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1、第三章第三章 研磨加工原理研磨加工原理 1第三章第三章 研磨加工原理研磨加工原理 3.1 磨粒加工與磨粒磨粒加工與磨粒 3.2 研磨加工的特徵研磨加工的特徵 3.3 磨輪磨輪3.4 研磨加工用工作母機研磨加工用工作母機3.5 研磨加工原理研磨加工原理2第三章第三章 研磨加工原理研磨加工原理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 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 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33.1 磨粒加工與磨粒磨粒加工與磨粒使用使用磨粒磨粒的硬粒子，進行的硬粒子，進行機械式去除的加機械式去除的加
2、工方法工方法，稱為，稱為磨粒加工磨粒加工。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。現在的現在的半導體半導體之之研磨加工研磨加工，是使用最尖端，是使用最尖端的的超精密加工技術超精密加工技術。43.1.1 磨粒加工的特徵磨粒加工的特徵(1)可加工切削無法加工的硬材料可加工切削無法加工的硬材料：一般要一般要以切削刀具加工碎火鋼較困難，故使用磨以切削刀具加工碎火鋼較困難，故使用磨粒加工粒加工。(2)可做高精度的加工可做高精度的加工：磨粒加工因為是以磨粒加工因為是以單一的刀刃，磨除較小的體積，故可以提單一的刀刃，磨除
3、較小的體積，故可以提高加工精度。高加工精度。(3)刀刃的再生作用刀刃的再生作用：磨粒在加工中受力而磨粒在加工中受力而破碎，產生尖銳的刀刃，並更新刀刃。破碎，產生尖銳的刀刃，並更新刀刃。5表表3.1 主要磨粒的特性主要磨粒的特性63.1.2 磨粒的種類磨粒的種類1.氧化鋁磨粒：氧化鋁磨粒：現在使用於工業上的材料，現在使用於工業上的材料，是以是以電爐熔化氧化鋁電爐熔化氧化鋁，再徐冷而結晶的熔融，再徐冷而結晶的熔融氧化鋁，常使用於氧化鋁，常使用於鐵系材料鐵系材料的研磨加工。的研磨加工。2.碳化矽磨粒：碳化矽磨粒：碳化矽磨粒比氧化鋁磨粒碳化矽磨粒比氧化鋁磨粒硬硬且脆且脆，以電阻爐的高溫反應，將矽與碳合
4、成。，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碳化矽磨粒用於研磨或研光鋼以外的金屬鋼以外的金屬或或玻璃玻璃、石材石材等非金屬。等非金屬。73.1.2 磨粒的種類磨粒的種類3.鑽石磨粒：鑽石磨粒：鑽石是鑽石是最硬的物質最硬的物質，自古以來用於，自古以來用於寶石的研磨。鑽石的構成元素為寶石的研磨。鑽石的構成元素為碳碳，故不適合加，故不適合加工工鋼料鋼料，用於加工，用於加工玻璃玻璃、矽矽、硬度高的陶瓷硬度高的陶瓷。4.CBN磨粒：磨粒：是硬度僅次於鑽石的物質，其構成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，最適合元素為氮與硼，故硬且與鐵的親和性差，最適合加工
5、加工碎火鋼碎火鋼。5.其他磨粒：其他磨粒：使用游離磨粒的磨削加工，因為要使用游離磨粒的磨削加工，因為要求平滑的加工面，故求平滑的加工面，故在常溫在常溫是使用硬度較低的磨是使用硬度較低的磨粒，粒，在高溫在高溫是使用硬度不會降低的磨粒。是使用硬度不會降低的磨粒。83.1.3 磨粒的大小磨粒的大小(粒度粒度)與破脆性與破脆性 磨粒磨粒做為刀具使用時，必須依加工目的，做為刀具使用時，必須依加工目的，選擇磨粒的大小。磨粒的大小稱為選擇磨粒的大小。磨粒的大小稱為粒度粒度，表示磨粒的數字，稱為表示磨粒的數字，稱為篩孔尺寸篩孔尺寸。磨粒的磨粒的破脆性破脆性與加工中刀刃的與加工中刀刃的再生作用再生作用，有很大的
6、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。93.2 研磨加工的特徵研磨加工的特徵研磨加工研磨加工：是以使用結合材料，固著磨粒是以使用結合材料，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
7、加工刃的磨粒之切削作用，來去除材料的加工方法。方法。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。103.3 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，固著在子的磨粒，固著在圓板狀圓板狀的磨輪上，以磨除工作的磨輪上，以磨除工作物的加工方法。物的加工方法。磨輪磨輪是由圖是
8、由圖3.1所示的所示的磨粒磨粒、結合劑結合劑及及氣孔氣孔所構所構成，這些稱為成，這些稱為磨輪三要素磨輪三要素。磨粒磨粒是做為產生切屑的刀刃，是做為產生切屑的刀刃，結合劑結合劑是支持磨粒是支持磨粒的構造體，磨耗後不能使用的磨粒，對脫落的的構造體，磨耗後不能使用的磨粒，對脫落的再再生作用生作用有很大的影響。有很大的影響。氣孔氣孔是收容切屑的空間，具有很重要的任務，是是收容切屑的空間，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。11圖圖3.1 磨輪三要素磨輪三要素12圖圖3.1 磨輪三要素磨輪三要素13圖圖3.2 磨輪的磨輪的JlS表示方法表示方法14圖圖
9、3.2 磨輪的磨輪的JlS表示方法表示方法15表表3.2 磨輪組織磨輪組織16表表3.3 磨輪結合劑磨輪結合劑173.4 研磨加工用工作母機研磨加工用工作母機研磨加工研磨加工是使用稱為是使用稱為磨床磨床的工作母機，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。3.4.1 平面磨床平面磨床3.4.2 圓筒磨床圓筒磨床3.4.3 內孔磨床內孔磨床3.4.4 無心磨床無心磨床3.4.5 限制加工目的的磨床限制加工目的的磨床1819203.4.1 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種種(圖圖3.3
10、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面的臥式平面磨床臥式平面磨床與垂直磨輪軸以磨輪端與垂直磨輪軸以磨輪端面加工的面加工的立式平面磨床。立式平面磨床。將工作物載於工作台上，做往復運動的將工作物載於工作台上，做往復運動的長長方形工作台方形工作台與做旋轉運動的與做旋轉運動的圓形工作台圓形工作台。(a)臥式平面磨床臥式平面磨床 (b)立式平面磨床立式平面磨床21圖圖3.3 平面磨床平面磨床223.4.2 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。磨床。一邊以慢速旋轉工作物一邊以慢速旋轉工作物，一邊以
11、高一邊以高速旋轉磨輪速旋轉磨輪，來研磨工作物，為以精密加，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給方向，分為依工作物相對於磨輪的進給方向，分為橫橫行式行式與與凸輪式凸輪式兩種兩種(圖圖3.4所示所示)。23圖圖3.4 圓筒磨床圓筒磨床243.4.3 內孔磨床內孔磨床為精密加工為精密加工圓筒內孔圓筒內孔所需磨床，如圖所需磨床，如圖3.5所示，所示，有有工作物旋轉的工作物自轉式與一邊旋轉磨工作物旋轉的工作物自轉式與一邊旋轉磨輪軸輪軸及及一邊作行星運動的行星式一邊作行星運動的行星式兩種。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
12、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，是一種很難做到高精度加工的研磨技術。磨技術。25圖圖3.5 內孔磨床內孔磨床263.4.4 無心磨床無心磨床無心磨床就是沒有無心磨床就是沒有頂心頂心的磨床，大多使用於的磨床，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3.6所示，以所示，以調整輪調整輪、承板承板及及磨輪磨輪，做三，做三點支撐。一邊將工作物做磨輪點支撐。一邊將工作物做磨輪軸向進給軸向進給，一，一邊做邊做圓筒研磨圓筒研磨。27圖圖3.6 無心磨床的基本
13、構造無心磨床的基本構造28無心磨床之研磨無心磨床之研磨29 無心磨床的調整輪的作用無心磨床的調整輪的作用303.4.5 限制加工目的的磨床限制加工目的的磨床(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)曲軸磨床、凸輪軸磨床曲軸磨床、凸輪軸磨床:為有效率加工引為有效率加工引擎主要零件之曲軸或凸輪軸的專用機。擎主要零件之曲軸或凸輪軸的專用機。31螺紋磨床螺紋磨床32交錯或隔山型研磨螺紋交錯或隔山型研磨螺紋33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343.4
14、.5 限制加工目的的磨床限制加工目的的磨床(3)刀具磨床刀具磨床:為研磨成形車刀或銼刀的磨床，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，為了加工車刀的刀鼻曲面或螺旋狀溝槽，除了除了X、Y、Z三軸外，傾斜、旋轉部分很多，三軸外，傾斜、旋轉部分很多，故有多軸控制的故有多軸控制的CNC刀具磨床刀具磨床。(4)皮帶式磨床皮帶式磨床:以以帶狀研磨布帶狀研磨布替代替代磨輪磨輪，並，並以高速磨削工作物的磨床。以高速磨削工作物的磨床。353.5 研磨加工原理研磨加工原理3.5.1 研磨加工的準備：研磨加工的準備：要求精密度的研要求精密度的研磨加工，要做以下的準備。磨加工，要做以下的準備。
15、1.刀具準備：刀具準備：2.修整磨輪：修整磨輪：3.平衡磨輪：平衡磨輪：4.研磨液：研磨液：5.安全對策：安全對策：361.刀具準備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(修整形修整形狀狀)。一邊修整磨輪的工作面，一邊造形加工。一邊修整磨輪的工作面，一邊造形加工面的研磨加工。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進行像圓筒研磨般加工的旋轉修整形狀旋轉修整形狀(圖圖3.7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
16、矽磨粒利度也是有很大影響。氧化鋁或碳化矽磨粒的磨輪，是使用的磨輪，是使用單粒修整器單粒修整器(圖圖3.8所示所示)，像，像以車床般切削磨輪，來修整形狀。以車床般切削磨輪，來修整形狀。37圖圖3.7 旋轉修整形狀旋轉修整形狀38圖圖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392.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。一般的方法是以一般的方法是以棒狀磨輪棒狀磨輪，黏土燒結結合，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
17、合劑磨除以去掉切屑屑(圖圖3.9所示所示)。40圖圖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413.平衡磨輪平衡磨輪磨輪是以磨輪是以30m/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/s。磨輪如果不平衡，則在旋轉中會產生磨輪如果不平衡，則在旋轉中會產生振動振動，在精加工面會留下波紋狀的在精加工面會留下波紋狀的凹凸面凹凸面，更有使，更有使磨輪破裂的危險磨輪破裂的危險。修整後的修整後的磨輪平衡磨輪平衡，不必將磨輪自凸緣上拆，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下。磨輪平衡是改變安裝於凸緣上的
18、調整平調整平衡用配重位置衡用配重位置(圖圖3.10所示所示)。調整平衡配重，可達調整平衡配重，可達數微克數微克精度。精度。42圖圖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434.研磨液研磨液研磨加工與切削加工一樣，也使用研磨加工與切削加工一樣，也使用研磨液研磨液。(1)研磨加工比切削加工，再去除單位體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，抑制精度加工，抑制熱膨脹熱膨脹，以，以冷卻為目的冷卻為目的而使用研而使用研磨液。磨液。(2)沖掉沖掉磨屑磨屑或或破碎破碎的磨粒，是很重要的作用
19、。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，無法破壞其運動的高速，無法破壞其運動的空氣膜空氣膜，使研磨液無法，使研磨液無法達到研磨點，故必須採取達到研磨點，故必須採取排除空氣膜排除空氣膜或或高壓注液高壓注液的對策。的對策。445.安全對策安全對策由於高速旋轉的磨輪，具有極大的由於高速旋轉的磨輪，具有極大的動能動能，在研磨加工中產生在研磨加工中產生衝擊而破壞衝擊而破壞，則很可能，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製造磨床的廠商有義務要安裝磨輪罩磨輪罩，以，以防止萬一防止萬一磨輪破裂磨輪破裂飛出而飛出
20、而傷人傷人。夾持工作物夾持工作物也是很重要的安全對策，在平也是很重要的安全對策，在平面磨床經常使用面磨床經常使用磁性夾頭磁性夾頭，利用其磁力來，利用其磁力來吸住工作物。吸住工作物。453.5.2 磨輪切刃的去除作用磨輪切刃的去除作用(1)如圖如圖3.11所示所示，磨輪的切刃形狀比切削刀具，磨輪的切刃形狀比切削刀具鈍，其斜角為鈍，其斜角為-60以下。以下。(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)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)施於磨粒切刃的力量或摩擦熱，會使磨
21、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)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。46圖圖3.11 磨粒切刃與切削刀具磨粒切刃與切削刀具47圖圖3.12 磨粒切刃產生的切屑磨粒切刃產生的切屑 48圖圖3.13 磨粒切刃產生溝槽的狀態磨粒切刃產生溝槽的狀態 49圖圖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50圖圖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 513.5.3 研磨幾何學研磨幾何學(研
22、磨加工面的造形原理研磨加工面的造形原理)1.二維去除機構二維去除機構2.三維去除機構三維去除機構3.影響去除機構的因素影響去除機構的因素 521.二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3.16所示，為所示，為圓筒柱塞研磨時的模式圖圓筒柱塞研磨時的模式圖。磨輪直徑為磨輪直徑為ds、工作物直徑為、工作物直徑為dw、磨輪圓周、磨輪圓周速度為速度為Vs、工作物圓周速度為、工作物圓周速度為Vw、工作物每、工作物每一迴
23、轉的進刀量為一迴轉的進刀量為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，稱為，稱為連連續切刃間隔續切刃間隔。53圖圖3.16 二維磨粒的去除作用二維磨粒的去除作用54圖圖3.17 研磨幾何學研磨幾何學(圓筒研磨圓筒研磨)55圖圖3.17 研磨幾何學研磨幾何學(平面研磨平面研磨)562.三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3.18，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
24、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。57圖圖3.18 三維去除機構三維去除機構58圖圖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593.影響去除機構的因素影響去除機構的因素(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與工作物是做正確圓周運動圓周運動或或直線運動直線運動的假的假設基礎上。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)的振的振動或偏擺。動或偏擺。(2)磨輪的彈性變形磨輪的彈性變形:磨輪
25、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。(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。603.5.4 研磨阻力與比研磨能量研磨阻力與比研磨能量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.比研磨能量比研磨能量3.影響研磨阻力的各種因素影響研磨阻力的各種因素611.切線研磨阻力與法
26、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3.20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，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分力分力，而在研磨加工中，而在研磨加工中，磨輪磨輪軸向軸向幾乎不產生力量，故只採用幾乎不產生力量，故只採用2分力分力。62636465662.比研磨能量比研磨能量n以以去除工作物的體積去除工作物的體積除除研磨能量研磨能量所得到的所得到的值，稱為值，稱為比研磨能量比研磨能量
27、以下式表示。以下式表示。673.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3.22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3.23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
28、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。68圖圖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69圖圖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703.5.5 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，其大部分都變成，比切削大，其大部分都變成研磨熱研磨熱，會造成在切削加工中看不到的，會造成在切削加工中看不到的熱熱損傷損傷或工作物的或工作物的熱變形熱變形等問題。等問題。1.產生研磨熱的來源及流動產生研磨熱的來源及
29、流動2.研磨熱造成的問題研磨熱造成的問題3.去除研磨熱去除研磨熱711.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，是在產生研磨熱的來源，是在產生切屑的研磨點產生切屑的研磨點附近，如圖附近，如圖3.24所示，所示，由於切刃的斜角很小，由於切刃的斜角很小，故切屑承受的故切屑承受的剪斷變形很大剪斷變形很大，留在加工面的，留在加工面的流動層也變大。流動層也變大。另一方面，工作物的另一方面，工作物的速度低速度低，切刃返覆通過，切刃返覆通過接觸弧，很容易接觸弧，很容易累積熱量累積熱量。72圖圖3.24 研磨點產生的熱量研磨點產生的熱量731.產生研磨熱的來源及流動產生研磨熱的來源及流動
30、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3.25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。74圖圖3.25 研磨熱的傳入比例研磨熱的傳入比例 752.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，造成工作物作物表面變色表面變色，這種現象稱為，這種現象稱為研磨燒焦研磨燒焦。造成研磨熱的溫度上昇，是使工作物表
31、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，而晶組織產生變化，而降低硬度降低硬度。由於機械式的去除作用，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，產生的塑性流動層，產生加工硬化加工硬化，故研磨後的，故研磨後的加加工變質層工變質層，是因為這些原因複合而成的。，是因為這些原因複合而成的。圖圖3.26是以同一條件研磨是以同一條件研磨軟鋼軟鋼與與碎火鋼碎火鋼時，測時，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。76圖圖3.26 研磨加工的表面硬度
32、變化研磨加工的表面硬度變化77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3.27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，會產生抗拉強度時，會產生研磨破裂研磨破裂。78圖圖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793.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，
33、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-30C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/s的超高速的超高速研磨，研磨點產生的熱量在流入工作物前，研磨，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，就已將切屑去除，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)。80圖圖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 813.6 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
34、碎。磨磨粒在研磨的同時，也會磨耗或破碎。磨耗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，則磨粒就會會破碎而破壞結合劑，則磨粒就會脫落脫落(圖圖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。這種作用稱為種作用稱為再生作用再生作用。要持續維持適度的。要持續維持適度的再生作用，要依工作物特性、磨輪的規格，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。82圖圖3.29 磨輪的再生作用磨輪的再生作用833.6.1 研
35、磨進行中，研磨工作面的變化研磨進行中，研磨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，稱為保持較銳利的狀態，稱為正常研磨正常研磨。相對的造成過度的再生作用，稱為相對的造成過度的再生作用，稱為磨粒脫落磨粒脫落(圖圖3.30(a)。這種情形會保持較低的研磨阻。這種情形會保持較低的研磨阻力，但是，磨輪的損耗較快，故會使尺寸精力，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。度惡化，而必須常常修整。相對的像圖相對的像圖3.30(b)，再生作用不夠時，磨耗，再生作用不夠時，磨耗的磨粒經常殘留下來，磨輪工作面平滑的情的磨粒經常殘留下
36、來，磨輪工作面平滑的情形，稱為形，稱為粒子脫落粒子脫落。84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，而容易產生產生熱膨脹熱膨脹或或研磨燒焦研磨燒焦。雖然加工面光澤，但是雖然加工面光澤，但是加工變質層變厚加工變質層變厚，而使表，而使表面的品質降低。面的品質降低。研磨研磨銅或鋁銅或鋁等富延展性的材料，如圖等富延展性的材料，如圖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，這現象稱為產生類似磨粒不脫落
37、的結果，這現象稱為填塞填塞。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3.31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。85圖圖3.30 磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞86圖圖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 873.6.2 影響刀刃再生作用的因素影響刀刃再生作用的因素(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)磨削材料磨削材料:硬度、高溫強度、熱傳導
38、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)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)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)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。883.6.3 研磨比研磨比(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，但是磨輪消耗太多也很困惑。評大特徵，但是
39、磨輪消耗太多也很困惑。評估磨輪的消耗或壽命的指標，為估磨輪的消耗或壽命的指標，為研磨比研磨比(G ratio)。研磨比研磨比G就是研磨就是研磨去除工作物的體積去除工作物的體積除以除以磨磨輪消耗的體積輪消耗的體積，所得到的值，所得到的值(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893.6.4 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：判斷壽命的項目，有以下幾項判斷的基準：(1)研磨阻力增加研磨阻
40、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)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)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接轉印磨輪形狀的成形研磨成形研磨。903.7 影響研磨加工面精密度的因素影響研磨
41、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JIS中均有規定。中均有規定。(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。(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 BOO21。(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 BO601913.7 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尺寸精度及形狀精度，為，為巨觀精度巨觀精度，它受，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。面精度面精度為為微觀精度微觀精度，它受支配於磨輪的表，它受支配於
42、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另外取材與加工面品質有關的加工變質層加工變質層或或殘留應力殘留應力也是也是面精度面精度的一部分。的一部分。923.7.1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因乃研磨加工過去只用於精加工精加工工程，故磨輪軸工程，故磨輪軸的馬達輸出功率僅切削用工作母機的的馬達輸出功率僅切削用工作母機的數分之一數分之一。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
43、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，就必須要有輪軸，以此為目的時，就必須要有較高的剛性較高的剛性。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20倍以上，故磨床必須有倍以上，故磨床必須有較高的剛性較高的剛性。933.7.2 磨輪及工作物的夾持狀態磨輪及工作物的夾持狀態1.磨輪的安裝磨輪的安裝2.工作物的夾持工作物的夾持941.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
44、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，離心力造成的造成的變形變得很大變形變得很大。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 翹翹曲現象曲現象，造成切斷面，造成切斷面精度惡化精度惡化。故必須做好使壓。故必須做好使壓住凸緣的力量要平均設計。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不均勻，在研米的膨脹，有時候徑向的膨脹量會不均勻，在研磨時會產生磨時會產生振動振動。95圖圖3.32 切斷磨輪高速旋轉時，產生翹曲現象切斷磨輪高速旋轉時，產生
45、翹曲現象962.工作物的夾持工作物的夾持工作物如採用機械式夾持，則在被壓住的工作物如採用機械式夾持，則在被壓住的部分，會產生局部變形，加工後該部分的部分，會產生局部變形，加工後該部分的變形解放，工作物就會產生變形。變形解放，工作物就會產生變形。研磨加工所要求的精度大多比切削加工高，研磨加工所要求的精度大多比切削加工高，故夾持工作物必須使變形做到最小。故夾持工作物必須使變形做到最小。在平面磨床夾持工件，如圖在平面磨床夾持工件，如圖(3.33(a)所示，所示，經常使用經常使用磁性夾頭磁性夾頭。磁鐵無法吸著的材料，則採用磁鐵無法吸著的材料，則採用真空夾頭真空夾頭才才有效有效(圖圖3.33(b)，工作
46、物很小時，可以用，工作物很小時，可以用黏著劑黏著劑固定。固定。97圖圖3.33(a)磁性夾頭磁性夾頭98圖圖3.33(b)真空夾頭真空夾頭993.7.3磨輪工作面的狀態磨輪工作面的狀態1.工作準備、修整磨輪條件工作準備、修整磨輪條件2.磨輪的損耗磨輪的損耗(磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞)3.磨輪工作面的深淺不均勻磨輪工作面的深淺不均勻(結合度、組織結合度、組織)1001.工作準備、修整磨輪條件工作準備、修整磨輪條件設定磨輪工作面的初期狀態之刀具準備、修整，設定磨輪工作面的初期狀態之刀具準備、修整，是大大影響加工面表面精度或研磨阻力的重要是大大影響加工面表面精度或研磨阻力
47、的重要因素。因素。刀具準備也會改變磨粒切刃的形狀，當然也會刀具準備也會改變磨粒切刃的形狀，當然也會影響粗糙度等的表面精度及研磨阻力大小。影響粗糙度等的表面精度及研磨阻力大小。圖圖3.34所示，為所示，為CBN磨輪的刀具準備條件，影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。響研磨加工面的粗糙度及研磨阻力的變化情形。101圖圖3.34 刀具準備條件影響研磨阻力及粗糙度變化刀具準備條件影響研磨阻力及粗糙度變化1022.磨輪的損耗磨輪的損耗(磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞)磨粒過度磨粒過度脫落脫落，會造成磨輪形狀走樣，而，會造成磨輪形狀走樣，而無法確保工作物
48、的形狀精度及尺寸精度。無法確保工作物的形狀精度及尺寸精度。且造成加工面的且造成加工面的粗糙度變粗粗糙度變粗。磨粒不脫落磨粒不脫落是磨粒切刃的離隙面過度磨耗，是磨粒切刃的離隙面過度磨耗，雖然不會直接影響形狀精度或粗糙度，初雖然不會直接影響形狀精度或粗糙度，初期的磨粒不脫落，反而會使粗糙度變小。期的磨粒不脫落，反而會使粗糙度變小。1032.磨輪的損耗磨輪的損耗(磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞磨粒脫落、磨粒不脫落、填塞)但是由於切削阻力的背分力增加而變形，但是由於切削阻力的背分力增加而變形，摩擦而發熱，造成工作物變形並使尺寸精摩擦而發熱，造成工作物變形並使尺寸精度或形狀精度度或形狀精度惡化惡化。產生產生
49、填塞填塞就會使加工面粗糙度極端惡化，就會使加工面粗糙度極端惡化，填塞切屑的磨輪直徑會變大，會對工作物填塞切屑的磨輪直徑會變大，會對工作物產生過度研磨的情形。產生過度研磨的情形。1043.磨輪工作面的深淺不均勻磨輪工作面的深淺不均勻(結合度、組織結合度、組織)磨輪平衡校正是磨輪的準備工作，磨輪會磨輪平衡校正是磨輪的準備工作，磨輪會因平衡不良而破裂。這種情形不是因為全因平衡不良而破裂。這種情形不是因為全體磨輪不均勻，而是磨粒或結合劑不均，體磨輪不均勻，而是磨粒或結合劑不均，表示表示結合度及組織不均勻結合度及組織不均勻。使用這種磨輪，即使再細心的刀具準備、使用這種磨輪，即使再細心的刀具準備、修整，也
50、會因磨輪工作面的場所，而改變修整，也會因磨輪工作面的場所，而改變切刃的密度，而在加工面產生切刃的密度，而在加工面產生振動振動。且因。且因磨輪損耗不均勻，而使磨輪真圓度惡化，磨輪損耗不均勻，而使磨輪真圓度惡化，造成更大的振動。造成更大的振動。1053.7.4 研磨阻力造成的彈性變位研磨阻力造成的彈性變位高硬度、高密度陶瓷的研磨加工，其背分高硬度、高密度陶瓷的研磨加工，其背分力非常大，即使進行力非常大，即使進行無火花無火花研磨，也無法研磨，也無法達到所設定的尺寸。達到所設定的尺寸。在精密研磨加工這類材料時，除了要用彈在精密研磨加工這類材料時，除了要用彈性係數大的磨輪外，也必須使用剛性高的性係數大的