第五章 超音波振動於端面壓縮之摩擦影響
5.5. 結果與討論
超音波振動於端面壓縮，其降低成形應力的效應非常複雜。
在第四章研究中，已推論降低材料塑流應力的機制，應由差排吸 收超音波能量、應力重疊與介面摩擦力降低交互作用產生，非由 單一效應所造成。由超音波振動修正壓縮實驗結果顯示，當排除端 面摩擦力之效應後，超音波振動作用下，仍能有效降低材料成形應 力，如圖 5-5 所示。所以介面摩擦效應的降低應不是超音波振動降低 成形應力的主要機制。另外修正壓縮實驗結果顯示，因超音波振動造 成成形應力降低之效應，等效於將材料溫度上升至 150 ~200 降 低之應力。此結果顯示，當振動能量被材料吸收時，成形應力的降低 與材料的溫度的增加有關。
oC oC
雖然材料吸收超音波振動能量會造成溫度上升，但由間接 溫度量測所得之溫度（40 ~50） 與修正壓縮實驗結果推論的 溫度（150 ~200 ）可發現兩者有差距。推論造成此差距的原 因，應與材料的溫度上升速率與熱傳速率有關。當超音波振動作用 時，試片吸收超音波振動能量，模具與試片間之介面局部溫度瞬間升 高。由於熱傳影響，鋁合金雖具有良好的熱傳導性，但相對的也具良
oC oC
oC oC
好的散熱性，所以當介面而溫度上升時，試片表面同時會對外散熱，
所以試片內會有溫度梯度的發生。因此以間接和區域平均的溫度量測 時，溫度會低於實際溫度，且試片之介面溫度會高於其他位置的溫度。
圖 5-14、5-15 所示，內徑減縮率隨溫度上升增加，且 AURC 的摩擦因子的值均會出現超過 1 的不合理現象。此不合理現象顯 示 ， 超 音 波 振 動 所 產 生 的 介 面 摩 擦 效 應 的 影 響 ， 高 於 CRC 在 200 的溫度時。推論其原因，(1)由於環壓縮試片的體積較修正 壓縮試片小，單位體積吸收超音波振動的能量較大，且散熱面積 較小，導致試片的溫度上升會較高於，所以環壓縮實驗實際的材 料性質，與模擬分析時的材料性質也不同。(2) 超音波振動作用 下，其介面附近的溫度會較試片其他位置高，因此，在介面的摩 擦因子也會較高。
oC
由於受限於現有超音波振動設備的功率較小，所以實驗只能 以較小尺寸的試片進行。以及現有的溫度量測設備的溫度量測焦 點直徑較大之限制，目前本研究只能以間接與區域平均的溫度量 測取得超音波振動產生的溫度效應資料。對於實際試片的溫度場 分佈與介面的溫度上升，其量測則還有些困難。因此在未來研究 中，將採用功率較大的超音波振動設備，進行較大尺寸試片的實 驗與更精確的超音波振動溫度量測法進行研究，探討實際試片的
溫 度 場 分 佈 與 介 面 的 溫 度 上 升 ， 藉此 釐 清 超 音 波 振 動 的 溫 升 關 係。進一步確立超音波振動於端面壓縮的機制。
本章與前章的超音波振動端面壓縮研究中，實驗結果顯示，
由於模具與工件接觸面之相對速度趨近零，材料吸收超音波振動 能量集中使溫度上升，而增加介面摩擦因子【26】。但超音波振 動 對 材 料 溫 度 上 升 的 效 應 遠 高 於 振動 引 發 之 介 面 摩 擦 力 增 加 效 應。所以下一章研究主題，將以加工特性與端面壓縮差異大的抽 拉製程，進行超音波振動鋁線抽拉成形之研究，探討模具與工件 接觸面之相對速度不為零時，超音波振動方向平行和垂直於工件 運動方向，超音波振動對抽拉成形所產生摩擦的影響。進一步藉 由這兩種極端化的加工特性，分析比較模具與工件之相對速度對 超音波振動所產生機制的影響。
表 5-1 高溫修正壓縮實驗之材料性質與壓縮條件 試片材料 鋁合金 (A 6061)
模具材料 不銹鋼 (SUS304)
試片尺寸 φ6.0× 3.0mm, φ6.0× 4.0mm φ6.0× 6.0mm 潤滑劑
MoS
2壓縮力 500kg, 800kg, 1100kg, 1500kg, 1800kg 壓縮速率 1 mm/min
實驗環境溫度 25oC, 100oC, 150oC, 200oC
表 5-2 高溫環壓縮實驗之材料性質與壓縮條件 試片材料 鋁合金 (A 6061)
模具材料 不銹鋼 (SUS304) 試片尺寸 φ6.0× φ3.0× 2mm 潤滑劑 N/A
高度減縮率 10%, 20%, 30%, 40%, 50%
壓縮速率 1 mm/min
試驗環境溫度 25oC, 150oC, 200oC
表 5-3 有限元素分析模擬條件 環形試片 塑性變形體
模具 剛體
模擬模型 軸對稱模型 模擬分析軟體 DEFORM 2D 介面摩擦係數 剪摩擦因子
圖 5-1 單軸壓縮試驗試片發生桶狀外形之示意圖
y = -0.0093x + 0.1499 y = -0.0198x + 0.3402 y = -0.0245x + 0.4378
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
1 1.5 2
do/ho
Engineering Strain
5000N 8000N 11000N 15000N 18000N
(a) CC 之d0/ h0外差至為零的壓縮應變
y = -0.0243x + 0.4528
Engineering Strain
5000N
True Strain
True Stress, MPa
do/ho=0 do/ho=1 do/ho=1.5 do/ho=2
圖 5-3 CC 之真應力-應變圖
0
True strain
True Stress, MPa
do/ho=2
True Strain
True Stress, MPa
AUC CC
圖 5-5 CC and AUC 於 25oC，無摩擦條件之應力-應變曲線
do/ho=1 do/ho=1.5 do/ho=2 (a) CC 於 25oC，壓縮負荷 15000 N 之實驗結果試片實體圖
d
o/h
o=1 d
o/h
o=1.5 d
o/h
o=2
(b) AUC 於 25oC，壓縮負荷 15000 N 之實驗結果試片實體圖
d
o/h
o=1 d
o/h
o=1.5 d
o/h
o=2
(c) HCC 於 150oC，壓縮負荷 15000 N 之實驗結果試片實體圖 圖 5-6 CC、HCC and AUC 之試片實驗結果實體圖
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
True Strain
True Stress, Mpa
T=25-AUC T=25-CC T=100-CC T=150-CC T=200-CC
圖 5-7 HCC 於 25oC、150oC 和 200oC與 AUC 於 25oC，無摩擦條件 之應力-應變曲線比較圖
0%
Reduction in height
Reduction in inner diameter
CRC
Reduction in height
Reduction in inner diameter
T=25 T=150 T=200
圖 5-9 CRC 於 25oC 、150oC和 200oC之實驗摩擦校準曲線
(a) CRC 於 25oC
(b) AURC 於 25oC
(c) HRC 於 200oC
圖 5-10 CRC、HRC 和 AURC 之試片實驗結果實體圖
20% 30% 40% 50%
CRC
(a) CRC 於 25oC
50%
40%
30%
20%
AURC
(b) AURC 於 25oC
20% 30% 40% 50%
HRC
(c) HRC 於 200oC
圖 5-11 CRC、HRC 和 AURC 之試片實驗結果實體橫剖面圖
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%
Reduction in height
Reduction in inner diameter
AURC T=150 CRC T=200 CRC
圖 5-12 AURC 於 25oC, CRC 於 150 和 200oC之實驗摩擦校準曲線
圖 5-13 環壓縮試驗之 FEM 分析軸對稱模擬模型
-50%
Reduction in height
Reduction in inner diameter
m=0 m=0.1
m=0.2 m=0.3
m=0.4 m=0.5
m=0.6 m=0.7
m=0.8 m=0.9
m=1.0 CRC
AURC
Reduction in height
Reduction in inner diameter
m=0 m=0.1
m=0.2 m=0.3
m=0.4 m=0.5
m=0.6 m=0.7
m=0.8 m=0.9
m=1 T=200 HRC
T=25 AURC
圖 5-15 FEM 模擬與 CRC 於溫度 200oC實驗結果之摩擦校準曲線圖
(a) 薄翼緣之試片與薄膜型溫度感測器實體圖
Film thermocouple
Specimen of thin wing IR thermometer spot
(b) 溫度量測的實驗配置
圖 5-16 超音波振動於端面壓縮之溫度量測實驗
(a) d0/ h0=2，壓縮力為 11000 N 之溫度量測結果
(b) d0/h0=1.5，壓縮力為 11000 N 之溫度量測結果
(c) d0/h0=1，壓縮力為 11000 N 之溫度量測結果
(d) d0 /h0=1，壓縮力為 3000 N 之溫度量測結果 圖 5-17 AUC 之溫度量測結果
第六章 超音波振動抽拉與有限元素模擬
6.1. 前言
在第二章以模具與工件介面間距變動所造成的摩擦力改變摩擦向量 解釋超音波振動對於摩擦的影響，當超音波振動速度高於抽拉速度，
無論軸向超音波振動抽拉或徑向超音波振動抽拉時，每一振動週期，
模具與工件之間會產生分離的情形，使模具與工件介面間產生間距，
因此降低了整體摩擦力。此間距會隨模具與工件的相對速度與模具振 幅而改變。先前的超音波振動端面壓縮研究中，因超音波振動方向垂 直於工件運動方向，模具與工件之相對速度趨近零。所以在高壓縮力 下，模具與工件不會因超音波振動產生介面間距，「介面間距變動摩 擦效應」不存在。實驗結果顯示，超音波振動端面壓縮時，降低成形 力量的機制中，材料溫度上升的效應遠大於介面摩擦力效應，而且介 面摩擦因子增加。因此，本章之研究，將以加工特性與端面壓縮差異 大的抽拉製程，進行超音波振動鋁線抽拉之研究。並與日本工業大 學進行國際學術合作。由日本工業大學協助分別進行傳統抽拉、軸 向超音波振動抽拉與徑向超音波振動抽拉實驗，取得抽拉速度與抽拉 力兩者之間關係的資料。
一般線材抽拉成形時，其模具與工件之切線相對速度為一般 成形加工中最大者，其抽拉速度可高至 2000mm/s。而抽拉速度
與抽拉力為此製程中最重要的加工參數，其中抽拉力又受介面摩 擦力的影響很大。所以在抽拉成形時均會使用潤滑劑，降低介面 摩 擦 來 增 加 成 形 性 。 但 隨 著 難 加 工材 料 出 現 與 潤 滑 劑 的 環 保 問 題，增加抽拉成形困難點。
目前超音波振動抽拉成形相關研究中【36-40】，經由實驗結 果證明超音波振動能有效改善介面摩擦條件及降低抽拉力，且均 認為抽拉力降低的主因，是由於介面摩擦力降低所造成。因此，
有 些 研 究 嘗 試 以 理 論 解 析 探 討 超 音波 振 動 抽 拉 之 抽 拉 力 降 低 和 潤滑特性改善的機制【41-42】。
由於超音波振動產生的機制在高速發生，很難經由傳統實驗瞭解 超音波振動改善的機制。且抽拉製程中模具與工件之相對速度相當 快，而材料通過振動模具的時間短。所以材料吸收超音波振動能量 少，使材料溫度上升有限。因此研究中可不考慮材料溫度上升的效 應，利用了有限元素模擬分析，分別進行軸向超音波振動抽拉(AUD) 與徑向超音波振動抽拉(RUD)之成形模擬，嘗試去瞭解超音波振動抽 拉成形之抽拉力降低和潤滑特性改善的機制，克服實驗量測之困難 點。同時，以不同的抽拉速度與振幅進行控制變數模擬，觀察其交互 間的影響及對成形力的影響；並利用實驗結果來驗證模擬結果，建立 有效之模擬模型。進一步分析探討模具與工件之相對速度不為零時，
超音波振動方向平行與垂直於工件運動方向對超音波振動抽拉成形 所產生摩擦的影響。