機械設備零件用材料：軸承鋼

鐵金屬應該是人類歷史上到目前為止研究與使用最多的材料，
近幾十年製造技術突飛猛進，
包括熱處理、表面處理、材料科學跟微結構的研究技術都有很大的進步，
除了傳統的熱處理與表面處理技術的精進以外，
表面鍍膜技術可以為鐵金屬基材表面加上不同材料塗層，也可以發揮不同性質功能，
因此即使在塑膠、鋁合金與複合材料等新材料快速發展下，
各式各樣的合金鋼、鑄鐵以及不銹鋼依然被廣泛應用在各種產品與工程領域上。

鋼材中有一種特別開發應用在滾動、滑動應用上的特殊鋼材就是軸承鋼。

不論是滾動還是滑動，或者是兩者混合、間歇性的元件相對運動，
在兩個元件接觸表面上的硬度越高、硬度越接近，光滑表面的摩擦阻力通常愈小，元件的使用壽命也越長，
這對產品使用期限內的保養、維修等成本影響很大，
壽命長就不需要經常維修更換軸承、滑軌等；
像在自行車高級輪組花鼓就會強調使用陶瓷軸承，
轉動更順暢跟持久，很多支持的使用者親自體驗也的確有其效用。

軸承元件接近或超過使用壽命會使設備運轉的精度很降低，
生產品質與能力會因此大幅下降，再用下去甚至會發生故障，
轉動、滑動阻力變大，甚至卡死不動；
設計上查看軸承、直線軌道型錄資料，
可以發現除了要計算靜態、動態可承受的力或力矩極限之外，
主要的計算項目就是在使用壽命上，
預估軸承可以使用的壽命。

使用壽命上主要受兩種破壞現像的影響，
磨損跟疲勞！
另外一種是腐蝕，受環境變數影響更複雜，在這裡不討論。

磨損主要就是元件在相對運動過程當中，
逐漸且緩慢的由硬材料將軟材料表面一點一點移除的現象，
通常會產生刮痕跟造成間隙等。

疲勞是力量反覆的施加、移除，
次數多了以後，在材料表面與內部微結構中的裂痕或瑕疵擴大到產生破壞，
設備上的很多破壞都是因為振動的往復作用造成疲勞破壞，
另外一種就是滾動鋼珠的重複受力 - 釋放所造成。

有趣的是，結構承受各式負載時，
常常會因為有彎矩、扭矩作用，
在結構表面相對中心會有較大的應力，
因此透過提高表面硬度來提升材料強度，
可以改善磨損與疲勞這兩種破壞現像。

所以針對鋼材表面進行不同的熱處理改變材料表面的性質，
以獲得較高的硬度來加強抗磨損與提高疲勞強度，
在結構材料上很常見的強化方式。

其他的方法如鍍硬化層或表面研磨也都會有不同程度的改善效果，
但是在使用量很大的鋼材上，
熱處理與表面處理改善表面性質一直是最主要且成本相對低廉的方案。

註 1.
使用S45C、S55C、SUJ2進行高週波處理，高週波處理(高溫析出)的深度可以達到 1~3 mm，鍍硬鉻厚度 15 um以上，材料等於有三層，中心的母材、邊緣 1~3 mm的改質厚度，表面數十微米的硬鉻材質 (HV 850)。

這些熱處理靠得是對鋼材加熱後，使鋼材中的合金成分，例如碳析出，
使得材料在微細結構上產生更多的扭曲變化、差排，產生預應力等，
使得微觀上材料的移動需要更大的力量，
使表面材料的硬度大幅提高。

首先成份中，碳成分比例夠高才足以發揮析出硬化的效果，
所以軸承鋼基本上會以中高碳鋼為基本母材，
像低碳鋼跟熟悉的 SUS304 作熱處理都很難有表面硬化的效果，
不鏽鋼系要使用像 SUS420 等非奧斯田鐵系的才能作熱處理當作軸承鋼；
軸承鋼並不是素材加工完表面就會有高硬度，
加工後還需要熱處理使材料成分析出或加入其他材料成份來改變材料表面的硬度。

從日本山陽特殊鋼跟NSK等查到使用的軸承鋼資料有：
SUJ1 (ASTM 51100)、
SUJ2 (ASTM 52100)、
SUJ3 (A 485-03，Grade 1 & 2)、
SUJ4、SUJ5 (A 485-03，Grade 3)
這些軸承鋼都屬於高含碳量 (0.9~1.1%) 的鋼材，
可以直接用在滑動或滾動軸上。

中碳鋼(co0.17~0.56%如 S53C、SCM420、Scr420、SNCM220、SNCM420、SNCM815等，
可以用在滾動軸承座、線性運動軸承上，
在表面進行硬化的同時又可以保有核心材料的結構強度，適合應用在一些大型線性軸承、壓延機上。

不銹鋼系軸承鋼如 SUS420J2、SUS440C等，
可以提供比一般軸承對腐蝕性的抵抗能力，但是要注意的是比 SUS3XX 系列差很多，
應用在一些有限抗腐蝕需求環境如食品、藥製造設備跟醫療器材中。

各家鋼廠會針對其鎖定的產業應用開發適合的軸承鋼材，
在設備開發設計應用選擇各式軸承時要注意負載、材質是否洽當。


參考資料：
1. Sanyo Special Steel 型錄
2. Bearing Materials, NSK。
3. Steel for Bearings, University of Cambridge.
4. 福隆鍍硬鉻工業股份有限公司網站：高週波鍍硬鉻鋼棒。

其他設備常用材料介紹：
機械設備上的常用材料
工程塑膠
鋁合金
不銹鋼
鑄鐵

Inventor 動態衝突偵測

Inventor 作動態(畫)的功能總共有 四個：

約束驅動
簡報模型
Studio
動力學模擬

但是如果要作動態衝突偵測，
可以先排除掉 "簡報模型" 跟 "Inventor Studio" 兩個功能，
這兩個功能在執行動畫製作過程是完全不考慮實體的碰撞接觸的。

會考慮到實體碰撞接觸的功能在約束驅動跟動力學模擬，但是...

約束驅動一次只能驅動一個約束條件(參數)，
如果要多個約束同動必須利用參數表功能，
去連結不同約束中的參數關係，

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

然後在驅動約束時開啟衝突偵測，
因為衝突偵測會檢查所有體積干涉的狀態，
照理說驅動任何一個約束條件都可以，
實測簡單的模型也確實如此，

但是在複雜模型中問題就很大了，
尤其是自動化機械設計時會置入許多市購件，
有些市購件組合件中本來就有干涉的狀態，
這些干涉的狀態會造成一執行驅動約束就發生衝突被偵測到而停止，
有些很細心的工程師會置入螺絲檢查長短、頭部大小、組裝可能性等，這些螺絲也會跟螺紋孔發生干涉，使動態衝突偵側一執行就停止，
如果不先排除這些問題，驅動約束進行動態衝突偵測根本就無法進行，
如此一來工程師勢必要花許多時間去排除，
排除的方法建議可以將市購件以導出單一構件的方式結合為一體，
消除掉市購件內干涉的部份，
置入的螺絲詳細等級法中的 "所有資源中心皆抑制"。

對多數的 Inventor 工程師來說，
以上的方式應該是最簡單、容易跟實施的動態衝突偵測方式。

第二種方法是利用 Inventor 動力學模擬的接觸功能，
但是步驟就相對麻煩很多，
步驟上：
1. 確認所有驅動約束條件跟進行抑制以釋放自由度(標準接頭)，參考連結
2. 根據每一個標準接頭進行強制運動設定位置與時間關係，參考連結
3. 將所有可能發生相對接觸的表面設定 "3D 接觸條件"，參考連結
4. 調整模擬時間間隔解析度，以確保模擬過程當中接觸面的穿透檢查。
這在兩個薄型元件相對運動模擬過程中尤其重要，解析度如果過於粗糙，兩個薄型元件在穿透過程中會直接穿越過，而沒有被檢查到；但是時間間隔設定的太小，模擬計算時間會變得很久。

以上兩種方法在多個時序動作過程中，只要發生一個就會停止繼續下去，
會造成後續的可能衝突無法被一起檢查出來，工程師必須逐一排除才能繼續下去，
這種狀況會造成作業中斷，工程師應該會覺得很煩。

還有一種方式要寫個程式，
使用以時間為函數建立的參數控制表，
以時間軸為基準去調整約束的參數值，
然後呼叫 Inventor 進行一次干涉檢查，
自動跑完所有位置的干涉分析，
將有干涉的時間點與參數輸出，
但是這個方法要寫點小程式，
對一般機構設計工程師可能會有困難。

有沒有其他方式？
就我所知道到 Inventor 功能，似乎是沒有，如果有高手知道有其他方法，也請不吝提點分享。

機械常用材料分享：鑄鐵

鑄鐵跟鐵、鋼的差別主要在於碳含量，
鑄鐵 > 2%，
鋼  < 2%，> 0.2%，
鐵 < 0.2%。

鑄鐵在鐵金屬應用上算是相當久遠的，

在西元紀年以前就出現過許多鐵製品，

除了少數以隕鐵為材料以外，
很多鐵製品都是以鑄鐵為基礎所製造的，
而且廣泛出現在舊大陸的非、歐、亞洲幾個文明中；
為什麼鑄鐵比鐵、鋼更早開始應用？
我猜原因應該是早期缺乏降低鐵水中碳含量的技術。

到了工業時代，冶金技術越來越好，
除了鑄鐵、鋼以外，
也加入更多其他非鐵金屬被應用在機械設備上，
有趣的是不同產業使用的金屬類型差異還蠻大的，

像客製化電子設備鋁合金用很多，

食藥工業用設備以不鏽鋼跟耐酸鹼工程塑膠為主，
傳統產業設備經常看到以“黑鐵”、鋼管、鋼板為主，
以上這些產業設備鑄鐵零件並不常見；
在工具機產業，不論車、銑、磨、刨、鑽，
基本構件都是以鑄鐵為主；
所以不同產業的工程師對不同材料的孰悉程度也差很多，其實是很正常的，
每每看到老師傅怪新進工程師或其他產業轉職的工程師不懂材料其實是很大的誤會。

在不同產業設備慣用不同的材料幾乎是一種常態，
不論是從成本或功能性考量皆然。

鑄鐵相對型材、板材、塊材有兩大優點：

1. 複雜形狀元件的加工製造程序比較簡單跟快。
2. 鑄鐵的材料阻尼較高，吸振能力較強。

這兩個特性對製造標準機台的工具機廠商非常重要，
工具機一個機型要開發好幾年，
壽命週期更長達 20、30年以上，
賣得好一年就是上百、上千台，
如果主要零件都要從塊材、型鋼銲接、組裝開始，製造的效率太低了，
以模具跟相對便宜的原材料來說，
鑄鐵在形狀複雜的大量製造金屬元件相對很有優勢。

第二個問題是材料性質，
除了前面提到的阻尼吸振特性以外，
對高精密加工能力工具機來說，
另外一個問題是材料的時效性。

銲接加工的銲材與材料局部溫度變動，
設備製作環境跟使用環境的溫度差異；
這些材料性質在溫度、時效上的變化都會影響到高精密設備的精密度。

這種情況下鑄鐵、花崗岩就有優勢。

其他優點包括：
密度稍微低一點 7.4(比鋼7.8略低)，
相同體積下的自重輕一點點。
熱膨脹係數比較小 9，鋼13、鐵12、不鏽鋼14～16、鋁23左右，單位是ppm-℃。

工業上常用的鑄鐵主要有兩種：
灰口鑄鐵 (Gray Cast Iron) 跟球墨鑄鐵 (Ductile Cast Iron)。

灰口鑄鐵的鐵型態主要是以波來鐵 (Pearlite) 為主，
碳以薄片狀的石墨存在，
大量的石墨薄片破壞了波萊鐵連續性，
造成灰口鑄鐵的強度不佳；
但是因為在薄片介面上的滑動磨擦現象，
使灰口鑄鐵有很好的材料阻尼特性，
在結構吸振上比一般的鋼跟球墨鑄鐵來得好。

球墨鑄鐵中鐵的型態以波萊鐵加肥粒鐵 (Ferrite) 為主，碳以小顆粒存在，對鐵組織的連續性影響較小，強度表現上相對灰口鑄鐵就好很多。

在車、銑、磨、鑽等設備上，
如果講究的是精密度，
灰口鑄鐵的吸振效果就很有優勢，
有機會可以吸收掉多刃切削造成的振動，
至於強度上的不足以功能設計的角度來看其實不是問題，
因為在強度表現上，相關設備通常更重視的是剛性強度而不是破壞強度，
在要求小變形的情況下，通常材料的應力離破壞強度通常還很遙遠，
所以灰口鑄鐵的抗拉強度其實不會成為問題。

至於像剪、沖、鍛、壓、刨等設備因為結構會承受很大的負載，
在結構應力上相對來得大，
因此在結構元件材料的選擇上就會以球墨鑄鐵為優先考量。

交通工具的鐵件除了鈑金、型鋼以外，
用最多的應該是鑄鐵件，
面對長期使用與負載要求，
用球墨鑄鐵應該會比灰口鑄鐵合適。

台灣常用的灰口鑄鐵有FC150、FC200、FC250、FC300、FC350，
球墨鑄鐵有FCD400、FCD450、FCD500、FCD600、FCD700，
後面的數字代表保證最小抗拉強度，
兩者的很明顯的在強度表現上，
球墨鑄鐵比灰口鑄鐵好很多。

其他相關介紹：
機械設備上的常用材料
工程塑膠
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