材料加工製程

Dieter

[43]在 Mechanical Metallurgy 書中，且 Laue 與 Stenger 在 Extrusion

Processes, Machinery, Tooling 書中[44]均曾介紹多種管狀擠型方法，強調擠型是製造無 縫管管材極佳方法，更可應用在難於成形加工的金屬。Mannesmann mill 的方法雖廣泛 運用在鋼和銅胚料的製管方法，由於侷限於 KCAEP-350E 型號擠型機盛錠筒與出口設 備之限制，是無法在製程上使用二個彼此成一角度的桶形驅動輥輪來製造管材，同時從 Dieter [43]一書中明確得知，Mannesmann mill 方法無法提供足夠大的管壁減少量和伸長 量來製造管子，所以類似的方式，如 Assel 輥軋法、三輥輪穿孔軋管法(three-roll piercing machine method)等，都無法適用在本實驗機型上。再者本實驗室的簡易單道擠型機，盛 錠筒重量高達 200 ~ 300 公斤固定於機台上，為了安全設計是絲毫無法移動，且盛錠筒 開口孔徑祇有 65 mm，因此最常應用在鋁、鎂合金擠型的無心軸多孔拔模(porthole die) 方法，將施以強大壓力致使胚料被強擠而通過多孔型模，產生分離流束的變形，來繞著 中心橋式孔型模，而在模內匯聚接合的製管流程，同樣是遭遇到擠型機台限制而無法運 用。

若利用空心軸胚料來擠製管材，雖可運用機械加工方式先行鑽孔或車削來完成所 需，但孔之口徑在加熱期間會氧化，同時無法達到材料晶粒細化之目的，使用此方法則 祇是在進行機械製造，根本不需使用到擠型機，與本研究主題背道而馳。鑑此，本實驗 運用材料力學理論中的懸臂樑載重模式[126]，考量推桿承座是固定於機台上，絕對不 能移動，而推桿是如同樑的分佈載重作用，在設計上必須考量擠型過程中推桿強度必須 能承受高壓立即安全性之問題，故推桿材料選用依據標準機械設計圖表便覽書中資料，

詳察得知[127]，由於 AZ31 鎂合金必須施以 250 ~ 400 ^oC 的溫度來進行細化製成擠製，

故針對擠型用途來選用熱作金屬模的工具鋼材，所以本實驗選用 SKD61 工具鋼並經熱 處理，硬度達 HRC 48~50 當作擠製推桿，其跨深比(spandepth ratio)誤差小，可擠製一 體成形加工的 AZ31 無縫管材。同時將推桿前端以機械加工方式，曲率厚度需足夠來支 撐擠壓過程的強度，所以車製 57 mm 長、半徑減縮 12.25 mm 的厚度，及在外徑車製 37.5 mm 的螺紋。見圖 2-5，用來配合自行設計的穿孔心軸模具(piercing mandrel die)，

穿孔心軸模具的材料同樣選用為 SKD61 工具鋼並經熱處理一體成形，如圖 2-6 所示，

重量 2.1 kg，硬度達 HRC 48~50，經過數次實驗與改良，符合 KCAEP-350E 型號擠型機 之現有條件，穿孔心軸直徑為 25 mm，長 112 mm，並有穿孔心軸頂部有特殊圓弧設計，

以防止緩衝模具斷裂、卡死或難以退模等棘手問題。圖 2-7 為自行設計的推桿與穿孔心 軸模具組合裝置於擠型機模座上照片，而圖 2-8，是管材出口成形的模具組，模孔大小 與管材外徑相同為 30 mm，材料同樣選用為 SKD61 工具鋼並經熱處理，硬度達 HRC 48~50，其中有圓弧溝槽部分，是為配合螺栓固定管材出口成形的模具組於擠型機模具 上而設計的。

茲因擠型推桿重達 9.5 kg，只單靠推桿模座之單向固定，容易造成裝設無法在中心 線上，模座夾持推桿之形式宛如機械加工法中的車床加工，然而盛錠筒位置是不變的所 以設計了如圖 2-9 的校正頂心[128]，由左向右放入盛錠筒中，並搭配擠型機滑軌寬 93 mm，自行設計重量 4.1 kg 的滑塊如圖 2-10，放置在滑軌上，同時上面吸附改良式的量 錶，桿長 40 mm，專用來校正推桿裝置的真直度，及中心線的維持，組合圖如圖 2-11 所示。

2.2.2 管材擠型 (Tube extrusion)

所採用的熱機處理方式是採用熱擠製來達到晶粒細化的目的，並降低材料內部的 空隙，更進一步提高材料的機械性質。將購得的材料車製成直徑 65 mm，高度 45 mm 的圓柱體，材料要放置於擠型機前，在擠型模具上噴上氮化硼(BN)，以減少擠型時材料 與模具之間的摩擦力。擠型出來的材料為 AZ31 管材，其擠型比為 15.4：1，擠型後的 管材外直徑為 30 mm，內直徑為 25 mm，管壁壁厚為 2.5 mm。針對 AZ31 材料進一步 了解固溶型材料管狀成形後材料變形情形與棒材、片材之差異。在 250 ~ 400 ^oC 的溫度 之間進行擠製。本實驗時之前所擠製的棒材及片材，均無探討擠型速率的變化所得的材 料有無變化之研究，故而本實驗特別在擠型機上加裝速率指示(speed indicator)，配合輸 出功率旋鈕(power output controller)見圖 2-12 所示，分別以 6 s、125 s、500 s、1100 s 四種不同擠製完成時間的擠型速率，來研究其管材由於擠型成形速率不同，其晶粒細化 程度有何差異。

擠型比(Extrusion ratio, ER)定義為 ER = A₀/Af，其 A₀為最初的截面積，A_f最後的截 面積，擠型比如下：

ER=(65/2) ²

π

：

[(30/2)

²

π−(25/2)

²

π]

=15.4：1 ， （32）

真實應變量(true strain) ln(ER) = 2.7 ， （33）

管材擠型操作步驟：

1. 將直徑 65 mm，高度 45 mm 的 AZ31 圓柱體胚料放進盛錠筒。

2. 裝置擠型推桿於推桿模座上，並鎖上穿孔心軸模具於前端。

3. 放上滑塊在滑軌上，同時上面吸附量錶，校正推桿裝置的真直度，及中心線。

4. 放入出口成形的模具組於模座上，並以螺栓固定。

5. 將擠型機的溫度控制器設定在欲達到之溫度。

6. 等候加熱時間 4 h 完成，啟動主缸前進，調整輸出功率旋鈕來控制擠型速率。

7. 退模，待溫度降至室溫，切斷管材並取出。

在文檔中 AZ31 鎂合金之管材擠型與液壓鼓脹成形研發 Tube Extrusion and Hydroforming of AZ31 Mg Alloys (頁 60-64)