鎂合金產品之金屬成形實驗與模擬分析之探討

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

鎂合金產品之金屬成形實驗與模擬分析之探討(第 2 年) 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-011-017-MY2

執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 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-兼任助理人員：林信銘 碩士班研究生-兼任助理人員：洪宜承 碩士班研究生-兼任助理人員：陳驥鵬 碩士班研究生-兼任助理人員：林妗諭

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 10 月 03 日

中 文 摘 要 ： 鎂合金由於在構造用實用金屬材料中具有比強度高且容易再 循環利用，是 21 世紀對環境公害較少之關鍵材料，順應全球 科技產品有輕量化之趨勢外，更有環保回收再利用的要求，

使得鎂合金成為產業界重用的金屬材料。在其利用方法自電 子機器外殼框架至大型汽車之零件，也將其應用延伸至民生 用零件上。由於全球暖化現象日趨嚴重，有多種研究主題均 著重於如何減少二氧化碳排放量為議題，以汽車為例如何減 重是一重要課題，而使得鎂合金之使用量大為增加。

在本研究中擬對於鎂合金之金屬成形加工中之擠製與鍛造製 程進行探討，以現有之設備進行航太零件以及日常生活中可 應用的產品之開發。第一年將進行擠製之實驗，擠製之成品 包含類似飛彈尾翼般之鰭片狀結構件、具散熱功能之散熱片 零件，及汽車用動輪葉等之鎂合金產品零組件，除了進行擠 製實驗之外，本研究也嘗試尋求以最佳之擠製條件進行產品 之成形。第二年則進行鍛造實驗，鍛造加工方面則以擠製所 得之棒材進行車輛用零件之熱間鍛造加工，探討其成形舉 動。最後擬將各種成品之金屬成形以 DEFORM 3D 軟體進行模 擬分析，藉著模擬分析結果希望能夠協助擠製與鍛造模具之 設計。藉由模擬參數的改變觀察成形中之材料變形舉動及其 應力應變等之變化，並與實驗所得之成品進行分析比較，預 期找出各參數間的關係並預測最佳的製程參數，最後以實驗 加以印證之。同時也希望藉由 DEFORM 3D 軟體之分析來了解 各製程參數對成品機械性質之影響程度。期望本研究之結果 能對鎂合金加工產業有所助益。

中文關鍵詞： 鎂合金、金屬成形、實驗、模擬分析

英 文 摘 要 ： In this study AZ31 and AZ61 magnesium alloys are applied to carry out the extrusion and forging

experiments of aerospace components and products used in daily life by using the existing facilities in the laboratory. The experiment of extrusion will be

carried out in first year, the extruded products including a similar missile tail fin structural parts, the parts have fin with cooling function, impeller vane and other structural parts. In addition to do the experiments, this study also tried to find the optimal extrusion conditions for the extruded parts. In the second year, the focus will be on forging experiments, the extruded bar metal will be applied to form pulley boss part with rib and bicycle

parts under hot forging process to investigate the forming behaviors of the metal. Besides, DERORM 3D software will be adopted to simulate the forming behaviors of extruded and forged parts and

accessories in this study. Through the change of process parameters in simulation, metal flow, stress and strain distributions can be observed, and it will be compared with the experimental results. Through a series of discussion, the optimal process parameters in extrusion and forging processes can be predicted.

Confirmatory experiments will be made to prove the precision of prediction and simulation. It is hoped that the research results derived from this study can provide referential data to the industry of magnesium alloy.

英文關鍵詞： Magnesium alloy, Metal forming, Experiments, Simulation

摘要

鎂合金由於在構造用實用金屬材料中具有比強度高且容易再循 環利用，是 21 世紀對環境公害較少之關鍵材料，順應全球科技產品 有輕量化之趨勢外，更有環保回收再利用的要求，使得鎂合金成為產 業界重用的金屬材料。在其利用方法自電子機器外殼框架至大型汽車 之零件，也將其應用延伸至民生用零件上。由於全球暖化現象日趨嚴 重，有多種研究主題均著重於如何減少二氧化碳排放量為議題，以汽 車為例如何減重是一重要課題，而使得鎂合金之使用量大為增加。

在本研究中擬對於鎂合金之金屬成形加工中之擠製與鍛造製程 進行探討，以現有之設備進行航太零件以及日常生活中可應用的產品 之開發。第一年將進行擠製之實驗，擠製之成品包含類似飛彈尾翼般 之鰭片狀結構件、具散熱功能之散熱片零件，及汽車用動輪葉等之鎂 合金產品零組件，除了進行擠製實驗之外，本研究也嘗試尋求以最佳 之擠製條件進行產品之成形。第二年則進行鍛造實驗，鍛造加工方面 則以擠製所得之棒材進行車輛用零件之熱間鍛造加工，探討其成形舉 動。最後擬將各種成品之金屬成形以 DEFORM 3D 軟體進行模擬分析，

藉著模擬分析結果希望能夠協助擠製與鍛造模具之設計。藉由模擬參

數的改變觀察成形中之材料變形舉動及其應力應變等之變化，並與實

驗所得之成品進行分析比較，預期找出各參數間的關係並預測最佳的 製程參數，最後以實驗加以印證之。同時也希望藉由 DEFORM 3D 軟體 之分析來了解各製程參數對成品機械性質之影響程度。期望本研究之 結果能對鎂合金加工產業有所助益。

關鍵字：鎂合金、金屬成形、實驗、模擬分析

Abstract

In this study AZ31 and AZ61 magnesium alloys are applied to carry out the extrusion and forging experiments of aerospace components and products used in daily life by using the existing facilities in the laboratory.

The experiment of extrusion will be carried out in first year, the extruded products including a similar missile tail fin structural parts, the parts have fin with cooling function, impeller vane and other structural parts. In addition to do the experiments, this study also tried to find the optimal extrusion conditions for the extruded parts. In the second year, the focus will be on forging experiments, the extruded bar metal will be applied to form pulley boss part with rib and bicycle parts under hot forging process to investigate the forming behaviors of the metal. Besides, DERORM 3D software will be adopted to simulate the forming behaviors of extruded and forged parts and accessories in this study. Through the change of process parameters in simulation, metal flow, stress and strain distributions can be observed, and it will be compared with the experimental results. Through a series of discussion, the optimal process parameters in extrusion and forging processes can be predicted.

Confirmatory experiments will be made to prove the precision of prediction and simulation. It is hoped that the research results derived from this study can provide referential data to the industry of magnesium alloy.

Keywords：Magnesium alloy, Metal forming, Experiments, Simulation

目錄

摘要... I Abstract ... III 目錄... IV 圖目錄... VI

ㄧ、前言 ... 1

二、研究目的 ... 2

三、文獻探討 ... 3

四、研究方法 ... 8

五、結果與討論 ... 9

5.1 類似飛彈尾翼之鰭片狀結構件之擠製 ... 9

5.1.1 最高擠製負荷結果分析 ... 9

5.1.2 成形外觀結果 ... 10

5.2 散熱片零件之擠製 ... 14

5.2.1 最高擠製負荷結果分析 ... 14

5.2.2 成形外觀結果 ... 15

5.3 鎂合金動輪葉之擠製 ... 18

5.3.1 最高擠製負荷結果分析 ... 18

5.3.2 成形外觀結果 ... 21

5.4 含肋之滑車轂鎂合金零件之鍛造 ... 24

5.4.1 成形負荷結果分析 ... 24

5.4.2 成形外觀結果 ... 28

5.5 鎂合金自行車零件組之鍛造 ... 37

5.5.1 成形負荷結果分析 ... 37

5.5.2 成形外觀結果 ... 42

六、結論 ... 50

七、參考文獻 ... 53

圖目錄

圖 5- 1 不同材料加熱溫度時實驗與模擬之擠製負荷比較 ... 10

圖 5- 2 不同擠製速度時實驗與模擬之擠製負荷比較 ... 10

圖 5- 3 擠製速度過快之破裂品 ... 11

圖 5- 4 實驗與模擬之自由端輪廓擷取示意圖 ... 12

圖 5- 5 模擬與實驗之自由端外形比較 ... 13

圖 5- 6 鰭片狀結構件金屬流動之速度分佈圖 ... 14

圖 5- 7 不同材料溫度下之實驗與模擬之擠製負荷比較 ... 15

圖 5- 8 不同擠製速度下之實驗與模擬之擠製負荷比較 ... 15

圖 5- 9 不同材料加熱溫度之自由端外形比較 ... 16

圖 5- 10 不同加熱溫度下模擬所得之彎曲情形 ... 16

圖 5- 11 不同溫度下之擠製速度場分佈圖 ... 17

圖 5- 12 不同擠製速度之自由端外形比較 ... 18

圖 5- 13 不同擠製速度下之彎曲情形 ... 18

圖 5- 14 不同材料溫度下負荷與行程之模擬結果(AZ31) ... 19

圖 5- 15 不同材料溫度下負荷與行程之模擬結果(AZ61) ... 20

圖 5- 16 外觀形狀輪廓擷取示意圖 ... 22

圖 5- 17 不同溫度下之模擬與實驗之自由端外形比較 ... 23

圖 5- 18 模擬與實驗之不同速度之自由端外形比較 ... 24

圖 5- 19 不同溫度與冲頭速度條件下之模擬結果 ... 26

圖 5- 20 實驗與模擬之成形負荷比較圖 ... 27

圖 5- 21 模具圓角位置圖 ... 29

圖 5- 22 不同圓角半徑下之模擬結果圖 ... 29

圖 5- 23 模具拔模斜角位置圖 ... 31

圖 5- 24 不同拔模斜角下之模擬結果圖 ... 31

圖 5- 25 模擬之肋厚度之位置圖 ... 32

圖 5- 26 不同定剪摩擦因子下含肋之滑車轂肋可成形肋厚之模擬結 果 ... 34

圖 5- 27 定剪摩擦因子 0.18，肋厚度 2.6mm 時產生之缺陷 .... 35

圖 5- 28 預期之成品示意圖 ... 36

圖 5- 29 含肋之滑車轂零件實驗與模擬結果斷面比較圖 ... 37

圖 5- 30 加工溫度提升至 350℃之實驗成品與模擬結果圖 ... 37

圖 5- 31 AZ31 實驗與模擬成形負荷比較圖 ... 39

圖 5- 32 AZ31 不同定剪摩擦因子之模擬結果圖 ... 42

圖 5- 33 AZ61 不同定剪摩擦因子之模擬結果圖 ... 42

圖 5- 34 成品自由端面觀察之剖面圖 ... 43

圖 5- 35 AZ31 及 AZ61 鎂合金自由端面比較圖 ... 45

圖 5- 36 自由端面觀察圖 ... 47

表目錄

表 5- 1 不同材料加熱溫度時之自由端面落差比較 ... 12

表 5- 2 不同擠製速度時之自由端面落差比較 ... 12

表 5- 3 不同材料加熱溫度之最高擠製負荷之結果比較 ... 20

表 5- 4 不同擠製速度之最高擠製負荷之結果比較 ... 21

表 5- 5 不同溫度與冲頭速度條件下之模擬結果（AZ31 ） ... 25

表 5- 6 AZ31 在不同加工溫度最大鍛造負荷模擬與實驗結果比較 ... 27

表 5- 7 不同圓角半徑下之模擬結果 ... 28

表 5- 8 不同拔模斜角下之模擬結果 ... 30

表 5- 9 模擬後之統計表 ... 33

表 5- 10 含肋之滑車轂零件之可成形之肋厚及其負荷 ... 34

表 5- 11 AZ31 不同冲頭速度之模擬結果 ... 38

表 5- 12 AZ31 實驗與模擬之成形負荷比較 ... 39

表 5- 13 AZ31 不同定剪摩擦因子之模擬結果 ... 41

表 5- 14 AZ61 不同定剪摩擦因子之模擬結果 ... 41

表 5- 15 不同成形溫度之端面落差比較(AZ31) ... 44

表 5- 16 不同成形溫度之端面落差比較(AZ61) ... 44

表 5- 17 不同定剪摩擦因子之端面落差比較(AZ31) ... 45

表 5- 18 不同定剪摩擦因子之端面落差比較(AZ61) ... 46

表 5- 19 不同成形溫度實驗之端面落差(AZ31) ... 48

表 5- 20 不同成形溫度實驗之端面落差(AZ61) ... 48

表 5- 21 實驗與模擬之自由端落差比較 ... 49

ㄧ、前言

鎂合金作為新世紀的綠色金屬，是所有構造用金屬中最輕之材料，也 是在構造實用金屬材料中具有比強度高且容易再循環利用之優勢，是 21 世紀對環境公害較少之關鍵材料，除了順應全球科技產品有輕量 化之趨勢外，更有環保回收再利用的要求，使得鎂合金成為產業界重 用的金屬材料[1]。「輕量化」一直是產業發展的重要趨勢，不僅是眾 人耳熟能詳的 3C 產業，對於重視節能環保與資源再生利用的車輛產 業(Car)更是如此，採用鎂合金製作車輛零件及結構件之需求急遽增 加，除採用擠製方式生產各式鎂合金型材之外，亦使用各種鑄造及鍛 造方式製造複雜幾何形狀之製品，應用範圍自 3C 電子外殼框架至大 型汽車之零件以及成品之表面處理，也將其應用延伸至民生、航空航 太甚至國防應用等之零件及結構件上[2]。由於鎂合金密度低 (約 1.74g/cm)﹐是鋁的 2/3，強度雖低於鋁合金，但比強度較高，在航空 和航太工業中應用可以減輕結構件重量。此外鎂合金的楊氏係數約為 45GPa，蒲松比為 0.35，消震性好﹐承受衝擊負荷的能力比鋁合金大﹐

適於製造承受劇烈震動的零件。隨著鎂合金產業的風潮興起，使得全

球鎂合金市場近幾年也產生相當大的變化[3]，因此，能開發出品質

安定、生產性良好的鎂合金之量產化技術，再配合鎂合金所具備之特

性，定能使其應用領域飛躍地成長

二、研究目的

目前鎂合金工件的主要成形方式，有壓鑄(Die casting)及半固 態射出成形（Thixomolding）兩種。壓鑄法發展歷史悠久，技術成熟 度較高，然而此種成形方法，其良率低而且生產速度慢，產品的強度 亦不高，對於厚度越薄之工件，成形難度提高且產品不良率亦相對提 升[4]；半固態射出成形則是因應壓鑄法之缺失，於近年發展出來之 新技術，但仍會產生氣孔與偏析等組織缺陷[5]，依然有其改良空間。

目前使用擠製成形來加工鎂合金的方法並不普遍。另外以鍛造加 工之良品其成品之性質均優於壓鑄加工，不會有氣孔、縮孔、氧化及 熱 裂 等 問 題 。 因 鎂 合 金 為 六 方 堆 積 結 構 (HCP ， Hexagonal Close-Packed)，在室溫下欲對鎂合金進行塑性變形相當困難，因此 鎂合金之成形加工均加熱至再結晶溫度以上 [6][7][8][9]。除了加 工溫度對於鎂合金成形性影響甚巨以外，其他製程參數如衝錘速度 [10]、摩擦係數[11][12]，顯微結構[13]都是影響鎂合金材料成形性 的關鍵。

有鑑於此，本計劃中會以AZ31與AZ61兩種鎂合金來進行擠製與

鍛造的實驗分析。探討製程參數對鎂合金成形性之影響，並尋求出最

佳之製程參數組合。

三、文獻探討

能源短缺以及地球暖化的議題於近幾年被極度重視，由於輕金屬 對於減少能源過度的浪費有其重要功效，以逐漸成為新世代結構材的 主要材料。然而因鎂合金在室溫下之塑性成形性不良，所以目前為止 大 部 分 鎂 合 金 的 產 品 由 壓 鑄 (Die Casting) 、 半 固 態 射 出 成 形 (Thixomolding)或半固態鑄造(Thixocasting)的方式製造。然而在產 品中其微結構或組織缺乏球面的晶體分佈，無法達到產品品質的要 求。因此，其他的成形方式如鎂合金鍛造、軋延、擠製，或液壓成形 加工製程正積極開發[14]，若能利用擠製或沖鍛加工成形，可能是解 決現有製程缺點的新方法，對於鎂合金產業將會有相當大的幫助。

國內外與擠製加工成形性相關之研究，及使用鎂合金的擠製加工 之相關研究介紹如下：

Bakhshi-Jooybari[15]以理論與實驗研究探討金屬材料在擠製 加工過程之摩擦條件，以擠錠長度 40mm 進行直接與間接擠製加工，

其結果顯示直接擠製之負荷高於間接擠製負荷約 200KN 以上。由於間 接擠製加工中，擠錠與盛錠筒之間無相對運動，因此盛錠筒之容器壁 無摩擦力產生，所以擠製負荷會大幅降低。

Murai 等[16]探討擠製速度與擠製比對 AZ31 鎂合金顯微組織及機

械性質的影響，當擠製比增加則晶粒尺寸會變小，並且在低材料溫度

與低擠製速度下，可得到較佳的抗拉強度與伸長率。

Chandrasekara 等[17]研究 AZ31、AZ61 及 ZK60 鎂合金及溫度對 於直接擠製之影響，其擠製負荷隨成形溫度之降低而上升，而此三種 鎂合金於常溫至 175℃之間均無法成形，當溫度為 200℃進行擠製加 工時，三種鎂合金均可以順利地被擠製出來，但 AZ31 與 ZK60 鎂合金 則會有破裂的現象發生，當溫度提高到 300℃時，AZ31 鎂合金則可獲 得良好之成形。

Uematsu 等[18]探討擠製條件對鎂合金晶粒細化與破壞行為的影 響，在實驗過程中改變 AZ31 與 AZ61 之材料溫度，而 AZ31 與 AZ80 則 改變其擠製比。當材料加熱溫度增加時，AZ31 與 AZ61 鎂合金晶粒尺 寸會增大，而 AZ61 與 AZ80 鎂合金之晶粒尺寸則隨擠製比增加而變小。

Chen 等[19]提出擠製比變化對 AZ31 鎂合金顯微組織與機械性質 之影響性，當擠製比增加時鎂合金晶粒尺寸會越細，對於材料的延性 也有改善效果，而當擠製比小於 24 時，材料之極限抗拉強度與降伏 強度會隨擠製比增加而有顯著提升，若擠製比大於 24，則極限抗拉 強度與降伏強度提升程度會趨於平緩。

Tang 等[20]提出晶粒尺寸和晶粒組織的分佈對擠製成品的機械

性質有很大的影響。藉由改變 AZ31 鎂合金擠製時各種製程參數（擠

製比，溫度和速度） ，研究熱間擠製過程中晶粒大小和晶粒組織變化，

並利用光學顯微鏡和電子背向散射繞射(EBSD)對擠製試片進行觀 察。實驗結果顯示，擠製比是晶粒細化最重要的參數，減少擠製比與 加快擠製速度可得到較大的強度，而溫度影響取決於擠製比與速度。

郭哲良[21][22]探討鎂合金薄板於直角模之熱間擠製加工的成 形性、擠製負荷與最佳參數組合。

周村憲[23]探討 AZ31 鎂合金及 AZ61 鎂合金板材在錐度模中的成 形性，運用田口式品質設計方法探討最佳製程參數組合。

林益瑋[24][25]探討 AZ31 板材於不同角度之錐度模進行熱間擠 製加工成形性，以及製程參數對板材之影響。

邱仁志與鄭力瑋[26][27]探討 AZ80 鎂合金棒、管、板材於不同 角度之錐度模進行熱間擠製加工成形性與最佳參數組合。

李倉誠[28]探討 AZ31 鎂合金與 AZ61 鎂合金結構件熱間擠製之成 形性。比較 AZ31 與 AZ61 結構件在擠製負荷及機械性質上的差異。另 加入 6061 鋁合金與 AZ31 鎂合金、AZ61 鎂合金探討在相同製程參數 下，對於擠製負荷及機械形質上之差異。

林宜宏[29]利用有限元素軟體 DEFORM-3D，針對非對稱鋁合金異 形材夾片及外框之 3C 產品之擠製加工，進行胚料於模穴內塑流型態 之解析，以自行設計之模具，在擠製過程中所得成品之形狀、應力、

應變、擠製負荷、溫度、產品變形機制等進行一系列探討。

國內外與熱鍛成形性相關之研究，及使用鎂合金的熱鍛成形加工 之相關研究介紹如下:

蔡恒光等[30]探討不同模具溫度對鎂合金材料高溫成形之影 響，將分為沖頭降溫與母模降溫兩方面來分析其成形效果。

伏和中[31]研究鎂合金鍛造技術，介紹鎂合金之鍛造特性與鍛造 模具設計要領。

邱垂泓[32]介紹鎂合金鍛造、擠型及軋延等塑性加工製程之基本 概念。

莊錦川[33]針對擠製鎂合金與鋁合金之機械性質，以熱室壓鑄機 所製造NB上蓋產品(AZ91)，由現場取得表面缺陷的不良品，如熱裂、

表面氧化、頂出變形、流紋等，配合統計缺陷位置分佈，找出缺陷發 生之原因。

姜志華[34]介紹鎂合金之基本特性、焊接及應用概述，包括填充 料之選用及熱處理條件等。

周金龍等[35]介紹以有限元素模擬解析軟體DEFORM，模擬材料的 流動情形與應力、應變分佈狀況，並試舉兩個個案以DEFORM輔助診斷 鍛造製程，結果確實可以診斷出鍛造件缺陷形成原因。

王寶德[36]研究AZ31及AZ61鎂合金汽車軸承套蓋零組件之熱鍛

成形性，以鎂合金棒材在不同模具與不同潤滑劑中，進行汽車軸承套

蓋零組件之熱鍛實驗，並且使用有限元素分析軟體DEFORM模擬分析，

尋找最佳之成形條件。

黃圳遙[7]研究AZ61鎂合金棒材之熱鍛成形性，將圓柱壓縮實驗 所得不同成形溫度及應力應變資料，代入DEFORM之分析軟體中進行不 同加工條件下之鍛造成形性分析。

梁三和[37]研究AZ31鎂合金板材凸緣壓縮與壓印之熱鍛成形 性，藉由有限元素分析軟體DEFORM 模擬與熱鍛實驗驗證，得知板材 凸緣壓縮與壓印，材料加熱溫度在220℃以上皆可完整填滿模穴。

林家瑋[38]研究汽車零組件磁座之模具設計分析，分別以鍛粗、

預成形鍛、成形鍛三個道次來分析各製程之間的關係，使用二維模型 與三維模型來模擬成形過程，以得到最佳的成形參數。

Gagov等[39]利用有限元素法數值分析熱間鍛造製程設計，應用 於開模與閉模鍛造製程，以軸對稱鍛造零件為載具，使用FORM-2D 軟 體設計預成形鍛、成形鍛和溢料邊等各製程規劃，其結果顯示模擬軟 體，在製程規劃與模具設計能有效幫助使用者。

Lee等[40]研究鎂合金AZ31 在高溫變形下材料流動軟化行為，其

主要原因為，塑性變形產生熱能和材料內部動態再結晶，導致結晶結

構改變，因而造成材料流動性增加。

四、研究方法

本計劃中擠製加工的部份所考慮之製程參數為材料加熱溫度、擠 製速度及鎂合金材料種類。研究之對象有擠製比為 8.03 之鰭片狀結 構件、擠製比 13.2 之鰭片狀散熱器零件及擠製比為 6.92 之動輪葉，

以熱間擠製實驗進行 AZ31 與 AZ61 鎂合金動輪葉之成形加工，分析在 製程參數不同時對擠製負荷的影響。

熱鍛成形的部份，研究對象有含肋之滑車轂零件及自行車零件 組，以 AZ31 及 AZ61 兩種材料去進行熱鍛加工，依據各零件的功能 所決定的製程參數進行分析。

接著兩種加工方式都使用有限元素軟體 DEFORM-3D 軟體進行模擬 分析，探討成形中之應力、應變、速度場分佈及變形形狀等之數據，

並與實驗結果進行驗證與分析，探討製程參數對鎂合金成形性之影響 程度，並嘗試尋求最佳製程參數。

期望本計劃之成果能提供鎂合金成形加工之學術界與產業界研

究人員參考。

五、結果與討論

熱間擠製部份針對類似飛彈尾翼之鰭片狀結構件、散熱片零件及 鎂合金動輪葉，擠製比分別為 8.03、13.2 及 6.92；熱鍛成形部分針 對含肋之滑車轂零件及自行車零件組去探討。

5.1 類似飛彈尾翼之鰭片狀結構件之擠製 5.1.1 最高擠製負荷結果分析

隨著材料加熱溫度提高，其最高擠製負荷也隨之降低；然而在相 同的擠製速度條件下，AZ31鎂合金之流動性較AZ61鎂合金之流動性 好，故兩者在相同材料溫度比較下，AZ31鎂合金之擠製負荷都顯得略 低，且溫度改變所造成負荷變動的趨勢大致上是相同的，如圖5-1所 示。實驗與模擬所得最高之擠製負荷值，誤差均在2.7%~7.9%之間。

隨著擠製速度的提高，其最高擠製負荷也隨之降低；然而在相同

的材料加熱溫度條件下，AZ31鎂合金之流動性較AZ61鎂合金好，故兩

者在相同擠製速度比較下，AZ31鎂合金之擠製負荷都顯得略低，而且

擠速改變所造成負荷變動的趨勢大致上是相同的，如圖5-2所示。實

驗與模擬所得最高之擠製負荷值，誤差均在4.1%~7.9%之間。

200 220 240 260 280 300

280 300 320 340 360 材料溫度(℃)380

負荷(ton)

模擬負荷-AZ61 模擬負荷-AZ31 實驗負荷-AZ61 實驗負荷-AZ31

圖 5- 1 不同材料加熱溫度時實驗與模擬之擠製負荷比較

200 220 240 260 280 300

1 2 3 4 5 6 速度(mm/s)7

負荷(ton) 最高負荷-AZ61

最高負荷-AZ31 實驗負荷-AZ61 實驗負荷-AZ31

圖 5- 2 不同擠製速度時實驗與模擬之擠製負荷比較

5.1.2 成形外觀結果

由於本成品局部面積之形狀變化大，導致成形時各部位之金屬流 速有差異，軸心部分所受之成形阻力較小故流速較快，但翼板及凸緣 處變形量較大，造成很大的阻力而使得金屬流動較慢；其速度差將會 造成擠製品自由端之軸心與翼板成形將會有長度落差。

自由端落差之結果觀察出 AZ61 材料端面落差程度較 AZ31 高，可

知 AZ61 材料流動性較差，容易受到阻力而導致端面落差大，甚至有

翼板撕裂現象，以材料加熱溫度 320℃、擠製速度 6mm/s 製程所得 AZ61 鎂合金成品為例，在翼板擠出約 25mm，往後之成品均破損而無法成 形，如圖 5-3 所示，故自由端翼板不受後方材料之推擠而無法快速離 開模孔，使得端面落差程度據增，因此 AZ61 鎂合金在進行此類成品 各部位面積形狀變化大之擠製加工時容易產生撕裂及破裂之現象。

圖 5- 3 擠製速度過快之破裂品

在材料溫度不同時，擠速固定為 2mm/s，成品之端面落差之程度

也有所差異，材料加熱溫度為 300℃時，成品之端面落差最小，溫度

越高端面落差越大；當材料加熱溫度固定為 320℃，當擠製速度不同

時，當擠速為 2mm/s 時成品之端面落差最大，隨著擠速降低其成品之

端面落差越大，其結果如表 5-1 及表 5-2 所示。對於自由端之材料變

形模擬與實驗所得成品之自由端形狀進行比較，以証實在非穩態擠製

模擬之準確性，自由端輪廓擷取示意如圖 5-4 所示，紅色輪廓為模擬

外形，藍色輪廓為實驗所得之外形模擬與實驗結果如圖 5-5 所示。

表 5- 1 不同材料加熱溫度時之自由端面落差比較

單位：mm

材料加熱溫度(℃) (擠製速度 2 mm/s)

300 320 340

實驗 14.0 17.0 19.0

AZ31

模擬 15.8 16.4 18.4

實驗 17.5 19.5 20.5

AZ61

模擬 10.4 11.4 12.1

表 5- 2 不同擠製速度時之自由端面落差比較

單位：mm

擠製速度(mm/s) (材料加熱溫度 320℃)

2 3 4 5 6 實驗 17.0 --- 16.0 --- 15.0 AZ31

模擬 16.4 15.5 14.5 13.8 13.4 實驗 19.5 --- 14.5 --- 13.0 AZ61

模擬 11.4 10.8 10.1 9.6 9.3

實驗 模擬

圖 5- 4 實驗與模擬之自由端輪廓擷取示意圖

AZ31

300℃、2mm/s 320℃、2mm/s 340℃、2mm/s

2mm/s、320℃ 4mm/s、320℃ 6mm/s、320℃

AZ61

300℃、2mm/s 320℃、2mm/s 340℃、2mm/s

2mm/s、320℃ 4mm/s、320℃ 6mm/s、320℃

圖 5- 5 模擬與實驗之自由端外形比較

利用 DEFORM 模擬軟體的後處理功能來觀察並探討鰭片狀結構件

的成形性。由圖 5-6 可觀察到模具出口端之材料端面正視圖以及材料

剖面側視圖，所呈現的是速度場之分佈狀態。由側視圖之流動速度分

佈可以看出產品的自由端之圓柱部分速度較翼板部分較快，越接近軸

心處越流速快，由圖中也可觀察出金屬流動方向幾乎指向軸心處，更

可證明流速最快之處位於軸心處。

由正視圖可以觀察到，由於中央圓柱面積較單片翼板大，故金屬 流動較不受限制，應變量也較小，故其流速較快，也比較容易擠製成 形而不易破裂損傷，所以成品各部位之截面積不同，是造成自由端突 出最主要之原因，雖自由端有流速不均之問題，但由於成品是全對稱 之結構件，故擠製成品基本上不會有彎曲現象。

自由端正視圖 剖面側視圖 圖 5- 6 鰭片狀結構件金屬流動之速度分佈圖

5.2 散熱片零件之擠製

5.2.1 最高擠製負荷結果分析

AZ31及AZ61鎂合金以不同材料加熱溫度實驗所得之擠製負荷，如

圖5-7所示。隨著材料加熱溫度的提高，其最高擠製負荷也會隨之降

低。然而以不同擠製速度實驗所得之擠製負荷，如圖5-8所示。隨著

擠製速度的提高，其最高擠製負荷也會隨之降低。

320 340 360 380 400 420

280 300 320 340 材料溫度(℃)360

負荷(ton)

實驗負荷-AZ31 模擬負荷-AZ31

圖 5- 7 不同材料溫度下之實驗與模擬之擠製負荷比較

270 290 310 330 350 370 390

0 2 4 6 速度(mm/s)8

負荷(ton) 模擬負荷-AZ31

實驗負荷-AZ31

圖 5- 8 不同擠製速度下之實驗與模擬之擠製負荷比較

5.2.2 成形外觀結果

比較實驗結果所得成品之出口端面與模擬所得結果之變化。圖

5-9為AZ31鎂合金30mm時模擬所得在不同的擠錠初始溫擠製下的成品

彎曲情形，觀察散熱片擠製後整體之變形，不同材料加熱溫度模擬所

得結果與不同材料加熱溫度實驗所得非穩態出口端外型的比較。由圖

中之比較可以發現模擬結果與實驗結果的出口端外形相當吻合，其中

下方平板會較上方鰭片凸出。由圖5-10可知當溫度提升時，上下兩端

的差異更明顯，因此可以證明本模擬分析模式能正確模擬材料之流動 情況，發現在初始溫度為340℃時之彎曲角ω最大為10.4°，而初始溫 度為300℃時ω角為最小為5.1°，兩者差約5.3°。其結論為AZ31鎂合 金隨著加熱溫度之提高其成品彎曲程度變大。

300℃ 320℃ 340℃

模擬

實驗

圖 5- 9 不同材料加熱溫度之自由端外形比較

（a）300℃ （b）320℃ （C）340℃

圖 5- 10 不同加熱溫度下模擬所得之彎曲情形

不同材料加熱溫度對成品彎曲之現象，可以以下之模擬結果加以

說明，圖5-11為AZ31鎂合金加熱溫度300℃與340℃擠製時之速度場分

佈圖，造成彎曲現象主要原因為散熱片上方鰭片與下方平板流動特性

不同，造成材料擠出模口時因流速不均造成彎曲現象。而由圖中比較 可觀察出當材料在加熱溫度為340℃時，上下兩端之速度差異比材料 加熱溫度為300℃時來的大，因此造成較大之彎曲現象。

(A)300℃ (B)340℃

圖 5- 11 不同溫度下之擠製速度場分佈圖

在不同擠製速度下成品自由端之模擬與實驗比較如圖 5-12 所

示。發現模擬結果與實驗結果的自由端下方的板形材料會較上方鰭片

凸出。接著觀察擠製速度對於成品彎曲程度的影響。圖 5-13 為在行

程 30mm 時不同擠製速度擠製下之成品的彎曲比較。模擬所得彎曲角

ω 可以看出成品之彎曲程度隨著擠製速度之提升而變小，其原因為

當擠製速度增加時，衝頭快速推擠材料使得散熱片上下方材料流動速

度差異減少，因此使得彎曲程度減小。

2mm/s 4mm/s 6mm/s

模擬

實驗

圖 5- 12 不同擠製速度之自由端外形比較

(A)V=2mm/s （B）V=4mm/s （c）V=6mm/s 圖 5- 13 不同擠製速度下之彎曲情形

5.3鎂合金動輪葉之擠製

5.3.1 最高擠製負荷結果分析

AZ31 及 AZ61 鎂合金擠製加工時之行程與負荷之模擬結果，分別

如圖 5-14 及 5-15 所示。由圖可看出在擠製行程 17 ㎜ 之前所需的擠

製負荷較低，是因為在實驗中，盛錠筒的直徑大小為 90 ㎜，而本研

究所設定之擠錠直徑大小為 80 ㎜，因此材料約在擠製行程 17 ㎜前進

行填滿盛錠筒的動作，待完全填滿盛錠筒後，材料才開始從母模孔穴

流出，擠製的壓力便達最高負荷，之後擠製負荷變慢慢進入穩態。而 在設定的溫度範圍內可看出，隨材料加熱溫度升高，擠製負荷減小，

當材料加熱溫度為 300℃時，AZ31 之最高擠製負荷為 246.63 噸，AZ61 之最高擠製負荷為 258.36 噸，材料加熱溫度為 320℃時，AZ31 之最 高擠製負荷為 235.48 噸，AZ61 之最高擠製負荷為 245.72 噸，材料 加熱溫度為 340℃時，AZ31 之最高擠製負荷為 224.17 噸，AZ61 之最 高擠製負荷為 231.94 噸。

將模擬結果與實驗結果比較，最高擠製負荷所呈現之趨勢相符 合，且誤差皆在10%以內，實驗與模擬之數據與誤差如表5-3及5-4所 示。

0  50  100  150  200  250  300 

0 5 10 15 20 25 30

300℃ 320℃ 340℃

負荷( ton )

行程(mm) V=2mm/s

圖 5- 14 不同材料溫度下負荷與行程之模擬結果(AZ31)

0  50  100  150  200  250  300 

0 5 10 15 20 25 30

300℃ 320℃ 340℃

負荷( ton )

V=2mm/s

行程(mm)

圖 5- 15 不同材料溫度下負荷與行程之模擬結果(AZ61)

表 5- 3 不同材料加熱溫度之最高擠製負荷之結果比較

材料加熱溫度 (℃)

擠製速度

(㎜/s) 模擬 實驗 誤差(%)

300 246.63 271.13 9.03

320 235.48 255.02 7.66

AZ31

340 224.17 230.87 2.90

300 258.36 280.50 7.89

320 245.72 269.43 8.80

AZ61

340

2

231.94 240.51 3.56

表 5- 4 不同擠製速度之最高擠製負荷之結果比較

擠製速度(mm/s) 材料加熱溫度

(℃) 模擬 實驗 誤差(%)

2 235.48 255.02 7.66

3 231.51 --- ---

4 223.76 240.28 6.88

5 219.46 --- ---

AZ31

6 216.98 232.43 6.65

2 245.72 269.43 8.80

3 240.68 --- ---

4 236.96 249.47 5.01

5 231.46 --- ---

AZ61

6

320

229.98 237.46 3.11

5.3.2 成形外觀結果

對於出口端之材料變形型態，將模擬與實驗所得成品之出口端面 形狀進行比較，以證實在非穩態擠製模擬之準確性。而圖 5-16 與圖 5-17 為不同材料加熱溫度下模擬所得之端面圖與不同材料加熱溫度 實驗所得非穩態出口端外型的比較，紅色輪廓為模擬外形，藍色輪廓 為實驗所得之外形，藉由圖中比較可觀察出，模擬結果與實驗結果大 致上相符，其中心部分都較外側部分突出。

在材料加熱溫度不同之條件下，擠製速度固定為 2mm/s，成品之

端面落差程度有所差異，當材料加熱溫度為 300℃時，其成品端面落

差較小，隨材料加熱溫度升高其成品之端面落差越大。由圖中可觀察

出，實驗與模擬兩結果比較，有明顯誤差量，就材料加熱溫度不同之 製程而言，可能由於實驗時當材料由加熱爐取出放入盛錠筒的時間，

以及擠桿前進至擠壓材料的時間，造成其在擠製成形時材料溫度的下 降，且材料加熱溫度越高，在相同時間內降溫越快。另外，模具自加 熱爐取出直至放置在模座上的這段時間，也有可能造成材料溫度下降 的原因。

在擠製過程的模擬中，模具以及壓餅都是以恆溫的方式進行模 擬，且模擬初始並沒有空行程的階段，而是在即將擠製變形的狀態開 始模擬，藉由以上推斷實驗與模擬誤差的產生可能性。

實驗 模擬

圖 5- 16 外觀形狀輪廓擷取示意圖

圖 5- 17 不同溫度下之模擬與實驗之自由端外形比較

最後探討不同擠製速度下，出口端之材料變形模擬與實驗所得成 品之出口端形狀的比較。圖 5-18 為不同擠製速度模擬所得之端面曲 線與不同擠製速度實驗所得非穩態出口端曲線之比較，紅色輪廓為模 擬外形，藍色輪廓為實驗所得外形，由圖中比較可觀察出，模擬結果 與實驗結果大致上吻合，其中心部分都較外側部分突出。

當材料加熱溫度固定為 320℃時，隨擠製速度變化其成品端面的 落差也跟著變化。當擠製速度降低，其成品之端面落差越大，其擠製 速度為 2 mm/s 時，成品之端面落差最大。造成此原因，可能是由於

AZ31

300℃、2 ㎜/s 320℃、2 ㎜/s 340℃、2 ㎜/s

AZ61

300℃、2 ㎜/s 320℃、2 ㎜/s 340℃、2 ㎜/s

當擠製速度增加時，擠桿快速推擠材料使得材料溫度散失較少，故成 品端面之誤差也隨之降低，但也因此會造成材料成形性不佳，容易有 表面缺陷或毀壞之現象。

AZ31

2 ㎜/s、320℃ 4 ㎜/s、320℃ 6 ㎜/s 、320℃

AZ61

2 ㎜/s、320℃ 4 ㎜/s、320℃ 6 ㎜/s、320℃

圖 5- 18 模擬與實驗之不同速度之自由端外形比較

5.4 含肋之滑車轂鎂合金零件之鍛造 5.4.1 成形負荷結果分析

此零件為鍛造品，影響成形負荷的因素有加工溫度、沖頭速度、

摩擦因子、拔模斜度等不同參數，各種不同參數彼此間會互相影響，

除了對成形負荷產生影響外，也會造成成形的外觀有些差異與缺陷。

因此本節主要探討不同的加工溫度與不同的沖頭速度對成形負荷的 影響，其餘的製程參數將於下一節的成形外觀進行討論。

表 5-5 為模擬的結果，模擬之材料為 AZ31，材料加工溫度分別 為 240℃、280℃、320℃及 350℃，冲頭速度分別為 0.3 ㎜/s、0.9 ㎜ /s 及 1.5 ㎜/s，定剪摩擦因子為 0.18。將模擬結果繪製如圖 5-19，在 加熱溫度為 240℃，沖頭速度為 1.5 ㎜/s 時的成形負荷為 229 噸，速 度降低為 0.9 ㎜/s 及 0.3 ㎜/s 時的成形負荷分別為 205 噸及 200 噸。

當材料加工溫度提升至不同溫度時，可以發現不同冲頭速度在不同的 溫度下，隨著溫度的增加，負荷隨之降低；隨著冲頭速度的下降，負 荷也隨之降低。

表 5- 5 不同溫度與冲頭速度條件下之模擬結果（AZ31 ）

0.3 0.18 200 0.9 0.18 205 240℃

1.5 0.18 229 0.3 0.18 166 0.9 0.18 180 280℃

1.5 0.18 194 0.3 0.18 130 0.9 0.18 137 320℃

1.5 0.18 176 0.3 0.18 125 0.9 0.18 130 350℃

1.5 0.18 163

圖 5- 19 不同溫度與冲頭速度條件下之模擬結果

接著做實驗與模擬的比對，實驗部份選取最佳製程條件，將冲 頭速度固定在 0.9 ㎜/s。這裡以材料為 AZ31 為例，潤滑劑為二硫化 鉬，在 240℃時的實驗負荷為 260 噸，模擬負荷為 248 噸，兩者相差 12 噸，誤差約為 4.62％；在 280℃時的實驗負荷為 214 噸，模擬負荷 為 204 噸，兩者相差 10 噸，誤差約為 4.67％；在 320℃時的實驗負 荷為 185 噸，模擬負荷為 179 噸，兩者相差 6 噸，誤差約為 3.24％；

在 350℃時的實驗負荷為 179 噸，模擬負荷為 174 噸，兩者相差 5 噸，

誤差約為 3.04％。由圖 5-20 可得知，實驗與模擬之成形負荷，會隨

加 工 溫 度 的 升 高 呈 現 出 現 性 下 降 的 趨 勢 ， 模 擬 成 形 預 估 負 荷 在

174~248 噸之間，實驗成形負荷在 179~260 噸之間，兩者間之誤差量 為 3.04~4.62％，如表 5-6 所示。由上述可知本實驗所使用有限元素軟 體 DEFORM 所建立之模擬分析程式在預估含之肋滑車轂鎂合金零件 鍛造負荷方面有相當的準確性。

圖 5- 20 實驗與模擬之成形負荷比較圖

表 5- 6 AZ31 在不同加工溫度最大鍛造負荷模擬與實驗結果比較 加工溫度（℃） 模擬負荷（噸） 實驗負荷（噸） 誤差（％）

240 248 260 4.62

280 204 214 4.67

320 179 185 3.24

350 174 179 3.04

5.4.2 成形外觀結果

鎂合金含肋之滑車轂零件的成形外型受到許多因素影響，在本研 究中將利用有限元素分析軟體 DEFORM-3D，探討圓角半徑、拔模斜 角以及潤滑劑的摩擦因子對成品之影響。

首先探討模具圓角半徑對含肋之滑車轂零件成形性之影響，模擬 的材料有 AZ31 及 AZ61，材料加工溫度為 350℃，定剪摩擦因子為 0.18，衝頭移動速度為 0.9 ㎜/s，圓角半徑參數分別為 0、0.1mm、

0.3mm、0.5mm，其模擬結果如表 5-7 所示。圖 5-21 為模具圓角位置 圖。圖 5-22 為不同圓角半徑下之模擬結果圖。

表 5- 7 不同圓角半徑下之模擬結果

材料 速度（mm/s） 圓角半徑（mm） 負荷（噸）

0 130 0.1 127 0.3 122 AZ31 0.9

0.5 114 0 140 0.1 136 0.3 130 AZ61

0.9

0.5 124

圖 5- 21 模具圓角位置圖

圖 5- 22 不同圓角半徑下之模擬結果圖

紅色線條區域為圓角處

由圖 5-22 可發現在不同的圓角半徑下，模穴皆可以被完整填充，

不會有填料不完整的情況發生，此外，較大的圓角半徑，可以增加材 料的流動性，減少塑流應力，降低成形時所需要的負荷。

接著探討改變模具的拔模斜角對含肋之滑車轂零件成形性之影 響，模擬的材料為 AZ31 及 AZ61，材料加工溫度為 350℃，定剪摩 擦因子為 0.18，衝頭移動速度為 0.9 ㎜/s，圓角半徑參數為 0mm，拔 模斜角參數分別為 0°、1°、2°、3°，其模擬結果如表 5-8 所示。圖 5-23 為拔模斜角位置圖。圖 5-24 為不同拔模斜角下之模擬結果圖。

由圖 5-24 可發現在不同的拔模斜角下，模穴皆可以被完整填 充，不會有填料不完整的情況發生，此外，也可觀察出拔模斜角對含 肋滑車轂零件的成形效果影響不大，但是適度的增加模具的拔模斜角 可以使得成品更容易從模具取出，也可以減少成形時材料流動阻力以 降低成形所需之負荷。

表 5- 8 不同拔模斜角下之模擬結果

材料 速度（mm/s） 拔模斜角（°） 負荷（噸）

0 130 1 127 2 122 AZ31 0.9

3 114 0 140 1 136 2 130 AZ61

0.9

3 124

圖 5- 23 模具拔模斜角位置圖

圖 5- 24 不同拔模斜角下之模擬結果圖

拔模斜角

最後探討不同定剪摩擦因子對含肋滑車轂零件肋厚度成形性之 影響，模擬的定剪摩擦因子參數分別為 0.18、0.3、07，加工溫度為 350℃、沖頭速度為 0.9mm/s。模擬中所使用之肋為未經拔模及圓角 半徑為 0 mm。圖 5-25 為模擬之肋厚度位置圖。其模擬結果如表 5-9 所示。表 5-10 為模擬後之負荷及成形與否之結果，表中說明肋厚度 對不同定剪摩擦因子下之成形負荷與及可完整成形之區域。圖 5-26 為不同定剪摩擦因子下含肋之滑車轂零件可成形區模擬結果。

圖 5- 25 模擬之肋厚度之位置圖

肋厚度

表 5- 9 模擬後之統計表

（℃）

定剪摩擦因子

（m）

厚 度

（mm）

負 荷

（噸） 成形性 1.4 150 X

1.5 152 O 1.6 148 O 1.8 142 O 2 130 O 2.2 126 O 2.4 117 O 2.5 113 O 0.18

2.6 110 X 1.2 201 X

1.3 206 O 1.5 198 O 1.7 186 O 2 174 O 2.3 167 O 2.5 165 O 2.7 163 O 0.3

2.8 161 X 0.9 235 X

1 237 O 1.3 230 O 1.5 214 O 2 201 O 2.5 194 O 2.7 187 O 3 181 O 350℃

0.7

3.1 177 X

表 5- 10 含肋之滑車轂零件之可成形之肋厚及其負荷

溫度（℃） 定剪摩擦因子（m） 可成形之肋厚（mm） 成形負荷（噸）

0.18 1.5~2.5 152~113 0.3 1.3~2.7 206~163 350℃

0.7 1~3 237~181

圖 5- 26 不同定剪摩擦因子下含肋之滑車轂肋可成形肋厚之模擬結果

以圖5-27為例，此成品定剪摩擦因子為0.18，含肋之滑車轂零件

肋厚度為2.6mm，大於2.5mm之可成形區間所產生之缺陷。

圖 5- 27 定剪摩擦因子 0.18，肋厚度 2.6mm 時產生之缺陷

由圖表可觀察出，含肋之滑車轂鎂合金零件肋厚度之可成形區間 跟摩擦因子有顯著的關係，肋厚度可成形區間會隨著摩擦因子增加而 變大，但是可成形區間有ㄧ定之限制，假如超過不同摩擦因子下肋厚 度之最大及最小限制，材料將無法填滿模穴，肋的表面會產生破裂，

含肋滑之車轂零件也會因此無法完全成形。另外也可得知較大厚度之 肋所需成形負荷較小，較小厚度之肋所需成形負荷較大，這是因為較 大厚度之肋容易成形，材料較易填滿模穴，因此所需負荷較小，滑車 轂就可完全成形；較小厚度之肋不易成形，材料不易填滿模穴，因此 需要較大的負荷才能將材料填滿模穴，滑車轂才能完全成形。

圖 5-28 為預期之成品示意圖。實驗結果與模擬結果之材料充滿

模穴後之尺寸如圖 5-29 所示，由圖中可知實驗成品與模擬結果之外

徑尺寸皆為 40mm，肋部份之深度為 4mm 與 4.1mm，厚度尺寸分別

為 13mm 及 12.8mm 。圖 5-30 為將胚料加工溫度提升至 350℃ ，其

含肋之滑車轂零件實驗成品與模擬結果之比較，由圖中可看出，在外 觀形狀與肋的填充度方面，皆有很高的相似度，由此可驗證本文所建 立之模擬分析模式有很高的精準度。

圖 5- 28 預期之成品示意圖

（a）模擬結果尺寸

（b）實驗成品尺寸

圖 5- 29 含肋之滑車轂零件實驗與模擬結果斷面比較圖

（單位：mm）

圖 5- 30 加工溫度提升至 350℃之實驗成品與模擬結果圖 5.5 鎂合金自行車零件組之鍛造

5.5.1 成形負荷結果分析

本節針對在材料充滿模穴的條件下，來探討不同材料加熱溫度在 不同沖頭速度對於成形負荷的影響，其模擬結果以 AZ31 為例，如表 5-11 所示。

ψ40

12.8 4.1

表 5- 11 AZ31 不同冲頭速度之模擬結果

0.3 ㎜/s 56.2 tons 0.9 ㎜/s 68.0 tons 240°C 0.3

1.5 ㎜/s 75.2 tons 0.3 ㎜/s 46.8 tons 0.9 ㎜/s 55.8 tons 280°C 0.3

1.5 ㎜/s 62.2 tons 0.3 ㎜/s 36.2 tons 0.9 ㎜/s 45.8 tons 320°C 0.3

1.5 ㎜/s 51.0 tons 0.3 ㎜/s 29.3 tons 0.9 ㎜/s 40.2 tons 350°C 0.3

1.5 ㎜/s 45.3 tons

在實驗與模擬之結果的比較方面，以AZ31鎂合金為例，在240℃

時的實驗負荷為69.7噸，模擬負荷為68噸，相差1.7噸約為2.5％；在 280℃時的實驗負荷為57噸，模擬負荷為55.8噸，相差1.2噸約為2.15

％；在320℃時的實驗負荷為48.2噸，模擬負荷為45.8噸，相差2.4噸

約為5.24％；在350℃時的實驗負荷為43.3噸，模擬負荷為40.2噸，相

差3.1噸約為7.71％。將此等資料整理成圖則如圖5-31中所示，由圖之

結果可知實驗與模擬的成形負荷，都隨著成形溫度的升高成線性下降

的趨勢。實驗與模擬所得之成形溫度與誤差量，如表5-12所示。

圖 5- 31 AZ31 實驗與模擬成形負荷比較圖

表 5- 12 AZ31 實驗與模擬之成形負荷比較

成形溫度(℃) 模擬負荷(ton) 實驗負荷(ton) 誤差(％)

240 68.0 69.7 2.50

280 55.8 57.0 2.15

320 45.8 48.2 5.24

350 40.2 43.3 7.71

在金屬塑性加工製程中，潤滑條件影響材料之成形甚鉅，在這裡 會針對材料充滿模穴之條件下，探討不同的材料加熱溫度、不同定剪 摩擦因子對於成形負荷的影響，其模擬結果如表5-13及表5-14所示。

模擬之材料溫度分別為240℃、280℃、320℃及350℃，潤滑條件為乾 摩擦、使用二硫化鉬及使用石墨時其定剪摩擦因子分別為0.7、0.3及 0.18，冲頭速度設定為0.9㎜/s。其模擬結果如圖5-32及圖5-33所示。

圖中可以明顯的看出不同定剪摩擦因子在不同的溫度之下，隨著溫度 的增加，負荷隨之降低，隨著定剪摩擦因子的下降，負荷也隨之降低，

並且在低溫時其負荷差距較大，高溫時其負荷差距較小。在加熱溫度 為240℃時的成形負荷，定剪摩擦因子為0.7（乾摩擦之條件）時，

AZ31鎂合金成形的成形負荷為96噸，定剪摩擦因子降低為0.3及0.18

時，則AZ31鎂合金負荷分別為68噸及59.7噸，可減少之負荷為28及

36.3噸。在加熱溫度為350℃時的成形負荷，定剪摩擦因子為0.7時的

成形負荷為60.8噸，定剪摩擦因子降低為0.3及0.18時，其負荷分別

為40.2噸及35噸，可減少之負荷為20.6噸及25.8噸。由上述之結果比

較可知在隨著成形溫度的提高，不同定剪摩擦因子間之成形負荷之差

距愈小。

表 5- 13 AZ31 不同定剪摩擦因子之模擬結果

0.18 59.7 tons 0.3 68.0 tons 240°C 0.9 ㎜/s

0.7 96.0 tons 0.18 50.6 tons

0.3 55.8 tons 280°C 0.9 ㎜/s

0.7 82.2 tons 0.18 41.2 tons

0.3 45.8 tons 320°C 0.9 ㎜/s

0.7 68.2 tons 0.18 35.0 tons

0.3 40.2 tons 350°C 0.9 ㎜/s

0.7 60.8 tons

表 5- 14 AZ61 不同定剪摩擦因子之模擬結果

0.18 66.2 tons 0.3 78.3 tons 240°C 0.9 ㎜/s

0.7 106.3 tons 0.18 50.5 tons

0.3 62.2 tons 280°C 0.9 ㎜/s

0.7 93.0 tons 0.18 46.7 tons

0.3 52.6 tons 320°C 0.9 ㎜/s

0.7 77.0 tons 0.18 42.0 tons

0.3 48.0 tons 350°C 0.9 ㎜/s

0.7 68.6 tons

圖 5- 32 AZ31 不同定剪摩擦因子之模擬結果圖

圖 5- 33 AZ61 不同定剪摩擦因子之模擬結果圖

5.5.2 成形外觀結果

本節針對材料充滿模穴後之成品剖面進行觀察，探討上緣自由端

面之外形變化，觀察區域如圖 5-34 所示。模擬時之參數設定，其衝

頭速度為 0.9mm/s，摩擦因子固定為 0.3。由於端面所受之成形阻力

較小故流速較快，變形量也較其他區域大，以不同之成形溫度下來觀

察其端面流動之情形，如表中 5-15 及表 5-16 所示。由表可以明顯的

看出，在成形溫度不同時，成品之自由端面落差程度也有所差異。

AZ31 鎂合金在成形溫度 240°C 時，自由端面的差距為 1.1mm，將成 形溫度升高至 320°C，其自由端面差距為 2.2mm，由此可以看出當材 料加熱溫度越高其自由端面落差越大，材料加熱溫度越高使得在管壁 外側之材料流動性提升，因此自由端面落差隨著溫度不同而有所差 異。由圖 5-35 可以觀察出 AZ61 材料端面落差程度較 AZ31 高，因 AZ61 材料比 AZ31 材料多含有 3%的鋁，故其硬度較高，而所受到的 阻力為大。

圖 5- 34 成品自由端面觀察之剖面圖

兩端點落差 觀察

表 5- 15 不同成形溫度之端面落差比較(AZ31)

240°C 0.9 ㎜/s 0.3

280°C 0.9 ㎜/s 0.3

320°C 0.9 ㎜/s 0.3

表 5- 16 不同成形溫度之端面落差比較(AZ61)

240°C 0.9 ㎜/s 0.3

280°C 0.9 ㎜/s 0.3

320°C 0.9 ㎜/s 0.3

1.1mm

1.3mm

2.2mm

1.3mm

1.5mm

2.6mm

圖 5- 35 AZ31 及 AZ61 鎂合金自由端面比較圖

另一方面，探討不同定剪摩擦因子對於自由端面成形的影響，模 擬之參數設定為成形溫度固定在 280°C，定剪摩擦因子分別為 0.18、

0.3、0.7。其模擬結果如表 5-17 及表 5-18 所示。

表 5- 17 不同定剪摩擦因子之端面落差比較(AZ31)

0.18 0.9 ㎜/s 280°C

0.3 0.9 ㎜/s 280°C

0.7 0.9 ㎜/s 280°C

0.8mm

1.3mm

1.9mm

表 5- 18 不同定剪摩擦因子之端面落差比較(AZ61)

0.18 0.9 ㎜/s 280°C

0.3 0.9 ㎜/s 280°C

0.7 0.9 ㎜/s 280°C

在定剪摩擦因子為 0.18 的時，AZ31 鎂合金自由端面落差為 0.8mm，而在定剪摩擦因子為 0.3 及 0.7，自由端面落差為 1.3 及 1.9，

故由表可以得知隨著定剪摩擦因子的升高，端面的落差也越大。

由結果可以觀察出在成形溫度的不同，其自由端面落差也會隨著 成形溫度的升高差距越大，且在不同的定剪摩擦因子下也有此情形，

當定剪摩擦因子越大，端面落差也就越大，而由模擬分析結果顯示，

成形溫度對端面形成的影響較定剪摩擦因子之影響為大。

1.1mm

1.5mm

2.4mm

接著針對自由端之材料變形之模擬結果與實驗所得成品之自由 端形狀進行比較。實驗成品的觀察區域如圖 5-36 所示，模擬之結果 與實驗結果非常相似，自由端面的兩端高度有明顯落差，如表 5-19 及 5-20 所示。

在鍛造實驗時冲頭速度為 0.9mm/s，潤滑劑使用二硫化鉬(定剪摩 擦因子固定為 0.3)，在成形溫度不同時其成品之自由端面落差之程度 也有所差異。材料加熱溫度為 240℃時，成品之端面落差最小，當材 料加熱溫度上升為 320℃，成品之自由端面落差最大，溫度越高端面 落差也就越大。實驗與模擬之自由端落差比較如表 5-21 所示。

圖 5- 36 自由端面觀察圖

兩端點落差 觀察 觀察區域

表 5- 19 不同成形溫度實驗之端面落差(AZ31)

240°C 0.9 ㎜/s 0.3

280°C 0.9 ㎜/s 0.3

320°C 0.9 ㎜/s 0.3

表 5- 20 不同成形溫度實驗之端面落差(AZ61)

240°C 0.9 ㎜/s 0.3

280°C 0.9 ㎜/s 0.3

320°C 0.9 ㎜/s 0.3

1.3mm

1.8mm

3.0mm

1.6mm

2.1mm

3.2mm

表 5- 21 實驗與模擬之自由端落差比較 材料加熱溫度(℃)

240 280 320

模擬值 1.1 1.3 2.2

實驗值 1.3 1.8 3.0

AZ31

誤差(%) 15.38% 27.78% 26.06%

模擬值 1.3 1.5 2.6

實驗值 1.6 2.1 3.2

AZ61

誤差(%) 18.75% 28.57% 18.75%

由以上之結果可明顯觀察出，實驗與模擬結果之成品自由端之形 狀誤差值在15.38% ~ 28.57%之間。就材料加熱溫度不同之製程而言，

可能是由於在實驗時當材料自加熱爐取出放入模穴的時間，以及冲頭

開始下降到擠壓材料前的時間，這兩段時間都會讓材料溫度有所下

降，而材料溫度越高，在相同時間內降溫越大，而模擬中的模具及材

料卻是以恆溫的方式進行模擬，且模擬開始並沒有空行程階段，而是

在即將擠壓變形的狀態開始模擬，此可解釋模擬值與實驗值產生誤差

之原因。

六、結論

本計畫主要探討 AZ31 及 AZ61 鎂合金在使用不同加工方式與 條件下，配合有限元素軟體 DEFORM-3D 進行模擬分析，將實驗結 果與模擬結果兩者結果比較探討，可得以下之結論。

熱間擠製部分所得之結論如下：

1. 鎂合金類飛彈尾翼之鰭片狀結構件、散熱片零件以及鎂合金動輪 葉之成形負荷，會隨著材料加熱溫度的升高而下降，亦隨著擠製速 度的提升而降低。

2. 利用 DEFORM 進行鎂合金鰭片狀結構件之擠製模擬分析，可證 明軸心部分較凸出是由於軸心處較不容易受到阻力使得流速較 快，由速度場分佈可看出材料之流向均往軸心匯聚；但由於零件斷 面為全對稱之設計形狀，故不會因流速不均而造成成品彎曲之現 象。散熱片零件之擠製模擬分析可以得到，成品產生彎曲現象是因 為散熱片上方鰭片流速慢，因而使得上下材料流速不均而產生彎曲 現象。鎂合金動輪葉片的部分，可得知中心部分較突出是由於中心 處較不容易受到阻力使得流速較快，由速度場分佈可看出材料流動 往軸心處匯集；而擠製成品的彎曲現象，由於成品之截面積差異並 不會太大，故擠製成品的彎曲現象不會太明顯。

3. 三種不同形狀的成品實驗結果都顯示，不同材料加熱溫度與不同

擠製速度之條件下， AZ61 鎂合金之擠製負荷均高於 AZ31 鎂合金。

是由於 AZ61 鎂合金比 AZ31 鎂合金高出 3％的鋁，導致變形抵抗 增大，增加成形所需負荷並消耗較多的能源。

4. 在不同的加熱溫度條件下之類飛彈尾翼之鰭片狀結構件、散熱器 零件及動輪葉，於其擠製模擬分析發現，當提高材料加熱溫度時，

會造成散熱器上下方材料流速差異增大，而使得彎曲程度更大；

而提升擠製速度時會減少散熱器上下方材料流動速度差異而使彎 曲程度減小。

熱鍛成形部分所得之結論如下：

1. 含肋之滑車轂零件與鎂合金自行車零件組之模擬分析結果顯 示，較高之溫度及較低之定剪摩擦因子，其成形負荷有降低趨 勢。

2. 含肋之滑車轂零件與鎂合金自行車零件組之模擬分析結果顯 示，冲頭速度對於成形負荷的影響較小。

3. 含肋之滑車轂零件之模具圓角半徑 0.5mm 與模具拔模斜角 α = 3°時，其成形負荷較低，因此在滑車轂鍛造實驗中取適當的圓 角半徑及拔模斜度可以增加材料流動性，減少成形負荷。

4. 含肋之滑車轂肋厚度之可成形區間會隨著定剪摩擦因子增加而

變大，但超過肋厚度成形之最大及最小限制，材料將無法填滿

模穴，肋表面會產生破裂；較大厚度之肋所需成形負荷較小，

較小厚度之肋所需成形負荷較大，因較大厚度之肋容易成形，

材料較好填滿模穴，所需負荷較小，較小厚度之肋不易成形，

材料不好填滿模穴，所需負荷較大。

5. 含肋之滑車轂鎂合金零件實驗結果顯示，材料在加熱溫度 220℃

以上皆可完整填滿模穴。

6. 鎂合金自行車零件組中，藉由模擬與實驗的驗證，可知在胚料 尺寸為 ψ38×14mm 以下，在成形填充方面不完整，且在成形高 度 上 無 法 達 到 38mm 的 預 成 形 高 度 ， 而 在 胚 料 尺 寸 為 ψ38×15mm 以上在成形性方面良好也可達到預成形高度。

7. 鎂合金自行車零件組之鍛造模擬分析結果，可證明成品兩側部 分由於受到之阻力較小故其速度較快。由速度場分佈可明顯看 出材料之流向均順著模具間隙往上流動。

8. 含肋之滑車轂鎂合金零件與鎂合金自行車零件組之模擬分析與

實驗結果之比較後顯示，本模擬程式在成形負荷與成形後形狀

之預測有良好的準確性。

七、參考文獻

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