跳到主要內容

簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 劉衾瑋
Chin-Wei Liu
論文名稱： 鋁合金薄板片氣壓成形製程之成形性 與精準度研究
指導教授： 李雄
Shyong Lee
口試委員:
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2021
畢業學年度： 109
語文別： 中文
論文頁數： 137
中文關鍵詞： 快塑成形 、金屬外殼 、鋁合金 、脫模機構設計 、尺寸公差
外文關鍵詞： metal shell, demoulding mechanism design, dimensional accuracy
相關次數： 點閱：13  下載：0 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 目前在工業上超塑成形以氣壓成形法最普遍，近年由美國通用汽車公司(General Motors, GM)以超塑成形為基底而開發一種名為快塑成形的鈑片加工技術。本論文將快塑成形(Quick Plastic Forming, QPF)技術應用於製造金屬外殼，主要分為成形性與精準度的研究與探討。成形性研究採用了一般商用與超塑性的鋁合金鈑片進行實驗，藉由成形性測試、分析厚度與微觀結構觀察，來探討此製程是否具有製作金屬外殼的優勢，並評估適宜的材料。研究結果顯示在單次的氣壓成形製程中當成形時間在40秒以上時，模具的設計為影響鈑片能否完全成型的主要原因。綜合研究結果可推斷，透過減少模具中模厚度後，便可使用非超塑性5083板材來成形;並且進一步採用更薄之商用材料來達到降低成本的效果。
    在精準度研究中，首先改進量具在夾持工件的設計並確認工件量測數值，進而討論量具形式的量測可靠度與重現性，並再確保量測數值的可靠與穩定與否，再對已成形鈑片之尺寸公差與取出方式進行探討。因在成形性研究中所使用之捲曲造型金屬外殼模具，其具有製程時間過長與成品品質不穩定等因素。故於重新設計模具並增加脫模拉桿機構，希望有效改善製程效率與尺寸精度。讓氣壓成形製程更具有經濟效應與市場競爭力在金屬機殼的製造。研究結果顯示，使用機構取出方式能大幅降低製程時間與提升生產效率，間接降低模具溫度的散失。尺寸公差方面，統整三套模具所得到的尺寸量測數值，使用標準差計算出公差等級，得到氣壓成形製程為IT10到IT14，其IT公差範圍與CNC 切削和沖壓加工相近，說明此製程在金屬機殼製作上具備一定的商業價值。

    This thesis focuses on applies the Quick Plastic Forming (QPF) technology to the manufacture of metal shells, which is mainly divided into the research and discussion of formability and accuracy. The formability research uses commercial and superplastic aluminum alloy sheet for experiments. Formability testing observed thickness and microstructure, to explore whether this process has the advantages of making a metal shell, and to evaluate the material of the sheet. The research results show that the design of the mold is the reason that affects whether the sheet can be completely formed. Comprehensive research results can be inferred that when the thickness of the middle mold is reduced through the improved design of the mold, general commercial sheet materials can be used for forming.
    In the study of dimensional accuracy of QPF, first improve the design of the measuring tool and the dimensional tolerance and the extraction method of the work piece are discussed. Due to the shallow rounded die affect, the process time is weak and the quality of the finished product is unstable. Therefore, the die was redesigned and the demolding mechanism was added. The research results show that the proposed mechanism can significantly decrease the process time, because it replaces most of the operations of specimen movement after forming completely. In terms of dimensional tolerances, the standard deviation is used to calculate the tolerance level, and the tolerance level of the quick plastic forming process is IT10 to IT14. The IT tolerance range covers the scope of CNC cutting and stamping processing, indicating that this process has certain commercial value in the production of metal casings.

    摘 要 IV Abstract V 誌 謝 VI 目 錄 VII 一、 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 氣壓成形簡介 3 1-3 研究方向與目的 4 二、 理論基礎與文獻探討 7 2-1 超塑性成形概論 7 2-1-1 組織超塑性(Structural Superplasticity) 7 2-1-2 變態型超塑性(Transformation superplastic) 8 2-2 快塑成形概論 8 2-2-1 變形機制 9 2-2-2 流變應力 10 2-3 鋁合金 10 2-4 製程能力指標與製程管理 12 2-4-1 製程準確度Ca 之說明 12 2-4-2 製程精密度Cp之製程能力說明 13 2-4-3 製程能力指數Cpk之說明 14 2-5 公差等級簡介 15 2-5-1 國際公差等級ITG 16 2-5-2 公差等級應用與計算 17 三、 研究方法 18 3-1 成形實驗設備與板片材料 19 3-2 拉伸試驗 20 3-3 快速成形實驗 21 3-3-1 顯微組織觀察 21 3-4 脫模機構快塑成形實驗 21 3-4-1 無輔助機構之模具說明 22 3-4-2 脫模機構模具設計與分析 23 3-5 精準度實驗與輔助量具設計 25 3-5-1 輔助量具設計流程 25 3-5-2 尺寸量測方式 26 3-6 精準度量測 27 四、 結果與討論 30 4-1 拉伸試驗 30 4-2 快塑成形試驗 31 4-2-1 超塑性與非超塑性材料的比較 31 4-2-2 超塑性材料於不同時間下之快塑成形 31 4-2-3 改良後之快塑成形 32 4-2-4 成形厚度分析 33 4-2-5 成形微觀結構觀察 34 4-3 鈑片厚度1mm以下之快塑成形 34 4-3-1 成形厚度分析 36 4-3-2 成形微觀結構觀察 37 4-4 量測輔具測試結果 37 4-5 脫模機構模具成形試驗 39 4-5-1 製程參數優化 39 4-5-2 尺寸公差分析 42 4-5-3 脫模機構之製程效益分析 45 4-5-4 微觀結構觀察 46 五、 結論與建議 47 圖目錄 圖1 1超塑成形氣壓成形製程示意圖 56 圖1 2目標示意圖 56 圖2 1晶體轉動示意圖 57 圖2 2晶體移動示意圖 57 圖2 3流變應力與應變速率關係之示意圖 58 圖2 4鋁鎂相圖 58 圖2 5 Ca之優劣比較 59 圖2 6 Cp之優劣比較 59 圖2 7偏移 1.5 Sigma 59 圖2 8有無偏移 1.5 Sigma 與 ppm 之對照 60 圖2 9各種加工方式尺寸與公差關係 60 圖3 1實驗流程圖 61 圖3 2 拉伸試驗機 62 圖3 3 熱壓機 62 圖3 4 氣壓控制系統 63 圖3 5潤滑劑(左: T-50-66、右:氮化硼) 63 圖3 6分厘卡 63 圖3 7拉伸試片尺寸 64 圖3 8成形示意圖 64 圖3 9 模具示意圖 65 圖3 10 Mold1橫截面 65 圖3 11 Mold2橫截面 65 圖3 12長方形開口盒上模(左圖)與下模(右圖) 66 圖3 13長方形開口盒模形尺寸(上視圖) 66 圖3 14 捲曲造形模具組合圖 67 圖3 15 捲曲造形模具中模 67 圖3 16捲曲造形中、下模橫截面 67 圖3 17捲曲造形背蓋之成品外形尺寸 68 圖3 18模具 C 成品外形尺寸 68 圖3 19 脫膜機構作用步驟 69 圖3 20 模具C組合圖 69 圖3 21脫模機構之拉桿組合圖 70 圖3 22模具 C 下模記號點 70 圖3 23模具C氣密環設計位置示意圖 70 圖3 24三角階梯墊塊 71 圖3 25數位式游標卡尺 71 圖3 26第一版輔助夾具示意圖 71 圖3 27第二版輔助夾具示意圖 72 圖3 28設計量具流程 72 圖3 29三角階梯墊塊 72 圖3 30放置在三角階梯塊上 73 圖3 31第一版輔助夾具放置在方盒試片上方 73 圖3 32第一版輔助夾具量測方盒試片寬度 73 圖3 33第二版輔助夾具放置在方盒試片上方 74 圖3 34第二版輔助夾具量測方盒試片寬度 74 圖3 35第二版輔助夾具量測方盒試片長度 74 圖3 36模具A-C之量測治具示意圖 75 圖3 37樣品進行量測示意圖 75 圖3 38游標卡尺於量測時無固定之位置示意圖 76 圖3 39量測位置示意圖 76 圖4 1常溫拉伸應力應變圖 77 圖4 2高溫拉伸應力應變圖 77 圖4 3常溫拉伸試片結果 78 圖4 4高溫拉伸試片結果 78 圖4 5成形條件與結果 79 圖4 6應變模形 82 圖4 7預成形鈑片之成形過程示意圖 82 圖4 8成形鈑片橫截面厚度位置示意圖 82 圖4 9成形鈑片角隅厚度位置示意圖 83 圖 4 10成形鈑片橫截面厚度分布圖 83 圖4 11成形鈑片角隅厚度分布圖 83 圖4 12AA5083-O成形之金相顯微組織 84 圖4 13SP5083-O成形之金相顯微組織 84 圖4 14SP5083-H18成形之金相顯微組織 84 圖4 15鈑金厚度0.6mm 實驗參數(壓力-時間) 85 圖4 16鈑金厚度0.8mm 實驗參數(壓力-時間) 87 圖4 17鈑金厚度0.9mm 實驗參數(壓力-時間) 89 圖4 18厚度 0.8mm成形鈑片之横截面厚度分布圖 90 圖4 19厚度 0.8mm成形鈑片之角隅厚度分布圖 90 圖4 20厚度 0.6mm成形鈑片之横截面厚度分布圖 90 圖4 21厚度 0.6mm成形鈑片之角隅厚度分布圖 91 圖4 22厚度 0.9mm成形鈑片之横截面厚度分布圖 91 圖4 23厚度 0.9mm成形鈑片之角隅厚度分布圖 91 圖4 24 SPF5083與AA5083金相顯微組織 92 圖4 25三角階梯墊塊之量測偏移 92 圖4 26第一版輔助夾具之量測偏移 93 圖4 27第二版輔助夾具之雙卡勾定位設計 93 圖4 28試片 T15 成品正反面 94 圖4 29 T12 成品前視圖 94 圖4 30試片 T12 成品正反面 94 圖4 31試片 T6 成品正反面 95 圖4 32試片 T8 成品正反面 95 圖4 33試片 T9 成品正反面 95 圖4 34試片 T10 成品正反面 96 圖4 35試片 T20 成形條件 96 圖4 36試片 T4 成形條件 96 圖4 37試片 T1與T2成形條件 96 圖4 38試片 T19 成形條件 96 圖4 39試片 T18 成形條件 97 圖4 40試片 17 成形條件 97 圖4 41模具 B 成品前視圖 97 圖4 42模具 B 成品側視圖 97 圖4 43不同材質寬邊比較 98 圖4 44在脫膜機構試片短邊橫截面上微結構取樣位置 98 圖4 45 AA5052與AA5083金相顯微組織 99 表目錄 表2 1超塑成形與快塑成形之差異比較表 100 表2 2化學成份表(wt%) 100 表2 3 Ca評估等級表 101 表2 4 Cp評估等級表 101 表2 5 Cpk評估等級表 101 表2 6 Sigma , DPMO, Yield Rate 和 Cpk 對照表 102 表2 7標稱尺寸的標準公差 102 表2 8標稱尺寸對應的標準公差 103 表2 9不同加工製程的國際公差等級 103 表3 1 SP5083系列鈑材之機械強度數值 104 表3 2模具代號說明 104 表4 1快速成形之實驗參數及結果 105 表4 2 鈑片厚度0.8mm之實驗參數 106 表4 3 鈑片厚度0.6mm之實驗參數 106 表4 4鈑片厚度0.9mm之實驗參數 106 表4 5鈑片厚度0.8mm尺寸量測 107 表4 6鈑片厚度0.6mm尺寸量測 107 表4 7鈑片厚度0.9mm尺寸量測 107 表4 8三角階梯墊塊量測數據 108 表4 9三角階梯墊塊之製程能力指數 108 表4 10第一版輔助夾具量測數據 109 表4 11第一版輔助夾具之製程能力指數 109 表4 12第二版輔助夾具之量測數據 110 表4 13第二版輔助夾具之製程能力指數 110 表4 14三種量測治具之(前)製程能力指數比較 111 表4 15三種量測治具之(中)製程能力指數比較 111 表4 16三種量測治具之(後)製程能力指數比較 111 表4 17 A1 與 A3 兩種量測治具之長度製程能力指數 112 表4 18製程實驗參數總表 113 表4 19有無潤滑劑分析 114 表4 20夾持力分析 114 表4 21模具溫度分析 114 表4 22預熱時間分析 115 表4 23成形條件分析 115 表4 24尺寸精度分析群組 115 表4 25群組(1)尺寸分析 116 表4 26群組(2)尺寸分析 116 表4 27群組(3)尺寸分析 116 表4 28群組(4)尺寸分析 117 表4 29 QPF 製程尺寸分析 117 表4 30切削加工長度與沖壓加工之一般容許公差[31] 117 表4 31 QPF 與其他加工製程公差等級比較 118 表4 32製程效益與時間分析 119

    [1] O.D. Sherby and J. Wadsworth, “Observations on historical and contemporary developments in superplasticity”, Mater Res Soc Symp Proc, Vol 196, pp.3-14, Materials Research Society, 1990.
    [2] CE Pearson, “The viscous properties of extruded eutectic alloys of lead-tin and bismuth-tin”, J Inst Met, Vol 54, pp.111-124, 1934.
    [3] EE Underwood, “A review of superplasticity”, J Metals, Vol 14, pp. 914-919, 1962.
    [4] WA Backofen, IR Turner and DH Avery, “Superplasticity in an Al-Zn alloy”, ASM Trans Quart, Vol 57, pp.980-990, 1964.
    [5] D.G. Sanders, “The Current State-of-the Art and the Future of in Airframe manufacturing using Superplastic Forming Technology”, Materials Science Forum, Vol 357-359, p.17-22, 2001.
    [6] L.D. Hefti, “Commercial Airplane Applications of Superplastically Formed AA5083 Aluminum Sheet”, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol 16, pp.136-141, 2007.
    [7] P. E. Krajewski and J. G. Schroth, “Overview of Quick Plastic Forming Technology”, Materials Science Forum, Vol 551-552, pp.3-12, 2007.
    [8] JG Schroth, HM Brueggeman and NP Grewal, “Quick plastically formed aluminum doors”, J Mater Eng Perform, Vol 16, pp.339-348, 2007.
    [9] M.H. Shojaeefard, A. Khalkhali and E. Miandoabchi, “Effect of process parameters on superplastic forming of a license plate pocket panel”, Int J Adv Des Manuf Technol, Vol 7, pp.25-33, 2014.
    [10] S Lee, YH Chen and JY Wang, ” Isothermal sheet formability of Mg alloy AZ31 and AZ61”, J Mater Process Technol, Vol 124, pp.19-24, 2002.
    [11] Z. Zeng, Y. Zhang, Y. Zhou, and Q. Jin, ” Superplastic Forming of Aluminum Alloy Car Body Panels”, Materials Science Forum, Vol 475-479, pp. 3025-3028, 2005.
    [12] Y. Luo, S.G. Luckey, W.B. Copple, and P.A. Friedman, “Comparison of Advanced SPF Die Technologies in the Forming of a Production Panel”, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol 17, pp.142-152, 2008.
    [13] Furukawa-Sky Aluminum Corp, “Superplastic 5083 Aluminum alloy Sheet ‘‘ALNOVI-1’’ was Approved by Airbus”, Furukawa Rev., Vol 26, pp.60-61, 2004.
    [14] H. Raman, G. Luckey, G. Kridli, and P. Friedman, “Development of Accurate Constitutive Models for Simulation of Superplastic Forming”, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol 16, pp.284-292, 2007.
    [15] A.K. Ghosh and C.H. Hamilton, “Superplastic Forming and Diffusion Bonding”, SPF/DB workshop Taipei, pp.205-213, 1990.
    [16] C.H. Hamilton, “NATO/AGARD Lecture Series”, No.168, Superplasticity, Chap2, 1989.
    [17] F. Yang & W. Yang, “Kinetics and size effect of grain rotations in nanocrystals with rounded triple junctions”, Scripta Materialia, Vol 61, pp. 919-922, 2009.
    [18] C.M. Hu, C.M. Lai, P.W. Kao, N.J. Ho and J.C. Huang, “Quantitative measurements of small scaled grain sliding in ultra-fine grained Al–Zn alloys produced by friction stir processing”, Materials Characterization, Vol 61, pp.1043-1053, 2010.
    [19] J.W. Edington, K.N. Melton and C.P. Cutler, “Superplasticity”, Progress In Mat Sci., Vol.21, No2, pp.61, 1976.
    [20] C.H Hamilton, A.K Ghosh and J.A. Wert, “Metals Form”, Vol 8, No.4, pp.172-190, 1985.
    [21] O.A. Kaibyshev, A.I. Pshenichniuk and V.V. Astanin, “Superplastic resulting from cooperative grain boundary sliding”, Acta mater., Vol 46, No. 14, pp.491,1998.
    [22] J Carpenter and M. T. Smith, “Quick Plastic Forming of Aluminum Sheet Metal”, December, 2005, EERE Information Center, U.S. Department of Energy, www.eere.energy.gov
    [23] P. E. Krajewski and J. G. Schroth, “Superplastic Forming of Advanced Metallic Materials”, Methods and Applications, Woodhead Publishing Limited., 2011.
    [24] M.A. Kulas, P.E. Krajewski, J.R. Bradley, E.M. Taleff, “Forming Limit Diagrams for AA5083 under SPF and QPF Conditions”, Materials Science Forum, Vol. 551-552, pp.129-134, 2007.
    [25] 孫稟厚, “鎂合金 AZ31 細晶薄板片拉伸性質與氣壓成形特性研究”, 國立中央大學, 博士論文, 民國100.
    [26] A. K. Mukherjee and R. S. Mishra, “Superplasticity”, Encyclopedia of Materials: Science and Technology (Second Edition), pp.8977-8981, 2001.
    [27] F. Ozturk, S. Toros, S. Kilic, “Evaluation of tensile properties of 5052 type aluminum-magnesium alloy at warm temperatures”, Archives of Materials Science and Engineering, Vol 34, pp.95-98, 2008.
    [28] S. Vetrano, C.A. Lavender, C.H. Hamilton, M.T. Smith and S.M. Bruemmer, “SUPERPLASTIC BEHAVIOR IN A COMMERCIAL 5083 ALUMINUM ALLOY”, Scripta Metallurgica et Materialia, Vol 30, pp.565-570, 1994.
    [29] D. R. Askeland, P.P. Fulay, W.J. Wright, “The Science and Engineering of Materials, 6e”, Cengage Learning, 2011.
    [30] R.E. Sanders, “Technology Innovation in Aluminium Products”, The Journal of The Minerals, Vol 53, No.2, pp.21-25, 2001.
    [31] P. T. Summers, Y. Chen, C. M. Rippe, B. Allen, A. P. Mouritz, S. W. Case, B. Y. Lattimer, “Overview of aluminum alloy mechanical properties during and after fires”, Fire Science Reviews, 2015.
    [32] 張暘青, “民航客機機翼前緣整流罩之超塑成形材料研究”, 國立中央大學, 碩士論文, 民國100年.
    [33] 毛國芳, “品質管制利器--製程能力指標(Cpk)” ,台肥季刊第五十四卷第 1 期,中華民國 102 年.
    [34] 鄭春生, “品質管理現代觀念與實務應用”, 五版, 全華圖書, 台北, 2018年.
    [35] Erik Oberg, Franklin D. Jones, Holbrook L. Horton, and Henry H.Ryffel, “Machinery’s Handbook 26’th Edition”, Industrial Press, Inc., 2000.
    [36] Geometrical product specifications, “ISO code system for tolerances on linear sizes Part 1: Basis of tolerances”, deviations and fits (ISO 286-1:2010)
    [37] S. Kalpakjian, S. Schmid “Manufacturing Engineering and Technology”, Seventh Edition, Pearson, USA, 2013
    [38] T. Lieneke, V. Denzera, G. A. O. Adama and D. Zimmera, “Dimensional tolerances for additive manufacturing:Experimental investigation for Fused Deposition Modeling”, CIRP, Vol 43, pp.286-291, 2016.
    [39] K. Kitsakis, J. Kechagias1, N. Vaxevanidis and D.Giagkopoulos, “Tolerance Analysis of 3d-MJM parts according to IT grade”,20th IManEE, Vol 161, 2016.
    [40] M.N. Islam, B. Boswell & A. Pramanik, “Dimensional Accuracy Achievable by Three-Dimensional Printing”, IAENG Transactions on Engineering Sciences, In: Sio-Iong Ao, Alan Hoi-Shou Chan, Hideki Katagiri, Li Xu (ed.) IAENG Trans Eng Sci. London: Taylor & Francis, 2013.
    [41]小栗富士雄、小栗達男,”標準機械設計圖表便覽”, 第五版,眾文圖書，2013。

    QR CODE
    :::