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研究生： 黃彬碩
Bin-Shoul Huang
論文名稱： 超音波振動方式輔助等通道彎角擠製之研究
指導教授： 葉維磬
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
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 116
中文關鍵詞： 等通道彎角擠製 、超音波
外文關鍵詞： ECAE, Ultrasonic
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    • 本文為探討超音波振動方式輔助等通道彎角擠製(ECAE)對試片成型力與機械性質之影響，為了達到研究目標，參考Christopher[30]及島川政憲[31]之書籍和使用有限元素軟體輔助設計橫向超音波系統，本文設計之超音波振動加載方式分為軸向超音波、橫向超音波和同時進行軸向超音波與橫向超音波，探討不同超音波加載方式，對試片經過ECAE後的成型力、硬度和表面粗糙度之研究。
    研究成果顯示，施加超音波輔助ECAE，不管是使用軸向或橫向或軸向加橫向的超音波加載，皆能在成型力、硬度和表面粗糙度上獲得良好的改善。

    This study investigates how the forming force and mechanical property of specimen are influenced by equal channel angular extrusion(ECAE) that applied with the different ultrasonic ways. To complete the research, the reference are taken from Christopher[30] and Simakawa Masanori[31] in order to design the lateral ultrasonic system; moreover, the finite element method have also been used in the design.
    This study present the design of ultrasonic system applies in axial direction, lateral direction, and the combination of both directions. As when different ultrasonic directions are added via ECAE, the changes of forming force、hardness、and surface roughness of specimen will also be discussed below.
    However, the result shows that ultrasonic assists on ECAE obtain a great improvement on forming force、hardness、surface roughness.

    目錄 頁碼 摘要 i Abstract ii 致謝 iii 目錄 iv 表目錄 viii 圖目錄 x 第一章 諸論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 文獻回顧 3 第二章 基本理論 12 2.1 等通道彎角擠製(ECAE)製程介紹與原理 12 2.1.1 ECAE製程介紹 12 2.1.2 ECAE原理 12 2.1.3 晶粒細化原理 15 2.2 超音波加工原理 16 2.2.1 超音波基本理論 16 2.2.2 超音波降低界面摩擦應力之機制 16 第三章 超音波振動實驗設備與製造 23 3.1 實驗設備 23 3.1.1 100噸油壓機 23 3.1.2 資料擷取系統 23 3.1.3 Load Cell測力計 23 3.1.4 PDS 雷射位移計 24 3.1.5 金相試驗切割機 24 3.1.6 拋光研磨機 24 3.1.7 表面粗糙度計 24 3.1.8 維式Vickers硬度機 24 3.2 等通道彎角擠製模具設計 25 3.2.1 ECAE母模 25 3.2.2 橫向圓環夾具結構與設計 25 3.3 超音波振動系統設計 25 3.3.1 超音波系統夾持 26 3.3.2 超音波頻率產生器 27 3.3.3 振動子(換能器) 28 3.3.4 變幅桿(放大器) 29 3.3.5 超音波沖頭 30 3.3.6 橫向夾持圓環 31 3.3.7 超音波振幅量測 31 3.4 實驗方法 32 3.4.1 試片製作 32 3.4.2 實驗條件 32 3.4.3 實驗步驟 33 3.5 實驗量測 34 3.5.1 維氏Vikers硬度量測 34 3.5.2 表面粗糙度量測 35 第四章 實驗結果與討論 61 4.1 超音波振動施加於ECAE對成型力之探討 61 4.1.1 施加軸向振幅對材料經過ECAE後之探討 61 4.1.2 施加橫向振幅對材料經過ECAE後之探討 61 4.1.3 施加軸向和橫向振幅對材料經過ECAE後之探討 62 4.1.4 成型力彙整 62 4.2 超音波振動施加於ECAE對硬度之探討 63 4.2.1 施加軸向振幅對材料經過ECAE後硬度之探討 63 4.2.2 施加橫向振福對材料經過ECAE後硬度之探討 63 4.2.3 施加軸向和橫向振幅對材料經過ECAE後硬度之探討 64 4.2.4 施加超音波對硬度均勻度之探討 64 4.2.5 硬度彙整 65 4.2.6 硬度均勻性彙整 66 4.3 超音波振動施加於ECAE對表面粗糙度之探討 66 4.3.1 一般傳統ECAE擠製後之表面粗糙度 66 4.3.2 施加軸向振幅對材料經過ECAE後表面粗糙度之探討 67 4.3.3 施加橫向振幅對材料經過ECAE後表面粗糙度之探討 67 4.3.4 施加軸向和橫向振幅對材料經過ECAE後表面粗糙度之探討 68 4.3.5 施加超音波振動對表面粗糙均勻度之探討 69 4.3.6 表面粗糙度彙整 70 4.3.7 表面粗糙均勻性彙整 70 第五章 結論 94 參考文獻 96 表目錄 表3-1 超音波軸向沖頭振幅值 36 表3-2 超音波橫向外圓弧角振幅值 36 表3-3 Al 1050-O材料成分表 36 表3-4 軸向與橫向超音波振幅參數 36 表3-5 實驗組數 37 表4-1 成型力彙整 71 表4-2 原始試片硬度(HV) 71 表4-3 未施加超音波之試片硬度(HV) 72 表4-4 軸向振幅4.9 µm之試片硬度(HV) 72 表4-5 軸向振幅9.6 µm之試片硬度(HV) 73 表4-6 橫向振幅0.45 µm之試片硬度(HV) 73 表4-7 橫向振幅1.87 µm之試片硬度(HV) 74 表4-8 軸向4.9 µm+橫向0.45 µm之試片硬度(HV) 74 表4-9 軸向4.9 µm+橫向1.87 µm之試片硬度(HV) 75 表4-10 軸向9.6 µm+橫向0.45 µm之試片硬度(HV) 75 表4-11 軸向9.6 µm+橫向1.87 µm之試片硬度(HV) 76 表4-12 施加超音波之硬度之C.V.值，A表示為(Axial)，L表示為(Lateral) 76 表4-13 硬度彙整 77 表4-14 硬度均勻性彙整 77 表4-15 一般傳統ECAE加工後表面粗糙度(單位µm) 78 表4-16 施加軸向超音波輔助ECAE加工後表面粗糙度(單位µm) 78 表4-17 施加橫向超音波輔助ECAE加工後表面粗糙度(單位µm) 79 表4-18 (a) 施加軸向和橫向超音波輔助ECAE加工後表面粗糙度(單位µm)，A表示為軸向振幅(Axial)，L表示為橫向振幅(Lateral) 79 表4-18 (b) 施加軸向振幅和橫向振幅、軸向振幅、橫向振幅比較 80 表4-19 施加超音波之表面粗糙度之C.V.值，A表示為(Axial)，L表示為(Lateral) 80 表4-20 表面粗糙度彙整 81 表4-21 表面粗糙均勻性彙整 81 圖目錄 圖1-1 ECAE模具參數彎道角度 、外圓弧角度 10 圖1-2 擠製方位示意圖 10 圖1-3 不同的振動方位下，探討摩擦力的縮減率(T為振動產生器，R為壓力，V為圓盤轉速) 11 圖2-1 ECAE製程圖 19 圖2-2 ECAE剪應變示意圖(a) = 0 (b) 0 < < - 19 圖2-3 不同的通道夾角 及外側圓角 組合所應對的等效應變 20 圖2-4 超音波下料加工示意圖 20 圖2-5 (a) 沖頭位移與超音波振動位移關係圖(每單位周期) (b) 沖頭速度與超音波振動速度關係圖(每單位周期) 21 圖2-6 (a) 上塊材由下塊材支撐並向右滑動，下塊材沿著平行上塊材滑動之方向來回振動 (b) 振動速度的變化與相對應之摩擦力方向變化 22 圖3-1 100噸油壓機 38 圖3-2 資料擷取盒 38 圖3-3 Type Q50 Pancake Load Cell 39 圖3-4 PDS 雷射位移計 39 圖3-5 金相試驗切割機 40 圖3-6 拋光研磨機 40 圖3-7 表面粗糙度計 41 圖3-8 維氏Vickers硬度機 41 圖3-9 ECAE母模 42 圖3-10 橫向超音波系統組合圖 43 圖3-11 變幅桿 44 圖3-12 橫向夾持圓環(左半邊) 45 圖3-13 橫向夾持圓環(右半邊) 46 圖3-14 支撐架 47 圖3-15 背夾板 48 圖3-16 軸向超音波振動系統示意圖 49 圖3-17 橫向超音波振動系統示意圖 49 圖3-18 橫向超音波振動系統實體圖 50 圖3-19 軸向超音波振動系統和橫向超音波振動系統結構實體圖 51 圖3-20 超音波產生器(型號KWD 2020) 52 圖3-21 振動子(換能器) 52 圖3-22 常用的變幅桿設計形狀 53 圖3-23 變幅桿有限元素分析，振動模態向量圖 54 圖3-24 變幅桿有限元素分析，振動應力分布圖 54 圖3-25 超音波沖頭有限元素分析，振動模態向量圖 55 圖3-26 超音波沖頭有限元素分析，振動應力分布圖 55 圖3-27 橫向夾持圓環，振動模態向量圖 56 圖3-28 橫向夾持圓環，振動應力分布圖 56 圖3-29 衝程定義圖 57 圖3-30 實驗流程圖 57 圖3-31 試片截面切斷處 58 圖3-32 截面硬度量測 59 圖3-33 表面粗糙度量測示意圖 60 圖4-1 傳統ECAE加工之成型力 82 圖4-2 施加軸向振幅4.9 µm之成型力 82 圖4-3 施加軸向振幅9.6 µm之成型力 83 圖4-4 施加軸向振幅4.9 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 83 圖4-5 施加軸向振幅9.6 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 84 圖4-6 施加橫向振幅0.45 µm之成型力 84 圖4-7 施加橫向振幅1.87 µm之成型力 85 圖4-8 施加橫向振幅0.45 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 85 圖4-9 施加橫向振幅1.87 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 86 圖4-10 同時施加軸向振幅4.9 µm和橫向振幅0.45 µm之成型力 86 圖4-11 同時施加軸向振幅4.9 µm和橫向振幅1.87 µm之成型力 87 圖4-12 同時施加軸向振幅9.6 µm和橫向振幅1.87 µm之成型力 87 圖4-13 同時施加軸向振幅9.6 µm和橫向振幅0.45 µm之成型力 88 圖4-14 同時施加軸向振幅4.9 µm和橫向振幅0.45 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 88 圖4-15 同時施加軸向振幅4.9 µm和橫向振幅1.87 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 89 圖4-16 同時施加軸向振幅9.6 µm和橫向振幅0.45 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 89 圖4-17 同時施加軸向振幅9.6 µm和橫向振幅1.87 µm與傳統ECAE加工之成型力比較 90 圖4-18 試片表面粗糙度(a)原始材料 (b)未施加超音波 (c)施加超音波(光學顯微鏡) 91 圖4-19 施加軸向振幅與一般傳統加工整體平均粗糙度比較(單位 µm)，A表示軸向振幅(Axial) 92 圖4-20 施加橫向振幅與一般傳統加工整體平均粗糙度比較(單位 µm)，L表示軸向振幅(Lateral) 92 圖4-21 施加軸向和橫向振幅與一般傳統加工整體平均粗糙度比較(單位 µm)，A表示軸向振幅(Axial)，L表示軸向振幅(Lateral) 93

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