臺灣博碩士論文加值系統

摘要
本研究針對六角凸緣車輛螺栓進行模具設計開發，規劃以4道次成形，考慮成形方法有兩種，一為開模鍛造(方案1)，在最後一道次修剪凸緣，會有廢料產生。二為閉模鍛造(方案2及方案3)，考慮以淨成形方式，直接成形凸緣，無廢料產生。本研究評估兩種成形特性，考慮三種方案，最後選擇以淨成形方式(方案3)進行模具設計。
本研究應用三維剛塑性有限元素法來進行六角凸緣車輛螺栓多道次鍛造分析模擬。使用SolidWorks 繪圖軟體來建構模具與工件，假設定剪摩擦下利用DEFORM 3D 有限元素軟體進行模擬分析，可得知各道次的等效應力、等效應變、速度場、鍛造負荷與鍛件外形尺寸。再者利用DEFORM 3D 來進行模具應力，從分析結果可知模具承受應力，可了解模具是否產生損壞。最後比較成品尺寸以驗證有限元素模擬分析之適用性。
從研究結果顯示，方案3之閉模鍛造除可減少廢料損失外，整體鍛造負荷6,057kN 比方案1之開模鍛造負荷6,108kN小 ，其模具應力比方案2之閉模鍛造改善很多，其尺寸誤差方案1最大誤差為2.43%、方案2最大誤差為1.91%、方案3最大誤差為1.23% ，所以方案3之淨成形模具設計可達到成形六角凸緣車輛螺栓之需求。
關鍵詞：六角凸緣車輛螺栓、淨成形、模具應力、鍛造負荷

Abstract
The study aims at hexagonal flange vehicle bolt to carry out the design development of mold and dies. The four-stage forming has been considered, and two forming methods have: (1) open die forging (case 1), at the last flange trimming, the flash is occurred; (2) closed die forming (case 2 and case 3), the net shape forming is taken into account, no flash is occurred with direct flange forming. The forming characteristics for both methods have been evaluated, considering three cases the net shape forming (case 3) is finally chosen to do the design of mold and dies.
In this study, the multi-stage forging analysis of hexagonal flange vehicle bolt can be simulated by three-dimensional rigid-plastic finite element method. Using the SolidWorks drawing software to conduct the dies and the work-piece, the DEFORM 3D finite element software can be used to simulate and analyze assuming constant shear friction; the effective stress, the effective strain, the velocity field, the forging force and the shape dimensions of fastener can be obtained. Moreover, the stress of dies and forging stream line can be analyzed using DEFORM 3D. From the analysis results to realize the bearing stress of dies fasteners for each stage, the failure of mold and dies. Finally, the dimensions of products have been compared to verify the applicability of the FEM simulation analysis.
The research results show the flash loss in case 3 of closed die forging is reduced, the forging force 6,057kN is lower than 6,107kN in case 1 of open die forging. The improvement of die stress in case 3 is better than case 2, The maximum error of dimensions is 2.43 % for case I, 1.91% for case 2, 1.23% for case 3. Therefore, the mold and dies of net shape forming in case 3 can reach the forming requirement of hexagonal flange vehicle bolt.
Keywords: Hexagonal flange vehicle bolt, Net shape forming , Die stress, Forging force.

目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2 研究動機與研究目的 2
1-2-1研究動機 2
1-2-2研究目的 3
1-2-3論文研究架構 3
1-3扣件製程與產業現況 6
1-3-1 螺絲螺帽成形 7
1-3-2 螺絲螺栓頭部及身部之成形製程 7
1-3-3 螺絲螺紋之成形製程 8
1-4 各種塑性加工解析法 9
1-4-1 切片法 9
1-4-2 極限解析法 9
1-4-3上界限法 9
1-4-4下界限法 10
1-4-5能量法 10
1-4-6滑移線場法 10
1-4-7有限元素法 11
1-5 文獻回顧 12
1-5-1 螺絲螺帽鍛造與有限元素法 12
1-5-2 模具破損機構與壽命相關文獻 16
第二章 鍛造與有限元素法DEFORM介紹 20
2-1 鍛造 20
2-2 各種有限元素法軟體介紹 21
2-3 DEFORM 有限元素法軟體簡介[46] 24
2-3-1 DEFORM分析軟體基本架構及模組 26
2-3-2 DEFORM分析軟體之材料模式 27
2-3-3 DEFORM分析軟體溫度模式 27
2-3-4 DEFORM分析軟體製程模擬功能 27
2-3-5 DEFORM分析軟體之摩擦條件 28
第三章 六角凸緣車輛螺栓多道次鍛造成形分析 30
3-1 合金鋼大螺栓材料成份分析 30
3-2 網格收斂分析 31
3-3 有限元素法模擬參數設定 33
3-4開模鍛造與閉模鍛造 34
3-5 開模鍛造模擬分析(方案1) 35
3-5-1 第1道次成形模擬 35
3-5-2 第2道次成形模擬 38
3-5-3 第3道次成形模擬 41
3-5-4 第4道次成形模擬 45
3-5-5 開模鍛造成形模擬結果 49
3-6 初始之閉模模擬分析(方案2) 51
3-6-1 第1道次成形模擬 51
3-6-2 第2道次成形模擬 54
3-6-3 第3道次成形模擬 57
3-6-4 第4道次成形模擬 60
3-6-5 初始閉模鍛造成形模擬結果 63
3-7 改善後閉模鍛造模擬 (方案3) 67
3-7-1 第1道次成形模擬 67
3-7-2 第2道次成形模擬 71
3-7-3 第3道次成形模擬 75
3-7-4 第4道次成形模擬 79
3-7-5 改善後閉模鍛造成形模擬結果 83
3-8總結 86
第四章結論與建議 88
4-1 結論 88
4-2 建議 89
參考文獻 90

參考文獻
[1] 錢友榮、陳鶴崢，塑性加工學，總經銷大楊出版社，1988。
[2] http: //youngeagle.kkp.nsysu.edu.tw/files/15-1174-70660,c4478-1.php
[3] 謝旻淵，台灣螺絲螺帽產業發展軌跡及成型技術的創新模式之研究，國立高雄第一科技大學，機械與自動化工程系，碩士論文，2003。
[4] 陳狄成，應用有限元素法於缺陷板材壓延加工之解析，國立中山大學，機械與機電工程學系，博士論文，2003。
[5] 黃得晉/金屬中心 ITSI計畫_我國扣件高直化市場現況與發展趨勢，2005。
[6] 姚鋒翔，剪加工模組開發與微細加工之研究，聖約翰科技大學自動化及機電整合研究所，碩士論文，2009。
[7] 薛褔南，塑性加工學，全華科技股份有限公司，1990。
[8] 餘煥騰、陳適範，金屬塑性加工學，全華科技股份有限公司，2003。
[9] 許泉源，塑性加工的工具設計，全華科技股份有限公司，1989。
[10] 鄒國益、黃仁聰、范德泉，扣件電腦輔助設計與製程動態模擬，2009 精密機械與製造科技研討會，E09-01~E09-06頁，2009。
[11] 鄒國益、陳義松，六角凸緣螺栓鍛造成形有限元素模擬與分析，2011 精密機械與製造科技研討會，E006-1~E006-07頁，2011。
[12] 黃德福、鄒國益、鄧翔明 耕耘機零件多道次冷鍛成形設計與分析， 2011 精密機械與製造科技研討會，E003-1~E003-05頁，2011。
[13] 廖鴻賓，MARC 應用於冷鍛加工分析及其驗證，國立中央大學，機械工程研究所，碩士論文，2003。
[14] 鄒國益、施經緯，法蘭套管成形模擬與模具應力分析，2011精密機械與製造科技研討會，E003-1~E003-08頁， 2011。
[15] 陳建利，兩道式正齒輪分流冷鍛有限元素模擬分析，國立虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系，碩士論文，2007。
[16] 王水鐸，利用破壞能量做多道次冷鍛模具設計之評估，成功大學機械工程系，博士論文，2007。
[17] G. Maccarini, C. Giardini, G. Pellegrini, and A, Bugini, The influence of die geometry on cold extrusion forging operations : FEM and experimental results, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 27, pp. 227-238, 1991.
[18] S.I. Oh, W.T. Wu, and J.P. Tang, Simulations of cold forging processes by the DEFORM system, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 35, pp. 357-370, 1992.
[19] Kurt Lange, Arndt Hettig, and Markus Knoerr, Increasing tool life in cold forging through advanced design and tool manufactureing technique, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 35, pp. 495-513, 1992.
[20] Yuichi Nagao, Markus Knoerr, and Taylan Altan, Improvement of tool life in cold forging of complex automotive parts, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 46, pp. 73-85,1994.
[21] Hyunkee Kim, Kevin Sweeney, and Taylan Altan, Application of computer aided simulation to investigate metal flow in selected forging operations, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 46, pp. 127-154, 1994.
[22] Markus Knoerr, Kurt Lange, and Taylan Altan, Fatique failure of cold forging tooling : causes and possible solutions through fatique analysis, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 46, pp. 57-71, 1994.
[23] H. Ou,R.Balendra, Preform design for forging of aerofoil sections using FE simulation, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 80, pp. 144-148, 1998.
[24] B. Falk, U. Engel, and M. Geiger, Fundamental aspects for the evaluation of the fatigue behavior of cold forging tools, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 119, pp. 158-164, 2001.
[25] Youngseon Lee, Junghwan Lee, T. Ishikawa, Anslysis of the elastic chatacteristics at forging die for the cold forged dimensional accuracy, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 130-131, pp. 532-539, 2002.
[26] Wagner, A. Putz, U. Engel, Improvement of tool life in cold forging by locally optimized surfaces, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 117, pp. 206-209, 2006.
[27] 鄒國益、劉永田、裴功德，六角凸緣車輛螺栓多道次鍛造成形有限元素模擬，2012中國機械工程學會第二十九屆全國學術研討會-CSME2012，D05-01~ 06，2012。
[28] 劉永田、鄒國益、裴功德，六角凸緣車輛螺栓多道次鍛造成形模具應力與鍛流線分析，2013精密機械與製造科技研討會-PMMT 2013，pp. E010-01~07，2013。
[29] 董光雄，放電加工，復文書局，1988。
[30] J. A. Schey, Tribology in Metalworking: Friction, Lubrication and Wear, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, pp. 483-485.
[31] 李宜哲、陳復國，鍛造模具破損原因之探討，鍛造，pp. 67-78, 1994。
[32] O. Wibom, J. A. Nielsen and N. Bay, Influence of tool temperature on friction and lubrication in cold forging of Steel, 26th ICFG Plenary Meeting, Osaka, 1993.
[33] 江昌勇、 模具的失效分析, 模具工業, No.12, pp.8-11, 1996。
[34] 魏有能，軸對稱閉模鍛造之上界限單元分析，國立成功大學機械工程研究所，碩士論文，1987。
[35] 黃正義，有限元素法於冷鍛製程分析之應用，國立台灣大學機械工程研究所，碩士論文，1992。
[36] 蘇介賢，6061 鋁合金均質化與高溫機械性質研究，國立台灣大學材料科學與工程學研究所，碩士論文，1997。
[37] 周金龍，熱鍛模具磨損分析與鍛造參數設計最佳化研究，國立成功大學機械工程系，
博士論文，2001。
[38] 楊尚融，直鰭片式電腦用散熱片鍛造製程與模具設計之研究，國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系，碩士論文，2002。
[39] 官愛蓮，MARC應用於翼片鍛造之模具最佳化設計，國立中央大學機械工程研究所，碩士論文，2005。
[40] 卓榮明，2005 年，提高熱鍛模具使用壽命的方法，模具， 0121- 672。
[41] 李榮顯，王水鐸，朱凌毅，2005 年，以田口實驗設計法進行多道次冷打頭模具設計最佳化之研究，鍛造，第14 卷，第四期。
[42] 何明祥，斜齒輪溫間擺輾鍛造模具最佳化設計與壽命預估之研究，國立高雄應用科技大學模具工程系，碩士論文，2007。
[43] 董家安，運用系統模擬來探討鍛造模具的生產派工，國立雲林科技大學工業工程與管理研究所，碩士論文，2009。
[44] T. Sobis, U. Engel and M. Geiger, A theoretical study on wear simulation in metal forming processes, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 34, pp. 233-240, 1992.
[45] 楊斯淳，應用Deform 2D/3D 有限元素分析軟體於旋轉擠製成形最佳化之研究，高苑科技大學，機械與自動化工程研究所，碩士論文，2012。
[46] 林篁，肩形螺帽熱間鍛造成形之研究，高苑科技大學，機械與自動化工程研究所，碩士論文，2010。
[47] S. Thipprakmas, M. Jin, M. Murakawa, Journal of Materials Processing Technology, An investigation of material flow analysis in fineblanking process, Vol. 192–193, pp. 237–242, 2007.
[48] Z. H. Chen, C. Y. Tang, T. C. Lee, International Journal of Machine Tools & Manufacture, An investigation of tearing failure in fine-blanking process using coupled thermo-mechanical method, Vol. 44, pp. 155-165, 2004.