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歷史雜誌

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摘要

近年來,汽車輕量化技術已成為現代汽車製造的核心研究領域;高強度鋁合金因其低密度、高強度及良好韌性,被廣泛應用於汽車與航太產業。然而,高強度鋁合金在常溫下的成型性較差,易產生回彈或扭曲變形,因此本文針對其溫間伺服成型製程進行沖壓成型優化,以提升成型性能與穩定性。本文採用基礎圓杯引伸成型作為載具,並透過Holding伺服運動曲線參數進行成型,進一步運用ANFIS-MOPSO方法進行品質預測與參數優化。首先,透過測試數據建立最大變薄率與最大沖頭負荷兩項品質特性的ANFIS預測模型,再利用MOPSO方法進行最佳化,並透過實驗驗證其優化結果。為評估優化效果,本文將優化後的Holding伺服曲線與傳統Crank伺服曲線進行比較,結果顯示,最大變薄率降低4.3%,最大沖頭負荷減少6.5%。此研究結果證明,透過ANFIS-MOPSO方法進行多目標優化,可有效平衡最大變薄率與最大沖頭負荷兩項品質特性,使其同時獲得改善,進而提升高強度鋁合金的溫間成型性能,為未來高強度鋁合金在汽車沖壓成型領域的應用提供了重要參考。

Abstract

In recent years, automotive light-weighting technology has become a key research focus in modern vehicle manufacturing. High-strength aluminum alloys, due to their low density, high strength, and excellent toughness, are widely used in automotive and aerospace industries. However, these alloys exhibit poor formability at room temperature and are prone to spring-back or distortion. To address these challenges, this study optimizes the warm servo stamping process to enhance the formability and stability of high-strength aluminum alloys. A cylindrical deep drawing process was selected as the experimental setup, and the Holding servo motion curve was applied during forming. To predict and optimize forming quality, the ANFIS-MOPSO method was utilized. First, an ANFIS predictive model was developed using experimental data to estimate two key quality parameters: maximum thinning rate and maximum punch load. Subsequently, the MOPSO algorithm was employed for optimization, and the results were experimentally validated. To assess the optimization performance, the optimized Holding servo curve was compared with the traditional Crank servo curve, revealing a 4.3% reduction in maximum thinning rate and a 6.5% decrease in maximum punch load. These findings demonstrate that the ANFIS-MOPSO multi-objective optimization approach effectively balances maximum thinning rate and punch load, achieving simultaneous improvements in both quality characteristics. This research provides a valuable reference for the application of high-strength aluminum alloys in automotive stamping processes, contributing to the advancement of lightweight vehicle manufacturing.

前言

近年來,環境污染與能源耗竭已成為全球關注的重大議題;對於汽車工業而言,減少碳排放與降低燃油消耗已是不可忽視的趨勢。研究顯示[1],車重減輕10%時,燃油效率可提升6%至8%,同時降低10%的阻尼,並使每公里行駛所排放的二氧化碳減少6%至7%。因此,汽車輕量化技術與二氧化碳排放量之間具有密切關聯,其發展對環保與能源永續性影響深遠。

而汽車輕量化技術是解決能源消耗與環境污染問題的重要途徑,目前主要可分為三類[1]:

1. 車身與零部件結構優化設計:在滿足工藝要求的前提下,透過尺寸優化、形狀優化與拓撲優化等方法,提升車身與零部件的設計效率。

2. 新型輕質材料的應用:以高強度鋼、鋁合金、鎂合金等輕量化材料取代傳統鋼材,降低車身重量。

3. 先進製程技術的導入:透過熱沖壓成型、液壓成型、拼焊板成型等技術,製造更輕且堅固的汽車零部件,減少零件數量。

目前,最有效的輕量化方案是以輕金屬材料取代傳統鋼材,不僅能顯著減輕重量,亦能維持車輛的安全性與舒適性。長久以來,高強度鋼板被視為輕量化的理想選擇,然而隨著節能減碳需求日益提升,其減重效果已顯不足,難以滿足未來車身輕量化目標。相比之下,鋁合金具備低密度、豐富儲量、高回收率與耐腐蝕等優勢,成為汽車輕量化發展的重要材料。

為實現更有效的減重效果,提升高強度鋁合金在車身上的大規模應用,將成為減少能源消耗與污染的關鍵策略。根據DUCKERFRONTIER於2020年發布的研究報告[2],2020年北美輕型車平均鋁用量已達208 kg,與美國與日本市場趨勢相當。報告進一步預測,至2030年,每輛汽車的平均鋁用量將增至258 kg,其中鋁板沖壓件佔比近30%,並為成長最快的產品類別。

隨著現代工業的快速發展,對鋁合金的強度、韌性與成型性能提出了更高要求。7000系列鋁合金因其低密度、優異的加工與焊接性能,在車輛、建築與航太工業等領域展現出廣闊的應用前景。相較於6000與5000系列鋁合金,7000鋁合金在常溫下擁有更高的強度,但其在室溫下成型時,材料流動性差,易產生裂紋、起皺等缺陷,影響成型品質。因此借鑑鋼板熱成型技術,透過提高成型溫度可有效改善成型性並降低回彈,使高強度鋁合金在沖壓加工中的可行性大幅提升。溫成型技術不僅能一次成型複雜沖壓件,減少模具數量與工序,還能顯著降低回彈量,提高零件成型精度與品質。因此,7000鋁合金溫成型技術已成為近年來金屬板材沖壓成型領域的研究熱點。

鋁合金雖已廣泛應用於汽車工業,但其成型過程仍面臨諸多挑戰。目前,大多數鋁合金板材的沖壓成型仍採用傳統機械式沖床,此類沖床透過單一馬達驅動,藉由飛輪與離合器傳動曲柄連桿產生運動,其速度固定且不可變,導致適應性較低。相較之下,伺服沖床整合高性能與高功率密度的伺服馬達,能夠精準控制沖壓動作,並根據不同工藝需求調整沖壓速度曲線,不僅可延長設備壽命,還能顯著提升板材成型品質與精度。因此,伺服沖床在高強度鋁合金溫成型領域展現出極大的潛力。
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