物以形成具有孔隙度的一個粘結的磨料本體，其中該孔隙度的大部分包括圍繞這些剁碎的纖維束的大孔隙。
70.如權利要求69所述的方法，其中剪切進行了不大于約60秒的一段持續時間。
71.如權利要求70所述的方法，其中剪切進行了不大于約30秒的一段持續時間。
72.如權利要求71所述的方法，其中剪切進行了在約5秒與約20秒之間的范圍內的一段持續時間。
73.如權利要求69和70中的任一項所述的方法，其中剪切是通過在該混合物中以至少約30轉/分鐘的速度移動的剪切部件來進行的。
74.如權利要求73所述的方法，其中剪切是通過在該混合物中以在約30轉/分鐘與約 100轉/分鐘之間的范圍內的速度移動的剪切部件來進行的。
75.如權利要求69、70、以及73中的任一項所述的方法，其中該方法的步驟(a)到(c) 是在不大于約30°C的溫度下進行的。
76.如權利要求69、70、73、以及75中的任一項所述的方法，其中該有機粘合材料包含選自下組的一種聚合物材料，該組由以下各項組成熱塑性樹脂類、熱固性樹脂類、橡膠類、 以及它們的組合。
77.如權利要求69、70、73、75、以及76中的任一項所述的方法，其中該混合物包含至少約20vol%的有機粘合材料。
78.如權利要求77所述的方法，其中該混合物包含在約20vol%與約60vol %之間的范圍內的量值的有機粘合材料。
79.如權利要求78所述的方法，其中這些磨料顆粒包含選自下組材料的一種材料，該組由以下各項組成氧化物類、碳化物類、硼化物類、氮化物類、以及它們的組合。
80.如權利要求79所述的方法，其中這些磨料顆粒主要由氧化鋁組成。
81.如權利要求69、70、73、75、76、以及77中的任一項所述方法，其中這些磨料顆粒包括至少約0. 25微米的平均顆粒尺寸。
82.如權利要求69、70、73、75、76、77、以及81中的任一項所述的方法，其中該混合物包含至少約30vol%的磨料顆粒。
83.如權利要求82所述的方法，其中該混合物包含在約30vol%與約60vo之間的范圍內的量值的磨料顆粒。
84.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、以及82中的任一項所述的方法，其中剁碎的纖維束包括至少約200根用一種有機粘結劑粘結在一起的纖維。
85.如權利要求84所述的方法，其中該有機粘結劑包括一種熱固性聚合物材料。
86.如權利要求84所述的方法，其中這些剁碎的纖維束包括以下纖維，這些纖維含有選自下組材料的一種材料，該組由以下各項組成氧化物類、碳化物類、氮化物類、硼化物類、以及它們的組合。
87.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、以及84中的任一項所述的方法，其中這些剁碎的纖維束包括不大于約5mm的長度。
88.如權利要求87所述的方法，其中這些剁碎的纖維束包括在約Imm與約5mm之間的范圍內的長度。
89.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、以及87中的任一項所述的方法，其中這些剁碎的纖維束包括不大于約3mm的長度。
90.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、以及89中的任一項所述的方法，其中這些剁碎的纖維束包括長度(1)、寬度(w)、以及由該長度與該寬度定義的為至少約2 1 的長寬比(1 W)。
91.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、以及90中的任一項所述的方法，其中該混合物包含不大于約5vol%的剁碎的纖維束。
92.如權利要求91所述的方法，其中該混合物包含在約lvol%與約5vol%之間的這些剁碎的纖維束。
93.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、以及91中的任一項所述的方法，進一步包括將一種成孔物加入該混合物中。
94.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、91、以及 93 中的任一項所述的方法，其中冷壓是在不大于約14噸/平方英寸的壓力下進行的。
95.如權利要求94所述的方法，其中冷壓是在約10噸/平方英寸與約14噸/平方英寸之間的范圍內的壓力下進行的。
96.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、91、93、以及 94 中的任一項所述的方法，其中冷壓包括將該壓力保持不大于約60秒的一段持續時間。
97.如權利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、91、93、94、以及 96 中的任一項所述的方法，其中冷壓是在約10°C與約30°C之間的范圍內的溫度下進行的。
98.如權利要求97所述的方法，其中冷壓是在約20°C與約30°C之間的范圍內的溫度下進行的。
全文摘要
一種粘結的研磨工具包括一個粘結的磨料本體(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。
文檔編號B24D11/00GK102245352SQ200980149925
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月22日 優先權日2008年12月30日
發明者J·A·費菲, K·S·促野伍, M·吉瓦納撒姆, W·斯特蘭格德 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