文獻回顧

將超音波振動能量應用於金屬之塑性行為研究，最早由 Blaha 與 Langenecke【1】所提出，他們對單晶鋅試片進行拉伸試驗時，附加一超 音波振動於負荷上，實驗結果發現超音波振動作用時，材料之降伏應力 會產生降低現象，如圖 1-3 所示。且金屬在塑性成形時，其材料塑流應力 大為減少，此現象稱為 Blaha effect。後來 Langenecke【2】又針對鋁、銅、

鋼等多晶材料進行超音波在金屬變形特性的影響，實驗證明超音波振動 能量增加，材料塑流應力隨之降低，且認為以差排理論與機械波動理論 無法合理去解釋超音波應力波與差排之互相影響，因此他只針對實驗結 果現象作一些描述與預測。對於降低塑流應力的原因，Nevill【3】不認 同 Kempe 等人所提出的差排吸收振動能量的三種可能機制假設：（1）共 振機制（2）鬆弛機制（3）遲滯機制。認為塑流應力降低是由於靜態應 力和交變應力交互作用產生，因此提出應力重疊機制之假設。所以 Blaha effect 之機制至今尚未有普為接受之理論解釋。

Pohlman【4】則是最早進行超音波振動對於摩擦力影響之研究，利

用如同唱針於唱片之旋轉台裝置，測試超音波對摩擦力之影響。如圖 1-4 所示，將一個球放置於迴轉平板以不同方向施加超音波振動，實驗得到 當振動體的接觸面在振動方向與摩擦力方向平行，且在最大振幅時，降 低之摩擦力最大。Siegert【5】則對超音波振動作用下，金屬成形摩擦的 可能影響及成形部份之表面品質改善進行研究。由實驗結果，認為振幅 與抽拉速度為降低摩擦力主要影響參數，對於表面粗度的改善，同樣受 抽拉速度及振幅之影響。Lucas【6】則利用振動的適應性與靈敏度分析 技術去評估模具超音波模態，進行超音波振動模具改良設計。

目前應用超音波振動於成形加工之研究，在抽拉成形加工方面，

Severdenko【7-8】將超音波振動應用於鈦、鎳合金、不銹鋼之線材抽拉 與超音波徑向振動對抽拉模具幾何形狀影響之研究，研究發現超音波振 動所需的抽拉力減少，其原因並非只有摩擦力降低所導致，尚有塑流應 力的降低。而超音波振動作用時，模具角半徑小時，提高的極限抽拉比 較大。Siegert【9】將超音波振動應用於線材抽拉成形之研究，研究中以 徑向超音波振動方式探討抽拉速度及振幅對於抽拉應力之影響，實驗證 明由於超音波振動的作用使得抽拉力減少、抽拉速度可較傳統抽拉快，

因此適當控制抽拉力、振幅及抽拉速度，可以達到傳統抽拉成形無法達 到之材料成形界限。Murakawa【10-11】同樣對超音波振動於線材抽拉成 形進行研究，分別對傳統抽拉（convention drawing, CD）、軸向超音波振

動抽拉（axial ultrasonic-vibration drawing, AUD）及徑向超音波振動抽拉

（radial ultrasonic-vibration drawing, RUD）實驗比較，藉由不同潤滑劑、

振幅探討工件之表面條件及抽拉力來評估潤滑劑的選用，及CD、AUD和 RUD其頻率、振幅與臨界抽拉速度之關係。超音波置於金屬塑性成形時，

材料變形之阻力大為降低，而成品之品質與精度均相對提高。Hayashi【12】

提出一新的超音波振動線材抽拉成形方法，利用兩個分裂模具，分別施 加超音波振動進行圓形與方形線材抽拉成形，實驗結果得到經由此方法 抽拉成形的線材表面不會產生氧化層，其表面性質完整且形狀精密度高。

在板材彎曲成形方面，Tsujion【13-14】將超音波振動應用於金屬 板彎曲成形，研究中以V形彎曲振動模具對金屬板進形彎曲實驗，實驗發 現當靜壓力相同下，超音波之振幅增加其金屬板可彎曲角度隨之增加，

且金屬板之回彈角度減少。另外也對超音波振動於彎曲成形時之加工硬 化、彎曲表面粗糙度及曲率半徑影響之研究，並證明超音波振動下，使 加工硬化、彎曲表面粗糙度降低而彎曲部份之曲率半徑增加。在深引伸 成形方面，Jimma【15】將超音波振動應用於軸對稱之板材深引伸，研究 中在超音波振動作用下，可使304不銹鋼之極限引伸比（LDR）由2.38增 加至2.77，超越了沒有摩擦之理想模具深引伸時，極限引伸比（LDR）為 2.7之理論值的界限。而造成LDR的提高原因，乃由於超音波振動使得摩 擦減少及塑流應力降低（Blaha effect）。Buckley【16】將超音波振動應用

於管材抽拉，研究中分別設計超音波振動作用於模具與心軸兩種不同超 音波振動管材抽拉設備，同時以實驗比較其抽拉速率，評估設備的可用 性。Jin【17】則將超音波振動應用於管材抽拉、引伸成形，研究中對不 同潤滑劑在徑向振動作用時之影響，並對超音波振動在極限壁厚減縮比 間影響、成形精度和表面粗糙度進行探討，驗證在超音波振動下，極限 壁厚減縮比、成形精度、提高，且表面粗糙度降低。

而運用有限元素法對超音波振動於成形加工之模擬分析方面，則 有Petruzelka【18】利用VISIOPLAST這套軟體對超音波振動於管材抽拉 成形進行模擬分析，研究中以心軸位置在縱向超音波振動波形之固定振 動回路振動節點、反節點及非節點位置，分析抽拉期間傳統與有超音波 振動其材料流動率、變形率、變形、應力及塑性力分佈改變較大之區域。

Jin【19】則利用DEFORM-2D和DEFORM-3D對超音波振動線材抽拉成形 進行模擬分析，研究中以徑向超音波振動抽拉（RUD）及軸向超音波振 動抽拉（AUD）模擬分析，模擬結果其抽拉力和加工硬化的減少、抽拉 線內部之應力與應變分佈均與實驗值接近。

另一方面，Huang【20】在端面壓縮試驗中，將超音波振動以同軸方 向作用在成形模具上，並以塑性黏土替代高溫金屬進行實驗，模擬金屬 於高溫下超音波振動成形行為，實驗結果證實材料成形應力明顯降低，

並推測其原因為應力疊置以及超音波作用的介面溫度上升，使摩擦係數

改變，進而降低介面摩擦力。