臺灣博碩士論文加值系統

本文應用Deform 3D 有限元素分析軟體模擬新產品開發以提出各種可能的成形規
劃進行分析。為了應用Deform 3D 有限元素分析軟體，本研究進行圓柱壓縮試驗
取得鍛造材料的塑流應力方程式，及進行圓環壓縮試驗求得模具成形時與鍛造材
料之間的定剪摩擦因子(m)，並且進行試棒的拉伸試驗，配合Cockcroft & Latham
及Normalized Cockcroft & Latham 兩種破壞準則，求得材料的臨界破壞值(CDV)。
藉由Deform 3D 的模擬分析，以了解各成形方案中的各道次之等效應力、等效應
變、速度場分佈及多道次鍛造負荷等等資料，從中選擇最佳方案。並配合田口法
應用直交表L9(34)對於最佳方案中進行冲模具的形狀及尺寸之調整， 並進行確認
實驗模擬分析，求得最佳模具參數組合。並比較實驗之產品，其模擬仿真度達95%
以上，以驗證有限元素分析模式之適用性。
再者，由於使用模仁材料幾乎都是粉末燒結而成的鵭鋼材質，此種材料很難承受
周向張應力，極易造成模仁縱向破裂。因此，為了暸解模具受力後之應力分佈，
特別探討單一模殼干涉配合及應力環干涉配合所產生模仁、模殼、應力環之周向
應力、徑向應力及等效應力分佈，可了解因干涉配合對於模仁周向應力之影響，
亦可了解所產生之等效應力是否超出模具材料所能容許之降伏強度，以防止模具
之損壞。本研究提出一系列之模擬探討與實驗驗証，可做為鍛造工業之参考。

The study uses Deform 3D FEM analysis software to simulate the new product
development, and propose the analysis of various possible forming plans. This study
carries out the realistic cylinder compression to obtain the flow stress, and performes
really the ring compression to get the frictional factors between the dies and forged
materials in forming to simulate with. Deform 3D FEM analysis software. And the
tension test of rod has been carried out to obtain the critical damage value (CDV)
combining with Cockcroft & Latham and Normalized Cockcroft & Latham damage
ctcriteria. The optimization of parameters assembly has been obtained by Taguchi
method with orthgonal table L9(34) to adjust the shapes and dimensions of punch and
die, and do the confirmation simulation analysis to obtain the optimal parameters
assembly. The realistic multi-stage forging has been performed to realize the
effective stress, the effective strain, the velocity field and the multi-stage forging force
and.compare the product dimensions with the simulation results to verify the
acceptance of FEM analysis model. The similarity has been reached over 95%.
Furthermore, the tungsten steel materials made from the power metallurgy are difficult
to bear the circumferential tensile stress which easy to cause the mold kernel fracture.
Therefore, with a view to understanding the die stress distributions, especially explore
the radial stress, circumferential stress and the effective stress of mold kernel, mold
form and stress ring occurred by single mold form interference fit and stress ring
interference fit. The effect of the interference on the circumferential stress has been
understood, and aslo whether the effective stress occurred exceeds the allowable yield
strength of die material to avoid the die failure. The study proposes a series of
simulation investigations and experiment verifications as the forging industry
reference.

摘 要.............................................................................................................................. I
Abstract ...........................................................................................................................II
誌 謝........................................................................................................................... III
目錄............................................................................................................................... IV
圖目錄........................................................................................................................ VIII
表目錄........................................................................................................................ XIII
第一章 緒論................................................................................................................... 1
1.1 前言................................................................................................................. 1
1.2 研究動機與目的............................................................................................. 2
1.3 文獻回顧......................................................................................................... 3
1.3.1 產業狀況文獻..................................................................................... 3
1.3.2 材料特性文獻..................................................................................... 3
1.3.3 製程與模擬分析文獻......................................................................... 4
1.3.4 田口法文獻......................................................................................... 7
1.3.5 模具應力分析文獻............................................................................. 8
1.3.6 破壞能量及臨界破壞值文獻............................................................. 9
1.4 本文架構介紹............................................................................................... 12
第二章 產品規格與材料参數.................................................................................... 14
2.1 產品規格與材料參數................................................................................... 15
2.2 球化退火處理 (Spheroidize-Annealed) ...................................................... 17
2.2.1 金相顯微組織................................................................................... 18
2.3 塑流應力(Flow Stress) ................................................................................. 19
2.3.1 圓柱壓縮試驗................................................................................... 20
2.3.2 塑流應力方程式............................................................................... 22
2.4 定剪摩擦因子(m)......................................................................................... 26
2.4.1 Deform 2D 模擬分析..................................................................... 26
2.4.2 圓環試片壓縮試驗........................................................................... 30
2.5 延性破壞 (Ductile Fracture)........................................................................ 34
2.5.1 破壞準則 (Fracture Criterion) ......................................................... 34
2.5.2 臨界破壞值(CDV)推估方法............................................................ 36
2.5.3 非均勻實際壓縮及FEM模擬分析................................................... 37
2.5.4 實際拉伸試驗及FEM模擬分析....................................................... 40
2.5.5 Deform模擬驗證C&L臨界破壞值(C1=625.591MPa)................... 46
2.5.6 Deform模擬驗證Normalized C&L臨界破壞值(C2=1.02) ............ 47
2.6 結語............................................................................................................... 49
第三章 成形方法推論................................................................................................ 50
3.1 鍛造加工分類............................................................................................... 52
3.1.1 主成形............................................................................................... 53
3.1.2 補足成形........................................................................................... 56
3.2 產品成形方法推論....................................................................................... 58
3.3 成形方法分析............................................................................................... 63
3.3.1 第一種成形設計(Case Ⅰ)............................................................... 63
3.3.2 第二種成形設計(Case Ⅱ)............................................................... 64
3.3.3 比較兩種成形方法........................................................................... 65
3.4 實心體與中空體密閉鍛粗之負荷及應力比較分析................................... 67
3.4.1 中空體密閉鍛粗(Case Ⅰ)............................................................... 67
3.4.2 實心體密閉鍛粗(Case Ⅱ)............................................................... 68
3.4.3 實心體與中空體之密閉鍛粗負荷分析........................................... 69
3.5 結語............................................................................................................... 72
第四章 成形模擬分析................................................................................................ 73
4.1 Deform 3D模擬參數設定.......................................................................... 74
4.2 第1 道次模擬分析....................................................................................... 75
4.3 第2 道次模擬分析....................................................................................... 79
4.4 第3 道次模擬分析....................................................................................... 83
4.5 第4 道次模擬分析....................................................................................... 88
4.6 第5 道次模擬分析....................................................................................... 92
4.7 第6 道次模擬分析....................................................................................... 96
4.8 成品與模擬尺寸量測................................................................................. 102
4.9 材料體積損失與各道次鍛造負荷............................................................. 104
4.10 結語........................................................................................................... 107
第五章 田口法分析................................................................................................... 108
5.1 第三冲模之田口法分析............................................................................. 108
5.1.1 模擬結果及數據............................................................................. 110
5.1.2 品質特性因子反應表及反應圖..................................................... 111
5.1.3 SNR因子反應表及反應圖........................................................... 114
5.1.4 確認模擬......................................................................................... 115
5.2 第三後冲棒之田口法分析..........................................................................117
5.2.1 模擬結果及數據............................................................................. 118
5.2.2 模擬確認......................................................................................... 119
5.3 修正後第3 道次模擬分析......................................................................... 121
5.4 修正後第4 道次模擬分析......................................................................... 124
5.5 修正後第5 道次模擬分析......................................................................... 127
5.6 修正後第6 道次模擬分析......................................................................... 130
5.7 結語............................................................................................................. 133
第六章 模具應力分析.............................................................................................. 135
6.1 模具材料選擇............................................................................................. 137
6.1.1 冲棒................................................................................................. 137
6.1.2 冲模................................................................................................. 140
6.2 單一干涉配合............................................................................................. 142
6.2.1 單一干涉配合之Deform 3D模擬................................................... 143
6.2.2 模仁壁厚對應力影響之比較......................................................... 146
6.2.3 不同模殼外徑對應力分佈之影響................................................. 149
6.2.4 模仁在成形前後之軸方向應力比較............................................. 150
6.3 應力環干涉配合......................................................................................... 155
6.3.1 應力環干涉配合之Deform 3D模擬............................................... 156
6.3.2 應力環與模殼干涉量對於各種之影響......................................... 158
6.4 結語............................................................................................................. 160
第七章 結論與建議................................................................................................... 161
7.1 結論............................................................................................................. 162
7.1.1 關於臨界破壞值(CDV).................................................................. 162
7.1.2 關於田口方法分析......................................................................... 163
7.1.3 關於模具應力分析......................................................................... 164
7.2 建議............................................................................................................. 165
7.2.1 關於模具耗損................................................................................. 165
7.2.2 關於模具組立................................................................................. 166
参考文献..................................................................................................................... 167
自 述..................................................................................................................... 171
附 錄..................................................................................................................... 172

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