工業基礎專欄 | 結構安定性對工具機械設備之影響

前言
工具機械設備於現代工業中扮演關鍵角色，可以用來製造各式產品與設備零組件，所以高品質設備意味著更好的生產效能、更長的使用壽命、更少的停機修理時間，而其結構件的尺寸穩定性在設備品質中扮演重要的角色。結構的尺寸穩定性除了機構設計外，材料的如何選用與處理影響也相當大。
結構安定性對工具機械設備之影響
工具機結構的安定性首要注意的是設計，於設計端應注意結構的強度與支撐性是否足夠。除了強度外，另外一個重點是需考慮生產製程是否能達到所需的強度，以鑄件來說，因為冷卻速率不同，所以肉厚、肉薄處材料強度會有所不同，若都以肉薄處的強度視為整體材料強度，再加上安全係數不夠，可能發生強度不足造成受力時變形。另外也應該考慮製程中應力引入的影響，例如若厚薄差距過大，鑄造應力會較大，雖然後續可以靠熱處理降低整體應力，但是若熱處理時降溫速率沒有控制好，很容易重新引入熱應力，導致鑄件一直存在較大的內應力，一但受到較大外力擾動即可能發生變形，使後續加工、鏟花、組裝需花費較多時間來調整，甚至出貨後還繼續變形，影響工具機品質。
結構件的安定化另一個重點就是材料的選擇與處理，目前結構件主要有鑄件與銲接件兩種，鑄件的好處是吸震性強、一體成形、量產性高。鑄鐵特有的石墨組織，有助於吸收振動；鑄造上採砂模鑄造、一體成形，量產上較方便。銲接件則以鋼材銲接、強度高、易客製化。兩者各有優缺點，廠商可視需求評估選擇。
銲接件的不安定性來源於銲接時局部高溫熔融快速冷卻導入的熱應力，目前銲接應力消除採用的方式主要有熱處理、振動處理、超音波處理。熱處理就是將銲接好之結構件整個放入熱處理爐，然後依材料於相對應的應力消除溫度進行處理。另外也有局部加熱的熱處理，以火焰、電磁感應、紅外線對局部進行熱處理消除應力；振動處理則是對工件以一特定的頻率進行振動，在振動時局部地區會發生微塑性變形，將過高的應力釋放。超音波處理則是直接把超音波震動透過一工具，直接導入銲道，藉由振波能量，促進過大應力處變形，同時將應力降低。
鑄件的應力消除目前主要的有自然時效、熱處理、振動處理。自然時效主要是透過長時間戶外擺放，藉由自然環境冷熱…等擾動，給予鑄件能量，使其應力較大部位慢慢減小應力，必須說明的是自然時效對應力的消除量相較於其他處理方式其實並不大，但是它有其他促進安定化的機制。另外，對計畫性生產的工具機來說，氣候條件合適下，自然時效的性價比其實較高。熱處理則多於鑄造後加工前進行，目的是降低鑄造應力，有些廠商也會在粗加工後加入，用於降低加工應力。振動處理由於沒有熱處理後表面氧化需重新處理的問題，所以多用於加工後的應力消除。
以目前的應力消除處理方式而言，熱處理的消除量是最大的