扣件成形製程與模具輔助設計系統之研發
摘要：鍛造產業已朝向高品質、短的訂貨交付時間、少量多樣及客製化等方向發展，為了因應此趨勢，數位輔助設計與設計客製化技術之研發已成為鍛造產業關注的研發主題。本研究針對螺絲類扣件產品，分析與歸納其形狀複雜度之變化，提出一種螺絲形狀分類指標，並考慮材料之成形極限與使用電腦輔助模擬驗證預成形設計，發展螺絲鍛品成形道次數預估方法與鍛胚幾何設計模型，以建構可提供螺絲形狀複雜度、成形道次數及預成形幾何等資訊之預成形設計系統。此外，考慮鍛胚與模具之關鍵尺寸，本研究也建立一個模具參數化設計之模型。本文所提之預成設計系統不僅可有效地預估多種螺絲鍛品之成形道次數，並可提供其預成形與模具設計之參考資料。
Abstract：The forging industry has been heading toward high quality, short lead time, low volume and high variety, and customization. In response to these trends, the research and development of digital aided design and design customization techniques have been widely interested in the forging industry. This study analyzes and summarizes the changes in the shape complexity of screw fastener products to establish a classification rule of screw shape. By considering the forming limit of the material and using the computer simulation for verifying preform designs, the method for estimating the number of forming stages of the screw forging and the geometric design models of the forging products have been developed to construct a preform design system which can provide the information on the shape complexity of the product, the number of forming stages, and the preform geometry. This study also considered the critical dimensions of the workpiece and die to construct a parametric model for die design. The developed preform design system can not only effectively estimate the number of forming stages but also provide references for the preform and die designs for various screw forgings.
關鍵詞：形狀複雜度、扣件、輔助設計系統
Keywords：Shape complexity, Fastener, Aided design system
前言
一般螺絲鍛品係經由鍛造或擠製成形改變鍛胚形狀，由初始形狀相對簡單之幾何，逐漸變為最終形狀複雜之成品，其表面積逐漸增加，成形之困難度也隨之升高。因此，鍛品表面積與其體積之比，可以作為定義形狀複雜度因子(Shape Complexity Factor)之參考，亦可作為評估鍛造困難度之指標[1, 2]。此外，軸對稱形狀之鍛件也可以考慮利用其截面之周長與面積之比值，分別定義軸向與縱向之形狀複雜度因子，或結合此二因子，作為評估鍛件形狀複雜度之指標[3, 4]。這些形狀複雜度因子不僅可作為評估鍛件成形困難度之指標，亦可用於鍛件形狀分類之參考。再者，近年有學者以形狀複雜度因子探討鍛造程序之議題，Tomov等人[5]將形狀複雜度因子應用於熱鍛產品，探討其於鍛造時所需之鍛造能量，且訂定鍛件成形所需之預成形道次數的法則。此外，規劃鍛造作業時應估算所需之鍛造力並選擇適當之機台設備，而鍛造所需之鍛造力取決於鍛件的幾何複雜度，若定義鍛件的形狀複雜性且加以量化，將有助於鍛品成形性之評估[6, 7]。
本研究以參考文獻[1, 2]所提之形狀複雜度因子為基礎，假想一個圓柱體包覆螺絲鍛品頭部，此圓柱體之高度為鍛品頭部之高度，其直徑為鍛品之最大外徑，而鍛品體積與此包覆圓柱體積之比值可定義為一種複雜度指標，作為評估鍛造困難度之參考，同時依據形狀複雜度之概念，建立一個螺絲頭部形狀之分類模型。此外，本研究使用形狀複雜度與材料之成形極限為參數，並使用電腦輔助模擬驗證預成形設計，發展預估成形道次數之預測模型與鍛胚幾何設計之模型，並應用前述結果，建構一個螺絲鍛品之預成形設計系統，可提供螺絲鍛胚幾何、預成形幾何及成形負荷等資訊。
產品製程設計模型
1. 形狀分類模型
本研究利用形狀複雜度因子的概念，建立一個以二維型態表示之截面複雜度，此種複雜度係將螺絲頭部截面以一假想圓包覆(以下簡稱包絡圓)，圓之外徑為頭部最大投影面積，而此圓之面積與頭部截面之面積比值可作為螺絲分類模型之指標，如圖 1所示。
圖1 分類模型指標
本研究依螺絲頭部之截面形狀，定義截面複雜度, S
並考慮其截面形狀之變化，依特徵截面形狀之數目(n)，計算截面複雜度(SM)如下：
(1)
截面複雜度可以呈現螺絲頭部形狀之特性，其關係如下:
(a)當 SM = 1, 螺絲頭部形狀為「軸對稱」；
(b)當 SM > 1, 螺絲頭部形狀為「非軸對稱」。
此外，SM值可針對廣義的鍛品形狀進行分析，建立分類之臨界指標，作為智慧辨識系統之判斷依據。圖1顯示兩種不同特徵截面形狀之截面複雜度，其中六角形之截面有較大的複雜度。
2.成形道次數之預估模型
本研究之鍛品成形道次數預估模型係利用前述鍛造困難度的概念，並結合材料之成形極限為參數，建立一個以形狀複雜度與橫截面積比為核心架構之預估模型。其中，形狀複雜度之定義係以一假想圓柱體包覆鍛件(以下簡稱包絡體)，圓柱高度為鍛件之最高高度，圓柱直徑為鍛件之最大外徑，將此圓柱體進行體積計算後，所得之數值即為包絡體體積。此形狀複雜度因子可呈現螺絲鍛品頭部之整體複雜性，其定義如下：
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