鋁合金薄板片氣壓成形製程之成形性 與精準度研究

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劉衾瑋(Chin-Wei Liu) 查詢紙本館藏

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機械工程學系

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

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摘要(中)

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。

摘要(英)

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.

關鍵字(中)

★ 快塑成形
★ 金屬外殼
★ 鋁合金
★ 脫模機構設計
★ 尺寸公差

關鍵字(英)

★ quick plastic forming
★ aluminum alloy
★ metal shell
★ demoulding mechanism design
★ dimensional accuracy
★ tolerance

論文目次

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

參考文獻

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指導教授

李雄(Shyong Lee)

審核日期

2021-7-26

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