圓環壓縮試驗結果

本研究中，透過圓環壓縮試驗的結果與有限元素分析結果比較，而能測得鍛胚與模具接觸面之定 剪摩擦因子 。經不同壓縮量壓縮後變形之圓環，因變形後之內孔徑並非真圓，因此在量測內孔徑時，

分別在圓環端面之 0°、30°、60°、90°、120°、150°等方向量測內孔徑，而以量測之平均值做為圓環 內孔變形後之內徑值，變形後之圓環胚料及量測方向及結果如圖. 23 及表. 6 所示，而分析結果及 DEFORM 量測點資料分別如圖. 24及圖. 25所示。

圖. 23 SCM-415 之圓環壓縮試驗結果

根據有限元素分析軟體 DEFORM 與實驗結果比較，如圖. 26所示。由內徑及高度減縮比所估算出皮膜 化處理之定剪摩擦因子分佈於 0.10~0.15 之間，再經參考 DEFORM 軟體中所建議鋼模冷鍛之定剪摩擦 因子為 0.12，因此在分析中皮膜化處理之定剪摩擦因此採用 0.12。

表. 6 SCM415 圓環壓縮內孔徑量測結果表 SCM415 皮膜化處理

10% 0° 30° 60° 90° 120° 150° Ave.

15.64 15.72 15.6 15.56 15.64 15.66 15.636

20% 0° 30° 60° 90° 120° 150° Ave.

15.8 16 15.96 15.8 15.7 15.77 15.838

30% 0° 30° 60° 90° 120° 150° Ave.

16.3 15.88 15.64 15.7 16.08 16.26 15.976

40% 0° 30° 60° 90° 120° 150° Ave.

16.02 15.8 15.68 15.86 16 15.96 15.886

50% 0° 30° 60° 90° 120° 150° Ave.

15.26 15.5 15.16 14.7 14.66 14.92 15.033

圖. 25 DEFORM 圓環壓縮模擬內徑測量點

圖. 26 DEFORM 及實驗之摩擦校正曲線比較圖 Top die

Bottom die

workpiece

Friction Calibration curve

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

0 50 100

height reduction ratio (%)

Inner hole reduction ratio (%)

AISI-1015 m=0.05 AISI-1015 m=0.1 AISI-1015 m=0.15 AISI-1015 m=0.2 AISI-1015 m=0.3 AISI-1015 m=0.5 AISI-1015 m=1.0 皮膜化

4.2 齒輪擺輾上界限分析結果

齒輪擺輾上界限分析推導所使用之參數及符號，如表. 7 所列，推導所使用之材料模型為冪次（Power law）塑流應力模型，摩擦為定剪摩擦。依齒輪特徵所劃分之速度場如圖. 27 所示，簡化為四區速度場，

將分別推導該四速度場之速度場、應變率場、變形消耗功、摩擦消耗功、速度不連續消耗功、及總消 耗功，最終將可預估所需之成形力。

□ 符號說明

表. 7 齒輪擺輾上界限分析法符號列表

V o 初始速度 u _r 徑向位移 U _r 徑向速度分量 _r 徑向應變率 W o 沖頭轉速 u_ 環向位移 U_ 環向速度分量 _ 環向應變率 V sd 速度不連續

速度 u ^z 軸向位移 U _z 軸向速度分量 _z 軸向應變率 WT 總消耗功率 A 齒輪圓周角度  等效應變 _r 徑-環向應變率 WI 變形消耗功率  齒輪圓周角度  ^等效應力 ^z 環-軸向應變率 WSD 速度不連續

消耗功率  齒輪角度 k 剪降伏應力 _zr 軸-徑向應變率

WF 摩擦消耗功率 m 定剪摩擦因子 s 表面積  等效應變率

Note：

（1） 變數及函數，使用小寫符號。

（2） 尺寸使用大寫符號。

（3） 方向，速度不隨角度變化，而隨半徑（r）變化，越外側，速度越快。

□ 基本假設

1. 胚料塑流應力模型：冪次模型（Power law model），SCM415， 706.18^0.2452； 2. 摩擦模型：定剪摩擦（constant shear friction），

mk m 3

   ；

□ 劃分速度場（Velocity field）

圖. 27 速度場及尺寸參數示意圖

表. 8 參數及尺寸列表

參數名稱 參數值 參數名稱 參數值 參數名稱 參數值

H o 8 mm Rf 37.5 mm A 3 degree

H b 9 mm R i 34.5 mm B 10 degree

H f 5 mm Ro 24.5 mm  77 degree

R m 29.5 mm m 0.12 V o 1 mm/sec. W o 10.472 rad/sec.

Zone-I

Zone-II Zone-III

Zone-IV

H o

H f

H b

Rf

R i

Ro

R m

A B



4.2.1 各分區速度分量及應變率（Velocity component and strain rate）

□ Zone-I

Velocity field

擺輾沖頭在胚料表面旋轉，胚料往下流動，無徑向流動。

Strain rate

1

□ Zone-II Velocity field

Zone-I 與 Zone-II 間之接觸面（S ） ₁₂

Strain rate

2

□ Zone-III Velocity field

3 0

Strain rate

3 i 2

4.2.2 變形（Deformation）消耗功率

706.19 0.47

3 4 360

1 1318.27 WD 

706.19 0.47

3 4 360

zone II

D v

2 2862.29 WD 

□ Zone-III

0.2452 2

3 2 2 4

( ) ( )

706.19 0.47 2 ( )

3 2

zone III

D v

3 2862.29 WD 

4.2.3 摩擦（Friction）消耗功率

Tool

F Tool Tool

S

21921 325.976 459.028 22706.5

3 3 3

2 1709.52+3645.14 10709.3

4.2.4 速度不連續（Velocity discontinuous）消耗功率

4861 115 338.813

4.2.4 總消耗功率

T D F SD

T v s s s sd

W W W W

W  dv u ds k u ds

  













總消耗功率為：

8574.78 38373 44449.8 91397.58( )

T sec

W     N mm

負荷為：

91397.58

91397.58( ) 9.14( ) 1

T o

L W N Ton

 V   

4.3 中空齒環擺輾成形有限元素分析與實驗結果

中空齒環成形過程之分析模擬及試驗所得之同步器齒環如圖. 28 所示，且分析之結果與實際鍛打結果 相當符合，由於此一中空齒環具有相當多的齒形特徵，因此透過不同比例的網格密度，將接近齒形模 穴之網格設定為更為細緻，以期可以得到適當的結果。

1. 成形負荷(Load)

如圖. 29(a)所示，由於中空齒環具有相當多的齒形特徵，因此造成成形負荷相當地不平順，成往復式成 長，當擺頭運動到不同的角度時，就會有不同的齒部被成形，因此負荷的成長也就隨著不同旋壓的角 度而造成不一樣的負荷成長。與傳統鍛造相比，漸進式成形的擺輾鍛造負荷是相當小的。

2. 破壞分佈(Damage)

破壞分佈如圖 5-22(b)所示，依擺動模在不同角度的位置，會造成不同之分析結果， 當擺動模接觸到 的地方，則破壞分佈相對於無接觸之區域為高，但在變形區域內之破壞分佈區間仍在可接受範圍內，

唯在溢料處之破壞值相當高，但這是分析軟體本身之誤差所致，可忽略之。

3. 等效應變(Effective strain)分佈

等效應變分佈如圖 5-22(c)所示，擺動模接觸到的區域應變值較高為接觸區域較小，此結果合理，唯在 溢料處為高應變區域，因此高應變值分佈主要位於溢料處。

4. 等效應力(Effective stress)分佈

等效應力分佈如圖 5-22(d)所示，胚料底端要成形齒部的區域，該區域之應力值較高，這是因為該區域 之應變較為激烈，因此在這些區域會有高應力產生。

圖. 28 中空齒環成形過程與實驗結果比較圖

Max. Load：84 Tons

Stroke (mm) Damage

647 438 220 0 Effective stess

(MPa) 3.49

2.45 1.41 0 Effective strain

Step 1 Step 50 Step 85

第五章 結論

輪模型，因此本研究中所使用的階級齒輪(stage gear)及中空齒環(synchnized ring gear)之齒輪實體模型，

皆為自行設計所得。

附件一 國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■ 達成目標

□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□ 實驗失敗

□ 因故實驗中斷

□ 其他原因 說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：▓已發表 □未發表之文稿□撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

本研究計畫所開發之擺輾上界限法，可在經過 CAE 分析前，用來預估成形負 荷，而此計畫所著重的擺輾成形技術，具有成形負荷低、能量消耗少、過作 噪音低等優點，但其成形設備結構複雜，目前國內尚無廠商有自主開發能力，

主要設備設計技術掌握在德國、美國及日本廠商手中，本計畫先建構出最基 本的圓形擺輾上界限分析模型，接著要建立不同軌跡之數學模型，但並無相 關設備可供實驗驗證，因此傾向於自行開發具多軌跡之擺輾成形設備。未來 該技術可利用其低成形負荷的特性，提高產品成形精度，應用於運輸產業、

精微零件等領域。

在文檔中 擺輾鍛造成形分析及路徑設計---以齒輸產品應用為例 (頁 26-0)