发现和解决摩擦学问题

Don Cohen博士，密歇根计量有限责任公司的负责人，谈论密歇根计量如何一直在解决一些最复杂的问题在美国汽车工业的核心。在这次采访中，他对如何识别和解决与表面、摩擦学和摩擦有关的问题给出了有见地的看法。

你是怎么进入摩擦学这一行的?

我上世纪六七十年代在密歇根长大，当时汽车工业一直在走下坡路。我记得有人故意破坏日本车，因为他们觉得日本车抢走了他们的工作。我是工程师，技术专家，物理学家。我想去硅谷，所以我离开了。

我搬到了亚利桑那州，开始了物理学和光学的研究生工作。我后来在IBM工作，经常去圣何塞。我和做光学侧写器的Wyko一起工作。怀科开始涉足摩擦学领域。实际上，我对摩擦学的认识来自于磁盘驱动器行业。我通过IBM认识了这个行业的一些大公司，这开始了我对摩擦学的迷恋。摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑的学科。磁盘驱动器行业，至少旧的磁盘驱动器，实际上有小磁头飞过磁盘这是摩擦学问题。在Wyko，我们开发了测量粗糙零件的仪器，因为我们对能为汽车行业提供什么感兴趣。

摩擦学:在Vimeo上看到和解决azonnetwork的问题。

我们开发的新技术的第一批客户来自汽车行业。他们想测量活塞，曲轴和离合器盘我们甚至不知道这些东西是什么。我们测量了硅晶片和人工晶体之类的东西。

总之，它重新燃起了我对底特律的兴趣。当我和Wyko在一起的时候我们在底特律做了第一个演示，一个叫Sterling Heights的地方。我记得我从旧金山飞过来，降落在底特律机场，看着地图说，“我在这里长大，但我真的不知道这个地方在哪里。”我意识到，我是在密歇根那一小平方英里的地方长大的，上了学就离开了。我们去了一个叫斯特林高地的地方福特在那里有一个巨大的工厂。我们做了我们的第一个演示测量离合器片，我意识到，从摩擦学的角度来看，汽车工业是多么令人惊叹。摩擦学，研究摩擦、磨损和润滑的学科，都是关于汽车的，尤其是这个时代的汽车。随着电动汽车和新技术的发展，摩擦学的程度可能会降低。

最后我搬回了底特律。我对自己说，“为什么不抓住机会，在这里开一家公司，为使用Wyko公司的光学分析器的人做摩擦学测量呢?”Wyko现在是布鲁克的一部分。所以，我用这些光学分析器来开发汽车工业的应用。

与汽车行业相比，电子行业的问题有何不同?

底特律地区的工程师人均数量比硅谷还要多。令人惊讶的是，这里有这么多的技术，因为一辆车需要这么多的技术，从活塞和活塞环在汽缸内上下滑动开始，一直到方向盘。实现这一目标的技术是巨大的。我深入研究了这项技术，我问:“是什么推动了这个行业?”硅谷的磁盘驱动器行业就是关于你能有多快，你能存储多少数据。让我惊讶的是，在汽车行业，我们感兴趣的并不是高科技，比如扭矩和马力。我的意思是，这些都很重要，但有三件事真正推动了买家和整个行业。

信不信由你，最重要的是造型。我之所以说信不信由你，是因为我真的不在乎我的车看起来怎么样，只要它能把我从A点带到b点就行。他们觉得那辆车怎么样?他们觉得这油漆怎么样?当他们坐在车里时，身体上有什么感觉?造型的整个概念是一些最大的投资所在。在过去的几年里，我看到过一些项目，它们的强度和你所参与的高水平人员，以及试图解决绘画问题之类的高水平博士科学家，都让你大吃一惊。

图片来源:Ayman alakhras/shutterstock.com

其次是安全。车会安全吗，毕竟，你不想死在里面。现在，当你看到正在发生的事情，这是一个非常激动人心的时刻，因为我们终于要使用电子设备来避免事故了。我的意思是，即使我们从来没有自动驾驶，我的车可以在路上行驶，看到前方即将发生碰撞，然后关闭另一辆车和我的车，这样我们就不会发生碰撞，这是非常巨大的。这是正在发展的，这将会发生。安全是一个大问题。我们为提高安全性所做的事情是惊人的。从安全带到安全气囊，所涉及的技术是巨大的。当你思考如何让安全气囊发挥作用，如何让它快速展开这样你就不会坠毁也不会在过程中爆炸。它需要大量的技术，从小传感器到面料。

第三个是保修，但实际上是可靠性。我不想让我的车坏掉。如果我的车坏了，我想确保我是安全的，我可以回来。我们的汽车现在有一个叫做“跛行家庭模式”的模式。我不知道你们知不知道，如果汽车出了故障，希望你们的车不会停下来。你应该可以一瘸一拐地回家，找个安全的地方，找个干燥的地方修车。在我的车里也发生了这种情况，一些传感器什么的突然间，我的车的速度不会超过30英里每小时。但这已经足够好了。你可以离开马路。你可以去加油站。 That kind of technology is here.

你处理并解决过的常见问题是什么?

每个人都能联想到的一个好问题是遮阳板。当你思考这个问题时，你会发现这是一个非常经典的摩擦学问题因为它几乎包含了所有方面:摩擦，磨损和润滑。基本上，当你拿遮阳板的时候，你的目标是试着在需要的时候把遮阳板放在一个特定的位置，并让它保持在那里。你需要它平稳地移动。你不想让它在移动时发出吱吱声，你想让它待在原地不动。如果它不在你放的地方，掉了下来，那么它实际上就成了一个安全问题。存在安全问题，以及取悦和客户满意度。这里的行业对遮阳板非常重视。当你观察这个机械装置时，有一根杆和一根管子绕着它旋转，摩擦力是关键，但你不想让它磨损。这就是磨损的问题。 You want to maintain a certain degree of friction, so it stays in place. If there's too much friction, it would be very hard to move the thing. If there's too little friction, of course it will fall. There's quite a lot that goes on in the design of that mechanism. They treat the surfaces of those rod elements by shock blasting them to create different surface textures and also, they might coat them with different coatings. Sometimes they apply lubricants although they try and stay away from these because they will degrade.

摩擦学无处不在。通过了解摩擦学和调整摩擦学我们可以解决哪些问题?

我多年前在底特律工作过的一个很好的例子是我早年在底特律工作的一个亮点，它证明了汽车工业是多么重视噪音之类的事情。特别是刹车噪音。这恰好是一个严重的问题。在这种情况下，一辆崭新的汽车将从装配线上下来。他们踩刹车，刹车会发出巨大的噪音。有趣的是，如果你踩刹车30 40次，它最终会消失。但如果你买了一辆5万美元的车，他们说，“不要担心刹车，只要踩刹车30次，噪音就会消失，”这不会发生的。他们不这样运车。

布鲁克的城市轨道交通TriboLab模块

这是一个相当严重的事件，他们真的是在工厂地板上测试汽车。如果它发出噪音，他们会把车开进很多地方，直到他们能修好刹车。看看到底出了什么问题，于是停车场里开始塞满了发出噪音的汽车。这种事发生的时候会很可怕。事实证明这是一个很好的摩擦学问题因为它必须处理摩擦。这并不是因为表面光滑，它们实际上是相当粗糙的刹车表面。不幸的是，它们很粗糙，造成了噪音。

当时的情况是，每生产几百个转子，他们就会改变工具的设置。每个工具设置四五百。每隔一段时间，一些转子会离开生产线，这就会造成噪音问题。他们不太明白那是什么。我们尽我们所能观察它的表面纹理，过了一段时间，我们变得聪明起来，我们说，“当它开始发出那种声音的时候，停车，给我找刹车转子。”不要再开了，因为10到20秒后，刹车就会停止。我们日以继夜地工作以解决这个问题。我们看了一个没有噪音的刹车。我们观察了制造噪音的刹车转子，在表面纹理上有明显的区别。它们都符合工厂的表面纹理规格。 They were well within the specification. One happened to have a different looking surface texture. As a result, the rougher one was grabbing the brake pad and driving that brake pad across the face of the rotor. The noise was the brake pad hitting the end of its top, clicking, and then breaking free and continually cycling.

一旦我们确定了这一点，接下来的问题就是如何解决这个问题。这就是摩擦学中，事情会在短时间内变得糟糕的地方。制造转子的人说，“好吧，我们符合规格了，我们能做些什么不同的事情呢?”所以他们说,“好吧，我们这么做。我们不要等到500个转子才换工具。让我们每200个转子换一次工具。”当他们把工具从500个转盘换成200个转盘时，问题就变得更糟了。事实证明，真正有问题的是生产过程中的早期部件，一旦工具磨损，他们就开始生产刹车转子，之后的那些工作正常。原始的工具，干净锋利的工具切割这些非常非常漂亮的纹理图案看起来像牙齿，这些牙齿咬着刹车片并把它穿过表面。这是一个典型的假设旧工具是坏工具的例子。实际上，是好的工具导致了问题，但令人惊讶的是，最终它并不是真正的工具。

这是这个问题的真正挑战，因为它是季节性发生的。它似乎来了又走。它会在2月、3月和4月发生，然后消失。最后，一位同事解决了这个问题。他说,“今年，我们要解决这个问题，因为我们有两个确凿的证据，”他在这方面非常努力。他发现问题与工具无关，因为它们在这一年剩下的时间里都在工作。其实都是冶金学的。造成这种情况的原因是天气条件，铸造厂的温度和湿度，造成了铸铁工艺的轻微变化。因此，由于冶金工艺不同，加工性能也不同。所创造的表面纹理图案是不同的，所以问题会随着温度而来，等等，这是一个相当大的挑战。

解决方案是使机械加工操作对冶金变化更加稳健。这是通过一些工具的改变，也通过一些额外的过程，以确保这些真正锋利的齿在转子上，不是在制造过程中产生的。1997年就是它让我开始创业的。

摩擦学无处不在，这意味着什么，为什么它如此重要?

壁虎就是一个很好的例子。它能爬上看似光滑的玻璃。它是怎么做到的呢?摩擦力是怎么来的?让我们记住，它能够攀爬，所以它可以一次又一次地粘住和释放。制造一种粘在玻璃上的粘合剂是一回事，但如果是一种粘在玻璃上，然后松开，让你向上移动的粘合剂呢?

图片致谢:sarayuth3390 / shutterstock.com

结果表明，表面纹理起了一部分作用，但也有微小的微绒毛。这些小“手指”伸出来，在这些纤维和玻璃之间提供了很强的粘附力。并不是化学键的实际强度造成的。让它起作用的是这些纤维的长度因为它们在整个表面纹理中形成了一个很长的键，尽管每一个键的强度都很小。这使得它们能像毛毛虫一样移动。它们一次只需要剥离一个化学键，由于单个化学键不强，它们就可以像地毯上的波纹一样，一次一个地移动它。每个键都很弱，但键的数量很多。它们可以一次打开一个键然后沿着玻璃走。

另一个例子是使用铅笔。这是经典的摩擦学，因为你如何让铅笔芯形成一条线?你基本上用的是磨损。这是一个可控制的磨损量，石墨的磨损量刚好合适。因为它是石墨，所以它有自己的润滑性能，所以书写很顺畅。这只是日常生活中摩擦学的一个经典例子。

在医学领域，有很多摩擦问题。在过去的20年里，我们称之为非侵入性手术的数量一直在增加。所以，他们不是打开一个人进入他的心脏，而是通过你的动脉输送导管。从摩擦学的角度来看，这是一个巨大的挑战。通常，使用金属材料，如金属丝，表面非常光滑。电线是通过你的动脉系统输送的。动脉系统不是一条直管，而是一条迂回的路径。这根金属丝要往各种奇怪的方向走而且不能刺穿任何动脉。然后他们把导线穿过你的身体，进入你的心脏，这只是一根导导线。现在，他们在电线上滑动一个导管。 All that sliding, that's serious tribology. You want to make sure that there is as little friction as possible both on the metal guide wire on the inside, the lumen of the tube, and on the exterior, which is sitting on the blood vessel wall. The actual physics that goes in to the development of those surfaces, their surface texture as well as the chemistry of the material is phenomenal. The friction coefficients quoted are ultra-low. They feed little tools and instruments up through the conduit, and they're able to do surgery on you without massively opening up your body. It's all about tribology and being able to feed the wire and tube through.

那摩擦学和润滑学呢?你有他们互动的例子吗?

其中最明显的可能就是滑雪板。这是一个巨大的摩擦学领域，人们在滑雪板上使用各种各样的技巧来减少摩擦。但我最近读到的一篇文章与润滑方面有关。基本上，润滑的出现是为了解决19世纪发生的摩擦和磨损问题。一旦人类发现了矿物油，我们就不再担心摩擦了我们只担心油是否在界面内。基本上就是这样。许多润滑问题与表面纹理和表面纹理保持润滑剂和控制它流动的能力有关。通常人们会制造出运行良好的部件。但当他们复制制造零件的过程时，零件就开始失效了。有时候一台机器会顺时针转动零件，但新机器会逆时针转动零件。 As a result, the lubricant is pumped in one side and pumped out in the other. Simple little problems like that determine whether they keep the lubricant in.

图片致谢:Videoblocks

一个很好的例子就是企鹅和它们游泳的方式。如何通过水降低摩擦力?企鹅是很有趣的。一些研究表明，它们实际上是在空气轴承上游泳。好的，一个更好的润滑系统实际上是使用空气作为润滑剂。这是磁盘驱动器行业所做的，磁头飞过磁盘并使用一些气垫。类似地，企鹅浮到水面，用羽毛捕捉空气，然后当它们潜下去时，它们利用那层空气层作为空气轴承。

你如何确定你是否可以帮助客户?

我的很多工作都是通过推荐产生的。问题可能是我的刹车发出了噪音。第一个是我所说的互动规模。你知道噪音是从哪儿来的吗?确实是刹车片与刹车接合，还是有其他地方的振动?因为如果是什么东西在振动，那很可能和我的工作无关，而是一个结构问题。如果噪音是由两个部件合在一起发出的，那么我就会问:“合在一起的部件有多大?”我能测量这些部分吗?”或者“我们能把这部分切掉一块吗?”或者我们需要做一个我们所谓的零件的复制品，在那里我们对零件做一个印象并测量它?

你怎么知道你能处理多大尺寸的布鲁克乐器?

一个典型的仪器可以处理大约10英寸× 10英寸× 3英寸的样品。我们通常可以自己测量，只要不太重，也许在30磅以下。通常情况下，这取决于几个部分之间的接口，我们可以得到关键部分，它们可能不是那么大。一辆典型汽车的刹车转子是我想要处理的最大的东西。甚至像F150卡车旋翼这样的卡车旋翼也可以变得相当大，这不是那么容易处理的。在大多数情况下，我们从布鲁克那里得到的仪器几乎可以处理任何材料。这可能是高度反映。完成后可能会很乏味。我可以测量黑色橡胶表面，得到非常好的测量结果。

大多数材料欧洲杯足球竞彩我们都可以测量。唯一需要注意的是，这种材料是否由多层透明薄膜组成。当我们使用光学仪器时，这可能会导致一些问题。除此之外，只要能放到显微镜下，我们就能测量。一旦我可以测量它，那么问题就是理解潜在的机制是什么，如果是噪音问题，如果是磨损问题，如果是泄漏问题，如果是外观问题，等等。实际问题是什么?他们是怎么描述的?

如果有人的角色太大，你会告诉他们什么?

事实上，我就是遇到了这样的问题。这个零件是变速器的一部分，重达150磅，体积巨大。我不可能把它放在我的显微镜上但是我可以，在这个特定的承重表面上，做一个表面的复制品。有一种材料叫做Reprorubber。它只是你喷在表面的两部分材料。它落在表面上。等10-15分钟。你把它剥下来，它就会做出表面的复制品。然而，我更愿意测量原始曲面来消除这个变量。在这个例子中，我们做了一些复制的项目，结果非常有趣。 In the end we cut a section from the sample to put under the microscope.

有所谓的常规测量吗?你能举个例子吗?

有常规的测量要求，我给你们举个例子。这在医疗行业经常发生。这是一个特殊的应用，它是一个电极，用于电疗设备。它被植入了某人的身体。也许是植入心脏，但那是电极。电极必须有一个非常特殊的表面结构，这样它才能成为肌肉组织的一部分。在这个项目的第一阶段，我们尝试了不同的表面纹理，直到客户同意一个规格。然后他们开始生产。然后每月例行地，在他们大量投入生产之前，我将得到一系列部件进行测量。我们已经保存了多年的测量和数据分析的历史，所以他们可以知道他们是否在生产中漂移，并将其与设备的性能联系起来。

植入物行业也会召回产品。一个很好的例子可能是髋关节植入。突然间，髋关节植入物的材料就不能很好地与骨头结合它变得松散，这不是一件好事。大多数情况下，这与零件的基本表面粗糙度有关，表面纹理有一个规格。这通常是明显的，一个不是正确的纹理。一个公司将经历开发过程，他们将决定一种材料的测量方案，当他们获得他们的设备的批准时，该方案将在FDA发布。

你测量过的最疯狂、最奇怪、最有趣的东西是什么?

总是拿走蛋糕的是火鸡皮。那是最伟大的故事。再一次，表面纹理，摩擦学在很多地方出现。想想吃的摩擦学。当我们吃东西的时候，当我们认为“这很好吃，这很脆”的时候，我们所经历的都是摩擦学。这都是关于摩擦和磨损的，磨损是我们吃下去的部分的磨损，损坏，而摩擦是我们嘴里的感觉，这就是摩擦学。原来和我们一起工作的这个人是从事家禽科学的。欧洲杯线上买球他们饲养火鸡是为了食用，火鸡皮的质地影响了我们感知火鸡味道的方式。再一次，我认为这有点奇怪，但我们测量了它。

还有一个类似的例子:一位来自美国农业部的女士打电话给我，说她有个主意。她的理论是，也许你可以通过观察蛋壳的表面纹理来检测鸡蛋是否受到了污染。她说，有一些证据表明，如果有疾病，蛋壳会呈现出不同的质地。她问道,“你认为你的机器可以测量它吗?”我买了一些鸡蛋。我把它们带到实验室了。我在这里测量了它们，它们的表面看起来最有趣。我不知道这个项目是否已经开始了。她可能买了一台机器。我不知道。

可靠的仪器仪表在帮助克服不断变化的市场中发挥了多大的作用?

在密歇根州的计量,我所谓的力量NPFLEX,这是一个3 d光学分析器允许测量和一小部分,大部分都在极光滑的情况下像一个超级抛光镜子一直到非常粗略的部分,如刹车片或商店的抨击。这是我用来做表面测量的仪器。然后一起力量,我们建立了一个实验室,有力量的城市轨道交通,万能力学试验机,它允许通过摩擦摩擦磨损的测量组件在不同配置,磁盘上的销、四球试验,或任何你想要的类型的配置。布鲁克的专家们一年四季都在这里展示机器，为人们做项目，并为汽车行业的不同人开发应用程序。

力量的NPFLEX

我有幸从一开始就参与其中，在第一个3D光学轮廓仪中，它被称为RST。它经历了许多代，每次都获得越来越多的能力。NPFLEX几乎拥有任何人想要的一切。考虑到它的能力和灵活性，您能够衡量更大的部分。我们可以很容易地把零件搬进搬出。我们可以很容易地改变炮塔和使用长工作距离镜头，所以对大的部分成像，整个建筑只是更容易使用。与早期的机器相比，这台机器在扫描空间和基本数据处理方面也非常快。我发现使用机器更有效率。使用NPFLEX我可以比其他类型的机器更快地完成项目。我已经使用NPFLEX三年多了，我已经使用其他光学轮廓仪30年了。

了解唐实验室的仪器

关于唐科恩

Cohen博士拥有the University of Michigan - Dearborn的物理学学士学位，以及the University of Arizona的物理学和光学科学研究生学位。欧洲杯线上买球在他职业生涯的早期，Cohen博士在IBM的光盘驱动器开发工作。他后来加入WYKO Corporation担任产品经理，最后担任副总裁，开发3D表面纹理测量仪器。1994年，Cohen博士成立了Michigan Metrology,LLC，以帮助工程师和科学家解决与“泄漏，吱吱声，摩擦，磨损，外观，粘附和其他问题”相关的问题，使用3D表面微纹理测量和分析。