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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林文樹
研究生(外文):Wen-Shush Lin
論文名稱:AZ91D壓鑄鎂合金之熱間鍛造性及手機外殼混合成形之應用研究
論文名稱(外文):Study on the Hot Forgability for AZ91D Magnesium Die Casting Alloy and Hybrid Forming Process for Shell Frame of Cellular Phone
指導教授:黃文星黃文星引用關係
指導教授(外文):Weng-Sing Hwang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:材料科學及工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:130
中文關鍵詞:鍛造鑄造混合成形壓鑄
外文關鍵詞:forgingcastingdie castinghybrid forming
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本研究主要探討AZ91D壓鑄鎂合金在壓鑄薄片狀態下,其熱間鍛造性質。並由鍛造性研究過程中所獲得鍛造參數,利用DEFORM鍛造模擬軟體,來模擬手機外殼完成鍛胚(Finisher)的最佳預成形壓鑄件外殼外形及厚度。最後依模擬結果所得預成形壓鑄胚料,實際進行壓鑄模及熱間鍛造模之設計製作及實際壓鑄鍛造實驗,結果由完成鍛件表面觀之,證實AZ91D壓鑄薄板件在熱間300℃∼400℃鍛造流動性很好。
AZ9AD壓鑄鎂合金熱間鍛造性研究方面為:
在0.3m/s、0.5m/s、0.7m/s等不同壓鑄、速度條件下,AZ91D不同階梯厚度之壓鑄試片各不同厚度(15mm、10mm、5mm)部位之總平均密度隨壓鑄試片厚度增加而降低,而不同厚度之孔隙率則隨壓鑄試片厚度增加而增加。不同階梯厚度之壓鑄試片,於不同壓鑄速度下,相同厚度之密度變化隨壓鑄速度增加而增加。利用650T肘節壓床鍛造,鍛模預熱溫在200℃情況下,鎂合金壓鑄試片加熱到300℃再進行鍛造,可以大幅增加壓縮率,其最大壓縮率可達60%以上,而其密度亦可達到1.81g/cm3之理論密度。
手機外殼鍛件之預成形壓鑄胚模擬方面為:
利用300℃鍛造下,由不同厚度(15mm、10mm、5mm)之密度與壓縮率趨勢,並利用外插法,可求得2mm(外插),1.2mm(外插)之壓縮率與密度之關係值,由此值以做為DEFORM模擬時所需的下料尺寸厚度之參數。由成形品之實體圖形,經橫斷面之體積分配,預估預成形品之形狀設計,而由此預成形品設計可經由DEFORM模擬最佳狀況並做局部修正,最後可得到鍛造成形件之壓鑄預成形鑄件,此即為鍛造之預成形鑄胚。
手機外殼之壓鑄鍛造實體成形試驗方面為:
預成形鑄胚密度為1.778g/cm3,先披覆一層水性石墨,胚料之爐體加熱溫度400℃,保溫約20分,利用1600T之由柄式鍛造壓床(crank press)進行手機外殼鍛造,上/下模溫度控約(200℃〜300℃)及成形負荷約為700噸左右,完成鍛件毛胚密度為1.8079g/cm3,其外觀表面甚為光滑且平坦。
This study aims to investigate the hot forging behaviors of the slabs AZ91D magnesium alloy, fabricated by die casting process. Through forging package DEFORM, the parameters obtained from this experiment are used to simulate the shell frame and thickness of optimum die casting in the shell frame of cellular phone after the completion of finisher. To verify the results got from simulation, the solid hybrid die casting (preformer part of shell frame) and hot die forging (finisher part of shell frame) process are proceeded. The finisher surface roughness for the shell frame of cellular phone shows much better than fabricated by die casting method.
The Hot Forging Behaviors For The AZ91D Die Cast Magnesium Alloy:
Three kinds of thickness are manufactured by hot chamber die cast method and are used as blanking of hot upsetting test. When the material AZ91D is at the different die casting velocities (0.3m/s, 0.5m/s, 0.7m/s), the average density for the stepped thickness of test pieces (15mm, 10mm, 5mm) decreases along with the increase of thickness. It means the porosity percentage for die casting increases along with the increase of thickness for the same stepped test piece at the same die casting velocity. It also shows that the same thickness for the different stepped thickness test pieces, the density increases as soon as the die cast velocity increases. In the experiment of hot upsetting behaviors for the hybrid die cast and forging process, the forging machine capacity used in this test is 650T knuckle joint press. When the forging temperature is up to 300℃, the forge ability increases rapidly, meanwhile the density can be 1.81g/cm³, the theoretical density of AZ91D, upon hot upsetting ratio reaching 60%.
The Simulation On The Die Cast Rougher For The Finisher in the Forging Shell Frame Of Cellular Phone:
Under the condition of hot die forging temperature at 300℃, the relationship between density and hot upsetting ratio for the initial thickness (2mm, 1.2mm) of preformer can be obtained by the extrapolation method through the trend between density and hot upsetting ratio at different thickness (15mm,10mm,5mm ). The relationship can be used as parameters of blanking material thickness required by DEFORM simulation. The profile of the preformer can be estimated from the volume distribution of the cross section of the forging finisher. The best preformer design for forging finisher can be obtained by means of the simulation and modifying the parameter data.
Experiment On The Shell Frame Of Cellular Phone Manufactured By The Hybrid Die Cast And Hot Die Forging:
In the hybrid die casting and hot die forging processes, the performer density is measured at 1.778 g/cm³, the performer is lubricated with aqueous graphite solution and the heating temperature of furnace and heating time is set at 400℃ for 20 minutes, the forging on shell frame of cellular phone is conducted by 1600T crank press. Besides the forging die temperature for the upper die/lower die is preheating about 200℃/300℃, while the forging load required is measured about 700T by load cell. The density of finished shell frame is 1.8079g/cm³ with smooth and flat surface. In addition, the cavity filling is much better than that formed by hot chamber die casting method.
中文摘要………………………………………………………………………i
英文摘要………………………………………………………………………ii
目錄…………………………………………………………………………v
表目錄…………………………………………………………………………vii
圖目錄…………………………………………………………………………ix

第一章 緒論……………………………………………………………….1
1-1 研究背景………………………………………………………………1
1-1-1 鎂合金產業回顧…………………………………………………1
1-1-2 鎂合金應用領域…………………………………………………3
1-2 文獻回顧………………………………………………………………4
1-2-1 鎂及鎂合金特性…………………………………………………4
1-2-2 AZ91D壓鑄鍛造探討……………………………………………10
1-2-3 鑄鍛複合製程…………………………………………………13
1-3 研究目的與內容……………………………………………………16
第二章 鎂合金壓鑄、鍛造理論與DEFORM模擬……………………………34
2-1 鎂合金壓鑄製程與射出條件………………………………………34
2-1-1 鎂合金之熔解製程……………………………………………34
2-1-2 鎂合金壓鑄之射出條件………………………………………35
2-2 鍛造成形理論………………………………………………………37
2-2-1 材料溫度對鍛造成形性之關係………………………………39
2-2-2 鍛造分類及其鍛造製程系統範圍……………………………41
2-3 DEFORM鍛造模擬理論………………………………………………42
第三章 AZ91D梯階鑄件之熱間鍛造、手機外殼模擬及其預成形壓鑄胚之熱間成形…………………………………………………………..55
3-1 AZ91D梯階厚度試片其壓鑄模具設計及壓鑄試驗…………………55
3-2 鎂合金試片的切割..………………………………………………60
3-3 鎂合金壓鑄試片的鍛造試驗………………………………………61
3-4 手機外殼鎂合金鍛件之DEFORM鍛造模擬、壓鑄粗胚設計方案及實體鍛造…………..…………………………………………………62
3-4-1 DEFORM模擬……………………………………………………63
3-4-2 推算鍛件厚度之孔隙率及縮水率……………………………65
3-4-3 鍛造模擬預成形粗鍛胚之定位問題…………………………67
3-4-4 由完成鍛件推估預成形粗鍛胚之尺寸………………………67
3-4-5 手機外殼實體鍛造之鍛模示意圖…………………………….67
第四章 實驗結果與討論……………………………………………………82
4-1 AZ91D不同厚度壓鑄試片設計及壓鑄試驗結果……………………82
4-2 AZ91D壓鑄試片不同壓鑄速度與不同厚度之關係…………………82
4-3 AZ91D不同壓鑄試片厚度之熱間鍛造性……………………………83
4-4 DEFORM模擬試鍛結果與修正……………………………………….85
4-5 手機外殼之壓鑄鍛造實體成形試驗………………………………87
第五章 結論………………………………………………………………118
第六章 未來研究方向……………………………………………………120
參考文獻……………………………………………………………………126
附件A 鎂合金鑄鍛試驗鑄件模具圖組……………………………...121
附件B 鎂合金壓鑄試片之鍛造模具圖組………………..…………...122

表 目 錄
表1-1 台灣鎂合金鑄造設備概況..…………………………………….…17
表1-2 汽車中的鎂合金零件………….…………………………………..19
表1-3 鎂合金優點之應用實例…..……………………………………….20
表1-4 Mg金屬之物理特性(與Al、Fe之比較)……………………………21
表1-5 各種金屬之標準電極單位………………………………………….22
表1-6 壓鑄鎂合金化學組成(壓鑄零件的規格)………………………….23
表1-7 壓鑄鎂合金的機械性質與物理性質……………………………….24
表2-1 鎂合金熔解溫度與保護氣體成份關係…………………………….48
表2-2 液態鎂與氧或氧化物之放熱反應………………………………….48
表2-3 各種金屬的再結晶溫度…………………………………………….48
表2-4 鍛造之分類………………………………………………………….49
表2-5 鍛造製程系統之重點參數………………………………………….50
表2-6 可用於鍛造製程且已商業化之電腦模擬軟體…………………….51
表3-1 鎂合金不同厚度試片之壓鑄條件………………………………….68
表3-2 AZ91D材料參數…………………………………………………….69
表3-3 鍛造模具參數……………………………………………………….70
表3-4 鍛機參數…………………………………………………………….70
表3-5 鍛造製程參數……………………………………………………….70
表3-6 AZ91D壓鑄試片於300℃下,不同厚度(15mm、10mm、5mm)之不同壓鑄速度(A、B、C)其密度與壓縮率實測值…………………………71
表3-7 AZ91D壓鑄試片於300℃下,不同厚度之密度與壓縮率趨勢(實驗+外插法)……………………………………………………………72
表4-1 AZ91D壓鑄條件0.3 M╱S下,不同厚度之密度量測值……………88
表4-2 AZ91D壓鑄條件0.5 M╱S下,不同厚度之密度量測值……………89
表4-3 AZ91D壓鑄條件0.7 M╱S下,不同厚度之密度量測值…………..90
表4-4 AZ91D Sample A壓鑄速度0.3 M╱S(15mm、10mm、5mm三種厚度)壓縮率、密度計測值……………………………………………….91
表4-5 AZ91D Sample B壓鑄速度0.5 M╱S(15mm、10mm、5mm三種厚度)壓縮率與密度計測值………………………………………………92
表4-6 AZ91D Sample C壓鑄速度0.7 M╱S(15mm、10mm、5mm三種厚度)壓縮率與密度計測值………………………………………..…….93
表4-7 AZ91D 厚度15mm之壓縮率與密度計測值…………………………94
表4-8 AZ91D 厚度10mm之壓縮率與密度計測值…………………………95
表4-9 AZ91D 厚度5mm之壓縮率與密度計測值………………………….96
表4-10 鎂合金手機壓鑄複合試鍛紀錄(完成鍛)…………………………97
表4-11 手機外殼壓鑄預成形胚及完成鍛胚之密度………………………98
表5-1 鎂合金各種成形法之分析比較……………………………………119

圖 目 錄
圖1-1 1991∼2001年對鎂壓鑄件的需求……………………………….25
圖1-2 北美每輛車平均用鎂量……………………….………………….25
圖1-3 北美不同的車型平均用鎂量…………….……………………….25
圖1-4 鎂合金結構件與非結構件之應用領域…….…………………….26
圖1-5 鎂合金應用於不同產業領域…………….……………………….27
圖1-6 各種金屬之減衰係數及強度之關係…….……………………….28
圖1-7 鎂合金壓鑄之熔化範圍和曲型的鑄造溫度………………………29
圖1-8 迷你CD隨身聽外殼之鎂合金鍛造例…………………………….29
圖1-9 自行車曲柄軸之鑄、鍛整合詳細製程…………………………..30
圖1-10 壓鑄鎂合金之機械與物理特性……………………………………31
圖2-1 金屬之再結晶與硬度之關係示意圖……………………………….52
圖2-2 鍛造系統參數示意圖……………………………………………….52
圖2-3 DEFORM模擬解析軟體系統架構與功能……………………………53
圖2-4 鍛造模擬解析應用與傳統設計流程比較………………………….53
圖2-5 有限元素之基本概念……………………………………………….54
圖2-6 自動網格重新佈建功能…………………………………………….54
圖3-1 鎂合金熱式壓鑄機………………………………………………….73
圖3-2 鎂合金鑄件不同厚度試片之3D立體圖…………………………..74
圖3-3 AZ91D壓鑄試片不同厚度詳細(註:鑄件導圓角皆為0.5mm、拔模角2°)尺寸…………………………………………………………75
圖3-4 650T鍛造試驗機……………………………………………………76

圖3-5 DEFORM 3D模擬設計構想示意流程…………………………….77
圖3-6 AZ91D壓鑄試片之三厚度(15mm、10mm、5mm)於300℃鍛造下,試片密度—壓縮率關係………………………………………………78
圖3-7 AZ91D壓鑄試片15mm厚度於300℃鍛造下,試片密度—壓縮率趨勢方程式…………………………………………………………78
圖3-8 AZ91D壓鑄試片10mm厚度於300℃鍛造下,試片密度—壓縮率趨勢方程式……………………………………………………………79
圖3-9 AZ91D壓鑄試片5mm厚度於300℃鍛造下,試片密度—壓縮率趨勢方程式………………………………………………………………79
圖3-10 AZ91D壓鑄試片2mm厚度於300℃鍛造下,以外差法計算試片密度—壓縮率趨勢…….……………………………………………80
圖3-11 AZ91D壓鑄試片1.2mm厚度於300℃鍛造下,以外差法計算試片密度—壓縮率趨勢…….…………………………………………80
圖3-12 手機外殼鍛品經模擬後之上下鍛模示意圖………………………81
圖4-1 不同厚度梯階壓鑄試片外觀……………………………………….99
圖4-2 AZ91D於壓鑄條件0.3 M╱S下,不同厚度與密度之關係………100
圖4-3 AZ91D於壓鑄條件0.5 M╱S下,不同厚度與密度之關係………100
圖4-4 AZ91D於壓鑄條件0.7 M╱S下,不同厚度與密度之關係……….101
圖4-5 AZ91D於壓鑄條件下,0.3 M╱S、0.5 M╱S、0.7 M╱S下,不同厚度之密度比較………….………………………………………101
圖4-6 AZ91D Sample A壓鑄速度0.3 M╱S(15mm、10mm、5mm三種厚度)壓縮率與密度的曲線圖……………………………………………102
圖4-7 AZ91D Sample B壓鑄速度0.5 M╱S(15mm、10mm、5mm三種厚度)壓縮率與密度的曲線圖……………….…………………………102
圖4-8 AZ91D Sample C壓鑄速度0.7 M╱S(15mm、10mm、5mm三種厚度)壓縮率與密度的曲線圖………………………………………….103
圖4-9 AZ91D厚度15mm之壓縮率與密度曲線圖………………………..103
圖4-10 AZ91D厚度10mm的試片壓縮率與密度的曲線圖……………….104
圖4-11 AZ91D厚度5mm的試片壓縮率與密度的曲線圖…………………104
圖4-12 一號壓鑄胚外形………………………………………………….105
圖4-13 一號胚料模擬試鍛結果………………………………………….106
圖4-14 二號壓鑄胚料之外形…………………………………………….107
圖4-15 二號胚料模擬試鍛結果………………………………………….107
圖4-16 三號壓鑄胚料外形……………………………………………….108
圖4-17 三號胚料模擬試鍛結果………………………………………….109
圖4-18 完成鍛造(成形件)之橫斷面積分佈…………………………….110
圖4-19 四號胚料之外觀………………………………………………….111
圖4-20 四號胚料模擬鍛造結果………………………………………….111
圖4-21 五號壓鑄胚料外觀……………………………………………….112
圖4-22 五號胚料模擬試鍛結果………………………………………….112
圖4-23 手機外殼之壓鑄預成形胚料經水性石墨披覆後之外觀……...113
圖4-24 手機外殼之鍛造設備1600T曲柄壓床外觀………………..114
圖4-25 手機外殼完成鍛品之正反面外觀…………………………...115
圖4-26 手機外殼經噴砂珠擊處理後之正反面外觀………………...116
圖4-27 壓鑄鍛造之手機外殼經沖孔後之正面外觀……………………117
圖4-28 壓鑄鍛造之手機外殼經沖孔後之反面外觀……………………117
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[51]〝鍛造技術手冊〞,經濟部技術處,中華民國產業科技發展協進會,中華民國鍛造協會出版,P.6∼P.7。
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