政大大學報

馬達促原子高頻振動 消除應力增強金屬韌度

【記者張佳琪台中報導】金屬中的殘留應力(註1)需要適時被釋放,否則其可能會變形甚至破裂。為改善此現象,由國立中興大學材料科學與工程學系終身特聘教授吳威德帶領學生團隊研發,並與海軍少將指揮官博士施武樵共同討論,完成「先進振動釋放殘留應力系統」,其運用馬達激發工件(註2)中原子產生高頻振動以消除內部的殘留應力,於9月29日獲得烏克蘭發明展金牌獎與特別獎。

1:原子排列不均勻所造成的現象,會造成物體內部產生一股力量,進而在物體內部找到脆弱點進行釋放,最後破裂或是變形。
2:製作機械時的物件,可以是單一零件,亦可以是數個零件的組合體。

傳統在製作工件時為消除其中之殘留應力,工廠會將之置入高溫爐中加溫,如此能使工件中的原子進行擴散移動,形成較均勻的分布,此過程即為「熱處理」。熱處理只能應用在體積小的工件上,而本次研發能夠使之不再受限於工件體積,對於金屬製造工業具有極大助益,團隊最初將此技術導入船體製造。

國立中興大學材料科學與工程學系終身特聘教授吳威德所帶領的先進振動釋放殘留應力系統研究團隊,以及系統裝置。 圖/黃文明提供

此系統包含加速規(註3)、馬達與控制箱,以馬達的低頻振動激發金屬原子的高頻率振動,吳威德表示,「就像我們敲擊金屬的振動一樣。」使工件內的原子移動,且均勻分布其中,如此能降低20%到40%的殘留應力。團隊成員、中興材料系碩士生簡佑勳表示,高頻波相較於低頻波能夠集中能量,並有效地消除殘留應力。

3:藉由檢測作用力間接測量振動的機器。

 相較於原先的振動釋放殘留應力系統是利用馬達本身低頻率的振動,消除工件之殘留應力,本次研發之高頻率振動較不易造成工件損壞,團隊成員、中興材料系碩士生黃文明說:「之前的振動釋放殘留應力系統就如同朝會時全部人一起移動,此次改良就有如每個人一個個走。」所以能夠更精準地消除殘留應力。

系統首先須測得工件中原子本身運動的頻率,再由電腦計算出能使原子持續振動的能量頻率以輸入馬達,而後將馬達夾在工件上,透過給予工件能量,使其內部的原子移動,達到分布均勻。「任何材質的金屬都有自己的頻率,這次使用『人工智能簡易高頻波檢測方式』能夠快速得到高頻波的數據。」吳威德解釋,以此提升消除工件中殘留應力的效率。

簡佑勳認為,研發中最困難的地方是找到合適的夾具(註4)固定於工件上,由於工件的尺寸與形狀不一,而隨著夾具與其中殘留應力的距離增加,馬達消除殘留應力的效果也會遞減,因此要找到尺寸切合的夾具,且放置在最適當的位置是此次研發中的挑戰。

4將工件定位與夾緊的裝置。

團隊最初以鋼板測試此系統,便已能有效降低其內部因銲接而產生的殘留應力,並提升鋼板的強度和使用壽命,今經不斷創新改良,系統已具普遍適用性,只要是合乎頻率的金屬材質工件都能夠進行應力消除,而經團隊測試,鋼鐵、鋁、鈷、鎳、銅合金等金屬確認適用。「若過於小型或是形狀特殊的工件在固定上還是會有一定的難度。」台北市私立大同高級中學機械科老師張弘彥提到,但若將振動釋放殘留應力系統結合熱處理將達到更好的消除應力效果。

新量測設備X光繞射儀,讓研究團隊能更精準測得工件中殘留應力的分布。 圖/張佳琪攝