摩擦界面接觸條件對於鍛粗加工變形行為之影響

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研究生：	林建邦 Chein-pang Lin
論文名稱：	摩擦界面接觸條件對於鍛粗加工變形行為之影響 The effect to the friction contact interface for upsetting forging
指導教授：	葉維磬 Wei-Ching Yeh
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系 Department of Mechanical Engineering
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	115
中文關鍵詞：	異向性變形、鍛粗、表面形貌
外文關鍵詞：	anisotropic, Surface topography, Upsetting
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本文以研磨、銑削及車削製程製作出定性、定量的模具及材料表面形貌與粗糙度值，進行鍛粗加工實驗，探討模具與材料接觸界面之表面形貌及表面粗糙度對金屬與模具間之影響以及變形後的關係。針對材料與模具界面接觸之關係以及異向性變形結果作為研究重點。
結果發現，產生異向性變形與模具表面形貌特徵有關，而試片表面形貌的影響則不明顯，且只發生在潤滑條件下。對於摩擦反應之敏銳性，圓環之內徑較佳。

In this paper, we discussed the influence of surface topography and surface roughness for the Al 6061 after upsetting. The emphasis to be aimed the relation of the interface contact of die and specimens and anisotropic deformation results. The upsetting experiment have used Surface topography in different height reduction. The measure results have surface contours, surface roughness, friction factor and bulging.To use the experiment results and the measure results to discuss fluid of workpiece.

目錄
中文摘要  ………………………………………………………………i
英文摘要  ．……………………………………………………………ii
誌謝      ．．…………………………………………………………iii
目錄      ．……………………………………………………………iv
表目錄    ．．…………………………………………………………vi
圖目錄    ．．．………………………………………………………vii
符號說明   …………………………………………………………xvii
第一章	緒論
1-1前言           ……………………………………………………1
1-2文獻回顧       ……………………………………………………3
1-2-1 摩擦量測之研究  …………………………………………3
1-2-2摩擦效應之探討   …………………………………………5
1-2-3 桶脹效應之探討  …………………………………………7
1-2-4 對微成型之影響  …………………………………………9
1-3研究目的與動機  …………………………………………………11
1-4本文流程架構    …………………………………………………12
第二章	實驗方法
2-1實驗設備       ．…………………………………………………13
2-2實驗方法         ……………………………………………… 13
2-2-1 試片規格與準備   ………………………………………14
2-2-2 熱處理           ………………………………………14
2-2-2 機械性質測驗-MTS拉伸試驗   …………………………14
2-2-4 鍛粗實驗條件     ………………………………………16
2-3 量測             ………………………………………………17
2-3-1 CCD內外徑量測    ………………………………………17
2-3-2 表面輪廓量測及繪製 ……………………………………18
2-3-3 側向桶脹輪廓量測 ………………………………………18
第三章	有限元素分析
3-1基礎定義       …………………………………………………20
3-2有限元素法於塑性加工上之應用 ………………………………20
3-2-1 塑性成形之FEM力學模式分析  …………………………21
3-3 DEFORM 有限元素軟體  …………………………………………22
3-3-1軟體簡介        …………………………………………22
3-3-2 DEFORM 的使用流程  ……………………………………25
3-4 模擬參數設定   …………………………………………………26
第四章	結果與討論
4-1 摩擦修正曲線圖   ………………………………………………29
4-2 鍛粗實驗結果     ………………………………………………29
4-1-1 乾摩擦條件下之鍛粗結果 ………………………………29
4-1-2 濕摩擦條件下之鍛粗結果 ………………………………30
4-3 表面輪廓之量測結果 ……………………………………………31
4-4 側向桶脹之量測結果   …………………………………………33
4-5 表面粗糙度與摩擦因子 …………………………………………34
4-5-1 乾摩擦效應 ………………………………………………34
4-3-2 濕摩擦效應 ………………………………………………35
第五章 結論與建議
6-1 結論               ……………………………………………37
6-2 未來研究方向       ……………………………………………38
參考文獻            ……………………………………………39
附錄                ……………………………………………44
表目錄
表2-1 實驗流程            ………………………………………55
表2-2 模具表面粗糙度      ………………………………………56
表2-3 鋁6061組成成分     ………………………………………56
表2-4 試片尺寸            ………………………………………57
表2-5 試片表面粗糙度      ………………………………………57
表3-1 試片及模具模擬條件設定……………………………………58
表3-2 模擬參數    ．………………………………………………58
圖目錄
圖1-1 開模鍛造與閉模鍛造示意圖    ……………………………59
圖1-2 圓環壓縮之變形行為      …………………………………60
圖1-3 摩擦因子之修正曲線圖    …………………………………61圖1-4 研究流程圖  …………………………………………………62
圖2-1 實驗設備示意圖………………………………………………63
圖2-2 模具表面2D形貌(車削、研磨) ……………………………63
圖2-3 模具之記號線  ………………………………………………64
圖2-4 模具直紋方向…………………………………………………66
圖2-5 試片表面2D形貌 ……………………………………………67
圖2-6 直紋試片之表面形貌與記號線之關係  ……………………68
圖2-7 MTS萬能試驗機圖   …………………………………………69
圖2-8 MTS標準拉伸試棒規格   ……………………………………69
圖2-9工程應力-應變曲線圖    ……………………………………70
圖2-10真實應力-應變曲線圖     …………………………………70
圖2-11 利用擋塊確保試片放置位置為正中心 ……………………71
圖2-12 直紋模具與試片之表面形貌水平方向環壓試驗圖 ………72
圖2-13 CCD量測系統  ………………………………………………73
圖2-14掃描圖像量測試片表面輪廓…………………………………73
圖2-15桶脹輪廓量測裝置示意圖……………………………………74
圖2-16桶脹輪廓量測步驟2示意圖  ………………………………74
圖2-17桶脹輪廓量測步驟3示意圖  ………………………………75
圖3-1圓環內徑進行局部網格以求精確度提升 ……………………76
圖3-2以1/4模型進行模擬 …………………………………………76
圖4-1 利用文獻[4]中之理論及實驗結果  …………………………77
驗証本文理論方法之可靠性
圖4-2本文模擬之摩擦修正曲線圖 …………………………………78
圖4-3 車削試片在乾摩擦鍛粗實驗結果   …………………………79
(高度縮減率10%、30%、50%)
圖4-4 直紋試片在乾摩擦鍛粗實驗結果   …………………………80
(高度縮減率10%、30%、50%)
圖4-5 車削試片在濕摩擦鍛粗實驗結果   …………………………81
(高度縮減率10%、30%、50%)
圖4-6 直紋試片在濕摩擦鍛粗實驗結果   …………………………82
(高度縮減率10%、30%、50%)
圖4-7 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖       …………………………83
(實驗條件:車削試片-車削模具-乾摩擦-高度縮減率30%)
圖4-8 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖       …………………………83
(實驗條件:車削試片-車削模具-乾摩擦-高度縮減率50%)
圖4-9 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖       …………………………84
(實驗條件:車削試片-車削模具-濕摩擦-高度縮減率30%)
圖4-10 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………84
(實驗條件:車削試片-車削模具-濕摩擦-高度縮減率50%)
圖4-11 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………85
(實驗條件:車削試片-研磨模具-乾摩擦-高度縮減率30%)
圖4-12圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖       …………………………85
(實驗條件:車削試片-研磨模具-乾摩擦-高度縮減率50%)
圖4-13 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………86
(實驗條件:直紋試片-車削模具-乾摩擦-高度縮減率30%)
圖4-14 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………86
(實驗條件:直紋試片-車削模具-乾摩擦-高度縮減率50%)
圖4-15 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………87
(實驗條件:直紋試片-車削模具-濕摩擦-高度縮減率30%)
圖4-16 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………87
(實驗條件:直紋試片-車削模具-濕摩擦-高度縮減率50%)
圖4-17 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………88
(實驗條件:直紋試片-研磨模具0°方向-乾摩擦-高度縮減率30%)
圖4-18 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………88
(實驗條件:直紋試片-研磨模具0°方向-乾摩擦-高度縮減率50%)
圖4-19 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………89
(實驗條件:直紋試片-研磨模具90°方向-乾摩擦-高度縮減率30%)
圖4-20 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………89
(實驗條件:直紋試片-研磨模具90°方向-乾摩擦-高度縮減率50%)
圖4-21 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………90
(實驗條件:車削試片-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率30%)
圖4-22 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………90
(實驗條件:車削試片-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率50%)
圖4-23 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………91
(實驗條件:直紋試片-研磨模具0°方向-濕摩擦-高度縮減率30%)
圖4-24 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………91
(實驗條件:直紋試片-研磨模具0°方向-濕摩擦-高度縮減率50%)
圖4-25 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………92
(實驗條件:直紋試片-研磨模具90°方向-濕摩擦-高度縮減率30%)
圖4-26 圓環鍛粗表面輪廓內外徑圖      …………………………92
(實驗條件:直紋試片-研磨模具90°方向-濕摩擦-高度縮減率50%)
圖4-27平行(0度方向)及相交方向(90度方向)橢圓試片比較  ……93
(實驗條件:直紋試片-研磨模具-濕摩擦-高度縮減50%)
圖4-28平行(0度方向)及相交方向(90度方向)橢圓試片比較  ……93
(實驗條件:直紋試片-研磨模具-濕摩擦-高度縮減50%)
圖4-29平行(0度方向)及相交方向(90度方向)橢圓試片比較  ……94
(實驗條件:直紋試片-研磨模具-濕摩擦-高度縮減50%)
圖4-30 車削橢圓試片與直紋相交橢圓試片比較    ………………94
圖4-31 微池(mirco pool)現象          …………………………95
圖4-32 等向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………96
(實驗條件:車削試片T3-車削模具-乾摩擦-高度縮減率30%)
圖4-33 等向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………96
(實驗條件:車削試片T3-車削模具-乾摩擦-高度縮減率49.6%)
圖4-34 等向性試片內外徑側向桶脹圖   …………………………97
(實驗條件:車削試片T3-車削模具-濕摩擦-高度縮減率30.2%)
圖4-35 等向性試片內外徑側向桶脹圖   …………………………97
(實驗條件:車削試片T3-車削模具-濕摩擦-高度縮減率47%)
圖4-36 等向性試片內外徑側向桶脹圖   …………………………98
(實驗條件:車削試片T3-研磨模具-乾摩擦-高度縮減率30.6%)
圖4-37 等向性試片內外徑側向桶脹圖   …………………………98
(實驗條件:車削試片T3-研磨模具-乾摩擦-高度縮減率47%)
圖4-38 等向性試片內外徑側向桶脹圖   …………………………99
(實驗條件:直紋試片G3-車削模具-乾摩擦-高度縮減率28.4%)
圖4-39 等向性試片內外徑側向桶脹圖   …………………………99
(實驗條件:直紋試片G3-車削模具-乾摩擦-高度縮減率50.8%)
圖4-40 等向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………100
(實驗條件:直紋試片G3-車削模具-濕摩擦-高度縮減率30.6%)
圖4-41 等向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………100
(實驗條件:直紋試片G3-車削模具-濕摩擦-高度縮減率49.2%)
圖4-42等向性試片內外徑側向桶脹圖      ………………………101
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(0度)-乾摩擦-高度縮減率31%)
圖4-43 等向性試片內外徑側向桶脹圖      ………………………101
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(0度)-乾摩擦-高度縮減率51.4%)
圖4-44 等向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………102
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(90度)-乾摩擦-高度縮減率30.4%)
圖4-45 等向性試片內外徑側向桶脹圖     …………………………102
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(90度)-乾摩擦-高度縮減率50.2%)
圖4-46 異向性試片內外徑側向桶脹圖     …………………………103
(實驗條件:車削試片T3-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率32.8%)
圖4-47 異向性試片內外徑側向桶脹圖       ………………………103
(實驗條件:車削試片T2-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率29.8%)
圖4-48 異向性試片內外徑側向桶脹圖     …………………………104
(實驗條件:車削試片T1-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率30%)
圖4-49 異向性試片內外徑側向桶脹圖     …………………………104
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(0度)-濕摩擦-高度縮減率29.8%)
圖4-50異向性試片內外徑側向桶脹圖      …………………………105
(實驗條件:直紋試片G2-研磨模具(0度)-濕摩擦-高度縮減率28.4%)
圖4-51 異向性試片內外徑側向桶脹圖     …………………………105
(實驗條件:直紋試片G1-研磨模具(0度)-濕摩擦-高度縮減率31.4%)
圖4-52 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………106
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(90度)-濕摩擦-高度縮減率29%)
圖4-53 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………106
(實驗條件:直紋試片G2-研磨模具(90度)-濕摩擦-高度縮減29%)
圖4-54異向性試片內外徑側向桶脹圖     …………………………107
(實驗條件:直紋試片G1-研磨模具(90度)-濕摩擦-高度縮減30.8%)
圖4-55 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………107
(實驗條件:車削試片T3-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率49.8%)
圖4-56 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………108
(實驗條件:車削試片T2-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率49.2%)
圖4-57 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………108
(實驗條件:車削試片T1-研磨模具-濕摩擦-高度縮減率49%)
圖4-58 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………109
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(0度)-濕摩擦-高度縮減率48%)
圖4-59異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………109
(實驗條件:直紋試片G2-研磨模具(0度)-濕摩擦-高度縮減率48.4%)
圖4-60 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………110
(實驗條件:直紋試片G1-研磨模具(0度)-濕摩擦-高度縮減率47%)
圖4-61異向性試片內外徑側向桶脹圖     …………………………110
(實驗條件:直紋試片G3-研磨模具(90度)-濕摩擦-高度縮減率49.8%)
圖4-62 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………111
(實驗條件:直紋試片G2-研磨模具(90度)-濕摩擦-高度縮減51.6%)
圖4-63 異向性試片內外徑側向桶脹圖    …………………………111
(實驗條件:直紋試片G1-研磨模具(90度)-濕摩擦-高度縮減52.4%)
圖4-64表面粗糙度與摩擦因子關係圖     …………………………112
(實驗條件:車削試片-車削模具-乾摩擦)
圖4-65表面粗糙度與摩擦因子關係圖     …………………………112
(實驗條件:直紋試片-車削模具-乾摩擦)
圖4-66表面粗糙度與摩擦因子關係圖     …………………………113
-車削試片下研磨模具與車削模具之比較
圖4-67表面粗糙度與摩擦因子關係圖     …………………………113
(實驗條件:直紋試片-車削模具-乾摩擦)
圖4-68表面粗糙度與摩擦因子關係圖     …………………………114
(實驗條件:直紋試片-直紋模具(0度)-乾摩擦)
圖4-69表面粗糙度與摩擦因子關係圖     …………………………114
(實驗條件:直紋試片-直紋模具(90度)-乾摩擦)
圖4-70表面粗糙度與摩擦因子關係圖    …………………………115
(實驗條件:車削試片-車削模具-濕摩擦)
圖4-71表面粗糙度與摩擦因子關係圖    …………………………115
(實驗條件:直紋試片-車削模具-濕摩擦)

                                

參考文獻
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