管材液壓成形模具設計與製作

本實驗所使用的液壓成型機台，是本校機械與機電工程學系黃永茂教授實驗 室，自行設計製作的室溫液壓鼓脹成形試驗機，其成形系統設備組合圖見圖 2-14[59]，

主要分為四大系統，第一為管材液壓鼓脹試驗機台(圖 2-14 中編號j)、第二為幫泵動力

設備(圖 2-14 中編號k)、第三為利用帕司卡原理設計的 1 比 4 增壓器(圖 2-14 中編號l)，

高壓液體供應幫泵最大產生壓力為 350 kgf/cm²，可達 1000 大氣壓，液體從幫泵產生經 由增壓器就能產生 1400 kgf/cm²之高壓液體。油壓增壓器係由二個不同斷面積之同軸油 壓缸所構成，1 比 4 增壓器增壓作動示意圖[59]見圖 2-15，流體輸入側之直徑 d1 =120 mm，高壓流體輸出側之直徑 d2 = 120 mm，入口壓力 P1 = 350 kgf/cm²，故可有 4 倍之 增壓，出口壓力則可達到 1400 kgf/cm²。

第四系統為 1/2 頓小型吊車(圖 2-14 中編號m)等組成之固定管長液壓鼓脹試驗系 統。圖 2-16 (a)試驗機台組立示意圖，而 2-16 (b)為組立圖外貌照片

[59]

，其中編號○¹ 是 上封蓋板、編號○² 是下封蓋板、上、下封蓋板，如圖 2-16 (a)的(4)及圖 2-16 (b)的○¹、○² 所示，係為結合上、下固定模及胴身之用，主要以當管材受壓鼓脹時不致發生撓曲為設 計原則。下封蓋板並有洩油孔之設計，當管材完成實驗鬆開優力膠後，機台內剩餘之液 體可由此孔流入回收桶，如編號○⁸ 是洩油孔，而編號○⁹ 是液壓油回收桶。

編號○³ 是胴身，如圖 2-16 (3)所示，其主要功能有二：1. 做機台上、下封蓋板結合 之用。2. 可避免管材在因高壓液體鼓脹變形而產生爆裂時，液體大量外流或瞬間噴出 而造成之危險。胴身上並有可觀察管材鼓脹情形之透明壓克力視窗，如編號○⁴ 是透明壓 克力視窗，編號○⁵ 是管材鼓脹高度輔助量測規，其元件見圖 2-17[59]，考慮管材於受高 壓鼓脹而至破裂時，洩出之液體容易損壞長度量測規(dial indicator)，因此，沿用黃永茂 教授實驗室的輔助量測機構，其固定於機台胴身上，如圖 2-16 (b)的n，用以輔助量測 管材鼓脹高度之用。此外，為避免管材於鼓脹變形時，最大鼓脹高度點不是在管材中點，

因而我們在輔助量測機構前端加上直徑 20 mm 圓盤之設計，輔助量測工具之組件是以 螺栓方式結合。

編號○⁶ 是液壓壓力規(pressure gauge)、編號○⁷ 是 0.001 mm 精度的長度測量規(dial indicator)。

黃永茂教授實驗室的室溫液壓鼓脹成形試驗機之設計，係以成形 2~ 5 英吋(510

~127 mm)鋁合金管材作為主要考量，最大設計壓力為 100 MPa (約 1000 大氣壓)，可承 受 280 KN 之分離力，有結構簡單、重量輕盈(約 400 kg)、成本低廉及工作能力頗具彈

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ^MPa

a P b

a b

t

100 120

2 / 6 2 / 20

2 / 6 2 / 20 2

/ 2

/

2 / 2

) /

(

_{2 2}

2 2

2 2

2 2

.

max

× =

−

= +

−

= + σ

性等之特色。但本實驗所擠製出的 AZ31 管材外直徑只有 30 mm、內直徑 25 mm，只有 固定模相同如圖 2-18[59]，無法使用其他主件，故須重新設計液壓鼓脹成形的主要組件 包括有上、下進油管、嵌管模、嵌管模高度墊圈與進油管長度墊圈、優力膠、連結墊圈 等，如下說明：

(1) 上、下進油管：

上、下進油管，如圖 2-19 所示，為高壓液體流入試驗機台之路徑，亦是本實 驗機台於管件受管內液壓鼓脹成形過程中，管材未達破壞前試驗機台最主要之承受壓力 部份，可謂是本試驗機台最重要之組件。考慮此進油管在反覆實驗承壓情況，仍不致有 破壞變形之產生，本進油管採用材質 SNCM8 之鎳鉻鉬鋼鋼材，HRC 38~40，由標準機 械設計圖表便覽[127]，可查得其降伏強度為 90 kgf/mm² (882.9 MPa)以上。再者，因市 場上材料品質並不穩定，因此我們使用較大之安全係數(n=2)，根據厚壁理論[130]，管 壁應力與內部應力之關係可得：

， (38)

( ) σ

r _max.

= − ^P = − 100 ^MPa

， (39)

其中

σ

_t為切線方向之應力，

σ

_r為厚度方向之應力，a 為進油管之內徑，b 為進油管之最 小外徑，P 為本試驗機台之最大設計壓力，由 Tresca criterion[131]：

( ) ( )

r

MPa

t

y 110

2 ) 100 ( 120 2

. max .

max

− = − − =

= σ σ

σ

， (40)

故可知材料之選擇符合彈性限之要求。

(2) 嵌管模：

為配合 AZ31 擠型管外徑，本實驗所使用之嵌管模設計具有入模圓角，本嵌管模材 質採用 SNCM8 之鎳鉻鉬鋼鋼材，由標準機械設計圖表便覽[127]，可查得其降伏強度為 90 kgf/mm² (882.9 MPa)以上，HRC 38~40，如圖 2-20 所示，上下對稱，入模圓角 5 mm，

模具內徑 30 mm。

(3) 嵌管模高度墊圈與進油管長度墊圈：

本實驗係針對 AZ31 所擠製出的管材，只取中、後段 188 mm 的長度，並以固 定鼓脹中心部份 40 mm 的自由鼓脹長度來進行研究，鼓脹長度亦為影響管材成形之重 要參數，為達到 AZ31 管材鼓脹長度之高度，同樣選擇 SNCM8 之鎳鉻鉬鋼鋼材，HRC 38~40，製成外徑 160 mm、厚度 10 mm 的嵌管模高度墊圈，其尺寸示意圖及實體照片

見圖 2-21 所示。

由於上、下封蓋板的距離為 200 mm 是固定不動的尺寸，在欲鼓脹長度之調整，

需憑藉各種不同尺寸的進油管長度墊圈，套入上、下進油管設定鼓脹長度，如圖 2-22。

以確保管材鼓脹長度是實驗的需求。本實驗採用將固定模、嵌管模、高度墊圈及長度墊 圈分開製作之設計，其可有效減少製模成本，及縮短更換模具的時間。

(4) 優力膠(Elastic rubber)：

優力膠，如圖 2-23 所示，內徑 20 mm 配合上、下進油管徑大小，而外徑分別為 24 mm 與 26 mm，用來配合 2.5 mm 及 1.3 mm 壁厚的管材尺寸。其主要功能為做密封管材 兩端之用，藉由上、下進油管因螺帽緊鎖而對優力膠產生軸向壓力、致使優力膠發生徑 向擴張變形即產生側向膨脹，使得優力膠在高壓液體注入之初，能密實填充於進油管，

及管材之間而達到密封之目的。然待管材充以高壓後，高壓液體的作用會撐開上、下進 油管使優力膠產生大量之變形，以致管材在高壓狀態仍能保持良好之密封效果。甚至異 種材料擠型或多孔穴管件之液壓成形也是工業界之最愛。復原性強，耐油及無毒等優點

是採用優力膠做為密封材料之主要原因，優力膠受力示意圖見圖 2-24。

(5) 連結墊圈：

室溫液壓鼓脹成形試驗機的胴身及上、下封蓋板都是已經固定的尺寸，然而本實驗 的 AZ31 管材外直徑祇有 30 mm，無法放置於液壓鼓脹成形試驗機上進行液壓鼓障之成 形加工，故需自行設計可連結上、下封蓋板與上、下進油管的配合墊圈，同時必須達到 鎖緊螺帽後不得產生洩油之現象，如圖 2-25 所示。

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 65-69)