軸對稱精抽之隆起分析

Bulge in Axi-symmetric Metal Drawing of Light Reductions

柯嘉洲(Chia-Chou Ke)

指導教授 ： 陳立緯

共同指導教授 ： 許源泉 ； 林恆勝

國立虎尾科技大學/工程學院/機械與機電工程研究所/博士(2015年)

https://doi.org/10.6827/NFU.2015.00124

摘要

精抽製程透過小面積縮率與大眼模半角的條件進行工件最終的定寸，可提升工件表面的硬化程度，有利於後續工件表面晶粒細化之後處理，當應用於扣件頂鍛時可達到零件表面細緻，且疲勞強度較佳。而此製程的副作用是可能植入表面硬度週期分佈或裂痕等缺陷。因此，本研究將從隆起變形與表面缺陷等方面進行分析，探討各製程參數對精抽製程的影響。
本研究使用DEFORM-2D軸對稱模組，分析圓棒在不同面積縮率、模具半角、應變硬化指數與摩擦因子的製程參數組合，對隆起變形的成形特性、應變分佈、多餘變形因子與表面缺陷的影響。另一方面透過抽拉製程實驗所量測得到的硬度分佈，與有限元素模擬的結果對照，並定義硬度增率以檢驗等效應變分佈模擬分析結果的合理性。透過工具顯微鏡觀察工件成形後的微觀組織、隆起成形的分佈以及表面缺陷的分析，並將實驗與模擬的結果進行比較，以瞭解實驗與模擬之間的差異性與共通性，使軸對稱抽拉製程的分析更為完整。
研究後有以下結論：從模擬可以得到隆起變形造成軸向應變分佈在工件表面附近產生一峰值，此峰值到達工件表面的分佈會些微下降，而峰值的產生主因為工件在入口隆起部的軸向應變出現壓縮分佈，當材料持續成形到模具直部則轉換成為拉伸分佈，工件受到反覆的多餘變形累積而成。小面積縮率與大模具半角所造成的峰值幅度會更為明顯，而小應變硬化指數與大摩擦因子也會使峰值幅度更為劇烈。
從實驗與模擬的隆起高度分析結果顯示，固定模具半角的情況下，隨著面積縮率增加會使隆起高度出現先升後降的分佈，存在一敏感面積縮率對應最大隆起量；材料AISI 1015與AISI 1045的最大隆起量皆出現在面積縮率4%的條件，從敏感面積縮率成因之分析也可得到面積縮率4%為相同對應之條件。
實驗後透過硬度試驗量取工件中心到表面的硬度分佈，並與模擬的等效應變分佈對照，可得到在小面積縮率、大模具半角以及大摩擦因子的條件時，工件表面附近皆出現一峰值分佈，實驗與模擬的分佈類似。
由工件中心橫截面觀察工件表面附近的組織分佈，在小面積縮率、大模具半角以及大摩擦因子的條件下，工件從隆起變形端表面附近通過模具斜面到模具的直部出口處，會呈現纖維化的流線分佈，此乃對應到模擬分析時所呈現的應變峰值；工件在通過模具出口後的表面附近會形成一疏鬆與密集的週期分佈。
實驗的裂痕深度分佈趨勢與隆起量的分佈類似，裂痕深度隨著面積縮率增加而出現先升後降的分佈，可對應到一最大的裂痕深度，而材料AISI 1015與AISI 1045的最大裂痕深度皆出現在面積縮率4%的條件。

關鍵字

抽拉製程 ； 隆起變形 ； 硬度試驗 ； 組織分佈

並列摘要

Bulge formation occurs in drawing with light reductions and large die angles. Reports concerning its effect on strain inhomogeneity in axi-symmetric drawing are limited. In this study, bulge formation is characterized by the occurrence of outward radial velocities in the finite element analysis. Strain distributions, including axial, radial, circumferential, shear and effective strains, were analyzed to explain the effect of bulge formation on strain inhomogeneity. Hardness tests for the drawing experiment were conducted to verify the findings of the FE simulation. Optical microscopy of the microstructures produced by drawing under both a near homogeneous condition and a bulging condition was performed. The results indicate that bulging causes a peak in the axial strain distribution near the drawn workpiece's surface, leading to a slight fall-off of effective strain on the surface. The peak is caused by the excessive redundant deformation of a local reversion from compressive to tensile axial strain. The strain peak is greater when drawing with light reductions and large die angles, and becomes more noticeable with small strain-hardening exponents or large friction factors. Bulge formation also causes fibrous flow-lines near the surface of the drawn workpiece.

並列關鍵字

Bulge formation ； Strain inhomogeneity ； Metal drawing ； Hardness test

參考文獻

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