超音波降低摩擦力之機制

成形加工時施加超音波振動，會降低成形加工應力，許多相關研 究推論，將降低成形應力原因歸於成形時摩擦力的降低。先前已提到 Pohlman 由實驗發現振動方向與摩擦力平行且振動質點速度大於接 觸速度時，降低摩擦力效應最為顯著。Mitskevich【24】首先提出超 音波振動降低摩擦力的理論模型。Mikhenlman【25】則於一平面施加 超音波，觀察物體在此平面的運動摩擦係數變化情形，認為由於表面 溫度上升使得介面之摩擦係數改變。因此造成摩擦力改變原因，依推 論應由於超音波振動造成摩擦係數的改變與模具與工件之介面間距 的改變兩大類。

2.3.1. 超音波對介面摩擦係數影響

一般改變介面摩擦係數的情況有：（1）介面加入潤滑液。（2）介

面潤滑液的活性化。（3）接觸介面局部軟化或熔解。其中加入潤滑液 與潤滑液活性化兩種情況，與超音波振動無相關性，所以不予討論。

Rudkins【26】以高溫環壓縮實驗，觀察高溫下摩擦係數變化，

實驗證明摩擦係數隨溫度增加而增加。因此可推論由於超音波振動作 用，有可能使接觸表面產生高速摩擦，造成接觸表面溫度局部升高。

以致於接觸表面局部軟化而改變介面摩擦係數。

2.3.2. 超音波振動對摩擦的影響

另一類超音波振動影響摩擦的機制與模具與工件之介面間距改 變有關。Murakawa【11】曾分析於抽拉成形時，施加軸向與徑向超 音波振動於模具上，探討超音波振動對於摩擦機制的影響，如圖 2-4 所示。在分析過程中，Murakawa 等人假設抽拉線的材料性質為剛塑 性，因此抽拉過程中抽拉線材沒有彈性發生。所以當超音波振動在抽 拉方向的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。

由於徑向超音波振動抽拉時，超音波振動方向與抽拉方向垂直，

且受模具半模角的影響，所以超音波振動造成模具與工件介面間距的 變動相較軸向超音波振動抽拉為大，相對的其降低摩擦力的效應也較

大。此外，兩種超音波振動抽拉均存在一臨界抽拉速度，在此速度時，

完整的振動週期中，模具與工件間的無介面間距發生，所以其降低摩 擦力的效應將消失。為方便後續研究討論，在此先行定義本節所推導 出，因超音波振動產生模具與工件介面間距變動所造成的摩擦力改 變，稱之為「介面間距變動摩擦效應」。此效應由介面間距變動造成，

摩擦係數並無改變。

由於超音波振動作用於成形加工時，會產生摩擦力改變、材料塑 流應力降低、材料之物理與機械性質變化、及材料溫度上升等現象。

而且這些物理現象，在超音波振動作用於不同的成形加工製程時，各 機制的影響程度也不同，至今尚未獲得一致之解釋。其中介面摩擦力 改變原因，雖然上述說明超音波振動會降低介面摩擦力，而對於如端 面壓縮等接觸面之切線相對速度趨近於零，且正向壓力較大的製程 時，超音波振動對介面摩擦力效應則未曾有文獻的探討。另一方面，

超音波振動會使材料溫度上升。所以，介面摩擦力改變是因材料溫度 上升軟化或是由介面間距變動摩擦效應造成之整體摩擦力改變至今 亦尚未有定論；而塑流應力降低、材料之物理與機械性質，則是由差 排吸收振動能量或應力重疊效應所造成，亦仍有待釐清。所以不同之 成形加工應用，可能需以不同之機制解釋，進行全面性且有系統的研 究探討。

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圖 2-3 靜態應力（

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圖 2-4 軸向與徑向超音波振動抽拉示意圖

第三章 超音波振動實驗設備設計與製造