4-1 實驗材料
本實驗是爲了驗證前述章節模擬擠製製程的準確性，故在材質上亦選用 AA6061-O 熱處理用的鋁合金材料，其主要尺寸為φ35mm×40mm 高，為了避免 材料內部殘留應力會影響到實驗準確性，因此材料在實驗前均先施以退火處理，
退火方式將材料加熱到 415℃±3℃後，並維持此一溫度持續加熱 2～3 小時[34]，
以消除內部應力，最後將材料置於加熱爐中使其緩慢爐冷至室溫，確保所有材料 品質的均一性。AA6061-O 鋁合金材料其元素成分及重量百分比，參考表 4.1。
4-2 實驗步驟
爲獲得準確的加工負荷與相關位移等資料，實驗過程依照下述的步驟來進 行：
(1)確定胚料已經過退火處理。
(2)將固定底板固定於 4000KN 油壓式金屬成形試驗機的平台上。
(3)將置料容器內孔與模具內側、沖頭均勻塗上潤滑劑。
(4)用四根ψ12mm 的螺絲將置料容器與模具固定後嵌入固定底
板表層的凹槽處，以保持中心線不會偏離，在將沖頭與沖頭座鎖附於油 壓試驗機上側。
(5)胚料均勻塗上潤滑劑，並置入置料容器內。
(6)進行擠製製程與位移、負荷數據的擷取。
(7)將螺絲鬆脫並進行退模，將工件取出並把工件潤滑劑擦拭乾淨。
(8)整理實驗所得數據(時間、位移、負荷)。
4-3 實驗設備
以下針對本實驗過程中所使用的設備逐一介紹如下：
一、密閉式恆溫加熱爐
本實驗中用以對實驗材料進行退火處理，如圖 4.1 所示，加熱爐最大加熱溫 度 990℃，溫度控制的精確度± 1.0℃，並新加裝定時開關控制器，在主控制面板 上可設定加熱溫度與到達該溫度後之持溫時間。
二、4000KN 油壓式金屬成形試驗機
此設備為東京試驗機製作所的 SVU-4000-03 金屬成形試驗機，本機組包含 了工作主機，如圖 4.2 所示，與控制箱，如圖 4.3 所示，從控制箱可控制加工的 位移，及輸出加工中的位移信號，但無法顯示鍛造負荷，必須外接放大器，再將 外接電路接上 PCL-812PG-B 介面卡輸出位移與負荷等數據至 PC 上再儲存，油 壓式金屬成形試驗機的性能與規格，如表 4.2 所示。
因油壓試驗機控制箱上只能顯示出位移量，但是無法正常輸出，加上無法顯
面對稱地分開。圖 4-16 顯示在沖頭衝程 13.079mm 時工件的變形與局部放大圖，
圖中第 432 號節點之應變能密度為 249.8MPa，在此時節點的應變能密度尚未達 到判斷準則的應變能密度，而在衝程 13.08mm 時，第 432 號節點之應變能密度 為 250.003MPa，已經達到判斷準則的應變能密度 250.0MPa，因此此處將產生破 裂，並且新增加一節點，編號為第 649 號節點，如圖 4-17 所示。隨著衝程的增 加，圖 4-18 顯示在沖頭衝程 14.019mm 時工件的變形與局部放大圖，圖中第 468 號節點之應變能密度為 249.9MPa，在此時節點的應變能密度尚未達到判斷準則 的應變能密度，而在衝程 14.02mm 時，第 468 號節點之應變能密度為 250.01MPa，
已經達到判斷準則的應變能密度 250.0MPa，因此此處將產生破裂，並且新增加 一節點，編號為第 650 號節點，如圖 4-19 所示，因此，經上述模擬與實驗的驗 證，均獲得相符合的一致性。
為了便於觀察擠製過程中工件內側應力、應變的分佈情形，因此本研究將工 件簡化為四分之一作分析，也就是以工件的中心點為原點，只擷取工件第一象限 的部分。此外，本文也定義工件在簡化後，XZ、YZ 平面為工件的內側；在工件 圓周方向的曲面則定義為工件的外側。圖 4.20、4.21 顯示為數值分析工件外側之 最大主應力、應變分佈圖，從圖中可以看出，工件在離開下模出口處的時候有最 大主應變產生，同時也是發生最大主應力的區域，使得累積的能量會形成表面裂 痕。圖 4.22、4.23 顯示為數值分析工件內側之最大主應力、應變分佈圖，在此區 域的重點為研判材料是否有內部缺陷和縮管的缺陷發生，從圖中得知，雖然在中 心部分有產生應力、應變產生，但由於累積的能量未達到形成裂痕的臨界值，因 此在材料內部將沒有產生缺陷。
表 4.1 AA6061 鋁合金之元素成分重量百分比[34]
成份 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 其他元素各計
Wt% 0.40-0.80 0.70 0.15-0.40 0.15 0.80-1.20 0.04-0.35 0.25 0.15 0.05 0.15
圖 4.1 密閉式恆溫加熱爐
圖 4.2 金屬成形試驗機 圖 4.3 金屬成形試驗機控制器
表 4.2 4000 KN 油壓式金屬成形試驗機性能與規格 本體體積 W 1320 mm × L 1400 mm × H 3050 mm
本體重量 10500 kgw
最大負荷力 4000 KN (400 噸)
本體支柱有效間隔 700 mm
本體剛性 0.00025 mm / KN
控制方式 電氣-油壓
可控制量 負荷、位移、速度
加工速度 0 ~ 1.96 mm / s
加工位移量 0 ~ 450 mm
歸還信號 負荷、位移的讀出
壓力檢測器 低壓 50kgf /cm2、高壓 300 kgf /cm2 位移檢測器 500 mm LVDT (精度±0.2％)
設定段數 5 段自動控制設定
圖 4.4 負荷放大器
圖 4.5 實際擠製模具組
5 3
4 1 2
件號 名稱 材質 詳細圖
1 沖頭座 S25C 圖 4-7
2 沖頭 SKD-11 圖 4-8
3 置料容器 SKD-11 圖 4-9
4 模具 SKD-11 圖 4-10
5 固定底板 S25C 圖 4-11
圖 4.6 模具組合圖
固定底板
置料容器
模具
沖頭座
沖頭
材料
155 200
14
20 13
18 35
27 18
單位：mm 圖 4.7 沖頭座
° 30
45 35
8.7 80
M12x20L 30
單位：mm
8
84.5 135
35 36.4
25 55
13.2 20
單位：mm 圖 4.9 置料容器
84.5
60
17.5
M12x20L
30
135 20.6
35
單位：mm
50 270
405
135
60
20x6
單位：mm 圖 4.11 固定底板
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
Punch stroke (mm)
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0
Punch load (Tons)
experiment result simulation result
圖 4.12 模擬和實驗的擠製製程負荷與位移之比較
(1) 衝程為 4mm
(2) 衝程為 8mm
(3) 衝程為 12mm
(4) 衝程為 16mm
圖 4.14 數值分析與工件在不同衝程下的比較圖
(a) 衝程 4mm (b) 衝程 8mm 圖 4.15 衝程 4mm、8mm 工件頂視圖的放大圖
432
432
圖 4.16 沖頭衝程於 13.079mm 時工件的變形與局部放大圖
649 432
432 649
圖 4.17 沖頭衝程於 13.08mm 時工件的變形與局部放大圖
486
486
圖 4.18 沖頭衝程於 14.019mm 時工件的變形與局部放大圖
650 486
486650
圖 4.19 沖頭衝程於 14.02mm 時工件的變形與局部放大圖
圖 4.20 數值分析工件外側之最大主應力分佈圖
圖 4.21 數值分析工件外側之最大主應變分佈圖
圖 4.22 數值分析工件內側之最大主應力分佈圖
圖 4.23 數值分析工件內側之最大主應變分佈圖