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机械资讯 732期

润滑脂应用于轧延轴承之磨润性能研究

作者/朱孝业昆山科技大学机械系教授
洪飞能德晏培林有限公司总经理
黄耀辉昆山科技大学机械系研究生

本研究计划是国科会补助提升产业技术及人才培育研究计划，且荣获教育部2005年推动台湾产业全球竞争力之精密机械与关键零组件领域，第一名。本项研究是针对两大部分进行探讨:
(1)LE3752润滑脂产品应用于轧延轴承之磨润性能研究。
(2)评估配合之钢铁厂适当的换油周期，以减少工辊或中间辊轴承损坏，延长寿命。

壹、绪论

一、轧延轴承应用现况
国内某钢铁厂的轧延厂生产线，其轧延生产线中的工辊与中间辊两侧的滚子轴承磨耗或损坏率极高。平均轴承寿命有几个月左右(编者按：依各别轴承使用状况而定，依各别厂商的使用说明)，约每经过一个半月定期保养一次，同时检视轴承表面磨损的状况。若轴承表面严重磨损，以新品替换，但该轴承购自国外，此种轴承交期过长，故轴承待料情况严重。若发生磨损但情况不严重时，分别将内、外环磨损处予以研磨抛光，因轴承待料情况严重，故抛光后继续使用。
轧延轴承之旧品研磨后继续使用衍生的问题可能会引发以下3种状况:
1.	油封与轴承的间隙变大，影响润滑功能。
2.	油封密闭性能降低，轧延油喷洒侵入使得轴承内部含水量增多。
3.	轴承内的润滑脂抗水性、附着性不佳时，润滑脂便易变质、失去应有原润滑效果。
然而，润滑效果降低后，会进阶影响轴承寿命更加缩短，对于目前复苏中的钢铁工业相当困扰。
二、研究动机
目前国内尚无工辊的轴承损坏率相关的研究，国外学术亦多是理论探讨。实务上的技术经验，因多属机密，无法获得详细的技术与资料。仅知润滑油脂的基本常识与轴承选配、负荷计算与寿命评估等的理论与经验公式，及了解其产品规格、主要尺寸与使用方式。探讨若能延长工辊与中间辊两侧的滚子轴承的寿命，对于钢铁业者而言，是件非常值得一试的改善计画。
经由上述，本研究针对LE3752润滑脂产品应用于轧延轴承之磨润性进行研究，评估配合之钢铁厂适当的换油周期，以减少工辊或中间辊轴承损坏，延长寿命，建立此产品应用于轧延加工之磨润性能分析之能量。

贰、研究方法

本研究到拜访实地，纪录现场温度、负荷、转速与工作环境的数据，并以轴承蓝图所标示尺寸与轴承磨润性能与寿命相关公式，计算轴承与润滑脂寿命，将润滑脂LE3752实际应用于生产线进行30与45日工辊滚子轴承试验前后的油脂磨润特性分析。以下为本研究试验探讨因素及理论，如下所示：
1.	金属模具加工主要仰赖人力作业，包括机台操作、上下料以及机台刀库备刀更换等，人力成本相对提高。
	(1)压延油预热油温—(ºC)
	(2)上下板面总压延油喷油量—(/分钟)
	(3)轧延后的出口板温—(ºC)
	(4)压延板速—(公尺/分钟)
	(5)工辊轴承内径
	(6)轴承转速
2.	现场运转测试的润滑脂种类
	(1)现用润滑脂:RBG润滑脂
	(2)对照润滑脂:LE3752润滑脂
3.	试验验证研究
	(1)以LE3752与RBG进行实地量产运转试验
	(2)LE3752与RBG的针入度(硬度)测试
	(3)实地量产运转试验前后的新、旧润滑脂的含水量测试
	(4)以红外线水份测试结果应用于轴承温度范围评估
	(5)润滑脂的耐水冲洗测试
4.	理论计算
	(1)轴承的定额寿命
	(2)温度对定额荷重的影响
	(3)工辊轴承用之润滑脂寿命概算
	(4)温度对润滑脂寿命的影响
5.	磨润性能之分析项目
	(1)润滑脂稠度
	(2)含水量
	(3)耐水冲洗测试

参、研究结果

本研究试验分析主要针对五大部分：(1)生产线实地量产运转试验，(2)润滑脂的针入度(硬度)测试，(3)LE3752、RBG润滑脂的含水量测试，(4)润滑脂色泽比对判断温度法，(5)润滑脂的耐水冲洗测试。并将每部份之研究方法及结果分析如下所示:
一、生产线实地量产运转试验
(一)	LE3752实地测试检测的结论
	1. 30日之实地测试结果可确认是可以。
	2. 45日之测试结论叙述如下:
	♦含水量异常增加。
	♦油脂消耗异常。
	♦在油脂含量贫乏状况下，仍无异常停机况，显示仍具润滑效果。
	♦45天之润滑脂消耗量大系因工作温度过高导致润滑脂寿命缩短所致。
(二)	RBG实地测试检测的结论
	1. 30日之实地测试结果可确认是可以。
	2. 45日之测试结论叙述如下:
	♦含水量均异常增加。
	♦油脂残留量均异常少。
	♦RBG之油脂乳化现象较LE3752要严重一些，因RBG之外环轨道四个受力点。
	♦有红棕色高热锈蚀或是磨损痕迹，痕迹比LE3752要明显。
二、润滑脂的针入度(硬度)测试
本研究运用针入度测定计测量润滑脂的硬度，测试方法为：将润滑脂试料保持25°C，用竹刀片将润滑脂置于之样品台(刮平)，再以规定重量的锥形针刺入润滑脂内部(约5秒)。测定穿刺深度(mm)之10倍，即为稠度数值。数值愈大者愈软，若超过400则为流体。测验结果如下:
	1. 润滑脂稠度分类知LE3752润滑脂是2号脂，而RBG润滑脂则是介于1号与2号脂之间。
	2. 计画轧延轴承这类含水量高且受力较大的场合，稠度高一些较为适用。
	3. LE3752润滑脂比RBG润滑脂要稠一些，因此可知应用于本计画之轧延轴承这类含水量较高的场合，LE3752润滑脂要比RBG润滑脂要来的较为适用。
三、LE3752、RBG润滑脂的含水量测试
以红外线电子水分计测定润滑脂含水量测试。测定方式是以加热干燥试料并测定干燥前后的重量差异的方式来求得其含水量。测量标准试料重量5~70克均可，限于实地测试后的残脂量少，因此采用5克的下限量，且水分测定范围：0~100%，润滑脂水份含量以重量%表示。测出使用前后润滑脂含水量之大小与差异，差异越大表示油脂疏水性越差，越不适用于轧延轴承之环境。研究结果如图所示:
经由右图得知以下结论：
	1. LE3752的蒸发量较大，这是LE3752实地运转测试后残脂量比RBG较少原因。
	2. LE3752含水量(烘烤重量损失)较RBG高出近一倍，主因期基础油组成不同。
	3. LE3752为石蜡基础油，故烘烤时较易挥发，但烘烤温度时较黑之区域较少。
	4. 由RBG在烘烤高温时产生浓烟且成褐色之现象，险是RBG基础油中含碳之百分比较LE3752为多。
	5. LE3752油脂的色泽随加热温度的升高而变红褐色在转变为黑色。
	6. RBG油脂的色泽随温度的升高而变为黑褐色。
四、混线生产制造
混线生产制造非大量生产，硬体端规划统一标准工件托盘与刀具托盘，每张工单对应特定的工件托盘与刀具托盘，来生产单一工件或是小批量数量。
软体端上位系统透过一维条码进行供料备料与刀仓刀具管理，机器人则负责托盘上下料与更换刀具，原先传统的单人单机作业，改由一人负责整体系统，提升人均产值与少量多样化之生产能力。
为符合协鸿工业的模具产线需求，可同时进行三种以上模具工件生产，能自动上下料、自动交换刀具，交换时间10分钟内完成(以五把刀为基准)。
派工系统依据工单自动将加工程式下载至工具机端，稼动率70%以上，在刀具寿命管理，可记录刀具剩余寿命，准确率达80%。
●	供料备料管理
以人工将胚料加工件放置于托盘(图9)，经由人机资料点选，送料系统将依据工单与制程资讯加载于物料托盘上的一维条码，因此机械手臂移动至送料台夹持托盘时，便可自动辨识托盘需要移载的加工机位置，而机械手臂便依据托盘资讯执行剧本档指令来完成上料动作。当机械手臂将托盘移动入料至工具机端后，工具机端亦必须经由一维条码再次确认来料托盘资讯是否为该站加工物件，确认完成后工具机再经由联网系统下载加工程式，并于加工完成加工后针对感应条码标记，并同时传递讯号给供料系统，即时掌握加工制程状态，系统架构图如图8所示。
●	刀仓刀具管理
本案藉由上位系统管理刀具，并记录每把刀具使用寿命，以便人员进行刀具更换。其中，人员依据工单资讯进行预先备刀任务。使用统一刀具托盘，实际外观如图11，每一刀具托盘可放置9套BT40刀具，托盘下方有特定一维条码，方便上位系统进行刀具管理工作，并藉由机械手臂进行刀具托盘上下料，将特定加工需要的刀把依序换置刀仓内。

技术成果

弹性混线金属模具加工4.0产线配置主要分为四大系统，上位派工系统、送料系统、机器人系统及工具机系统。以下将针对上位派工系统、送料系统与机器人系统做细部成果说明。
上位派工系统是透过PMC开发的跨平台联网软体(SKYMARS)，分别对工具机系统，送料系统，机械人系统做上位控制。多样订单可转换成工单，人员只需手持条码机将对应工单的刀盘及料盘条码扫描至送料系统内，由上位系统做最佳排程。
上位系统主要功能:
1.	上位电脑为PC-BASE介面之工业用电脑，可针对不同品牌控制器进行沟通联网功能，监控产线与分配派工程序及工件如图13及图14所示。
2.	上位系统远端遥控，指定手臂执行特定剧本。
3.	上位系统具有工具机暖机程式，监视机台状态，可进行工具机内部参数修改，并将加工程式下载到工具机端，如图15所示。
4.	机台重大资料(如：负载电流值资讯，温升监测等)为大数据资料库，利于日后机台诊断分析用途。
5.	送料系统由上位电脑透过控制轴卡以网路方式进行远端IO模组控制，进而支配气压元件及变频器等设定，如图16所示。
在送料系统部分，人员根据工单备料及备刀，利用手持条码机如图17，将所需料盘及刀盘扫描至系统中，以便送料系统可以辨识。
送料系统将料盘与刀盘送出后，出料端会设计一固定条码装置，再次确认抓取料盘与刀盘是否与工单资讯吻合，防止错误料件送入工具机中。另外，送料系统在出料输送带末端有一转换站，让需要翻面二次加工工件可以再进入入料输送带上。
机器人系统如图20所示，包含一个六轴机械手臂，移动轴及移动轴料架，主要功能是进行工件上下料与刀具上下料，加工胚料锁固于快换系统料盘上，机器人直接抓取料盘，送入工具机中进行加工。在刀具上下料部分，机械手臂会依据工单资讯将原有工具机上的刀具下刀至刀盘中，机器人从送料系统抓取刀盘与料盘，放置于机械手臂移动轴料架上，移动至对应的工具机前方，将每支刀具上到工具机主轴上，完成加工前入料及上刀程序。此外，机器人系统可藉由skyrobot技术，撷取机器人运转参数进行各轴减速机寿命预估(如图22)。

总结

本系统主要采用协鸿已量产之硬轨加工中心机Power Center PRO-1000，可缩短模具加工制程前所需时间的10%，同时也减少人力成本，所需人力由6人缩减为1人，人均生产力估计提升500%。

在未导入本案之智动化产线前，原人力成本每年约420万(机台操作人员70万*6)，导入后人力成本降至100万(系统维护工程人员100万*1)，预估降低每年320万元的人力成本。

本系统开发可促进下游金属加工业者进行产线升级投资，除系统购置成本外，尚需搭配厂房改善、新聘人员以及自动化周边等投资，估计每一条弹性混线金属加工产线可带动3,000万以上之新增投资。

最后，今(2017)年也与国内模具加工业者玖合模具合作，实机应用与调校。同年配合计画推动办公室公开展示与广宣，同步提供「弹性混线金属加工4.0产线建置」服务，如图23。

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