第五章 實驗結果討論與數值模擬之比較
5.5 應用熱處理消除殘留應力
本實驗將利用熱處理進行殘留應力實驗的應力消除，在完成實驗試 片，再以光彈法量測並且計算其殘留應力。所有的實驗試片會量測兩次殘 留應力，一次是熱處理前，一次是熱處理後。主要的目的在於掌握熱處理 參數對於殘留應力大小的影響。
5.5.1 實驗步驟
本研究採用四種不同肉厚規格的實驗試片，成形材料為 PC，分別是 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 以及 2.5mm。實驗試片規格如圖 5.62 所示，試片的 成形條件如表 5.11。本研究包含了兩個實驗。實驗一在於確認熱處理的溫 度上限，實驗二則是測試不同的熱處理時間對於殘留應力的影響。
為了得到量化的資料，必須量測實驗試片的殘留應力數值。本實驗採 用光彈法觀測試片，照相紀錄試片於射出成型後之殘留應力分佈，並觀察 記錄試片x 軸、 AB 、CD 上各量測點之條紋級數（fringe order）與等傾角
（equal dip angle），進而計算殘留應力大小。每一個實驗試片有六個量測點 位置（如圖5.63 所示）。實驗流程如圖 5.64。
研究中分為兩個實驗，以下將分別說明兩個實驗的實驗步驟。
實驗一的目的在於確認熱處理溫度的上限，實驗方式則是以玻璃轉換 點溫度以下 20℃範圍的溫度內對試片進行加熱，再量測試片在加熱後的變 形狀況。由於實驗材料之玻璃轉換點溫度為 150℃，因此測試溫度選定為 127℃、130℃、133℃。將試片放置於熱處理爐內加熱一小時候，取出冷卻 至室溫，再進行尺寸量測，選擇以不會使試片尺寸變形之最高溫度，作為 往後熱處理之溫度上限。試片之翹曲量定義如圖5.65。
實驗二則是測試不同的熱處理時間對於殘留應力的影響。實驗試片總 共有四種厚度規格，在進行實驗前先對四種規格的試片進行光彈法量測原 始的殘留應力值，然後再進行實驗。實驗二中針對每一種厚度的試片施以 六種不同的熱處理時間，加熱結束後將試片放置於熱處理爐內冷卻三小 時，再從爐內取出冷卻至室溫，然後再以光彈法量測計算試片在經過熱處 理實驗後之等效應力變化；實驗二的目的在於確認不同厚度的試片在不同 的熱處理時間下其殘留應力的降低效果。
5.5.2 殘留應力實驗結果檢討
實驗一主要是要確認熱處理的溫度。在以不同的熱處理溫度進行加熱/
冷卻後，試片的量測變形量大小如表 5.12，從實驗一中可以確認，在本實 驗中，熱處理溫度的上限為130℃（溫度再高的話試片會發生嚴重變形）。
實驗二則是測試熱處理時間對於殘留應力的影響。實驗試片上有六個 量測點，將六個點的殘留應力降低值繪製成曲線圖，圖 5.66~圖 5.71 為 1.0mm 的試片，在不同的熱處理時間條件下，六個量測位置在熱處理前後 的殘留應力變化值。
利用相同的方法，計算出四種厚度試片在六個不同的熱處理條件下其 應力變化，以熱處理時間為X 軸，殘留應力降低比值為 Y 軸，繪製出如圖 5.72 之熱處理時間與等效應力降低百分比之關係。圖 5.73 為 X 軸取 0~100 分鐘時之局部放大圖。從圖5.73 及圖 5.74 中可觀察得知，殘留應力的降低 狀況大約可以分為兩個階段。第一階段是在試片在熱處理 30 分鐘左右。第 一階段的等效應力降低的效果相當明顯，四種厚度的降低效果分別是 7.3
％（1.0mm），12.55％（1.5mm），18.05％（2.0mm），以及 19.2％（2.5mm）。
[65]根據這部份結果可以得知，相同時間內，試片的厚度越大，應用熱處理 消除殘留應力的效果越明顯。
當熱處理時間超過 30 分鐘，雖然殘留應力仍然可以降低，但是降低效
果就不如第一階段。三種厚度試片的殘留應力例降低效果分別是 3.2％
（1.0mm），5.85％（1.5mm）以及 11.15％（2.0mm），僅有厚度 2.5mm 試 片其殘留應力仍然繼續降低 14.3％。雖然殘留應力仍然會降低，但是降低 的比例明顯沒有第一階段來的大。從上述結果中可以得知，試片厚度越薄，
所需要的熱處理時間越短。當試片的殘留應力釋放到一定程度後，繼續拉 長熱處理時間並沒有意義（因為殘留應力降低有限）。
如果以 1440 分鐘減少的殘留應力值為該試片能夠減少之最大殘留應 力，將前述資料改以整體殘留應力降低的百分比顯示可以得到更明顯的資 料。第一階段（熱處理 30 分鐘之內），四種厚度降低的百分比分別是 70%
（1.0mm 試片），68%（1.5mm），62%（2.0mm），以及 57%（2.5mm）。這 顯示在 2.5mm 以下之 PC 實驗試片，在熱處理 30 分鐘內就可以減少超過 50% 以上的殘留應力。
5.4.8 結論
根據熱處理實驗結果，可以歸納出下列幾點結論。
1. 肉厚對於熱處理降低殘留應力的效果影響極大。越薄的試片所需的熱處 理時間越短。
2. PC 材料在熱處理時，殘留應力降低效果隨著時間增加而遞減。
3. PC 材料以熱處理方式降低殘留應力，具有降低之極限，達到此極限後
再予以熱處理並無法再次降低殘留應力。
4. 對於肉厚在 2.5mm 以下之 PC 實驗試片，30 分鐘的熱處理時間已經足 可減少50%以上之殘留應力。
表 5.1 拉伸試片成形條件 Molding condition
Material temperature (℃) 230 Filling time (sec.) 2 Packing time (sec.) 3 Packing pressure (MPa) 50
Cooling time (sec.) 10
表 5.2 多圓孔試片成形條件與加熱條件 Molding condition
Material temperature (℃) 230 Filling time (sec.) 6 Packing time (stage 1) (sec.) 2 Packing time (stage 2) (sec.) 4 Packing pressure (stage 1) (MPa) 20 Packing pressure (stage 2) (MPa) 70
Cooling time (sec.) 20 sec.
Cavity 60 130 130 Heating
temperature (℃)
Core 60 60 110
表 5.3 模內旋轉模具成形條件
Material ABS、ASA、
PMMA
PC
Material temperature (℃) 250 320 Filling time (sec.) 12 12
Packing time (stage 1) (sec.) 2 2 Packing time (stage 2) (sec.) 4 4 Packing pressure (stage 1) (MPa) 20 20 Packing pressure (stage 2) (MPa) 70 70 Cooling time (sec.) 20 20
表 5.4 剪斷試驗實驗條件
Material ABS、PMMA、PC
Test part thickness（mm） 3.0 Punch diameter（mm） 10.0
Punch speed（mm/s） 75.0、150.0 Gap between the punch and the hole（mm） 0.02
Test part temperature（℃） 20、40、60、80 Test part dimension（mm2） 50 x 50
表 5.5 模內沖模成形條件
Material ABS PMMA PC
Material temperature（℃） 250 250 320 Filling time (sec.) 12
Packing time (stage 1)
(sec.) 2
Packing time (stage 2)
(sec.) 4
Packing pressure (stage 1)
(% of the filling pressure) 20 Packing pressure (stage 2)
(% of the filling pressure) 70
Cooling time (sec.) 10、15、20、25 Punch pressure（kg/cm2） 95
Punch speed（mm/s） 350、595
表 5.6 呼吸調節器成形條件 Material temperature (℃) 270
Mold temperature (℃) 80 Filling time（sec.） 1.2 Packing time（sec.） 10 Packing pressure（MPa） 60 Cooling time（sec.） 30
表 5.7 三種不同的嵌入件溫度測試後的良率比對 Insert temperure (℃) 25 40 90
Quantity of the parts
(Passed 1st torque test) 18 20 20 Quantity of the parts
(Passed 2nd torque test) 6 10 20
Yield 30% 50% 100%
表 5.8 螺柱試片成形條件 Material temperature (℃) 230
Mold temperature (℃) 60 Filling time（sec.） 2.2 Packing time（sec.） 5 Packing pressure（MPa） 40
Cooling time（sec.） 20
表 5.9 扭力實驗結果（底板厚度 2.0mm）（單位：kgf-cm）
Slider temperature =25℃ Slider temperature = 60℃
thickness 1 24.63 22.85 39.45 34.07 25.78 25.56 41.90 35.51
2 25.25 23 39.65 34.92 25.97 25.53 40.54 36.20
3 24.12 22.8 39.73 34.09 26.62 25.45 40.47 36.56
4 24.25 20.08 39.98 34.91 25.33 23.40 40.42 37.48
5 24.43 23.75 40.59 35.06 25.59 25.75 40.56 36.43
6 25.47 20.28 43.6 33.73 25.36 26.45 41.11 35.88
7 24.6 24.02 39.73 33.8 27.09 25.27 41.29 35.43
8 25.8 23.6 40.02 34.73 27.78 25.83 41.52 36.29
9 24.25 23.08 39.68 33.7 26.53 24.89 40.63 35.80
10 24.35 21.33 39.85 33.85 26.68 26.77 40.84 36.71
11 24.12 23.38 40.07 34.7 26.87 26.43 40.92 36.82
12 24.59 24.14 40.68 33.73 28.02 25.85 41.18 37.70
13 25.21 23.15 39.36 35.07 27.06 23.89 41.81 37.86
14 24.81 20.3 39.68 33.73 28.38 26.19 44.91 35.00
15 25.33 24 39.45 33.6 26.68 27.04 40.92 36.50
16 24.23 22.97 40.43 33.75 26.79 25.93 41.22 37.09
17 24.43 21.01 39.81 34.6 26.05 22.74 40.87 37.31
18 24.04 22.15 40.01 34.75 26.56 25.59 41.05 37.42
19 24.41 21.86 40.23 33.1 24.99 25.76 41.27 36.96
20 24.67 22.9 40.81 34.9 28.88 25.54 40.24 38.06
21 24.85 22.95 39.35 33.57 25.65 22.49 41.24 36.26
22 25.12 23.1 40.24 33.72 25.86 26.60 40.61 36.43
23 23.8 23.8 40.85 34.5 25.78 22.71 42.15 37.69
24 27.5 22.65 39.63 34.72 25.76 26.90 41.38 36.00
25 24.43 22.9 39.76 33.72 27.23 26.88 41.50 37.40
26 24.63 23.05 39.53 33.92 26.79 25.73 41.72 35.85
27 24.55 23.3 39.7 34.33 27.36 23.53 42.36 36.20
28 24.53 23.88 39.92 33.91 26.17 24.81 41.09 36.94
29 25.15 22.73 40.53 34.92 26.38 24.48 41.44 39.02
30 23.92 22.88 39.79 33.27 25.96 25.65 42.12 35.72
31 24.32 23.03 39.9 33.42 26.36 25.47 37.65 36.20
32 24.3 23 40.12 34.58 26.64 25.64 40.88 38.06
33 25.05 22.93 40.73 35.8 26.84 26.42 41.56 38.23
34 24.32 21.08 39.51 32.77 27.13 25.14 42.20 35.41
35 24.55 23.2 39.85 34.85 26.41 25.42 40.81 38.09
36 24.73 23.83 40.5 33.2 25.12 25.59 41.03 36.93
37 25.35 22.77 36.2 34.77 25.54 25.86 41.63 37.09
38 24.12 23.27 39.31 33.81 25.52 26.51 40.14 37.95
39 24.37 22.42 39.96 34.66 26.30 25.23 41.04 38.19
40 24.15 24.12 40.58 34.81 25.54 25.40 41.67 32.99
Max. 24.63 24.12 40.58 34.81 25.78 25.56 41.9 35.51
Min. 24.15 22.85 39.45 34.07 25.54 25.4 41.67 32.99
Average 24.67 22.79 39.97 34.20 26.43 25.41 41.20 36.74 Standard
deviation 0.65 1.04 0.94 0.67 0.88 1.15 0.99 1.12
表 5.10 扭力實驗結果（底板厚度 2.5mm）（單位：kgf-cm）
Slider temperature = 25℃ Slider temperature = 60℃
Thickness 1 27.06 24.36 41.90 41.68 31.10 26.03 44.67 44.28
2 28.27 25.13 42.08 41.88 29.19 26.20 44.78 44.14
3 26.53 23.91 42.38 40.28 29.43 26.00 45.42 43.76
4 26.75 24.07 43.03 40.46 29.46 23.90 43.85 43.97
5 26.79 21.11 42.42 41.76 29.71 26.90 42.96 42.30
6 27.01 24.96 38.37 42.08 28.81 25.01 44.43 45.26
7 27.20 21.42 46.11 40.10 29.02 25.17 43.43 45.45
8 27.63 25.10 42.11 40.57 28.87 22.16 44.57 43.29
9 26.18 23.89 41.77 41.59 29.84 26.21 44.31 44.56
10 30.25 24.05 42.01 41.77 28.27 25.60 44.00 45.68
11 27.56 24.20 41.76 40.32 32.67 24.90 44.19 45.71
12 26.85 24.91 42.86 40.50 29.76 26.59 44.64 43.56
13 27.05 24.23 42.20 40.56 29.77 25.32 44.83 44.08
14 27.73 22.29 41.87 40.74 29.34 25.33 45.08 43.86
15 27.14 24.55 42.08 41.52 29.58 26.10 44.53 42.34
16 27.34 25.24 42.29 41.46 29.80 24.84 45.61 42.53
17 28.02 24.31 42.93 41.16 30.55 25.01 44.97 44.21
18 26.57 21.32 42.01 40.66 28.54 25.17 43.45 44.41
19 27.89 23.54 42.19 40.87 29.92 25.10 44.53 42.49
20 26.53 25.33 42.42 41.86 30.67 25.27 45.22 43.85
21 26.68 24.12 43.07 42.04 29.19 27.26 44.92 44.19
22 26.90 22.06 42.41 40.44 30.29 26.25 44.17 42.11
23 27.09 23.27 43.07 40.62 31.38 23.02 44.04 42.60
24 27.78 22.95 42.65 41.64 29.75 27.22 42.72 42.90
25 26.42 24.15 43.30 41.82 30.00 25.91 44.34 42.99
26 26.68 24.05 42.01 39.84 30.22 26.08 43.69 43.88
27 26.87 24.20 42.15 40.44 29.85 25.12 43.54 43.10
28 26.73 24.36 42.32 41.70 29.02 23.16 43.77 43.32
29 26.87 25.20 42.41 39.72 30.10 24.43 43.99 44.37
30 27.09 23.99 42.64 40.88 30.00 24.10 44.65 44.56
31 27.29 24.15 43.26 41.90 30.07 25.58 44.79 43.67
32 27.97 24.10 41.76 41.94 30.62 26.38 45.47 42.23
33 26.65 24.26 42.23 39.96 29.26 25.90 44.53 42.87
34 26.87 24.08 42.29 40.48 29.47 25.20 44.79 43.95
35 26.79 22.13 42.53 40.56 30.21 23.18 45.54 43.63
36 26.79 24.99 42.96 41.40 28.49 25.53 43.69 44.58
37 26.98 23.78 41.67 41.66 27.10 22.49 43.88 45.97
38 27.67 23.94 43.17 42.96 27.46 24.72 44.12 42.12
39 26.31 24.43 41.88 39.36 31.06 25.41 40.67 43.40
40 26.66 25.31 42.11 40.56 30.39 26.32 48.88 44.33
Max. 27.06 25.31 42.11 41.68 31.10 26.32 48.88 44.33
Min. 26.66 24.36 41.90 40.56 30.39 26.03 44.67 44.28
Average 27.14 23.94 42.37 41.04 29.71 25.25 44.39 43.76 Standard
deviation 0.28 0.67 0.15 0.79 0.50 0.21 2.98 0.04
表 5.11 殘留應力試片成形條件
（震雄 100T 射出成型機）
T1 T2 T3 T4 Melt temperature（℃）
310 310 300 250
P1 P2 P3
Pressure limit
（% of machine）
90 95 50
T1 T2 T3
Filling time
(sec) 40 90 15
S1 S2 S3
Screw position
(mm) 76 50 80
P1 P2 P3
Packing pressure
（% of machine）
30 40 100 Cooling time
(sec.) 9
表 5.12 殘留應力試片在加熱後的變形量量測 Warpage value（mm）
Without heat treatment 1.11 Heat to 130℃ for 1 hour 1.11 Heat to 133℃ for 1 hour 1.18 Heat to 138℃ for 1 hour 1.28
圖 5.1 實驗採用之均溫板其熱傳導係數與溫度之關係
圖 5.2 均溫板外觀以及安裝於模仁上的狀況
圖 5.3 加熱棒與溫控設備
圖 5.5 模仁材料在未使用均溫板時之各點溫度變化曲線
圖 5.6 模仁材料在使用均溫板時之各點溫度變化曲線
1 sec. 1 sec.
20 sec. 20 sec.
40 sec. 40 sec.
60 sec. 60 sec.
圖 5.7 ICEPACK 模擬結果（左側：未安裝均熱板/右側：安裝均熱板）
圖 5.8 拉伸試片產品規格與模具圖
(a)
(b)
圖 5.9 拉伸試片成品（a）拉伸試片含澆道（b）拉伸試片
圖 5.10 拉伸試片之拉伸試驗力量-位移關係圖
圖 5.11、多圓孔試片規格及模具圖面
圖 5.12、多圓孔試片（含流道）
圖 5.13、未加熱試片於結合線位置之 SEM 照片
（母模仁: 60℃ / 公模仁: 60℃）
圖 5.14、加熱試片於結合線位置之 SEM 照片
（母模仁: 130℃ / 公模仁: 110℃）
圖 5-.15 模內旋轉實驗試片外型與旋轉體安裝位置
圖 5.16 模內旋轉實驗四種材料製作而成的實驗試片
（a）實驗模具圖公模面
（b）實驗模具圖母模面
（c）實驗模具圖上視圖
（d）實驗模具側視圖 圖 5.17 模內旋轉模具組立圖
圖 5.18 安裝於射出成形機上之模內旋轉模具
（a）Type1 （b）Type2 圖 5.19 不同旋轉體形狀所造成的凹槽
（a）ABS （b）ASA
（c）PC （d）PMMA
圖 5.20 旋轉系統低轉速（25 rad/sec）下各材料所形成的結合線
（a）ABS （b）ASA
（c）PC （d）PMMA
圖 5.22 利用 Table Curve3D 之 curve fitting 功能取得的黏度模型
圖 5.23 以 FLOW-3D 模擬 Type3 旋轉體的運動對塑膠充填的影響
圖 5.24 沖模機構實驗設備
圖 5.25 沖模模具（已安裝加熱棒）
圖 5.26 ABS 在不同剪斷加工條件下的剪斷面 SEM 圖
Material: ABS
圖 5.27 沖頭與孔洞的直徑尺寸差圖（材料為 ABS）
圖 5.28 模內沖模機構動作原理
圖 5.29 模內沖模試片外型及尺寸規格
圖 5.30 剪斷實驗 ABS 截面SEM 圖 (沖壓力95kg/cm2沖壓速度595mm/s) 左圖冷卻時間為 10 sec；右圖冷卻時間為 25 sec
圖 5.31 開放式呼吸調節器元件示意圖
圖 5.32 二級調節器立體及三視圖
圖 5.33 以扭力板手對調節器的螺拴施力
圖 5.34 嵌入件安裝位置發生製品破裂問題
圖 5.35 3D TIMON 呼吸調節器之分析網格圖檔
圖 5.36 呼吸調節器之結合線形成模擬
（分析軟體：3D TIMON）
圖 5.37 呼吸調節器之成形機台
圖 5.38 呼吸調節器模具
圖 5.39 準備安裝至呼吸調節器模具上的嵌入件
圖 5.41 螺柱試片背面的縮水現象
圖 5.42 修改後的螺柱造型（TypeA / TypeB）
圖 5.43 螺柱試片 3D 圖檔
圖 5.44（a）、螺柱形式 – TypeA [71]
圖 5.44（b）、螺柱形式 - TypeB [71]
圖 5.44（c）、螺柱形式 - TypeC [71]
圖 5.45 TypeA 螺柱破壞方式
圖 5.46 TypeB 螺柱破壞方式
圖 5.47 螺柱試片底部與肋相接處產生結合線之模擬
（分析軟體：3D TIMON）
5.48 螺柱試片模具組立圖
圖 5.49 螺柱試片模具圖
圖 5.50 螺柱試片模具圖（公模側與母模側）
圖 5.51 螺柱試片模具圖（操作側與反操作側）
圖 5.52 成形機台（CLF-250T / 全立發 250 噸射出成型機）
圖 5.53 螺柱試片
圖 5.54 扭矩實驗使用之扭力板手
圖 5.55 螺柱試片固定方式
0.0
20mm 30mm 20mm(Heater) 30mm(Heater)
kgf-cm
20mm 30mm 20mm(Heater) 30mm(Heater)
2.0mm 2.5mm kgf-cm
圖 5.56 TypeA 螺柱破壞之扭矩大小
0.0
20mm 30mm 20mm(Heater) 30mm(Heater)
kgf-cm
20mm 30mm 20mm(Heater) 30mm(Heater)
kgf-cm
2.5mm 2.0mm
圖 5.57 TypeB 螺柱破壞之扭矩大小
0.0
20mm 20mm(Heater) 30mm 30mm(Heater)
Atype
20mm 20mm(Heater) 30mm 30mm(Heater)
kgf-cm
Btype Atype
圖 5.59 2.5mm 底板螺柱破壞之扭矩大小
圖 5.60 20mm 高螺柱破壞之扭矩大小
2.0mm_TypeA 2.5mm_TypeA 2.0mm_TypeB 2.5mm_TypeB
20mm
2.0mm_TypeA 2.5mm_TypeA 2.0mm_TypeB 2.5mm_TypeB
30mm
30mm(Heater)
kgf-cm
圖 5.62 殘留應力實驗試片尺寸
（厚度規格有四種：1.0, 1.5, 2.0, 2.5 mm）
圖 5.63 殘留應力實驗試片量測應力位置
製作實驗模具
實驗試片製作
確認熱處理溫度 翹曲變形量量測
熱處理實驗
量測殘留應力
結束 開始
圖 5.64 殘留應力試驗之實驗流程
圖 5.65 殘留應力實驗試片之翹曲變形量測位置
圖 5.66 PC 試片等效殘留應力大小（未熱處理 vs. 熱處理 17 分鐘）
圖 5.67 PC 試片等效殘留應力大小（未熱處理 vs. 熱處理 77 分鐘）
圖 5.68 PC 試片等效殘留應力大小（未熱處理 vs. 熱處理 137 分鐘）
圖 5.68 PC 試片等效殘留應力大小（未熱處理 vs. 熱處理 137 分鐘）