行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
超音波輔助複合擠製成形之研究(2/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2212-E-009-007- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學機械工程學系 計畫主持人： 洪景華 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 6 月 1 日
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中報告
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超音波輔助複合擠製成形之研究
（2/3）
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 91-2212-E-009-007
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：洪景華
共同主持人：
計畫參與人員：
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執行單位：國立交通大學機械工程學系
中 華 民 國
93 年 5 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫期中報告
超音波輔助複合擠製成形之研究（
2/3）
計畫編號：NSC 91-2212-E-009-007
執行期限：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
主持人：洪景華 國立交通大學機械工程學系
一、中文摘要 超音波塑性加工乃將超音波振動能量 作用於成形模具上，經由模具對工件進行 成形加工。 本研究計畫預定進行全程三年之研 究。在研究中，第一年已初步建立超音 波振動成形設備之設計，並製作完成超 音波振動成形之實驗裝置。第二年則利 用第一年製作完成之超音波實驗設備，進 行超音波輔助壓縮試驗；研究材料於超音 波 振 動 下 、 材 料 變 形 應 力 降 低 之 現 象 （Blaha effect）及可能之機制，並建立加 熱裝置，探討超音波振動成形與工作溫度 間之關係。在本年度計畫中已建立超音 波振動成形設備之加熱裝置設計，並製 作 完 成 超 音 波 振 動 成 形 之 加 熱 實 驗 裝 置。 並 以 此 裝 置 針 對 不 同 的 應 變 速 率 與溫度對鋁合金進行壓縮試驗。研究結 果顯示，常溫下，附加超音波振動會降 低鋁合金之壓縮變形負荷；在以不同應 變 速 率 進 行 壓 縮 試 驗 時 ， 在 變 形 量 大 時，超音波振動之效果會隨應變速率減 小而降低。在高溫下，附加超音波振動 則對降低負荷有疊加的效果。 關鍵詞：超音波振動成形，超音波壓縮試 驗。 AbstractThe ultrasonic-imposed metal formation processes use ultrasonic energy to act on die then using die to act on workpiece for formation.
This project is scheduled to carry on the research of ultrasonic assisted forming for three years. For the first year, the unit of
generating ultrasonic vibration had been incorporated with a customer designed press to form a ultrasonic forming test apparatus. For the second year (this year), a heating device has been designed and manufactured to extend the high-temperature capacity of the above test apparatus. A series of experiments have been conducted with this test apparatus to explore the stress reduce effect (Blaha effect) of Aluminum alloy (Al6061) under ultrasonic assisted forming process. During experiments, different heating temperature and forming speed (loading strain-rate) were taken as controlled parameters and results were analyzed and discussed. 二、緣由與目的 超音波塑性加工乃利用超音波振盪器 產生的電子振動能，經由壓電陶瓷換能器 轉變為機械振動能，並將超音波振動能量 作用於成形模具上，經由模具對工件進行 成形加工之成形技術。由於超音波振動於 塑性加工成形時會產生一些效應，如摩擦 力的降低、使材料變形應力降低的 Blaha effect 等效應及板金成形回彈量的降低 現象，使得材料其成形極限之界限獲得提 高。目前的科技進步下，在材料方面， 由於不斷研究創新，因此相繼發展出高 強度、高硬度、高韌性等具有各種特殊 機能的新素材，諸如超強度材料、複合 材料、及陶瓷粉末、超導體粉末等材料。 在製造方面，由於 3C 電子產品的小型 化、輕量化與高品質要求，使得在加工 製造這些新素材及 3C 電子產品時，多半 必須用特殊的加工方法才能使製品品質 達到預期目標。例如日本正積極開發高 密度 IC 封裝用之超細銅線，其線徑可達
15µm 以下，即利用超音波振動抽拉加 工技術製造出來。由於超音波塑性加工 時，其成形應力減少、摩擦力減少且提 高材料之成形加工界限，因此，超音波 塑性加工能有效達成傳統塑性加工無法 達到之加工成形界限，所以超音波於塑 性成形之複合加工技術已經逐漸受到重 視。 概觀目前國內學術界、工業界在超音 波應用均局限於超音波檢測、銲接、鑽孔 等方面之研究應用，至於超音波振動塑性 加工之相關技術研究則尚無相關機構進行 研究開發，以致一些高科技新素材、難加 工材、超精密的線材、管材之成形技術無 法在國內工業界開發生產。然而欲對超音 波振動於塑性加工成形領域進行研究，由 於目前並無商業化的超音波振動成形實驗 設備，基於解決此問題，超音波振動成形 實驗設備之設計開發實有其必要性，因此 本研究計畫首先將針對超音波振動頻率產 生器、陶瓷壓電振動換能器、共振器及振 動成形模具設計規劃，並利用有限元素模 擬分析輔助設計，建立共振器之設計模 型，達成共振器之設計製作及模具之振動 模式，開發完成一套超音波振動成形之實 驗設備。接著利用開發完成之實驗設備進 行相關研究，由於超音波振動成形時，摩 擦力會減少且材料變形應力降低（Blaha effect）之現象，本計畫中將建立金屬在超 音波振動下材料之塑性特性研究，及進行 可能機制的探討，並建立加熱裝置，探討 超音波振動成形與溫度間之影響。 三、超音波振動壓縮實驗裝置 研究中之實驗設備乃利用本實驗室自 行設計製作之微電腦控制熱壓機進行改良 設計，其最大負荷 2000 Kg，力量精解度 1/20000，位移精度 0.005mm，上下壓板可 加熱至 500 ，如圖一所示。由於壓縮試 驗欲於高溫下進行實驗，需將上下壓板與 壓縮試片置於高溫環境下，因此本研究設 計一高溫真空爐，如圖二所示，使其爐內 空間可容納上下壓板與試片，且可於進行 壓縮試驗時，同時施加超音波振動於上壓 板。但在初步實驗中發現，進行高溫壓縮 試驗時，試片之頂部變形較底部之變形量 大，經推論此為非均溫環境造成。因為高 溫壓縮試驗時，需對爐內壓縮環境加熱， 而且上下壓板均與機器連結，在長時間加 熱下，必會將熱傳至機器，為避免造成感 測元件損壞，上下壓板均設計有冷卻裝置 將熱帶離系統，但爐內傳 熱 方 式 乃 靠 熱 輻射傳導，加熱速度慢，所以造成爐內 非均溫環境，上壓板溫度高於下壓板溫度 且與爐內環境溫度相差很大，以致試片呈 不對稱變形，實驗誤差量相當大，為求實 驗之精確度，必須克服解決此問題。經多 次變更設計，並進行溫度控制測試，最後 利用上下壓板設計輔助加熱裝置，成功 克服溫度差此問題，並可控制上壓板溫 度、下壓板溫度與爐內溫度三者間溫度差 於 C o ± 1oC內。 超音波振動壓縮試驗時，超音波共 振器就是上壓板，由於將這些輔助加熱 裝 置 設 計 於 共 振 器 上 會 影 響 其 諧 振 頻 率，因此這將造成超音波振動系統設計 困 難 。 而 且 共 振 器 於 長 時 間 加 熱 環 境 下，會造成整個超音波振動系統溫度上 升，造成對超音波壓電陶瓷振動子的破 壞，所以又設計了隔熱裝置與冷卻系統 來克服此問題。 研 究 中 超音波振動裝置之超 音 波 頻 率 產 生 器 ， 乃 採 用 King Ultrasonic Co.，型號為 KWS2020 頻率產生器。其 功率為 2000W，而產生之振動頻率為 20 kHz， 其共振器為自行設計製作。本研究 選用不銹鋼材進行有限元素模擬設計，其 振動特性以第一振動模態，共振頻率在 20 kHz，振幅放大率（M）則以 M=1 設 計製作。首先設計於中心位置鑽孔加裝 加熱裝置之共振器，如圖三所示。經實 驗測試，加熱需相當久時間。 由於前面所設計之輔助加熱裝置功 率，無法有效提升加熱速度，採用之螺旋 管輔助加熱裝置之共振器，如圖四所示， 經實驗測試，確實有效提升加熱速度，可 以達到設定溫度，但因其加熱方式為非接 觸式加熱，雖可達到設定溫度，但加熱時 間需一段時間。 最後為獲得有效加熱效率，本研究採 用多孔共振器設計，如圖五所示。可加裝
之輔助加熱裝置，其加熱功率達 800W， 且加熱方式為接觸式加熱，經實驗測試， 加熱溫度可達500 。所以本年度計畫執 行中，已確實完成超音波振動壓縮試驗裝 置之設計製作，並建立完成超音波振動加 熱裝置與冷卻系統。 C o 四、超音波振動壓縮實驗 在超音波振動壓縮試驗中，首先利 用前面所設計製作完成之超音波振動與 加熱裝置，將這些裝置架設於微電腦控 制熱壓機平台上後，即可進行一系列壓 縮試驗，如圖六所示。 本研究中，將先以鋁合金 AL6061 為壓縮試片材料，試片尺寸為φ6×6之 圓柱體，壓縮測試條件，如表一所示。 傳統壓縮試驗與附加超音波振動壓縮試 驗，壓縮速度則以 0.003 1/sec 與 0.03 1/sec 之真應變速率進行測試，測試環 境溫度則先以室溫與 100oC進行試驗。 超音波振動之實驗條件，其共振頻 率為 20 kHz，而振幅大小為 5.6µm。 五、結果與討論 圖七為環境溫度在室溫 20o 下進 行壓縮測試之壓力位移圖，由圖中可知在 此環境溫度，在無超音波振動作用時，在 兩種不同真應變速率，所得之壓縮力幾乎 無影響。但當附加超音波振動時，均能有 效降低壓縮力。其中真應變速率為 0.003 1/sec 與 0.03 1/sec 時之壓縮力分別降低 了 130kg 與 215kg，由此實驗證實在超音 波振動作用下，可有效降低材料塑性變形 應力。初步推論造成塑性應力降低原因， 可能由超音波作用產生應力疊加效果與超 音波振動作用下，使增加材料內部差排移 動，以致材料塑性應力降低。 C 圖八為環境溫度在 100o 下進行壓 縮測試之壓力位移圖，由圖中可知在此環 境溫度，在無超音波振動作用時，兩種不 同真應變速率對所得之壓縮力影響不大。 但當有超音波振動作用時，均能有效降低 壓縮力。其中真應變速率 0.003 1/sec 與 0.03 1/sec 之壓縮力分別降低 75kg 與 160kg。由此實驗證實，在高溫環境附加超 音波振動作用下，同樣會降低材料塑性變 形應力，但可發現如同圖七，在真應變速 率為 0.003 1/sec 時，當壓縮位移量超過 3mm，壓縮力則開始提高，初步推論造成塑 性應力升高原因，可能在真應變速率為 0.003 1/sec 時，由於超音波作用時間增 加，使材料內部差排堆積，以致材料塑性 應力升高，如加工硬化。 C 圖九為傳統壓縮試驗，沒附加超音 波振動，進行壓縮測試之壓力位移圖。在 此條件下，應變速率之變動，幾乎不影 響試驗結果，但在不同環境溫度下，壓 縮力隨溫度上升而降低，在 真應變速率 0.003 1/sec 與 0.03 1/sec ， 20 與 100 其 壓 縮 力 降 低 分 別 為 156kg 與 175kg。 C o C o 圖十為超音波振動輔助壓縮試驗之 壓力位移圖，在兩種不同真應變速率，均 能有效降低壓縮力，高溫環境附加超音波 振動作用下能更有效降低壓縮力，真應變 速率 0.03 1/sec 之壓縮力，在 100 附 加超音波振動其壓縮力降低可達 331kg。 C o 六、目前進行中工作 本年度之研究計畫執行，預定於七 月底完成，目前已達成本年度中之預期 目標，而針對實驗之初步結果，本研究 增列了下列正在進行的實驗規劃。 1、 增加不同超音波振幅實驗， 探討振幅對壓縮試驗產生影 響。 2、 增加不同溫度的實驗，使溫 度對超音波振動間關係能有 更完整的討論。 3、 增加不同應變速率實驗，以 探討不同應變速率下，超音 波振動與材料塑性應力之增 加與降低之關係。 七、計劃成果自評 本 研 究 已 達 成 本 年 度 中 之 預 期 目 標，完成超音波振動壓縮試驗裝置之設計
製作，並建立完成超音波振動加熱裝置與 冷卻系統。同時已進行相關實驗，由初步 實驗結果，獲得證實附加超音波振動成 形所產生的一些現象，目前正進行一系 列增加的實驗，本年度計畫完成時，將 會有更多的結果。並對第三年的超音波 輔 助 成 形 應 用 計 畫 建 立 更 完 整 的 材 料 行為基礎 八、參考文獻
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圖二 高溫真空爐
圖四 螺旋管輔助加熱裝置之共振器
Temp-20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 Displacement, mm Compressive Force, kg strain rate-0.003 no ultrasonic strain rate-0.003 ultrasonic strain rate-0.03 no ultrasonic
strain rate-0.03 ultrasonic
圖七 溫度 20oC，傳統與超音波振動壓縮之壓力位移圖 Temp-100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 Displacement, mm Compressive Force, kg strain rate-0.003 no ultrasonic
strain rate-0.003 ultrasonic strain rate-0.03 no
ultrasonic
strain rate-0.03 ultrasonic
圖八 溫度 100oC，傳統與超音波振動壓縮之壓力位移圖
no-ultrasonic 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 Displacement, mm Compressive Force, kg T-20 strain rate-0.003 T-20 strain rate-0.03 T-100 strain rate-0.003 T-100 strain rate-0.03 圖九 傳統壓縮試驗溫度與應變速率之壓力位移圖 Strain rate 0.03 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 Displacement, mm Compressive Force, kg T-20 no-ultrasonic T-20 ultrasonic T-100 no-ultrasonic T-100 ultrasonic 圖十 傳統壓縮試驗溫度與應變速率之壓力位移圖 表一 壓縮測試條件 超音波振動 無 有 溫度 20 100 真應變率 0.03 1/sec 0.003 1/sec 10
