行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告 縮緊式精密固鎖螺帽在靜態及動態下防鬆脫特性量測之研究 研究成果報告 ( 精簡版 ) 計畫類別 : 個別型計畫 計畫編號 :NSC E CC3 執行期間 :98 年 07 月 01 日至 99 年 06 月 30 日 執行機

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2 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告 縮緊式精密固鎖螺帽在靜態及動態下防鬆脫特性量測之研究 研究成果報告 ( 精簡版 ) 計畫類別 : 個別型計畫 計畫編號 :NSC E CC3 執行期間 :98 年 07 月 01 日至 99 年 06 月 30 日 執行機構及系所 : 國立勤益科技大學機械工程系 ( 所 ) 計畫主持人 : 陳志明 計畫參與人員 : 碩士班研究生 - 兼任助理 : 李晃瑋 碩士班研究生 - 兼任助理 : 管益揚 處理方式 : 涉及專利或其他智慧財產權, 二年後可公開查詢 中華民國九十九年九月十一日

3 行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告 計畫名稱 : 縮緊式精密固鎖螺帽在靜態及動態下防鬆脫特性量測之研究計畫類別 : 個別型計畫計畫編號 :NSC E CC3 執行期間 :98 年 07 月 01 日至 99 年 06 月 30 日執行單位 : 國立勤益科技大學機械工程系 ( 所 ) 計畫主持人 : 陳志明計畫參與人員 : 碩士班研究生 - 兼任助理 : 李晃瑋碩士班研究生 - 兼任助理 : 管益揚成果報告類型 ( 依經費核定清單規定繳交 ): 精簡報告 完整報告本計畫除繳交成果報告外, 另須繳交以下出國心得報告 : 赴國外出差或研習心得報告 赴大陸地區出差或研習心得報告 出席國際學術會議心得報告 國際合作研究計畫國外研究報告處理方式 : 除列管計畫及下列情形者外, 得立即公開查詢 涉及專利或其他智慧財產權, 一年 二年後可公開查詢 中華民國九十九年九月十一日

4 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 縮緊式精密固鎖螺帽在靜態及動態下防鬆脫特性量測之研究 計畫編號 :NSC E CC3 執行期間 :98 年 07 月 01 日至 99 年 06 月 30 日計畫主持人 : 陳志明副教授國立勤益科技大學機械工程系計畫參與人員 : 李晃瑋 管益揚國立勤益科技大學機械工程研究所碩士班研究生 摘要本研究主要是以盈錫精密工業股份有限公司所生產的縮緊鎖定精密固鎖螺帽, 於靜態下精密固鎖螺帽在不同的有效直徑 螺距 鎖定螺帽扭緊力矩等對於縮緊鎖定精密固鎖螺帽鬆脫扭矩的影響 以及動態下分別以精密車削端面 十字交叉研磨端面 同心圓研磨端面三種不同端面加工相同尺寸之縮緊鎖定精密固鎖螺帽對於鬆脫扭矩以及軸向力的影響 藉由本計畫之執行, 其效應將可拓展應用到其相關產品之設計開發, 且可縮短研發時程與成本, 提升產品性能及品質, 提供客戶精確的產品技術資料, 更有助於國內外市場的拓展, 提高競爭力 關鍵字 : 精密固鎖螺帽 縮緊鎖定 鬆脫扭矩 1. 前言軸承是機械得以正常運作的靈魂核心, 精密鎖定螺帽是決定軸承能否順利運轉的關鍵, 更攸關加工精度以及品質的呈現 由於螺紋緊固件的使用相當普遍 螺紋緊固件無庸置疑是相當重要的一個機械元件 但是螺紋緊固件有一個固有且不可避免的缺點, 就是在反覆荷重下會逐漸鬆脫 Sase 等人 [1,2] 提到螺紋緊固件鬆脫是由二個因素造成 : 1. 由於扭轉造成螺栓的螺紋面和螺帽的螺紋面產生了相對滑動 2. 因螺栓的端面與螺帽的端面及被緊固的物體的端面之間產生了相對滑動 當這兩個現象輪流反覆發生時, 螺栓和螺帽將開始釋放收緊力量 因此, 造成螺紋緊固件鬆脫如果這些原因中任何一個被消除, 便可能被防止緊固件鬆脫 螺栓與螺帽在鎖緊和鬆脫過程其基本力學理論研究的歷史長遠 以山本晃 [3] 及賴耿陽 [4] 於撰寫螺紋鎖緊的理論與計算一書中有相當詳細之探討, 在 Spotts [5] 及 Shigley 和 Mischke [6] 所著之機械設計書上, 亦多有探討 螺栓與螺帽在受力狀況下之彈塑性力學解析已有眾多論文探討 相關研究內容包含光彈量測法與有限元素法 有限元素法方面, 例如 Dragoni [7-8], 以有限元素法對螺紋面的應力進行分析, 發現可藉由多層材料的複合螺帽, 使得螺栓鎖緊時, 螺紋面負荷分佈更為平均, 並提供螺帽設計時, 材料選擇的參考 ; 在固定的有效直徑及負荷下, 隨著節距減小, 螺栓彈性應力的最大值會明顯地升高 關於螺紋鎖緊方面的研究, 池田等人 [9] 曾經做過鎖緊扭力與軸向鎖緊力的詴驗, 在相同的鎖緊扭力下, 鎖緊速度愈快則軸向鎖緊力會愈大, 當鎖緊速度低於 2rpm 以下時, 由於動摩擦變成近似靜摩擦, 使得摩擦係數明顯增高 Nakashima 和 Takafuji [10] 曾經探討在一定軸向力條件下, 螺紋面的磨耗行為, 在潤滑狀態下螺紋的磨耗量與螺紋的面壓成一比例關係, 若螺紋接觸面愈均勻則其磨潤特性會愈好 Stout 和 Follansbee[11] 等人曾經研究不銹鋼圓棒在單軸拉伸與壓縮的應變速率敏感性 應變硬化及降伏強度的性質 1

5 2. 精密固鎖螺帽之力學理論有關螺帽扭矩之計算, 在 Spotts [5] 及 Shigley 和 Mischke [6] 所著之機械設計上有極詳盡之探討, 對於不考慮徑向鎖定之精密螺帽的鎖緊扭矩 T F 可表示為 (1) 螺帽的鬆脫扭矩 T L 為 (2) (1) (2) 式中 K 為鎖緊時的扭矩係數 ;K' 為鬆脫時的扭矩係數 ; F 為鎖緊時之軸向力 ; d m 為螺紋有效直徑 扭矩係數 (3) (4) 為螺紋有效直徑 ; 為螺紋面摩擦係數 ; 為導程角 ; 為螺紋角 ; 座面摩擦的作用面平均直為 ; 座面摩擦係數為 由上式可知, 鎖緊時的扭矩係數 K 取決於螺紋面摩擦係數 接觸座面摩擦係數 摩擦係數越小時鎖緊時的扭矩係數越小, 鎖緊時的扭矩係數越小的話, 同徑的螺紋以小鎖緊扭矩得大鎖緊力 這表示欲以高鎖緊力鎖緊高強度螺紋時, 減小摩差係數, 降低扭矩係數, 即可容易鎖緊 鬆脫時的扭矩係數 K' 相同的取決於螺紋面摩擦係數 接觸座面摩擦係數 摩擦係數越大時鬆脫時的扭矩係數越大, 鬆脫時的扭矩係數越大的話, 同徑的螺紋就會得到較高的鬆脫扭矩 3. 實驗設備 樣品及方法本研究主要分析各影響因素與縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩之關係, 觀察巨觀下的各種實驗結果, 所使用的實驗方法及主要設備與實驗樣品簡介如後 3.1 實驗設備本文係使用 Preset 形扭矩扳手施加精密鎖定螺帽及鎖定螺絲的固定扭矩, 並使用數位扭矩扳手及資料擷取器來測量縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩 實驗使用之扭矩扳手其扭矩精度均符合 ISO-6789:2003 規範 扭矩板手之詳細規格如下 : 1.Preset 形扭矩扳手主要作縮緊鎖定固鎖螺帽扭力的施加, 其扭矩精度均符合 ISO-6789:2003 規範 扭矩扳手之詳細規格如下 : (1)60QL-TOHNICHI( 使用範圍 :1.96N m~5.88n m) (2)120QLK-KANON( 使用範圍 :3.92N m~11.76 N m) (3)230QLK-KANON( 使用範圍 :6.86N m~22.55 N m) (4) 1800QLK-KANON( 使用範圍 :39.22N m~ N m) 2. 數位扭矩扳手主要作縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭力的測量, 扭矩扳手之詳細規格如下 : (1) TAT500-FUTEK( 最大測量力矩 :135.6 N m) (2) TAT510-FUTEK( 最大測量力矩 : N m) 3. 資料擷取器此外, 本實驗使用之資料擷取器是用日本 KYOWA 所製造的 DBU-120A 資料擷取分析系統, 其內建放大器和 AD 並藉由 USB 連接於個人電腦, 主要是連結數位扭力扳手與電腦進行扭力的量測 其取樣率最大 20k Hz;16Bit 解析度, 可量測電壓 應變片 應變式傳感器 4. 螺帽振動鬆脫詴驗機螺帽適用範圍 : 最大可檢測到公稱直徑 M 50 最小振動幅度為 0.2mm, 最大為 5mm, 最大頻率為 30Hz, 軸向力最高可達到 294kN 3.2 實驗材料及樣品本實驗用使用油潤的防鏽油, 為北杉化學股份有限公司所生產的 PRETON R3301J 溶劑稀釋型防鏽油其黏度 2.7(40, mm2/s); 用來模擬滾珠螺桿 精密主軸等之標準螺栓, 採用鉻鉬合金鋼 SCM21 硬度 HRC55~58, 外螺紋精度為依據 ISO 965-3:1998 公差等級 4h 精密研磨加工 ; 所使用的精密固鎖螺帽採用盈錫精密工業股份有限公司所生產的 YS 系列精密固鎖螺帽之詳細規格如下 : 縮緊鎖定精密固鎖螺帽 : 材質為鉻鉬合金鋼 SCM440 硬度為 HRC28~32, 內螺紋精度為依據 ISO 965-3:1998 公差等級 6H 精密車削加工 該螺帽鎖定 2

6 方式, 方式為利用鋼材本身的彈性, 以軸向鎖固, 強 制鎖定 ; 精密鎖定螺帽中的鎖定螺絲, 材質為鉻鉬合金鋼 SCM435 硬度為 HRC45~53, 並符合 ISO 898-1: 1999 規範 本實驗中使用的縮緊鎖定固鎖螺帽幾何尺寸 ( 如圖一及表一 ) 縮緊鎖定精密固鎖螺帽加工及準備 清潔螺帽及標準螺栓 依實驗設計施加油潤 詴鎖螺帽後並將螺帽鬆脫 施力模式一 依實驗設計施加扭矩 施力模式三 施力模式二 圖一縮緊鎖定精密固鎖螺帽幾何尺寸 依實驗設計施加螺帽鎖緊扭矩 依實驗設計施加緊定螺絲鎖緊扭矩 依實驗設計施加螺帽鎖緊扭矩 表一縮緊鎖定精密固鎖螺帽幾何尺寸 Sample D ( mm ) h ( mm ) d ( mm ) g ( mm ) t ( mm ) m YSK M M4 YSK M M4 YSK M M4 YSK M M4 YSK M M4 YSK M M4 YSK M M4 YSK M M4 YSK M M4 測詴螺帽鬆脫扭矩 數據統計 C.O.V. <10% 是 結果輸出 依實驗設計施加緊定螺絲鎖緊扭矩 圖二鬆脫扭矩測量之實驗步驟 否 重新準備新樣品 3.3 實驗步驟縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩詴驗分別於靜態與動態對各種規格縮緊鎖定固鎖螺帽於固鎖模式一 二 三中其帽鬆脫扭矩的測量, 其實驗步驟如圖二 縮緊鎖定精密固鎖螺帽固鎖模式縮緊鎖定固鎖螺帽的固鎖模式可分為三種 : 1. 僅對縮緊鎖定固鎖螺帽施加鎖緊扭矩, 往後在本文稱之固鎖模式ㄧ ( 如圖三 ) 2. 僅對縮緊鎖定固鎖螺帽中的鎖定螺絲施加鎖緊扭矩, 本文稱之固鎖模式二 ( 如圖四 ), 但在動態振動詴驗上固鎖模式二無意義 3. 先對縮緊鎖定固鎖螺帽施加鎖緊扭矩後, 又對縮緊鎖定固鎖螺帽中的鎖定螺絲施加鎖緊扭矩, 往後在本文稱之固鎖模式三 ( 如圖五 ) 縮緊鎖定固鎖螺帽固鎖模式 : 固鎖模式一為對縮緊鎖定固鎖螺帽施加鎖緊扭矩時, 為使用 Preset 形扭矩扳手並將扳手扭矩調整到實驗設定值, 並裝上合適的連接頭及專用套筒後, 以手握持扭矩扳手並以順時針方向施加力量, 直到扳手發出喀一聲即停止施加力量, 此即達到欲施加之扭緊力矩 固鎖模式二為對縮緊鎖定固鎖螺帽中的鎖定螺絲施加鎖緊扭矩時, 也是使用 Preset 形扭矩扳手並將實驗設定值分段 ( 如目標值為 4.9N m 將分段成 2N m;4n m;4.9n m) 並調整扳手扭矩, 並依序對鎖定螺絲施力 ( 施力順序為依鎖定螺絲編號 ) 並裝上合適的連接頭及六角扳手, 以手握持扭矩扳手並以順時針方向施加力量, 直到扳手發出喀一聲即停止施加力量, 即達到目標值 固鎖模式三為對縮緊鎖定固鎖螺帽先施加螺帽本體鎖緊扭矩後, 再對縮緊鎖定固鎖螺帽中的鎖定螺絲施加鎖緊扭矩 3

7 鬆脫的扭矩數值 精密鎖定螺帽於動態詴驗鬆之脫扭矩測量為使用數位扭矩扳手量取螺帽振動鬆脫詴驗機測詴後之螺帽鬆脫扭矩, 將扳手接至資料擷取器連線至電腦上, 之後歸零並裝上合適的連接頭及專用套筒後, 以手握持扭矩扳手並以逆時針方向緩緩施加力量, 直到縮緊鎖定精密固鎖螺帽產生轉動即停止施加力量, 並讀取電腦上的讀值 圖三縮緊鎖定固鎖螺帽固鎖模式一示意圖 動態螺帽振動鬆脫詴驗機之實驗方法動態螺帽振動鬆脫詴驗機原理, 首先設置實驗條件之振幅大小與頻率, 啟動開關後, 馬達藉由皮帶傳達動力帶動偏心盤產生直線往復運動, 使螺帽鬆脫, 同時軸向力感測元件將擷取到的資料傳送至控制面板, 將其數值紀錄, 並觀察經過動態振動詴驗後, 螺帽之鬆脫扭矩與軸向力遞減之關係 4. 結果與討論 圖四縮緊鎖定固鎖螺帽固鎖模式二示意圖圖五縮緊鎖定固鎖螺帽固鎖模式三示意圖 縮緊鎖定精密固鎖螺帽的鬆脫扭矩測量縮緊鎖定固鎖螺帽於靜態詴驗之鬆脫扭矩測量為使用數位扭矩扳手, 將資料擷取分析系統與扳手接好後與電腦上做連接, 將數位扭矩扳手歸零, 並裝上合適的連接頭及專用套筒後, 以手握持扳手並以逆時針方向緩緩施加力量, 直到縮緊鎖定精密固鎖螺帽產生轉動, 即停止施加力量並由資料擷取分析系統讀取其 4.1 靜態詴驗靜態部分是使用 Preset 形扭矩扳手施加精密鎖定螺帽及鎖定螺絲的固定扭矩, 並使用數位扭矩扳手來測量精密鎖定螺帽鬆脫扭矩 由圖六中看出固鎖模式一, 在相同的扭緊力矩 (64.71N m) 下 M20 1 比 M20 2 的縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩約提高 6% 由圖七中看出固鎖模式二, 在相同的緊定螺絲扭緊力矩 (4.9N m) 下, 螺距的改變, 對縮緊鎖定固鎖螺帽 M20 1 比 M20 2 的鬆脫扭矩大 由圖八可看出於固鎖模式三, 在相同螺帽扭緊力矩 (64.71N m) 與緊定螺絲扭緊力矩 (4.9N m) 下, 螺距的改變, 縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩的影響,M20 1 亦比 M20 2 的平均鬆脫扭矩高 由圖九可看出於固鎖模式一, 在相同的扭緊力矩 (64.71N m) 下, 有效徑的改變, 對縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩的影響, 並無明顯的差異 由圖十可看出於固鎖模式二, 在相同的緊定螺絲扭緊力矩 (4.9N m) 下, 對於有效徑的改變, 對縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩的影響, 亦無明顯的差異 由圖十一可看出於固鎖 4

8 鬆脫扭矩 鬆脫扭矩 螺帽鬆脫扭矩 螺帽鬆脫扭矩 螺帽鬆脫扭矩 螺帽鬆脫扭矩 模式三, 在相同螺帽扭緊力矩 (64.71N m) 與緊定螺絲扭緊力矩 (4.9N m) 下, 有效徑的改變, 在靜態式驗下對縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩的影響, 並無明顯的差異 YSKM30X1.5D0.03 YSKM30X1.5D0.11 YSKM30X1.5D 螺帽扭緊扭矩 YSK M20X1 YSK M20X2 圖六螺距對螺帽鬆脫扭矩的影響於固鎖模式一 緊定螺絲扭緊扭矩 YSK M20X1 YSK M20X2 圖七螺距對螺帽鬆脫扭矩的影響於固鎖模式二 螺帽扭緊扭矩 圖九有效徑對螺帽鬆脫扭矩的影響於固鎖模式一 緊定螺絲扭緊扭矩 YSKM30X1.5D0.03 YSKM30X1.5D0.11 YSKM30X1.5D0.20 圖十有效徑對螺帽鬆脫扭矩的影響於固鎖模式二 YSK M30 1.5D+0.03 YSK M30 1.5D+0.11 YSK M30 1.5D 螺帽規格 70 圖十一有效徑對螺帽鬆脫扭矩的影響於固鎖模式三 YSK M20 1 YSK M 螺帽規格 圖八螺距對螺帽鬆脫扭矩的影響於固鎖模式三 表二為不同規格對螺帽在有油潤狀態下於固鎖模式ㄧ中對縮緊鎖定固鎖螺帽施加 64.71N m 扭緊力矩, 其螺帽的鬆脫扭矩, 平均分別為 M : 62.28N m ; M : 62.41N m ; M : 61.43N m ; M : 62.38N m ; M : 5

9 62.27N m ; M : 61.18N m ; M : 61.37N m, 由上可看出縮緊鎖定固鎖螺帽的規格改變對於螺帽鬆脫扭矩並無明顯的變化 表三為不同規格對螺帽在有油潤狀態下於固鎖模式二中對鎖定螺絲施加 4.90N m 扭緊力矩, 其螺帽的鬆脫扭矩, 平均分別為 M20 1.5:68.67N m;m25 1.5:81.08N m; M : 97.59N m ; M : N m ; M : N m ; M : N m ; M : N m, 由上可看出 M M M M M 及 M M 縮緊鎖定固鎖螺帽在相等緊定螺絲數量及施加相同鎖定螺絲扭緊力矩下, 會隨著縮緊鎖定固鎖螺帽規格變大, 而增加縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩 表四為不同規格對螺帽在有油潤狀態下於固鎖模式三中施加扭緊力矩, 其螺帽的鬆脫扭矩, 平均分別為 M : 88.72N m ; M : N m ; M : N m ; M : N m ; M : N m ; M : N m ; M50 1.5:232.23N m, 由上可看出縮緊鎖定固鎖螺帽在相等緊定螺絲數量及施加相同鎖定螺絲扭緊力矩下, 會隨著縮緊鎖定固鎖螺帽規格變大, 而增加精密固鎖螺帽鬆脫扭矩 4.2 動態振動詴驗動態振動詴驗採用螺帽振動鬆脫詴驗機, 以相同的動態詴驗條件來測詴精密螺帽在不同的加工端面之下對於精密鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩和軸向力的關係及影響 圖十二為縮緊鎖定精密固鎖螺帽精密車削端面於動態詴驗固鎖模式三中軸向力與震動次數之關係圖, 在達到相同軸向力的扭緊力矩下, 精密車削端面的縮緊鎖定精密固鎖螺帽在振動詴驗後軸向力平均下降率為 19.2%, 表五為縮緊鎖定精密固鎖螺帽精密車削端面於動態詴驗固鎖模式三中實驗數據表, 其實驗前螺帽鎖固後振幅為 ±0.21 mm 至 ±0.24 mm 之間, 鎖緊扭距平均為 N m, 鎖固緊定螺絲後軸向力平均為 9.08kN, 動態實驗後振幅介於 ±0.23 mm 至 ±0.255 mm 之間, 動態實驗後軸向力平均為 7.335kN 表二固鎖模式一中縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩 規格項目螺帽扭緊力矩 鬆 脫 扭 矩 變異係數 (C.O.V.)% M M M M M M M sample sample sample sample sample 平均 表三固鎖模式二中縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩 規格項目 M M M M M M M 緊定螺絲扭緊力矩 4.90 鬆 脫 扭 矩 樣本變異係數 (C.O.V.)% sample sample sample sample sample 平均 表四固鎖模式三中縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩 規格項目螺帽扭緊力矩 緊定螺絲扭緊力矩 鬆 脫 扭 矩 樣本變異係數 (C.O.V.)% NO M M M M M M M sample sample sample sample sample 平均 表五精密車削端面實驗數據表 螺帽鎖鎖緊扭距固後振 幅 (mm) 初始軸向力 (kn) 鎖固緊定螺絲後軸向力 (kn) 初始溫度 ( ) 動態實驗後振幅 (mm) 鬆脫扭距 動態實驗後軸向力 (kn) 實驗後溫度 ( ) 1 ± ± ± ±

10 Ft/Fi Ft/Fi Number 圖十二縮緊鎖定精密固鎖螺帽精密車削端面動態詴驗後軸向力的影響於固鎖模式三 圖十三為縮緊鎖定精密固鎖螺帽十字交叉研磨端 面於動態詴驗固鎖模式三中軸向力與震動次數之關係 圖, 在軸向力相同的扭緊力矩下, 十字交叉研磨端面 的縮緊鎖定精密固鎖螺帽在振動詴驗後軸向力平均下 降率為 15.2%, 表六為縮緊鎖定精密固鎖螺帽十字交 叉研磨端面於動態詴驗固鎖模式三中實驗數據表, 其 實驗前螺帽鎖固後振幅為 ±0.195 mm 至 ±0.205 mm 之 間, 鎖緊扭矩平均為 N m, 鎖固緊定螺絲後軸 向力平均為 9.255kN, 動態實驗後振幅平均為 ±0.20 mm, 動態實驗後軸向力平均為 7.84kN 圖十四為縮緊鎖定精密固鎖螺帽同心圓磨端面於 動態詴驗固鎖模式三中軸向力與震動次數之關係圖, 在軸向力相同的扭緊力矩下, 同心圓研磨端面的縮緊 鎖定精密固鎖螺帽在振動詴驗後軸向力平均下降率為 17.3%, 表七為縮緊鎖定精密固鎖螺帽同心圓磨端面 於動態詴驗固鎖模式三中實驗數據表, 其實驗前螺帽 鎖固後振幅為 ±0.21 mm 至 ±0.22 mm 之間, 鎖緊扭矩平 均為 N m, 鎖固緊定螺絲後軸向力平均為 9.16kN, 動態實驗後振幅平均為 ±0.217 mm, 動態實 驗後軸向力平均為 7.57kN 由此可看出此三種不同加 工端面在固鎖模式三之振動詴驗, 對防止縮緊鎖定固 鎖螺帽軸向力下降的影響, 效果最佳者為十字交叉研 磨端面, 其次為同心圓研磨端面, 再者為精密車削端 面, 其詳值列於表八, 表中軸向力之正規劃是將動態 詴驗後之軸向力除以動態詴驗前之軸向力 Number 圖十三縮緊鎖定精密固鎖螺帽十字交叉研磨端面動態詴驗後軸向力的影響於固鎖模式三 NO 螺帽鎖固後振幅 (mm) 表六十字研磨端面實驗數據表 鎖緊扭距 初始軸向力 (kn) 鎖固緊定螺絲後軸向力 (kn) 初始溫度 ( ) 動態實驗後振幅 (mm) 鬆脫扭距 動態實驗後軸向力 (kn) 實驗後溫度 ( ) 1 ± ± ± ± Ft/Fi Number 圖十四縮緊鎖定精密固鎖螺帽同心圓研磨端面動態詴驗後軸向力的影響於固鎖模式三 NO 螺帽鎖固後振幅 (mm) 表七同心圓研磨端面實驗數據表 鎖緊扭距 初始軸向力 (kn) 鎖固緊定螺絲後軸向力 (kn) 初始溫度 ( ) 動態實驗後振幅 (mm) 鬆脫扭距 動態實驗後軸向力 (kn) 實驗後溫度 ( ) 1 ± ± ± ±

11 螺帽鬆脫扭矩 (N/m) 表八動態詴驗後軸向力進行正規化之數據表 脫扭矩的影響, 由實驗結果可得知在相等緊定螺絲數 Ft/Fi 端面加工 NO.1 NO.2 average 精密車削 十字交叉研磨 同心圓研磨 量及相同的固鎖條件下, 而其鬆脫扭矩會因螺帽規格的公稱直徑的增加而提高 對動態詴驗而言, 縮緊鎖定精密固鎖螺帽在固鎖模式一中, 針對三種不同加工端面在相同振動條件下, 其軸向力遞減之情形與鬆脫扭矩有無直接之影 響, 在軸向力方面, 十字交叉研磨端面與同心圓研磨 由圖十五看出固鎖模式三, 在軸向力相同的扭緊力矩下, 十字交叉研磨端面 同心圓研磨端面與精密車削端面對縮緊鎖定精密固鎖螺帽在動態詴驗後鬆脫扭矩, 並無明顯的差異 端面之間, 兩者軸向力遞減之情形無明顯差異, 兩者之軸向力遞減情形都優於精車級端面, 在鬆脫扭矩方面, 同心圓研磨端面之平均鬆脫扭矩高於十字交叉研磨端面與精車級端面之平均鬆脫扭矩大約 12.3%, 在 固鎖模式三中, 軸向力方面, 此三種不同加工端面在 固鎖模式三之振動詴驗, 對防止縮緊鎖定固鎖螺帽軸 向力下降的影響, 效果最佳者為十字交叉研磨端面, 其次為同心圓研磨端面, 再者為精車級端面 對於鬆脫扭矩而言, 十字交叉研磨端面 同心圓研磨端面與精車級端面對縮緊鎖定精密固鎖螺帽鬆脫扭矩的影 20 響, 並無明顯的差異 10 0 精密車削同心圓研磨十字交叉研磨 圖十五縮緊鎖定精密固鎖螺帽不同加工端面於動態詴驗後鬆脫扭矩的影響於固鎖模式三 6. 誌謝本研究為國科會編號 NSC E CC3 之計畫, 由於國科會的支持, 使本研究得以順利進行, 特此致上感謝之意 對於盈錫精密工業股份有 限公司在實驗儀器 經費及詴件上的支援, 使研究得 5. 結論縮緊鎖定固鎖螺帽在相同規格不同螺距的實驗下, 於固鎖模式一 固鎖模式二 固鎖模式三,M20 螺距 1mm 比螺距 2mm 的鬆脫扭矩為高 對有效徑的改變, 在固鎖模式一 固鎖模式二 固鎖模式三中, 對縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩的影響, 並無明顯差異 在不同規格的縮緊鎖定固鎖螺帽實驗下, 在固鎖模式一中, 由實驗結果可得知在相同的螺帽扭緊力矩下不同規格的縮緊鎖定固鎖螺帽, 對縮緊鎖定固鎖螺帽鬆脫扭矩的影響, 並無明顯的差異, 其原因可由螺帽扭矩公式中得知, 當施加相同的螺帽扭緊力矩所產生的鎖緊時之軸向力, 會隨著螺帽公稱直徑的增加而降低 在固鎖模式二 固鎖模式三中不同規格對螺帽鬆 以順利進行, 特此致謝 7. 參考文獻 1. N. Sase and H. Fujii, Optimizing study of SLBs for higher anti-loosening performance, Journal of Materials Processing Technology, Vol.119, pp , N. Sase, K. Nishioka, S. Koga, and H. Fujii, An anti-loosening screw-fastener innovation and its evaluation, Journal of Materials Processing Technology, Vol.77, pp , 山本晃, ねじ締結の理論と計算, 養賢堂, 東京 日本, 賴耿陽, 螺紋鎖緊機構設計 - 現在螺紋使用實務, 復漢出版社, 台南 台灣,1995 8

12 5. M. F. Spotts, Design of Machine Elements, 6th edition, Prentice-Hall, New Jersey, J. E. Shigley and C. R. Mischke, Mechanical Engineering Design, 5th edition, McGraw-Hill, New York, E. Dragoni, Effect of Nut Compliance on Screw thread Load Distribution, Journal of Strain Analysis, Vol. 25, pp , E. Dragoni, Effect of Thread Pitch and Frictional coefficient on the Stress Concentration in Metric Nut-Bolt Connections, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Vol. 116, pp , 池田馨, 中川元, 光永公一, 日本機械學會論文集 (C 篇 ),36,290, 1735, K. Nakasima and K. Takafuji, Wear Lead Screw Nuts,International Conference on Wear of Materials Apr 7-11, V2, pp , M. G. Stout and P. S. Follansbee, Strain Rate Sensitivity, Strain Hardening,and Yield Behaviour of 304L Stainless Steel,Journal of Engineering Materials and Technology, ASME, Vol.108, pp ,

13 國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表日期 2010 年 09 月 10 日 國科會補助計畫 計畫名稱 : 縮緊式精密固鎖螺帽在靜態及動態下防鬆脫特性量測之研究計畫主持人 : 陳志明 計畫編號 : E CC3 學門領域 : 產業機械 研發成果名稱 成果歸屬機構 ( 中文 ) 精密螺帽旋動裝置 ( 英文 ) DRIVING DEVICE FOR PRECISION NUTS 國立勤益科技大學 發明人 ( 創作人 ) 陳志明, 巫有捷, 巫有崇 ( 中文 ) 本創作係關於一種精密螺帽旋動裝置, 其係包括 : 一中軸組之該中軸係設有螺合部, 該精密螺帽係螺設於螺合部處 ; 一第一套件一端設有第一套接部以套設於精密螺帽外緣, 該第一套件另端設有第二套接部 ; 一本體內係設有容置空間 ; 一扭力計係容設於容置空間內 ; 一角度編碼器係套設於扭力計一端 ; 一第二套件一端設有套合部, 該套合部係固設於扭力計一端, 該第二套件係設有第一旋動部及第二旋動部, 該第二旋動部呈四角槽狀 ; 一數值顯示器係顯示扭力值及旋動角度數據顯示於數值顯示器上 ; 一第三套件一端設有第一套合端以與第二套接部相套設, 該第三套件另端設有第二套合端以與扭力計另端相套設, 本裝置主要是用以旋動精密螺帽於固設體, 並可回授其扭力值 技術說明 產業別 ( 英文 ) The present utility model discloses a driving device for precision nuts, which comprises a central shaft assembly having a central shaft with screwed portion for a precision nut engaged thereon, a first sleeve with a first receiving portion for mounting on the periphery of the precision nut, a body with a containing chamber for receiving a torsion meter, a second sleeve with connecting portion connected with the torsion meter, a monitor for displaying the torsion value and the driving angle, and a third sleeve with one end connecting with the first sleeve and the other end connecting with the torsion meter. The second sleeve has two driving portion, and one driving portion is a tetragonal trough. Whereby, the driving device can drive 機械製造業 ; 光學及精密器械製造業 ; 手工具製造業 精密螺帽製造業, 工具機產業, 主軸業, 航太及建築業 技術 / 產品應用範圍 本產品預計與合作廠商申請國科會產學合作計畫實施後技轉給合作廠商 技術移轉可行性及預期效益 註 : 本項研發成果若尚未申請專利, 請勿揭露可申請專利之主要內容

14 年度 精 螺 量 論 利 數 量 數 ( 數 ) 論 / 論 數 數 數 利金 說 數 列 論 參 力 論 利 參 力 理 論 / 論 / 數 數 數 利金 理

15 利 精 螺 年 兩 金 ( 量 立 精 螺 理 精 螺 龍 率 行 參 力 益 列 ) 量 量 路 參 數

16

17 參 1 1 利 論 44 論 0 論 3 SCI 論 論 0 論 0 論 0 SCI/SSCI 論 論 1 論 2 SCI 論 論 0 論 0 論 0 SCI/SSCI 論 立 ()

18 量 益 600 螺 不 行 參 不 度 螺 力 螺 度 螺 便 參 立 螺 螺 精 料 拓 度 力 益 參 精 螺 量 識 精 力 益 了 精 螺 例 零 螺 車 更 益