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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。
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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。
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。
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
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) 。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
