超音波振動於高溫端面壓縮之機制

依文獻，超音波振動可能產生機制有，(1)降低材料塑流應 力。(2)摩擦力降低。(3)溫度上升。在降低材料塑流應力之原因：

一般認為可能為，(1)差排因共振吸收能量而克服能障。(2)差排 自 外 加 週 期 應 力 吸 收 能 量 而 脫 離 束 縛 能 障 。 (3)材 料 內 摩 擦 效 應。(4)靜態應力與交變應力的應力重疊效應。而超音波振動應 用於金屬成形加工所產生的效應相當複雜。除降低塑流應力外，

還需考慮摩擦效應與材料溫度上升。如抽拉與引伸時，其摩擦效 應較為顯著。

本 章 研 究 主 題 ， 主 要 針 對 超 音 波 振 動 於 高 溫 端 面 壓 縮 的 影 響，經由實驗結果初步推論，在此製程中，因一般差排環的自然 頻率約為 100 MHz【23】，研究中超音波頻率為 20 kHz，所以差 排因共振吸收的能量小，對於塑流應力降低影響不大。由圖 4-2

（b）所示，超音波振動效應所降低壓縮力隨變形量增加而增加，若 超音波振動所造成塑流應力降低是由應力重疊的效應，其降低的壓縮 力應為定值，且不會隨變形量增加，所以推論塑流應力的降低不是只 有應力重疊機制。

由圖 4-7（c），超音波振動效應所降低壓縮力隨溫度增加而減少。

初步推論其原因：(1)材料在高溫下潛變特性逐漸增加，變形機構與

常溫時不太相同，其塑流應力隨溫度升高而降低。所以超音波振動作 用時，隨溫度升高其彈性亦隨之減少，以致超音波振動能量被材料吸 收降低，造成超音波振動效應降低原因。(2)超音波振動使模具與試 片間之介面局部溫度升高，超音波能降低之摩擦力效應減少。

實驗結果，不同之應變速率對於超音波振動降低壓縮力之效 應，沒有顯著的影響。推論其原因，可能由於端面壓縮成形時，應變 速率對於模具與工件之相對速度產生的影響小，以致應變速率對於超 音波振動的介面摩擦效應影響小。另一方面，由於受限於超音波振動 設備無法長時間運作，目前本研究只能進行兩種應變速率之實驗。因 此超音波振動與應變速率相依性尚無定論。在未來研究中，將針對更 多應變速率實驗，進一步探討超音波振動與應變速率之關係。

本章研究中，已探討超音波振動對鋁合金端面壓縮之影響與在 不同環境溫度、應變速率之間的關係。實驗結果顯示，降低成形應 力的機制，乃由應力重疊、吸收超音波能量與介面摩擦力交互作 用產生，非單一效應所造成。因此下一章研究，將探討超音波振 動對於端面壓縮的摩擦影響，並進一步釐清降低成形應力的機制及 瞭解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 4-1 材料與高溫端面壓縮實驗條件 試片材料 鋁合金 (A 6061) 模具材料 不銹鋼 (SUS304) 試片尺寸 φ6.0× 6.0mm

潤滑劑 N/A

高度減縮率(R) 66.7%

真應變速率 (

ε

_{& )} 0.003 1/s, 0.03 1/s

試片溫度 25^oC, 100^oC, 200^oC, 250^oC

表 4-2 超音波振動條件

振動方向 振動頻率(f) 振幅(a) (P-P)

CU N/A N/A N/A

AUU 軸向 20kHz 5.6μm

超音波振動系統

高溫爐

熱壓機平台

圖 4-1 超音波振動高溫壓縮實驗設備

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

2.4 2.8 3.2 3.6 4

Displacement, mm

Compressive force, N

Strain rate=0.03 1/s, CU

Strain rate=0.03 1/s, AUU

（a） T=25^oC，CU 與 AUU 之負荷位移圖

0

Displacement, mm

Reduced Compressive Force, N

Strain rate=0.03 1/s

（b）T=25^oC，壓縮力降低量與位移圖

Displacement, mm

Compressive Force, N

Strain rate=0.03 1/s, CU Strain rate=0.03 1/s, AUU

圖 4-3 溫度 100^oC， CU 與 AUU 之負荷位移圖

0

Displacement, mm

Compressive Force, N

Strain rate=0.03 1/s, CU

Strain rate=0.03 1/s, AUU

圖 4-4 溫度 200^oC， CU 與 AUU 之負荷位移圖

Displacement, mm

Compressive Force, N

Strain rate=0.03 1/s, CU

Strain rate=0.03 1/s, AUU

(a) T=250^oC，CU 與 AUU 之負荷位移圖

0

Displacement, mm

Reduced Compressive Force, N

Strain rate=0.03 1/s

（b）T=250^oC，壓縮力降低量與位移圖

Displacement, mm

Compressive Force, N

T=25, CU T=25, AUU T=100, CU

(a) T=25^oC，CU 及 AUU 與 T=100^oC時 CU 負荷位移比較圖

0

Displacement, mm

Compressive Force, N

^{T=100, CU}

T=100, AUU T=200, CU

T=100^oC，CU 及 AUU 與 T=200^oC時 CU 之負荷位移比較圖

Displacement, mm

Compressive Force, N

^{T=25, CUT=100, CU}

T=200, CU T=250, CU

(a) CU 在各溫度之下負荷位移比較圖

0

Displacement, mm

Compressive Force, N

_{T=25, AUU}

T=100, AUU T=200, AUU T=250, AUU

(b) AUU 在各溫度之下負荷位移比較圖

Displacement, mm

Reduced Compressive Force, N

T=25 T=100

T=200 T=250

(c)各溫度超音波振動效應降低負荷位移之比較圖

0

Displacement, mm

Compressive Force, N

Strain rate=0.03 1/s, CU

Strain rate=0.03 1/s, AUU Strain rate=0.003 1/s, CU Strain rate=0.003 1/s, AUU

圖 4-8 溫度 25^oC，不同速率下 CU 與 AUU 之實驗結果圖

Displacement, mm

Compressive Force, N

Strain rate=0.03 1/s, CU

Strain rate=0.03 1/s, AUU Strain rate=0.003 1/s, CU Strain rate=0.003 1/s, AUU

圖 4-9 溫度 250^oC，不同速率 CU 與 AUU 之實驗結果圖

-1500

Displacement, mm

Fd, N

T=25, CU T=100, CU T=200, CU T=250, CU

圖 4-10 CU 在不同速率，壓縮力差值與位移比較圖

Displacement, mm

Fd, N

T=25, AUU T=100, AUU T=200, AUU T=250, AUU

圖 4-11 AUU 之壓縮力差值與位移比較圖

第五章 超音波振動於端面壓縮之摩擦影響

在文檔中 超音波振動於鋁合金成形加工的摩擦效應研究 (頁 70-81)