TWI464035B - 磨輪及其製法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種磨輪及其製法，尤指一種具有纖維網狀結構、可顯著降低氣孔率、並提升結構緻密度的磨輪及其製法。
輪磨(wheel grinding)技術在精密表面加工的領域中佔有非常重要的地位，在製造業發達的國家，輪磨技術通常廣泛地被應用在模具、工具零件及電子產品等的生產上。
所謂輪磨，本質上是屬於切削加工的一種，其係使用磨輪(grinding wheel)(或稱砂輪)當作切削工具，磨輪通常由磨粒(abrasive)與結合劑(bond material)所構成，進行加工時，磨輪快速旋轉並同時與工件(workpiece)接觸，以對工件進行材料移除動作。由於磨輪特殊的構造，使得加工物在輪磨完成之後，比起其他車、銑、刨等之切削加工的結果，有著較高的精密度及較好的表面粗糙度。
磨輪的結合度亦稱為磨輪的硬度，是指磨輪表面的磨粒在外力作用下脫落的難易程度，即磨粒的結合狀況，磨粒的硬度與磨輪的硬度沒有關係，例如磨粒很硬，但是結合度低，磨粒容易從磨輪脫落，磨輪容易破碎，則磨輪硬度偏軟，稱為軟磨輪；而當結合劑對磨粒的把持力越強時，磨粒越不易從磨輪脫落，此種磨輪稱為硬磨輪。因此，磨粒的硬度與磨輪的硬度之間沒有絕對的關係，磨輪的硬度只跟結合劑的種類、結合劑含量多寡以及磨輪內部氣孔含量有關。
一般在製作磨輪時都會添加填料以改善及增強磨輪的性能，填料的種類琳瑯滿目，金屬或陶瓷等各種材料皆曾經被使用來做為填料，而不同的填料會有不同的作用，有些可用來提升磨輪的耐熱性，有些則是可用來改變磨粒與結合劑的結合狀況。
惟，習知之磨輪仍有硬度不足的問題，導致對磨粒的把持力不足，造成磨粒容易過早脫落，使得磨輪的磨削效果下降。
因此，如何提出一種在製作上較為簡易、成本較為低廉且功能亦佳的磨輪，以解決上述習知技術中之種種問題，實已成為本領域的技術人員目前亟欲解決的課題。
有鑒於上述習知技術之缺失，本發明提供一種磨輪，係包括：結合劑；散佈於該結合劑中的複數磨粒；以及交織成網狀的複數奈米填料，其連結該磨粒，且散佈於該結合劑中，以降低氣孔率。
本發明提供一種磨輪之製法，係包括：混合結合劑、複數磨粒與複數奈米填料；進行壓製成型；以及進行燒結，該些奈米填料係散佈於該結合劑中，且交織成網狀，並連結該磨粒，使得燒結時所產生的氣體不易撐開磨粒，進而降低氣孔率。
本發明之磨輪及其製法的氣孔率係最多降低一半。
又於本發明之磨輪及其製法中，該奈米填料係為奈米碳管。
所述之磨輪及其製法中，該結合劑可為金屬類、陶瓷類、電鑄類或樹脂類之結合劑。
於本發明之磨輪及其製法中，該磨粒可為氧化鋁系、碳化素系、氧化鋯系、鑽石或立方氮化硼之磨粒。
依上所述之磨輪及其製法，該磨輪中的結合劑之重量百分比可為7至30%，且該磨輪中的奈米碳管之重量百分比可為1至4%。
又於前述之磨輪及其製法中，該磨輪中的結合劑之重量百分比可為15%，該磨輪中的奈米碳管之重量百分比可為2%，且該磨輪中的磨粒之重量百分比可為83%。
由上可知，本發明係於磨輪的粉末混合過程中添加微量奈米碳管，經燒結後，該奈米碳管可在磨輪中形成纖維網狀結構，並發揮纖維強化的作用，因此使得磨粒與磨粒之間、以及磨粒與結合劑之間多了一個固持的媒介與力量，進而可降低磨輪的氣孔率，使磨輪內部結構更為緊實，並增加磨輪的強度；此外，本發明之磨輪僅需依使用需求來調整奈米碳管的添加量，製作步驟相對較簡單，且成本較低。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「網狀」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。
奈米碳管發現至今已約20年，此種新穎材料具有許多優異的特性，甚至被譽為最強的纖維。然目前並無相關於以奈米碳管做為磨輪製造過程中的填料之研究，故本發明嘗試將奈米碳管使用在磨輪的製造上。
詳而言之，本發明的磨輪之製法係先以適當比例混合結合劑、複數磨粒與複數奈米碳管；接著，視需要地(optionally)進行壓製成型步驟；最後，進行燒結步驟。
前述製法所產生之磨輪係包括結合劑、散佈於該結合劑中之複數磨粒、以及複數奈米碳管，係交織成網狀，並包覆該磨粒，且散佈於該結合劑中。
依前所述之磨輪及其製法中，該結合劑可為金屬類、陶瓷類、電鑄類或樹脂類之結合劑，且該磨粒可為氧化鋁系、碳化素系、氧化鋯系、鑽石或立方氮化硼之磨粒。
為了驗證本發明的功效，因而實際製作出本發明之磨輪，以下將詳述本發明的相關測試、實驗參數與結果。
首先，結合劑與磨粒的材質係分別採用酚醛樹脂與金剛砂(主要成分為Al2
O3
(含量約96.5%)，並含有少許的Fe2
O3
與TiO2
等雜質)，且在結合劑、磨粒與奈米碳管三者的比例方面係分為三組比例：樹脂的重量百分比分別為30%、15%與7%，各組中又將奈米碳管的重量百分比分為0%、1%、2%、3%、4%五種，其餘部分則為金剛砂，總計15種不同比例的磨輪試片，詳如下表所示。(樹脂含量超過30%時，磨輪大多在燒結後碎裂，故在此未予以考量)
將上述比例之材料燒結成磨輪試片後，並用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行觀察，發現奈米碳管在磨輪試片中總共有三種型態：網狀包覆金剛砂磨粒之型態(如第1A圖所示)、網狀連結樹脂之型態(如第1B圖所示)與形成團簇之型態(如第1C圖所示)。
前兩種型態(網狀包覆金剛砂磨粒與網狀連結樹脂之型態)均可在所有本發明之磨輪試片中觀測的到，即奈米碳管會形成網狀結構1(請參照第2B圖)，並連結(例如以包覆、附著或嵌入等方式)各磨粒2與樹脂3，而磨粒2與磨粒2之間即多了一個固持的媒介，隨著奈米碳管含量越多，固持力(或結合力)會越強，因此磨輪在燒結時所產生的氣體在逸散時越不易撐開磨粒2而形成大的氣孔4，因而相較於如第2A圖之習知技術的磨輪結構示意圖，本發明有縮小磨輪中之氣孔4的效用，如第2B圖之本發明的磨輪結構示意圖所示，並因此而使磨輪的組織更為緊密，進而增進整體磨輪結構的硬度。
然而，當磨輪中奈米碳管的含量在多到某個程度之後，便會形成團簇，該團簇如棉球般充填在空隙與氣孔之間，且團簇結構的形成會使磨粒與填料的總體積變得更大，樹脂所佔的體積百分率相對下降，因而樹脂對於磨粒與填料兩者的把持力降低，使得磨輪硬度隨之降低。此種團簇型態在樹脂含量為15%且奈米碳管含量大於3%時，或者，樹脂含量為7%且奈米碳管含量大於2%時，就會產生。
將前述之15種不同比例的磨輪試片製作完成後，分別進行抗壓強度測試，其結果如第3圖所示，抗壓強度測試雖然非正規測試磨輪的結合度或硬度的方式，但是可以大致了解磨輪的軟硬程度及內部結構強度，因此抗壓強度可做為磨輪硬度的一項參考值。
由第3圖可知，在添加了奈米碳管後，試片的磨輪抗壓強度開始產生變化，而在不同樹脂含量下，奈米碳管的含量多寡對於試片的抗壓強度有不同的影響。
在樹脂含量為30%時，隨著奈米碳管添加的量增加，氣孔的大小變得愈來愈小，試片的內部結構也隨之愈緊密，抗壓強度因而提升。
在樹脂含量為15%時，含量1%的奈米碳管減小了氣孔，因此抗壓強度得到了提升，然而，奈米碳管粉末與金剛砂粉末兩者的密度相差極大，在相同重量之下，奈米碳管粉末的體積約為金剛砂粉末的19倍，當奈米碳管含量增加時，奈米碳管與金剛砂的總體積會迅速增加，在樹脂含量沒有相對提高的情況下，樹脂對於奈米碳管與金剛砂的黏結力或結合力會開始下降，所以奈米碳管含量在2%以上時，抗壓強度開始下降。
至於樹脂含量為7%時，做為結合劑角色的樹脂太少，對於較多量的金剛砂並無法提供足夠的結合力，而奈米碳管含量增加時，奈米碳管與金剛砂的總體積變得更大，造成樹脂對兩者的結合力更為不足，因此抗壓強度趨於下降。
接續上述抗壓強度測試之後，進一步分析在樹脂含量為30%時，氣孔率與抗壓強度之關係，如下表所示：
由上可知，本發明之磨輪能有效降低氣孔率，並因此大幅提升抗壓強度；其中，就奈米碳管之含量為0Wt%與4Wt%來比較，整體氣孔率總共降低成原來的53.5%，即最多可將氣孔率降低一半，同時抗壓強度也隨之提升了29.2倍，所以證明本發明之磨輪可顯著提升整體效能。
磨削為一表面精製的作業，經磨削之工件的表面粗糙度是磨削作業的重要評價數值之一，也是判定磨輪性能的重要參數之一，因此在以前述之15種不同比例的磨輪試片進行磨削之後，對工件表面的粗糙度進行量測，並比較磨削前後的工件的表面粗糙度的變化。
表面粗糙度一般有Ra、Rz、Rt、Rq…等不同表示方法，而各個表示方法對粗糙度的計算方式以及定義不盡相同，一般常見的表面粗糙度的表示方法為Ra(中心線平均粗糙度，為CNS所採用，又稱為算術平均粗糙度)，故在此採用Ra來表示工件的表面粗糙度。
各試片對工件的Ra改善率如第4圖所示；其中，由於樹脂含量為7%且奈米碳管含量為3%、以及樹脂含量為7%且奈米碳管含量為4%這兩個試片因為整體結合度太差，於磨削時試片即粉碎而無法進行磨削試驗。
由第4圖可知，除了樹脂含量為7%的試片之外，其餘樹脂含量為30%及15%的試片在添加奈米碳管之後皆能夠提升磨削能力，增加對工件之Ra的改善率，其中以樹脂含量為15%且奈米碳管為2%的試片的Ra改善率最佳，達到65%。
承前所述，磨輪試片的結合度影響其磨削能力甚鉅，若想要對工件有較好的Ra改善率，並使工件達到較好的表面粗糙度，則磨輪試片必須達到一最適當的結合度。結合度過低時，磨粒容易脫落，使得磨削效果下降；而結合度過高時，磨粒不易脫落，則磨輪試片表面容易鈍化並黏屑，同樣會降低磨粒的磨削能力。
而由第4圖之實驗結果可看出，由15%的樹脂、83%的金剛砂與2%的奈米碳管所構成的磨輪試片具有較佳的磨削能力。
要注意的是，本實施方式係以奈米碳管之奈米填料為例，但並不以此為限，即其他種類的奈米填料同樣可以達到本發明的優異功效；此外，本發明之磨輪除了能提升磨輪的強度之外，該奈米碳管之作用同樣也可增進磨輪的韌性，進而於進行磨削之後，工件達到較佳的表面粗糙度。
綜上所述，相較於習知技術，由於本發明係於磨輪的粉末混合過程中添加微量奈米碳管，該奈米碳管可在磨輪中形成纖維網狀結構，並發揮纖維強化的作用，所以使得磨粒與磨粒之間、以及磨粒與結合劑之間多了一個固持的媒介與力量，進而可縮小最終磨輪中的氣孔，使磨輪內部結構更為緊實，並增加磨輪的強度；再者，相較於習知之磨輪需添加種類繁多的填料，本發明之磨輪僅需依使用需求調整奈米碳管的添加量，製作步驟相對較簡單，且成本較低。此外，實驗結果也證明本發明之磨輪具有顯著提升磨削能力之優異成果。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1．．．網狀結構
2．．．磨粒
3．．．樹脂
4．．．氣孔
第1A、1B與1C圖分別係本發明之磨輪中的奈米碳管的三種型態之掃描式電子顯微鏡圖；
第2A與2B圖分別係習知與本發明之磨輪結構示意圖；
第3圖係本發明之磨輪的抗壓強度與奈米碳管含量之關係圖；以及
第4圖係本發明之磨輪的Ra改善率與奈米碳管含量之關係圖。
1．．．網狀結構
2．．．磨粒
3．．．樹脂
4．．．氣孔
Claims (7)
- 一種磨輪，係包括：結合劑；複數磨粒，係散佈於該結合劑中；以及複數奈米填料，係散佈於該結合劑中，且交織成網狀，並連結該磨粒，以降低氣孔率，其中，該奈米填料係為奈米碳管，該磨輪中的結合劑之重量百分比係為7至30%，該磨輪中的奈米碳管之重量百分比係為1至4%。
- 如申請專利範圍第1項所述之磨輪，其中，該氣孔率係最多降低一半。
- 如申請專利範圍第1項所述之磨輪，其中，該磨輪中的結合劑、奈米碳管與磨粒之重量百分比係分別為15%、2%與83%。
- 一種磨輪之製法，係包括：混合結合劑、複數磨粒與複數奈米填料，該奈米填料係為奈米碳管；以及進行燒結步驟，該些奈米填料係散佈於該結合劑中，且交織成網狀，並連結該磨粒，使得燒結時所產生的氣體不易撐開磨粒，進而降低氣孔率，其中，該磨輪中的結合劑之重量百分比係為7至30%，該磨輪中的奈米碳管之重量百分比係為1至4%。
- 如申請專利範圍第4項所述之磨輪之製法，其中，該氣孔率係最多降低一半。
- 如申請專利範圍第4項所述之磨輪之製法，其中，於混合結合劑、複數磨粒與複數奈米填料之後，復包括進行壓製成型步驟。
- 如申請專利範圍第4項所述之磨輪之製法，其中，該磨輪中的結合劑、奈米碳管與磨粒之重量百分比係分別為15%、2%與83%。
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