鎂合金避震前叉下管之開發(上)

圖、文◎孫作昱、何宜澤、朱國棟

由

本計畫由工研院材料所的複合材料組及金屬材料組合作，與民間自行車廠共同開發 鎂合金避震前叉下管。以往國外已有一些避震前叉的大廠利 用鎂合金來開發新產品，而國內也有少數幾家鎂合金壓鑄廠 開發出鎂合金壓鑄前叉的產品，但其中都是以鋁合金壓鑄技術為經驗藍本，在Try & Error的方法下製造出來的，不儘耗時費工且成本提升，因 而效益不彰。

材料所利用電腦模擬軟體技術，在壓鑄模具製作前先進行電腦模擬分析，一方面可 減少日後模具修改次數，縮短模具製作時程；另一方面用理 論來結合之前壓鑄件的製作經驗，提高產品的品質及準確設 計避震前叉壓鑄件的強度。

↑圖一、鎂合金避震前叉下管開發流程

本文將分為上下兩部分，本期將先介紹鎂合金避震前叉下管的前置作業及設計與 分析技術，而第二部分包括前叉下管的製造與加工、品質與 機械性檢測、設計修正與驗證等將在下期中繼續介紹。

鎂合金避震前叉下管研發與製作流程

開發一支鎂合金避震前叉下管可分為五個階段（如圖一）：

(一)前置作業

(二)設計與分析

(三)製造與加工

(四)品質與機械性檢測

(五)設計修正與驗證

以下就各部份之工作說明：

(一)前置作業

首先，由於避震前叉下管之造型關係，採壓鑄製造會較適 合，因此在選擇產品所需的材料時應以兩方面來考量：

(1)材料的特性

我們從過去已開發的鎂合金避震前叉下管中發現有AM60系列(Al約 佔5.5~6.5%，Mn約佔0.24~0.6%)，及AZ91系列(Al約佔8.3~9. 7%，Zn約佔0.35~1%)等兩種材料被採用，在鑄造性及表面處理性方面的比較如下表：

由表一、表二可知AZ91D的強度較高，在壓鑄使用時的流動性好，較不易產生 冷接、充填不足、流紋等表面缺陷，但AM60B的延性好、耐衝擊性、表面處理性佳，也 展現了另外的優點。然材料的選擇還有另一重要的考量便是 來源的取得問題。目前國內的材料都是AZ91D(國內筆記型電腦外殼皆用AZ91D)，因其 特性具有比較不易產生冷接、充填不足、流紋等表面缺陷之 優點，故本產品之開發先以AZ91D材料為主，並評估將AM60B材料用於下一階段使 用。

表一、壓鑄鎂合金之鑄造性與表面處理性比較

*特性表示1為最佳

表二、壓鑄鎂合金之機械性能比較

表三、鎂合金成形製程之比較

(2) 成形方式

鎂合金成形的方式，目前較常採用的方法如下：

1. 熱室壓鑄(Hot Chamber Die Casting)

2. 冷室壓鑄(Cold Chamber Die Casting)

3. 觸變成形(Thixomolding)

國內業者大部分都採用壓鑄製程，而由於避震前叉下管的厚度較厚，需要的液壓要 大，飽壓的時間也要長，所以對避震前叉下管來說，採用冷 室壓鑄法較為優勢。

當材料(AZ91D)及製程方案(冷室壓鑄法)決定之後，便 開始著手於鎂合金避震前叉下管之造型設計與模擬分析。

(二)設計與分析

在研發階段採用電腦來進行造型設計與模擬分析，可大大的縮短整個的產品開發時 間，這部分的工作可分為：

(1)基本尺寸及限制條件確定

(2)CAD之3D Model造型設計

(3)CAE之結構分析

(4)CAE之模流及熱傳分析

詳細說明如下：

(1)基本尺寸及限制條件確定

由廠商提供避震前叉下管之基本尺寸，如V型剎車座、鉤爪、管 徑等相關尺寸，及一些裝配之尺寸限制等。

(2) 3D Model造型設計

當第(1)項條件確立之後，可利用CAD技術來進行造型設計。本案 採用Pro/Engineer軟體來進行造型設計，此軟體之最大優點為參數式設 計，由於在設計之初不可能一次定案，在反覆修改過程中只要改變參數值就 可以進行設計修改。

首先我們進行原型設計，如圖二，經限制修件之要求修改部份尺寸及造型，確立 後之Model如圖三。

其次建立內管及叉肩Model，並與豎管組立成圖四，至此造型設計部分階段結 束，緊接著進行結構分析與模流及熱傳分析，待所有條件滿 足後，最終造型才能確定，也才能進行開模的動作。

(3)CAE之結構分析

當造型設計階段性確定之後，接著進行CAE結構分析。將 實際的騎乘狀況及限制條件輸入以進行結構受力模擬，由應力分佈情形， 可以找出適合的尺寸參數以達到減重及補強之等目的。

圖五及圖六為模擬剎車操作時，單一鉤爪及碟剎座之受力情 形，顏色代表應變量的分佈情形，愈下面顏色(紅色)表示應 變量愈大，即為應力集中處。由此我們便可知道當前叉受到 外力(如剎車力)時，各部位的受力情況，並將所得到的訊息 給CAD軟體，依此局部修正原設計之幾合尺寸。

(4)模流分析及熱傳分析

在鑄件發生問題時，傳統的鑄造業大部分都是憑經驗來修模，這其中往往會修改多 次卻不得要領，有時表面可能沒有流紋、冷接、熱裂等缺陷，但在 X-ray的檢測下，就可以發現鑄件內有捲氣、縮孔等情形。而利用電腦來進行模 流分析與熱傳分析已經是在鑄件產品開發初期設計分析時的 利器。

目前材料所所使用的鑄造用電腦模擬軟體為ProCast，目前在 CAE界的數值分析有二，一為有限差分法(FDM)，另一為有限元素法 (FEM)，而ProCast採用後者的數值方法，其特性為可做二度或三度 空間的流動分析、熱傳凝固解析、鑄造內應力分析及顯微組 織的預測。先利用CAD所建的Model來進行澆流道系統之設計，而後設定相關條件，來 模擬鑄造過程中的流體流動情形，充填順序及熱應力分佈情 況，以預測鑄件是否有捲氣、充填不足、縮孔或熱裂變形等 缺陷的產生，進而修改進水口的大小、位置或其他相關的尺 寸條件等。

圖七與圖八為模擬模流充填情形，顏色代表充填的速度，愈上面的顏色 (橘色)表示充填的速度愈快，由此可判斷澆流道的設計是否適合，在肉 厚處的充填速度是否會不夠而造成充填不足或其他可能的缺 陷產生。

(5)設計整合

當避震前叉下管Model建好之後，將Model傳給CAE去做分析，如果分析的結果須 修改部分尺寸時，再利用CAD來進行修改工作，如此便可節省日後修模的機會，並 使避震前叉下管達到減重、補強及減少產品缺陷等目標，以 完成設計整合的目的。

(三)結論與建議

目前鎂合金材料應用在自行車零件之開發技術尚未成熟，其材料選擇以 AZ91D為主，而避震前叉下管製作以冷室壓鑄較為適合，如果開發產 品初期便利用電腦來輔助造型設計與模擬分析，將有效縮短 開發的時程及提高產品的品質，產品的競爭力將大為提升。在下期，本文將繼續對避 震前叉下管的製造與加工、品質與機械性檢測、設計修正與 驗證部分加以說明。 

作者孫作昱、何宜澤目前任職為工研院材料所副研究員、朱國棟為正研究員