在旋转研磨或抛光工具中使用的研磨元件的制作方法

1.本发明涉及如本专利申请权利要求1的前序部分所述的一种研磨元件。


背景技术：

2.在本发明的说明书中，其旨在用于研磨或抛光工具，术语“磨削(abrasive)”和“抛光(polishing)”是可以相互互换的。例如，砂布(abrasive cloth)也指抛光布等。
3.用于设计成研磨机器或抛光机器的研磨元件，例如鼓式研磨机或砂轮是已知的。这些通常由砂布和支撑刷组合而成。砂布和支撑刷通常安装在细长的支撑型材导轨中，其中砂布和支撑刷从型材导轨突出。可替代地，支撑刷可以安装在细长的支撑型材导轨中，其中砂布可以放置在型材导轨之外或直接放置在刷子上。型材导轨通常用于将研磨元件固定在研磨机器或抛光机器上的工具的底切槽中。
4.砂布终止于外露的边缘区域，该边缘区域延伸超出支撑刷的顶部并沿着支撑刷的上端部分延伸，在使用时，该边缘区域形成砂布的有效研磨区域。然而，这个研磨区域只是安装在型材导轨中的整个砂布的一部分。
5.此外，已知的研磨元件在其效果方面受到限制，因为研磨元件垂直于纵向的柔性(flexibility)和可挠性(pliability)由砂纸的柔性和可挠性决定，并且当研磨或抛光各种工件时，研磨元件的柔性和可挠性是处理表面的重要参数。
6.最后，众所周知，砂纸形式的砂纸相对便宜且使用寿命有限。然而，这不是问题，因为可以快速轻松地更换研磨元件而无需大量停机时间。
7.然而，材料价格高的砂布也是已知的，机器也是已知的，对于机器和砂布而言研磨元件的长使用寿命是重要的。
8.然而，需要降低成本，并且还提供允许减少材料消耗的研磨元件。在处理昂贵的砂布时尤其如此。
9.us 4,969,299公开了一种带有研磨元件的旋转研磨工具，该旋转研磨工具包含由带有粘合磨削颗粒的布组成的片状物。所述引文不包含关于使用支撑刷的说明。用于支撑片状物的布的区域保持没有磨削颗粒。
10.此外，wo2011/110176公开了一种在本专利申请权利要求1的前序部分中描述的类型的研磨元件。多年来，这种研磨元件在许多应用中都可以接受，因为这种研磨元件具有减少昂贵磨削材料消耗和长的使用寿命的历史。然而，在工具利用这些研磨元件处理过的表面上出现了磨损凹槽形式的缺点。
11.即使在使用细粒磨削材料的情况下，在对处理过的表面进行精加工时，在一些应用中也会遇到问题。经过处理的表面通常会以某种形式的涂层或油漆进行处理。
12.因此，遇到了涂层粘附到处理过的表面的问题。为了解决这个问题，使用各种基础处理和粘合剂进行实验，作为表面清漆或表面涂层的基础。考虑到所产生的成本和重量，使用多个饰面层是不可取的。
13.同样还出现了表面光泽的问题。在许多产品中，这会产生不必要的眩光和反射的
问题。即使将涂层用于精加工目的，这也会在精加工表面产生问题。这是由于处理过的表面带有区域的磨损凹槽而具有不规则的表面，在这些区域会发生眩光和反射。对于公共空间的纤维表面，例如风力涡轮机叶片、安全头盔和光伏系统，这个问题尤其严重。为了缓解这个问题，已经进行了使用特殊清漆的实验。然而，需要将重量保持在限定范围内，特别是对于诸如风力涡轮机叶片和安全头盔等产品，即，尽可能地减少油漆和涂层的使用。
14.因此，已经对不同类型的精加工进行了一些实验，包括粘合剂和特殊清漆的使用。粘合剂、底漆、特殊清漆(可能分为若干层)的应用会增加成本，而且导致重量增加，这对于一些产品来说是不希望的。
15.因此，需要改进研磨/抛光以获得表面，该表面将以处理过的表面的形式提供更好的基础，从而使对精加工的需要最小化并消除眩光和粘附的问题。
16.发明目的
17.本发明的目的在于能够使用现有技术的研磨元件，这减少了昂贵的磨削材料的消耗，且使用寿命长，并且还实现了均匀的表面研磨，从而最大限度地减少了粘附和眩光的问题。


技术实现要素：

18.本发明通过前言中提到的类型的研磨元件实现了该目的，该研磨元件特点在于磨削材料的成阵列的颗粒布置成相对于相邻排中的颗粒偏移，并且成阵列的颗粒间隔开，使得磨削颗粒在砂布的纵向上重叠。
19.市售的砂布是机器制造的，其中磨削材料的颗粒位于相邻的排中。当横向观察排的长度时，颗粒排放置成使得每隔一排中的粒子彼此偏移。
20.当使用这些市售的砂布时，用于在研磨元件中形成条的正常程序是在平行于排的方向上和相邻排之间的间距中切割。这使得可以在不干扰磨削材料颗粒的情况下形成干净的切割，磨削材料颗粒通常由金刚石或类似的硬质材料组成，其用作超级磨削材料。
21.通过这种切割，研磨元件的条设有颗粒排，颗粒排的定向为平行于竖直方向。这导致了带有区域的磨损凹槽，其中有表面在靠近排的区域中进行研磨，并且在这些排之间的区域中磨损很小或没有磨损。换言之，在砂布的纵向上会出现一些没有可用于形成被加工表面的磨削颗粒的区域。
22.本发明解决了这个问题，因为磨削颗粒在砂布的纵向上重叠。因此，颗粒将沿砂布的纵向设置。颗粒适当地布置成排。由于磨削材料的颗粒布置成排，因此可以使用一般市售的砂布。通过改变排的取向，使得这些排的取向不再平行于砂布的竖直方向，可以在砂布的纵向上形成磨削颗粒的重叠。
23.尽管多年来在市售的砂布中有可能“反转”排的取向，但迄今为止，平行于排进行切割的期望，需要对条的形成提出专业的解决方案。
24.因此，本发明以相当简单的方式允许制造砂布，其中磨削材料颗粒的布置使得能够对砂布覆盖的整个表面进行研磨。因此，在未进行研磨的区域不会出现特定的磨损凹槽。
25.这种不发生磨损的表面的区域是不希望的，因为它们看起来具有光滑的表面。这种光滑的表面可能部分地导致粘附性差，但也可能导致从表面的顶部发出反射和眩光。
26.因此，使用根据本发明的研磨元件，将产生更粗糙的表面，并且表面不会有导致眩
光的平滑区域。这种更大的表面粗糙度也会产生更大的区域，从而为涂层或清漆的粘附提供更大的表面。因此，粘附性将增加。
27.由于表面显得粗糙且没有平滑区域，所以反射将变成更加漫反射。这使得可以仅基于使用的涂层或清漆来控制表面并确定眩光和光泽度的可能性。考虑到较大的表面产生粘附性，并且减少对更多层的需求以减少来自磨损和涂层表面的眩光，这种清漆可以涂在比传统情况更薄的层中。
28.特别是对于风力涡轮机叶片，需要控制来自涡轮机叶片的眩光。类似的挑战出现在光伏系统中，来自这种光伏系统的通常非常大的表面的眩光是不期望的。
29.在安全头盔中，出于道路安全的原因，同样需要减少眩光。
30.颗粒的特定布置与相邻排中的颗粒发生偏移，以及排相对于条延伸的角度布置，其结果是以简单的方式改进了研磨/抛光，允许获得表面，由此形成更好基础，从而使对后处理的需要最小化，同时避免眩光问题并优化粘附性。
31.磨削材料由放置在砂布的有效区域中的颗粒组成。因此，该区域具有特别有效的磨削能力，这相对于传统的砂布延长了使用寿命。在一个优选实施例中，磨削材料由金刚石颗粒组成。
32.磨削材料可以包括材料单元，其单元尺寸在0.1到1000微米之间。这意味着在单位尺寸在范围的下端，磨削材料可以具有粉体的稠度，而它们的单位尺寸在范围的上端，磨削材料可以由颗粒组成。
33.该范围是本发明特征的研磨和抛光工作的典型范围。
34.当进行特殊的、且在此情况下通常是更精确的研磨和抛光工作时，要超出该范围，例如使用单位尺寸在纳米范围内的磨削材料，对于本领域技术人员而言是显而易见的。
35.磨削材料的单元可以在形状和结构方面变化。因此，这些单元可以是角形的或圆形的，或者磨削材料单元可以是它们的组合。此外，这些单元可以是结晶的或非结晶的。
36.在一个替代实施例中，颗粒形式的磨削材料的特点在于砂布本身具有局部突起，这些局部突起与待研磨的表面产生实际的有效接触。
37.这些局部突起之间的区域会形成通道，这些通道可以将研磨的粉体从正在被研磨的表面转移开。
38.此外，这些突起和通道提供了增加的热传导。
39.从外露边缘区域切割出砂布以形成条。通常从砂布的外露边缘垂直于型材导轨切割砂布。在一个实施例中，为了形成长条，可以将砂布从砂布的外露边缘切割至型材导轨。可替代地，可将砂布从砂布的外露边缘切割到有效区域和型材导轨之间的位置以形成短条。可以切割砂布以形成具有相同条长度的条或形成具有不同条长度的条。
40.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，相邻排相对于竖直方向以不同于0
°
的角度布置。
41.当使用颗粒成排布置的砂布时，相对于砂布的竖直方向稍微改变排的取向可以使颗粒在砂布的纵向上重叠。
42.根据相邻排之间的距离，角度可以在1
°
到179
°
之间变化。
43.砂布优选布置成相邻排相对于砂布的竖直方向成90
°
角设置。
44.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于相邻排的取向为纵向。
45.因此，当这些排在纵向上对齐时，它们的取向将相对于竖直方向小于90
°
。这代表了一种特别简单的设计。通过将颗粒排列成排，可以以相对简单的方式改变颗粒尺寸和形状，以及成排中颗粒之间的间距，从而确保在砂布的纵向上重叠。
46.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，颗粒在排方向上的延伸长度大于相邻排的颗粒之间的间距。
47.通过使用颗粒，颗粒在排的纵向方向上的延伸大于相邻排中连续颗粒之间的距离，会以特别简单的方式获得在砂布的纵向方向上的重叠。这在使用砂布时是特别有利的，其中这些排在砂布的纵向方向上对齐。
48.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，磨削材料是超级磨削材料，其由颗粒以及例如金刚石或类似材料的粉体组成。
49.该磨削材料是一种超级磨削材料，其本质意味着磨削材料的单元具有一定的强度，如结晶强度或拉伸强度，这种强度与金刚石的强度大致相近。
50.替代实施例的一个示例是立方单元形状的超级磨削材料氮化硼(cbn)，其具有与金刚石大致相同的硬度，同时具有与传统磨削材料相当的导热性。
51.在另一个替代实施例中，超级磨削材料设有涂层，该涂层可以是金属涂层并且可以基于例如镍、铜或类似的涂层材料。
52.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，有效区域构成砂布高度的1/4到1/2，并且通常为砂布高度的大约三分之一。
53.因此，对于砂布和磨削材料的典型组合，在实践中获得了有效区域，该有效区域具有理想的研磨效果，以及具有比砂布节省材料的效果，该砂布在砂布的非有效区域也有磨削材料。
54.根据可替代的实施例，研磨元件的特点在于，在砂布的竖直方向上，有效区域具有磨削轮廓。这意味着例如具有不同磨削材料的磨削轮廓，或例如具有开/关磨削材料的磨削轮廓。
55.根据可替代的实施例，研磨元件的特点在于，磨削材料的有效区域和直到外露边缘区域的端部包括砂布的较小区域，较小区域没有涂覆磨削材料并且占布的磨削高度的零到八分之一。
56.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，砂布的高度在20mm至80mm之间，通常约为40mm。
57.因此，研磨元件为手动控制的机器和工具以及工业中常用于元件生产的机器和工具中的实际应用提供合适的磨削效果。
58.对于本领域技术人员而言，为了更大的或特殊的研磨或抛光目的，延长砂布的高度以用于研磨元件是显而易见的。
59.同样地，对于本领域技术人员而言，为了较小或特殊研磨或抛光目的，减小研磨元件的砂布高度是显而易见的。
60.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，使用粘合剂使磨削材料在有效区域中粘附到砂布上，该粘合剂将颗粒粘合到砂布上。如果还使用粉体，这种粉体也将通过粘合剂粘合到砂布上。
61.如此一来，研磨元件的有效区域直接嵌入砂布中，砂布磨损时可以易于在型材导
轨中更换。
62.随后可以再利用砂布，因为可以在有效区域中添加新的磨削材料。
63.在一个实施例中，粘合剂是树脂基粘合剂。在替代实施例中，可以使用其他粘合剂，例如清漆、粘合剂等等。
64.此外，粘合剂可以是聚酰胺或酚盐。
65.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，磨削材料设置在第二布上，第二布安装在砂布的有效区域中。
66.这个想法是将磨削材料添加至单独的基底，即第二布，并且设置第二基底和砂布的有效区域用于安装。
67.可以通过粘接、焊接、维克罗尼龙搭扣或轨道装置来完成安装。
68.根据进一步的实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，砂布在有效区域和型材导轨之间的区域中的柔性大于砂布在有效区域中的柔性。
69.柔性是指可挠性，并且基本上在垂直于型材导轨纵向的方向上。
70.砂布的有效区域的柔性基本上与砂布的有效区域中的磨削材料层有关。
71.砂布在有效区域与型材导轨之间的区域的柔性与砂布的支撑层的柔性基本相关，砂布支撑层位于有效区域与型材导轨之间。
72.根据砂布的可替代的实施例，内部区域具有至少一个增加柔性的区域。在一个实施例中，该区域是由于狭窄区域中的砂布比该区域的其余部分更薄形成的。
73.此外，由于有效区域出现在表面和支撑刷的尖端之间，这允许有效区域作用在表面上，大致平行于表面。
74.根据另一实施例，根据本发明的研磨元件的特点在于，砂布由塑料材料制成，例如聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)或聚氯乙烯(pvc)，并且在于砂布由橡胶材料制成，或者砂布实施为生物材料。
75.这允许砂布在很长一段时期或时间内用于研磨元件中，因此与传统砂布相比增加了其使用寿命。
附图说明
76.现在将参照附图更详细地解释本发明，其中：
77.图1是已知研磨元件的侧视图，示出了支撑刷和砂布的非有效侧，
78.图2是图1中研磨元件的侧视图，示出了砂布的有效侧，
79.图3是图1所示研磨元件的立体图，示出了支撑刷和砂布的有效侧，
80.图4是图1所示装置的立体图，其优选为垂直于抵靠表面使用的研磨元件的纵向方向的横截面，其中支撑刷推动砂布的有效区域抵靠该表面，
81.图5是根据本发明的研磨元件的砂布与图2的部分相对应的图像，
82.图6是图5所示砂布的放大示意图，
83.图7是根据现有技术用研磨元件加工的表面的示意图，以及
84.图8是对应于图7的示意图，其中用根据本发明的研磨元件加工表面。
具体实施方式
85.图1-4示出了现有技术的研磨元件1的基本设计，如wo2011/110176中所公开的。该设计共用根据本发明的研磨元件1的设计。不同之处在于研磨颗粒在砂布上的布置方式。因此，将参照已知研磨元件的说明来解释根据本发明的研磨元件1。将参照图5-8更详细地解释本发明的新颖特征。
86.图1示出了固定在型材导轨2中的研磨元件1，型材导轨2旨在用于研磨或抛光的工具或机器中。型材导轨2是细长的，因此研磨元件1具有自然的纵向方向3。
87.在型材导轨2中安装有砂布4与支撑刷5。砂布4设有条6。
88.在此具体实施例中，型材导轨2限制了砂布4和支撑刷5从型材导轨中抽出的风险。在型材导轨2的安装区域的窄角度内和竖直方向7上，砂布4和支撑刷5大致沿同一竖直方向7上升或辐射。
89.砂布4在远离型材导轨2的一侧终止于砂布边缘8，砂布边缘8与型材条2之间的距离定义了砂布高度9。
90.支撑刷5在远离型材条2的一侧终止于支撑刷末端10，支撑刷末端10与型材条2之间的距离定义了支撑刷高度11。
91.类似地，砂布长度12被定义为砂布4在纵向3上的延伸，并且支撑刷长度13被定义为支撑刷5在纵向3上的延伸。
92.在所示实施例中，砂布4由多段条6实现，在具体实施例中，这些条6具有大致相同的长度14。然而，改变条长度14没有任何障碍。
93.在所示实施例中，支撑刷长度13超过帆布长度12，并且每段条长度14有多个刷毛。
94.在所示实施例中，砂布高度9超过支撑刷高度11。
95.如图所示，砂布4的非有效侧15面向支撑刷5。
96.图2示出了与图1相同的研磨元件1，但从不同的侧面示出，其中特别是出现了砂布4的有效侧16。
97.砂布4的有效侧16具有有效区域17(标记为
‑‑‑
)，其涂覆有磨削材料18。有效区域17是从砂布边缘8朝着型材导轨2在砂布4上的外露边缘区域19(标记为
……
)处的区域。外露边缘区域19的高度是否大于有效区域17的高度并不重要。重要的是上述两个区域17、19有一定的重叠。
98.在图中所示的部分和说明的实施例中，磨削材料18提供为超级磨削材料20，超级磨削材料20由颗粒22形式的金刚石21组成。这里还示出了粉体23，其可以选择性地与颗粒22一起使用。在此，磨削材料18设置在第二布24上，第二布24进一步安装在砂布4的有效区域17中。
99.在具体实施例中，第二布24粘在砂布4上。
100.在所示的实施例中，第二布24上的磨削材料18与条6相类似地进行切割。
101.在这里可以看出，颗粒22被布置在排26中。在这种类型的市售磨削帆布中，颗粒放置在帆布上的相邻排中是相当典型的。如沿纵向3观察，每隔一排26中的颗粒22彼此相邻放置。中间排26中的颗粒22定位成偏移靠近间隙。因此，颗粒22的排26平行于竖直方向7取向。还可以看出，在排26之间的间隙30中平行于竖直方向7进行切割。在这些间隙30中，颗粒22不重叠，使得在砂布的纵向3上的间隙30没有磨削材料。这产生了受磨损的凹槽，因为在表
面25上被研磨元件1磨损的区域(见图3和4)中不会被颗粒22涂覆。
102.图3是研磨元件1的立体图，示出了支撑刷5和砂布4的有效侧16。
103.支撑刷的末端10搁置或作用在表面25上，该表面25在此也与砂布4的非有效侧15相互作用。
104.砂布4大致具有内部柔性和外部柔性，其中外部柔性与砂布4的有效区域17相关，内部柔性与有效区域17和型材导轨2之间的区域相关。
105.图4为研磨元件1的立体图，优选为垂直于研磨元件1的纵向3的横截面，在使用中，或是与面向表面25的砂布4的有效侧16一起作用，其中支撑刷5推动砂布4的非有效侧15，使得砂布4的有效区域17作用或工作在表面25上。
106.图5示出了用于根据本发明研磨元件9的砂布4的一部分。图5中所示的装置对应于图2中的该部分，并且由此示出了砂布16，在砂布上设有第二帆布24，并且在其中设有磨削材料18。
107.磨削材料18设置为颗粒22的形式，颗粒22布置成排26。排26布置成平行于砂布的纵向3，且因此垂直于砂布的竖直方向7。研磨的排具有相对于竖直方向7成角度27的排的取向28。
108.颗粒22的延伸长度30沿着排的取向28，并且延伸长度30大于相邻排26中颗粒22之间的间距29。此外，颗粒在排26中相对于彼此错开布置。这样，在砂布的整个纵向3上获得了研磨颗粒的重叠，使得被加工的表面25的任何区域都将被来自一排26或另一排26的颗粒22涂覆。
109.图6示出了布置成排26的研磨颗粒22的放大截面图。其还更清楚地说明了颗粒的延伸长度30大于颗粒22之间的间距29。
110.在图6中，示出的颗粒为大致圆形。然而，可替代地，颗粒22可以具有不同的形状。
111.图7示出了用图1所示类型的传统研磨元件研磨的表面25。可以看出，表面25设有研磨凹槽或凹陷32。这些研磨凹槽或凹陷32形成在靠近每个排26颗粒22的区域中，颗粒22在已知设计中沿砂布的竖直方向7定向。
112.在凹陷32之间，存在具有平坦表面31的区域。该平坦表面31是未经处理的平坦表面，平坦表面31看起来没有粗糙度。平坦表面31可能是光滑的，这使得清漆或其他涂层难以粘附到平坦表面25的平面31。这些平坦表面31还会引起来自入射光的不希望的反射和眩光，因为在平坦表面31没有发生漫反射。
113.图8示出了用根据本发明的研磨元件加工的表面25。在此可以看出，平面25的整个顶面由研磨元件加工，从而形成一系列相邻的研磨凹槽或凹陷32。
114.在相邻的研磨凹槽或凹陷32之间设有大致尖锐的峰部33。
115.通过这种磨损，在平面25的整个顶面上获得粗糙度，这增加了清漆或其他涂层粘附的机会。此外，粗糙表面会使入射光发生漫反射。因此，平面25将在很大程度上避免眩光和反射，如图8所示。
116.已经对图1所示的已知类型的研磨元件和如图5所示的新型研磨元件进行了实验。在这种情况下，用凝胶涂层和碳进行实验。
117.粒度为200的情况下，发现对于凝胶涂层，根据本发明的研磨元件产生的粗糙度参数(ra)为2.7，而对于已知系统ra为2.5。类似地，对于碳且粒度为200的情况下，使用根据本
发明的研磨元件的ra为2.8，使用已知的研磨元件测得的ra为2.4。
118.此外，粒度为120的试验表明，根据本发明的研磨元件的ra值分别为4.4和3.6，超过了之前在凝胶涂层上的值。类似地，在粒度为120的情况下，与之前的研磨元件相比，在根据本发明的研磨元件的碳中测得的ra分别为3.4和2.9。
119.换言之，有证据表明粒度为120和粒度为200的粗糙度得到了改善。对于粒度为120的情况，粗糙度值由此增加了22％。
120.对于用户而言，这可能意味着显著改善了粘附性并减少了反射，以及显著改善了研磨元件的研磨速率和使用寿命。