磨潤測試系統及方法

專利類型

發明

專利國別 (專利申請國家)

中華民國

專利申請案號

109136433

專利證號

I 759917

專利獲證名稱

磨潤測試系統及方法

專利所屬機關 (申請機關)

國立臺灣科技大學

獲證日期

2022/04/01

技術說明

此量測裝置為建立在數值控制加工機(computer numerical control, CNC)，透過切削動力、研磨溫度量測訊號與電流值，量測鍍層在磨耗過程中之行為，解析鍍層在磨耗過程中之動態摩擦係數、溫度與極間電流值之變化。在磨耗測試(pin-on-disk)過程中，即時量測切削動力、研磨溫度量測訊號與電氣信號，用以計算研磨力比、動態摩擦係數與溫度場。以操作參數(負載、線速度、鍍膜厚度)建立描述動摩擦係數、溫度及電流之統計模型時，使用隨機化完全區集設計(randomized complete block design, RCBD)之分析方法，辨識機構系統與操作參數間之誤差值與交互作用，確保量測系統之精度與有效性。實驗結果顯示，初始設置之線性迴歸模型精度計算結果為摩擦係數(93.27%)、量測溫度(48.15%)與電流值(62.07%)，在進行兩次排除最大誤差值之測試數據與驗證後，三者之線性迴歸模型精度提高至99.96%、99.81%與97.89%，而偏度從0.62、0.07與0.08全降低至0，亦即本設置之重複精度達到高之穩定性，以及誤差值呈現完全隨機且對稱之分布。 1 同步量測磨耗系統設計與功能之概念設計 此同步量測磨耗系統旨在提供滑動對之間，可以在時間及溫度的變化上，給予加速度或多變的溫度梯度，以模擬真實構件之磨耗狀態。在銷對盤式磨耗試驗的概念下，設計圓盤之夾持機構為一預負載夾具。當此夾具在給予變形位移時，產生一下壓力，做為測試之負載來源。當在磨耗過程中，經由控制變形量，負載隨之變化，達到動態控制負載的機能。另一方面，此滑動對的對手件為一個銷件(pin)，固定在CNC數值控制之床台，經由程序控制銷之位移與旋轉速度，可以給予兩個自由度(X、Y軸)的速度組合，並且可以在兩個軸向之組合運動，做複合曲線軌跡之加速度運動，藉此提高在模擬過程中之真實性。在銷與連接床台之機構設計上，安裝一壓電材料之動力計(Kistler 9272, Kistler)，藉由量測運動中之負載及三軸方向所承受之壓力及扭力。在銷與盤之間，架設紅外線定向溫度計，可以量測銷與盤間之溫度值，用以校正熱分配之比例。此外，在距離15公分處裝置了熱影像儀，用以紀錄與分析此系統在磨耗測試過程中所觀測之溫度場。而本系統之最大創新點為在銷與盤之接點上，橋接一組三方向子接觸之電極。在極間施予電壓以供量測與監控極間電流之變化。 當磨耗進行中，因銷或盤的磨耗，可能誘發材料性質(如鍍層、複合材料相與接觸面積)之變化，造成導電性質的轉變，因此紀錄了在時間序列下，所量測之電流之變化。當此時間序列之電氣信號可以經由傅立葉頻譜或小波轉換，得到其所對應之頻譜或特徵函數之特徵向量，便可以對應其所產生的接觸與表面型態及所觀察之磨耗型式。而此先進設計之優勢為以電氣訊號作為來源的資料處理，可以排除摩擦力量測過程中，因應變所產生的延遲效應。且如果以溫度場訊號相比，材料因熱傳導係數所造成的量測溫度值延遲，亦可排除。 2. 應用場合  磨耗試驗可以模擬材料在實際應用時之接觸情況，適合進行大量實驗工作，並獲得與真實加工環境相近之結果，降低整體研發之成本。本實驗成功地將銷對盤系統架設於數值控制加工機內，可藉由程式控制磨耗試驗中之改變兩對手件之相對位置以模擬真實之切削行為。應用實績如下: 2.1 可進行不同相對運動型式之磨耗試驗，本同步量測磨耗系統在應用上具有寬廣之多變性，其可藉由程序控制磨耗路徑移動時之加速度與減速度，控制主軸轉速之加速度與減速度或主軸下壓力之磨耗試驗，即可檢測一般磨耗試驗機種無法模擬之真實環境磨耗行為。 2.2 此機構符合數學模型之適應性，可經由所建立之分析模型，透過同步量測之摩擦力變化、量測溫度變化與電流值變化，得到實驗結果後再基於數學理論演算模型，以預測鍍層之磨耗行為。 2.3 在時間域中同時比較磨耗行為、熱軟化或摩擦係數變化等效應，在同步擷取摩擦力、量測溫度與電流值數據後，可在相同時間域中比較摩擦力、量測溫度與電流值之變化，辨別其中之交互作用與關聯性。 2.4 在頻率域中，建立研磨力，研磨溫度之特徵函數，進行對應研磨中產生磨耗現象之對應頻率。藉由辨識特徵頻率值之頻寬與強度，對應到附著、磨耗、熱軟化等效應，了解實驗中所擷取之數據在時間域及頻率域之意義與關聯性。

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