CN101896316B - 具有混杂粘合剂的多功能研磨工具 - Google Patents

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Abstract

在此披露了研磨工具和技术，它们可以将硬质、脆性材料切割成相对精确的尺寸。这些工具(它们包括金属或金属合金与一种树脂基体的一种混杂粘合剂连同多个精细研磨粒料一起)可以被用在例如镜面光洁度的切削应用中，由此促使‘1X’或‘单道次’多功能研磨过程。树脂和金属或金属合金类型的具体选择是使得该工具对于制造和耐久性的目的是足够脆性的，但却是易延展的足以经受研磨和操作应力(一种示例性的混杂粘合剂包括青铜和聚酰亚胺)。根据本披露，众多的工具类型和应用将是清楚的，包括用于电子器件制造的研磨产品，如薄的1A8刀片(单刀片或多刀片构型)。

Description

具有混杂粘合剂的多功能研磨工具
技术领域
本披露涉及磨料技术，并且更具体地涉及研磨工具，这些研磨工具适用于例如同时完成多种功能，如硬质脆性材料的切割和抛光。
背景技术
树脂-金属或所谓的“混杂(hybrid)”粘合剂在超级磨料工业中是普遍已知的。用于金刚石工具的第一批树脂粘合剂是基于酚醛体系的。很快就发现树脂本身对于一些应用不是最优化的。因此，工具制造者们引入了第二种填充剂来改进这种树脂的特性并且使得工具在不同应用中的性能能够得到改进。具体地讲，当需要一种更脆的、易碎的粘合剂时就引入碳化硅粉末，而当要求一种更强的、更韧性的粘合剂(例如，在古文物中将铜金属粘合剂工具与天然金刚石粉末一起被用于切割宝石)时就引入铜粉末。这些填充剂仍然被用在许多常规的酚醛树脂粘合剂体系中。
在1970年代，人们想到在一些应用中混杂树脂-金属粘合剂的特性可能会增强性能。更具体地讲，如果能够将金刚石分布在一个连续的金属相中(用于耐磨损性和长的寿命)，并且如果能够将一个连续的树脂相掺入显微结构中(为了较低的耐磨损性和易切割的特性)，那么可以获得两个体系的益处。这种技术首先被成功地用在粘合体系中，其中主要组成部分是一种冷压制和烧结的金属多孔结构，它牢固地固定了金刚石或CBN颗粒。第二种粘合剂组分是一种真空浇注的树脂，该树脂完全浸透金属粘合剂结构中的孔隙。其结果是具有两个互相渗透的连续的金属(青铜)和树脂(环氧物)相的一种显微结构。英国专利号1,279,413说明了此类粘合体系的细节。对于这种类型的混杂粘合剂典型的应用是在碳化物切削工具的研磨中，特别是当要求良好的拐角保持能力时，并且典型的粒料大小是在FEPA D46与更粗的(即，325目及更粗，或44微米及更粗)筛目范围中。
酚醛树脂具有良好的耐热性，但是聚酰亚胺甚至是更好的，所以在1970年代末当DuPont引入这些类型的树脂时，首先的应用之一是在金刚石工具中。美国专利号4,001,981和4,107,125说明了聚酰亚胺粘合的超级磨料工具。如在酚醛树脂工具中，使用了不同的填充剂来对粘合剂的特性进行改性，并且同样使用了铜和青铜粉末。此类基于聚酰亚胺的粘合剂被典型地用在产生大量热的情况下(即，粘合剂必须抵抗高温的地方)。主要的实例应用是在对圆形的、烧结碳化物工具的开槽，如钻头和端铣刀。
要求更大精确度以及切削质量的更苛刻的应用在历史上已经使用了不同的工具构型和粘合剂类型。例如，并且如人们已知的，一个硬盘驱动器(HDD)是一种常用的存储机构，它被用在很多的消费性电子应用中，包括计算机和游戏机、移动电话和个人数字助理、数码相机和录像机、以及数字媒体播放器(例如，MP3播放器)。HDD设计一般包括绕着一个转轴旋转的一个圆形的磁性‘盘’(数据被记录在其上)当这个盘旋转时，使用一个读-写磁头来探测和/或修改直接在它下面的盘的存储位置的磁化。这个读-写磁头本身被附连在一个‘滑动件’上，该滑动件是一个空气动力学形状的块，它允许读-写磁头在该盘上维持一个恒定的“飞行高度”。该滑动件被连接在一个致动器组件(例如，电动机和臂)上，该组件运行以将读-写磁头移动到盘上的任何存储位置上。滑动件部件的制造提出了多项挑战。例如，当使用HDD的电子器件的形状因数下降时，构成该HDD的部件的尺寸也下降，包括该滑动件(它可以是一个便士的尺寸的大约1/50th至1/100th)。这样，该滑动件必须被切成相当精确的尺寸。加重这种制造复杂性的因素是事实上滑动件典型地是由硬质脆性材料制成的(例如，Al2O3-TiC，参见例如美国专利号4,430,440)，若不招致如碎屑和过度切割的问题这些材料是难于切割的。
因此，对于可以将硬质、脆性材料切割成精确尺寸的新的研磨工具存在一种持续的需要。
发明内容
本披露的一个实施方案提供了一种多功能研磨工具，该工具适用于例如在一个单道次(single pass)中对硬质脆性材料进行切割和抛光。该工具包括金属/金属合金和树脂的一种混杂粘合剂、以及与该混杂粘合剂掺混的多个精细研磨粒料。这种金属合金可以是青铜，该青铜可以例如基本上由按重量计50/50的铜和锡组成，而这种树脂可以是一种聚酰亚胺，例如像，从E.I.du Pont de Nemours and Company可获得的SP1聚酰亚胺、从Saint-Gobain Performance Plastics Corporation可获得的Meldin聚酰亚胺、或一种可比的聚酰亚胺。该工具可以基本上是直的并且具有250微米或更小的基本上均匀的厚度。在多个具体实例的情况下，该工具是一个1A8型轮或一个1A1型轮、并且具有大约65微米或更小的厚度(鉴于本披露其他轮类型将是清楚的)。在一种具体构型中，该工具包括大约1至50体积百分比(vol％)的树脂(如聚酰亚胺)、大约40vol％至85vol％的金属/金属合金(如青铜)、以及大约5vol％至40vol％的精细研磨粒料。在另一种更具体的构型中，该工具包括大约10vol％至40vol％的树脂(如聚酰亚胺)、大约45vol％至75vol％的金属/金属合金(如青铜)、以及大约10vol％至25vol％的精细研磨粒料。在另一种更具体的构型中，该工具包括大约11.25vol％的聚酰亚胺、大约70vol％的青铜、以及大约18.75vol％的精细研磨粒料，其中每种组分具有+/-20％的公差。这种聚酰亚胺可以例如基本上由具有约40微米或更小的平均直径的颗粒构成，并且青铜可以基本上由具有约40微米或更小的平均直径的颗粒构成，并且这些精细研磨粒料可以基本上由50至75浓度、并且具有约40微米或更小的平均直径的金刚石构成。在一种更具体的此类构型中，青铜基本上由具有约10微米或更小的平均直径的颗粒构成。该工具可以包括在一种多刀片构型之中，该构型包括处于一种成套式安排的多个这样的工具(或者单个形成并且连接在一起、或者形成为一种整体结构)。
本披露的另一个实施方案提供了一种研磨工具，该工具适用于(例如)对硬质脆性材料进行切割和/或抛光。该工具被构造为类似于以上讨论的工具、但是具有基本上直的并且在30至125微米范围内的基本上均匀的厚度。
本披露的另一个实施方案提供了一种研磨工具，该工具适用于例如对硬质脆性材料进行切割和/或抛光。该工具包括一种金属或金属合金以及一种树脂的一种混杂粘合剂，该树脂与一个热挠曲温度(例如，按照ASTM标准D648测定的)或其他可比的小于500℃的(例如，在大约100℃至450℃的范围内，或甚至更具体地在大约160℃至400℃的范围内)处理温度参数(此时该树脂软化而不熔化，总体上被称为“软化温度”)相关。该金属或金属合金(例如，青铜)在该树脂的热挠曲温度或软化温度下具有一个液相或瞬态液相、以及在室温下在1和5MPa.m0.5之间的断裂韧性。该树脂(例如，聚酰亚胺)可以具有在大约3％至25％范围内的延展性。该工具进一步包括与该混杂粘合剂掺混的多个精细研磨粒料。在不同的替代性实施方案中，该工具可以具有250微米或更小的基本上直的并且基本上均匀的厚度。在一种具体情况下，该工具是能够在一个单道次中对硬质脆性材料既进行切割也进行抛光的一个多功能工具。如在此讨论的不同的其他研磨工具参数可以同样应用在此类替代性实施方案中。
本披露的另一个实施方案提供了一种用于制造适用于例如对硬质脆性材料进行切割和/或抛光的研磨工具的方法。该方法包括提供预先选定的比例的微粒成分，包括磨料颗粒、一种聚酰亚胺、以及一种预合金的青铜(例如，按重量计大约50％的铜和大约50wt％的锡)。该方法继续将这些微粒成分混合以形成一种基本上均匀的组合物、将该基本上均匀的组合物放进一个具有希望形状的模具中、并且将该模具进行压缩至大约25-200Mpa范围内的压力持续一个对于形成一个模制物品有效的持续时间(例如，5至30分钟)。该方法继续将该模制的物品加热至小于500℃的温度(例如，在大约100℃至450℃的范围内，或甚至更具体地，在大约160℃至400℃的范围内)持续对于烧结该青铜并且软化该聚酰亚胺有效的一段持续时间，由此将这些磨料颗粒和烧结的粘合剂整合在一个基本上连续的金属合金相、与一个基本上连续或基本上不连续的聚酰亚胺相的复合物之中，并且然后冷却该复合物以形成该研磨工具。该方法可以继续对该研磨工具的多个侧面进行精研磨或其他方式精加工以提供所希望程度的直度和厚度(例如，双面精研磨，其中对该工具的相对的侧面同时进行精研磨以提供大约250微米或更小的基本上均匀的厚度)。在一个替代实施方案中，该方法包括由该初始研磨工具形成多个更薄的工具，其中每个更薄的工具具有250微米或更小的基本上均匀的厚度，由此提供了一种多刀片的研磨工具(成套式的构型)。在一种此类情况下，由该初始研磨工具形成多个更薄的工具是使用放电机加工(EDM)来完成的。
在此说明的特征和优点并非一览无遗，具体地讲，考虑到这些附图、说明书以及权利要求书许多另外的特征和优点对于本领域的普通技术人员而言都将是清楚的。此外，应当指出在本说明书中使用的语言主要是为可读性和指导性目的而进行选择的，而不是为了限制本发明主题的范围。
具体实施方式
在此披露了可以将硬质、脆性材料切割成相对精确的尺寸的研磨工具和技术。包括金属或金属合金(例如，青铜)和树脂(例如，聚酰亚胺)基体的一种混杂粘合剂、连同多个精细研磨粒料一起的这些工具可以用在例如镜面光洁度的切削应用中，由此使之能够进行‘1X’或‘单道次’多功能研磨过程。鉴于本披露，众多工具类型和应用将是清楚的，包括用于电子器件制造的研磨产品，如薄的1A8刀片(单刀片或多刀片构型)以及其他此类切削刀片。
在一个示例性应用中，所披露的工具可以用在读-写磁头滑动件的镜面光洁度的切割中。典型地，由硬质、脆性材料如氧化铝碳化钛(Al2O3-TiC)制成的读-写磁头滑动件是以一个两步骤过程来制造的，包括一个切割步骤(使用了一个金属粘合的工具)以及一个随后的不连续的抛光步骤(使用了一个树脂粘合工具)。根据本披露的一个实施方案构型的一个工具能够在一个单道次中(在此也被称作一个“1X过程”)进行切割和抛光两者。如根据本披露将会理解的，应注意此类实施方案也可以在多道次或“2X”过程中使用，如果希望这样的话。
更具体地说，这个举例的实施方案的刀片包括一种金属/金属合金(如青铜)、以及一种树脂(如聚酰亚胺树脂)、与精细金刚石研磨粒料，用于切割/抛光硬质和脆性材料，如氧化铝-碳化钛。该金属合金在性质上可以是基本上连续的或不连续的，尽管基本上连续可以具有与切口质量和工具磨损相关的某些性能益处、并且可以在该聚酰亚胺的处理温度下在固相或液相中进行烧结。此外，该金属合金可以对该工具给予刚度(即，在金属合金与聚酰亚胺之间没有界面滑移)，并且其硬度可以小于工件材料的硬度。一种适合的聚酰亚胺(或其他可比的树脂)总体上具有低的伸长率％和高的热稳定性。如根据本披露将进一步认识到，本披露并非旨在局限于青铜和聚酰亚胺。而是，该青铜可以被例如任何金属或金属合金替代，这种金属或金属合金在树脂的软化温度下(例如，如按照ASTM标准D648测定的热挠曲温度)具有一个液相或瞬态液相以及在室温下在1与5MPa.m0.5之间的断裂韧性。可替代地，该聚酰亚胺可以被例如任何树脂或聚合物替代，该树脂或聚合物具有小于500℃(例如，在大约160℃至400℃的范围内)的软化温度以及在大约3％至25％范围内的延展性。总的来说，树脂和金属合金类型的具体选择是使得该工具对于制造和耐久性的目的是足够脆性的，但是却是有足够延展性的以经受研磨和处置应力(即，过硬的工具容易断裂)。
树脂的含量的范围可以例如从大约1至50体积百分比(vol％)，而金属/金属合金的含量的范围可以例如从大约40vol％至85vol％。该金属合金可以是具有例如按重量计60/40至40/60铜/锡(例如，按重量计50/50％)的青铜。金刚石含量(或其他适合的磨料颗粒)的范围可以例如从10vol％至30vol％的范围，浓度范围从大约40至100浓度。金刚石粒料颗粒可以具有的平均直径为例如直径不大于40微米、优选在1微米至12微米的范围内、并且更优选在1微米至3微米的范围内。青铜粉末和聚酰亚胺颗粒可以具有的平均直径为例如不大于40微米并且更优选30微米或更小。实际的构成将会变化，这取决于多个因素，如希望的直度和刚度/延展性、连同自锐能力以及沿切口(若有的话)碎屑的可允许的程度。这样的工具对于硬质脆性工件在1X切片/抛光过程中表现良好，如在制造微电子晶片部件(例如，硅晶片和Al2O3-TiC滑动件)中。
磨料并非旨在局限于金刚石、并且可以基本上是任何适合的磨料，如CBN、熔融的氧化铝、烧结的氧化铝、碳化硅、或它们的混合物。磨料的选择取决于多种因素，如要切削的材料和希望的工具成本。如人们已知的，这些磨料颗粒可以配备有一个涂层，该涂层在其性质上变化，这取决于所使用的具体的磨料。例如，如果磨料是金刚石或CBN，那么可以在磨料上使用一个金属涂层(例如，镍)来改进研磨特性。类似地，如果颗粒上涂覆有氧化铁或一种硅烷，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷，熔融的氧化铝的研磨质量在某些研磨或切削应用中得到增强。同样地，烧结的溶胶凝胶和加晶种的溶胶凝胶氧化铝磨料显示出增强的研磨特性，当它们已经被供有一个硅石涂层时，或在某些情况下，如果该烧结的磨料经过硅烷处理，则可以产生改进。可操作的磨料粒料大小也可以改变，这取决于希望的性能，并且根据本披露的一些实施方案，该粒料大小是40微米或更细。
在不同的替代性实施方案中，本申请的工具可以的厚度为250微米或更小、优选100微米或更小、更优选70微米或更小、并且甚至更优选65微米或更小。尽管工具类型以及其尺寸同样可以变化(取决于目标应用)，一个此类实例工具是一个1A8型的轮，具有大约30至130微米(例如，65微米或更小)的厚度、大约50至150毫米(例如，110mm)的外部直径、以及大约35至135mm(例如，90mm)的内部直径。该多功能刀片的磨料区域总体上从该轮的外部直径延伸至内部直径，但是在适当时可以使用部分的从外部直径延伸的离内部直径某个距离的磨料部分。
该工具可以是例如在大约300℃至420℃下由一种粉末共混物制成。在一个这样的实施方案中，金属合金的选择是使得该合金中存在的相中的至少一个在这样一个温度下熔融，从而产生该工具的改进的可烧结性、更好的金刚石保持、增强的工具刚度、以及用于提取切割/抛光过程中产生的热的一个路径。聚酰亚胺一般在这些处理温度下不具有熔点，而是只软化。可以使用高压来确保在成型过程(例如，模制)中完成致密化。
一种可商购的研磨工具由钴金属、树脂、以及精细金刚石粒料构成。然而，使用钴可能造成多个问题。确切地讲，一种基于钴的产品典型地是非常脆的并且在处置和使用中易于破裂。此外，使用钴造成了一种结构，该结构是烧结不足的并且具有不良的粒料保持能力(这是因为钴在与适当的树脂相关的处理温度下不能非常好地流动)。根据情况，钴可能是环境不友好的。此外，由于在钴-树脂界面上的滑移，钴的高刚度可能不被传输给工具。其他因素(如选择的树脂类型和所使用的填充剂、以及处理温度)也在工具性能中发挥作用(例如，树脂的有利的特性在经受极端温度时变坏)。
与使用钴相关的其他细微但重要的问题是关于磁特性。具体地讲，钴是已知的作为一种容易磁化的硬质铁磁体材料。为此，据信在一个基于钴的刀片中的钴可以打乱经过切片和抛光的工件(例如，Al2O3-TiC滑动件)的磁性质。这可能是或者由于在切削过程中粘在工件的表面上的残余钴污染物(例如，当工具磨损时，从该工具中释放出钴并且其中一些会粘在或包埋在工件中)，或者由于在工件中钴的作用影响了研磨区域周围的局部磁场，这随后与工件相互作用。
与此类常规的基于钴的产品相反，根据本披露的一个实施方案构型的一个工具已经示出了出众的能力来通过维持适当程度的延展性来而经受处理和高的研磨力、并且可以被用来以更大的切削深度进行研磨。此外，该示例性的金属合金不包括任何钴，并且在与聚酰亚胺相关的处理温度下充分地流动以提供优异的可烧结性、粒料保持、刚度、以及延展性。此外，青铜的金属合金是无磁性的并且因此并不影响研磨区域周围的局部磁场、或以磁性颗粒污染工件表面。美国专利号5,313,742、6,200,208、以及6,485,532提供了与常规的能够切削硬质脆性材料的研磨工具相关的另外细节。‘5,313,742、6,200,208、以及6,485,532专利中的每个通过引用以其全文结合在此。
因此，根据这些实施方案构型的研磨工具可以用于同时的1X切割和抛光操作中，这是在制造Al2O3-TiC滑动件和其他这样的由硬质脆性材料制成的部件中进行的。在更一般的意义上，根据此类实施方案构型的研磨工具可以用来进行1X过程，包括将对高级精加工工件进行的切割和抛光进行组合，这些工件经过传统地切片或以其他方式用一个工具进行切削并且用另一个工具抛光。此类工具也可以被用在非1X的应用中(例如，2X)，如果希望这样的话。所披露的这些工具提供了改进的工具寿命、更好的刀刃质量(良好的垂直性以及无碎屑或低程度的碎屑)、以及相对于常规工具更好的精加工(没有或较少的刮伤)。此外，这些工具通过促使一个二合一的过程有效地减少了与时间、劳动力、以及功率相关的制造成本。
实例工具构型#1
在根据本披露的一个实施方案的一个具体研磨工具构型中，该工具是一个1A8型轮，具有大约65微米的厚度、约110毫米的外部直径、以及大约90mm的内部直径，并且该刀片构成如下：31.25体积百分比的SP1聚酰亚胺(其中粉末颗粒具有约30微米的平均直径)、50vol％的青铜(按重量计50/50的铜和锡，其中粉末颗粒具有大约30微米的平均直径)、以及18.75vol％的金刚石(75浓度，并且具有1至3微米的平均直径)。这些金刚石可以是例如1至3μm(-8μm)的RB金刚石、或1至2μm(-8)的RVM CSG Diamond金刚石。根据本披露其他适合的金刚石类型和来源将是清楚的。工具尺寸和构成的公差可以是例如+/-10百分比，但是也可以使用更宽松的公差(例如，+/-20百分比或更大)或更紧的公差(例如，+/-5百分比或更下)，这取决于具体应用和希望的精度和性能。
该工具的薄度减少了浪费的工作材料，还具有一个允许精度切片和刀刃质量的直度(具有基本上垂直的切口壁的低的切口损失，如垂直的平面在15度之内或更好)。直度是指轮的轴向厚度，该轮在从轴孔的半径至轮的外半径的所有半径处是基本上均匀的。在一个实施方案中，这个薄的、直的工具厚度是通过将该工具双面精研磨至65微米而实现的。也可以使用单面精研磨，但是必须小心以便不使该工具变形(例如，使用冷却技术并且分配额外的制造时间)。
在这个具体实例实施方案中，该工具包括一个基本上连续的金属合金相(预合金的青铜)、与一个基本上连续或基本上不连续的聚酰亚胺相。这种1A8工具设计可以被用在例如希望同时切片和抛光的1X应用中。青铜的基本上连续的金属合金相改进了该工具的刚度(高长径比的暴露的工具，所以刚度有助于控制切口)，并且该聚酰亚胺给该工具结构加入了一定程度的顺应性，这样在切削过程中，在工具侧面上的金刚石被略微压回进入该粘合剂中，由此限制了它们占据的切削深度、并且因此改进了工件上的边缘光洁度。
当与一个类似构型的基于钴的聚酰亚胺工具相比时，就刀刃直度和邻近刀刃的切屑厚度而言这个实例性多功能工具的表现是可比的。然而，根据这个实施方案构型的工具与基于钴的工具相比是相对更硬的、并且相对于基于钴的工具展现出更低的工具磨损和更小的切口两者。此外，AFM(原子力显微镜)分析显示，与由基于钴的工具所提供的43的工件边缘光洁度Ra相比，这个工具提供了一个27的更好的工件边缘光洁度Ra。
表1概述了实例1实施方案与基于钴的工具之间的这种比较分析的性能参数。这些数据是基于该工具穿过工件的第一划或道次。对于另外的道次(划)，磨损率的差异变得更显著。例如，在15划(24槽)之后，工具的磨损对于基于钴的工具是大约36微米而对于实例1实施方案是大约28微米。对比试验是在大约100mm/min的工作台速度与9000RPM的工具速度下进行的。
表1：对比性能数据
此外，应注意将实例1实施方案的工具速度从9000RPM增加到例如11000至18000RPM(取决于机器的上限)改进了边缘直度并且减少了对工具修整的需要。另一方面，可以使用更低的工具速度，如果进行中间的工具修整操作(例如，在每划或多划子集之间)是可接受的。
关于颗粒大小，总体上不存在特别的要求。如在此说明的已经使用了不同工具组分的可商购的大小，得到了可接受的结果(如同样在此说明的)。然而，一般相信更细颗粒大小的青铜可以对改进金刚石分布以及工具性能起作用。因此，在此说明的一些实施方案之中，使用了在10微米或更小的范围内的青铜颗粒(例如，以改进1至3微米的金刚石的分布)。然而，且如根据本披露将更清楚的，更大的青铜颗粒(例如，在30微米范围内)也是有效的。
实例工具构型#2
在根据本披露的一个实施方案的另一个具体研磨工具构型中，该工具是一个1A8型的轮，具有如先前说明的尺寸，以及如下的一个刀片构成：21.25体积百分比的SP1聚酰亚胺(其中粉末颗粒具有大约30微米的平均直径)、60vol％的青铜(按重量计50/50的铜和锡，其中粉末颗粒具有大约30微米的平均直径)、以及18.75vol％的金刚石(75的浓度、并且具有1至2微米的平均直径)。关于公差的先前讨论在此同样是可适用的。
这个实例多功能工具提供了42的工件表面光洁度Ra，其中其他性能参数与实例1实施方案仍然是可比的。
实例工具构型#3
在根据本披露的一个实施方案的另一个具体研磨工具构型中，该工具是一个1A8型的轮，具有如先前说明的尺寸，以及如下的一个刀片构成：11.25体积百分比的SP1聚酰亚胺(其中粉末颗粒具有大约30微米的平均直径)、70vol％的青铜(按重量计50/50的铜和锡，其中粉末颗粒具有大约5至8微米的平均直径)、以及18.75vol％的金刚石(75的浓度、并且具有1至3微米的平均直径)。关于公差的先前讨论在此同样是可适用的。
这个实例多功能工具提供了48的工件表面光洁度Ra，其他性能参数与实例1实施方案仍然是可比的。然而，这个工具提供了改进的直度、相对于实例1实施方案更好的进入和退出几何形状(切削的无刮伤进入和退出)、以及划之间减少的修整操作。
实例工具构型#4
在根据本披露的一个实施方案的另一个具体研磨工具构型中，该工具是一个1A8型的轮，具有如先前说明的尺寸，以及如下的一个刀片构成：30.25体积百分比的SP1聚酰亚胺(其中粉末颗粒具有大约30微米的平均直径)、57.25vol％的青铜(按重量计50/50的铜和锡，其中粉末颗粒具有5至8微米的平均直径)、以及12.5vol％的金刚石(50的浓度、并且具有1至2微米的平均直径)。关于公差的先前讨论在此同样可适用。
这个实例多功能工具显示出与实例1实施方案可比的性能参数。
实例工具构型#5
在根据本披露的一个实施方案的另一个具体研磨工具构型中，该工具是一个类1A8型轮，具有如先前说明的尺寸，以及如下的一个刀片构成：20.25体积百分比的SP1聚酰亚胺(其中粉末颗粒具有大约30微米的平均直径)、67.25vol％的青铜(按重量计50/50的铜和锡，其中粉末颗粒具有5至8微米的平均直径)、以及12.5vol％的金刚石(50的浓度、并且具有1至2微米的平均直径)。关于公差的先前讨论在此同样是可适用的。
这个实例多功能工具显示出与实例3实施方案可比的性能参数。
除了先前说明的性能试验之外，对于具有不同量值的磨料含量、连同青铜-聚酰亚胺比率的多个样品测量了磨损试验数据，以确定这些变量对工具磨损的作用。然而不存在由于改变金刚石浓度(例如，从60至75的浓度)造成的工具磨损上的显著改变，通过增加青铜含量(例如，从65vol％至70vol％或75vol％，对应于工具磨损上的减小)可以实现工具磨损的显著改变。
实例工具构型#6
在根据本披露的一个实施方案的另一个具体研磨工具构型中，该工具是一个1A8型的轮，具有大约65微米的厚度、大约110毫米的外部直径、以及大约90mm的内部直径，并且刀片构成如下：26.5体积百分比的Meldin聚酰亚胺(其中粉末颗粒具有大约10微米的平均直径)、54.8vol％的青铜(按重量计50/50的铜和锡，其中粉末颗粒具有大约8微米的平均直径)、以及18.7vol％的金刚石(75的浓度，并且具有1至2微米的平均直径)。这些金刚石可以是例如1至2μm(-8μm)、1至2μm(-8)的RVMCSG Diamond金刚石。工具尺寸和构成的公差可以是例如+/-10百分比，但是也可以使用更宽松的公差(例如，+/-20百分比或更大)或更紧的公差(例如，+/-5百分比或更下)，这取决于具体应用和希望的精度和性能。这些工具以类似于实例1中的工具的方式制造。
该工具的薄度减少了浪费的加工材料，仍具有一个允许精度切片和刀刃质量的直度(具有基本上垂直的切口壁的低的切口损失，如垂直的平面在15度之内或更好)。直度是指轮的轴向厚度，该轮在从轴孔的半径至轮的外半径的所有半径处是基本上均匀的。在一个实施方案中，这个薄的、直的工具厚度是通过将该工具双面精研磨至65微米而实现的。也可以使用单面精研磨，但是必须要小心以便不使该工具变形(例如，使用特殊的冷却技术并且分配额外的制造时间)。
在这个具体实例实施方案中，该工具包括一个基本上连续的金属合金相(预合金的青铜)、与一个基本上连续或基本上不连续的聚酰亚胺相。这种1A8工具设计可以被用在例如希望同时切片和抛光的1X应用中。青铜的基本上连续的金属合金相改进了该工具的刚度(高长径比的裸露的工具，所以刚度有助于控制切口)，并且该聚酰亚胺给该工具结构加入了一定程度的顺应性，这样在切削过程中，在工具侧面上的金刚石被轻轻压回进入该粘合剂中，由此限制了它们占据的切削深度、并且因此改进了工件上的边缘光洁度。
当与一个类似构型的基于钴的聚酰亚胺工具相比时，就刀刃直度和邻近刀刃的切屑厚度而言这个实例性多功能工具表现相当。
表2总结了实例6实施方案与基于钴的工具之间的这种比较分析的性能参数。在这个实例中，在对它允许充分切削以达到一个稳定状态之后确定了工具性能。例如，工具磨损是在达到稳定状态之后在35次切削之上确定。对比试验是在大约100mm/min的工作台速度和9000RPM的工具速度下进行的。
表2：对比性能数据
  参数   基于钴的工具   实施方案#6
  35次切削上的工具磨损μm   10-11   12-14
  直度μm   2   2
  切口μm   74   67
  切屑μm   1   1
用于制造在此说明的研磨工具的方法可以包括以下步骤中的一个或多个：
(a)提供预选比例的微粒成分，包括超级磨料颗粒(例如，具有1至2微米的平均直径的细金刚石)、一种聚酰亚胺、以及一种预合金的青铜，该青铜基本上由大约40至大约60wt％的铜和大约40至大约60wt％的锡构成；
(b)将这些微粒成分进行混合以形成一种基本上均匀的组合物，该组合物可以使用任何适当的混合装置(例如，双锥滚筒、双壳V型滚筒、螺条混合器，卧式滚筒，以及固定壳/内螺杆混合器)来形成；
(c)将该基本上均匀的组合物放在一个希望形状的模具(例如，1A8工具)中；
(d)将该模具压缩至大约25-200MPa的范围内的一个压力持续有效形成一个模制的物品的一个持续时间；
(e)将该模制的物品加热至小于500℃(例如，在大约100℃至450℃的范围内、或甚至更具体地在大约160℃至400℃的范围内)的一个温度持续有效烧结该青铜并且软化该聚酰亚胺的一个持续时间，由此将这些磨料颗粒和烧结的粘合剂整合在具有基本上连续的金属合金相、与一个基本上连续或基本上不连续的聚酰亚胺相的一种复合物之中(例如，更高含量如30vol％或更多的聚酰亚胺趋于提供一个基本上连续的相，而更低的含量如小于30vol％趋于提供一个基本上不连续的相；然而，注意，任何一个相是可接受的并且提供了可接受的结果)；
(f)冷却该组合物以形成该研磨工具；并且
(g)精研磨该工具的侧面以提供希望程度的直度和厚度(例如，该工具的一个轴向厚度，该工具在从轴孔的半径至该工具的外半径的所有半径处是基本上均匀的，其中最终厚度是例如大约65微米)。这种精研磨可以被实施为双面精研磨，以便进一步改进直度。
这些磨料粒料(例如，金刚石)总体上存在于青铜和聚酰亚胺相两者之中，但是主要在青铜相中。该聚酰亚胺相比青铜相更有弹性，并且给予该研磨工具一定程度的弹性，这被认为控制了由切削刃上并且有可能该工具(假定一种轮构型)的侧壁上的磨料粒料所占据的切削深度，以便减小由于预期的磨损过程而采取的切屑尺寸并且因此产生所要求的表面光洁度。
在此说明的研磨工具可以通过使用冷压或热压技术的致密化来生产。在一个冷压过程中(有时称作无压烧结)，这些复合组分的一个共混物被引入一个希望形状的模具中并且在室温下施加高压以获得一个压实的但脆性的模制物品。该高压可以是例如在25-200MPa的范围内。随后，解除压力并且将该模制物品从该模具中移出然后加热至烧结温度。对于烧结可以进行加热，例如，当该模制物品在一种惰性气体气氛中被加压至比预烧结模制压力更低的压力时(例如，小于约100Mpa，或甚至更确切地小于约50Mpa)。烧结还可以在真空下进行。在这个低压烧结过程中，可以将该模制物品(例如，1A8型薄磨轮)放在一个模具中和/或夹在多个平板之间，以帮助维持烧结过程中的直度。在一个热压过程中，将微粒粘合剂组合物的共混物放在典型的石墨模具中，并且压缩至如冷压过程中的一个高压。然而，使用了一种惰性气体并且当升高温度时维持该高压，由此当该工具预成型件处于压力下时实现了致密化。
注意，该方法可以用来制造一个单刀片或多刀片构型。关于由多个单独制造的工具构成的一个多刀片构型(套装构型)，在该套装的每个构件工具上存在一个额外考虑的适当的公差。更具体地，当在一个单刀片实施方案中的公差可以可接受地更高时，在一个套装构型中的这样高的公差可以叠加至提供不希望的结果(例如，缺少希望的精度)。因此，并且根据本披露的一个实施方案，包括在该套装之中的单独的工具的公差是使得任何产生的叠加均落在一个可接受的范围之内。该成套的工具可以被分开，例如通过一种材料如氧化铝或钢的隔离件。可替代地，另一个实施方案是通过自一个较厚的工具形成一个整体的多刀片结构而制造的一个多刀片工具。该较厚的工具可以使用先前说明的制造步骤(a至f，以及可任选的g)而制成，其中初始工具厚度是足以允许由此形成希望数目的单个工具(例如，3600微米或更厚)。在该初始工具厚度之中形成的每个单个工具可以是例如在125微米以下(或更小)并且被直径小于该薄的外部工具的内部结构本身所分开。这样一个整体结构在这些单独的工具之间有效地提供了一个内置隔离件，由此减少了公差变量。多个单个工具(具有用于切削的一个厚的内部区域以及一个薄的外部区域)的一个成套的组件描述于先前结合的美国专利号5,313,742中。这个原理(厚的内部区域以及薄的外部区域)可以在这里说明的一个整体结构中采用。自该初始较厚的工具形成多个单个工具可以例如通过放电加工(EDM)完成，然而可以使用其他适当的机加工技术(例如，铣削、钢丝锯、等)。可以使用精加工技术如精研磨来进一步精炼这些单个工具的参数(厚度和直度)。
为了解说和描述的目的已经给出了以上对本披露的实施方案的说明。它并不旨在是穷尽性的或者将本发明限制在所披露的确切形式上。根据本披露可进行许多修改和变化。例如，注意SP1聚酰亚胺用在多个实施方案中是可接受，但是也可以使用其他可比的具有适当地与金属合金以及磨料相互作用的特性的聚酰亚胺或聚合物。同样，这些轮的类型可以变化(例如，1A1、1A8、或任何相对薄的磨轮构型)。此处的意图是使本发明的范围不受本详细说明的限制，而是受所附的权利要求书的限制。
本披露的摘要是仅遵循U.S.要求而提供的，并且这样，它是按以下理解而提交，即它将不被用于解释或者限制权利要求的范围和含义。另外，在以上的详细说明中，为了使披露流畅的目的而可能将不同的特征集合在一起或者在一个单独的实施方案中描述。本披露不得被解释为反映了一种意图，即提出权利要求的实施方案要求的特征多于在每一项权利要求中清楚引述的特征。相反，如以下的权利要求反映出，发明主题可以是针对少于任何披露的实施方案的全部特征。因此，以下的权利要求被结合在详细说明之中，其中每项权利要求以其自身使分别提出权利要求的主题能够实现并且进行了描述。

Claims (15)

1.一种用于对硬质脆性材料进行切割和抛光的多功能研磨工具，包括：
一种包含青铜的基本上连续的金属相与一种聚酰亚胺的一种混杂粘合剂，其中所述青铜基本上由按重量计60/40至40/60的铜/锡组成；以及
与该混杂粘合剂掺混的多个精细研磨粒料；
其中该工具是具有一个100微米或更小的基本上直的、基本上均匀的厚度的薄的轮。
2.如权利要求1所述的多功能研磨工具，其中该工具是一个1A8型轮或一个1A1型轮。
3.如权利要求1所述的多功能研磨工具，具有一个65微米或更小的基本上均匀的厚度。
4.如权利要求1所述的多功能研磨工具，其中该工具包括大约1至50体积百分比(vol％)的聚酰亚胺、大约40vol％至85vol％的青铜、以及大约5vol％至40vol％的精细研磨粒料。
5.如权利要求4所述的多功能研磨工具，其中该工具包括大约10vol％至40vol％的聚酰亚胺、大约45vol％至75vol％的青铜、以及大约10vol％至25vol％的精细研磨粒料。
6.如权利要求5所述的多功能研磨工具，其中该工具包括大约11.25vol％的聚酰亚胺、大约70vol％的青铜、以及大约18.75vol％的精细研磨粒料，每个组分具有+/-20％的偏差。
7.如权利要求1所述的多功能研磨工具，其中该聚酰亚胺基本上由具有约40微米或更小的平均直径的颗粒组成。
8.如权利要求1所述的多功能研磨工具，其中该青铜基本上由具有大约40微米或更小的平均直径的颗粒组成。
9.如权利要求1所述的多功能研磨工具，其中所述精细研磨粒料是金刚石，并具有大约1至12微米的平均直径。
10.如权利要求9所述的多功能研磨工具，其中这些金刚石具有大约1至3微米的平均直径。
11.如权利要求1所述的多功能研磨工具，其中该聚酰亚胺或者是VespelSP1聚酰亚胺或者是Meldin 7001聚酰亚胺。
12.一种用于对硬质脆性材料进行切割和抛光的研磨工具，包括：
一种包含青铜的基本上连续的金属相与一种树脂的一种混杂粘合剂，该青铜基本上由按重量计60/40至40/60铜/锡组成，该树脂与小于500℃的软化温度相关，其中该青铜在该树脂的软化温度下具有一个液相或瞬态液相、以及在室温下的在1与5MPa.m0.5之间的断裂韧性；以及
与该混杂粘合剂掺混的多个精细研磨粒料；
其中该工具是具有一个100微米或更小的基本上直的、基本上均匀的厚度的薄的轮。
13.如权利要求12所述的研磨工具，其中该软化温度是按照ASTM标准D648测定的一个热挠曲温度、并且是在160℃至400℃的范围内。
14.如权利要求12所述的研磨工具，其中该树脂具有一个在约3％至25％的范围内的延展性。
15.如权利要求1或12所述的研磨工具，其中，所述青铜基本上由按重量计50/50的铜/锡组成。
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