自行車造型及功能多樣化，零件幾何形狀也隨之複雜化，複雜形狀鍛品在使用單方向開模之鍛造成形時，具干涉之成品將無法脫料拔模，使用3D鍛造之多方向鍛造機可以提供多軸向之成形與脫模，以便在上料後，完成所有複雜形狀鍛造及順利脫模，解決複雜外形鍛件的開模干涉問題，使產品整合性更好、生產流程更簡化。本研究提出多軸向鍛造機之沖頭構型、承面輪廓設計與道次設計方法，以有限元素法分析其成形性，開發出二種鋁合金自行車中空零件鍛造成形。以一模二沖之製程及模具設計鍛造自行車豎管，可以用同一模具生產多種產品尺寸。

本研究針對自行車豎管發展單道次及雙道次成形法，幾何形狀複雜之自行車豎管無法在成形後單方向頂出，必須使用多軸鍛機成形，並使用本文提出之多種沖頭外形設計方法，完成無缺陷豎管單道次成形。為降低成形負荷及使用同一模穴生產多種長度尺寸成品，本文提出雙道次成形設計，由成品幾何推導出預成形設計參數，使用較佳預成形設計配合第二支沖頭行程控制，可使用同一模具設計生產三種以上尺寸產品。使用雙道次成形除了可降低成形力與合模力外，並避免在預成形過程中發生疊料缺陷。

The configuration and functionality of bike are varied in a complex way. As a result, the geometry design of bike components is more and more complex. The conventional forging press with one-direction of action is not able to forge and eject smoothly due to the interference of complicated part geometry with the die cavity. A 3D press with multi-direction of action is able to forge and eject the forming parts with no occurrence of die interference. The production integration and process flow of a 3D press are improved owing to the flexibility of multi-axel movement. In this thesis, design methods of the die geometry, die bearing, and forging process are proposed. FEM simulations were carried out to analyze the forming process; two hollow products of bike were forged using the developed design methodology. A special die configuration design of one cavity coping with two punches was proposed to produce similar product with different dimension of axial length in the same die.

The end bar and the stem of bike were adopted to demonstrate the one-step and two-step forging process design. The stem product is not able to be ejected after forging in a one-direction forming press. The one-step and two-step forging processes were designed for a multi-direction 3D forging press. The complicated punch designs were proposed to produce a single specification product in the one-step forging process. The preform and punch designs were proposed to produce multi-specification products in the two-step forging process with a die configuration of one-cavity and two-punch. The multi-step design is not only able to lower the forging and clamping loads but also avoid the folding defects.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 ix
符號說明 xiii
一、 緒論 1
1.1. 前言 1
1.2. 文獻回顧 2
1.3. 研究動機及目的 6
二、 成形理論與研究方法 7
2.1. 鍛造方法 7
2.1.1. 鍛造定義與加工流程 7
2.1.2. 鍛造品特性及應用範圍 11
2.2. 多軸鍛造模具設計方法 13
2.2.1. 多軸鍛造簡介 13
2.2.2. 多軸鍛造製程作動方式 13
2.2.3. 多軸鍛造製程設計要點 15
2.3. 田口式品質設計法 17
2.3.1. 實驗計畫法 17
2.3.2. 田口式品質設計法 19
2.3.3. 田口實驗計劃方法步驟 19
2.4. 有限元素分析法理論 24
三、 實驗設備與方法 26
3.1. 鋁合金實驗材料 26
3.2. AL6061-O圓柱壓縮試驗 28
3.2.1. AL6061-O圓柱壓縮試驗目的 28
3.2.2. AL6061-O圓柱壓縮試驗方法步驟 28
3.3. AL6061-O圓環壓縮試驗 30
3.3.1. AL6061-O 圓環壓縮試驗目的 30
3.3.2. AL6061-O圓環壓縮試驗方法步驟 31
3.4. 50噸萬能試驗機 32
3.5. IST-500油壓三通成形機 33
四、 產品與製程設計模擬方法 35
4.1. 反擠伸沖頭模具承面設計方法 35
4.1.1. 軸對稱圓管反擠伸模具最佳化設計 35
4.1.2. 軸對稱圓管反擠伸製程分析模擬模型 38
4.1.3. 非軸對稱沖頭承面設計方法 38
4.1.4. 非軸對稱沖頭承面反擠伸模擬模型 40
4.2. 多軸鍛造預成形模具參數設計 41
4.3. 自行車零件設計 44
4.3.1. 輔助手把設計 44
4.3.2. 龍頭豎管設計 44
4.4. 輔助手把鍛造製程設計方法 46
4.4.1. 輔助手把二道次鍛造製程設計 46
4.4.2. 輔助手把二道次鍛造分析模擬模型 48
4.4.3. 輔助手把一道次鍛造製程設計 49
4.4.4. 輔助手把一道次鍛造分析模擬模型 51
4.5. 龍頭豎管鍛造製程設計方法 51
4.5.1. 龍頭豎管一道次鍛造製程設計 52
4.5.2. 龍頭豎管一道次分析模擬模型 54
4.5.3. 龍頭豎管兩道次鍛造製程設計 55
4.5.4. 龍頭豎管兩道次分析模擬模型 58
五、 結果與討論 60
5.1. 材料試驗結果 60
5.1.1. 圓柱壓縮試驗結果 60
5.1.2. 圓環壓縮試驗結果 64
5.2. 軸對稱反擠伸模具最佳化設計結果 68
5.2.1. 軸對稱反擠伸模具最佳化分析結果 68
5.3. 非軸對稱反擠伸沖頭承面設計結果 71
5.3.1. 沖頭承面設計反擠伸結果 72
5.4. 輔助手把二道次鍛造製程結果 74
5.4.1. 輔助手把二道次鍛造之預成形結果 74
5.4.2. 輔助手把二道次鍛造之完成鍛結果 76
5.4.3. 輔助手把二道次鍛造結果與成品比較 76
5.5. 輔助手把一道次鍛造製程結果 77
5.6. 龍頭豎管一道次製程設計結果 78
5.6.1. 直線型沖頭設計方案結果 78
5.6.2. 錐度型沖頭設計方案結果 80
5.6.3. 階梯型沖頭設計方案結果 81
5.7. 龍頭豎管預成形模具參數設計結果 83
5.8. 龍頭豎管兩道次製程設計結果 85
5.8.1. 龍頭豎管第一道次沖頭造型設計結果 85
5.8.2. 龍頭豎管不同溫度製程負荷結果 87
5.8.3. 使用角度沖頭於第一道次之分析結果 88
5.8.4. 使用曲面沖頭於第一道次之分析結果 89
5.8.5. 龍頭豎管第二道次反擠伸分析結果 91
5.8.6. 龍頭豎管第二道次反擠伸長度差異探討 95
5.9. 龍頭豎管實驗結果 97
5.9.1. 龍頭豎管實驗結果 97
5.9.2. 龍頭豎管修模結果 99
六、 結論與建議 102
6.1. 塑流應力模型(Flow Stress Model) 102
6.2. AL6061-O 與SKD61之摩擦校正曲線 102
6.3. 非軸對稱承面設計 102
6.4. 輔助手把製程比較 102
6.5. 龍頭豎管之一道次製程設計 102
6.6. 龍頭豎管之二道次製程設計 102
6.7. 龍頭豎管之二道次製程-第一道次 103
6.8. 龍頭豎管之二道次製程-第二道次 103
6.9. 龍頭豎管實驗討論 103
6.10. 龍頭豎管修模討論 103
七、 未來展望 104
參考文獻 105
附錄一 108
個人簡歷 111

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