第三章 電腦程式設計與製程分析
3.2 擠製製程分析
在實際金屬擠製製程中，一般是利用一已知外形尺寸的材料來擠成所需的工 件尺寸，擠製過程間各階段的變化希望能利用電腦軟體來分析、模擬，供製程及 模具設計的參考。以下將製程分析所需輸入程式的重要資料逐一說明：
(一)模具外形與材料形狀：
圖 3.2 顯示為擠製成形模具組立圖，模具包含沖頭、置料容器和下模，下模 的模具半角為 30°，出口長度為 5 mm。在擠製製程中，首先將材料放置在置料容 器內，然後以液壓驅動沖頭將材料擠壓通過下模而成形，如圖 3.3 所示。而材料 外形中各參數化尺寸均可依設計上要求而給予鍵入電腦資料檔中，圖 3.4 顯示為 在本文中所採用的模擬尺寸參數
A ：40 mm 0
B ：0 φ35 mm
(二)材料係數的選定：
本文所使用模擬的材料，為鋁合金 AA6061-O，依照 CNS 2112 決定拉伸試
楊氏係數(Young’s modulus) E=1600 kg/mm2 蒲松氏比(Poisson’s ratio) ν=0.33
降伏應力(yield stress) σy=5.63 kg/mm2
摩擦係數 µ＝0.15
應變能密度 250.0 MPa
應力-應變方程式 σ =Kεn =41.8ε0.05 式中 σ ：等效應力(equivalent stress)
ε ：等效應變(equivalent strain) (三)元素分割：
本文分析時前處理部份是以 I-DEAS 軟體依照模具尺寸，建構出 3-D 實體模 型，而在分析時，由於模具為對稱關係，因此每部份僅擷取四分之一來作分析，
以節省運算時間。模具之有限元素網格分割則是採用本計畫所提出的利用九節點 定義工具曲面及其邊界領域，而模具之工具表面基本上可區分為平面、圓柱面、
球面、圓錐面和圓環面，圖 3.5-3.7 顯示為模具的有限元素分割和模具表面的區 分類別，材料之有限元素網格分割則採用八節點實體元素，經由網格分割之後，
材料之元素總數為 648 個元素，節點總數為 896 個節點，如圖 3.8 所示。
(四)邊界條件：
在模具的邊界條件處理方面，置料容器和下模在擠製製程中都設定為固定不 動，而只允許沖頭沿著 Z 方向移動。圖 3.8 顯示為材料之邊界條件之設定。圖中 雙箭號表示旋轉拘束，單箭號為位移拘束，在 XZ 平面上的節點由於具有對稱性，
因此在此平面上的節點之邊界條件為 X 與 Z 方向為旋轉拘束，Y 方向為位移拘 束；在 YZ 平面上的節點由於具有對稱性，因此在此平面上的節點之邊界條件為 Y 與 Z 方向為旋轉拘束，X 方向為位移拘束；而 XZ 平面、YZ 平面交集的軸線 上節點，由於在分析時僅能在 Z 方向上移動，因此此軸線上節點的邊界條件則是 X、Y 與 Z 方向均為旋轉拘束，而 X 與 Y 方向為位移拘束。
(五)材料彈性棒的鋪設：
至於材料節點與模具面之接觸，本計畫以彈性棒之原理來加以克服，亦即當 材料沿著模具表面成形時，在節點與模具面之曲率中心間建立彈性棒，利用此方 式，可確保彈性棒時時保持垂直於模具表面外，沖頭負荷則可經由與模具接觸之 節點力總合求得。在材料的頂面、底面和側面在擠製製程中，由於和模具有接觸，
因此皆需要在節點的位置鋪設彈性棒。
工件
置料容器
固定底板 下模 沖頭
沖頭座
圖 3.2 擠製成形模具組立圖
工件 沖頭
置料容器
固定底板 下模 沖頭座
圖 3.3 工件擠製成形及其邊界關係
圖 3.4 圓柱型試桿外形尺寸
圖 3.5 沖頭的有限元素分割和模具表面的區分類別
圖 3.6 置料容器的有限元素分割和模具表面的區分類別
圖 3.7 下模的有限元素分割和模具表面的區分類別
圖 3.8 材料的有限元素分割和邊界條件設定