行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告
高強度難銲型鋁合金中空擠伸製程研究(II)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-151-019-
執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 09 月 30 日
執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學機械工程系
計 畫 主 持 人 ： 許光城
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：盛鉑灃
碩士班研究生-兼任助理人員：陳仕諺
博士班研究生-兼任助理人員：劉寶信
報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 101 年 11 月 14 日
中 文 摘 要 ： 本研究藉由有限元素分析軟體 DEFORM 3D 進行模擬分析兩種
不同銲合位置之方管擠伸成形，Type(1)銲合位置在方管角偶
處，Type(2)則在方管側邊，藉此比較不同銲合位置對擠製成
形負荷以及模具應力、磨耗、壽命，等影響。在模具應力與
磨耗和壽命分析中，由結果得知，Type(1)模具之上模與下模
最大等效應力分別為 1120MPa、896MPa，上、下模具在擠 12
碇後之最大磨耗深度分別為 0.4823、0.4729mm，而考量疲勞
強度時，上、下模所能擠製錠數分別為 71 錠與 610 錠，
Type(2)上、下模具應力則分別為 1020 MPa、820 MPa，最大
磨耗深度分別為 0.4532mm、0.4595mm，上模所能擠製錠數為
162，下模則為 1400。
本研究首先利用壓縮實驗獲得鋁合金 7075 材料之塑流應
力，將其匯入有限元素分析軟體 DEFORM 3D 並搭配田口式品
質工程設計進行模擬以獲取最大銲合壓力，再將擠製出的中
空方形管分成熱處理以及未熱處理兩種並進行拉伸試驗，最
後進行模擬與實作的比較。
由拉伸試驗結果得知經熱處理過後之 7075 中空方形管之
抗拉強度約提升 150MPa；結果比其未經熱處理之抗拉強度可
達素材之 86.7%；由模擬分析結果得知影響模具銲合壓力之
主要因素為出口承面長度之貢獻值最高約 55.9%、其次為軸
心長度約為 23.1%、再次之為(母模)導料室高度與長度比約
為 12.4%、最後為(公模)導料室圓角約為 8.6%；由因子反應
圖表獲得模具設計最佳化組合可提升銲合壓力達 19.7%。
中文關鍵詞： 7075 鋁合金、銲接強度、銲合壓力、磨耗深度、模具壽命、
破斷面、田口方法、DEFORM 3D
英 文 摘 要 ：
英文關鍵詞：
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
高強度難銲型鋁合金中空擠伸製程研究(II)
計畫類別：
■
個別型計畫
□ 整合型計畫
計畫編號：
NSC1002221E151 019
-執行期間：100 年 8 月 1 日至 101 年 9 月 30 日
計畫主持人：許光城
共同主持人：
計畫參與人員： 劉寶信、盛鉑灃、陳仕諺
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
■
精簡報告
□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
■
出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：
國立高雄應用科技大學 機械工程系
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行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告
高強度難銲型鋁合金中空擠伸製程研究(II)
Study on Hollow Extrusion Processes for High Strength and Non-Weldable Aluminum
Alloy (II)
計畫編號：NSC1002221E151 019
-執行期限：100 年 8 月 1 日至 101 年 9 月 30 日
主持人：許光城
國立高雄應用科技大學 機械工程系
一、中文摘要 本研究藉由有限元素分析軟體 DEFORM 3D 進行模擬分析兩種不同銲合位置之方管擠伸成 形，Type(1)銲合位置在方管角偶處，Type(2)則在 方管側邊，藉此比較不同銲合位置對擠製成形負荷 以及模具應力、磨耗、壽命，等影響。在模具應力 與磨耗和壽命分析中，由結果得知，Type(1)模具 之上模與下模最大等效應力分別為 1120MPa、 896MPa，上、下模具在擠 12 碇後之最大磨耗深度 分別為 0.4823、0.4729mm，而考量疲勞強度時， 上、下模所能擠製錠數分別為 71 錠與 610 錠， Type(2)上、下模具應力則分別為 1020 MPa、820 MPa ， 最 大 磨 耗 深 度 分 別 為 0.4532mm 、 0.4595mm，上模所能擠製錠數為 162，下模則為 1400。 本研究首先利用壓縮實驗獲得鋁合金7075 材 料 之 塑 流 應 力 ， 將 其 匯 入 有 限 元 素 分 析 軟 體 DEFORM 3D 並搭配田口式品質工程設計進行模 擬以獲取最大銲合壓力，再將擠製出的中空方形管 分成熱處理以及未熱處理兩種並進行拉伸試驗，最 後進行模擬與實作的比較。 由拉伸試驗結果得知經熱處理過後之7075 中 空方形管之抗拉強度約提升150MPa；結果比其未 經熱處理之抗拉強度可達素材之86.7%；由模擬分 析結果得知影響模具銲合壓力之主要因素為出口 承面長度之貢獻值最高約55.9%、其次為軸心長度 約為23.1%、再次之為(母模)導料室高度與長度比 約為12.4%、最後為(公模)導料室圓角約為 8.6%； 由因子反應圖表獲得模具設計最佳化組合可提升 銲合壓力達19.7%。 關鍵字：7075 鋁合金、銲接強度、銲合壓力、磨 耗深度、模具壽命、破斷面、田口、 DEFORM 3D 二、緣由與目的 在本研究透過有限元素模擬兩不同銲合位置 的7075 方形管擠製過程，分析其模具應力、成形 負荷、胚料流速等資訊，並與實際擠製時所量測之 應變以及所推估之負荷值來作為模具磨耗以及壽 命評估的方式，以此減少擠製時模具的損壞並提升 或改善生產的效率。 模具磨耗以及壽命評估之相關研究，由文獻的 搜尋在2003 年 Lee 等人[1]在 Archard 磨耗模式為 基礎下結合實驗求得磨耗模式所需參數，並搭配非 恆溫圓環壓縮實驗判斷在不同溫度下的摩擦係 數，以所建立之磨耗評估模式，應用於 DEFORM 3D 分析溫間鍛造模具磨耗分佈狀態。其研究結果 得知，理論預測鍛造 1000 件後模具之磨耗量為 0.4749mm ， 藉 由 三 次 元 量 測 之 磨 耗 量 則 為 0.38mm，理論值相對較為保守，但不失為可靠之 參考。2009 年 Kim 等人[2]使用疲勞及磨損量推估 模具壽命，將疲勞壽命方法中的Goodman 方程式 應用於完全變交應力(R=-1)下的 Goodman 方程 式，改寫成重覆負載狀態下(R=0)可用的 Goodman 方程式，以此方程式用於熱鍛模具之疲勞分析，並 應用有限元素分析軟體分析結果與實際量測比 較，其結果顯示，當鍛造次數達7000 次時，有限 元素分析之模具磨耗量為1.008mm，而實際量測值 為0.955mm，估算之模具疲勞壽命為 6940 次，實 際模具壽命則為 7330 次，兩者具有一定相近程 度。。2010 年徐僖政等人[3]藉由有限元素軟體 DEFORM 3D 模擬生產現場在碳化鎢沖頭裝配上 可 能 出 現 的 狀 況 加 以 分 析 ， 將 分 析 結 果 根 據 Goodman 方程式，推估出沖頭疲勞壽命，結果顯 示，沖頭中心與胚料中心偏移距離與沖頭壽命成反 比，正常使用下沖頭壽命為80000 次，當沖頭偏移 0.02mm 時壽命減為 500 次，每當沖頭傾斜 1°時， 疲勞壽命下降至2000 次。 本研究將實際擠製出之鋁合金中空方形管，再 進行鋁合金T6 熱處理，探討其前後差異性。最後 再將所得之實際結果與模擬結果做比較並使用有 限元素分析軟體DEFORM 3D 來模擬不同之模具 設計，設計參考由文獻2003 年 Jo 等人[4] 透過有 限元素分析軟體 Deform 3D 模擬窗口模具擠製鋁 合金7003 有縫管，針對模具銲接腔體銲接壓力在 不同的胚料溫度、軸承長度、製品的厚度、和擠伸 比等條件下進行探討，並利用擴孔實驗來驗證有縫 管件之銲接強度。其結果得知擠伸比介於37 與 50 之間，擠製負荷有一線性之上升趨勢，而胚料溫度 在460℃和承面長度 6mm 時，銲接壓力最大，可 達塑流應力的 3.5-3.8 倍。2004 年黎秀玲等人[5] 藉由系統化的方式模擬分析出擠製窗口模具在製程中所承受之應力，並將模具設計參數化搭配田口 氏實驗法及分析得知，模具設計因子與模具承受應 力之關係。結果顯示最佳化設計之成形負荷為 4761KN，比原始製程設計減少 18%，在模具心軸 與軸承支柱兩個高等效應力區中，最佳化製程應力 分別為 290.5MPa、537.3MPa，比原始製程減少 43%。2009 年 Sheu 等人藉由有限元素模擬軟體 DEFORM 3D 模擬 7075 鋁合金中空方形管擠製並 利用田口法對模具設計參數最佳化，以得到較銲接 壓力且不會造成過高模具應力之最佳模具幾何設 計 參 數 。 其 最 佳 化 結 果 顯 示 ， 在 導 料 室 高 度 12mm、銲合室承面寬度 14.8mm、出口端承面長 度2mm 時及導料室高度 16mm 時，最大銲合壓力 為610MPa、出口端壓力平均為 930Ton、模具應力 平均為1080MPa[6]。 由上述之文獻可了解，金屬成形之製程可利 用DEFORM 3D 等分析軟體進行模擬具有一定的 可信度，固本研究利用此分析軟體進行模具壽命之 推估，並搭配田口式品質方法最佳化模具之設計， 最終目的為提升材料之銲合壓力來增強材料的銲 合。此外，於 DEFORM 3D 有限元素分析中匯入 利用壓縮實驗所獲得之材料塑流應力數據，目的為 增加模擬與實際擠製之間的準確性。 三、實驗流程 本研究藉由DEFORM 3D 之模擬來推估擠製 模具磨耗以及使用壽命，並將實際擠製出之鋁合金 中空方形管，進行鋁合金T6 熱處理後，裁切成標 準拉伸試片進行拉伸實驗，探討其前後差異性，最 後利用田口式品質方法，配合DEFORM 3D 模擬， 提升擠製模具銲合壓力之最佳化設計。 3.1 實驗材料 本研究係以高強度鋁合金為主，因此使用鋁合 金7075(AA 7075)做為實驗的材料，其試件規格為 直徑Φ30mm、高 20mm 之圓柱體，相關組成成份 與試件，如表1。 3.2模具磨耗分析 模具承面或出口端承面的尺寸直接影響到擠 製製品的尺寸精度，因此本研究套用文獻[9] 中以 Archard’s 磨耗理論為基礎下，在不同溫度中材料 (SKD61)的磨耗係數與溫度，以及硬度與溫度的曲 線函數關係，如圖1、2 所示，並將曲線之關係式 3-1 和 3-2，帶入本文製程下的溫度和模具溫度求 出所需之模具硬度與磨耗係數，如表2 所示，再以 所得之硬度值與磨耗係數搭配DEFORM 模擬所得 的Type(1)與 Type(2)模具承面節點上之位移，最後 再以三次元量測儀做為驗證，量測位置如圖 3 所 示。 505 . 0 4 . 9261 ) (T T H (3-1) 6 10 ) 73 . 168 ) ( 29 . 29 ( ) (T LnT K (3-2) 3.3模具壽命推估 本研究之模具壽命推估，以模具材料 SKD61 為例，利用DEFORM 3D 模擬之模具應力分析並 參考文獻[8] 中所提出的 Goodman `s 方程式，在 應力比為零的狀態下，經由轉換成應力比為零之 Goodman `s 方程式所求出之等效振幅應力，代入 S-N 曲線中推估出模具的疲勞壽命，如公式 3-1、 3-2、3-3、3-4 所示。 ) 6 10 3 10 ( 10 PNq N S (3-3) 2 4 10 16 . 8 27 . 1 89 . 10038 1000 T S (3-4) ) 1000 ( 10 log 3 1 ), 2 1000 ( 10 log f S S q f S S p (3-5) ) 500 ( ) ( ) ( 10 ) (T pT NqT T S (3-6)
其中S:alternating stress, N:cycles up to failure, p and q are exponents which can be determined by the S-N curve qm S u S qa S u S e S (3-7) e S u S e S u S eq S (3-8) 其中Seq a m, Sqais equivalent alternating stress,
S
eis equivalent stress3.4鋁合金 T6熱處理實驗 鋁合金 T6 熱處理條件為固溶處理後冷 卻，經人工時效處理，本研究所使用之材料為鋁-鋅-錳-銅系合金，7075 高強度鋁合金，其外徑 54mm×54mm，厚度為 5mm 之中空方形管如圖 4， 實驗設備由中國鋼鐵股份有限公司(中鋼)研究發 展處所提供並協助本次實驗。熱處理目的為提高材 料的強度，鋁合金的熱處理不像一般的鋼鐵熱處理 流程與方式，要增加其強度、硬度一般所使用的是 析出硬化和加工硬化這兩種方式，本研究將加熱溫 度設定為480°C 並持溫 1 小時，接著急速冷卻， 冷卻的方式為水冷，最後再將材料升溫到 120°C 做人工時效處理，持溫25 小時，這整個熱處理過 程，簡稱熱處理的升溫曲線，如圖6，後續進行拉 伸實驗進行驗證。 3.5拉伸實驗 拉伸實驗主要用來比較擠製後的鋁合金 7075 中空方形管未熱處理與經熱處理後之抗拉強度，其 試驗所使用之機台為動態材料試驗機(MTS810)， 中國鋼鐵股份有限公司(中鋼)研究發展處，如圖 7。機台控制端設定拉伸速率為 1mm/min，而實驗 所使用之拉伸試件取樣位置為TYPE(1)、TYPE(2) 方管的四個側邊。其中TYPE(1)代表銲道在方管的 角偶處；TYPE(2)代表銲道在方管的四個側邊，如 圖 8(a) 、 (b) 。 試 片 規 格 則 是 參 照 CNS2112-G2014-13A 試片規格。 3.6試片侵蝕實驗 為確認本次實驗所選取的鋁合金7075 中空方 形管是否處於擠製階段的穩定狀態，並探討材料於 擠製階段中的流動情形，將所裁切的方管與試片進 行分類編號，中空方形管須先浸泡鹼性溶液，之後 以酸性溶液清潔，即可作巨觀上的觀察，腐蝕液調
配之比例為氫氧化鈉(NaOH)與草酸(C2H2O4)之比 例約為40：36。 3.7破斷面觀測 本研究所使用之7075 高強度鋁合金屬於延性 材料，故破斷面應大多呈現錐杯狀(或破杯狀)且破 斷邊緣線亦有呈現與試件軸向成45 度之現象，這 部分於 TYPE(1)及 TYPE(2)之正面破斷皆可觀測 出，如圖8、9(a)~(d)。為確認本次拉伸實驗的試片 是否屬於延性破壞模式，利用掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope ，SEM)進行破斷面 觀測，其設備由崑山科技大學所提供。 3.8Geeble壓縮實驗 為提高本研究之模擬的可信度，藉由壓縮實 驗取得本研究所使用的鋁合金7075 材料之塑流應 力曲線，本次實驗所使用的機台為 GLEEBLE -I1500 熱機模擬實驗機，由中國鋼鐵股份有限公司 (中鋼)研究發展處所提供，試片為鋁合金 7075 素 材，其直徑為10mm、高 15mm 之圓柱形試片，本 文之壓縮實驗採固定應變率，改變溫度之方式來獲 取壓縮實驗參數。在固定應變率部分，可使用 GLEEBLE 熱機模擬實驗機內建之等應變率模組功 能，故只需給予機台每次壓縮所需之時間，並用式 3.9 求得應變量；在溫度部分，由 0˚C 加熱至目標 溫度 480˚C 僅需數秒的時間，接著持溫 5 分鐘後 進行壓縮如圖10，並運用式 3.10 預估壓縮量，由 於應變量也相同之緣故，故本實驗只需檢查壓縮後 之試件高度即可，最後利用所求得的數據配合塑流 應力之方程式如 3.11 來建立本研究之材料鋁合金 7075 之塑流應力曲線。 t (3.9) 其中， ：應變率 ：應變量 Δt：每一次壓縮所需之時間 e h h h00 (3.10) 其中， Δh：試件預估壓縮量 h0：試件初始高度 ：應變量 ) , , ( f (3.11) 其中， ：塑流應力 ：應變 ：應變率 ：溫度 3.10提升銲合壓力與模具最佳化設計模擬分析 本研究藉由DEFORM 3D模擬方形管模具擠 製過程，將模具設計參數化並利用田口式品質設計 方法，經文獻搜尋及參考國科會計畫案目標後歸類 出四個實驗因子，而每個因子皆具有三個水準數如 表3，各因子所代表之部位如圖11。最後經自由度 計算後，其直交表之選用為L9(34)如表4，接著可 藉由反應表及反應圖找尋最佳化設計組合，當S/N 比值越高時代表品質損失較少，即為最佳組合之影 響因子，之後利用變異數分析可得知出口承面長度 之 貢 獻值 最高 約55.9% 、其 次為 軸 心長 度約 為 23.1%、再次之為(母模)導料室高度與長度比約為 12.4%、最後為(公模)導料室圓角約為8.6%，如表 5-3。最後將所得的最佳化實驗組合進行模擬與效 益評估。 四、 結果與討論 4.1實驗結果 4.1.1 拉伸試驗結果 經MTS-810材料試驗機拉斷後之拉伸應力-應 變圖如圖12，材料之抗拉強度結果如圖13，以及， 由於拉伸時所產生之應力-應變圖趨勢皆相同，唯 獨抗拉強度之峰值會有所差異，故在此以TYPE(1) 第一邊-上經T6熱處理作為範例。比較圖13之拉伸 試驗結果可以發現除了TYPE(2)第三邊外，其餘之 平均抗拉強度與第一年國科會計畫之壓合實驗溢 料部分平均抗拉強度(410.32MPa)相比略高出一 點，代表銲合相當完整。而經熱處理過後材料強度 皆有獲得提升，但有銲縫之抗拉強度較無銲縫要來 的低一點，其強度平均皆約增加150MPa。 綜合所有拉伸試驗，包括TYPE(1)、TYPE(2) 及有無熱處理之拉伸結果比較，可以發現TYPE(2) 第三邊之強度皆特別低，其原因為試件內部含有一 橫跨斷面之黑色條紋如圖14(a)、(b)，故造成抗拉 強度較其它邊來的差，由於該黑色條紋發生於 銲合位置，顯然是銲合有問題，造成此情形原 因有很多，包括鋁錠溫度、擠速及模具溫度 等，此現象於業界慣稱它為「色差模痕」，而 此現象通常於試模時才會發生，大量生產時即 會消失。由於目前尚未有業界先進利用高強度 鋁合金 7075 製作有縫管之量產，故這類型問 題明確之發生原因及如何改善尚值得探討，將 針對此作破斷面觀測。 4.1.2 試件侵蝕實驗結果 於中空方形管試件侵蝕實驗中推測胚料於模 具內流動時，從分流的位置漸漸擴張至合流的位置 最後擠出的這個行為也同樣會發生於換錠過程 中，如圖15(a)、(b)。 有了上述推測後便著手進行相關依據的資料 蒐集，由於方形管的觀測只能觀測到表面，於是將 位於方管四個測邊之拉伸試片同樣進行巨觀侵蝕 檢驗，藉此得知內部胚料流動之情形，其取樣位置 示意圖如圖16(a)、(b)。 綜合了所有的侵蝕結果得知本研究對於胚料 於模具內換錠時的流動推測是具有可信度的，如圖 17(a)、(b)、(c)及圖18(a)、(b)。 換錠的過程中，鋁料尚未銲合，故較容易腐 蝕；當鋁料處於穩定狀態時，鋁料已完全銲合，故
較不易腐蝕，有鑒於此可推估當無法在本研究最終 所使用之侵蝕時間內獲得有效之侵蝕效果時，即該 材料趨於穩定階段。 4.1.3 破斷面觀測之結果 將拉伸試件進行電子式掃描顯微鏡(SEM)之 觀測，其設備由崑山科技大學所提供。觀測用之拉 伸試件一共分為六大類，分別為TYPE(1)、TYPE(1) 經T6熱處理、TYPE(2)、TYPE(2)經T6熱處理、含 有「色差模痕」之TYPE(2)第三邊及含有「色差模 痕」之TYPE(2)第三邊經T6熱處理，其觀測位置及 方向如圖19(a)、(b)。 首先探討TYPE(1)、TYPE(1)經T6熱處理、 TYPE(2)及TYPE(2)經T6熱處理這四大類，透過 SEM即能觀測到延性材料破壞後所產生之韌窩 (dimple) 圖20(a)~(d)。接著探討含有「色差模痕」 之TYPE(2)第三邊及含有「色差模痕」之TYPE(2) 第三邊經T6熱處理，由於「色差模痕」之分佈只 佔一小部分，故先避開該區域進行觀測如圖 21(a)~(b)。最後觀測含有「色差模痕」之區域，由 可以發現到一條明顯的分界線如圖紅圈處，分界線 左邊為「色差模痕」發生位置。當觀測「色差模痕」 發生位置達放大倍率1000倍時可以發現部分顆粒 狀的材料晶粒，代表該區域的確處於一個尚未銲合 的階段如圖22(a)~(d)。 4.1.3 Gleeble 壓縮實驗結果 本研究利用等應變率及三個不同之加工溫度 來獲得實驗參數並假設條件為均勻變形的情況下 將其帶入式3.12、3.13及3.14來建立塑流應力曲 線，如圖23(a)、(b)。 A P (3.12) 其中， A h A A 0 0 (3.13) ：應力 P=機台負荷 A=瞬時截面積 ) ln( 0 h h (3.14) 其中， ：應變 0 h ：初始高度 h：瞬時高度 相較於前人所作之鋁合金7075塑流應力可以 發現其結果相當接近，提高本研究利用壓縮實驗所 得之塑流應力曲線可靠度，如圖24(a)~(c)，最後再 將實驗所得之點資料匯入到DEFORM-3D中進行 模擬，如此一來便能得到與實際材料狀態較吻合之 結果。 4.2 模擬結果 4.2.1 模具模耗分析 本研究假設每擠製一錠所預估磨耗量為獨立 的情況下，將其乘上六倍作為估算模具擠製12 錠 後的最大磨耗量，但經由計算所得之磨耗量為模具 單邊磨耗，因此本文再假設模具承面經過擠製完 後，在承面各邊的磨耗量均相等的情形下，再把預 估的平均磨耗量乘上二作為上、下模具承面磨耗， 並以所得結果與實際量測得之平均磨耗量進行比 較，其結果如表5、6 所示。由表 5 之比較結果得 知，Type(1)上模承面所預估之磨耗量與實際量測 之平均磨耗量相差約15.19%，下模則為 19%，兩 者相比較之下預估的磨耗量則顯得較為保守。由表 6 比較結果可看出，Type(2) 上、下模具承面磨耗 量預估與實際量測磨耗值的差異相較於Type(1)要 來的小且更接近實際量測結果，其中上模承面誤差 為 18.37%，下模則為 5.57%。比較兩模具之預估 與實際量的磨耗量可發現，Type(2)所預估之磨耗 量大於Type(1)，而在實際量測結果中卻是呈現相 反的結果，觀察實際量測之磨耗量可發現，Type(2) 上模承面磨耗較不平均，推測原因可能在於胚料流 速較不穩定而導致磨耗較不均勻，但亦有可能是模 具本身在加工製造上就已產生一些缺陷或加工誤 差。 4.2.2模具壽命推估 本研究藉由在應力比為零的狀態下所改寫的 Goodman `s 方程式，搭配 DEFORM 3D 模擬分析 所得Type(1)與 Type(2)等效應力，計算求出等效振 幅應力，然而因在本研究之兩模具等效應力結果 中，有分為心軸以及分流孔壁面處兩應力，但整體 等效應力以心軸處最大，因此本研究選擇心軸處應 力來計算等效振幅應力，再對應到 S-N 曲線圖如 圖 25 中推估出模具的疲勞壽命，本研究中的 SKD61 S-N 曲線圖主要由文獻[7]以及公式所得， 模具壽命推估所得結果如表7 所示。可看出 Type(1) 上模預估壽命為71 錠，下模為 610 錠，Type(2)上 模為162 錠，下模為 1400 錠，兩模具之下模所能 擠製錠數相差甚大，但其結果就本研究而言仍具有 其參考性。而造成兩者之差異原因，主要在於本研 究對照預估壽命用之 S-N 曲線是以文獻中所得參 數來繪製，且由文獻所得資訊得知該參數值仍具一 定之誤差在，但仍可用於作為一較粗略之估算用， 也因此造成在本研究壽命推估上有一定之差異在。 4.2.3提升銲合壓力與模具最佳化設計模擬分析 藉由反應表及反應圖找尋最佳化設計組合， 當S/N比值越高時代表品質損失較少，即為最佳組 合之影響因子，如表4。最後利用變異數分析可得 知出口承面長度之貢獻值最高約55.9%、其次為軸 心長度約為23.1%、再次之為(母模)導料室高度與 長度比約為12.4%、最後為(公模)導料室圓角約為 8.6%，由模擬分析結果如表8，得知影響模具銲合 壓力之主要因素為出口承面長度之貢獻值最高約 55.9%、其次為軸心長度約為23.1%、再次之為(母 模)導料室高度與長度比約為12.4%、最後為(公模) 導料室圓角約為8.6%；由因子反應圖如圖26，獲 得模具設計最佳化組合可提升銲合壓力達19.7%。
田口式品質工程最佳化設計結果雖提升了銲 合壓力但同時也提高了負荷及模具應力如圖 27(a)、(b)，應力提高了模具壽命便縮短，評估負 荷、應力及廠商所能提供之機台噸數等因素，最後 選擇模具設計Group1作為本研究較適當之模具設 計。由圖28可以發現提升銲合壓力後上模之平均等 效應力約提高了123MPa，下模約提高了111MPa， 其中平均等效應力取點位置於模具應力集中處如 圖29及圖30紅圈處。 五、 結論 本研究以擠伸實驗與DEFORM 3D 分析軟體 作為模擬鋁合金7075 中空方形管擠製成形的分析 工具來預估其模具壽命，並配合田口式品質方法， 以提升銲合壓力為最終目的進行模具最佳化設 計，根據模擬以及實驗結果得到以下結論: 1. 比較兩模具之預估與實際量的磨耗量可發 現，Type(2)所預估之磨耗量大於 Type(1)， 而在實際量測結果中卻是呈現相反的結果， 本研究推測原因可能在於胚料流速較不穩定 而導致磨耗較不均勻，但亦有可能是模具本 身在加工製造上就已產生一些缺陷或加工誤 差，僅管預估以及實際量測值有如此之差異 在，但其結果仍然具有一定之參考性。 2. 本研究藉由在應力比為零的狀態下所改寫的 Goodman `s 方程式，搭配 DEFORM 3D 模擬 分析所得推估出模具的疲勞壽命，模具壽命 推估所得結可知，Type(1)上模預估壽命為 71 錠，下模為610 錠，Type(2)上模為 162 錠， 下模為1400 錠，且兩模具所能擠製錠數相差 甚大。 3. 由拉伸試驗結果得知經熱處理過後之鋁合金 7075 中 空 方 形 管 之 抗 拉 強 度 約 提 升 150MPa，並可以發現，TYPE(2)試件之第三 邊內部因含有殘留「色差模痕」，故導致第 三邊抗拉強度較低。 4. 由田口式品質工程之最佳化模具設計可以發 現，出口承面長度之貢獻值最高約 55.9%、 其次為軸心長度約為23.1%、再次之為(母模) 導料室高度與長度比約為12.4%、最後為(公 模)導料室圓角約為 8.6%。 5. 由田口式品質工程之效益評估可以發現，高 強度鋁合金 7075 擠製之銲接壓力提升約 19.7%。 6. 侵蝕實驗結果得知本研究對於胚料於模具內 換錠時之情形推測具有相當的可信度。 7. 綜合侵蝕實驗結果觀測得知若於結論 8 之侵 蝕區間內未達到侵蝕效果即可推測該材料趨 於穩定狀態。 8. 綜合破斷面觀測、SEM 觀測、拉伸試驗結果 及 第 一 年 國 科 會 計 畫 (NSC 99-2221-E-151-012-)結果比較可得知除了 含有「色差模痕」之 TYPE(2)第三邊外，本 研究對於擠製高強度鋁合金 7075 之有縫管 件可說相當成功，其未經熱處理之抗拉強度 可達素材之 86.7%。 六、成果自評 本計畫預定進行的研究工作：銲合實驗、中 空鋁擠型製程分析、模具製作與試模、分子動力學 壓合分析程式撰寫與測試等均已完成，3位參與研 究計畫的研究生，其中1位碩士畢業後服役中，另 外2位正在讀博二、碩二。 七、參考文獻
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八、圖表 表1 Al7075 試件成分與樣品 Element Al Zn Mg Cu Cr wt% 87.1 -91.4 5.10 -6.10 2.10 -2.90 1.20 - 2.0 0.18 -0.280 Element Mn Si Ti Fe other wt% ≦0.3 ≦0.4 ≦0.2 ≦0.5 ≦0.15 試片 樣品 表 2 磨耗係數與模具硬度值 磨耗係數 2.5×10-0.5 模具在溫度 480℃下之 硬度值 324HV 表 3 直交表實驗設計 因子 水準 1 2 3 A 軸心長度 95 90 100 B 出口承面長 度 2 1 3 C (公模)導料室 圓角 R8 R4 R12 D (母模)導料室 高度與長度 比 3：4 3：6 3：1.5 表 4 L9(34 )之直交表 L9 1 2 3 4 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 表 5 Type(1) 上、下模承面平均預估磨耗量與 量測比較 量測值平均(mm) 預估值平均(mm) 誤差(%) 上模 承面 下模 承面 上模 承面 下模 承面 上模 承面 下模 承面 0.4823 0.4749 0.4090 0.3845 15.19 19 表 6 Type(2) 上、下模承面平均預估磨耗量與 量測比較 量測值平均(mm) 預估值平均(mm) 誤差(%) 上模 承面 下模 承面 上模 承面 下模 承面 上模 承面 下模 承面 0.4532 0.4595 0.5552 0.4339 18.37 5.57 表 7 Type(1)與 Type(2)等效應力以及壽命推估結 果 模具 Type(1) Type(2) 上模 下模 上模 下模 等效應力 (MPa) 1120 896 1040 820 平均應力 (MPa) 560 448 520 410 等效振幅應 力(MPa) 909 654 801 577 推估壽命 (擠製錠數) 71 610 162 1400 表 8 田 口 分 析 之 模 擬 結 果 A B C D 平均銲合壓力 (MPa) 1 1 1 1 1 189.85 2 1 2 2 2 256.60 3 1 3 3 3 197.90 4 2 1 2 3 210.59 5 2 2 3 1 277.82 6 2 3 1 2 283.46 7 3 1 3 2 212.05 8 3 2 1 3 275.45 9 3 3 2 1 198.70 圖1 SKD61之硬度與溫度函數關係[9]
圖2 磨耗係數與溫度函數關係[9] (a) (b) 圖3 Type(1)與Type(2)模具承面量測位置 圖4 所裁切完成之鋁合金7075中空方形管 圖5 鋁合金7075 T6熱處理溫度升溫曲線 圖6 動態材料試驗機(MTS-810) (a) (b) 圖7 Type(1)，銲道在方管角偶處(b)Type(2)，銲 道在方管四個側邊 圖8 不同拉伸試件之正面破斷面觀測圖 (a)(b)(c)(d) 圖9 不同拉伸試件之側面破斷面觀測圖
(a)(b)(c)(d) 熱電偶連接處 試片置放處 壓縮方向 壓縮方向 圖10 GLEEBLE壓縮實驗示意圖 圖11 各因子所代表部位示意圖 圖12 拉伸之應力-應變圖(TYPE(1)第一邊-上(經 T6熱處理) 圖13 拉伸試驗結果比較圖 圖14 破斷面有無黑色條紋之比較圖(a)與黑色條 紋發生位置示意圖(b) 圖15 換錠過程胚料流動之剖面示意圖 (a)TYPE(1)(b)TYPE(2)(灰：前錠，黃：後錠) 圖16 拉伸試件取樣示意圖(a)等角視圖(b)剖面視 圖
圖17 方管侵蝕結果(a)胚料於模具內換錠時之推 測示意圖(b)實驗結果對照圖(c)實驗結果局部放 大對照圖 圖18 拉伸試片侵蝕結果(a)胚料於模具內換錠時 之推測示意圖(b)實驗結果對照圖 圖19 觀測位置及方向(a)示意圖(b)實體圖 圖20 放大倍率1000之拉伸試件SEM觀測 (a)TYPE(1)(b)TYPE(1)經T6熱處理 (c)TYPE(2)(d)TYPE(2)經T6熱處理 圖21 放大倍率1000之拉伸試件SEM觀測並避開色 差模痕區域(a) TYPE(2)第三邊(b)之TYPE(2)第三 邊經T6熱處理 圖22 放大倍率250之拉伸試件SEM觀測(a)含有「色 差模痕」之TYPE(2)第三邊(b)含有「色差模痕」之 TYPE(2)第三邊經T6熱處理；放大倍率1000之拉伸 試件SEM觀測(a)含有「色差模痕」之TYPE(2)第三 邊(b)含有「色差模痕」之TYPE(2)第三邊經T6熱處 理 圖23 應變率為0.1，三種不同溫度之塑流應力曲線 (a)與應變率為1，三種不同溫度之塑流應力曲線 (b) 圖24 AA7075塑流應力曲線圖(a)應變率0.1，
380、440、480℃(b)應變率0.1、5、40，溫度380 ℃(c) 應變率0.1、5、40，溫度440℃ 圖25 SKD61 S-N曲線圖與模具壽命推估 圖26 應子反應圖 圖27 負荷位移比較圖(a)原始資料(b)經單位換算 後乘以8(因製程模擬為全模的八分之一) 圖28 模具應力比較圖 圖29 上模之平均等效應力取點位置 圖30 下模之平均等效應力取點位置
出席國際學術會議心得報告
計畫編號NSC 1002221E151 019
-計畫名稱高強度難銲型鋁合金中空擠伸製程研究(II)
出國人員姓名 服務機關及職稱許光城
國立高雄應用科技大學 機械工程系 教授
會議時間地點 101 年 9 月 16 ~19 日 波蘭 克拉科夫(Krakow) 會議名稱 Metal Forming 2012發表論文題目 Numerical and Experimental Studies on Cold Roll Forming Process Considering the Material and Roll Station Distance Effects
