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研究生:盛鉑灃
研究生(外文):Sheng, Bo-Feng
論文名稱:以有限元素分析暨田口式品質方法進行擠製高強度鋁合金銲合壓力提升與模具最佳設計之研究
論文名稱(外文):Study on Increasing Welding Pressure of High Strength Aluminum Alloy and Optimal Die Design in Extrusion Process by Finite Element Analysis and Taguchi Method
指導教授:許光城許光城引用關係
指導教授(外文):Hsu, Quang-Cherng
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:機械與精密工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:114
中文關鍵詞:7075鋁合金、銲合壓力、破斷面、田口、DEFORM-3D
外文關鍵詞:Aluminum alloy 7075, Welding Pressure, Fracture, Taguchi Method, DEFORM-3D
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鋁合金7075比強度高,廣泛用於航太與汽車等工業。雖然它擁有許多良好的機械性質,但其銲合性較差,較難運用擠伸製程製作結構用管件,目前雖有學者提出相關擠製銲接強度之研究或方法,但有關鋁擠製成品銲接壓力的探討或研究卻不多。
本研究首先利用壓縮實驗獲得鋁合金7075材料之塑流應力,再將其匯入有限元素分析軟體DEFORM-3D並搭配田口式品質工程設計進行模擬以獲取最大銲合壓力,再將擠製出的中空方形管分成熱處理以及未熱處理兩種並進行拉伸試驗,最後進行模擬與實作的比較。以下為本研究簡略之製程參數:擠製胚料材質為鋁合金7075,胚料直徑127mm,方管外側尺寸為54mm×54mm,厚度為5mm,擠製溫度480℃,壓桿速度0.5mm/s,模具材質為SKD61,經熱處理後硬度為HRC48。
由拉伸試驗結果得知經熱處理過後之7075中空方形管之抗拉強度約提升150MPa;綜合破斷面觀測、SEM觀測、拉伸試驗結果及第一年國科會計畫(NSC 100-2221-E-151-019-)結果比較可得知除了含有「色差模痕」之TYPE(2)第三邊外,本研究對於擠製高強度鋁合金7075之有縫管件可說相當成功,其未經熱處理之抗拉強度可達素材之86.7%;由模擬分析結果得知影響模具銲合壓力之主要因素為出口承面長度之貢獻值最高約55.9%、其次為軸心長度約為23.1%、再次之為(母模)導料室高度與長度比約為12.4%、最後為(公模)導料室圓角約為8.6%;由因子反應圖表獲得模具設計最佳化組合可提升銲合壓力達19.7%。
Due to high strength and light weight characteristics, Aluminum alloy 7075 is widely used in aerospace and automobile industries. AA7075 has good mechanical properties, but its welding strength is poor and difficult to produce extruded hollow products. Although some researchers proposed different method to study welding strength of Aluminum alloy, but the study for welding pressure of high strength Aluminum alloy in hollow extrusion product is not enough.
In this study, compression test was used to obtain material flow stress of AA7075, which was then imported into DEFORM 3D finite element analysis software. Together with Taguchi design method, the maximum welding pressure during hollow extrusion process was obtained. A suitable upper die and lower die for hollow extrusion were fabricated where the extruded products were divided into two categories, such as with and without T6 heat treatment. The tensile tests were conducted to investigated the welding strength for the above products. Some information about the study are as follows: billet material is AA7075, billet diameter is 127mm, the extruded tube outside dimension is 54mm × 54mm, thickness is 5mm, extrusion temperature is 480℃, and ramp speed is 0.5mm/s, die material is SKD61 with hardness of HRC48.
The results of tensile test show that the tensile strength after heat treatment is increasing about 150Mpa compared to without heat treatment. By over all checking on fracture surfaces, observed by SEM, tensile test results and the first year research results (NSC 100-2221-E-151-019-) and neglecting the results in the third side of TYPE(2) where the color difference mark happen, this study for the extruded high strength AA7075 is quite successful because the tensile strength up to 86.7% of the source material without heat treatment. The results of optimal simulation analysis indicated that the main factors affecting the die welding pressure is die bearing length which is about 55.9 percent, followed by the length of mandrel which is about 23.1 percent. The factor of response graph result shows that via optimal die design by Taguchi method the welding pressure can be increased about 19.7 percent.
中文摘要 V
Abstract VII
目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究動機與目的 9
1-4 本文架構 9
第二章 鋁擠製與鋁合金材料 12
2-1 擠製分析 12
2-2 鋁擠製概論 16
2-2-1 鋁擠製製程 17
2-2-2 鋁擠製分類 18
2-2-3 鋁擠製模具 21
2-3鋁合金材料之特性與分類 22
2-3-1鋁合金材料特性 22
2-3-1鋁合金材料分類 23
2-4高強度鋁合金7075之成份與機械性質 24
2-4-1高強度鋁合金7075材料成份 24
2-4-2高強度鋁合金7075材料性質 24
第三章 鋁合金熱處理製程與鋁合金T6熱處理 26
3-1金屬熱處理概論 26
3-2金屬熱處理分類 26
3-2-1 退火 27
3-2-2 淬火 27
3-2-3 回火 27
3-3鋁合金熱處理 28
3-3-1鋁合金T6熱處理實驗設備 29
3-3-2鋁合金T6熱處理升溫曲線 30
3-4 拉伸試驗 31
第四章 DEFORM-3D有限元素分析模擬與田口式品質工程最佳化設計 36
4-1 DEFORM-3D介紹 36
4-1-1 DEFORM-3D模擬元件介紹 39
4-1-2 DEFORM-3D模擬參數設定 40
4-2 Gleeble壓縮實驗 40
4-2-1熱電偶 43
4-2-2熱電偶之種類 44
4-2-3塑流應力曲線之建立 50
4-3田口式品質工程概論 55
4-3-1直交表配置與選用 55
4-3-2信號雜音比(S/N比) 58
4-3-3變異數分析 59
第五章 結果與討論 62
5-1模擬結果 62
5-1-1田口式品質設計方法之高強度鋁合金7075銲合壓力 62
5-1-2最佳化配置之高強度鋁合金7075銲合壓力 65
5-1-3效益評估 66
5-2拉伸試驗結果 69
第六章 擠伸試件侵蝕實驗 74
6-1 第一次侵蝕實驗 74
6-1-1 實驗目的 74
6-1-2 實驗流程 75
6-1-3 實驗小結果 76
6-2 第二次侵蝕實驗 78
6-2-1 實驗目的 78
6-2-2 實驗流程 78
6-2-3 實驗小結果 78
6-3 第三次侵蝕實驗 81
6-3-1 實驗目的 81
6-3-2 實驗流程 81
6-3-3 實驗小結果 81
6-4 第四次侵蝕實驗 84
6-4-1 實驗目的 84
6-4-2 實驗流程 85
6-5 第五次侵蝕實驗 89
6-5-1 實驗目的 89
6-5-2 實驗流程 91
6-5-3 實驗小結果 92
6-6 第六次侵蝕實驗 93
6-6-1 實驗目的 93
6-6-2 實驗流程 93
6-6-3 實驗小結果 94
6-8侵蝕實驗總結與討論 94
6-9破斷面觀測 97
6-10 SEM觀測 100
第七章 結論與建議 107
7-1結論 107
7-2建議 108
參考文獻 109
附錄 A 113
附錄 B 114
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