研磨拋光的原理

這篇文章主要談論以各種不同尺度的研磨料對素材表面進行研磨拋光的傳統做法,其它例如化學拋光、電解、布輪拋光等等原理並不完全相同的工法不在此篇文章討論。

什麼是研磨料?

研磨料是一種硬度高,形狀破碎帶有陵角的礦物性質材料,尺寸具有從大至小的各種尺度的一種磨料,利用自身的陵角在摩擦對象物的過程裡將對象材料的肉刨除下來。
研磨料必須要滿足以下兩個條件才能夠做到刨除對象物的肉~

1.研磨料自身的硬度必須高於對象物。

當兩種材質互相摩差時,硬度高的一方可以破壞硬度低的另一方(即使只差一些),所以研磨料的硬度必須高於被研磨的材料。

2.研磨料的外型必須有陵角來刨除對象物的肉,陵角相當於「齒」。當研磨料被施加外力於素材表面時,「齒」會刨除對象物的肉來達到切削的作用,研磨金屬會產生金屬削,研磨木頭會產生木削,這些細削就是被刨除的「肉」。

若是拿玻璃彈珠摩差金屬(除鎢鋼以外)並無法產生任何研磨效果,雖然玻璃硬度高於多數的金屬材料,但是由於彈珠表面光滑沒有陵角,所以無法刨除對象物。

另外,磨料的齒本身也會因為承受外力而斷裂,一旦研磨料的齒隨著使用而逐漸斷裂光,這個研磨料所能產生的破壞力也隨之大幅下降,所以所有的研磨料不論種類為何都是消耗品。
工業界所使用來作為研磨料的最大宗就是「氧化鋁」,或者應該說是「三氧化二鋁」(Al2O3),又稱剛玉,其次是「碳化矽」(SiC)又稱金剛砂,以及「人造鑽石」,然後還有一堆很少提及的其他種類,它們基本上一定都是某種礦物,因為所有礦物家族成員的硬度在地球上來說都算是相當高的。

研磨料在那裡?沒看見啊?

研磨料以各種不同尺度的顆粒狀存在於各種研磨拋光工具之中,例如常見的:砂紙、砂輪、磨石、菜瓜布、鑽石膏、金剛砂膏、汽車臘、銅油等等,其中大小尺度從粗砂紙表面可見的顆粒到比太白粉還細宛如流動液體的尺度都有。

研磨工具會有如此多不同形式的根本原因,在於「研磨」這件事唯一的麻煩只在於物件的形狀而已。由於需要研磨拋光的物件可能是各種形狀,所以只好配合形狀推出各種用來對應對象物形狀的各種研磨工具,這就是之所以存在如此多種類研磨工具的原因。

再加上研磨工具通常是設計來安裝在電動工具上、氣動工具上、徒手操作等等場合,所以又衍生出一推功用相同但規格不同的研磨工具,這個麻煩只能靠使用者自行去研究嘗試了。

研磨料的目數或粒徑

研磨料的顆粒大小通常是以「目數」或「粒徑」來表示的,目數是指篩子的網目,雖然過去歷史上存在幾個不同的目數的定義,不過現今基本上凡是買的到的以目數標示的都是同一主流定義的目數,所以不需要管過去的單位定義不同的問題,另外目數的符號統一用「#」來表示,數字越小尺度越大(顆粒越大)。

在製造業進入公制的時代之後,開始使用直接標示顆粒尺寸的「粒徑」來表示研磨料的大小不同尺度,使用單位通常是「µm」或「Micron」或「微米」,目數與粒徑的換算請自行搜尋。

「從粗磨到細」- 唯一的方法

素材表面的瑕疵只有兩種~凸起來的與凹下去的。
凸起來的瑕疵大約是息肉、毛刺等等多出來的肉,通常是工件加工過程產生的,等待被去除掉,通常用尺度(粗細)適當的研磨工具直接磨掉就行了。

凹下去的瑕疵通常是表面的刮傷、碰撞等等少了的肉,除去的做法只能是重新製造出一個降低了的新平面。
但是研磨料本身也會製造出新的、平均的刮痕,既然研磨料本來就是用「刮」、「刨」的方式除去素材的肉,所以最初你用什麼尺度的研磨工具來整平素材表面的任何凹凸瑕疵(不論瑕疵的尺度大小),同時也製造出了新的刮痕,同時也算是一種瑕疵。

於是我們用下一個尺度(較細)的研磨工具來研磨表面,將原本稍大尺度的研磨痕"替換"成尺度較小的研磨痕,然後再更換更小尺度的研磨工具,如此反覆不斷操作下去,只要你能找到尺度更小的研磨料(研磨工具,不論形式)你就可以永無止盡的把這個流程繼續下去,直至你滿意為止。

隨著不斷替換尺度越來越小的研磨料,所磨出的研磨痕的尺度也越來越小,當研磨痕的尺度小到超過人類肉眼所能識別的尺度時,研磨痕就不見了(就視覺上來說),這時素材表面看起來就是平滑的鏡面了。
對於完全沒有經驗的初學者來說,強烈建議親身體驗一次這樣的「從粗磨到細」的實際過程,這對於理解其中的抽象概念會很有幫助。

粗細番號替換的一般性原則大約是「盡量不要超過兩倍」,也就是若現在使用#240那麼下一個較細的番號最好不超過#480,依此類推。

下面的影片簡單示範了這個「從粗到細」的標準過程,素材是純銅,研磨工具是一般砂紙。

這個標準流程可以套用在任何適合研磨拋光的材料之上,也 一定可以達到光滑的鏡面,只要有適當的材料以及合用的不同尺度(粗細)的研磨工具,從金屬、部分塑膠、玻璃、玉石礦物、塗料(油漆)等可以達到漂亮的鏡面。

什麼材料都可以拿來研磨拋光嗎?

不是喔。

能夠研磨拋光的材料必須要有足夠的硬度才行,太軟或太有彈性的材料無法研磨拋光,例如黏土、橡皮等等。

另外,韌性太好的材料例如PP、PU等等也很難操作,因為韌性太好以至於磨料無法完全切斷「肉」而變成纖毛狀站起來,所以雖然可以「磨」但是永遠不會光滑。(好奇的人可以拿砂紙去磨毡板看看)

另外,由纖維所構成的材料如木材或某些塑膠也是可以「磨」但是永遠不會光滑,因為研磨料會切斷纖維讓纖維站起來呈絨毛狀,所以無法成為光滑鏡面。(鋼琴或某些木製傢俱呈現鏡面是木材上層的塗料(主要成分是樹酯)被拋光成鏡面,並不是底下的木材被磨成鏡面)

實務上的注意事項

1.根據要研磨的材料選擇適當的研磨工具

如文章開頭所說,研磨料的硬度一定要高於被研磨物,否則無法產生任何研磨效果。一般來說大多數研磨工具內含的研磨料是氧化鋁,用來研磨塑膠、木材、金屬(鎢鋼除外)都綽綽有餘,但是如果要研磨的是礦物玉石、玻璃等等硬度本身就高於氧化鋁的材料,那就必須使用硬度更高的研磨料了,一般來說就是金剛砂或硬度更高的鑽石膏等等。

2.花一點時間研究琳瑯滿目的研磨工具耗材

當你在尋找適用的研磨工具時,你很可能發現這樣的狀況 ~ 找到需要的粗細號數了,但是規格不同裝不上你的電動工具,或是有適用手上工具的耗材,但是偏偏粗細號數不夠,又或是粗細號數很豐富,只是工具形狀磨不到你的對象物某些區域,像這種一個研磨工具無法同時滿足所有要求的情況很常見,所以花費一些時間研究各種研磨工具是有必要的。

從事模具拋光的業者通常都是以砂紙開始(配合氣動銼磨機)一路研磨到約#7000~#9000然後替換成尺度更細但成本極高的鑽石膏繼續下去,這是因為砂紙一般只有到#7000、#8000或#10000左右的號數,但是他們殊不知其實成本低很多的氧化鋁或金剛砂都有如鑽石膏一般極細的號數可以使用,而傻傻的用極高成本的工具辦簡單的事,只因為他的師傅就是如此教的。

3.不要浪費時間愚公移山

如果你使用某個尺度的研磨工具無法「處理掉」某個尺度的瑕疵,那表示你應該換成更大尺度(更粗)的工具來處理,基本上尺度大的研磨料所產生的破壞力也大,反之亦然,所以當看見破壞力太微小幾乎沒什麼明顯變化時,不要在那裡硬撐盲幹。

下圖是用螺絲起子在表面刮出傷痕的不鏽鋼片(SUS304),右邊是直接使用#1000番砂紙研磨後的情況,很顯然#1000砂紙的破壞力對於試圖將整個平面降低到讓刮痕消失的高度,這樣的難度就是真正的愚公移山。
4.可以濕磨就濕磨

有些研磨工具例如砂紙有區分為乾磨的一般砂紙(或砂布)與濕磨的水砂紙,如果可以的話應當盡量選擇「濕」的方式或工具來使用,因為濕式的研磨可以將磨出的粉塵帶走同時延長研磨工具的壽命,尤其是尺度細到某個程度以下的研磨工具只會有液體或粉末的形式存在而已,因為若是製作成某種固體狀態,必然會產生粉塵塞住表面的麻煩。

5.避免粉塵互相污染

製造業所說的原料之間的「污染」,指的是「A跑到B裡面以至於B不再是純的B了」這個意思。

首先我們要了解一個重要的觀念 ~ 一個研磨工具只要磨過一個材料,就必然有材料的細小粉塵碎屑附著在研磨工具上,而且通常也不存在能夠去除乾淨的方法,如果將這個工具再拿去磨下一個不同的材料,那麼前一個材料就"污染"了後一個材料了。

假設我們拿一個磨過金屬的砂紙再去磨金油,那麼就會有金屬粉塵轉移到金油之上,同時由於金屬硬度高於樹酯(金油的成分),所以金屬粉塵(也許極細小)會刮傷金油。

雖然理論上來說若是磨過硬度較低的材料再拿去磨硬度較高的另一材料並不會有什麼問題,但還是兩種情況都應當避免,另外,研磨工具盡量不要存放在開放空間,因為研磨拋光的粉塵就如同植物種子般是可以輕易乘風移動的。(濕磨也可以避免粉塵到處污染他物)

以上的原則只適用於追求完美無暇的研磨拋光的結果,如果只是一般隨便磨磨的場合,也不追求要得到多完美的鏡面的話,倒是不需要如此龜毛,但是若要追求完美的話,失敗的原因十之八九都是因大意而產生的污染導致的,尤其是磨到尺度比較細小的時候更是經常發生。


By 紅月設計團

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