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研究生:陳誠鴻
研究生(外文):Chen Chung Hung
論文名稱:微形手術刀之鍛造成形製程分析與改善
論文名稱(外文):An Analysis and Improvement of Forging Processes for Micro-Scalpels
指導教授:許源泉許源泉引用關係
指導教授(外文):Yuan-Chuan Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:機械與電腦輔助工程系碩士班在職專班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:微形手術刀近淨型鍛造有限元素分析
外文關鍵詞:Micro-scalpelNear net forgingFinite element analysis
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台灣鍛造產業歷史悠久,多數鍛造產品都是以冷鍛方式加工產生,目前業界最大問題在於,技術多仰賴師傅傳承,及反覆測試,相當耗費工時與成本,更因為人為因素,導致經驗無法傳承,使得好不容易取得的經驗,就這樣消失了。本文透過實物試驗配合電腦輔助模擬分析進行驗證,讓加工製程能更進一步的提升。

本論文研究探討微形手術刀鍛造製程設計與分析,針對目前加工製程進行改善,達到縮短加工製程時間及節省加工成本。本文分為實物試驗與數值模擬分析,實驗得到微形手術刀鍛造成品,再利用Deform-3D分析軟體模擬出的結果與產品外形進行比對,確認無誤後。再使用Deform-3D針對微形手術刀鍛造製程分析與改善。

模擬分析分為三道次,每道次所產生的胚料流動變形,應力,應變分佈狀況及模具產生之應力,磨耗等狀況,進行討論與研究。從模擬結果得知,第一道次成形外形變化最小,其次為第三道次,第二道次外形變化最大,第一道次最大應力發生在刀頭內部,第二道次與第三道次則發生在刀頭外側周圍。模具最大應力為第二道次,其次為第三道次,最後則是第一道次。
模擬分析結果與實驗比對,模擬分析所得到的數據與成品尺寸差異不大,都在圖面公差±0.05內,顯示模擬後所得到的數值,參考價值極高,往後可作為開發設計的參考依據。得到一套符合目前鍛造的加工模式,達到縮短加工製程時間及節省加工成本的目的。


Taiwan forging industry has a long-standing history. Most of forged products are manufactured through cold-forging technology. Currently, the industry biggest challenge is how to pass on the knowledge base. The forging knowledge and skills still mainly rely on the master-teaching and the repetitive-testing, all of which are time and cost-consuming. And due to human factors, this hard-earned knowledge and skills could be disappeared when the experience can’t be passed on. This dissertation is to explore and improve the forging process through product testing incorporating the computer-aided simulation analysis to conduct verification.
The dissertation is to research the forging process and analysis on minimally invasive surgical knife and to improve the process in order to shorten the manufacturing time and save the costs. The paper will compare the product prototype and data simulation through computer. The forged prototypes of the minimally invasive surgical knife from experiment will be used to compare with the simulation result from DEFORM-3D software in terms of product contour. After confirmation, Deform-3D will be used to analyze the forging process and provide improvement.
Simulation analysis is a 3-step forming process. And each simulation and parameters that deformed of material, load, stress, strain distribution and die stress, wearing condition is discussed and researched. According to the simulation result, we learned the first step of forming process had the least variation of shrinkage. Then, the third step. The second step had the most variation of shrinkage. The maximum stress of the first step occurred at the inside of knife tip; whereas for the second and the third step, it occurred at the outside of knife tip. The maximum mold stress is the second step, followed by the third step, and the last is the first step.
Based on the comparison of simulation analysis and actual product, there is little variation between the data gathered from simulation and actual dimension of product. The simulation can controlled the tolerance within +/-.5. Therefore, the computer-aided simulation analysis can be use as the reference when developing and designing a forging die which is optimized the current forging process to shorten the time and save the costs.


目錄
摘要.................................................. i
Abstract.............................................iii
致謝...................................................v
目錄..................................................vi
表目錄................................................ix
圖目錄.................................................x
符號說明............................................xiii
第一章 緒論...........................................1
1.1前言...............................................1
1.2研究動機與目的.....................................2
1.3研究方法與步驟.....................................3
1.4文獻回顧...........................................5
1.4.1 普通鍛造成形..................................5
1.4.2 近淨型鍛造成形...............................10
1.5論文總覽..........................................12

第二章 基本原理......................................13
2.1 微形手術刀.......................................13
2.2 SUS420J2材料特性.................................16
2.3 近淨型鍛造原理...................................17

第三章 研究方法......................................18
3.1 材料特性實驗.....................................18
3.1.1圓柱拉伸實驗....................................18
3.1.1.1 實驗原理.....................................18
3.1.1.2 實驗步驟及數據整理...........................18
3.2 微形手術刀製程設計...............................24
3.2.1微形手術刀鍛造之普通製程設計....................24
3.2.2微形手術刀鍛造之近淨型製程設計..................25
3.3 有限元素模擬.....................................28
3.3.1 Deform-3D 模擬軟體.............................28
3.3.2鍛造模擬規劃....................................31
3.4鍛造實驗..........................................35
3.4.1實驗原理........................................35
3.4.2實驗步驟........................................35
3.4.2.1試件準備......................................36
3.4.2.2球化退火......................................36
3.4.2.3鍛造成形......................................37
3.4.2.4鍛造成形後....................................39
3.4.2.5 CNC中心加工機加工............................39


第四章 結果與討論...................................................40
4.1微形手術刀普通鍛造製程模擬分析....................40
4.1.1 鍛造流動變形分析...............................40
4.1.2 鍛造成形負荷分析...............................42
4.1.3 手術刀鍛件應力分析.............................43
4.1.4 手術刀鍛件應變分析.............................44
4.1.5 鍛造模具應力分析...............................46
4.1.6 鍛造模具磨耗分析...............................47
4.2微形手術刀普通鍛造之模擬與實驗比較................48
4.2.1鍛造成形後......................................48
4.2.2 CNC中心加工機..................................48
4.2.3模擬與實驗尺寸之差異............................49
4.3微形手術刀近淨形鍛造製程模擬分析..................53
4.3.1近淨形鍛造流動變形分析..........................53
4.3.1.1第一道次成形胚料流動變形分析..................53
4.3.1.2第二道次成形胚料流動變形分析..................54
4.3.1.3第三道次成形胚料流動變形分析..................55
4.3.2 近淨形鍛造成形負荷分析.........................57
4.3.3 手術刀近淨形鍛件應力分析.......................60
4.3.3.1第一道次成形刀頭應力分析......................60
4.3.3.2第二道次成形刀頭應力分析......................61
4.3.3.3第三道次成形刀頭應力分析......................62
4.3.4 手術刀近淨形鍛件應變分析.......................62
4.3.4.1第一道次成形刀頭應變分析......................62
4.3.4.2第二道次成形刀頭應變分析......................63
4.3.4.3第三道次成形刀頭應變分析......................64
4.3.5 近淨形鍛造模具應力分析.........................65
4.3.5.1第一道次模具應力分析..........................65
4.3.5.2第二道次模具應力分析..........................66
4.3.5.3第三道次模具應力分析..........................67
4.3.6 近淨形鍛造模具磨耗分析.........................67
4.3.6.1第一道次模具磨耗分析..........................67
4.3.6.2第二道次模具磨耗分析..........................68
4.3.6.3第三道次模具磨耗分析..........................68
4.4微形手術刀近淨形鍛造之模擬分析結果................69
第五章 結論與建議....................................71
5.1結論..............................................71
5.2建議..............................................72
參考文獻.............................................73
Extended Abstract....................................75
簡歷.................................................80


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