金屬加工件之應力優化與量測聯盟—分析與控制能量齊備,精準支援產業界提升品質及研發能量
個案成果

產學技術聯盟合作計畫
計畫名稱:金屬加工件之應力優化與量測聯盟
計畫主持人:國立中興大學材料科學與工程學系 吳威德 終身特聘教授
成果介紹

臺灣於1997年躋身已開發國家之林,產業界亟需拔高至新高度;追求「好還要更好」,更是必要的新態度。國科會補助的「金屬加工件之應力優化與量測聯盟」,由國立中興大學材料科學與工程學系特聘教授吳威德主持。他認為,運用學界技術協助產業界妥善控制產品中殘留的應力,是能協助臺灣經濟創新格局,邁向新猷的關鍵取徑之一。

應力如同重力,即使不可見於人類的肉眼,在加工產品中,卻能導致變形,致使精度下降,或減少產品壽命。吳教授說:「永續的關鍵,就在『無形』之中。有的東西很容易被模仿,有的東西卻怎麼也模仿不來。透過控制產品中的殘留應力可以大幅提升品質。難以被超越,才是提升競爭力的致勝之道。」

此聯盟獲得國科會產學小聯盟計畫經費的補助,以「應力診所」的形式服務會員廠商。聯盟擁有實體物件殘留應力分析和振動控制殘留應力的關鍵技術和設備,對於會員廠商所遭遇到的各種應力問題,由專業的研究人員和工程師進行「診治」。許多會員據以改善了自家產品的製程,生產出更耐用、好用的產品,也讓客戶更滿意,更忠誠。



聯盟致力於推廣應力的概念,並以「應力診所」的形式為會員廠商解答及解決問題。


攸關品質及安全的隱形挑戰

臺灣的加工業為許多全球知名品牌代工,但臺製加工設備品質下降速度過快,往往才使用半年,就從精加工被打入粗加工;反觀日製和德製的設備,則能長期維持精加工的水準。

吳威德教授指出,造成這種落差現象的原因之一,是對於產品中殘留應力的掌握。他說:「在受到加工作業持續刺激的情況下,留存在設備裡的應力會釋放出來,導致精密設備的尺寸走樣,因而不適用於精密加工的施作。」

「安全」,則是另一項與應力相關的課題。

由於應力的集中,長此以往必將破壞特定部件,影響設備的正常運作。以製造業為例,因應力影響而縮短精度壽命的工作母機或加工設備,將無法提高售價與獲利能力;若是在航太和化工等領域,更將成為威脅人身及生命安全的隱憂。

製造的過程必然會導入應力,像是由液態到固態的煉鋼過程就會產生應力。殘留應力大致可區分為緩和累積收縮的熱應力、急速膨脹的相變應力、熱龜裂的凝固縮收應力及晶粒變型的塑性加工應力等四種。吳教授說:「棘手的是同一個設備或零部件通常殘留了一種以上的應力,這也成為我們追查及解決問題時的挑戰。」


分析與處理、應力與材料的雙管齊下

產業界過去主要藉由「加熱」來調節殘留應力。完整的熱處理包括升溫、持溫、降溫等步驟,至少需時一整天,通常可消除約80%的應力。吳威德教授說:「這不但相對耗時,光是要升溫到600度,也是相當的耗能。」

聯盟顧念到會員廠商們普遍期待的「速效、節能」,提出以「振動」來加速調節應力的方式。吳教授說:「這個概念,類似於人體中所累積的壓力,能經由按摩椅各種形式的振動,獲得釋放。」

這項獨創的高頻波高效應力消除技術施作過程只需一小時,而且以家用的110V電力即可支應,相對節能。同時,這種技術能夠在現場實際操作,不受限於工件體積大小,也不必將各個零組件拆解,可直接在工件上進行消除。吳教授說:「在我們的研究中,振動方法能消除約30%的殘留應力;由於設備或零部件追求的是確保應力不流動和精度不變形的最佳平衡值,而不是趨近於零的最低應力,因此,振動法是實務上應力處理的最佳途徑,可有效因應絕大部分的需求。」



吳威德教授展示聯盟自行研發及產品化的高效振動應力消除設備。


聯盟除了研發出高效振動應力消除的技術,更將其產品化,並具備特殊震波與全自動程序監控的能力,也外購再改良的激振力固定/可調超音波衝擊設備。此外,聯盟也提供製造表面壓縮應力以增強疲勞壽命的技術,以及普遍可見的熱處理技術等服務。

為輔佐證明振動處理前後的應力變化,聯盟進一步結合了量測分析的技術。吳教授表示,聯盟擁有完整的實驗設備與強大的成分分析能量,兩者相輔相成,能有效的協助會員廠商解決所遭遇到的各種殘留應力相關問題。

金屬加工件之應力優化與量測聯盟凝聚了多達55家的廠商加入成為會員,以「應力診所」的形式,針對臺灣產業界在拔升品質過程中所必須克服的「殘留應力」問題提出解方。聯盟更持續舉辦各項技術研討會,由學界和業界的教授及專家擔任講師,透過傳播知識和教育研究,逐步墊高臺灣產業界的「應力力」。吳威德教授說:「應力已經從不可測變成可以完全監控,希望透過國科會產學小聯盟將『應力』的概念普遍推廣到產業界,協助會員廠商提升產品品質,推展研發能力,促進臺灣的經濟創新格局,邁向新猷。」




金屬加工件之應力優化與量測聯盟擁有全臺灣最完整的應力量測分析和振動處理設備

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