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鍛造成形感測與模具壽期估測

摘要"

本研究針對金屬扣件成形製程如頭部成形、搓牙等,建立成形設備感測與製程數據可視化,擷取設備控制器及安裝鍛造力等感測資料進行資料探勘(Data Mining)及分析。探勘及分析為蒐集一定量的數據,透過機器學習(Machine Learning)方法,主動分析監測趨勢變化,發現潛在故障特徵,提前預警維修排除。在扣件冷成形(Cold heading / Cold forming)過程中,因扣件與模具往復沖鍛,易發生於模具如卡屑、黏料、模具損傷、磨耗過大等問題,從而造成模具壽命減少及扣件製品的尺寸或形狀變異等不良品,如缺角、長度不足、殘留、或突起等不同異常時[1],現場人員須視異常情況,猜測失效可能原因,對模具適當位置的調整,當調整仍未能回復正常時,尚須進一步更換模具組件,方能達到扣件成形的最佳化情況。

關鍵詞:鍛造成形、鍛力感測、模具壽期、機器學習

扣件產業需求

在扣件產業上,台灣已有數十年的製造經驗,扣件所涉及的產業越來越多,主要為汽車產業、航太產業與3C 產業。為因應科技發展與國際間激烈競爭,透過高精度與輕量化改善模具,將使成形後的高值零件運用範圍更為寬廣,將可獲致高單價與高附加價值的零件製造。因此,如何精進扣件的輕量及成形精度已然為目前的扣件產業挑戰。
在扣件的製作流程,包含從線材滾軋、線材盤元、打頭壓造、到輾牙製程等。其中,打頭製程為線材經剪模伸出擋住固定尺寸,裁剪線材之後夾住,送至沖模道次,接著將製品沖出打頭模,以完成頭部成形步驟。而此製程屬於鍛造(Forging)加工,乃藉由沖壓或擠製方式,將鍛件從某一形狀以塑性變形之方法變換至另一種形狀。在鍛造過程中,由於並不改變工件之質量及材料成份,滿足質量不滅定律下,達到所要求之形狀及機械特性。經由鍛造加工所得的工件,亦受到鍛造過程中強迫材料塑性變形,可改善其材料內部的結晶,使材料細緻化、均質化,並獲得優良的抗疲勞性、軔性及耐衝擊性等機械性質,故極適合各種高強度需求之金屬製品或零組件,例如螺絲與螺栓等扣件產品。
一般鍛造加工依模具形式可分為開模(open die)鍛造和閉模(close die)鍛造,開模鍛造又稱為自由鍛造(free forging),也就是將金屬材料放置在平面或簡易形狀面的上下模具間,施以加壓鍛造的加工,其主要用於改善鍛件機械性質及小量鍛造成形,常用有平模(flat dies)、V形模(V-dies)、曲形模(swage dies)等。而閉模鍛造(close die forging)又稱模鍛,是將金屬材料完全密封在三維之模具中,藉鍛造機施加之擠壓或衝擊之能量使金屬變形以充滿模穴,故其具有尺寸穩定,適合大量生產。此種鍛造方法由胚料到完工成形為止,必須經過多道中間成形過程,尤其是形狀複雜之鍛件更不是一道製程或一套模具就即可完成的,一般中間成形過程包括材料體積分配、彎曲、預鍛成形及最後精鍛成形過程[2]。
典型閉模鍛造時材料變形的過程,一開始材料受到壓力進行端壓(upsetting)逐漸向水平方向的兩側變形,當材料接近狹窄的溢料口時,即產生較高的成形壓力,使得材料開始進行充模直到完全充填,最後多餘的材料便形成了溢料(flash),一般鍛造負載行程(forging load/stroke)曲線如圖1所示[2]。
然由於影響模具受力大小的因素有許多,如模具幾何形狀、摩擦因子、溫度、胚料硬度、成形參數、與下壓速度等都會有所影響。典型分析冷鍛中,常用塑性變形、恆溫成形、與定剪摩擦等假設,簡要說明如下[4]:
1. 塑性模式:鍛造過程中,胚料變形屬大量塑性變形。典型例子假設胚料為剛塑性體,忽略彈性變形,只單純分析塑性變形。
2. 恆溫模式:於室溫中進行鍛造,因胚料溫度加工前後變化不大,忽略溫度變異因子。
3. 摩擦模式:影響模具與工件摩擦因子的因素很多,為簡化計算,常假設界面摩擦為固定值。
4. 均值與等向性:為簡化模擬與減少在模擬複雜度,一般假設胚料性質為均質性且等向性,忽略方向性對於胚料性質造成的差異。
然而當模具成形參數固定,塑性變形、均值與等向性或可視為固定;然當模具異常或潤滑不足時,定剪摩擦與恆溫模式等假設將難以滿足,因而造成設計與實際產出的變異。如以六角螺絲為例,由於模具幾何形狀包含頭高、頭底邊圓角、頭承面圓角、與入料口圓角等,由於模具最大主應力主要分布在頭承面圓角與入料口圓角[5]。若模具發生破壞,將造成模具與工件摩擦增加與變異,如此導致扣件的頭承面圓角與入料口圓角等處幾何變異。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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