解決模具磨損的測量問題
汽車零件、建材、日用品、電子零件的成型加工都離不開模具。降低製造成本和提升這些模具的使用壽命，將直接關係到產品成本和品質，因此提升模具技術對於改善我們的生活有著重要的意義。
在本節中，我們將考量在成型各種材料時不可或缺的模具，於使用過程中所發生的磨損，並依照現有知識整理出提升模具壽命的措施。此外，我們還將介紹傳統測量方法，在模具磨損測量中存在的問題及其解決方法。
何謂模具磨損？
模具磨損是模具在連續使用過程中，由於零件之間的摩擦而導致模具表面磨損的現象。模具磨損分為「異常磨損」和「正常磨損」兩種。異常磨損是因材料或形狀不當、金屬疲勞、腐蝕等引起的磨損。另一方面，正常磨損是由於零件的接觸和滑動，而逐漸磨耗表面的磨損。
異常磨損
如果發生異常磨損，模具空腔和砂心將出現故障、或斷裂等嚴重損壞。典型的異常磨損分為五種類型：其中，模具中常見的異常磨損，分為摩料磨損和黏著磨損，這兩種磨損類型也被稱為「咬合」。
- 磨料磨損：
- 磨料磨損分為兩種類型：「二元磨損」和「三元磨損」。二元磨損是當硬質零件，吃進較軟的零件時所發生的磨損。另外，三元磨損是模具表面被硬質磨損粉（硬質粒子）等機械性刮掉的現象，也被稱為「刮擦磨損」。
-
二元磨損 
- A
- 硬質材料
- B
- 軟質材料
三元磨損 
- A
- 硬質材料
- B
- 軟質材料
- C
- 硬質粒子
- 黏著磨損：
- 這是零件的突起的接觸部分彼此黏著，黏著部位發生剝離且磨損的現象。也被稱為「燒印」。
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- A
- 接觸部
- B
- 黏著與剝離
- 疲勞磨損：
- 沒有發生磨料磨損或黏著磨損時的磨損情形。因反覆運轉和停止而引起金屬疲勞的磨損。反覆的應力會導致表面加工硬化，並且隨著時間的推移會出現輕微的裂紋。輕微的裂紋最終會變成龜裂，並造成表面剝落。其中，引起輕微裂紋的截斷應力,在表面稍靠內側的位置最大。這就是發生龜裂的起點。發生鱗片狀剝落和大表面狀剝離的現象。
- 微動磨損（Fretting wear）：
- 因配合零件表面上的摩擦力伴隨的微小重複運動（Fretting），而發生的細小點狀磨損。在發生微動磨損的表面，所產生的細微龜裂。由於外部荷重和微動摩擦力共同作用於此部分，抗疲勞強度降低到原始值的一半以下，並可能因疲勞破壞而斷裂。
- 腐蝕磨損：
- 在腐蝕性氣氛中，金屬之間的電位差導致滑動部件斷裂，並增加摩擦，加速了損壞。也稱為「化學磨損」。是由摩擦的機械作用和氣體或液體氣氛的化學作用引起的，發生在液體氣氛中也稱為「侵蝕腐蝕」。
正常磨損
在正常使用中不會引起黏著磨損或磨料磨損。正常磨損分為初期磨損和穩定磨損。初期磨損也稱為「磨合磨損」，是指運轉開始後的磨損，細微的凹凸已被去除。穩定磨損是由於持續使用而發生的正常磨損，當穩定磨損達到控制和計劃的尺寸時，可以透過更換新零件來防止模具故障和缺陷。
異常磨損的應對措施
在此，我們將說明針對模具異常磨損的典型形式——磨料磨損和黏著磨損之應對措施。
摩料磨損的應變措施
二元磨損和三元磨損的摩料磨損措施不同。
- 二元磨損：
- 防止二元磨損的措施，包括增加零件的硬度和使用含有大量碳化物的鋼種。一般來說，表面越硬，耐磨性越好，所以對模具進行淬火和滲氮是有效的。
- 對於三元磨損：
- 對於三元磨損，機器的滑動表面完全密封，以防止灰塵和磨粒進入。採取在潤滑系統中安裝過濾器等措施，以便在混入時能迅速去除，也是有效的。
黏著磨損的應對措施
使用具有所需硬度和韌性的模具材料，可以避免黏著磨損。然而，在現實中，僅僅透過改善模具材料所能採取的措施是有限的。為此，必須降低模具表面與工件之間的摩擦係數，以防止黏著。最適化潤滑的部分特別重要，需要潤滑劑的均勻塗抹、防止潤滑劑流失的模具設計以及加工條件的最適化。硬質表面處理，也可有效降低摩擦係數。
傳統模具磨損的測量問題
確認查模具的磨損是否處於公差範圍內，是非常重要的。特別是在高壓下成型的模具，需要高準確度和定量的3D形狀測量。
到目前為止，模具磨損是透過輪廓測定機或三次元測量儀測量的。然而，在傳統的三次元測量儀和輪廓測定機的情況下，存在各種問題，例如：精確測量難度高和不一致。此外，測量資料難以定量，難以分析模具的老化劣化趨勢。
輪廓測定機的模具磨損之測量問題
輪廓測定機是使用稱為尖筆的觸針，透過描摹出對象物表面，藉以測量並記錄輪廓形狀的裝置。近年來，也有使用雷射代替觸針，透過非接觸式追踪輪廓來測量複雜形狀。此外， 某些型號能夠測量上下兩面。
輪廓測定機需要為測量點取一條準確的測量線。
因此，存在以下問題。
- 將模具固定到夾具上，並調整出水平狀態較為耗時。此外，具備輪廓測定機相關的知識和技能，對於準確地調整出水平狀態極為重要。
- 輪廓測定機的觸針將繞著觸針針臂上的支點做圓弧上下運動，觸針尖端也會沿著X方向移動，造成X軸資料產生誤差。
- 準確地依照預期穿針非常困難，即使是最輕微的針錯位也會導致測量值發生偏差。
- 由於只能取得部分測量值，因此無法進行表面評估。
三次元測量儀的模具磨損之測量問題
通常，三次元測量儀使用一種稱為「掃描」的方法，其中將探針應用於測量點並進行追踪描繪（模仿）。掃描測量以恆定間距測量多個點。
該測量方法存在以下問題。
- 將針穿過圓柱的中心、垂直於彎曲的線或穿過圓心的線是非常困難的。另外，在圓心角較淺的角度R的情況下，整個圓周是由短圓弧計算的，因此微小的測量誤差會被加強放大。測量點的這種錯位，可能會導致值的細微偏差。
- 測量小零件的3D形狀時，可能無法使探針接觸測量位置。此外，由於測量準確度與要測量的點數和線數成正比，因此需要測量很多點。
這樣一來，在現場並不是每個人都能準確測量，且有無法進行測量的部位，甚至是測量儀器的設置位置也受到侷限等情形，皆是莫大的課題。
模具磨損測量的問題解決方法
傳統所使用的一般測量儀器，存在著需要耗費時間固定目標物的問題，以及必須在點狀或現狀接觸立體目標物、測量位置，才能進行測量的課題。為了解決這些測量問題，KEYENCE開發了一次性3D形狀測量儀「VR系列」。
能以非接觸方式，準確捕捉對象物的3D形狀。此外，可以在短短1秒內對台上的對象物進行3D掃描，以高準確度測量3D形狀。因此，可以在測量結果沒有偏差的情況下，瞬時進行定量測量。以下將介紹其具體上的優點。
優點1：1秒內即可完成多點測量
「VR系列」能以最快1秒的單次速度測量平面上對象物的3D形狀（80萬點資料），大大減少了多點測量所需的時間。可以即時準確地測量對象物整個表面的最大和最小凹凸形狀，並可以快速評估對象物的所有部分是否具有設定的公差。這使得管理難以定義的狀態化為可能，例如：磨損量和缺口。
此外，一旦工件被掃描，就可以測量與先前測量不同的位置的輪廓（剖面形狀）。無需再次準備同一個體並再次測量。
優點2：可進行比較測量。還可以與CAD資料進行比較。
「VR系列」不僅能夠高效地收集資料。還能以列表顯示測量資料，並且可以一併套用相同的分析於所有資料。
例如，您可以測量使用新模具製作的產品和以舊模具製作的產品的形狀，以了解因模具而導致的形狀差異。此外，您還可以讀取CAD 資料，一眼就能看出次品與標準品之間的差異有多大。這使得定量分析和評估模具磨損變得容易。
此外，可以快速測量以前需要花費大量時間和精力的複雜形狀的對象物。所有的測量結果都轉化為資料，大大減少了後期資料比對和分析工作所需的時間和精力。
總結：顯著改善和提升難以測量的模具磨損之測量效率
以往需要熟練的測量經驗，執行檢測的次數有上限，形狀複雜的物體無法測量，但「VR系列」卻實現了能夠快速測量和定量模具的磨損量。可能實現更高度和更有效地品質評估。
- 由於在平面上進行測量，因此可以同時取得多點資料。可以大大減少複雜形狀的測量時間。
- 可以將多項測量資料以列表形式進行比較，了解和分析各種磨損引起的變形差異。
- 透過對衝壓產品進行掃描並將測量資料與CAD資料進行對比，可以準確掌握模具的磨損情況。
- 消除因人而異的測量值差異，實現定量測量。
- 操作簡單，無需定位，只需將對象物放在載物台上，按下按鈕即可。解決對個人測量工作的依賴。
- 由於可以輕鬆、高速、高準確度地測量3D形狀，因此可以在短時間內測量許多對象物，能有助於提升品質。
此外，與過去的3D形狀資料的比較、粗糙度分佈等可以很容易地進行分析，因此可以用於各種目的，例如由於長期使用而導致的模具磨損趨勢分析和崩刃條件的確認。
