四模徑向鍛造成形模組研究開發

摘要：徑向鍛造是一種能夠鍛造出長軸件以及中空管的成形製程，一般都是以專用設備來進行，但價格非常昂貴。為了降低設備成本，本研究擬開發複動化模組搭配一般傳統鍛機，產生徑向鍛造的動作，來取代徑向鍛造機。本研究使用楔塊機構，探討模具之設計，來達到四模徑向之動作，楔塊之角度設計為45°。其結構設計為左右作動楔塊裝配於上下四個固定楔塊上，此四件固定楔塊則兩兩分別裝配在上下模板上。而在下墊板上設計五件組楔塊，在鍛造時，此五件組楔塊受兩支上撞桿驅動，會產生往上之動作。四個成形用模仁則分別安裝在上下模板與左右作動楔塊上。結果顯示，當鍛壓機往下成形時，上模板與上模仁往下，下模板與下模仁因撞桿驅動則往上，左右作動楔塊與左右模仁則往中心水平移動，形成四模徑向鍛造之成形動作。以純鋁棒材做實際鍛造驗証，可將∮178 mm棒材鍛至∮75 mm，材料斷面縮減率可達82%，鍛件無出現包料現象，因此本研究之模具設計是可行的，成功地達到四模徑向鍛造之功能。

Abstract：The radial forging process can forge long shaft parts and hollow parts. In general, the work is done by the special machine, which is very expensive. For lowering the equipment cost, the multi-action die set combined with the conventional press is developed to get the action of radial forging, instead of the special equipment.In this article, the wedge mechanism, which angle is 45°,  is used to investigate the design of the tooling. Regarding the design of the structure, there are two moving wedges on the right and left sides are assembled on the four fixed wedges, which are assembled on the upper and lower adaptor plate two by two. The five wedges mechanism is designed on the lower plate. When forging, the five wedges will form the upward movement by the driving of two upper rod. The four forging dies are assembled on the die plates and moving wedges. The results show that when the press moves down, the upper die plate and the upper die move down and the lower plate and lower die move upward due to the hit of the rods. The right and left moving wedges with the dies move toward the center oppositely. So, the four dies radial forging model is achieved. In actual forging, the bar of 178 mm in diameter can be forged to 75 mm, which area reduction is up to 82%, and no lapping occurred. So, the design of the tooling is feasible and can attain the capability of the four dies radial forging successfully.

關鍵詞：徑向鍛造、楔塊、複動化

Keywords：Radial forging, Wedge, Multi-action

前言

四模旋鍛又稱為徑向鍛造，是一種藉一組或多組相對型模之旋轉及向心重複連續鍛打之設備，如圖1，以使線材、棒材或管材縮減截面積或改變外形之加工成形法，所用之材料其截面通常是圓形、方形或其他均勻對稱者。然而，旋鍛成品通常是圓形材，但也可產製單斜度或複合斜度型材，或特殊內面形狀，或改變截面形狀等[1]~ [4]。旋鍛也可說是增長工件，是在自由鍛型鑽拔長的基礎上發展的。用於內孔形狀複雜或內孔細長的空心軸如圖2，鍛造截面為圓形，方形或多邊形的各種等截面或變截面的實心軸如圖3，也可用於裝配工件[5] [6]。

圖1 四模徑向鍛造專用機

                               圖2 具不同截面之長軸件                              圖3  具中孔形狀之長軸件

研究目的

由於一套四模徑向鍛造專用機的價格過於昂貴，本研究擬開發一套類似徑向鍛造機的四模旋鍛模組，利用四模旋鍛模組搭配一般鍛機來取代昂貴的徑向鍛造機，以便節省成本。

研究方法

 1.四模旋鍛模組之楔塊機構設計

本模具設計是結合垂直式楔塊機構及水平式楔塊機構來做設計，較為不同的地方是將五塊式楔塊組之位置移動至下模座，左右分別設計兩支撞桿驅動楔塊組運動，控制鍛造時上模仁與下模仁之速度，使其成為等速度上下移動。並搭配水平式楔塊機構來達成左右兩側向模仁與上下模仁之等速運動。在鍛造開始時，上模開始往下運動，帶動側向滑塊及側向承座之水平式楔塊機構，使其產生等速度之水平方向進給，當上模繼續往下移動時，兩支撞桿開始作動，帶動驅動楔塊組使得側向楔塊進行橫向運動，最後使得中間楔塊進行向上運動，帶動下保持件使其上升，由於楔塊之運動是由撞桿而來，撞桿之速度與鍛機速度相同，故由撞桿帶動之五塊式楔塊組其速度也會與鍛機相同，如圖4所示[7]。

圖4 四模旋鍛模組之楔塊機構設計

2.四模徑向鍛造模組楔塊機構模組運動分析

四模徑向鍛造模組楔塊機構之運動關係，如圖5所示，各項符號代表之意義說明如下:

• VUD:上模座之運動速度
• VDD:下保持件之運動速度
• V1:撞桿相對於上模座之運動速度
• V2:側向楔塊對於上模座之運動速度
• DUD:上模座之位移行程
• DLD:側向滑塊之位移行程
• α:側向楔塊對水平線之夾角
• β:側向楔塊對水平線之夾角
• θ:側向承座與水平線之夾角

由於楔塊之角度皆為45°，所以其相對運動的速度為相同，方向相反。

圖5 四模徑向鍛造楔塊機構模組運動分析圖

3.四模徑向鍛造模組鍛造模具設計與鍛造過程分析

因為徑向鍛造必須通過多次重覆鍛打才能使外徑逐步成形，在材料的塑性變形上也會較為均勻。如圖6所示，為四個模仁做徑向鍛造之示意圖。本研究以DEFORM-3D軟體進行四模徑向鍛造模組模擬，參數設計為胚料單次徑向變形量為材料初始外徑10%及導程前進40 mm。鍛造方式為將材料四面鍛打後旋轉45°，接著四面鍛打後轉67.5°，四面鍛打後旋轉112.5°完成一次鍛打，將兩端凸起的地方鍛打下去依此類推。如圖7以探討模具之設計， 結果顯示為可行。

圖6 四模徑向鍛造模仁示意圖    

     圖7 四模徑向鍛造胚料變形過程之模擬