1、研磨加工原理研磨加工原理第三章第三章 研磨加工原理研磨加工原理 3.1 3.1 磨粒加工與磨粒磨粒加工與磨粒 3.2 3.2 研磨加工的特徵研磨加工的特徵 3.3 3.3 磨輪磨輪3.4 3.4 研磨加工用工作母機研磨加工用工作母機3.5 3.5 研磨加工原理研磨加工原理第三章第三章 研磨加工原理研磨加工原理3.6 3.6 磨輪損耗磨輪損耗(脫落、不脫落、填塞脫落、不脫落、填塞)與壽命與壽命 3.7 3.7 影響研磨加工面精密度的因素影響研磨加工面精密度的因素 3.8 3.8 各種磨床的精密機械加工原理各種磨床的精密機械加工原理3.1 3.1 磨粒加工與磨粒磨粒加工與磨粒使用磨粒的硬粒子，進行
2、機械式去除的加使用磨粒的硬粒子，進行機械式去除的加工方法，稱為磨粒加工。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，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。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。的超精密加工技術。磨粒加工的特徵磨粒加工的特徵 (1)(1)可加工切削無法加工的硬材料一般要以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，故使用磨粒切削刀具加工碎火鋼較困難，故使用磨粒加工加工 。(2)(2)可做高精度的加工磨粒加工因為是以單可做高精度的加工磨粒加工因為是
3、以單一的刀刃，磨除較小的體積，故可以提高一的刀刃，磨除較小的體積，故可以提高加工精度。加工精度。(3)(3)刀刃的再生作用磨粒在加工中受力而破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。碎，產生尖銳的刀刃，並更新刀刃。表表3.1 3.1 主要磨粒的特性主要磨粒的特性磨粒的種類磨粒的種類1.1.氧化鋁磨粒現在使用於工業上的材料，是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。化鋁，常使用於鐵系材料的研磨加工。2.2.碳化矽磨粒碳化矽磨粒比氧化鋁磨粒硬且碳化矽磨粒碳化矽磨粒比氧
4、化鋁磨粒硬且脆，以電阻爐的高溫反應，將矽與碳合成。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。玻璃、石材等非金屬。磨粒的種類磨粒的種類3.3.鑽石磨粒鑽石是最硬的物質，自古以來用於寶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。鋼料，用於加工玻璃、矽、硬度高的陶瓷。4.CBN4.CBN磨粒是硬度僅次於鑽石的物質，其構成元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
5、適合加素為氮與硼，故硬且與鐵的親和性差，最適合加工碎火鋼。工碎火鋼。5.5.其他磨粒使用游離磨粒的磨削加工，因為要求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，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。在高溫是使用硬度不會降低的磨粒。磨粒的大小磨粒的大小(粒度粒度)與破脆性與破脆性 磨粒做為刀具使用時，必須依加工目的，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，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。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，磨
6、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，的磨粒刀刃，故能維持銳利的狀態，但是，磨粒的消耗較快。磨粒的消耗較快。3.2 3.2 研磨加工的特徵研磨加工的特徵研磨加工是以使用結合材料，固著磨粒的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，利用擁有尖銳刀刃圓板或圓柱狀的磨輪
7、，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的磨粒之切削作用，來去除材料的加工方法。法。其加工單位比切削小，可做較高精度的加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，間或成本，使去除部分的體積在最小限度，是很重要的。是很重要的。3.3 3.3 磨輪磨輪研磨加工就是以高速旋轉，利用結合材料將硬粒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，以磨除工作子的磨粒，固著在圓板狀的磨輪上，以磨
8、除工作物的加工方法。物的加工方法。磨輪是由圖磨輪是由圖3.13.1所示的磨粒、結合劑及氣孔所構所示的磨粒、結合劑及氣孔所構成，這些稱為磨輪三要素。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。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。大大影響研磨效率或研磨能量的因素。圖圖3.1 3.1 磨輪三要素磨輪三要素圖圖3.1 3.1 磨輪三要素
9、磨輪三要素圖圖3.2 3.2 磨輪的磨輪的JlSJlS表示方法表示方法2 磨輪的JlS表示方法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。要持續維持適度的再生作用，要依工作物特性、磨輪的規格，選擇最適合的研磨條件。23為進行研磨，所測量的研磨阻力之例子。在研磨點產生的熱量，大多對流到工作物。6所示，以調整輪、承板及磨輪，做三點支撐。而且，磨輪半徑方向的磨耗也較快。15 切削速度的變化對切削殘量的影響發生研磨燒焦時的殘留應力2 磨輪的JlS表示方法11 磨粒切刃與切削刀具減輕環境負荷的目的，在研磨液周圍，以高速吹入30C左
10、右的冷卻空氣之方法。特別是直接轉印磨輪形狀的成形研磨。33(a)所示，經常使用磁性夾頭。32 切斷磨輪高速旋轉時，產生翹曲現象34所示，為CBN磨輪的刀具準備條件，影響研磨加工面的粗糙度及研磨阻力的變化情形。37量測研磨加工面的殘留應力實例39 臥式平面磨床的變形(2)為了保持磨輪較佳銳利度，圓周速度必須保 持30m/s左右，在直徑lOmm以下的孔加工，期望有每分鐘10萬轉左右的高速主軸。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。圖圖3.2 3.2 磨輪的磨輪的JlSJlS表示方法表示方法表表3.2 3.2 磨輪組織磨輪組織表表3.
11、3 3.3 磨輪結合劑磨輪結合劑3.4 3.4 研磨加工用工作母機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，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。磨床的種類很多，其代表性磨床。平面磨床平面磨床圓筒磨床圓筒磨床內孔磨床內孔磨床無心磨床無心磨床限制加工目的的磨床限制加工目的的磨床平面磨床平面磨床平面磨床用於加工平面或溝槽，依磨輪軸平面磨床用於加工平面或溝槽，依磨輪軸的方向，分為的方向，分為2 2種種(圖圖3.33.3所示所示)。水平磨輪軸，主要以磨輪的圓筒面為工作水平磨輪軸，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的臥式平面磨床與垂直磨輪軸
12、以磨輪端面加工的立式平面磨床。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。方形工作台與做旋轉運動的圓形工作台。(a)(a)臥式平面磨床臥式平面磨床 (b)(b)立式平面磨床立式平面磨床圖圖3.3 3.3 平面磨床平面磨床圓筒磨床圓筒磨床在切削加工中，相當於車床的工作母機為在切削加工中，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。工圓筒面的工作母機。依工作物相對於磨輪的進
13、給方向，分為橫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行式與凸輪式兩種(圖圖3.43.4所示所示)。圖圖3.4 3.4 圓筒磨床圓筒磨床內孔磨床內孔磨床為精密加工圓筒內孔所需磨床，如圖為精密加工圓筒內孔所需磨床，如圖3.53.5所示，所示，有工作物旋轉的工作物自轉式與一邊旋轉磨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。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異響震動，是一
14、種很難做到高精度加工的研磨技術。磨技術。圖圖3.5 3.5 內孔磨床內孔磨床無心磨床無心磨床無心磨床就是沒有頂心的磨床，大多使用於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。量產的汽車或家電產品的軸類零件加工。圖圖3.63.6所示，以調整輪、承板及磨輪，做三所示，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，一點支撐。一邊將工作物做磨輪軸向進給，一邊做圓筒研磨。邊做圓筒研磨。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。36為平面研磨立方體工作物時，加工面形狀的粒子。磨床的剛性一般比切削加工用工作母機低，其原因乃研磨加工過去只用於精
15、加工工程，故磨輪軸的馬達輸出功率僅切削用工作母機的數分之一。影響研磨阻力的各種因素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。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.(1)尺寸精度(長度、厚度、直徑等)JIS BO401。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。36為平面研磨立方體工作物時，加工面形狀的粒子。4 研磨加工用工作母機(2)磨削材料:硬度、高溫強度、熱傳導率、與磨粒的親和性。11 磨粒切刃與切削刀具6所示，以調整輪、承板及磨輪，做三點支撐。磨粒做為刀具使用時，必須依加工目的，選擇磨粒的
16、大小。在研磨工作中，產生適度的再生作用，長期保持較銳利的狀態，稱為正常研磨。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。(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。31所示，為研磨進行與粗糙度的變化。40 立式平面磨床的傾斜研磨法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。影響刀刃再生作用的因素圖圖3.6 3.6 無心磨床的基本構造無心磨床的基本構造無心磨床之研磨無心磨床之研磨 無心磨床的調整輪的作用無心磨床的調整輪的作用限制加工目的的磨
17、床限制加工目的的磨床(1)(1)齒輪磨床、螺紋磨床齒輪磨床、螺紋磨床:做為研磨加工高做為研磨加工高 精度要求的精密級齒輪或螺紋等機械元件精度要求的精密級齒輪或螺紋等機械元件的專用機。的專用機。(2)(2)曲軸磨床、凸輪軸磨床曲軸磨床、凸輪軸磨床:為有效率加工為有效率加工引擎主要零件之曲軸或凸輪軸的專用機。引擎主要零件之曲軸或凸輪軸的專用機。螺紋磨床螺紋磨床交錯或隔山型研磨螺紋交錯或隔山型研磨螺紋多山螺紋研磨分粗多山螺紋研磨分粗、中中、細及外圓細及外圓限制加工目的的磨床限制加工目的的磨床(3)(3)刀具磨床刀具磨床:為研磨成形車刀或銼刀的磨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
18、狀溝床，為了加工車刀的刀鼻曲面或螺旋狀溝槽，除了槽，除了X X、Y Y、Z Z三軸外，傾斜、旋轉部分三軸外，傾斜、旋轉部分很多，故有多軸控制的很多，故有多軸控制的CNCCNC刀具磨床。刀具磨床。(4)(4)皮帶式磨床皮帶式磨床:以帶狀研磨布替代磨輪，以帶狀研磨布替代磨輪，並以高速磨削工作物的磨床。並以高速磨削工作物的磨床。3.5 3.5 研磨加工原理研磨加工原理研磨加工的準備要求精密度的研磨加研磨加工的準備要求精密度的研磨加工，要做以下的準備。工，要做以下的準備。1.1.刀具準備刀具準備2.2.修整磨輪修整磨輪3.3.平衡磨輪平衡磨輪4.4.研磨液研磨液5.5.安全對策安全對策1.1.刀具準備
19、刀具準備正確整形磨輪的形狀，稱為刀具準備正確整形磨輪的形狀，稱為刀具準備(修整修整形狀形狀)。一邊修整磨輪的工作面，一邊造形。一邊修整磨輪的工作面，一邊造形加工面的研磨加工。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，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進行像圓筒研磨般加工的旋轉修整形狀(圖圖3.73.7所示所示)。旋轉修整形狀除了磨輪的整形外，對磨粒銳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，是使用單粒修整器的磨輪，是使用單粒修整器(圖圖3.83.8所示所示)，像以
20、車床般切削磨輪，來修整形狀。像以車床般切削磨輪，來修整形狀。圖圖3.7 3.7 旋轉修整形狀旋轉修整形狀而且，磨輪半徑方向的磨耗也較快。判斷壽命的項目，有以下幾項判斷的基準25 研磨熱的傳入比例磨粒過度脫落，會造成磨輪形狀走樣，而無法確保工作物的形狀精度及尺寸精度。8 以單粒鑽石修整器修整一般磨輪為精密加工圓筒內孔所需磨床，如圖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。在這種狀態下，磨粒的光滑表面，會降低去除效率，而增加研磨阻力，造成發熱量過多，而容易產生熱膨脹或研磨燒焦。15 切削速度的變化對切削殘量的影響36 研磨熱造成工作物的變形與加工後的表面形狀這就是即使供給研磨液，
21、工作物中央部分的溫度也不會降低，中央部分在膨脹狀態下研磨，等研磨後冷卻，就變成凹陷的形狀。研磨進行中，研磨工作面的變化(2)沖掉磨屑或破碎的磨粒，是很重要的作用。磨粒做為刀具使用時，必須依加工目的，選擇磨粒的大小。其加工單位比切削小，可做較高精度的加工。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。使用最多的臥式平面磨床，主軸如圖3.(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。圖圖3.8 3.8 以單粒鑽石修整器修整一般磨輪以單粒鑽石修整器修整一般磨輪2.2.修整磨輪修整磨輪修整磨輪從進行刀具準備的磨輪工作面，修整磨輪從進行刀具準備的
22、磨輪工作面，到去除多餘結合劑的設置氣孔工作，稱為到去除多餘結合劑的設置氣孔工作，稱為修整。修整。一般的方法是以棒狀磨輪，黏土燒結結合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劑的氧化鋁磨輪，將結合劑磨除以去掉切屑屑(圖圖3.93.9所示所示)。圖圖3.9 3.9 以棒狀磨石修整超磨粒磨輪以棒狀磨石修整超磨粒磨輪3.3.平衡磨輪平衡磨輪磨輪是以磨輪是以30m/s30m/s左右的圓周速度，做高速旋左右的圓周速度，做高速旋轉來使用，高速研磨實際上已達到轉來使用，高速研磨實際上已達到200m/s200m/s。磨輪如果不平衡，則在旋轉中會產生振動，磨輪如果不平衡，則在旋轉中
23、會產生振動，在精加工面會留下波紋狀的凹凸面，更有使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。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下。磨輪平衡是改變安裝於凸緣上的調整平衡用配重位置衡用配重位置(圖圖3.103.10所示所示)。調整平衡配重，可達數微克精度。調整平衡配重，可達數微克精度。圖圖3.10 3.10 調整平衡用配重的安裝方法調整平衡用配重的安裝方法4.4.研磨液研磨液研磨加工與切削加工一樣，也使用研磨液研磨加工與切削加工一樣，也使用研磨液。(1)(1)研磨加工比切削加工，再去除單位體
24、積所需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精度加工，抑制熱膨脹，以冷卻為目的而使用研磨液。磨液。(2)(2)沖掉磨屑或破碎的磨粒，是很重要的作用。沖掉磨屑或破碎的磨粒，是很重要的作用。(3)(3)高速旋轉的磨輪要加研磨液，由於其周圍的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達到研磨點，故必須採取排除空氣膜或高壓注液的對策。的對策。5.5.安全對策
25、安全對策由於高速旋轉的磨輪，具有極大的動能，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，則很可能在研磨加工中產生衝擊而破壞，則很可能產生重大事故。產生重大事故。製造磨床的廠商有義務要安裝磨輪罩，以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。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，利用其磁力來面磨床經常使用磁性夾頭，利用其磁力來吸住工作物。吸住工作物。磨輪切刃的去除作用磨輪切刃的去除作用(1)(1)如圖如圖3.113.11所示，磨輪的切刃形狀比切削刀具所示，磨輪的切刃形狀比
26、切削刀具鈍，其斜角為鈍，其斜角為6060以下。以下。(2)(2)磨輪的工作面存在有很多的切刃，且為隨機磨輪的工作面存在有很多的切刃，且為隨機分佈。分佈。(3)(3)多數的切刃其磨削量都很少，磨削的厚度僅多數的切刃其磨削量都很少，磨削的厚度僅有區區數微米。有區區數微米。(4)(4)施於磨粒切刃的力量或摩擦熱，會使磨粒產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。的狀態隨時在變化。(5)(5)磨粒與磨粒間有結合劑，會妨礙切屑排出。磨粒與磨粒間有結合劑，會妨礙切屑排出。圖圖3.11 3.11 磨粒切刃與切削刀
27、具磨粒切刃與切削刀具圖圖3.12 3.12 磨粒切刃產生的切屑磨粒切刃產生的切屑 圖圖3.13 3.13 磨粒切刃產生溝槽的狀態磨粒切刃產生溝槽的狀態 圖圖3.14 3.14 切削速度對切屑變化的影響切削速度對切屑變化的影響圖圖3.15 3.15 切削速度的變化對切削殘量的影響切削速度的變化對切削殘量的影響 研磨幾何學研磨幾何學(研磨加工面的造形原理研磨加工面的造形原理)1.1.二維去除機構二維去除機構2.2.三維去除機構三維去除機構3.3.影響去除機構的因素影響去除機構的因素 1.1.二維去除機構二維去除機構在實際的磨輪工作面上，磨粒並不是規則並在實際的磨輪工作面上，磨粒並不是規則並排，但是
28、為了分析單純化，假設磨粒與銼刀排，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。一樣，並排在同一圓周上。圖圖3.163.16所示，為圓筒柱塞研磨時的模式圖。所示，為圓筒柱塞研磨時的模式圖。磨輪直徑為磨輪直徑為dsds、工作物直徑為、工作物直徑為dwdw、磨輪圓周、磨輪圓周速度為速度為VsVs、工作物圓周速度為、工作物圓周速度為VwVw、工作物每、工作物每一迴轉的進刀量為一迴轉的進刀量為a a。將研磨過的磨粒將研磨過的磨粒，考慮成磨粒，考慮成磨粒在磨削時。在磨削時。沿著磨輪外圓周的磨粒沿著磨輪外圓周的磨粒或或的間隔的間隔，稱，稱為連續切刃間隔。為連續切刃間隔。圖圖3.16 3.16
29、二維磨粒的去除作用二維磨粒的去除作用圖圖3.17 3.17 研磨幾何學研磨幾何學(圓筒研磨圓筒研磨)圖圖3.17 3.17 研磨幾何學研磨幾何學(平面研磨平面研磨)2.2.三維去除機構三維去除機構思考各磨粒磨削部分看到的三維機構，如圖思考各磨粒磨削部分看到的三維機構，如圖3.183.18，各切刃做成船底形，在精加工面留下細，各切刃做成船底形，在精加工面留下細長的研磨溝槽。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。切刃中，有產生的切屑與加工面的造形無關。圖圖3.18 3.18 三維去除機構三維去除機構圖圖
30、3.19 3.19 切屑的平均體積與平均切削截面積切屑的平均體積與平均切削截面積3.3.影響去除機構的因素影響去除機構的因素(1)(1)磨輪軸的迴轉精度及磨床的振動磨輪軸的迴轉精度及磨床的振動:以磨輪以磨輪與工作物是做正確圓周運動或直線運動的假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設基礎上。而實際上會產生數微米(m)m)的振的振動或偏擺。動或偏擺。(2)(2)磨輪的彈性變形磨輪的彈性變形:磨輪的彈性變形為鋼的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。物的接觸點，磨輪的彈性變形很大
31、。(3)(3)結合材料的存在結合材料的存在:在磨輪的工作面上，除在磨輪的工作面上，除了磨粒外還有結合劑，結合劑接觸到工作物，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。也有可能會大大妨礙切屑的排出。研磨阻力與比研磨能量研磨阻力與比研磨能量1.1.切線研磨阻力與法線研磨阻力切線研磨阻力與法線研磨阻力2.2.比研磨能量比研磨能量3.3.影響研磨阻力的各種因素影響研磨阻力的各種因素1.1.切線研磨阻力與法線研磨阻力切線研磨阻力與法線研磨阻力研磨阻力如圖研磨阻力如圖3.203.20所示，大多由磨輪與工作所示，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物的接觸狀態，
32、區分為切線方向的切線研磨阻力阻力(切線分力切線分力)與切線分力垂直的法線研磨與切線分力垂直的法線研磨阻力阻力(法線分力法線分力)。切削加工一般分為切削加工一般分為3 3分力，而在研磨加工中，分力，而在研磨加工中，磨輪軸向幾乎不產生力量，故只採用磨輪軸向幾乎不產生力量，故只採用2 2分力。分力。2.2.比研磨能量比研磨能量n以去除工作物的體積除研磨能量所得到的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。值，稱為比研磨能量以下式表示。3.3.影響研磨阻力的各種因素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
33、作面上形態及去除具準備、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。效率等研磨條件，而有很大的變化。圖圖3.223.22為進行研磨，同時產生研磨阻力的為進行研磨，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。進行細心的修整，則研磨阻力會變大。圖圖3.233.23為進行研磨，所測量的研磨阻力之為進行研磨，所測量的研磨阻力之例子。可以了解由於切刃的磨耗，會使切例子。可以了解由於切刃的磨耗，會使切削阻力增加。削阻力增加。圖圖3.22 3.22 修整條件不同的研磨阻力變化修整條件不同的研磨阻力變化圖圖3.23
34、 3.23 研磨進行中的研磨阻力變化研磨進行中的研磨阻力變化研磨熱與熱損傷研磨熱與熱損傷(研磨燒焦、熱膨脹研磨燒焦、熱膨脹)在研磨加工中，去除單位體積所需的能量在研磨加工中，去除單位體積所需的能量(比研磨能量比研磨能量)，比切削大，其大部分都變，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。熱損傷或工作物的熱變形等問題。1.1.產生研磨熱的來源及流動產生研磨熱的來源及流動2.2.研磨熱造成的問題研磨熱造成的問題3.3.去除研磨熱去除研磨熱1.1.產生研磨熱的來源及流動產生研磨熱的來源及流動產生研磨熱的來源，是在產生切
35、屑的研磨點產生研磨熱的來源，是在產生切屑的研磨點附近，如圖附近，如圖3.243.24所示，由於切刃的斜角很小，所示，由於切刃的斜角很小，故切屑承受的剪斷變形很大，留在加工面的故切屑承受的剪斷變形很大，留在加工面的流動層也變大。流動層也變大。另一方面，工作物的速度低，切刃返覆通過另一方面，工作物的速度低，切刃返覆通過接觸弧，很容易累積熱量。接觸弧，很容易累積熱量。圖圖3.24 3.24 研磨點產生的熱量研磨點產生的熱量1.1.產生研磨熱的來源及流動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，如圖輪、研磨液及空氣中，如圖3.253.
36、25所示，所示，大部分的熱量轉移到工作物，並且使工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。而成為品質降低的最大原因。圖圖3.25 3.25 研磨熱的傳入比例研磨熱的傳入比例 2.2.研磨熱造成的問題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。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。晶組織產生變化，而降低硬度。由於機械式
37、的去除作用，而殘留在工作物表層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。工變質層，是因為這些原因複合而成的。圖圖3.263.26是以同一條件研磨軟鋼與碎火鋼時，測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。淬火鋼會在其表面附近燒焦，反而軟化。圖圖3.26 3.26 研磨加工的表面硬度變化研磨加工的表面硬度變化發生研磨燒焦時的殘留應力發生研磨燒焦時的殘留應力 圖圖3.273.27
38、所示，為產生研磨燒焦時，表層的殘所示，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。留應力，由壓縮到拉伸的變化機構模式。研磨燒焦很嚴重，使殘留應力超過工作物的研磨燒焦很嚴重，使殘留應力超過工作物的抗拉強度時，會產生研磨破裂。抗拉強度時，會產生研磨破裂。圖圖3.27 3.27 發生研磨燒焦時的殘留應力機構發生研磨燒焦時的殘留應力機構3.3.去除研磨熱去除研磨熱要去除研磨熱是大量將水溶性研磨液，供給要去除研磨熱是大量將水溶性研磨液，供給到研磨點及全體工作物。到研磨點及全體工作物。減輕環境負荷的目的，在研磨液周圍，以高減輕環境負荷的目的，在研磨液周圍，以高速吹入速吹入3030 C C
39、左右的冷卻空氣之方法。左右的冷卻空氣之方法。另一方面，研磨速度達到另一方面，研磨速度達到2OOm/s2OOm/s的超高速研的超高速研磨，研磨點產生的熱量在流入工作物前，就磨，研磨點產生的熱量在流入工作物前，就已將切屑去除，故流入工作物的比例很低，已將切屑去除，故流入工作物的比例很低，可抑制工作物的溫度上昇可抑制工作物的溫度上昇(圖圖3.28)3.28)。圖圖3.28 3.28 高速研磨產生的熱量與切削的去除高速研磨產生的熱量與切削的去除 3.6 3.6 磨輪損耗磨輪損耗(脫落、不脫落、填塞脫落、不脫落、填塞)與壽命與壽命磨粒在研磨的同時，也會磨耗或破碎。磨磨粒在研磨的同時，也會磨耗或破碎。磨耗
40、則施予磨粒的力量會增加，結果磨粒就耗則施予磨粒的力量會增加，結果磨粒就會破碎而破壞結合劑，則磨粒就會脫落會破碎而破壞結合劑，則磨粒就會脫落 (圖圖3.29)3.29)。磨粒一破碎就會產生新且銳利的磨粒，舊磨粒一破碎就會產生新且銳利的磨粒，舊磨粒一脫落則鄰接的磨粒就開始切削。這磨粒一脫落則鄰接的磨粒就開始切削。這種作用稱為再生作用。要持續維持適度的種作用稱為再生作用。要持續維持適度的再生作用，要依工作物特性、磨輪的規格，再生作用，要依工作物特性、磨輪的規格，選擇最適合的研磨條件。選擇最適合的研磨條件。圖圖3.29 3.29 磨輪的再生作用磨輪的再生作用研磨進行中，研磨工作面的變化研磨進行中，研磨
41、工作面的變化在研磨工作中，產生適度的再生作用，長期在研磨工作中，產生適度的再生作用，長期保持較銳利的狀態，稱為正常研磨。保持較銳利的狀態，稱為正常研磨。相對的造成過度的再生作用，稱為磨粒脫落相對的造成過度的再生作用，稱為磨粒脫落(圖圖3.30(a)3.30(a)。這種情形會保持較低的研磨。這種情形會保持較低的研磨阻力，但是，磨輪的損耗較快，故會使尺寸阻力，但是，磨輪的損耗較快，故會使尺寸精度惡化，而必須常常修整。精度惡化，而必須常常修整。相對的像圖相對的像圖3.30(b)3.30(b)，再生作用不夠時，磨，再生作用不夠時，磨耗的磨粒經常殘留下來，磨輪工作面平滑的耗的磨粒經常殘留下來，磨輪工作面
42、平滑的情形，稱為粒子脫落。情形，稱為粒子脫落。在這種狀態下，磨粒的光滑表面，會降低去除效在這種狀態下，磨粒的光滑表面，會降低去除效率，而增加研磨阻力，造成發熱量過多，而容易率，而增加研磨阻力，造成發熱量過多，而容易產生熱膨脹或研磨燒焦。產生熱膨脹或研磨燒焦。雖然加工面光澤，但是加工變質層變厚，而使表雖然加工面光澤，但是加工變質層變厚，而使表面的品質降低。面的品質降低。研磨銅或鋁等富延展性的材料，如圖研磨銅或鋁等富延展性的材料，如圖3.30(c)3.30(c)，氣孔會塞滿切屑，收納切屑的切削室會堵住，而氣孔會塞滿切屑，收納切屑的切削室會堵住，而產生類似磨粒不脫落的結果，這現象稱為填塞。產生類似磨
43、粒不脫落的結果，這現象稱為填塞。加工面與填塞的切削材料凝結，而變成起伏面，加工面與填塞的切削材料凝結，而變成起伏面，使粗糙度變粗。圖使粗糙度變粗。圖3.313.31所示，為研磨進行與粗糙所示，為研磨進行與粗糙度的變化。度的變化。圖圖3.30 3.30 磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞圖圖3.31 3.31 研磨量增加與加工表面粗糙度的變化研磨量增加與加工表面粗糙度的變化 影響刀刃再生作用的因素影響刀刃再生作用的因素(1)(1)磨輪磨輪:磨粒的磨耗、破碎特性、切刃密度、結磨粒的磨耗、破碎特性、切刃密度、結合度、等值磨輪直徑。合度、等值磨輪直徑。(2)(2)磨削材料磨削材料:硬
44、度、高溫強度、熱傳導率、與磨硬度、高溫強度、熱傳導率、與磨粒的親和性。粒的親和性。(3)(3)刀具準備刀具準備:磨粒的進刀深度、切刃的銳利度、磨粒的進刀深度、切刃的銳利度、切刃密度。切刃密度。(4)(4)研磨條件研磨條件:磨粒的進刀深度、接觸孤長度、研磨粒的進刀深度、接觸孤長度、研磨加工中的振動。磨加工中的振動。(5)(5)研磨油劑研磨油劑:潤滑效果、熱衝擊造成的破碎。潤滑效果、熱衝擊造成的破碎。研磨比研磨比(G ratio)(G ratio)由於磨輪的適度消耗，而更新磨粒，保持由於磨輪的適度消耗，而更新磨粒，保持較佳銳利度的再生作用，是研磨加工的最較佳銳利度的再生作用，是研磨加工的最大特徵，
45、但是磨輪消耗太多也很困惑。評大特徵，但是磨輪消耗太多也很困惑。評估磨輪的消耗或壽命的指標，為研磨比估磨輪的消耗或壽命的指標，為研磨比(G(G ratio)ratio)。研磨比研磨比G G就是研磨去除工作物的體積除以磨就是研磨去除工作物的體積除以磨輪消耗的體積，所得到的值輪消耗的體積，所得到的值(G)(G)。G=G=去除工作物的體積去除工作物的體積 /磨輪消耗的體積磨輪消耗的體積磨輪的壽命磨輪的壽命(修整壽命修整壽命)磨輪隨著研磨的進行，工作面會產生變化，到最磨輪隨著研磨的進行，工作面會產生變化，到最後變成無法達到目的的狀態。後變成無法達到目的的狀態。判斷壽命的項目，有以下幾項判斷的基準判斷壽命
46、的項目，有以下幾項判斷的基準 (1)(1)研磨阻力增加研磨阻力增加:由於磨粒不脫落或填塞，而降由於磨粒不脫落或填塞，而降低磨輪的銳利度，則因研磨阻力增加現象。低磨輪的銳利度，則因研磨阻力增加現象。(2)(2)加工面的粗糙度增加加工面的粗糙度增加:磨輪過度的再生作用，磨輪過度的再生作用，會增加加工面的粗糙度。產生填塞時，會由於磨會增加加工面的粗糙度。產生填塞時，會由於磨擦而增加粗糙度。擦而增加粗糙度。(3)(3)加工面形狀精度惡化加工面形狀精度惡化(形狀走樣形狀走樣):):與磨輪一樣與磨輪一樣不消耗，則會降低工作物的形狀精度。特別是直不消耗，則會降低工作物的形狀精度。特別是直接轉印磨輪形狀的成形
47、研磨。接轉印磨輪形狀的成形研磨。3.7 3.7 影響研磨加工面精密度的因素影響研磨加工面精密度的因素機械零件的精密度，在機械零件的精密度，在JISJIS中均有規定。中均有規定。(1)(1)尺寸精度尺寸精度(長度、厚度、直徑等長度、厚度、直徑等)JIS BO401)JIS BO401。(2)(2)形狀精度形狀精度(真直度、平面度、真圓度等真直度、平面度、真圓度等)JIS)JIS BOO21BOO21。(3)(3)面精度面精度(粗糙度及波狀起伏等粗糙度及波狀起伏等)JIS BO601)JIS BO6013.7 3.7 影響研磨加工面精密度的因素影響研磨加工面精密度的因素尺寸精度及形狀精度，為巨觀精
48、度，它受尺寸精度及形狀精度，為巨觀精度，它受支配於磨輪的運動精度或熱變形。支配於磨輪的運動精度或熱變形。面精度為微觀精度，它受支配於磨輪的表面精度為微觀精度，它受支配於磨輪的表面狀態或振動。面狀態或振動。另外取材與加工面品質有關的加工變質層另外取材與加工面品質有關的加工變質層或殘留應力也是面精度的一部分。或殘留應力也是面精度的一部分。磨床的剛性與運動精度磨床的剛性與運動精度磨床的剛性一般比切削加工用工作母機低，其原磨床的剛性一般比切削加工用工作母機低，其原因乃研磨加工過去只用於精加工工程，故磨輪軸因乃研磨加工過去只用於精加工工程，故磨輪軸的馬達輸出功率僅切削用工作母機的數分之一。的馬達輸出功率
49、僅切削用工作母機的數分之一。在軸承零件或汽車零件的研磨加工，要求的是高在軸承零件或汽車零件的研磨加工，要求的是高效率，也有比切削用工作母機更高輸出功率的磨效率，也有比切削用工作母機更高輸出功率的磨輪軸，以此為目的時，就必須要有較高的剛性。輪軸，以此為目的時，就必須要有較高的剛性。研磨阻力的法線分力，為切線分力的數倍大，特研磨阻力的法線分力，為切線分力的數倍大，特別是在陶瓷的研磨加工，法線分力可達切線分力別是在陶瓷的研磨加工，法線分力可達切線分力的的2020倍以上，故磨床必須有較高的剛性。倍以上，故磨床必須有較高的剛性。磨輪及工作物的夾持狀態磨輪及工作物的夾持狀態1.1.磨輪的安裝磨輪的安裝2.
50、2.工作物的夾持工作物的夾持1.1.磨輪的安裝磨輪的安裝磨輪以凸緣的安裝夾具，將磨輪裝於磨床的主軸，磨輪以凸緣的安裝夾具，將磨輪裝於磨床的主軸，凸緣當然有很高的精度，但在高速研磨，離心力凸緣當然有很高的精度，但在高速研磨，離心力造成的變形變得很大。造成的變形變得很大。由於凸緣壓板壓力不均勻，而使切斷磨輪產生由於凸緣壓板壓力不均勻，而使切斷磨輪產生 翹曲現象，造成切斷面精度惡化。故必須做好使翹曲現象，造成切斷面精度惡化。故必須做好使壓住凸緣的力量要平均設計。壓住凸緣的力量要平均設計。在高速旋轉時，磨輪本身在徑向也會產生數十微在高速旋轉時，磨輪本身在徑向也會產生數十微米的膨脹，有時候徑向的膨脹量會
