研磨加工之理論

研磨加工之理論

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」。這之間又分為研磨、拋光,實際的分別是十分模糊的,參考資料1中說研磨是以進給的觀念進行加工,拋光是以壓力控制的觀念來加工。
 
此篇先由研磨的的觀點來看,利用磨料切刃對工件施加剪力所致塑性變形,進而產生切屑分離。
 
1. 磨料切刃的定性說明
 

 
如上圖所示,一般研磨的磨料都帶有銳利的切刃,在研磨的過程中也會發生磨滅、劈開、破碎、脫落等等,也就是藉由這些切刃進行研磨的工作。
 

 
一般經由上圖研磨過程產生切屑,首先一開始壓接負載還在彈性變形的範圍內,工程的細微表面只有發生彈性的擦滑現象。再繼續加壓的話,磨料的切刃會把工件表面往切刃前方和側邊推起,此時已經進入塑性變形的開始。當壓力負載再變大而超過yield point的話,切刃才會把掘起的材料剪切下來,產切屑,也就是巨觀下的粉塵。
 
值一提的是研磨工具的磨耗很影響研磨性能,因此常用研磨比做為評估指標。
研磨比 = 工件被研磨體積量 / 研磨工具磨耗體積量
 
2. 研磨機構力學性質
研磨工具大半為彈性工具,它們與工件接觸時多少會有彈性的變形,我們利用Hertz的彈性接觸理論來分析微觀下研磨加工面的幾何狀況。

 
上圖中,最左邊表示曲率半徑為Rp的研磨工具對應上曲率半徑為Rw的工件,其接觸的長度為2lc,其中lc如下:

Fn:研磨工具的正向壓力負載(N)
Ep:研磨工具的彈性係數 (N/m)
B:研磨輪寬度 (m)
Rp:研磨工具的曲率半徑 (m)
Rw:工件的曲率半徑 (m)
m:切刃密度 (1/m^2)
Mc:切刃數量
 
當工件為平面時,曲率半徑Rw為無限大,此時ls如下:

 
又相反狀況,研磨輪改為平面的砂帶輪,曲率半徑Rp為無限大,此時ls如下:

 
回到(式1),當研磨輪的寬度為B時,其研磨的面積A如下:

 
此時若我們定義單位切刃數量的密度為m,把切刃密度m乘上研磨的面積A,就是切刃的數量Mc,如下:

 
 
再來我們定義單位時間內的研磨量G,等於切刃數量Mc乘上研磨速度V,再乘上切屑平均的斷面積amc,如下:

 
整理一下,把切屑平均的斷面積am整理出來如下:

amc:平均切屑斷面積
G:單位時間內的研磨量(m^3/s)
V:研磨速度 (m/s)
 
以上整理出來的amc,若再乘上切斷時所需應力Ks,再乘上全部的切刃數量Mc,就等於研磨切線方向力量(Ft)的總合了。

 
Fn:正向力量
Ft:研磨面切面方向力量,一般研磨加工取0.3Fn~0.6Fn
Ks:單位切屑斷面積的切斷應力
 
Ft就是磨粒刀刃的切屑力總合,與研磨機械(剛性)有關、工件夾持剛性有關、振動、溫度、研磨表面都有關。換句話說V↑,Ks↓,G↓,Mc↓,都會使Ft下降,磨擦阻力變小,磨擦時產生的溫度較低。
 
另外從(式5)可以得知,若要Mc↓以致Ft下降,代表:
(1) Ep↑,增高橡膠觸輪、拋光輪的硬度
(2) Rp↓,減小研磨輪、拋光輪的直徑
 
結論,若我們要減少切向磨擦力Ft,可以由(式8),尋找相關參數;若要減小切屑大小,可以參考(式7)以減小amc的大小。
 
 
3. 研磨熱與熱損傷
在研磨中,除去單位體積的能量比切削來得大,其大部分的能量都變成熱能的形式散去,有時熱量太多會造成工件的損傷或變質。包括形成氧化膜研磨燒焦、軟鋼硬化、淬火鋼退火軟化、殘留應力以至研磨破裂。
 
以學理上來說,研磨過程中產生的熱量如下:

因此速度越快,Ft越大,都會造成熱量的增加。
 
 
4. 參考資料
1. 精密機械加工原理 全華圖書 2004 安永暢男 高木純一郎著
2. 新研磨技術與設備 復漢出版社 2000 黃忠銀編著