鍛造數位輔助設計系統

作者：

許家豪

刊登日期：2023/11/30

摘要：鍛造產品其成形製程之設計不僅需要考慮材料之成形極限，也需要適當的成形道次數與預成形幾何，才能確保材料充填模穴而完成鍛品製作。而國內鍛造產業多採用經驗式模具設計，且工作環境較為嚴苛，導致人力斷層，製程及模具設計無法有效的銜接與傳承。本文建立鍛造輔助設計之模板，以結合鍛品種類分類模型、成形道次數預估模型以及鍛胚幾何設計模型，建構一個預成形設計系統，可提供鍛品之形狀複雜度、成形道次數、鍛胚幾何、預成形幾何及成形負荷等資訊，目前系統可應用於扣件(螺絲、螺帽)、手工具(套筒、扳手)之產業。

Abstract：The design of the forming process of forged products not only needs to consider the forming limit of the material, but also requires the appropriate number of forming passes and preforming geometry to ensure that the material fills the mold cavity and completes the forging. However, the domestic forging industry mostly adopts empirical mold design, and the working environment is relatively harsh, resulting in manpower gaps and the inability to effectively connect and inherit the process and mold design. This article establishes a template for forging auxiliary design. It combines the forging type classification model, the forming pass estimation model and the forging blank geometric design model to construct a preforming design system that can provide the shape complexity of the forging, the number of forming passes, and the forging pass. Information such as blank geometry, pre-forming geometry and forming load, the current system can be applied to the industry of fasteners (screws, nuts) and hand tools (sleeves, wrenches).

關鍵詞：快速評估系統、鍛造、數位輔助設計

Keywords：Fast Evaluate System, Forging, Digital Aided Design

前言

金屬鍛造產品常應用模造成形技術，經由適當的預成形設計，逐漸地將形狀簡單之鍛胚改變為形狀複雜之鍛品，其表面積隨成形過程逐漸增加，成形的困難度也相對提高。在傳統的成形製程中，往往使用試誤法(Trial and Error)，藉由不斷地開模、試模與修模來做為開發手段。經由現代科技的進步，新興工廠開始導入有限元素方法(FEM)取代傳統試模，但是使用此法與設計者如何建構網格有極大的關聯，假如更換了設計者可能將會造成分析錯誤或分析時間過於冗長。

於成形模擬、上界限法、應力環設計、快速評估的相關文獻: 1.成形模擬: Sheth等人[1]運用FEM與理論的方式進行鍛造負荷預估，再將結果與實驗進行比較，FEM運用LS-DYNA預估鍛造負荷，理論則運用切片法計算，最後理論與FEM相較下理論成形負荷預估較FEM高，但仍然在可接受範圍內。Sheu 等人[2]使用二維、三維有限元素分析及形狀複雜度預測在剖面上材料的流動以及鍛件的變形細節。2.上界限法分析: C. H. Lee等人[3]推導出用於考慮鼓脹量的圓環壓縮試驗速度場。R.Ebrahimi 等人[4]提出用於有鼓脹量的圓柱壓縮試驗上界限分析，並推導出在各式摩擦條件下所對應的鼓脹量最佳化。3.應力環設計: 應力環設計常使用厚壁圓環理論為基礎預估應力環干涉面直徑與干涉量[5]。一般透過Tresca降伏準則可預估出模具的最大承受內壓力，預估適當的干涉面直徑與干涉比，作為設計應力環之依據[6]。Frater[7]以厚壁圓環理論與有線元素軟體模擬的結果作比較，研究結果顯示，在平面應力狀態時可以準確地預測模具應力狀態。4.快速評估系統: Gangopadhyay等人[8]開發基於電腦軟體運算與模糊理論的專家系統來預測鍛造負荷與軸向應力的趨勢，測試的結果與現有文獻中的實驗相比較後結果相當。Donzella等人[9]考慮室溫與鍛件、模具的彈性與彈塑性後對拔模力進行研究，並基於上述條件建立一拔模力理論模型與實驗比對，結果顯示僅有7%的誤差。Myung等人[10]藉由機械零件中的參數模型建置以及專家系統設計出整合系統，此系統有著專家系統的外部運算，再將設計資料庫以及參數模型作為核心。

本文以鍛胚合理體積分配建立製程設計法則及使用上界限法預估其成形負荷，並透過適當的預成形設計與較佳之胚料尺寸選用，將有助於鍛品的設計與製程。並結合電腦輔助模擬驗證預成形設計，發展預估成形負荷模型與鍛胚幾何設計之模型，應用前述結果，建構一個鍛造之預成形設計系統，可提供扣件(螺絲、螺帽)及手工具(套筒、扳手) 之形狀複雜度、成形道次數、鍛胚幾何、預成形幾何及成形負荷等資訊。

扣件數位輔助設計系統

1.成形道次數之預估模型

本文之鍛品成形道次數預估模型係利用扣件鍛品截面之最大包絡圓面積隨成形過程逐漸地增加，其變化與扣件鍛胚之截面積的比值可作為材料變形而不超過成形極限之量化指標。本文定義扣件之橫截面增量比(R)：R=(扣件截面最大包絡圓之面積-鍛胚截面包絡圓知面積)/段胚截面包絡圓之面積

若此比值結合前述之截面形狀複雜度因子，可建構一個預成形道次數之預測模型。適當地考慮扣件之截面形狀複雜度因子(S_c)與螺帽之橫截面增量比(R)，可建構扣件成形道次數之臨界範圍，如圖1所示。

2.鍛胚幾何設計模型

本文建立之胚料直徑估算方法顯示於圖2，鍛胚幾何設計模型顯示於圖3。第一階段之鍛胚幾何設計考慮以鍛品之內接圓尺寸作為鍛胚直徑，進行鍛胚幾何之可行性評估，若於模型中評估為可行方案，將以此鍛胚直徑計算所需高度；反之則依模型之流程進行極限鍛粗比與極限擠製比之計算鍛胚直徑；若計算後依然無法滿足其中一項評估標準，則需考慮更換鍛胚材質或鍛品幾何。當決定初始之鍛胚幾何後，若再透過預成形設計系統之資料庫獲得扣件鍛品之體積，可以進入第二階段將體積加入鍛胚幾何之設計如圖4。此階段之設計係使用第一階段所得之鍛胚直徑，利用鍛品所需之體積計算需要之鍛胚高度，若於模型中評估為可行方案，將以此鍛胚高度作為最終鍛胚尺寸；反之則依模型之流程進行鍛胚直徑與高度之計算。若計算後依然無法滿足其中一項評估標準，則需考慮更換鍛胚材質或鍛品幾何。

圖1 螺絲成形道次數之臨界範圍