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研究生:莊文章
研究生(外文):Wen-Chang Chuang
論文名稱:多孔穴鋁合金管件擠製之有限元素分析
論文名稱(外文):Finite Element Analysis of Multi-Hole Extrusion of Aluminum-Alloy Tubes
指導教授:陳復國陳復國引用關係
指導教授(外文):Fuh-Kuo Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:機械工程學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:A7075鋁合金擠壓成形多孔穴模具設計無縫管件有限元素法
外文關鍵詞:A7075 aluminum-alloyExtrusionDie designSeamless tubeFinite element method
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鋁合金由於具有密度低、強度強之特點,目前因輕量化方面之應用而成長快速,而無縫管件擠製製程適合量產高強度、焊接不易之鋁合金空心製品,因此本論文利用有限元素模擬探討鋁合金之無縫管件擠製。
首先針對單孔穴無縫管件擠製,初步探討各製程參數對擠壓力及材料溫度的影響,以暸解無縫管件擠製成形的製程特性,接下來本論文利用分析後的單孔穴擠製模型之模具進行實際之實驗驗証,藉由比較模擬結果及實驗所得到之數據,以驗証有限元素軟體DEFORM對無縫管件擠製之適用性。
多孔穴無縫管件擠製應用於高強度合金時,因擠製壓力甚大,且材料流動對心軸而言並非均勻對稱,以致使心軸偏心,經本研究進行初步模擬後,發現材料流動會使初始製程的出口管件發生彎曲偏斜的現象,並且造成心軸兩側的正向壓力有所差異,而再針對可能影響出口材料流動之各項參數進行分析後,可知孔穴數目以及孔穴位置配置之影響甚鉅,並且由模擬可在孔穴作用區域的形心附近找到流動情形較佳的孔穴位置,能讓心軸內外側的受力差異明顯減少。
最後藉由DEFORM軟體之模具受力分析模組,即可看出心軸偏心情形的改善,而本論文所獲得之研究成果可提供鋁合金擠製成形業者進行製程規劃以及模具設計時的參考。
The superior properties of aluminum-alloy attracted attentions from the light-trend industry recently. Although the principal manufacturing process of the aluminum-alloy hollow products has been extruded by using porthole dies, the seamless extrusion with a mandrel has considerable potential because of its competitive productivity and performance. So the seamless extrusion process of aluminum-alloy tubes at elevated temperatures was studied in the present study by the finite element analysis and experiments.
The trend of processing load and temperature on single-hole die extrusion was studied at first, the finite element software DEFORM was employed to simulate the hollow tubes processes. The experiment of single-hole die extrusion was practiced to verify the analyzed results. The experimental results obtained in the present study show good agreement with simulations. It shows the finite element software DEFORM is suitable to process of seamless tube extrusion.
In order to increase the productivity, multi-hole die with several mandrels is applied. But the defects, which are the bias of mandrel and the unbalanced thickness of production caused by material flow are critical issues. The influence of important process parameters such as the temperature, extrusion speed, production dimension, billet size, number and position of holes on die are analyzed by simulations. According to the results of analysis, it shows the serious effect could be caused by the number and position of holes on die. Besides, the material flow is better when the hole is near the focus of action area. The bias phenomenon of mandrel could be improved after die stress analysis by the software DEFORM. The results of this study can be reference resources for related academic research and can also be used to develop related products for industry production.
目錄-----------------------------------------------------Ⅰ
圖目錄---------------------------------------------------Ⅳ
表目錄---------------------------------------------------Ⅶ

第一章 緒論-----------------------------------------------1
1.1前言-----------------------------------------------1
1.2 研究動機與目的------------------------------------7
1.3 文獻回顧------------------------------------------8
1.4 研究方法與步驟-----------------------------------14
1.4.1 鋁合金材料種類-----------------------------15
1.4.2 模擬模型之建立-----------------------------16
1.4.3 單孔穴無縫管件擠製成形製程研究-------------16
1.4.4 有限元素模擬分析之驗証---------------------16
1.4.5 多孔穴管件擠製成形製程參數分析-------------17
1.5 論文總覽-----------------------------------------18

第二章 單孔穴無縫管件擠製成形製程研究--------------------19
2.1 有限元素軟體DEFORM簡介--------------------------21
2.2 單孔穴無縫管件擠製模擬模型之建立-----------------23
2.2.1 二維模擬模型之建立-------------------------24
2.2.2三維模擬模型之建立--------------------------25
2.3 單孔穴無縫管件擠製製程研究-----------------------27
2.3.1 單孔穴無縫管件擠製模擬設定-----------------27
2.3.2 擠錠長度之影響----------------------------29
2.3.3 初始溫度之影響-----------------------------35
2.3.4 擠壓速度對管件擠製製程之影響---------------38
2.3.5 定剪摩擦因子對管件擠製製程之影響-----------41
2.4 結果討論-----------------------------------------43

第三章 有限元素分析之實驗驗証----------------------------45
3.1 實驗設備及模具設計方式介紹-----------------------45
3.1.1 擠壓機台簡介-------------------------------45
3.1.2 無縫管件擠製流程---------------------------48
3.1.3 模具材料之選擇-----------------------------49
3.1.4 模具設計--------------------------------49
3.2 單孔穴無縫管件擠製模擬之驗證---------------------51
3.2.1 材料選擇-----------------------------------52
3.2.2 驗證不同擠壓溫度之模擬結果-----------------54
3.2.3 驗證不同擠壓速度之模擬結果-----------------56
3.3 結果討論-----------------------------------------60

第四章 多孔穴無縫管件擠製成形製程參數分析----------------61
4.1 多孔穴管件擠製模擬模型之建立---------------------62
4.2 多孔穴管件擠製之初步模擬-------------------------65
4.3 多孔穴無縫管件擠製之製程參數分析-----------------72
4.3.1 擠錠長度之影響-----------------------------74
4.3.2 擠壓速度之影響-----------------------------77
4.3.3 擠壓溫度之影響-----------------------------78
4.3.4 孔穴尺寸之影響-----------------------------80
4.3.5 擠錠尺寸之影響-----------------------------81
4.3.6 孔穴數目之影響-----------------------------84
4.3.7 孔穴位置之影響-----------------------------88
4.4 模具應力分析-------------------------------------91
4.5 結果討論-----------------------------------------95


第五章 結論與未來研究方向--------------------------------97
5.1結論----------------------------------------------97
5.2 未來研究方向-------------------------------------98

參考文獻-------------------------------------------------99


























圖目錄
圖1.1各種型材之擠製成品----------------------------------2
圖1.2直接擠製--------------------------------------------5
圖1.3間接擠製--------------------------------------------6
圖1.4研究方法與進行步驟---------------------------------15
圖2.1 無縫管件之間接擠製製程-----------------------------19
圖2.2管件擠製之實際生產流程-----------------------------23
圖2.3 二維模擬之物件組裝圖-------------------------------24
圖2.4 母模簡化前後之形狀---------------------------------25
圖2.5 單孔穴擠製模擬之三維有限元素模型-------------------26
圖2.6 DEFORM軟體內建的A7075材料性質---------------------29
圖2.7 擠錠長100及300mm之模擬模型(四分之一)--------------31
圖2.8 不同擠錠長度的擠壓行程與擠製壓力之關係-------------32
圖2.9 不同擠錠長度之溫度分佈情形(Stroke=10mm)------------33
圖2.10 不同擠錠長度之材料流動情形(Stroke=10mm)-----------34
圖2.11 不同擠錠長度之應力分佈情形(Stroke=10mm)-----------35
圖2.12 不同初始溫度模擬的擠壓行程與擠壓力之關係----------37
圖2.13 不同初始溫度模擬的擠壓行程與最大溫度之關係--------38
圖2.14 不同擠壓速度模擬的擠壓行程與擠壓力之關係----------40
圖2.15 不同擠壓速度模擬的擠壓行程與最大溫度之關係--------41
圖2.16 管件A之不同定剪摩擦因子之模擬--------------------43
圖3.1 1500噸之間接擠壓機---------------------------------46
圖3.2 無縫管件之間接擠壓機台之構造-----------------------47
圖3.3 控制面板-------------------------------------------47
圖3.4 紅外線溫度量測-------------------------------------48
圖3.5 保溫箱及盛錠筒-------------------------------------49
圖3.6 母模設計方式---------------------------------------50
圖3.7 實際之母模-----------------------------------------50
圖3.8 不同初始溫度之擠壓力驗證---------------------------55
圖3.9 不同初始溫度之製程溫度驗證-------------------------56
圖3.10 不同擠壓速度之擠壓力驗證--------------------------58
圖3.11 不同擠壓速度之製程溫度驗證------------------------59
圖4.1 雙孔穴擠製模擬之三維有限元素模型-------------------63
圖4.2 多孔穴無縫管件擠製之對稱性模擬化簡-----------------64
圖4.3 不同心軸長度之雙孔穴擠製模擬模型-------------------65
圖4.4 母模上之孔穴位置-----------------------------------66
圖4.5 雙孔穴無縫管件擠製模擬結果-------------------------67
圖4.6 雙孔穴無縫管件擠製的材料流動情形-------------------68
圖4.7 雙孔穴無縫管件擠製的擠錠正向壓力分佈---------------69
圖4.8 雙孔穴無縫管件擠製的擠錠溫度分佈-------------------70
圖4.9 管件偏斜之α角度定義------------------------------73
圖4.10 多孔穴無縫管件擠製孔穴位置參數--------------------73
圖4.11 不同擠錠長度之α角度(Stroke=10mm) ----------------75
圖4.12 不同擠錠長度之擠壓行程與α的關係-----------------75
圖4.13 不同長度擠錠之正向壓力分佈(Stroke=10mm)-----------76
圖4.14 不同長度擠錠之溫度分佈(Stroke=10mm)---------------76
圖4.15 擠壓速度為1.2mm/s之α角度(Stroke=10mm)---------–77
圖4.16 不同擠壓速度之擠壓行程與α的關係---------------–78
圖4.17 不同溫度模擬得到之α角度(Stroke=10mm)------------79
圖4.18 不同擠壓溫度之擠壓行程與α角度的關係-------------79
圖4.19 管件B之α角度(Stroke=7.5mm)---------------------80
圖4.20 不同孔穴尺寸之出口管件長度與α角度之關係---------81
圖4.21 八吋直徑擠錠之模擬結果----------------------------82
圖4.22 不同擠錠長度之出口管件長度與α的關係-------------83
圖4.23 八吋擠錠雙孔穴無縫管件擠製之材料流動情形(底視圖)--83
圖4.24 不同孔穴數目所之模擬結果--------------------------85
圖4.25 不同孔穴數目之α角度(Stroke=10mm)----------------85
圖4.26 不同孔穴數目之材料流動情形------------------------86
圖4.27 不同孔穴數目之正向壓力分佈------------------------87
圖4.28 不同孔穴位置擠製之模擬結果(Stroke=10mm)-----------89
圖4.29 不同孔穴位置的擠壓行程與α角度之關係-------------90
圖4.30 不同孔穴位置之擠錠的正向壓力分佈------------------90
圖4.31 AISI H13之楊氏係數--------------------------------92
圖4.32 邊界條件設定--------------------------------------93
圖4.33 模具的應力分佈情形--------------------------------94
圖4.34 模具變形趨勢--------------------------------------94











表目錄
表1.1 各金屬之物理性質比較--------------------------------2
表2.1 有限元素軟體DEFORM之適用金屬成形製程--------------22
表2.2 選擇之管件載具尺寸---------------------------------27
表2.3 鋁合金A7075適合之各項擠製參數---------------------28
表2.4 模擬設定之擠壓速度---------------------------------28
表2.5 管件擠製之模擬設定---------------------------------29
表2.6 不同擠錠長度擠壓10mm所需之模擬時間----------------31
表2.7 擠壓速度之設定-------------------------------------39
表3.1 模具尺寸列表(單位mm)------------------------------50
表3.2 A7075與A7050之差異-------------------------------53
表3.3 不同初始溫度下之擠製實驗結果-----------------------54
表3.4 不同擠壓速度之實驗結果-----------------------------57
表4.1 管件擠製之模擬設定---------------------------------66
表4.2 擠壓速度之設定-------------------------------------66
表4.3 不同擠錠直徑之速度設定-----------------------------82
表4.4 不同孔穴數目之擠壓比及擠壓速度---------------------84
表4.5 不同孔置位置之模擬---------------------------------88
表4.6 各製程參數對始出口管件偏斜量(α角度)之影響---------95
[1] 蔡幸甫,”輕金產業發展狀況及商機”,工業材料雜誌,174期,2001年6月,pp.77-83。
[2] 葉均蔚,”鎂及鋁合金之超塑性成形”,工業材料雜誌,174期,2001年6月,pp.102-112。
[3] 劉文海,”歐洲汽車輕量化發展動向”,中華民國鍛造協會會刊,12卷2期,2003年7月,pp.1-2。
[4] 村井勉著、王建義譯,”日本鋁、鎂合金擠製加工及其發展”,工業材料雜誌204期,92年12月,pp.166-171.
[5] S. H. Hsiang and C. S. Liao, "Study on Hot Extrusion of Tubes", Journal of Materials Processing Technology, Vol.63 (1997), pp.254-259.
[6] S. H. Hsiang and J.L. Kuo, “An investigation on the hot extrusion process of magnesium alloy sheet”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.140 (2003), pp.6-12.
[7] 歐炳隆和劉實中,”高難度、高附加價值擠製鋁合金之合金設計與製程研究( I)”,工程科技通訊50期材料類,89年8月,pp.56-61。
[8] 歐炳隆,“高難度、高附加價值擠製鋁合金之合金設計與製程研究( II)”, 工程科技通訊65期材料類,91年12月,pp.30-33。
[9] 陳賀振,”CPU散熱片擠製之模具設計及有限元素分析”,國立中山大學碩士論文,2002。
[10] 盧柏憲,”複合材靜水壓擠製加工之研究”,國立中山大學碩士論文,2001。
[11] 李少濠、劉洛瑩”管材成形技術之研究與發展現況”,中華民國鍛造協會會刊,13卷1期,2004年4月,pp.11-16。
[12] K. Srinivasan and P. Venugopal, “Adiabatic and friction heating on the open die extrusion of solid and hollow bodies”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.70 (1997), pp.170-177.
[13] K. Müller, “Extrusion of nickel–titanium alloys Nitinol to hollow shapes”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.111 (2001), pp.122-126.
[14] Y.H. Lu and S.W. Lo, “Optimally-controlled strain-rate dies for plane-strain extrusion”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.86 (1999), pp.56-66.
[15] Xinjian Duan, X. Velay and T. Sheppard, “Application of finite element method in the hot extrusion of aluminium alloys”, Materials Science and Engineering: A”, Vol.369 (2004), pp.66-75.
[16] J. Zhou, L.Li, J. Duszczyk, “Computer simulated and experimentally verified isothermal extrusion of 7075 aluminium through continuous ram speed variation”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.146 (2004), pp.203-212.
[17] L. Li, J.Zhou and J.Duszczyk, “Prediction of temperature evolution during the extrusion of 7075 aluminium alloy at various ram speeds by means of 3D FEM simulation”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.145 (2004), pp. 360-370.
[18] N. Venkata Reddy, P. M. Dixit and G. K. Lal, “Analysis of axisymmetric tube extrusion”, Tools Manufact., Vol.36 (1996), No.11, pp.1253-1267.
[19] N. Venkata Reddy, R.Sethuraman, and G.K. Lal, “Upper-bound and finite-element analysis of axisymmetric hot extrusion”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 57 (1994), pp.14-22.
[20] L.H. You, J.H. Hu, and etc., “Single-patch surfaces for tool shape design and finite element analysis of hot extrusion”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.150 (2004), pp.62-69.
[21] J.X. Xie, T. Murakami and etc., “Experimental simulation of metal flow in porthole-die extrusion”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.49 (1995), pp.1-11.
[22] J.X. Xie, K. Ikeda and T. Murakami, “UBA analysis of the process of pipe extrusion through a porthole die”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.49 (1995), pp.371-385.
[23] H.H. Jo, C.S. Jeong and etc., “Determination of welding pressure in the non-steady-state porthole die extrusion of improved Al7003 hollow section tubes”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.139 (2003), pp.428-433.
[24] H.H. Jo, S.K. Lee and etc., “Prediction of welding pressure in the non-steady state porthole die extrusion of Al7003 tubes”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 22 (2002), pp.753-759.
[25]Jung Min Lee, Byung Min Kim and Chung Gil Kang, “Effects of chamber shapes of porthole die on elastic deformation and extrusion process in condenser tube extrusion”, Materials and Design, Vol.26 (2005), pp.327-336.
[26] K.J. Kim, C.H. Lee and D.Y. Yang, “Investigation into the improvement of welding strength in three-dimensional extrusion of tubes using porthole dies”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.130-131 (2002), pp.426-431.
[27]Zhi Peng and Terry Sheppard, “Simulation of multi-hole die extrusion”, Materials Science and Engineering, A367 (2004), pp.329-342.
[28] Patrick Ulysse and Robert E. Johnson, “A study of the effect of the process variables in unsymmetrical single-hole and multi-hole extrusion processes”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.73 (1998), pp.213-225.
[29] Patrick Ulysse, “Optimal extrusion die design to achieve flow balance”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.39 (1999), pp.1047-1064.
[30] Patrick Ulysse, “Extrusion die design for flow balance using FE and optimization methods”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol.44 (2002), pp.319-341.
[31] T. Sheppard, “Extrusion of Aluminium Alloys”, Kluwer Academic Publishers, 1999.
[32] K. LAUE and H. Stenger, “Extrusion”, American Society for Metals, 4th printing, 1976.
[33] 王劭駿,”鎂合金材沖鍛成形模具設計之研究”,國立台灣大學碩士論文,2004。
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