ELID (Electrolytic In-process Dressing)研磨,即電解式線上削銳研磨,其係由日本理化學研究所大森整博士所研究開發出來的新研磨加工技術。簡言之,它是一種在研磨加工作業中, 利用施以電流的方式使砂輪表面經常保持銳利的狀態以利於研磨之加工方法。
ELID研磨的原理
首先將安裝於磨床之含有磨料的鑄鐵結合劑砂輪做機械性的削正,削正的目的是為了消除砂輪因製造及安裝所產生之誤差,故削正後的砂輪具有理想之真圓度及真直度,所以切削平面為一平坦面。
將削正後的砂輪通以正電(+),使其產生電解作用,由於削正過的砂輪有良好的導電性,所以電流就如同設定的電流值,同時在正負及之間的電壓值相當低;數分鐘後砂輪表面的結合劑,因被電解而溶出鐵離子,所以砂輪研磨面得以保持適當的磨料突出量。 被電解溶出的鐵離子會立刻在砂輪表面上形成緻密且柔軟的氧化鐵薄膜,此薄膜為非導體,故經由這種反應後,絕緣的氧化膜厚度會漸漸的增加而導致砂輪表面的導電性降低,所以電流值亦會降低。 當開始進行研磨後,突出的磨料開始研磨工件,此時磨料會開始磨損,氧化鐵薄膜亦會磨耗,剝離的氧化鐵薄膜會使砂輪表面的導電性增加,使電解削銳再度進行,即結合劑再度被電解析出使磨料突出砂輪表面,所以磨料始終能保持適當的突出量。 如上所述在研磨作業過程中, ELID削銳循環不斷的重覆進行,使磨料始終能保持適當的突出量,以使ELID 研磨能維持高效率及穩定性雙重特質。若在與超精密磨床組合後,更能提高工件外觀尺寸精度,降低研磨傷害以及顯著提升工件的表面粗糙度。ELID電解削銳與傳統電解削銳之比較
在了解ELID電解削銳循環後,將更進一步比較其與傳統電解削銳之不同。在傳統的電解削銳是運用NaCl與KNO3等 強電解 液,而此強電解液對磨床有極大之傷害。傳統的電解法不會產生有絕緣性的氧化膜,它是連續性的電解削銳,所以不易控制而易發生過度磨耗的現象,故傳統的電解 削銳研磨僅能適用於高能率研磨至粗研磨的狀況。因此,#8000以細的的磨料在傳統的電解削銳適不適用的,所以運用傳統的電解削銳無法達到鏡面之層次。傳 統的電解削銳與ELID削銳的差異可參考表。
| ELID法 | 傳統的電解削銳法 |
金屬結合劑 | 鑄鐵纖維結合劑或其他 | 青銅 |
電解液 | 能生絕緣被膜的水溶性研磨液 | NaCl與KNO3等強電解液 |
電解電源 | 主要為直流脈衝電源 | 大多為直流電源 |
鏡面加工 | 極為適當 | 不可能 |
研磨穩定性: 粗研磨 精密研磨 | 優 優 | 優 NA |
研磨比 | 高 | 低 |
研磨效率 | 高 | NA |
研磨精度 | 高 | NA |
電解強度 | 因有氧化膜生成之故,電解能暫時停止。 | 因不會生成氧化膜,所以為連續性電解。 |
研磨效果 | 即使微細磨粒之砂輪其結合劑之電解和氧化膜的生成能達到適當的平衡。 | 因順應電解砂輪之銳利度,所以不易控制而亦發生過度磨耗 |
ELID研磨的組成
ELID研磨並不是一項複雜的加工程序,它並不需要特定的機床,如傳統的平面磨床、外圓磨床、內孔研磨等磨床,只要有空間安裝適當的電極,再加上挑選金屬結合劑的砂輪,施予適當的電源,在灌注適量的研磨液,即可完成。
下面將對ELID所需之設備一一說明之。
一﹑研磨機(磨床)
ELID研磨所使用的研磨機,不像電解研磨與放電研磨等要特殊設計的專用機,以一般的研磨設備來改裝既可適用,因此具有寬廣的泛用性為奇特長之一。
下列幾點在改裝時必須注意:
二﹑砂輪
選用ELID研磨所使用之砂輪,有兩個重點,一為結合劑,另一為磨料,下列將分別敘述之。
1.結合劑
ELID研磨之砂輪,必須為金屬結合劑之砂輪,因為唯有金屬結合劑之砂輪才能進行電解削銳。可是金屬結合劑之砂輪也有相當多之種類,針對ELID效果,就結合劑電解溶出效果、氧化膜生成、機械強度及其自行削銳的程度並不相同。
鑄 鐵纖維結合劑砂輪(CIFB)是目前最適合ELID所使用之砂輪,因為鑄鐵纖維結合劑砂輪較容易生成氧化膜,這將使初期電解溶出相當容易的鑄鐵纖 維結合劑砂輪,經一段時間後會減緩,此乃因氧化膜無導電性,可防止因過電流而使結合劑過度溶解,此現象完全和乎ELID削銳循環之需求。因為當結合劑毫無 限制的溶出時,將導致磨料大量突出,這會使砂輪的壽命降低。另外,鑄鐵纖維結合劑砂輪生成之氧化膜內含有超微粒之磨料,在研磨工作物時可發揮拋光 (Polishing)之作用,而且氧化膜還可緩和砂輪與工作物之摩擦,以防工作物燒焦之益處。
至於其它金屬結合劑之砂輪,如青銅系砂 輪、鐵系金屬砂輪、鐵鎳結合砂輪、鎳結合砂輪及電著砂輪等砂輪在溶出性氧化磨的生成性及安定性等性質均各有優 缺點。但綜合觀之,以鑄鐵纖維結合劑砂輪最能表現ELID研磨效果。其中青銅系砂輪與鑄鐵纖維結合劑砂輪之ELID效果可參考表青銅系結合劑砂輪與鑄鐵系 結合劑砂輪ELID效果比較表。
| 青銅係結合劑砂輪 | 鑄鐵系結合劑砂輪 |
電解速度 | 快 | 初期容易,然後依氧化磨厚度來控制 |
氧化膜生成 | 難生成 | 易氧化生成 |
砂輪形狀維持性 | 可能崩裂 | 良好 |
結合劑強度 | 可 | 極強 |
自行削銳作用 | 易產生 | 難產生 |
電解生成物 | 銅綠 | 鐵水氧化物(無害) |
研磨液的生成變化 | 大 | 少 |
高效率加工 | 可 | 優 |
鏡面加工 | 可 | 優 |
ELID研磨 | 粗研磨較恰當 | 相當適合 |
2.磨料
ELID研磨所使用之磨料,一般而言有鑽石及碳化硼(CBN)兩種,通常鑽石磨料用於非金屬之材料,CBN則用於金屬材料。
至於磨料之粒度,則須視所欲得之加工面粗糙度來決定。可參考粒度與加工面粗度對照表。
粒度範圍 | 粒度例 | 加工面粗度 |
粗粒 (高效率研磨) | #60~#80 | ~4.0μm |
#100~#200 | 3.0~1.0μm | |
#325~#800 | 0.8~0.4μm | |
微粒 (鏡面研磨) | #1000~#2000 | 200~80nm |
#4000~#6000 | 60~40nm | |
#8000~#10000 | 23~20nm | |
超微粒磨粒 | #20000~#30000 | 20~10nm |
#60000 | 100å ~ | |
#120000 | 80å ~ |
三﹑電極
以電極材質而言,以鐵系材質、銅系材質、鋁系材質與石磨等電極較常使用,不同的材質其電解溶出性、氧化膜形成之速率及其他性質均有待更進一步研究。就目前的資料則如電極材質對ELID特性之比較表所示。
電極材質 | 電解溶出性 | 沈積物的形成 | 氧化膜的性質 |
鐵系材質 | 氧化膜形成前極活潑 | 容易生成沈積物 | 硬脆易剝落 |
銅係材質 | 極高極長時間的活性 | 不易生成沈積物 | 薄膜去除容易 |
鋁係材質 | 氧化膜形仍極活潑 | 沈積物生成不完全 | 有黏性 |
很明顯的,銅係材質之電極其活性極高,且持續時間極長,同時不易生成沈積物,且容易被去除,所以一般而言,銅係材質為最佳的考量。若砂輪直徑超過305mm或形狀複雜的狀況下,也有以石墨做電極的。
電極的大小對於ELID研磨具有決定性的影響,原則上須超過砂輪作用面積的1/6,且不同的研磨機構其電極之構造與安裝均不相同,重點是要使研磨液能均勻且充分的導入電極與砂輪作用面之間。
四﹑電源供應器
電源設備在ELID研磨作業裡扮演著相當重要的角色。一般而言ELID電源以高週波脈衝式電源最適宜,市面上也有專為ELID設計的電源供應器,可依研磨機及砂輪大小來選擇適合的電源供應器。
由 於電壓、電流的設定,與方波ON/OFF的時間選擇,對於氧化膜生成的厚度,結合劑底層的溶出量,ELID的研磨效果,均有直接的影響。例如,在 其它條件固定的狀況下,若電壓與電流設定均選擇額定輸出最大值,則氧化膜的形成會較快,但是,砂輪直徑亦會快速的降低,所以選擇適當的條件是相當重要的。
五﹑研磨液
研 磨液通常使用化學容液型(Chemical Type)水溶性研磨液且導電度最好要在3.5kus/cm,可溶液型(Soluble Type)及乳化液型(Emulsion Type)等無導電性之研磨液則不能使用。基本上,ELID研磨所使用的研磨液並不含有如電解研磨所使用之強腐蝕性鹽類,或衛生上有害之物質,是十分安全 的研磨液。但是,因研磨液裏鹽基的不同與導電性的不同,所生成的氧化膜厚度與特性均有所差異,所以稀釋液與AFG-M成分的適合性就益形重要了。
另外,研磨液的過濾系統亦需特別注意。在進行ELID研磨時,研磨屑會經由研磨液的輸送而刮傷工件,尤其是砂輪粒度在#4000以細的時候,研磨屑若未經適當的過濾排除,則對工件表面將有極大的傷害。
ELID研磨的特色
由 前節之說明可知,氧化膜在ELID電解削銳扮演著相當重要的角色。首先,因機械振動和砂輪殘留振動等所導致的過度進刀,可以藉著氧化膜的形成而產 生緩衝效果,因此增加砂輪面的保護。再者,因氧化膜的剝離性高,黏著性低,所以能避免切屑的附著,大幅降低了填塞的現象。絕緣性的氧化膜,因磨粒的磨耗和 切屑的因素而容易剝落,而能一需要而適當的進行削銳動作。即使過度的磨耗和錯誤的進刀,也能再施以自律性的ELID削銳,而使平滑或鈍化的磨粒掉落以確保 砂輪的銳利度。
ELID研磨會由於磨粒的充分突出而降低研磨抵抗,同時細目的磨粒(#4000)亦能適用,而能提升工件的表面粗糙度。並 且ELID削銳能線上持 續,也不似傳統研磨對研磨條件那麼敏感,稍一不慎即造成填塞現象,故在研磨程序裡能得到良好得鏡面。至於如何使ELID研磨效益達到最高,則需視金屬結合 劑砂輪之選擇、電源之設定、研磨液選擇與供應狀況及電極間的製作等,適當的選擇能使氧化膜厚度與結合劑深度,形成平衡之狀態。
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