CN105050770B - 粘结磨料制品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种粘结磨料制品，所述粘结磨料制品包含成形磨粒和粘结介质，所述粘结介质包含陶瓷粘结剂，所述成形磨粒各自包括相距厚度t的第一侧面和第二侧面，其中所述第一侧面包括具有第一几何形状的周边的第一面，其中所述厚度t等于或小于所述颗粒的最短边相关尺寸的长度，其中所述制品至少在其表面的一部分上表现出表面轮廓，所述表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。本发明还涉及用于制备粘结磨料制品的组合物，并涉及制备和使用所述粘结磨料制品的方法以及磨削和提供工件的方法。

Description

粘结磨料制品
本发明涉及粘结磨料制品，具体地讲可用于高精度磨削的那些粘结磨料制品。用于高精度磨削的粘结磨料制品可用于将工件精确磨削至所需形状和尺寸。
粘结磨料制品具有通过粘结介质而粘结在一起的磨粒。用于制备粘结磨料制品的粘结体系的主要类型为：树脂状、陶瓷和金属。树脂状粘结磨料利用有机粘结剂体系(如，酚醛树脂粘结剂体系)以将磨粒粘结在一起以形成成形块。另一种主要类型是其中使用陶瓷粘结剂体系将磨粒粘结在一起的粘结磨料制品(例如陶瓷粘结轮)。这些粘结剂在介于700℃至1500℃之间的温度下通常为陶瓷的。金属粘结磨料制品通常利用烧结的或镀覆的金属来粘结磨粒。陶瓷粘结磨料制品与树脂状粘结磨料制品的不同之处在于它们使用陶瓷相来粘结磨粒，从而在基本上更高的温度下加工。陶瓷粘结磨料制品在使用中可经受较高的温度，并且通常比树脂状粘结轮更具刚性且更易碎。
粘结磨料为三维结构的并且通常包括通过粘结剂而保持在一起的磨粒的成形块。这种成形块可为例如轮(诸如磨轮)的形式。
粘结磨料制品在其表面的至少一部分上具有表面轮廓，该表面轮廓可用于许多磨削应用，尤其是赋予工件轮廓的磨削应用。具体示例包括但不限于，举例来说螺纹磨削、齿轮磨削、表面磨削、外圆磨削。
在理想情况下，粘结磨料制品是自动磨锐的。然而，实际上，尤其是当力足够高时，粘结磨料制品可发生分解，导致磨粒断裂并且喷出。随着粘结磨料制品快速磨损并且失去其优选形状，磨削功率消耗降低至低于磨削应用的起始值。粘结磨料制品因此通常显示出周期性磨削曲线(磨削功率消耗随磨削时间变化)。在磨削循环的终点处，必须设置粘结磨料制品(诸如磨轮)的修整，以便避免待研磨的工件的缺陷，并且以便提供粘结磨料制品的恒定研磨性能。
随着粘结磨料制品的使用，它会慢慢磨损，导致粘结磨料制品的几何三维形状发生改变，例如表面轮廓的形状(它在使用过程中通常会变得“不锐利”或“更平”)以及磨轮直径发生改变。由于粘结磨料制品的几何形状的改变，最终的磨削工件无法保持甚至降低所需的准确性。为了实现工件的所需精确性，因此必须定期对粘结磨料制品进行重塑和尺寸调整或“修整”，这通常通过使用修整装置来完成。修整通常使用修整工具诸如金刚石修整工具来执行。
在修整过程中，将粘结磨料制品及修整装置互相接触(在修整接触区域)，然后使其中的一者或两者相对移动。修整使得修整装置的表面从粘结磨料制品的表面移除颗粒和/或粘结剂，从而重塑其表面。
然而，在常规的粘结磨料制品中，修整期间移除的磨粒通常从粘结剂脱离(或拉离)，从而在磨料制品中的磨粒的原始位置处留下空位。因此，可能难以生成(在制品第一次使用前)或再生成(在制品磨损后)制品的理想的表面轮廓，尤其是在轮廓的顶端区域。由于磨粒脱离粘结剂(在磨损期间和/或修整期间)，轮廓的顶端区域更容易磨损并且可能难以(再)完全修整至理想的形状。这会导致特征结构的不期望地变平或截平，尤其是粘结磨料制品的表面轮廓的顶端区域。其他特征结构，诸如轮廓特征结构的侧翼中的转角可能会示出类似的变平或截平。当使用顶端区域被截平的粘结磨料制品来施加最终的工件轮廓时，粘结磨料制品的顶端区域中的截平可产生最终工件轮廓的根部区域中的相应地截平。变平的转角，例如轮廓的侧翼中的转角可产生最终工件轮廓中的互补转角相应地变平。因此，通常难以提供具有尖锐的表面特征结构(诸如根部区域或转角区域)的最终工件轮廓。
因此可能难以为粘结磨料制品精确地(再)生成极小的表面特征结构(尤其是非常尖锐的顶端区域)。例如，通过修整来生成(在制品第一次使用前)或再生成(即，制品磨损后)表面特征结构尺寸更小的表面轮廓变得更加困难，尤其是在轮廓的顶端区域或转角区域。
因此在本发明之前，本领域的一般理解是，在粘结磨料制品中精确地(再)生成具有极小表面特征结构的轮廓(尤其是在轮廓的顶端区域)需要使用磨粒(常规颗粒，例如粉碎的颗粒)，这种磨粒的标称尺寸远小于待(再)生成的特征结构的尺寸，通常尺寸比它小至少约一个数量级。
因此，在制备其表面上的至少一部分具有表面轮廓的粘结磨料制品的过程中，常规地根据所述本领域的一般理解来选择磨粒，即使用合适的磨粒限于标称尺寸比待(再)生成的表面特征结构小约一个数量级的那些磨粒。
(再)生成尺寸为约700μm至约1000μm的表面特征结构(例如，螺纹的节距)通常被认为需要不大于从FEPA F320级(对应于约30μm的平均颗粒尺寸)到FEPA F400级(对应于约18μm的平均颗粒尺寸)范围的磨粒尺寸；(再)生成尺寸精细到约300μm至约600μm的表面特征结构(例如，螺纹的节距)通常被认为需要不大于从FEPA F400级(对应于约18μm的平均颗粒尺寸)到FEPA F500级(对应于约13μm的平均颗粒尺寸)范围的磨粒尺寸。
虽然常规推荐可根据具体磨削应用有微小的变化，但这些推荐都是基于这样的理解：合适的磨粒必须表现出比待(再)生成的表面特征结构小约一个数量级(即，通常为表面特征结构的1/10、1/20、1/30或者甚至更小)的颗粒尺寸(通常是指标称尺寸)。
在一些情况下，选择足够细小的颗粒尺寸可代表一种在粘结磨料制品表面轮廓中实现小的表面特征结构的方法。然而，该方法仍有限制，尤其是对粘结磨料制品的表面轮廓中的顶端区域的锐度而言。此外，该方法依赖于合适的磨料粒度的可用性。另外，对于给定的磨削操作，应仔细考虑多方面的影响因素，诸如待磨削的材料及其硬度、待研磨的材料的数量(磨削量或表面光洁度)、磨削工艺条件(例如，湿法还是干法)、或磨削机的类型。因此，(再)生成小的表面特征结构所需的磨料粒度在给定的磨削操作的其他方面(诸如，待研磨的材料的数量)可能并不是理想的磨料粒度。
换句话讲，在包括给定磨料粒度(根据需要或具体磨削应用所需)的磨粒的粘结磨料制品中，轮廓表面特征结构，尤其是在顶端区域中的轮廓表面特征结构不能被缩小到任何尺寸了。
出人意料的是，现已发现一种陶瓷粘结组合物可提供可解决上述问题的粘结磨料制品，其中所述陶瓷粘结组合物包含如本文所定义的成形磨粒以及粘结介质，所述粘结介质包含陶瓷粘结剂。已经发现这种制品在高精度磨削应用中尤其有效。
在一个方面，本发明涉及用于制备粘结磨料制品的陶瓷粘结组合物，所述陶瓷粘结组合物包含如本文所定义的成形磨粒(通常是多个成形磨粒)以及粘结介质，所述粘结介质包含陶瓷粘结剂，其中所述粘结磨料制品至少在其表面的一部分上表现出表面轮廓，该表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。所述表面特征结构通常是凸形表面特征结构。优选地，所述凸形表面特征结构的高度的尺寸为所述成形磨粒的最大尺寸的约0.1倍至约9倍。优选地，所述凸形表面特征结构表现出顶端半径R(tip)，其中所述顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤2Lmax。
在另一方面，本发明涉及一种粘结磨料制品，该粘结磨料制品包含多个成形磨粒以及粘结介质，所述粘结介质包含陶瓷粘结剂，所述成形磨粒各自包括相距厚度t的第一侧面和第二侧面，其中所述第一侧面包括具有第一几何形状的周边的第一面，其中所述厚度t等于或小于所述颗粒的最短边相关尺寸的长度；其中所述制品至少在其表面的一部分上表现出表面轮廓，该表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。所述表面特征结构通常是凸形表面特征结构。优选地，所述凸形表面特征结构的高度的尺寸为所述成形磨粒的最大尺寸的约0.1倍至约9倍。优选地，所述凸形表面特征结构表现出顶端半径R(tip)，其中所述顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤2Lmax。
在另一方面，本发明涉及一种用于制备粘结磨料制品的方法，所述方法包括：(a)提供具有基础形状的前体陶瓷粘结磨料制品；(b)在所述前体陶瓷粘结磨料制品的所述表面的至少一部分上赋予表面轮廓，该表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大，其中步骤(b)优选地包括修整。所述表面特征结构通常是凸形表面特征结构。优选地，所述凸形表面特征结构的高度的尺寸为所述成形磨粒的最大尺寸的约0.1倍至约9倍。优选地，所述凸形表面特征结构表现出顶端半径R(tip)，其中所述顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤2Lmax(优选地R(tip)≤Lmax，甚至更优选地R(tip)≤0.5Lmax)。
本发明还涉及用于制备在其表面的至少一部分上具有轮廓的工件的方法，所述方法包括：(1)提供具有初始形状的工件，(2)使根据本发明的磨料制品的至少一部分与所述工件的表面摩擦接触；以及(3)使工件或磨料制品中的至少一者移动，以便研磨工件的表面的至少一部分以提供最终工件，该最终工件在其表面的至少一部分上具有最终表面轮廓，该最终表面轮廓至少部分地对应于粘结磨料制品的表面轮廓。根据优选实施例，所述最终工件表面轮廓包括至少一个最终工件表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述至少一个最终工件表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。在优选实施例中，所述表面轮廓包括至少一个凹形表面特征结构，该凹形表面特征结构表现出根部半径R(root)，其中所述根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(root)≤2Lmax。
本发明还涉及特征在于使用根据本发明的粘结磨料制品的磨削的方法，具体来讲，本发明涉及螺纹磨削方法、齿轮磨削方法、表面磨削方法、以及外圆磨削方法。
根据本发明的粘结磨料制品尤其适用于将预期的形状(例如，表面轮廓)精确地赋予工件。
图1示出了实例1的粘结磨料制品的横截面(磨削之后且修整之前)。
图2示出了对照粘结磨料制品的横截面，该粘结磨料制品包含与实例1的粘结磨料制品相同类型的轮廓(磨削之后且修整之前)，但其包含常规的粉碎磨粒，这种磨粒的颗粒尺寸远小于轮廓的表面特征结构。
图3示出了可在本发明中使用的示例性凸形表面特征结构。
图4示出了实例1的粘结磨料制品的横截面的图像(已在磨削应用中使用之后且修整之前)，其中表面特征结构的高度(导轨的高度)约等于成形磨粒的边尺寸，并且这两个尺寸为约0.5mm(注意照片左下角处的三角形磨粒的面)。
如本文所用，术语“高精度磨削”是指能以高精确度对工件进行磨削的磨削应用。
如本文所用，术语“有效表面”当用于粘结磨料制品时是指粘结磨料制品的在磨削过程中与工件接触的表面。例如，具体参见磨轮，其有效表面是指磨轮的圆周表面，而不是磨轮的两个侧表面(磨轮的圆周表面有时也简单地称为磨轮的“面”)。
如本文所用，术语“成形磨粒”意指其中磨粒的至少一部分具有预定形状的磨粒，该预定形状由用于形成成形前体磨粒的模具腔复制而得。除了在磨料碎片(例如，如美国专利申请公布2009/0169816和2009/0165394中所述)的情况下，根据本发明的成形磨粒通常将具有基本上复制了用来形成成形磨粒的模具腔的预定几何形状。通常，从模具复制而成的成形磨粒的特征在于每个磨粒的形状基本上相同(即，从其复制而得到该形状的模具所预先确定的形状)。相比之下，在由挤出物(例如，挤出棒材)制备的多个磨粒中，颗粒的形状仍可能略有不同，例如，各个颗粒沿着其长度可具有不同的曲率级别。由于预先确定的几何形状，多个成形磨粒(从相同的模具复制而来)通常不会显示出明显的颗粒尺寸的分布。与常规的粉碎磨料相比，成形磨粒可以通过非常窄的尺寸分布来描述。成形磨粒可具有标称尺寸，其基于本领域已知的方法，诸如采用例如美国标准筛孔尺寸的筛分法。通常，成形磨粒可具有标称尺寸，其基于颗粒尺寸，诸如相同的边长、相同的颗粒高度，以及适于通过相同的筛孔尺寸。基本上相同的长度意指公共边或高度分别具有在标称长度或高度的+/-20％范围内的长度。如本文所用，术语“标称”意指：作为或涉及指定或理论尺寸和/或形状，其可与实际不同。
如本文所用的成形磨粒不包括通过机械粉碎操作得到的磨粒(这些磨粒通常具有不规则的形状，并且其特征通常在于具有不同的颗粒尺寸分布)。
如本文所用，词语形式“包含”、“具有”和“包括”在法律上是具有等同含义的开放型术语。因此，除了列举的元件、功能、步骤或限制之外，还可存在其他未列举的元件、功能、步骤或限制。
如本文所用，术语“磨料分散体”意指可转变为引入到模具腔中的磨料(例如，α氧化铝)的前体(在典型情况下为α氧化铝前体)。可将该组合物称为磨料分散体，直到足量的挥发性组分被移除以使磨料分散体大致凝固。
如本文所用，术语“前体成形磨粒”意指通过从磨料分散体(当其位于模具腔中时)移除足量的挥发性组分以形成凝固体的方式所产生的未烧结颗粒，该凝固体可从模具腔移除，并且在后续处理操作中基本上保持其模制形状。
对于根据本发明的成形磨粒的三维形状，长度应意指最长颗粒尺寸，宽度应意指垂直于长度的最大颗粒尺寸。本文所称的厚度通常还垂直于长度和宽度。在一些情况下，最长颗粒尺寸可为沿着颗粒的纵向轴线，但这不是必须的要求。
用于与表面特征结构的尺寸相比、或是与最终工件轮廓中的凹形表面特征结构(诸如最终工件表面轮廓中的凹形表面特征结构的根部半径R(root)或互补的转角半径R(corner)’)相比的最大颗粒尺寸通常对应于成形颗粒的长度，具体来讲，所述表面特征结构的尺寸是根据本发明的粘结磨料制品的表面轮廓中的凸形表面特征结构的尺寸(诸如凸形表面特征结构的高度或宽度、转角半径R(corner)或顶端半径R(tip))。
如本文所用，术语“厚度”在应用于具有随其平坦构型而变化的厚度的颗粒时，应意指最大厚度。如果颗粒具有基本上均匀的厚度，那么厚度的最小值、最大值、平均值以及中值应基本上相等。例如，就三角形而言，如果厚度为等于“a”，那么三角形最短边的长度优选地为至少“2a”。就其中最短面尺寸长度中的两个或更多个为相等的颗粒而言，上述关系仍可保持。在多数情况下，成形磨粒是具有至少三条边的多边形颗粒，每条边的长度大于颗粒的厚度。在圆形、椭圆形、或边非常短的多边形的特殊情况下，将圆的直径、椭圆的最小直径、或可在边非常短的多边形周围外接的圆的直径视为颗粒的最短面尺寸。
为了进一步说明，在四面体形磨粒的情况下，长度将通常对应于一个三角边的边长，宽度将为一个三角边的顶端和垂直于相对侧边的垂线之间的尺寸，并且厚度将对应于通常所谓的“四面体的高度”，即顶点与垂直于基部(或第一侧面)的垂线之间的尺寸。
如果磨粒在具有棱锥、圆锥体、截头棱锥、截头圆锥体、截顶球形或截顶球状体形状的模具腔中制备，则厚度按如下方式测定：(1)在棱锥或圆锥体的情况下，厚度为垂直于颗粒的基部并且延伸到棱锥或圆锥体的顶点的直线的长度；(2)在截头棱锥、截头圆锥体情况下，厚度为垂直于截头棱锥或截头圆锥体的较大基部的中心并且延伸到截头棱锥或截头圆锥体的较小基部的直线的长度；(3)在截顶球体或截顶球状体的情况下，厚度为垂直于截顶球体或截顶球状体的基部的中心并且延伸到截顶球体或截顶球状体的弯曲边界的直线的长度。
颗粒的最短边相关尺寸的长度为颗粒的基部(如果颗粒仅具有一个基部，通常为第一面)的最短面尺寸的长度，或颗粒的较大基部(如果颗粒具有两个基部，例如在其中第二侧面包括第二面的情况下)的最短面尺寸的长度。
如本文所用，术语“扇形”或“圆扇形”是指两条半径和弧线封闭的盘的部分，包括劣扇形和优扇形。
如本文所用，术语“圆弓形”是指圆的区域，其通俗地定义为用割线或弦线从圆的其余部分“切下”的区域。圆弓形构成割线和弧线之间的部分，不包括圆的圆心。这常常称为Meglio区域。
如本文所用，术语“水滴形状”旨在意指具有可描述为由一个顶点和一条曲线组成的周边(围绕水滴形区域的路径)的形状，其中顶点形成于其中曲线的末端相交的点。
如本文所用，术语“菱形”是指一种四边形，其具有四条等长边并且其中相对顶点具有相同角度的夹角，如WO 2011/068714的图1和图3中所示。
如本文所用，术语“长菱形”是指一种平行四边形，其中纵向轴线的一个侧面上的两条相交边的长度不相等并且这些边之间的顶点具有倾斜夹角，如WO 2011/068714的图4中所示。
如本文所用，如WO 2011/068714的图5中所示，术语“风筝形”是指一种四边形，其中横向轴线之上的两条相对边的长度相等并且横向轴线之下的两条相对边的长度相等，但与横向轴线之上的两条边的长度不同。如果取一菱形并且移动相对主顶点之一使其要么靠近横向轴线要么远离横向轴线，则形成风筝形。
如本文所用，术语“超椭圆”是指如具有下式的拉梅(Lame)曲线定义的所有点(x,y)的集合的在笛卡尔坐标系中定义的几何图形。
其中n、a和b为正数。其中，n介于0和1之间，超椭圆看上去像具有凹边(无弯折)的四臂星形，如WO 2011/068714的图2中所示。当n等于1时，形成菱形a＝b或风筝形a<>b。当n介于1和2之间时，边变成凸的。
如本文所用，术语“二次磨粒”通常旨在指不同于根据本发明使用的成形磨粒的磨粒。
如本发明所用，术语“硬质材料”旨在指通常可表征为具有3500kgf/mm2或更小(通常约1500至约3000kgf/mm2)的努普硬度的材料。
如本发明所用，术语“超硬质材料”旨在指通常可表征为具有大于3500kgf/mm2(通常约4000至约9000kgf/mm2)的努普硬度的材料。
如本发明所用，术语“超级磨料”旨在指通常可表征为具有4500或大于4500kgf/mm2(通常4700至约9000kgf/mm2)的努普硬度的磨料。
大多数氧化物陶瓷具有在1000至1500kgf/mm2(10-15GPa)范围内的努普硬度，并且多种碳化物超过2000kgf/mm2(20GPa)。用于确定努普硬度的方法在ASTM C849、C1326和E384中规定。
根据本发明，已令人惊讶地发现，包含如本文所述的成形磨粒以及粘结介质的陶瓷粘结磨料组合物可提供粘结磨料制品，其中粘结介质包括陶瓷粘结剂，所述粘结磨料制品能精确地表现出包括表面特征结构的表面轮廓，其中表面特征结构的尺寸在现有的发明之前被认为无法使用如本文所述的相对颗粒尺寸获得。更具体地讲，已令人惊讶地发现，尽管使用了比通常教导的晶粒尺寸大的颗粒尺寸(即，通常教导的颗粒尺寸比表面轮廓中待(再)生成的表面特征结构的尺寸小至少约一个数量级)，粘结磨料制品的表面轮廓可包括相对小的表面特征结构。
根据本发明，可提供粘结磨料制品，其在其表面(通常是其有效表面)的至少一部分上具有包括至少一个表面特征结构的表面轮廓，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。如参考本发明的所有方面在本发明中所用，术语“相同数量级”在相当广泛的意义上来讲仅仅排除在本发明之前所教导的不同的尺寸差异。适用于本发明的尺寸差异可涵盖比先前认为所需的小得多的尺寸差异，包括但不限于小至0.1(或甚至小于0.1)、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0，但至多达4、5、6、7、8或9的尺寸差异因子，具体取决于预期的磨削应用。例如，在实施例中，合适的因子的范围可为约0.1至约3，优选地0.1至约2.5，或更优选地约0.1至约2.0。在其他实施例中，合适的因子的范围可在大于约2.5至约4或至约5，优选地大于约3至约4或至约5，并且，甚至在另外的实施例中，可使用大于4或5至约9，诸如大于4或5至约7的因子。
就举例说明而言，因子为0.5是指所述成形磨粒的最大尺寸是所关注的所述表面特征结构的尺寸的两倍大。因子为1.0是指所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构的尺寸大致相等。因子为2是指所述成形磨粒的最大尺寸是所述凸形表面特征结构的尺寸的一半。
如本发明所用，术语“尺寸”是指长度方面的特征，即，给尺寸加上一个单位来描述一段纵向距离(示例性例子包括但不限于长度、高度、宽度、半径)，与(例如)角度形成对比。
所关注的表面特征结构的尺寸优选地与凸形表面特征结构相关，如本文所定义。用于与所述成形磨粒的最大尺寸进行比较的表面特征结构(优选地为凸形表面特征结构)没有特别限制，并且可基于预期磨削应用及期望的最终工件轮廓进行选择。示例性例子包括但不限于表面特征结构的(最大)宽度、表面特征结构的(最大)高度、或表面轮廓的深度以及尤其是代表表面特征结构锐度的半径，诸如转角半径R(corner)或顶端半径R(tip)。
根据本发明的表面特征结构和颗粒的相对尺寸致使表面特征结构(通常为凸形表面特征结构)通常包括数量相对有限的单独成形磨粒，然而在常规的粘结磨料制品中，表面轮廓特征结构组成了大量具有极细颗粒尺寸(如上所述)的单独颗粒的总和。根据本发明，可基于本领域一般熟知的测量方法测定单独颗粒的数量，例如，通过提供合适横截面的合适图像(即，这个图像代表表面轮廓和所关注的表面特征结构，通常是凸形表面特征结构)并且简单统计组成表面特征结构的颗粒(即，这些颗粒中的大部分(即，超过约一半的颗粒)落入表面特征结构表示的区域内)的数量。对于具有倾斜侧壁的三棱柱(侧壁拔模角98度)形的成形磨粒，该三棱柱具有两个基本上平行的面，其中第一面包括中值尺寸为0.49mm的等边三角形，并且第二面也包括中值边长为0.415mm的等边三角形，两个面间的平均距离为0.095mm(即，如实例1中使用的指定为80+的颗粒)，由表面特征结构组成数量相对有限的单独颗粒可例如意指选自1至约200(个颗粒)中的任何整数，诸如1至约50，或1至约20，或更典型地1至约15，并且不限于这些例子。
同样，令人惊讶的是，根据本发明的表面特征结构和成形磨粒的相对尺寸，可以提供粘结磨料制品，其中凸形表面特征结构的高度的尺寸为成形磨粒的最大尺寸的约0.1倍至约9倍，更典型地为成形磨粒的最大尺寸的约0.5倍至约4倍，甚至更典型地为成形磨粒的最大尺寸的约0.5倍至约3倍。优选地，凸形表面特征结构的高度的尺寸与所述成形磨粒的最大尺寸大致相同，即，高度的尺寸为所述成形磨粒的最大尺寸的约0.5倍至约1.5倍。
根据本发明的优选实施例，所述凸形表面特征结构表现出顶端半径R(tip)，其中所述顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤2Lmax。
本发明所反映的事实与本领域内先前通常了解的事实完全相反，原来认为表面轮廓特征结构(再)生成所需的颗粒尺寸比待(再)生成的特征结构的尺寸小至少约一个数量级。
在第一方面，本发明提供了用于制备陶瓷粘结磨料制品的陶瓷粘结磨料组合物(以下简称为“组合物”)。该组合物包含多个成形磨粒和粘结介质，该粘结介质包含陶瓷粘结剂。
用于本发明的成形磨粒各自包括相距厚度t的第一侧面和第二侧面，其中所述第一侧面包括具有第一几何形状的周边的第一面，其中所述厚度t等于或小于颗粒的最短边相关尺寸的长度。
该组合物适用于制备粘结磨料制品，其中所述磨料制品至少在其表面的一部分上表现出表面轮廓，该表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。所述表面特征结构通常是凸形表面特征结构。在优选的实施例中，所述凸形表面特征结构表现出顶端半径R(tip)，并且其中所述顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤2Lmax。更优选地，顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤Lmax，或更优选地R(tip)≤0.8Lmax或R(tip)≤0.7Lmax或R(tip)≤0.6Lmax。甚至更优选地，顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤0.5Lmax或R(tip)≤0.4Lmax。在最优选的情况下，顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤0.35Lmax。
本文将根据粘结磨料制品来描述该组合物的特征。因此，在优选实施例中，成形磨粒、粘结介质、陶瓷粘结剂、表面轮廓、表面特征结构(优选地至少一个凸形表面特征结构)、凸形表面特征结构的高度、顶端半径R(tip)、转角半径R(corner)和所述粘结磨料制品是根据本发明(粘结磨料制品)的第二方面而定义的。
在第二方面，本发明提供了包括多个成形磨粒和粘结介质的粘结磨料制品，所述粘结介质包含陶瓷粘结剂。所述制品至少在其表面的一部分上表现出表面轮廓，该表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。所述表面特征结构优选地为凸形表面特征结构。在优选实施例中，所述凸形表面特征结构表现出顶端半径R(tip)，其中所述顶端半径R(tip)等于或小于所述成形磨粒的最大尺寸Lmax。
术语“轮廓”通常是本领域所熟知的，是指表面形状的或多或少复杂的外形。如本发明所用的术语“表面轮廓”是指有效表面的至少一部分(即，在施加最终工件形状的过程中有效的表面的部分)上的有效表面轮廓。粘结磨料制品的有效表面轮廓至少部分地以及优选地基本上对应于最终工件轮廓。有效表面轮廓通常沿着预期磨削运动方向为基本上相同，诸如沿着磨轮的圆周表面。
数学上，粘结磨料制品的实际表面轮廓可被想象为二维曲线，该曲线是通过假想地将穿过该制品的平面相交而形成横截面来获得，该横截面代表粘结磨料制品的有效表面。就举例说明而言，粘结磨料磨轮的表面轮廓大致可被想象为二维曲线，该曲线是通过将穿过旋转轴(大多数情况下对应于磨轮轴)的平面与磨轮的有效表面(即，磨轮的圆周表面)相交而获得。
在最理想和最优选的情况下，实际表面轮廓在每个可能的相交位置都相同，事实上，实际表面轮廓可能会随着横截面可能的位置的不同而有轻微的不同，这(例如)是由多种因素引起的，诸如表面中存在的孔。
有效表面轮廓可大致被想象为上文含义内所有可能的假想相交的总和的有效平均，这些假想相交意为实际表面轮廓(在制品的整个有效表面区域上)的固有/包络曲线。换句话讲，为了实现表面轮廓特征结构的尺寸，通常不考虑会导致实际表面轮廓与有效表面轮廓不同的因素(例如，表面中存在的孔)。
表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。
如本文所用，术语“表面特征结构”是指由粘结磨料制品的表面轮廓组成的形状特征结构。凸形表面特征结构是指相对于所述特征结构的环境凸起的特征结构。凹形表面特征结构是指相对于所述特征结构的环境凹陷的特征结构。从数学的角度来看，凸形表面特征结构是指轮廓的包括最高点的部分，并且凹形表面特征结构是指轮廓的包括最低点的部分。通常，表面特征结构由粘结磨料制品的表面轮廓组成，该粘结磨料制品在最终工件轮廓中具有对应的(通常是互补)的配对表面特征结构。例如，由表面轮廓组成的凸形表面特征结构通常在最终工件轮廓中具有对应的凹形配对结构。
用于与成形磨粒的最大尺寸进行比较的表面特征结构(优选地为凸形表面特征结构)没有特别限制，而且可例如基于磨削应用及期望的最终工件轮廓进行选择。表面特征结构的示例性例子包括但不限于表面特征结构的(最大)宽度、表面特征结构的(最大)高度(或深度)、转角半径或顶端半径R(tip)，其中优选的示例性例子选自转角半径、顶端半径、以及一个或更多个转角半径与顶端半径的组合。
可基于轮廓的外形容易地确定表面特征结构的高度。通常，高度是凸形表面特征结构具有的最高点与基线之间的距离，该基线可为连接相邻两个最低处的线。在典型情况下，凸形表面特征结构的高度可对应于表面轮廓的深度。
也可基于轮廓的外形容易地确定表面特征结构的宽度。通常，表面特征结构的宽度为表面特征结构例如在表面特征结构的假想基线处的最大距离。
转角半径涉及可配合到表面特征结构的包括转角的部分的最小曲率半径。虽然顶端区域包括表面特征结构的最高点，如本文所用的转角区域旨在指除包括一个转角的顶端区域以外的任何区域。因此，转角区域通常位于表面特征结构的侧翼。转角区域的示例性例子在例如图3的形式39、39E、B、C或M中示出。除了顶端半径或者代替顶端半径，可存在转角半径。除了一个或多个转角半径之外还可包括顶端半径的轮廓的例子包括但不限于阶梯轮廓。粘结磨料制品的表面轮廓中的转角半径R(corner)通常在最终工件轮廓中具有对应的互补转角半径R(corner)’。
在典型的情况下，可从下列图案选择表面轮廓，该图案包括但不限于脊、脊和谷的图案、三角形峰、三角形曲线、正弦曲线、以及本领域已知的其他图案。
凸形表面特征结构一般包括两个侧翼(侧面)，所述侧翼围出凸形表面特征结构的顶端区域。顶端区域通常包括凸形表面特征结构的最高点。顶端区域旨在泛指凸形表面特征结构与两侧或两翼相连接的表面轮廓部分，而非旨在限于所述区域的任何特定轮廓形状。因此，顶端区域可等效地包括更圆或更平坦的表面特征结构，以及更尖的表面特征结构，只要满足根据本发明的尺寸关系，并且更优选地，只要这些特征结构的特征可在于本发明的顶端半径。
侧翼的性质没有特别限制。例如，两侧翼可为相同的也为不同的。同样，两侧翼可关于凸形表面特征结构(如本文所定义的)的纵向轴线相互对称，或者它们可具有不会导致两侧翼之间的任何类型的对称的形状。
例如，两侧翼可为基本上直线，在此情况下顶部区域将包括开始部分，在开始部分该基本上直线转变为包括凸形表面特征结构的最高点的曲线。
两侧翼可相对下降以便包括角ε，尽管这不是必须的。在其他实施例中，两侧翼可基本上互相平行(这在本文中定义为对应于约0°的角ε°)。原则上，角ε不受限制，只要它形成可用于预期磨削应用的几何结构。在典型情况下，角ε被选择为小于约100°，更典型地小于约85°，或者甚至更典型地约90°或更小。在优选的情况下，角ε被选择为在约28°至约82°的范围内，更优选地约33°至约65°，甚至更优选地约55°至约63°。然而，这些范围不应理解为是限制性的，因为甚至在其他优选的实施例中，角ε可例如被选择为在约25°至约45°的范围内。在甚至其他实施例中，可能期望的是具有基本上对应于(优选地等于)29°、30°、35°、45°、55°、60°、80°或90°的角度。
角ε通常对应于最终工件轮廓中的角ε’，其例子包括但不限于螺纹角(介于螺纹相邻侧翼之间的角)，或者介于齿轮相邻侧翼之间的角。
图3示出了示例性凸形表面特征结构。关于图3示出的示例性图片，应当理解，这些示意图未按比例绘制，并且V、W、R、U、X以及J代表的变量可采用任何符合根据本发明的尺寸要求的值，诸如关于顶端半径、转角半径或表面特征结构高度的优选尺寸关系。
根据优选的示例性例子，凸形表面特征结构选自符合任何标准磨轮面的凸形表面特征结构，所述标准磨轮面满足DIN ISO 525:2000的要求，诸如图3所示的标准磨轮面B、C、D、E、F、M、N、P。关于图3，形式1E的磨轮可指标准形式1的磨轮，其包括符合磨轮面E的凸形表面特征结构；或者形式39E的磨轮可指标准形式39的磨轮，其包括符合磨轮面E的凸形表面特征结构。根据本发明，合适的凸形表面特征结构还包括非标准型的面形态。
如本文所用，术语“顶端半径”或“R(tip)”一般是指可配合到顶端区域的最小曲率半径，顶端区域即表面轮廓的包括凸形表面特征结构的最高点的部分。
顶端半径R(tip)通常对应于最终工件轮廓中的根部半径R(root)，诸如螺纹或齿轮的根部半径。然而，术语“根部半径”不限于这些示例性工件，它旨在指可根据本发明赋予的任何种类的工件轮廓(根据最终工件轮廓及工件材料)。
优选地，顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤2Lmax。更优选地，有效顶端半径Re(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤Lmax，或更优选地R(tip)≤0.8Lmax或R(tip)≤0.7Lmax或R(tip)≤0.6Lmax。甚至更优选地，顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤0.5Lmax或R(tip)≤0.4Lmax。在最优选的情况下，顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(tip)≤0.35Lmax。
顶端半径可具有任何合适的绝对尺寸，其优选的绝对尺寸的范围为约0.01mm至约6.00mm，优选地约0.05mm至约3.00mm。
在其他优选的实施例中，所述粘结磨料制品的表面轮廓包括至少一个表面特征结构(通常为凸形表面特征结构)，该表面特征结构表现出转角半径R(corner)。优选地，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征也在于：R(corner)≤2Lmax。更优选地，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(corner)≤Lmax，或更优选地R(corner)≤0.8Lmax或R(corner)≤0.7Lmax或R(corner)≤0.6Lmax。甚至更优选地，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(corner)≤0.5Lmax或R(corner)≤0.4Lmax。在最优选的情况下，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于：R(corner)≤0.35Lmax。
除了顶端半径或者代替顶端半径，表面特征结构可表现出一个或多个转角半径。转角半径可具有任何合适的绝对尺寸，其优选的绝对尺寸的范围为约0.01mm至约6.00mm，优选地约0.05mm至约3.00mm。
根据本发明的优选实施例，所述表面轮廓至少部分是通过修整而赋予的(由粘结磨料制品的表面的至少一部分组成)。可如本领域已知的那样实现修整，例如通过使用具有比粘结磨料制品高的硬度的修整工具。通常，修整工具由超硬质材料(即，根据ASTM C849,C1326和E384，硬度高于3500kgf/mm2的材料)制成，诸如金刚石；并且可包括固定修整工具，诸如单点金刚石修整器、DiaformTM固定修整工具、多点金刚石修整器、金刚石刀片工具和MCD修整刀片或旋转修整工具诸如成形修整辊、PCD成形修整辊、金刚石修整盘、金刚石整形辊、金刚石半径修整辊及其他。可使用辊碎机通过磨轮表面修整实现旋转修整，辊碎机由钢诸如硬质工具钢或高速钢、或硬金属诸如碳化钨，或其他材料制成。
不受任何具体理论的束缚，据信本发明所用的成形磨粒在修整过程中不如常规使用的磨粒(诸如具有不规则形状及尺寸的分布的粉碎颗粒)那样容易从粘结剂中拉离。因此，据信颗粒本身能够参与到修整过程中来。相反，修整过程中被拉离粘结剂的颗粒不能自行修整，此外它们还会在其原始位置的部位处留下空位。
参与修整过程的颗粒通常特征在于它们具有至少一个表面，该表面的至少一部分被修整。经修整的表面与表面轮廓的邻近包括经修整颗粒的部位的那些部分一致。换句话讲，磨粒的经修整的表面部分形成了粘结磨料制品的表面轮廓的一部分。经修整的表面部分可由此有助于粘结磨料制品的表面轮廓的精度。优选地，粘结磨料制品因此还包括经修饰的成形磨粒，该成形磨粒具有经修饰的形状，其中所述经修饰的形状能够通过修整所述成形磨粒的初始形状得到。经修饰的形状的特征在于其表面的至少一部分上包括被修整的表面部分。磨粒的经修整的表面部分优选地形成了粘结磨料制品的表面轮廓的一部分。优选地，经修整的表面部分有助于粘结磨料制品的表面轮廓的精度。甚至更优选地，经修整的表面部分有助于一个或多个表面特征结构的精度(例如，选自宽度、高度、转角半径以及顶端半径的一个或多个表面特征结构)，并且尤其有助于凸形表面特征结构的任何顶端和/或转角区域的精度。
因此，优选地，所述经修饰的成形磨粒的至少一部分、并且更优选地其主要部分、甚至更优选地基本上其全部都有助于所述表面特征结构的精度。
优选地，所述有帮助的经修饰的成形磨粒位于凸形表面特征结构的顶端区域或其附近，并且/或者位于凸形表面特征结构的一个或更多转角区域。
至少一个凸形表面特征结构的具体形状没有限制。可基于所需磨削应用以及预期的最终工件轮廓来选择形状。通常，粘结磨料制品的表面轮廓中包括的凸形表面特征结构对应于最终工件轮廓中的凹形表面特征结构。
在典型情况下，凸形表面特征结构可具有纵向轴线(但这不是必须的要求)。“纵向轴线”应当理解为是一条延伸自假想基线的轴线，该基线可被拉延至凸形表面特征结构并穿过其顶端区域(即，围绕凸形表面特征结构的最高点的区域)。
所述凸形表面特征结构的形状关于所述纵向轴线对称。在其他实施例中，所述凸形表面特征结构的形状不关于所述纵向轴线对称。
典型的凸形表面特征结构的例子包括但不限于脊、顶端、转角、边缘、以及其他凸形表面轮廓元件。
轮廓可包括单个凸形表面特征结构(诸如在单肋磨削轮的情况下)。然而在其他情况下，轮廓可包括多个所述凸形表面特征结构(例如，在多肋磨削轮的情况下)，多个所述凸形表面特征结构选自凸形表面特征结构的两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或甚至更多个(例如，多至350个)凸形表面特征结构。
当表面轮廓包括多个凸形表面特征结构时，所述特征结构可彼此相同或不同。例如，所述多个凸形表面特征结构可包括第一多个第一凸形表面特征结构以及第二多个第二凸形表面特征结构，其中由第一多个凸形表面特征结构组成的表面特征结构不同于由第二多个凸形表面特征结构组成的表面特征结构。
用于本发明的所有方面的成形磨粒可为如下所述：
用来制备具有特定形状的磨粒的三种基本技术为(1)熔融、(2)烧结和(3)化学陶瓷。可使用这些基本技术中的任一者或这些技术中的二者或所有的任何组合，以便提供用于本发明的成形磨粒。
可制成本发明的成形磨粒的材料包括已知适合用作磨粒的任何合适的硬质或超硬质材料。
因此，在一个实施例中，成形磨粒包括硬质磨料。在另一个实施例中，成形磨粒包括超硬质磨料。在另一个实施例中，成形磨粒包括硬质材料和超硬质材料的组合。
合适的磨料的具体例子包括已知的陶瓷材料、碳化物、氮化物以及其他硬质材料和超硬质材料，诸如氧化铝(例如α氧化铝)材料(包括熔融、热处理、陶瓷和烧结氧化铝材料)、碳化硅、二硼化钛、氮化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、金刚石、立方氮化硼(CBN)、石榴石、氧化铝-氧化锆、溶胶-凝胶法制备的磨粒、氧化铈、氧化锆、氧化钛或它们的组合。
上述中最可用的材料通常是基于氧化铝的，并且在遵循本发明的特定说明中，可具体地结合氧化铝示出。然而，应当理解本发明不限于氧化铝，而是能够适于与多种不同的硬质材料和超硬质材料一起使用。
对于用于制备成形磨粒的三种基本技术(即，熔融、烧结和化学陶瓷技术)，在本发明中，成形磨粒可基于通过这些技术中的任一者制备的一种或多种材料，即基于一种或多种熔融材料、烧结材料或陶瓷材料，其中优选的材料为氧化铝(优选地α氧化铝)。换句话讲，根据本发明的优选的成形磨粒基于氧化铝，即此类颗粒由氧化铝组成，或包含大部分的氧化铝，诸如例如基于磨粒的总重量计，大于50重量％，例如55重量％至100重量％，或60重量％至80重量％，更优选地85重量％至100重量％。其余部分可包含不会减损充当磨料的成形磨粒的任何材料，包括(但不限于)前面描述的硬质和超硬质材料。在一些优选的实施例中，成形磨粒由100％氧化铝组成。在另一个优选的实施例中，成形磨粒包含至少60重量％的氧化铝或至少70重量％的氧化铝。可用的成形磨粒可例如包括但不限于这样的磨粒，其包含绝大部分(例如50重量％或更多，优选地55重量％或更多)熔融氧化铝和小部分(例如，小于50重量％，优选地小于45重量％)不同于熔融氧化铝的磨料(例如氧化锆)。
使用磨粒(其中成形磨粒在其表面的至少一部分上包括表面涂层)也涵盖在本发明的范围内。表面涂层可例如包括无机颗粒。成形磨粒上的表面涂层可用于改善磨料制品中成形磨粒与粘结剂材料之间的粘附力，或者可用于帮助成形磨粒的静电沉积。在一个实施例中，可使用美国专利5,352,254(Celikkaya)中描述的表面涂层，相对于成形磨粒的重量，表面涂层的量为0.1％至2％。此类表面涂层在美国专利5,213,591(Celikkaya等人)；5,011,508(Wald等人)；1,910,444(Nicholson)；3,041,156(Rowse等人)；5,009,675(Kunz等人)；5,085,671(Martin等人)；4,997,461(Markhoff-Matheny等人)；以及5,042,991(Kunz等人)中有所描述。另外，表面涂层可防止成形磨粒封堵。“封堵”这一术语用来描述来自正在研磨的工件的金属颗粒熔焊在成形磨粒的顶部的现象。具有上述功能的表面涂层对本领域的技术人员而言是已知的。
在本发明中，优选的是使用由化学陶瓷技术制备的成形磨粒，即陶瓷成形磨粒。然而，本发明不限于此类颗粒的使用。
在一个实施例中，陶瓷成形磨粒包含α氧化铝，即该颗粒为基于α氧化铝的陶瓷成形颗粒。
在一个实施例中，陶瓷成形磨粒包含溶胶-凝胶法制备的基于氧化铝的磨粒。通过加晶种和通过未加晶种的溶胶-凝胶法制备的基于氧化铝的磨粒二者可合适地根据本发明使用。然而，在某些情况下，可能优选的是使用通过未加晶种的溶胶-凝胶法制备的基于氧化铝的磨粒。
本发明的成形磨粒各自具有基本上精确成形的三维形状。通常，成形磨粒总体上具有预先确定的几何形状，例如基本上复制用于形成该成形磨粒的模具腔的几何形状。
优选地，成形磨粒可表征为薄主体。如本文所用，使用术语薄主体以便区别于细长或丝状颗粒(诸如磨棒)，其中一个颗粒尺寸(长度，最长颗粒尺寸)基本上大于其他两个颗粒尺寸(宽度和厚度)中的每一个，这与用于本发明的颗粒形状相反，在本发明中三个颗粒尺寸(如本文所定义的长度、宽度和厚度)具有相同的数量级，或两个颗粒尺寸(长度和宽度)基本上大于其余的颗粒尺寸(厚度)。常规的丝状磨粒可通过纵横比来表征，即长度(最长的颗粒尺寸)与最大的横截面尺寸(垂直于长度的最大的横截面尺寸)的比率为约1:1至约50:1，优选地为约2:1至约50:1，更典型地大于约5:1至约25:1。此外，此类常规的丝状磨粒通过不沿着长度而变化的横截面形状(垂直于该颗粒的长度或最长尺寸截取的横截面的形状)来表征。
相比之下，根据本发明的成形磨粒通常可通过沿着颗粒的长度而变化的横截面形状来表征。变化可基于横截面形状的尺寸或横截面形状的形式。
磨粒通常各自包括相距厚度t的第一侧面和第二侧面。第一侧面通常包括(并且更典型地为)具有第一几何形状的周边的第一面(在典型情况下为平坦的)。
优选地，所述厚度t等于或小于颗粒的最短边相关尺寸的长度(颗粒的第一侧面和第二侧面的最短尺寸；颗粒的最短边相关尺寸的长度在本文中还可称为颗粒的最短面尺寸的长度)。
在典型情况下，第二侧面包括与第一侧面相距厚度t的顶点，或第二侧面包括与第一侧面相距厚度t的脊线，或第二侧面包括与第一侧面相距厚度t的第二面。例如，第二侧面可包括顶点和使顶点与第一面的周边连接的至少一个侧壁(示例性例子包括棱锥形磨粒，例如四面体形磨粒)。另选地，第二侧面可包括脊线和使脊线与第一面的周边连接的至少一个侧壁(示例性例子包括屋顶形颗粒)。另选地，第二侧面可包括第二面和使第二面与第一面连接的至少一个侧壁(其可为倾斜侧壁)(示例性例子包括三棱柱或截棱锥)。
根据本发明的不同成形磨粒的共混物可在本发明的粘结磨料制品中使用。成形磨粒的共混物可包含根据本发明的第一多个成形磨粒和根据本发明的第二多个成形磨粒，其中第一多个的颗粒不同于第二多个。差别可例如基于磨粒的形状或等级或化学组成来选择。
厚度t可相同(例如在其中第一侧面和第二侧面包括平行平坦面的实施例中)或随颗粒的平坦构型而变化(例如在其中第一侧面和第二侧面中的一者或二者包括非平坦面的实施例中，或在其中第二侧面包括顶点或脊线的实施例中，如本文随后更详细地讨论)。
在大多数情况下，成形磨粒的最短边相关尺寸的长度与成形磨粒的厚度的比率为至少1:1，但可在1:1至10:1，更优选地2:1至8:1，以及最优选地3:1至6:1的范围内。该比率在本文中还称为主纵横比。
颗粒的厚度的尺寸无特别限制。例如在典型情况下，厚度可为约5微米或更大，或约10微米或更大，或约25微米或更大，或约30微米或更大，或甚至约200微米或更大。大颗粒的厚度的上限可选择为约4mm或更小，或约3mm或更小，或约1600微米或更小，或约1200微米或更小，或约100微米或更小，或约500微米或更小，或约300微米或更小，或甚至约200微米或更小。
成形磨粒通常被选择为具有在0.001mm至26mm的范围内的长度，更典型0.1mm至10mm的范围内的长度，并且更典型0.5mm至5mm的范围内的长度，但是也可使用其他长度。在一些实施例中，长度可被表示为包含磨粒的粘结磨料制品的厚度的一部分。例如，成形磨粒可具有大于所述粘结磨料轮的厚度的一半的长度。在一些实施例中，所述长度可大于所述粘结磨料轮的厚度。
成形磨粒通常被选择为具有在0.001mm至26mm的范围内的宽度，更典型0.1mm至10mm的范围内的宽度，并且更典型0.5mm至5mm的范围内的宽度，但是也可使用其他尺寸。
在优选实施例中，所述成形磨粒的最大尺寸(或长度)选自约50μm至2650μm的范围，更典型地选自约100μm至约1400μm的范围。
成形磨粒可具有各种体积纵横比。体积纵横比定义为穿过体积重心的最大横截面积除以穿过该重心的最小横截面积的比率。
对于某些形状而言，最大或最小横截面可以是相对于该形状的外部几何形状倾斜、成角度或偏斜的平面。例如，球体的体积纵横比将为1.000而立方体的体积纵横比将为1.414。每个侧边等于长度A并且均匀厚度等于A的等边三角形形式的成形磨粒的体积纵横比将为1.54，而如果该均匀厚度减至0.25A，则体积纵横比增加至2.64。据信具有较大体积纵横比的成形磨粒具有增强的切割性能。
在本发明的各种实施例中，成形磨粒的体积纵横比可为大于约1.15、或大于约1.50、或大于约2.0，或介于约1.15至约10.0之间、或介于约1.20至约5.0之间、或介于约1.30至约3.0之间。
磨粒优选地呈具有各种三维形状的薄三维主体的形状。典型的例子包括为平三角形，平矩形，具有向内成形(例如凹陷或凹形)的至少一个面、更优选地两个面的平三角形形式的颗粒(通常为薄主体，但并非绝对一定)，如本文随后更详细地讨论。
第一侧面通常包括(并且更典型地为)具有第一几何形状的周边的第一面。
例如，第一几何形状可选自具有至少一个顶点、更典型地两个或更多个、优选地三个或更多个、最优选地三个或四个顶点的几何形状。
具有至少一个顶点的几何形状的合适的例子包括多边形(包括等边、等角、星形、规则和不规则的多边形)、透镜形状、半月形形状、圆形形状、半圆形形状、椭圆形形状、扇形、圆弓形、水滴形状和内摆线(例如超椭圆形)。优选的例子选自多边形。
合适的多边形几何形状的具体例子包括三角形形状和四边形形状(例如正方形、矩形、菱形、长菱形、梯形、风筝形、或超椭圆形)。
合适的四边形形状的顶点可进一步分为与纵向轴线相交的一对相对的主顶点和位于纵向轴线的相对侧上的一对相对的次顶点。包括具有该类型四边形形状的第一侧面的成形磨粒的特征在于沿着纵向轴线的最大长度除以横向于纵向轴线的最大宽度的纵横比为1.3或更大、优选地1.7至约5。该纵横比在本文中也称为次纵横比。
在一些实施例中，尤其优选的是第一几何形状选自三角形形状，诸如等腰三角形形状，或更优选地等边三角形形状。
在其他实施例中，第一几何形状选自四边形形状，优选地选自正方形、矩形、菱形、长菱形、梯形、风筝形、或超椭圆形，更优选地选自矩形、菱形、长菱形、风筝形或超椭圆形。
出于本发明的目的，几何形状还旨在包括规则或不规则多边形或星形，其中一条或多条边(面的周边部分)可为弓形(朝向内部或朝向外部，其中第一替代形式为优选的)。因此，出于本发明的目的，三角形形状还包括其中一个或多个边(面的周边部分)可为弓形的三边多边形，即，三角形的定义扩大到球面三角形，四边形的定义扩大到超椭圆形。
第二侧面可包括(并且优选地为)第二面。第二面可具有第二几何形状的周边。
第二几何形状可与第一几何形状相同或不同。优选地，第二几何形状被选择为具有与第一几何形状基本上相同的形状，并且优选地以全等于第一几何形状的方式排列(但几何形状的大小或面积可不同，即一个面可大于另一个)。
换句话讲，如本文所用，术语“基本上相同的形状”或“基本上等同的形状”旨在包括其中所述形状包围的区域可具有不同尺寸的情况。
如本文所用，对于基本上相同的第一几何形状和第二几何形状的优选情况，术语“以全等于第一几何形状的方式排列”旨在包括其中第一几何形状和第二几何形状彼此相对稍微旋转的情况，但优选的是所述基本上相同的第一几何形状和第二几何形状完全对齐或仅彼此相对稍微旋转。度数(或旋转角度)取决于第一面和第二面的具体几何形状以及颗粒的厚度。可接受的旋转角度可在0至+/-30度，优选地0至+/-15，更优选地0至+/-10度的范围内。最优选地，旋转角度为约0度(例如0+/-5度)。
第二面的周边的合适几何形状的例子包括上文针对第一几何形状所例示的形状。
尤其优选的是，第一几何形状并且优选地同样第二几何形状选自三角形形状，诸如等腰三角形形状，或更优选地等边三角形形状。
第一面可基本上是平坦的，或第二面(如果存在)可基本上是平坦的。另外，两个面可基本上是平坦的。在多种典型情况下，第一面为平坦的(并且与第一侧面相同)。
另选地，第一面和第二面(如果存在)中的至少一者可为非平坦的。另外，两个面均可为非平坦的。
例如，第一面和第二面(如果存在)中的一者或二者可向内成形(例如凹陷或凹形)，或可向外成形(例如凸形)。
例如，第一面(或第二面，如果存在)可向内成形(例如凹陷或凹形)，并且第二面(如果存在，或第一面)可基本上是平坦的。另选地，第一面(或第二面，如果存在)可向外成形(例如凸形)并且第二面(如果存在，或第一面)可向内成形(例如凹陷或凹形)，或者，第一面可向内成形(例如凹陷或凹形)并且第二面(如果存在)也可向内成形(例如凹陷或凹形)。
第一面和第二面(如果存在)可基本上彼此平行。或者，第一面和第二面(如果存在)可不平行，例如使得与每个面相切的虚线相交于点(如其中一个面相对于另一个面倾斜的示例性情况)。
第二面通常通过至少一个侧壁连接到第一面的周边，该侧壁可为倾斜侧壁，如随后更详细地讨论。侧壁可包括一个或多个小面，其通常选自四边形小面。
具有第二面的成形颗粒的具体例子包括棱柱(例如三棱柱)和截棱锥。
在一些实施例中，第二侧面包括第二面和形成侧壁(侧壁和第二面之间的拔模角α等于90度)或者倾斜侧壁(侧壁和第二面之间的拔模角α大于90度)的四个小面。当拔模角α大于90度时，随着具有倾斜侧壁的成形磨粒的厚度t变大，该成形磨粒类似于截棱锥。
成形磨粒可包括至少一个侧壁，其可为倾斜侧壁。通常，第一面和第二面通过至少一个侧壁彼此连接。
在其他实施例中，脊线和第一面通过所述至少一个侧壁彼此连接。
在甚至其他实施例中，顶点和第一面通过所述至少一个侧壁彼此连接。
在一些实施例中，可存在多于一个(例如两个或三个)倾斜侧壁，并且每个倾斜侧壁的倾斜度或角度可相同或不同。在一些实施例中，第一面和第二面通过侧壁彼此连接。在其他实施例中，对于颗粒而言侧壁可最小化，其中面逐渐变细为其交汇的薄边或点，而不是具有侧壁。
侧壁可变化，并且其通常形成第一面和第二面(如果存在)的周边。就倾斜侧壁而言，其形成第一面的周边和第二面(如果存在)的周边。在一个实施例中，第一面和第二面的周边被选择为具有几何形状(优选地三角形形状)，并且第一面和第二面被选择为具有相同的几何形状，但它们在尺寸上可不同，其中一个面的尺寸大于另一个面。
可改变成形磨粒的第二面与倾斜侧壁之间的拔模角α，以改变每一个面的相对尺寸。在本发明的各种实施例中，第一面的面积或尺寸与第二面的面积或尺寸为基本上相等的。在本发明的其他实施例中，第一面或第二面可比另一个面更小。
在本发明的一个实施例中，拔模角α可为约90度，使得全部两个面的面积为基本上相等的。在本发明的另一个实施例中，拔模角α可大于90度，使得第一面的面积大于第二面的面积。在本发明的另一个实施例中，拔模角α可小于90度，使得第一面的面积小于第二面的面积。在本发明的各种实施例中，拔模角α可介于约95度至约130度之间、或介于约95度至约125度之间、或介于约95度至约120度之间、或介于约95度至约115度之间、或介于约95度至约110度之间、或介于约95度至约105度之间、或介于约95度至约100度之间。
第一面和第二面也可通过具有第一拔模角的至少第一倾斜侧壁以及通过具有第二拔模角(选择为与第一拔模角不同的值)的第二倾斜侧壁彼此连接。此外，第一面和第二面还可通过具有第三拔模角(与其他两个拔模角的值均不同)的第三倾斜侧壁连接。在一个实施例中，第一拔模角、第二拔模角和第三拔模角的值均互不相同。例如，第一拔模角可为120度，第二拔模角可为110度，并且第三拔模角可为100度。
类似于具有一个倾斜侧壁的磨粒的情况，具有倾斜侧壁的成形磨粒的第一倾斜侧壁、第二倾斜侧壁和第三倾斜侧壁可变化，并且它们通常形成第一面和第二面的周边。
一般来讲，介于成形磨粒的第二面和相应的倾斜侧壁之间的第一拔模角、第二拔模角和第三拔模角可变化，其中所述拔模角中的至少两个的值不同，并且有利地所有三个值均不同。在本发明的各种实施例中，第一拔模角、第二拔模角和第三拔模角可为介于约95度至约130度之间、或介于约95度至约125度之间、或介于约95度至约120度之间、或介于约95度至约115度之间、或介于约95度至约110度之间、或介于约95度至约105度之间、或介于约95度至约100度之间。
倾斜侧壁也可通过半径R，而不是拔模角α定义(如美国专利申请2010/0151196的图5B中所示)。侧壁中的每一个的半径R可变化。
另外，成形磨粒的各种倾斜侧壁可具有相同的拔模角或不同的拔模角。此外，90度的拔模角可用于一个或多个侧壁上。然而，如果具有倾斜侧壁的成形磨粒是所需的，则侧壁中的至少一个为具有约大于90度、优选地95度或更大的拔模角的倾斜侧壁。
侧壁可精确成形，并且可为例如凹形或凸形。另选地，侧壁(顶部表面)可为均匀平坦的。所谓“均匀平坦的”是指侧壁不具有从一面向另一面凸出的区域、或从一面凹向另一面的区域。例如，侧壁表面的至少50％、或至少75％、或至少85％或更多可为平坦的。均匀的平坦侧壁可提供更好限定(更尖锐)的边缘，侧壁在此处与第一面和第二面相交，并且据信这还可增强磨削性能。
侧壁还可包括一个或多个小面，其通常选自三角形小面和四边形小面、或三角形小面和四边形小面的组合。
第一侧面和侧壁之间的角度β可介于20度至约50度之间、或介于约10度至约60度之间、或介于约5度至约65度之间。
第二侧面可包括脊线。脊线通常通过至少一个侧壁连接到第一面的周边，该侧壁可为倾斜侧壁，如上文所讨论。侧壁可包括一个或多个小面，其通常选自三角形小面和四边形小面、或三角形小面和四边形小面的组合。
脊线可基本上平行于第一侧面。另选地，脊线可不平行于第一侧面，例如使得与脊线相切的假想线与第一侧面相交于点(如其中脊线相对于第一面倾斜的示例性情况)。
脊线可为直线或非直线，如其中脊线包括弓形结构的示例性情况。
小面可为平坦或非平坦的。例如小面中的至少一个可为非平坦的，诸如凹形或凸形。在一些实施例中，所有小面可为非平坦的小面，例如凹形小面。
具有脊线的成形颗粒的具体例子包括屋顶形颗粒，例如WO2011/068714的图4A至4C中示出的颗粒。优选的屋顶形颗粒包括具有四坡顶或四坡屋顶形状(其中存在的任何侧壁小面从脊线向下倾斜至第一侧面的屋顶类型)的颗粒。四坡屋顶通常不包括竖直侧壁或小面。
在一些实施例中，第一几何形状选自具有四条边和四个顶点的四边形(例如选自菱形、长菱形、风筝形或超椭圆形)，并且第二侧面包括脊线和四个形成类似于四坡顶的结构的小面。因此，两个相对小面将具有三角形形状并且两个相对小面将具有梯形形状。
第二侧面可包括顶点以及使顶点与第一面的周边连接的至少一个侧壁。所述至少一个侧壁可为倾斜侧壁，如上文所讨论。侧壁可包括一个或多个小面，其通常选自三角形小面。小面可为平坦或非平坦的。例如小面中的至少一个可为非平坦的，例如凹形或凸形。在一些实施例中，所有小面可为非平坦的小面，例如凹形小面。
示例性例子包括棱锥形颗粒，例如四面体形颗粒或如WO 2011/068714的图1A至1C和图2A至2C中示出的颗粒。
可控制成形磨粒的厚度t，以选择第一侧面与侧壁(或小面)之间的角度β。在本发明的各种实施例中，第一侧面与侧壁(或小面)之间的角度β可介于20度至约50度之间、或介于约10度至约60度之间、或介于约5度至约65度之间。
在典型的实施例中，第二侧面包括顶点和侧壁，所述侧壁包括形成棱锥的三角形小面并且更典型地由形成棱锥的三角形小面组成。侧壁所构成的小面的数量将取决于第一几何形状中存在的边的数量(限定第一面的周边)。例如，具有通过三边形第一几何形状来表征的第一侧面的棱锥形磨粒将通常具有三个三角形小面，它们交汇于顶点，由此形成棱锥，并且具有通过四边形第一几何形状来表征的第一侧面的棱锥形磨粒将通常具有四个三角形小面，它们交汇于顶点，由此形成棱锥等等。
在一些实施例中，第二侧面包括顶点和四个小面，从而形成棱锥。在示例性实施例中，成形磨粒的第一侧面包括四边形第一面，其具有四个边和四个顶点，其中所述四边形优选地选自菱形、长菱形、风筝形、或超椭圆形。第一面的周边的形状(即，第一几何形状)可优选地选自上述组，因为这些形状将产生具有沿着纵向轴线的相对的主顶点的成形磨粒，并且产生具有从横向轴线朝向每个相对主顶点逐渐变细的形状。
可通过选择颗粒的具体纵横比来控制锥体的角度，所述纵横比由沿着纵向轴线的最大长度L除以沿着与纵向轴线垂直的横向轴线的最大宽度W定义。对于逐渐变细的成形磨粒，该纵横比(在本文中也称为“次纵横比”)应大于1.0，这在一些应用中可为期望的。在本发明的各种实施例中，次纵横比介于约1.3至约10之间，或介于约1.5至约8之间，或介于约1.7至约5之间。当次纵横比变得太大时，成形磨粒可变得太脆弱。
在一些实施例中，可以如WO 2011/068714的图1中的虚线42所示略微截去顶点中的一个或多个并且将成形磨粒模制成这种构型。在这些实施例中，如果具有截头的边可被延伸而形成随后可使受权利要求书保护的四边形完整的一个或多个假想顶点，则第一侧面可被认为是受权利要求书保护的形状。例如，如果两个相对的主顶点均被截平，则所得形状仍将被视为是菱形，因为各边延伸过截头时可形成两个假想顶点，由此使第一侧面的菱形形状完整。
具有包括顶点的第二侧面的另一种示例性类别的成形磨粒为四面体成形颗粒。四面体形状通常包括通过六条共同边连接的四个主侧面，其中该四个主侧面之一接触该四个主侧面中的其他三个，并且其中该六条共同边具有基本上相同的长度。根据本文所用的定义，四面体形状可通过包括作为第一面的等边三角形的第一侧面，以及包括顶点和侧壁的第二侧面来表征，所述侧壁包括三个作为小面的等边三角形，它们使第一面与顶点连接，由此形成四面体。
四个主侧面中的至少一个(即由第一侧面和三个小面组成的组)可基本上是平坦的。四个主侧面中的至少一个可为凹形，或所有四个主侧面可为凹形。四个主侧面中的至少一个可为凸形，或所有四个主侧面可为凸形。
该实施例的成形颗粒通常具有四面体对称性。该实施例的成形磨粒优选地基本上成形为规则的四面体。
优选的是，成形磨粒包括至少一个选自如下的形状特征：开口(优选地延伸或穿过第一和第二侧面的开口)；至少一个凹陷(或凹形)面或小面；至少一个向外成形(或凸形)的面或小面；至少一个包括多个沟槽的侧面；至少一个破碎表面；低圆度系数(如本文随后所述)；第一面的周边，所述周边包括一个或多个具有尖锐顶端的转角点；第二侧面，所述第二侧面包括具有周边的第二面，所述周边包括一个或多个具有尖锐顶端的转角点；或一个或多个所述形状特征的组合。
在优选的实施例中，成形磨粒包括与第一面和任选地第二面的周边的基本上三角形形状组合的上述形状特征中的至少一个。
在其他优选的实施例中，成形磨粒包括与基本上四边形的第一几何形状组合的上述形状特征中的至少一个。
在其他优选的实施例中，成形磨粒包括两个或更多个(例如，三个、四个、五个或更多个)所述形状特征的组合。例如，磨粒可包括开口以及向外成形(或凸形)的第一面和凹陷的(或凹形)第二面；包括多个沟槽和低圆度系数的第二面；或开口以及向外成形(或凸形)的第一面和凹陷的(或凹形)第二面。
成形磨粒优选地具有第一面和任选地第二面的周边，所述周边包括一个或多个具有尖锐顶端的转角点。优选地，所有由周边构成的转角点具有尖锐顶端。成形磨粒优选地还具有沿着可存在于侧壁中的任何边(例如在两个由侧壁构成的交汇小面之间)的尖锐顶端。
转角点的锐度可通过沿着所述转角点的曲率半径来表征，其中半径延伸到周边的内侧。
在本发明的各种实施例中，曲率半径(在本文中也称为平均末端半径)可小于75微米，或小于50微米，或小于25微米。据信，更尖锐的边可在使用过程中促进对成形磨粒的更有力的切割以及改善的断裂。
较小的曲率半径意指，磨粒更完全地复制用于制备颗粒的模具的边或转角特征(即，颗粒的理想形状)，即成形磨粒更精确地制备。通常，通过使用所需形状的模具制备的成形磨料制品(具体地，陶瓷成形磨粒)提供比基于用于制备成形磨粒的其他方法(诸如基于冲压、穿孔或挤出的方法)更精确制备的颗粒。
成形磨粒可包括开口。开口可完全穿过第一侧面和第二侧面。另选地，开口可包括盲孔，其可不完全穿过两个侧面。
在一个实施例中，相对于第一面或第二面(如果存在)的周边限定的面积，开口的尺寸可大很多。
开口可包括几何形状，其可为与第一几何形状和第二几何形状相同或不同的几何形状。
开口面积除以第一面或第二面中较大者的面的面积得到的开口比率可介于约0.05至约0.95之间，或介于约0.1至约0.9之间，或介于约0.1至约0.7之间，介于约0.05至约0.5之间，或介于约0.05至约0.3之间。出于此计算的目的，面的面积基于由周边封闭的面积，而无需减去由于开口而产生的任何面积。
相比不带开口的实心成形磨粒，带开口的成形磨粒可具有若干有益效果。首先，与实心的成形磨粒相比，带开口的成形磨粒具有增强的切削速率。相对于面的尺寸具有较大开口的成形磨粒可具有增强的磨削性能。
开口的内表面可具有变化的轮廓。例如，内表面的形成轮廓可为平坦的、凸形的或凹形的，具体取决于用于制造具有开口的成形磨粒的直立模具元件的形状。另外，内表面可为楔形的，使得每个面中的开口的尺寸不同。优选的是内表面为楔形表面，使得开口在模具腔的顶部处较窄，而在模具腔的底部处较宽，以用于使成形磨粒最易于从模具中释放，并防止成形磨粒在干燥过程中破裂。
开口可选择为与第一周边具有基本上相同的形状。开口也可选择为与第一面的周边和第二面的周边具有基本上相同的形状。因此，具有开口的成形磨粒可包括多个棒的一体连接，所述棒在其相应端部处连接以形成闭合多边形，如例如美国专利申请公布2010/0151201的图1A或图5A中所示出。另选地，开口的形状可选择为不同于第一周边和任选地第二周边的形状，如例如美国专利申请公布2010/0151201的图5B中所示出。开口的尺寸和/或形状可变化，以更有效地执行不同的功能。在一个实施例中，开口的形状包括基本上三角形形状，更优选地等边三角形的形状。
带开口的成形磨粒的另一个特征可为极其低的堆密度，所述堆密度通过ANSIB74.4-1992Procedure for Bulk Density of Abrasive Grains(磨粒的堆密度测定程序)进行测定。由于开口可显著减小成形磨粒的质量，而不会减小其总体尺寸，因此所得的堆密度可为极其低的。此外，通过简单地改变颗粒中开口的尺寸和形状，可容易地改变和控制成形磨粒的堆密度。在本发明的各种实施例中，带开口的成形磨粒的堆密度可为小于1.35g/cm3、或小于1.20g/cm3、或小于1.00g/cm3、或小于0.90g/cm3。
成形磨粒可包括至少一个非平坦面。例如，第一面可为非平坦面，或者第一面和第二面中的二者可为非平坦面，或者第一面和第二面中的一者或二者可向内成形(例如凹陷或凹形)或向外成形(例如凸形)。
例如，第一面可向内成形(例如凹陷或凹形)，并且第二面可为基本上平坦的。另选地，第一面可向外成形(例如凸形)并且第二面可向内成形(例如凹陷或凹形)，或者，第一面可向内成形(例如凹陷或凹形)并且第二面也可向内成形(例如凹陷或凹形)。
向内成形的面(例如凹陷面)可包括基本上平坦的中心部分和多个凸角或上翘点。为了进一步表征此类面，成形磨粒的第一面的曲率可使用合适的图像分析程序(诸如得自田纳西州布伦特伍德的菲利普谢罗德(Phillip Sherrod,Brentwood,Tenn.)，从www.NLREG.com下载的非线性回归曲线拟合程序“NLREG”)通过拟合球体来测量。凹陷面可包括通过图像分析对凹陷面拟合的球体曲线的半径。当球体的中心垂直对齐在第一面24的中点之上时，半径可介于约1mm至约25mm之间，更优选地约1mm至约14mm之间，或介于约2mm至约7mm之间。在一个实施例中，对碟形磨粒拟合的球体的半径测量为2.0mm，在另一个实施例中为3.2mm，在另一个实施例中为5.3mm，并且在另一个实施例中为13.7mm。
在一个实施例中，磨粒可描述为碟形磨粒。一般来讲，碟形磨粒通常包括薄主体，该薄主体具有第一面和第二面，这两个面由具有变化的厚度t的侧壁分隔开。一般来讲，碟形磨粒的顶点或转角处的侧壁厚度较大，而边缘中点处的侧壁厚度则较薄。因此，Tm小于Tc。在一些实施例中，侧壁为具有大于90度的拔模角α的倾斜侧壁，如上文更详细地讨论。可存在多于一个倾斜侧壁，并且对于碟形磨粒的每个侧面而言，每个倾斜侧壁的倾斜度或拔模角可相同或不同，如上文所讨论。
在一些实施例中，第一面向内成形(例如凹陷)，并且第二面和侧壁基本上是平坦的。所谓凹陷的是指第一面的内部的厚度Ti薄于成形磨粒沿周边的部分的厚度。
如前所述，在一些实施例中，凹陷面可具有大致平坦的中心部分和多个上翘点或多个凸角。碟形磨粒的周边在介于上翘点或凸角之间的部分处可为平的或是直的，并且厚度Tc可远大于Tm。
在其他实施例中，凹陷的第一面为基本上凹形的，具有三个上翘点或凸角，并且具有基本上平坦的第二面(成形磨粒为平凹形)。Tc与Tm之间的差值较小，与其中第一面为凹陷的且第二面和侧壁为基本上平坦的实施例相比，从第一面的内部至每个上翘点可存在更渐进的过渡。凹陷面可由使用涉及如下步骤的制造方法所得到：在模具腔中加入溶胶-凝胶，并且形成弯月面，使第一面处于凹陷状态。如前所述，第一面可为凹陷的，使得所述点或凸角处的厚度Tc趋于大于第一面的内部的厚度Ti。因此，所述点或凸角升高至高于第一面的内部。
在本发明的各种实施例中，Tc/Ti的厚度比率可介于1.25至5.00之间、或介于1.30至4.00之间、或介于1.30至3.00之间。厚度比率可按照美国专利申请公布2010/0151195的[0036]中的描述计算。经测量，在一些实施例中，三角形碟形磨粒具有介于1.55至2.32之间的厚度比。经测量，通过美国专利5,366,523(Rowenhorst等人)中所公开的现有技术方法制备的三角形磨粒的厚度比为介于0.94至1.15之间，意即它们大致为平坦的，中部可能略厚或略薄。在95％置信度区间内，厚度比大于1.20的碟形磨粒在统计学上不同于Rowenhorst颗粒。
可改变第二面和碟形磨粒的侧壁之间的一个或多个拔模角α，以改变每个面的相对尺寸，如上文所述。
碟形磨粒的优选实施例为具有凹陷面的磨粒。拔模角α为约98度，并且碟形磨粒的周边包括等边三角形。在第一面的周边处每个三角形的侧面测量为约1.4mm长。
在一个实施例中，厚度t可更均匀。因此，Tm可为约等于Tc。
在一个实施例中，第一面为凸形而第二面为凹形(凹凸形)，例如使得该碟形磨粒基本上包括球形外壳的三角形部分。
据信凸面由模具腔中的溶胶-凝胶形成，该溶胶-凝胶在蒸发干燥的过程中，由于模具剥离剂(诸如花生油)的存在而从模具底部表面脱离。然后溶胶-凝胶的流变性导致在蒸发干燥过程中，第一面和第二面形成凸/凹形，同时使周边成形(优选地，三角形)。
在本发明的各种实施例中，当与对凹形第二面拟合的球体的中心垂直对齐在第二面中点上方时，该球体的半径可介于约1mm至约25mm之间、或介于约1mm至约14mm之间、或介于约2mm至约7mm之间。
在本发明的其他实施例中，碟形磨粒的第一面和第二面可均为凹陷的。在一些实施例中，碟形磨粒可为具有第一凹形面和第二凹形面的双凹面。另选地，其他凹陷结构式几何形状可形成于第二面上。例如，第二面上的多个上翘点或多个凸角。在此类实施例中，第一面的弯曲度或平直度可通过碟形磨粒干燥程度控制到一定程度，从而得到凹陷或弯曲的第一面或基本上平坦的第一面。
成形磨粒可包括第一侧面和第二侧面中的一者或二者上的多个沟槽。优选地，第二侧面(即，由第二侧面并且更优选地第二面构成的一个或多个侧壁、面或小面)包括多个沟槽。
成形磨粒可包括第一侧面和第二侧面中的一者或二者上的多个脊。优选地，第二侧面(即，由第二侧面并且更优选地第二面构成的一个或多个侧壁、面或小面)包括多个脊。
多个沟槽(或脊)可通过模具腔的底部表面中的多个脊(或沟槽)形成，所述多个脊(或沟槽)已发现更易于使成形磨粒前体从模具移除。
多个沟槽(或脊)未具体限制，并且可例如包括平行线，其可完全或可不完全地延伸穿过整个侧面。就该纵横比而言，用于本发明的成形磨粒可表征为具有约2:1至约50:1，并且更典型大于约5:1至约25:1的长度与最大横截面尺寸的比率。在一个实施例中，多个沟槽(或脊)包括完全延伸穿过整个第二侧面(优选地穿过整个第二面)的平行线。优选地，所述平行线与沿着第一边缘的周边成90度角相交。沟槽或脊的横截面几何形状可为截顶三角形、三角形或其他几何形状，如下文进一步讨论。在本发明的多个实施例中，该多个沟槽的深度D可介于约1微米至约400微米之间。此外，沟槽深度D与碟形磨粒的厚度Tc的百分比率(D/Tc，以百分数表示)可介于约0.1％至约30％之间、或介于约0.1％至约20％之间、或介于约0.1％至约10％之间、或介于约0.5％至约5％之间。
在本发明的各种实施例中，每个沟槽(或脊)之间的间距可介于约1％至约50％之间、或介于约1％至40％之间、或介于约1％至30％之间、或介于约1％至20％之间、或介于约5％至20％之间的面尺寸，诸如碟形磨粒的边缘中的一者的长度。
根据另一个实施例，所述多个沟槽包括相交平行线的十字划痕图案，其可完全或可不完全地延伸穿过整个面。第一组平行线以90度角与周边的一条边缘相交(百分比间距为三角形边长的例如6.25％)，并且第二组平行线以90度角与周边的第二边缘相交(百分比间距为例如6.25％)，从而形成十字划痕图案并在第二面内形成多个凸起的菱形。在各种实施例中，十字划痕图案可采用相交的平行线或非平行线、各种线间的百分比间距、弧形交叉线、或沟槽的各种横截面几何形状。
在本发明的其他实施例中，每个模具腔的底部表面中的脊(或沟槽)的数量可介于1和约100之间，或介于2至约50之间，或介于约4至约25之间，从而在成形磨粒中形成对应数量的沟槽(或脊)。
成形磨粒可具有低平均圆度系数。此类成形磨粒包括从磨料制品的基部延伸到磨削顶端的纵向轴线(例如，如美国专利申请公布2010/0319269的图1中所示)。成形磨粒的平均圆度系数可介于约15％至0％之间，或介于约13％至0％之间，或介于约12％至0％之间，或介于约12％至约5％之间。
由成形磨粒的横向切割(即，与纵向轴线成90度横向切割，也简称为横截面形状)得到的横截平面的几何形状未具体限制，并且也可变化。非圆形横截面形状是最优选使用的。圆形横截面形状是圆的，其据信为比较钝的。据信非圆形横截面形状具有改善的磨削性能，因为可提供一个或多个尖锐的转角并且一个或多个侧面可为大致线性的(类似于凿刀刀片)。有利地，横截面形状为多边形形状，包括但不限于：三角形、矩形、梯形、或五边形。
在优选的实施例中(诸如就具有第二面的颗粒而言，其中第一面和第二面中的至少一者或优选地二者向内成形)，横截面形状的尺寸从第二面的周边朝向第二面的中心减小。就这一点而言，术语“中心”并不限于第二面的几何形状(即，第二几何形状)的确切几何中心，但还设想了该选择，并且在某些情况下可为优选的，但旨在涵盖通常位于与第二几何形状限定的第二面的边界相对的第二面的几何形状的内部中的区域。
在一个实施例中，成形磨粒的第一侧面和第二侧面(优选地第一和第二面)的周边为三角形，并且横截面形状为梯形。
成形磨粒还可包括至少一个破碎表面(具有至少一个破碎表面的成形磨粒在本文中也称为破碎成形磨粒或磨料碎片)。换句话讲，磨粒可为成形磨粒(如上文所述)但其中至少一个表面为破碎表面。
与不具有至少一个破碎表面的相同成形磨粒相比，破碎磨粒可视为包括对比颗粒的初始形状的主要部分，诸如例如初始形状的至少60体积％、或70体积％、或80体积％、或90体积％。术语初始形状意指相同的形状但不具有至少一个破碎表面。通常，初始形状将对应于用于制备比较理想的成形磨粒的模具腔的形状。
除所述至少一个破碎表面之外，破碎成形磨粒仅包括限定初始形状的主要部分的精确成形表面，从而排除机械压碎操作获得的颗粒。
在一个实施例中，破碎成形磨粒不包括多于三个，优选地多于两个破碎表面。在另一个实施例中，破碎成形磨粒包括一个破碎表面。
初始形状无特别限制，并且可选自上文相对于不包括至少一个破碎表面的磨粒限定的几何形状。
破碎成形磨粒可形成于具有初始形状诸如三角形腔的模具中。通常，模具具有多个腔，以经济地产生磨料碎片。
在一个例子中，成形磨粒可包括第一精确成形表面、以预先确定角α与第一精确成形表面相交的第二精确成形表面、与第一精确成形表面相对的第三表面、以及破碎表面。
第一精确成形表面可通过与模具中腔的底部表面(对应于初始形状)接触而成形。第一精确成形表面基本上复制了腔的底部表面的表面光洁度和形状。磨料碎片的第二精确成形表面可通过与模具中腔的侧壁接触而成形。侧壁设计为与底部表面以预先确定的角度α(在本发明中也称为拔模角α)相交。第二精确成形表面基本上复制腔的侧壁的表面光洁度和形状。第二精确成形表面通过与腔的侧壁接触而模制。因此，所得的磨料碎片的至少两个表面精确成形，并且两个表面之间的相交角度α为基于所选模具几何形状的预先确定的角度。与第一精确成形表面相对的磨料碎片的第三表面的外观可无规则地波动或起伏，因为其在腔体填充有磨料分散体之后与空气接触。第三表面未精确成形，因为其不通过与腔接触而模制。通常，第三表面通过刮擦或刮除模具的顶部表面，以从模具移除过量的磨料分散体而产生。刮除或刮擦步骤对第三表面造成经放大可见的细微的波纹和不规则形状。因此，第三表面类似于通过挤出而形成的表面，其也未精确成形。在挤出过程中，溶胶-凝胶从模具中挤出。因此，溶胶-凝胶的表面表现出因挤出过程而造成的刮痕、凿痕和/或划线。此类痕迹通过溶胶-凝胶和模具之间的相对运动而形成。另外，从模具中挤出的表面可通常为光滑平面。相比之下，精确成形表面可复制正弦表面或其他更复杂的几何表面，这些几何表面具有沿其表面的长度显著变化的高度。
当腔深度相比底部表面的面积相对较小时，磨料碎片的破碎表面通常在第一精确成形表面和相对的第三表面之间、以及在腔的相对的侧壁之间扩展。破碎表面的特征在于尖锐的、锯齿状的点，这些点是典型的脆性破碎特征。破碎表面可通过干燥处理而形成，该处理使至少大部分的成形磨粒前体在位于腔中时破裂或破碎成至少两块。这产生了具有比制造其的模具腔尺寸更小的磨料碎片。这些磨料碎片一旦形成，就可像拼图块一样重新组合，以复制制造其的模具的初始腔形状。据信，通过确保如下情况，可使磨粒前体发生破裂或破碎：当磨料分散体在腔中干燥时，磨料分散体对腔的壁的表面张力大于磨料分散体的内部引力。
另一个实施例为分别由多边形第一面(或基部)、多边形第二面(或顶部)以及连接基部和顶部的多个侧壁界定的成形磨粒，其中邻近侧壁在具有小于50微米的平均曲率半径的各自侧壁边缘处交汇。例如，参照图6A至图6B，示例性成形磨粒320通过三角基部321、三角顶部323、以及连接基部321和顶部323的多个侧壁325a、325b、325c限定。基部321具有侧壁边缘327a、327b、327c，它们具有小于50微米的平均曲率半径。图6C-6D示出了侧壁边缘327a的曲率半径329a。一般来讲，曲率半径越小，则侧壁边缘将越尖锐。通常，成形磨粒的基部和顶部基本上平行，从而得到棱柱或截棱锥(如图6A-图6B所示)形状，但是这不是必须的。如图所示，侧面325a、325b、325c具有相等的尺寸并与基部321形成约82度的二面角。然而，将认识到，也可使用其他二面角(包括90度)。例如，侧壁中的每一个和基部之间的二面角可独立地在45度至90度的范围内，通常在70度至90度的范围内，更典型在75度至85度的范围内。
根据特别优选的实施例，成形磨粒具有平面三角形片状体或平面矩形片状体的三维形状，其中平面三角形片状体为优选的。此类成形磨粒还可简称为平面三角形或平面矩形。
因此，在特别优选的实施例中，成形磨粒各自包括相距厚度t的第一侧面和第二侧面，其中所述厚度t优选地等于或小于所述颗粒的最短边相关尺寸的长度，其中所述第一侧面包括(或优选地为)具有第一几何形状的周边的第一面，其中所述第二侧面包括(或优选地为)具有第二几何形状的周边的第二面，并且其中所述第二侧面与所述第一侧面相距厚度t，并且至少一个侧壁使所述第二面与所述第一面连接，其中所述第一几何形状和所述第二几何形状具有基本上相同的几何形状，其可具有不相同或相同的尺寸，其中所述相同几何形状均选自三角形形状或选自四边形形状。
所述第一几何形状优选地全等于所述第二几何形状，如前所述。
还优选的是，此类颗粒的第一面和第二面基本上是平坦的并且基本上彼此平行。
优选的三角形和四边形或矩形形状如上文所定义。
侧壁也可如上文所定义。例如，侧壁可为非倾斜侧壁(即，第一几何形状的尺寸与第二几何形状的尺寸相同；例如三棱柱或矩形棱柱)或倾斜侧壁(即，第一几何形状的尺寸与第二几何形状的尺寸不同，并且通常大于第二几何形状的尺寸；例如，就具有截顶三棱锥或矩形棱锥形状的磨粒而言，如本文所述)。
根据另一个特别优选的实施例，成形磨粒为平面三角形片状体(也简称为平面三角形)或平面矩形片状体(也简称为平面矩形)，如上所述，但其中第一面和第二面中的至少一者向内成形(例如凹陷或凹形)。
例如，第一面可向内成形(例如凹陷或凹形)并且第二面可基本上是平坦的或向外成形(例如凸形)，或第二面可向内成形(例如凹陷或凹形)并且第一面可基本上是平坦的或向外成形(例如凸形)。
另选地并且更优选地，第一面可向内成形(例如凹陷或凹形)并且第二面也可向内成形(例如凹陷或凹形)。
对于根据该实施例的颗粒，厚度通常随颗粒的平坦构型而变化，并且向“颗粒的中心”逐渐减小。
根据该实施例的颗粒通常也通过横截面形状(垂直于长度)向颗粒的中心逐渐减小的面积来表征。
就这一点而言，术语“颗粒的中心”应以一般的方式理解且不必为磨粒的几何中心，但可存在这样的情况，其中横截面形状的最小厚度或最小面积可存在于颗粒的几何中心处，如前所述。
本发明中所用的成形磨粒可具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级。
磨粒使用前通常按给定的颗粒尺寸分布进行分级。此类分布通常具有一定范围的颗粒尺寸，即从粗粒到细粒。在磨料领域中，此范围有时是指“粗”、“对照”和“细”级分。根据磨料行业公认的分级标准分级的磨粒将用于每一个标称等级的颗粒尺寸分布规定在数值极限内。此类行业公认的分级标准(即磨料行业规定的标称等级)包括如下已知标准：美国国家标准协会(ANSI)的标准、欧洲研磨产品制造商联合会(FEPA)的标准和日本工业标准(JIS)的标准。
ANSI等级标号(即规定的标称等级)包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI24、ANSI 36、ANSI 46、ANSI 54、ANSI 60、ANSI 70、ANSI 80、ANSI 90、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI600。FEPA等级标号包括：F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12、F14、F16、F20、F22、F24、F30、F36、F40、F46、F54、F60、F70、F80、F90、F100、F120、F150、F180、F220、F230、F240、F280、F320、F360、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200、F1500和F2000。JIS等级标号包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
另选地，成形磨粒可利用符合ASTM E-11“针对测试目的的筛布和筛的标准规格”(Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes)的美国标准试验筛被分级为标称筛选等级。ASTME-11规定了试验筛的设计和构造需求，所述试验筛利用安装在框架中的织造筛布为介质根据指定的颗粒尺寸对材料进行分类。-18+20即为典型的标号表示，其意指成形磨粒可通过符合ASTM E-11规格的18号试验筛，但可保留在符合ASTM E-11规格的20号试验筛上。在一个实施例中，成形磨粒具有这样的颗粒尺寸：使得大多数磨粒通过18目试验筛并且可保留在20目、25目、30目、35目、40目、45目或50目试验筛上。在本发明的各种实施例中，成形磨粒可具有的标称筛分等级包括：-18+20、-20+25、-25+30、-30+35、-35+40、-40+45、-45+50、-50+60、-60+70、-70+80、-80+100、-100+120、-120+140、-140+170、-170+200、-200+230、-230+270、-270+325、-325+400、-400+450、-450+500、或-500+635。
根据本发明的所有方面的成形磨粒可包含于磨粒级分(或磨料级分)中，在本发明中也称为磨粒的共混物，为方便参考，如本文所用，术语“共混物”还旨在包括磨粒级分包含基于级分(或共混物)中存在的磨粒的总量计100重量％成形磨粒的情况。
共混物可包含根据本发明的一种或多种类型的成形磨粒，以及任选地一种或多种类型的磨粒，它们在本文中通常称为“二次磨粒”(不同于根据本发明使用的成形磨粒的磨粒)。例如，具有不根据本发明的形状的磨粒(例如丝状磨粒或细长磨棒)或常规非成形磨粒可用作二次磨粒。
共混物可包含根据本发明的成形磨粒和任何数量的二次磨粒。因此，成形磨粒和二次磨粒可包含于共混物中，其中二次磨粒的含量可为基于共混物中存在的磨粒的总量计至多95重量％，或甚至更高。
在一些实施例中，基于磨粒共混物的总重量计，至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、或者甚至100重量％的共混物为根据本发明的成形磨粒。因此，在其他高度优选的实施例中，所述组合物或粘结磨料制品不包含二次磨粒。
进一步举例说明，所述组合物或粘结磨料制品可包含任何合适量的成形磨粒，诸如包含基于存在于粘结磨料制品中的成形磨粒和二次磨粒的总重量计的约5重量％至约100重量％，或10重量％至80重量％，典型地20重量％至60重量％，或30重量％至50重量％的成形磨粒。
虽然当磨料级分(或共混物)包含基于存在于磨料级分(或共混物)中的磨粒的总重量计100重量％的根据本发明的成形磨粒时，本发明具有最明显效果，但当所述组合物或粘结磨料制品包含基于存在于磨料级分中的磨粒的总重量计例如少至5重量％的根据本发明的成形磨粒和至多95重量％的二次磨粒时也是有效的。从而，所述组合物或粘结磨料制品可包含基于磨粒的总重量计至多100重量％的根据本发明磨粒的磨粒总量(换言之，所述磨料制品或组合物不包含二次磨粒)。在某些磨削应用中，添加二次磨粒的目的是通过减少高价格的成形磨粒的量而减少成本。在其他应用中，具有二次磨粒的混合物可具有协同增强效应。
二次磨粒可具有任何合适的颗粒形式(只要其不同于本发明中使用的磨粒的形状)。示例性颗粒形式包括但不限于：通过机械压碎操作获得的颗粒形式，凝聚形式以及不同于本文所定义的特定磨粒形状的任何其他形式。
构成二次磨粒的材料无特别限制，并且包括已知适合用作磨粒的任何合适的硬质或超硬质材料。因此，在一个实施例中，二次磨粒包含大部分的硬质磨料。例如，二次磨粒的总重量的至少30重量％、或至少50重量％、或60重量％至100重量％、或90重量％或更高、或100重量％由硬质材料构成。在另一个实施例中，二次磨粒包含大部分的超硬质磨料。例如，二次磨粒的总重量的至少30重量％、或至少50重量％、或60重量％至100重量％、或90重量％或更高、或100重量％由超硬质材料构成。
二次磨粒的合适磨料的例子包括但不限于：已知的陶瓷材料、碳化物、氮化物以及其他硬质和超硬质材料，并且包括本文针对成形磨粒示例的材料，并且本发明的成形磨粒和二次磨粒可独立地选自此类示例性材料的颗粒或它们的任意组合。
二次磨粒材料的代表性例子包括例如熔融氧化铝的颗粒如白色熔融氧化铝、热处理氧化铝、陶瓷氧化铝材料(诸如以商品名3M陶瓷磨粒(3M CERAMIC ABRASIVE GRAIN)从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company(St.Paul,Minnesota))商购获得的那些)、烧结氧化铝、碳化硅(包括黑色碳化硅和绿色碳化硅)、二硼化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆、溶胶-凝胶法制备的磨粒(包括溶胶-凝胶法制备的氧化铝颗粒)、氧化铈、氧化锆、氧化钛。溶胶-凝胶法制备的磨粒的例子可见于美国专利4,314,827(Leitheiser等人)、4,623,364(Cottringer等人)、4,744,802(Schwabel)、4,770,671(Monroe等人)；和4,881,951(Monroe等人)。
在优选的实施例中，二次磨粒选自熔融氧化物材料(包括熔融氧化铝材料或熔融氧化铝-氧化锆，优选地熔融氧化铝)的颗粒。
在另一个优选的实施例中，二次磨粒选自超硬材料(例如立方氮化硼和天然或合成金刚石)的颗粒。合适的金刚石或立方氮化硼材料可为晶体或多晶。适合用作二次磨粒的优选超硬材料为立方氮化硼。
在另一个实施例中，二次磨粒选自碳化硅材料的颗粒。
包含于共混物中的二次磨粒可具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级。如前所述，成形磨粒也可具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级，并且本发明的二次磨粒的等级和成形磨粒的等级可独立地选自任何可用的等级。
在优选的实施例中，二次磨粒可通过小于所述成形磨粒的最大尺寸的标称尺寸等级(或多个等级，即，如果使用多个等级)(例如根据FEPA)来表征。
例如，该组合物或粘结磨料制品还可包含粉碎的二次磨粒(不包括本文定义的磨料碎片)，其可任选地对应于磨料行业具体的标称等级或它们的组合。粉碎磨粒可为尺寸等级比成形磨粒更细的一个或多个等级(例如，如果使用多个尺寸等级)。在一些实施例中，粉碎磨粒可为尺寸等级比成形磨粒更粗的一个或多个等级(例如，如果使用多个尺寸等级)。
通常，常规的粉碎磨粒根据磨料行业公认的规定标称等级被独立地按尺寸分类。示例性磨料行业公认的分级标准和二次磨粒的等级包括针对成形磨粒所提及的那些。
提供成形磨粒的方法是本领域已知的，并且包括基于(1)熔融、(2)烧结和(3)化学陶瓷的技术。虽然优选的成形磨粒可通过使用化学陶瓷技术获得，但非陶瓷成形磨粒也包括在本发明的范围内。在本发明的描述中，用于制备成形磨粒的方法可具体结合陶瓷成形磨粒(特别是基于氧化铝的陶瓷成形磨粒)描述。然而，应当理解，本发明不限于氧化铝，而是能够适于与多种不同的硬质材料和超硬质材料一起使用。
在本发明中使用的成形磨粒可通常利用工具(即模具)制成，利用金刚石工具切割，这样能比其他制造替代方法(诸如压印或冲压)提供更高的特征清晰度。通常，工具表面中的腔具有沿着尖锐边缘交汇的平坦面，并形成截棱锥的侧面和顶部。所得的成形磨粒可具有对应于工具表面中的所述腔的形状(例如，截棱锥)的对应标称平均形状；然而，在制造过程中可发生标称平均形状的变型(例如，无规变型)，并且表现出这种变型的成形磨粒被包括在本文所用的成形磨粒的定义中。
成形磨粒(例如基于α-氧化铝的陶瓷颗粒)可根据通常使用合适前体(例如陶瓷前体)的尺寸稳定分散体的多步工艺制备。
工艺中通常利用的分散体可为合适的前体的任何分散体，并且所谓分散体旨在指细分散的材料，在进行适于本发明的工艺后，所述细分散的材料呈成形磨粒形式。前体可为：化学前体，如(例如)勃姆石是α-氧化铝的化学前体；形态学前体，如(例如)γ-氧化铝是α-氧化铝的形态学前体；以及(或作为另外一种选择)物理前体，意思是细分形式的α-氧化铝可形成为一定形状并且进行烧结以保留该形状。在典型情况下，合适的前体的尺寸稳定分散体为溶胶-凝胶。
凡是分散体包含物理或形态学前体的，如本文所用的术语，该前体都是细分粉末颗粒的形式，当其烧结在一起时，这种颗粒形成在常规粘结磨料和涂覆磨料应用中使用的磨粒。此类材料通常包括平均尺寸小于约20微米、优选地小于约10微米、最优选地小于约1微米的粉末颗粒。物理或形态学前体的分散体的固体含量优选地为约40％至65％，但也可使用至多约80％的更高固体含量。有机化合物在很多情况下作为悬浮剂与此类分散体中的细分颗粒一起使用，或可能作为临时粘结剂直至颗粒充分干燥以保持制品的形状。有机化合物可为通常用于该目的的任何已知有机化合物，例如聚乙二醇、脱水山梨糖醇酯等等。
就经加热后变成其最终稳定(例如，陶瓷)形态的化学前体的固体含量而言，可能需要考虑水分，该水分在干燥和焙烧以烧结颗粒的过程中从前体中释放。在这种情况下，固体含量通常略低一些，诸如约75％或更低，更优选地介于约30％和约50％之间。就勃姆石凝胶而言，优选的最大固体含量为约60％或甚至40％，也可使用胶溶的最小固体含量为约20％的凝胶。
由物理前体制成的颗粒的焙烧温度通常需要高于由通过加晶种化学前体形成的颗粒的温度。例如，尽管通过加晶种的勃姆石凝胶的颗粒在约1250℃以下的温度下形成基本上完全致密的α氧化铝，但由α氧化铝凝胶制成的颗粒需要约1400℃以上的焙烧温度才能完全致密。
以举例的方式，适用于本发明的方法包括化学陶瓷技术，该化学陶瓷技术涉及将胶态分散体或水溶胶(有时称为溶胶)，任选地在含其他金属氧化物前体的溶液的混合物中，转变为凝胶或抑制组分流动性的任何其他物理状态，干燥和焙烧以获得陶瓷材料。溶胶可通过多种方法中的任何一种制备，所述方法包括金属氢氧化物从水溶液的沉淀，然后是胶溶，阴离子从金属盐溶液的渗析，阴离子从金属盐溶液的溶剂提取，具有挥发性阴离子的金属盐溶液的水热分解。溶胶任选地包含金属氧化物或其前体，并且转化为流动性有限的半刚性固态，诸如例如通过如溶剂(如水)的部分提取得到的凝胶，该凝胶可通过任何简便方法成形，诸如冲压、模制或挤出，以提供成形磨粒。
涉及化学陶瓷技术的示例性方法包括以下步骤：制造陶瓷前体的尺寸稳定的分散体(其可包括例如可转变为α氧化铝的通过加晶种或通过未加晶种的溶胶-凝胶α氧化铝前体分散体)；用陶瓷前体的尺寸稳定的分散体填充一个或多个模具腔，所述模具腔具有成形磨粒的理想外形，将陶瓷前体的稳定分散体干燥以形成陶瓷成形磨粒前体；从模具腔中取出所述陶瓷成形磨粒前体；煅烧所述陶瓷成形磨粒前体以形成煅烧的陶瓷成形磨粒前体，然后烧结所述煅烧的陶瓷成形磨粒前体以形成陶瓷成形磨粒。该工艺在美国专利5,201,916(Berg等人)中更详细地描述。
可制成本发明的成形磨粒的材料包括物理前体，诸如已知陶瓷材料、碳化物、氮化物的细分颗粒，诸如α氧化铝、碳化钨、碳化硅、氮化钛、氧化铝/氧化锆和立方氮化硼(CBN)。还包括化学和/或形态学前体，诸如，三水合铝、勃姆石、γ-氧化铝和其他过渡型氧化铝及铝矾土。上述中最可用的通常是基于氧化铝及其物理或化学前体，并且在根据适用于本发明的方法的特定描述中具体结合氧化铝示出。
已经发现，在某些制备氧化铝基颗粒的情况下需要的其他组分包括：成核剂，诸如，细分的α-氧化铝、氧化铁、氧化铬以及能在前体形态转化成α-氧化铝形态的过程中起成核作用的其他材料、氧化镁、氧化钛、氧化锆、氧化钇，以及其他稀土金属氧化物。此类添加剂通常充当晶体生长限制剂或边界相改性剂。此类添加剂在前体中的量通常为小于约10重量％，并且常常小于5重量％(以固体重量计)。
也可以将少量细分的α-氧化铝本身与有机化合物一起使用来代替α-氧化铝的化学或形态学前体，其中有机化合物将α-氧化铝保持悬浮状态，并且在颗粒被烧制成基本上完全致密的过程中充当临时粘结剂。在这种情况下，通常可以在悬浮材料中加入在焙烧时形成独立相的材料，或者在干燥和焙烧过程中或焙烧之后可充当保持成形颗粒结构完整性的助剂的材料。此类材料可作为杂质存在。如果(例如)前体是细分的铝矾土，则会存在小比例的陶瓷材料，这种材料在粉末颗粒烧结在一起以形成成形颗粒之后将形成第二相。
也可使用由α氧化铝、氧化铝镁尖晶石和稀土六方晶型铝酸盐的晶粒构成的陶瓷成形磨粒。此类颗粒可根据例如美国专利5,213,591(Celikkaya等人)和美国已公布专利申请2009/0165394 A1(Culler等人)和2009/0169816 A1(Erickson等人)中描述的方法使用溶胶-凝胶前体α氧化铝颗粒制备。
在一些实施例中，可以根据多步骤工艺来制备陶瓷成形磨粒。该工艺现在将具体结合氧化铝更详细地描述。一般来讲，基于α-氧化铝的成形磨粒可由一水合氧化铝的分散体制成，如本领域已知的，该分散体被胶凝、模塑成形、干燥定形、煅烧和烧结。成形磨粒形状的保留不需要粘结剂。
多步工艺的第一工艺步骤涉及提供可转变为α氧化铝的通过加晶种或通过未加晶种的α氧化铝前体的分散体。α氧化铝前体分散体通常包含为挥发性组分的液体。在一个实施例中，该挥发性组分是水。分散体应当包含足量的液体，以使分散体的粘度足够低，从而能够填充模具腔并且复制模具表面，但是液体的量不能太多，因为会导致随后将液体从模具腔中移除的成本过高。在一个实施例中，α氧化铝前体分散体包含2重量％至90重量％的可转化为α-氧化铝的颗粒(诸如一水合氧化铝(勃姆石)的颗粒)以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、或50重量％至60重量％的挥发性组分(诸如水)。反之，一些实施例中的α氧化铝前体分散体包含30重量％至50重量％、或40重量％至50重量％的固体。
也可使用除勃姆石之外的氧化铝水合物。勃姆石可通过已知的技术来制备或者可商购获得。可商购获得的勃姆石的例子包括商品名为“DISPERAL”和“DISPAL”的产品，二者均可购自得克萨斯州休斯敦的Sasol North America公司(Sasol North America,Inc.,Houston,Texas)；或者商品名为“HiQ-40”的产品，可购自新泽西州弗洛勒姆帕克的BASF公司(BASF Corporation,Florham Park,New Jersey)。这些氧化铝一水合物相对较纯；也就是说，它们除一水合物外只包含相对较少的(如果有的话)水合物相，并且具有高表面积。
所得的陶瓷成形磨粒的物理特性将大致取决于α氧化铝前体分散体中所用材料的类型。在一个实施例中，α氧化铝前体分散体处于凝胶状态。如本文所用，“凝胶”是分散在液体中的固体的三维网络。
α氧化铝前体分散体可含有改性添加剂或改性添加剂的前体。改性添加剂可用于增强磨粒的某些所需性质，或者提高后续烧结步骤的效率。改性添加剂或改性添加剂的前体可为可溶性盐的形式，通常为水溶性盐。它们通常由含金属的化合物组成，并且可为下列物质的氧化物的前体：镁、锌、铁、硅、钴、镍、锆、铪、铬、钇、镨、钐、镱、钕、镧、钆、铈、镝、铒、钛，以及它们的混合物。可存在于α氧化铝前体分散体中的这些添加剂的具体浓度可由本领域技术人员进行调整。
通常，引入改性添加剂或改性添加剂的前体将引起α氧化铝前体分散体胶凝。通过施加超过一定时间段的热也可引起α氧化铝前体分散体胶凝。α氧化铝前体分散体也可包含成核剂(接种)，以促进水合氧化铝或煅烧氧化铝向α氧化铝的转化。适用于本发明的成核剂包含α氧化铝、α氧化铁或其前体、氧化钛和钛酸盐、氧化铬等的细粒、或为在转化中起成核作用的任何其他材料。如果使用成核剂的话，则其量应当足够多，以对α-氧化铝进行转化。使此类α氧化铝前体分散体成核的方法公布于美国专利4,744,802(Schwabel)中。
可将胶溶剂添加到α氧化铝前体分散体中以制备更稳定的水溶胶或胶态α氧化铝前体分散体。合适的胶溶剂为单质子酸或酸性化合物，诸如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。也可使用多质子酸，但是它们可快速胶凝α氧化铝前体分散体，这样使得其难以处理或难以向其引入附加组分。某些商业来源的勃姆石具有有助于形成稳定α氧化铝前体分散体的酸滴定度(诸如吸收的甲酸或硝酸)。
α氧化铝前体分散体可通过任何合适的方法形成，诸如例如通过简单地将一水合氧化铝与含有胶溶剂的水混合，或者通过形成一水合氧化铝浆液(胶溶剂已添加到其中)。
可以添加消泡剂或其他合适的化学品，以降低混合时形成气泡或夹带空气的可能性。如果需要，可添加其他化学品，诸如润湿剂、醇类、或偶联剂。如美国专利5,645,619(Erickson等人)所公开，α氧化铝磨粒可含有二氧化硅和氧化铁。如美国专利5,551,963(Larmie)所公开，α氧化铝磨粒可含有氧化锆。另选地，如美国专利6,277,161(Castro)所公开，α氧化铝磨粒可具有微结构或添加剂。
第二工艺步骤涉及提供具有至少一个模具腔、优选具有多个腔的模具。该模具可具有大致为平坦的底部表面以及多个模具腔。该多个腔可在生产工具中形成。生产工具可为带状物、片状物、连续纤维网、涂布辊(诸如轮转凹版辊)、安装在涂布辊上的套筒，或模具。在一个实施例中，所述生产工具包含聚合物材料。合适的聚合物材料的例子包括热塑性塑料，诸如聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯或它们的组合、或热固性材料。在一个实施例中，整个工具由聚合物材料或热塑性材料制成。在另一个实施例中，在干燥时与溶胶-凝胶接触的模具表面(诸如所述多个腔的表面)包含聚合物材料或热塑性材料，并且该模具的其他部分可由其他材料制成。举例而言，可将合适的聚合物涂层施加到金属模具上，以改变其表面张力特性。
聚合物型工具或热塑性工具可由金属母模工具复制而成。母模工具将具有生产工具所需的反向图案。母模工具可按照与生产工具相同的方式制成。在一个实施例中，母模工具由金属(例如，镍)制成，并且经过金刚石车削。可将聚合物片材与母模工具一起加热，使得通过将二者压制在一起而对聚合物材料压印出母模工具图案。也可将聚合物材料或热塑性材料挤出或浇注到母模上，然后对其进行压制。将热塑性材料冷却，以硬化并且制备生产工具。如果利用热塑性生产工具，那么应当注意不要产生过多热量，因为这些热量可以使热塑性生产工具变形，从而限制其寿命。关于生产工具或母模工具的设计和制造的更多信息可见于以下美国专利：5,152,917(Pieper等人)；5,435,816(Spurgeon等人)；5,672,097(Hoopman等人)；5,946,991(Hoopman等人)；5,975,987(Hoopman等人)；以及6,129,540(Hoopman等人)。
从模具的顶部表面或底部表面中的开口均可进入腔中。在某些情况下，腔体可延伸过模具的整个厚度。另选地，腔可仅延伸至模具的厚度的一部分。在一个实施例中，顶部表面大体平行于模具的底部表面，其中模具腔具有大体均匀的深度。模具的至少一个侧面，即，在其中形成腔的那一侧面可以在去除挥发性组分的步骤中保持暴露于周围大气环境。
腔具有特定三维形状，以制备陶瓷成形磨粒。该深度尺寸等于从顶部表面至底部表面上的最低点的垂直距离。给定腔的深度可为均匀的，或者可沿其长度和/或宽度而发生变化。给定模具的腔的形状可相同或不同。
第三工艺步骤涉及用α氧化铝前体分散体(例如，通过常规技术)填充模具中的腔。在一些实施例中，可使用刀辊涂布机或真空槽模涂布机。如果需要，可使用脱模剂以有助于从模具去除颗粒。典型的脱模剂包括油类(诸如花生油或矿物油、鱼油)、有机硅、聚四氟乙烯、硬脂酸锌和石墨。一般来讲，在液体(诸如水或醇)中的脱模剂(诸如花生油)被施加到与溶胶-凝胶接触的生产工具的表面，使得当需要脱模时，每单位面积模具上存在介于约0.1mg/in2(0.02mg/cm2)至约3.0mg/in2(0.46mg/cm2)之间、或介于约0.1mg/in2(0.02mg/cm2)至约5.0mg/in2(0.78mg/cm2)之间的脱模剂。在一些实施例中，模具的顶部表面涂布有α氧化铝前体分散体。α氧化铝前体分散体可被抽吸到顶部表面上。
接下来，可使用刮刀或平整棒将α氧化铝前体分散体完全压入模具的腔中。可将未进入腔中的α氧化铝前体分散体的其余部分从模具的顶部表面去除，并将其回收利用。在一些实施例中，α氧化铝前体分散体的一小部分可保留在顶部表面上，并且在其他实施例中，顶部表面基本上不含分散体。刮刀或平整棒施加的压力通常小于100psi(0.7MPa)、小于50psi(0.3MPa)、或甚至小于10psi(69kPa)。在一些实施例中，α氧化铝前体分散体无暴露表面大幅度延伸超过顶部表面，以确保所得的陶瓷成形磨粒厚度的均匀厚度。
第四工艺步骤涉及去除挥发性组分，以分散体进行干燥。有利地，以快速蒸发速率去除挥发性组分。在一些实施例中，通过蒸发去除挥发性组分的操作是在高于挥发性组分的沸点的温度下进行的。干燥温度的上限通常取决于制成模具的材料。就聚丙烯模具而言，温度应当低于该塑料的熔点。在一个实施例中，针对具有约40％至50％之间的固体的水分散体以及聚丙烯模具，干燥温度可介于约90℃至约165℃之间，或者介于约105℃至约150℃之间，或者介于约105℃至约120℃之间。更高的温度可导致改善的生产速度，但是也可导致聚丙烯模具的降解，从而限制其作为模具的使用寿命。
第五工艺步骤涉及将所得陶瓷成形磨粒前体从模具腔中去除。可通过使用下列工艺从腔中去除陶瓷成形磨粒前体：在模具上单独使用重力、振动、超声振动、真空或加压空气工艺或者使用这些工艺的组合从模具腔中去除颗粒。
可在模具外对磨粒前体进行进一步干燥。如果α氧化铝前体分散体在模具中干燥至所需程度，则此附加的干燥步骤并非为必要的步骤。然而，在某些情况下采用此附加的干燥步骤来使α氧化铝前体分散体在模具中的停留时间减至最小可能是经济的做法。通常，陶瓷成形磨粒前体将在50℃至160℃、或在120℃至150℃的温度下干燥10至480分钟、或120至400分钟。
第六工艺步骤涉及对陶瓷成形磨粒前体进行煅烧。在锻烧期间，基本上所有的挥发性物质都被去除，并且存在于α氧化铝前体分散体中的各种组分均转化成金属氧化物。通常，将陶瓷成形磨粒前体加热到400℃至800℃的温度，并且将其保持在此温度范围内，直至去除游离水和90重量％以上的任何结合的挥发性物质为止。在任选步骤中，可能期望用浸渍法引入改性添加剂。水溶性盐可通过浸渍而被引入至煅烧过的陶瓷成形磨粒前体的孔中。然后使陶瓷成形磨粒前体再次进行预焙烧。该可选步骤在美国专利5,164,348(Wood)中进行了进一步描述。
第七工艺步骤涉及对已煅烧的陶瓷成形磨粒前体进行烧结，以形成α-氧化铝颗粒。在进行烧结之前，已煅烧的陶瓷成形磨粒前体并未完全致密化，因此，缺乏用作陶瓷成形磨粒所需的硬度。烧结按以下步骤进行：将已煅烧的陶瓷成形磨粒前体加热到1000℃至1650℃的温度，并且保持在此温度范围内，直到基本上所有的α-氧化铝一水合物(或等同物质)均转化为α-氧化铝，并且孔隙按体积计降至低于15％为止。为了实现此转化程度而使已煅烧的陶瓷成形磨粒前体暴露于烧结温度下的时间长度取决于多种因素，但通常为5秒至48小时。
在另一个实施例中，烧结步骤的持续时间在1分钟至90分钟的范围内。在烧结之后，陶瓷成形磨粒可具有10GPa、16GPa、18GPa、20GPa或更大的维氏硬度。
可使用其他步骤来修改所述工艺，所述步骤诸如例如将材料从煅烧温度快速加热至烧结温度，离心处理α氧化铝前体分散体以去除淤渣和/或垃圾。此外，如果需要，则可以通过组合这些工艺步骤中的两个或更多个来修改该工艺。可以用来修改本公开的工艺的常规工艺步骤在美国专利4,314,827(Leitheiser)中进行了更完整的描述。关于制备陶瓷成形磨粒的方法的更多信息在美国专利申请公布2009/0165394 A1(Culler等人)中有所公开。
用于制备具有至少一个倾斜侧壁的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0151196和2009/0165394中有所描述。用于制备具有开口的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0151201和2009/0165394中有所描述。用于制备至在少一个侧面上具有沟槽的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0146867中有所描述。用于制备碟形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0151195和2009/0165394中有所描述。用于制备具有低圆度系数的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0319269中有所描述。用于制备具有至少一个破碎表面的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2009/0169816和2009/0165394中有所描述。用于制备其中第二侧面包括顶点(例如，双楔形磨粒)或脊线(例如，屋顶形颗粒)的磨粒的方法例如在WO 2011/068714中有所描述。
根据本发明的组合物和粘结磨料制品包含粘结介质。该粘结介质将成形磨粒(以及任何任选组分，诸如二次磨粒、填料和添加剂)保持在粘结组合物或粘结磨料制品中。
根据本发明，粘结介质包括陶瓷(vitreous)(也称为陶瓷(vitrified))粘结相。在优选的实施例中，粘结介质为陶瓷粘结剂(相)。陶瓷粘结剂用于使成形磨粒(以及任何任选的本文所述的二次磨粒)保持在组合物或制品中。使磨粒(成形磨粒以及任何任选的二次磨粒)粘结在一起的陶瓷粘结剂相可具有任何合适的组成。
陶瓷粘结剂相在本领域中也称为“陶瓷(vitrified)粘结剂”、“陶瓷(vitreous)粘结剂”、“陶瓷(ceramic)粘结剂”或“玻璃粘结剂”，可由陶瓷粘结剂前体组合物制得，该组合物包含一种或多种原料的混合物或组合，其在加热至高温时熔融和/或熔合形成一体的陶瓷基体相。
该原料不受特别限制。用于形成陶瓷粘结剂相的典型原料可选自：金属氧化物(包括准金属氧化物)、非金属氧化物、非金属化合物、硅酸盐以及天然存在的和合成的矿物质，以及这些原料中的一种或多种的组合。
金属氧化物可例如选自氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化铁、氧化钛、氧化锰、氧化锌，以及可表征为颜料的金属氧化物，诸如氧化钴、氧化铬、或氧化铁、以及它们的组合。
非金属氧化物可例如选自氧化硼或磷氧化物以及它们的组合。
非金属化合物的合适例子包括硼酸。
硅酸盐可例如选自硅酸铝、硼硅酸盐、硅酸钙、硅酸镁、硅酸钠、硅酸镁、硅酸锂、以及它们的组合。
矿物质可例如选自粘土、长石、高岭土、钙硅石、硼砂、石英、苏打灰、石灰石、白云石、白垩、以及它们的组合。
在本发明中，陶瓷粘结剂相也可由玻璃料形成，所述玻璃料即在其用于陶瓷粘结剂前体组合物之前已被预焙烧以形成粘结磨料制品的陶瓷粘结剂相的组合物。如本文所用，术语“玻璃料”是特定材料的通用术语，所述材料通过如下方式形成：充分共混包含一种或多种玻璃料形成组分的混合物，然后将混合物加热(也称为预焙烧)到至少足以将其熔融的高温；冷却玻璃并且将其磨碎。玻璃料形成组分通常作为粉末混合在一起，焙烧以熔合混合物，然后冷却熔合的混合物。冷却的混合物被粉碎并筛分至细粉末，以便随后用作玻璃料粘结剂。粉末的细度无特别限制。示例性颗粒尺寸的例子包括但不限于≤35μm或≤63μm的颗粒尺寸。正是该最终粉末可用于陶瓷粘结剂前体组合物，以制备本发明的粘结磨料制品(诸如磨轮)的陶瓷粘结剂。
玻璃料、其来源和组成是本领域熟知的。玻璃料形成组分包括此前称为用于形成陶瓷粘结剂的原料的材料。玻璃料是熟知的材料，并且已用作釉质多年，用于涂覆例如瓷器、金属和珠宝，而且也用作工业陶瓷和磨轮的陶瓷粘结剂。用于陶瓷(vitrified)粘结磨料制品的玻璃料以及陶瓷(ceramic)粘结剂可从供应商商购获得，诸如美国俄亥俄州克里夫兰湖滨大道1000号44114-7000的福禄公司(Ferro Corporation,1000Lakeside Avenue,Cleveland,Ohio,USA 44114-7000)和德国科隆的赖姆博尔德施特里克公司(Reimbold&Strick,Cologne,Germany)。用于陶瓷粘结磨料制品的玻璃料通常显示出500至1300℃范围内的熔融温度。
根据本发明，可除原料之外或代替原料使用玻璃料。另选地，陶瓷粘结剂可衍生自不含有玻璃料的组合物。
例如，陶瓷粘结剂可由陶瓷粘结前体组合物形成，该组合物包含超过0至100重量％的玻璃料，但更典型地该组合物包含3重量％至70重量％的玻璃料。陶瓷粘结剂前体组合物的其余部分可为非玻璃料材料。
陶瓷粘结剂组合物的合适范围可按如下详细说明：基于陶瓷粘结剂的总重量计25重量％至90重量％，优选地35重量％至85重量％的SiO2；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至40重量％，优选地0重量％至30重量％的B2O3；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至40重量％，优选地5重量％至30重量％的Al2O3；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至5重量％，优选地0重量％至3重量％的Fe2O3,；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至5重量％，优选地0重量％至3重量％的TiO2；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至20重量％，优选地0重量％至10重量％的CaO；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至20重量％，优选地0重量％至10重量％的MgO；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至20重量％，优选地0重量％至10重量％的K2O；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至25重量％，优选地0重量％至15重量％的Na2O；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至20重量％，优选地0重量％至12重量％的Li2O；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至10重量％，优选地0重量％至3重量％的ZnO；基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至10重量％，优选地0重量％至3重量％的BaO；以及基于陶瓷粘结剂的总重量计0重量％至5重量％，优选地0重量％至3重量％的金属氧化物[如CoO，Cr2O3(颜料)]。
制备陶瓷粘结磨料制品时使用各种添加剂，以帮助制备磨料制品和/或改善此类制品的性能是本领域已知的。也可用于实施本发明的此类常规添加剂包括但不限于：润滑剂、填料、临时粘结剂和加工助剂。
有机粘结剂优选地用作临时粘结剂。典型的临时粘结剂为糊精、尿素树脂(包括脲醛树脂)、多糖、聚乙二醇、聚丙烯酸酯以及任何其他类型的胶合剂等。这些粘结剂还可包含液体组分，诸如水或聚乙二醇、粘度或pH调节剂以及混合助剂。临时粘结剂的使用可改善预焙烧或压制生坯体以及焙烧制品的均一性和结构质量。因为粘结剂在焙烧期间烧尽，所以它们不会变成最终粘结剂或磨料制品的一部分。
根据本发明的陶瓷粘结组合物和粘结磨料制品可以根据任何合适的方法制备。本领域熟知的用于制备陶瓷粘结磨料组合物和陶瓷粘结磨料制品(如，磨轮)的程序和条件，尤其是用于制备基于溶胶-凝胶氧化铝的陶瓷粘结磨料制品的程序和条件可用于制备本发明的陶瓷粘结组合物和磨料制品。这些程序可采用本领域常规的和熟知的设备。用于制造陶瓷粘结磨料组合物的示例性方法包括如下步骤：
(a)提供前体组合物，所述前体组合物包含根据本发明的成形磨粒和陶瓷粘结剂前体组合物以及任选地一种或多种选自临时粘结剂组合物(包含例如选自一种或多种临时粘结剂和造孔剂的一种或多种组分)和二次磨粒的组分；以及
(b)在适于制备陶瓷粘结剂的温度下(例如在选自约700℃至约1500℃的温度下)焙烧该前体组合物，以获得陶瓷粘结磨料组合物。
该方法还可包括将三维前体形状赋予组合物以提供前体陶瓷粘结磨料制品的步骤。所用术语“前体陶瓷粘结磨料制品”是指其有效表面的至少一部分上还未表现出本发明所定义的表面轮廓的制品。该前体陶瓷粘结磨料制品可具有任何三维形状，包括但不限于如国际标准ISO 525:1999和国际标准ISO 603:1999所列的形状，以及根据FEPA(欧洲磨料产品生产商联合会(Federation of European Producers of Abrasives))或其他标准所列的标准类型以及非标准类型。就举例说明而言，典型形状可例如包括但不限于下列形状：轮、珩磨石、研磨瓦、磨头、磨削蜗杆的形状或根据FEPA、或ISO 525:1999、ISO 603:1999的标准形式和其他标准的其他类型，以及非标准个别类型。优选的前体粘结磨料制品的形状为陶瓷粘结磨料轮，尤其是陶瓷粘结磨轮。
用于制造陶瓷粘结磨料制品的示例性方法包括如下步骤：
(a)提供前体组合物，所述前体组合物包含根据本发明的成形磨粒和陶瓷粘结剂前体组合物以及任选地选自临时粘结剂组合物(包含例如选自一种或多种临时粘结剂和造孔剂的一种或多种组分)和二次磨粒的一种或多种组分；
(b)使前体组合物形成所需的形状，以获得生坯结构；
(c)任选地，干燥生坯结构；
(d)焙烧步骤(b)或(c)中在适于制备陶瓷粘结剂的温度下(例如在选自约700℃至约1500℃的温度下)获得的生坯结构，以获得前体陶瓷粘结磨料制品。
在一些情况下，可如此使用前体陶瓷粘结磨料制品。然而，在与本发明更加相关的情况下，通常并优选地通过修整将前体陶瓷粘结磨料制品进一步转变为一种或多种形状特征，从而例如为其表面的至少一部分提供表面轮廓。如本发明所讨论的，由于表面特征结构的尺寸通常无法按比例缩小到任何尺寸，因此难以提供一种在其表面的至少一部分上具有表面轮廓的粘结磨料制品。
根据另一方面，本发明因而也提供一种用于制备粘结磨料制品的方法，所述方法包括：(a)提供前体陶瓷粘结磨料制品；(b)在所述前体陶瓷粘结磨料制品的所述表面的至少一部分上赋予表面轮廓，该表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。该方法优选地提供具有如根据本发明的第二方面所述的特征的粘结磨料制品。因此，在优选的实施例中，所述高度、顶端半径和一个或多个转角半径具有如根据本发明的粘结磨料制品所述的优选尺寸。
例如，该粘结磨料制品的表面轮廓优选地包括至少一个凸形表面特征结构，该凸形表面特征结构具有顶端半径R(tip)，其中所述顶端半径R(tip)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(tip)≤2Lmax。
步骤b)优选地包括修整该制品以便赋予该所述表面轮廓。修整可以本领域熟知的方式来进行，修整设备和特定修整方法(例如，通过使用与静电修整设备相反的旋转)均不受特别限制。如上所述，修整一般通过使用固定修整工具来进行，诸如单点金刚石修整工具、DiaformTM固定修整工具、多点金刚石修整工具、金刚石刀片工具和MCD修整刀片，或旋转修整工具诸如外形修整辊、PCD外形修整辊、金刚石修整盘、金刚石整型辊(profile roll)、金刚石半径修整辊，或由钢(诸如硬质工具钢或高速钢)或硬质金属(诸如碳化钨)制成的破碎辊，或者本领域中熟知的其他工具。
在陶瓷粘结磨料组合物或制品的制造期间，粉末形式的陶瓷粘结剂前体组合物可例如与临时粘结剂(通常为有机粘结剂)混合，该临时粘结剂不形成焙烧陶瓷粘结介质的一部分。粘结磨料制品通常通过形成由磨粒、陶瓷粘结剂前体组合物以及任选地临时粘结剂以及其他任选的添加剂和填料构成的生坯结构制备。形成可以例如通过在冲压或不冲压的情况下模制而实现。典型的形成压力可在广泛的范围内变化，并且可选自在0至400kg/cm2范围内的压力，具体取决于生坯结构的组成。随后焙烧此类前体组合物或生坯结构。陶瓷粘结剂相通常产生于焙烧步骤，通常的温度范围为约700℃至约1500℃，优选地约750℃至约1350℃，最优选地约800℃至约1300℃。良好的结果也可在约1000℃或更低温度下获得，或者在约1100℃至约1200℃获得。陶瓷粘结剂相形成的实际温度取决于例如具体粘结剂化学物质。陶瓷粘结剂前体组合物的焙烧通常通过在长时间段(如，约10-130小时)内将温度从室温升至最高温度，保持在最高温度下如1-20小时，然后在延长的时间段如10-140小时内冷却焙烧制品至室温而实现。应当理解，为焙烧步骤选择的温度以及陶瓷粘结剂相的组成，必须选择为不对陶瓷粘结组合物和磨料制品中包含的磨粒(成形的和任选的二次磨粒)的物理性质和/或组成产生不利影响。
根据本发明的陶瓷粘结组合物和粘结磨料制品包括成形磨粒(根据本发明所定义)和粘结介质，该粘结介质包含陶瓷粘结剂。此外，该组合物和粘结磨料制品可包含一种或多种任选组分，其选自二次磨粒、填料和添加剂。
磨粒(如本文所述，其可包含于共混物中，该共混物包含一种或多种二次磨粒)的量可广泛变化，并且可在例如10体积％至80体积％，并且更优选地25体积％至60体积％的范围内。
粘结介质的量也可广泛变化，并且可在例如1体积％至60体积％，更优选地2.5体积％至40体积％的范围内。
该粘结磨料制品优选地具有至少1.20g/cm3的密度，更优选地具有至少1.30g/cm3的密度，甚至更优选地具有选自1.35g/cm3至2.65g/cm3范围内的密度。
任选地，该组合物和粘结磨料制品可具有孔隙。具有孔隙的粘结磨料制品具有开口结构(连通或互连的孔隙)，其可提供用于高度材料移除的切屑间隙，将更多冷却剂传送至接触区域，同时减小摩擦，并且优化自动磨锐工艺。孔隙使得粘结磨料制品能够以剥落的方式使用，或者磨损磨粒以暴露出新的切割刃或崭新的磨粒。
根据本发明的组合物和粘结磨料制品可具有任何可用的孔隙范围；诸如约5体积％至约80体积％，优选地约20体积％至约70体积％。
优选地，根据本发明的组合物和粘结磨料制品具有孔隙。孔隙可通过包含于粘结磨料制品中的材料的堆积密度提供的天然间距，以及通过本领域已知的造孔组分提供的天然间距，或二者提供的天然间距形成。
造孔组分可选自临时组分(即不存在于最终粘结磨料组合物或最终粘结磨料制品中的组分)、非临时组分(即存在于最终组合物和最终制品中的组分)以及它们的组合。优选的造孔组分不应在最终组合物或磨料制品中留下任何化学痕量成分(即临时组分)，不在去除时膨胀，与磨粒均匀混合，并且可提供所需类型(如互连)和程度的孔隙。造孔组分通常以0-40体积％范围内的量分别在总组合物和制品中使用。典型的非临时造孔组分可选自材料诸如空心球，该空心球由材料诸如玻璃、陶瓷(氧化铝)和玻璃颗粒制成。典型的临时造孔组分可选自材料诸如聚合物材料(包括发泡聚合物材料)软木、磨碎胡桃壳、木质颗粒、有机化合物(诸如萘或对二氯苯)以及它们的组合。在优选的实施例中，组合物以及磨料制品包含通过使用萘(作为临时造孔组分)引起的孔隙。
根据本发明的粘结磨料组合物和制品可包含另外的组分，诸如例如，如本领域已知的填料和添加剂。可包含于根据本发明的组合物或制品中的任选添加剂的例子包括如上文所述的非临时造孔剂，以及制备陶瓷粘结剂时使用的任何组分，包括但不限于润滑剂、填料、临时粘结剂和加工助剂。
除了如本发明所定义的表面轮廓之外，根据本发明的粘结磨料制品可具有能被赋予表面轮廓的任何三维基础形状。具体的基础形状不受特别限制(例如，轮形或片段形)。通常，基础形状的选择取决于多种因素，诸如预期磨削应用(包括磨削方法、磨削条件和工件)以及客户需要。就举例而言，国际标准ISO 603:1999列出了粘结磨料制品的合适形状，这些形状均可用于本发明中。也可使用根据FEPA(欧洲磨料生产商联合会(Federation ofEuropean Producers of Abrasives))标准或其他标准的标准类型以及非标准类型。
就举例说明而言，典型形状可例如包括但不限于下列形状：轮、珩磨石、研磨瓦、磨头、磨削蜗杆的形状或根据FEPA、或ISO 525:1999和ISO 603:1999的标准形式和其他标准的其他类型，以及非标准个别类型。
优选的粘结磨料制品为陶瓷粘结磨料轮，尤其是陶瓷粘结磨轮。
根据本发明的磨料轮的直径无特别限制，并且可例如选择为1mm至2000mm，或10mm至1200mm，或100mm至750mm的范围，但也可使用其他尺寸。同样，磨料(磨削)轮的厚度无特别限制。例如，厚度可通常选择为2至600mm，或5至350mm，或10mm至300mm的范围，但也可使用其他尺寸。例如，孔径可在0mm至800mm，更典型地4mm至400mm，或8mm至350mm的范围内。
磨料制品(优选地磨轮)的具体设计无限制，并且可选自“整体”设计和“分区”设计(诸如分段设计和分层设计)。两种设计均可包括通过使用合剂诸如热固性树脂，例如选自环氧树脂、缩聚物以及酚醛树脂的树脂来增强孔。
磨粒(即一种或多种类型的成形磨粒以及任选地一种或多种类型的二次磨粒)可均匀地或不均匀地分布于磨料制品中，例如分布或集中于磨料制品的选择区域、层、区段或部分。均匀或不均匀分布可以按照均匀共混物的方式或按照不同类型的磨粒仅位于和分布于磨料制品的选择区域、层、区段或部分的方式。
例如，粘结磨料轮可包括至少两个不同部分，包括外区(通常也称为边缘或周边)和内区(通常也称为芯或中心部分)。不同部分可基于选自粘结剂组合物(例如粘结材料的类型或存在的孔隙的量)、磨粒的形状(例如成形的与粉碎的，或者第一形状与第二形状)、磨粒的磨料粒度(例如细粒与粗粒)以及磨粒的量(例如存在或不存在磨粒，或者第一(例如高)量与第二(例如低)量)的一个或多个方面的差异提供。在一些实施例中，外区包括根据本发明的成形磨粒，而内区不包括。在其他实施例中，内区包括根据本发明的成形磨粒，而外区不包括。
磨料轮还可包括由非陶瓷粘结材料(诸如塑料等)制成的内区。
如果粘结磨料制品为磨料轮，诸如磨轮，则磨粒可向中间集中，或仅处于外区，即轮的周边。中间部分可包含不同(更高或更低)量的磨粒。
分区设计的另一个例子是磨料轮，诸如磨轮，其具有包含根据本发明的成形磨粒的边缘以及任选地包含并且优选地不包含根据本发明的成形磨粒的内区。该设计的内区可任选地包含二次磨粒(如，熔融氧化铝、烧结氧化铝)，所述二次磨粒可具有相同或不同的磨料粒度。由于缺乏成形磨粒，同时增加了破裂速度，该设计也称为特殊中心设计，其旨在使磨轮成本最小化。
在另一个变型中，磨料轮可包括定位在磨料轮的不同侧面上的两种或更多种类型的磨粒。例如，第一磨粒可在轮的一个侧面上，不同的磨粒可在相对侧面上。第一磨粒或第二磨粒中的任一者或二者选自根据本发明的成形磨粒。然而，通常来说，所有的磨粒彼此间均匀地分布，这是因为轮的制造较容易，并且磨削效果在磨粒或其两种或更多种类型彼此紧密地定位时得到优化。
在一个实施例中，根据本发明的磨粒均匀地分布在整个粘结磨料制品。
根据高度优选的实施例，该组合物或制品包含大部分的成形磨粒，即基于成形磨粒和任何可选的二次磨粒的总量计至少50重量％且至多100重量％的成形磨粒。更优选地，该组合物或制品包含基于成形磨粒和任何可选的二次磨粒的总量计至少70重量％或80重量％，甚至更优选地超过90重量％的成形磨粒。
根据高度优选的实施例，根据本发明的组合物或制品所包含的成形磨粒的形式为如本文所描述的平坦三角形或平面矩形，即其中所述第一几何形状和所述第二几何形状具有基本上相同的几何形状，这些几何形状的尺寸可不相同或相同，并且所述相同的几何形状均选自三角形和四边形，更优选地如本文所述均选自三角形。
根据其他高度优选的实施例，所述成形磨粒的最大尺寸(或长度)选自约50μm至2650μm的范围，更通常地选自约100μm至1400μm的范围。
优选地，组合物或制品包含一种或多种上述特征结构的组合，即选自大部分成形磨粒的一种或多种特征结构的组合，其中成形磨粒是平坦三角形或平坦四边形形式，并且成形磨粒的最大尺寸选自约50μm至2650μm，更典型地选自约100μm至约1400μm的范围。
在另一方面，本发明也涉及用于提供工件的方法，该方法包括：(1)提供具有初始形状的工件，(2)根据本发明的所述磨料制品的至少一部分与所述工件的表面摩擦接触；以及(3)使工件或磨料制品中的至少一者移动，以研磨工件的表面的至少一部分，以提供具有最终形状的工件。
根据本发明，所述最终形状通常包括在最终工件表面的至少一部分上的最终工件表面轮廓，该表面轮廓至少部分地对应于粘结磨料制品的表面轮廓。
根据优选实施例，所述最终工件表面轮廓包括至少一个最终工件表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述至少一个最终工件表面特征结构相比为大致相同数量级或更大。最终工件的表面特征结构通常与粘结磨料制品的表面轮廓对应互补。
在典型的情况下，表面轮廓可选自下列图案，所述图案包括但不限于谷、脊和谷的图案、三角凹陷、三角形曲线、正弦曲线、以及其他本领域已知的图案。在实施例中，所述最终工件表面特征结构通常是凹形表面特征结构，该凹形表面特征结构对应于粘结磨料制品的表面轮廓中的所述凸形表面特征结构。在优选的实施例中，所述表面轮廓因此包括至少一个凹形表面特征结构，该凹形表面特征结构表现出根部半径R(root)，其中所述根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤2Lmax。
如本发明中所用，术语“根部半径”旨在泛指最终工件轮廓中凹形表面特征结构的根部区域，而不涉及任何具体磨削应用或任何具体最终工件轮廓的类型。如本文中所用，术语“根部区域”是指凹形表面特征结构的轮廓区域，该轮廓区域涵盖凹形表面特征结构的最低点。因此，根据本发明，尽管螺纹或齿轮形式的工件在本发明的各种实施例中是优选的，但根部可指任何种类的工件轮廓并且不限于螺纹或齿轮形式的工件。
换句话讲，所述最终工件表面轮廓优选地包括至少一个凹形表面特征结构，该凹形表面特征结构对应于粘结磨料制品所呈现的所述表面轮廓的所述凸形表面特征结构。
因此该凹形表面特征结构优选地包括根部半径R(root)，该根部半径R(root)对应于粘结磨料制品的顶端半径R(tip)。
通常，最终工件轮廓中的凹形表面特征结构对应于粘结磨料制品的表面轮廓中包括的凸形表面特征结构。如本文所述，优选的凹形表面特征结构对应于优选的凸形表面特征结构。然而，至少一个凹形表面特征结构的具体形状不受限制。例如，凹形表面特征结构可具有如针对凸形表面特征结构所述的纵向轴线(但这不是必须要求)。针对凹形表面特征结构的“纵向轴线”应当理解为是一条延伸自假想基线的轴线，该基线可延伸到凹形表面特征结构并穿过凹形表面特征结构的根部或底部区域(即，包封凹形表面特征结构的最低点的区域)。
所述凹形表面特征结构的形状可关于所述纵向轴线对称。在其他实施例中，所述凹形表面特征结构的形状不关于所述纵向轴线对称。
凹形表面特征结构一般包括两个侧翼(侧面)，所述侧翼包封凹形表面特征结构的底部(或根部)区域。底部区域通常包括凹形表面特征结构的最低点。该底部区域旨在泛指凹形表面特征结构与两侧面或两翼相连接的表面轮廓部分，而非旨在限制为所述区域的任何特定轮廓形状。因此，只要此类表面特征结构与根据本发明的尺寸要求(优选地与根部半径R(root)相关)一致，底部区域同样可包括平坦或圆形的表面特征结构以及尖的表面特征结构。
侧翼的性质没有特别限制。例如，两侧翼可为相同的也可为不同的。同样，两侧翼可关于(如本文所定义的)凹形表面特征结构的纵向轴线相互对称，或者它们可具有不导致两侧翼之间的任何类型对称的形状。
例如，两侧翼可基本上为直线，在此情况下底部区域将包括开始部分，在开始部分该基本上直线转变为包括凹形表面特征结构的最低点的曲线。
两侧翼可相对下倾以形成角ε’，但这不是必须要求。在其他实施例中，两侧翼可基本上互相平行(这在本文中定义为对应于约0°的角ε’)。原则上，角ε’不受限制。在典型情况下，角ε’被选择为小于约100°，更典型地小于约85°，或者甚至更典型地约90°或更小。在优选情况下，角ε’被选择为在约28°至约82°的范围内，更优选地约33°至约65°，甚至更优选地约55°至约63°。然而，这些范围不应理解为是限制性的，因为甚至在其他优选的实施例中，角ε’可例如被选择为在约25°至约45°的范围内。在甚至其他实施例中，可能期望的是具有基本上对应于(并且优选地等于)29°、30°、35°、45°、55°、60°、80°或90°的角ε’。
通常角ε’对应于粘结磨料制品的表面轮廓中的角ε。其例子包括但不限于螺纹的角(介于螺纹相邻侧翼之间的角)，或者介于齿轮相邻侧翼之间的角。
典型的凹形表面特征结构的例子包括但不限于谷、根部、转角、边缘、以及其他凹形轮廓元件。
优选的凹形表面特征结构对应于优选的凸形表面特征结构，包括但不限于图3所示的那些凸形表面特征结构。
换句话讲，优选地，所述根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤2Lmax。更优选地，根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤Lmax，或更优选地R(root)≤0.8Lmax或R(root)≤0.7Lmax或R(root)≤0.6Lmax.。甚至更优选地，根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤0.5Lmax或R(root)≤0.4Lmax。在最优选的情况下，根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤0.35Lmax。
如本文所用，术语“根部半径”或“R(root)”一般是指最小曲率半径，该曲率半径配合到凹形表面特征结构的最低点周围的区域中。如前所述，最终工件轮廓中的根部半径R(root)(诸如螺纹或齿轮的根部半径)通常对应于粘结磨料制品的表面轮廓中的顶端半径R(tip)。尽管不受特别限制，但在优选的实施例中，根部半径R(root)选自约0.01mm至约6.00mm的范围，优选地选自约0.05mm至约3.00mm的范围。
根据其他优选的实施例，最终工件的轮廓包括如下表面特征结构，该表面特征结构表现出替代顶端半径或除顶端半径以外的至少一个转角半径R(corner)(通常是与粘结磨料制品的表面轮廓中的转角半径互补的转角半径)。优选地，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(corner)≤2Lmax。更优选地，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(corner)≤Lmax，或更优选地特征在于R(corner)≤0.8Lmax或R(corner)≤0.7Lmax或R(corner)≤0.6Lmax。甚至更优选地，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(corner)≤0.5Lmax或R(corner)≤0.4Lmax。在最优选的情况下，转角半径R(corner)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(corner)≤0.35Lmax。
除了一个或多个转角半径之外还可包括顶端半径的最终工件轮廓的例子包括但不限于阶梯轮廓。
本发明的粘结磨料制品可有利地用于广泛的磨削应用。
有益效果可尤其在涉及高材料移除率的磨削应用中实现，尤其是选自粗加工和半粗加工操作的磨削应用，即通常涉及高材料移除率的应用。然而，本发明不限于涉及高材料移除率的磨削应用，还可有利地用于不涉及高材料移除率的磨削应用，诸如精整操作。因此，本发明的粘结磨料制品可适当地用于从粗加工操作至半粗加工至精整操作的广泛磨削应用。
具体地讲，粘结磨料制品可适用于任何种类的磨削应用，所述磨削应用涉及在工件表面的至少一部分上形成最终工件轮廓，尤其是如本文所定义的最终工件轮廓(“磨削应用”在本文中也简称为“轮廓磨削应用”，是后者的简称)。
有益效果可尤其是在磨削应用中实现，所述磨削应用通常相对于最终工件表面轮廓的精确生产而言，尤其是在根据本发明能够被精确(即清楚地)赋予的轮廓的深层区域中需要高精度磨削。
示例性磨削应用包括但不限于标准化和非标准化磨削应用，例如根据DIN-8589:2003的方法。
本发明的粘结磨料制品尤其可用于下列应用，该应用包括但不限于螺纹磨削、齿轮磨削、外圆磨削、和表面磨削。
本发明的粘结磨料制品的使用不限于提供任何特定的螺纹、齿轮或表面轮廓。相反，技术人员可很容易地基于所需的工件轮廓建立合适的磨削应用。本发明的粘结磨料制品可用于提供所有种类的螺纹、齿轮或表面轮廓。
示例性的螺纹包括但不限于V型螺纹(例如，根据DIN 13)、惠氏螺纹(例如，根据DIN 11)、管螺纹(例如，根据DIN 11)、圆螺纹(例如，根据DIN 405)、acme螺纹(例如，根据DIN 103)、米制梯形螺纹(例如，根据DIN 103)、锯齿形螺纹(例如，根据DIN 513)，以及钢导管螺纹(例如，根据DIN 40430)。
示例性的齿轮包括但不限于正齿轮(齿的前缘平行于齿轮的旋转轴线的齿轮，例如根据DIN 868)和螺旋齿轮(齿的前缘不与齿轮的旋转轴线平行而是设置为成角度的齿轮，例如根据DIN 868)、外齿轮和内齿轮、锥齿轮、弧齿锥齿轮、准双曲面齿轮、冠状齿轮、蜗杆、非圆齿轮、齿条和小齿轮、周轮齿轮、太阳齿轮和行星齿轮、谐波齿轮和笼齿轮。
示例性表面轮廓包括但不限于选自谷、脊和谷的图案、三角形凹陷、三角形曲线、正弦曲线的图案、以及其他本领域已知的图案。
研磨期间施加的力无特别限制，并且可根据磨削应用选择。
在使用时，粘结磨料制品可用于干磨或优选地用于湿磨。在湿磨期间，粘结磨料制品通常结合磨削流体使用，该流体可例如包含水或可商购获得的润滑剂(也称为冷却剂)。在湿磨期间，润滑剂通常用于冷却工件和轮，润滑界面，移除切屑(碎片)，以及清洁轮。润滑剂通常直接施用到磨削区域，以确保流体不被磨轮带走。所用的润滑类型取决于工件材料，并且可根据本领域已知的方法选择。
常见的润滑剂可基于其与水混合的能力分类。适用于本发明的第一类润滑剂包括油，诸如矿物油(通常为基于石油的油)和植物油。适用于本发明的第二类润滑剂包括润滑剂的乳液(例如基于矿物油的润滑剂、基于植物油的润滑剂，以及半合成润滑剂)和润滑剂(通常为半合成润滑剂和合成润滑剂)与水的溶液。
根据本发明的磨料制品可用于磨削方法特定的任何磨削机。磨削机可为以任何合适的速度，通常约10m/s至250m/s的速度电力驱动的、液压驱动的或气动驱动的。
根据本发明的粘结磨料制品可用于例如研磨工件。粘结磨料制品可特别适用于由金属诸如钢(包括粉末冶金钢和合金钢、碳钢、软钢、工具钢、不锈钢、硬化钢、滚珠轴承钢、冷作钢、铸铁)、非铁金属和合金(诸如铝、钛、青铜等)、硬质金属(诸如碳化钨、碳化钛、氮化钛、金属陶瓷等)、陶瓷(工业陶瓷诸如氧化物陶瓷、硅酸盐陶瓷、非氧化物陶瓷)和玻璃制成的工件。然而，粘结磨料制品的使用不限于用于这些示例性工件材料。
本发明的粘结磨料制品尤其可用于旨在精确赋予精细的最终工件轮廓，尤其是具有尖锐根部的最终工件轮廓的任何磨削应用。优选的磨削应用包括但不限于螺纹磨削、齿轮磨削、表面磨削和外圆磨削，这些磨削应用在下文有进一步的阐述。
齿轮磨削
如本发明所用，术语齿轮磨削通常指生成齿轮的磨削和轮廓磨削的方法。齿轮确定齿轮箱的传动比；根据齿轮传动的第二基本定律，仅当下一个齿在前一个齿脱离之前已经啮合时，该比率才保持恒定。齿面的表面磨得越完好，该形状配合得越好，齿轮箱的运行越顺畅和安静。齿面的机加工过程带来了尺寸精度和形状精度方面的严苛要求，并且特别对于组件的边缘区域特性也有严苛要求。虽然在宏观和微观几何结构方面非常小的偏差(其影响齿产生的噪声的量和类型)在依据质量要求的严格界限内是可容许的，但“零允差”策略适用于齿面的边缘区域。由对结构的影响所致的边缘区的损坏会造成齿更快磨损，并且在极端情况下可导致齿断裂和折断。在这些要求的上下文中，不同的技术可为可用的，其均包括在本发明的范围内。
示例性齿轮磨削技术包括：
-使用磨削蜗杆采取连续生成磨削技术的齿轮磨削：粘结磨料制品(通常为磨轮)具有对应于磨削蜗杆的形状，其基本齿轮廓应总是视为齿条轮廓。渐开线形通过磨削蜗杆和传动装置的连续生成磨削来产生。该工艺非常适用于齿轮的连续生产。
-采用弧面磨削蜗杆的齿轮磨削(连续轮廓磨削)：与连续生成磨削技术不同的是，在这种情况下的粘结磨料制品的形状不对应于具有作为基本齿轮廓的齿条轮廓的磨削蜗杆。相反，弧面磨削蜗杆映射齿面的轮廓。在磨削过程期间，齿形通过齿隙中工具的几乎线性啮合产生。该方法为磨削锥齿轮预定的，该齿轮主要用于差速齿轮，并且可任选地与后续的珩磨步骤结合。
-单面生成磨削：渐开线形状在生成磨削工艺中产生，其中磨轮仅在磨削方向上每个齿隙加工一个单面。该方法允许用不变的轮宽度对不同模量进行加工，并且允许左手或右手齿面的不同横向进料。
-采用径向横向进料的成形或轮廓磨削：渐开线形转移到粘结磨料制品(最通常为磨轮)，然后其在工件的齿隙中成形。
-采用旋转横向进料的成形或轮廓磨削：渐开线形转移到粘结磨料制品(通常为磨轮)，然后其在工件的齿隙中成形。
用于齿轮磨削应用的粘结磨料制品无特别限制并且如上文所述。在优选的实施例中，用于齿轮磨削应用的粘结磨料制品可通过选自平面三角形或平面矩形的磨粒形状表征，其中任选地至少一个面向内成形，如上文针对特别优选的磨粒形状所述。
表面磨削
表面磨削或面磨削技术通常分为周边-纵向表面磨削(表面磨削、大表面的面磨削)和周边-横向表面磨削(槽式磨削、轮廓磨削)。
就周边-纵向磨削而言，磨轮以直角啮合，并且以选择的进给增量推入工件中，该工件由机器工作台移动。在该工艺中，横向进料和进给速率限定磨削结果。
周边-横向表面磨削非常适于制造大型平坦表面。采用该方法时，粘结磨料制品也可与工件成直角定位，但以精确对应于粘结磨料制品的宽度的量进给。两种方法均可用于往复式磨削和缓进给磨削。
采用往复式磨削时，粘结磨料制品与参考边缘成直角在工件上“来来回回地”移动，产生的运动描述为“往复式”。该方法被认为是表面磨削的最老变型，并且通过低切割深度(例如低至0.005mm至0.2mm)和高工作台速度(例如在15m/min至30m/min的范围内)来表征。该技术尤其可用于易于磨削、小批量尺寸和材料移除量低的材料，以及相对较低机器投入的情况。
用于表面磨削应用的粘结磨料制品无特别限制并且如上文所述。在优选的实施例中，用于表面磨削应用的粘结磨料制品可通过选自平面三角形或平面矩形的磨粒形状表征，其中任选地至少一个面向内成形，如上文针对特别优选的磨粒形状所述。
外圆磨削
外圆磨削是通常通过具有一个或多个并且优选地所有如下四个特征来表征的磨削技术：
(1)工件不停地旋转；(2)磨轮不停地旋转；(3)磨轮朝向和远离工件进给；(4)工件或磨轮中的一者相对另一者横越。
虽然大多数外圆磨削应用利用所有四种运动，但存在仅利用这四种运动中的三种的应用。三种主要类型的外圆磨削为外径(OD)磨削、内径(ID)磨削和无心磨削，并且这些技术中的任何一者均可适用于本发明：
-外径(OD)磨削是最常用的磨削技术之一，例如在机动车行业中，其用于凸轮轴和曲轴的磨削。在行业发展的过程中，以及响应于由此出现的要求，外径磨削分为不同的技术变型，其不同之处取决于其中工件安装的方式，并且根据理论进料方向。
○中心之间的周边-横向外径(OD)磨削(也称为切入磨削)
○无心周边-横向外径(OD)磨削
○中心之间的周边-纵向外径(OD)磨削(也称为贯穿进给磨削)
○无心周边-纵向外径(OD)磨削
中心之间磨削的工艺中，工件紧紧夹持在其端面上定心夹具中的两个中心之间，并且在该位置工件通过磨削机驱动。根据轮的理论进给方向，即直角切入进给或沿着工件的平行移动，这称为横向或纵向磨削。
在周边-横向外径磨削的工艺中，磨轮通常与工件成直角。该技术通常用于使用直切入磨削来加工轴承座、肩和沟槽。通常切入分为多个工艺步骤，其按顺序进行，其中切屑移除率持续降低。根据批次的特定任务和尺寸，角度切入磨削是另一种可为更高效的变型。
周边-纵向外径磨削的工艺特别适于需要圆柱或圆锥工件的应用，所述工件比磨轮的宽度明显更长。例子包括但不限于用于纸材制造的压印滚筒和辊以及用于钢铁行业的轧钢机的辊的加工。在该技术中，磨轮平行于工件移动，并且在与工件成直角的换向点进给。所需最终尺寸可在多程或仅单程内达到，后者称为剥离磨削。这些方法相当于缓进给磨削和往复式磨削。在机动车行业中，剥离磨削用于例如驱动轴的制造。
-无心磨削：如果具有挑战性的是加工大量由柔韧或易碎材料制成的长和/或薄的圆形组件，则无心磨削可为解决方案。此外，无心磨削是可允许在单程中进行多个任务(如粗加工和精整)的技术。加工工艺本身对应于另一个外圆磨削技术，如此前针对“外径磨削”所述的技术，即使无中心，工艺也涉及切入磨削和贯穿进给技术。
-内径(ID)磨削提供组件的完美功能表面，其需要建立与轮轴或轴的非型面配合连接。类似于外径(OD)磨削，该方法根据磨削的方向分为两种不同的技术：
○周边-横向内径(ID)磨削(切入磨削)
○周边-纵向内径(ID)磨削
就磨轮和工件的行为而言，两种技术均显示出与中心之间的外径(OD)磨削基本上相同的特性。常用ID磨削的应用例子包括但不限于具有高精度配合的孔的精修；对于硬质和超硬质材料的加工，在单程中加工不同的直径，以及形成锥形配合，并且在其中磨轮需要窄于待加工的表面的情况下，纵向磨削和切入磨削的组合是所需的。在典型情况下，磨轮直径不应超过孔径的2/3或最大4/5。
用于外圆磨削应用的粘结磨料制品无特别限制并且如上文所述。在优选的实施例中，用于外圆磨削应用的粘结磨料制品可通过选自平面三角形或平面矩形的磨粒形状来表征，其中任选地至少一个面向内成形，如上文针对特别优选的磨粒形状所述。
令人惊讶地，根据本发明的粘结磨料制品被发现在广泛的磨削应用，尤其是高精度磨削应用中提供极佳结果。
出于本发明的目的，术语高精度磨削应用旨在是指比目前常规磨料的通常可能情况更高的有效表面轮廓准确度和对应的最终工件轮廓准确度。常规磨料涵盖所有类型的氧化铝，包括所谓的陶瓷磨料和碳化硅。
令人惊讶地发现，根据本发明的粘结磨料制品能够表现出有效的表面轮廓，该表面轮廓能够赋予工件最终轮廓，并且其中磨削可在高精确度下特别是在工件表面轮廓更深处执行。
由于本发明引言部分所概述的难题，很难提供表现出尖锐根部的最终工件轮廓。具体来讲，由于在磨损(和修整期间)时常规颗粒脱离粘结磨料制品，凸形表面特征结构的顶部区域可能被截平。因此，通过使用粘结磨料制品赋予的其中凸形表面特征结构的顶部区域被截平的工件轮廓会使最终工件轮廓中相对应的凹形表面特征结构也被类似地截平而使根部被截平。
根据本发明的粘结磨料制品可有利地用于提供最终工件轮廓，该最终工件轮廓在工件轮廓深处特别是尖锐的根部具有极佳精度。限定最终工件轮廓精度的一个示例性参数是最终工件的凹形表面特征结构的根部半径R(root)。
术语根部半径在相关的技术领域中很容易理解。例如，对于螺纹，术语“根部”是指连接两个相邻螺纹的两侧的底部表面，而术语“冠”是指连接螺纹的两侧的顶部表面。
优选地，根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤2Lmax。更优选地，根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤0.8Lmax或R(root)≤0.7Lmax或R(root)≤0.6Lmax。甚至更优选地，根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤0.5Lmax或R(root)≤0.4Lmax。在最优选的情况下，根部半径R(root)以及所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(root)≤0.35Lmax。
应当理解，本发明提供了广泛提供各种各样的轮廓的可能性，尤其是那些具有非常细小的尺寸的轮廓。本发明并不限于任何具体的绝对尺寸。然而，在优选的实施例中，如本文所描述的本发明的方面可用于提供最终工件轮廓，该最终工件轮廓的特征在于至少一个根部半径R(root)选自约0.01mm至约6.00mm的范围，优选地选自约0.05mm至约3.00mm的范围。
除了如前所述的效果，本发明的粘结磨料制品被发现在长时间段内，以及在苛刻磨削条件下(例如，以高比材料移除率)提供恒定磨削结果。因此，本发明提供前所未有的性能特征结构的组合。
此外，根据本发明的粘结磨料制品可提供更好的工件表面光洁度(表面粗糙度Ra降低)，该工件用于从粗加工至半粗加工至精整操作的广泛磨削应用。在使用期间，粘结磨料制品也可确保降低损坏工件(诸如由工件烧伤或变色造成)的风险，同时在使用期间使粘结磨料制品的堵塞减至最小。
本发明的粘结磨料制品的特征在于长的修整循环，从而允许更多的工件部分在修整循环以及长的粘结磨料制品总使用寿命期间最终完成。由于可使用本发明的粘结磨料制品实现更高的材料移除率，因此可实现磨削时间的缩短，引起总体更高的工件流。
通常用于表征磨削应用性能的另一个参数是比切屑体积V'w。V'w表示在修整设置之前(即在一个磨削循环期间)磨削应用中移除的工件材料的总量[mm3]。磨削领域的技术人员可轻松地识别修整设置之后(即，磨削循环结束)的时间。就举例而言，磨削循环结束通常以磨削机消耗的功率的稍微明显的下降表示。可用于识别磨削循环结束的另外或替代指标的其他因素包括但不限于粘结磨料制品的形式和轮廓保持的丧失，工件质量的下降，例如工件烧伤和变色，或以增加的表面粗糙度Ra所表示的更差表面光洁度。
在磨削循环结束时，技术人员可轻松地计算比切屑体积，如本领域所公知的。出于确定比切屑体积的目的，磨削的实际起始被认为是磨削循环的起始点。为了评估特定磨削应用的性能，比材料移除率Q'w通常设置为恒定的，并且磨削应用的性能相对于比切屑体积V'w评估。
实际上，比切屑体积通常基于用于磨削应用的有效磨料制品轮廓的有效宽度(即比切屑体积表示每1mm粘结磨料制品宽度移除的工件材料的总体积，例如一个磨削循环期间1mm轮宽度)。
根据本发明的粘结磨料制品出乎意料地被发现提供相对于比切屑体积V’w的极佳结果，特别是在诸如齿轮磨削的应用中，从而例如导致再修整的更高设定限。应当强调的是，此类关于切屑体积的极佳结果出乎意料地也可在高材料移除率下实现，即在磨削循环期间使用高恒定值的Q'w时，通常，与低比材料移除率Q’w下的相同磨削应用相比，基于常规磨粒的磨料制品显示出在高比材料移除率Q’w下的低比切屑体积V’w，并且通常就工件而言显示出不良影响，诸如在高比材料移除率下使用时烧伤或变色。即使在这些苛刻磨削条件下，当使用根据本发明的粘结磨料制品时，也未观察到工件烧伤或变色。
虽然在特定磨削应用(诸如齿轮磨削应用)中被发现提供相对于比切屑体积的此类极佳结果，但预期其他磨削应用也提供类似的显著效果。
根据本发明的采用本文所定义成形磨粒的粘结磨料制品可提供比目前常规磨料通常实现的那些基本上更高的比切屑体积(如相对于高性能磨削应用所定义)。
磨削领域的技术人员可容易地确定适当的能与之相比的粘结磨料制品。适合用作能与之相比的粘结磨料制品的粘结磨料制品可例如基于相同的磨料，差别仅仅是磨粒未成形。例如，相同的、但其中根据本发明的成形磨粒替换为相同标称尺寸和重量、具有相同化学组成的粉碎磨粒的粘结磨料制品可用作能与之相比的粘结磨料制品。能与之相比的粘结磨料制品还应包含相同标称尺寸和重量的任何任选的二次磨粒，其具有与待评估的粘结磨料制品所用相同的化学组成。从而，当评估比切屑体积V'w时，待评估的粘结磨料制品中包含的本文所定义的成形磨粒优选地表示所用的能与之相比的粘结磨料制品的唯一差别。这意味着相同类型(特别是相对于化学组成)和体积量的粘结介质(以及任选地相同体积量的孔隙，如果有的话)优选地用于待评估的粘结磨料制品和能与之相比的粘结磨料制品。
就举例说明而言，本发明可实现的比切屑体积通常比基于此类目前常规磨料的能与之相比的粘结磨料制品通常所实现的高2、或5、或10、或15以及甚至20倍。
由于粘结磨料制品的特征在于高度的形态或轮廓保持而仅需较少的修整，因此会使得工艺过程更佳且工具消耗更经济。
成形磨粒(诸如本文所述的平面三角形和平面矩形，任选地具有一个或多个向内成形的面)用于陶瓷粘结磨料制品允许对于粘结磨料制品的广泛的不同组成以及广泛应用实现这些有益效果。虽然在一些应用中最显著的效果可在磨料制品包含基于制品中存在的磨粒的总量计100％的根据本发明的成形磨粒时实现，但包含例如基于制品中存在的磨粒的总量计少至5重量％的根据本发明的成形磨粒和至多95重量％的二次磨粒的制品也显示出在广泛应用中提供极佳的性能。
根据粘结磨料制品通常不必包含任何特定取向的成形磨料的事实，本发明实现的效果也是出乎意料的。与其中取向可具有优势的较薄涂层磨料制品的情况不同的是，粘结磨料制品(例如，其轮、区段、层或部分)通常包含随机取向的成形磨粒，但颗粒的取向不排除于本发明的范围。
颗粒和表面轮廓尺寸的测定
成形磨粒的尺寸(诸如长度、宽度和厚度)可使用本领域已知的方法测定，例如通过使用常规测量工具诸如直尺、游标卡尺、千分尺或显微测量技术确定，通常计算适当数量的测量值的平均值。
例如，测量显微镜诸如得自纽约州梅尔维尔的尼康美国公司(Nikon AmericasInc.in Melville,NY)的Nikon MM-40可根据如下测试方法使用：一种或多种成形磨粒承载在载玻片上，优选地通过其最大的基本上平的表面(如果具有的话)接触载玻片(碟形或凹形表面向上，如果颗粒具有的话)。然后将载玻片置于Nikon MM-40显微镜载片台上。载片台具有在X和Y方向移动的能力，其还配备有X-Y行进距离的计数器。十字准线与成形磨粒的一个外部顶点对齐。例如，薄三角形磨粒将使用这三个顶点中的一个；矩形基部棱锥将使用棱锥的四个矩形基部顶点中的一个。然后X和Y计数器复位至零。然后十字准线顺时针移动至被测量的几何形状的下一个外部顶点，并且记录X和Y读数。随后按顺序测量以顺时针方向移动的其余的外部顶点。然后每个外部顶点的X和Y坐标可置于电子表格中，任何两个顶点之间的最大尺寸使用毕达哥拉斯定理计算。
对于三角形，长度为三个顶点中的任何两个相邻顶点之间的最大距离。对于矩形，长度为相邻顶点之间的最大尺寸。对于细长平行四边形，长度为相邻顶点之间的最大尺寸。对于风筝形或菱形，长度为相对顶点之间的最大尺寸。确定替代几何形状的长度的最大尺寸可由本领域的技术人员在显微镜中观察几何形状时测定。然后宽度可以通过使用所选顶点的坐标或通过旋转载片台或载玻片使得长度尺寸平行于X-轴，而在垂直于长度的方向上测定。对于三角形，宽度为具有最长相邻顶点的侧面和相对顶点之间的最大距离。对于矩形，宽度为两对较短相对顶点之间的最大尺寸。对于细长平行四边形，宽度为具有最长相邻顶点的侧面和相对侧面之间的最大尺寸。对于风筝形或菱形，宽度为相对顶点之间的最短尺寸。确定替代几何形状的宽度的最大尺寸可由本领域的技术人员在显微镜中观察几何形状时测定。
Nikon MM-40显微镜还配备有具有计数器的Z-轴标度。为了测量厚度t(高出载玻片的高度)，首先使用100×物镜将视野聚焦于载玻片的上表面，达到最大精度。然后将Z计数器复位至零。然后将视野移动到可观察的成形磨粒的最高可能点(可能需要降低放大倍率来找到最高点)，并且显微镜以100×的放大倍率再聚焦于最高点。颗粒的厚度在再聚焦后通过Z读数确定。
测量至少20个成形磨粒的所关注尺寸(单独的长度、单独的宽度、单独的厚度)。确定所关注尺寸(单独的长度、宽度、厚度尺寸)的平均值，以分别定义测量的成形磨粒的尺寸(长度、宽度、厚度)。
出于该测量的目的，具有开口的颗粒的厚度在颗粒的实际最大厚度部位(即通常不在开口内)处测量。通常测量具有开口的磨粒的最短边相关尺寸、宽度和长度时无需减去开口与这些尺寸(如果有的话)中的任何一者重叠的长度。例如，具有在均匀厚度t的第一侧面和第二侧面之间延伸的开口的三边相等的棱柱颗粒的宽度和长度可基于第一面(或第二面)的周边测量，无需考虑开口。
体积纵横比可使用本领域已知的方法测定，例如通过使用颗粒的实际最大和最小横截面积，和/或此前所述显微测量技术测定的外部尺寸，并且计算适当数量(例如20个或更多)的单独颗粒测定值的平均值。对于等边三角形磨粒，厚度和侧面长度可通过如上讨论的显微技术和确定的体积纵横比来测量。
可使用图形分析测量(例如，以WO2011/109188，12页第25行到13页第7行所述的方法)成形磨粒的曲率半径，所述测量例如利用可购自加拿大魁北克省隆格伊的Clemex技术公司(Clemex Technologies,Inc.,Longueuil,Quebec,Canada)的CLEMEX VISION PE图像分析程序，其与倒置的光学显微镜接合，或者利用其他合适的图像分析软件/设备。使用在第一面和第二面之间截取的合适抛光横截面可有助于侧壁的边或转角点的显微镜检查。成形磨料制品的每个点的曲率半径可通过(例如以100×放大倍率观察时)在每个点的顶端限定三个点来测定。将点设置在顶端曲线的起点(该处为从直边到曲线起点的过渡)处、顶端的顶点处和从弯曲顶端返回到直边的过渡处。然后图象分析软件将绘制由这三个点(曲线的起点、中点和终点)限定的弧，并计算曲率半径。测定至少30个顶点的曲率半径，并计算它们的平均值以确定平均顶端半径。
平均圆度系数可按照美国专利申请公布2010/0319269的[0029]至[0033]中所述通过使用横向切割C确定，如所述专利申请公布的[0029]中所定义。
就本发明的目的而言，粘结磨料制品的表面轮廓中的感兴趣的表面特征结构的尺寸(诸如凸形表面特征结构的高度，表面特征结构的宽度，轮廓的深度，转角半径或顶端半径)可基于本领域中为人熟知的方法简单地测定，例如基于将粘结磨料制品(通常在合适的修整之后并在使用之前，通过使用能够尽可能接近地实现所需轮廓的修整方法)的有效表面轮廓复制到碳刷的垫片(诸如德国霍伊谢尔海姆Schunk Kohlenstofftechnik公司(Schunk Kohlenstofftechnik GmbH,Heuchelheim,Germany)的“Werkstoff L53ZP”)中，并且用本领域中熟知的合适的方法和设备，例如通过使用轮廓投影机(诸如ISOMA M119或前述的瑞士比尔Henri Hauser AG Biel公司(former Henri Hauser AG Biel/Bienne,Switzerland)的218型Hauser机器(Hauser machine type 218))，测定所复制的轮廓中的感兴趣的表面特征结构的尺寸。另一个选择在于使用配备有能够准确测定任何感兴趣的表面特征结构的尺寸的软件的高精度轮廓测量设备，所测量的表面特征结构为诸如半径、距离、夹角、最大点、最小点。合适的高精度轮廓测量设备的一个例子是德国哥廷根Mahr有限责任公司(Mahr GmbHGermany)的带有CD120驱动单元、MarSurfST500测量台架、和用于针对测量任务进行优化调整的探测臂的MarSurf XC10。
最终工件轮廓中的表面特征结构的尺寸(诸如凹形表面特征结构的深度、表面特征结构的宽度、轮廓的深度、根部半径或转角半径)可通过使用本领域中已知的合适的测量方法，例如使用轮廓投影机(诸如瑞士比尔ISOMA SA公司(ISOMA SA,Biel/Bienne,Switzerland)的ISOMA M119)基于最终工件的几何结构容易地测定。合适的数字化方法可包括使用可显示将获得的工件轮廓并检测工件的轮廓的测试板。可通过如下方式测定根部半径：测量最小曲率半径(该最小曲率半径可配合到凹形表面特征结构的最低点周围的区域中)，例如，在齿的侧翼处放置切线并且测量起始/终止于切线开始偏离侧翼的点的最小弧度半径。采用本文所述确定根部半径的方式针对转角区域来确立转角半径，即通过测定最小曲率半径(该曲率半径可配合到包括转角的区域)来测定转角半径。
通过以下非限制性实例，进一步说明了本公开的目的和优点，但这些实例中所述的具体材料及其用量以及其他条件和细节均不应视为对本公开进行不当限定。
实例
除非另外指明，否则在实例以及本说明书的其余部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。除非另外指明，否则使用磨削应用常用的润滑剂湿法进行磨削，诸如油或合成润滑剂(例如，得自嘉实多公司(Castrol LTd.)或嘉实多集团(Castrol Group)的Castrol Syntilo 81E或Castrol Syntilo CR 4，或得自流体技术公司(Fluid Technology,LLC)的D18)溶于水的3至5％乳状液(体积比)。
实例中使用的材料
·不存在于最终产品中
实例I-螺纹磨削
A.磨料磨削工具的制造工艺
如下所述制备具有表1中所述的组成、类型、尺寸(磨轮直径×厚度×孔径)、形状和粘结剂的陶瓷粘结磨料磨轮：
A.磨料磨轮的制造工艺
根据如下制造工艺制备陶瓷粘结磨料磨轮，其具有相同的粘结剂，轮尺寸为350×12×160mm(轮直径×厚度×孔径)且呈T1形(根据DIN:ISO603:1999)，即直磨轮：
(i)混合
将针对实例所指定的磨粒/磨粒混合物置于混合集料中，并且在混合时将液体临时粘结剂倾倒至其上。在搅拌约3至5分钟后，添加由陶瓷粘结剂前体混合物和固体临时粘结剂组成的混合物，继续充分混合约10分钟。
(ii)筛分
结合给出的实例，用16目(目尺寸1.18mm)筛来筛选步骤(i)中获得的混合物。
(iii)模制
将步骤(ii)中获得的混合物置于模具中，并且通过压制成生坯体而成形。对于包含100％80+的磨料混合物的生坯体，典型形成压力为126至150kg/cm2，对于包含30％80、60+或T形磨粒的磨料混合物的生坯体则为21至51kg/cm2。
(iv)热处理
结合给出的实例，将得到的生坯体在130℃的温度下干燥，并且在930℃的温度下烧结。
(vii)精整
精整操作包括孔、侧表面和周向表面的磨削。
*焙烧前生坯轮的重量
**此处和下文的轮类型(或磨料制品或工具类型)涉及测试研磨工具的硬度/结构，并且基于研磨工具(例如磨轮或磨瓦)中粘结剂和孔隙的百分比分为从I型(较低体积百分比的粘结剂和磨粒，以及较高体积百分比的孔隙)至II型(较高体积百分比的粘结剂和磨粒，以及较低体积百分比的孔隙)范围的类型，其中较高体积百分比的粘结剂对应于较高类型和更刚性或坚硬的研磨工具。
例如，特别参见实例I，即II型或I型，与II型测试轮相比，I型测试轮可视为在所用的磨削条件下更坚硬或更刚性地作用，因为II型磨轮中存在较高体积百分比的粘结剂和较少的孔隙。
B.测试步骤
如实例I中制备的磨轮在螺纹磨削应用中测试，以确立磨轮的磨削性能。
使用实例I的磨轮，同时利用如下磨削条件进行磨削测试：
C.结果
表2：实例I的结果
参考比较例I-2 实例I-1
粗加工：
进料ae[mm] 0.27 0.27
工件转速[rpm] 18 80
操作速度vc[m/s] 30 47
精整：
进料ae[mm] 0.10 0.10
工件转速[rpm] 10 30
操作速度vc[m/s] 30 35
修整 2次 1次
每个工件的包括修整过程在内的总磨削时间[分钟：秒] 10 03:13
螺纹的根部半径R(root)[mm] 0.20 0.15
参照所应用的参数设置、磨削时间和磨削循环数，研究测试轮(实例I-1)获得提升的应用范围，结果如下：与参考比较例I-2相比，其工件转速在粗磨削过程中增加了约345％，在精磨削过程中增加了200％。其操作速度在粗磨削过程中增加了约57％，在精磨削过程中增加了约17％。修整循环数减少了50％。增加这些参数导致总磨削时间缩短约68％。观察到根部半径的改善。根部半径测定为0.15mm。螺纹的最大允许根部半径R(root)为0.26mm。未发生工件的燃烧和磨轮的堵塞。以上所述的磨削条件不能应用于参考比较例I-2，因为磨削工具会承受过度应力，表现出如轮廓损耗、磨料跑火、堵塞等，从而导致磨削性能不足。

Claims (13)

1.一种用于制备粘结磨料制品的陶瓷粘结磨料组合物，所述陶瓷粘结组合物包含用于制备粘结磨料制品的成形磨粒和粘结介质，所述粘结介质包含陶瓷粘结剂，所述成形磨粒各自包括相距厚度t的第一侧面和第二侧面，其中所述第一侧面包括具有第一几何形状的周边的第一面，其中所述厚度t等于或小于所述成形磨粒的最短边相关尺寸的长度，其中所述磨料制品至少在其表面的一部分上表现出表面轮廓，所述表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为相同数量级或更大。
2.一种粘结磨料制品，其包含成形磨粒和粘结介质，所述粘结介质包含陶瓷粘结剂，所述成形磨粒各自包括相距厚度t的第一侧面和第二侧面，其中所述第一侧面包括具有第一几何形状的周边的第一面，其中所述厚度t等于或小于所述成形磨粒的最短边相关尺寸的长度，其中所述制品至少在其表面的一部分上表现出表面轮廓，所述表面轮廓包括至少一个表面特征结构，其中所述成形磨粒的最大尺寸与所述表面特征结构相比为相同数量级或更大。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述表面特征结构选自所述表面特征结构的高度、所述表面特征结构的宽度、所述表面特征结构所表现出的转角半径、和所述表面特征结构所表现出的顶端半径。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述表面特征结构为凸形表面特征结构。
5.根据权利要求4所述的组合物，其中所述凸形表面特征结构的高度的尺寸为成形磨粒的最大尺寸的0.1倍至9倍。
6.根据权利要求4所述的组合物，其中所述至少一个凸形表面特征结构表现出顶端半径R(tip)，其中所述顶端半径R(tip)和所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(tip)≤2Lmax。
7.根据权利要求6所述的组合物，其中所述顶端半径R(tip)和所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(tip)≤Lmax。
8.根据权利要求4所述的组合物，其中所述至少一个凸形表面特征结构表现出转角半径R(corner)，其中所述转角半径R(corner)和所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(corner)≤2Lmax。
9.根据权利要求4所述的组合物，其中所述至少一个凸形表面特征结构表现出转角半径R(corner)，其中所述转角半径R(corner)和所述成形磨粒的最大尺寸Lmax的特征在于R(corner)≤Lmax。
10.根据权利要求1所述的组合物，其中所述表面轮廓至少部分是通过修整而赋予的。
11.根据权利要求1所述的组合物，其还包括具有经修饰的形状的经修饰的成形磨粒，其中所述经修饰的形状源自对所述成形磨粒的初始形状的修整。
12.根据权利要求11所述的组合物，其中所述经修饰的成形磨粒中的至少一些有助于所述表面特征结构的精度。
13.根据权利要求12所述的组合物，其中所述有帮助的经修饰的成形磨粒位于最大的凸形表面特征结构处或其附近。
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