研磨加工原理

第三章研磨加工原理第三章研磨加工原理3.1磨粒加工與磨粒3.2研磨加工的特徵3.3磨輪3.4研磨加工用工作母機3.5研磨加工原理第三章研磨加工原理3.6磨輪損耗(脫落、不脫落、填塞)與壽命3.7影響研磨加工面精密度的因素3.8各種磨床的精密機械加工原理3.1磨粒加工與磨粒使用磨粒的硬粒子，進行機械式去除的加工方法，稱為磨粒加工。石器的研磨或寶石的鑽孔，與人類的出現，同為發展最古老之加工技術。現在的半導體之研磨加工，是使用最尖端的超精密加工技術。3.1.1磨粒加工的特徵(1)可加工切削無法加工的硬材料：一般要以切削刀具加工碎火鋼較困難，故使用磨粒加工。(2)可做高精度的加工：磨粒加工因為是以單一的刀刃，磨除較小的體積，故可以提高加工精度。(3)刀刃的再生作用：磨粒在加工中受力而破碎，產生尖銳的刀刃，並更新刀刃。表3.1主要磨粒的特性3.1.2磨粒的種類1.氧化鋁磨粒：現在使用於工業上的材料，是以電爐熔化氧化鋁，再徐冷而結晶的熔融氧化鋁，常使用於鐵系材料的研磨加工。2.碳化矽磨粒：碳化矽磨粒比氧化鋁磨粒硬且脆，以電阻爐的高溫反應，將矽與碳合成。碳化矽磨粒用於研磨或研光鋼以外的金屬或玻璃、石材等非金屬。3.1.2磨粒的種類3.鑽石磨粒：鑽石是最硬的物質，自古以來用於寶石的研磨。鑽石的構成元素為碳，故不適合加工鋼料，用於加工玻璃、矽、硬度高的陶瓷。4.CBN磨粒：是硬度僅次於鑽石的物質，其構成元素為氮與硼，故硬且與鐵的親和性差，最適合加工碎火鋼。5.其他磨粒：使用游離磨粒的磨削加工，因為要求平滑的加工面，故在常溫是使用硬度較低的磨粒，在高溫是使用硬度不會降低的磨粒。3.1.3磨粒的大小(粒度)與破脆性磨粒做為刀具使用時，必須依加工目的，選擇磨粒的大小。磨粒的大小稱為粒度，表示磨粒的數字，稱為篩孔尺寸。磨粒的破脆性與加工中刀刃的再生作用，有很大的關連，並且為左右加工性能的重要特性值。破脆性愈高，只要以很小的力量，就可以造成微細的破碎。因為產生新的磨粒刀刃，故能維持銳利的狀態，但是，磨粒的消耗較快。3.2研磨加工的特徵研磨加工：是以使用結合材料，固著磨粒的磨輪，利用固定磨粒的加工，以高速旋轉圓板或圓柱狀的磨輪，利用擁有尖銳刀刃的磨粒之切削作用，來去除材料的加工方法。其加工單位比切削小，可做較高精度的加工。但是每單位時間可去除的體積比切削小，其加工效率較低，故為了減少加工時間或成本，使去除部分的體積在最小限度，是很重要的。3.3磨輪研磨加工就是以高速旋轉，利用結合材料將硬粒子的磨粒，固著在圓板狀的磨輪上，以磨除工作物的加工方法。磨輪是由圖3.1所示的磨粒、結合劑及氣孔所構成，這些稱為磨輪三要素。磨粒是做為產生切屑的刀刃，結合劑是支持磨粒的構造體，磨耗後不能使用的磨粒，對脫落的再生作用有很大的影響。氣孔是收容切屑的空間，具有很重要的任務，是大大影響研磨效率或研磨能量的因素。圖3.1磨輪三要素圖3.1磨輪三要素圖3.2磨輪的JlS表示方法圖3.2磨輪的JlS表示方法表3.2磨輪組織表3.3磨輪結合劑3.4研磨加工用工作母機研磨加工是使用稱為磨床的工作母機，磨床的種類很多，其代表性磨床。3.4.1平面磨床3.4.2圓筒磨床3.4.3內孔磨床3.4.4無心磨床3.4.5限制加工目的的磨床3.4.1平面磨床平面磨床用於加工平面或溝槽，依磨輪軸的方向，分為2種(圖3.3所示)。水平磨輪軸，主要以磨輪的圓筒面為工作面的臥式平面磨床與垂直磨輪軸以磨輪端面加工的立式平面磨床。將工作物載於工作台上，做往復運動的長方形工作台與做旋轉運動的圓形工作台。(a)臥式平面磨床(b)立式平面磨床圖3.3平面磨床3.4.2圓筒磨床在切削加工中，相當於車床的工作母機為磨床。一邊以慢速旋轉工作物，一邊以高速旋轉磨輪，來研磨工作物，為以精密加工圓筒面的工作母機。依工作物相對於磨輪的進給方向，分為橫行式與凸輪式兩種(圖3.4所示)。圖3.4圓筒磨床3.4.3內孔磨床為精密加工圓筒內孔所需磨床，如圖3.5所示，有工作物旋轉的工作物自轉式與一邊旋轉磨輪軸及一邊作行星運動的行星式兩種。在深孔的內孔研磨，加長在前端安裝磨輪的軸，其徑向的剛性很低，故容易產生磨剩或異響震動，是一種很難做到高精度加工的研磨技術。圖3.5內孔磨床3.4.4無心磨床無心磨床就是沒有頂心的磨床，大多使用於量產的汽車或家電產品的軸類零件加工。圖3.6所示，以調整輪、承板及磨輪，做三點支撐。一邊將工作物做磨輪軸向進給，一邊做圓筒研磨。圖3.6無心磨床的基本構造無心磨床之研磨無心磨床的調整輪的作用3.4.5限制加工目的的磨床(1)齒輪磨床、螺紋磨床:做為研磨加工高精度要求的精密級齒輪或螺紋等機械元件的專用機。(2)曲軸磨床、凸輪軸磨床:為有效率加工引擎主要零件之曲軸或凸輪軸的專用機。螺紋磨床交錯或隔山型研磨螺紋多山螺紋研磨分粗、中、細及外圓3.4.5限制加工目的的磨床(3)刀具磨床:為研磨成形車刀或銼刀的磨床，為了加工車刀的刀鼻曲面或螺旋狀溝槽，除了X、Y、Z三軸外，傾斜、旋轉部分很多，故有多軸控制的CNC刀具磨床。(4)皮帶式磨床:以帶狀研磨布替代磨輪，並以高速磨削工作物的磨床。3.5研磨加工原理3.5.1研磨加工的準備：要求精密度的研磨加工，要做以下的準備。1.刀具準備：2.修整磨輪：3.平衡磨輪：4.研磨液：5.安全對策：1.刀具準備正確整形磨輪的形狀，稱為刀具準備(修整形狀)。一邊修整磨輪的工作面，一邊造形加工面的研磨加工。修整形狀用刀具使用金屬結合的鑽石磨輪，進行像圓筒研磨般加工的旋轉修整形狀(圖3.7所示)。旋轉修整形狀除了磨輪的整形外，對磨粒銳利度也是有很大影響。氧化鋁或碳化矽磨粒的磨輪，是使用單粒修整器(圖3.8所示)，像以車床般切削磨輪，來修整形狀。圖3.7旋轉修整形狀圖3.8以單粒鑽石修整器修整一般磨輪2.修整磨輪修整磨輪從進行刀具準備的磨輪工作面，到去除多餘結合劑的設置氣孔工作，稱為修整。一般的方法是以棒狀磨輪，黏土燒結結合劑的氧化鋁磨輪，將結合劑磨除以去掉切屑(圖3.9所示)。圖3.9以棒狀磨石修整超磨粒磨輪3.平衡磨輪磨輪是以30m/s左右的圓周速度，做高速旋轉來使用，高速研磨實際上已達到200m/s。磨輪如果不平衡，則在旋轉中會產生振動，在精加工面會留下波紋狀的凹凸面，更有使磨輪破裂的危險。修整後的磨輪平衡，不必將磨輪自凸緣上拆下。磨輪平衡是改變安裝於凸緣上的調整平衡用配重位置(圖3.10所示)。調整平衡配重，可達數微克精度。圖3.10調整平衡用配重的安裝方法4.研磨液研磨加工與切削加工一樣，也使用研磨液。(1)研磨加工比切削加工，再去除單位體積所需的能量大，比較容易因為熱而損傷。為了做到高精度加工，抑制熱膨脹，以冷卻為目的而使用研磨液。(2)沖掉磨屑或破碎的磨粒，是很重要的作用。(3)高速旋轉的磨輪要加研磨液，由於其周圍的高速，無法破壞其運動的空氣膜，使研磨液無法達到研磨點，故必須採取排除空氣膜或高壓注液的對策。5.安全對策由於高速旋轉的磨輪，具有極大的動能，在研磨加工中產生衝擊而破壞，則很可能產生重大事故。製造磨床的廠商有義務要安裝磨輪罩，以防止萬一磨輪破裂飛出而傷人。夾持工作物也是很重要的安全對策，在平面磨床經常使用磁性夾頭，利用其磁力來吸住工作物。3.5.2磨輪切刃的去除作用(1)如圖3.11所示，磨輪的切刃形狀比切削刀具鈍，其斜角為-60°以下。(2)磨輪的工作面存在有很多的切刃，且為隨機分佈。(3)多數的切刃其磨削量都很少，磨削的厚度僅有區區數微米。(4)施於磨粒切刃的力量或摩擦熱，會使磨粒產生微小破碎，產生新切刃的再生作用，故切刃的狀態隨時在變化。(5)磨粒與磨粒間有結合劑，會妨礙切屑排出。圖3.11磨粒切刃與切削刀具圖3.12磨粒切刃產生的切屑圖3.13磨粒切刃產生溝槽的狀態圖3.14切削速度對切屑變化的影響圖3.15切削速度的變化對切削殘量的影響3.5.3研磨幾何學(研磨加工面的造形原理)1.二維去除機構2.三維去除機構3.影響去除機構的因素1.二維去除機構在實際的磨輪工作面上，磨粒並不是規則並排，但是為了分析單純化，假設磨粒與銼刀一樣，並排在同一圓周上。圖3.16所示，為圓筒柱塞研磨時的模式圖。磨輪直徑為ds、工作物直徑為dw、磨輪圓周速度為Vs、工作物圓周速度為Vw、工作物每一迴轉的進刀量為a。將研磨過的磨粒Ⅰ，考慮成磨粒Ⅱ在磨削時。沿著磨輪外圓周的磨粒Ⅰ或Ⅱ的間隔λ，稱為連續切刃間隔。圖3.16二維磨粒的去除作用圖3.17研磨幾何學(圓筒研磨)圖3.17研磨幾何學(平面研磨)2.三維去除機構思考各磨粒磨削部分看到的三維機構，如圖3.18，各切刃做成船底形，在精加工面留下細長的研磨溝槽。從這張圖可以了解，存在於磨輪工作面的多數切刃中，有產生的切屑與加工面的造形無關。圖3.18三維去除機構圖3.19切屑的平均體積與平均切削截面積3.影響去除機構的因素(1)磨輪軸的迴轉精度及磨床的振動:以磨輪與工作物是做正確圓周運動或直線運動的假設基礎上。而實際上會產生數微米(μm)的振動或偏擺。(2)磨輪的彈性變形:磨輪的彈性變形為鋼的數分之一到十分之一左右，故在磨輪與工作物的接觸點，磨輪的彈性變形很大。(3)結合材料的存在:在磨輪的工作面上，除了磨粒外還有結合劑，結合劑接觸到工作物，也有可能會大大妨礙切屑的排出。3.5.4研磨阻力與比研磨能量1.切線研磨阻力與法線研磨阻力2.比研磨能量3.影響研磨阻力的各種因素1.切線研磨阻力與法線研磨阻力研磨阻力如圖3.20所示，大多由磨輪與工作物的接觸狀態，區分為切線方向的切線研磨阻力(切線分力)與切線分力垂直的法線研磨阻力(法線分力)。切削加工一般分為3分力，而在研磨加工中，磨輪軸向幾乎不產生力量，故只採用2分力。2.比研磨能量以去除工作物的體積除研磨能量所得到的值，稱為比研磨能量以下式表示。3.影響研磨阻力的各種因素研磨阻力依粒度或結合度等磨輪規格、刀具準備、修整的磨輪工作面上形態及去除效率等研磨條件，而有很大的變化。圖3.22為進行研磨，同時產生研磨阻力的變化例。為了確保精加工面的粗糙度，而進行細心的修整，則研磨阻力會變大。圖3.23為進行研磨，所測量的研磨阻力之例子。可以了解由於切刃的磨耗，會使切削阻力增加。圖3.22修整條件不同的研磨阻力變化圖3.23研磨進行中的研磨阻力變化3.5.5研磨熱與熱損傷(研磨燒焦、熱膨脹)在研磨加工中，去除單位體積所需的能量(比研磨能量)，比切削大，其大部分都變成研磨熱，會造成在切削加工中看不到的熱損傷或工作物的熱變形等問題。1.產生研磨熱的來源及流動2.研磨熱造成的問題3.去除研磨熱1.產生研磨熱的來源及流動產生研磨熱的來源，是在產生切屑的研磨點附近，如圖3.24所示，由於切刃的斜角很小，故切屑承受的剪斷變形很大，留在加工面的流動層也變大。另一方面，工作物的速度低，切刃返覆通過接觸弧，很容易累積熱量。圖3.24研磨點產生的熱量1.產生研磨熱的來源及流動產生的研磨熱轉移到切屑、工作物、磨輪、研磨液及空氣中，如圖3.25所示，大部分的熱量轉移到工作物，並且使工作物產生熱變形而降低精度，因熱損傷而成為品質降低的最大原因。圖3.25研磨熱的傳入比例2.研磨熱造成的問題由於研磨熱使工作物的溫度上昇很快，造成工作物表面變色，這種現象稱為研磨燒焦。造成研磨熱的溫度上昇，是使工作物表層的結晶組織產生變化，而降低硬度。由於機械式的去除作用，而殘留在工作物表層的塑性流動層，產生加工硬化，故研磨後的加工變質層，是因為這些原因複合而成的。圖3.26是以同一條件研磨軟鋼與碎火鋼時，測量加工面下的例子。軟鋼會產生加工硬化，而淬火鋼會在其表面附近燒焦，反而軟化。圖3.26研磨加工的表面硬度變化發生研磨燒焦時的殘留應力圖3.27所示，為產生研磨燒焦時，表層的殘留應力，由壓縮到拉伸的變化機構模式。研磨燒焦很嚴重，使殘留