CN102245352A - 粘结的研磨工具和成型方法 - Google Patents

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    • B24D3/32—Resins or natural or synthetic macromolecular compounds for porous or cellular structure

Abstract

一种粘结的研磨工具包括一个粘结的磨料本体(该本体具有一种包含有机粘合材料的粘合基体材料)、包含在该粘合基体材料中的磨料颗粒以及位于该粘合基体材料中的剁碎的纤维束。该工具还具有在该粘结磨料本体中的一种孔隙度，其中孔隙度的大部分包括围绕这些剁碎的纤维束的孔隙。

Description

粘结的研磨工具和成型方法
技术领域
以下是针对粘结的研磨工具，并且具体是结合了一种有机粘合材料并且具有特定显微结构的粘结的研磨工具。
背景技术
用于机加工应用的磨料典型地包括粘结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种分层的物品，该物品包括背衬和磨料涂层以将磨料颗粒固定在背衬上，其最常见的例子是砂纸。粘结的研磨工具由处于轮状、盘状、段状、镶嵌针状、磨石状、以及其他工具形状(它们可以被安装在一个机加工装置上，例如一个磨床或抛光装置)的形式的硬的、并且典型是整体的、三维的磨料复合材料组成。这样的粘结的研磨工具通常有三种相态，包括磨料颗粒、粘合材料、以及孔隙，并且能以多种“等级”和“结构”来制造，这些等级和结构根据本领域的惯例按照磨料复合材料(等级)的相对硬度和密度以及由复合材料(结构)内磨料颗粒和粘合剂的体积百分比来定义。
粘结的研磨工具特别适用于研磨和抛光不同的材料，这些材料包括单晶材料、陶瓷表面、以及金属或金属合金。在具体的实例中，具有诸如树脂粘合材料的有机粘合材料的粘结的研磨工具被用于研磨金属的表面。然而，这些材料的研磨和抛光将是一个导致粘结的研磨工具上的严重磨损的侵蚀性过程，因此限制了该工具的使用寿命。因此，在本领域内对于有效地研磨和抛光材料的方法和物品存在一种需要。
发明内容
根据一个第一个方面，一种粘结的研磨工具包括一个粘结的磨料本体，该本体包括由一种有机粘合材料制成的粘合基体材料、包含在该粘合基体材料中的磨料颗粒、以及在该粘合基体材料中的剁碎的纤维束。该工具进一步包括在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度的大部分包括围绕在这些剁碎的纤维束周围的孔隙。
根据另一方面，一种粘结的研磨工具包括一个粘结的磨料本体，该本体具有由一种有机粘合材料制备的粘合基体材料、包含在该粘合基体材料中的磨料颗粒、以及在该粘合基体中的剁碎的纤维束。该工具进一步包括在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中孔隙度包含两种相态，第一相态包含均匀地分散在该粘合基体材料中的小孔隙，并且第二相态包含选择性围绕这些剁碎的纤维束布置的大孔隙。
根据一个第三个方面，一种粘结的研磨工具包括一个粘结的磨料本体，该本体具有由一种有机粘合材料制成的一种粘合基体材料、包含在该粘合基体材料中的磨料颗粒、以及在该粘合基体中的剁碎的纤维束，这些纤维束包括长度(1)、宽度(w)，以及由该长度和该宽度定义的至少约为2∶1的长径比(1∶w)。该工具进一步包括在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度的大部分包括围绕这些剁碎的纤维束的孔隙。
在另一个方面中，一种粘结的研磨工具包括一个粘结的磨料本体，该本体具有包括一种有机粘合材料的一种粘合基体材料、包含在该粘合基体材料中的磨料颗粒、以及在该粘合基体中的剁碎的纤维束，这些纤维束具有在约1mm与约5mm之间的范围内的长度。该工具进一步包括在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度包含两种相态，第一相态包含均匀分散在该粘合基体材料中的具有圆形截面形状的小孔隙，并且第二相态包含围绕这些剁碎的纤维束的外围表面部分横向延伸的大孔隙。
根据一个方面，一种粘结的研磨工具包括一个粘结的磨料本体，该本体具有由一种有机粘合材料制成的一种粘合基体材料、包含在该粘合基体材料中的磨料颗粒、以及在该粘合基体中的剁碎的纤维束。该工具进一步包括在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度的大部分包括环绕这些剁碎的纤维束的孔隙，其中该粘结的磨料本体包括至少约为750J/mm2的断裂韧度。
根据另一方面，一种粘结的研磨工具包括一个粘结的磨料本体，该本体具有由一种有机粘合材料制成的一种粘合基体材料、包含在该粘合基体材料中的磨料颗粒、以及在该粘合基体中的剁碎的纤维束。该工具进一步包括在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度包括两种相态，第一相态包含均匀地分散在该粘合基体材料中的小孔隙，并且第二相态包含围绕这些剁碎的纤维束的大孔隙，当用在该粘结的磨料本体上施加一个至少约45HP的下压力来研磨具有0.5英寸厚度的金属工件时，该粘结的磨料本体展现的材料去除率(MMR)是至少约13英寸3/分钟并且具有不大于约40的G-比值(MMR/WWR)。
在另一个方面中，一种形成粘结磨料产品的方法包括以下这些步骤：(a)形成一种混合物，该混合物包括含在一种粘合基体材料中的磨料颗粒以及在该粘合基体材料中的剁碎的纤维束，该粘合基体材料包含一种有机粘合材料，并且(b)剪切该混合物。该方法进一步包括(c)在不大于约30℃的温度下冷压制该混合物以形成一个具有孔隙度的粘结的磨料本体，其中该孔隙度的大部分包括环绕在这些剁碎的纤维束周围的大孔隙。
附图说明
通过参见附图可以更好的理解本披露，并且使其众多特征和优点对于本领域的普通技术人员而言变得清楚。
图1包括用于根据一个实施方案形成一种粘结的研磨工具的流程图。
图2包括根据一个实施方案的粘结的磨料本体的一部分的截面图像。
图3包括根据一个常规过程形成的一个现有技术的粘结的磨料本体的一部分的截面图像。
图4包括对于两个样品的轮磨损率对比材料去除率的图表，一个样品是以常规方式形成的，第二个样品是根据一个实施方案形成的。
图5包括从使用一个现有技术的粘结的磨料本体研磨的工件上去除的金属碎屑的图像。
图6包括从使用根据一个实施方案形成的粘结的磨料本体研磨的工件上去除的金属碎屑的图像。
图7包括对于根据常规方法形成的一个样品与根据一个实施方案形成的样品的断裂韧性的图表。
在不同附图中使用相同的参考符号表明相似的或相同的事项。
具体实施方式
以下是针对多种粘结的研磨工具，这些研磨工具典型地包括在粘结材料的三维基体中包含的磨料颗粒。具体地讲，粘结的研磨工具在此可以采用不同的形状，例如轮状、磨石状、锥状，以及类似形状。这些工具适于工件的(如金属工件)的研磨和精加工。
图1包括一个流程图，它展示了形成根据一个实施方案的一种粘结的研磨工具的方法。具体地讲，形成该粘结的研磨工具的过程是在步骤101通过形成包括磨料颗粒和在一种粘合基体材料中的剁碎的纤维束的混合物开始的。在此的实施方案是针对使用一种有机粘合基体材料的粘结的研磨工具。适合使用在该粘合基体材料中的有机粘合材料可以包括聚合物类，例如热塑性树脂类、热固性树脂类、橡胶类、以及它们的一种组合物。在更具体的例子中，可以使用环氧树脂类、聚酯类、酚醛塑料类、氰酸酯类，以及它们的一个组合。某些实施方案使用一种主要由酚醛树脂构成的有机粘合材料。
总体上讲，用于该混合物中的合适的粘合基体材料的量是至少20vol％的量级。根据一些实施方案，该混合物可以包含更高含量的粘合基体材料，例如至少约25vol％，至少约30vol％，至少35vol％，或者甚至约45vol％。具体的实施方案使用的粘合基体材料的含量是在约20vol％与约60vol％之间的范围内。
可以在粘合基体材料中包括填充剂材料或者“活性填充剂”材料以实现在使用该粘结的研磨工具的研磨和精加工过程中的不同益处。例如，一些填充剂可以作为润滑剂。金属盐类、氧化物类、以及卤化物类是特别适用的填充材料化合物。这些化合物可以包括多种元素，如锰、银、硼、磷、铜、铁、锌、钙、以及它们的组合。总体上讲，填充物构成在混合物中的材料的总体积的一个小百分比。
如在此所描述的，根据粘结的研磨工具的预期应用，混合物可以含有一定含量的磨料颗粒以有助于机加工和/或研磨过程。因此，这些磨料颗粒是一种硬质材料，典型地具有至少约7的莫氏硬度。在其他的例子中，这些磨料颗粒的硬度可以是更大的，例如在莫氏硬度的级别中至少约为8、9或者甚至10。
适合的磨料颗粒可以由氧化物类、碳化物类、硼化物类、氮化物类、以及它们的组合制得。根据一个具体的实施方案，这些磨料颗粒主要由氧化铝构成。在其他的粘结的磨料本体中，这些磨料颗粒可以包括超级磨料材料。超级磨料材料总体上包括金刚石(天然的或者人工的)、碳化硅、以及立方氮化硼。
此处的这些粘结的研磨工具总体上包括用于研磨金属工件的粗磨料颗粒。这些粘结的研磨工具典型地结合了具有至少约0.25mm的平均颗粒尺寸的磨料颗粒。某些工具可使用更大的磨料颗粒，这样平均颗粒尺寸是至少约0.5mm，如至少约1mm，或者甚至至少约2mm。在具体的例子中，这些磨料颗粒的平均尺寸是在约0.5mm与约7mm之间的范围内，并且更具体是在约2mm与约5mm之间的范围内。
该混合物可以具有至少30vol％的磨料颗粒含量。在一些混合物中，磨料颗粒的含量可以是更高的，这样它是至少约40vol％，至少约50vol％，或者甚至约55vol％。在具体的实施方案中，该混合物包含在约30vol％与约60vol％之间的磨料颗粒。
混合物的形成还可以包括添加其他的添加剂。某些合适的添加剂可以包括成孔材料。基于在此使用的过程，这些成孔剂一般是液态材料。具体地讲，这些液态成孔剂可以是具有低挥发温度的有机材料。根据一个实施方案，一种有机液体(如，甲醛)被加入该混合物中，这样在制备过程中，一些孔隙度通过甲醛的挥发在该工具本体中形成。另外，应当理解，在制备过程中，该混合物可以获得一些天然的孔隙(例如，在混合物中的禁锢气泡)，这些孔隙被传送到最终形成的本体中作为天然的孔隙度。
该混合物总体上包含较小量的此类液体成孔材料。例如，该混合物可以包含不大于5vol％的此类液态添加剂。在具体的例子中，该混合物包含在约2vol％与约4vol％之间的此类添加剂。
上文中已经提及由粘合基体材料、磨料颗粒、以及其他的添加剂制成的一种混合物。根据一个具体实施方案，如在步骤101描述的混合物的形成可以首先包括形成包含磨料颗粒、粘合基体材料、以及任何添加剂的单一的混合物。在这样一种混合物被适当的形成后，可以将剁碎的纤维束加入到含有粘合基体材料和磨料颗粒的混合物中。剁碎的纤维束是一种复合材料，它包含一系列纤维形式的第一材料，这些纤维由一个第二相态、或粘结剂材料粘结在一起。根据一个具体的实施方案，这些剁碎的纤维束包括在一种有机粘结剂中粘结在一起的无机纤维，并且可以包括通常被称为“剁碎的成股纤维”的材料。
值得注意的是，剁碎的纤维束材料是由多个单独的纤维制成的，例如至少约200根单独的纤维的量级，并且具体是每束在约200到约6000之间单独的纤维。这样，剁碎的纤维束中的单独的纤维可以是很小的，具有亚微米级的平均直径。这些纤维可以包括以下材料，如氧化物类、碳化物类、氮化物类、硼化物类、以及它们的组合。在具体的例子中，这些纤维是一种玻璃材料，例如含氧化硅的玻璃材料。
将这些纤维保持在一起的粘结剂材料可以被布置在每一根纤维之间并且可以进一步环绕在该纤维束的外表面。在具体例子中，该有机粘结剂可以是一种热固性聚合物材料，如聚酯、聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯树脂、或者它们的组合。根据一个实施方案，该有机粘结剂材料主要由聚氨酯组成。
总体上讲，这些纤维具有的硬度要小于磨料颗粒的硬度。例如，这些纤维可以具有小于约7的莫氏硬度。事实上，这些纤维可以具有小于约6的硬度，如小于约5，并且具体是在约2与约5之间。
此处的这些剁碎的纤维束具有的具体的尺寸有助于形成一种粘结的研磨工具，该工具具有特定的机加工特性和结构。具体地讲，这些剁碎的纤维束总体上具有沿着该纤维束的最长维度上测量的不大于约5mm的长度。具体地讲，这些剁碎的纤维束可以具有不大于约4mm的长度，如约3mm，并且特别是在约1mm与约5mm之间的范围内。更加具体地讲，某些实施方案可以使用一种长度在约2mm与约4mm之间范围内的剁碎的纤维束。
这些剁碎的纤维束的宽度(即在垂直于长度的方向上)总体上是小于长度。典型地，宽度是不大于约3mm。某些剁碎的纤维束的宽度可以是更小的，例如，不大于约2mm的量级、不大于约1mm、并且具体是在约0.25mm与约2mm之间的范围内。
根据上文，这些剁碎的纤维束可以具有由该长度和该宽度定义的至少约为2∶1的长径比(1∶w)。在某些例子中，该长径比可以是至少约3∶1，至少约4∶1，或者甚至至少约5∶1。不过，该长径比总体上不大于20∶1并且可以在约2∶1到约5∶1之间的范围内。
总之，将这些剁碎的纤维束以很少的量加入该混合物中。具体地讲，已经发现过量的剁碎的纤维束可能导致最终的粘结的研磨工具的不良的成型。这样，根据一个具体实施方案，该混合物总体上包括不大于约5vol％的剁碎的纤维束。在多个具体实施方案中，该混合物包括的剁碎的纤维束在约1vol％与约5vol％之间，并且更具体是在约2vol％与约4vol％之间。
再次参见图1的方法，在步骤101适当地形成混合物之后，该过程在步骤103通过剪切该混合物而继续。值得注意地，该剪切程序有助于剁碎的纤维束在整个混合物中的均匀分散，同时避免了这些剁碎的纤维束的破坏或者明显改变。这些剁碎的纤维束在混合物中良好的分散有助于形成具有适当机械特性和结构的粘结的研磨工具。这样，该剪切过程可以是以高剪切速度被控制在短期内的一个激烈的过程。例如，该剪切过程可以被控制在不大于60秒的持续时间。在某些例子中，该剪切工序可以是更短的，例如不大于约30秒或者不大于约20秒。在多个具体的实施方案中，该剪切过程在约5秒到约20秒之间完成，并且更具体是在约10秒到约15秒之间。
对于这些混合部件，进行该剪切过程的速度总体上是在至少约30转/分钟的量级上，如在约30转/分钟与约100转/分钟之间。应当理解，混合容器也是可以旋转的，如在与混合部件相反的方向上旋转。根据一个实施方案，该混合容器可以按在约20到约40转/分钟之间的范围内的速度来旋转。
再次参见图1，在于步骤103剪切该混合物之后，该过程在步骤105通过冷压制混合物以形成一个粘结的磨料本体而继续。根据在此的实施方案，该成型过程是在低于30℃的温度下进行的冷压制过程。利用这种成型过程，与在此使用的材料相结合，有助于一种粘结的研磨工具的形成，该工具具有如将在此更详细地说明的具体特征。根据多个具体的实施方案，该冷压制过程是在约10℃与约30℃之间的范围内的温度下进行的，并且更具体是在约20℃与约30℃之间的范围内。
此外，该压制过程可在不大于约14吨/平方英寸的压力下进行，以便适当地形成具有在此所描述的属性的粘结的磨料本体。例如，该压力可以是约13.5吨/平方英寸的量级，约13吨/平方英寸，或者甚至约12吨/平方英寸。根据一个具体的实施方案，在冷压制过程中使用的最大压力的范围是在约10吨/平方英寸与约14吨/平方英寸之间。
总体上讲，该最大压制压力所保持的持续时间是一个短的持续时间，以帮助所完成的磨料物品形成特殊的显微结构。因此，最大压制压力可以被保持不大于约60秒。例如，某些实施方案将最大压力保持不大于约40秒，不大于约30秒，或者甚至约20秒。不过，该最大压制压力的持续时间可以是在约20秒与约35秒之间。
在压制操作过程中所使用的气氛总体上是环境大气。然而，在某些例子中，也可以使用包括一种稀有气体或者惰性气体的另一种气氛(例如，一种受控制的气氛)。
在将混合物形成生坯之后，该物品可以被硬化。硬化是以有助于形成根据在此的这些实施方案的特殊结构的方式来完成的。值得注意地，硬化过程可以在不大于约250℃的硬化温度下完成，例如不大于约225℃，并且具体是在150℃与约250℃之间的范围内。该硬化过程可以在至少约6小时的一段持续时间上完成。在其他实施方案中，该硬化过程可能更长，这样它的持续时间是至少约10小时，至少约20小时，至少约30小时，或者甚至是至少40小时。在某些实施方案中，该硬化过程是在约6小时与约48小时之间完成的。在硬化过程中的大气条件可以是一种周围环境的那些条件。
材料与加工的组合协助形成具有一种特殊结构和机械特性的粘结的研磨工具。根据一个实施方案，该粘结的磨料本体具有一种独特类型的孔隙度，这包括选择性布置在这些剁碎的纤维束周围的大孔隙。图2包括根据一个实施方案形成的粘结的研磨工具的一部分的图像。如图所示，该粘结的研磨工具包含大孔隙201、202和203(201-203)，这些孔隙选择性布置在剁碎的纤维束207的周围。这些大孔隙201-203是多个空隙，它们可以围绕剁碎的纤维束207的外围表面部分横向(或环周围)延伸、并且也可以沿着剁碎的纤维束207的长度部分纵向延伸。
这样，这些大孔隙总体上是邻近这些剁碎的纤维束并且在这些剁碎的纤维束的外围表面的一部分与相邻的颗粒或者有机粘合材料之间形成了一个边界。另外，如图2中所示，这些大孔隙201-203具有不规则的截面形状并且不均匀分散在整个粘合材料中，但是总体上集中在这些剁碎的纤维束周围。
该粘结的研磨工具进一步包括一定含量的的小孔隙度，它可以分散为遍布该粘合基体材料。如图2中所示，小孔隙210、211和212(210-212)均匀地分散为遍布该粘结的研磨工具。这些小孔隙210-212总体上是球形的，具有圆形的截面形状并且位于该粘合基体材料中或者位于该粘合基体材料与这些磨料颗粒之间的界面上。
该粘结的磨料本体可以具有一种双峰的孔径分布，该分布包括由大的孔隙构成的第一模式以及由小孔隙构成的第二模式。具体地讲，这些孔隙的尺寸之间的差异是足够明显的，以致在小孔隙与大孔隙之间的孔隙的尺寸分布没有必要是一种单一模式的分布。
该粘结的磨料本体可以具有一种孔径比，它描述了在大孔隙的平均尺寸(P1)与小孔隙的平均尺寸(Ps)相比较的差异。这样，该粘结的磨料本体的孔径比(P1∶Ps)可以是至少约2∶1。在其他的例子中，孔径比可以是至少约3∶1，例如至少约5∶1，或者甚至至少约10∶1。某种粘结的研磨工具具有的孔径比(P1∶Ps)是在约2∶1到约10∶1之间的范围内。
具体的关于这些大孔隙的平均尺寸，此处的多个实施方案利用了大孔隙，它们具有如在最长的维度上测量的至少约1mm的平均尺寸。在其他例子中，这些大孔隙可以具有的平均孔径为至少约2mm，至少约3mm，并且在约1mm与约10mm之间的范围内。
关于该粘结的研磨工具的这些小孔隙，典型地，这些小孔隙的平均孔径是不大于约1mm。例如，这些小孔隙可以具有的平均孔径为不大于约0.5mm，如，不大于约0.25mm，或者甚至不大于约0.1mm。小孔隙可以具有在约0.1mm与约1mm之间的范围内的平均尺寸。
在该粘结的研磨工具中的孔隙度的总体积在总体上是不大于该粘结的磨料本体的总体积的约12vol％。具体地讲，此处的这些粘结的磨料本体可以是合适地致密的，具有的总孔隙度不大于约10vol％，如不大于约8vol％，或者甚至不大于约6vol％。在某些情况下，该粘结的磨料本体具有的孔隙度在约1vol％与约12vol％之间，并且更具体是在约4vol％与约10vol％之间。
在该粘结的磨料本体中的孔隙度的总量之中，孔隙度总体积的一个重要的部分(如一个大部分)可以包含在这些大孔隙中。例如，这些大孔隙可以包括总孔隙度的至少50vol％，例如至少约60vol％，至少约70vol％，或者甚至至少约75vol％。在某些情况下，孔隙度的总体积的至少约75vol％并且不大于约98vol％是大孔隙。
此处的多个特征提供了具有特殊机械特性的粘结的研磨工具。例如，该粘结的研磨工具除了抗裂纹扩展性以外可以具有至少约750J/mm2的断裂韧度(Kc)。某些粘结的研磨工具的断裂韧度可以更大，如至少约800J/mm2，至少约900J/mm2，或者甚至约1000J/mm2。此处的多个实施方案可以具有的断裂韧度是在约750J/mm2与约1100J/mm2之间的范围内。这种断裂韧度测试是在具有以下尺寸的样品棒上完成的：长度为4英寸(10.2cm)、宽度为0.5英寸(1.3cm)、并且厚度为0.5英寸(1.3cm)。在该棒的一侧上在大约长度的中点处形成0.125英寸(0.32cm)深的一个小槽口。该样品棒被放置在Instron试验机上，并且将一个力施加在含该槽口侧的样品棒的相反侧上，并且将一个力施加在该样品棒上以使裂纹从该槽口扩展到施加力的一侧上。记录下使该裂纹扩展的力。
此外，此处的这些粘结的研磨工具具有特殊的材料去除率(MRR)，它们与特殊的G-比值(MRR/WWR)联系在一起。该G-比值总体上是该材料去除率(MRR)对比该粘结的磨料本体的磨损率(另外称为轮磨损率(WRR))的一种度量。例如，此处的这些粘结的磨料工具本体可以具有在至少约45HP(马力)下的至少约14立方英寸/分钟的材料去除率。在某些例子中，材料去除率可以更大，如至少约15立方英寸/分钟，如至少约16立方英寸/分钟，并且具体地在约45HP与约51HP之间范围内的功率下是在约13立方英寸/分钟与约17立方英寸/分钟之间的范围内。
此外，此处的这些粘结的研磨工具可以具有在约45HP与约51HP之间范围内的功率下的不大于约40的G-比值。事实上，该工具的G-比值可以是不大于约38，不大于约35，不大于约30，或者甚至不大于约28。根据一个具体的实施方案，该G-比值是在约25与约40之间的范围内。
实例1
以下提供了对比试验的信息，这些对比试验是在根据一个常规的过程形成的粘结的研磨工具与根据此处的这些实施方案形成并且具有此处的实施方案的这些特性的粘结的研磨工具之间进行的。具体地讲，第一样品(样品1)由包含52％vol的二氧化锆-氧化铝磨料、44％vol的包含有机树脂的粘合剂以及活性和非活性的填充剂的混合物形成的。该混合物在以30rpm旋转的混合转筒中在4分钟的持续时间中进行剪切。在剪切该混合物之后，该混合物在75℃、持续6分钟、8吨/平方英寸的压力下实施的一种温压制加工下形成一个粘结的研磨工具。在形成该样品之后，在环境大气中、在约200℃的温度下持续24小时完成硬化过程。
图3中展示了样品1的一部分的截面图像。值得注意的是，该本体中的孔隙度是小的、球形的孔隙(圆形的横截面)301、302和303，它们均匀地分布在整个粘合基体材料中。大部分的小孔隙可以位于在这些磨料颗粒与粘合基体材料之间的边界上或者邻近这些边界。总体上讲，这些孔隙具有小于约1mm的平均孔径。
第二样品是根据此处的方法形成的。具体地讲，该样品(样品2)是由包括50vol％的磨料颗粒(其中这些磨料颗粒具有在2到5mm之间的平均尺寸)的一种混合物形成的，这些磨料颗粒与一种有机粘合基体结合在一起，该有机粘合基体包含酚醛树脂以及大致39vol％的量值的活性和非活性的填充剂。该混合物进一步包括约5vol％的液态成孔材料。在形成这种混合物之后，将约3vol％的量值的剁碎的纤维束加入该混合物中。然后将该混合物剪切10到15秒，其中混合容器是以第一旋转方向(如顺时针)以约20-40转/分钟的速度运转，而该容器内的混合部件以一个相反的方向以约50转/分钟的速度运转。这些剁碎的纤维束具有约3mm的平均长度以及约1mm的平均直径。这些剁碎的纤维束通常是可获的如来自Owens Corning corporation的183 CratecTM(商标)的产品。样品2是通过在约20℃、约12吨/平方英寸的压力、持续时间30秒实施的一种冷压制过程而形成的。在形成该样品之后，在环境大气、约200℃的温度下进行24小时的固化处理。
在每个样品上进行一个研磨试验以确定这两种工具之间的相对比的性能特性。研磨试验条件包括研磨由A36钢制成的具有0.5英寸厚度的一个金属工件，它以15rpm的速度旋转，同时在施加给研磨工具的45-50HP的下压力之下将所形成的磨料样品作用于旋转工件上。在研磨过程中，这些磨料样品以3600rpm的速度旋转1小时。
参见图4，提供了这两个样品各自的轮磨损率对比材料去除率的图表。如所展示的，该图表包括第一曲线401，该曲线对应于常规形成的样品(样品1)的研磨性能。曲线402对应于根据此处的实施方案形成的样品2的研磨性能。如图4所示，样品2显示出更大的材料去除率。理论上讲，改进的材料去除率可以部分地归因于该粘结的研磨工具中的孔隙度的性质。样品2与常规形成的样品相比显示出一个较低的G-比值，然而，该G-比值是通过改进材料去除率来平衡的并且该研磨工具的寿命没有显著受损。
图5和6中提供了与样品1相比样品2的改进的材料去除率的进一步的证据。图5提供了使用样品1在研磨过程中去除的金属碎屑的图片。图6包括了使用样品2在研磨过程中去除的金属碎屑的图片。值得注意的是，这些图片是在相同的放大倍数下拍摄的并且如在图5和6的对比中所展示的，样品2在研磨过程中去除的金属碎屑更大。因此，样品2总体上能够比样品1去除工件的更大的量值，并且因此具有改进的MRR，如由数据所表明的。
实例2
对样品1和样品2进一步测试以比较两种粘结的磨料本体之间的断裂韧度。所包括的断裂韧度测试过程是与在此描述的过程相同。值得注意的是，该断裂韧度过程是在多根棒上完成的，这些棒刻有一个凹槽并且然后施加一个拉力直到裂纹从凹槽扩展穿过该样品。
表1
Figure BDA0000067842850000121
以上表1中提供了对于样品1和2的断裂韧度数据的结果。另外，图7是表1的数据的绘图。如由这些数据所显示，与标准样品(样品1)相比，样品2展现出显著地更大的断裂韧度。因此，样品2具有超过样品1的更大的抵抗裂纹扩展性并且有可能改进了抗碎裂性连同可工作寿命。
以上已描述了不同于现有技术的一种粘结的研磨工具。具体地讲，此处的这些实施方案的粘结的研磨工具包括以下特征的组合，这些特征包括粘合基体材料的特殊类型、利用具有特殊尺寸和材料的剁碎的纤维束、以及有助于具有特殊类型孔隙度的粘结的研磨工具的形成的某些处理技术。并不希望限制于一种特定的理论，已经进行的推理是：所提供的某类型剁碎的纤维束、并与特殊类型的粘合材料以及形成方法结合在一起导致了在处理过程中的局部的“回弹”反应，这样一种大孔隙的独特相态在这些剁碎的纤维束的外部表面与粘合材料的界面上形成在这些剁碎的纤维束的周围。这些孔隙也许协助了改进的切屑去除并且纤维束通过减缓裂纹扩展提供了更好的韧性。当与常规的粘结的研磨工具相比时，整体上这些实施方案的粘结的磨料本体包括多个特征的组合，这些特征协助了在研磨性能、韧性、以及可操作使用寿命上的改进。
以上披露的主题被认为是示例性的，而非限制性的，并且所附的权利要求旨在覆盖落在本发明的真实范围内的所有这些变体、改进以及其他实施方案。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围是通过以下的权利要求和它们的等效物的最广的可允许的解释来确定的，并且不应受以上详细说明的局限和限制。
披露内容摘要是遵循专利权法而提供的，并且按以下理解而提交，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，在以上附图的详细说明中，为了使披露精简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附图的详细说明之中，而每一项权利要求自身独立地限定了分别提出权利要求的主题。

Claims (98)

1.一种粘结的研磨工具，包括：
一个粘结的磨料本体，该本体包括：
一种粘合基体材料，该材料包括一种有机粘合材料；
包含于该粘合基体材料中的磨料颗粒；
在该粘合基体材料中的剁碎的纤维束；以及
在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度的大部分包括围绕这些剁碎的纤维束的孔隙。
2.如权利要求1所述的粘结的研磨工具，其中该有机粘合材料包含选自下组的一种聚合物材料，该组由以下各项组成：热塑性树脂类、热固性树脂类、橡胶类、以及它们的组合。
3.如权利要求2所述的粘结的研磨工具，其中该有机粘合材料是选自下组的材料，该组由以下各项组成：环氧树脂类、聚酯类、酚醛树脂类、氰酸酯类、以及它们的组合。
4.如权利要求3所述的粘结的研磨工具，其中该有机粘合材料主要由酚醛树脂构成。
5.如权利要求1和2中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括至少约20vol％的粘合基体材料。
6.如权利要求5所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括在约20vol％与约60vol％之间的范围内的量值的该粘合基体材料。
7.如权利要求1、2、以及5中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该粘合基体材料包括一种填充剂。
8.如权利要求7所述的粘结的研磨工具，其中该填充剂包括选自下组元素的一种材料，该组由以下各项组成：锰、银、硼、磷、铜、铁、锌、钙、以及它们的多种组合。
9.如权利要求1、2、5、以及7中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒包含选自下组材料的一种材料，该组由以下各项组成：氧化物类、碳化物类、硼化物类、氮化物类、以及它们的组合。
10.如权利要求9所述的粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒主要由氧化铝组成。
11.如权利要求1、2、5、7、以及9中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒包括超级磨料材料。
12.如权利要求1、2、5、7、9、以及11中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒具有至少约7的莫氏硬度。
13.如权利要求1、2、5、7、9、11、以及12中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒包括至少约0.25mm的平均颗粒尺寸。
14.如权利要求13所述的粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒包括在约0.5mm与约7mm之间的范围内的平均颗粒尺寸。
15.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、以及13中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括至少约30vol％的磨料颗粒。
16.如权利要求15所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括在约30vol％与约60vol％之间的范围内的量值的磨料颗粒。
17.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、13、以及15中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中剁碎的纤维束包括至少约200根用一种有机粘结剂粘结在一起的纤维。
18.如权利要求17所述的粘结的研磨工具，其中剁碎的纤维束包括每束在约200根纤维与约6000根纤维之间的范围内的量值的纤维。
19.如权利要求17所述的粘结的研磨工具，其中该有机粘结剂包括一种热固性聚合物材料。
20.如权利要求17所述的粘结的研磨工具，其中该有机粘结剂包含选自下组的一种材料，该组包括：聚酯、聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、以及它们的组合。
21.如权利要求17所述的粘结的研磨工具，其中该有机粘结剂覆盖了这些剁碎的纤维束中每一个的外表面的大部分。
22.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、以及17中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些剁碎的纤维束包括以下纤维，这些纤维含有选自下组材料的一种材料，该组由以下各项组成：氧化物类、碳化物类、氮化物类、硼化物类、以及它们的组合。
23.如权利要求22所述的粘结的研磨工具，其中这些纤维包括一种玻璃材料。
24.如权利要求22所述的粘结的研磨工具，其中这些纤维具有小于约7的莫氏硬度。
25.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、以及22中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些剁碎的纤维束包括不大于约5mm的长度。
26.如权利要求25所述的粘结的研磨工具，其中这些剁碎的纤维束包括在约1mm与约5mm之间的范围内的长度。
27.如权利要求26所述的粘结的研磨工具，其中这些剁碎的纤维束包括在约2mm与约4mm之间的范围内的长度。
28.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、以及25中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些剁碎的纤维束包括不大于约3mm的宽度。
29.如权利要求28所述的粘结的研磨工具，其中这些剁碎的纤维束包括在约0.25mm与约2mm之间的范围内的宽度。
30.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、25、以及28中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些剁碎的纤维束包括长度(1)、宽度(w)、以及由该长度与该宽度所定义的至少约2∶1的长宽比(1∶w)。
31.如权利要求30所述的粘结的研磨工具，其中该长宽比是至少约3∶1。
32.如权利要求30所述的粘结的研磨工具，其中该长宽比是在约2∶1与约5∶1之间的范围内的。
33.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、25、28、以及30中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括不大于约5vol％的这些剁碎的纤维束。
34.如权利要求33所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括在约1vol％与约5vol％之间的这些剁碎的纤维束。
35.如权利要求1、2、5、7、9、11、12、13、15、17、22、25、28、30、以及33中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括不大于约12vol％的孔隙度。
36.如权利要求35所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括不大于约10vol％的孔隙度。
37.如权利要求36所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括在约4vol％与约10vol％之间的范围内的量值的孔隙度。
38.一种粘结的研磨工具，包括：
一个粘结的磨料本体，该本体包括：
一种粘合基体材料，该材料包括一种有机粘合材料；
包含于该粘合基体材料中的磨料颗粒；
在该粘结基体中的剁碎的纤维束；以及
在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度包含两个相，一个第一相包含均匀地分散在该粘合基体材料中的小孔隙，并且一个第二相包含选择性围绕这些剁碎的纤维束布置的大孔隙。
39.如权利要求38所述的粘结的研磨工具，其中这些大孔隙是以下空隙，这些空隙围绕这些剁碎的纤维束的外周表面的部分横向延伸。
40.如权利要求38和39中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些大孔隙是沿着这些剁碎的纤维束的长度的一部分纵向延伸的空隙。
41.如权利要求38、39、以及40中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些大孔隙包括不规则的截面形状。
42.如权利要求38、39、40、以及41中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些小孔隙包括圆形的截面形状。
43.如权利要求38、39、40、41、以及42中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些大孔隙具有平均孔径(P1)而这些小孔隙具有平均孔径(Ps)，并且该粘结的磨料本体包括至少约2∶1的这些大孔隙与这些小孔隙的平均尺寸之间的孔径比(P1∶Ps)。
44.如权利要求43所述的粘结的研磨工具，其中该孔径比(P1∶Ps)是至少约5∶1。
45.如权利要求44所述的粘结的研磨工具，其中该孔径比(P1∶Ps)是至少约10∶1。
46.如权利要求45所述的粘结的研磨工具，其中该长宽比(P1∶Ps)是在约2∶1与约10∶1之间的范围内。
47.如权利要求38、39、40、41、42、以及43中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些大孔隙具有至少约1mm的平均孔径(P1)。
48.如权利要求47所述的粘结的研磨工具，其中这些大孔隙具有在约1mm与约10mm之间的范围内的平均孔径(P1)。
49.如权利要求38、39、40、41、42、43、以及47中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中这些小孔隙具有不大于约1mm的平均孔径(Ps)。
50.如权利要求49所述的粘结的研磨工具，其中这些小孔隙具有在约0.1mm与约1mm之间的范围内的平均孔径(Ps)。
51.如权利要求38、39、40、41、42、43、47、以及49中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括不大于约12vol％的孔隙度。
52.如权利要求51所述的粘结的研磨工具，其中该孔隙度的总体积的至少约50vol％是大孔隙。
53.如权利要求52所述的粘结的研磨工具，其中该孔隙度的总体积的至少约75vol％是大孔隙。
54.如权利要求53所述的粘结的研磨工具，其中该孔隙度的总体积的至少约75vol％并且不大于约98vol％是大孔隙。
55.一种粘结的研磨工具，包括：
一个粘结的磨料本体，该本体包括：
一种粘合基体材料，该材料包括一种有机粘合材料；
包含于该粘合基体材料中的磨料颗粒；
在该粘合基体中的剁碎的纤维束，这些纤维束包括长度(1)、宽度(w)、以及由该长度和宽度所定义的为至少约2∶1的长宽比(1∶w)；以及
在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度的大部分包括围绕这些剁碎的纤维束的孔隙。
56.如权利要求55所述的粘结的研磨工具，其中该长宽比(1∶w)是至少约3∶1。
57.如权利要求56所述的粘结的研磨工具，其中该长宽比是在约2∶1与约5∶1之间的范围内的。
58.如权利要求55和56中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该孔隙度包含两个相，一个第一相包括均匀地分散在该粘合基体材料中的小孔隙，并且一个第二相包括选择性围绕这些剁碎的纤维束布置的大孔隙。
59.一种粘结的研磨工具，包括：
一个粘结的磨料本体，该本体包括：
一种粘合基体材料，该材料包括一种有机粘合材料；
包含于该粘合基体材料中的磨料颗粒；
在该粘合基体中的剁碎的纤维束，这些纤维束具有在约1mm与约5mm之间的范围内的长度；以及
在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度包含两个相，一个第一相态包含均匀分散在该粘合基体材料中的具有圆形截面形状的小孔隙，并且一个第二相包含围绕这些剁碎的纤维束的外围表面部分横向延伸的大孔隙。
60.一种粘结的研磨工具，包括：
一个粘结的磨料本体，该本体包括：
一种粘合基体材料，该材料包括一种有机粘合材料；
包含于该粘合基体材料中的磨料颗粒；
在该粘结基体中的剁碎的纤维束；以及
在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度的大部分包括围绕这些剁碎的纤维束的孔隙，其中该粘结的磨料本体包括至少约750J/mm2的断裂韧度。
61.如权利要求60所述的粘结的研磨工具，其中该断裂韧度是至少约900J/mm2。
62.如权利要求61所述的粘结的研磨工具，其中该粘结的磨料本体包括在约750J/mm2与约1100J/mm2之间的范围内的断裂韧度。
63.一种粘结的研磨工具，包括：
一个粘结的磨料本体，该本体包括：
一种粘合基体材料，该材料包括一种有机粘合材料；
包含于该粘合基体材料中的磨料颗粒；
在该粘结基体中的剁碎的纤维束；以及
在该粘结的磨料本体中的孔隙度，其中该孔隙度包括两个相，一个第一相包含均匀地分散在该粘合基体材料中的小孔隙，并且一个第二相包含围绕这些剁碎的纤维束的大孔隙，当用在该粘结的磨料本体上施加一个至少约45HP的下压力来研磨具有0.5英寸厚度的金属工件时，该粘结的磨料本体展现的材料去除率(MMR)为至少约13英寸3/分钟并且具有不超过约40的G-比值(MMR/WWR)。
64.如权利要求63所述的粘结的研磨工具，其中该MRR是至少约14英寸3/分钟。
65.如权利要求64所述的粘结的研磨工具，其中该MRR是至少约15英寸3/分钟。
66.如权利要求63和64中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该MRR是在约13英寸3/分钟与约17英寸3/分钟之间的范围内。
67.如权利要求63、64、以及66中的任一项所述的粘结的研磨工具，其中该G-比值是不大于约38。
68.如权利要求63所述的粘结的研磨工具，其中该G-比值是在约25与约40之间的范围内。
69.一种形成粘结的研磨产品的方法，包括以下步骤：
(a)形成一种混合物，该混合物包括在一种粘合基体材料中包含的磨料颗粒以及在该粘合基体材料中的剁碎的纤维束，该粘合基体材料包括一种有机粘合材料；
(b)剪切该混合物；并且
(c)在不超过约30℃的温度下冷压该混合物以形成具有孔隙度的一个粘结的磨料本体，其中该孔隙度的大部分包括围绕这些剁碎的纤维束的大孔隙。
70.如权利要求69所述的方法，其中剪切进行了不大于约60秒的一段持续时间。
71.如权利要求70所述的方法，其中剪切进行了不大于约30秒的一段持续时间。
72.如权利要求71所述的方法，其中剪切进行了在约5秒与约20秒之间的范围内的一段持续时间。
73.如权利要求69和70中的任一项所述的方法，其中剪切是通过在该混合物中以至少约30转/分钟的速度移动的剪切部件来进行的。
74.如权利要求73所述的方法，其中剪切是通过在该混合物中以在约30转/分钟与约100转/分钟之间的范围内的速度移动的剪切部件来进行的。
75.如权利要求69、70、以及73中的任一项所述的方法，其中该方法的步骤(a)到(c)是在不大于约30℃的温度下进行的。
76.如权利要求69、70、73、以及75中的任一项所述的方法，其中该有机粘合材料包含选自下组的一种聚合物材料，该组由以下各项组成：热塑性树脂类、热固性树脂类、橡胶类、以及它们的组合。
77.如权利要求69、70、73、75、以及76中的任一项所述的方法，其中该混合物包含至少约20vol％的有机粘合材料。
78.如权利要求77所述的方法，其中该混合物包含在约20vol％与约60vol％之间的范围内的量值的有机粘合材料。
79.如权利要求78所述的方法，其中这些磨料颗粒包含选自下组材料的一种材料，该组由以下各项组成：氧化物类、碳化物类、硼化物类、氮化物类、以及它们的组合。
80.如权利要求79所述的方法，其中这些磨料颗粒主要由氧化铝组成。
81.如权利要求69、70、73、75、76、以及77中的任一项所述方法，其中这些磨料颗粒包括至少约0.25微米的平均颗粒尺寸。
82.如权利要求69、70、73、75、76、77、以及81中的任一项所述的方法，其中该混合物包含至少约30vol％的磨料颗粒。
83.如权利要求82所述的方法，其中该混合物包含在约30vol％与约60vo l％之间的范围内的量值的磨料颗粒。
84.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、以及82中的任一项所述的方法，其中剁碎的纤维束包括至少约200根用一种有机粘结剂粘结在一起的纤维。
85.如权利要求84所述的方法，其中该有机粘结剂包括一种热固性聚合物材料。
86.如权利要求84所述的方法，其中这些剁碎的纤维束包括以下纤维，这些纤维含有选自下组材料的一种材料，该组由以下各项组成：氧化物类、碳化物类、氮化物类、硼化物类、以及它们的组合。
87.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、以及84中的任一项所述的方法，其中这些剁碎的纤维束包括不大于约5mm的长度。
88.如权利要求87所述的方法，其中这些剁碎的纤维束包括在约1mm与约5mm之间的范围内的长度。
89.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、以及87中的任一项所述的方法，其中这些剁碎的纤维束包括不大于约3mm的长度。
90.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、以及89中的任一项所述的方法，其中这些剁碎的纤维束包括长度(1)、宽度(w)、以及由该长度与该宽度定义的为至少约2∶1的长宽比(1∶w)。
91.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、以及90中的任一项所述的方法，其中该混合物包含不大于约5vol％的剁碎的纤维束。
92.如权利要求91所述的方法，其中该混合物包含在约1vol％与约5vol％之间的这些剁碎的纤维束。
93.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、以及91中的任一项所述的方法，进一步包括将一种成孔物加入该混合物中。
94.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、91、以及93中的任一项所述的方法，其中冷压是在不大于约14吨/平方英寸的压力下进行的。
95.如权利要求94所述的方法，其中冷压是在约10吨/平方英寸与约14吨/平方英寸之间的范围内的压力下进行的。
96.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、91、93、以及94中的任一项所述的方法，其中冷压包括将该压力保持不大于约60秒的一段持续时间。
97.如权利要求69、70、73、75、76、77、81、82、84、87、89、90、91、93、94、以及96中的任一项所述的方法，其中冷压是在约10℃与约30℃之间的范围内的温度下进行的。
98.如权利要求97所述的方法，其中冷压是在约20℃与约30℃之间的范围内的温度下进行的。
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