雲林科技大學磨潤及金屬成型實驗室

實驗室簡介

研究領域

 近年之研究主要分為三大部分：磨潤學、金屬成形以及生醫儀器的設計。將各部分主要內容及成果說明如下：

一. 磨潤學

近五年來之磨潤學研究著重於以下幾項主題：(1) 金屬成形加工中，表面微接觸與變形機制的觀測與新模式的建立；(2) 小型高精密度高速液動壓軸承的潤滑運動特性及最佳化；(3) 奈米複合材料的製作及磨耗、摩擦特性分析；(4) 乳化液潤滑機制分析與應用；(5) 高張力鍍鋅鋼板之固體潤滑劑；(6) 以分子動力學研究濺鍍條件對薄膜磨潤性質的影響等。

(1)  在「表面粗糙峰接觸與變形機制的觀測與新模式的建立｣方面，歷年來探討金屬表面粗糙化與潤滑液的互動行為，並成功地自行研發出如下之左圖所示，可透過強化玻璃模具，追蹤錄影同一區域之材料表面粗糙峰的連續變形與潤滑油流動，並創造各種不同運動條件的磨潤測試機；下之右圖是鋁合金表面與玻璃模具接觸之實況畫面。依所觀測的結果，利用有限元素法的分析，提出了新的變形機制｢工具表面彈性微楔形｣。此新的機制對於工件與模具存在嚴重相對滑動的製程（如擠製、鍛造與非對稱滾軋）非常重要。

(2) 「小型高精密度高速液動壓軸承的潤滑運動特性及最佳化｣方面的研究動機，是因為動壓流體軸承系統(如下圖)已漸漸取代滾珠軸承，以提供更高的運轉精度、更小的扭力阻抗與更小的噪音。其運轉的速度可達每分鐘三萬五千轉以上，同時也將近一步縮小其尺寸在厚度4 mm以下，動壓流體軸承係在旋轉軸或軸承上刻出深度約100mm的溝渠（herring-bone groove），軸之軸承間隙約5mm至15mm，最大偏心率小於百分之五，徑向NRRO小於20 nm。此種高速軸承具有溝壑造成的泵浦效應，故在小型化的情況下，可依靠此泵浦及潤滑油表面張力之作用達到自然油封之效果，然而也因此有發生自由表面攪拌氣體而泡沫化的可能。目前已完成加工粗度、空蝕(cavitation)效應及各種溝槽幾何對運轉能力的影響分析，並持續探討光碟等不均勻度對軸心晃動的影響。加工部分提出以電磁成形方式製作溝槽，有限元素模擬探討之成果已發表。

(3) 「奈米複合材料的製作及磨耗、摩擦分析｣方面，以自製的磨耗測試機與奈米摩擦測試機得到奈米複合材料 (奈米碳管、奈米石墨、Al₂O₃-PS、Al₂O₃-PMMA) 其巨觀與微觀的磨耗特性，如下之左圖與中圖。

(4) 「乳化液潤滑機制｣方面，乳化液結合了油的黏性與水的冷卻效果，是切削及金屬快速成形中常用的低成本潤滑劑。然而此種潤滑液的潤滑機制卻異常複雜，包含了油滴的變形和集中、油和水的反相、油滴受到水迴流的排移、油滴與金屬面的接觸角和吸附、油滴的黏性和表面張力，甚至化學的pH值也會改變有效潤滑膜的形成。目前使用有限元素的模擬(下圖) 已完成以計算流體力學對懸浮油滴的模擬之研究，並且已經發展出新的理論公式，初步的模擬符合實驗的特色，將此新的理論應用於板金乳化液潤滑下的滾壓製程探討。

二. 金屬成形

金屬成形的研究分為下列重點：(1) 模具與工件最佳化之研發；(2) 智慧型控制應用於成形方法的研發；(3) 新微成形方法的研發；(4) 傳統產業技術提升

(1) 「模具與工件最佳化之研發｣方面，發表了流線法( stream line method)的觀念，可預測板金引伸時最佳工件的淨外形，實際測試結果良好；另以多孔材質的塑性力學，推導出可控制應變率的擠製模具幾何條件，適用於擠製對應變率敏感的航太用合金，如下圖。

(2) 「智慧型控制應用於成形方法的研發｣方面，以新研發的小型感測器(PDS)與新的估算準則做板金成形中夾模力伺服控制，使用者無論以何種大小的初始夾模力值，皆可隨著沖程自動調整夾模力，使得成品優於以固定夾模力所能獲得的最佳品質。繼前述系統的開發完成，接著研究以CAE配合FEM做虛擬的深引伸中夾模力控制與成形性分析，讓使用者可以在實際操作前便可獲知成形結果。

(3)  「新微成形方法的研發｣方面，包括以黏塑性壓力媒介法做多量微小孔(直徑500 mm以下) 一次擠壓快速微成形之研究 (如左圖之成品)，以及研發前面所提之小型高速液動軸承的電磁成形分析，如右圖

(4) 「傳統產業技術提升｣方面，則參與電腦聯結器沖壓產品彈性回復的研究；高速工具機護蓋平行連動機制的研發，設計新式耐磨耗的括刷；另主持板材矯直技術的研發，已經成功地訂定設計矯直機與操作的各種準則和軟體，目前正策劃與控制組合作智慧型矯直機的研發；此外，幫助廠商線性滑軌的全滾壓製造製程的研發，可以4道次完成高精密度的滑軌；協助工具機廠建立滑軌潤滑系統改善，降低潤滑油消耗量。

三. 生物醫學儀器設計

生物醫學儀器的研究乃與國家衛生研究院之醫學工程組、奈米中心，以及暨南大學合作開發，分為下列重點：(1) 壓電式微混合器之設計製作(2) 新型血液動力儀之設計製作；(3) 植入性光能神經化學微探針的研發；(4) 互動式組織氧監控系統。因受限於專利及機密，只能發表部份成果。

(1)「壓電式微混合器之設計製作｣ 係針對各種微生醫藥物反應的訊號分析時，交換液體的流量非常小且雷諾數非常低，傳統的混合器並不適用。因此本人利用渾沌理論配合微流道與市售廉價的喇叭壓電薄膜，成功地製作出微壓電混合器如左圖所示。右圖展示寬200 mm流道中藍色與紅色液體的混合情形。

 (2) 「新型血液動力儀之設計製作｣方面，以往醫學工程上只有單純剪應力及單純應變的血液動力(hemoforce)實驗方法，然而血管細胞是同時受到剪應力與應變的作用而產生病變。所以本人設計出可獨立控制流體剪應力與細胞應變的血液動力儀，只使用60 cc以下的實驗液體，並可以在高倍數顯微鏡頭下做細胞型態轉變的錄影，如中圖及左圖人類動脈內皮細胞之變形即時觀測。

(3) 「植入性光能神經化學微探針的研發」係將直徑0.25 mm的神經化學分析微交換器配合直徑0.05 mm的光纖叢，整合為直徑0.4 mm的微探針，可植入腦部做即時的診斷用，如下圖 

(4)「互動式組織氧監控系統」係針對各種實際癌症手術上的強烈需求，所開發的一套系統。目前已成功地完成大鼠的活體實驗，如下圖。現正積極做進一步的系統整合與人機介面改進工作，預定將進行更大型生物體及最終人體的實驗。