中空薄凸缘扣件之冷锻成形分析.PDF

工程科技與教育學刊 第 10 卷 第 2 期 第 129～142 頁 民國 102 年 6 月 中空薄凸緣扣件之冷鍛成形分析 張定平 1 、黃世疇1* 、黃德福2 1 國立高雄應用科技大學 機械工程系 2 國立高雄應用科技大學 模具工程系 *E-mail:shuang@cc.kuas.edu.tw 摘 要 本文以有限元素分析軟體 DEFORMTM 3D 配合田口方法，探討中空薄凸緣扣件之冷鍛成形製程。文中 使用直交表規劃模擬實驗，將模擬所得的數據換算為 S/N 比，以找出凸緣預成形的最佳模具幾何參數。研 究中依據鍛成品的幾何形狀，以先成形凸緣或內孔作為起始點，推導出最佳的冷鍛成形方案，再透過巨觀 浸蝕實驗，顯示鍛件加工後的組織，檢視內部是否存在摺料、微細裂紋等缺陷，以驗證冷鍛成形製程的合 理性。 結果顯示，當模擬胚料與實際鍛胚的凸緣厚度相同時，測量凸緣外徑的最大誤差為 0.6% ，且觀察模擬 胚料與實際鍛胚的外觀亦相當一致，證實有限元素法可準確地預估金屬的鍛造成形結果。未來若應用此系 統化研究方法，應可減少反覆試模及修改模具的時間，進而提高研發效率，降低研發成本。 關鍵字：冷鍛、凸緣成形、有限元素法、田口方法 壹、前 言 扣件產品與人類的日常生活息息相關，普遍應用在機械、航太、汽車、電子儀器、建築等多項產業。 近數十年來，我國素有「螺絲螺帽製造王國」的美譽，而扣件產業在品質、技術與管理不斷地創新之下， 已由生產中低品級扣件，逐漸朝向汽車、航太及 3C 扣件等高值化產品發展。 2002 年 Joun 等人 [1]應用 AFDEX （Adviser as Friend for Forging process Design Experts ）分析軟體模擬 鋁的二道次冷鍛成形，並分析模仁、補強環與模殼各組件間的接觸現象及等效應力分布。2003 年 Lee 等人 [2]應用 DEFORMTM 模擬活塞銷的冷鍛製程，再將活塞銷改善方案的鍛成品進行鍛流線實驗，以驗證模擬 與改善的結果。2004 年 Hu 等人 [3]以 DEFORMTM 模擬管件胚料鐓粗頭部凸緣的冷鍛成形，發現每道次管 胚料浮升高度是避免摺料最重要的成形參數。 2006 年 Sasada 等人 [4]以鋁板進行沖孔實驗，並應用 DEFORMTM 2D 模擬沖孔，找出影響沖孔的主要因素為厚度/沖孔徑比及沖孔間隙。2007 年 Song 等人 [5] 先以 FE CAMPform 3D 分析軟體，模擬正齒輪前向冷擠製程及模具應力。 2007 年 Giuliano [6]使用 MSC.MARC 分析軟體研究複合擠製的胚料成形，並以實際生產的鍛成品驗證 模擬結果的正確性。2007 年 Jun 等人 [7]以「剛-熱塑性有限元素法」（Rigid-Thermoplastic Finite Element Method ）分析模具的彈性變形量，並考慮鍛件的回彈量與熱收縮的尺寸效應。2007 年 Lin 等人 [8]以 DEFORMTM 2D 探討金屬板材的孔凸緣沖壓成形，該研究的成形方式較傳統孔凸緣擠伸成形方式的總成形 負荷較低，只是需先將金屬板材預成形為杯狀胚料，而增加成形製程的複雜度。2009 年 Ebrahimi 等人 [9] 使用 ABAQUS 分析軟體，針對七項成形參數模擬純鋁胚料的冷鍛製程。2010 年 Lin 等人 [10]應用 ANSYS 有限元素分析軟體模擬人工牙根小螺釘受力後，於皮質骨層（Cortical bone ）所發生的最大應變量。2011 年 Kacem 等人 [11]應用 ABAQUS 分析軟體，研究鋁合金薄板擠伸孔凸緣的成形製程，胚料孔壁厚度若是受到 沖棒的引縮作用，成形負荷雖會急遽上升，但是鍛成品孔壁厚度的均勻度及外觀卻更好，該文回顧 1998 至 Journal of Engineering Technology and