第五章 超音波振動於端面壓縮之摩擦影響
6.4. 模擬結果與討論
6.4.5. 超音波振動的振幅與介面間距之關係
圖 6-13 RUD 於振幅 1 μm、不同抽拉速度抽拉時，線材在振 動振幅於波峰與波谷時應力分佈圖，在模擬過程中，模具與工件 介面間，並沒有如 Murakawa 所提在剛塑性條件下，模具與工件 之間會產生介面間距情形。其主要原因為在模擬分析時，選用較 接近真實材料性質的彈塑性模型，因此模擬抽拉過程中抽拉線材 會有彈性行為發生，且超音波振動的振幅只有 1 μm，所以在大 部分情況下，超音波振動產生的介面間距會因彈性回復而消失。
雖然模擬時沒有出現介面間距，但可由圖中的應力分佈可以 發現，當模具振動方向指向線材的中心，其應力的分佈與 CD 所 得到的非常相似。另外當振動的方向指向遠離線材中心的方向，
其應力分佈則明顯減少。且當抽拉速度超過臨界抽拉速度時，其 應力的分佈與 CD 所得到的非常相似亦即不發生明顯變化。
圖 6-14 為振幅 10 μm、抽拉速度 30 mm/s 時，RUD 之線材 應力分佈圖。由圖中顯示，當模具振動方向指向遠離線材中心的 方向，模具與工件間有介面間距發生。所以模擬時，在超音波振
動的振幅較大且抽拉速度較慢的條件下，即使考慮彈塑性行為，
模具與工件間的介面間距仍有可能出現。
本章研究中，經由日本工業大學的協助分別以傳統抽拉、軸 向超音波振動抽拉與徑向超音波振動抽拉進行實驗。由於材料通 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。因此可不考慮材料溫度上升的效應，利用有限元 素模擬分析，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。由實驗與模擬結果顯示，於 AUD 和 RUD 兩種情 況下，其抽拉速度低於臨界抽拉速度時，抽拉力伴隨模具振動週 期而變動，且變動振幅隨抽拉速度減少而增加，而 RUD 之臨界 抽拉速度高於 AUD。當抽拉速度約與最大的超音波振動速度相 等 時 ， 超 音 波 振 動 作 用 的 效 應 將 消失 。 綜 合 本 章 與 前 兩 章 之 研 究，已成功藉由超音波振動抽拉與端面壓縮，完整的探討超音波 振動於成形加工的摩擦影響。且證實超音波振動在塑性加工時，
模具與工件之相對速度的大小與超音波振動方向關係，均會影響 超音波振動所產生的摩擦機制。將於下一章針對本論文所有研究 主題提出完整的結論。
表6-1 有限元素之模擬條件
75.73MPa 0.33
表6-3 超音波振動條件
振動方向 振動頻率(
f
) 振幅(a
) (0-P) CD None None None AUD 軸向 14.9 kHz 1, 10μmRUD 徑向 14.9 kHz 1, 10μm
Wire
Vd
RUD
AUD f,a
f,a Die
圖 6-1 AUD 與 RUD 之超音波振動線材抽拉成形示意圖
400 450 500 550 600 650 700
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Drawing force P (N)
Drawing speed Vd mm/s
CD
AUD
RUD
圖 6-2 CD、AUD 和 RUD 實驗結果之抽拉速度和抽拉力關係圖
圖 6-3 為超音波振動抽拉之 FEM 模擬分析模型
True Strain
True Stress, MPa
A1070-H
圖 6-4 抽拉線材料塑性性質
(b)
V
d = 1000 mm/s圖 6-5 為 CD 在不同抽拉速度之抽拉力模擬結果圖
600
500
400
300
200
100
0.0 0.10 0.20
Time (sec)
Drawing force P (N)
(a)
V
d = 30 mm/s600
500
400
300
200
100
Drawing force P (N)
0.0 0.002 0.004
Tim
0.006
e (sec)
(a)
V
d = 30 mm/s0.1075 0.1080
Time (sec)
550
500
450
Drawing force P (N)
0.10 0.
Time (sec)
Drawing force P (N) 400
300
200
100
0.0 20
500 600
(b)
V
d = 30 mm/s之抽拉力變動週期的詳細圖0.005 0.01 0.015
Time (sec)
0.02 600
500
400
300
200
100
0.0
Drawing force P (N)
(c) Vd = 300 mm/s
圖 6-6 AUD 於振幅 1μm，以不同抽拉速度之抽拉力模擬結果圖
0.05 0.15 0.10
Time (sec)
600
500
400
300
200
100
0.0
Drawing force P (N)
(a)
V
d = 30 mm/sDrawing force P (N)
600
500
400
300
200
100
0.0 0.005 0.01 0.015
Time (sec) 0.02
(b)
V
d = 300 mm/sDrawing force P (N)
600
500
400
300
200
100
0.0 0.006
Time (sec)
0.002 0.004
700
(c)
V
d = 1000 mm/s圖 6-7 RUD 於振幅 1μm，以不同抽拉速度之抽拉力模擬結果圖
350
0 200 400 600 800 1000 1200
Drawing force P N
(b)
V
d = 3000 mm/s圖 6-9 AUD 於振幅 10μm，以不同抽拉速度之抽拉力模擬結果圖
(a)
V
d = 300 mm/sDrawing force P (N)
600
500
400
300
200
100
0.0 0.001
Time (sec) 0.002
Time (sec)
0.005 0.0150.01 0.02
600
500
400
300
200
100
0.0
Drawing force P (N)
Drawing force P (N)
Drawing speed Vd mm/s 200250
300350 400450 500550 600 650700
0 2000 4000 6000 8000 10000
Drawing force P N
CD
AUD
RUD
圖6-11 CD、AUD 和 RUD 之抽拉速度和抽拉力關係圖
（振幅 10μm，FEM 模擬的結果）
(a) 傳統抽拉
146.7MPa
30MPa 30MPa
50MPa 65MPa
100MPa
Die
Vd
(b) 軸向超音波振動抽拉
100MPa
55MPa 130MPa
Die
,a f
146.7MPa
Vd
146.7MPa
13MPa
Vd
100MPa
100MPa
40MPa 80MPa 133MPa
Vd
146.7MPa Die
f, a
133MPa 106MPa
106MPa
80MPa 40MPa
Die
f , a
120MPa 93.3MPa
Vd
40MPa 80MPa
(a) 抽拉速度 30 mm/s
146.7MPa Die
f , a
Vd
133MPa
93.3MPa
40MPa
Die
f , a
120MPa
133MPa Vd
106MPa
80MPa 40MPa
(b) 抽拉速度300 mm/s
Vd
133MPa
146.7MPa
Die
f , a
106MPa 80MPa 40MPa
Die
f , a
146.7MPa
Vd
133MPa
106MPa 80MPa 40MPa
(c) 抽拉速度1000 mm/s
圖 6-13 RUD 於振幅 1 μm、不同抽拉速度之線材應力分佈圖
Die
f , a
146.7MPa
133MPa
Vd
133MPa
106MPa 80MPa
(a) 模具振動方向指向線材的中心
Die
f , a
106MPa 93.3MPa Vd
26,7MPa
67.7MPa
介面間距
(b) 模具振動方向指向遠離線材中心的方向
第七章 結論與未來展望