CN108127580B - 一种制备抛光层的模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备抛光层的模具，涉及抛光技术领域。模具包括下模和设于下模表面上的环状上模，环状上模和下模共同围成圆柱形模腔，模腔容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物，环状上模的侧壁沿模腔的轴线方向设有凸出部，凸出部具有容纳腔，容纳腔贯穿凸出部并与模腔相连通，容纳腔的横截面垂直于模腔的轴线，且沿模腔的轴线由中心向两端的方向上，容纳腔的横截面面积逐渐变大。容纳腔的内壁为连续曲面，连续曲面与模腔的轴线所在平面相交得到连续曲线。本发明无需增加额外装置和工时，能够快速、简便地识别不同密度的抛光层。

Description

一种制备抛光层的模具

技术领域

本发明涉及抛光技术领域，具体是涉及一种制备抛光层的模具。

背景技术

随着半导体内存(Memory)与逻辑元件(Logic device)的发展，为了提高电子元件密度与降低生产成本，在元件制作工艺上有提升深宽比(Aspect ratio)及增加导线层数的趋势。化学机械抛光(Chemical Mechnical Polishing，CMP)成为硅片加工和多层布线层间平坦化中最终获得纳米级超光滑无损伤表面的最有效工艺方法，也是能够实现局部和全局部平坦化的实用技术。抛光垫是CMP系统的重要组成部分，也是CMP工艺的主要消耗品。抛光垫上的抛光层的表面结构和组织直接影响抛光垫的性能，进而影响CMP过程及加工效果。

目前，聚氨酯抛光层通常使用浇铸-切割法制造，也就是将掺混中空微球体的液体聚合混合物通过喷嘴注入到模腔中，待混合材料在模具中固化成型后，采用割革刀(skiverblade)将经模塑的聚氨酯制品进行切片，并周期性地用磨石加固，以形成抛光层。但是，以该方式制备的抛光层会产生密度和表面硬度不均匀等缺陷。造成这些缺陷的原因在于：(1)由于模具的形状以及发泡成型时微球体固有的流动现象，容易造成液体聚合混合物的大分子或分子链段的取向不均、微球体分布疏密不均或变形。对圆柱体模具成型的聚氨酯制品进行剖面分析可知，材料密度沿模具的高度方向发生变化。(2)固化温度也会影响抛光层的密度和表面硬度的均匀性，固化温度过高则会使液体聚合混合物的黏度过低，中空微孔聚合混合物呈现出容易分相的特性，使得圆柱状聚氨酯制品在不同高度具有不同的密度和孔隙率，通常而言，底部的密度大于顶部的密度，而孔隙率则呈现相反的结果。(3)在固化过程中，预聚物与固化剂混合后迅速反应，在短时间内释放出大量的热量，使聚氨酯制品发生不可逆的膨胀，使得氨酯制品中部位置的密度偏低，而靠近两端的密度偏高。

根据上述分析可知，浇注成型的聚氨酯制品的密度随高度变化，通常情况下，越靠近聚氨酯制品中部位置，密度越小；越靠近聚氨酯制品的两端面，则密度越大，使得从不同高度制得的抛光层的密度不同。例如，图1a是使用传统浇铸-切割工艺在圆柱体模具中固化成型的聚氨酯制品，图2a显示当该聚氨酯制品的高度H范围为7～10cm时，密度ρ随高度H变化的经验曲线示意图，密度ρ的范围为0.7～0.9g/cm³，聚氨酯制品沿高度方向(即图1a中z轴)从底部到顶部依次分为A、B和C三个区间，B区间中聚氨酯制品的密度变化较小，而在A和C区间中，聚氨酯制品的密度从靠近B区到端面逐渐增加。由于抛光层的力学性能取决于密度，从聚氨酯制品不同高度制得的抛光层的力学性能也不相同，而抛光层的力学性能对抛光性能和使用寿命具有重要影响，因此有必要对具有不同密度的抛光层进行分类标识。

现有生产过程中制造的抛光层是没有上述分类标识的，如需增加分类标识，需要在现有的生产过程中增加分类标识步骤，不但需要增加相应装置，而且相对于现有的生产过程增加了工时，进而降低生产效率。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种制备抛光层的模具，无需增加额外装置和工时，能够快速、简便地识别不同密度的抛光层。

本发明提供一种制备抛光层的模具，其包括下模和设于所述下模表面上的环状上模，所述环状上模和所述下模共同围成圆柱形模腔，所述模腔容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物，其特征在于：

所述环状上模的侧壁沿所述模腔的轴线方向设有凸出部，所述凸出部具有容纳腔，所述容纳腔贯穿所述凸出部并与所述模腔相连通，所述容纳腔的横截面垂直于所述模腔的轴线，且沿所述模腔的轴线由中心向两端的方向上，所述容纳腔的横截面面积逐渐变大；

所述容纳腔的内壁为连续曲面，所述容纳腔的中心与所述模腔的轴线所在平面，与所述容纳腔的内壁相交得到连续曲线，所述连续曲线满足：

X＝αZ²+β,0≤Z＜a，

a≤Z＜b，

X＝αZ²+δ,b≤Z≤c，

εb^-φ+χ＝αb²+δ，

其中，Z坐标轴平行于所述模腔的轴线且向上；所述容纳腔的中心与所述模腔的轴线所在平面，与所述下模表面相交的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向所述容纳腔外侧，0.5≤φ≤0.8，0.6≤β≤1，α、ε、χ和δ均为常数，ε＞0，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为所述模腔的高度。

在上述技术方案的基础上，1.5cm≤a≤2.9cm，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm。

在上述技术方案的基础上，所述下模包括底座、凸模和内腔衬套，所述凸模设于所述底座表面上并一体成型，所述内腔衬套可拆卸地设于所述凸模表面上，所述内腔衬套表面具有凹槽结构；

所述凸模伸入所述环状上模内，并与所述环状上模相匹配，所述环状上模通过嵌入件固定连接在所述底座上。

在上述技术方案的基础上，所述下模包括底座、凸模和内腔衬套，所述凸模设于所述底座表面上并一体成型，所述内腔衬套可拆卸地设于所述凸模表面上，所述内腔衬套表面具有凹槽结构；

所述凸模表面设有限位凹槽，所述环状上模安装在所述限位凹槽中，并通过嵌入件与所述凸模固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述凹槽结构包括间隔设置的至少5个凹槽，所述凹槽的深度为0.1～1cm，所述凹槽的间距和所述凹槽的宽度均为0.5～8cm。

在上述技术方案的基础上，所述环状上模包括两个半模，两个所述半模通过企口结构紧密扣合，两个所述半模和所述下模共同围成所述模腔，所述凸出部和一个所述半模一体成型。

本发明还提供一种制备抛光层的模具，其包括下模和设于所述下模表面上的环状上模，所述环状上模和所述下模共同围成圆柱形模腔，所述模腔容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物；

所述环状上模的侧壁沿所述模腔的轴线方向设有凸出部，所述凸出部具有容纳腔，所述容纳腔贯穿所述凸出部并与所述模腔相连通，所述容纳腔的横截面垂直于所述模腔的轴线，且沿所述模腔的轴线由所述模腔的顶面到底面的方向上，所述容纳腔的横截面面积逐渐变大。

在上述技术方案的基础上，所述容纳腔的内壁为连续曲面，所述容纳腔的中心与所述模腔的轴线所在平面，与所述容纳腔的内壁相交得到连续曲线，所述连续曲线满足：

0≤Z＜a，

X＝-εZ+χ,a≤Z＜b，

b≤Z≤c，

-αa^φ+β＝-εa+χ，-εb+χ＝αb^-φ+δ，

其中，Z坐标轴平行于所述模腔的轴线且向上；所述容纳腔的中心与所述模腔的轴线所在平面，与所述下模表面相交的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向所述容纳腔外侧，0.3≤φ≤0.5，0.4≤β≤0.6，α、ε、χ和δ均为常数，ε＞0，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为所述模腔的高度。

在上述技术方案的基础上，1.5cm≤a≤2.9cm，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm。

在上述技术方案的基础上，所述下模包括底座、凸模和内腔衬套，所述凸模设于所述底座表面上并一体成型，所述内腔衬套可拆卸地设于所述凸模表面上，所述内腔衬套表面具有凹槽结构；

所述凸模伸入所述环状上模内，并与所述环状上模相匹配，所述环状上模通过嵌入件固定连接在所述底座上。

在上述技术方案的基础上，所述下模包括底座、凸模和内腔衬套，所述凸模设于所述底座表面上并一体成型，所述内腔衬套可拆卸地设于所述凸模表面上，所述内腔衬套表面具有凹槽结构；

所述凸模表面设有限位凹槽，所述环状上模安装在所述限位凹槽中，并通过嵌入件与所述凸模固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述凹槽结构包括间隔设置的至少5个凹槽，所述凹槽的深度为0.1～1cm，所述凹槽的间距和所述凹槽的宽度均为0.5～8cm。

在上述技术方案的基础上，所述环状上模包括两个半模，两个所述半模通过企口结构紧密扣合，两个所述半模和所述下模共同围成所述模腔，所述凸出部和一个所述半模一体成型。

本发明还提供一种制备抛光层的模具，其包括下模和设于所述下模表面上的环状上模，所述环状上模和所述下模共同围成圆柱形模腔，所述模腔容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物；

所述环状上模的侧壁沿所述模腔的轴线方向设有凸出部，所述凸出部具有容纳腔，所述容纳腔贯穿所述凸出部并与所述模腔相连通，所述容纳腔的横截面垂直于所述模腔的轴线，且沿所述模腔的轴线由中心向两端的方向上，所述容纳腔的横截面面积逐渐变大；

靠近所述模腔两端的所述容纳腔内壁均为具有多个阶梯的阶梯面，每级所述阶梯的高度根据所述抛光层的厚度确定，其中，两个所述阶梯面中所有阶梯的总高度分别为a和c-b，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为所述模腔的高度。

在上述技术方案的基础上，两个所述阶梯面之间的所述容纳腔的内壁与所述模腔的轴线所在平面的相交线满足：

a≤Z≤b，

其中，Z坐标轴平行于所述模腔的轴线且向上；所述容纳腔的中心与所述模腔的轴线所在平面，与所述下模表面相交的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向所述容纳腔外侧，ε和χ均为常数。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)液体聚合混合物在模腔和容纳腔中同时固化，固化后得到的圆柱体的侧面具有容纳腔形状的凸起结构，对圆柱体进行切片加工得到的抛光层的外缘都具有不同尺寸的凸缘，根据凸缘尺寸能够快速、简便地识别不同密度的抛光层，无需增加额外装置和工时。

(2)容纳腔具有与密度经验曲线相似的特殊形状内壁，使得浇注固化成型时聚氨酯制品具备相应特殊形状的凸起结构，根据凸起结构可以快速识别不同的工艺条件和密度范围。

(3)容纳腔内壁为阶梯面时，阶梯高度根据抛光层的厚度确定，有利于在切片时准确确定具有特定密度的抛光层。

附图说明

图1是使用传统浇铸-切割工艺在圆柱体模具中固化成型的聚氨酯制品的示意图；

图2是当该聚氨酯制品的高度H范围为5～10cm，固化温度保持在100～120℃时，密度ρ随高度H变化的经验曲线示意图；

图3是当该聚氨酯制品的高度H范围为5～10cm，固化温度低于100℃时，密度ρ随高度H变化的经验曲线示意图；

图4是本发明第一实施例制备抛光层的模具的俯视图；

图5是图4中A-A的剖面图；

图6是本发明第二实施例制备抛光层的模具的俯视图；

图7是图5中A-A的剖面图；

图8是在第一实施例和第二实施例中，容纳腔的中心与模腔的轴线所在平面，该平面与容纳腔的内壁相交得到连续曲线的示意图；

图9是在第三实施例和第四实施例中，容纳腔的中心与模腔的轴线所在平面，该平面与容纳腔的内壁相交得到连续曲线的示意图；

图10是在第五实施例中，容纳腔内壁为阶梯面的示意图。

图中：

1-下模，11-底座，12-凸模，13-内腔衬套，14-限位凹槽，15-凹槽，2-环状上模，21-凸出部，211-容纳腔，22-半模，221-企口结构，3-模腔，4-嵌入件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图4和5所示，本发明第一实施例提供一种制备抛光层的模具，其包括下模1和设于下模1表面上的环状上模2，下模1为圆形结构，环状上模2和下模1共同围成圆柱形模腔3，模腔3容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物。

环状上模2的侧壁沿模腔3的轴线方向设有凸出部21，凸出部21具有容纳腔211，容纳腔211贯穿凸出部21并与模腔3相连通，容纳腔211的横截面垂直于模腔3的轴线，且沿模腔3的轴线由中心到两端的方向上，容纳腔211的横截面面积逐渐变大。容纳腔211的横截面为一段圆环，圆环的圆心位于模腔3的轴线上。容纳腔211的横截面不作限定，可以是其他规则或不规则的形状。例如，容纳腔211的横截面可以为一段圆环，圆环的圆心位于模腔3的轴线上。

下模1包括底座11、凸模12和内腔衬套13，凸模12设于底座11表面上，凸模12和底座11一体成型，内腔衬套13可拆卸地设于凸模12表面上。凸模12伸入环状上模2内，并与环状上模2相匹配，环状上模2通过嵌入件4固定连接在底座11上。参见图5所示，环状上模2围绕在凸模12外周，并通过嵌入件4直接固定在底座11上，嵌入件4还可以防止环状上模2松动或旋转，嵌入件4可以是防转销钉或者防脱吊紧螺钉等。

底座11为矩形，矩形的长度范围为100cm～150cm，矩形的宽度范围为100cm～150cm，根据操作台尺寸，底座11的尺寸优选100cm×120cm。底座11厚约为2cm～5cm，优选3cm～4cm。浇注过程中，将T型嵌入件穿入冲床操作台上的T型槽内，再将T型嵌入件上穿入压板并用螺母旋紧，压板就把底座11紧固在操作台上以便进行浇注工作。

内腔衬套13表面设有凹槽结构，凹槽结构包括间隔设置的至少5个凹槽15，凹槽15的深度为0.1～1cm，优选范围为0.4～0.8cm，凹槽15的间距和凹槽15的宽度均为0.5～8cm，优选范围为3.4～5cm。这是由于在浇铸-切割工艺中，液体聚合混合物固化时形成聚氨酯制品，聚氨酯制品与内腔衬套13表面应具有足够的结合强度，使得在切片过程中聚氨酯制品不会从内腔衬套13上剥离，另外，采用凹槽结构有利于在切片完成后将聚氨酯制品从内腔衬套13表面脱模，同时也容易清除残留在内腔衬套13上的浇注废料。凹槽15分布太密，会造成不易脱模；凹槽15分布太稀疏，切片时聚氨酯制品易从内腔衬套13上剥离，不利于切片加工。

环状上模2包括两个半模22，两个半模22通过企口结构221紧密扣合，企口结构221采用凹凸槽相互锁扣组合，企口结构221至少为2个并相对于模腔3的中心对称布置，两个半模22和下模1共同围成模腔3，凸出部21和一个半模22一体成型。

在本发明第二实施例中，参见图6和7所示，凸模12表面设有限位凹槽14，环状上模2安装在限位凹槽14中，并通过嵌入件4与凸模12固定连接，嵌入件4还可以防止环状上模2松动或旋转。

传统抛光层浇铸-切割工艺和模腔3的直径Φ_模具的范围为50～90cm，而圆柱聚氨酯制品的高度H的范围为5cm～10cm。聚氨酯材料在冷却过程中应力趋于消除，氨酯制品的线性尺寸成一定比例的缩小，根据收缩率公式K_收缩率＝[(Φ_模具-Φ_样品)/Φ_模具]×100％，以及去皮前产品尺寸设计，模腔3的直径Φ_模具的范围为51.1～92.1cm，优选Φ_模具为84.9cm；圆柱聚氨酯制品的高度H范围为5.5～12cm，优选高度H的范围为7.8～11.1cm，更优的，聚氨酯制品的高度H为11.1cm。环状上模2的壁厚为2～4cm，优选的，环状上模2的壁厚为3cm。环状上模2的壁厚不宜太厚，这是由于液体聚合混合物在凝胶时会产生大量的热，而且必须保证液体聚合混合物在一定的固化温度下固化，环状上模2的壁厚太厚不利于热传导。

环状上模2的制作材料选用加工温度在100～130℃范围内仍具有一定刚性的材料，包括但不限于硬木、纸浆、聚酯如聚碳酸酯PC、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚氨酯PU、聚烃聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚酰胺PA、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS、石膏、钢铁如普通碳素钢A2或A3或者合金如耐热合金T7或T8等材料。

当优选的材料为聚碳酸酯PC、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚酰胺PA或者聚氯乙烯PVC时，模腔3内壁还可以涂有润滑材料，如含氟材料等，可起到易脱模及便于清理的作用。当优选的材料为耐热合金T7或T8时，模腔3内壁还可以镀有硬铬，可起到模具不易变形、材料易脱模及便于清理的作用。

优选聚氨酯材料，由于浇注材料为聚氨酯，两者在内腔衬套13表面的粘合力强；其次，聚氨酯模具具有轻巧、易脱模、高强度、高耐磨、长寿命、低成本、环保等优点，且适合流水线大批量生产。

大量的实验结果表明，制备肖氏硬度为45～65D的聚氨酯抛光层时，其固化温度一般保持在100～120℃，液体聚合混合物固化后得到的圆柱状聚氨酯制品的密度ρ-高度H呈一定曲线规律分布如图2所示，高度H在5～10cm之间时，抛光层密度ρ随高度H呈三个区间的变化分布，三个区间分别为A区间、B区间和C区间，其中，抛光层的密度ρ随高度H的变化而变化。在A区间，圆柱状聚氨酯制品的高度H从o点至a，密度ρ逐渐降低；在B区间，聚氨酯制品高度H从a至b，密度ρ从最低点趋近于线性缓慢升高；在C区间，聚氨酯制品高度H从b至c，密度ρ逐渐升高。

根据上述分析可知：为便于根据聚氨酯制品的密度在高度上的差异来区分切片后得到的各抛光层，本发明第一实施例和第二实施例中的容纳腔211的内壁都具有与上述图2中密度ρ-高度H经验曲线近似的特殊形状，使得浇注固化成型后的聚氨酯制品具备相应特殊形状的凸起结构，根据凸起结构可以快速识别不同的工艺条件和聚氨酯制品的密度范围。

在上述第一实施例和第二实施例中，当容纳腔211的内壁为连续曲面时，连续曲面与模腔3的轴线所在平面相交得到连续曲线，该连续曲线接近上述图2的经验曲线，该连续曲线满足：

X＝αZ²+β,0≤Z＜a， (1)

a≤Z＜b， (2)

X＝αZ²+δ,b≤Z≤c， (3)

εb^-φ+χ＝αb²+δ， (4)

其中，Z坐标轴平行于模腔3的轴线且向上；容纳腔211的中心与模腔3的轴线所在平面，与下模1表面的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向容纳腔211外侧，0.5≤φ≤0.8，0.6≤β≤1，ε＞0，α、ε、χ和δ均为常数，a、b和c均为常数，a、b和c根据上述密度ρ-高度H经验曲线的三个区间确定，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。

具体的，上述连续曲线如图8所示，上述公式(1)到(4)满足：1.5cm≤a≤2.4cm，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm，根据大量的实验发现，制备肖氏硬度为45～65D聚氨酯抛光层，其固化温度一般保持在100～120℃，此种情况下，该连续曲线接近图2中密度ρ随高度H变化的经验曲线，该聚氨酯制品的高度H范围为5～10cm，密度ρ的范围为0.6～1.0g/cm³。

本发明的第三实施例与第一实施例中下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式相同，即环状上模2围绕在凸模12外周，并通过嵌入件4直接固定在底座11上，模具其余部分基本相同，第三实施例与第一实施例的区别在于容纳腔211的形状不同。

具体的，制备肖氏硬度为15～35D的聚氨酯抛光层时，其固化温度一般低于100℃，液体聚合混合物固化后得到的圆柱状聚氨酯制品的密度ρ-高度H呈一定曲线规律分布，如图3所示，高度H在5～10cm之间时，抛光层密度ρ随高度H呈三个区间的变化分布，三个区间分别为A区间、B区间和C区间，其中，抛光层的密度ρ随高度H的变化而变化。在A区间，圆柱状聚氨酯制品的高度H从o点至a；在B区间，聚氨酯制品高度H从a至b；在C区间，聚氨酯制品高度H从b至c。密度ρ从o点至c逐渐降低，但是，在三个区间内，密度ρ降低的速率不同。

根据上述分析可知：为便于根据聚氨酯制品的密度在高度上的差异来区分切片后得到的各抛光层，本发明第三实施例和第四实施例中的容纳腔211的内壁都具有与上述图3中密度ρ-高度H经验曲线近似的特殊形状，使得浇注固化成型后的聚氨酯制品具备相应特殊形状的凸起结构，根据凸起结构可以快速识别不同的工艺条件和聚氨酯制品的密度范围。

在本发明的第三实施例中，容纳腔211的横截面垂直于模腔3的轴线，且沿模腔3的轴线由模腔3顶面到底面的方向上，容纳腔211的横截面面积逐渐变大。容纳腔211的横截面不作限定，可以是其他规则或不规则的形状。例如，容纳腔211的横截面可以为一段圆环，圆环的圆心位于模腔3的轴线上。

容纳腔211的内壁为连续曲面，连续曲面与模腔3的轴线所在平面相交得到另一连续曲线，该连续曲线接近上述图3经验曲线，该连续曲线满足：

0≤Z＜a， (5)

X＝-εZ+χ,a≤Z＜b， (6)

b≤Z≤c， (7)

-αa^φ+β＝-εa+χ，-εb+χ＝αb^-φ+δ， (8)

其中，Z坐标轴平行于模腔3的轴线且向上；容纳腔211的中心与模腔3的轴线所在平面，与下模1表面的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向容纳腔211外侧，0.3≤φ≤0.5，0.4≤β≤0.6，α、ε、χ和δ均为常数，ε＞0，a、b和c均为常数，a、b和c根据上述密度ρ-高度H经验曲线的三个区间确定，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。

具体的，上述连续曲线如图9所示，上述公式(5)到(8)满足：1.5cm≤a≤2.9cm，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm，根据大量的实验发现，制备肖氏硬度为15～35D聚氨酯抛光层，其固化温度一般低于100℃，此种情况下，该连续曲线接近图3中密度ρ随高度H变化的经验曲线，该聚氨酯制品的高度H范围为5～10cm时，密度ρ的范围为0.4～0.6g/cm³。

第四实施例与第三实施例的容纳腔211的形状相同，第四实施例与第三实施例的区别在于下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式不同，第四实施例与第二实施例中下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式相同，即凸模12表面设有限位凹槽14，环状上模2安装在限位凹槽14中，并通过嵌入件4与凸模12固定连接。

为便于区分聚氨酯制品不同位置的密度，还可以将上述接近经验曲线的连续曲线进一步拟合设计为“阶梯结构”。

本发明的第五实施例与第一实施例中下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式相同，即环状上模2围绕在凸模12外周，并通过嵌入件4直接固定在底座11上，模具其余部分基本相同，第五实施例与第一实施例的区别在于容纳腔211的形状不同。参见图10所示，靠近模腔3两端的容纳腔211内壁均为具有多个阶梯的阶梯面，每级阶梯的高度根据抛光层的厚度确定，每级阶梯的高度h的范围为2.1～2.4mm，优选2.2mm，这是由于注塑材料固化成型后需按一定厚度进行切削，切削厚度一般为2.0mm，根据材料固化收缩和切削时部分材料损耗，阶梯高度h最佳值为2.2mm。两个阶梯面的所有阶梯的总高度分别为a和c-b，a、b和c均为常数，a、b和c根据上述密度ρ-高度H经验曲线的三个区间确定，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。

在本发明第五实施例中，两个阶梯面之间的容纳腔211的内壁为圆弧面，该圆弧面与模腔3的轴线所在平面的相交线满足：

a≤Z≤b，

其中，Z坐标轴平行于模腔3的轴线且向上；容纳腔211的中心与模腔3的轴线所在平面，与下模1表面的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向容纳腔211外侧，ε和χ均为常数，其中，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm，1.5cm≤a≤2.4cm。容纳腔211的尺寸d2的范围为2～4cm。

在本发明第六实施例中，第六实施例与第五实施例的容纳腔211的形状相同，第六实施例与第五实施例的区别在于下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式不同，第六实施例与第二实施例中下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式相同，即凸模12表面设有限位凹槽14，环状上模2安装在限位凹槽14中，并通过嵌入件4与凸模12固定连接。

本发明的第七实施例与第一实施例中下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式相同，即环状上模2围绕在凸模12外周，并通过嵌入件4直接固定在底座11上，模具其余部分基本相同，第七实施例与第一实施例的区别在于容纳腔211的形状不同。

在第七实施例中，容纳腔211内壁沿模腔3的高度方向分为三个具有多个阶梯的阶梯面，每级阶梯的高度根据抛光层的厚度确定，每级阶梯的高度h的范围为2.1～2.4mm，优选2.2mm，这是由于注塑材料固化成型后需按一定厚度进行切削，切削厚度一般为2.0mm，根据材料固化收缩和切削时部分材料损耗，阶梯高度h最佳值为2.2mm。每个阶梯面的所有阶梯的总高度分别为a、b-a和c-b，a、b和c均为常数，a、b和c根据上述密度ρ-高度H经验曲线的三个区间确定，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。

两个阶梯面之间的容纳腔211的内壁与模腔3的轴线所在平面的相交线满足：

X＝-εZ+χ，a≤Z≤b，

其中，Z为与模腔3的轴线平行的坐标轴，X为沿模腔3径向的坐标轴，X和Z构成的坐标系的原点位于下模1表面，ε和χ均为常数，其中，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm，1.5cm≤a≤2.9cm。容纳腔211的尺寸d2的范围为2～4cm。

在本发明第八实施例中，第八实施例与第七实施例的容纳腔211的形状相同，第八实施例与第七实施例的区别在于下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式不同，第八实施例与第二实施例中下模1的结构以及环状上模2和下模1的连接方式相同，即凸模12表面设有限位凹槽14，环状上模2安装在限位凹槽14中，并通过嵌入件4与凸模12固定连接。

本发明还提供一种抛光层的制备方法，包括以下步骤：

S1.将如权利要求1的模具固定在操作台上，通过浇注头的喷嘴将液体聚合混合物浇铸到模具中。

S2.使液体聚合混合物在模腔3和容纳腔211中固化，将固化后得到的圆柱状聚氨酯制品与模具分离，聚氨酯制品的侧面具有容纳腔211形状的凸起结构。制备肖氏硬度为45～65D聚氨酯抛光层，其固化温度一般保持在100～120℃。制备肖氏硬度为15～35D的聚氨酯抛光层时，其固化温度一般低于100℃。

实施例A：制备肖氏硬度为45～65D的聚氨酯抛光层时，其固化温度一般保持在100～120℃，圆柱状聚氨酯制品的高度H在5～10cm之间。容纳腔211的内壁为连续曲面，连续曲面与模腔3的轴线所在平面相交得到连续曲线，该连续曲线接近上述经验曲线(例如图2中的经验曲线)，该连续曲线满足：

X＝αZ²+β,0≤Z＜a， (1)

a≤Z＜b， (2)

X＝αZ²+δ,b≤Z≤c， (3)

εb^-φ+χ＝αb²+δ， (4)

其中，Z坐标轴平行于模腔3的轴线且向上；容纳腔211的中心与模腔3的轴线所在平面，与下模1表面的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向容纳腔211外侧，0.5≤φ≤0.8，0.6≤β≤1，ε＞0，α、ε、χ和δ均为常数，a、b和c均为常数，a、b和c根据上述密度ρ-高度H经验曲线的三个区间确定，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。具体的，高度a为1.5～2.9cm，优选1.8～2.4cm；高度c为7.4～12cm，优选7.8～11.1cm；高度b为5.5～9.6cm，优选5.7～8.6cm。

实施例B：制备肖氏硬度为15～35D的聚氨酯抛光层时，其固化温度一般低于100℃，圆柱状聚氨酯制品的高度H在5～10cm之间。容纳腔211的内壁为连续曲面，连续曲面与模腔3的轴线所在平面相交得到连续曲线，该连续曲线接近上述经验曲线(例如图3中的经验曲线)，该连续曲线满足：

0≤Z＜a， (5)

X＝-εZ+χ,a≤Z＜b， (6)

b≤Z≤c， (7)

-αa^φ+β＝-εa+χ，-εb+χ＝αb^-φ+δ， (8)

其中，Z坐标轴平行于模腔3的轴线且向上；容纳腔211的中心与模腔3的轴线所在平面，与下模1表面的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向容纳腔211外侧，0.3≤φ≤0.5，0.4≤β≤0.6，α、ε、χ和δ均为常数，ε＞0，a、b和c均为常数，a、b和c根据上述密度ρ-高度H经验曲线的三个区间确定，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。具体的，高度a为1.5～2.9cm，优选1.8～2.4cm；高度c为7.4～12cm，优选7.8～11.1cm；高度b为5.5～9.6cm，优选5.7～8.6cm。

实施例C：制备肖氏硬度为45～65D的聚氨酯抛光层时，其固化温度一般保持在100～120℃，圆柱状聚氨酯制品的高度H在5～10cm之间。靠近模腔3两端的容纳腔211内壁为阶梯面，阶梯面与模腔3的轴线所在平面的相交线包括沿模腔3的轴线方向的多级阶梯，每级阶梯的高度根据所述抛光层的厚度确定，其中，两个阶梯面中所有阶梯的总高度分别为a和c-b，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。

两个阶梯面之间的容纳腔211的内壁与模腔3的轴线所在平面的相交线满足：

a≤Z≤b，

其中，Z坐标轴平行于模腔3的轴线且向上；容纳腔211的中心与模腔3的轴线所在平面，与下模1表面的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向容纳腔211外侧，ε和χ均为常数，其中，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm，1.5cm≤a≤2.9cm。容纳腔211的尺寸d2的范围为2～4cm。

根据图8和公式(1)-(4)，在浇注过程中，模腔3内A区间浇注材料在环绕侧壁固化成型后凸起结构呈下宽上窄并逐级递减的“阶梯状”且倾斜率随之逐渐减小，A区间高度a1为1.5～2.9cm，优选1.8～2.4cm；C区间凸起结构呈下窄上宽并逐级递增的“阶梯状”且倾斜率随之逐渐增大，C区间高度c为7.4～12cm，优选7.8～11.1cm；B区间凸起结构形成上下宽中间窄的“沙漏”结构，“沙漏”结构上、下分别与A区间上端和C区间下端相接，B区间高度b为5.5～9.6cm，优选5.7～8.6cm。

实施例D：制备肖氏硬度为15～35D的聚氨酯抛光层时，其固化温度一般低于100℃，圆柱状聚氨酯制品的高度H在5～10cm之间。靠近模腔3两端的容纳腔211内壁为阶梯面，阶梯面与模腔3的轴线所在平面的相交线包括沿模腔3的轴线方向的多级阶梯，每级阶梯的高度根据抛光层的厚度确定，其中，两个阶梯面中所有阶梯的总高度分别为a和c-b，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为模腔3的高度。

两个阶梯面之间的容纳腔211的内壁与模腔3的轴线所在平面的相交线满足：

X＝-εZ+χ，a≤Z≤b，

其中，Z坐标轴平行于模腔3的轴线且向上；容纳腔211的中心与模腔3的轴线所在平面，与下模1表面的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向容纳腔211外侧，ε和χ均为常数，其中，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm，1.5cm≤a≤2.9cm。容纳腔211的尺寸d2的范围为2～4cm。

圆柱状聚氨酯制品的密度ρ从o点至c逐渐降低，但是，在三个区间内，密度ρ降低的速率不同。

S3.使用切削刀具对聚氨酯制品进行切片加工，得到多个抛光层，每个抛光层的外缘都具有凸缘，凸缘由凸起结构切片加工得到；

S4.根据抛光层上凸缘的尺寸确定抛光层的标号，凸缘的尺寸相同的所有抛光层具有相同的标号。

容纳腔211具有与经验曲线相似的特殊内壁，使得浇注固化成型时聚氨酯制品具备相应特殊形状的凸起结构，在圆柱状聚氨酯制品切片后，根据抛光层边缘的凸缘可以快速识别不同的密度范围或可以快速分类出相同密度的抛光层。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (15)

1.一种制备抛光层的模具，其包括下模(1)和设于所述下模(1)表面上的环状上模(2)，所述环状上模(2)和所述下模(1)共同围成圆柱形模腔(3)，所述模腔(3)容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物，其特征在于：

所述环状上模(2)的侧壁沿所述模腔(3)的轴线方向设有凸出部(21)，所述凸出部(21)具有容纳腔(211)，所述容纳腔(211)贯穿所述凸出部(21)并与所述模腔(3)相连通，所述容纳腔(211)的横截面垂直于所述模腔(3)的轴线，且沿所述模腔(3)的轴线由中心向两端的方向上，所述容纳腔(211)的横截面面积逐渐变大；

所述容纳腔(211)的内壁为连续曲面，所述容纳腔(211)的中心与所述模腔(3)的轴线所在平面，与所述容纳腔(211)的内壁相交得到连续曲线，所述连续曲线满足：

X＝αZ²+β,0≤Z＜a，

a≤Z＜b，

X＝αZ²+δ,b≤Z≤c，

εb^-φ+χ＝αb²+δ，

其中，Z坐标轴平行于所述模腔(3)的轴线且向上；所述容纳腔(211)的中心与所述模腔(3)的轴线所在平面，与所述下模(1)表面相交的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向所述容纳腔(211)外侧，0.5≤φ≤0.8，0.6≤β≤1，α、ε、χ和δ均为常数，ε＞0，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为所述模腔(3)的高度。

2.如权利要求1所述的制备抛光层的模具，其特征在于：

1.5cm≤a≤2.9cm，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm。

3.如权利要求1所述的制备抛光层的模具，其特征在于：

所述下模(1)包括底座(11)、凸模(12)和内腔衬套(13)，所述凸模(12)设于所述底座(11)表面上并一体成型，所述内腔衬套(13)可拆卸地设于所述凸模(12)表面上，所述内腔衬套(13)表面具有凹槽结构；

所述凸模(12)伸入所述环状上模(2)内，并与所述环状上模(2)相匹配，所述环状上模(2)通过嵌入件(4)固定连接在所述底座(11)上。

4.如权利要求1所述的制备抛光层的模具，其特征在于：所述下模(1)包括底座(11)、凸模(12)和内腔衬套(13)，所述凸模(12)设于所述底座(11)表面上并一体成型，所述内腔衬套(13)可拆卸地设于所述凸模(12)表面上，所述内腔衬套(13)表面具有凹槽结构；

所述凸模(12)表面设有限位凹槽(14)，所述环状上模(2)安装在所述限位凹槽(14)中，并通过嵌入件(4)与所述凸模(12)固定连接。

5.如权利要求4所述的制备抛光层的模具，其特征在于：所述凹槽结构包括间隔设置的至少5个凹槽(15)，所述凹槽(15)的深度为0.1～1cm，所述凹槽(15)的间距和所述凹槽(15)的宽度均为0.5～8cm。

6.如权利要求1所述的制备抛光层的模具，其特征在于：所述环状上模(2)包括两个半模(22)，两个所述半模(22)通过企口结构(221)紧密扣合，两个所述半模(22)和所述下模(1)共同围成所述模腔(3)，所述凸出部(21)和一个所述半模(22)一体成型。

7.一种制备抛光层的模具，其包括下模(1)和设于所述下模(1)表面上的环状上模(2)，所述环状上模(2)和所述下模(1)共同围成圆柱形模腔(3)，所述模腔(3)容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物，其特征在于：

所述环状上模(2)的侧壁沿所述模腔(3)的轴线方向设有凸出部(21)，所述凸出部(21)具有容纳腔(211)，所述容纳腔(211)贯穿所述凸出部(21)并与所述模腔(3)相连通，所述容纳腔(211)的横截面垂直于所述模腔(3)的轴线，且沿所述模腔(3)的轴线由所述模腔(3)的顶面到底面的方向上，所述容纳腔(211)的横截面面积逐渐变大。

8.如权利要求7所述的制备抛光层的模具，其特征在于：

所述容纳腔(211)的内壁为连续曲面，所述容纳腔(211)的中心与所述模腔(3)的轴线所在平面，与所述容纳腔(211)的内壁相交得到连续曲线，所述连续曲线满足：

0≤Z＜a，

X＝-εZ+χ,a≤Z＜b，

b≤Z≤c，

-αa^φ+β＝-εa+χ，-εb+χ＝αb^-φ+δ，

其中，Z坐标轴平行于所述模腔(3)的轴线且向上；所述容纳腔(211)的中心与所述模腔(3)的轴线所在平面，与所述下模(1)表面相交的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向所述容纳腔(211)外侧，0.3≤φ≤0.5，0.4≤β≤0.6，α、ε、χ和δ均为常数，ε＞0，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为所述模腔(3)的高度。

9.如权利要求8所述的制备抛光层的模具，其特征在于：

1.5cm≤a≤2.9cm，5.5cm≤b≤9.6cm，7.4cm≤c≤12cm。

10.如权利要求7所述的制备抛光层的模具，其特征在于：

所述下模(1)包括底座(11)、凸模(12)和内腔衬套(13)，所述凸模(12)设于所述底座(11)表面上并一体成型，所述内腔衬套(13)可拆卸地设于所述凸模(12)表面上，所述内腔衬套(13)表面具有凹槽结构；

所述凸模(12)伸入所述环状上模(2)内，并与所述环状上模(2)相匹配，所述环状上模(2)通过嵌入件(4)固定连接在所述底座(11)上。

11.如权利要求7所述的制备抛光层的模具，其特征在于：所述下模(1)包括底座(11)、凸模(12)和内腔衬套(13)，所述凸模(12)设于所述底座(11)表面上并一体成型，所述内腔衬套(13)可拆卸地设于所述凸模(12)表面上，所述内腔衬套(13)表面具有凹槽结构；

所述凸模(12)表面设有限位凹槽(14)，所述环状上模(2)安装在所述限位凹槽(14)中，并通过嵌入件(4)与所述凸模(12)固定连接。

12.如权利要求11所述的制备抛光层的模具，其特征在于：所述凹槽结构包括间隔设置的至少5个凹槽(15)，所述凹槽(15)的深度为0.1～1cm，所述凹槽(15)的间距和所述凹槽(15)的宽度均为0.5～8cm。

13.如权利要求7所述的制备抛光层的模具，其特征在于：所述环状上模(2)包括两个半模(22)，两个所述半模(22)通过企口结构(221)紧密扣合，两个所述半模(22)和所述下模(1)共同围成所述模腔(3)，所述凸出部(21)和一个所述半模(22)一体成型。

14.一种制备抛光层的模具，其包括下模(1)和设于所述下模(1)表面上的环状上模(2)，所述环状上模(2)和所述下模(1)共同围成圆柱形模腔(3)，所述模腔(3)容纳用于制备抛光层的液体聚合混合物，其特征在于：

所述环状上模(2)的侧壁沿所述模腔(3)的轴线方向设有凸出部(21)，所述凸出部(21)具有容纳腔(211)，所述容纳腔(211)贯穿所述凸出部(21)并与所述模腔(3)相连通，所述容纳腔(211)的横截面垂直于所述模腔(3)的轴线，且沿所述模腔(3)的轴线由中心向两端的方向上，所述容纳腔(211)的横截面面积逐渐变大；

靠近所述模腔(3)两端的所述容纳腔(211)内壁均为具有多个阶梯的阶梯面，每级所述阶梯的高度根据所述抛光层的厚度确定，其中，两个所述阶梯面中所有阶梯的总高度分别为a和c-b，a、b和c均为常数，且a<b＜c，c＝H，H为所述模腔(3)的高度。

15.如权利要求14所述的制备抛光层的模具，其特征在于：

两个所述阶梯面之间的所述容纳腔(211)的内壁与所述模腔(3)的轴线所在平面的相交线满足：

a≤Z≤b，

其中，Z坐标轴平行于所述模腔(3)的轴线且向上；所述容纳腔(211)的中心与所述模腔(3)的轴线所在平面，与所述下模(1)表面相交的相交线位于X坐标轴，X坐标轴指向所述容纳腔(211)外侧，ε和χ均为常数。