技術名稱 先進殘留應力優化系統
計畫單位 國立中興大學
計畫主持人 吳威德
技術簡介
殘留應力存在於幾乎所有加工物件內部,像是彎折、裁切、沖壓等製程,在工程實務上常有消除應力的退火處理,但是熱處理消除應力的結果帶來的是變形,這不會是製造者所期望的結果。振動消除應力法(Vibration stress relief, VSR)是熱處理之外的另一種有效消除應力的技術。以振動馬達將工件(包括鑄件、鍛件、銲接構件等)在某個頻率下進行數分鐘至數十分鐘的振動處理,透過振動波誘發工件內自生交變應力,引發內部微組織的運動,從而降低和均化工件內原有的殘留應力。殘留應力所束縛住的原子以應變存在晶格內造成晶格扭曲,振動可以提供一個力量使原子動能提高便能脫離束縛而減少晶格應變消除殘留應力。此製程工法可使工件尺寸精度趨於穩定,隨著處理時間長短可達到不同目的之效果,經過振動處理的工件除了內應力降低,更使得加工性更加優良,例如切削噪音更小。此方法是最易控制,且是整體能消除應力的方式,施行此法不會造成工件的巨觀變形,也不會影響材料的機械性質,更不會造成鋼鐵表面的脫碳或氧化,亦不受工件尺寸的限制,且其處理成本遠低於熱處理的方式,約只有其2%的能源成本。
如何達到振動處理的最佳消除應力效果各有說詞。例如以頻率判定的”次共振”理論,和以振幅為判定的理論,共通點都是希望震動的能量超越一定的閾值,驅使內內應力釋放修復。本技術是以最原始波的本質“波形”當作參數。一般的共振、次共振頻率下可由示波器可量測到近似正弦函數的波形,共振和次共振波形只有振幅與所在頻率的差別,主要頻率為振動馬達運作頻率。然而,在某些頻率下(不是共振或次共振),震波會由不同頻率所複合,經過傅立葉轉換後可知這種波形由較高振幅的主波(頻率較低)與較低振幅的次波(頻率較高)所構成,主波即為馬達所造成的振動波,而次波是馬達產生的倍頻正好符合系統的自然頻率時所引發高頻的震波;換句話說,本技術是利用馬達的低頻振動激發出物體產生明顯高頻率自然振動,引發高頻的震波如同用馬達按摩(振動)到金屬的穴位(頻率)一般。材料的自然頻率震動代表此時吸收最多的震動能量,能夠激發結晶的跳動和位移來釋放內應力。
本門技術已有相關專利並委託製作特殊振動系統,截至目前本技術已服務過多家不同單位,服務對象包含工具機廠、和金屬產品製造廠家以及海軍保修指揮部等國防單位。另外,本技術也獲得2019年烏克蘭國際發明展金牌獎和特別獎,可見本門技術在國際上的獨特性。
科學突破性
本門研究是以最原始波的本質“波形”當作參數,利用馬達的低頻振動激發出物體產生明顯高頻率自然振動,由於每個物體有其自然頻率,引發高頻的震波如同用馬達按摩(振動)到金屬的穴位(頻率)一般。材料的自然頻率震動代表此時吸收最多的震動能量,能夠激發結晶的跳動和位移來釋放內應力。
產業應用性
振動應力消除技術具備某些不可替代的特性,可廣泛應用於金屬材料加工處理,因此可應用產業包含各種金屬加工業、工具機製造業、鋼結構產業、鑄造業、銲接業、熱處理業等。事實上幾乎無論任何類型的加工都會導致殘留應力的產生,因此振動技術相當適合應用在金屬加工產業。
關鍵字 殘留應力 振動法消除殘留應力 特殊震波 加工變形 熱處理 銲接 鑄造 微組織 結晶修復 應力均勻化
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