2-2 研磨拋光理論

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：

F_n：研磨工具的正向壓力負載(N)

E_p：研磨工具的彈性係數 (N/m)

B：研磨輪寬度 (m)

R_p：研磨工具的曲率半徑 (m)

R_w：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a_mc，如下：

整理一下，把切屑平均的斷面積am整理出來如下：

a_mc：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a_mc，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