臺灣博碩士論文加值系統

中文摘要
本研究以AISI 1035 材質之高徑長比薄壁彈筒工件作為開發載具，藉以針對
II 法（Impact Extrusion- Ironing）之冷間鍛造成形相關技術進行探討與研究，研究
過程中採搭配CAE 分析軟體－Deform 來輔助衝擊後向擠出成形、引縮成形與縮口
成形的工程設計與模組結構開發，並考量成形過程中胚料之最佳冷鍛成形性與避
免加工硬化現象發生，遂需進行製程退火熱處理製程規劃。最後以實際鍛造試驗，
來探討與驗證所設計製程之可行性。
結果顯示，在胚料製程退火熱處理後，使用肘節式鍛機設備，來進行77.4％
斷面縮減率之後向擠出成形，其負荷最高值為252Tons。
接著以製程退火消除加工硬化情形後，使用油壓機設備，來60％引縮加工率
進行第一道引縮成形，負荷最高值為17Tons；同樣，第二道66.7％引縮加工率之
引縮成形，負荷最高值為13Tons；第三道75％引縮加工率之引縮成形，負荷最高
值為12Tons。
最後採以製程退火對筒件作局部熱處理，消除加工硬化現象，並提高熱處理
時效性，同樣使用油壓機設備進行67.4％縮口加工率之縮口成形，負荷最高值為
20Tons。成形完成後，經對半剖切筒件後，流線顯示均勻合理，內部並無疊料
（Lapping）缺陷，顯示整體製程設計為可行。

Abstract
In this study, the aims were to analyze the cold forging process of Impact
Extrusion - Ironing Method and to investigate the design of the mechanism applied in
the AISI 1035 thin-walled shell part forging die set. First of all, the DEFORM
software was used to simulate the Impact Extrusion, Reduced Gauge, as well as Ironing
process and to investigate the feasibility for that process. To concern the proper way of
cold forging forming and avoid work hardening, the heat treatment, such as Process
Annealing were used. The actual forging experiment was performed to test and verity
the feasibility for that process.
The results show that after Process Annealing, when performing the Impact Extrusion
by crank press forging machine with shrinkage rate77.4%, the maximum load was252
tons.
Process Annealing was used to avoid work hardening proble in this experiment
before the first step of forming. When performing the first step of Ironing forming was
performed by oil press machine with ironing rate 60%, the maximum load was 17tons.
When performing the second step of Ironing forming with ironing rate 66.7%, the
iii
maximum load was 13tons. .And when performing the third step of ironing forming
with ironing rate 75%, the maximum load was12tons.
To avoiding work hardening, the last step of the experiment the Process Annealing
was used. For effective heat treatment, the Ironing forming was performed by oil press
machine with ironing rate 60%. The maximum load was 20tons. The target vehicles
were forged successfully by the developed die set and the flow lines of the forgings
were reasonable.

目 錄
中文摘要........................................................................................................................... i
Abstract............................................................................................................................ ii
誌 謝........................................................................................................................... iv
目 錄............................................................................................................................ v
表目錄............................................................................................................................ vii
圖目錄........................................................................................................................... viii
壹、緒論.......................................................................................................................... 1
1.1 前言.................................................................................................................... 1
1.2 鍛造相關技術介紹........................................................................................... 8
1.2.1 精密鍛造技術發展趨勢......................................................................... 8
1.2.2 冷間鍛造技術的特色............................................................................11
1.2.3 冷間鍛造用潤滑處理特點................................................................... 13
1.3 成形工程分析與設計...................................................................................... 15
1.3.1 成形工程設計方針............................................................................... 15
1.3.2 衝擊後向擠出工程設計....................................................................... 17
1.3.3 引縮成形工程設計............................................................................... 21
1.3.4 縮口成形工程設計............................................................................... 24
1.4 熱處理製程技術............................................................................................. 26
1.4 電腦輔助模擬工程設計................................................................................. 29
1.4.1 塑性成形之FEM 力學解析模式........................................................ 29
1.4.2 DEFORM 軟體簡介.......................................................................... 31
1.5 文獻回顧......................................................................................................... 35
1.6 本文研究範疇.................................................................................................. 42
1.7 研究目的......................................................................................................... 42
貳、研究方法與步驟.................................................................................................... 43
2.1 研究方法.......................................................................................................... 43
2.1.1 研究架構............................................................................................... 43
2.1.2 研究步驟與流程圖............................................................................... 44
2.2 研究載具.......................................................................................................... 48
2.3 成形製程設計.................................................................................................. 50
2.4 成形工程設計.................................................................................................. 52
2.4.1 衝擊後向擠出工程............................................................................... 52
vi
2.4.2 引縮成形工程....................................................................................... 56
2.4.3 縮口成形工程....................................................................................... 59
2.5 材料熱處理製程設計...................................................................................... 62
2.6 冷鍛成形CAE 分析....................................................................................... 64
2.6.1 CAE 分析模型...................................................................................... 64
2.6.2 分析條件設定...................................................................................... 66
2.7 成形實驗設備與特性...................................................................................... 68
2.7.1 真空（氣氛）熱處理管爐設備........................................................... 68
2.7.2 WETORI-50 油壓機............................................................................. 69
2.7.3 KT-400 肘節式鍛機.............................................................................. 70
2.7.4 鍛造負荷量測設備............................................................................... 71
參、結果與討論............................................................................................................ 74
3.1 鍛造成形CAE 分析........................................................................................ 74
3.1.1 後向擠出成形工程.............................................................................. 74
3.1.2 引縮成形工程...................................................................................... 80
3.1.3 縮口成形工程...................................................................................... 87
3.2 鍛造成形試驗................................................................................................. 88
3.2.1 後向擠出成形作業.............................................................................. 88
3.2.2 引縮成形工程...................................................................................... 92
3.2.3 縮口成形工程...................................................................................... 97
肆、結論...................................................................................................................... 101
伍、參考文獻.............................................................................................................. 103
vii
表目錄
表1-1 各種磷酸鹽皮膜的摩擦係數............................................................................ 14
表1-2 DI 法與I I 法製程差異比較表....................................................................... 41
表2-1 尺寸特徵分析表................................................................................................ 49
表2-2 高徑長比筒件以II 法成形之製程參數........................................................... 63
表2-3 Deform 分析條件設定表................................................................................... 67
表2-4 真空（氣氛）熱處理管爐規格表.................................................................... 68
表2-5 WETORI-50 油壓機規格資料........................................................................... 69
表2-6 肘節式鍛造沖床規格資料.............................................................................. 70
表2-7 量測設備性能表................................................................................................ 71
表4-1 高徑長比筒件I I 法成形試驗製程參數........................................................ 102
viii
圖目錄
圖1-1 高徑長比工件相關產品圖............................................................................... 4
圖1-2 國外廠家所開發高徑長比工件之深引伸成形工程道次設計....................... 5
圖1-2(續) 日本旭精機公司所開發之手機電池外殼深引伸成形工程道次設計
(下料與第一道引伸複合成形→第二~七道引伸成形→剪緣→第八道引
縮→前後側向剪緣→左右側向剪緣→側向沖孔).................................... 6
圖1-3 全球小型二次電池市場需求規模預測........................................................... 6
圖1-4 台灣小型電池市場規模分析........................................................................... 7
圖1-5 傳統鍛道工程道次圖....................................................................................... 8
圖1-6 傳統鍛造與淨形鍛造製程工程道次之比較................................................. 10
圖1-7 磷酸鹽皮膜與金屬石鹼組合的潤滑示意圖................................................. 14
圖1-8 模具工程設計技術之關連性......................................................................... 16
圖1-9 衝擊後擠變形分區與應力、應變情況......................................................... 17
圖1-10 兩方向內壓所致衝模的破損......................................................................... 20
圖1-11 模具分割設計.................................................................................................. 20
圖1-12 引縮加工變形分區與應力、應變情況......................................................... 23
圖1-13 引縮模仁工作帶（die land）高度h 選用表................................................ 23
圖1-14 縮口加工變形分區與應力、應變情況......................................................... 25
圖1-15 材料在冷鍛性上應具備的條件..................................................................... 26
圖1-16 鐵-碳平衡相圖............................................................................................... 27
圖1-17 亞共析鋼在不同溫度下組織變化................................................................. 28
圖1-18 理想彈塑性及線性加工硬化應力應變曲線圖............................................. 30
圖1-19 可接受網格與不可接受網格之比較............................................................. 33
圖1-20 鍛造模擬解析應用與傳統設計流程比較..................................................... 34
圖1-21 複印機感光鼓管件不同之塑性加工法圖例................................................. 38
圖1-22 DI 法與I I 法之成形工程比較.................................................................... 39
圖1-23 複印機感光鼓管件DI 法實驗模具結構示意圖........................................... 40
圖1-24 複印機感光鼓管件II 法各道次胚料圖例.................................................... 40
圖2-1 高徑長比薄壁筒件之精密冷鍛製程開發研究架構..................................... 45
圖2-2 高徑長比薄壁筒件冷鍛成形關鍵技術範疇................................................. 46
圖2-3 高徑長比薄壁筒件之精密冷鍛製程開發研究工作流程圖......................... 47
圖2-4 研究載具尺寸圖............................................................................................. 48
圖2-5 成形製程規劃設計......................................................................................... 51
圖2-6 衝擊後向擠出工程模組結構......................................................................... 54
ix
圖2-7 後向擠出成形模具垂直分割設計................................................................. 55
圖2-8 衝模脫料溝設計............................................................................................. 55
圖2-9 引縮成形工程模組結構................................................................................. 58
圖2-10 縮口成形工程模組結構................................................................................. 61
圖2-11 熱處理製程設計參數曲線............................................................................. 62
圖2-12 Deform 分析模型示意圖............................................................................. 65
圖2-13 AISI — 1035 冷間變形塑流應力曲線圖.................................................... 67
圖2-14 真空（氣氛）熱處理管爐之外觀與配備..................................................... 68
圖2-15 WETORI-50 油壓機..................................................................................... 72
圖2-16 KT-400 肘節式鍛機...................................................................................... 72
圖2-17 量測系統架構................................................................................................. 73
圖2-18 Load Cell and Monitor 外觀......................................................................... 73
圖3-1 衝擊後向擠出CAE 分析成形負荷曲線....................................................... 76
圖3-2 後向擠出成形CAE 分析胚料流動變化....................................................... 76
圖3-3 後向擠出成形CAE 分析胚料流線分佈變化............................................... 77
圖3-4 後向擠出成形應變分析................................................................................. 77
圖3-5 後向擠出成形溫度變化分佈......................................................................... 78
圖3-6 上衝頭成形應力變化分佈............................................................................. 78
圖3-7 下衝頭成形應力變化分佈............................................................................. 79
圖3-8 衝模成形應力變化分佈................................................................................. 79
圖3-9 引縮第一道成形CAE 分析成形負荷曲線................................................... 81
圖3-10 引縮第二道成形CAE 分析成形負荷曲線................................................... 81
圖3-11 引縮第三道成形CAE 分析成形負荷曲線................................................... 82
圖3-12 引縮工程CAE 分析各道次胚料高度變化................................................... 82
圖3-13 引縮成形CAE 分析胚料流線分佈變化....................................................... 83
圖3-14 第一道引縮加工胚料成形應變分析............................................................. 84
圖3-15 第二道引縮加工胚料成形應變分析............................................................. 84
圖3-16 第三道引縮加工胚料成形應變分析............................................................. 85
圖3-17 第一道引縮加工模仁成形應力分析............................................................. 85
圖3-18 第二道引縮加工模仁成形應力分析............................................................. 86
圖3-19 第三道引縮加工模仁成形應力分析............................................................. 86
圖3-20 縮口成形CAE 分析胚料流動變化............................................................... 87
圖3-21 衝擊後向擠出模具組裝完成外觀................................................................. 89
圖3-22 衝擊後向擠出成形試驗負荷曲線................................................................. 89
圖3-23 衝擊後向擠出成形完胚料外觀..................................................................... 90
x
圖3-24 後向擠出成形完硬度分佈............................................................................. 90
圖3-25 後向擠出工程－衝頭斷裂相片..................................................................... 91
圖3-26 引縮成形模具組裝完成相片......................................................................... 93
圖3-27 引縮成形工程－胚料成形不良引縮破斷現象............................................. 93
圖3-28 製程退火處理後硬度分佈圖......................................................................... 94
圖3-29 第一道引縮成形試驗負荷曲線..................................................................... 94
圖3-30 第二道引縮成形試驗負荷曲線..................................................................... 95
圖3-31 第三道引縮成形試驗負荷曲線..................................................................... 95
圖3-32 引縮成形完胚料外觀..................................................................................... 96
圖3-33 成形完胚料底部剖面與流線分佈................................................................. 96
圖3-34 縮口成形模具組裝完成相片......................................................................... 98
圖3-35 縮口成形工程－胚料口部皺摺現象............................................................. 98
圖3-36 製程退火處理後硬度分佈圖......................................................................... 99
圖3-37 縮口成形試驗負荷曲線................................................................................. 99
圖3-38 各道次成形胚料實體相片........................................................................... 100
圖3-39 成形完成筒件剖切面實體相片................................................................... 100

參考文獻
1. 張淑珍，1999.2，深引伸模具市場及技術分析，金工產業透析，金屬工業研究
發展中心
2. 張淑珍，1999.7，精密深引伸模具/專題研究，科技專案成果，經濟部技術處。
3. 陳建任，1999.7，沖壓品專題研究，經濟部技術處。
4. 伏和中，陳美先，1998，運輸工具鍛造品應用與需求分析，經濟部。
5. 鄭炳國等，2000，精密鍛造技術手冊，金屬工業研究發展中心。
6. 楊俊彬，1994，溫間無毛邊鍛造技術之研究，鍛造，第三卷，第一期，P93-104，
中華民國鍛造協會。
7. 賴耿陽 譯著，冷間鍛造基礎應用，復漢出版社。
8. 林文樹等，1997，鍛造技術手冊，金屬工業研究發展中心。
9. 戶險峰 編著，冷鍛工藝與模具，機械工藝出版社。
10. Lawrence H. Van Vlack 原著 李志偉 劉森源 張庭瑞 譯， 材料科學與工程第
六版，文京圖書有限公司。
11. DEFORM-3D Users Manual，2004，Version 5.0，Secientific Forming Technologies
Coporation。
12. 高裕倫，2003，應用三維有限元素法於鋼緣熱軋缺陷生成之分析，國立中正大
學，碩士論文。
13. 村川 政夫，アルミ感光ドラムデとその塑性加工法による製作，プレス技術，
第26 卷，第6 號，PP.101~106。
14. 谷關 伸裕 上野 治彥，Production of Aluminum Ultrathin-Walled Cylinder by
the DI Method Using a Floating Die，Journal of the JSTP vol. 43 no. 498(2002-7)。
104
15. Ragab, M.S.; Orban, H.Z. ，Effect of ironing on the residual stresses in deep drawn
cups，Journal of Materials Processing Technology Vol: 99, Issue: 1-3, March 1,
2000 pp. 54-61
16. Chang, Der-Form，An analytical model of the ironing process including redundant
work effect，Journal of Materials Processing Technology Vol: 75, Issue: 1-3,
March 1, 1998 pp. 253-258
17. 楊俊彬，衝擊擠出製程，鍛造季刊，第三卷，第一期，1994，第25~37 頁。
18. 吳日正，衝擊擠出製程在汽車冷媒罐之應用，鍛造季刊，第四卷，第二期，
1995，第31~36 頁。