第五章 超音波振動於端面壓縮之摩擦影響
5.3. 高溫環壓縮試驗
5.3.1. 實驗程序
高溫環壓縮試驗的實驗程序說明如下。首先將超音波振動系 統與高溫真空爐架設於微電腦控制熱壓機平台。實驗試片放置於 上下平行模具之間，並施加 100 N 預力於環形試片後，先開啟加 熱控制裝置，當達到設定之溫度時，持溫 10 分鐘後進實驗。超 音波振動環壓縮實驗，則如同以上實驗步驟，且於實驗期間負荷 達 700 N 時，施加超音波振動於上模具。當完成壓縮後，將試片 由模具中取出，並量測變形後環形試片之內徑。
5.3.2. 實驗條件
表 5-2 為試片的材料性質與高溫環壓縮（hot ring compression, HRC）測試實驗條件。實驗中，試片的壓縮應變分別設定 10%、
20%、30%、40%及 50%等五種，高溫環壓縮實驗，其實驗時之 環境溫度分別設定為 150 及 200 。傳統環壓縮與高溫環壓實 驗之壓縮速度均以 1mm/min 的定速率，且整個實驗中沒有使用 潤滑劑。研究中的環形實驗試片，則採用典型環形試片比例，其
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外部與內部直徑分別為 6mm、3mm，高度為 2mm 的 A6061 鋁合 金 試 片 。 超 音 波 振 動 環 壓 縮 實 驗 ， 軸 向 的 振 動 頻 率 維 持 於 20kHz，其振動振幅設定為 5.6μm。
5.3.3. 實驗結果
圖 5-8 為傳統環壓縮（conventional ring compression, CRC）
與超音波振動環壓縮（axial ultrasonic-vibration ring compression, AURC ） 於 溫 度 25 之 實 驗 摩 擦 校 準 曲 線 圖 。 當 高 度 壓 縮 率 50%，CRC 與 AURC 其內徑減縮率分別為為 32.7%和 53.8%。圖 中清楚顯示，端面壓縮施加超音波振動時，其內徑減縮率增加的 原因，可能由於介面摩擦因子增加。
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圖 5-9 為環壓縮分別於溫度 25 、150 及 200 實驗之摩 擦校準曲線圖。圖中曲線顯示介面摩擦因子隨溫度升高而增加。
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圖 5-10 為 CRC、HRC 與 AURC 之試片實驗結果實體圖，如 圖 5-10（b）和 5-10（c）所示。在相同的壓縮率，HRC 與 AURC 其外部和內部的直徑均比 CRC 小。由於環形試片的內部直徑為 一個評估摩擦值的指標，所以證明 HRC 和 AURC 之實驗其摩擦 會增加。此外，由圖 5-11 之橫剖面的外觀顯示，AURC 於 25 試 片的變形型態與 HRC 於 200 之試片非常相似。
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如圖 5-12 所示，AURC 於 25oC的摩擦校準曲線與 HRC 於
200 很近似，因此環壓縮試驗於 25 時，施加超音波振動下的 摩擦條件與於 200 無超音波振動時非常相似。此結果與先前的 修正壓縮實驗中，超音波振動下降低成形應力之效應與溫度升高 150 無超音波振動相當的推論有所不同。造成此不一致結果的 原因，可能起因於環壓縮試驗中的試片較修正壓縮試驗中的試片 小。所以在環壓縮試驗時，材料單位體積所吸收的超音波振動能 量較高，以致試片溫度增加會較高。
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5.3.4. 環壓縮之有限元素模擬
環壓縮基本上為軸對稱問題，所以各條件下的摩擦刻度曲線，
可利用有限元素分析軟體 ”Deform 2D”模擬分析取得。圖 5-13 為研 究中所用的軸對稱 FEM 分析的模型，表 5-3 為分析所用的模擬條件。
在三種設定溫度 25 、150 及 200 下進行環壓縮模擬分析。在 HRC 模擬時，試片的變形模式設為剛塑性，模具假設為剛體。模擬 分析時所需的材料性質，是由修正壓縮試驗於不同溫度實驗所取得的 應力-應變關係。模具與試片間的介面摩擦則採用剪摩擦因子（m）來 決定。壓縮速率以 1mm/min 之定速度壓縮，高度減縮量設為 55%。
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圖 5-14 為溫度 25 時，FEM 模擬分析與實驗結果之摩擦校準 曲線圖，圖中資料點分別為 CRC 與 AURC 於無潤滑劑條件下之實驗 結果。圖中所示，CRC 其剪摩擦因子約為 0.4，而 AURC 之剪摩擦因
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子則增加，且超過模擬分析之剪摩擦因子為 1 的曲線，此現象明顯極 不合理。推論造成此不合理現象的原因，應由模擬分析所用的材料性 質，非超音波振動作用下實際的材料性質所造成。
圖 5-15 為 FEM 模擬分析與 CRC 於溫度 200 實驗結果之摩擦 校準曲線圖，圖中資料點分別為於無潤滑劑條件下，CRC 於 200 與 AURC 於 25 之實驗結果。圖中所示，CRC 於 200 時，其剪摩擦 因子則增加至約為 0.8，而 AURC 之剪摩擦因子同樣產生不合理的現 象。造成此現象的可能原因：（1）超音波振動實際使材料上升的溫 度高於推論值。（2）試片的內徑的量測時產生誤差。
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