非接觸式軸封表面雷射刻紋參數最佳化之探討

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

非接觸式軸封表面雷射刻紋參數最佳化之探討

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2622-E-151-002-CC3 執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學機械工程系 計畫主持人： 李旺龍 計畫參與人員： 劉建亨，歐士銘，陳盛勳，陳奕伶，林春旭，余志成 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢

中 華 民 國 94 年 5 月 1 日

國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果完整報告

非接觸式軸封表面雷射刻紋參數最佳化之探討

計畫類別：

▓

個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：

NSC 93-2622-E-151 -002 -C

執行期間： 93 年 5 月 1 日至 94 年 4 月 30 日

計畫主持人：李旺龍

計畫參與人員：劉建亨，歐士銘，陳盛勳，

陳奕伶

，林春旭，余志成

處理方式：完整報告內容因涉及專利、技術移轉案或其他智慧財產權，

不予公開。

執行單位：國立高雄應用科技大學機械工程系

中 華 民 國 94 年 4 月 30 日

國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報告

學門領域：機械固力

計畫名稱：非接觸式軸封表面雷射刻紋參數最佳化之探討

計畫編號：NSC 93-2622-E-151 -002 -C

執行期間：93 年 5 月 1 日至 94 年 4 月 30 日

執行單位：國立高雄應用科技大學機械工程系

主 持 人：李旺龍

參與學生：

姓 名

年 級

(大學部、碩

士班、博士

班)

已發表論文或已申請之專利

(含大學部專題研究論文、碩

博士論文)

工作內容

劉建亨 碩士班 碩士論文

計畫之實驗之執行

歐士銘 碩士班 碩士論文

計畫之實驗之執行

陳盛勳

大學部 專題研究

計畫之實驗之執行

林春旭

碩士班

實驗

余志成

碩士班

實驗

合作企業簡介

合作企業名稱：祥景精機股份有限公司

資本額：一千萬

產品簡介：

祥景精機股份有限公司成立於 1986 年，專業於機械軸封、碳化矽、碳精、…等 有關於耐磨元件研發設計與製造 。產品主要用於泵浦、攪拌機、無軸封泵浦軸承、 噴嘴 CVD 碳化矽與半導體 CVD 碳化矽製作等。在台灣同業界本公司目前的規模及 營業額位居第一名。 祥景精機是國內多家煉油廠、石化工廠、鋼鐵廠、泵浦廠…等工廠的長期供應 商，祥景精機專業的品質，多樣化庫存與迅速供貨，降低廠商維修與庫存成本，同 時提升競爭力。近年來加強於研發新產品，增加祥景精機於國內與外商競爭力。由 於新產品不斷開發，而使軸封市場做一番大調整，已經完全改變市場結構，最近正 朝向高品質，高技術方向前進；同時開擴國際市場，建立網站銷售系統，希望能內 銷外銷比例各佔一半，替國家增加外匯。

網址：www.scenic.com.tw 電話：（07）8111359

研究摘要(500 字以內)：

關鍵詞：最佳化，製程參數，軸封，雷射刻紋 本計畫的目的在非接觸式軸封表面雷射刻紋參數最佳化之探討。研究對象的軸 封為一重要的基礎元件，被廣泛的運用於航空發動機，燃汽輪機等機械與化工設備 上。本計畫研究的步驟是先以田口法規劃實驗及分析結果，藉以尋找可獲取最小啟 動扭力在最小洩漏量時的最佳雷射刻紋參數與刻紋排列。本計畫執行的結果不僅可 直接幫助廠商提升加工技術及研發設計的能力，更可促進產學間合作模式的建立， 推廣至解決其他產業界相關的問題。

Keywords：optimization, manufacturing process parameters, mechanical face seal, laser texture

The object of this project is to discuss the optimization of laser texture parameters on mechanical face seals. The mechanical face seals are key elements on aero-engines, gas turbines, and related mechanical and chemical machines. The Takuchi method is utilized for experiment plan and results analysis to obtain the optima laser texture parameters and alignments of the microstructure to realize the objective function, i.e. the lowest leakage and the lowest starting torque. The executing results can increase the potential of the collaborator, i.e. the manufacture, research, design, and problem solving. The collaboration model between academic and industry will be constructed and realized in this project. It will be extended to further industry/academic collaborations.

人才培育成果說明：

本計劃之主要執行者為碩士班及大學部學生，在前後約一年的時間中，來往於 位在高雄市前鎮區的祥景精機股份有限公司以及屏東科技大學以及高雄應用科技大 學之間。利用祥景精機股份公司新進購置(93年2月裝機)的二極體YAG雷射加工機， 藉由表面融熔及熱剝除建立表面微結構，及修改其已設計的軸封性能測試機，建立 軸封表面微結構雷射加工製程最佳化的技術資料和培育具精密機械製造之開發及加 工能力的人才。在每週討論中提出其進步及面臨之問題，雖困難重重，但也逐步獲 得解決。在多次與祥景精機股份有限公司之工程人員商議解決實際問題以及其發展 之過程，祥景精機股份有限公司之工程人員，包括工程師黃勝秋先生一起參與，瞭 解其非接觸式軸封新產品開發進行。 學術界研究人員定期到合作廠商的工廠，直接和現場從業人員討論及執行本計 畫，可同時促進雙方人員在分析、設計、製造和規劃能力的提升。計畫執行期間也 使計畫參與學生學習合作廠商之機械設計製造能力，並落實相關分析及設計學理於 合作廠商，協助廠商提升相關能力，達到互惠互利的雙贏成果。

技術研發成果說明：

田口法（Taguchi Method）是利用實驗的手段來決定設計參數，以提升產品品 質與穩定性。其中「實驗」是廣義的解釋，可能是在實驗室內執行的實做實驗或者

是電腦模擬實驗；而「設計參數」則是指生產製程的參數或設計產品的參數。田口 法的應用是依據控制因子（即設計參數）及其水準的數目選擇適當的直交表，用以 減少實驗的次數，同時可找到使產品變異最小的設計參數組合，目的在當產品大量 生產上市後，讓可能造成的平均損失成本降至最低。 品質的傳統定義為符合規格要求，並不強調品質目標值與變異間之關係。在田 口法的領域中，產品若有機能變異發生，以致不能符合顧客所要求的目標值時，就 會造成有形或無形的損失。因此田口玄一博士強調機能值與目標值間的差異，是造 成損失的關鍵，並提出損失函數的觀念，用以強調製造出與規格中心相近產品的重 要性。此外，藉由參數選定與配置直交表（Orthogonal array）來進行實驗規劃，透 過信雜比（Signal to noise ratio，S/N）得知各設計參數對性能輸出之影響，進而選 定最佳的設計參數水準組合，以達到提升品質之目的。 本計畫採用的研究方法包含實驗的執行和最佳化模式的建立。首先利用田口法 的直交表規劃實驗之製程參數的組合，以求用相對少量的實驗樣本即可代表較廣泛 的加工狀態，而得到的實驗結果則用於建立最佳化模式所需之分析數據，並找出最 佳的製程參數組合，以得到（一）運轉時最小洩漏量的目標；（二）運轉啟動時最 小啟動扭力的目標。且在此過程中不需再執行其他的加工才能得到所要的結果，故 可節省大量的試誤法過程所導致之加工時間及成本的浪費。 在實驗架構中，選定的刻紋製程參數為刻紋排列方式（如圖二到圖六所示）、刻 紋大小、脈衝頻率、電流大小，並設定適當的水準值和直交表進行實驗。目標函數 則為（一）運轉時最小洩漏量；（二）運轉啟動時最小啟動扭力。藉著使用田口法之

平均數分析（Analysis of Mean，ANOM），將實驗結果轉換成信號雜訊比（Signal Noise

Ratio，S/N），並繪製回應表及回應圖以評估各製程參數對目標函數的影響程度及在 不同水準時之 S/N 變化趨勢，並據以找出最佳參數之組合。 在實驗規劃中，我們選定四個控制因子，每個控制因子有三個水準數（如表一 所示）。四個控制因子分別為（A）刻紋排列方式、（B）刻紋大小、（C）脈衝頻率、 （D）電流大小。刻紋排列方式中的三個水準數分別為（一）平行排列、（二）交錯 排列、（三）螺旋排列。刻紋大小方式中的三個水準數分別為（一）0.5mm、（二） 0.4mm、（三）0.2mm。脈衝頻率大小方式中的三個水準數分別為（一）3.5kHz、（二） 2.5kHz、（三）2.0kHz。電流大小方式中的三個水準數分別為（一）22A、（二）19A、 （三）16A。 在實驗規劃中，我們選定 L9（34）直交表（如表二與表三所示）為實驗的規劃 依據。其表示將進行九組實驗，有四個控制因子，每個控制因子有三個水準數。控 制因子中的刻紋排列方式與刻紋大小的圖形則是先由 AutoCAD R14 軟體所繪出， 在輸入祥景精機股份公司的二極體 YAG 雷射（HGL-SMD 50F）加工機之電腦中的 ProLASE 軟體。控制因子中的脈衝頻率與電流大小數值則是分別輸入二極體 YAG 雷射加工機中的 Q-Switch 控制器中與雷射激發控制器中。

使用二極體 YAG 雷射加工機製作出九組試片（迴轉環（Rotary Ring）後，分別 裝置於軸封性能測試機上測試（一）洩漏量與（二）啟動扭力。在啟動扭力方面， 我們是以量測測試機的主軸轉動瞬間最大電力負載為依據。在測試的規劃中，分別 有靜態測試與動態測試方面；靜態測試的時間為 3min，動態的測試時間為 10min，

一組實驗必須做三次。分別在軸封側與工作側灌入氮氣，壓力分別為 9.5kg/cm2

7.5kg/cm2 。軸封性能測試機的轉數則設定在 3600r.p.m。九組實驗結束後，計算其 S/N 比（如表四與表五所示）與繪製 S/N 回應圖（如圖七與圖八所示），判斷其最佳 組合之控制因子與水準數。 繪製出 S/N 回應圖後，我們判斷其最佳組合之控制因子與水準數分別為（一） 在運轉時最小洩漏量方面：刻紋排列方式為螺旋排列、刻紋大小為 0.2mm、脈衝頻 率大小為 2.0kHz、電流大小為 16A；（二）在運轉啟動時最小啟動扭力方面：刻紋 排列方式為螺旋排列、刻紋大小為 0.5mm、脈衝頻率大小為 2.5kHz、電流大小為 16A。其中相同的控制因子與水準數：刻紋排列方式為螺旋排列與電流大小為 16A。 剩下刻紋大小與脈衝頻率我們分別加以討論，以斷定如何取捨其控制因子的水準數。 我們計算出（一）在運轉時最小洩漏量方面：九組實驗數據之 S/N 平均為 -8.2428，最佳 S/N 之估算為-8.0856dB；（二）在運轉啟動時最小啟動扭力方面：九 組實驗數據之 S/N 平均為-37.2032，最佳 S/N 之估算為-36.8253dB。在與祥景精機股 份有限公司之工程人員，包括工程師黃勝秋先生一起討論後，得到在非接觸式軸封 的重要設計關鍵中，迴轉環（Rotary Ring）的磨損降低會比整體的洩漏量來的重要， 其主要是安全性的考量。而降低迴轉環（Rotary Ring）磨損的關鍵即是如何減小每 次開啟動作的啟動扭力。倘若啟動扭力太大，造成迴轉環（Rotary Ring）與固定環 （Seat Ring）接觸面磨損嚴重，因而影響非接觸式軸封的整體密封能力。 在與祥景精機股份有限公司工程人員充分討論後，決定將偏向如何降低運轉啟 動時最小啟動扭力方面努力，但另一方面又不至於讓洩漏量大增，因此除了選定相 同的控制因子與水準數：刻紋排列方式為螺旋排列與電流大小為 16A 外，又選定了 另外兩個控制因子與水準數：刻紋大小為 0.4mm 與脈衝頻率大小為 2.0kHz。如此 選擇控制因子與水準數其 S/N 分別降低了（一）在運轉時最小洩漏量方面：4.21％； （二）在運轉啟動時最小啟動扭力方面：0.48％，但仍然在 S/N 平均之上其結果可 為我們所接受。 將討論後選定之控制因子與水準數重新製作一片試片，做為確認實驗用。將確 認實驗之試片重新裝置於軸封性能測試機上測試（一）洩漏量與（二）啟動扭力。 經測試後其結果都符合預期目標，表示我們實驗之規劃方向正確。其中（一）在運 轉時最小洩漏量方面，比祥景精機股份有限公司原始所設計之迴轉環（如圖一所示） 雖然差距不大，只減少了 4.2％；（二）但在運轉啟動時最小啟動扭力方面，比祥景 精機股份有限公司原始所設計之迴轉環，在主軸轉動瞬間最大電力負載降低了 11.4 ％。因此，將大大降低迴轉環（Rotary Ring）與固定環（Seat Ring）接觸面之磨損， 而延長軸封的壽命，更使得安全性與環保性大增。 此次實驗規劃，雖然結果在（一）運轉時最小洩漏量方面與（二）運轉啟動時 最小啟動扭力方面皆比祥景精機股份有限公司原始所設計之迴轉環良好，但效果是 否已達到最好？或是還有改進之空間？也許我們可以從其他的控制因子著手，例 如：更改雷射光前進之速度、在改變刻紋排列方式…等。或是改變原本實驗所規劃 之水準數，都是未來祥景精機股份有限公司所能思考改進之方向。

技術特點說明：

長久以來，硬碟機的讀寫頭滑塊與碟片之間的磨潤問題一直是硬碟產業的一個

非常重要的問題，機械材料專長的研究人員一直是硬碟產業的高度需求人才。由於 讀寫頭滑塊要以離硬碟片非常的小的間隙”飛行”(現在為 25nm)，以獲取高的讀取密 度，因此在製程上讀寫頭滑塊/硬碟片的表面粗糙度多在 1-2nm/3-5nm 要求；然而這 樣會影響到當硬碟片從靜止開始轉動時，停於其上的讀寫頭滑塊因接觸面過於光 滑，將會產生黏著(stiction)的現象，造成硬碟機因主軸馬達啟動扭力不足而無法啟 動；解決之道為針對碟片做刻紋(texture)，其中以 IBM 發表的雷射刻紋技術針對讀 寫頭滑塊停止/起飛碟片區域做刻紋，大大降低啟動扭力獲得極大成效。若能將硬碟 機發展純熟的技術應用在軸封產業，必定能獲取相同的功效；而且雷射刻紋的尺度 也不需像硬碟片上的那麼小，可以一般較為不如此精密的雷射加工機即可以實現， 應用在傳統產業有其潛力。 非接觸式軸封的使用必須額外供應氮氣，氮氣的洩漏量多寡將大大影響廠商營 運成本。如何讓業界廠商降低成本因而使用祥景精機股份有限公司所製造之產品， 將是一大解決的課題。在導入田口法的實驗方法後，在（一）洩漏量與（二）啟動 扭力方面都獲得了相當程度的改善，又能符合祥景精機股份有限公司原始所設計之 非接觸式軸封密封效果。非但挹注了祥景精機股份有限公司的設計能量，更是創造 產官學三面共贏的局面。

可利用之產業及可開發之產品：

祥景精機股份有限公司思考朝非接觸軸封新產品開發進行，獲經濟部 SBIR 補 助，已建立相關製造、檢測及分析能力。然而在非接觸式機械軸封現有英、美之 John Crane 公司之螺旋槽設計，德國 Burgmann 公司，Flowsever 公司之雙向 T 型槽，大 陸 Timing 公司王字形螺旋槽等國際專利，將會阻撓現有的發展；唯有從創新建立自 有的專利並具高效能的產品出發，方能使國內非接觸軸封產品在國際上佔有一席之 地。迄今未見有人思考減少壩體(dam)部分之真實接觸面積，朝向減少啟動摩擦及扭 力方向前進，藉由本計畫的實施，開發此一新產品。 藉由雷射加工針對表面微結構的大小及排列方式朝降低啟動扭力進行，未來可 以簡化軸封設備(減少充氣加壓系統)、增加使用壽命並降低成本，必能獲得業者(台 塑、中石化等石化廠，氣輪機、壓縮機業者)青睞，也將能與現有國外廠商競爭。

推廣及運用的價值：

機械軸封(Mechanical Seal)為航空發動機，燃、汽輪機等機械與化工所不可或缺 的基礎元件。軸封（Seal）和軸封系統的設計、製造和運轉建立在潤滑、摩擦、磨 損、熱傳、材料性質與機械設計等許多基礎原理上。流體軸封技術定義成防止或限 制流體洩漏的工程技術或零組件。流體（Fluid）則可以分成：(1)氣體(Gas)；(2)液 體(Liquid)；(3)液體/氣體混合物；(4)液體/氣體/固體顆粒(Particles)混合物。洩漏 (Leakage)定義成具有負面作用的質量遷移，可以分成：(1)因壓力差(Differential Pressure)作用下通過間隙引起的洩漏(Leakage)，包括漏出和漏入；(2)因表面張力 (Surface Tension)作用下通過毛細管引起的滲漏(Seepage)；(3)因濃度差(Differential Concentration)作用下引起的擴散(Diffusion)。 流體軸封的作用主要是：(1)維持設備的正常操作條件(如高壓、高真空等）；(2) 保證設備及人身的安全；(3)防止或減輕環境污染；(4)防止或減少材料和能源的消

耗，提高設備的效率。然而軸封是機械設備中極易損壞的關鍵性零組件；例如：“挑 戰者”號太空梭的失事原因就是因為橡膠密封圈的失效；航太發動機的密封，可提高 效率 2∼3 個百分比；石油化工氣輪機由於非接觸軸封的發展，有革命性的進步。流 體潤滑的非接觸式機械軸封在面型軸封的溝槽設計與分析已有許多文獻。 祥景精機股份有限公司為機械軸封之專業設計及製造廠，擁有自己的品牌，市 場遍及台灣、亞洲及北美洲，乃台灣機械製造業的楷模。該公司以實際行動響應產 業根留台灣的政策，貫徹永續經營的理念。因大陸工資便宜、製造技術急起直追， 祥景精機股份有限公司也思考在現有的產品(接觸式機械軸封，耐磨耗材料如碳化矽 等)之外，應開發新型的產品以因應產業變遷，非接觸軸封即為開發之標的產品。非 接觸軸封具有低洩漏量、低(無)磨耗及壽命長等優點，在材料的選擇上更有彈性。 祥景公司進駐國立高雄應用科技大學育成中心後，計畫主持人即參與輔導工作，並 協助申請經濟部 SBIR，開發非接觸軸封表面溝槽設計分析。近來，祥景精機股份有 限公司投入大筆經費購置雷射加工機，及設計相關測試設備(洩漏量及壓力控制)， 朝非接觸軸封表面溝槽加工前進。 然而，在非接觸軸封特別是轉軸軸封在轉軸靜止時，軸封元件藉由彈簧及壓力 差達成其密封效果；轉軸啟動時，則需要一個額外的供氣系統，利用靜壓協助將軸 封元件撐開以減低啟動扭力及降低磨損。因此仍須負擔供氣系統在價格上及面臨些 許磨損的問題。計畫主持人思考從硬碟機碟片設計的雷射刻紋學習經驗，應用在非 接觸面型軸封壩體(dam)的表面微結構製作，除了能提供足夠的密封效果之外，也希 望能夠在轉軸啟動時減低啟動扭力及降低磨損，而無需再增加供氣系統，以降低成 本。 國內石化業及台電中油等大廠均花費龐大經費於非接觸軸封的購置及相關 維護，若是國內建立自主產業，對國外大廠造成壓力，必能大大降低相關購 置成本，圖利國內廠家。 高科技產業的發展，需要相關基礎產業的配合。同樣的，若無堅實的製造能力， 空談研發設計根留台灣，恐怕是說說而已！欲建立可產出高附加價值的製造中心， 應由協助傳統機械製造產業的升級開始。利用學術界的人力幫助較缺研發能量的中 小企業改善其體質，共創產官學三贏的局面。

圖一 祥景精機股份有限公司原始所設計之迴轉環

圖二 平行排列、刻紋大小為 0.5mm

圖三交錯排列、刻紋大小為 0.5mm

圖五 平行排列、刻紋大小為 0.4mm 圖六 平行排列、刻紋大小為 0.2mm -8.8 -8.6 -8.4 -8.2 -8 -7.8 -7.6 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 A B C D 圖七 在運轉時最小洩漏量之 S/N 回應圖

-37.6 -37.4 -37.2 -37 -36.8 -36.6 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 A B C D 圖八 在運轉啟動時最小啟動扭力之 S/N 回應圖 表一 控制因子與水準表 因子 符號 說明 水準一 水準二 水準三 A 排列方式 平行排列 交錯排列 螺旋排列 B 花 紋 大 小 （mm） 0.5 0.4 0.2 C 脈 衝 頻 率 （KHz） 3.5 2.5 2.0 D 電 流 大 小 （A） 22 19 16

表二 L9（34）直交表 Exp. A B C D 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 表三 實驗計畫 排列方式 花 紋 大 小 （mm） 脈 衝 頻 率 （KHz） 電流大小 （A） Exp. A B C D 1 平行 0.5 3.5 22 2 平行 0.4 2.5 19 3 平行 0.2 2.0 16 4 交錯 0.5 2.5 16 5 交錯 0.4 2.0 22 6 交錯 0.2 3.5 19 7 螺旋 0.5 2.0 19 8 螺旋 0.4 3.5 16 9 螺旋 0.2 2.5 22

表四 在運轉時最小洩漏量之實驗數據

y1（NL/min） y2（NL/min） y3（NL/min） Avg

（NL/min） S/N 1 2.49 2.48 2.51 2.4933 -7.9357 2 2.57 2.55 2.53 2.5500 -8.1310 3 2.55 2.56 2.56 2.5567 -8.1535 4 2.55 2.61 2.63 2.5967 -8.2891 5 2.71 2.68 2.75 2.7133 -8.6705 6 2.78 2.78 2.72 2.7600 -8.8186 7 2.53 2.48 2.5 2.5033 -7.9707 8 2.53 2.54 2.56 2.5433 -8.1082 9 2.55 2.53 2.55 2.5433 -8.1081 Avg -8.2428 表五 在運轉啟動時最小啟動扭力之實驗數據

y1（NL/min） y2（NL/min） y3（NL/min） Avg

（NL/min） S/N 1 78 74 75 75.67 -37.5803 2 74 71 72 72.33 -37.1881 3 72 68 70 70.00 -36.9043 4 76 77 72 75.00 -37.5048 5 72 70 73 71.67 -37.1077 6 70 72 73 71.67 -37.1077 7 76 73 75 74.67 -37.4637 8 74 69 72 71.67 -37.1099 9 68 71 70 69.67 -36.8619 Avg -37.2032