鎂合金零件之鍛造與擠製製程研究及產品之開發

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

鎂合金零件之鍛造與擠製製程研究及產品之開發(第 2 年) 研究成果報告(完整版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 97-2221-E-011-034-MY2

執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 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：梁三和碩士班研究生-兼任助理人員：陳書銘碩士班研究生-兼任助理人員：簡文浩碩士班研究生-兼任助理人員：李文堯博士班研究生-兼任助理人員：林益瑋

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 99 年 08 月 27 日

(2)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成果報告

□ 期中進度報告

鎂合金零件之鍛造與擠製製程研究及產品之開發

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫計畫編號：NSC 97－2221－E－011－034－MY2

執行期間： 97 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日

計畫主持人：向四海共同主持人：

計畫參與人員：林益瑋、陳書銘、梁三和、簡文浩、李文堯

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二份

□ 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：國立台灣科技大學機械工程系

中華民國九十九年八月二十七日

(3)

摘要

由於全球輕量化、省能源與環保的趨勢下，使得鎂合金成為產業界重用的金屬材料。本研究計劃針對裝載腳踏車架體與鎂板殼件等之鎂合金產品零組件進行研究與開發。在研究過程中擬使用 DEFORM 3D 軟體進行成形性之模擬分析用來協助擠製與鍛造模具之設計，並運用田口法直交表進行實驗規劃，此外並透過模糊理論結合田口法來尋求成品之多重品質特性之最佳製程參數組合，且以 ANOVA 變異數分析來了解各製程參數對成品機械性質之影響程度。

本研究計劃第一年針對鎂合金腳踏車攜車架熱間擠製加工進行研究與開發。在研究過程中使用 DEFORM 3D 軟體進行攜車架成形性之模擬及協助擠製模具之設計，並應用模糊田口方法探討 AZ31 與 AZ61 鎂合金腳踏車攜車架之熱間擠製加工，並考慮多重品質特性指標之情況下尋求最適化製程參數，及探討 AZ31、AZ61 鎂合金與 6061 鋁合金腳踏車攜車架之機械性質差異。

第二年針對鎂合金薄板殼件之鍛造成形加工之製程研究，採用擠製所得之鎂合金板材來進行薄板殼件鍛造成形之實驗及其成形性之探討，另外也使用 DEFORM 3D 軟體進行薄板殼件鍛造成形之模擬分析。希望本研究之成果，能提供鎂合金成形加工之學術界與產業界之研究人員參考。

(4)

ABSTRACT

Due to global trend of lightweight products, energy saving and environmental protection, magnesium alloy become the common metallic materials extensively applied in industries. This study attempts to investigate and develop the application of the parts and accessories of magnesium alloy. To meet the requirements of lightweight and improved mechanical properties, this study makes a synthetic comparison and analytic investigation of the mechanical properties, formability and manufacturing costs of the parts and accessories made of magnesium alloy, intending to provide a reference for the selection of lightweight products. As for the parts and accessories applied to the above industries, this study only investigate the focus on the parts can be produced by extrusion process and forging process due to the existing limitations of equipments in the laboratory.

The first year of this study is to investigate and develop the magnesium alloy bicycle carriers under hot extrusion process.

DERORM 3D software is adopted to simulate the forming behaviors of carriers and to design the extrusion die. The fuzzy-base Taguchi method is used to obtain the optimal process parameters for the hot extrusion of AZ31 and AZ61 magnesium alloy bicycle carriers by the approach of multiple performance characteristics index (MPCI). And the mechanical properties of AZ31, AZ61 magnesium alloys and A6061 aluminum alloy bicycle carriers are tested to identify differences among these three materials.

(5)

In the second year, the study focuses on the formability of forging process of the sheet metal parts. The magnesium alloy sheet extruded by this study supplied as the material for forging fabrication, and the formability of magnesium alloy sheet is investigated. Besides, DERORM 3D software is adopted to simulate the forming behaviors of parts and accessories. The results of this study can offer reference to the researchers and industries of magnesium alloy forming.

(6)

圖目錄

圖 1-1 鎂合金產業 ... 2

圖 1-2 鎂合金產業結構 ... 3

圖 2-1 圓柱壓縮實驗流程圖 ... 13

圖 2-2 Gleeble 1500 之高速金屬成形試驗機... 15

圖 2-3 不同成形溫度下之圓柱成品(應變率 0.05/s)... 17

圖 2-4 鎂合金 450°C 成形時破碎成粉... 17

圖 2-5 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 0.05 /s) ... 17

圖 2-6 AZ31 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 0.5 /s) ... 18

圖 2-7 AZ31 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 3 /s) ... 18

圖 2-10 AZ61 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 3 /s) ... 19

圖 3-1 直接擠製加工 ... 23

圖 3-2 間接擠製加工 ... 23

圖 3-3 模糊系統之基本架構 ... 29

圖 3-4 500 噸熱間擠製加工機 ... 30

圖 3-5 控制器 ... 31

(11)

圖 3-6 攜車架之 MPCI 研究流程 ... 32

圖 3-7 攜車架之熱間擠製加工 ... 33

圖 3-8 攜車架之截面積與尺寸 ... 34

圖 3-9 壓平強度試驗之裝置 ... 36

圖 3-10 T 槽破壞強度試驗之裝置... 36

圖 3-11 材料加熱溫度 320℃及擠製速度 4 mm/s 模擬所得之狀況 .. 37

圖 3-12 擠製所得之健全腳踏車攜車架 ... 38

圖 3-13 三輸入一輸出之模糊邏輯系統 ... 42

圖 3-14 壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷 S/N 比之歸屬函數 ... 43

圖 3-15 MPCI*之歸屬函數 ... 43

圖 3-16 多重品質特性 MPCI 之歸屬函數 ... 44

圖 3-17 AZ31 攜車架之 MPCI 因子效果圖 ... 45

圖 3-18 AZ61 攜車架之 MPCI 因子效果圖 ... 46

圖 4-2 開模鍛造與閉模鍛造示意圖 ... 52

圖 4-3 鎂合金擠錠與擠製出之板材 ... 56

圖 4-4 成形用鎂合金板材 ... 56

圖 4-5 400 噸油壓成形機 ... 57

圖 4-6 負荷放大器 ... 58

圖 4-7 位移控制器 ... 58

(12)

圖 4-8 USB-4711A 介面卡 ... 59

圖 4-9 實驗流程圖 ... 60

圖 4-10 有限元素法分析流程圖 ... 61

圖 4-11 板件鍛造模擬分析之模具圖 ... 62

圖 4-12 板件鍛造模擬分析之成品圖 ... 63

圖 4-13 板件之鍛造實驗流程圖 ... 64

圖 4-14 沖頭圓角及下模穴入口圓角示意圖 ... 65

圖 4-15 凸緣壓縮成品尺寸(單位：mm) ... 66

圖 4-16 凸缘壓縮成形時沖程與負荷之關係 ... 66

圖 4-17 凸緣壓縮成形之模擬(沖程 7.0mm) ... 67

圖 4-18 凸緣壓縮成形之模擬(沖程 7.2mm) ... 67

圖 4-19 不同溫度及不同摩擦因子之模擬結果 ... 69

圖 4-20 不同溫度及不同沖頭速度之模擬結果 ... 71

圖 4-21 板件凸緣壓縮之模擬成形過程 ... 73

圖 4-22 板件凸緣壓縮沖程 4.32mm5 之材料流動情形... 74

圖 4-23 板件凸緣壓縮沖程 7.20mm 之材料流動情形... 74

圖 4-24 加熱溫度 280℃之板件凸緣壓縮應變分布圖 ... 75

圖 4-25 加熱溫度 280℃之板件凸緣壓縮之應變分布局部放大圖 .... 75

圖 4-26 加熱溫度 220℃與 240℃之板件凸緣壓縮應變分布圖 ... 76

(13)

圖 4-27 加熱溫度 280℃之板件凸緣壓縮之應力分布圖 ... 76

圖 4-30 不同溫度之板件成形結果比較 ... 80

圖 4-31 凸缘壓縮成品示意圖 ... 80

圖 4-32 加熱溫度 280℃之凸緣壓縮實驗與模擬結果斷面 ... 80

圖 4-33 加熱溫度 280℃之實驗成品與模擬結果圖 ... 81

圖 4-34 板件凸緣壓縮硬度觀察位置 ... 81

圖 4-35 加熱溫度 220℃鍛造後之硬度值 ... 82

圖 4-38 板件凸緣壓縮金相觀察位置 ... 83

圖 4-39 成形溫度 220℃添加石墨潤滑劑之顯微組織(×1000 倍) ... 83

(14)

表目錄

表 3-2 攜車架熱間擠製實驗之因子與水準設定 ... 35

表 3-3 攜車架熱間擠製之 L₉直交表實驗參數設定... 35

圖 3-9 壓平強度試驗之裝置 ... 36

圖 3-10 T 槽破壞強度試驗之裝置... 36

表 3-4 AZ31 攜車架之壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷及 S/N 比 ... 39

表 3-5 AZ61 攜車架之壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷及 S/N 比 ... 40

表 3-6 AZ31 之 S/N 比正規化與 MPCI 推論結果... 40

表 3-7 AZ61 之 S/N 比正規化與 MPCI 推論結果... 41

表 3-8 FLU-1 之模糊規則表 ... 43

表 3-9 FLU-2 之模糊規則表 ... 44

表 3-10 AZ31 攜車架擠製加工 MPCI 之回應表... 45

表 3-11 AZ61 攜車架擠製加工 MPCI 之回應表 ... 45

表 3-12 AZ31 攜車架 MPCI 之 ANOVA 分析 ... 47

表 3-13 AZ61 攜車架 MPCI 之 ANOVA 分析 ... 47

表 3-14 AZ31 攜車架熱間擠製 MPCI 之驗證實驗... 48

表 3-15 AZ61 攜車架熱間擠製 MPCI 之驗證實驗... 48

(15)

表 4-1 AZ31 鎂合金元素成份重量百分比 ... 56

表 4-2 不同溫度及不同摩擦條件下之模擬結果 ... 69

表 4-3 不同溫度及不同沖頭速度之模擬結果 ... 71

表 4-4 板件之凸緣壓縮實驗結果 ... 79

(16)

第一章緒論

1.1 前言

近年來，全球暖化與減碳節能的環保議題成為各界注目的焦點，

其減少能源消耗及回收再利用等減碳行為，將有助於改善日趨惡化的溫室效應。因此產品輕量化、省能源與環保回收，且在產品追求輕、

薄、短、小的趨勢潮流下，使得輕金屬成為各行各業的主要研發材料。

輕金屬一般指的是結構用金屬中的鎂（比重 1.74 g/cm³）、鋁（比重 2.7 g/cm³）、鈦（比重 4.7 g/cm³）等三者，此三種金屬的比重都較鋼（比重 7.9 g/cm³）為輕。以鎂合金為例相對於鋁合金及鋼在相同體積下，

其重量分別減輕約 35％及 77％。因此，整體而言鎂合金具有比重低、

比強度高、散熱性佳、震動吸收性佳、防電磁波與可回收等特性，廣泛的被運用在汽車產業、自行車產業、航太國防產業、民生產業與 3C 產品產業等，如圖 1-1所示[1]。

鎂金屬為六方緊密堆積結晶結構（Hexagonal Closed-Packed，

HCP），缺乏塑性變形所需的滑移系統，因此延展性不佳，以致冷間加工中不易成形。鎂金屬之熔點為 650℃，適合壓鑄加工（Diecasting）、

半溶融加工（Semi-solid forming）及溫度在 300℃至 400℃的熱間加工，目前鎂合金成形技術仍以壓鑄加工法為主，雖然鎂壓鑄具有高生產效率、可生產薄壁件與降低成本等優點[2]，但壓鑄法所得之產品仍

(17)

有許多之缺點，如須進行成品之整緣、表面孔洞修補、表面處理等後續加工，且鎂合金壓鑄件之機械性質也不甚高。若將鍛造（Forging）、

輥軋（Rolling）、擠製（Extrusion）等塑性加工之技術運用在鎂合金成形加工，必能使鎂合金產品的應用範圍增廣且提高良率。其鎂合金產業結構，如圖 1-2所示[3]。

圖 1-1 鎂合金產業[1]

鎂合金近年來已成為各行各業之主要研發的材料，但鎂合金產品在加工製程上有許多的困難與良率不高的情形。因此本研究主要針對裝載腳踏車架體與鎂板殼件等之鎂合金產品零組件進行研究與開發。

汽車前蓋、座椅骨架、方向盤、踏板托架、

後視鏡架、馬達外殼、離合器外殼、門框

鎂合金

汽車產業

自行車產業

航太國防產業

器材工具產業民生產業

避震器零件、曲柄、車架、花轂、三通五通零件、輪圈、剎車手把

通信器外殼、飛機起落架輪轂、雷達機殼

運動器材、球棒、魚釣自動收線匣、滑雪板固定器

手提電動鋸機殼、割草機外殼、控制閥零件、氣/電動工具機殼

3C 電子產業筆記型電腦外殼、行動電話外殼、投影機外

殼、相機外殼、攝錄放影機殼、PDA 殼件

應用產業產品

(18)

在研究過程中擬使用 DEFORM 3D 軟體進行成形性之模擬分析用來協助擠製與鍛造模具之設計，並透過模糊理論結合田口法來尋求裝載腳踏車架體成品之多重品質特性之最佳製程參數組合，及分析來了解各製程參數對成品機械性質之影響程度。

圖 1-2 鎂合金產業結構[3]

上下游架構性質產業

上游產業原料供應純鎂提煉、鎂合金製造

周邊支援產業生產設備模具業、壓鑄機、鍛造機

中間產業製造成形壓鑄業、沖鍛業、擠製

協力產業後處理機械加工業、表面處理業

產品應用

下游產業 3C 產品、汽車產業、手工具業

(19)

1.2 鎂及鎂合金

鎂是所有結構用金屬及合金材料中密度最低的，與其他金屬結構材相比，鎂及鎂合金具有比強度、吸震性佳、電磁遮蔽和抗輻射能力強，容易切削加工，容易回收之多項優點，在汽車，3C、航太、自行車等領域具有極重要的價值和發展前景，是繼鋼鐵和鋁合金發展起來的結構材。隨著很多金屬礦產資源的日益枯竭，鎂以豐富的資源逐漸受到重視，尤其是結構輕量化的技術及環保問題的需求更加速的鎂合金工業的發展[4]。

1.2.1 鎂合金特性

鎂合金的特色是質輕，僅有鐵的 1/4，鋁的 2/3。以相同體積之金屬量測其重量，鎂約為銅的 38%，為純鋁的 60%。鎂合金的機械性質，

受到加工技術和取樣位置的影響，ㄧ般而言，鎂合金的特點如下[5]。

1. 所有金屬結構材中鎂合金的密度最低。

2. 比強度較高。

3. 在高壓下有良好的可鑄性。

4. 使用純度越高的鎂可提升抗腐蝕能力。

5. 若與塑膠材料相比有以下優點：

a. 鎂合金有較佳的機械性質

(20)

b. 材料較沒有老化的問題 c. 較好的導電及導熱之能力 d. 具可回收性之優點

鎂合金其晶粒構造為 HCP(Hexagonal Close Packed)，因此在室溫下不易成形，因此當溫度升高可提高其成形性，降低成形所需的負荷，

減少成本支出，但也不能盲目的提升溫度，當加熱溫度過高，時間過長，造成晶粒變大，反而其機械性質降低，因此須慎選加熱溫度[6]。

由於鎂活性高氧化速度很快，進行鑄造、焊接、切削等加工前，

必須有防護措施。鎂合金的熱導度，要比鋁合金低，但比鐵合金高。

表 1-1所列為鎂元素之物理性質[7]。

表 1-1 鎂之物理性質[7]

密度 1.74 g/cm^-3

熔點 650 ℃

沸點 1110 ℃

熔解潛熱 372 J/g

比熱 1.0045 J/g-℃

結晶構造 HCP

楊氏模數 45000N/mm²

熱傳導率 1.59 W/m-K

蒲松比 0.33

(21)

鎂及鎂合金對於大多數的鹼類水溶液，以及有機化學品有耐蝕的能力，但實際上除了鉻酸與氫氟酸外，所有普通的酸對鎂都有侵蝕性。

鹽類水溶液，也會侵蝕鎂，因此鄰近海水的鎂合金製品，都需鍍上保護膜以防止腐蝕破壞。鎂合金中，含有少量的鐵或鎳，就會降低合金的耐蝕能力，因此必須儘可能清除這些雜質[8]，避免鎂因受到腐蝕而造成破壞。因此在儲存和使用過程中，必須採取適當的措施防止鎂的腐蝕，如表面處理和塗油、塗裝等。

1.2.2 鎂合金命名規範

鎂合金之命名根據 ASTM-B275 標準規定，其符號名稱分為四部分，如表 1-2 所示[9]，其第一部分表示二種主要添加合金的元素；第二部分表示二種主要添加合金元素的含量；第三部分表示區別除二種主要合金元素外其他元素之不同；第四部分表示合金狀態及性質。

以 AZ31B－T4 為例，如表 1-3 所示，第一部份「AZ」，表示鎂合金主要添加合金元素為鋁、鋅，且含量高者置於前者；第二部份「31」，表示鎂合金中鋁與鋅的含量分別約為 3wt﹪及 1wt﹪；第三部份「B」，

表示第二種標準成分，第四部份「T4」，表示鎂合金經固溶處理。

(22)

表 1-2 鎂合金之命名規範[9]

第一部分第二部分

表示二種主要添加合金的元素表示二種主要添加合金元素的含量

由二個字母組成，表示二種主要元素，

含量高者在前

由二個數字組成，表示二種主要元素之含量，其順序如第一部份

A 鋁 B 鉍 C 銅 D 鎘

E 稀土元素 F 鐵

H 釷 K 鋯

M 錳 N 鎳 P 鉛 Q 銀 R 鉻 S 矽 T 錫 W 釔

依成份規格所定的範圍予以四捨五入

第三部分第四部分

區別除二種主要合金元素外其他元素之不同

表示合金狀態及性質

由一個英文字母組成由一個英文字母和數字組成

（與第三部份以「－」記號隔開）

除 I、O 之外的英文字母 F：製作完成後狀態

O：退火

H（1、2、3）：應變硬化

T1：冷卻+自然時效 T3：固溶處理+冷加工 T4：固溶處理

T5：冷卻+人工時效 T6：固溶處理+時效處理

表 1-3 鎂合金符號以 AZ31B－T4 為例

AZ 31 B － T4

第一部分第二部分第三部分第四部分

A：鋁 Z：鋅

A：鋁含量 3wt％

Z：鋅含量 1wt％第二種標準成份 T4：固溶處理

(23)

1.3 文獻回顧

近年來由於國際環保意識抬頭，所以如何使能源的消耗滅少及產品再回收性的利用即成為必要的課題，而鎂合金之比重為 1.74 g/cm³，比鋁合金比重 2.7 g/cm³及其它鋼鐵材料比重還要輕，鎂合金之其它優點則有比強度佳、防電磁干擾、散熱快及吸震性佳等等。目前而言鎂合金之成形法還是以壓鑄(Diecasting)為主，Louis Braun [10]對於熱室機及冷室機運用於鎂合金製造方面進行相關之研究。Tong 等[11]以量測鎂合金壓鑄加工之模穴壓力與監控成形過程，來提升薄殼手機外殼零件之品質。

Huang

等[12]以壓鑄加工製作鎂合金試棒，其近澆口處

的砂孔狀態最少且緻密，而在試棒中間段則最差，但隨著增加壓

鑄加工的壓力則可以降低砂孔狀態。Zhang 等[13]探討 ZA104(0.3-0.6 Ca)鎂合金在壓鑄加工之產品的機械性質與微結構組織。Lee 等[14]研究 AM50 鎂合金在高壓壓鑄加工中，其製程參數對多孔性分佈之影響。

傳統壓鑄加工成形後，產品常

產生裂縫缺陷與顯微組織結構

不穩定，造成產品良率的下降，且缺乏球化晶狀分怖，因此發展出

半溶融壓鑄(Semi-solid die-casting)法，有助於改善壓鑄法之缺陷問題。Du 與 Zhang [15]研究 AZ91D 鎂合金經半溶融壓鑄之顯微組織與機械性質之行為，在 SEM 顯微組織觀察可以清楚看出 α-Mg globules 均勻分佈在基材中，且透過拉伸試驗得知經由半溶融壓鑄之

AZ91D

(24)

鎂合金的抗拉強度在 230~248 MPa 之間，較傳統壓鑄法之強度高。另一方面鎂合金施以深引伸、輥軋、鍛造與擠製等塑性成形加

工，能大幅提高鎂合金產品之機械性質、品質與良率等。

鎂合金之深引伸加工研究有 Takuda 等[16]運用有限元素分析 AZ31 鎂基材板材於深引伸的成形性研究，其有限元素分析可以預測其破裂的位置，並以實驗來輔證。Lee 等[17]探討 AZ31 鎂合金板材之方杯深引伸成形極限，其結果發現在室溫與加熱溫度達 400℃時皆會產生破裂，而最佳之成形溫度為 250℃。鎂合金之輥軋加工方面之研究有 Kim 等[18]研究 Mg-Al-Zn 合金板材在非對稱輥軋中，其板材之機械性質與微結構組織，經過

輥

軋之板材最高降伏強度超過 300MPa，最大伸長率為 35％。Watanabe 等[19]研究 AZ31 鎂合金在不同溫度下以差動速度輥軋對軋延材之機械性質與微結構之影響，其在較低溫度下之軋延可以獲得高的延展性，但其抗拉強度則差異很小。

在鎂合金擠擠製加工方面有 Chandrasekara 與 John [20]探討在前向擠製時，AZ31、AZ61 與 ZK60 三種不同鎂合金及不同溫度對其成形性之影響，其研究結果顯示三種鎂合金於常溫至 175℃間均無法成形，而在 200℃進行擠製加工時，三種鎂合金均可以順利擠出，但 AZ31 與 ZK60 鎂合金則會有破裂的現象發生，當溫度提高至 300℃時，AZ31 鎂合金則可獲得良好之成形。Lapovok 等[21]以有限元素法探討 AZ31

(25)

鎂合金之擠製成形極限，並以實驗進行驗證。Hsiang 與 Kuo [22]曾探討 AZ31 與 AZ61 鎂合金熱間擠製成薄板後之成品特性與加工條件之影響。Chen 等[23]探討擠製比對 AZ31 鎂合金之顯微組織與機械性質之影響，當擠製比 24 以上，其降伏強度、極限抗拉強度會大幅提高，

而當擠製比為 100 時，其晶粒平均尺寸降低至 4μm。

鎂合金之鍛造加工方面之研究有 Ogawa 等[24]研究 ZK60 鎂合金之材料加熱溫度在精密鍛造對成形極限的影響，材料加熱溫度在 200

℃以下時鍛件會有破裂產生，而當材料加熱溫度達 400℃以上時，材料會產生氧化現象，故 400℃以上則不適合加工，其最適合加工的溫度範圍為 250 至 400℃之間。Skubisz 等[25]探討 Mg-Al-Zn 鎂合金在熱間與溫間鍛造成形性，其 AZ31 澆鑄鎂合金與 AZ61 鍛造鎂合金

在高度與直徑比為 0.8

之閉模鍛造時，以溫間鍛造法即可成形。

在壓印加工之研究有 Choi 等[26]利用 3D 剛塑性有限元素分析解析精密壓印製程，連續壓製成形一不規則精密孔洞，並將模具與胚料分隔成不同的網格，分析其孔洞壓印之成行性。Winfried 等[27]介紹了相關幾類不同之浮花壓製法之製程，包括實體浮花壓製 (solid embossing)、精密浮花壓製(precision embossing)、表面光滑之浮花壓製(smooth embossing)、孔洞之浮花壓製(hollow embossing)等，並比較幾種製程之差異。

(26)

在製程加工研究中，常會結合一些實驗計劃法來尋找最佳製程參數組合，而田口式直交表實驗法不以統計學的概念為主軸，而以信號雜音比來處理數據，可直接切入問題並解決問題所在之處。其方法為將可控制因子以直交表進行規劃組合，在不失實驗結果的準確性，可大幅減低實驗的次數，完成最有效的實驗，以尋求出單一品質之最佳製程參數組合。此一方法已被很多產業加工之製程研究所應用，其相關之研究有 Lee [28]應用田口方法探討金屬 Bellows 成形之製程參數研究。Chen 等[29]使用田口方法開發 PQFP (Plastic quad flat package) 產品設計之尺寸最佳化。Ghani 等[30]以田口法應用於最後一道銑削之參數最佳化之探討。

田口方法雖可有效的完成最佳化之實驗，但卻只能分析尋求出單一品質特性之最佳化問題，且會因個別品質特性而有差異，因此導致不同品質特性之最佳參數組合的彼此相互矛盾。然而產品需同時兼顧多個品質特性之多重品質特性指標（ Multiple performance characteristics index，MPCI）時，則需要搭配針對多重品質特性問題所發展出來的演算法。在多種方法中有使用田口法結合模糊理論分析探討多重品質特性之製程最適化之研究，如 Lin 等[31]及 Tzeng 與

Chen [32]結合田口方法與模糊控制研究放電加工之最適化製程。Lin

(27)

等[33]以模糊控制與灰色理論分別結合田口法之兩種模式，探討放電加工製程多重品質特性之最適化參數組合之研究。

(28)

第二章圓柱壓縮實驗與結果

2.1 實驗材料

本研究使用 AZ31 及 AZ61 鎂合金之圓柱試片進行壓縮實驗，依據 ASTM 標準，採用直徑6 mm，高度 9 mm 之標準試片。

2.2 圓柱壓縮之實驗步驟

圖 2-1為本研究圓柱壓縮實驗之流程，詳細內容如下所述。

圖 2-1 圓柱壓縮實驗流程圖

(29)

本實驗使用 AZ31 及 AZ61 鎂合金圓柱試片，在不同溫度及不同應變率下進行壓縮實驗，將每一次實驗負荷、行程、溫度與時間之關係紀錄在微電腦硬式磁碟機。最後將所得數據進行整理，可得到應力- 應變曲線圖。

1. 材料準備

將熱擠成形的鎂合金棒材切割成適當長度的圓形胚料，並進行車削處理，得到最終尺寸為6 mm × 9 mm 的圓柱試片。

2. 退火處理

將鎂合金試片放入密閉式恆溫加熱爐，加熱至 345°C 並持溫 6 小時，然後置於爐內待冷卻至常溫後開爐取出。

3. 配置及加熱溫度

將試片置於中國鋼鐵公司 Gleeble1500 高速金屬成形試驗機加壓夾頭上，再將溫度加熱到所需的溫度，關上防護門。其試驗機可依據試片之瞬時高度自動調整夾頭前進速率，控制實驗時應變率維持常數。Gleeble 1500 之加熱方式為夾頭通電之電阻加熱，可以在試片加熱後立即進行壓縮實驗，不會有試片因延遲加壓及夾頭冷卻效應，而造成材料溫度不均的情形。Gleeble1500 高速金屬成形試驗機，如圖 2-2所示。

(30)

圖 2-2 Gleeble 1500 之高速金屬成形試驗機

4. 壓縮實驗

開啟 Gleeble1500 高速金屬成形試驗機之控制盤，進行圓柱壓縮實驗，在壓縮過程中，微電腦會將每一次負荷、行程、溫度與時間之關係記錄在硬式磁碟機。

5. 後續作業

壓縮完畢之後，卸下高速金屬成形試驗機加壓夾頭，取出試片並進行清理作業。

6. 資料整理

將硬式磁碟機中負荷及行程數據整理，繪製應力-應變曲線圖。

(31)

2.3 圓柱壓縮實驗之分析

將退火後的 AZ61 及 AZ31 鎂合金圓柱試片置於高速金屬成形試驗機上，在各種不同溫度及不同應變率下進行壓縮實驗，並擷取位移及負荷資料，其實驗規劃如表 2-1所示。

表 2-1 圓柱壓縮實驗規劃

Temperature

Strain rate 200°C 300°C 350°C

0.05 0.5

3

圖 2-3為應變率 0.05 時在不同成形溫度下之圓柱壓縮後成品，由

實驗結果可看出 100°C 之試片在壓縮初期即產生剪應力破裂，表示鎂合金在 100°C 以下無法進行鍛造等壓縮加工。當溫度升高到 200°C 至 350°C 之間，試片可以大量變形而不破裂，若繼續升高至 450°C 以上，

如果沒有加保護氣體，會發生劇烈的氧化現象，甚至在成形過程中破碎而燃燒，其結果如圖 2-4所示。

AZ31 及 AZ61 鎂合金在不同成形溫度及不同應變率下的應力-應變關係如圖 2-5 至圖 2-10所示。

(32)

圖 2-3 不同成形溫度下之圓柱成品(應變率 0.05/s)

圖 2-4 鎂合金 450°C 成形時破碎成粉

0 50 100 150 200 250

0 0.1 0.2 0.3 0.4

strain

stress(Mpa) 200℃

300℃

350℃

圖 2-5 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 0.05 /s)

S tr es s (M P a)

(33)

0 50 100 150 200 250

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

strain

stress(Mpa) 200℃

300℃

350℃

圖 2-6 AZ31 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 0.5 /s)

0 50 100 150 200 250 300

0 0.1 0.2 0.3 0.4

strain

stress(Mpa) 200℃

300℃

350℃

圖 2-7 AZ31 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 3 /s)

0 50 100 150 200 250

0 0.1 0.2 0.3

strain

st re ss (M p a)

200℃

300℃

350℃

S tr es s (M P a) S tr es s (M P a) S tr es s (M P a)

(34)

0 50 100 150 200 250

0 0.1 0.2 0.3 0.4

strain

stress(Mpa) 200℃

300℃

350℃

0 50 100 150 200 250 300

0 0.1 0.2 0.3

strain

stress(Mpa) 200℃

300℃

350℃

圖 2-10 AZ61 鎂合金之應力-應變曲線 (應變率為 3 /s)

由實驗結果可看出有應變軟化(strain softening)的現象，主要是因為動態再結晶(dynamic recrystallization)的影響，Barnett [34]指出鎂合金在高溫變形時動態回復與應變率及溫度有關，通常應變率愈高及溫度愈低，愈趨向動態再結晶，其應力值會隨著應變增加而變小，並且逐漸達到一固定值[35]。

S tr es s (M P a) S tr es s (M P a)

(35)

由實驗結果可知，成形溫度愈高及應變率越小則鎂合金塑流應力愈低，因此將來在進行鎂合金鍛造時，必須考慮成形溫度及應變率的影響。

(36)

第三章攜車架之擠製加工及製程最適化之探討

本研究應用模糊田口方法探討 AZ31 與 AZ61 鎂合金腳踏車攜車架之熱間擠製加工之多重品質特性指標最佳化製程參數。以壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷來做多重品質特性之輸入變數，由於田口方法之最佳製程參數組合會因個別的品質特性而有差異，導致不同品質特性之最佳參數組合彼此矛盾。為同時兼顧壓平強度與 T 槽破壞強度值之望大品質特性及擠製負荷之望小品質特性之兩項品質特性，

運用模糊田口法來分析尋求壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷之多重品質特性指標之最佳製程參數組合。首先以直交表安排擠製加工之實驗組合，將實驗所得之產品以壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷等三個品質特性之信號雜訊比，作為模糊控制單元之輸入變數，而以多重品質特性指標作為單一輸出變數。將所得之多重品質特性指標進行最佳化之製程參數分析，嘗試尋找出多重品質特性指標之最佳製程參數組合，並進行驗證實驗以證明多重品質特性之最佳製程參數組合之準確性。

3.1 擠製加工簡介

擠製成形（Extrusion）加工過程中，擠錠置於盛錠筒（Container）

內，以主缸擠桿（Stem）擠壓擠錠使產生塑性變形而擠出擠製模具，

(37)

其成品斷面均一，且為實心或空心的長條狀成品[36]。

擠製加工過程中，其成形性的參數有模具半角、擠製比（Extrusion ratio）、擠製速度、材料加熱溫度及潤滑劑等。其擠製比為胚料與成品之斷面積的比值，如式(3-1)所示。

擠製比

f o

A

A （3-1）

式中，Ao=胚料之截面積，Af=成品之截面積

擠製加工依材料變形時的溫度，可區分為冷間擠製加工(Cold extrusion)與熱間擠製加工(Hot extrusion)。當擠製加工時，被加工材料的溫度在再結晶溫度以下，稱為冷間擠製；反之，若被加工材料的溫度高於再結晶溫度，則稱為熱間擠製。由於冷間擠製加工無需加熱裝置，所以整體設備較為簡單且材料無熱漲冷縮問題，因此工件的尺寸精度與表面光度較高，而且模具壽命也較長，不過因為材料會有加工硬化的現像，所以常需要進行製程退火，而且所需擠製負荷也較熱間擠製來的高。由於熱間擠製加工時，所需之擠製負荷較冷間擠製低，

故可使用較大的擠製比以及較高的擠製速度，以提高單位時間的產量，降低成本；同時成品斷面形狀可較複雜，所以在工業界大都採用熱間擠製加工。

當擠製加工時，依材料流動的方向與主缸前進方向是否相同，可分為直接擠製與間接擠製；直接擠製：材料流動的方向與主缸前進方

(38)

向相同，間接擠製：材料流動的方向與主缸前進方向相反，其示意圖如圖 3-1與圖 3-2 所示。

衝錘前進方向 ^billet 材料流動方向

圖 3-1 直接擠製加工

billet

材料流動方向材料流動方向衝錘前進方向

圖 3-2 間接擠製加工

(39)

3.2 田口方法

日本品質工程專家田口玄一博士所創品質工程方法，由於成效良好，甚受國際品質界人士的重視，美國品管界稱其為田口方法（Taguchi method）。田口博士結合技術與統計方法，使產品設計和製造過程能達到最佳條件，而迅速改進成本與品質[37]。

田口品質規劃法是運用在工程設計、製造程序與經濟原理的科學方法，其目的為提升產品之品質。田口品質規劃法將可控制因子以直交表進行規劃組合，在不失實驗結果的準確性之條件下，可大幅減低實驗的次數，完成最有效的實驗。

3.2.1 田口品質直交表計劃法

1950 年代，田口玄一( Genichi Taguchi )博士將田口品質規劃法應用於工業產品中，其提倡利用直交表之實驗設計，不以統計學的概念為主軸，而以信號雜音比（Signal-to-noise ratio，S/N）來處理數據，

可直接切入問題並解決問題所在之處[37]。

田口品質直交表以 L_a(b^c)表示，其字母 L 為直交表的起源名稱：

Latin squares，而 a 為實驗次數、b 為各因子的水準數目、c 為控制因 子的數目。如表 2-1 所示，稱為田口式 L₉(3⁴)直交表，表示有九次實驗、

四個控制因子及各控制因子均有三個水準數。

(40)

表 3-1 田口式 L9(3⁴)直交表[38]

控制因子

Exp. A B C D

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

3.2.2 信號雜訊比（Signal-to-noise ratio，S/N）

品質特性依理想機能有不同的品質計量法，可區分為望目特性、

望小特性與望大特性之 S/N 比三種型態[38]。

1. 望目特性 S/N 比：

當品質特性 y 愈靠近一目標值（m），品質就愈佳時，我們把這 種品質特性稱為望目（Nominal-the-best，NTB）特性。田口建議使用的望目特性 S/N 比公式為：

e

NTB V

N

S/ 10log₁₀ (3-2)

式中， n

y_i

n

i_



¹

 ，  

1

2

1 2



 

 n y_i

n i

 

：平均值之平方和

：實驗值之變異量

(41)

yi：品質量測值

n：量測之總數

2. 望小特性 S/N 比：

當品質特性值 y 愈小，品質愈佳，此即為望小

（Smaller-the-better，STB）特性。田口建議使用的望小特性 S/N 比公式為：



 



 





 n

i i

STB y

N n S

1 2 10

log 1 10

/ (3-3)

3. 望大特性 S/N 比：

當品質特性值 y 愈大，品質愈佳，此即為望大（Larger-the-better，

LTB）特性。田口建議使用的望大特性 S/N 比公式為：





 



 







 n

i i

LTB n y

N S

1 10 2

1 log 1

10

/ (3-4)

3.2.3 變異數分析

在田口方法之變異數分析應用（Analysis of Variance，ANOVA）

統計方法主要在評估實驗誤差與各因子效應相對於實驗誤差的重要性

（Significance level）。本文在 ANOVA 統計分析之相關公式如下[38]：

(42)

(1)因子效應向量的平方和（SSfactor）





 

 ^L

k k

factor y y

L r SS n

1

)2

( (3-5)

式中，n 表示實驗的次數，r 表示實驗重複的次數，L 表示因子水準的數目，y_k表示該因子在水準 k 時的反應值，y表示全部實驗數據和之平均值。

(2)總變異向量的平方和（SStotal）

2

1 1

2 n r y

y SS

n

i r

j ij

total  



 







 

(3-6)

式中，y_ij表示第 i 組實驗之第 j 個實驗數據。

(3)誤差平方和（Error sums of squares，SSe）

SSe＝SStotal－SSfactor (3-7) (4)因子效應向量的自由度（DOFfactor）

1

L

DOF_factor (3-8)

(5)總變異向量的自由度（DOFtotal）

1



 rn

DOF_total (3-9)

(6)因子的變異數（Variance，V）

i i

i DOF

V  SS (3-10)

(7)兩個變異數的估計值的比（F Distribution）

error factor factor

V

F V (3-11)

式中，V_error表示誤差所造成的變異數

(43)

(8)貢獻度（Contribution，σ）

%

100



 

total i error

i

i SS

DOF V

 SS (3-12)

(9)實驗誤差（Experimental error，S）

error error

error

DOF V

S  SS  (3-13)

3.3 模糊理論

模糊理論系統結合專家經驗與語意式的推論法則，其不需要繁雜的數學式，因此在工業常被使用，模糊控制單元（Fuzzy logic unit）共有四個主要部份所組成，如圖 3-3 所示，分別為模糊化（Fuzzifier）、

模糊規則庫（Fuzzy rule base）、模糊推論引擎（Fuzzy inference engine）

與去模糊化（Defuzzifier）。模糊化是將輸入的明確值透過模糊化轉化成適當的語意值，以供模糊規則之前提部份的模糊集合，模糊規則庫主要在儲存模糊規則，其模糊規則由一組以「If-Then」形成來表示條件敘述語句，If 稱為前提部份，Then 稱為結論部份，來描述輸入與輸出之間的關係[39]，本研究之輸入與輸出變數之歸屬函數（Membership function）採用三角形與梯形歸屬函數，其 Mamdani 模糊規則之語意式模糊規則，如下所示：

(44)

Ri：If x1is Ai1and x2is Ai2and … and xnis Ain then y is Bi (3-14) i：1,2,3,…,m

式中，A 與 B 為模糊集合，m 為模糊規則的數目

圖 3-3 模糊系統之基本架構

模糊推論引擎為模糊邏輯單元之核心，其模糊推論又稱近似推論，係將模糊輸入變數經推論演算出模糊輸出變數，且使用最大-最小合成（max-min operation）方法來進行推論，其推論所得之模糊資訊必須經 Defuzzifier 做解模糊化（Defuzzification），且採用重心法（Center of gravity）以將模糊輸出變數轉換為明確值 y*，如式 3-15所示。

y*＝







L

i

i B L

i

i i B

y y y

1 1

) (



(3-15)

式中，L 表示輸出的量化數（Quantization levels），yi表示第 i 個量化值，μB(yi)表示 yi屬於模糊集合 B 的歸屬值。

模糊規則庫

模糊推論引擎去模糊化

輸入值模糊化輸出值

(45)

3.4 實驗設備

3.4.1 熱間臥式擠製機

本實驗所使用之擠製機其最高負荷可達 600 噸，安全負荷為 500 噸，如圖 3-4 所示。擠製加工前，必須先將盛錠筒預熱至所設定之溫度，因為盛錠筒為開放性的加熱器，故必須提前在實驗開始之前的 5 個小時開始加熱，加熱盛錠筒的目地在避免擠錠與模具的熱量在擠製加工過程散失過多，導致擠錠與模具溫度下降過快，而發生擠製失敗的現象。

利用調整液壓伺服閥控制其流量大小，控制擠製機主缸的前進速度，其速度之控制採用開迴路控制系統，同時搭配數據擷取器，以擷取擠製過程之時間、位移、速度與擠製負荷等數據。

圖 3-4 500 噸熱間擠製加工機

(46)

3.4.2 數據擷取器與控制器

控制器如圖 3-5所示，主要是用來控制衝錘行程、主缸擠製速度，

並且可以擷取主缸速度、擠製壓力負荷、時間與主缸位移，經由訊號放大器放大之後，透過 A / D Card 轉換成數位訊號，再由電腦每 0.5 秒擷取一次訊號，記錄並存檔於硬碟中。

圖 3-5 控制器

3.5 實驗規劃

3.5.1 研究流程與步驟

本研究中結合模糊理論與田口法進行 AZ31 與 AZ61 鎂合金腳踏車攜車架之熱間擠製加工之 MPCI 最適化製程參數之研究，如圖 3-6 所示，首先以直交表安排擠製加工之實驗組合，將實驗所得之產品以壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷等三個品質特性之信號雜訊比，

作為模糊控制單元之輸入變數，而以多重品質特性指標作為單一輸出

(47)

變數。將所得之多重品質特性指標進行最適化之製程參數分析，嘗試尋找出多重品質特性指標之最適製程參數組合，並進行驗證實驗以證明多重品質特性之最佳製程參數組合之準確性。

圖 3-6 攜車架之 MPCI 研究流程

製程參數之選擇

L₉直交表之參數設定

擠製加工之實驗

壓平試驗與計算 S/N 比

模糊邏輯系統 MPCI 之推論

繪製 MPCI 之因子效果圖

取得最適化之製程參數組合

驗證實驗 T 槽破壞試驗與計算 S/N 比

擠製負荷與計算 S/N 比

(48)

3.5.2 攜車架之擠製加工

攜車架之熱間擠製加工示意圖，如圖 3-7 所示，其擠錠為 AZ31 與 AZ61 兩種鎂合金，尺寸為直徑 ψ80 mm、長 100 mm，擠製後之攜車架截面積與尺寸，如圖 3-8所示，其擠製比為 11.43。

圖 3-7 攜車架之熱間擠製加工

擠錠

AZ31 與 AZ61

加熱溫度 320～380℃

擠製成形機

模具

加熱爐

成功

失敗

(49)

圖 3-8 攜車架之截面積與尺寸

3.5.3 直交表之實驗規劃

本研究主要在探討 AZ31 與 AZ61 兩種材料攜車架之最適化製程參數組合，其製程參數有材料加熱溫度、擠製速度、盛錠筒溫度與潤滑劑四項，因此將採用內外直交表，其材料種類 AZ31 與 AZ61 鎂合金為外直交表，而製程參數為內直交表，如表 3-2 所示。此四項製程參數之控制因子皆有三個水準，採用之 L9直交表來設定實驗參數，如表 3-3所示。

3.5.4 壓平強度與 T 槽破壞強度之試驗

壓平強度試驗主要在瞭解鎂合金攜車架雙翼之承受負載，自攜車架切取長度 70mm 之試片，夾在 30 噸試驗機之兩平板間進行壓平試驗，以壓縮速率為 7.16 mm/min 將攜車架壓平，其試驗裝置如圖 3-9 所示，且檢驗攜車架兩翼是否有傷痕或裂痕。

(50)

表 3-2 攜車架熱間擠製實驗之因子與水準設定

控制因子

（Out OA）材料種類

Level 1 Level 2

AZ31 AZ61

A B C D

控制因子

（Inner OA）材料加熱溫度 (℃)

擠製初速 (mm/sec)

盛錠筒溫度

(℃) 潤滑劑

Level 1 Level 2 Level 3

320 350 380

2 4 6

300 350 400

BN MoS2

Graphite

表 3-3 攜車架熱間擠製之 L₉直交表實驗參數設定

控制因子

（Out OA）材料種類

1 AZ31

2 AZ61

A B C D

控制因子

（Inner OA）材料加熱溫度 (℃)

擠製初速 (mm/sec)

盛錠筒溫度

(℃) 潤滑劑

1 2 3 4 5 6 7 8 9

320 320 320 350 350 350 380 380 380

2 4 6 2 4 6 2 4 6

300 350 400 350 400 300 400 300 350

BN MoS₂ Graphite Graphite

BN MoS₂ MoS₂ Graphite

BN

(51)

T 槽破壞強度試驗採用 30 噸萬能試驗機，自行設計一組夾具來固定成品，且將帶頭螺栓套入底部凹槽，其螺栓在鎖在具有內螺紋之圓棒以進行實驗，如圖 3-10所示。

圖 3-9 壓平強度試驗之裝置

圖 3-10 T 槽破壞強度試驗之裝置

壓平試驗後壓平試驗前

(52)

3.6 模具設計

模具之設計藉由 DEFORM 3D 模擬分析軟體輔助，可以減少設計成本與修模等費用。且藉由模擬可預先得知成形的最低材料加熱溫度與擠製速度之範圍，其材料加熱溫度之範圍為 320~380℃之間，擠製速度範圍為 2~6 mm/s 之間。圖 3-11所示為成形溫度之最低材料加熱溫度 320℃，擠製速度為 4 mm/s 時模擬所得之狀況，而實際實驗中所得之成品，如圖 3-12所示。

圖 3-11 材料加熱溫度 320℃及擠製速度 4 mm/s 模擬所得之狀況

(53)

圖 3-12 擠製所得之健全腳踏車攜車架

3.7 攜車架擠製加工之多重品質特性之最適化製程參數分析

3.7.1 壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷之 S/N 比與正規化

攜車架之熱間擠製加工所擷取之擠製負荷，代入式(3-3)之望小特性計算其 S/N 比，而成品則進行壓平強度與 T 槽破壞強度試驗，所得之值代入式(3-4)之望大特性計算其 S/N 比，其 AZ31 與 AZ61 鎂合金攜車架之壓平強度，T 槽破壞強度與擠製負荷之數值與其 S/N 比，分別列於表 3-4與表 3-5。

由於壓平強度，T 槽破壞強度與擠製負荷之 S/N 比值域不相同，

因此將 S/N 比正規化於相同值域 0 與 1 範圍之間，其正規化表示式，

如式(3-16)所示。

(54)

min min

max min max

min (D D ) D

x x

x

x_new x^mea  



  (3-16)

式中，x_mea為正規化前之 S/N 比的值。

xmax與x_min為同一特性之 S/N 比的最大值與最小值。

Dmax與D_min為所設定期望之變數值域的最大值與最小值。

本研究將正規化值域設定為 0 至 1 之間，因此D_max 1與_D_min _₀，其 AZ31 與 AZ61 攜車架之三個品質特性 S/N 比經正規化值，分別如表 3-6與表 3-7 所示。

表 3-4 AZ31 攜車架之壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷及 S/N 比

壓平強度 T 槽破壞強度擠製負荷

NO.

強度 (N) S/N 比強度 (N) S/N 比負荷 (ton) S/N 比

1 3871 71.7562 12531 81.9600 347 -50.8036

2 3724 71.4213 11335 81.0882 304 -49.6557

3 3608 71.1444 11220 81.0000 321 -50.1214

4 3598 71.1221 11123 80.9245 284 -49.0567

5 3569 71.0499 10334 80.2851 255 -48.1349

6 3544 70.9895 10025 80.0217 287 -49.1540

7 3454 70.7668 9589 79.6357 228 -47.1597

8 3475 70.8202 9557 79.6068 248 -47.8972

9 3469 70.8035 9324 79.3924 245 -47.7897

(55)

表 3-5 AZ61 攜車架之壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷及 S/N 比

壓平強度 T 槽破壞強度擠製負荷

NO.

強度 (N) S/N 比強度 (N) S/N 比負荷 (ton) S/N 比

1 3998 72.0359 13521 82.6205 357 -51.0484

2 3867 71.7472 13118 82.3571 320 -50.1058

3 3773 71.5332 12956 82.2492 330 -50.3785

4 3752 71.4860 12671 82.0564 301 -49.5850

5 3663 71.2771 12554 81.9759 283 -49.0289

6 3604 71.1354 12567 81.9844 308 -49.7605

7 3549 71.0020 11453 81.1785 251 -47.9838

8 3564 71.0393 11698 81.3625 266 -48.5117

9 3532 70.9613 11241 81.0158 270 -48.6283

表 3-6 AZ31 之 S/N 比正規化與 MPCI 推論結果

正規化之 S/N 比模糊邏輯系統之 MPCI 推論

NO. 壓平強度 T 槽破壞強度擠製負荷 MPCI* (FLU-1) MPCI (FLU-2)

1 1.000 1.000 0.000 0.901 0.648

2 0.661 0.660 0.315 0.637 0.593

3 0.382 0.626 0.187 0.504 0.442

4 0.359 0.597 0.479 0.480 0.454

5 0.286 0.348 0.732 0.348 0.405

6 0.225 0.245 0.453 0.301 0.325

7 0.000 0.095 1.000 0.132 0.376

8 0.054 0.083 0.798 0.129 0.327

9 0.037 0.000 0.827 0.099 0.311

(56)

表 3-7 AZ61 之 S/N 比正規化與 MPCI 推論結果

正規化之 S/N 比模糊邏輯系統之 MPCI 推論

NO.

壓平強度 T 槽破壞強度擠製負荷 MPCI* (FLU-1) MPCI (FLU-2)

1 1.000 1.000 0.000 0.901 0.648

2 0.731 0.836 0.308 0.714 0.622

3 0.532 0.769 0.219 0.641 0.586

4 0.488 0.648 0.478 0.579 0.588

5 0.294 0.598 0.659 0.456 0.472

6 0.162 0.604 0.420 0.420 0.371

7 0.038 0.101 1.000 0.136 0.379

8 0.073 0.216 0.828 0.216 0.377

9 0.000 0.000 0.790 0.099 0.301

3.7.2 建構攜車架多重品質特性指標之模糊邏輯系統

本研究將建立具有兩個模糊邏輯單元（Fuzzy Logic Unit，FLU）

來進行 MPCI 之推論模式，如錯誤! 找不到參照來源。所示。其模糊規則資料庫採用 Mamdani 模糊規則之“If-Then”型式，且以 Mamdani 蘊涵方法進行最大-最小合成之推論，而去模糊化使用重心法將模糊資訊轉換為明確的 MPCI 值。

三輸入一輸出之模糊邏輯系統，須將兩個相同品質特性建構在同一模糊邏輯單元之輸入變數，在得到輸出變數後再與不同品質特性建構為第二模糊邏輯單元之輸入變數，才能得到正確的多重品質之最適化製程參數組合，否則會得到不正確的最適化製程參數。龔淑銘[40]

應用模糊田口方法於銑削加工製程之最佳參數設計，其模糊邏輯系統

(57)

亦為三個輸入變數與一個輸出變數，其設定與本研究相同。

圖 3-13 三輸入一輸出之模糊邏輯系統

輸入與輸出變數採取梯形與三角形歸屬函數進行模糊分割，其壓平強度、T 槽破壞強度與擠製負荷三個輸入變數皆定義為小(S)、中(M) 與大(L)三個等級，如圖 3-14所示。第一個模糊邏輯單元(FLU-1)的輸入變數為壓平強度與 T 槽破壞強度，輸出變數為 MPCI*，而 MPCI*

則定義為小(S)、中小(SM)、中(M)、中大(ML)與大(L)五個等級，如圖 3-15所示。其 FLU-1 之模糊規則表，如表 3-8 所示，共 9 條模糊規則。

第二個模糊邏輯單元(FLU-2)的輸入變數為 MPCI*與擠製負荷，而輸出變數為 MPCI，其定義為非常極小(T)、非常小(VS)、小(S)、中小 (SM)、中(M)、中大(ML)、大(L)、非常大(VL)與非常極大(H)九個等級，

如圖 3-16所示。其 FLU-2 之模糊規則表，如表 3-9 所示，共 9 條模糊規則。

模糊邏輯單元

FLU-1

壓平強度 T 槽破壞強度

擠製負荷

模糊邏輯單元 MPCI

FLU-2

MPCI*

鎂合金零件之鍛造與擠製製程研究及產品之開發

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

鎂合金零件之鍛造與擠製製程研究及產品之開發(第 2 年) 研究成果報告(完整版)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□ 期中進度報告

鎂合金零件之鍛造與擠製製程研究及產品之開發

摘要

ABSTRACT

目錄

圖目錄

表目錄

第一章 緒論

Huang

的砂孔狀態最少且緻密，而在試棒中間段則最差，但隨著增加壓

傳統壓鑄加工成形後 ，產品常

不穩定，造成產品良率的下降，且缺乏球化晶狀分怖，因此發展出

AZ91D

鎂合金的抗拉強度在 230~248 MPa 之間，較傳統壓鑄法之強度 高。另一方面鎂合金施以深引伸、輥軋、鍛造與擠製等塑性成形加

輥

在高度與直徑比為 0.8

第二章 圓柱壓縮實驗與結果

S tr es s (M P a)

st re ss (M p a)

S tr es s (M P a) S tr es s (M P a) S tr es s (M P a)

S tr es s (M P a) S tr es s (M P a)

第三章 攜車架之擠製加工及製程最適化之探討











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

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成果報告

第一章緒論

傳統壓鑄加工成形後，產品常

鎂合金的抗拉強度在 230~248 MPa 之間，較傳統壓鑄法之強度高。另一方面鎂合金施以深引伸、輥軋、鍛造與擠製等塑性成形加

第二章圓柱壓縮實驗與結果

第三章攜車架之擠製加工及製程最適化之探討