金屬塑性成形產業為能促進產業升級,提升競爭能力並 積極介入潛力雄厚之電子、電腦產業,板材沖鍛複合成形之製程技術、模具設計與製造技術及自動 化生產技術之研發與應用,實為一重要課題;另基於降低生產成本、減輕產品重量、簡化零件設計與製造及提升產品附加價值等目的,金屬塑性成形領域正積極朝向 高精度淨形成形技術發展。
4-2 何謂淨形成形(Net Shape Forming)
淨形成形之定義如下:
(1) 相對於傳統塑性成形(Plastic Forming),可得較小之後續機械加工,即可符合零件之尺寸及公差要求之成形製程。
(2) 成形零件局部重要位置不須後續機械加工,即可符合零件之尺寸及公差要求之成形製程。
(3) 在符合零件之尺寸及公差範圍內,鍛件可不須後續機械加工之成形製程。
4-3 塑性加工製品高精度化之因素
金屬塑性加工現正朝著三大目標發展:
1. 製品精密化(淨形零件開發)
2. 製程合理化(以最小投資成本及生產成本為製程整合與應用之原則)
3. 自動化、省力化
日 本塑性加工學界大師工藤英明教授於其所發表之“精密鍛造的現狀與未來“中提到了塑性 加工高精度化之因素(如圖一所示)。由圖一中可知,為能滿足21世紀工業競爭之趨勢與潮流:省能源、省資源、高效率化;價值觀多樣化;製品輕細小化等需 求,並進而提升塑性加工業界之國際競爭能力,塑性加工製品不得不結合自動化生產與組裝並提升其製品之精度。
圖(一) 請點選
塑性加工製品精度提升之需求,可由下列幾項因素反映之:
1. 減少後續加工
2. 零件形狀一體化、複雜化
3. 流線切斷極小化
4. 高附加價值化
5. 表面平滑化
6. 細密加工化
4-4 板材流動控制成形法(Flow Control Forming),簡稱FCF
1. 板材流動控制成形法(FCF)簡介
(1) 近來,於塑性成形領域,製造淨形零件(不須後績加工),以降低生產製造成本之需求日益殷切,於板金成形製程中有效的加入冷間鍛造製程為一極有效的方法,因此FCF製程因應而生。此專有名詞,其實質之製程為板金成形與冷間鍛造之合技術。(如圖二所示)
圖(二) 請點選
(2) FCF製程是對材料的塑性流動進行精確控制,其可提升產品精度,於零件不同部位獲得不同之尺寸、厚度要求,補償了板金成形之缺點,以加工出高附加價值的複 雜形狀製品,這種加工方法將開創塑性 加工新領域,預期此將取代部份成形+切削、粉末冶金與壓鑄等技術,並擴大塑性加工的使用範圍。
(3) FCF製程因採用板材下料的方式,故於生產技術中,大都採用板金成形之生產方式。
微小形零件一採用連續沖模自動化生產。
1. 小型零件一採用連續沖模自動化生產。
2. 中、小型零件形狀較雜,應用工序較少者-採用胚料傳送自動化生產。
3. 中、小型零件形狀較複雜,應用工序較少者-採用複合模具,實施人工生產或結合機械手(robot)之自動化生產。
(4) FCF製程工件成形應力較冷間鍛造製程者小,如圖(三)所示。
圖(三) 請點選
(5) 圖(四)所示為板材沖鍛成形製程所包含之冷間鍛造與板金沖壓基本工序。
圖(三之一) 請點選
4-4-2 應用FCF製開發之產品例(Helical cup)Helical cup沖鍛件如圖(四)、圖(五)所示。
圖(四)應用沖鍛複合技術開發之耳機軛
圖(五) 應用沖鍛複合技術開發之零件
(1) Helical cup應用傳統冷間鍛造製程,如圖(六)所示。
圖(六) Helical cup傳統冷間鍛造
(2) Helical cup應用FCF製程,如圖(七)所示。
圖(七) 請點選
4-4-3 板材流動控制成形(沖鍛成形)之優劣點
因板材沖鍛成形製程採沖床加工方式(生產速度高)且為淨形零件製造製程,除必要之螺紋加工外,無後續機械加工,故其製造成本遠低於他種零件製造製程,經實績印証,其可取代下列製程技術所生產之產品。
1. 脫臘鑄造法
2. 壓鑄+切削加工
3. 沖壓加工+切削加工
4. 切削+研磨
5. 嵌合、銲接之組合零件
(一)板材沖鍛成形製程之優點
1. 產品之高精度安定化
2. 產品開發時程大幅縮短
3. 整體加工成本大幅減低
4. 產品強度增加(流線未被切削破壞、加工硬化等)
5. 因強度增加,產品可小型化、輕量化
6. 因採沖床加工,產品可大批量穩定供應
(二)板材沖鍛成形製程之缺點
1. 與沖壓加工比較,模具局部位置承受極高之集中負荷,模具剛度之要求與設計為重要之課題。
2. 若應用冷鍛連續沖模製程開發微小或小型淨形另件,因加工工序多,需求較寬台面之沖床,且因連續模具有局部位置承受極高之集中負荷,故壓床不能單純採用一般之沖庄沖床或冷鍛沖床;須選用高精度,高剛性且滑塊運動特性特別要求之成形設備。
3. 模具精度要求高故模具製作費用極高,非為一般之沖壓模具與冷鍛模具所能比擬,故適合大批量之零件生產。
4-5 擺輾鍛造(Orbital Forging)
4-5-1擺輾鍛造之基本原理及類型
擺 輾鍛造是1960年代始出現的一種壓力加工製程,相關之研究及開發工作主要集中於英國、波蘭、西德、日本及中國大陸等國,近 年在歐洲(德國、波蘭、瑞士)、中國大陸及日本等國已經成功的應用於汽機車、機床、電器、刀具及五金等產業零件之生產。由於此一製程具備省力(為傳統壓床 鍛造成形負荷的1/5~1/20)、精度高、無震動、噪音小與設備投資少的優點,因此可以預期在環保法規愈趨嚴格的末來,本製程必將得到愈來愈廣泛的應 用。
擺輾鍛造為一項新的加工技術、加工時因模具與工件是呈局部接觸的方式,故其所需的鍛造負荷較傳統製程為小,因而鍛造加工機的出力和模具受力同樣減低,但因擺輾鍛造在成形機構與成形原理均和傳統鍛造方式有別,所以必須考慮到不同的製程參數。
(一)基本原理
擺 輾鍛造之基本原理如圖(八)(a)所示,其上模之中心線0’0相對於下模中心線Z0傾斜了一個小角度γ,因此在成形時作用力 僅作用於工件表面之局部區域如圖(八)(b)所示,利用上模之迴轉,逐次壓縮材料使之成形,由於每一瞬間材料與模具之接觸面積很小,因此可大為節省所需之 成形壓力。
擺輾鍛造由於具備以冷鍛方式將形狀複雜零件鍛造成近淨形(或淨形)鍛件之能力,故擁有極大的市場潛力,而且擺 輾鍛造能以傳統鍛 造製程的1/5~1/15的成形負荷即能鍛製出相同尺寸的產品,因此在鍛機的投資成本上要經濟許多;另外,由於特殊成形方式及成形負荷的降低,自然也沒有 一般傳統鍛造製程惱人的噪音及振動問題,對工作環境的改善及工作效率的提昇亦有極大的幫助。
圖(八) 擺輾鍛造示意圖
(二)運動類型
擺輾鍛機中上下模的基本運動形式有三種:
1. 迴轉(Rotation):模具繞自軸旋轉。
2. 平移(Feeding):模具沿一個固定方向移動,一般稱為進給。
3. 擺輾(Rocking):模具相對於另一軸迴轉,而使得模具搖擺晃動。
由上下模運動模式的不同組合,擺輾鍛機可分為三種機型,如圖(九)。
圖(九) 擺輾鍛造的三種運動型式
4-5-2 擺輾鍛造之製程參數
擺輾鍛造之重要製程參數包括:擺輾角度(γ)、擺頭轉速(n)、每轉進給量(s)、擺頭與工件接觸時間(t),其在製程中所扮演之角色及影響如下所述:
(1) 擺動角度(γ)
γ 角的大小直接影響到擺頭與工件之間的面積接觸率(λ=擺頭與工件接觸面投影面積 /工件表面投影面積),此乃因擺頭為一圓錐體其圓錐頂角一般取180-2γ°,γ角愈大則圓錐頂角 愈小,擺頭與工件之間的面積接觸率(λ)愈小。而面積 接觸率(λ)的大小又會影響工件成形所需負荷例如當λ=1/n時,即擺頭與工件之間的接觸面積為整體投影面積的1/n倍,則變形力可以減力到原本的1 /n,擺輾鍛造就是在此一觀念上所發展出來的塑性加工製程。
(2) 擺頭轉速(n)
擺頭轉速直接影響設備電機功率,轉速太高不但電機功率成正比增加,且會使機架受力惡化。擺頭轉速亦影響擺頭之每轉進給量(s),因此也直接影響到軸向壓力與鍛件品質(參考(3)之說明)。擺頭轉速一般們於30~300rpm之間。
(3)每轉進給量(s)
每 轉進給量(s)乃指擺頭每轉(搖擺)一圈相對於下模的進給量,其由兩項參數所決 定,即滑塊進給速度(v)與擺頭轉速(n),S=v/n,當s較小時就會產生“蘑菇效應”現象,工件鍛不透。一般S的選擇以使λ=0.2~0.23為宜, 目前常用擺輾鍛造設備的S=0.2~2mm/轉。
(4)擺頭與工件接觸時間(t)
擺頭與工件接觸時間(t)對工件品質有直接影響,t之設定通常以工件達到其設定高度之後,擺頭在工作表面能多輾壓1~2圈,以達到表面精整的效果。
4-5-3擺輾鍛造製程之特點及設備
擺輾鍛造製程之特點
特 點
說 明
l 設備投資成本少
l 噪音、振動少
l 材料步留率高
l 表面精度高
l 適合多樣少量生產方式
l 以冷鍛製程為主
l 成形負荷僅需傳統鍛造之1/5-1/15
l 噪音較傳統製程減少10分貝以上
l 材料步留率可達90%以上,較傳統製程提高10-20%,可節省材料成本約20%
l 鍛品表面精糙度可達Ra0.8μm以內
l 生產線彈性大、生產成本可降低10-15%
l 溫鍛製程時鍛機元件受熱影響需克服(如隔熱、冷卻系統之加裝)
在國內擺輾鍛造是一種新的加工方法,目前僅有金屬工業研究中心有擺輾鍛造機。
(圖十) 金屬中心PXW-200A型 (200噸)擺輾鍛機外觀(波蘭製)
4-5-4 擺輾鍛造之產品
(圖十一) 過用擺輾鍛造製程所鍛製之產品(棘輪、排檔齒輪、端面凸輪等)
4-6 鍛造模具技術
4-6-1 淨形鍛造 (Net Shape Forging)
所謂淨形鍛造就是:
(1) 相對於傳統模鍛製程,可得較小之後續機械加工量之鍛造製程。
(2) 鍛件局部重要位置不需後續機械加工即可符合零件之尺寸及公差要求之鍛造製程。
(3) 在符合零件之尺寸及公差範團內,鍛件可不需後續機械加工。
傳 統的鍛造製程,胚料經由剪切或鋸斷控制下料重量,通過加熱爐之加熱,達到鍛造製 程所需之溫度,藉由送料機構或人員操作,在鍛造機械,如落鍾鍛機或機械壓床的成形下,完成鍛造工程,再進行剪緣及後續之加工。在這些過程中,下料重量的多 寡,加熱能量的消耗,鍛造工程道次,鍛材步留率的高低,鍛品之要求精度,模具製作的費用,操作機台及人員之投資,以及後續加工量的多少、難易等等,都會影 響最終產品的製造成本及其價值。因此,為了降低製作成本、提高產品價值及競爭力,製程設計者紛紛朝向精密淨形鍛造或省能源鍛造的方向前進,以期達到下述目 標:
1. 節省下料重量、提高材料步留率。
2. 結合熱處理製程,降低能源成本。
3. 尋求合理預成形,減少工程道次及模具、設備、人工成本費用。
4. 提高產品精度,降低機械加工成本。
4-6-2 高精度鍛造品之決定因素
欲獲得高精度鍛造品之決定因素如圖(十二)
圖(十二)請點選
4-6-3 鍛造模具之加工技術
決定高精度化鍛造品之決定因素如圖(十二)所示,現依據鍛造模具之加工流程圖及其相關技術整理成圖(十三)及圖(十四)
圖(十三)及圖(十四)請點選
4-6-4 鍛造模具加工技術之發展趨勢
(1) 高速銑削
傳 統銑削加工如要使鍛模加工面達到精加工程度,必須增加加工時間(因 Feed Pitch必須比較小);而像日本等先進國家已發展高速銑削加工機,利用高速銑削加工機,可藉進刀速度(高達10m/min)及心軸rpm(高達 10,000rpm以上)之提高以補償加工時間,並達到精加工程度,生產效率可提高10倍以上,目前日本亦正朝向心軸轉速提高為20,000rpm以上之 高速銑削加工機之開發、應用,表(一)為高速銑削加工機之特性。
(2) 電化學加工(ECM)
電化學加工 (Electro-Chemical Machining)是利用在電解液中的電化學溶解將工件加工成形。加工時工件接電源的正極,工具(電極)接電源的負極,工具(電極)向工件緩慢進給,使 二極之間保持在約0.1~0.5mm間隙,被加工件金屬在電化學作用下以離子狀態進入電解液,形成氫氧化物,而此間隙中的氫氧化物被高速流動之電解液沖 走,以確保電化學反應能持續不斷的進行,直到加工結束。
目前ECM技術之主要應用於難切削材料和複雜模面、模穴、異型孔和薄壁零件的加工,還可用於表面拋光、去毛邊、刻印、磨削、研磨、車削等,其生產效率約為放電加工(EDM)之5~10倍,在某些情況下,甚至可比傳統銑削加工還高,表(二)為其優、缺點。
(3) 自動研磨拋光
鍛造模具模穴之曲面研磨拋光,傳統上均以人工操作,此技術人員必須具有高度的技術及豐富的經驗,目前此類人員不易養成,先進國家已投入開發利用機器人進行模具曲面之自動拋光,目前已有商業產品,但功能仍待加強,設備成本亦太高。
(4) CAD/CAE/CAM系統整合快速模型製作技術(RP)及快速造模技術(RT)
目 前先進國家鍛造模具之設計、加工製作均朝向運用CAD/CAE/CAM系統整合 為主要發展趨勢,但此技術所依賴之人才養成為其主要重點,針對此點日本等先進國家已投入專家系統(Expert System)之開發(如汽車連桿專家系統等),但其困難度頗高,仍停留於研發階段,尚無商業化軟體完成。
快速模型製作技術(Rapid Proto typing, RP)為逆向工程技術之一,其可將產品複製以供外形參考,模具設計或產品功能設計等多項之修正,參酌依據;尤其在產品(如鍛件)並無確切之尺寸資料時、或 欲檢查產品設計變更後之外觀情形時,此技術確實為一大利器;目前依不同製程,其複製品之材質大致有硬化樹脂、粉末狀熱塑性材料、線狀熱塑性材料、薄片材料 (如紙等)。快速模具製作技術(Rapid Tooling ,RT)為利用快速成形技術(RP)所得到之雛形(Prototype),翻製成矽膠模,脫腊模等模具,以便複製原形。
RT技術的發展可以分為兩方面:
(1) 直接造模法:如DTM(Rapid Tool)、EOS(DMLS)、EOS(DCP)、3D system(AIM)、3DP、LOM………等
(2) 間 接造模法(利用RP件翻製模具):如Silicon Rubber、Mold、Epoxy-Aluminum Mold(MRM)、Plaster molding、Metal spraying、3D Keltool、Wax為molding pattern 再cast…..等。
項目
特性
說明
刀具
l 與鋼鐵被加工件,不會產生黏著磨耗及氧化磨耗,壽命較長。
l 磨耗量隨著rpm增加至某一程度,反而減少且更穩定。
l 採用球銑刀為重。
l 採用立方晶氮化硼(CBN)、陶瓷、超硬合金為主要刀具材料。
l 實驗結果驗証有此現象(RPM超過20,000而達35,000次時)。
l 若要用端銑刀,宜採單刃式
被加工件
l 工件溫度不升反降。
l 工件材料以硬質者較佳。
l 高速銑削時,切屑快速地被驅離工件,熱量傳至工件較少。
l 更能發揮生產效率大幅提高效果(如淬火鋼、預硬鋼及中碳合金鋼等)。
其他
l 目前以精加工為主,用於粗加工必須加強加工機之剛性。
l 未來有可能取代部份EDM放電加工技術。
表(一) 高速銑削加工機之特性
優、缺點
項目
說明
優點
l 能以簡單的直線進給運動一次加工出複雜模穴、模面等工件。
l 可加工各種金屬材料。
l 適用於加工易變形或薄壁的零件。
l 生產效率高(進給速度約0.1-1mm/分)。
l 可獲得一定的加工精度及較高的光潔度。
l 電極較無損耗,適合大量生產。
l 如鍛模、葉片、炮管來福線等。
l 與被加工材料之硬度、強度、韌性無關(常用來加工耐高溫超合金、鈦合金、不銹鋼、淬火鋼及其他硬質合金等難切削材料)。
l 加工中不產生加工變形和應力。
l 約為傳統放電加工的5-10倍,某些情形下,甚至能超過切削加工。
l 被加工件表面無殘餘應力、變質層及刀痕毛邊;表面精度可達Ra1.6~0.4μm,加工精度:孔或圓筒為±0.03~0.05mm,鍛模模穴為±0.05~0.2mm,扭曲葉片型面為±0.10~0.25mm,稜邊為小圓角。
l 一個電極約可加工數十至數百個工件。
缺點
l 加工精度還不夠高。
l 難以加工出稜角清晰之工件。
l 單件、小批量生產的應用受限制。
l 設備投資成本較多。
l 形狀越複雜,加工精度愈差;一般低於放電加工(EDM)之加工精度。
l 一般加工出的圓角半徑大於0.2mm。
l 因電極設計、製作較困難費事,並需要一定的夾具。
l 附屬設備多,除主機及電源外,亦需電解液系統及電解產物處理設備等,占地面積較大、成本投資較多,(所有設備均需有防腐蝕功能)。
表(二) 電化學加工之優、缺點
Reference:
(1) 金屬工業 32卷5期 87年9月
淨形加工成形製程 吳春甫
(2) 鍛造 第七卷 第一期 87年3月
(a) 近淨形複合鍛造及先進沖鍛複合成形技術 日本考察心得
吳春甫、鄭炳國、邱先拿
(b) 鍛造模具技術現況與趨勢(一)
王俊傑、蔡盛祺、林文樹
(3) 鍛造 第七卷 第二期 87年7月
鍛造模具技術現況與趨勢(二)
王俊傑、蔡盛祺、林文樹
(4) 鍛造 第七卷 第四期 87年11月
(a) 機車曲柄軸近淨形鍛造技術開發
鄭炳國、黃廣淼
(b) 機車變速齒輪擺輾鍛造製程研發
蘇子可
(c) 從電腦模擬看擺輾鍛造之特性
李榮顯、謝宗鑫、何益彰、周金龍、蘇子可
(5) 鍛造技術手冊 中華民國鍛造協會出版
(6) 新版精密工作便覽 精密工學會編
引用出處:
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