行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
鋁合金棒材鍛造成形性之研究 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-005-
執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學機械工程系
計 畫 主 持 人 ： 向四海
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：邱仁志、歐育附
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 96 年 09 月 20 日
行政院國家科學委員會專題研究計劃年度期末報告 鋁合金棒材鍛造成形性之研究
Investigation on the formability of aluminum alloy rod under forging process 計劃編號：NSC 95-2221-E-011-005
執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 主持人：向四海 教授 國立台灣科技大學機械工程系 計劃參與人員：邱仁志 國立台灣科技大學機械工程研究所碩士班 計劃參與人員：歐育附 國立台灣科技大學機械工程研究所碩士班
一. 中文摘要
本計劃之主要研究內容為進行有關 A2024、
A6061 與 A7075 鋁合金棒材在凸緣鍛造加工成形 性，嘗試改善凸緣鍛造所產生之翹曲現象，及探討 相關參數對成形性的影響。本研究所探討之參數包 括模具轉角半徑、間隔環高度、材料加熱時間、恆 溫時間、摩擦因子、加工硬化指數與胚料直徑等，
以此參數之變化分析其對凸緣鍛造成形之外形輪 廓及凸緣翹曲的影響。經由製程參數交互組合，整 理出影響凸緣成形性及產生翹曲之原因。最後，選 擇汽車變速箱軸承套蓋之零組件為研究標的，以鋁 合金棒材進行閉模鍛造之實驗探討其成形性。
關鍵詞：鍛造、鋁合金、凸緣鍛造、翹曲
Abstract
The main purpose of this study aims to investigate the warping problems during flange forging process of A2024, A6061 and A7075 aluminum alloys. The process parameters considered in this study are die corner radius, holding time at a specified temperature, billet heating temperature, ring gap height, type of material, billet diameter and friction condition. Through a series of experiments, the warping characteristics of the flange forging were analyzed and the effective solutions to solve the warping problem can be found. Finally, bearing cover of gear box in car components was selected as a carrier in hot forging to probe into the formability of aluminum alloys.
Keywords：Forging, Aluminum alloys, Flange Forging, Warping.
二、緣由與目的
凸緣鍛造加工在金屬材料塑性成形加工常被 用來作為精密鍛造之預成形加工，由於常被使用於 傳動軸軸頸及螺栓頭部等之零件，因此其強度及機 械性質是相當被重視，所以凸緣鍛造在金屬材料塑 性成形加工是相當重要的製程之一。由於凸緣成形 加工過程中常造成凸緣外周緣鼓脹與輪廓外形之 變化等，繼而影響其爾後承受負載之能力及其後續 加工之變形歷程。
有鑑於此，本研究嘗試改善單一階層凸緣鍛造 所產生之翹曲現象，探討相關製程參數(如：模具 轉角半徑、間隔環高度、材料加熱時間、恆溫時間、
摩擦因子、加工硬化指數、原始胚料直徑與表面處 理等)對成形性之影響。以上述之參數來探討其對 凸緣鍛造成形之外形輪廓及凸緣翹曲的影響，並歸 納出影響凸緣成形性及產生翹曲之原因，其模具幾 何示意圖與翹曲量，如圖1 所示，其中間隙高度(H) 為 8mm、胚料尺寸 Φ32mm×90mm 高、凸緣之最 大外徑(D)為模穴孔徑(d)之 2 倍即 D / d＝2，成形 後所產生的翹曲量(h)。最後，以單一階層凸緣之 成果進一步探討具有兩段式凸緣之汽車變速箱軸 承套蓋之零組件的成形性。其兩段式凸緣之模具 圖，如圖2 所示。
三、結果與討論
本計劃為一年一般型研究計劃，其研究目的主 要在探討改善鋁合金凸緣在鍛造成形加工所造成 之翹曲，及 A2024、A6061 與 A7075 三種鋁合金 凸緣之汽車變速箱軸承套蓋之零組件的成形性，其
所得之成果分別如下所述：
◆ 改善單一階層凸緣鍛造加工所造成之翹曲 1. 不同模具轉角幾何形狀之影響：圖 3 為不同模
具轉角之型式，由圖4 可明顯看出 CASE 2 相 對於 CASE 1 與 CASE 3 改善甚多，且 CASE 2 的成形負荷也是最低，如圖 5 所示。
2. 不同持溫時間之影響：持溫時間對於凸緣鍛造 成形之翹曲量及鍛造負荷並沒有任何影響，如 圖6 所示，因此對於往後在加熱過程當中可以 縮短對於胚料加熱的持溫時間。
3. 不同加熱溫度之影響：使用 CASE 1 之圓角模 具進行實驗，其結果如圖7 所示，明顯可看出 溫度從室溫到300℃僅改善 8%之翹首現象。
4. 不同間隙高度之影響：由圖 8 所示，其間隙高 度與翹曲量成反比，在間隙高度10mm 相對於 間隙高度5mm 可以改善 30%的翹曲量，且凸 緣底部外形輪廓依然完整。
5. 不同鋁合金系列之影響：如圖 9 所示，不同鋁 合金相較之下，其翹曲現象之改善並不明顯。
在相同加工條件下，其 A2024 之加工負荷最 大，依序為A7075，A6061 鋁合金鍛造負荷最 小，如圖10 所示。
6. 不同胚料直徑之影響：如圖 11 所示，直徑太 小容易有破裂情形產生，而在直徑34mm 相對 於直徑32mm 時，其翹曲量改善約 19%。
7. 不同潤滑劑與乾摩擦之影響：如圖 12 所示，
可 明 顯 看 出 乾 摩 擦 相 對 於 硫 化 鉬 改 善 約 83%，雖然添加潤滑劑可有效降低鍛造負荷，
但乾摩擦卻可以有效降低翹曲現象。
◆ 兩段式凸緣之汽車變速箱軸承套蓋之零組件的 成形性
1. A2024 鋁合金之成形溫度為 350℃時方能填滿 兩段式之凸緣而充分成形，當加熱溫度為 325
℃時，其成品外觀可以明顯無法填滿模穴，而 當加熱溫度為 400℃時，其凸緣桿會產生彎曲 的現象，如圖 13 所示，
2. A6061 鋁合金之成形溫度為 375℃以上方能填 滿兩段式之凸緣而充分成形，如圖 14 所示，
當加熱溫度為 350℃時，其成品外觀可以明顯 無法填滿模穴，如圖 15 所示。
3. A7075 鋁合金之成形溫度為 450℃時方能填滿 兩段式之凸緣而充分成形，當加熱溫度為 430
℃時，其成品底部外形輪廓較450℃成品不完 整，如圖 16 所示。
4. 兩段式凸緣之硬度取樣點示意圖，如圖 17 所 示。A2024 鋁合金兩段式凸緣在成形溫度 350
℃之第一點至第三點之硬度值皆較胚料的硬 度高，唯在第四點處呈現硬度降低之現象。
5. A6061 鋁合金兩段式凸緣之第三點硬度值皆 大於其他之取樣點，而當成形溫度的提升會使 成品之硬度值降低。
6. A7075 鋁合金兩段式凸緣之第三點硬度值皆 大於其他之取樣點，且四個取樣點皆比胚料硬 度值提高Rc 值 10.5~23。
四、 參考文獻
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表1 兩段式凸緣之硬度值
材料種類 成形溫度(℃) 位移 (mm)
負荷 (ton)
第一點 硬度
第二點 硬度
第三點 硬度
第四點 硬度 A2024 胚料之硬度值：64
A2024 350 31 23 66 66.5 66 62 A6061 胚料之硬度值：42.5
A6061 375 33 18 50 51 52 50 A6061 400 33 16 48 48.5 50.5 48.5 A6061 450 33 14 42 45 50 45
A7075 胚料之硬度值：63.5
A7075 450 33 15 74 85 86.5 85
圖1 單一階層凸緣模具幾何及凸緣翹曲示意圖
單位：mm 圖2 兩段式凸緣之模具圖
(a)圓角 (b)截角 (c)圓角加推拔 圖3 不同模具轉角幾何形狀
圖4 不同模具轉角幾何形狀之凸緣鍛造成品圖
圖5 不同模具轉角之凸緣鍛造負荷－衝程圖
圖6 不同持溫時間之凸緣鍛造成品圖
圖7 不同加熱溫度之凸緣鍛造成品圖
圖8 不同間隙高度之凸緣鍛造成品圖
圖9 不同系列鋁合金之凸緣鍛造成品圖
圖10 不同系列鋁合金之凸緣鍛造負荷－衝程圖
圖11 不同胚料直徑之凸緣鍛造成品圖
圖12 不同潤滑劑與乾摩擦之凸緣鍛造成品圖
圖13 A2024 鋁合金兩段式凸緣之各成形溫度成品
圖14 A6061 鋁合金兩段式凸緣之各成形溫度成品
圖15 A7075 鋁合金兩段式凸緣之各成形溫度成品
圖16 A7075 鋁合金兩段式凸緣底部的外形輪廓
圖17 兩段式凸緣之硬度取樣點之示意圖
