研磨輪與磨粒

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本文的內容太多,摘要如下:
1.    先介紹磨輪加工
2.    其中砂輪的構成與規格
 A.   磨粒種類與特性(Abrasive Type)
 B.   粒度(Grade)
 C.   結合度(Grade)
 D.   組織密度(Structure)
 E.   結合劑(Bond)

1. 磨輪加工介紹

[磨床示意圖] 圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

磨削加工使用轉動的砂輪,依照磨床Z軸高度設定,以固定切深的方式去除材料。因為固定切深的方式依賴機台的行走精度,所以磨削無法超越母性原理得到比機台更高的精度。但相較車削、銑削,一般而言仍具有較高的精度。磨削在磨粒加工當中具有較高的材料移除率,能迅速去除材料至目標尺寸。(註:使用沒有XYZ三軸的砂輪,施加力量讓工件倚靠在其上磨除材料,不固定切深,依然稱為grinding,但與此處嚴謹的定義並不相同。)
 

[磨削示意圖] 圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

磨削可以用砂輪圓周面或端面加工,配合工件移動/轉動、研磨內徑/外徑,有多種變化。
 

[各種磨削方式示意圖] 圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

2. 砂輪的構成與規格
砂輪是利用結合劑將磨粒黏結形成輪狀,可能全部由磨粒與結合劑構成,也可能中心部由金屬構成,僅外圈具研磨功能。下圖是傳統磨料砂輪的規格,主要項目有磨粒種類(abrasive type)、粒度(grain)、結合度(grade)、組織密度(structure)、結合劑(bond type)等。

圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

另外還有一種叫超級磨料的砂輪,除了傳統砂輪具有的規格外,比較重要的還有磨料深度(depth of abrasive),因為超級磨料成本較高,消耗量也較少,因此只會有最外圈一層磨料。

 

A.磨粒種類與特性(Abrasive Type)

砂輪的磨粒是高硬度、高脆性、具多稜邊的粒子。稜邊的作用相當於刀具的刃邊,可以刺入並切削材料。高硬度代表低磨耗,在刃邊磨耗變鈍前可以切削更多材料。高脆性使磨粒容易破碎形成新的稜邊,變鈍的磨粒可以因此恢復切削力。
 

[材料的(硬度/耐磨耗性)對應(脆性/韌性)]
 
一般車削、銑削刀具需要高硬度、高韌性的材料,但大部份材料的性質分佈則是硬度越大,脆性越高,位於上圖的黃色帶,所以一般切削工具的硬度有其限制。如前所述,砂輪對於磨粒的材料要求是高硬度與高脆性,正好與大部分材料的趨勢相同,因此可以使用超高硬度的材料,使磨削比起車削、銑削更適合加工高硬度材料。
 
砂輪的磨粒材料需依工件的材料性質及工作條件來選用,才能得到最佳的加工效率。例如抗拉強度高的鋼材需使用強度大的磨粒,以免磨粒未完全刺入材料即破碎,切削力無法發揮。下面列舉磨粒的種類及適用的工件與條件:
 
原則上來說,氧化鋁系(A)適合抗拉強度高的工件,砂輪與工件接觸面積大時使用WA;碳化矽系(C)適合抗拉強度低的工件,工件為硬脆材料或砂輪與工件接觸面積大時使用GC;特別難切削的材料適用鑽石(D)或立方晶氮化硼(CBN)。以下是各種磨粒與適用材料對照表。
 

 

B. 粒度(Grade)

粒度的定義方式是顆粒能通過的最大篩孔號數,粒度10表示能通過#10的篩孔,大於#10則不行。而#10的定義是每一英吋距離有10個篩孔(1平方英吋有100個)。粒度可以對應到某一個範圍的粒徑,需要查閱標準手冊。
 
粒度選用的原則有三
I)依磨削量大小:磨削量大用小粒度(顆粒大)
II)依細磨程度:需要越好的表面用大粒度(顆粒小)
III)依工作物機械性質:軟而韌的材料用小粒度,硬而脆的材料用大粒度
 
另外常查詢的表格就是幾號的粒度,磨出來的表面Ra約落在那裡,這對於使用者來說是經常詢問的問題。

 

C. 結合度(Grade)

結合度代表黏結磨粒的結合劑強度,結合劑多,磨粒不易脫落,稱為硬砂輪;反之為軟砂輪。

[結合劑與磨粒示意圖]
圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

磨削軟工件時,磨粒不易磨損,若用軟砂輪則仍有切削能力的磨粒也會脫落,砂輪提早消耗而不經濟,所以應使用硬的砂輪。磨削硬工件時,磨粒易磨耗鈍化失去切削力,需及早使無作用的磨粒掉落,露出新的,所以用軟砂輪。但低材料移除率的時候應使用軟砂輪。
 
 
 
D. 組織密度(Structure)
單位面積上的磨粒數量稱為組織密度,可分為密組織(dense spacing)與粗組織(open spacing)。

[組織密度示意圖]
圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

組織密度的選用原則
1.      依工件的機械性質:軟而韌的材料用粗組織,因組織粗時,磨料可以充分咬入工作物,而且氣孔大,研磨屑排除順利。„
2.      硬脆的工作物用密組織,因工作物硬,去除材料速度慢,需增加接觸工件的磨粒。又因工件脆,即使氣孔少也不必太擔心排屑的問題。„但磨削超硬合金時例外,需用粗組織。
3.      依加工程度:粗加工用粗組織,精密磨削時用密組織。
4.      依作業性質:磨削量多且需迅速作業,或工件與砂輪的接觸面積大時用粗組織,反之用密組織。
 
E. 結合劑(Bond)
結合劑決定砂輪的強度(及最高安全速度)、彈性(或剛性)、磨料脫落所需的力量
●       瓷質結合劑(Vitrified bond):代號V,強度高、耐高溫,最常使用
●       矽酸鹽結合劑(Silicate bond):代號S,適合製做大直徑砂輪,以及使用在需要低發熱的工作,例如加工淬火過的金屬
●       蟲膠結合劑(Shellac bond):代號E,適合用在加工好的表面粗度
●       樹脂結合劑(Resinoid bond):代號B,強度高,適合用在粗加工或切斷
●       橡膠結合劑(Rubber bond):代號R,最具延展性,適合用在切斷
●       金屬結合劑(Metallic bond):代號M,專門用於鑽石砂輪
 
結論,輪磨的切深、進給都需要適當的調整。為了不引起鈍化與堵塞,除了設定適當的切深,磨料顆粒也需要適時破裂、或脫落,保持新銳切刃於砂輪表面,此為切刃的自生作用。如果自生作用不良,可以使用砂輪修整器(一種單點鑽石刀具)清除鈍化的磨粒以及堵塞的切屑。