CN101626869A - 具有超胶涂层的磨料制品及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了包含超胶涂层或组分的磨料制品以及制备磨料制品的方法，例如被构造用于抑制粉尘和/或尘屑在磨料涂层上积聚的磨料制品。采用激光或其他转换机理转换加工该磨料制品之后(无论是非接触还是机械接触)，可以将该超胶组分涂敷到该磨料涂层。在一些实施例中，不存在新生或暴露的研磨或背衬表面；也就是说，该超胶组分覆盖全部表面。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年3月5日提交的名称为Laser Cut AbrasiveArticle，and Methods(激光切削磨料制品以及方法)的美国临时申请序号60/893,003的优先权，该临时专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及磨料制品、制备这类磨料制品的方法以及使用这类磨料制品的方法。
背景技术
在一百多年的时间里，磨料制品一直用于研磨和磨光工件表面。这些应用涵盖了从工件(例如木材和金属)的高切削到镜片、光导纤维和计算机读/写头的精细抛光。一般来讲，磨料制品包括多个粘合在一起(如粘合的磨料或磨削轮)或粘合到背衬(如涂附磨具)的磨粒。对于涂附磨具来说，粘合到背衬上的磨粒通常为单层、或有时为多层。磨粒可以用“底胶”和“复胶”涂层、或作为浆料涂层粘合到背衬。
磨料制品的各种构造是已知的，例如圆盘、环形带、磨砂海绵等等。磨料制品的构造会影响制品的预期用途。例如，某些磨料制品被构造为在使用过程中与真空源连接，以移除来自研磨表面的粉尘和尘屑。
对于总体上所有的涂附磨料制品而言，在使用过程中都是以暴露的磨粒尖来研磨工件。新的颗粒表面被连续暴露，以延长磨料制品的使用寿命。某些时间之后，当磨料制品不再具有足量的合适研磨表面时，涂附磨具就基本上被磨损了，并通常被丢弃。
虽然涂附磨料制品已经为人所知达一百多年，但制品和制备磨料制品的方法总在不断改进。
发明内容
本发明涉及包含超胶涂层或组分的磨料制品以及制备磨料制品的方法，例如被构造用于抑制粉尘和/或尘屑在磨料涂层上积聚的磨料制品。采用激光或其他转换机理转换加工磨料制品之后(无论是非接触还是机械接触)，可以将超胶组分涂敷到磨料涂层。在一些实施例中，不存在新生或暴露的研磨或背衬表面；也就是说，超胶组分覆盖全部表面。
本发明还涉及制备磨料制品的方法，其采用激光转换加工(如切削)磨料涂层的至少一部分，以形成磨料制品，然后将超胶涂层涂敷到磨料涂层上。该方法包括将聚焦的激光能量射在磨料制品的背侧面(与磨料涂层相对)，激光能量穿透至正面。这种方法可以减少由正面切削区域周围(如开口)的磨料制品的聚合物组分所产生的成脊效应(另外已知为“再次浇铸”)的量。
在一个特定的方面，本发明涉及制备磨料制品的方法，其包括提供背衬的第一侧面上的磨料涂层，所述背衬还具有第二侧面，以及使聚焦的激光能量穿过背衬，其中激光能量在穿过磨料涂层之前穿过背衬的第二侧面。激光可以在磨料涂层中形成内部孔隙或在磨料涂层中形成多个内部孔隙。在一些实施例中，激光在磨料涂层中形成至少10个内部孔隙，至少40或50个、或至少100个内部孔隙。在一些实施例中，另外或作为另外一种选择，激光形成磨料涂层的外部周边。
在另一个特定的方面，本发明涉及在背衬的第一侧面上具有磨料涂层的磨料制品，所述磨料涂层包括小于40微米的磨粒，以及至少一个穿过背衬和磨料涂层的孔隙。孔隙的侧壁是熔凝的，并在磨料涂层上面延伸不超过10微米。
磨料制品的背衬可以是聚合物型背衬(如热塑性或热固性背衬)、纸背衬、布背衬等等。可以使用具有多个层的层合背衬，其各层可任选地通过粘合剂或其他方式结合在一起。磨料涂层可以是底胶/复胶磨料涂层、浆料涂层、或包含复合物(例如精确成形的复合物)的成形磨料涂层。
这些和各种其他表征本发明的制品以及方法的特征在所附的权利要求书中进行了详细阐述。为了更好地了解本发明的制品和方法、它们的优点、它们的用途以及其用途所实现的目标，请参考附图和附图说明，其中包括图示和描述的本公开的发明的优选实施例。
附图说明
图1为涂附磨料制品的第一实施例的示意性横截面侧视图；
图2为涂附磨料制品的第二实施例的示意性横截面侧视图；
图3为涂附磨料制品的第三实施例的示意性横截面侧视图；
图4a为涂附磨料制品的示意性俯视平面图；
图4b为涂附磨料制品的示意性俯视平面图；
图5为磨料制品中的内部孔隙的显微照片的近距离视图，所述内部孔隙由穿过磨料制品背侧面的激光所形成；
图6为磨料制品中的内部孔隙的显微照片的近距离视图，所述内部孔隙由穿过磨料制品正面的激光所形成；
图7为现有技术磨料制品的孔隙的显微照片的近距离视图；以及
图8为实例的切削结果图示，该图将使用激光制成的磨料制品与通过常规方法制成的磨料制品进行了对比。
具体实施方式
本发明提供具有粘合到背衬的第一侧面的磨料涂层(具有多个磨粒)的磨料制品。超胶涂层存在于磨料涂层和背衬的任何暴露表面之上。本发明还提供制备磨料制品的方法和使用该制品的方法。制备磨料制品的方法包括用激光切穿背衬和磨料涂层，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区域，并且可以具有光泽。熔凝的切口没有机械缺陷，例如压碎或破碎的磨料涂层组分或磨损的背衬边缘。按照以下方式使用激光，以使得没有磨料涂层的磨料制品的一面首先被激光切削；即，使激光能量聚焦在没有磨料涂层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内部切口。
在图1中，磨料制品的第一实施例作为磨料制品10示出。磨料制品10通常称为“涂附磨料制品”，其具有粘合到背衬的多个磨粒。该磨料制品10具有背衬12，所述背衬具有第一侧面12a和相对的第二侧面12b。磨料涂层14存在于背衬12的第一侧面12a上。
在此实施例中，磨料涂层14包含多个由粘合剂基质16固定的磨粒15。此粘合剂基质16包括底胶18和上覆的复胶17，其中磨粒15至少部分地嵌入底胶18中。例如在涂敷颗粒时通过对其施以静电场，使磨粒15通常在底胶18中取向。
此磨料制品10实施例包括存在于复胶17上方的超胶涂层19。超胶涂层或超胶层(如果存在)是涂敷在复胶层的至少一部分上的涂层，并且通常被添加以提供(例如)助磨剂、和/或作为抗填充涂层。另外，超胶层19可以抑制或减少尘屑(从工件上研磨下的材料)在复胶17上或在磨粒15之间的积聚、和/或在孔隙45内及其周围的积聚(以下关于图4a所讨论的)，尘屑的积聚会显著降低磨料制品10提供的切削性能和/或所得工件的光洁度。可用的超胶层19包括助磨剂(如四氟硼酸钾)或脂肪酸的金属盐(如硬脂酸锌或硬脂酸钙)。超胶层19中可以存在其他材料。
在多个实施例中，在磨料制品的转换加工(如通过激光)之后将超胶层19涂敷在复胶17之上。在通过非接触方法(例如通过激光转换加工)或通过接触方法(例如机械模具切割)转换加工后，涂敷超胶层19覆盖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侧壁。在转换加工(切割)磨料制品之后，涂敷超胶层19覆盖切削表面，并且通常会增加磨料制品的寿命和/或切削速率，并减少因暴露表面所导致的划痕。
磨料制品10为具有底胶/复胶粘合剂基质的磨料制品的普通实例。应当理解，在不超出底胶/复胶磨料制品范围的情况下，磨料制品的交替构造也是可以的。
在图2中，磨料制品的第二实施例作为磨料制品20示出。磨料制品20通常称为“涂附磨料制品”，其具有粘合到背衬的多个磨粒。该磨料制品20具有背衬22，所述背衬具有第一侧面22a和相对的第二侧面22b。磨料涂层24存在于背衬22的第一侧面22a上。尽管未示出，但超胶层或超胶涂层可以存在于磨料涂层24的至少一部分上；该超胶涂层可以在磨料制品20的转换加工之后进行涂敷。
在此实施例中，磨料涂层24包含多个通过粘合剂基质26固定和分布的磨粒25。磨料制品20为浆料涂层磨料制品的实例。
在图3中，磨料制品的第三实施例作为磨料制品30示出。磨料制品30通常称为“成形磨料制品”，其具有粘合到背衬的多个磨粒。该磨料制品30具有背衬32，所述背衬具有第一侧面32a和相对的第二侧面32b。磨料涂层34存在于背衬32的第一侧面32a上。尽管未示出，但超胶层或超胶涂层可以存在于磨料涂层34的至少一部分上；该超胶涂层可以在磨料制品30的转换加工之后进行涂敷。
在此实施例中，磨料涂层34包含多种研磨复合物38，它们是分布在粘合剂基质36中的磨粒35的复合物。研磨复合物38由与复合物形状相关的一个或多个边界分开，导致一种研磨复合物38在一定程度上与另一种相邻的研磨复合物38分开。如果边界明确，则研磨复合物38可称为“精确成形的复合物”。有关具有精确成形研磨复合物的磨料制品的最早的参考文献之一是授予Pieper等人的美国专利No.5,152,917。后来还有许多其他参考文献。
背衬
如上所述，涂附磨料制品具有背衬，磨料涂层可以涂敷在所述背衬之上。背衬具有正表面(如侧面12a)和背表面(如侧面12b)，并可以为任何研磨背衬。合适的背衬的实例包括聚合物薄膜(包括具有底漆的聚合物薄膜)、布、纸、硫化纤维、热塑性背衬、非织物、以及它们的组合。根据需要，可以使用多层背衬。多层背衬可以是一种或多种已知背衬材料的层合材料，通常用粘合剂使各层结合在一起。纤维增强层可以添加到任何这些材料的表面内或表面上。对于某些磨料制品而言，金属是合适的背衬材料。
背衬也可以含有一种或多种处理，以便密封背衬和/或改变背衬的某些物理特性。这些处理在本领域中都是熟知的。
背衬可包括在其背表面上的附连系统，以便将所得的涂附磨具固定在支承垫或支撑垫上。该附连系统可以是压敏粘合剂、粘扣附连系统的一个表面、相互啮合的附连系统、或螺纹凸起。磨料制品的背侧面(如侧面12b)还可以包括防滑或摩擦涂层。这类涂层的实例包括分散在粘合剂中的无机颗粒(如碳酸钙或石英)。
磨料涂层
磨粒
磨粒(如磨粒15)的粒度通常在约0.1至1500微米范围内，一般介于约0.1至400微米之间。在一些实施例中，粒度介于0.1至100微米之间，而在其他实施例中，粒度介于0.1至40微米之间。根据本发明，激光转换加工对于使用粒度小于约40微米的磨粒的磨料涂层尤其有利。
磨粒的莫氏硬度为至少约8，通常为至少9。常见的磨粒的实例包括：熔融氧化铝(其包括棕色氧化铝、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、氧化铝-氧化锆、金刚石、氧化铁、二氧化铈、立方晶型氮化硼(CBN)、碳化硼、石榴石以及它们的组合。
术语“磨粒”还涵盖单一磨粒粘合在一起形成研磨聚集体的情况。研磨聚集体在美国专利No.4,311,489、No.4,652,275和No.4,799,939中有所描述；精确成形的研磨聚集体在美国专利No.5,549,962中有所描述。
磨粒可以包括表面涂层，以便(例如)增加磨粒与粘合剂基质的粘附力，改变磨粒的研磨特性等等。表面涂层的实例包括偶联剂、卤化物盐、金属氧化物(包括二氧化硅)、难熔金属氮化物、难熔金属碳化物等。
磨料制品可包括不是磨粒的稀释颗粒。这些稀释颗粒的粒度可以与磨粒的数量级相同。这类稀释颗粒的实例包括石膏、大理石、石灰石、燧石、硅石、玻璃泡、玻璃珠、硅酸铝等。
粘合剂基质
磨粒与粘合剂粘附在一起形成磨料制品。对于大多数涂附磨料制品而言，粘合剂为有机或聚合物粘合剂，并且由粘合剂前体生成。在涂附磨料制品的制造过程中，粘合剂前体暴露于能量源，该能量源有助于引发粘合剂前体的聚合反应或固化。
能量源的实例包括热能和辐射能，后者包括电子束、紫外光、以及可见光。在该聚合反应过程中，粘合剂前体发生聚合或固化，并转变为硬化粘合剂。在粘合剂前体硬化之后，形成粘合剂基质。
用于涂附磨料制品的代表性和优选的有机树脂的实例包括：酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸改性环氧树脂、烯键式不饱和化合物、具有不饱和羰基侧基的氨基塑料衍生物、具有至少一个丙烯酸侧基的异氰尿酸酯衍生物、具有至少一个丙烯酸侧基的异氰酸酯衍生物、乙烯基醚、环氧树脂、以及它们的混合物和组合物。术语“丙烯酸酯”涵盖丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
酚醛树脂因其热特性、可用性和价格广泛应用于磨料制品粘合剂。酚醛树脂有两类：可溶酚醛树脂和线型酚醛树脂。可溶酚醛树脂中甲醛与酚的摩尔比为大于或等于1∶1，通常在1.5∶1.0至3.0∶1.0之间。线型酚醛树脂中甲醛与酚的摩尔比为小于1∶1。
丙烯酸酯改性聚氨酯是羟基封端、异氰酸酯伸展的聚酯或聚醚的二丙烯酸酯。
丙烯酸改性环氧树脂是环氧树脂的二丙烯酸酯，诸如双酚A环氧树脂的二丙烯酸酯。
烯键式不饱和树脂包括单体化合物和聚合物化合物，所述化合物包含碳原子、氢原子和氧原子，并且可选地包含氮原子和卤素原子。氧原子或氮原子或这两者通常存在于醚、酯、氨基甲酸酯、酰胺和脲基团中。烯键式不饱和化合物优选地具有小于约4,000的分子量，并且优选地为由包含脂肪族一羟基基团或脂肪族多羟基基团的化合物与不饱和羧酸(例如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、异巴豆酸、马来酸等)发生反应所生成的酯。丙烯酸酯树脂的代表性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、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、三羟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。其他烯键式不饱和树脂包括单烯丙基酯、聚烯丙基酯和聚甲基烯丙基酯，以及羧酸的酰胺，诸如，邻苯二甲酸二烯丙酯、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)异氰脲酸酯、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。
氨基塑料树脂的每个分子或每个低聚物具有至少一个α，β-不饱和羰基侧基。这些不饱和的羰基基团可以是丙烯酸酯、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’-氧基二亚甲基双丙烯酰胺、邻位和对位丙烯酰胺甲基化苯酚、丙烯酰胺甲基化线型酚醛树脂、以及它们的组合。
美国专利No.4,652,274中进一步描述了具有至少一个丙烯酸侧基的异氰脲酸酯衍生物和具有至少一个丙烯酸侧基的异氰酸酯衍生物。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。
环氧树脂具有氧杂环丙烷，并且通过开环反应进行聚合。这类环氧树脂包括单体环氧树脂和低聚环氧树脂。环氧树脂的实例包括2，2-二[4-(2，3-环氧丙氧基)-苯基丙烷](双酚的二缩水甘油醚)和线型酚醛树脂的缩水甘油醚。
如果使用自由基固化树脂，则通常还包括自由基固化剂或引发剂。然而，在采用电子束能量源的情况下，由于电子束本身可以产生自由基，因此并不总是需要固化剂。
自由基热引发剂的实例包括过氧化物，如过氧化苯甲酰、偶氮化合物、二苯甲酮、以及醌类。对于使用紫外光或可见光能量源的情况而言，该固化剂有时是指光引发剂。当暴露于紫外光时可产生自由基源的引发剂的实例包括(但不限于)选自由下列物质组成的组的引发剂：有机过氧化物、偶氮化合物、醌类、二苯甲酮、亚硝基化合物、酰卤、腙、巯基化合物、吡喃鎓化合物、三丙烯酰基咪唑、双咪唑、氯代烷基三嗪、安息香醚、联苯酰缩酮、噻吨酮、苯乙酮衍生物、以及它们的混合物。
制备涂附磨料制品的方法
本发明的涂附磨料制品可以通过已知的涂覆方法制备。
具有底胶/复胶的磨料制品(例如图1的磨料制品10)通过以下方法制备：将底胶前体涂敷到背衬上，然后将多个磨粒沉积到底胶上，可任选地至少部分地固化底胶前体，将复胶前体涂敷到磨粒上，然后固化复胶前体以形成复胶。制备具有底胶/复胶的磨料制品的方法是熟知的。
浆料涂附磨料制品(例如图2的磨料制品20)通过形成粘合剂前体材料与磨粒的浆料制备。把浆料涂敷到背衬上，然后固化粘合剂前体材料。制备浆料涂附磨料制品的方法是熟知的。
成形的涂附磨料制品(例如图3的磨料制品30)通过形成粘合剂前体材料与磨粒的浆料、然后把浆料涂敷到工具上制备。该工具通常具有多个模槽，这些模槽是所需的所得复合物的阴模。浆料在模槽中时与背衬接触。固化粘合剂前体材料，并从复合物上移除工具。制备这类涂附磨料制品的方法是熟知的。正如美国专利No.5,435,816所述，美国专利No.5,152,917描述了各种制备这类精确成形的磨料制品的方法，但也可以使用其他方法。
然后将带涂层的背衬进行转换加工(如切削、穿孔、切缝等)，以形成磨料制品。
根据本发明，通过激光、或通过激光能量对磨料制品进行转换加工(如切削、切缝、成形等)。激光可用于形成磨料制品的总体形状(即形成外部切口)，也可用于形成磨料制品中的内部结构，例如孔隙。图4a示出了根据本发明制备的开孔的磨料制品40。
如上所述，磨料制品40的背衬可以包括在其背表面上的附连系统或其他涂层。该附连系统或其他涂层可以在用激光进行转换加工之前或之后布置在背衬上。
然而根据本发明，超胶涂层，如图1的超胶涂层19，可以在使用(例如)激光转换加工之后涂敷到磨料制品40上。已经发现的是，如果超胶涂层在转换加工之后涂敷到磨料制品，那么在涂敷超胶涂层之后通常没有新生表面(如磨料涂层表面或背衬)暴露。然而，如果超胶涂层在转换加工之前涂敷，则邻近切口边缘的超胶涂层区域可能会变形或损坏，并暴露出新生表面(如磨料涂层或背衬)。这些暴露的新生表面往往会聚集尘屑和/或形成划痕。在转换加工(如激光转换加工)之后涂敷超胶涂层对于具有内部孔隙的磨料制品特别有利。
再回到图4a，磨料制品40具体地为在其正面上具有磨料涂层42的圆盘41。虽然本文示出了圆盘41，但应当理解，本公开的发明并不限于圆盘和相似形状的磨料制品40，并且本公开的发明也可以与研磨片、研磨带、研磨轮、研磨垫、以及其他磨料制品一起使用。
圆盘41的正面分别对应于结合以上图1、2和3以及磨料制品10、20、30所述的第一侧面12a、22a、32a。一般来讲，对应于第二侧面12b、22b、32b的背侧面在其上没有磨料涂层；但是，在一些实施例中，背侧面上可以存在摩擦增强涂层。磨料涂层42可以是上述磨料涂层14、24、34中的任何一个、或者也可以是另一种类型的磨料涂层。圆盘41具有外部周边43以及存在于磨料涂层42中并被周边43围绕的多个孔隙45。孔隙45穿过磨料涂层42和其上存在涂层42的背衬。
圆盘41的直径(由外部周边43限定)通常为约7.5cm至15cm，但根据本发明的方法，还可以制备其他尺寸(更大或更小)以及甚至其他形状的磨料制品。孔隙45的直径通常为1mm至30mm。
孔隙45在某些磨料制品中是常见的。这些孔隙通常称为排气孔、通风孔、或粉尘孔。孔隙45通常在使用过程中可以使磨料制品进行自洁，因为孔隙45可以提供保留和/或移除来自磨料制品-工件界面的粉尘(尘屑)的通道。
图4a中的圆盘41示出了多个孔隙45；还可存在其他数量和构造的孔隙45，这取决于圆盘41的应用和圆盘41的尺寸。应该注意的是，尽管磨料制品40为圆盘41，孔隙45为圆形，但根据本发明也可以制备其他形状的磨料制品40和/或孔隙45。例如，磨料制品40中的孔隙45可以少于40个、多达50个、多达100个、多达200个、或甚至超过500个。孔隙45可以在磨料制品40内具有任何布局，并且它们可以占据约1％至约50％的开放区域，而各个开口的尺寸为(例如)1mm、10mm、或甚至30mm。
在一些实施例中，孔隙45被布置成预定的图案。合适的图案的实例包括无规孔隙45、径向直线设置的孔隙45、以及同心环形式的孔隙45。图4a和4b中示出的合适的图案的另一个实例为一系列孔隙45，这些孔隙至少部分地排列成径向设置的弧并且至少部分地排列成无规图案。
在该图示实施例中，磨料制品40(如研磨盘41)分为两个区域：外部环形区域和中央圆形区域。参见图4b，磨料制品40具有由半径R限定的外部周边区域44和由半径r限定的中央圆形区域46。在中央圆形区域46内，孔隙45以不同尺寸孔隙的无规图案取向。在外部环形区域44内，孔隙45布置在径向设置的弧48上。孔隙45的尺寸和布局在每一个弧48上是交替的。
根据本发明，外部周边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)。激光尤其适用于形成孔隙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区域，并且可以具有光泽。熔凝的切削表面没有机械缺陷，例如压碎或破碎的磨料涂层组分或磨损的背衬边缘。
在本专利申请之前已经尝试使用激光转换加工磨料制品，但是所得的磨料制品在商业上或工业上都不合格。在本专利申请之前，使用激光能量处理(如转换加工)磨料制品导致了一些问题，例如磨料制品中的热降解、激光成脊、以及与表面相关的缺陷。这些问题导致产品损坏和不能使用，性能损耗达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产生大量和快速形成的主表面划痕(通过漩涡纹来表征)。
此前，磨料制品的激光切削会在邻近激光切削边缘处留下残余脊，这些脊是由被切割的材料(如聚合物型背衬、磨料涂层等)的流动和再凝固(再次浇铸)造成的。例如，图6示出了磨料制品中的现有技术的激光切削孔隙。在磨料涂层42及其下面的背衬中成功形成了孔隙。但是还形成了脊或再次浇铸材料47。这类脊通常比邻近的磨料涂层42高出至少20微米，而在某些情况下高出至少40微米。对于具有相对较少孔隙45(如少于约10个)的磨料制品、或在相对粗糙的磨料制品(如具有大于约40微米的磨粒)中，这些意外形成的脊对磨料制品及其性能的不利影响极小。然而，当孔隙数量增加(如超过约40个)、或当磨粒尺寸减小(如小于约40微米，如约35微米)时，脊的人工痕迹会阻碍研磨性能，例如，因研磨表面从工件上升高而减小研磨切口、和/或因脊处的单位压力增加而产生不需要的划痕。
此前，当激光用于制造具有覆盖工作磨料矿石表面(如磨料涂层42)一部分的通风孔(如孔隙45)的磨料制品(如磨料制品40)时，激光处理带来的问题非常严重，以至于直到现在才能在本功能中使用激光。本发明的方法提供了解决上述问题的产品和方法，从而获得供用户使用的高价值的最终产品。
该方法涉及将激光能量首先喷射到研磨背侧面(即与磨料涂层相对的侧面)，然后穿过正面(即磨料涂层侧面)来转换加工(如切削)磨料制品。根据本发明，通过从后向前切削，可以避免切削边缘(尤其是孔隙45)周围的成脊效应。如果存在的话，由于使用激光从后向前切削的转换加工所产生的任何脊的人工痕迹在磨料涂层上的高度不超过10微米，例如5微米或更小、或甚至2微米或更小。
一般来讲，“激光”(即“通过辐射的受激发射的光放大”)是光源，具体地讲，是以3×1010cm/s的速度传播、以振荡电场为特征的电磁辐射的形式。用于转换加工(如穿孔或切削)磨料制品的激光器可以是任何合适的常规激光器。合适的激光的实例包括气体激光器、化学激光器、准分子激光器、以及固态激光器。虽然许多类型的激光器都可适用于转换加工本文所述的磨料制品，但尤其适用和优选的是低密度增益介质激光器，例如分子气体激光器，称为CO2激光器。
这些气体激光器有许多优点。首先，用于生成激光器光发射的气体是均匀的。此外，激光器设计中的一项重要考虑，即移除热量较为容易，因为受热的气体可以流出发生激光作用的区域。如上所述，优选的气体激光器为CO2激光器，它是分子激光器，可以在分子能量级操作，并使用二氧化碳、氮气和氦气的混合物。CO2激光器可以提供连续或脉冲激光发射。二氧化碳激光器的操作涉及通过放电中的电子碰撞激发氮气分子的振动能级，然后共振能量转移至二氧化碳分子的振动能级。
气体激光器的实例包括：二氧化碳激光器、氩离子激光器、一氧化碳激光器、以及金属离子激光器，这些气体激光器可生成深紫外光波长，例如氦银(HeAg)224nm和氖-铜(NeCu)248nm激光。这些激光器具有特别窄的振荡线宽，小于3GHz(0.5皮米)。
化学激光器由化学反应提供动力，并且可以在连续操作中获得高功率。例如，在氟化氢激光器(2700-2900nm)和氟化氘激光器(3800nm)中，反应是氢气或氘气与三氟化氮中乙烯的燃烧产物的组合。
可以使用的另一种类型的气体激光器是准分子激光器。准分子激光器代表光谱的紫外光部分中的激光技术，可提供具有高峰值功率的脉冲短波长激光器的性能。准分子激光器的主要实例为氟化氪激光器。
另一种类型的激光器为高密度增益介质激光器，例如固态激光器或染料型激光器。这些激光器代表从光谱的红外光到紫外光部分的激光技术，并也可提供高峰值功率和高连续功率。这类激光器的一个实例为Nd:YVO4或掺杂钕的钒酸钇激光器，以及其较短波长的谐波。
CO2激光器非常有用，尤其是9.2至10.6微米波长的激光，因为CO2激光束可以聚焦以蒸发和/或熔融研磨背衬的至少背表面层。通常，可以用激光束的多个通道(轨迹)完成每次切削。优选地对激光功率和聚焦进行调节，以适应激光的扫描速度以及研磨背衬的厚度和能量吸收特性，以使得激光的确切入下面的磨料，并且避免在第一次通过时造成任何不利的成脊。这种激光束可以仅切削或刻划(例如)背侧面至某一规定深度的方式聚集在背侧面。可以重复进行这种部分切削，直到完全穿过磨料制品。
如果在激光切削之前将附连层附连到磨料制品的背侧面上，由于其他层的散热效应，脊的人工痕迹会减少。
合适的脉冲激光器的一个具体实例如下：
制造商：Coherent Inc.，Santa Clara，CA
型号名称：Diamond 84激光器
类别：CO2
操作波长：10.6μm
在60％占空比(1kHz频率)条件下的最大功率：300w
脉冲能量范围：10-450mJ
脉冲宽度范围：10-1000μS
脉冲上升和下降时间：＜60μS
说明：射频激发、密封CO2脉冲激光器
传输方法：基于扫描仪
输入光束(直径)7.0mm
最终光束直径：0.250mm
| 脉冲宽度(mS) | 平均功率(w) | 脉冲能量(J) | 曝光能量(J/mm) | 峰值功率(KW) | 占空比(％) |
| 30 | 11.5 | 0.0115 | 0.046 | 0.38 | 3.0 |
| 37 | 15.65 | 0.0157 | 0.063 | 0.42 | 3.7 |
| 45 | 19.8 | 0.0198 | 0.079 | 0.44 | 4.5 |
| 52 | 24.3 | 0.0243 | 0.097 | 0.47 | 5.2 |
| 60 | 28.5 | 0.0285 | 0.114 | 0.475 | 6.0 |
合适的连续波激光器的一个具体实例如下：
制造商：Synrad，Seattle，WA
型号名称：Evolution
类别：CO2
波长：10.6μm
最大功率：
-连续模式：100w
-脉冲模式：150W
调制：多达20kHz
上升时间：＜150μS
说明：射频激发、密封CO2脉冲激光到连续波激光输出
传输方法：基于XY绘图仪
输入光束(直径)4.0mm
最终光束直径：0.250mm
| 重复频率 | 激光％ | 平均功率 | #曝光能量(J/mm) |
| 20kHz | 20％ | 38.9w | 0.039 |
| 20kHz | 15％ | 33.3w | 0.033 |
| 20kHz | 10％ | 24.8w | 0.025 |
| 20kHz | 65％ | 84.0w | 0.084 |
美国专利No.6,826,204提供了超级脉冲q-开关CO2激光器的实例，其重复频率为至少100kHz、波长范围为9.2微米至10.6微米。据信，该激光器以及此专利中所公开的其他内容对本发明中提到的边缘效应有所帮助。据信，这些较高的重复频率是通过更多以汽化为主的材料移除进行操作，而不是通过以熔融排除为主的机理进行操作，因此可以提供更少的再次浇铸层和热影响区。
图5为磨料制品中部分孔隙的显微照片，该孔隙用从相对于磨料涂层42的侧面开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，限定孔隙的切削区域49附近没有脊、凸起、或其他突出结构。远离孔隙的研磨表面的厚度不受激光转换加工的影响。切削区域49的边缘被引导至其上的激光能量熔凝。
图6为磨料制品中孔隙的显微照片，该孔隙用从磨料涂层42开始穿透的聚焦激光能量切削而成。脊47围绕着孔隙，形成不平的磨料涂层表面。紧邻孔隙的脊47比磨料涂层42表面高出约165微米。
图7为现有技术磨料制品中的孔隙的显微照片，据信它是用冲切进行转换加工(如切削)的。磨料涂层42中的孔隙具有侧壁51，该侧壁具有由磨粒和背衬结构形成的粗糙表面。
据推理，脊(如图6中的脊47)是由熔融或通过其他方式而变形的背衬材料和/或磨料涂层材料所形成。在一些实施例中，例如热塑性聚合物型背衬，背衬材料可以熔融或变形，从而形成磨料涂层侧面上的脊。即使用非热塑性聚合物型背衬(如纸背衬或布背衬)，仍会形成脊。对于这些具有非聚合物型背衬的磨料制品，磨料涂层材料的一部分或者磨料涂层上面或下面的其他层可以熔融或变形，从而形成磨料涂层侧面上的脊。
至少由于脊会妨碍磨料涂层与被研磨工件的接触，因此图6中示出的具有脊的磨料制品是不期望的。较少的磨料涂层与工件表面接触会降低磨料制品的性能，其原因在于(例如)以下任一项或全部：降低工件的切削速率，增加工件中的划痕发生率，以及缩短磨料制品的使用寿命。
实例
1.穿过背侧面切削的优点
采用常规的底胶/复胶涂覆技术制备若干磨料制品。这些测试中没有超胶，背衬上也没有附连系统。用CO2激光器将磨料制品转换加工成具有内部孔隙的圆盘。
对于每一个测试，一种磨料制品是用CO2激光首先穿过背侧面切削内部孔隙而制成(根据本公开的发明)，一种磨料制品是用激光穿过正面(即磨料涂层侧面)切削内部孔隙而制成。制备六种不同构造的孔隙。图8示出了性能结果曲线图。首先穿过背侧面转换加工(如切削)的磨料制品没有成脊，而首先穿过正面切削的磨料制品的确具有成脊。
从图8中看出，对于约10个和更多个内部孔隙而言，首先穿过磨料涂层切削的磨料制品的切削速率(即约0.8克)明显小于首先穿过背侧面切削的磨料制品(即约2克)。据推理，显著的性能损失是由围绕每一个孔隙的高脊所引起，这些脊使磨粒尖无法接触工件表面，从而无法有效地研磨。
2.在背衬上存在粘合剂的情况下穿过背侧面切削
采用以下步骤将若干具有常规的底胶/复胶涂层、没有超胶涂层的商用磨料制品(“360L”，等级为P800，得自3M公司)层合到双面丙烯酸转移条带(“3M 9695 5mil Transfer Tape(5密耳转移条带)”，得自3M公司)上：展开一定长度的条带，并从主卷上切下，露出粘合带的裸露面。然后用手将与研磨表面相对的磨料制品的背侧面层合到暴露的、发粘的条带表面上。用CO2激光穿过背侧面(即转移条带面)为层合的磨料制品打孔，并将其切割成直径为5英寸的圆盘。比较例是穿过正面(即研磨面)进行切削。
首先穿过背侧面切削的磨料制品没有成脊，而首先穿过正面切削的磨料制品的确具有成脊。
然后，将若干具有15至200微米磨粒、名为“373L”的磨料制品(与“372L”磨料制品类似，得自3M公司(St.Paul，MN)，不同的是其上的复胶涂层是彩色的)，以及具有常规的底胶/复胶涂层、没有超胶涂层的等级为P220至P1000的“360L”(也得自3M公司)用以下指定的条件与粘合剂(指定如下)层合在一起。
| 磨料制品 | 粘合剂和类型 | 层 | 层合压力 | 层合温度 | 层合时间 |
| 3M 373L，等级为15至100微米 | “Bostik PO 104-30”，聚烯烃热熔胶30gm/yd2 | 4-6 | 2-5psi | 大约150℃ | 15-30秒 |
| 3M 373L，等级为15至100微米 | “Bostik PE 85-25”，聚酯热熔胶25gm/yd2 | 4-6 | 2-5psi | 大约150℃ | 15-30秒 |
| 3M 373L和360L，等级为P220至P1000 | “3M 964”(具有纸内衬)，13密耳厚的丙烯酸PSA条带 | 1 | 1-2psi(手压的方式) | 25℃(室温) | 2-10秒 |
| 3M 373L和360L，等级为P220至P1000 | “3M 9695”(具有纸内衬)，5密耳厚的丙烯酸PSA条带 | 1 | 1-2psi(手压的方式) | 25℃(室温) | 2-10秒 |
将粘合剂层合到与研磨表面相对的磨料制品的背侧面。用CO2激光穿过背侧面(即粘合剂面)为层合的磨料制品打孔，并将其切割成直径为5英寸的圆盘。比较例是穿过正面(即研磨面)进行切削。
首先穿过背侧面切削的磨料制品没有成脊，而首先穿过正面切削的磨料制品的确具有成脊。
3.在切削后涂敷超胶涂层
用若干具有常规的底胶/复胶涂层、没有超胶涂层的商用磨料制品(“360L”，等级为P800，得自3M公司)作为以下测试的基体。对于实例1，使用没有内部孔的标准磨料制品。对于实例2，将硬脂酸锌超胶涂层涂敷到没有内部孔的磨料制品上。对于实例3，内部真空孔是用激光穿过具有硬脂酸锌超胶涂层的磨料制品的背侧面切削而成的。对于实例4，先用激光穿过磨料制品的背侧面切削内部真空孔，然后再涂敷硬脂酸锌超胶涂层。
采用以下步骤测试这四个实例。将磨料制品附接到其内部具有40个真空孔的“Dynabrade”5英寸支撑垫上。还使用了40个孔的“Dynabrade”5英寸界面垫片。将支撑垫和磨料制品附接到到“Dynabrade”6英寸自发真空式气动磨砂机上；在90psi气压下操作磨砂机。用该磨料制品将带有透明涂层的测试板(得自ACT Laboratories，“RK148”)磨砂30秒。
记录磨砂前和磨砂30秒后板的重量。差值为“切削量”。另外，还记录了形成第一划痕(即“Q”)的时间。
| 实例 | 切削量 | 形成Q的时间 |
| 1 | 0.22g | 8秒 |
| 2 | 0.38g | 8秒 |
| 3 | 0.37g | 8秒 |
| 4 | 0.57g | 24秒 |
这些结果表明，在用激光进行转换加工之后涂敷超胶涂层可以提供更好的切削速率，并且形成划痕所需的持续时间更长。
据信上述说明和实例对本发明具体实施例的制备和使用进行了完整地描述。由于在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以制备本发明的许多实施例，因此下文所附的权利要求书的广泛意义包含了本发明的真实范围和精神。
虽然示出并描述了本发明的具体实施例，但对于本领域内的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种其他变更和修改。因此，所附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有此类变更和修改形式。
Claims (19)
1.一种磨料制品，包括：
(a)背衬，所述背衬在其第一侧面上具有磨料涂层；
(b)至少10个孔隙，其穿过所述背衬和所述磨料涂层，每一个孔隙均具有侧壁；以及
(c)超胶涂层，其包含脂肪酸金属盐，所述超胶涂层存在于所述磨料涂层和所述侧壁之上。
2.根据权利要求1所述的磨料制品，包括至少40个孔隙。
3.根据权利要求1所述的磨料制品，包括至少100个孔隙。
4.根据权利要求1所述的磨料制品，包括具有无规设置的孔隙的中心区和具有多个沿着径向弧排列的孔隙的环形外部区。
5.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述超胶涂层包含硬脂酸盐。
6.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂层包括小于40微米的磨粒，并且其中所述侧壁是熔凝的并在所述磨料涂层上方延伸不超过10微米。
7.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂层包括尺寸小于35微米的磨粒，并且其中所述侧壁是熔凝的并在所述磨料涂层上方延伸不超过10微米。
8.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂层包括底胶/复胶磨料涂层。
9.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂层包括浆料涂层。
10.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料涂层包括含有复合物的成形的磨料涂层。
11.根据权利要求11所述的磨料制品，其中所述成形的磨料涂层包含精确成形的复合物。
12.一种制备磨料制品的方法，包括：
(a)在背衬的第一侧面上提供磨料涂层，所述背衬还具有第二侧面；
(b)形成至少10个孔隙，其穿过所述背衬和所述磨料涂层，每一个孔隙均具有侧壁；以及
(c)涂敷超胶涂层，其包含脂肪酸金属盐，所述超胶涂层存在于所述磨料涂层和所述侧壁之上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成至少10个孔隙包括：
(a)将激光能量聚焦到所述背衬上，使得所述激光能量在穿过所述磨料涂层之前穿过所述背衬的所述第二侧面。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将激光能量聚焦到所述背衬上包括形成至少40个内部孔隙。
15.根据权利要求13所述的方法，其中将激光能量聚焦到所述背衬上包括聚焦CO2激光能量穿过所述背衬。
16.根据权利要求12所述的方法，其中在背衬的第一侧面上提供磨料涂层包括提供底胶/复胶磨料涂层。
17.根据权利要求12所述的方法，其中在背衬的第一侧面上提供磨料涂层包括提供浆料涂层。
18.根据权利要求12所述的方法，其中在背衬的第一侧面上提供磨料涂层包括提供包含复合物的成形的磨料涂层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中提供包含复合物的成形的磨料涂层包括提供包含精确成形的复合物的成形的磨料涂层。
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